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[摘要]：交流传动电力机车的主逆变器，由于功率开关器件的频繁动作，不可避免地会产生谐波，高次谐波对牵引变压器短路阻抗有较大的影响；交流传动机车的再生制动，会引起网压的波动和网压上升。这些在交流牵引中比较突出的问题，都可能引起的牵引变压器牵引绕组过励磁以及直流磁化。在设计牵引变压器时需要进行分析并给出相应的解决方法。
[关键词]：牵引变压器 电力机车 交流传动 主变流器
中图分类号：U264 文献标识码：U 文章编号：1009-914X（2012）26- 0332 -01
1 引言
交流传动电力机车牵引电路所采用的“四象限变流器+逆变器”的交—直—交电气传动方式，一方面要求牵引变压器具有储能作用，通过频繁的开关动作，来保持中间电压的恒定；另一方面在电力机车实施再生制动时，将牵引电动机的电能反馈给电网。这两方面的作用，会给牵引变压器的运行带来影响：前者，由于四象限变流器的频繁动作，在牵引变压器绕组中将产生高次谐波，直接危及绕组的绝缘；后者，由于实施再生制动，电能由负载反馈电网，必然导致电网电压上升，更有甚者，有可能超过网压最高值（29kV），使主变一次侧绕组陷入较恶劣的电磁环境。因此主变在结构设计和材料选择上，需采取相应的措施，以保证主变工作的可靠性。
2 牵引绕组电流的高次谐波及防治
在交流传动机车中，牵引变压器的牵引绕组以四象限变流器作为负载。四象限变流器工作于脉冲状态，即使采用正弦脉宽调制（SPWM），但由于四象限变流器的容量较大，使得变流元件的调制频率受到较大的限制。采用可关断晶闸管（GTO），调制频率为200～450Hz时，牵引绕组输出电流波形畸变较为严重，高次谐波的损耗大，甚至与基波涡流损耗相同。
谐波损耗可分为绕组电阻损耗和涡流损耗两部分，其中高次谐波涡流损耗占较大的比重。计算高次谐波产生的涡流损耗过程比较复杂，不仅要考虑铁心材料的非线性，还要考虑各次谐波的相位差、频率以及相应导线的透入深度等。而且谐波产生的涡流损耗在各线饼中的分布极不均匀，谐波损耗容易导致绕组的局部过热。
在进行机车牵引变压器电磁计算时，必须充分考虑高次谐波的涡流损耗，一般应按基波电流引起的涡流损耗的5倍。在机车牵引变压器结构设计时，应采用油导向循环方案，使器身各个部分能得到有效的冷却，以防止可能引起的局部过热。
3 网压波动与过励磁问题
电力机车的频繁启动和制动，以及运行机车数量的变化，会导致电网电压波动。国标规定其额定电压为25kV，电压波动范围为19～29kV。如果机车采用再生制动，制动时能量要反馈回电网，因此最高电压可达到31～32kV。
（1）网压波动，使得主变高压绕组出现过励磁，当设计磁密不合适时，高压绕组会因过热而烧损。法国进口的8K电力机车牵引变压器的设计磁密取1.7T。在丰沙大线路上運行时，网压经常上升到32kV，此时牵引变压器铁心磁密为2.176T，出现严重过励磁，励磁电流大幅度增大，导致多台机车牵引变压器高压绕组烧损。因此，设计交流传动牵引变压器时，磁密不能选择太高。若以额定工况进行考核，采用普通冷轧硅钢片，牵引变压器最高磁密以不超过1.6T为宜，如果采用高导磁的冷轧硅钢片，则可取到1.6～1.65T。
（2）直流磁化问题 机车运行时受电弓离线和变流器控制发生偏移是不可避免的，可能
使牵引侧绕组中的电流正半周和负半周波形不对称。使牵引变压器一次电流中出现直流分量，引起变压器的直流磁化，其结果是：
1）牵引变压器铁心饱和，励磁电流激增，电流畸变严重；
2）牵引绕组的漏抗减少，使得一次侧牵引电流增大，开关元件的di/dt增大，峰值电流增大，可能导致保护装置的误动作。
为防止牵引变压器直流磁化，从变压器本身的设计来说，磁密不能取得太高，应留有一定的裕度；一次侧和牵引绕组之间采用气隙铁心以保证即使发生直流磁化时，牵引绕组仍有最低限度的漏抗。气隙铁心如同电抗器铁心中的气隙，它夹在一次侧与牵引之间，使得几个牵引绕组之间工作相互不受干扰。尽管可能发生由此而引起的重量增加，但这对于防止直流磁化十分必要。这就要求：从控制角度来说，限制脉冲宽度的变化率，不允许脉宽突然间有较大的变化；在驱动电路的设计上尽量保持对称，绝对防止脉冲丢失现象；采用数字信号处理器，进行实时控制，选用磁密饱和值较大的铁心材料。
4 牵引变压器短路阻抗
牵引变压器加四象限变流器是一种升压型脉冲整流供电方式，需借助于牵引变压器牵引侧绕组的漏抗的储能和放电作用，达到对中间回路升压和稳压的目的。为此必须限制元件换流时的di/dt和减少牵引绕组的二次电流脉动。一般来说，当变流器采用GTO元件时，交流传动机车牵引变压器的短路阻抗为40%～45%，采用IGBT时短路阻抗为20%～25%。由于短路阻抗的增大，必然导致电压调整率变差，但利用四象限变流器良好的开关特性，仍能保持二次电压的恒定，使电压调整得到补偿。短路阻抗大，变压器重量增加，漏磁增大，所以在牵引变压器的油箱设计时必须考虑漏磁对其影响而产生的磁化，可以采用磁分路或静电屏蔽的办法来解决。
为了满足主电路的要求，必须提高牵引绕组的短路阻抗，并且保证各牵引绕组的短路阻抗相等。为此，绕组布置一般采用交错式。绝缘材料一般要选用高机械强度、耐高温材料（如聚酰胺等）。从安全、可靠的角度出发，交流传动电力机车常常采用多个交—直—交电气传动系统，绕组之间相互独立，牵引绕组宜采用全分裂结构，其他绕组与牵引绕组间应采用疏耦合。
5 轻量化、小型化
牵引变压器重量受机车轴重的限制，体积也受到安装位置的限制。因此，其体积和重量是设计时要考虑的一项关键指标。主要可从以下几个方面入手：
（1）从结构形式考虑 一般认为，壳式变压器有下列优点：冲击电压分布特性好，散热效果好，机械力小，强度高，结构紧凑，引线方便，结构损耗小。同时，壳式变压器靠油箱支撑，铁心侧面与油箱无须绝缘距离，抗振性好，容易制成适形油箱。所以一般情况下，主变压器采用壳式变压器时重量较轻，体积较小。例如日本300系列动车组主变压器采用壳式变压器结构。但是小容量高阻抗壳式主变压器的设计难度较大，为此，日本动车组的主变压器在高压绕组与牵引绕组间加气隙铁心以满足设计要求。
（2）对牵引变压器的电磁和结构方面进行优化设计 在满足工作可靠性的前提下，适当减小设计裕度，如选用较高的电密和磁密；合理地选择各种绝缘材料，以减少散热器的热交换容量；合理地选择油泵和风机等。
（3）采用密度较小的铝质材料替代铜、铁质材料 例如油箱、储油柜采用铝合金结构；采用铝绕组以及采用环氧浇注的铝端子等；采用高效翅片式铝散热器；采用0.35mm以下厚的高导磁冷轧硅钢片。
（4）采用耐热等级较高的绝缘材料 绕组用聚酰胺（Nomex）纸包导线；绝缘油使用硅油或多元醇酯。
6 结论
设计交流传动电力机车牵引变压器时，不仅要考虑牵引变压器功能，而且还要考虑主电路的形式以及控制方式对牵引变压器工作状态的影响，其中包括谐波损耗、短路阻抗、直流磁化、过励磁以及轻量化、小型化等。因此，在设计牵引变压器时，需根据变压器的容量、短路阻抗、使用的材料、外形尺寸要求以及工艺装备等具体条件综合考虑，使牵引变压器的设计尽可能满足实际使用的要求。
参考文献：
[1] （美）麦克莱曼著，龚绍文译. 变压器与电感器设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社 2009
[2] 郑瞳炽，张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统—城市轨道交通系列丛书[M].北京：中国铁道出版社2000
[3] 张曙光.HXD3型电力机车[M].北京：中国铁道出版社2009
作者简介：
薛振洲（1963.9—），男，陕西韩城.助理工程师，在读硕士.主要研究方向：电力机车控制.
单位：西安铁路职业技术学院电气工程系
[关键词]：牵引变压器 电力机车 交流传动 主变流器
中图分类号：U264 文献标识码：U 文章编号：1009-914X（2012）26- 0332 -01
1 引言
交流传动电力机车牵引电路所采用的“四象限变流器+逆变器”的交—直—交电气传动方式，一方面要求牵引变压器具有储能作用，通过频繁的开关动作，来保持中间电压的恒定；另一方面在电力机车实施再生制动时，将牵引电动机的电能反馈给电网。这两方面的作用，会给牵引变压器的运行带来影响：前者，由于四象限变流器的频繁动作，在牵引变压器绕组中将产生高次谐波，直接危及绕组的绝缘；后者，由于实施再生制动，电能由负载反馈电网，必然导致电网电压上升，更有甚者，有可能超过网压最高值（29kV），使主变一次侧绕组陷入较恶劣的电磁环境。因此主变在结构设计和材料选择上，需采取相应的措施，以保证主变工作的可靠性。
2 牵引绕组电流的高次谐波及防治
在交流传动机车中，牵引变压器的牵引绕组以四象限变流器作为负载。四象限变流器工作于脉冲状态，即使采用正弦脉宽调制（SPWM），但由于四象限变流器的容量较大，使得变流元件的调制频率受到较大的限制。采用可关断晶闸管（GTO），调制频率为200～450Hz时，牵引绕组输出电流波形畸变较为严重，高次谐波的损耗大，甚至与基波涡流损耗相同。
谐波损耗可分为绕组电阻损耗和涡流损耗两部分，其中高次谐波涡流损耗占较大的比重。计算高次谐波产生的涡流损耗过程比较复杂，不仅要考虑铁心材料的非线性，还要考虑各次谐波的相位差、频率以及相应导线的透入深度等。而且谐波产生的涡流损耗在各线饼中的分布极不均匀，谐波损耗容易导致绕组的局部过热。
在进行机车牵引变压器电磁计算时，必须充分考虑高次谐波的涡流损耗，一般应按基波电流引起的涡流损耗的5倍。在机车牵引变压器结构设计时，应采用油导向循环方案，使器身各个部分能得到有效的冷却，以防止可能引起的局部过热。
3 网压波动与过励磁问题
电力机车的频繁启动和制动，以及运行机车数量的变化，会导致电网电压波动。国标规定其额定电压为25kV，电压波动范围为19～29kV。如果机车采用再生制动，制动时能量要反馈回电网，因此最高电压可达到31～32kV。
（1）网压波动，使得主变高压绕组出现过励磁，当设计磁密不合适时，高压绕组会因过热而烧损。法国进口的8K电力机车牵引变压器的设计磁密取1.7T。在丰沙大线路上運行时，网压经常上升到32kV，此时牵引变压器铁心磁密为2.176T，出现严重过励磁，励磁电流大幅度增大，导致多台机车牵引变压器高压绕组烧损。因此，设计交流传动牵引变压器时，磁密不能选择太高。若以额定工况进行考核，采用普通冷轧硅钢片，牵引变压器最高磁密以不超过1.6T为宜，如果采用高导磁的冷轧硅钢片，则可取到1.6～1.65T。
（2）直流磁化问题 机车运行时受电弓离线和变流器控制发生偏移是不可避免的，可能
使牵引侧绕组中的电流正半周和负半周波形不对称。使牵引变压器一次电流中出现直流分量，引起变压器的直流磁化，其结果是：
1）牵引变压器铁心饱和，励磁电流激增，电流畸变严重；
2）牵引绕组的漏抗减少，使得一次侧牵引电流增大，开关元件的di/dt增大，峰值电流增大，可能导致保护装置的误动作。
为防止牵引变压器直流磁化，从变压器本身的设计来说，磁密不能取得太高，应留有一定的裕度；一次侧和牵引绕组之间采用气隙铁心以保证即使发生直流磁化时，牵引绕组仍有最低限度的漏抗。气隙铁心如同电抗器铁心中的气隙，它夹在一次侧与牵引之间，使得几个牵引绕组之间工作相互不受干扰。尽管可能发生由此而引起的重量增加，但这对于防止直流磁化十分必要。这就要求：从控制角度来说，限制脉冲宽度的变化率，不允许脉宽突然间有较大的变化；在驱动电路的设计上尽量保持对称，绝对防止脉冲丢失现象；采用数字信号处理器，进行实时控制，选用磁密饱和值较大的铁心材料。
4 牵引变压器短路阻抗
牵引变压器加四象限变流器是一种升压型脉冲整流供电方式，需借助于牵引变压器牵引侧绕组的漏抗的储能和放电作用，达到对中间回路升压和稳压的目的。为此必须限制元件换流时的di/dt和减少牵引绕组的二次电流脉动。一般来说，当变流器采用GTO元件时，交流传动机车牵引变压器的短路阻抗为40%～45%，采用IGBT时短路阻抗为20%～25%。由于短路阻抗的增大，必然导致电压调整率变差，但利用四象限变流器良好的开关特性，仍能保持二次电压的恒定，使电压调整得到补偿。短路阻抗大，变压器重量增加，漏磁增大，所以在牵引变压器的油箱设计时必须考虑漏磁对其影响而产生的磁化，可以采用磁分路或静电屏蔽的办法来解决。
为了满足主电路的要求，必须提高牵引绕组的短路阻抗，并且保证各牵引绕组的短路阻抗相等。为此，绕组布置一般采用交错式。绝缘材料一般要选用高机械强度、耐高温材料（如聚酰胺等）。从安全、可靠的角度出发，交流传动电力机车常常采用多个交—直—交电气传动系统，绕组之间相互独立，牵引绕组宜采用全分裂结构，其他绕组与牵引绕组间应采用疏耦合。
5 轻量化、小型化
牵引变压器重量受机车轴重的限制，体积也受到安装位置的限制。因此，其体积和重量是设计时要考虑的一项关键指标。主要可从以下几个方面入手：
（1）从结构形式考虑 一般认为，壳式变压器有下列优点：冲击电压分布特性好，散热效果好，机械力小，强度高，结构紧凑，引线方便，结构损耗小。同时，壳式变压器靠油箱支撑，铁心侧面与油箱无须绝缘距离，抗振性好，容易制成适形油箱。所以一般情况下，主变压器采用壳式变压器时重量较轻，体积较小。例如日本300系列动车组主变压器采用壳式变压器结构。但是小容量高阻抗壳式主变压器的设计难度较大，为此，日本动车组的主变压器在高压绕组与牵引绕组间加气隙铁心以满足设计要求。
（2）对牵引变压器的电磁和结构方面进行优化设计 在满足工作可靠性的前提下，适当减小设计裕度，如选用较高的电密和磁密；合理地选择各种绝缘材料，以减少散热器的热交换容量；合理地选择油泵和风机等。
（3）采用密度较小的铝质材料替代铜、铁质材料 例如油箱、储油柜采用铝合金结构；采用铝绕组以及采用环氧浇注的铝端子等；采用高效翅片式铝散热器；采用0.35mm以下厚的高导磁冷轧硅钢片。
（4）采用耐热等级较高的绝缘材料 绕组用聚酰胺（Nomex）纸包导线；绝缘油使用硅油或多元醇酯。
6 结论
设计交流传动电力机车牵引变压器时，不仅要考虑牵引变压器功能，而且还要考虑主电路的形式以及控制方式对牵引变压器工作状态的影响，其中包括谐波损耗、短路阻抗、直流磁化、过励磁以及轻量化、小型化等。因此，在设计牵引变压器时，需根据变压器的容量、短路阻抗、使用的材料、外形尺寸要求以及工艺装备等具体条件综合考虑，使牵引变压器的设计尽可能满足实际使用的要求。
参考文献：
[1] （美）麦克莱曼著，龚绍文译. 变压器与电感器设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社 2009
[2] 郑瞳炽，张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统—城市轨道交通系列丛书[M].北京：中国铁道出版社2000
[3] 张曙光.HXD3型电力机车[M].北京：中国铁道出版社2009
作者简介：
薛振洲（1963.9—），男，陕西韩城.助理工程师，在读硕士.主要研究方向：电力机车控制.
单位：西安铁路职业技术学院电气工程系