電氣化鐵道供電牽引電力變壓器研究

[ 作者簡介 ]

魏曉鵬，男，北京人，北京地鐵運營有限公司調度指揮中心，助理工程師，本科，研究方向：工程技術系列電力專業。

[ 摘要 ]

牽引電力變壓器是電氣化鐵道供電系統中的關鍵部件，其主要功能包括變壓、供電、降低負序電流、降低電網中的高次諧波以及對電網進行無功補償等。所以，對于牽引變壓器選型的研究很有必要。本文對牽引變壓器類型和接線形式進行確定，以110 kV牽引變電站為例進行了研究，在牽引變電站內安裝了2臺容量為2×20 000 kVA的同型號變壓器，其主變壓器為三相雙繞組，一次運行一次，一次待機。本文綜合分析了不同類型的變壓器的優缺點，發現三相變壓器具有優勢明顯、符合設計需求、投資較省、性價比高等特點。

[ 關鍵詞 ]

電氣化鐵道;供電;牽引;變壓器

中圖分類號：G31

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.03.062

1 電氣化鐵道的基本特點

電氣化鐵道的建設和運營是現代鐵路的主要形式，它采用了多種先進的技術，將先進技術和鐵路的結構有機地結合在一起，使整個電氣化鐵路的運行更加平穩，對提高鐵路的安全性起到了很大的作用。而優化電氣化鐵路結構的運行品質，必須使其內部的結構技術和設備都得到很好的運用，以保證其優勢的發揮。電氣化鐵路由電力機車、牽引供電系統構成，包括直流、三相交流、單工頻交流、單低頻交流等四種運行體制。不同的形式，其實際效果各不相同，電氣化鐵路的建設方式要視建設區域的需求和經濟狀況而定。我國的電力線路一般采用25 kV工頻單相交流系統。目前，隨著科學技術和經濟發展的不斷提高，電氣化鐵路技術的應用越來越成熟，牽引系統的電能效率得到了明顯的提高。

19世紀80年代，隨著發電機、直流電動機的問世，世界各國都已將電力牽引應用于城市交通，其中以低壓直流電氣化鐵路居多。20世紀后期，許多工業發達國家相繼在城市與高速鐵路上修建了電氣化鐵路。為了滿足不斷增加的交通需求，各國紛紛開始了大規模的鐵路建設，并開始了電氣化鐵路的建設。20世紀80年代之后，印度、南非等國家的電力鐵路也得到了快速的發展。

新中國建立初期，為了加快發展鐵路，我們在寶雞-鳳州段修建寶成鐵路咽喉的電氣化鐵路，這條鐵路借鑒了國外先進的單相工頻交流電力系統。這條電氣化鐵路的順利竣工標志著我國鐵路向電氣化邁進了一大步。

2 電氣化鐵道供電牽引系統的特性及運行

電氣化鐵道牽引系統是指在電氣化鐵路上實現電力和牽引力的高效轉化，以保證電氣化鐵路的穩定運行。現在的電力牽引技術更加先進，電力系統的運行效率也得到了很好的改善。

2.1 電力牽引的特性

電力牽引是電氣化鐵路運營的核心動力，其應用范圍較廣，在實際運行中具有較大的功率和較高的傳輸速率。針對電氣化鐵路系統所確立的制度形態，應合理選取電力牽引技術，確保技術與制度的相容性。通過采用電力牽引技術，可以實現電能的輸送，保證鐵路的正常運營。

2.2 牽引供電系統的運行

牽引供電系統的好壞直接關系到電氣化鐵路的運營水平，從而提高電力系統的運行質量和性能。在對電力系統進行優化時，必須首先弄清其工作原理，以確保優化方案的正確性。電力系統的主要構成部分包括：直接牽引變電所、回流線、交流高壓輸電線、軌道等，在電力牽引系統的運行過程中，可以根據電氣化鐵道的實際情況，進行靈活的切換，使電氣化鐵路的運行狀況始終處于一個穩定的狀態。牽引電源的作用是產生和電壓的轉換，其工作穩定，保證了系統的高水平運轉。

3 牽引變壓器的相關研究現狀

變壓器設備的工作，既可以穩定地控制電力傳輸的效果，又可以適當地轉換電力能源的傳輸和轉換過程中的電壓，確保電壓等級的合理性和適用性，從而防止在電力轉換和傳輸過程中產生的電壓不穩定。電力系統的建設離不開技術和經濟的支撐，而我國的經濟和技術發展已進入了一個成熟和先進的階段，所以電氣化鐵路的建設水平得到了極大的提高，運行的質量也得到了極大的提高，電氣化鐵路的應用范圍也得到了進一步的擴大。變壓器是電氣化鐵路的重要組成部分，它的運行起著重要的作用。為了保證電力變壓器的工作效率，必須對變壓器的連接方式進行優化和改進，以保證電力牽引變壓器的運行效率，保證電力牽引系統的穩定和節能。

在單相AC牽引變電站中，既要減少電壓，又要將三相AC轉換為單相AC。在實踐中，為了使三相變成為單相，有多種不同的配線方法，具體如下：

其一，星型鏈接。用這樣的線路連接的變電站叫做三相變電站。

其二，單相接線，也叫V形接線，也叫開放式三角接線。

其三，T型接線，也叫斯考特接線，是一種常用的連接方式。單相接、T型接電線的變電站，又稱單相牽引變電站和三相二相牽引變電站。

在三相電網中，由于變壓器的接線方式不同，產生的非對稱電流差異較大。在單相交流電氣化鐵路中，一次電力系統中各相負載的分布是盡量平衡的。然而，要確保三相輸電線路中的各個相位負載相同，這是不現實的。由于各區間內的電力機車數量不同，所需的電能也不盡相同。因此，三相負載的非對稱性是不可避免的。此外，不同的配線方式，設備的容量利用率也會有所不同，備用方式的選擇和對供電區域的負載也會有一定的適應性。所以，在不同的情況下，變壓器的接線形式也會產生不同的技術和經濟效益。

4 電氣化鐵道供電牽引電力變壓器研究

本設計中，牽引變電站安裝了2臺容量為2×20 000 kVA的同型號變壓器，該變壓器為三相二繞組，一次運行一次，一次待機。

4.1 牽引變壓器的種類

4.1.1 三相牽引變壓器

三相牽引變電站一般有2 ～ 3個三相牽引變壓器，變壓器有3個線圈，一次繞組與110 kV高壓側相連，一般采用星型連接。二次繞線一般是用來連接拖網的。三角形的兩個角與電源臂連接，另一個角連接到車輛軌道。連接兩條電源臂的兩個拐角處的軌道電壓是不同的，在牽引變電站的饋線出口必須分離，也就是要有一個電分相。在無區域負載或專用變壓器供電的情況下，只要有三相變壓器，牽引變壓器僅需兩個線圈即可。目前國內使用的是這樣的線路。其優勢在于變壓器成本較低，占地面積較少。三相電網中的電流不均勻性也較少，但其不足之處在于三相變壓器未與軌道相連的一相容量未得到充分利用。

4.1.2 單相牽引變壓器

在單相牽引變電站，通常采用兩種不同的接線模式。單相連接。在各牽引站中僅設置一臺變壓器。變壓器的原邊與110 kV三相母線的任何兩個相位相連。為解決一次電力系統負載非對稱性問題，往往把鄰近變電站依次連接在兩相上。這樣的交替周期能使三相電網的負載相對均衡。該配線方法簡便，能根據所需的電源進行輸入和切斷，從而能很好地利用變壓器，并確保無負載損失最小。但由于是單相供電，所以牽引變電站的兩個供電臂的電壓都是同相的，而且由于兩個變電站的相位不同，所以不能同時使用兩個電源，而在牽引變電站之間要安裝一個電分相設備，這就使得電網的電壓損耗要大于雙向供電。而在牽引變電站三相系統中，由于單相接線的存在，存在著較大的非對稱性;V型導線。在牽引變電站內安裝了兩個單相變壓器，形成了一個開放的三角形，也就是所謂的“V”型接線。兩個變壓器一次端連接在三相高壓母線的兩對母線上。其配線的優勢在于充分發揮牽引變壓器的容量，保證了電力供應的可靠性。其不利之處在于一次側電網所引起的負載不均勻度及效應依然較大，區域負荷需設置專用變壓器。

4.1.3 三相—二相變壓器

三相—二相變壓器的斯科特方法在國外稱為Scott接線。其主要作用是改善單相牽引負載對電網非對稱性的影響。斯考特接線牽引變電站通常采用兩個單相變壓器。由于兩個變壓器側邊線圈的匝數不同，而副邊線圈的匝數是一樣的，所以變壓器的側面匝數是原來的2/2。這種匝數比可以使得兩個變壓器的次級側的電壓值相等。從牽引端觀察，與V型導線的連接形式類似。而在接觸網的左、右部分的電壓相位有90度的偏差。該線路的最大優勢是三相電網負載更易于實現對稱。但是，由于這種配線方式對變壓器的要求很高，如果出現故障，將其放入備用變壓器中，則會造成很大的難度。在有區域負載的情況下，應設置專門的變壓器。

伍德橋接線是一種類似于斯考特接線的牽引變壓器的連接方式，也是一種三相-兩相變電站。該接線模式的特征在于，在二次側的兩個繞組負載電流I相同時，二次側的相位差為90度，初級側三相電流為對稱。伍德橋接線模式的不足之處在于變壓器內部線路較多，除變壓器主體外，還要安裝對稱式升壓變壓器，對變壓器的制造、安裝和運行維護都有很大的影響。

4.2 牽引用變壓器的選擇

本文選取了兩個三相變壓器作為主變壓器，三相二繞組，一次運行一次，一次待機。對各類牽引變電所的優劣進行分析，要從供電可靠性、變壓器容量利用程度、供電三相、區域三相負荷、系統負序、牽引網供電、牽引變壓器壓損、變電站簡化程度、投資和應用情況等幾個方面進行分析。它最大優勢是：純單相變壓器的容量利用率達到100 %，接線簡單，投資最少。然而，由于無三相電源，不利于三相自用及區域三相供電，同時也會對電網產生較大的負序效應，當兩臂負載相等時，其非對稱系數為1，并且無法雙向供電，這也是其應用的限制。V型配線的單相變壓器的容量利用率達100 %，可提供區域內三相負載，配線簡便，可雙向供電，與三相變壓器相比，其負序效應與三相變壓器基本一致，亦即不對稱系數為0.5，初期投資小。但如果一臺變壓器發生故障，變成單相，則無法持續提供區域三相負載，這是一種弊端。以斯考特接線為主的三相二相變壓器，在負載相等、COS相同的情況下，不會產生負序電流，也就是電流非對稱性。三相功率系統最突出的特征是，即使兩臂負載不完全相等，也能明顯降低三相電網的非對稱性。然而，斯考特接線方法生產難度大，配線難度大，維護成本高，所以多用于AT供電的電氣化區間。

三相變壓器采用YN的三相變壓器，其優勢在于：在變壓器副邊，即在牽引電網一側，仍能維持三相，為變電站的三相自用和區域三相供電，故最適合在有供電區域負載的地方使用。三相牽引變電站可以實現對牽引電網的兩側供電，而且單相負載造成的負序電流對電網的影響要小于單相牽引變電站，雙臂負載相等時，不對稱系數達到0.5，也就是負序電流的二分之一。三相牽引變電站的變壓器容量未得到最大限度的利用，其滯后相壓損比引前相壓損大，其內設備和接線要比單相變電站復雜，維護工作量大，且投入較大。

綜合分析了不同類型的變壓器的優缺點，發現三相變壓器具有優勢明顯、符合設計需求、投資較省、性價比高等特點。

5 結束語

本文對電氣化鐵道的基本特點進行了說明;對電氣化鐵道供電牽引系統的特性及運行進行了闡述。結合牽引變壓器的相關研究現狀，本文對電氣化鐵道供電牽引電力變壓器研究進行了詳細的分析。本文主要以110 kV牽引變電站的供電方案為基礎展開討論，對牽引變壓器類型和接線形式進行了分析。研究結果表明：牽引變電站安裝2臺容量為2×20 000 kVA的同型號主變壓器，主變壓器為三相二繞組，一次運行一次，一次待機?？梢灶A見，采用自耦變壓器供電的工頻單相交流系統，再配上變頻電力機車，將是一條非常理想的電氣化鐵路。電氣化鐵路具有控制簡單、與國家電網頻率兼容、能適應高速、大功率電力列車等優點，是未來很長一段時期內必須要做的工作。

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