邓云川
(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都610031)
摘 要：针对变压器节能技术在电气化铁路中应用这一课题，介绍了变压器损耗和降低损耗的相关技术。以成昆铁路和宝成铁路电量数据为样本，采用概率统计的方法计算其数值特征，得出牵引变压器和所用变压器容量利用率的数学期望。对牵引变电所电量数据的统计分析表明，电气化铁路牵引变压器和所用变压器运行的经济性较差，为此，采用空载损耗较低的磁畴细化电工钢片铁心牵引变压器和非晶合金铁心所用变压器能够在一定程度上提高变压器运行的经济性。并结合变压器经济运行的相关指标，对节能变压器相关技术在电气化铁路牵引变压器和所用变压器中的应用进行了分析，提出了相关结论和建议。
关键词：变压器;节能;环保;电气化铁路;应用分析
随着我国经济的发展，环境保护、能源消耗问题成为制约发展的瓶颈，影响日益突出。为此，资源节约和环境保护已被确定为基本国策，建设“资源节约型、环境友好型社会”已被确定为全面建设小康社会的基本模式。节能减排工作的重点在电力，电力节能减排已成为节能减排的中心工作。
变压器是电力行业最为重要的电气设备之一，也是重要的能源消耗设备，采用新材料、新工艺和新技术，降低变压器的电能损耗，减少有害气体的生成，一直是电气设备制造人员不懈追求的目标，也是促进变压器行业进步和发展的源泉和动力。目前，我国电网大力推广应用节能型配电变压器，已停止生产7型配电变压器并淘汰电网中高耗能变压器，对降低电网线损起到了积极作用。据统计，线损率已从1996年的8.52%下降到2010年的7.2%，但与国际先进国家相比仍高出1%～2%。铁路牵引供电系统作为电力行业的特殊分支，应结合铁路牵引负荷特点，对节能型牵引变压器相关技术进行分析、研究和应用，实现节能环保基础上的技术进步和产业升级。
变压器运行中，铁心通过磁通产生空载损耗，绕组流过电流产生负载损耗。此外，绕组电流引起的漏磁通、铁心过励磁时在铁心外的漏磁通，也会产生附加损耗。
负载损耗与负荷电流的平方成正比，与绕组阻抗成正比。为降低负载损耗，可采用比电解铜导电率高的无氧铜杆拉拔导线，提供导电系数。此外，还可以适当降低电流密度，改善绝缘结构，采用半油道、预制绝缘件、绕组完全换向等措施。铁心中的涡流损耗和磁滞损耗占空载损耗的99%以上，两者比值约为2∶3，磁滞损耗，与频率成正比并取决于磁滞回线面积;涡流损耗，与频率二次方成正比，也与材料厚度二次方成正比。因此，为降低磁滞损耗，应使铁心材料具有最小的磁滞回线面积，而要降低涡流损耗，应采用薄的铁心钢片，同时增加片间电阻使涡流难以在片间流通。
降低变压器损耗主要从改进材质、改造结构等方面进行研究和应用。改进变压器材质主要是超导变压器以及铁心的改进。超导变压器是采用铋氧化物作为线圈绕组，液氮替代变压器油，因超导体直流电阻为零，故没有负载损耗;铁心的改进，从变压器诞生起，就一直在不断的延续和进行，具体如表1所示。改造变压器结构主要是卷铁心(包括普通圈铁心和R型圈铁心)、立体铁心、调容变压器。卷铁心是将硅钢片纵剪成不同宽度的条料，在铁心卷制机上连续不断绞制而成。由于铁心用量节省、叠装系数增大3%～5%、采用退火工艺，其空载损耗可较普通叠铁心降低20%～30%。R型卷铁心是由一根连续的、宽窄不一的硅钢带卷绕而成，经退火和浸漆处理一次成型。R型铁心可采用较薄的高导磁硅钢片制造，由于占空比接近100%，可节省铜材4% ～6%，比普通卷铁心损耗更低。立体铁心通常采用卷绕工艺，三相铁心成三角形立体排列，如图1所示。由于结构对称，解决了三相磁路不平衡问题，其损耗比卷铁心变压器更低。调容变压器是将线圈的绕制和连接方式经简单改动，配上调容转换开关，使一台变压器具有2种额定容量，使用中根据负荷大小调节变压器容量，避免“大马拉小车”现象，以节约电能。
表1 铁心材质的改进发展情况表
图1 立体铁心结构图
对于电气化铁路牵引供电系统而言，其负荷主要分为牵引负荷和变电所(站)用负荷2种。针对这2种负荷，采用概率统计的方法分析其负荷特征。具体以成昆铁路新津牵引变电所为例，其2010年电量等数据如表2所示。计算表中各组数据的平均值和标准差，以平均值为正态分布数学期望、以标准差为正态分布方差，构造正态分布概率函数，然后以Kolmogorov-Smirnov法进行正态分布判定，具体如图2～图7所示(以阶梯概率分布与构造正态分布概率分布差值作为判据)，判定结果如表1相关内容。从结果分析，各电量数据均符合概率正态分布，样本数据均值可以作为研究对象的数学期望。
表2 新津牵引变电所电量数据及概率统计分析结果表
图2 牵引变压器用电量正态分布判定
图3 所用变压器自用电量正态分布判定
图4 牵引变压器损耗正态分布判定
图5 无功电量正态分布判定
从结果分析，各电量数据均符合概率正态分布，样本数据均值可以作为研究对象的数学期望，依据该结论，选取成都局有代表性的成昆铁路(单线)和宝成铁路(复线)进行数据处理，得到2线各所电量数据的数学期望，具体如表3、表4所示。根据2个互相独立的正态分布随机变量X，Y:X～N(μ1，σ12)，Y～N(μ2，σ22)，aX+bY～N(aμ1+bμ2，a2σ12+b2σ22);因为各变电所电量数据均为相互独立的正态分布变量，因此，总用电量数据也为正态分布，其数学期望为各变电所电量数学期望之和，方差也为各变电所电量方差之和。
图6 牵引变压器容量利用率正态分布判定
图7 所用变压器容量利用率正态分布判定
表3 成昆铁路各牵引变电所电量数学期望
表4 宝成铁路各牵引变电所电量数学期望
综合目前节能变压器相关技术在电力系统的应用情况，以及电气化铁路负荷情况，可应用于电气化铁路中的相关技术主要有:卷铁心变压器、R型卷铁心变压器、非晶合金铁心变压器、立体铁心变压器、磁畴细化电工钢片铁心变压器以及调容变压器。各种变压器额定空载损耗和额定负载损耗比α值如表5所示;不同型号系数额定损耗系数如图8所示。
表5 不同节能变压器技术额定损耗比值表
注:①对于额定损耗而言，型号数字越大的变压器，其额定空载损耗越低，通常型号数字相差1，意味着空载损耗至少相差10%。②调容变压器是根据负荷情况，调整变压器的工作容量、改变额定空载损耗和额定负载损耗、提高负载系数，以此降低变压器的损耗，该技术与额定损耗比没有直接关系。
图8 不同型号数字变压器额定损耗比
以变压器运行效率为考核目标，分析变压器的空载损耗P0×T(T为运行时间)和负载损耗T×(I/IN) 2Pk(I为有效电流，IN为变压器额定电流)，可得出变压器的空载损耗和负载损耗相等时，变压器运行效率最高，即额定空载损耗和额定负载损耗比值P0/Pk等于负载系数的平方(I/IN)2。在功率因数接近1的情况下，变压器容量利用率近似等于负载系数I/IN，根据牵引变压器和所用变压器的容量利用率可以得出额定空载损耗和负载损耗的合理值，结果如表6所示。
表6 牵引变压器及所用变压器额定负载损耗比值表
目前，我国牵引变压器的损耗大致属于9型，其额定损耗比为4.6～5.9(平均5.25)。通过上述分析，对于牵引变压器，降低空载损耗，使其额定损耗比接近20左右，才能获得最佳工作效率。因此，非晶合金铁心变压器可能是一种很好的选择。但是非晶合金由于工艺和(带材)的限制，容量还无法做大，目前制造并投运的最大容量为5 000 kVA，因此，还无法应用于牵引变压器。对于立体铁心、卷铁心、R型铁心变压器，同样受工艺等限值，基本应用于35 kV及以下，容量不超过3 150 kVA。这里，笔者认为，就降低空载损耗，提高额定损耗比而言，采用磁畴细化电工钢片铁心变压器是节能型牵引变压器较好的选择。
对于所用变压器，由于容量较小，基本不超过100 kVA，因此，具有最高额定损耗比的非晶合金铁心成为节能型所用变压器较为理想的选择。
变压器总损耗与容量的3/4次方成正比，因此，容量越大，损耗越高。变压器负载系数为30%～70%时，处于经济运行区;当负载系数位于20%～30%或70%～100%时，为不良运行区;而低于20%时，处于最劣运行区。从上述容量利用率分析结论可知，牵引变压器处于劣质运行区边缘，而所用变压器则位于劣质运行区。当然，牵引变压器有短时过负荷运行的要求，所用变压器有为满足滤油机临时运行的需要，这些都是导致变压器安装容量偏大，容量利用率低，运行经济性差的因素。结合技术条件和上述分析，笔者认为，针对牵引变压器和所用变压器接线形式，研制调容牵引变压器和调容所用变压器将能很大程度上根本解决问题。同时，考虑到所用变压器通常设置2台，一台为27.5 kV所用变压器，由变电所27.5 kV母线供电;一台为10 kV所用变压器，由电力贯通线供电，2台变压器互为备用的情况，笔者提出，可以将2台变压器按不等容量配置，平时采用小容量变压器供电，大容量变压器备用，在临时需要为滤油机等大负荷供电时，采用大容量变压器供电。
对牵引变电所电量数据的统计分析表明，电气化铁路牵引变压器和所用变压器运行的经济性较差，为此，采用空载损耗较低的磁畴细化电工钢片铁心牵引变压器和非晶合金铁心所用变压器，能够在一定程度上提高变压器运行的经济性。但是，采用调容牵引变压器和调容所用变压器将从根本上提高变压器运行的负载系数(容量利用率)，从而改善变压器运行的经济性，节约能源、节省基本电费及变压器频繁更换的建设投资，为节能、环保、绿色发展做出贡献。
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Application and Analysis of Energy-saving Technology for Transformer in Electrified Railway
DENG Yunchuan
(China Railway Eryuan Engineering Group Co．L td，Chengdu 610031，China)
Abstract：Aiming to the application of power-saving technology for transformer in electrified railway，the transformer loss and relating technology for loss reduction are introduced in this paper，taking power data of ChengKun railway and BaoCheng railway as a example，the numerical character of concerning data is calculated by probability statistics method and the mathematical expectation of capacity utilization of traction transformer and substation transformer are gotten．Statistical analysis of power data of traction substation shows that traction transformer and substation transformer for electrified railway are poor in running economy，therefore，magnetic domain refinement electrical steel core traction transformer and amorphous alloy iron core substation transformer with lower no-load loss can improve the running economy of transformer to a certain degree．In combination with related index of the economical running of transformer，an analysis is done on application of power-saving technology for traction transformer and substation transformer in electrified railway，and some conclusions and suggestions are given．
Key words：transformer;power-saving;environmental protection;electrified railway;application analysis
中图分类号：U223.5
文献标志码：:A
文章编号：1674—8247(2015)01—0014—05
收稿日期：2014-10-22
作者简介：邓云川(1974-)，男，教授级高级工程师。