电气化铁道供电牵引电力变压器的分析

摘 要：随着我国科技的迅猛发展，电气化铁道自身也迎来了新的发展机遇，尤其是电气化铁道供电牵引电力变压器的创新发展，对我国铁路运输行业的影响尤为明显。对110 kV牵引变电所提供的方案进行了研究，运用2台同型号容量为2×20 000 kVA变压器，运用三相二绕组的连接方式，只需其中一台工作，另一台变压器用于备用。

关键词：交通运输；变压器；铁路运输；供电系统

中图分类号：TM76 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.107

作为现代化社会中一种常见交通运输工具，电气化铁道巧妙地将电能转化为牵引力，从而实现“清洁运输”，但就电气化铁路自身牵引供电系统而言，是无法形成能量流转的，只起到传输作用。在这种情况下，便突出了系统中变压器的作用。在电力牵引供电系统中，牵引变压器不但能够提供充足的电能，还能对输送的电能实现变压，确保电能顺利转化，在整个电力系统缺少电能时进行电能补偿。

1 电器化铁道的发展和内部结构

1.1 电气化铁道内部原理

电气化铁道本身是由电力机车和牵引供电系统组成的。目前，电气化铁道一般分为4种表现体制，即直流体制、三相甲流体制、单工频交流体制和单低频交流体制。应用区域、行业不同，其表现的体制也存在不同，这要根据国家整体的经济实力和发展情况来决定。而在我国普遍应用的是25 kV的工频单相交流体制。随着科技创新，电力能源将会逐渐取代其他燃料能源，使电气化铁道的发展前景更加光明。

1.2 电力牵引

截至目前为止，世界各地都对电力牵引技术有了详细的了解，其主要特点为大功率、机车速度快、载重能力强等。目前，我国电力牵引系统中运用的是25 kV的单相工频交流电，利用电力系统中电厂为电源，通过牵引变电所从电力系统受电，再经过一系列变频交流过程，为电气化铁道供电。

1.3 牵引供电系统的原理

牵引供电系统主要包括交流高压输电线、直接牵引的变电所、轨道、回流线等8部分，具有多种的工作模式和工作原理。在电气化铁道中，一般都是将三相交流电作为第一供电系统，而第一供电系统的作用就是发电、转变电压和输送电能。另外，牵引供电系统其他组成部分就是为电气化铁道的大量负荷起到牵引作用，从而借助整个系统将电能转化成动能提供给电车。这其中电力变压器作为最重要的组成部分，主要任务就是对三相交变电流进行转化，将电能传递到电力机车系统。

2 牵引供电系统中电力变压器的连接

2.1 单向接线变压器

该变压器应用最为广泛的主要有2类，即纯单向变压器和V/V接线变压器。纯单向变压器是通过在高压变电侧与三相电源中任意2种交流电相接，牵引母线起到衔接作用，并与低压侧绕组首端进行连接，保证电压的稳定输出。为了给供电臂供电，还要将牵引母线的一段连接好，纯单向变压器的最大优势就是能够实现材料的100%利用，这也是因为它通过绕组与侧电源和侧电力机车直接连接作用的结果。而V/V接线变压器利用2台单相接线牵引变压器相互作用，形成V/V形状。这种变压器在接线过程中会出现2个单独的单相，当其中一台变压器出现问题不能正常运行时，另一台变压器就会经过一系列作用完成跨相供电。由此可见，V/V接线变压器能对共同的供电区具有牵引作用，也能使变压器内的容量利用率提高，最高可达100%.

2.2 三相接线变压器的连接方式

在一个牵引变电所之内，一般会存在两三台三相接线变压器，组成的变压器组有3组，一次绕组连接在110 kV高压侧产生的形状为星形，与牵引网连接的二次侧绕的形状为三角形。而供电臂就是与三角形的2个角分别进行连接，另一侧接在行车轨道上。三角形2个角的轨道电压是不相同的，所以，要进行电分相设置。对于三相变压器而言，根据地区负荷来选择变压器时，牵引变压器中2个绕组就能完全应付负荷。目前，在我国这种连接方式非常普遍，其优点就在于造价低、占地面积小、在三相电力系统中不会引起电流不对称。但它也存在明显的缺点——在三相变压器中不能利用没有连接钢轨的一相容量。

2.3 三相接线变压器变压比的计算

三相变压器变比是根据三相变压器原、副绕組产生的感应电动势之比，近似等于原、副绕组上的电压之比，也等于原、副绕组的匝数N1，N2之比，即：

U1/U2≈E1/E2= N1/N2=KU. （1）

式（1）中：KU为变压器的变压比，简称变比，当KU>1时，变压器降低电源电压，称为降压变压器；当KU<1时，变压器升高电源电压，称为升压变压器。

三相变压器的变流公式为：

I1/I2=U2/U1=1/KU=KI. （2）

举一个实际例子进行说明：已知1台三相变压器的额定容量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。

从计算过程当中可以看出，三相接线变压器能让电压比计算更加清晰，有助于对供电系统中电力变压器进行深入研究。

2.4 三相—二相变压器

这种变压器存在2种连接方式，一种是斯考特连接方式，另一种叫伍德桥连接方式。其中，电路的等值性应用广泛，图1是其等值性电路图。

以往的电压平衡方程式为：

U1=-E1+I1Z1. （3）

折算到原边的副边电压平衡式为：

U12=E12-I12Z12. （4）

电流平衡方程式：

I0=I1+I12. （5）

以上方程式解决了大多数三相—二相变压器中的等值问题。

2.4.1 斯考特连接

斯考特连接的作用就是用来改善由牵引负荷带来的电力系统不对称。在牵引变電所中，一般有2台单相变压器来完成思考特连接。进行连接时首先要保证变压器侧边绕组匝数不能相同，还要保证次边的绕组匝数相同，利用匝数比，令其在次边的电压读数一致。

与V形连接相比，这种接线方式没有太大区别，但左右两边的电压相位差在接触网中相差90°。这种接线方式很容易使三相电力系统中负荷对称。然而，这种接线方式对变压器具有特殊匝数要求，一旦发生故障，修复起来非常复杂，所以，在有负荷的地区中，一般不采用这种接线方式。

2.4.2 伍德桥连接

这种接线方式所起到的效果与斯考特接线相似，同时，也是三相—二相中一种常见形式，它的缺点是连接复杂，除了需要连接变压器以外，还需要1台自耦变压器进行辅助，这对系统的检修增加了困难，也提高了造价。

3 V/V形接线变压器的应用

在我国牵引变压器的发展过程中，V/V型接线变压器一直得到广泛应用，在220 kV的电力系统中，电气化铁道中此类型的接线变压器应用污染较小，目前，环境问题已经引发全人类的关注，各个国家倡导人与自然和谐相处，保护环境。另外，根据相关规定，通过社会和用户的需求分析，在可靠性较高的情况下供电费用也比较高，这是一般变压器存在的共同缺陷。但对于V/V型接线变压器而言，可以有效避免这种情况的发生，它能通过对变压器容量的合理运用节省一大笔费用。通常变压器的材料利用率最高只能达到96%，V/V型接线变压器可以使材料利用达到100%.在现实中电气化铁道供电系统中，需要庞大的变电站数量，更需要更多的变压器，无论是在供电费用方面，还是在材料利用率方面，V/V形接线变压器用简单的施工换来了材料的最大利用率，因此，在未来该变压器会得到越来越广泛的应用。

对于铁路运输发展而言，电气化铁道供电牵引电力变压器的研究十分重要，它的发展可以让电力系统运行越来越稳定，在节约能源基础上增强铁道运输动力，同时，还可以对电力系统进行有效补偿，体现了电气化铁道供电系统中牵引电力变压器发展的重要意义。

参考文献

[1]王语园.电气化铁道AT供电方式牵引回流钢轨电位的分析研究[J].电子质量，2012（01）.

[2]李自良，陈薇，党平，等.电气化铁道自耦变压器供电方式的原理分析[J].电气化铁道，1998（03）.

〔编辑：张思楠〕

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