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：隨著我國科技的迅猛發(fā)展，電氣化鐵道自身也迎來了新的發(fā)展機遇，尤其是電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的創(chuàng)新發(fā)展，對我國鐵路運輸行業(yè)的影響尤為明顯。對110 kV牽引變電所提供的方案進行了研究，運用2臺同型號容量為2×20 000 kVA變壓器，運用三相二繞組的連接方式，只需其中一臺工作，另一臺變壓器用于備用。

關(guān)鍵詞：交通運輸；變壓器；鐵路運輸；供電系統(tǒng)

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.107

作為現(xiàn)代化社會中一種常見交通運輸工具，電氣化鐵道巧妙地將電能轉(zhuǎn)化為牽引力，從而實現(xiàn)“清潔運輸”，但就電氣化鐵路自身牽引供電系統(tǒng)而言，是無法形成能量流轉(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，還能對輸送的電能實現(xiàn)變壓，確保電能順利轉(zhuǎn)化，在整個電力系統(tǒng)缺少電能時進行電能補償。

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車和牽引供電系統(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)國家整體的經(jīng)濟實力和發(fā)展情況來決定。而在我國普遍應用的是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，世界各地都對電力牽引技術(shù)有了詳細的了解，其主要特點為大功率、機車速度快、載重能力強等。目前，我國電力牽引系統(tǒng)中運用的是25 kV的單相工頻交流電，利用電力系統(tǒng)中電廠為電源，通過牽引變電所從電力系統(tǒng)受電，再經(jīng)過一系列變頻交流過程，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荷起到牽引作用，從而借助整個系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化成動能提供給電車。這其中電力變壓器作為最重要的組成部分，主要任務就是對三相交變電流進行轉(zhuǎn)化，將電能傳遞到電力機車系統(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

該變壓器應用最為廣泛的主要有2類，即純單向變壓器和V/V接線變壓器。純單向變壓器是通過在高壓變電側(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)勢就是能夠?qū)崿F(xiàn)材料的100%利用，這也是因為它通過繞組與側(cè)電源和側(cè)電力機車直接連接作用的結(jié)果。而V/V接線變壓器利用2臺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程中會出現(xiàn)2個單獨的單相，當其中一臺變壓器出現(xiàn)問題不能正常運行時，另一臺變壓器就會經(jīng)過一系列作用完成跨相供電。由此可見，V/V接線變壓器能對共同的供電區(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100%.

2.2 三相接線變壓器的連接方式

在一個牽引變電所之內(nèi)，一般會存在兩三臺三相接線變壓器，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個角分別進行連接，另一側(cè)接在行車軌道上。三角形2個角的軌道電壓是不相同的，所以，要進行電分相設(shè)置。對于三相變壓器而言，根據(jù)地區(qū)負荷來選擇變壓器時，牽引變壓器中2個繞組就能完全應付負荷。目前，在我國這種連接方式非常普遍，其優(yōu)點就在于造價低、占地面積小、在三相電力系統(tǒng)中不會引起電流不對稱。但它也存在明顯的缺點——在三相變壓器中不能利用沒有連接鋼軌的一相容量。

2.3 三相接線變壓器變壓比的計算

三相變壓器變比是根據(jù)三相變壓器原、副繞組產(chǎn)生的感應電動勢之比，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，簡稱變比，當KU>1時，變壓器降低電源電壓，稱為降壓變壓器；當KU<1時，變壓器升高電源電壓，稱為升壓變壓器。

三相變壓器的變流公式為：

I1/I2=U2/U1=1/KU=KI. （2）

舉一個實際例子進行說明：已知1臺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。

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

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題。

2.4.1 斯考特連接

斯考特連接的作用就是用來改善由牽引負荷帶來的電力系統(tǒng)不對稱。在牽引變電所中，一般有2臺單相變壓器來完成思考特連接。進行連接時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)中負荷對稱。然而，這種接線方式對變壓器具有特殊匝數(shù)要求，一旦發(fā)生故障，修復起來非常復雜，所以，在有負荷的地區(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，也是三相—二相中一種常見形式，它的缺點是連接復雜，除了需要連接變壓器以外，還需要1臺自耦變壓器進行輔助，這對系統(tǒng)的檢修增加了困難，也提高了造價。

3 V/V形接線變壓器的應用

在我國牽引變壓器的發(fā)展過程中，V/V型接線變壓器一直得到廣泛應用，在220 kV的電力系統(tǒng)中，電氣化鐵道中此類型的接線變壓器應用污染較小，目前，環(huán)境問題已經(jīng)引發(fā)全人類的關(guān)注，各個國家倡導人與自然和諧相處，保護環(huán)境。另外，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，通過社會和用戶的需求分析，在可靠性較高的情況下供電費用也比較高，這是一般變壓器存在的共同缺陷。但對于V/V型接線變壓器而言，可以有效避免這種情況的發(fā)生，它能通過對變壓器容量的合理運用節(jié)省一大筆費用。通常變壓器的材料利用率最高只能達到96%，V/V型接線變壓器可以使材料利用達到100%.在現(xiàn)實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，無論是在供電費用方面，還是在材料利用率方面，V/V形接線變壓器用簡單的施工換來了材料的最大利用率，因此，在未來該變壓器會得到越來越廣泛的應用。

對于鐵路運輸發(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)運行越來越穩(wěn)定，在節(jié)約能源基礎(chǔ)上增強鐵道運輸動力，同時，還可以對電力系統(tǒng)進行有效補償，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。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕