Jernbanetransformer: typer, specifikationer og anvendelser

 

Indledning

Høj-hastighedstog, sporvogne, letbaner, metroer og konventionelle tog er alle afhængige af en pålidelig strømforsyning for at fungere sikkert og effektivt. Bag denne strømforsyning er en række specialiserede jernbanetransformatorer designet til at konvertere og distribuere elektrisk strøm til forskellige dele af et jernbaneelektrificeringssystem. Blandt dem,trækkrafttransformerespiller en nøglerolle. De bruges i jernbanetransformatorstationer og, i nogle applikationer, ombord på tog for at konvertere elektrisk strøm til den spænding og konfiguration, der kræves af jernbanetraktionssystemer. I denne artikel forklarer vi, hvad en jernbanetransformator er, hvordan træktransformatorer fungerer, hovedtyperne af jernbanetransformatorer, deres vigtigste specifikationer, og hvordan man vælger den rigtige transformer til et jernbanestrømforsyningssystem.

 

Hvad er en jernbanetraktionstransformator?

En jernbanetransformator er designet til brug i jernbaneelektrificeringssystemer til at konvertere, isolere og distribuere elektrisk strøm til tog og relateret udstyr. En af hovedtyperne er traktionstransformatoren, som leverer strøm til jernbanetraktionssystemet.

En jernbanetraktionstransformator, også kendt som en traction power transformer, konverterer typisk højspændingsvekselstrøm fra forsyningsnettet eller et jernbanestrømforsyningsnet til en spænding, der passer til traktionssystemet. Det er almindeligvis installeret på en jernbanetransformatorstation, hvor det leverer strøm til køreledninger eller tredje-skinnesystemer. Nogle træktransformatorer er også designet til direkte installation på elektriske tog.

I modsætning til konventionelle krafttransformere skal en træktransformator klare hyppige og hurtige ændringer i belastningen. Togacceleration kan forårsage pludselige stigninger i strømmen, mens opbremsning og ændringer i togdriften kan give yderligere variationer i den elektriske belastning. Derfor er jernbanetransformatorer designet til pålidelig drift under dynamiske belastninger, elektriske belastninger, vibrationer og andre krævende jernbaneforhold.

For en bredere introduktion til træktransformatorkonstruktion og komponenter

se voresTraction Transformer Oversigt.

 

3. Arbejdsprincip for jernbanetransformer

Jernbanetransformatorens arbejdsprincip er baseret på elektromagnetisk induktion. I en traktionsstation nedtrapper transformatoren højspændingseffekten fra nettet eller jernbanens strømforsyningsnet til en spænding, der passer til jernbanetraktionssystemet.

Høj-spændingsinput: Elektricitet fra køreledninger eller tredje-jernbanesystemer føres ind i jernbanetransformatorens primære vikling. Indgangsspændingen kan variere fra 15 kV til 25 kV, afhængigt af jernbanesystemet.

 

Spændingstransformation:Den høje-spændingsindgang aktiverer primærviklingen og skaber et skiftende magnetfelt i transformatorkernen. Gennem elektromagnetisk induktion inducerer dette magnetfelt en lavere spænding i sekundærviklingen, hvor spændingen bestemmes af transformatorens omdrejningsforhold.

 

Spændingsregulering: Jernbanetransformatoren justerer spændingen, så den matcher kravene til togets trækkraftsystem, og reducerer den typisk til et lavere spændingsniveau, der passer til togets fremdriftsudstyr.

 

Strøm levering: Den transformerede kraft leveres derefter til traktionssystemet, inklusive traktionsmotorerne eller andet udstyr ombord, hvilket gør toget i stand til at køre.

 

Beskyttelse og kontrol: Jernbanetransformatorer skal håndtere både høj indgangsspænding og varierende belastningskrav under togdrift. Beskyttelsesanordninger såsom afbrydere og sensorer overvåger temperatur, spænding og strøm for at sikre sikker og pålidelig drift.

 

Feedback & justering: Kontinuerlig overvågning gør det muligt for systemet at reagere på ændringer i belastning og driftsforhold, hvilket hjælper med at opretholde en stabil ydeevne og forhindre fejl.

 

4. Typer af jernbanetransformatorer

Der findes flere typer jernbanetransformatorer, og deres design varierer afhængigt af jernbanestrømforsyningssystem, installationssted og anvendelse. Hovedtyperne omfatter stationære traktionstransformatorer, indbyggede traktionstransformatorer, auto-transformatorer og multi-traktionstransformatorer.

 

4.1 Stationære traktionstransformere

Stationære træktransformatorer er installeret ved jernbanetransformatorstationer langs jernbanestrækningen. De skruer ned for høj-strøm fra nettet eller jernbanenetværket, før de leverer elektricitet til toget gennem køreledningssystemet eller den tredje jernbane.

Disse transformere bruges almindeligvis i jernbaneelektrificeringssystemer for at give en stabil og pålidelig strømforsyning til elektriske tog.

 

4.2 Traction Transformers ombord

Træktransformatorer ombord installeres direkte på elektriske tog eller lokomotiver. De har et kompakt og let design, fordi de skal bevæge sig med toget, mens de håndterer trækkraftsystemets høje-effektkrav.

Disse transformere modtager strøm fra jernbanens luftledningsanlæg og trapper den ned til en passende spænding for togets trækkraft og elektriske udstyr.

 

4.3 Traction Auto-Transformere

Traction auto-transformatorer bruges i jernbanestrømforsyningssystemer, især i høj-spændings- og-højhastighedsjernbaneapplikationer. De hjælper med at opretholde den nødvendige spænding langs jernbanestrækningen og kan reducere spændingsfald og effekttab over lange afstande.

I modsætning til konventionelle to-viklingstransformatorer bruger en auto-transformer en fælles vikling til en del af de primære og sekundære kredsløb.

 

4.4 Multi-system traktionstransformere

Multi-system-traktionstransformatorer er designet til elektriske tog, der kører på tværs af jernbanenetværk med forskellige elektrificeringssystemer. De kan rumme forskellige forsyningsspændinger og frekvenser, hvilket gør det muligt for tog at køre på tværs af regioner eller lande med forskellige jernbanestrømstandarder.

 

4.5 Transformere til AC- og DC-traktionssystemer

Jernbanetransformatorer kan også klassificeres efter typen af ​​jernbanestrømforsyning.

AC-traktionstransformatorer bruges i AC-jernbaneelektrificeringssystemer, herunder mange-langdistance- og-højhastighedsjernbanenet. De sænker den indgående vekselspænding til det niveau, der kræves af togets trækkraftsystem.

DC-traktionssystemer bruges almindeligvis til metrotog, sporvogne og forstadsjernbaner. I disse systemer bruges transformatorer generelt sammen med ensrettere til at omdanne den indkommende vekselstrøm til den jævnstrøm, som jernbanesystemet kræver.

Valget af jernbanetransformer afhænger af jernbanens elektrificeringssystem, spænding og frekvens, installationstype, togkrav og driftsforhold.

 

5. Anvendelser af jernbanetraktionstransformatorer

Jernbanetransformatorer bruges hovedsageligt i elektrificerede jernbanesystemer for at levere pålidelig strøm til tog og relateret jernbaneudstyr. Deres applikationer varierer afhængigt af typen af ​​jernbane, tog og elektrificeringssystem.

 

6. Railway Traction Transformer Design og Specifikationer

Træktransformatordesignet afhænger af jernbaneelektrificeringssystemet, installationstype, spændingsniveau, effektkrav og driftsforhold. Sammenlignet med standard krafttransformatorer skal jernbanetransformatorer modstå hyppige belastningsændringer, mekaniske vibrationer, elektriske belastninger og krævende driftsforhold.

 

6.1 Kerne og viklinger

Transformatorkernen giver en lav-reluktansbane for magnetisk flux mellem viklingerne. Kernematerialer af høj-kvalitet og en stiv konstruktion hjælper transformeren med at opretholde pålidelig ydeevne under svingende jernbanebelastninger.

Vindingerne er designet i henhold til den nødvendige spænding og effekt. Ledermaterialer og isoleringssystemer af høj-kvalitet bruges til at give den mekaniske styrke og elektriske isolering, der kræves til jernbaneanvendelser.

 

6.2 Spænding og frekvens

Træktransformatorens specifikationer afhænger af jernbanens strømforsyningssystem. Fælles jernbaneforsyningsniveauer omfatter:

• 15 kV, 16,7 Hz AC - brugt i nogle europæiske jernbanenetværk.
• 25 kV, 50/60 Hz AC - meget brugt til jernbaneelektrificering.
• 1,5 kV DC og 3 kV DC traktionssystemer - brugt i nogle by- og konventionelle jernbanenet.

Udgangsspændingen vælges i overensstemmelse med kravene til traktionssystemet og nedstrøms elektrisk udstyr.

 

6.3 Effektmærkning

Træktransformatorens klassificering er normalt angivet i kVA eller MVA og afhænger af tog, jernbanenet og forventet belastning. Forskellige applikationer kan kræve forskellige effektmærker, fra mindre enheder til letbaner og sporvogne til transformatorer med højere-kapacitet til høj-hastighedstog og tunge-jernbanesystemer.

Transformatoren skal også være designet til at modstå kortvarige-overbelastninger og hurtige ændringer i belastningen under togacceleration, bremsning og normal drift.

 

6.4 Køling og konstruktion

Træktransformatorer kan bruge forskellige kølemetoder afhængigt af installationen og strømkravene.

Olie-transformatorer bruger isolerende væske til både køling og isolering.

Transformatorer af tørre-type bruger luft til afkøling og faste isoleringsmaterialer, hvilket gør dem velegnede til applikationer, hvor olie ikke foretrækkes.

Til applikationer ombord skal transformeren også opfylde strenge krav til plads og vægt. Afhængigt af togdesignet kan transformatorer installeres i maskinrum, under gulvet, i lave-gulvområder eller på taget.

 

6.5 Tapskifter og spændingsregulering

En trinkobler kan bruges til at justere transformatorspændingen i overensstemmelse med kravene til jernbanekraftsystemet. Afhængigt af applikationen kan en træktransformator bruge en-belastnings-tapskifter (OLTC) eller en slukket-belastnings-tapskifter.

En OLTC kan justere spændingen, mens transformatoren forbliver spændingsførende, mens en slukket- trinkobler kræver, at transformeren afbrydes, før ledningspositionen ændres.

 

6.6 Effektivitet og energitab

Træktransformatorer er designet til høj effektivitet, fordi de fungerer under hyppige og skiftende belastningsforhold. Deres energitab omfatter hovedsageligt kernetab og belastningstab.

• Kernetab: Hovedsageligt forårsaget af hysterese og hvirvelstrømme i transformatorkernen. Disse tab forbliver relativt stabile, når transformatoren er aktiveret.
• Lasttab: Hovedsageligt forårsaget af viklingsmodstand og stigning med kvadratet på belastningsstrømmen.
• Andre tab: Herreløse tab, dielektriske tab og den strøm, der forbruges af køleudstyr, kan også bidrage til de samlede tab.

Den faktiske effektivitet og tab afhænger af transformatordesignet, nominel effekt, materialer, kølemetode og driftsbelastning. Derfor bør transformatorens effektivitet og tabsværdier evalueres i henhold til de specifikke projektkrav og gældende standarder.

 

6.7 Beskyttelse og test

Pålidelig beskyttelse er afgørende, fordi traktionstransformatorer fungerer under høje elektriske og dynamiske belastninger. Typiske beskyttelses- og overvågningsfunktioner omfatter:

• Overstrømsbeskyttelse
• Overspændingsbeskyttelse
• Temperaturovervågning
• Isoleringsovervågning
• Jordfejlsbeskyttelse

Træktransformatortestning udføres for at verificere elektrisk ydeevne, isoleringsstyrke, temperaturydeevne og overordnet pålidelighed, før transformeren tages i brug.

De endelige træktransformatorspecifikationer og -klassificeringer bør bestemmes i henhold til jernbanespændingssystemet, frekvens, effektbehov, installationsforhold, kølemetode og gældende standarder.

 

6.8 Vigtigste designudfordringer

Jernbanetransformatorer skal afbalancere flere krav, herunder:

Høj effekt: Håndter høje og hurtigt skiftende belastninger.

Termisk styring: Afled varme under krævende driftsforhold.

Mekanisk styrke: Modstå vibrationer og mekanisk belastning.

Kompakthed: Opfyld plads- og vægtbegrænsninger, især til applikationer ombord.

Pålidelighed: Oprethold stabil drift med minimal vedligeholdelse.

 

7. Hvordan vælger man en jernbanetransformator?

Valg af den rigtige jernbanetransformator afhænger af jernbanekraftsystemet, belastningskrav, installationsforhold og gældende standarder. Før du afgiver en ordre, er det vigtigt at bekræfte følgende nøglespecifikationer.

 

7.1 Nominel effekt og spænding

Transformatoren bør have tilstrækkelig kapacitet til at håndtere den forventede jernbanebelastning, herunder spidsbelastninger og skiftende belastninger under drift. Den påkrævede nominelle effekt og høje-spændingsniveau bør bestemmes i henhold til jernbanestrømforsyningssystemet.

SCOTECH kan levere transformere med nominel effekt op til 100 MVA og nominel højspænding op til 132 kV, med tilpassede klassificeringer tilgængelige i henhold til projektets krav.

 

7.2 Tilslutnings- og fasekrav

Transformatorforbindelsen skal passe til jernbanetraktionssystemet og dets strømforsyningskonfiguration. Forskellige jernbaneapplikationer kan kræve forskellige fasearrangementer og viklingsforbindelser.

Tilgængelige tilslutningsmuligheder omfatter:

• YN,d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-tilsluttet (3-faset/2-faset)
• Leblanc-tilsluttet (3-faset/2-faset)
• Woodbridge-forbundet (3-faset/2-faset)

 

7.3 Isolering og kølemedium

Valget af isolerings- og kølemedie afhænger af installationsmiljøet, ydeevnekrav og projektspecifikationer.

SCOTECH kan tilbyde forskellige muligheder, herunder FR3, mineralolie, silikone, kulbrinte og vegetabilsk olie.

Kølesystemer kan også konfigureres i henhold til transformatorens klassificering og anvendelse, med radiatorer i galvaniseret eller rustfrit-stål.

 

7.4 Tank og tilbehør

Transformatortanken og dækslet skal give tilstrækkelig mekanisk styrke og beskyttelse til de interne komponenter. Afhængigt af projektets krav tilbyder SCOTECH tanke og dæksler i blødt stål eller rustfrit-stål.

Yderligere tilbehør kan også konfigureres, herunder:

• Buchholz stafet
• Strømtransformator (CT)
• På-indlæs trykskifter (OLTC)
• Opstillingskasse
• Opviklingstemperaturindikator
• Andet overvågnings- og beskyttelsestilbehør

 

7.5 Impedans og brugerdefinerede krav

Transformatorimpedans påvirker spændingsregulering og kortslutningsydelse, så den bør vælges i henhold til kravene til jernbanesystemet.

SCOTECH understøtter tilpasset impedans og kan levere et elektrostatisk skjold, når det kræves. Andre transformerparametre kan også tilpasses i henhold til projektspecifikationen.

 

7.6 Standarder og test

Jernbanetransformatorer bør designes og testes i overensstemmelse med de standarder, der kræves til det specifikke projekt og marked. SCOTECH designer transformere i henhold til gældende IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA og andre relevante standarder.

Før du vælger en jernbanetransformator, skal du bekræfte den nødvendige effekt, spænding, frekvens, forbindelse, isolering og kølemedium, impedans, tilbehør, installationsbetingelser og gældende standarder. At give disse detaljer til transformatorproducenten hjælper med at sikre, at det endelige design matcher jernbanekraftsystemet og driftskravene.