單相牽引變壓器在單線電氣化鐵路的應用分析

楊 璠，劉 星

0 引言

目前，國內對煤炭資源的需求與日俱增，在煤運通道建設的同時，許多運煤專用線鐵路也在積極籌建。專用線鐵路一般運量較小，均為單線鐵路，為便于與國鐵大通道銜接，也采用電力機車牽引，機車類型與干線機車類型一致。對于運煤專線，可選用的牽引變壓器有單相牽引變壓器、三相V/v接線牽引變壓器、平衡型牽引變壓器和三相 Ynd11牽引變壓器等。

牽引變壓器類型的選擇應綜合考慮電力系統容量、牽引負荷對電力系統的負序影響、安裝容量與基本電價和容量利用率等因素。

三相Ynd11牽引變壓器由于容量利用率太低，新建鐵路已經基本不采用；平衡型牽引變壓器的結構復雜，容量利用率不如單相和三相V/v接線牽引變壓器，一次性投資較大，一般情況下鐵路部門不推薦采用；三相V/v接線牽引變壓器可以根據2條供電臂的負荷分別選取容量，容量利用率較高，目前在新建鐵路項目上得到了較為廣泛的應用，也得到電力部門認可。

單相牽引變壓器容量利用率最高，對于單線鐵路而言，可顯著降低安裝容量，減少基本電費的支出，但電力部門卻認為單相變壓器的負序影響較大，而不同意采用。

因此，本文著重針對三相V/v牽引變壓器、單相變壓器各種運行工況下的負序影響進行分析，得出負序影響隨線路負荷情況變化的曲線。

1 三相V/v牽引變壓器對電力系統負序影響

（1）牽引負荷經三相V/v接線變壓器流入電力系統示意如圖1所示。

圖1 牽引負荷經V/v接線變壓器流入電力系統示意圖

根據圖1，考慮零序電流為零，可得

式中，K為變壓器高低壓側的變比。

定義2條供電臂負荷的功率因數角分別為φα、φβ，以變壓器原邊的AU˙為參考相量，則

則變壓器原邊正序電流為

變壓器原邊負序電流為

取有效值，則正、負序電流分別為

定義電流不平衡度ε = I-/ I+，2條供電臂電流之比 m = Iβ/ Iα，Iα為重負荷臂。

可得

令牽引側2條供電臂負荷功率因數角相等，可得

可得正、負序電流的簡化表達式為

2 單相牽引變壓器對電力系統負序影響

牽引負荷經單相接線變壓器流入電力系統示意如圖2所示。

圖2 牽引負荷經單相接線變壓器流入電力系統示意圖

根據圖2，并考慮零序電流為零，可得

式中，Iα= I′ + I″，同樣令正序電流為 I+，負序電流為I-，則

定義牽引負荷的功率因數角為φα，以變壓器原邊的為參考相量，則

則正、負序電流分別為

取有效值，則

電流不平衡度ε = I-/ I+=1

令 2 條供電臂電流比值，m = I″ / I′，I′為重負荷臂，根據 Iα= I′ + I″，可得單相變壓器正、負序電流為

3 牽引變壓器電流不平衡度及負序電流曲線

根據上文分析，得出單相、三相V/v 2種接線牽引變壓器電流不平衡度及負序電流曲線，見圖3，圖4，其中，設I為其中一供電臂負載電流。

（1）電流不平衡度分析。對于V/v接線，牽引工況時，電流不平衡度最小值為 0.5，最大值為1；再生工況時，電流不平衡度最小值為 1，最大值為正無窮。對于單相接線，可以看出，無論何種工況均等于1。

圖3 電流不平衡度m-ε曲線圖

圖4 負序電流m-I-曲線圖

（2）負序電流分析。對于V/v接線，牽引工況時，負序電流最小值為0.866kI'，最大為kI'；再生工況時，負序電流最小值為kI'，最大值為1.732 kI'。

對于單相接線，可以看出，負序電流與 m成線性關系。需要說明的是，單相變壓器當兩臂電流相等，一臂為再生，另一臂為牽引工況時，系統在三相側不產生負序電流。

4 新恩陶單線電氣化鐵路工程實例分析

（1）負序電流影響分析。新恩陶線為單線電氣化鐵路，開行萬噸列車，萬噸列車采用 HXD1交直交電力機車，機車功率9 600 kW，就負序影響方面該線與常規電氣化鐵路相比具有以下特點：a.交直交機車采用再生制動方式，列車在減速或停車時，均需再生制動，列車再生功率如不被線路上的其他機車吸收，有功電流通過牽引變電所將向電力系統返送；b.由于采用半自動閉塞方式，受線路通過能力限制，該線2條供電臂同時有車概率小，牽引變電所無電概率較大。

因此，應首先對該線列車處于各種工況的概率進行分析和統計，表1是臺閣廟牽引變電所，各種運行工況的概率統計結果表。

大部分情況下，該線采用單相變壓器與采用三相V/v接線牽引變壓器的負序電流是基本相當的。而由于該線站間距較小，在2條供電臂同時有車的情況下，一供電臂列車處于牽引工況而另一供電臂列車處于再生制動工況的概率較大，一旦出現該情況，采用單相變壓器流入電力系統的負序電流要遠小于三相V/v接線牽引變壓器。綜上所述，針對線路實際的負荷特點，該線按單相牽引變壓器設計是合理的。

表1 臺閣廟牽引變電所各種運行工況的概率統計結果表

根據電力系統提供的短路容量，在忽略系統背景不平衡度的情況下，采用單相牽引變壓器時，各牽引變電所的不平衡度估算結果見表2。

表2 各牽引變電所三相不平衡度估算表

（2）經濟效益分析。牽引變電所的總投入分為2部分：一次性投入與持續性投入。其中一次性投入指牽引變電所的總造價，持續性投入指牽引變電所的運行成本，2種接線形式牽引變電所運行成本差值主要由2種牽引變電所總電費差所決定，包括基本電費差及電度電費差。根據2種變電所牽引變壓器的裝機容量及電能損失的不同，即可得到兩者持續性投入差額。見表3。

表3 牽引變電所投資比較表

從表3可以看出，5年內運量不出現大幅增長，則各牽引變電所采用單相變壓器相比采用 V/v接線的牽引變電所5年內可節省投資6 025.47萬元（折算到2011年）。

如果假設5年后運量大幅增加，考慮各牽引變電所均預留采用V/v接線的條件，各牽引變電所可在1臺牽引變壓器的基礎上增加1臺單相變壓器，從而構成V/v接線形式，牽引變壓器需由單相改造為 V/v接線時，需一次性投入費用（折算到 2011年）2 000萬元。5年后改造為V/v接線形式的牽引變電所較直接投入 V/v接線變壓器的牽引變電所節省投資4 025.47萬元。

5 結論

綜上所述，采取何種形式的牽引變壓器應針對線路實際的負荷特點開展設計，理論及實踐表明，單相變壓器在單線電氣化鐵路應用時，尤其是在機車采用交直交機車的情況下，負序影響與三相V/v接線形式相比牽引工況下基本相當，一臂牽引、一臂再生工況下反而優于三相V/v接線，綜合考慮單相接線變壓器可以顯著減少工程投資，具有在單線電氣化鐵路推廣使用的價值。

[1]魏宏偉.鐵道電氣化牽引供電系統中三相V/ v接牽引變壓器有關工程應用的計算分析[J].第五屆電能質量大會論文集， 2010.

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