Eisenbahntransformator: Typen, Spezifikationen und Anwendungen

 

Einführung

Hochgeschwindigkeitszüge, Straßenbahnen, Stadtbahnen, U-Bahnen und konventionelle Züge sind alle auf eine zuverlässige Stromversorgung angewiesen, um sicher und effizient zu funktionieren. Hinter dieser Stromversorgung steckt eine Reihe spezieller Bahntransformatoren, die für die Umwandlung und Verteilung elektrischer Energie für verschiedene Teile eines Bahnelektrifizierungssystems konzipiert sind. Darunter,TraktionTransformatoreneine Schlüsselrolle spielen. Sie werden in Bahnumspannwerken und in einigen Anwendungen auch in Zügen eingesetzt, um elektrische Energie in die Spannung und Konfiguration umzuwandeln, die für Bahnantriebssysteme erforderlich ist. In diesem Artikel erklären wir, was ein Bahntransformator ist, wie Traktionstransformatoren funktionieren, welche Haupttypen von Bahntransformatoren es gibt, welche wichtigen Spezifikationen sie haben und wie man den richtigen Transformator für ein Bahnstromversorgungssystem auswählt.

 

Was ist ein Bahntransformator?

Ein Eisenbahntransformator ist für den Einsatz in Eisenbahnelektrifizierungssystemen konzipiert, um elektrische Energie für Züge und zugehörige Ausrüstung umzuwandeln, zu isolieren und zu verteilen. Einer der Haupttypen ist der Traktionstransformator, der das Bahntraktionssystem mit Strom versorgt.

Ein Eisenbahn-Traktionstransformator, auch Traktionsleistungstransformator genannt, wandelt typischerweise Hochspannungs-Wechselstrom aus dem Versorgungsnetz oder einem Eisenbahnstromversorgungsnetz in eine für das Traktionssystem geeignete Spannung um. Es wird üblicherweise in einem Bahnumspannwerk installiert, wo es Oberleitungen oder dritte -Schienensysteme mit Strom versorgt. Einige Traktionstransformatoren sind auch für den direkten Einbau in elektrische Züge konzipiert.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Leistungstransformatoren muss ein Traktionstransformator häufige und schnelle Lastwechsel bewältigen. Die Beschleunigung des Zugs kann zu plötzlichen Stromanstiegen führen, während Bremsen und Änderungen im Zugbetrieb zu weiteren Schwankungen der elektrischen Last führen können. Daher sind Bahntransformatoren für den zuverlässigen Betrieb unter dynamischen Belastungen, elektrischen Belastungen, Vibrationen und anderen anspruchsvollen Bahnbedingungen ausgelegt.

Für eine umfassendere Einführung in den Aufbau und die Komponenten von Traktionstransformatoren

siehe unsereÜbersicht über Traktionstransformatoren.

 

3. Funktionsprinzip des Eisenbahntransformators

Das Funktionsprinzip des Eisenbahntransformators basiert auf elektromagnetischer Induktion. In einem Umspannwerk wandelt der Transformator die Hochspannungsleistung aus dem Stromnetz oder dem Bahnstromversorgungsnetz auf eine Spannung herunter, die für das Bahntraktionssystem geeignet ist.

Hoher-Spannungseingang: Strom aus Oberleitungen oder dritten -Schienenanlagen wird in die Primärwicklung des Bahntransformators eingespeist. Die Eingangsspannung kann je nach Bahnsystem zwischen 15 kV und 25 kV liegen.

 

Spannungstransformation:Der Hochspannungseingang versorgt die Primärwicklung mit Strom und erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld im Transformatorkern. Durch elektromagnetische Induktion induziert dieses Magnetfeld eine niedrigere Spannung in der Sekundärwicklung, wobei die Spannung durch das Windungsverhältnis des Transformators bestimmt wird.

 

Spannungsregelung: Der Eisenbahntransformator passt die Spannung an die Anforderungen des Traktionssystems des Zugs an und reduziert sie normalerweise auf einen niedrigeren Spannungspegel, der für die Antriebsausrüstung des Zugs geeignet ist.

 

Stromversorgung: Die umgewandelte Energie wird dann an das Traktionssystem, einschließlich der Traktionsmotoren oder anderer Bordausrüstung, geliefert und ermöglicht so den Betrieb des Zuges.

 

Schutz und Kontrolle: Bahntransformatoren müssen sowohl hohe Eingangsspannungen als auch wechselnde Lastanforderungen während des Zugbetriebs bewältigen. Schutzgeräte wie Leistungsschalter und Sensoren überwachen Temperatur, Spannung und Strom, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

 

Feedback und Anpassung: Durch die kontinuierliche Überwachung kann das System auf Änderungen der Last- und Betriebsbedingungen reagieren und so dazu beitragen, eine stabile Leistung aufrechtzuerhalten und Ausfälle zu verhindern.

 

4. Arten von Eisenbahntransformatoren

Es gibt verschiedene Arten von Bahntransformatoren, deren Bauart je nach Bahnstromversorgungssystem, Installationsort und Anwendung unterschiedlich ist. Zu den Haupttypen gehören stationäre Traktionstransformatoren, On-Board-Traktionstransformatoren, Auto-Transformatoren und Mehrsystem-Traktionstransformatoren.

 

4.1 Stationäre Bahntransformatoren

Stationäre Traktionstransformatoren werden in Umspannwerken entlang der Bahnstrecke installiert. Sie reduzieren den Hochspannungsstrom aus dem Stromnetz oder dem Eisenbahnnetz, bevor sie den Zug über die Oberleitung oder die dritte Schiene mit Strom versorgen.

Diese Transformatoren werden häufig in Eisenbahnelektrifizierungssystemen eingesetzt, um eine stabile und zuverlässige Stromversorgung für elektrische Züge bereitzustellen.

 

4.2 Bordnetztransformatoren

Bordnetztransformatoren werden direkt in elektrischen Zügen oder Lokomotiven installiert. Sie verfügen über eine kompakte und leichte Bauweise, da sie sich mit dem Zug bewegen und gleichzeitig den hohen Leistungsanforderungen des Traktionssystems gerecht werden müssen.

Diese Transformatoren beziehen Strom aus dem Oberleitungssystem der Eisenbahn und wandeln ihn auf eine geeignete Spannung für die Traktions- und Elektroausrüstung des Zuges um.

 

4.3 Traction Auto-Transformatoren

Traktionsspartransformatoren werden in Bahnstromversorgungssystemen eingesetzt, insbesondere in Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Sie tragen dazu bei, die erforderliche Spannung entlang der Bahnstrecke aufrechtzuerhalten und können Spannungsabfälle und Leistungsverluste über große Entfernungen reduzieren.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Transformatoren mit zwei-Wicklungen verwendet ein Auto-Transformator eine gemeinsame Wicklung für einen Teil der Primär- und Sekundärkreise.

 

4.4 Multi-System-Traktionstransformatoren

Multisystem-Traktionstransformatoren sind für elektrische Züge konzipiert, die in Eisenbahnnetzen mit unterschiedlichen Elektrifizierungssystemen verkehren. Sie können unterschiedliche Versorgungsspannungen und -frequenzen verarbeiten, sodass Züge in Regionen oder Ländern mit unterschiedlichen Eisenbahnstromstandards verkehren können.

 

4.5 Transformatoren für AC- und DC-Bahnsysteme

Bahn-Traktionstransformatoren können auch nach der Art der Bahnstromversorgung klassifiziert werden.

Wechselstrom-Traktionstransformatoren werden in Wechselstrom-Eisenbahnelektrifizierungssystemen eingesetzt, darunter viele Fern-{0}} und Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnnetze. Sie reduzieren die eingehende Wechselspannung auf das vom Traktionssystem des Zuges benötigte Niveau.

Gleichstrom-Traktionssysteme werden häufig für U-Bahnen, Straßenbahnen und Vorortbahnen eingesetzt. In diesen Systemen werden im Allgemeinen Transformatoren zusammen mit Gleichrichtern verwendet, um den eingehenden Wechselstrom in den vom Bahnsystem benötigten Gleichstrom umzuwandeln.

Die Wahl des Eisenbahntransformators hängt vom Eisenbahnelektrifizierungssystem, der Spannung und Frequenz, der Installationsart, den Zuganforderungen und den Betriebsbedingungen ab.

 

5. Anwendungen von Bahntransformatoren

Bahn-Traktionstransformatoren werden hauptsächlich in elektrifizierten Bahnsystemen eingesetzt, um Züge und zugehörige Bahnausrüstung zuverlässig mit Strom zu versorgen. Ihre Anwendungen variieren je nach Art der Eisenbahn, des Zugs und des Elektrifizierungssystems.

 

6. Design und Spezifikationen von Eisenbahn-Traktionstransformatoren

Die Auslegung des Traktionstransformators hängt vom Eisenbahnelektrifizierungssystem, der Installationsart, dem Spannungsniveau, den Leistungsanforderungen und den Betriebsbedingungen ab. Im Vergleich zu Standard-Leistungstransformatoren müssen Bahntransformatoren häufigen Lastwechseln, mechanischen Vibrationen, elektrischen Belastungen und anspruchsvollen Betriebsbedingungen standhalten.

 

6.1 Kern und Wicklungen

Der Transformatorkern bietet einen Pfad mit geringer Reluktanz für den magnetischen Fluss zwischen den Wicklungen. Hochwertige Kernmaterialien und eine stabile Konstruktion tragen dazu bei, dass der Transformator auch bei schwankenden Bahnlasten eine zuverlässige Leistung aufrechterhält.

Die Wicklungen werden entsprechend der erforderlichen Spannung und Leistung ausgelegt. Um die für Bahnanwendungen erforderliche mechanische Festigkeit und elektrische Isolierung zu gewährleisten, werden hochwertige Leitermaterialien und Isoliersysteme verwendet.

 

6.2 Spannung und Frequenz

Die Spezifikationen des Traktionstransformators hängen vom Bahnstromversorgungssystem ab. Zu den gängigen Versorgungsniveaus der Eisenbahn gehören:

• 15 kV, 16,7 Hz Wechselstrom - wird in einigen europäischen Eisenbahnnetzen verwendet.
• 25 kV, 50/60 Hz Wechselstrom - weit verbreitet für die Eisenbahnelektrifizierung.
• 1,5-kV-Gleichstrom- und 3-kV-Gleichstrom-Traktionssysteme -, die in einigen städtischen und konventionellen Eisenbahnnetzen verwendet werden.

Die Ausgangsspannung wird entsprechend den Anforderungen des Traktionssystems und der nachgeschalteten elektrischen Ausrüstung ausgewählt.

 

6.3 Nennleistung

Die Leistung des Traktionstransformators wird normalerweise in kVA oder MVA angegeben und hängt vom Zug, dem Schienennetz und der erwarteten Last ab. Unterschiedliche Anwendungen können unterschiedliche Nennleistungen erfordern, von kleineren Einheiten für Stadtbahnen und Straßenbahnen bis hin zu Transformatoren mit höherer -Kapazität für Hochgeschwindigkeitszüge und schwere -Eisenbahnsysteme.

Der Transformator muss außerdem so ausgelegt sein, dass er kurzfristigen Überlastungen und schnellen Laständerungen beim Beschleunigen, Bremsen und Normalbetrieb des Zuges standhält.

 

6.4 Kühlung und Konstruktion

Traktionstransformatoren können je nach Installation und Leistungsanforderungen unterschiedliche Kühlmethoden verwenden.

In Öl getauchte Transformatoren verwenden Isolierflüssigkeit sowohl zur Kühlung als auch zur Isolierung.

Trockentransformatoren- verwenden Luft zur Kühlung und feste Isoliermaterialien, wodurch sie für Anwendungen geeignet sind, bei denen Öl nicht bevorzugt wird.

Für Onboard-Anwendungen muss der Transformator außerdem strenge Platz- und Gewichtsanforderungen erfüllen. Je nach Zugkonstruktion können Transformatoren in Maschinenräumen, unter dem Boden, in Niederflurbereichen oder auf dem Dach installiert werden.

 

6.5 Stufenschalter und Spannungsregelung

Mit einem Stufenschalter kann die Transformatorspannung an die Anforderungen des Bahnstromnetzes angepasst werden. Abhängig von der Anwendung kann ein Traktionstransformator einen Laststufenschalter (OLTC) oder einen Laststufenschalter verwenden.

Ein OLTC kann die Spannung anpassen, während der Transformator unter Spannung bleibt, während ein lastfreier Stufenschalter erfordert, dass der Transformator getrennt wird, bevor die Stufenposition geändert wird.

 

6.6 Effizienz und Energieverluste

Traktionstransformatoren sind auf einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt, da sie unter häufigen und wechselnden Lastbedingungen betrieben werden. Ihre Energieverluste umfassen hauptsächlich Kernverluste und Lastverluste.

• Kernverluste: Hauptsächlich verursacht durch Hysterese und Wirbelströme im Transformatorkern. Diese Verluste bleiben relativ stabil, wenn der Transformator mit Strom versorgt wird.
• Lastverluste: Wird hauptsächlich durch den Wicklungswiderstand verursacht und steigt mit dem Quadrat des Laststroms.
• Andere Verluste: Streuverluste, dielektrische Verluste und der Stromverbrauch von Kühlgeräten können ebenfalls zu den Gesamtverlusten beitragen.

Der tatsächliche Wirkungsgrad und die tatsächlichen Verluste hängen vom Transformatordesign, der Nennleistung, den Materialien, der Kühlmethode und der Betriebslast ab. Daher sollten die Effizienz- und Verlustwerte des Transformators gemäß den spezifischen Projektanforderungen und geltenden Standards bewertet werden.

 

6.7 Schutz und Prüfung

Da Traktionstransformatoren hohen elektrischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, ist ein zuverlässiger Schutz unerlässlich. Zu den typischen Schutz- und Überwachungsfunktionen gehören:

• Überstromschutz
• Überspannungsschutz
• Temperaturüberwachung
• Isolationsüberwachung
• Erdschlussschutz

Die Prüfung von Traktionstransformatoren wird durchgeführt, um die elektrische Leistung, die Isolationsfestigkeit, das Temperaturverhalten und die Gesamtzuverlässigkeit zu überprüfen, bevor der Transformator in Betrieb genommen wird.

Die endgültigen Spezifikationen und Nennwerte des Traktionstransformators sollten entsprechend dem Bahnspannungssystem, der Frequenz, dem Leistungsbedarf, den Installationsbedingungen, der Kühlmethode und den geltenden Normen bestimmt werden.

 

6.8 Wichtige Designherausforderungen

Bahntransformatoren müssen mehrere Anforderungen erfüllen, darunter:

Hohe Leistung: Bewältigen Sie hohe und schnell wechselnde Lasten.

Wärmemanagement: Wärme unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen ableiten.

Mechanische Festigkeit: Widersteht Vibrationen und mechanischer Beanspruchung.

Kompaktheit: Erfüllen Sie Platz- und Gewichtsbeschränkungen, insbesondere für Bordanwendungen.

Zuverlässigkeit: Sorgen Sie für einen stabilen Betrieb mit minimalem Wartungsaufwand.

 

7. Wie wählt man einen Eisenbahntransformator aus?

Die Auswahl des richtigen Bahntransformators hängt vom Bahnstromnetz, den Lastanforderungen, den Installationsbedingungen und den geltenden Normen ab. Bevor Sie eine Bestellung aufgeben, ist es wichtig, die folgenden wichtigen Spezifikationen zu bestätigen.

 

7.1 Nennleistung und Spannung

Der Transformator sollte über eine ausreichende Kapazität verfügen, um die erwartete Eisenbahnlast zu bewältigen, einschließlich Spitzen- und Wechsellasten während des Betriebs. Die erforderliche Nennleistung und das Hoch-spannungsniveau sollten entsprechend dem Bahnstromversorgungssystem ermittelt werden.

SCOTECH kann Transformatoren mit einer Nennleistung von bis zu 100 MVA und einer Nennhochspannung von bis zu 132 kV liefern, wobei kundenspezifische Nennwerte je nach Projektanforderungen verfügbar sind.

 

7.2 Anschluss- und Phasenanforderungen

Der Transformatoranschluss sollte zum Bahnantriebssystem und seiner Stromversorgungskonfiguration passen. Unterschiedliche Bahnanwendungen erfordern möglicherweise unterschiedliche Phasenanordnungen und Wicklungsanschlüsse.

Zu den verfügbaren Verbindungsoptionen gehören:

• YN,d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-verbunden (3-phasig/2-phasig)
• Leblanc-verbunden (3-phasig/2-phasig)
• Woodbridge-verbunden (3-phasig/2-phasig)

 

7.3 Isolierung und Kühlmedium

Die Wahl des Isolier- und Kühlmediums hängt von der Installationsumgebung, den Leistungsanforderungen und den Projektspezifikationen ab.

SCOTECH kann verschiedene Optionen anbieten, darunter FR3, Mineralöl, Silikon, Kohlenwasserstoff und Pflanzenöl.

Kühlsysteme können auch je nach Transformatorleistung und Anwendung konfiguriert werden, wobei verzinkte oder rostfreie -Stahlkühler erhältlich sind.

 

7.4 Tank und Zubehör

Der Transformatorkessel und die Abdeckung sollten ausreichende mechanische Festigkeit und Schutz für die internen Komponenten bieten. Abhängig von den Projektanforderungen bietet SCOTECH Tanks und Abdeckungen aus Weichstahl oder Edelstahl an.

Zusätzliches Zubehör kann ebenfalls konfiguriert werden, darunter:

• Buchholz-Staffel
• Stromwandler (CT)
• Ein-Laststufenschalter (OLTC)
• Rangierbox
• Wicklungstemperaturanzeige
• Weiteres Überwachungs- und Schutzzubehör

 

7.5 Impedanz und kundenspezifische Anforderungen

Die Transformatorimpedanz beeinflusst die Spannungsregelung und die Kurzschlussleistung und sollte daher gemäß den Anforderungen des Eisenbahnsystems ausgewählt werden.

SCOTECH unterstützt kundenspezifische Impedanzen und kann bei Bedarf eine elektrostatische Abschirmung bereitstellen. Auch andere Transformatorparameter können entsprechend der Projektspezifikation angepasst werden.

 

7.6 Standards und Tests

Eisenbahntransformatoren sollten gemäß den für das jeweilige Projekt und den Markt erforderlichen Standards entworfen und getestet werden. SCOTECH entwirft Transformatoren gemäß den geltenden IEC-, ANSI/IEEE-, NEMA-, CSA- und anderen relevanten Standards.

Bevor Sie einen Eisenbahntransformator auswählen, überprüfen Sie die erforderliche Nennleistung, Spannung, Frequenz, Anschluss, Isolierung und Kühlmedium, Impedanz, Zubehör, Installationsbedingungen und geltende Normen. Durch die Bereitstellung dieser Details an den Transformatorhersteller wird sichergestellt, dass das endgültige Design dem Bahnstromnetz und den Betriebsanforderungen entspricht.