Önce cevap: bir demiryolu cer transformatörü, kVA konuşmaya girmeden çok önce cer sistemi tarafından — gerilim, frekans, bağlantı ve çalışma çevrimi — belirlenir
Cer transformatörü, bir demiryolunun kamu şebekesinden satın aldığı elektriği, bir trenin gerçekte kullanabileceği elektriğe dönüştüren ünitedir: üç fazlı 110 kV, 132 kV, 220 kV veya 33 kV besleme, 25 kV 50 Hz, 25 kV 60 Hz veya 15 kV 16,7 Hz bir katener hattına düşürülür — ya da üç fazdan iki faza dönüştürülür — veya bir doğrultucu üzerinden bir metro ya da hafif raylı sistemin 600–1.900 V DC barasına indirilir. Bu, demiryolu etiketi taşıyan bir dağıtım transformatörü değildir: cer yükü tek fazlıdır, kesintilidir, harmonik bakımından zengindir ve rejeneratif frenleme ile sıklıkla ters yöne döner; üniteyi yöneten standartlar — sabit tesisler için IEC 62695 / EN 50329, araç üstü ekipman için IEC 60310, doğrultucu transformatörleri için IEC 61378-1 ve IEEE 1653.1 — tam da bu görevlerin sıradan dağıtım tasarımlarını kırması nedeniyle mevcuttur. Üniteyi dört karar şekillendirir: bağlantı (tek fazlı, V/v, Scott), cer sisteminin gerilimi ve frekansı, aşırı yük ve rejenerasyon dahil çalışma çevrimi ve sargıların dayanması gereken harmonik içeriği. Bu dördünü doğru yapın, kVA neredeyse otomatik olarak gelir; cer sistemini yanlış yapın, hiçbir kVA değeri projeyi kurtaramaz.
Önemli çıkarımlar
- Transformatörü cer sistemi belirler, tersi değil. 25 kV 50 Hz, 25 kV 60 Hz, 15 kV 16,7 Hz ve DC aileleri (1,5 kV, 750 V) her biri farklı bir çekirdek, yalıtım seviyesi ve bağlantı anlamına gelir — bkz. 50 Hz vs 60 Hz transformatör tasarımı ve gerilim sınıfı nasıl seçilir.
- Tek fazlı cer yükü üç fazlı şebekeyi dengesizleştirir. Bağlantı seçimi (tek fazlı, V/v, Scott), komşu trafo merkezleri arasında kaydırılmış fazlama ve gerektiğinde kompanzasyon ekipmanı, negatif bileşen gerilim dengesizliğini şebeke yönetmeliği sınırı içinde tutan araçlardır — bir formalite değil, bir mühendislik kısıtıdır.
- Cer görevi çevrimseldir, sürekli değil. Trenler hızlanır, seyreder, fren yapar ve rejenerasyon yapar, bu nedenle ünite tek bir kararlı durum değeri üzerinden değil, bir yük çevrimi ve bir aşırı yük kabiliyeti üzerinden belirlenmelidir.
- Doğrultucu ve konvertör görevi harmonikleri ve bazen DC mıknatıslanmayı ekler. Katener hattının DC olduğu veya statik konvertörlerin transformatör ile tren arasında bulunduğu yerlerde harmonik kayıp ve derating kuralları geçerlidir — transformatörlerde harmonik aşırı ısınma ile aynı mekanizma ve elektrolizörler için doğrultucu transformatörleri ile aynı aile.
- Empedansı veya soğutmayı eksik belirlemek klasik hatadır. Empedans hem arıza akımını hem de gerilim regülasyonunu belirler; soğutma ve sıcaklık artışı yalıtım ömrünü belirler. Her ikisi de fiyat verilmeden önce teknik şartnamede yer almalıdır — bkz. kısa devre akımı hesabı ve soğutma yöntemleri ve sıcaklık artışı.
Cer transformatörü elektrifikasyon zincirinde nerede yer alır?
Bir demiryolu elektrifikasyon şeması bir zincirdir: kamu şebekesi → cer trafo merkezi → besleyici ve katener hattı → tren. Transformatör bu zincirde genellikle iki kez görünür (bir kez trafo merkezinde, bir kez trende) ve bazen üçüncü kez, hat boyunca bir ototransformatör olarak. IEC 62695 sabit tesis ailesini açıkça listeler ve bu liste bir transformatör fabrikasından gerçekte ne yapmasının istendiğinin iyi bir haritasıdır.
| Zincirdeki rolü | Tipik görev | Onu farklı kılan nedir |
|---|---|---|
| Tek fazlı cer transformatörü (doğrudan beslenen katener hattı) | Üç fazlı şebeke → tek fazlı 25 kV veya 15 kV katener hattı | Primer iki faz veya bir faz artı toprak; şebeke dengesiz bir yük görür; sık enerjilendirme ve anahtarlama |
| Üç fazdan iki faza transformatör (V/v, Scott, Woodbridge) | Üç fazlı şebeke → 90° veya 60° kaydırılmış iki tek fazlı cer çıkışı | Negatif bileşen dengesizliğini kontrol etmek için seçilir; özel sargı düzenlemeleri, eşit olmayan ünite güçleri |
| Doğrultucu transformatörü (DC cer) | Üç fazlı OG → doğrultucu, 550–1.900 V DC nominal çıkış | Yüksek harmonik içeriği, düşük gerilimde yüksek akım, komütasyon reaktansı belirtilen bir parametredir |
| Cer ototransformatörü (2×25 kV AT besleme) | Katener–besleyici, orta nokta topraklı, hat boyunca aralıklı | Tek fazlı ototransformatör, pratikte 1:1, yağ daldırmalı hat kenarı ünitesi, çevrimsel yük, gözetimsiz konum |
| Booster transformatörü (BT besleme) | Seri bağlı, oran 1:1'e yakın, dönüş akımını bir dönüş iletkenine zorlar | Bir gerilim cihazı olduğu kadar bir akım dönüştürme cihazı; belirli koridorlarda girişimi ve kaçak toprak akımını azaltmak için kullanılır |
| Yardımcı / istasyon transformatörü | Cer gerilimi veya OG → sinyalizasyon, aydınlatma, depolar için AG | Sıradan dağıtım görevi, ancak büyük gerilim dalgalanmaları olan bir cer barasından beslenir |
Müşteriye dönük projeler genellikle bir ihaleye bu rollerden iki veya üçünü dahil eder. Bir Afrika veya Asya koridoru elektrifikasyon paketi tipik olarak trafo merkezi cer transformatörleri, hat kenarı ototransformatörleri veya booster transformatörleri ve yardımcı üniteler içerir — ve ihale belgeleri IEC 62695, IEC 60076 ve IEC 60850'yi birlikte adlandıracaktır. Güç değerini okumadan önce zinciri okumak, bir teklifi karşılaştırılabilir kılan şeydir: ihale hat kenarı bir ototransformatör istediğinde bir trafo merkezi ünitesi teklif eden bir tedarikçi farklı bir soruyu yanıtlamıştır.
Trenin kendisinde ekipman karakter değiştirir. Araç üstü cer ve yardımcı transformatörler IEC 60310 tarafından yönetilir — daha dar sıcaklık pencereleri, zorlamalı soğutma, ağır titreşim ve şok gereksinimleri, ağırlık hedefleri ve hızlanma, seyir, frenleme ve rejenerasyon fazlarından oluşan bir çalışma çevrimi. Araç üstü üniteler IEC 62695 kapsamı dışındadır ve çoğu ihracat fabrikası alıcısı bunları tedarik etmez; faydalı çıkarım, araç üstü bir üniteyi şekillendiren aynı fiziğin (çalışma çevrimi, harmonikler, termal çevrim) trafo merkezi ünitesini de şekillendirdiğidir, sadece daha fazla alan ve daha az ağırlık baskısı ile.
Sizin cer sisteminiz hangisi? Nominal gerilim ve frekans aşağı yönlü her şeyi belirler
Altı standartlaştırılmış sistem dünyanın elektrifiye hat uzunluğunun çoğunu kapsar ve bunlar üç AC ailesi ile üç DC ailesine ayrılır. Farklar transformatör için önemlidir çünkü çekirdek boyutunu, yalıtım tasarımını, bağlantıyı ve ünitenin yüke tepki verme biçimini değiştirirler.
| Cer sistemi | Nominal gerilim | Nerede baskındır | Transformatör için sonucu |
|---|---|---|---|
| AC tek fazlı, endüstriyel frekans | 25 kV, 50 Hz | Çin yüksek hızlı ve ağır yük koridorları, Hindistan, Afrika ve Orta Doğu'nun büyük bölümü, Avrupa | Üç fazlı şebekeden iki fazlı besleme; dengesizlik ve tek fazlı inrush tasarıma hakimdir |
| AC tek fazlı, endüstriyel frekans | 25 kV, 60 Hz | Japonya (ağın bir kısmı), Güney Kore, Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada, Güney Amerika'nın bazı bölgeleri | Aynı aile, ancak 60 Hz çekirdek ve 50/60 Hz arayüzü her ikisi de önemlidir — bir ünite frekanslar arasında yeniden güçlendirilemez |
| AC tek fazlı, demiryolu frekansı | 15 kV, 16,7 Hz | Almanya, Avusturya, İsviçre, İsveç, Norveç | Özel tek fazlı demiryolu şebekesi, bu nedenle dengesizlik sorun değildir; düşük frekans aynı akı için daha büyük bir çekirdek gerektirir |
| AC tek fazlı, düşük frekans (eski) | 11 kV veya 6,25 kV, 25 Hz | Eski koridorlar, Amerika Birleşik Devletleri | Eski filo desteği; genellikle birebir değiştirme pazarı |
| DC, metro ve ana hat | 1.500 V DC / 3.000 V DC | Hollanda, Hindistan (kısmen), Japonya, İspanya, İtalya, Belçika | Doğrultucu transformatörü: yüksek akım, yüksek harmonik içeriği, tipik olarak 12 veya 24 darbeli bağlantı |
| DC, hafif raylı ve tramvay | 750 V DC / 600 V DC | Kentsel metrolar, tramvaylar, üçüncü ray sistemleri | Çok düşük sekonder gerilim ve çok yüksek akıma sahip doğrultucu transformatörü; tünellerde ve depolarda kuru tip üniteler yaygındır |
AC sistemler için transformatörün anma gerilimi ve kademe aralığı, yalnızca nominal değer etrafında değil, besleme gerilimi penceresi etrafında oluşturulmalıdır. EN 50163 / IEC 60850 cer besleme gerilimini bir dizi sınır olarak tanımlar — en düşük kalıcı gerilim, en düşük kalıcı olmayan gerilim, en yüksek kalıcı gerilim, en yüksek kalıcı olmayan gerilim ve kısa süre için uzun vadeli aşırı gerilim seviyesi — nominal gerilimin birim değerleri olarak ifade edilir. 25 kV sistemi için yaygın olarak belirtilen kalıcı bant, nominalin yaklaşık −%24 ila +%10'u arasında ve kısa süreli bir sapma yaklaşık +%16'ya kadardır; 15 kV 16,7 Hz sistemi için yaklaşık −%27 ila +%15, sınırlı süreler için daha fazla sapmaya izin verilir. Standardın kendi tablosuna göre tasarlayın, hatırlanan bir yüzdeye göre değil: sayı kademe aralığını, yalıtım seviyesini ve ağır eşzamanlı kalkış altında tren ucu geriliminin ne kadar düşmesine izin verildiğini belirler. Çin eşdeğeri, IEC 60850 ile uyumlu GB/T 1402'dir (*Demiryolu uygulamaları — Cer sistemlerinin besleme gerilimleri*).
Neden bir dağıtım transformatörü bu işi yapamaz? Cer görevinin farklı olduğu dört yol
Her yıl bazı projeler bir cer görevine standart bir dağıtım transformatörü yerleştirerek para tasarrufu yapmaya çalışır. Bazen bir süre işe yarar, sonra dört mekanizmadan biri yetişir. Bunları anlamak, rekabetçi bir teklif ile bir garanti talebi arasındaki farktır.
1. Yük tek fazlıdır, bu nedenle şebeke dengesizlik görür
Üç fazlı bir yük taşıyan üç fazlı bir şebekede dengeli akımlar ve neredeyse hiç negatif bileşen yoktur. Bir cer yükü, en basit haliyle, tek fazlı bir yüktür: bir faz çifti tüm cer akımını taşır ve diğer faz akımı eksiktir. Sonuç, ortak bağlantı noktasında negatif bileşenli bir gerilim dengesizliği üreten bir negatif bileşen akımıdır; bu, kabaca o noktadaki cer yükünün üç fazlı kısa devre kapasitesine oranıyla orantılıdır (kullanışlı bir birinci mertebe mühendislik yaklaşımı — kesin değer empedans açılarına ve cer yükünün nasıl bağlandığına bağlıdır). Şebeke yönetmelikleri bunu sınırlar: Çin'in GB/T 15543'ü ortak bağlantı noktasındaki negatif bileşen gerilim dengesizliğini normal çalışmada %2 ve kısa süreler için %4 ile sınırlar ve çoğu Avrupa ve Asya şebeke yönetmeliğinde karşılaştırılabilir sınırlar mevcuttur — uluslararası standartlar karşılaştırma kılavuzu GB, IEC ve IEEE ailelerinin bu gereksinimleri pratikte nasıl böldüğünü gösterir. Transformatör, bağlantısı ve komşu trafo merkezleri arasındaki faz rotasyonu, bir tasarımcının bu sınırı karşılamasının yoludur.
2. Yük çevrimi şiddetli ve tekrarlayıcıdır
Bir dağıtım transformatörü yavaş değişen bir günlük yük eğrisi görür. Bir cer transformatörü bir tren, sonra iki tren, sonra beş tren, sonra hiç tren görmez: onlarca MVA, onlarca saniye içinde ortaya çıkar ve kaybolur, günde yüzlerce kez, her tren kalkışında bir aşırı akımla. Termal çevrim bu nedenle tasarım gereği şiddetlidir ve şartname tek bir sürekli güç değeri yerine aşırı yük sınıfına sahip bir yük çevrimi olarak yazılmalıdır. Bu tam olarak yük faktörü ve aşırı yük kapasitesi kapsamındaki alandır ve cer ünitelerinin genellikle aynı nominal güçteki bir dağıtım ünitesinden daha yüksek kısa süreli aşırı yük kabiliyeti ile belirtilmesinin nedenidir.
3. Rejeneratif frenleme güç akışını tersine çevirir
Modern trenler elektrikle fren yapar ve enerjiyi katener hattına geri iter; burada başka bir tren bunu emebilir veya — trafo merkezi tersinir ise — şebekeye geri dönebilir. Rejeneratif frenleme, banliyö hatlarında cer enerjisinin önemli bir payını temsil edebilir (sektör deneyimi; pay büyük ölçüde tarife yoğunluğuna ve eğimlere bağlıdır). Transformatör için bu, ileri akışla aynı büyüklük mertebesinde ters güç akışı anlamına gelir ve transformatör her iki yönde de eşit derecede yetenekli olmalıdır. Aynı zamanda alıcı uçtaki gerilimi yükseltir, bu da aşağıda tartışılan kademe aralığı ile etkileşime girer. DC sistemlerde, rejenerasyon, invertörlü tersinir trafo merkezlerinin var olmasının nedenidir — bir diyot doğrultucunun gücü geri kabul edemediği yerde, frenleme enerjisi trendeki dirençlerde yakılır.
4. Akım bozuktur ve arıza görevi yakın ve serttir
AC cer filoları faz açısı kontrollü tristör konvertörleri ve daha yakın zamanda IGBT ve SiC konvertörleri kullanmıştır. Her ikisi de harmonik akımlar üretir; DC cer doğrultucuları büyük karakteristik harmonikler üretir (5., 7., 11., 13. ve aileleri). Harmonik akımlar sargı girdap kayıplarını kabaca harmonik mertebesinin karesiyle artırır ve üniteyi içten aşırı ısıtır, tam olarak harmonik akımların transformatörleri neden aşırı ısıttığı bölümünde açıklandığı gibi. Aynı zamanda cer transformatörü elektriksel olarak yüküne yakın oturur: katener hattı ve besleyici arızaları dağıtım arızalarına kıyasla sıktır, bu nedenle ünite tekrarlanan kısa devre dayanımı ve bir hat bölümünün her yeniden enerjilendirilmesini takip eden inrush için tasarlanmalıdır. Koruma buna göre belirtilir — transformatör koruma cihazları ile aynı cihaz ve şema ailesi ve ünitenin yağ daldırmalı olduğu yerlerde periyodik çözünmüş gaz analizi standart durum kontrolüdür.
V/v, Scott, Woodbridge veya tek fazlı: bağlantı nasıl seçilir?
Bağlantı bir cer transformatöründeki ilk teknik karardır ve bir tercih yerine bir şebeke kısıtı tarafından yönlendirilir. Dört pratik cevap vardır.
| Bağlantı | Nasıl çalışır | Dengesizlik davranışı | Ne zaman seçilir |
|---|---|---|---|
| Tek fazlı, şebekenin iki fazı | İki hat iletkeni arasında bir transformatör (veya sisteme bağlı olarak bir faz ve toprak), sekonder katener hattına | Tam tek fazlı yük, ortak bağlantı noktasında negatif bileşen olarak görünür | Basit besleyiciler, depolar, küçük sistemler veya dengesizlik sınırının risk altında olmadığı güçlü bir şebeke |
| V/v (açık delta, "V-vektör") | İki özdeş tek fazlı ünite, her biri farklı bir şebeke faz çifti üzerinde, her biri bir cer çıkışını besler | İki eşit cer yükü ile dengesizlik saf tek fazlı beslemeye kıyasla çok azalır, ancak ortadan kalkmaz; denge iki yükün eşitliğine bağlıdır | Modern 25 kV AC elektrifikasyonunun beygir gücü: üç fazlı bir şebekeden standart boyutlu tek fazlı ünitelerle iki katener hattı bölümünü beslemenin en ucuz pratik yolu |
| Scott (T-bağlantı) | İki sargı: iki faz arasına bağlanan bir ana ünite ve ana primer sargının yaklaşık %86,6'sındaki bir kademe üzerinden üçüncü faza bağlanan bir "teaser" ünitesi, iki sekonder çıkış arasında 90° kayma sağlar | Dengeli bir iki fazlı yük ile primer akımlar esasen dengelidir, bu nedenle negatif bileşen dengesizliği tasarım gereği en aza indirilir | Zayıf şebekeler ve katı dengesizlik sınırları, V/v bağlantısının yönetmeliği ihlal edeceği yerler; teaser'ın standart dışı, daha pahalı bir sargı olduğunu unutmayın |
| Woodbridge (üç fazdan iki faza) | Belirli bir kademe ve ara bağlantı düzeni ile alternatif bir üç fazdan iki faza düzenleme | Scott ile karşılaştırılabilir dengeleme hedefi, farklı bir sargı düzeni ve onarım/servis etkileri ile | Belirli kamu hizmeti veya eski standartlar veya iki çıkış arasında belirli bir yük bölünmesinin gerekli olduğu yerler |
Bu tablodan üç pratik kural çıkar. Birincisi, bağlantı bir şebeke yönetmeliği argümanıdır, bir fiyat argümanı değil. Ortak bağlantı noktasındaki kısa devre kapasitesi cer yüküne göre rahatça büyükse, V/v bağlantısı normalde kabul edilebilir ve daha ucuz cevaptır. Şebeke zayıfsa veya dengesizlik sınırı sıkıysa, Scott bağlantısı primini hak eder. İkincisi, trafo merkezleri arasında kaydırılmış fazlama sistem düzeyinde bir araçtır: komşu cer trafo merkezlerini farklı faz çiftlerine bağlayarak tek fazlı yüklerinin yukarı akış şebekesinde kısmen iptal olmasını sağlamak standart uygulamadır ve trafo merkezi tasarımcısına bırakılmak yerine bağlantı seçimi ile koordine edilmelidir. Üçüncüsü, vektör grubu üç fazlı üniteler ve topraklama düzeni için hâlâ önemlidir. Delta primere sahip üç fazlı bir ünite üçlü harmonikleri hapseder ve topraklama sistemlerini ayrıştırır; bu Dyn11 vs Yyn0 vektör grupları ile aynı mantıktır ve sekonder taraftaki topraklama felsefesi topraklama sistemi tasarımını takip eder — demiryoluna özgü dönüş akımı yolu ve dokunma gerilimlerinin kendi başına bir güvenlik meselesi olduğu konusundaki ısrarla, EN 50122 ailesi tarafından yönetilir.
Tek fazlı bir cer yükünün şebekeye göre büyük olduğu ve hiçbir bağlantının bunu düzeltemeyeceği yerlerde kompanzasyon eklenir — çoğunlukla reaktif elemanların bir Steinmetz düzenlemesi veya bir statik kompanzatör. Bir transformatör tedarikçisi olarak bu, ünitenizin batarya sınırının dışındadır, ancak teklif vermeniz gerekeni değiştirir: transformatörün daha sonra kasıtlı olarak dengelenmemiş bir yükü taşıması veya belirtilen bir harmonik ve reaktif görevi kabul etmesi gerekebilir.
2×25 kV ototransformatör sisteminde ne değişir?
Daha uzun koridorlarda, klasik 1×25 kV düzenlemesi — 25 kV'ta beslenen katener hattı, dönüş olarak ray ve toprak — bir gerilim düşümü duvarına çarpar: hat empedansı ve dönüş empedansı bir trafo merkezinin ne kadar uzağa ulaşabileceğini ve bir bölümün ne kadar güç taşıyabileceğini sınırlar. Standart cevap 2×25 kV ototransformatör (AT) beslemedir: katener hattı ve özel bir besleyici, topraklanmış raya göre zıt kutuplarda tutulur, cer trafo merkezleri çifti daha yüksek hat-hat geriliminde besler ve hat boyunca aralıklı yerleştirilen tek fazlı ototransformatörler — yaygın olarak 8–15 km bölgesinde, bir sektör deneyimi değeri olarak — yükün gördüğü etkin empedansı yarıya indirir.
Şartname için dört sonuç:
- Ototransformatör bir trafo merkezi transformatörü değildir. Tek fazlı, yağ daldırmalı bir ünitedir, pratikte katener ile besleyici arasında 1:1 bir ototransformatör ve orta noktası raya bağlıdır, bu nedenle hat-hat anma gerilimi sistemin hat-ray geriliminin iki katıdır. Güç bantları tipik olarak trafo merkezi ünitelerinden çok daha küçüktür, ancak dış mekan, gözetimsiz hat kenarı hizmeti ve çevrimsel yük için tasarlanmalıdır.