（中车株洲电机有限公司 湖南株洲 412001）
摘要：本文章介绍一种应用在提高铁路运输能力的同相供电系统中的变压器的研制背景、变压器的技术指标、技术特点、主要参数计算及温度场仿真计算进行了介绍，为满足总体技术参数及工作环境等要求，该变压器设计成干式、自冷、环氧浇注式结构，该变压器具有结构紧凑、安全、可靠等特点，样机通过型式试验，验证了变压器能满足设计要求。
关键词：电气化铁路；同相供电系统；干式变压器；温度场
1 研制背景
目前电气化铁路牵引供电系统原理如图1所示。异相供电方式下，牵引变压器将电力系统三相110/220kV变换成牵引侧α、β两相27.5/55kV分别向2条供电臂分段供电。
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图1 电气化铁路牵引供电系统
异相分段供电方式，由于存在电分相环节，使得车辆受流不连续，造成相当大的列车速度和牵引力损失问题，降低了线路运能。同时，牵引供电网功率因数低，谐波、负序严重，由此导致无功补偿、高频谐振、低频振荡、三相不平衡等问题突出。
同相供电系统就解决了这一问题，为异相供电系统中的中性区的接触网段（图1中的虚线所示部分）提供一个27.5kV的电压，该电压相位在靠近供电臂A时与A（α）相电压完全相同、在靠近供电臂B时与B（β）相电压完全相同，这样线路上无电分相环节，能取消电分相，取消分相绝缘。
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图2 同相供电系统原理简图
本项目同相供电装置利用变流器及其控制系统，调节变压器高压侧端间电压的相角及其幅值，为中性区提供一个幅值不变、相位不断变化的电压，同时当有机车通过中性区时，通过控制系统的控制提供一定容量的有功和无功功率。
2 变压器技术参数
表1 变压器主要技术参数
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3 技术特点
该变压器为干式、自冷、环氧浇注变压器，主要部件为铁心、线圈、引线、变压器柜、温控仪等。变压器线圈圆形结构，两柱线圈并联，变压器的结构相对比较常规，但阻抗电压值30%较常规大很多，准确计算阻抗电压比较困难。变压器柜外罩设有通风孔，通过自然散热冷却线圈，想要温升公式计算值比较接近实际测量值很困难，所以本项目重点是将变压器的阻抗电压和温升计算准确。
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图3 变压器外形图
4 变压器阻抗电压计算
阻抗电压是变压器的设计中一个非常重要的性能参数，直接影响到变压器的成本、效率、短路电流的大小等重要指标[1]。阻抗电压的允许偏差一般为±10%，有的客户要求会更高±5%，但实际制造工艺偏差及试验测量的误差会很容易导致超差，所以需要理论计算、仿真计算及试验测量相结合[2]，确定出合理的偏差范围。
阻抗电压计算的公式：
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式中：Ur(%)—电阻电压标么值；Ux(%)—电抗电压标么值；
电阻电压降计算：
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电抗电压降计算：
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根据经验公式计算变压器总阻抗电压：30.88%；
有限元仿真计算变压器总阻抗电压：29.96%；
通过实际测量变压器阻抗电压值，比经验公式和仿真计算值偏小：29.12%，满足技术要求。
5 变压器温升仿真计算
对于干式自冷变压设计，热计算是重点之一，空气自冷干式变压器的散热不仅靠对流散热，还有辐射散热，同时冷却的介质为空气，计算相对比较复杂。本项目为环氧浇注干式变压器，且安装在柜体内，对于该类型变压器的温升计算经验相对不足，缺少试验数据进行支撑，仅能通过部分产品进行类比复核，故计算出的温升与实际温升可能存在较大偏差，如果本项目在进行设计时，想要温升公式计算值比较接近实际测量值很困难，所以需要配合进行变压器温度场仿真计算，以保证变压器实际温升能满足要求[3]。
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图3 阻抗电压仿真计算模型
表2 温度场仿真边界条件
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图4 总体温度分布和中间断面温度分布
表3 温升计算对比
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6 结论
同相供电系统能取消电分相，取消分相绝缘，提高铁路运输能力，将是未来高速、重载铁路、长达坡道铁路的一个重要发展方向。而对于同相供电系统的变压器的使用工况、应用环境、产品设计等方面没有相关经验积累，本文对变压器的阻抗电压和温度场进行了计算对比分析，为该类型的变压器项目提供了技术参考。
参考文献
[1] 崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1995.
[2] 路长柏. 干式电力变压器理论与计算[M]. 沈阳:辽宁科学技术出版社, 2003.
[3] 王珊珊, 刘超, 阮江军, 等. 不同冷却条件下干式变压器温升研究[J]. 电气制造, 2015, 10(01):54-57.