電氣化鐵道供電牽引電力變壓器研究

摘要：隨著我國電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的不斷發(fā)展，改善了我國鐵路運輸以往較大的能耗和過于嚴重的污染等問題。文章對電氣化鐵道供電牽引電力變壓器進行研究，通過結(jié)合我國電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的發(fā)展歷程，對牽引變壓器的共性運行原理進行了闡述，并在此基礎(chǔ)上對牽引變壓器的連接方法和運行特點進行了探討。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵道；供電牽引電力變壓器；鐵路運輸；共性運行原理；交通運輸 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U223 文章編號：1009-2374（2016）14-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.010

電氣化鐵路屬于當(dāng)代的一種交通運輸工具，是通過電能作為牽引動力進行運作的。電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)自身無法形成電能，而是向電力機車傳輸電力系統(tǒng)的電能。隨著我國電力牽引技術(shù)的不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，在鐵路運輸行業(yè)中，大功率、高速度且具有較強過載能力和輸送能力的電力機車必定會被大眾所認識。電氣化鐵路主要由兩個部分組成：一是電力機動車；二是牽引供電系統(tǒng)。而在電力牽引供電系統(tǒng)中牽引變壓器是最為核心的部分，其作用非常重要，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)變壓、供電以及讓負序電流和高次諧波對電力系統(tǒng)的影響得以降低，同時還能夠無償?shù)难a償電力系統(tǒng)。由此可見，牽引變壓器設(shè)計在電氣化鐵路中具有非常重要的地位和非常關(guān)鍵的作用。

1 電氣化鐵道的發(fā)展歷程和原理

1.1 電氣化鐵道的發(fā)展歷程

由于發(fā)電機和直流電動機在19世紀80年代相繼被研發(fā)出來，世界上越來越多的國家在城市內(nèi)的交通運輸上運用其電力牽引技術(shù)，其中較低電壓的直流電氣化鐵道是運用最為廣泛的一種。隨著時代的進步，一些工業(yè)發(fā)達國家在20世紀之后，開始將電氣化鐵道陸續(xù)的在城市之間和運輸較為繁忙的鐵路干線上進行建設(shè)。尤其是在20世紀50年代之后，這些工業(yè)發(fā)達國家為了讓國內(nèi)日益增長的運輸任務(wù)得以完成，在建設(shè)大規(guī)模鐵路的過程中，也開始對電氣化鐵道進行大力修建。20世紀80年代后，印度、南非等諸多發(fā)展中國家的電氣化鐵道發(fā)展速度也越來越快。而在我國，隨著新中國的成立，我國在對鐵路運勢進行大力發(fā)展的過程中，開始在寶成鐵路的重要路段，即寶雞到風(fēng)州段建立電氣化鐵道，通過結(jié)合國外的建設(shè)經(jīng)驗，對先進的單相工頻交流供電制進行運用。當(dāng)這條3%長大坡到翻越秦嶺的電氣化鐵道完工，并成功通車之后，也標(biāo)志著我國鐵路發(fā)展逐漸的開始邁向了電氣化方向。

1.2 電氣化鐵道供電系統(tǒng)原理介紹

電氣化鐵道供電系統(tǒng)主要由三相交流高壓輸電線、牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、軌道和地作為牽引電流回歸通道、回流線、電力機車以及中性點接地開關(guān)這八個部分組成。一般情況下都將三相交流高壓輸電線稱之為電氣化鐵道一次供電系統(tǒng)，它的主要作用是發(fā)電、變電和輸電；其余組成部分則為電氣化鐵路牽引負荷，主要的作用是借助于牽引供電系統(tǒng)，將電氣化鐵道一次供電系統(tǒng)傳輸來的電能提供給電力機車。在牽引變電所中牽引變壓器是最為主要的設(shè)備，將電力系統(tǒng)傳輸過來的三相交流電轉(zhuǎn)化成能夠供電力機車使用的電能傳輸給電力機車是其主要任務(wù)。

2 電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的連接方法

2.1 單相接線變壓器

單相接線變壓器主要分為兩種：一種是純單相變壓器，它是通過高壓側(cè)接三相電源中的任意某兩相，電壓在110kV或220kV。牽引母線和低壓側(cè)繞組首端進行連接，鋼軌、地接和末端進行連接，電壓輸出為27.5kV。通過和牽引母線的一段進行連接，并供電給兩側(cè)的供電臂。由于純單相變壓器的繞組分別和一次側(cè)電源、二次側(cè)電力機車進行連接，因此，材料的利用率都為100%；另一種為V/V接線變壓器，它是由兩臺單相接線牽引變壓器接線成V/V狀。這種變壓器一次側(cè)繞組和電力系統(tǒng)的兩個線電壓進行連接，二次側(cè)則和牽引線的兩相母線分別連接，軌道、接地網(wǎng)和公共端子進行連接。因此對地電壓存在不一樣的相位，所以需要運用分相絕緣器將中間斷開。在這種接線變壓器中，會存在兩個獨立的單相。當(dāng)其中一臺變壓器出現(xiàn)故障停電后，另一臺變壓器則可以進行跨相供電，也就是能夠成為兩邊共同的供電分區(qū)的牽引網(wǎng)。一般這種接線變壓器容量利用率能夠達到100%。

2.2 三相接線變壓器

三相牽引變電所一般三相牽引變壓器會有2～3臺，變壓器繞組有3個，與110kV高壓側(cè)連接的一次繞組為星形。二次側(cè)繞組連接牽引網(wǎng)，呈現(xiàn)三角形。三角形的兩個角和供電臂分別進行連接，另一個則和行車軌道進行連接。和供電臂向連接的兩個角對軌道電壓不同相，必須分開于牽引線變電所的饋電線出口處，簡單來說就是需要進行電分相的設(shè)置。對于三相變壓器的牽引變電所，當(dāng)?shù)貐^(qū)負荷不需要供應(yīng)或者地區(qū)負荷選用專門的變壓器時，則牽引變壓器兩個繞組就已經(jīng)足夠，當(dāng)下我國所采用的連接方式大都是這種。這種變壓器的優(yōu)點在于具有較低的造價和較小的占地面積，在三相電力系統(tǒng)中所引起的電流不對稱程度也相對來說要低很多，但是它的缺點也很明顯，在三相變壓器中，無法充分利用到?jīng)]有連接鋼軌的一相容量。

2.3 斯考特接線變壓器

這種接線方法在國外被稱為Scott接線。它的主要作用是讓單相牽引負荷電力系統(tǒng)的不對稱影響得到改善。在斯考特接線變壓器中，通常會設(shè)置兩個單相變壓器。兩臺變壓器具有不一樣的側(cè)邊繞組匝數(shù)，但卻具有相同的次邊繞組匝數(shù)，促使變壓器側(cè)邊匝數(shù)是變壓器原來邊匝數(shù)的兩倍多。這種匝數(shù)比例能夠讓兩個變壓器具有相同的次邊電壓數(shù)值。從牽引角度上來看，這種接線方法非常相似于V形接線，但是，它的接觸網(wǎng)兩端電壓相位差距90°。這種接線方式的優(yōu)點在于：能夠讓三相電力系統(tǒng)的負荷更加容易實現(xiàn)對稱，但是這種接線需要的變壓器較為特殊，且當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，存在較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)換程序。當(dāng)?shù)貐^(qū)負荷存在時，還需要將專用變壓器給建立起來。

2.4 伍德橋接線變壓器

這種變壓器接線方法是和斯考特接線擁有相同效果的變壓器接線方法。這種接線方法的主要特點在于，當(dāng)二次側(cè)的兩個繞組的負荷電流相同，且二次側(cè)電流相位會差距90°時，則一次側(cè)三相電流對稱。這種連接方法的缺點在于：具有較為復(fù)雜的變壓器內(nèi)部連線，這種接線不但需要變壓器，還需要有對稱升壓式自耦變壓器，這在很大程度上影響了變壓器制造、安裝以及運行檢修，而且需要較高的造價。

3 牽引變壓器工程應(yīng)用趨勢

當(dāng)今社會牽引變壓器工程應(yīng)用正逐漸的傾向于V/V接線變壓器。首先，在220kV系統(tǒng)中，電氣化鐵道單相V/V接線變壓器牽引電力機車所形成的諧波污染要更加接近平衡變壓器所形成的污染；其次，據(jù)相關(guān)部門規(guī)定，供電部門在結(jié)合用戶和社會需求，在對雙電源且具有較高可靠性的供電時，能夠收取較高可靠性供電的相關(guān)費用。一般鐵路系統(tǒng)雙電源可靠性大約在330元。如果一個單相牽引變壓器在13000kVA容量時，容量的實際利用率為95%，則就需要13000×（1-90%）×330=442000元的供電費用。但是如果運用V/V接線變壓器，則能夠?qū)ψ儔浩魅萘孔龅胶侠砼渲茫浞掷猛耆萘浚尵揞~費用得以節(jié)省，同時也能夠充分利用到變電所相關(guān)配套設(shè)施；再次，V/V接線變壓器的材料利用率可達100%，而平衡變壓器只能達到96%的材料利用率，因此，對V/V接線變壓器進行選用，能夠讓材料得到最大程度節(jié)約，讓經(jīng)濟開支得以減少；最后，V/V接線變壓器具有較為簡單的變電所結(jié)構(gòu)和較少的投資資金。在電氣化鐵道供電系統(tǒng)中，變電站每隔30～50km會有一臺，需要巨大數(shù)量的變電站。不管是從對供電費用的節(jié)約上、材料的充分利用上等經(jīng)濟方面，還是從具有較為簡單的施工等實際工程的角度上來看，牽引變壓器在未來將很可能逐漸傾向于V/V接線變壓器。

4 未來牽引變壓器技術(shù)發(fā)展趨勢

在未來牽引變壓器技術(shù)領(lǐng)域中，高溫超導(dǎo)牽引變壓器將初見顯現(xiàn)，這種牽引變壓器具有較大功率、較輕的重量以及緊湊的結(jié)構(gòu)，還能減輕45%的制造重量，能夠達到99%以上的效率，此外還更加節(jié)能環(huán)保，必將為鐵路運輸起到非常顯著的作用。德國西門子公司在2001年將運用于鐵路交通中的1000kVA高溫超導(dǎo)變壓器給研發(fā)出來。我國湖南株洲電子機車有限公司在2005年開始研制高溫超導(dǎo)變壓器，并成功將300kVA電動車組高溫超導(dǎo)變壓器研發(fā)出來，在北京通過了驗收。它是軌道電力機車組中運用進行原理性實驗的樣機，它有1個一次繞組、4個二次繞組、1個三次繞組，其中二次繞組相互獨立。二次繞組中的2個在一次和三次繞組之間排列，繞在鐵芯一側(cè)。牽引變壓器高溫超導(dǎo)化讓現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)得到完善，讓冷卻效率得到提升，促使保溫和密封性得到有效加強。高溫超導(dǎo)變壓器不僅體型小、重量輕，而且能耗低，具有良好的環(huán)保性能。高溫超導(dǎo)牽引變壓器的眾多優(yōu)點促使其逐漸成為當(dāng)下最具發(fā)展前景的變壓器。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，相信在不久的將來，我國電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的研究必將越來越先進，有效推動我國鐵路運輸發(fā)展。因此，電力牽引供電系統(tǒng)中牽引變壓器是最為核心的部分，其作用非常重要，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)變壓、供電以及讓負序電流和高次諧波對電力系統(tǒng)的影響得以降低，同時還能夠無償?shù)匮a償電力系統(tǒng)。

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作者簡介：楊海濤（1969-），男，江蘇如皋人，濟南鐵路局建設(shè)項目管理中心工程師，研究方向：鐵道牽引供電。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）