AT和TRNF合用牽引變壓器的有效性

■ 薛衛星 劉賡然

0 引言

目前，我國高速鐵路快速發展及既有線路不斷提速，對牽引供電系統的要求也不斷提高。A T供電相比其他供電方式具有更為優越的綜合性能，能滿足高速鐵路對牽引供電系統的要求。合蚌高鐵全線設計采用A T供電方式，變壓器采用三相V X接線方式。

牽引變壓器是連接牽引供電系統和電力系統的核心設備，主要完成電壓變換和功率傳輸的功能，其接線形式不僅影響變壓器容量和經濟性，而且決定了牽引負荷對電力系統的負序影響程度。

為同時滿足并行的普速電氣化鐵路供電（直供加回流方式T R NF），且從節約成本和合理利用地方電力系統資源的角度考慮，合蚌高鐵牽引變壓器設計采用2 2 0/2×2 7.5 k V、V X接線形式，兼顧高速與普速線路供電，即A T和T R N F供電方式合用牽引變壓器。

1 VX接線牽引變壓器

V X接線牽引變壓器是目前國內采用的適用于A T供電方式的新型牽引變壓器。在結構上，它是由2個同容量或不同容量單相變壓器放在一個油箱中，在內部（也可由2個單相牽引變壓器在外部）形成V X接線。V X接線牽引變壓器的一次側可直接接入三相電源，電源電壓可為2 2 0 k V或1 1 0 k V。二次側每個單相變壓器各有2個低壓繞組，共有4個低壓繞組，每個低壓繞組的電壓為2 7.5 k V，輸出電壓可為2 7.5 k V，也可為5 5 k V。二次側輸出電壓是2 7.5 k V時，為直接供電方式；二次側輸出電壓是5 5 k V時，為A T供電方式。由于它具有供電靈活的優點，而且結構相對簡單，相比S c o t t、W o o d-B r i d g e接線A T牽引變壓器更加易于設計和制造，因此得到了越來越廣泛的應用。V X接線牽引變壓器接線原理見圖1。

S c o t t接線和V X接線牽引變壓器構成的A T牽引供電系統結構分別見圖2（a）和圖2（b）。從圖中可明顯看出，V X接線牽引變壓器二次繞組引出了中性點接地，可兼做饋線A T，因此能取消牽引變電所出口處的A T，節省了投資。

為使列車運行于牽引變電所和第一個A T區間時，牽引電流主要沿正饋線而不是鋼軌和大地回流至牽引變電所，降低對鄰近通信線路的電磁干擾，V X接線牽引變壓器對短路阻抗匹配應滿足以下要求：

其中，Z21為變壓器在二次T N繞組上加電壓，一次繞組短路、三次F N繞組開路時測得的阻抗；Z31為變壓器在三次F N繞組上加電壓，一次繞組短路、二次T N繞組開路時測得的阻抗；Z23-1為變壓器在二次繞組和三次繞組串聯回路兩端加電壓，一次繞組短路時測得的阻抗。

2 AT和TRNF合用牽引變壓器的特點

2.1 容量配置

V X接線牽引變壓器由2臺單相變壓器組合而成，定義原邊繞組容量為S1，連接接觸網的次邊為T繞組，容量為S2；連接正饋線的次邊為F繞組，容量為S3；供電范圍內的牽引負荷容量為Sf。3個繞組中傳輸的牽引負荷容量分別為S1f、S2f和S3f。

當不考慮變壓器和牽引網損耗對傳輸容量的影響時，由A T供電方式等效電路特性可得：S1f=Sf；S1f=S2f+S3f；S2f=[0.5Sf，Sf]；S2f=[0，0.5Sf]。

由以上4式可得，理論上最為經濟的繞組容量配置約束條件為：S1=S2+S3。

次邊繞組容量平均配置的比例為S1∶S2∶S3=1 0 0∶5 0∶5 0；次邊繞組容量最大配置比例為S1∶S2∶S3=1 0 0∶1 0 0∶5 0。顯然，滿足次邊繞組最大容量配置比例的牽引變壓器既能向A T牽引網供電，又能向T R N F牽引網供電，且不限制負載所處位置。

當然，具體的牽引變壓器容量配置應根據工程實際情況進行，以免造成容量配置不足或容量浪費的問題。合蚌高鐵各牽引變電所使用的V X接線牽引變壓器（合用）額定容量見表1；設計計算確定的牽引變壓器容量見表2。由表可見，所選牽引變壓器容量滿足近期和遠期的運營需求。

表1 合蚌高鐵牽引變壓器額定容量k V A項目 劉府南變電所 水家湖變電所 合肥北城變電所單相變壓器 單相變壓器 單相變壓器 單相變壓器 單相變壓器 單相變壓器高壓繞組額定容量 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中壓繞組的容量 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中壓繞組的容量 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 合蚌高鐵牽引變壓器設計計算容量MV A項目 劉府南變電所 水家湖變電所 合肥北城變電所變壓器類型 V X接線計算容量 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安裝容量 2×（2 5+2 5） 2×（3 1.5+3 1.5） 2×（3 1.5+3 1.5）計算容量 1 5.2+1 7.9 2 3.1+3 0.0 3 1.5+3 1.1遠期 校核容量 2 2.1+2 5.3 3 0.4+3 4.7 3 5.9+3 6.7安裝容量 2×（2 5+3 1.5） 2×（3 1.5+4 0） 2×（4 0+4 0）注：表中各變壓器容量已包含淮南線、水蚌線（普速鐵路）容量。

2.2 合用變壓器T繞組特性

（1）容量特性。在此討論的V X接線牽引變壓器除需向合蚌高鐵A T牽引網供電外，還需兼顧并行的普速鐵路T R NF牽引網供電。由圖2（b）可知其工作原理為：向A T牽引網供電時，T 1-F 1和T 2-F 2繞組（5 5 k V）分別接至上下行T、F母線并經饋線向接觸網供電；向T R NF牽引網供電時，T 1-N和T 2-N繞組（2 7.5 k V）分別接至上下行T母線和鋼軌，由T母線引出饋線向接觸網供電。

由上述分析可得，當合蚌高鐵和普速鐵路均有負荷時（即兩線都有車時），T繞組較單線有負荷時的容量顯著增大。

（2）受流沖擊特性。牽引變壓器負荷本身具有沖擊性和不確定性，并且負載短路故障頻發，短路電流大（一般為額定電流的6~1 0倍）。當牽引變壓器工作在合用模式下時，它可能是單獨向高速鐵路或普速鐵路供電，也可能是同時向二者供電，隨機性較大。這就導致T繞組在正常工況下的電流及故障情況下所受的沖擊電流時大時小，情況更為復雜。

通過以上對合用變壓器T繞組特性的分析可知，為保證變壓器正常運行時的容量滿足負荷需求，故障情況下本體所受的短路電流和電動力不致過大，T繞組的阻抗應較非合用變壓器有所提高。因此，應從機械和電氣的角度采取相關措施，適當提高T繞組的阻抗。

3 結論

牽引負荷的移動特性決定了牽引負荷比必然對電力系統產生負序影響。無論普速鐵路還是高速鐵路，牽引變壓器接線形式都應根據線路條件和運輸組織方式，并結合牽引負荷具體特點及地方電網的發展趨勢統籌考慮，合理選擇。

V X接線牽引變壓器具有供電能力強、總投資成本低、占地面積小等優點，應用前景廣闊。與S c o t t接線牽引變壓器相比，V X接線牽引變壓器可節省牽引變電所出口A T；與“+”字交叉接線牽引變壓器相比，V X接線形式的變壓器容量利用率更高，供電臂電壓水平更好；與純單相接線牽引變壓器相比，V X接線形式可使對電力系統的負序影響減少一半。

合蚌高鐵牽引變電所采用由2臺單相V V接線變壓器在外部組成的三相V X接線牽引變壓器。為滿足并行的普速電氣化鐵路供電，該變壓器設計為A T、T R NF合用模式。工程實踐表明，該牽引變壓器能滿足牽引供電需求，并節省了投資，對地方電能的使用也更加合理。

[1] 張亞杰，龔永綱，李靜. 電氣化鐵路V X接線牽引變壓器的設計特點[J]. 變壓器，2 0 1 2，4 9(3)：1-4.

[2] 楊振龍. V/X接線牽引變壓器的研究和應用[J]. 電氣化鐵道，2 0 0 4(4)：1 2-1 5.

[3] 楚振宇. 牽引變壓器接線形式的比較[J]. 電氣化鐵道，2 0 0 5(專刊)：5 4-1 6 1.

[4] 李彥哲，胡彥奎，王果，等. 電氣化鐵道供電系統與設計[M]. 蘭州：蘭州大學出版社，2 0 0 6.

[5] 譚秀炳. 交流電氣化鐵道牽引供電系統[M].2版. 成都：西南交通大學出版社，2 0 0 7.

[6] 謝毓城. 電力變壓器手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2 0 0 3.