电气化铁路牵引变压器的选择

龙 禹,丁永辉

(1.南京供电公司，江苏南京210008；2.江苏科能电力工程咨询有限公司，江苏南京210024)

中国电气化铁路飞速发展，在拓展运输能力、带来巨大经济效益和社会效益的同时，也带来了严重的电能质量问题，对电网的安全运行和电网中其他用户的用电，都产生了不良影响[1-6]。牵引变压器的合理选择，对降低电气化铁路对电能质量的影响将起到巨大作用。文中对牵引变压器进行了比较研究，并结合江苏电网实际情况对牵引负荷对电能质量的影响进行了深入研究，推荐出适合江苏电网的牵引变压器型式。

1牵引变压器

电气化铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行的铁路。电气化铁路的供电是在铁路沿线建立若干个牵引变电所，一般由电力系统110 kV或220 kV双电源供电，经牵引变压器降为27.5 kV或55 kV后通过牵引网（接触网）向电力机车供电。

1.1牵引变压器分类

牵引变压器是一种特殊电压等级的电力变压器，应能满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。一般来说，牵引变压器均有100%过载能力，我国牵引变压器采用三相、三相-二相和单相3种类型。

我国常用的牵引变压器主要有单相接线变压器、单相V，v接线变压器、三相V，v接线变压器、Y，d11接线变压器、阻抗匹配平衡接线变压器。国内常用牵引变压器技术性能对比如表1所示。

江苏省内现有的京沪电气化和陇海电气化铁路均采用阻抗匹配平衡接线变压器；而正在建设的京沪高铁、沪宁城际、宁杭客专均采用单相V，v接线变压器。

1.2基本供电原理

1.2.1单相V，v接线变压器

表1牵引变压器性能比较表

电路原理图和相量关系如图1和图2所示。

图1 单相V，v变压器接线原理

图2单相V，v变压器原副边相量关系

牵引变电所装设2台单相接线牵引变压器1T和2T，作V，v连接。1T和2T的原边分别接入电力系统的BC相和AC相；副边各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，各有另一端与轨道及接地网连接。BC相向左边供电臂的牵引网供电，AC相向右边供电臂的牵引网供电，即通常所说的60°接线。原、副边电流关系如式（1）（忽略空载电流）。

应用余弦定理，可得1T和2T副边v接顶点出线电流相量和如式（2）。

式中：K为每台单相牵引变压器的变比；Φ为I˙bc与I˙ca的夹 角。

单相V，v接线牵引变压器的优点是：牵引变压器容量利用率高；在正常运行时，牵引侧保持三相，因此可供应牵引变电站自用电和地区三相负载；主接线较简单，设备较少，投资较省。其主要缺点是，当一台牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电，其中有一个倒闸过程，同时地区三相电力供应也将中断。倒闸过程完成后，实质上它成为单相接线牵引变电站，对电力系统的负序影响也随之增大。

1.2.2阻抗匹配平衡变压器（简称平衡变压器）

电路原理图和相量关系如图3和图4所示。原边情况与普通三相YN，d11接线变压器的原边情况完全相同，铁芯也是三相芯式的。副边绕组三角形接线在非接地相改设两个外移绕组aα，bβ，内缩三角形接线的一角c与轨道、接地网连接，α、β两端分别接到牵引侧两相母线上，由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂牵引网供电。

图4平衡变压器原副边相量关系

平衡变压器副边三相绕组电流 I˙a，I˙b，I˙c与副边两供电臂电流I˙α，I˙β关系如式（3）所示。

式中，λ为阻抗匹配系数，当满足原边三相电流平衡，并且当I˙β=jI˙α，原边三相电流对称时，有以下关系式：

式（4）表明，无论负载电流I˙α，I˙β如何变化，原边三相电流I˙a，I˙b，I˙c都保持平衡，无零序电流，原边绕组的中性点可以接地。

平衡变压器的优点是原边三相制的视在功率可完全转化为副边二相制的视在功率，变压器容量可以全部利用。在两臂牵引负荷相等的前提下，平衡牵引变压器的原边三相是对称的；其过载能力强，容量利用率较高，可改善牵引变电站发生三相不平衡的概率和减少对电力系统的负序影响，但设计计算及制造工艺复杂，造价较高。

1.3供电能力分析

1.3.1 V，v接线变压器

当低压侧两臂电流夹角为60°时，有：

显然有Smax=SC，则V，v接线变压器高压侧所需三相供电能力为：

其中Smax为功率最大相的视在功率，3Smax则反映了电力系统需满足牵引负荷的三相供电能力。1.3.2阻抗匹配平衡变压器

牵引变压器高压侧各相功率为：

当 Sα＞Sβ时，有SA＞SB＞SC；当 Sα＜Sβ时，有 SC＞SB＞SA。 式中 SA和 SC相互对称，可设 Sα＞Sβ，则阻抗匹配平衡接线变压器高压侧所需三相供电能力为：

2牵引变性能比较

2.1抑制负序电流

比较式（4）、（5）和式（9）、（10），当n=1，即两臂负荷相等时，V，v接线变压器的不对称系数为50%，阻抗匹配平衡接线牵引变压器不对称系数为0；当n=0，即一臂带负荷，另一臂负荷为0时，两种接线型式变压器负荷在电力系统中引起的不对称度相同，都为100%。总的来说，阻抗匹配平衡接线变压器负荷的负序影响小于V，v接线变压器。

2.2供电能力

比较式（7）和式（10），当n=1 ，即两臂负荷相等时，V，v接线变压器高压侧所需三相供电能力为低压侧两臂负荷之和的1.5倍，阻抗匹配平衡接线牵引变压器高压侧所需三相供电能力为低压侧两臂负荷之和；当n=0，即一臂带负荷，另一臂负荷为0时，V，v接线变压器高压侧所需三相供电能力为低压侧一臂负荷的1.732倍，阻抗匹配平衡接线牵引变压器高压侧所需三相供电能力为低压侧一臂负荷的1.93倍。可见两臂负荷不平衡度越大，需要高压侧的三相供电能力也越高；采用V，v接线变压器时，高压侧所需电力系统三相供电的能力小于采用平衡变压器。

2.3建设周期与造价

目前国内已投运的平衡变压器电压等级都是110 kV，最大容量可做到80 MV·A。尚无厂家生产220 kV等级的平衡变压器，但一些厂家已具备了生产能力。110 kV平衡变压器和V，v接线变压器从设计到制造出产品大约需要3个月，220 kV平衡变压器制造时间略长，大概需要4个月。由于平衡变压器设计及制造工艺较V，v接线变压器复杂，造价上略高于V，v接线变压器，相同供电容量的平衡变压器（如 40 MV·A）和（20+20）MV·A 的 V，v 接线变压器在其他参数都相同的情况下，平衡变压器比V，v接线变压器价格要高出约15%。

3无功冲击影响对比

由于电气化铁路铁道条件多变，列车行进过程中遇到的阻力不断变化，列车需要频繁地启动、加速、惰行、制动，或者从一个供电区进入或退出，都将造成牵引负荷剧烈波动，并产生较大的冲击电流，在公共连接（PCC）点将产生电压波动，又由于江苏境内铁路班次多，间隔时间短，长时闪变也不可忽视。

由式（7）和（10）知，在两臂负荷相等的情况下，在机车启动瞬间，平衡变压器高压侧最大一相的无功冲击负荷比V，v接线变压器小1.5倍，因此在PCC点产生的电压波动也小于V，v接线变压器。

以沪宁城际铁路和宁启电气化铁路为例。沪宁城际铁路由220 kV电压等级接入电网，客车采用交直交动车组，单列机车8辆编组功率为8 800 kW，双机重联16辆编组为17 600 kW，在南京境内设有宝华山牵引站；宁启电气化铁路由110 kV电压等级接入电网，客车拟采用交直交动车组，单列机车8辆编组功率为4 800 kW，双机重联16辆编组功率为9 600 kW；货车拟采用HXD3型机车，机车功率为7 200 kV，在南京境内设有六合牵引站。

采用不同接线型式变压器时，PCC点的电压波动如表2所示。

表2牵引变不同接线方式PCC点电压波动

从表2可以看出，在相同接入电网条件下，平衡接线牵引变压器在降低冲击负荷引起PCC点电压波动方面能力更强。

4综合比较

4.1经济比较

牵引变电站采用不同接线型式主变压器时的经济比较（仅以六合站为例）如表3所示。

从比较结果来看，平衡变压器造价略高于V,v接线变压器，但变电站所需无功补偿装置的容量小于采用V,v接线变压器，总投资低于采用V,v接线变压器。

4.2综合对比

采用不同接线型式的牵引变压器的综合比较如表4所示。

表3同容量V，v变与平衡变压器经济比较

表4牵引站采用不同接线型式主变的比较

从比较结果来看，平衡变压器供电能力强，抑制电铁对电网的影响能力更强，而且综合造价也相对较低。

5结束语

电铁负荷不仅对电能质量、继电保护及自动装置等产生严重干扰或影响，直接威胁电网的安全运行，降低供电可靠性；而且影响电动机、变压器及输电线路等的使用效率或寿命，增加了系统投资和运营管理费用。而采用合适的牵引变压器将可以降低电铁负荷对电网的影响。综合前述技术与经济比较，为减小电气化铁路对电力系统的影响，建议牵引站变压器采用阻抗匹配平衡变压器。

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