電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的分析

張景景+劉雨欣

摘 要：隨著我國(guó)科技的迅猛發(fā)展，電氣化鐵道自身也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，尤其是電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)我國(guó)鐵路運(yùn)輸行業(yè)的影響尤為明顯。對(duì)110 kV牽引變電所提供的方案進(jìn)行了研究，運(yùn)用2臺(tái)同型號(hào)容量為2×20 000 kVA變壓器，運(yùn)用三相二繞組的連接方式，只需其中一臺(tái)工作，另一臺(tái)變壓器用于備用。

關(guān)鍵詞：交通運(yùn)輸；變壓器；鐵路運(yùn)輸；供電系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.107

作為現(xiàn)代化社會(huì)中一種常見(jiàn)交通運(yùn)輸工具，電氣化鐵道巧妙地將電能轉(zhuǎn)化為牽引力，從而實(shí)現(xiàn)“清潔運(yùn)輸”，但就電氣化鐵路自身牽引供電系統(tǒng)而言，是無(wú)法形成能量流轉(zhuǎn)的，只起到傳輸作用。在這種情況下，便突出了系統(tǒng)中變壓器的作用。在電力牽引供電系統(tǒng)中，牽引變壓器不但能夠提供充足的電能，還能對(duì)輸送的電能實(shí)現(xiàn)變壓，確保電能順利轉(zhuǎn)化，在整個(gè)電力系統(tǒng)缺少電能時(shí)進(jìn)行電能補(bǔ)償。

1 電器化鐵道的發(fā)展和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 電氣化鐵道內(nèi)部原理

電氣化鐵道本身是由電力機(jī)車(chē)和牽引供電系統(tǒng)組成的。目前，電氣化鐵道一般分為4種表現(xiàn)體制，即直流體制、三相甲流體制、單工頻交流體制和單低頻交流體制。應(yīng)用區(qū)域、行業(yè)不同，其表現(xiàn)的體制也存在不同，這要根據(jù)國(guó)家整體的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)展情況來(lái)決定。而在我國(guó)普遍應(yīng)用的是25 kV的工頻單相交流體制。隨著科技創(chuàng)新，電力能源將會(huì)逐漸取代其他燃料能源，使電氣化鐵道的發(fā)展前景更加光明。

1.2 電力牽引

截至目前為止，世界各地都對(duì)電力牽引技術(shù)有了詳細(xì)的了解，其主要特點(diǎn)為大功率、機(jī)車(chē)速度快、載重能力強(qiáng)等。目前，我國(guó)電力牽引系統(tǒng)中運(yùn)用的是25 kV的單相工頻交流電，利用電力系統(tǒng)中電廠為電源，通過(guò)牽引變電所從電力系統(tǒng)受電，再經(jīng)過(guò)一系列變頻交流過(guò)程，為電氣化鐵道供電。

1.3 牽引供電系統(tǒng)的原理

牽引供電系統(tǒng)主要包括交流高壓輸電線、直接牽引的變電所、軌道、回流線等8部分，具有多種的工作模式和工作原理。在電氣化鐵道中，一般都是將三相交流電作為第一供電系統(tǒng)，而第一供電系統(tǒng)的作用就是發(fā)電、轉(zhuǎn)變電壓和輸送電能。另外，牽引供電系統(tǒng)其他組成部分就是為電氣化鐵道的大量負(fù)荷起到牽引作用，從而借助整個(gè)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能提供給電車(chē)。這其中電力變壓器作為最重要的組成部分，主要任務(wù)就是對(duì)三相交變電流進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將電能傳遞到電力機(jī)車(chē)系統(tǒng)。

2 牽引供電系統(tǒng)中電力變壓器的連接

2.1 單向接線變壓器

該變壓器應(yīng)用最為廣泛的主要有2類(lèi)，即純單向變壓器和V/V接線變壓器。純單向變壓器是通過(guò)在高壓變電側(cè)與三相電源中任意2種交流電相接，牽引母線起到銜接作用，并與低壓側(cè)繞組首端進(jìn)行連接，保證電壓的穩(wěn)定輸出。為了給供電臂供電，還要將牽引母線的一段連接好，純單向變壓器的最大優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)崿F(xiàn)材料的100%利用，這也是因?yàn)樗ㄟ^(guò)繞組與側(cè)電源和側(cè)電力機(jī)車(chē)直接連接作用的結(jié)果。而V/V接線變壓器利用2臺(tái)單相接線牽引變壓器相互作用，形成V/V形狀。這種變壓器在接線過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)2個(gè)單獨(dú)的單相，當(dāng)其中一臺(tái)變壓器出現(xiàn)問(wèn)題不能正常運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)變壓器就會(huì)經(jīng)過(guò)一系列作用完成跨相供電。由此可見(jiàn)，V/V接線變壓器能對(duì)共同的供電區(qū)具有牽引作用，也能使變壓器內(nèi)的容量利用率提高，最高可達(dá)100%.

2.2 三相接線變壓器的連接方式

在一個(gè)牽引變電所之內(nèi)，一般會(huì)存在兩三臺(tái)三相接線變壓器，組成的變壓器組有3組，一次繞組連接在110 kV高壓側(cè)產(chǎn)生的形狀為星形，與牽引網(wǎng)連接的二次側(cè)繞的形狀為三角形。而供電臂就是與三角形的2個(gè)角分別進(jìn)行連接，另一側(cè)接在行車(chē)軌道上。三角形2個(gè)角的軌道電壓是不相同的，所以，要進(jìn)行電分相設(shè)置。對(duì)于三相變壓器而言，根據(jù)地區(qū)負(fù)荷來(lái)選擇變壓器時(shí)，牽引變壓器中2個(gè)繞組就能完全應(yīng)付負(fù)荷。目前，在我國(guó)這種連接方式非常普遍，其優(yōu)點(diǎn)就在于造價(jià)低、占地面積小、在三相電力系統(tǒng)中不會(huì)引起電流不對(duì)稱(chēng)。但它也存在明顯的缺點(diǎn)——在三相變壓器中不能利用沒(méi)有連接鋼軌的一相容量。

2.3 三相接線變壓器變壓比的計(jì)算

三相變壓器變比是根據(jù)三相變壓器原、副繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比，近似等于原、副繞組上的電壓之比，也等于原、副繞組的匝數(shù)N1，N2之比，即：

U1/U2≈E1/E2= N1/N2=KU. （1）

式（1）中：KU為變壓器的變壓比，簡(jiǎn)稱(chēng)變比，當(dāng)KU>1時(shí)，變壓器降低電源電壓，稱(chēng)為降壓變壓器；當(dāng)KU<1時(shí)，變壓器升高電源電壓，稱(chēng)為升壓變壓器。

三相變壓器的變流公式為：

I1/I2=U2/U1=1/KU=KI. （2）

舉一個(gè)實(shí)際例子進(jìn)行說(shuō)明：已知1臺(tái)三相變壓器的額定容量SN=100 kVA、U1N =10 kV、U2N=380 V、cosΦ=0.8、N2=200，求PN、I1N、I2N、N1.

解：PN= SVcosΦ=100×0.8=80 kW，I1N =SN/（U1N）=100/（3×10）=5.77 A，I2N=SN/（3U2N）=100 000/（3×380）=

151.8 A，或I2N=（U1N/U2N）I1N=（10 000/380）×5.77=151.8A，N1=（U1N/U2N）N2=（10 000/380）×200=5 263匝。

從計(jì)算過(guò)程當(dāng)中可以看出，三相接線變壓器能讓電壓比計(jì)算更加清晰，有助于對(duì)供電系統(tǒng)中電力變壓器進(jìn)行深入研究。

2.4 三相—二相變壓器

這種變壓器存在2種連接方式，一種是斯考特連接方式，另一種叫伍德橋連接方式。其中，電路的等值性應(yīng)用廣泛，圖1是其等值性電路圖。

以往的電壓平衡方程式為：

U1=-E1+I1Z1. （3）

折算到原邊的副邊電壓平衡式為：

U12=E12-I12Z12. （4）

電流平衡方程式：

I0=I1+I12. （5）

以上方程式解決了大多數(shù)三相—二相變壓器中的等值問(wèn)題。

2.4.1 斯考特連接

斯考特連接的作用就是用來(lái)改善由牽引負(fù)荷帶來(lái)的電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)。在牽引變電所中，一般有2臺(tái)單相變壓器來(lái)完成思考特連接。進(jìn)行連接時(shí)首先要保證變壓器側(cè)邊繞組匝數(shù)不能相同，還要保證次邊的繞組匝數(shù)相同，利用匝數(shù)比，令其在次邊的電壓讀數(shù)一致。

與V形連接相比，這種接線方式?jīng)]有太大區(qū)別，但左右兩邊的電壓相位差在接觸網(wǎng)中相差90°。這種接線方式很容易使三相電力系統(tǒng)中負(fù)荷對(duì)稱(chēng)。然而，這種接線方式對(duì)變壓器具有特殊匝數(shù)要求，一旦發(fā)生故障，修復(fù)起來(lái)非常復(fù)雜，所以，在有負(fù)荷的地區(qū)中，一般不采用這種接線方式。

2.4.2 伍德橋連接

這種接線方式所起到的效果與斯考特接線相似，同時(shí)，也是三相—二相中一種常見(jiàn)形式，它的缺點(diǎn)是連接復(fù)雜，除了需要連接變壓器以外，還需要1臺(tái)自耦變壓器進(jìn)行輔助，這對(duì)系統(tǒng)的檢修增加了困難，也提高了造價(jià)。

3 V/V形接線變壓器的應(yīng)用

在我國(guó)牽引變壓器的發(fā)展過(guò)程中，V/V型接線變壓器一直得到廣泛應(yīng)用，在220 kV的電力系統(tǒng)中，電氣化鐵道中此類(lèi)型的接線變壓器應(yīng)用污染較小，目前，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)引發(fā)全人類(lèi)的關(guān)注，各個(gè)國(guó)家倡導(dǎo)人與自然和諧相處，保護(hù)環(huán)境。另外，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，通過(guò)社會(huì)和用戶的需求分析，在可靠性較高的情況下供電費(fèi)用也比較高，這是一般變壓器存在的共同缺陷。但對(duì)于V/V型接線變壓器而言，可以有效避免這種情況的發(fā)生，它能通過(guò)對(duì)變壓器容量的合理運(yùn)用節(jié)省一大筆費(fèi)用。通常變壓器的材料利用率最高只能達(dá)到96%，V/V型接線變壓器可以使材料利用達(dá)到100%.在現(xiàn)實(shí)中電氣化鐵道供電系統(tǒng)中，需要龐大的變電站數(shù)量，更需要更多的變壓器，無(wú)論是在供電費(fèi)用方面，還是在材料利用率方面，V/V形接線變壓器用簡(jiǎn)單的施工換來(lái)了材料的最大利用率，因此，在未來(lái)該變壓器會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于鐵路運(yùn)輸發(fā)展而言，電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的研究十分重要，它的發(fā)展可以讓電力系統(tǒng)運(yùn)行越來(lái)越穩(wěn)定，在節(jié)約能源基礎(chǔ)上增強(qiáng)鐵道運(yùn)輸動(dòng)力，同時(shí)，還可以對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行有效補(bǔ)償，體現(xiàn)了電氣化鐵道供電系統(tǒng)中牽引電力變壓器發(fā)展的重要意義。

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〔編輯：張思楠〕