CN104766515A - 一种模拟牵引变压器生热的实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟牵引变压器生热的实验装置及其实验方法，用于牵引变压器温度场与油流场相关性能的研究实验。实验装置由变压器主体、生热控制系统和油路冷却控制系统构成。本实验装置能在不需要高电压大电流的情况下能够便捷地改变变压器的空载损耗和负载损耗，模拟出变压器中稳定的或者时变的负荷，以便生成稳定的或者时变的温度场与油流场，方便后续测量，同时减少强磁场和强电场对测量仪器的影响。

Description

一种模拟牵引变压器生热的实验装置及其实验方法

技术领域

本发明属于变压器实验装置领域，具体涉及一种模拟牵引变压器生热的实验装置，与温度传感器、压力传感器等配合可以测试变压器的温度与油流流速，评估变压器油纸绝缘老化状况。

背景技术

牵引变压器作为铁路牵引供电系统中的重要设备，其运行的可靠性不仅关系到设备自身的安全而且关系到铁路运输系统的安全与稳定。由于牵引负荷的急剧变化性，牵引变压器的运行环境较电力变压器恶劣很多，其内部的温度场与油流场与电力变压器的区别也很大，随着高速重载列车的投入运行，牵引变压器的运行环境进一步恶化。在运行过程中由于涡流损耗、磁滞损耗、直流电阻损耗等的存在，变压器将不可避免的发热，而温度是影响绝缘材料老化速度的最为关键的因素，在安全范围内，热点温度处的绝缘老化速度最快，寿命最短，所以热点温度是影响变压器寿命的最重要因素。模拟出牵引变压器温度场与油流场，找到热点位置并准确测量出热点温度是研究变压器绝缘寿命的重要方向。

目前研究变压器热点温度的方法有热路法、数值计算法和直接测量法。热路法是根据变压器内部的生热散热原理，将变压器热场内在属性等效为热容、热阻、热流量等集中参数，建立具有实际意义的等值热路，但是热路模型存在两大缺点：1.在某些特殊工况下误差较大，局限性明显，如在变压器超额定值过载情况下通过热路模型预测出来的热点温度明显低于实际热点温度。2.热路模型只能预测热点温度，并不能预测热点位置以及整个温度场的温度分布情况，实际意义有限。数值计算法是基于计算流体力学对变压器内部热源以及边界条件由解析逼近确定，再对变压器绕组热点温度进行计算和定位。数值计算法中对变压器的结构进行了简化，很多参数和模型都是近似的，所以计算得到的解也是近似的，而且计算量大计算速度慢对设备要求高。直接测量法是在变压器绕组内部埋设温度传感器直接测量温度，这必将增加生产成本，而时变的大电流产生的强磁场和强电场会影响传感器的测量精度，同时在绕组内部埋设温度传感器对变压器的绝缘性能又提出来更高的要求，且直接测量法只见于负荷变化平缓的大型电力变压器。

发明内容

针对现有测量装置与方法不能排除强电场和强磁场对测量结果准确性的影响以及不能模拟变压器牵引负荷，本发明的目的是提供一种模拟牵引变压器温升的实验装置与方法。使之可用于研究油浸式变压器瞬态温度场与油流场，评估变压器绝缘寿命。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种模拟牵引变压器生热的实验装置，用于牵引变压器温度场与油流场相关性能的研究实验。实验装置由变压器主体、生热控制系统和油流冷却控制系统构成。

所述变压器主体及发热系统由铁心及外围系统组成；

以电热丝17和U型绝缘杆19构成的铁心发热元件为中心，由内而外分别为：环氧树脂桶18、第一撑条层23-1，第一绝缘纸筒8-1、第二撑条层23-2、低压绕组10、第三撑条层23-3、第二绝缘纸筒8-2、第四撑条层23-4、高压绕组9、第五撑条层23-5、第三绝缘纸筒8-3和器身6；器身内空隙以绝缘油22充斥；电热丝17缠绕在U型绝缘杆19上，其抽头可调交流电源3相连；相应地，高压绕组9和低压绕组10的抽头分别与1号可调直流电源1和2号可调直流电源2相连；

所述冷却系统由散热器11、油泵13、回流阀12、绝缘油22构成，与器身6内部空间构成油路。

所述环氧树脂桶四周均匀设置小孔，以便冷油从环氧树脂桶18的底部进入，热油从圆周小孔流出，模拟铁心的对流散热。

本发明的目的还在于提供一种模拟牵引变压器温升的实验方法。

采用如上装置的模拟牵引变压器温升的实验方法，包括如下步骤：

1)向变压器中注入25号绝缘油22，直至绝缘油22将高压绕组9、低压绕组10、环氧树脂桶18等都浸没；

2)通过绝缘子4上的引线14将高压绕组9和低压绕组10分别与1号可调直流电源1和2号可调直流电源2相连，电热丝17与可调交流电源3相连；

3)用可调交流电源3给电热丝17供电，使得电热丝17发热功率等于变压器铁心空载损耗；

4)用1号可调直流电源给高压绕组9供电，2号可调直流电源2给低压绕组10供电，使得高压绕组9和低压绕组10的发热功率等于额定状态下的负载损耗；

5)待变压器内部温度稳定后根据牵引变压器的实际负荷曲线调节直流电源的输出功率；

6)根据变压器内部油温开启油泵13并调节回流阀12，使得变压器内部温度在安全范围内。

本发明为研究变压器在牵引负荷下的温度场与油流场提供基础平台，具有以下优点：

1)能够避免强电场和强磁场对测量仪器的干扰，提高测量精度。

2)能够模拟牵引变压器急剧变化的负荷，与牵引变压器的真实工况相似。

附图说明

图1本发明实验装置总体结构示意图

图2等效铁心示意图

图3绕组和导线截面示意图

图4实验装置截面示意图

图5实验流程图

图6牵引变压器实际负荷曲线

图7实验仿真热点温升曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种模拟牵引变压器生热的实验装置，包括绝缘系统、生热控制系统、油流控制冷却系统，如图1所示，包括：1号可调直流电源1、2号可调直流电源2、交流电源3、绝缘子4、绝缘子底座5、器身6、垫块7、绝缘纸筒8、高压绕组9、低压绕组10、散热器11、引线12、油泵13、法兰14、压板15、绝缘端圈16、电热丝17、环氧树脂桶18、U型绝缘杆19、铁轭垫块20、支撑底座21、绝缘油22、撑条23、燕尾槽24、油枕25。

所述的绝缘系统由垫块7、绝缘端圈16、绝缘纸筒8、撑条23、环氧树脂桶18、绝缘子4、燕尾槽24、变压器油22等构成，垫块7和绝缘端圈16相配合为绕组提供底部和顶部的油道，撑条23和绝缘纸筒8相配合为绕组提供竖直油道，燕尾槽24为绕组提供横向油道。燕尾槽24和绝缘油22为绕组提供纵绝缘，绝缘纸筒8、撑条23和绝缘端圈16等为绕组提供主绝缘。

所述的发热系统由1号可调直流电源1、2号可调直流电源2、可调交流电源3、高压绕组9、低压绕组10、电热丝17等构成，1号可调直流电源1和2号可调直流电源2电压输出范围为0-400V，电流输出范围为0-5A，源电压调整率≤2％，负载调整率≤1％，总波纹电压≤1％。可调交流电源3电压输出范围为0-250V。

所述的冷却系统由散热器13、油泵13、回流阀12、绝缘油22、器身6等构成，绝缘油22为25号矿物油，油泵13流量为50L/min，可以通过回流阀12调节流量。

一种模拟节能型牵引变压器温升的实验方法，包括如下步骤，其特征如下：

1)向变压器中注入25号绝缘油22，直至绝缘油22将高压绕组9、低压绕组10、环氧树脂桶18等都浸没；

2)通过绝缘子4上的引线14将高压绕组9和低压绕组10分别与1号可调直流电源1和2号可调直流电源2相连，电热丝17与可调交流电源3相连；

3)用可调交流电源3给电热丝17供电，使得电热丝17发热功率等于变压器铁心空载损耗；

4)用1号可调直流电源给高压绕组供电，2号可调直流电源2给低压绕组10供电，使得高压绕组9和低压绕组10的发热功率等于额定状态下的负载损耗；

5)待变压器内部温度稳定后根据牵引变压器的实际负荷曲线调节直流电源的输出功率；

6)根据变压器内部油温开启油泵13并调节回流阀12，使得变压器内部温度在安全范围内。

图1为本发明实验装置总体结构示意图。从图中可以看出，一种模拟牵引变压器温升的实验装置，包括绝缘系统、生热控制系统、油流冷却控制系统以及一些配件。其中绝缘系统由垫块7、绝缘端圈16、绝缘纸8、撑条23、环氧树脂桶18、绝缘子4、绝缘油22等构成；生热控制系统由1号可调直流电源1、2号可调直流电源2、可调交流电源3、高压绕组9、低压绕组10、电热丝17等构成；油流冷却控制系统由散热器11、油泵13、回流阀12、绝缘油22、器身6等构成。

图2为本发明的等效铁心示意图。变压器的铁心由环氧树脂桶18、电热丝17和U型绝缘杆19组合等效而成。尺寸相似的变压器的空载损耗约为200W，因此电热丝采用镍铬合金(Cr20Ni80)制作，直径为0.15mm，长为2米，阻值约为120Ω，缠绕在U型绝缘杆19上，置于环氧树脂桶18中，通过引线14经绝缘子4与可调交流电源3相连。环氧树脂桶18外径为200mm，高为1000mm，厚为5mm，在环氧树脂桶四周均匀打上小孔(每个圆周打4个孔，直径为5mm，纵向高度间隔15cm，共24个孔)，以便冷油从环氧树脂桶18的底部进入，热油从圆周小孔流出，模拟铁心的对流散热。

图3为本发明的绕组示意图。尺寸相似的变压器的负载损耗约为1.5kW，高压绕组9和低压绕组10采用镍铬合金(Cr25Ni60)制作，高压绕组9和低压绕组10的导线规格为5×3mm，绝缘纸8的绝缘等级为B级，包好绝缘纸8后的导线规格为5.3×3.3mm，常温下的电阻率为0.06m/Ω左右，低压绕组10每饼12匝，共85饼，低压绕组10内径为236mm，外径为316mm，总长为900m。高压绕组9每饼11匝，共85饼，高压绕组9内径为352mm，外径为428mm，总长为1200m。绕组的饼与饼之间垫有燕尾槽24，为绕组提供横向油道，油道宽度为4mm，且每隔10个饼留一个6mm的间隙，燕尾槽24两端嵌有撑条23，撑条23与绝缘纸筒8和绕组配合为绕组提供纵向有道，纵向油道宽度为6mm。在绕组的底部和顶部有绝缘端圈16和垫块7，绝缘端圈16和垫块7相配合提高绕组的绝缘能力，同时垫块7之间的间隙和绝缘端圈16上的圆孔为绝缘油提供油路。

图4为实验装置截面示意图。以电热丝17和U型绝缘杆19构成的铁心发热元件为中心，由内而外依次是环氧树脂桶18、第一撑条层23-1、第一绝缘纸筒8-1、第二撑条层23-2、低压绕组10、第三撑条层23-3、第二绝缘纸筒8-2、第四撑条层23-4、高压绕组9、第五撑条层23-5、第三绝缘纸筒8-3和器身6；器身内空隙以绝缘油22充斥。

图5为实验流程图。结合图1可以看出实验操作步骤为：1)向变压器中注入25号绝缘油22，直至绝缘油22将高压绕组9、低压绕组10、环氧树脂桶18等都浸没；2)通过绝缘子4上的引线14将高压绕组9和低压绕组10分别与1号可调直流电源1和2号可调直流电源2相连，电热丝17与可调交流电源3相连；3)用可调交流电源3给电热丝17供电，使得电热丝17发热功率等于变压器铁心空载损耗；4)用1号可调直流电源给高压绕组供电，2号可调直流电源2给低压绕组10供电，使得高压绕组9和低压绕组10的发热功率等于额定状态下的负载损耗；5)待变压器内部温度稳定后根据牵引变压器的实际负荷曲线调节直流电源的输出功率；6)根据变压器内部油温开启油泵13并调节回流阀12，使得变压器内部温度在安全范围内。

图6为牵引变压器实际负荷曲线。从图中可以看出牵引变压器的实际负荷变化剧烈，随时间变化情况明显。

举例说明：

图7为实验仿真热点温升曲线。所加负载损耗为图6所示电流等比折算后的电流，变压器内部油流流速控制在0.5m/s以内。

Claims (3)

1.一种模拟牵引变压器生热的实验装置，用于牵引变压器温度场与油流场相关性能的研究实验，其特征在于，实验装置由变压器主体、生热控制系统和油流冷却控制系统构成；

所述变压器主体及发热系统由铁心及外围系统组成；

以电热丝17和U型绝缘杆19构成的铁心发热元件为中心，由内而外分别为：环氧树脂桶18、第一撑条层23-1，第一绝缘纸筒8-1、第二撑条层23-2、低压绕组10、第三撑条层23-3、第二绝缘纸筒8-2、第四撑条层23-4、高压绕组9、第五撑条层23-5、第三绝缘纸筒8-3和器身6；器身内空隙以绝缘油22充斥；电热丝17缠绕在U型绝缘杆19上，其抽头与可调交流电源3相连；相应地，高压绕组9和低压绕组10的抽头分别与1号可调直流电源1和2号可调直流电源2相连；

所述冷却系统由散热器11、油泵13、回流阀12、绝缘油22构成，与器身6内部空间构成油路。

2.根据权利要求1所述之模拟牵引变压器生热的实验装置，其特征在于，所述环氧树脂桶四周均匀设置小孔，以便冷油从环氧树脂桶18的底部进入，热油从圆周小孔流出，模拟铁心的对流散热。

3.采用权利要求1或2装置的模拟牵引变压器温升的实验方法，包括如下步骤，其特征如下：

1)向变压器中注入25号绝缘油22，直至绝缘油22将高压绕组9、低压绕组10、环氧树脂桶18等都浸没；

2)通过绝缘子4上的引线14将高压绕组9和低压绕组10分别与1号可调直流电源1和2号可调直流电源2相连，电热丝17与可调交流电源3相连；

3)用可调交流电源3给电热丝17供电，使得电热丝17发热功率等于变压器铁心空载损耗；

4)用1号可调直流电源给高压绕组9供电，2号可调直流电源2给低压绕组10供电，使得高压绕组9和低压绕组10的发热功率等于额定状态下的负载损耗；

5)待变压器内部温度稳定后根据牵引变压器的实际负荷曲线调节直流电源的输出功率；

6)根据变压器内部油温开启油泵13并调节回流阀12，使得变压器内部温度在安全范围内。