动车组牵引传动系统-动车组主变压器

变压器的基本工作原理目录CONTENTS01变压器的原理和分类02变压器的基本结构03CRH2A动车组主牵引系统结构简图变压器的原理和分类主变压器是动车组上的重要部件，用来把接触网上取得的25kV高压电变换为供给牵引变流器及其他电器工作所适合的电压。由于变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它的结构原则是：两个（或两个以上）互相绝缘的绕组套在一个共同的铁芯上，它们之间有磁的耦合，但没有电的直接联系。所以，如同电机一样，变压器也是以磁场为媒介的（工作原理如图所示）。单相变压器工作原理变压器的原理和分类通常两个绕组中一个接到交流电源，称为一次绕组。另一个接到负载，称为二次绕组。当一次侧接到交流电源时，在外施电压的作用下，一次绕组中有交流电流流过，并在铁芯中产生交变磁通，其频率和外施电压的频率一样。这个交变磁通同时交链一次、二次绕组，根据电磁感应定律，便在一次、二次绕组内感应出电动势。二次侧有了电动势，便向负载供电，实现了能量传递。在这一过程中一次、二次侧感应电动势之比等于一次、二次绕组匝数之比，只要改变一次、二次绕组的匝数，便可达到改变电压的交流电能的基本工作原理。变压器的原理和分类变压器在各个领城应用很广，为了适应不同的使用目的和工作条件，变压器的类型很多，且各种类型的变压器在结构上、性能上的差异也很大。由于高速铁路均采用接触网架构的单相供电模式，因此，所有高速动车组均配置有单相变压器。变压器的结构主要由铁芯、绕组、油箱和绝缘套管等部件组成。铁芯和绕组是变压器进行电磁感应的基本部分，称为器身。油箱起机械支撑、冷却散热和保护作用；油起冷却和绝缘作用；套管主要起绝缘作用。变压器的基本结构1.铁芯铁芯是变压器的磁路部分，它分为芯柱和铁轭两部分。芯柱上套绕组，铁轭将心柱连接构成闭合磁路。为了减少交变磁通在铁芯中产生磁滞损耗，变压器铁芯通常由厚度为0.35mm、表面涂绝缘漆的冷轧高硅钢片叠装而成。根据结构形式，铁芯又分成芯式和壳式两种。变压器的基本结构根据结构形式，铁芯又分成芯式和壳式两种。图1是单相芯式变压器的铁芯，这种铁芯结构的特点是铁轭靠着绕组的顶面和底面，但不包围绕组的侧面。图2是单相壳式变压器的铁芯，这种铁芯结构特点是铁轭不仅包围绕组的顶面和底面，而且还包围绕组的侧面。CRH2/CRH380A系列动车组采用壳式变压器，CRH1/CRH3/CRH5/CRH380BL及CRH380D型动车组均采用芯式变压器。图1图2变压器的基本结构2.绕组绕组是变压器的电路部分，它由包有绝缘材料的铜（或铝）导线绕制而成。变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。高、低压绕组之间的相对位置有同心式和交迭式两种。同心式绕组的高低压绕组同心的套在铁芯柱上。为了便于绕组和铁芯绝缘，通常低压绕组靠近铁芯。交迭式绕组的排列方式如图所示。高低压绕组沿铁芯柱高度方向交迭的布置。为了减小绝缘距离，通常低压绕组靠近铁轭。这种结构主要用在壳式变压器中。

图交迭式绕组的饼式线圈排列方式变压器的基本结构3.油箱高速动车组变压器线圈均放置在油箱中，箱内充满变压器油，其目的是提高绝缘强度（因变压器油绝缘性能比空气好）、加强散热。4.高压套管变压器的引出线从油箱内穿过油箱盖时，必须利用绝缘套管以使带电的引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管一般是瓷质、硅橡胶或树脂材料的，它的结构主要取决于电压等级。为了增加表面放电距离，套管外形做成多级伞形，电压越高级数越多。CRH2A动车组主牵引系统结构简图5.冷却系统为了加强冷却效果，动车组变压器均配置1套冷却系统。目前动车组普遍采用油循环强迫风冷方式。CRH系列动车组主变压器目录CONTENTS01CRH系列动车组主变压器技术参数02CRH1动车组系列主变压器03CRH380D型动车组04CRH2/CRH380A系列动车组05CRH3/CRH380B系列动车组CRH系列动车组主变压器技术参数CRH系列动车组主变压器主要采用两种结构：芯式变压器和壳式变压器。各车型主变压器主要技术参数见表1。车型单位CRH1CRH2CRH3CCRH5ACRH380ACRH380BCRH380CCRH380D结构

芯式壳式芯式芯式壳式芯式芯式芯式频率Hz5050505050505050阻抗电压

32.5%21.5%44%47%24.5%42.5%41%24.5%额定电压原边V2500025000250002500025000250002500025000牵引V4x9012x15004x15516x17702x16584x18504x13508x964辅助V1004400无无400无无无额定电流原边A84122.4226210167234247242牵引A4x5852x856.74x9106x4962x11024x7904x11418x784辅助A1581225无无1300无无无绝緣等级

A级特A级A级F级特A级A级F级混合级总损耗kW69.5140.1202.5250186191.8236197.5额定容量kV·A21083060564452624174584861646048总质量kg41002910620070003570640064006070最大尺寸长mm30112609396041242639396040085482宽mm23022295297824852308297829782891高mm653834（800）658.5844809809791表1CRH系列动车组主变压器性能参数CRH1系列动车组主变压器1.概述CRH1A型动车组有三个主变压器，分别位于2车、5车和7车的底架上，它们向所有整流器模块提供电流。2号车主变压器向1车和3车中的整流器提供电流，5车的主变压器向4车中的整流器提供电流，而7车的主变压器向位于8车和6车中的整流器提供电流。CRH1系列动车组主变压器1.概述主变压器总电路图如图2所示，包括：一个原边绕组、四个次级牵引绕组和一个次级滤波器绕组。主变压器把接触网高电压变为牵引系统和网侧滤波器适用的电压。网侧滤波器连接到滤波器绕组上，装有熔丝、滤波电阻和滤波电容，其作用是抑制瞬时高电压。在主变压器下面有一个接地变压器，为电力回流提供了条电流通路，防止回流通过轮对轴承，使轴承发热。图2CRH1系列动车组主变压器主变压器的冷却系统原理可用图3表示，矿物油强迫循环冷却方式，其冷却原理如下：变压器工作损耗使变压器油加热膨胀，进人膨胀油箱，膨胀油箱中的热油被泵入热交换器，空气——油热交换器受冷却风扇的强迫空气冷却，冷却后的油经过回油管返回到变压器箱。

图3CRH1系列动车组主变压器热交换器、油过滤器和风扇一起位于冷却装置中，两个热交换器由一台风扇电机驱动的两个风扇轮冷却，外部空气通过过滤器后由风扇吸入。风扇油泵电机由接触器控制，由电机保护断路器保护。为了降低风扇的噪声，风扇电机有低速/高速两挡运行模式。主变压器中的传感器主要包括温度传感器、流量传感器、压力传感器和油位传感器。温度传感器：以Pt100装置测量变压器温度，此温度值通过一个模拟量接口输入到车辆控制器，一般情况下，当温度增加至100℃时，最大牵引绕组电流减少。当温度处于100℃和105℃之间时，功率呈线性下降至50%。高于110℃时，牵引功率切除，此时仅对辅助系统供电。这样可以防止温度继续升高。如果温度升至115℃之上，通过主断路器切除变压器的原边供电。一旦发生这种情况，断路器只有在油温降至95℃以下时才能闭合。CRH1系列动车组主变压器流量传感器和压力传感器：通过流量和压力传感器监控主变压器冷却油的流量和压力。只要流量和压力在规定的范围之内，车辆控制器会收到一个信号，表示油流量和压力正常。油位传感器：每个变压器有两个油位探测器用于检测不同的油位，分别为“油位低”与“油位太低”。当两个传感器都探测到低油位时，两个传感器的辅助触点均断开，向车辆控制器发送信号，然后主断路器VCB打开，断开高压供电。故障变压器切除后，列车将降级运行。动车组分类方式线圈为层式结构，A级绝缘等级，线圈有两柱，每柱有2段绕组，每段绕组都有由高压绕组、滤波绕组和牵引绕组组成的线饼，每个牵引绕组中都有它自身对应的高压绕组，每个变压器共有4段绕组。从里到外的顺序为：牵引绕组、滤波绕组及高压绕组。线圈的绝缘部分由板材制成。每个绕组带有轴向的同心油道，这些油道用于优化冷却效果。绕组的定位是通过准确的端环来保证的，这样可以减少轴向短路作用力。为满足高阻抗的要求，线圈采用分裂式结构，所有线圈之间均采用退耦布置，四个牵引绕组分别对应四个高压绕组高压线圈位于外侧，牵引线圈位于内侧，中间是滤波绕组。四个独立的高压线圈分别与各自的牵引线圈耦合，实现了四个牵引线圈相互退耦，降低了绕组间的相互影响。引线结构紧凑，顶部出线，占用空间少，引线采用铜排和圆铜棒，导体焊接采用含银材料。引线支架采用强度高的层压木板。原边高压引线采用T形头结构。二次接线端子采用接线端子结构，安装在变压器侧壁上。动车组分类方式（2）外部结构主要包括油箱及储油柜，主变压器采用车体下安装形式。它是一个钢制的焊接油箱。油箱在真空充油过程中能够承受一定压力。由于变压器要求大容量、小体积，同时还承受运行方向的冲击。因此，对变压器油箱最主要的要求是应具有足够的机械强度。钢板材料要求耐低温及高强度。几块不锈钢钢板焊接在箱壁上以切断高电流端子的磁场效应。箱盖直接焊接到箱体上，在箱盖上有一个排气孔，在油箱的下部固定有注油阀。油箱通过一个过压阀来保护。打开过压阀时，通过一个内部连接管减少溢油量，这个管位于箱盖下面。储油柜侧面放置变压器的一侧。图主变压器外形1一温度传感器；2-接地变压器；3一主变压器；4-配电箱；5-油位指示器；6-空气干燥器；7-冷却风扇（箱体内部）；8-冷却单元热交换器（支架内部）CRH380D型动车组1.概述CRH380D型动车组的主变压器包括1个原边绕组和8个牵引绕组。其安装在每个基本列车单元中的Tp车底架内，为相邻M车的牵引系统供电。整个主变压器含网侧高压端子共有18个出线端子，总重6070kg，最大外形尺寸为5482mm×2891mm×791mm，按线原理图如图所示。主变压器通过其冷却系统进行冷却，能量损失由油酯制冷剂吸收，制冷剂在主变压器内循环，同时起到电绝缘的作用。制冷剂通过油/空气热交换器释放出热量后，回到变压器壳体内。其冷却原理及其传感器功能与CRH1A型动车组的主变压器一致。CRH380D型动车组2.技术特点为保证牵引控制时产生最小电磁干扰，主变压器设置8个牵引绕组，分别向相邻每个动车的2个整流器模块供电。为方便牵引绕组的接线并实现电缆预组装，主变压器两侧布置有牵引绕组接线盒，盒体上部、侧面分别布置有法兰板。针对输出功率密度相当大的特点，变压器绕组采用了混合级绝缘设计，对活性元件的绝缘做了专门的处理，允许其有更大的载流和更高的温升，满足设计标准的同时延长其使用寿命。原边绕组和各牵引绕组之间的布置进行专门设计，保证向同一直流环节供电的各绕组短路阻抗偏差不超过2%，为牵引变流器的精确控制提供了保障。各牵引绕组之间的布置进行专门设计，保证其间的耦合互感基本为零，预防了对牵引系统控制的干扰。冷却系统采用双轴伸电机双换热器对称布置的设计，具有很高的散热效率。同时，采用底部和侧部同时出风的方式，有效地降低了出风可能形成的附加行进阻力。CRH380D型动车组3.结构说明CRH380D型动车组的主变压器具有8个二次绕组，出线方式为左右两侧出线，没有谐波滤波绕组，除此之外其内部结构与CRH1A型动车组的主变压器完全相同。CRH380D型动车组的最大轮周功率达10MW，为满足列车牵引性能的需要，变压器的单机容量达到6000V·A，变压器及冷却单元的整备质量超过6t。为了保证列车的平稳性及舒适性、主变箱体和冷却单元采用分体式设计，分别通过弹性悬挂方式固定于车体上，之间通过波纹管连接冷却油路。外形如图5-3-12所示。CRH380D型动车组（1）动力集中型动车组1.按动力配置方式分类动车组编组中两端为动力车（或一端为动力车、另一端为控制车）、中间为拖车的配置，称为动力集中型配置。其特点是两端的动力车均为一个完整的动力单元，与传统的机车相似，动力车只牵引不载客。图5-3-11变压器及传感器接线原理图图5-3-12CRH380D型动车组主变压器外形图1-冷却单元热交换器；2-溢油监测器；3-泵；4-空气干燥器；5-配电箱；6-主变压器；7一油位指示器CRH2/CRH380A系列动车组1.概述CRH2/CRH380A系列动车组采用ATM9系列型主变压器，其工作原理与普通电力变压器相同。但由于动车组变压器工作条件的特殊性，ATM9型变压器采用单相壳式、无压密封方式，根据动车组编组方式，全列配置多台变压器。每台变压器和2个牵引变流器、8台牵引电机构成一个基本牵引动力单元。CRH2型动车组主变压器吊装在2、6车车下（长编组安装在2、6、10、14车车下）。CRH380A型动车组主变压器吊装在2、4、6车车下（长编组安装在2、4、6、8、10、12、14车车下）。CRH2/CRH380A系列动车组1.概述CRH2/CRH380A系列动车组变压器外形三维图如图5-3-13所示。储油柜安装在主变压器中央部位。为了检测主变压器的油温，CRH2系列动车组变压器设置了温度继电器和油流继电器，温度继电器报警温度设定值为（135±2.5）℃，油流继电器设置的报警值为：当流量达到150×（1±10%）L/min以上时则动作、当流量降至120×（1±15%）L/min以下时则闭合接点。当超出报警值时牵引系统卸载。图5-3-13CRH2/CRH380A系列动车组变压器外形三维图1-油箱；2-低压接线箱；3-通风机；4-伸缩风道；5-散热器；6-油泵；7-压力释放阀；8-高压接线罩；9-温度、油流继电器CRH2/CRH380A系列动车组3.结构说明（1）铁芯结构ATM9型主变压器采用壳式铁芯，结构紧凑。硅钢片采用低损耗硅钢片，降低了变压器的铁损。为防止产生悬浮电位造成对地放电，安装时铁芯及其他所有金属构件都必须可靠接地。整个铁芯只允许一点接地，避免了多个接地点之间形成闭合回路，造成铁芯局部过热。CRH2/CRH380A系列动车组3.结构说明2）绕组结构绕组是主变压器的关键部件，为了保证变压器可靠运行，变压器绕组必须具有足够的电气强度、耐热强度、机械强度和良好的散热性能，使变压器既能在额定条件下长期使用，又能经受住过渡过程（如短路、雷击、操作等）所产生的过电压、过电流以及相应的电磁力作用，不致发生绝缘击穿、过热、变形或损坏。图5-3-14主变压器绕组图图5-3-14中U、V为高压绕组对外接线端子，S1、2、3、4为牵引绕组，a、b为辅助绕组。主变压器原边高压绕组、牵引绕组采用铝制线圈（CRH380A型牵引绕组采用铜质线圈），辅助绕组采用铜制线圈。技术参数见表5-3-2。CRH2/CRH380A系列动车组表4-3-2主变压器线圈主要技术参数项目原边高压绕组牵引绕组辅助绕组总匝数10001/260×216材质铝铝或铜铜导线绝缘聚氨酸绝缘纸主变压器原边线路侧套管选用一体型耐热环氧树脂注塑成型套管，套管连接到相邻的高压设备箱内的主断路器上。主变压器采用特殊A级绝缘，线圈内部使用聚酰胺绝缘纸板及Nomex410纸绝缘，冷却介质的最高温度可达135℃，大大提高了变压器的温升限值。（3）冷却系统结构主变压器运行中产生的所有损耗将转变为热量，使各部件的温度升高，当主变压器温升超过规定的限值，将加速绝缘老化甚至损坏，直接影响主变压器的使用寿命。变压器在保证内部散热能力良好的同时，其外部冷却采用了油循环风冷却方式。冷却系统完成变压器的散热，冷却回路如图5-3-15所示。图5-3-15冷却回路图CRH2/CRH380A系列动车组表4-3-2主变压器线圈主要技术参数主变压器冷却系统主要由油冷却器、电动油泵、电动鼓风机等部件组成。电动鼓风机从车辆侧面吸人冷却风，经柔性风道内的整风栅板送往油冷却器，热交换后的空气从进气风道对面的排气风道排出，绝缘油在油冷却器冷却后被送往变压器。油在流经绕组表面和铁芯侧而时吸收热量。吸收热量后的油经电动送油泵再次送往油冷却器进行热交换。为避免绕组出现过热、甚至烧损，在循环回路的某部分安装油流继电器，进行油流停止检测。使用时要注意检查金属网过滤器和整风栅板的污物附着状态，及时清扫。1.概述CRH3系列动车组采用LOT6164型主变压器，共两台，分别安装在2车和7车的车下（CRH380B长编组动车组在2、7、10、15车各设置1台变压器），变压器冷却单元在每个变压器的旁边，如图5-3-16所示。该变压器为单系统变压器，设计在AC25kV，50Hz电源电压下使用。该电源电压用于生成牵引电压，它将一次绕组上的接触网电压转换为四个二次绕组的电压，并给牵引变流装置供电。主变压器总电路图如图5-3-17所示，主变压器包括一个原边绕组和四个次级绕组，配备有冷却单元、油泵，以及温度、流量、瓦斯继电器等监测设备。图5-3-17主变压器总电路图1-冷却设备；2-法兰叶；3-密封套管；4-PT100；5-流量计；6-油循环泵；7-补偿器；8-主变压器；9-膨胀油箱CRH2/CRH380A系列动车组CRH2/CRH380A系列动车组CRH3型动车组主变压器冷却单元安装于车下主变压器旁边，其外形示意图参见图5-3-18。冷却类型为ODAF，绝缘和冷却介质为符合标准IEC60310的矿物油，散热能力约为280kW。大多数冷却液在油箱中，通过油泵将油箱中的热液抽入到冷却器中，经过冷却处理的冷却液通过另外一根管流回油箱中。为补偿冷却液的体积，油箱通过管路与膨胀油箱连接起来。CRH2/CRH380A系列动车组CRH3型动车组主变压器所附带传感器包括瓦斯继电器、油流继电器和温度传感器。瓦斯继电器：当被监控的设备部件正常运行时，则瓦斯继电器会被填满油并且浮体将会一直保持在上限或停止位置；如果出现故障造成气体慢慢产生，气泡最终会积聚在瓦斯继电器中。油位的下降将使浮筒下降，当达到响应位置时，同浮筒组合在一起的水久性磁铁操纵转换触点，最终会触发报警信号。通过将测试按钮快速旋转至箭头所指的停止位置可为浮筒解锁并恢复至原始位置。油流继电器：油流继电器用于监测最小油流量，安装在油箱和冷却器之间的管道中。当油流动时带动浆片运动并触发一个微动开关，当冷却油泵不能正常工作时，将会触发高压保护系统。温度传感器：CRH3C型动车组主变压器配有两个热电阻温度计，每个温度计均置于填充了矿物油（仅2/3）的温度计袋中。其中一个安装在从变压器油箱至冷却系统的管道中。另外一个则安装在从冷却系统至变压器油箱的管道中，用来记录矿物油的温度。当温度传感器所测得的温度超出安全范围后，将会触发高压保护系统。CRH2/CRH380A系列动车组2.结构说明（1）内部结构CRH3型动车组主变压器为芯式变压器，一个原边绕组，四个牵引绕组，其内部结构参见图5-3-19和图5-3-20。铁芯由2个轭架和2个芯柱构成，铁芯为冷轧、角铁制作的铁板，具有耐高温和绝缘表面。为降低损耗和噪声级，铁芯片已进行了充分的堆叠和压制。两个芯柱不用螺栓装配，通过两个树脂浸渍绷带压制。这些绷带在干燥炉中进行生产时已进行了硬化。顶部和底部压力框架均使用抗磁性钢制作而成，这些框架使用绝缘的非磁性螺栓紧固在一起。绕组为分层型绕组，通过强制冷却以环层方式固定在铁芯上。为防止绝缘材料长期运行后收缩，绕组已被充分烘干并紧密压实以备在短路时能够支撑轴向力。为防止电容性负载，磁性铁芯要接地。接地带由绝缘铜线构成，连接在铁芯和压挤框架、油箱内侧之间。CRH2/CRH380A系列动车组2.外部结构主变压器油箱装配在列车底部，变压器油箱为钢结构，其设计结构适合承担活动部件的重量以及绝缘和冷却液等所有成份的重量，图5-3-21为装配活动部件的变压器油箱。变压器系统配有膨胀油箱。如图5-3-22所示，它位于2/7车的车顶，从而补偿因温度变化而产生的冷却剂量的变化。绕组为分层型绕组，通过强制冷却以环层方式固定在铁芯上。为防止绝缘材料长期运行后收缩，绕组已被充分烘干并紧密压实以备在短路时能够支撑轴向力。为防止电容性负载，磁性铁芯要接地。接地带由绝缘铜线构成，连接在铁芯和压挤框架、油箱内侧之间。2.外部结构主变压器油箱装配在列车底部，变压器油箱为钢结构，其设计结构适合承担活动部件的重量以及绝缘和冷却液等所有成份的重量，图5-3-21为装配活动部件的变压器油箱。变压器系统配有膨胀油箱。如图5-3-22所示，它位于2/7车的车顶，从而补偿因温度变化而产生的冷却剂量的变化。CRH2/CRH380A系列动车组CRH5系列动车组。