机车主变压器空载电流超差问题的Maxwell仿真试验设计与研究

机车主变压器空载电流超差问题的Maxwell仿真试验设计与研究

刘骅萱 ,徐玮宏,方坤荣,于晓颖,薛倩,闫东旭

中车大连机车车辆有限公司      辽宁大连        116022

摘要:随着轨道交通电气化的不断发展，主变压器作为电力机车的主要部件，其各项故障排查试验的完善性受到更加广泛的关注。本文通过某电力机车牵引变压器空载试验结果的分析，排查多个导致空载电流超差主要原因。并运用Maxwell仿真软件进行试验方案的多次模拟和探索，最终通过现场试验验证，总结出可用于多种车型的针对主变压器空载电流超差问题的故障排查试验方案。

关键词:主变压器；空载试验；Maxwell仿真

1 概述

某电力机车牵引系统的主变压器首台例行空载试验时，发现空载电流超限10%，空载损耗正常，对其做绝缘电阻、直流电阻检测均正常。本文重点对可能造成空载电流超差问题原因分析，介绍排查可能原因的仿真、试验方法，提出解决问题方案。为后续主变压器出现类似问题提供借鉴。

2 原因分析

2.1 空载电流及空载损耗

变压器空载电流，即变压器空载时建立磁场需要从电网吸收的电流。
空载损耗的大小和空载电流的大小没有固定的必然联系。空载电流的大小主要取决于接缝的大小和变压器的材质好坏。空载损耗主要取决于材质和设计时的磁通密度。

2.2 铁轭、心柱衔接接缝大（可能原因1）

铁轭、铁心衔接接缝大，磁阻增加，磁通不变情况，磁势增大，空载电流增大[1]。具体公式如下：

解决方法：按工艺要求，重新叠加铁心硅钢片，装配铁轭时严格控制安装空隙。

2.3硅钢片材质不符合设计要求（可能原因2）

硅钢片本身质量问题，导致磁阻更大，也会导致空载电流增大。解决方法：对硅钢片送检，如不符合设计要求，更换符合设计要求硅钢片铁心。

2.4高压绕组匝数不同（可能原因3）

该变压器由6组高压绕组并联供电，匝数相同，当某一组或多组高压绕组匝数与其他不等，导致高压绕组间产生环流，进而增加输入电流，空载电流增大。

该情况，因为高压绕组匝数1000匝以上，因此几匝差异，检测仪器精度不够，不能通过直流电阻测试检测出来。如何不拆解线圈，检测高压造组匝数正确与否，是难点与关键所在。解决方法：针对绕组错误线圈进行重新更换。

3 Maxwell仿真分析

3.1 模型建立

（一）将变压器铁芯及线圈三维模型导入ANSYS Maxwell软件中，模拟试验环境设置求解域。将模型赋予对应材料并设置对应材料的属性。

（二）创建线圈截面，选择线圈单侧截面。对模型的绕组、匝数、电流方向等根据变压器实际情况进行设置。

（三）模拟试验情况搭建外部电路，并对试验所需要的特殊参数进行设置。

3.2 试验方案模拟

3.2.1 低压单绕组送电，测对应高压电位差

应用电势差测量法[2]，模拟两组试验，如表1所示。

表1

（一）组1

1、输入条件：

连接方式：

在牵引2（72匝）绕组中输入30V恒压源（峰值为42.42V），并将高压1（1241匝）与高压2（1241匝）两绕组反方向串联，电路添加无限大电阻模拟开路，其他绕组全部为开路，并赋其他绕组为电流激励，电流值为0A。

仿真结果：

高压开路绕组电压如表2所示。

表2

（二）组2

1、输入条件：

连接方式：

在牵引2（72匝）绕组中输入30V恒压源（峰值为42.42V），并将高压1（1241匝）与高压2（1243匝）两绕组反方向串联，电路添加无限大电阻模拟开路，其他绕组全部为开路，并赋其他绕组为电流激励，电流值为0A。

2、仿真结果

高压开路绕组电压如表3所示。

表3

小结：对于等匝，高压反馈匝电势最大差值1.11V，而单匝匝电势0.42V，高压绕组匝势差已经远远大于单匝电势，因此不能通过匝势差判断，匝数差值。

原因分析：

单组低压绕组与所有高压绕组，因相对距离不同，造成两两间的交链磁通不同，漏磁通不同，造成感应匝电势有差异，而这种差异已经远远大于一匝匝电势。因此单低压绕组送电，在高压绕组感应电压，不能准确反推绕组匝数。

3.2.2低压绕组并联送电，测对应高压电位差

应用电位差测量法，模拟两组试验，如表4所示

表4

（一）组1

1、输入条件：

牵引3（1241匝）、牵引4（1241匝）绕组输入34.5V恒压源，其他绕组开路，赋其他绕组为电流激励，电流值为0A。

2、仿真结果

高压开路绕组电压如表5所示。

表5

（二）组2

1、输入条件：

牵引1、2（72匝）绕组输入34.5V恒压源，其他绕组开路，高压1（1241匝）、高压2（1246匝）赋其他绕组为电流激励，电流值为0A。

2、仿真结果

高压开路绕组电压如表6所示。

表6

4 结语

规范铁心装配，加强铁心装配工艺检查，可有效避免空载电流超差问题。

在低压绕组送电，测量高压绕组电压，因为感应出电压值很大，其测量精度往往已大于匝电势，因此，不能直接通过感应电势推算出高压绕组匝数。

由于单组低压绕组与所有高压绕组相对距离不同，漏磁不同，与所有高压绕组交链的磁通差异，导致在每个高压绕组感应电动势略有差异，而此差异已大于匝电势，不能忽略。[3]因此，通过单绕组送电，不能准确检测高压绕组匝数状态。

心式变压器牵引变压器，通过低压绕组并联送电，能有效规避了相互漏磁通的差异，通过仿真和实测，可以真实测量高压绕组匝数差值，因此此方法可以有效不拆解绕组情况绕组匝数状态。

参考文献:

[1]赵博 张洪亮.ansoft12 在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015.

[2]罗健.一种判断主变压器高压线圈错匝的测量方法[J].机车电传动，1993（03）.

[3]张振亚.大型电力变压器励磁涌流及内部故障研究[D].南京：南京师范大学，2020.

作者简介：刘骅萱（1998-），女，硕士研究生，助理工程师，主要从事轨道领域的机车用牵引变压器研发设计工作。

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