Spoorwegtransformator: typen, specificaties en toepassingen

 

Invoering

Hoge-snelheidstreinen, trams, lightrails, metro's en conventionele treinen zijn allemaal afhankelijk van een betrouwbare stroomvoorziening om veilig en efficiënt te kunnen werken. Achter deze stroomvoorziening schuilt een reeks gespecialiseerde spoorwegtransformatoren, ontworpen om elektrische stroom voor verschillende delen van een spoorwegelektrificatiesysteem om te zetten en te distribueren. Onder hen,tractietransformatoreneen sleutelrol spelen. Ze worden gebruikt in onderstations voor spoorwegtractie en, in sommige toepassingen, aan boord van treinen om elektrische energie om te zetten in de spanning en configuratie die vereist is voor tractiesystemen voor spoorwegen. In dit artikel leggen we uit wat een spoorwegtransformator is, hoe tractietransformatoren werken, de belangrijkste soorten spoorwegtransformatoren, hun belangrijkste specificaties en hoe u de juiste transformator voor een spoorwegstroomvoorzieningssysteem selecteert.

 

Wat is een spoorwegtractietransformator?

Een spoorwegtransformator is ontworpen voor gebruik in spoorwegelektrificatiesystemen om elektrische stroom voor treinen en aanverwante apparatuur om te zetten, te isoleren en te distribueren. Een van de belangrijkste typen is de tractietransformator, die stroom levert aan het spoorwegtractiesysteem.

Een tractietransformator voor spoorwegen, ook wel tractiestroomtransformator genoemd, zet doorgaans wisselstroom met hoge- spanning van het openbare elektriciteitsnet of een spoorwegnet om in een spanning die geschikt is voor het tractiesysteem. Het wordt doorgaans geïnstalleerd op een tractieonderstation op het spoor, waar het stroom levert aan bovenleiding- of derde-railsystemen. Sommige tractietransformatoren zijn ook ontworpen voor directe installatie op elektrische treinen.

In tegenstelling tot conventionele vermogenstransformatoren moet een tractietransformator frequente en snelle belastingsveranderingen verwerken. Het versnellen van treinen kan een plotselinge toename van de stroom veroorzaken, terwijl remmen en veranderingen in de werking van de trein verdere variaties in de elektrische belasting kunnen veroorzaken. Daarom zijn spoorwegtractietransformatoren ontworpen voor betrouwbare werking onder dynamische belastingen, elektrische spanningen, trillingen en andere veeleisende spoorwegomstandigheden.

Voor een bredere introductie tot de constructie en componenten van tractietransformatoren

zie onzeOverzicht tractietransformator.

 

3. Werkingsprincipe van spoorwegtransformatoren

Het werkingsprincipe van de spoorwegtransformator is gebaseerd op elektromagnetische inductie. In een tractieonderstation verlaagt de transformator de hoog-stroom van het elektriciteitsnet of het spoorwegnet naar een spanning die geschikt is voor het spoorwegtractiesysteem.

Hoog-ingangsspanning: Elektriciteit van bovenleidinglijnen of derde{0}}railsystemen wordt ingevoerd in de primaire wikkeling van de spoorwegtransformator. De ingangsspanning kan variëren van 15 kV tot 25 kV, afhankelijk van het spoorwegsysteem.

 

Spanningstransformatie:De hoog-ingangsspanning bekrachtigt de primaire wikkeling en creëert een veranderend magnetisch veld in de transformatorkern. Door elektromagnetische inductie induceert dit magnetische veld een lagere spanning in de secundaire wikkeling, waarbij de spanning wordt bepaald door de windingsverhouding van de transformator.

 

Spanningsregeling: De spoorwegtransformator past de spanning aan om te voldoen aan de vereisten van het tractiesysteem van de trein, waarbij deze doorgaans wordt verlaagd naar een lager spanningsniveau dat geschikt is voor de voortstuwingsapparatuur van de trein.

 

Stroomvoorziening: Het getransformeerde vermogen wordt vervolgens geleverd aan het tractiesysteem, inclusief de tractiemotoren of andere boordapparatuur, waardoor de trein kan rijden.

 

Bescherming en controle: Spoorwegtransformatoren moeten tijdens het treinbedrijf zowel hoge ingangsspanning als wisselende belastingseisen aankunnen. Beschermende apparaten zoals stroomonderbrekers en sensoren bewaken temperatuur, spanning en stroom om een ​​veilige en betrouwbare werking te garanderen.

 

Feedback & Aanpassing: Door voortdurende monitoring kan het systeem reageren op veranderingen in belasting en bedrijfsomstandigheden, waardoor stabiele prestaties worden gehandhaafd en storingen worden voorkomen.

 

4. Soorten spoorwegtransformatoren

Er zijn verschillende soorten spoorwegtransformatoren, en hun ontwerpen variëren afhankelijk van het spoorwegstroomvoorzieningssysteem, de installatielocatie en de toepassing. De belangrijkste typen zijn stationaire tractietransformatoren, tractietransformatoren aan boord, auto-transformatoren en tractietransformatoren met meerdere-systemen.

 

4.1 Stationaire tractietransformatoren

Stationaire tractietransformatoren worden geïnstalleerd op spoorwegonderstations langs de spoorlijn. Ze halen de hoog-stroom uit het elektriciteitsnet of het spoorwegnet voordat ze elektriciteit aan de trein leveren via het bovenleidingssysteem of de derde rail.

Deze transformatoren worden vaak gebruikt in spoorwegelektrificatiesystemen om een ​​stabiele en betrouwbare stroomvoorziening voor elektrische treinen te bieden.

 

4.2 Tractietransformatoren aan boord

Tractietransformatoren aan boord worden rechtstreeks op elektrische treinen of locomotieven geïnstalleerd. Ze hebben een compact en lichtgewicht ontwerp omdat ze met de trein moeten meebewegen terwijl ze aan de hoge- vermogensbehoefte van het tractiesysteem kunnen voldoen.

Deze transformatoren ontvangen stroom van het bovengrondse spoorwegsysteem en verlagen deze naar een spanning die geschikt is voor de tractie- en elektrische uitrusting van de trein.

 

4.3 Tractie-auto-transformatoren

Tractieauto-transformatoren worden gebruikt in spoorwegvoedingssystemen, vooral in hoog-spannings- en hoge-snelheidsspoortoepassingen. Ze helpen de vereiste spanning langs de spoorlijn te handhaven en kunnen spanningsval en vermogensverliezen over lange afstanden verminderen.

In tegenstelling tot conventionele transformatoren met twee-wikkelingen, gebruikt een automatische-transformator een gemeenschappelijke wikkeling voor een deel van de primaire en secundaire circuits.

 

4.4 Multi--systeemtractietransformatoren

Tractietransformatoren met meerdere-systemen zijn ontworpen voor elektrische treinen die over spoorwegnetwerken rijden met verschillende elektrificatiesystemen. Ze zijn geschikt voor verschillende voedingsspanningen en frequenties, waardoor treinen kunnen rijden in regio's of landen met verschillende spoorwegstroomnormen.

 

4.5 Transformatoren voor AC- en DC-tractiesystemen

Tractietransformatoren voor spoorwegen kunnen ook worden geclassificeerd op basis van het type spoorwegstroomvoorziening.

AC-tractietransformatoren worden gebruikt in AC-spoorwegelektrificatiesystemen, waaronder veel lange- langeafstands- en hoge- spoorwegnetwerken. Ze verlagen de binnenkomende wisselspanning tot het niveau dat nodig is voor het tractiesysteem van de trein.

Gelijkstroomtractiesystemen worden vaak gebruikt voor metrotreinen, trams en voorstedelijke spoorwegen. In deze systemen worden doorgaans transformatoren samen met gelijkrichters gebruikt om de binnenkomende wisselstroom om te zetten in de gelijkstroom die het spoorwegsysteem nodig heeft.

De keuze van de spoorwegtransformator hangt af van het elektrificatiesysteem, de spanning en frequentie, het installatietype, de treinvereisten en de bedrijfsomstandigheden.

 

5. Toepassingen van spoorwegtractietransformatoren

Spoorwegtractietransformatoren worden voornamelijk gebruikt in geëlektrificeerde spoorwegsystemen om betrouwbare stroom te leveren aan treinen en aanverwante spoorwegapparatuur. Hun toepassingen variëren afhankelijk van het type spoorweg-, trein- en elektrificatiesysteem.

 

6. Ontwerp en specificaties van spoorwegtractietransformatoren

Het ontwerp van de tractietransformator is afhankelijk van het spoorwegelektrificatiesysteem, het installatietype, het spanningsniveau, de stroomvereisten en de bedrijfsomstandigheden. Vergeleken met standaard vermogenstransformatoren moeten spoorwegtransformatoren bestand zijn tegen frequente belastingsveranderingen, mechanische trillingen, elektrische spanningen en veeleisende bedrijfsomstandigheden.

 

6.1 Kern en wikkelingen

De transformatorkern biedt een pad met lage- weerstand voor de magnetische flux tussen de wikkelingen. Kernmaterialen van hoge-kwaliteit en een stijve constructie helpen de transformator betrouwbare prestaties te behouden onder fluctuerende spoorwegbelastingen.

De wikkelingen zijn ontworpen volgens de vereiste spanning en vermogen. Geleidingsmaterialen en isolatiesystemen van hoge- kwaliteit worden gebruikt om de mechanische sterkte en elektrische isolatie te bieden die nodig zijn voor spoorwegtoepassingen.

 

6.2 Spanning en frequentie

De specificaties van de tractietransformator zijn afhankelijk van het spoorwegstroomvoorzieningssysteem. Gemeenschappelijke spoorwegaanbodniveaus zijn onder meer:

• 15 kV, 16,7 Hz AC - gebruikt in sommige Europese spoorwegnetwerken.
• 25 kV, 50/60 Hz AC - wordt veel gebruikt voor de elektrificatie van spoorwegen.
• Tractiesystemen van 1,5 kV DC en 3 kV DC - gebruikt in sommige stedelijke en conventionele spoorwegnetwerken.

De uitgangsspanning wordt geselecteerd op basis van de vereisten van het tractiesysteem en de stroomafwaartse elektrische apparatuur.

 

6.3 Vermogen

Het vermogen van de tractietransformator wordt normaal gesproken gespecificeerd in kVA of MVA en is afhankelijk van de trein, het spoorwegnet en de verwachte belasting. Verschillende toepassingen kunnen verschillende vermogens vereisen, van kleinere eenheden voor lightrail en trams tot transformatoren met een hogere- capaciteit voor hoge-snelheidstreinen en zware- spoorwegsystemen.

De transformator moet ook zo zijn ontworpen dat hij bestand is tegen overbelasting op korte- termijn en snelle veranderingen in de belasting tijdens het optrekken, remmen en normaal bedrijf van de trein.

 

6.4 Koeling en constructie

Tractietransformatoren kunnen verschillende koelmethoden gebruiken, afhankelijk van de installatie en stroomvereisten.

In olie-ondergedompelde transformatoren gebruiken isolatievloeistof voor zowel koeling als isolatie.

Droge-transformatoren gebruiken lucht voor koeling en vaste isolatiematerialen, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen waarbij olie niet de voorkeur heeft.

Voor toepassingen aan boord moet de transformator bovendien aan strenge ruimte- en gewichtseisen voldoen. Afhankelijk van het treinontwerp kunnen transformatoren worden geïnstalleerd in machinekamers, onder de vloer, op lage- vloeroppervlakken of op het dak.

 

6.5 Tapwisselaar en spanningsregeling

Met een kraanwisselaar kan de transformatorspanning worden aangepast aan de eisen van het spoorwegnet. Afhankelijk van de toepassing kan een tractietransformator een aan-belastingaftakwisselaar (OLTC) of een uit-belastingaftakwisselaar gebruiken.

Een OLTC kan de spanning aanpassen terwijl de transformator bekrachtigd blijft, terwijl bij een aftakkingswisselaar -uitgeschakeld moet worden dat de transformator wordt losgekoppeld voordat de aftakkingspositie wordt gewijzigd.

 

6.6 Efficiëntie en energieverliezen

Tractietransformatoren zijn ontworpen voor een hoog rendement omdat ze werken onder frequente en wisselende belastingsomstandigheden. Hun energieverliezen omvatten voornamelijk kernverliezen en belastingverliezen.

• Kernverliezen: Hoofdzakelijk veroorzaakt door hysteresis en wervelstromen in de transformatorkern. Deze verliezen blijven relatief stabiel wanneer de transformator wordt bekrachtigd.
• Laadverliezen: Hoofdzakelijk veroorzaakt door wikkelingsweerstand en toename met het kwadraat van de belastingsstroom.
• Andere verliezen: Zwerfverliezen, diëlektrische verliezen en het stroomverbruik van koelapparatuur kunnen ook bijdragen aan de totale verliezen.

De werkelijke efficiëntie en verliezen zijn afhankelijk van het transformatorontwerp, het nominale vermogen, de materialen, de koelmethode en de bedrijfsbelasting. Daarom moeten de efficiëntie en verlieswaarden van de transformator worden geëvalueerd volgens de specifieke projectvereisten en toepasselijke normen.

 

6.7 Bescherming en testen

Betrouwbare bescherming is essentieel omdat tractietransformatoren onder hoge elektrische en dynamische belastingen werken. Typische beveiligings- en bewakingsfuncties zijn onder meer:

• Overstroombeveiliging
• Overspanningsbeveiliging
• Temperatuurbewaking
• Isolatiebewaking
• Aardfoutbeveiliging

Er worden tractietransformatortests uitgevoerd om de elektrische prestaties, isolatiesterkte, temperatuurprestaties en algehele betrouwbaarheid te verifiëren voordat de transformator in gebruik wordt genomen.

De uiteindelijke specificaties en nominale waarden van de tractietransformator moeten worden bepaald op basis van het spoorwegspanningssysteem, de frequentie, de stroomvraag, de installatieomstandigheden, de koelmethode en de toepasselijke normen.

 

6.8 Belangrijke ontwerpuitdagingen

Tractietransformatoren voor spoorwegen moeten aan verschillende eisen voldoen, waaronder:

Hoog vermogen: Hanteer hoge en snel wisselende lasten.

Thermisch beheer: Warmte afvoeren onder veeleisende bedrijfsomstandigheden.

Mechanische sterkte: Bestand tegen trillingen en mechanische belasting.

Compactheid: Voldoe aan ruimte- en gewichtsbeperkingen, vooral voor toepassingen aan boord.

Betrouwbaarheid: Zorg voor een stabiele werking met minimaal onderhoud.

 

7. Hoe selecteer ik een spoorwegtransformator?

Het selecteren van de juiste spoorwegtransformator is afhankelijk van het spoorwegenergiesysteem, de belastingsvereisten, de installatieomstandigheden en de toepasselijke normen. Voordat u een bestelling plaatst, is het belangrijk om de volgende belangrijke specificaties te bevestigen.

 

7.1 Nominaal vermogen en spanning

De transformator moet voldoende capaciteit hebben om de verwachte spoorbelasting te kunnen verwerken, inclusief piek- en wisselende belastingen tijdens bedrijf. Het vereiste nominale vermogen en het hoge-spanningsniveau moeten worden bepaald in overeenstemming met het spoorwegstroomvoorzieningssysteem.

SCOTECH kan transformatoren leveren met een nominaal vermogen tot 100 MVA en een nominale hoogspanning tot 132 kV, waarbij aangepaste vermogens beschikbaar zijn volgens de projectvereisten.

 

7.2 Aansluit- en fasevereisten

De transformatoraansluiting moet overeenkomen met het spoorwegtractiesysteem en de voedingsconfiguratie ervan. Verschillende spoorwegtoepassingen kunnen verschillende fase-opstellingen en wikkelverbindingen vereisen.

Beschikbare verbindingsopties zijn onder meer:

• JN,d11
• JN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-verbonden (3-fase/2-fase)
• Leblanc-aangesloten (3-fase/2-fase)
• Woodbridge-verbonden (3-fase/2-fase)

 

7.3 Isolatie- en koelmedium

De keuze van het isolatie- en koelmedium hangt af van de installatieomgeving, prestatie-eisen en projectspecificaties.

SCOTECH kan verschillende opties bieden, waaronder FR3, minerale olie, siliconen, koolwaterstof en plantaardige olie.

Koelsystemen kunnen ook worden geconfigureerd op basis van het vermogen en de toepassing van de transformator, waarbij gegalvaniseerde of roestvrijstalen- radiatoren beschikbaar zijn.

 

7.4 Tank en accessoires

De transformatortank en het deksel moeten voldoende mechanische sterkte en bescherming bieden voor de interne componenten. Afhankelijk van de projectvereisten biedt SCOTECH tanks en deksels van zacht staal of roestvrij- staal.

Er kunnen ook extra accessoires worden geconfigureerd, waaronder:

• Buchholz-estafette
• Stroomtransformator (CT)
• Aan-laadtapwisselaar (OLTC)
• Marshallbox
• Indicator voor de temperatuur van de wikkeling
• Andere bewakings- en beschermingsaccessoires

 

7.5 Impedantie en aangepaste vereisten

De impedantie van de transformator heeft invloed op de spanningsregeling en de kortsluitprestaties. Daarom moet deze worden geselecteerd op basis van de eisen van het spoorwegsysteem.

SCOTECH ondersteunt aangepaste impedantie en kan indien nodig een elektrostatische afscherming bieden. Andere transformatorparameters kunnen ook worden aangepast volgens de projectspecificatie.

 

7.6 Normen en testen

Spoorwegtransformatoren moeten worden ontworpen en getest volgens de normen die vereist zijn voor het specifieke project en de markt. SCOTECH ontwerpt transformatoren volgens de toepasselijke IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA en andere relevante normen.

Voordat u een spoorwegtransformator selecteert, moet u het vereiste vermogen, de spanning, de frequentie, de aansluiting, het isolatie- en koelmedium, de impedantie, de accessoires, de installatievoorwaarden en de toepasselijke normen bevestigen. Door deze details aan de transformatorfabrikant te verstrekken, kunt u ervoor zorgen dat het definitieve ontwerp aansluit bij het elektriciteitssysteem en de operationele vereisten van het spoor.