AT和TRNF合用牵引变压器的有效性

■ 薛卫星 刘赓然

0 引言

目前，我国高速铁路快速发展及既有线路不断提速，对牵引供电系统的要求也不断提高。A T供电相比其他供电方式具有更为优越的综合性能，能满足高速铁路对牵引供电系统的要求。合蚌高铁全线设计采用A T供电方式，变压器采用三相V X接线方式。

牵引变压器是连接牵引供电系统和电力系统的核心设备，主要完成电压变换和功率传输的功能，其接线形式不仅影响变压器容量和经济性，而且决定了牵引负荷对电力系统的负序影响程度。

为同时满足并行的普速电气化铁路供电（直供加回流方式T R NF），且从节约成本和合理利用地方电力系统资源的角度考虑，合蚌高铁牵引变压器设计采用2 2 0/2×2 7.5 k V、V X接线形式，兼顾高速与普速线路供电，即A T和T R N F供电方式合用牵引变压器。

1 VX接线牵引变压器

V X接线牵引变压器是目前国内采用的适用于A T供电方式的新型牵引变压器。在结构上，它是由2个同容量或不同容量单相变压器放在一个油箱中，在内部（也可由2个单相牵引变压器在外部）形成V X接线。V X接线牵引变压器的一次侧可直接接入三相电源，电源电压可为2 2 0 k V或1 1 0 k V。二次侧每个单相变压器各有2个低压绕组，共有4个低压绕组，每个低压绕组的电压为2 7.5 k V，输出电压可为2 7.5 k V，也可为5 5 k V。二次侧输出电压是2 7.5 k V时，为直接供电方式；二次侧输出电压是5 5 k V时，为A T供电方式。由于它具有供电灵活的优点，而且结构相对简单，相比S c o t t、W o o d-B r i d g e接线A T牵引变压器更加易于设计和制造，因此得到了越来越广泛的应用。V X接线牵引变压器接线原理见图1。

S c o t t接线和V X接线牵引变压器构成的A T牵引供电系统结构分别见图2（a）和图2（b）。从图中可明显看出，V X接线牵引变压器二次绕组引出了中性点接地，可兼做馈线A T，因此能取消牵引变电所出口处的A T，节省了投资。

为使列车运行于牵引变电所和第一个A T区间时，牵引电流主要沿正馈线而不是钢轨和大地回流至牵引变电所，降低对邻近通信线路的电磁干扰，V X接线牵引变压器对短路阻抗匹配应满足以下要求：

其中，Z21为变压器在二次T N绕组上加电压，一次绕组短路、三次F N绕组开路时测得的阻抗；Z31为变压器在三次F N绕组上加电压，一次绕组短路、二次T N绕组开路时测得的阻抗；Z23-1为变压器在二次绕组和三次绕组串联回路两端加电压，一次绕组短路时测得的阻抗。

2 AT和TRNF合用牵引变压器的特点

2.1 容量配置

V X接线牵引变压器由2台单相变压器组合而成，定义原边绕组容量为S1，连接接触网的次边为T绕组，容量为S2；连接正馈线的次边为F绕组，容量为S3；供电范围内的牵引负荷容量为Sf。3个绕组中传输的牵引负荷容量分别为S1f、S2f和S3f。

当不考虑变压器和牵引网损耗对传输容量的影响时，由A T供电方式等效电路特性可得：S1f=Sf；S1f=S2f+S3f；S2f=[0.5Sf，Sf]；S2f=[0，0.5Sf]。

由以上4式可得，理论上最为经济的绕组容量配置约束条件为：S1=S2+S3。

次边绕组容量平均配置的比例为S1∶S2∶S3=1 0 0∶5 0∶5 0；次边绕组容量最大配置比例为S1∶S2∶S3=1 0 0∶1 0 0∶5 0。显然，满足次边绕组最大容量配置比例的牵引变压器既能向A T牵引网供电，又能向T R N F牵引网供电，且不限制负载所处位置。

当然，具体的牵引变压器容量配置应根据工程实际情况进行，以免造成容量配置不足或容量浪费的问题。合蚌高铁各牵引变电所使用的V X接线牵引变压器（合用）额定容量见表1；设计计算确定的牵引变压器容量见表2。由表可见，所选牵引变压器容量满足近期和远期的运营需求。

表1 合蚌高铁牵引变压器额定容量k V A项目 刘府南变电所 水家湖变电所 合肥北城变电所单相变压器 单相变压器 单相变压器 单相变压器 单相变压器 单相变压器高压绕组额定容量 3 5 0 0 0 4 0 0 0 0 4 0 0 0 0 4 0 0 0 0 4 0 0 0 0 4 0 0 0 0 T中压绕组的容量 2 5 0 0 0 3 5 0 0 0 3 5 0 0 0 3 5 0 0 0 4 0 0 0 0 4 0 0 0 0 F中压绕组的容量 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0表2 合蚌高铁牵引变压器设计计算容量MV A项目 刘府南变电所 水家湖变电所 合肥北城变电所变压器类型 V X接线计算容量 1 8.9+1 8.1 2 0.8+2 5.7 2 6.2+2 4.1近期 校核容量 2 1.6+2 2.1 2 6.7+2 7.2 2 8.8+2 6.3安装容量 2×（2 5+2 5） 2×（3 1.5+3 1.5） 2×（3 1.5+3 1.5）计算容量 1 5.2+1 7.9 2 3.1+3 0.0 3 1.5+3 1.1远期 校核容量 2 2.1+2 5.3 3 0.4+3 4.7 3 5.9+3 6.7安装容量 2×（2 5+3 1.5） 2×（3 1.5+4 0） 2×（4 0+4 0）注：表中各变压器容量已包含淮南线、水蚌线（普速铁路）容量。

2.2 合用变压器T绕组特性

（1）容量特性。在此讨论的V X接线牵引变压器除需向合蚌高铁A T牵引网供电外，还需兼顾并行的普速铁路T R NF牵引网供电。由图2（b）可知其工作原理为：向A T牵引网供电时，T 1-F 1和T 2-F 2绕组（5 5 k V）分别接至上下行T、F母线并经馈线向接触网供电；向T R NF牵引网供电时，T 1-N和T 2-N绕组（2 7.5 k V）分别接至上下行T母线和钢轨，由T母线引出馈线向接触网供电。

由上述分析可得，当合蚌高铁和普速铁路均有负荷时（即两线都有车时），T绕组较单线有负荷时的容量显著增大。

（2）受流冲击特性。牵引变压器负荷本身具有冲击性和不确定性，并且负载短路故障频发，短路电流大（一般为额定电流的6~1 0倍）。当牵引变压器工作在合用模式下时，它可能是单独向高速铁路或普速铁路供电，也可能是同时向二者供电，随机性较大。这就导致T绕组在正常工况下的电流及故障情况下所受的冲击电流时大时小，情况更为复杂。

通过以上对合用变压器T绕组特性的分析可知，为保证变压器正常运行时的容量满足负荷需求，故障情况下本体所受的短路电流和电动力不致过大，T绕组的阻抗应较非合用变压器有所提高。因此，应从机械和电气的角度采取相关措施，适当提高T绕组的阻抗。

3 结论

牵引负荷的移动特性决定了牵引负荷比必然对电力系统产生负序影响。无论普速铁路还是高速铁路，牵引变压器接线形式都应根据线路条件和运输组织方式，并结合牵引负荷具体特点及地方电网的发展趋势统筹考虑，合理选择。

V X接线牵引变压器具有供电能力强、总投资成本低、占地面积小等优点，应用前景广阔。与S c o t t接线牵引变压器相比，V X接线牵引变压器可节省牵引变电所出口A T；与“+”字交叉接线牵引变压器相比，V X接线形式的变压器容量利用率更高，供电臂电压水平更好；与纯单相接线牵引变压器相比，V X接线形式可使对电力系统的负序影响减少一半。

合蚌高铁牵引变电所采用由2台单相V V接线变压器在外部组成的三相V X接线牵引变压器。为满足并行的普速电气化铁路供电，该变压器设计为A T、T R NF合用模式。工程实践表明，该牵引变压器能满足牵引供电需求，并节省了投资，对地方电能的使用也更加合理。

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