电气化铁道供电牵引电力变压器研究

[ 作者简介 ]

魏晓鹏，男，北京人，北京地铁运营有限公司调度指挥中心，助理工程师，本科，研究方向：工程技术系列电力专业。

[ 摘要 ]

牵引电力变压器是电气化铁道供电系统中的关键部件，其主要功能包括变压、供电、降低负序电流、降低电网中的高次谐波以及对电网进行无功补偿等。所以，对于牵引变压器选型的研究很有必要。本文对牵引变压器类型和接线形式进行确定，以110 kV牵引变电站为例进行了研究，在牵引变电站内安装了2台容量为2×20 000 kVA的同型号变压器，其主变压器为三相双绕组，一次运行一次，一次待机。本文综合分析了不同类型的变压器的优缺点，发现三相变压器具有优势明显、符合设计需求、投资较省、性价比高等特点。

[ 关键词 ]

电气化铁道;供电;牵引;变压器

中图分类号：G31

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.03.062

1 电气化铁道的基本特点

电气化铁道的建设和运营是现代铁路的主要形式，它采用了多种先进的技术，将先进技术和铁路的结构有机地结合在一起，使整个电气化铁路的运行更加平稳，对提高铁路的安全性起到了很大的作用。而优化电气化铁路结构的运行品质，必须使其内部的结构技术和设备都得到很好的运用，以保证其优势的发挥。电气化铁路由电力机车、牵引供电系统构成，包括直流、三相交流、单工频交流、单低频交流等四种运行体制。不同的形式，其实际效果各不相同，电气化铁路的建设方式要视建设区域的需求和经济状况而定。我国的电力线路一般采用25 kV工频单相交流系统。目前，随着科学技术和经济发展的不断提高，电气化铁路技术的应用越来越成熟，牵引系统的电能效率得到了明显的提高。

19世纪80年代，随着发电机、直流电动机的问世，世界各国都已将电力牵引应用于城市交通，其中以低压直流电气化铁路居多。20世纪后期，许多工业发达国家相继在城市与高速铁路上修建了电气化铁路。为了满足不断增加的交通需求，各国纷纷开始了大规模的铁路建设，并开始了电气化铁路的建设。20世纪80年代之后，印度、南非等国家的电力铁路也得到了快速的发展。

新中国建立初期，为了加快发展铁路，我们在宝鸡-凤州段修建宝成铁路咽喉的电气化铁路，这条铁路借鉴了国外先进的单相工频交流电力系统。这条电气化铁路的顺利竣工标志着我国铁路向电气化迈进了一大步。

2 电气化铁道供电牵引系统的特性及运行

电气化铁道牵引系统是指在电气化铁路上实现电力和牵引力的高效转化，以保证电气化铁路的稳定运行。现在的电力牵引技术更加先进，电力系统的运行效率也得到了很好的改善。

2.1 电力牵引的特性

电力牵引是电气化铁路运营的核心动力，其应用范围较广，在实际运行中具有较大的功率和较高的传输速率。针对电气化铁路系统所确立的制度形态，应合理选取电力牵引技术，确保技术与制度的相容性。通過采用电力牵引技术，可以实现电能的输送，保证铁路的正常运营。

2.2 牵引供电系统的运行

牵引供电系统的好坏直接关系到电气化铁路的运营水平，从而提高电力系统的运行质量和性能。在对电力系统进行优化时，必须首先弄清其工作原理，以确保优化方案的正确性。电力系统的主要构成部分包括：直接牵引变电所、回流线、交流高压输电线、轨道等，在电力牵引系统的运行过程中，可以根据电气化铁道的实际情况，进行灵活的切换，使电气化铁路的运行状况始终处于一个稳定的状态。牵引电源的作用是产生和电压的转换，其工作稳定，保证了系统的高水平运转。

3 牵引变压器的相关研究现状

变压器设备的工作，既可以稳定地控制电力传输的效果，又可以适当地转换电力能源的传输和转换过程中的电压，确保电压等级的合理性和适用性，从而防止在电力转换和传输过程中产生的电压不稳定。电力系统的建设离不开技术和经济的支撑，而我国的经济和技术发展已进入了一个成熟和先进的阶段，所以电气化铁路的建设水平得到了极大的提高，运行的质量也得到了极大的提高，电气化铁路的应用范围也得到了进一步的扩大。变压器是电气化铁路的重要组成部分，它的运行起着重要的作用。为了保证电力变压器的工作效率，必须对变压器的连接方式进行优化和改进，以保证电力牵引变压器的运行效率，保证电力牵引系统的稳定和节能。

在单相AC牵引变电站中，既要减少电压，又要将三相AC转换为单相AC。在实践中，为了使三相变成为单相，有多种不同的配线方法，具体如下：

其一，星型链接。用这样的线路连接的变电站叫做三相变电站。

其二，单相接线，也叫V形接线，也叫开放式三角接线。

其三，T型接线，也叫斯考特接线，是一种常用的连接方式。单相接、T型接电线的变电站，又称单相牵引变电站和三相二相牵引变电站。

在三相电网中，由于变压器的接线方式不同，产生的非对称电流差异较大。在单相交流电气化铁路中，一次电力系统中各相负载的分布是尽量平衡的。然而，要确保三相输电线路中的各个相位负载相同，这是不现实的。由于各区间内的电力机车数量不同，所需的电能也不尽相同。因此，三相负载的非对称性是不可避免的。此外，不同的配线方式，设备的容量利用率也会有所不同，备用方式的选择和对供电区域的负载也会有一定的适应性。所以，在不同的情况下，变压器的接线形式也会产生不同的技术和经济效益。

4 电气化铁道供电牵引电力变压器研究

本设计中，牵引变电站安装了2台容量为2×20 000 kVA的同型号变压器，该变压器为三相二绕组，一次运行一次，一次待机。

4.1 牵引变压器的种类

4.1.1 三相牵引变压器

三相牵引变电站一般有2 ～ 3个三相牵引变压器，变压器有3个线圈，一次绕组与110 kV高压侧相连，一般采用星型连接。二次绕线一般是用来连接拖网的。三角形的两个角与电源臂连接，另一个角连接到车辆轨道。连接两条电源臂的两个拐角处的轨道电压是不同的，在牵引变电站的馈线出口必须分离，也就是要有一个电分相。在无区域负载或专用变压器供电的情况下，只要有三相变压器，牵引变压器仅需两个线圈即可。目前国内使用的是这样的线路。其优势在于变压器成本较低，占地面积较少。三相电网中的电流不均匀性也较少，但其不足之处在于三相变压器未与轨道相连的一相容量未得到充分利用。

4.1.2 单相牵引变压器

在单相牵引变电站，通常采用两种不同的接线模式。单相连接。在各牵引站中仅设置一台变压器。变压器的原边与110 kV三相母线的任何两个相位相连。为解决一次电力系统负载非对称性问题，往往把邻近变电站依次连接在两相上。这样的交替周期能使三相电网的负载相对均衡。该配线方法简便，能根据所需的电源进行输入和切断，从而能很好地利用变压器，并确保无负载损失最小。但由于是单相供电，所以牵引变电站的两个供电臂的电压都是同相的，而且由于两个变电站的相位不同，所以不能同时使用两个电源，而在牵引变电站之间要安装一个电分相设备，这就使得电网的电压损耗要大于双向供电。而在牵引变电站三相系统中，由于单相接线的存在，存在着较大的非对称性;V型导线。在牵引变电站内安装了两个单相变压器，形成了一个开放的三角形，也就是所谓的“V”型接线。两个变压器一次端连接在三相高压母线的两对母线上。其配线的优势在于充分发挥牵引变压器的容量，保证了电力供应的可靠性。其不利之处在于一次侧电网所引起的负载不均匀度及效应依然较大，区域负荷需设置专用变压器。

4.1.3 三相—二相变压器

三相—二相变压器的斯科特方法在国外称为Scott接线。其主要作用是改善单相牵引负载对电网非对称性的影响。斯考特接线牵引变电站通常采用两个单相变压器。由于两个变压器侧边线圈的匝数不同，而副边线圈的匝数是一样的，所以变压器的侧面匝数是原来的2/2。这种匝数比可以使得两个变压器的次级侧的电压值相等。从牵引端观察，与V型导线的连接形式类似。而在接触网的左、右部分的电压相位有90度的偏差。该线路的最大优势是三相电网负载更易于实现对称。但是，由于这种配线方式对变压器的要求很高，如果出现故障，将其放入备用变压器中，则会造成很大的难度。在有区域负载的情况下，应设置专门的变压器。

伍德桥接线是一种类似于斯考特接线的牵引变压器的连接方式，也是一种三相-两相变电站。该接线模式的特征在于，在二次侧的两个绕组负载电流I相同时，二次侧的相位差为90度，初级侧三相电流为对称。伍德桥接线模式的不足之处在于变压器内部线路较多，除变压器主体外，还要安装对称式升压变压器，对变压器的制造、安装和运行维护都有很大的影响。

4.2 牵引用变压器的选择

本文选取了两个三相变压器作为主变压器，三相二绕组，一次运行一次，一次待机。对各类牵引变电所的优劣进行分析，要从供电可靠性、变压器容量利用程度、供电三相、区域三相负荷、系统负序、牵引网供电、牵引变压器压损、变电站简化程度、投资和应用情况等几个方面进行分析。它最大优势是：纯单相变压器的容量利用率达到100 %，接线简单，投资最少。然而，由于无三相电源，不利于三相自用及區域三相供电，同时也会对电网产生较大的负序效应，当两臂负载相等时，其非对称系数为1，并且无法双向供电，这也是其应用的限制。V型配线的单相变压器的容量利用率达100 %，可提供区域内三相负载，配线简便，可双向供电，与三相变压器相比，其负序效应与三相变压器基本一致，亦即不对称系数为0.5，初期投资小。但如果一台变压器发生故障，变成单相，则无法持续提供区域三相负载，这是一种弊端。以斯考特接线为主的三相二相变压器，在负载相等、COS相同的情况下，不会产生负序电流，也就是电流非对称性。三相功率系统最突出的特征是，即使两臂负载不完全相等，也能明显降低三相电网的非对称性。然而，斯考特接线方法生产难度大，配线难度大，维护成本高，所以多用于AT供电的电气化区间。

三相变压器采用YN的三相变压器，其优势在于：在变压器副边，即在牵引电网一侧，仍能维持三相，为变电站的三相自用和区域三相供电，故最适合在有供电区域负载的地方使用。三相牵引变电站可以实现对牵引电网的两侧供电，而且单相负载造成的负序电流对电网的影响要小于单相牵引变电站，双臂负载相等时，不对称系数达到0.5，也就是负序电流的二分之一。三相牵引变电站的变压器容量未得到最大限度的利用，其滞后相压损比引前相压损大，其内设备和接线要比单相变电站复杂，维护工作量大，且投入较大。

综合分析了不同类型的变压器的优缺点，发现三相变压器具有优势明显、符合设计需求、投资较省、性价比高等特点。

5 结束语

本文对电气化铁道的基本特点进行了说明;对电气化铁道供电牵引系统的特性及运行进行了阐述。结合牵引变压器的相关研究现状，本文对电气化铁道供电牵引电力变压器研究进行了详细的分析。本文主要以110 kV牵引变电站的供电方案为基础展开讨论，对牵引变压器类型和接线形式进行了分析。研究结果表明：牵引变电站安装2台容量为2×20 000 kVA的同型号主变压器，主变压器为三相二绕组，一次运行一次，一次待机。可以预见，采用自耦变压器供电的工频单相交流系统，再配上变频电力机车，将是一条非常理想的电气化铁路。电气化铁路具有控制简单、与国家电网频率兼容、能适应高速、大功率电力列车等优点，是未来很长一段时期内必须要做的工作。

参考文献

[1]王明，冯卫军，黄辉，等. 变压器电气故障综合预警系统研究[J]. 机械与电子，2021，39（11）： 35-39;62.

[2]孟宪庄. 电气化铁道供电牵引系统电力变压器分析[J]. 无线互联科技，2021，18（21）： 101-102.

[3]靳忠福. 一种新型铁路稳压供电变压器结构设计[J]. 高压电器，2021，57（1）： 176-181;188.

[4]张永福，郝冬生. 电气化铁道供电牵引电力变压器的研究[J]. 内蒙古科技与经济，2013（9）： 112-114.

[5]王丹，毛承雄，陆继明. 基于电子电力变压器的自平衡牵引变压器[J]. 高电压技术，2008（1）： 176-181.