電氣化鐵路牽引變壓器的選擇

龍 禹,丁永輝

(1.南京供電公司，江蘇南京210008；2.江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇南京210024)

中國電氣化鐵路飛速發展，在拓展運輸能力、帶來巨大經濟效益和社會效益的同時，也帶來了嚴重的電能質量問題，對電網的安全運行和電網中其他用戶的用電，都產生了不良影響[1-6]。牽引變壓器的合理選擇，對降低電氣化鐵路對電能質量的影響將起到巨大作用。文中對牽引變壓器進行了比較研究，并結合江蘇電網實際情況對牽引負荷對電能質量的影響進行了深入研究，推薦出適合江蘇電網的牽引變壓器型式。

1牽引變壓器

電氣化鐵路是指從外部電源和牽引供電系統獲得電能，通過電力機車牽引列車運行的鐵路。電氣化鐵路的供電是在鐵路沿線建立若干個牽引變電所，一般由電力系統110 kV或220 kV雙電源供電，經牽引變壓器降為27.5 kV或55 kV后通過牽引網（接觸網）向電力機車供電。

1.1牽引變壓器分類

牽引變壓器是一種特殊電壓等級的電力變壓器，應能滿足牽引負荷變化劇烈、外部短路頻繁的要求，是牽引變電所的“心臟”。一般來說，牽引變壓器均有100%過載能力，我國牽引變壓器采用三相、三相-二相和單相3種類型。

我國常用的牽引變壓器主要有單相接線變壓器、單相V，v接線變壓器、三相V，v接線變壓器、Y，d11接線變壓器、阻抗匹配平衡接線變壓器。國內常用牽引變壓器技術性能對比如表1所示。

江蘇省內現有的京滬電氣化和隴海電氣化鐵路均采用阻抗匹配平衡接線變壓器；而正在建設的京滬高鐵、滬寧城際、寧杭客專均采用單相V，v接線變壓器。

1.2基本供電原理

1.2.1單相V，v接線變壓器

表1牽引變壓器性能比較表

電路原理圖和相量關系如圖1和圖2所示。

圖1 單相V，v變壓器接線原理

圖2單相V，v變壓器原副邊相量關系

牽引變電所裝設2臺單相接線牽引變壓器1T和2T，作V，v連接。1T和2T的原邊分別接入電力系統的BC相和AC相；副邊各有一端分別接到牽引側的兩相母線上，各有另一端與軌道及接地網連接。BC相向左邊供電臂的牽引網供電，AC相向右邊供電臂的牽引網供電，即通常所說的60°接線。原、副邊電流關系如式（1）（忽略空載電流）。

應用余弦定理，可得1T和2T副邊v接頂點出線電流相量和如式（2）。

式中：K為每臺單相牽引變壓器的變比；Φ為I˙bc與I˙ca的夾 角。

單相V，v接線牽引變壓器的優點是：牽引變壓器容量利用率高；在正常運行時，牽引側保持三相，因此可供應牽引變電站自用電和地區三相負載；主接線較簡單，設備較少，投資較省。其主要缺點是，當一臺牽引變壓器故障時，另一臺必須跨相供電，其中有一個倒閘過程，同時地區三相電力供應也將中斷。倒閘過程完成后，實質上它成為單相接線牽引變電站，對電力系統的負序影響也隨之增大。

1.2.2阻抗匹配平衡變壓器（簡稱平衡變壓器）

電路原理圖和相量關系如圖3和圖4所示。原邊情況與普通三相YN，d11接線變壓器的原邊情況完全相同，鐵芯也是三相芯式的。副邊繞組三角形接線在非接地相改設兩個外移繞組aα，bβ，內縮三角形接線的一角c與軌道、接地網連接，α、β兩端分別接到牽引側兩相母線上，由兩相牽引母線分別向兩側對應的供電臂牽引網供電。

圖4平衡變壓器原副邊相量關系

平衡變壓器副邊三相繞組電流 I˙a，I˙b，I˙c與副邊兩供電臂電流I˙α，I˙β關系如式（3）所示。

式中，λ為阻抗匹配系數，當滿足原邊三相電流平衡，并且當I˙β=jI˙α，原邊三相電流對稱時，有以下關系式：

式（4）表明，無論負載電流I˙α，I˙β如何變化，原邊三相電流I˙a，I˙b，I˙c都保持平衡，無零序電流，原邊繞組的中性點可以接地。

平衡變壓器的優點是原邊三相制的視在功率可完全轉化為副邊二相制的視在功率，變壓器容量可以全部利用。在兩臂牽引負荷相等的前提下，平衡牽引變壓器的原邊三相是對稱的；其過載能力強，容量利用率較高，可改善牽引變電站發生三相不平衡的概率和減少對電力系統的負序影響，但設計計算及制造工藝復雜，造價較高。

1.3供電能力分析

1.3.1 V，v接線變壓器

當低壓側兩臂電流夾角為60°時，有：

顯然有Smax=SC，則V，v接線變壓器高壓側所需三相供電能力為：

其中Smax為功率最大相的視在功率，3Smax則反映了電力系統需滿足牽引負荷的三相供電能力。1.3.2阻抗匹配平衡變壓器

牽引變壓器高壓側各相功率為：

當 Sα＞Sβ時，有SA＞SB＞SC；當 Sα＜Sβ時，有 SC＞SB＞SA。 式中 SA和 SC相互對稱，可設 Sα＞Sβ，則阻抗匹配平衡接線變壓器高壓側所需三相供電能力為：

2牽引變性能比較

2.1抑制負序電流

比較式（4）、（5）和式（9）、（10），當n=1，即兩臂負荷相等時，V，v接線變壓器的不對稱系數為50%，阻抗匹配平衡接線牽引變壓器不對稱系數為0；當n=0，即一臂帶負荷，另一臂負荷為0時，兩種接線型式變壓器負荷在電力系統中引起的不對稱度相同，都為100%?？偟膩碚f，阻抗匹配平衡接線變壓器負荷的負序影響小于V，v接線變壓器。

2.2供電能力

比較式（7）和式（10），當n=1 ，即兩臂負荷相等時，V，v接線變壓器高壓側所需三相供電能力為低壓側兩臂負荷之和的1.5倍，阻抗匹配平衡接線牽引變壓器高壓側所需三相供電能力為低壓側兩臂負荷之和；當n=0，即一臂帶負荷，另一臂負荷為0時，V，v接線變壓器高壓側所需三相供電能力為低壓側一臂負荷的1.732倍，阻抗匹配平衡接線牽引變壓器高壓側所需三相供電能力為低壓側一臂負荷的1.93倍。可見兩臂負荷不平衡度越大，需要高壓側的三相供電能力也越高；采用V，v接線變壓器時，高壓側所需電力系統三相供電的能力小于采用平衡變壓器。

2.3建設周期與造價

目前國內已投運的平衡變壓器電壓等級都是110 kV，最大容量可做到80 MV·A。尚無廠家生產220 kV等級的平衡變壓器，但一些廠家已具備了生產能力。110 kV平衡變壓器和V，v接線變壓器從設計到制造出產品大約需要3個月，220 kV平衡變壓器制造時間略長，大概需要4個月。由于平衡變壓器設計及制造工藝較V，v接線變壓器復雜，造價上略高于V，v接線變壓器，相同供電容量的平衡變壓器（如 40 MV·A）和（20+20）MV·A 的 V，v 接線變壓器在其他參數都相同的情況下，平衡變壓器比V，v接線變壓器價格要高出約15%。

3無功沖擊影響對比

由于電氣化鐵路鐵道條件多變，列車行進過程中遇到的阻力不斷變化，列車需要頻繁地啟動、加速、惰行、制動，或者從一個供電區進入或退出，都將造成牽引負荷劇烈波動，并產生較大的沖擊電流，在公共連接（PCC）點將產生電壓波動，又由于江蘇境內鐵路班次多，間隔時間短，長時閃變也不可忽視。

由式（7）和（10）知，在兩臂負荷相等的情況下，在機車啟動瞬間，平衡變壓器高壓側最大一相的無功沖擊負荷比V，v接線變壓器小1.5倍，因此在PCC點產生的電壓波動也小于V，v接線變壓器。

以滬寧城際鐵路和寧啟電氣化鐵路為例。滬寧城際鐵路由220 kV電壓等級接入電網，客車采用交直交動車組，單列機車8輛編組功率為8 800 kW，雙機重聯16輛編組為17 600 kW，在南京境內設有寶華山牽引站；寧啟電氣化鐵路由110 kV電壓等級接入電網，客車擬采用交直交動車組，單列機車8輛編組功率為4 800 kW，雙機重聯16輛編組功率為9 600 kW；貨車擬采用HXD3型機車，機車功率為7 200 kV，在南京境內設有六合牽引站。

采用不同接線型式變壓器時，PCC點的電壓波動如表2所示。

表2牽引變不同接線方式PCC點電壓波動

從表2可以看出，在相同接入電網條件下，平衡接線牽引變壓器在降低沖擊負荷引起PCC點電壓波動方面能力更強。

4綜合比較

4.1經濟比較

牽引變電站采用不同接線型式主變壓器時的經濟比較（僅以六合站為例）如表3所示。

從比較結果來看，平衡變壓器造價略高于V,v接線變壓器，但變電站所需無功補償裝置的容量小于采用V,v接線變壓器，總投資低于采用V,v接線變壓器。

4.2綜合對比

采用不同接線型式的牽引變壓器的綜合比較如表4所示。

表3同容量V，v變與平衡變壓器經濟比較

表4牽引站采用不同接線型式主變的比較

從比較結果來看，平衡變壓器供電能力強，抑制電鐵對電網的影響能力更強，而且綜合造價也相對較低。

5結束語

電鐵負荷不僅對電能質量、繼電保護及自動裝置等產生嚴重干擾或影響，直接威脅電網的安全運行，降低供電可靠性；而且影響電動機、變壓器及輸電線路等的使用效率或壽命，增加了系統投資和運營管理費用。而采用合適的牽引變壓器將可以降低電鐵負荷對電網的影響。綜合前述技術與經濟比較，為減小電氣化鐵路對電力系統的影響，建議牽引站變壓器采用阻抗匹配平衡變壓器。

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