Železničný transformátor: Typy, špecifikácie a aplikácie

 

Úvod

Vysoko{0}}rýchlostné vlaky, električky, ľahké koľajnice, metrá a konvenčné vlaky závisia od spoľahlivého napájania, aby fungovali bezpečne a efektívne. Za týmto napájacím zdrojom je rad špecializovaných železničných transformátorov, navrhnutých na premenu a distribúciu elektrickej energie pre rôzne časti systému elektrifikácie železníc. Medzi nimitrakciatransformátoryhrať kľúčovú úlohu. Používajú sa v železničných trakčných staniciach a v niektorých aplikáciách aj vo vlakoch na premenu elektrickej energie na napätie a konfiguráciu vyžadovanú železničnými trakčnými systémami. V tomto článku vysvetľujeme, čo je železničný transformátor, ako fungujú trakčné transformátory, hlavné typy železničných transformátorov, ich kľúčové špecifikácie a ako vybrať správny transformátor pre železničný napájací systém.

 

Čo je železničný trakčný transformátor?

Železničný transformátor je určený na použitie v železničných elektrifikačných systémoch na premenu, izoláciu a distribúciu elektrickej energie pre vlaky a súvisiace zariadenia. Jedným z hlavných typov je trakčný transformátor, ktorý napája železničnú trakčnú sústavu.

Železničný trakčný transformátor, tiež známy ako trakčný výkonový transformátor, zvyčajne premieňa striedavý prúd vysokého{0}} napätia z rozvodnej siete alebo železničnej napájacej siete na napätie vhodné pre trakčný systém. Bežne sa inštaluje v železničnej trakčnej stanici, kde napája trolejové alebo tretie-koľajové systémy. Niektoré trakčné transformátory sú určené aj na priamu inštaláciu na elektrické vlaky.

Na rozdiel od bežných výkonových transformátorov musí trakčný transformátor zvládať časté a rýchle zmeny zaťaženia. Zrýchlenie vlaku môže spôsobiť náhle zvýšenie prúdu, zatiaľ čo brzdenie a zmeny v prevádzke vlaku môžu spôsobiť ďalšie zmeny elektrického zaťaženia. Preto sú železničné trakčné transformátory konštruované pre spoľahlivú prevádzku pri dynamickom zaťažení, elektrickom namáhaní, vibráciách a iných náročných železničných podmienkach.

Pre širší úvod do konštrukcie trakčných transformátorov a komponentov

pozri našePrehľad trakčného transformátora.

 

3. Princíp činnosti železničného transformátora

Princíp činnosti železničného transformátora je založený na elektromagnetickej indukcii. V trakčnej rozvodni transformátor znižuje vysokonapäťový výkon zo siete alebo železničnej napájacej siete na napätie vhodné pre železničný trakčný systém.

Vstupné-vysoké napätie: Elektrina z nadzemných trolejových vedení alebo systémov tretích{0} koľajníc sa privádza do primárneho vinutia železničného transformátora. Vstupné napätie sa môže pohybovať od 15 kV do 25 kV v závislosti od železničného systému.

 

Transformácia napätia:Vysoko{0}}napäťový vstup napája primárne vinutie a vytvára meniace sa magnetické pole v jadre transformátora. Prostredníctvom elektromagnetickej indukcie toto magnetické pole indukuje nižšie napätie v sekundárnom vinutí, pričom napätie je určené pomerom závitov transformátora.

 

Regulácia napätia: Železničný transformátor upravuje napätie tak, aby zodpovedalo požiadavkám trakčného systému vlaku, zvyčajne ho znižuje na nižšiu úroveň napätia vhodnú pre pohonné zariadenie vlaku.

 

Dodávka energie: Transformovaný výkon sa potom dodáva do trakčného systému vrátane trakčných motorov alebo iného palubného zariadenia, ktoré umožňuje prevádzku vlaku.

 

Ochrana a kontrola: Železničné transformátory musia zvládnuť vysoké vstupné napätie a meniace sa požiadavky na zaťaženie počas prevádzky vlaku. Ochranné zariadenia, ako sú ističe a senzory monitorujú teplotu, napätie a prúd, aby zaistili bezpečnú a spoľahlivú prevádzku.

 

Spätná väzba a úprava: Nepretržité monitorovanie umožňuje systému reagovať na zmeny v záťaži a prevádzkových podmienkach, čím pomáha udržiavať stabilný výkon a predchádzať poruchám.

 

4. Typy železničných transformátorov

Existuje niekoľko typov železničných transformátorov a ich dizajn sa líši v závislosti od systému železničného napájania, miesta inštalácie a aplikácie. Medzi hlavné typy patria stacionárne trakčné transformátory, palubné trakčné transformátory, auto-transformátory a viac{2}}systémové trakčné transformátory.

 

4.1 Stacionárne trakčné transformátory

Stacionárne trakčné transformátory sú inštalované v železničných staniciach pozdĺž železničnej trate. Pred dodávkou elektriny do vlaku cez nadzemný trolejový systém alebo tretiu koľajnicu odídu-napäťové napájanie zo siete alebo železničnej napájacej siete.

Tieto transformátory sa bežne používajú v železničných elektrifikačných systémoch na zabezpečenie stabilného a spoľahlivého napájania elektrických vlakov.

 

4.2 Palubné trakčné transformátory

Palubné trakčné transformátory sa inštalujú priamo na elektrické vlaky alebo lokomotívy. Majú kompaktný a ľahký dizajn, pretože sa musia pohybovať s vlakom a zároveň zvládať vysoké-požiadavky na výkon trakčného systému.

Tieto transformátory prijímajú energiu zo železničného nadzemného systému a znižujú ju na napätie vhodné pre trakčné a elektrické zariadenia vlaku.

 

4.3 Trakčné automatické-transformátory

Trakčné auto-transformátory sa používajú v železničných napájacích systémoch, najmä vo vysoko-napäťových a vysokorýchlostných{2}}železničných aplikáciách. Pomáhajú udržiavať požadované napätie pozdĺž železničnej trate a môžu znižovať pokles napätia a straty výkonu na veľké vzdialenosti.

Na rozdiel od konvenčných transformátorov s dvoma{0}}vinutiami, auto-transformátor používa spoločné vinutie pre časť primárneho a sekundárneho obvodu.

 

4.4 Viac{1}}systémové trakčné transformátory

Viac{0}}systémové trakčné transformátory sú navrhnuté pre elektrické vlaky, ktoré premávajú naprieč železničnými sieťami s rôznymi elektrifikačnými systémami. Môžu sa prispôsobiť rôznym napájacím napätiam a frekvenciám, čo umožňuje vlakom premávať v regiónoch alebo krajinách s rôznymi normami železničného výkonu.

 

4.5 Transformátory pre AC a DC trakčné systémy

Železničné trakčné transformátory možno klasifikovať aj podľa typu železničného napájania.

Trakčné transformátory striedavého prúdu sa používajú v systémoch elektrifikácie železníc na striedavý prúd vrátane mnohých sietí diaľkových{0}}a vysokorýchlostných{1}}železníc. Znižujú prichádzajúce striedavé napätie na úroveň požadovanú trakčným systémom vlaku.

Jednosmerné trakčné systémy sa bežne používajú pre vlaky metra, električky a prímestské železnice. V týchto systémoch sa transformátory vo všeobecnosti používajú spolu s usmerňovačmi na premenu prichádzajúceho striedavého prúdu na jednosmerný prúd požadovaný železničným systémom.

Výber železničného transformátora závisí od systému elektrifikácie železnice, napätia a frekvencie, typu inštalácie, požiadaviek na vlak a prevádzkových podmienok.

 

5. Aplikácie železničných trakčných transformátorov

Železničné trakčné transformátory sa používajú hlavne v elektrifikovaných železničných systémoch na zabezpečenie spoľahlivého napájania vlakov a súvisiacich železničných zariadení. Ich použitie sa líši v závislosti od typu železnice, vlaku a elektrifikačného systému.

 

6. Návrh a špecifikácie železničného trakčného transformátora

Konštrukcia trakčného transformátora závisí od systému elektrifikácie železnice, typu inštalácie, úrovne napätia, požiadaviek na výkon a prevádzkových podmienok. V porovnaní so štandardnými výkonovými transformátormi musia železničné transformátory odolávať častým zmenám zaťaženia, mechanickým vibráciám, elektrickému namáhaniu a náročným prevádzkovým podmienkam.

 

6.1 Jadro a vinutia

Jadro transformátora poskytuje magnetický tok medzi vinutiami s nízkou{0}}reluktančnou dráhou. Vysokokvalitné-materiály jadra a tuhá konštrukcia pomáhajú transformátoru udržiavať spoľahlivý výkon pri kolísajúcom zaťažení železnice.

Vinutia sú navrhnuté podľa požadovaného napätia a výkonu. Na zabezpečenie mechanickej pevnosti a elektrickej izolácie potrebnej pre železničné aplikácie sa používajú vysokokvalitné-materiály vodičov a izolačné systémy.

 

6.2 Napätie a frekvencia

Špecifikácie trakčného transformátora závisia od železničného napájacieho systému. Bežné úrovne železničnej dodávky zahŕňajú:

• 15 kV, 16,7 Hz AC - používané v niektorých európskych železničných sieťach.
• 25 kV, 50/60 Hz AC - široko používané na elektrifikáciu železníc.
• 1,5 kV DC a 3 kV DC trakčné systémy - používané v niektorých mestských a konvenčných železničných sieťach.

Výstupné napätie sa volí podľa požiadaviek trakčného systému a nadväzujúcich elektrických zariadení.

 

6.3 Menovitý výkon

Menovitý výkon trakčného transformátora sa bežne uvádza v kVA alebo MVA a závisí od vlaku, železničnej siete a očakávaného zaťaženia. Rôzne aplikácie môžu vyžadovať rôzne menovité výkony, od menších jednotiek pre ľahké železničné a električky až po transformátory s vyššou{1}}kapacitou pre vysoko-rýchlostné vlaky a ťažké-železničné systémy.

Transformátor musí byť tiež navrhnutý tak, aby vydržal krátkodobé-preťaženie a rýchle zmeny zaťaženia počas zrýchľovania vlaku, brzdenia a bežnej prevádzky.

 

6.4 Chladenie a konštrukcia

Trakčné transformátory môžu používať rôzne spôsoby chladenia v závislosti od inštalácie a požiadaviek na výkon.

Transformátory ponorené do oleja- používajú na chladenie aj izoláciu izolačnú kvapalinu.

Suché transformátory -používajú vzduch na chladenie a pevné izolačné materiály, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie, kde sa neuprednostňuje olej.

Pre palubné aplikácie musí transformátor spĺňať aj prísne požiadavky na priestor a hmotnosť. V závislosti od konštrukcie vlaku môžu byť transformátory inštalované v strojovniach, pod podlahou, v nízko{1}}podlažných priestoroch alebo na streche.

 

6.5 Prepínač odbočiek a regulácia napätia

Na nastavenie napätia transformátora podľa požiadaviek železničného energetického systému je možné použiť prepínač odbočiek. V závislosti od aplikácie môže trakčný transformátor používať prepínač odbočiek so zapnutým-záťažom (OLTC) alebo vypnutý-prepínač odbočiek.

OLTC môže upravovať napätie, zatiaľ čo transformátor zostáva pod napätím, zatiaľ čo prepínač odbočiek s vypnutým{0}}záťažom vyžaduje, aby bol transformátor pred zmenou polohy odbočky odpojený.

 

6.6 Účinnosť a energetické straty

Trakčné transformátory sú navrhnuté pre vysokú účinnosť, pretože pracujú pri častom a meniacom sa zaťažení. Ich energetické straty zahŕňajú najmä straty v jadre a straty záťaže.

• Straty jadra: Hlavne spôsobené hysteréziou a vírivými prúdmi v jadre transformátora. Tieto straty zostávajú relatívne stabilné, keď je transformátor pod napätím.
• Straty zaťaženia: Hlavne spôsobené odporom vinutia a nárastom s druhou mocninou záťažového prúdu.
• Ostatné straty: K celkovým stratám môžu prispieť aj rozptylové straty, dielektrické straty a energia spotrebovaná chladiacim zariadením.

Skutočná účinnosť a straty závisia od konštrukcie transformátora, menovitého výkonu, materiálov, spôsobu chladenia a prevádzkového zaťaženia. Hodnoty účinnosti a strát transformátora by sa preto mali hodnotiť podľa špecifických požiadaviek projektu a platných noriem.

 

6.7 Ochrana a testovanie

Spoľahlivá ochrana je nevyhnutná, pretože trakčné transformátory pracujú pod vysokým elektrickým a dynamickým zaťažením. Typické ochranné a monitorovacie funkcie zahŕňajú:

• Nadprúdová ochrana
• Ochrana proti prepätiu
• Monitorovanie teploty
• Monitorovanie izolácie
• Ochrana proti zemnej poruche

Testovanie trakčného transformátora sa vykonáva na overenie elektrického výkonu, izolačnej pevnosti, teplotného výkonu a celkovej spoľahlivosti pred uvedením transformátora do prevádzky.

Konečné špecifikácie trakčného transformátora a menovité hodnoty by sa mali určiť podľa železničného napäťového systému, frekvencie, spotreby energie, podmienok inštalácie, spôsobu chladenia a platných noriem.

 

6.8 Kľúčové výzvy v oblasti dizajnu

Železničné trakčné transformátory musia spĺňať niekoľko požiadaviek vrátane:

Vysoký výkon: Zvládnite vysoké a rýchlo sa meniace bremená.

Tepelný manažment: Odvádza teplo v náročných prevádzkových podmienkach.

Mechanická pevnosť: Odoláva vibráciám a mechanickému namáhaniu.

Kompaktnosť: Spĺňajte priestorové a hmotnostné obmedzenia, najmä pre palubné aplikácie.

Spoľahlivosť: Udržujte stabilnú prevádzku s minimálnou údržbou.

 

7. Ako vybrať železničný transformátor?

Výber správneho železničného transformátora závisí od železničného energetického systému, požiadaviek na zaťaženie, podmienok inštalácie a platných noriem. Pred zadaním objednávky je dôležité potvrdiť nasledujúce kľúčové špecifikácie.

 

7.1 Menovitý výkon a napätie

Transformátor by mal mať dostatočnú kapacitu na zvládnutie očakávaného zaťaženia železnice vrátane špičkových a meniacich sa zaťažení počas prevádzky. Požadovaný menovitý výkon a úroveň vysokého-napätia by sa mali určiť podľa železničného napájacieho systému.

SCOTECH môže poskytnúť transformátory s menovitým výkonom do 100 MVA a menovitým vysokým napätím do 132 kV, s prispôsobenými menovitými hodnotami dostupnými podľa požiadaviek projektu.

 

7.2 Požiadavky na pripojenie a fázu

Zapojenie transformátora by malo zodpovedať železničnej trakčnej sústave a jej konfigurácii napájania. Rôzne železničné aplikácie môžu vyžadovať rôzne usporiadanie fáz a spojenia vinutia.

Dostupné možnosti pripojenia zahŕňajú:

• YN,d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-pripojené (3-fázové/2-fázové)
• Leblanc-pripojené (3-fázové/2-fázové)
• Woodbridge-pripojený (3-fázový/2-fázový)

 

7.3 Izolácia a chladiace médium

Výber izolačného a chladiaceho média závisí od prostredia inštalácie, požiadaviek na výkon a špecifikácií projektu.

SCOTECH môže poskytnúť rôzne možnosti, vrátane FR3, minerálneho oleja, silikónu, uhľovodíka a rastlinného oleja.

Chladiace systémy je možné konfigurovať aj podľa výkonu transformátora a aplikácie, pričom sú k dispozícii radiátory z pozinkovanej alebo nehrdzavejúcej{0}} ocele.

 

7.4 Nádrž a príslušenstvo

Nádrž transformátora a kryt by mali poskytovať dostatočnú mechanickú pevnosť a ochranu pre vnútorné komponenty. V závislosti od požiadaviek projektu ponúka SCOTECH nádrže a kryty z mäkkej alebo nehrdzavejúcej ocele-.

Je možné nakonfigurovať aj ďalšie príslušenstvo, vrátane:

• Buchholzova štafeta
• Prúdový transformátor (CT)
• Pri -načítaní prepínača kohútikov (OLTC)
• Zaraďovacia skrinka
• Indikátor teploty navíjania
• Ostatné monitorovacie a ochranné príslušenstvo

 

7.5 Impedancia a vlastné požiadavky

Impedancia transformátora ovplyvňuje reguláciu napätia a výkon skrat{0}}, preto by sa mala vyberať podľa požiadaviek železničného systému.

SCOTECH podporuje vlastnú impedanciu a v prípade potreby môže poskytnúť elektrostatický štít. Ostatné parametre transformátora je tiež možné prispôsobiť podľa projektovej špecifikácie.

 

7.6 Normy a testovanie

Železničné transformátory by mali byť navrhnuté a testované podľa noriem požadovaných pre konkrétny projekt a trh. SCOTECH navrhuje transformátory podľa platných noriem IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA a iných relevantných noriem.

Pred výberom železničného transformátora si overte požadovaný výkon, napätie, frekvenciu, pripojenie, izoláciu a chladiace médium, impedanciu, príslušenstvo, podmienky inštalácie a príslušné normy. Poskytnutie týchto podrobností výrobcovi transformátora pomáha zabezpečiť, že konečný návrh zodpovedá železničnému energetickému systému a prevádzkovým požiadavkám.