Järnvägstransformator: typer, specifikationer och tillämpningar

 

Introduktion

Höghastighetståg, spårvagnar, spårvägar, tunnelbanor och konventionella tåg är alla beroende av en pålitlig strömförsörjning för att fungera säkert och effektivt. Bakom denna strömförsörjning finns en rad specialiserade järnvägstransformatorer, designade för att omvandla och distribuera elektrisk kraft för olika delar av ett järnvägselektrifieringssystem. Bland dem,dragningtransformatorerspelar en nyckelroll. De används i järnvägstraktionsstationer och, i vissa tillämpningar, ombord på tåg för att omvandla elektrisk kraft till den spänning och konfiguration som krävs av järnvägstraktionssystem. I den här artikeln förklarar vi vad en järnvägstransformator är, hur dragtransformatorer fungerar, huvudtyperna av järnvägstransformatorer, deras nyckelspecifikationer och hur man väljer rätt transformator för ett järnvägsnätverk.

 

Vad är en järnvägstransformator?

En järnvägstransformator är designad för användning i järnvägselektrifieringssystem för att omvandla, isolera och distribuera elektrisk kraft till tåg och tillhörande utrustning. En av huvudtyperna är dragtransformatorn, som levererar ström till järnvägstraktionssystemet.

En dragkraftstransformator för järnväg, även känd som en dragkraftstransformator, omvandlar vanligtvis hög-växelström från elnätet eller ett järnvägsnät till en spänning som är lämplig för dragsystemet. Den installeras vanligtvis på en järnvägstransformatorstation, där den levererar ström till kontaktledningar eller tredje-rälssystem. Vissa dragtransformatorer är också konstruerade för direkt installation på elektriska tåg.

Till skillnad från konventionella krafttransformatorer måste en dragtransformator hantera frekventa och snabba förändringar i belastningen. Tågsacceleration kan orsaka plötsliga ökningar av strömmen, medan inbromsningar och förändringar i tågdriften kan ge ytterligare variationer i den elektriska belastningen. Därför är järnvägstransformatorer konstruerade för tillförlitlig drift under dynamiska belastningar, elektriska påfrestningar, vibrationer och andra krävande järnvägsförhållanden.

För en bredare introduktion till dragtransformatorkonstruktion och komponenter

se vårTraction Transformator Översikt.

 

3. Arbetsprincip för järnvägstransformatorer

Järnvägstransformatorns arbetsprincip är baserad på elektromagnetisk induktion. I en traktionsstation sänker transformatorn hög-effekten från elnätet eller järnvägsnätet till en spänning som är lämplig för järnvägstraktionssystemet.

Hög-spänningsingång: El från kontaktledningar eller tredje-rälssystem matas in i järnvägstransformatorns primärlindning. Ingångsspänningen kan variera från 15 kV till 25 kV, beroende på järnvägssystem.

 

Spänningstransformation:Hög-spänningsingången aktiverar primärlindningen och skapar ett föränderligt magnetfält i transformatorns kärna. Genom elektromagnetisk induktion inducerar detta magnetfält en lägre spänning i sekundärlindningen, med spänningen som bestäms av transformatorns varvförhållande.

 

Spänningsreglering: Järnvägstransformatorn justerar spänningen för att matcha kraven på tågets dragsystem, vilket vanligtvis reducerar den till en lägre spänningsnivå som är lämplig för tågets framdrivningsutrustning.

 

Kraftleverans: Den omvandlade kraften levereras sedan till dragkraftssystemet, inklusive dragmotorerna eller annan ombordutrustning, vilket gör att tåget kan fungera.

 

Skydd & Kontroll: Järnvägstransformatorer måste klara både hög inspänning och varierande belastningskrav under tågdrift. Skyddsanordningar som brytare och sensorer övervakar temperatur, spänning och ström för att säkerställa säker och tillförlitlig drift.

 

Feedback & justering: Kontinuerlig övervakning gör att systemet kan reagera på förändringar i belastning och driftförhållanden, vilket hjälper till att upprätthålla stabil prestanda och förhindra fel.

 

4. Typer av järnvägstransformatorer

Det finns flera typer av järnvägstransformatorer, och deras design varierar beroende på järnvägens strömförsörjningssystem, installationsplats och tillämpning. Huvudtyperna inkluderar stationära dragtransformatorer, inbyggda dragtransformatorer, automatiska-transformatorer och dragtransformatorer för flera-system.

 

4.1 Stationära dragtransformatorer

Stationära dragtransformatorer installeras vid järnvägstransformatorstationer längs järnvägslinjen. De drar ner hög-ström från elnätet eller järnvägsnätet innan de levererar elektricitet till tåget genom kontaktledningssystemet eller tredje räls.

Dessa transformatorer används ofta i järnvägselektrifieringssystem för att ge en stabil och pålitlig strömförsörjning för elektriska tåg.

 

4.2 Inbyggda dragtransformatorer

Transformatorer ombord installeras direkt på elektriska tåg eller lok. De har en kompakt och lätt design eftersom de måste röra sig med tåget samtidigt som de klarar de höga-effektkraven från dragsystemet.

Dessa transformatorer får ström från järnvägens luftledningssystem och trappar ner den till en lämplig spänning för tågets dragkraft och elektriska utrustning.

 

4.3 Traction Auto-Transformatorer

Traction auto-transformatorer används i strömförsörjningssystem för järnvägar, särskilt i hög-högspännings- och-höghastighetståg. De hjälper till att upprätthålla den erforderliga spänningen längs järnvägslinjen och kan minska spänningsfall och effektförluster över långa avstånd.

Till skillnad från konventionella två-lindningstransformatorer använder en automatisk-transformator en gemensam lindning för en del av primär- och sekundärkretsarna.

 

4.4 Multi-system dragtransformatorer

Transformatorer för flera-system är designade för elektriska tåg som kör över järnvägsnät med olika elektrifieringssystem. De kan ta emot olika matningsspänningar och frekvenser, vilket gör att tåg kan trafikera regioner eller länder med olika järnvägskraftsstandarder.

 

4.5 Transformatorer för AC- och DC-traktionssystem

Järnvägstransformatorer kan också klassificeras efter typen av järnvägsströmförsörjning.

AC-traktionstransformatorer används i AC-järnvägselektrifieringssystem, inklusive många långa-vägs- och-höghastighetsnät. De sänker den inkommande växelspänningen till den nivå som krävs av tågets dragsystem.

DC-dragsystem används vanligtvis för tunnelbanetåg, spårvagnar och förortsjärnvägar. I dessa system används vanligtvis transformatorer tillsammans med likriktare för att omvandla den inkommande växelströmmen till den likström som krävs av järnvägssystemet.

Valet av järnvägstransformator beror på järnvägens elektrifieringssystem, spänning och frekvens, installationstyp, tågkrav och driftsförhållanden.

 

5. Tillämpningar av järnvägstransformatorer

Järnvägstransformatorer används huvudsakligen i elektrifierade järnvägssystem för att tillhandahålla tillförlitlig kraft till tåg och tillhörande järnvägsutrustning. Deras tillämpningar varierar beroende på typen av järnväg, tåg och elektrifieringssystem.

 

6. Design och specifikationer för järnvägstransformatorer

Traktionstransformatorns design beror på järnvägens elektrifieringssystem, installationstyp, spänningsnivå, effektkrav och driftsförhållanden. Jämfört med vanliga krafttransformatorer måste järnvägstransformatorer tåla frekventa belastningsbyten, mekaniska vibrationer, elektriska påfrestningar och krävande driftsförhållanden.

 

6.1 Kärna och lindningar

Transformatorkärnan ger en låg-reluktansbana för magnetiskt flöde mellan lindningarna. Kärnmaterial av-hög kvalitet och en styv konstruktion hjälper transformatorn att bibehålla tillförlitlig prestanda under fluktuerande järnvägsbelastningar.

Lindningarna är konstruerade enligt erforderlig spänning och effekt. Ledarmaterial och isoleringssystem av hög-kvalitet används för att ge den mekaniska styrka och elektriska isolering som krävs för järnvägstillämpningar.

 

6.2 Spänning och frekvens

Specifikationerna för dragtransformatorn beror på järnvägens strömförsörjningssystem. Vanliga järnvägsförsörjningsnivåer inkluderar:

• 15 kV, 16,7 Hz AC - används i vissa europeiska järnvägsnät.
• 25 kV, 50/60 Hz AC - används ofta för järnvägselektrifiering.
• 1,5 kV DC och 3 kV DC dragkraftssystem - som används i vissa stads- och konventionella järnvägsnät.

Utspänningen väljs enligt kraven för dragsystemet och nedströms elektrisk utrustning.

 

6.3 Effektvärde

Dragtransformatorns klassificering anges normalt i kVA eller MVA och beror på tåget, järnvägsnätet och förväntad belastning. Olika applikationer kan kräva olika effekt, från mindre enheter för spårväg och spårvagnar till transformatorer med högre-kapacitet för höghastighetståg och-tunga järnvägssystem.

Transformatorn måste också vara konstruerad för att tåla kortvariga-överbelastningar och snabba förändringar i lasten under tågets acceleration, inbromsning och normal drift.

 

6.4 Kyla och konstruktion

Dragtransformatorer kan använda olika kylningsmetoder beroende på installation och effektbehov.

Olje-transformatorer använder isolerande vätska för både kylning och isolering.

Transformatorer av -typ använder luft för kylning och fasta isoleringsmaterial, vilket gör dem lämpliga för applikationer där olja inte är att föredra.

För applikationer ombord måste transformatorn också uppfylla stränga krav på utrymme och vikt. Beroende på tågets design kan transformatorer installeras i maskinrum, under golvet, i låga-golvytor eller på taket.

 

6.5 Tappkopplare och spänningsreglering

En lindningskopplare kan användas för att justera transformatorspänningen enligt kraven i järnvägskraftsystemet. Beroende på applikationen kan en dragtransformator använda en lindningskopplare på-belastning (OLTC) eller en lindningskopplare av-belastning.

En OLTC kan justera spänningen medan transformatorn förblir spänningssatt, medan en lindningskopplare avstängd- kräver att transformatorn kopplas bort innan uttagspositionen ändras.

 

6.6 Effektivitet och energiförluster

Dragtransformatorer är konstruerade för hög effektivitet eftersom de arbetar under frekventa och föränderliga belastningsförhållanden. Deras energiförluster inkluderar främst härdförluster och lastförluster.

• Kärnförluster: Orsakas främst av hysteres och virvelströmmar i transformatorns kärna. Dessa förluster förblir relativt stabila när transformatorn är strömsatt.
• Lastförluster: Orsakas huvudsakligen av lindningsmotstånd och ökar med kvadraten på lastströmmen.
• Andra förluster: Herrelösa förluster, dielektriska förluster och den effekt som förbrukas av kylutrustning kan också bidra till de totala förlusterna.

Den faktiska effektiviteten och förlusterna beror på transformatorns design, märkeffekt, material, kylningsmetod och driftsbelastning. Därför bör transformatorernas effektivitet och förlustvärden utvärderas enligt de specifika projektkraven och tillämpliga standarder.

 

6.7 Skydd och testning

Tillförlitligt skydd är viktigt eftersom traktionstransformatorer arbetar under höga elektriska och dynamiska belastningar. Typiska skydds- och övervakningsfunktioner inkluderar:

• Överströmsskydd
• Överspänningsskydd
• Temperaturövervakning
• Isoleringsövervakning
• Jordfelsskydd

Traktionstransformatortestning utförs för att verifiera elektrisk prestanda, isoleringsstyrka, temperaturprestanda och övergripande tillförlitlighet innan transformatorn tas i bruk.

De slutliga dragtransformatorernas specifikationer och klassificeringar bör bestämmas enligt järnvägsspänningssystem, frekvens, effektbehov, installationsförhållanden, kylningsmetod och tillämpliga standarder.

 

6.8 Viktiga designutmaningar

Järnvägstransformatorer måste balansera flera krav, inklusive:

Hög effekt: Hantera höga och snabbt växlande laster.

Termisk hantering: Avled värme under krävande driftsförhållanden.

Mekanisk styrka: Tål vibrationer och mekanisk påfrestning.

Kompakthet: Uppfyll utrymmes- och viktbegränsningar, speciellt för applikationer ombord.

Pålitlighet: Upprätthåll stabil drift med minimalt underhåll.

 

7. Hur väljer man en järnvägstransformator?

Att välja rätt järnvägstransformator beror på järnvägens kraftsystem, belastningskrav, installationsförhållanden och tillämpliga standarder. Innan du gör en beställning är det viktigt att bekräfta följande nyckelspecifikationer.

 

7.1 Märkeffekt och spänning

Transformatorn bör ha tillräcklig kapacitet för att klara förväntad järnvägsbelastning, inklusive topp- och växlande laster under drift. Erforderlig märkeffekt och hög-spänningsnivå bör bestämmas i enlighet med järnvägens strömförsörjningssystem.

SCOTECH kan tillhandahålla transformatorer med märkeffekt upp till 100 MVA och märk högspänning upp till 132 kV, med anpassade klassificeringar tillgängliga enligt projektets krav.

 

7.2 Anslutnings- och faskrav

Transformatoranslutningen bör matcha järnvägstraktionssystemet och dess strömförsörjningskonfiguration. Olika järnvägsapplikationer kan kräva olika fasarrangemang och lindningsanslutningar.

Tillgängliga anslutningsalternativ inkluderar:

• YN,d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-ansluten (3-fas/2-fas)
• Leblanc-ansluten (3-fas/2-fas)
• Woodbridge-ansluten (3-fas/2-fas)

 

7.3 Isolering och kylmedium

Valet av isolerings- och kylmedium beror på installationsmiljön, prestandakrav och projektspecifikationer.

SCOTECH kan erbjuda olika alternativ, inklusive FR3, mineralolja, silikon, kolväte och vegetabilisk olja.

Kylsystem kan också konfigureras enligt transformatorns klassificering och tillämpning, med galvaniserade eller rostfria-radiatorer tillgängliga.

 

7.4 Tank och tillbehör

Transformatortanken och locket bör ge tillräcklig mekanisk styrka och skydd för de interna komponenterna. Beroende på projektkraven erbjuder SCOTECH tankar och lock i mjukt stål eller rostfritt-stål.

Ytterligare tillbehör kan också konfigureras, inklusive:

• Buchholz stafett
• Strömtransformator (CT)
• På-lasttryckväxlare (OLTC)
• Rangeringslåda
• Lindningstemperaturindikator
• Andra övervaknings- och skyddstillbehör

 

7.5 Impedans och anpassade krav

Transformatorimpedans påverkar spänningsreglering och-kortslutningsprestanda, så den bör väljas enligt järnvägssystemets krav.

SCOTECH stöder anpassad impedans och kan tillhandahålla en elektrostatisk skärm vid behov. Andra transformatorparametrar kan också anpassas enligt projektspecifikationen.

 

7.6 Standarder och testning

Järnvägstransformatorer bör konstrueras och testas enligt de standarder som krävs för det specifika projektet och marknaden. SCOTECH konstruerar transformatorer enligt gällande IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA och andra relevanta standarder.

Innan du väljer en järnvägstransformator, bekräfta erforderlig effekt, spänning, frekvens, anslutning, isolering och kylmedium, impedans, tillbehör, installationsvillkor och tillämpliga standarder. Att tillhandahålla dessa detaljer till transformatortillverkaren hjälper till att säkerställa att den slutliga designen matchar järnvägens kraftsystem och driftskrav.