Jernbanetransformator: typer, spesifikasjoner og bruksområder

 

Introduksjon

Høyhastighetstog, trikker, lettbaner, metroer og konvensjonelle tog er alle avhengige av en pålitelig strømforsyning for å fungere trygt og effektivt. Bak denne strømforsyningen ligger en rekke spesialiserte jernbanetransformatorer, designet for å konvertere og distribuere elektrisk kraft til forskjellige deler av et jernbaneelektrifiseringssystem. Blant dem,trekkrafttransformatorerspille en nøkkelrolle. De brukes i jernbanestasjoner og, i noen applikasjoner, ombord i tog for å konvertere elektrisk kraft til spenningen og konfigurasjonen som kreves av jernbanetrekksystemer. I denne artikkelen forklarer vi hva en jernbanetransformator er, hvordan trekkrafttransformatorer fungerer, hovedtypene av jernbanetransformatorer, deres nøkkelspesifikasjoner og hvordan du velger riktig transformator for et jernbanestrømforsyningssystem.

 

Hva er en jernbanetrekktransformator?

En jernbanetransformator er designet for bruk i jernbaneelektrifiseringssystemer for å konvertere, isolere og distribuere elektrisk kraft til tog og relatert utstyr. En av hovedtypene er trekktransformatoren, som leverer strøm til jernbanetrekksystemet.

En jernbanetrekktransformator, også kjent som en trekkrafttransformator, konverterer vanligvis høyspent vekselstrøm fra strømnettet eller et jernbanestrømforsyningsnett til en spenning som passer for trekkraftsystemet. Den er vanligvis installert på en jernbanestasjon, hvor den leverer strøm til overliggende kontaktledninger eller tredje-jernbanesystemer. Noen trekktransformatorer er også designet for direkte installasjon på elektriske tog.

I motsetning til konvensjonelle krafttransformatorer, må en trekkrafttransformator håndtere hyppige og raske endringer i lasten. Togakselerasjon kan forårsake plutselige økninger i strømmen, mens bremsing og endringer i togdrift kan gi ytterligere variasjoner i den elektriske belastningen. Derfor er jernbanetransformatorer designet for pålitelig drift under dynamiske belastninger, elektriske påkjenninger, vibrasjoner og andre krevende jernbaneforhold.

For en bredere introduksjon til konstruksjon og komponenter for trekktransformatorer

se vårTraction Transformator Oversikt.

 

3. Arbeidsprinsipp for jernbanetransformatorer

Jernbanetransformatorens arbeidsprinsipp er basert på elektromagnetisk induksjon. I en traction-transformator trapper transformatoren ned høy-kraft fra nettet eller jernbanenettet til en spenning som passer for jernbanetrekksystemet.

Høy-spenningsinngang: Elektrisitet fra kontaktledninger eller tredje-jernbanesystemer mates inn i primærviklingen til jernbanetransformatoren. Inngangsspenningen kan variere fra 15 kV til 25 kV, avhengig av jernbanesystemet.

 

Spenningstransformasjon:Høyspenningsinngangen aktiverer primærviklingen og skaper et skiftende magnetfelt i transformatorkjernen. Gjennom elektromagnetisk induksjon induserer dette magnetfeltet en lavere spenning i sekundærviklingen, med spenningen bestemt av transformatorens omdreiningsforhold.

 

Spenningsregulering: Jernbanetransformatoren justerer spenningen for å matche kravene til togets trekksystem, og reduserer den typisk til et lavere spenningsnivå som passer for togets fremdriftsutstyr.

 

Strømforsyning: Den transformerte kraften blir deretter levert til trekksystemet, inkludert trekkmotorene eller annet utstyr ombord, slik at toget kan operere.

 

Beskyttelse og kontroll: Jernbanetransformatorer skal håndtere både høy inngangsspenning og varierende lastkrav under togdrift. Beskyttelsesenheter som effektbrytere og sensorer overvåker temperatur, spenning og strøm for å sikre sikker og pålitelig drift.

 

Tilbakemelding og justering: Kontinuerlig overvåking lar systemet reagere på endringer i belastning og driftsforhold, noe som bidrar til å opprettholde stabil ytelse og forhindre feil.

 

4. Typer jernbanetransformatorer

Det finnes flere typer jernbanetransformatorer, og deres design varierer avhengig av jernbanens strømforsyningssystem, installasjonssted og bruksområde. Hovedtypene inkluderer stasjonære trekkrafttransformatorer, innebygde trekkrafttransformatorer, auto-transformatorer og multi-trekkrafttransformatorer.

 

4.1 Stasjonære trekkrafttransformatorer

Stasjonære trekkrafttransformatorer er installert ved jernbanestasjoner langs jernbanelinja. De trapper ned- høyspentkraft fra nettet eller jernbanenettet før de leverer strøm til toget gjennom kontaktledningssystemet eller tredje skinne.

Disse transformatorene brukes ofte i jernbaneelektrifiseringssystemer for å gi en stabil og pålitelig strømforsyning for elektriske tog.

 

4.2 Traction Transformers ombord

Transformatorer ombord installeres direkte på elektriske tog eller lokomotiver. De har en kompakt og lett design fordi de må bevege seg med toget mens de håndterer de høye-kraftkravene til trekksystemet.

Disse transformatorene mottar strøm fra jernbaneoverheadsystemet og trapper den ned til en passende spenning for togets trekkraft og elektrisk utstyr.

 

4.3 Traction Auto-Transformatorer

Traction auto-transformatorer brukes i jernbanestrømforsyningssystemer, spesielt i høy-spennings- og-høyhastighetsjernbaneapplikasjoner. De bidrar til å opprettholde den nødvendige spenningen langs jernbanelinjen og kan redusere spenningsfall og effekttap over lange avstander.

I motsetning til konvensjonelle to-viklingstransformatorer, bruker en automatisk-transformator en felles vikling for deler av primær- og sekundærkretsene.

 

4.4 Multi-system trekktransformatorer

Trekktransformatorer med flere-systemer er designet for elektriske tog som kjører på tvers av jernbanenettverk med forskjellige elektrifiseringssystemer. De kan tilpasses forskjellige forsyningsspenninger og frekvenser, slik at tog kan kjøre på tvers av regioner eller land med forskjellige jernbanekraftstandarder.

 

4.5 Transformatorer for AC- og DC-trekksystemer

Jernbanetrekktransformatorer kan også klassifiseres i henhold til type jernbanestrømforsyning.

AC-trekktransformatorer brukes i AC-jernbaneelektrifiseringssystemer, inkludert mange-langdistanse- og høyhastighetsnettverk. De trapper ned den innkommende vekselspenningen til nivået som kreves av togets trekksystem.

DC-trekksystemer brukes ofte for metrotog, trikker og forstadsjernbaner. I disse systemene brukes vanligvis transformatorer sammen med likerettere for å konvertere innkommende vekselstrøm til likestrøm som kreves av jernbanesystemet.

Valget av jernbanetransformator avhenger av jernbanens elektrifiseringssystem, spenning og frekvens, installasjonstype, togkrav og driftsforhold.

 

5. Anvendelser av jernbanetrekktransformatorer

Jernbanetrekktransformatorer brukes hovedsakelig i elektrifiserte jernbanesystemer for å gi pålitelig kraft til tog og relatert jernbaneutstyr. Anvendelsene deres varierer i henhold til type jernbane, tog og elektrifiseringssystem.

 

6. Railway Traction Transformator Design og spesifikasjoner

Traksjonstransformatordesignet avhenger av jernbaneelektrifiseringssystemet, installasjonstype, spenningsnivå, kraftbehov og driftsforhold. Sammenlignet med standard krafttransformatorer, må jernbanetransformatorer tåle hyppige belastningsendringer, mekaniske vibrasjoner, elektriske påkjenninger og krevende driftsforhold.

 

6.1 Kjerne og viklinger

Transformatorkjernen gir en lav-reluktansbane for magnetisk fluks mellom viklingene. Kjernematerialer av høy-kvalitet og en stiv konstruksjon hjelper transformatoren til å opprettholde pålitelig ytelse under varierende jernbanebelastninger.

Viklingene er designet i henhold til nødvendig spenning og effekt. Ledermaterialer og isolasjonssystemer av høy-kvalitet brukes for å gi den mekaniske styrken og den elektriske isolasjonen som kreves for jernbaneapplikasjoner.

 

6.2 Spenning og frekvens

Trekktransformatorens spesifikasjoner avhenger av jernbanens strømforsyningssystem. Vanlige jernbaneforsyningsnivåer inkluderer:

• 15 kV, 16,7 Hz AC - brukt i noen europeiske jernbanenettverk.
• 25 kV, 50/60 Hz AC - mye brukt for jernbaneelektrifisering.
• 1,5 kV DC og 3 kV DC trekksystemer - brukt i noen urbane og konvensjonelle jernbanenettverk.

Utgangsspenningen velges i henhold til kravene til trekksystemet og nedstrøms elektrisk utstyr.

 

6.3 Effektklasse

Trekktransformatorens karakter er normalt spesifisert i kVA eller MVA og avhenger av tog, jernbanenett og forventet belastning. Ulike applikasjoner kan kreve ulik effekt, fra mindre enheter for bybane og trikker til transformatorer med høyere-kapasitet for høyhastighetstog og-tunge jernbanesystemer.

Transformatoren må også være utformet for å tåle kortvarige-overbelastninger og raske endringer i lasten under togakselerasjon, bremsing og normal drift.

 

6.4 Kjøling og konstruksjon

Trekktransformatorer kan bruke forskjellige kjølemetoder avhengig av installasjon og strømkrav.

Olje-transformatorer bruker isolasjonsvæske til både kjøling og isolasjon.

Tørr-transformatorer bruker luft til kjøling og solide isolasjonsmaterialer, noe som gjør dem egnet for bruksområder der olje ikke er foretrukket.

For bruk ombord må transformatoren også oppfylle strenge krav til plass og vekt. Avhengig av togdesignet kan transformatorer installeres i maskinrom, under gulvet, i lave-gulvområder eller på taket.

 

6.5 Tappkobler og spenningsregulering

En trinnkobler kan brukes til å justere transformatorspenningen i henhold til kravene til jernbanekraftsystemet. Avhengig av applikasjonen, kan en trekkrafttransformator bruke en på-belastnings-tappveksler (OLTC) eller en av-last-tappveksler.

En OLTC kan justere spenningen mens transformatoren forblir tilkoblet, mens en strømbryter-av last krever at transformatoren kobles fra før kranposisjonen endres.

 

6.6 Effektivitet og energitap

Trekktransformatorer er designet for høy effektivitet fordi de opererer under hyppige og skiftende belastningsforhold. Deres energitap inkluderer hovedsakelig kjernetap og lasttap.

• Kjernetap: Hovedsakelig forårsaket av hysterese og virvelstrømmer i transformatorkjernen. Disse tapene forblir relativt stabile når transformatoren er aktivert.
• Lasttap: Hovedsakelig forårsaket av viklingsmotstand og økning med kvadratet på laststrømmen.
• Andre tap: Herreløse tap, dielektriske tap og strømmen som forbrukes av kjøleutstyr kan også bidra til de totale tapene.

Den faktiske effektiviteten og tapene avhenger av transformatordesign, merkeeffekt, materialer, kjølemetode og driftsbelastning. Derfor bør transformatoreffektivitet og tapsverdier evalueres i henhold til de spesifikke prosjektkravene og gjeldende standarder.

 

6.7 Beskyttelse og testing

Pålitelig beskyttelse er avgjørende fordi trekktransformatorer opererer under høye elektriske og dynamiske belastninger. Typiske beskyttelses- og overvåkingsfunksjoner inkluderer:

• Overstrømsbeskyttelse
• Overspenningsvern
• Temperaturovervåking
• Isolasjonsovervåking
• Jordfeilvern

Traksjonstransformatortesting utføres for å verifisere elektrisk ytelse, isolasjonsstyrke, temperaturytelse og generell pålitelighet før transformatoren tas i bruk.

De endelige trekktransformatorens spesifikasjoner og klassifiseringer bør bestemmes i henhold til jernbanespenningssystemet, frekvens, kraftbehov, installasjonsforhold, kjølemetode og gjeldende standarder.

 

6.8 Viktige designutfordringer

Jernbanetransformatorer må balansere flere krav, inkludert:

Høy effekt: Håndter høye og raskt skiftende laster.

Termisk styring: Avled varme under krevende driftsforhold.

Mekanisk styrke: Tåler vibrasjoner og mekanisk påkjenning.

Kompakthet: Oppfyll plass- og vektbegrensninger, spesielt for applikasjoner ombord.

Pålitelighet: Oppretthold stabil drift med minimalt vedlikehold.

 

7. Hvordan velge en jernbanetransformator?

Valg av riktig jernbanetransformator avhenger av jernbanekraftsystemet, belastningskrav, installasjonsforhold og gjeldende standarder. Før du legger inn en bestilling, er det viktig å bekrefte følgende nøkkelspesifikasjoner.

 

7.1 Nominell effekt og spenning

Transformatoren bør ha tilstrekkelig kapasitet til å håndtere forventet jernbanebelastning, inkludert topp- og skiftende laster under drift. Nødvendig merkeeffekt og høy-spenningsnivå bør bestemmes i henhold til jernbanestrømforsyningssystemet.

SCOTECH kan gi transformatorer med merkeeffekt opp til 100 MVA og nominell høyspenning opp til 132 kV, med tilpassede klassifiseringer tilgjengelig i henhold til prosjektkrav.

 

7.2 Tilkoblings- og fasekrav

Transformatortilkoblingen skal samsvare med jernbanetrekksystemet og strømforsyningskonfigurasjonen. Ulike jernbaneapplikasjoner kan kreve ulike fasearrangementer og viklingsforbindelser.

Tilgjengelige tilkoblingsalternativer inkluderer:

• YN,d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-tilkoblet (3-fase/2-fase)
• Leblanc-tilkoblet (3-fase/2-fase)
• Woodbridge-tilkoblet (3-fase/2-fase)

 

7.3 Isolasjon og kjølemedium

Valget av isolasjons- og kjølemedium avhenger av installasjonsmiljøet, ytelseskrav og prosjektspesifikasjoner.

SCOTECH kan tilby forskjellige alternativer, inkludert FR3, mineralolje, silikon, hydrokarbon og vegetabilsk olje.

Kjølesystemer kan også konfigureres i henhold til transformatorens klassifisering og bruksområde, med galvaniserte eller rustfrie-radiatorer tilgjengelig.

 

7.4 Tank og tilbehør

Transformatortanken og dekselet skal gi tilstrekkelig mekanisk styrke og beskyttelse for de interne komponentene. Avhengig av prosjektkravene tilbyr SCOTECH tanker og deksler i bløtt stål eller rustfritt-stål.

Ekstra tilbehør kan også konfigureres, inkludert:

• Buchholz stafett
• Strømtransformator (CT)
• På-last trykkveksler (OLTC)
• Marshalling boks
• Vikle temperaturindikator
• Annet overvåkings- og beskyttelsestilbehør

 

7.5 Impedans og tilpassede krav

Transformatorimpedans påvirker spenningsregulering og kortslutningsytelse, så den bør velges i henhold til kravene til jernbanesystemet.

SCOTECH støtter tilpasset impedans og kan gi et elektrostatisk skjold når det er nødvendig. Andre transformatorparametere kan også tilpasses i henhold til prosjektspesifikasjonen.

 

7.6 Standarder og testing

Jernbanetransformatorer bør designes og testes i henhold til standardene som kreves for det spesifikke prosjektet og markedet. SCOTECH designer transformatorer i henhold til gjeldende IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA og andre relevante standarder.

Før du velger en jernbanetransformator, må du bekrefte nødvendig effekt, spenning, frekvens, tilkobling, isolasjon og kjølemedium, impedans, tilbehør, installasjonsforhold og gjeldende standarder. Å gi disse detaljene til transformatorprodusenten bidrar til å sikre at det endelige designet samsvarer med jernbanekraftsystemet og driftskravene.