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(diào)度指揮中心，助理工程師，本科，研究方向：工程技術(shù)系列電力專業(yè)。

[ 摘要 ]

牽引電力變壓器是電氣化鐵道供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其主要功能包括變壓、供電、降低負(fù)序電流、降低電網(wǎng)中的高次諧波以及對電網(wǎng)進(jìn)行無功補償?shù)?。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(jìn)行確定，以110 kV牽引變電站為例進(jìn)行了研究，在牽引變電站內(nèi)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(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)三相變壓器具有優(yōu)勢明顯、符合設(shè)計需求、投資較省、性價比高等特點。

[ 關(guān)鍵詞 ]

電氣化鐵道;供電;牽引;變壓器

中圖分類號：G31

文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)和運營是現(xiàn)代鐵路的主要形式，它采用了多種先進(jìn)的技術(shù)，將先進(jìn)技術(shù)和鐵路的結(jié)構(gòu)有機地結(jié)合在一起，使整個電氣化鐵路的運行更加平穩(wěn)，對提高鐵路的安全性起到了很大的作用。而優(yōu)化電氣化鐵路結(jié)構(gòu)的運行品質(zhì)，必須使其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)技術(shù)和設(shè)備都得到很好的運用，以保證其優(yōu)勢的發(fā)揮。電氣化鐵路由電力機車、牽引供電系統(tǒng)構(gòu)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(shè)方式要視建設(shè)區(qū)域的需求和經(jīng)濟(jì)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(tǒng)。目前，隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷提高，電氣化鐵路技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟，牽引系統(tǒng)的電能效率得到了明顯的提高。

19世紀(jì)80年代，隨著發(fā)電機、直流電動機的問世，世界各國都已將電力牽引應(yīng)用于城市交通，其中以低壓直流電氣化鐵路居多。20世紀(jì)后期，許多工業(yè)發(fā)達(dá)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(guī)模的鐵路建設(shè)，并開始了電氣化鐵路的建設(shè)。20世紀(jì)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(fā)展。

新中國建立初期，為了加快發(fā)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(jìn)的單相工頻交流電力系統(tǒng)。這條電氣化鐵路的順利竣工標(biāo)志著我國鐵路向電氣化邁進(jìn)了一大步。

2 電氣化鐵道供電牽引系統(tǒng)的特性及運行

電氣化鐵道牽引系統(tǒng)是指在電氣化鐵路上實現(xiàn)電力和牽引力的高效轉(zhuǎn)化，以保證電氣化鐵路的穩(wěn)定運行?，F(xiàn)在的電力牽引技術(shù)更加先進(jìn)，電力系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)所確立的制度形態(tài)，應(yīng)合理選取電力牽引技術(shù)，確保技術(shù)與制度的相容性。通過采用電力牽引技術(shù)，可以實現(xiàn)電能的輸送，保證鐵路的正常運營。

2.2 牽引供電系統(tǒng)的運行

牽引供電系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到電氣化鐵路的運營水平，從而提高電力系統(tǒng)的運行質(zhì)量和性能。在對電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時，必須首先弄清其工作原理，以確保優(yōu)化方案的正確性。電力系統(tǒng)的主要構(gòu)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(tǒng)的運行過程中，可以根據(jù)電氣化鐵道的實際情況，進(jìn)行靈活的切換，使電氣化鐵路的運行狀況始終處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。牽引電源的作用是產(chǎn)生和電壓的轉(zhuǎn)換，其工作穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的高水平運轉(zhuǎn)。

3 牽引變壓器的相關(guān)研究現(xiàn)狀

變壓器設(shè)備的工作，既可以穩(wěn)定地控制電力傳輸?shù)男Ч?，又可以適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換電力能源的傳輸和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換和傳輸過程中產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定。電力系統(tǒng)的建設(shè)離不開技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的支撐，而我國的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入了一個成熟和先進(jìn)的階段，所以電氣化鐵路的建設(shè)水平得到了極大的提高，運行的質(zhì)量也得到了極大的提高，電氣化鐵路的應(yīng)用范圍也得到了進(jìn)一步的擴(kuò)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(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以保證電力牽引變壓器的運行效率，保證電力牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定和節(jié)能。

在單相AC牽引變電站中，既要減少電壓，又要將三相AC轉(zhuǎn)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(wǎng)中，由于變壓器的接線方式不同，產(chǎn)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(tǒng)中各相負(fù)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(fù)載相同，這是不現(xiàn)實的。由于各區(qū)間內(nèi)的電力機車數(shù)量不同，所需的電能也不盡相同。因此，三相負(fù)載的非對稱性是不可避免的。此外，不同的配線方式，設(shè)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(qū)域的負(fù)載也會有一定的適應(yīng)性。所以，在不同的情況下，變壓器的接線形式也會產(chǎn)生不同的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

4 電氣化鐵道供電牽引電力變壓器研究

本設(shè)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(cè)相連，一般采用星型連接。二次繞線一般是用來連接拖網(wǎng)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(qū)域負(fù)載或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇姷那闆r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(nèi)使用的是這樣的線路。其優(yōu)勢在于變壓器成本較低，占地面積較少。三相電網(wǎng)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(shè)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(tǒng)負(fù)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(wǎng)的負(fù)載相對均衡。該配線方法簡便，能根據(jù)所需的電源進(jìn)行輸入和切斷，從而能很好地利用變壓器，并確保無負(fù)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(shè)備，這就使得電網(wǎng)的電壓損耗要大于雙向供電。而在牽引變電站三相系統(tǒng)中，由于單相接線的存在，存在著較大的非對稱性;V型導(dǎo)線。在牽引變電站內(nèi)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(yōu)勢在于充分發(fā)揮牽引變壓器的容量，保證了電力供應(yīng)的可靠性。其不利之處在于一次側(cè)電網(wǎng)所引起的負(fù)載不均勻度及效應(yīng)依然較大，區(qū)域負(fù)荷需設(shè)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(fù)載對電網(wǎng)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(cè)邊線圈的匝數(shù)不同，而副邊線圈的匝數(shù)是一樣的，所以變壓器的側(cè)面匝數(shù)是原來的2/2。這種匝數(shù)比可以使得兩個變壓器的次級側(cè)的電壓值相等。從牽引端觀察，與V型導(dǎo)線的連接形式類似。而在接觸網(wǎng)的左、右部分的電壓相位有90度的偏差。該線路的最大優(yōu)勢是三相電網(wǎng)負(fù)載更易于實現(xiàn)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(xiàn)故障，將其放入備用變壓器中，則會造成很大的難度。在有區(qū)域負(fù)載的情況下，應(yīng)設(shè)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(cè)的兩個繞組負(fù)載電流I相同時，二次側(cè)的相位差為90度，初級側(cè)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(nèi)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(hù)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(yōu)劣進(jìn)行分析，要從供電可靠性、變壓器容量利用程度、供電三相、區(qū)域三相負(fù)荷、系統(tǒng)負(fù)序、牽引網(wǎng)供電、牽引變壓器壓損、變電站簡化程度、投資和應(yīng)用情況等幾個方面進(jìn)行分析。它最大優(yōu)勢是：純單相變壓器的容量利用率達(dá)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(qū)域三相供電，同時也會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的負(fù)序效應(yīng)，當(dāng)兩臂負(fù)載相等時，其非對稱系數(shù)為1，并且無法雙向供電，這也是其應(yīng)用的限制。V型配線的單相變壓器的容量利用率達(dá)100 %，可提供區(qū)域內(nèi)三相負(fù)載，配線簡便，可雙向供電，與三相變壓器相比，其負(fù)序效應(yīng)與三相變壓器基本一致，亦即不對稱系數(shù)為0.5，初期投資小。但如果一臺變壓器發(fā)生故障，變成單相，則無法持續(xù)提供區(qū)域三相負(fù)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(fù)載相等、COS相同的情況下，不會產(chǎn)生負(fù)序電流，也就是電流非對稱性。三相功率系統(tǒng)最突出的特征是，即使兩臂負(fù)載不完全相等，也能明顯降低三相電網(wǎng)的非對稱性。然而，斯考特接線方法生產(chǎn)難度大，配線難度大，維護(hù)成本高，所以多用于AT供電的電氣化區(qū)間。

三相變壓器采用YN的三相變壓器，其優(yōu)勢在于：在變壓器副邊，即在牽引電網(wǎng)一側(cè)，仍能維持三相，為變電站的三相自用和區(qū)域三相供電，故最適合在有供電區(qū)域負(fù)載的地方使用。三相牽引變電站可以實現(xiàn)對牽引電網(wǎng)的兩側(cè)供電，而且單相負(fù)載造成的負(fù)序電流對電網(wǎng)的影響要小于單相牽引變電站，雙臂負(fù)載相等時，不對稱系數(shù)達(dá)到0.5，也就是負(fù)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(nèi)設(shè)備和接線要比單相變電站復(fù)雜，維護(hù)工作量大，且投入較大。

綜合分析了不同類型的變壓器的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)三相變壓器具有優(yōu)勢明顯、符合設(shè)計需求、投資較省、性價比高等特點。

5 結(jié)束語

本文對電氣化鐵道的基本特點進(jìn)行了說明;對電氣化鐵道供電牽引系統(tǒng)的特性及運行進(jìn)行了闡述。結(jié)合牽引變壓器的相關(guān)研究現(xiàn)狀，本文對電氣化鐵道供電牽引電力變壓器研究進(jìn)行了詳細(xì)的分析。本文主要以110 kV牽引變電站的供電方案為基礎(chǔ)展開討論，對牽引變壓器類型和接線形式進(jìn)行了分析。研究結(jié)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(yù)見，采用自耦變壓器供電的工頻單相交流系統(tǒng)，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(wǎng)頻率兼容、能適應(yīng)高速、大功率電力列車等優(yōu)點，是未來很長一段時期內(nèi)必須要做的工作。

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