龍 禹,丁永輝

(1.南京供電公司，江蘇南京210008；2.江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇南京210024)

中國(guó)電氣化鐵路飛速發(fā)展，在拓展運(yùn)輸能力、帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和電網(wǎng)中其他用戶的用電，都產(chǎn)生了不良影響[1-6]。牽引變壓器的合理選擇，對(duì)降低電氣化鐵路對(duì)電能質(zhì)量的影響將起到巨大作用。文中對(duì)牽引變壓器進(jìn)行了比較研究，并結(jié)合江蘇電網(wǎng)實(shí)際情況對(duì)牽引負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的影響進(jìn)行了深入研究，推薦出適合江蘇電網(wǎng)的牽引變壓器型式。

1牽引變壓器

電氣化鐵路是指從外部電源和牽引供電系統(tǒng)獲得電能，通過(guò)電力機(jī)車(chē)牽引列車(chē)運(yùn)行的鐵路。電氣化鐵路的供電是在鐵路沿線建立若干個(gè)牽引變電所，一般由電力系統(tǒng)110 kV或220 kV雙電源供電，經(jīng)牽引變壓器降為27.5 kV或55 kV后通過(guò)牽引網(wǎng)（接觸網(wǎng)）向電力機(jī)車(chē)供電。

1.1牽引變壓器分類(lèi)

牽引變壓器是一種特殊電壓等級(jí)的電力變壓器，應(yīng)能滿足牽引負(fù)荷變化劇烈、外部短路頻繁的要求，是牽引變電所的“心臟”。一般來(lái)說(shuō)，牽引變壓器均有100%過(guò)載能力，我國(guó)牽引變壓器采用三相、三相-二相和單相3種類(lèi)型。

我國(guó)常用的牽引變壓器主要有單相接線變壓器、單相V，v接線變壓器、三相V，v接線變壓器、Y，d11接線變壓器、阻抗匹配平衡接線變壓器。國(guó)內(nèi)常用牽引變壓器技術(shù)性能對(duì)比如表1所示。

江蘇省內(nèi)現(xiàn)有的京滬電氣化和隴海電氣化鐵路均采用阻抗匹配平衡接線變壓器；而正在建設(shè)的京滬高鐵、滬寧城際、寧杭客專(zhuān)均采用單相V，v接線變壓器。

1.2基本供電原理

1.2.1單相V，v接線變壓器

表1牽引變壓器性能比較表

電路原理圖和相量關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 單相V，v變壓器接線原理

圖2單相V，v變壓器原副邊相量關(guān)系

牽引變電所裝設(shè)2臺(tái)單相接線牽引變壓器1T和2T，作V，v連接。1T和2T的原邊分別接入電力系統(tǒng)的BC相和AC相；副邊各有一端分別接到牽引側(cè)的兩相母線上，各有另一端與軌道及接地網(wǎng)連接。BC相向左邊供電臂的牽引網(wǎng)供電，AC相向右邊供電臂的牽引網(wǎng)供電，即通常所說(shuō)的60°接線。原、副邊電流關(guān)系如式（1）（忽略空載電流）。

應(yīng)用余弦定理，可得1T和2T副邊v接頂點(diǎn)出線電流相量和如式（2）。

式中：K為每臺(tái)單相牽引變壓器的變比；Φ為I˙bc與I˙ca的夾 角。

單相V，v接線牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)是：牽引變壓器容量利用率高；在正常運(yùn)行時(shí)，牽引側(cè)保持三相，因此可供應(yīng)牽引變電站自用電和地區(qū)三相負(fù)載；主接線較簡(jiǎn)單，設(shè)備較少，投資較省。其主要缺點(diǎn)是，當(dāng)一臺(tái)牽引變壓器故障時(shí)，另一臺(tái)必須跨相供電，其中有一個(gè)倒閘過(guò)程，同時(shí)地區(qū)三相電力供應(yīng)也將中斷。倒閘過(guò)程完成后，實(shí)質(zhì)上它成為單相接線牽引變電站，對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響也隨之增大。

1.2.2阻抗匹配平衡變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)平衡變壓器）

電路原理圖和相量關(guān)系如圖3和圖4所示。原邊情況與普通三相YN，d11接線變壓器的原邊情況完全相同，鐵芯也是三相芯式的。副邊繞組三角形接線在非接地相改設(shè)兩個(gè)外移繞組aα，bβ，內(nèi)縮三角形接線的一角c與軌道、接地網(wǎng)連接，α、β兩端分別接到牽引側(cè)兩相母線上，由兩相牽引母線分別向兩側(cè)對(duì)應(yīng)的供電臂牽引網(wǎng)供電。

圖4平衡變壓器原副邊相量關(guān)系

平衡變壓器副邊三相繞組電流 I˙a，I˙b，I˙c與副邊兩供電臂電流I˙α，I˙β關(guān)系如式（3）所示。

式中，λ為阻抗匹配系數(shù)，當(dāng)滿足原邊三相電流平衡，并且當(dāng)I˙β=jI˙α，原邊三相電流對(duì)稱(chēng)時(shí)，有以下關(guān)系式：

式（4）表明，無(wú)論負(fù)載電流I˙α，I˙β如何變化，原邊三相電流I˙a，I˙b，I˙c都保持平衡，無(wú)零序電流，原邊繞組的中性點(diǎn)可以接地。

平衡變壓器的優(yōu)點(diǎn)是原邊三相制的視在功率可完全轉(zhuǎn)化為副邊二相制的視在功率，變壓器容量可以全部利用。在兩臂牽引負(fù)荷相等的前提下，平衡牽引變壓器的原邊三相是對(duì)稱(chēng)的；其過(guò)載能力強(qiáng)，容量利用率較高，可改善牽引變電站發(fā)生三相不平衡的概率和減少對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響，但設(shè)計(jì)計(jì)算及制造工藝復(fù)雜，造價(jià)較高。

1.3供電能力分析

1.3.1 V，v接線變壓器

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)兩臂電流夾角為60°時(shí)，有：

顯然有Smax=SC，則V，v接線變壓器高壓側(cè)所需三相供電能力為：

其中Smax為功率最大相的視在功率，3Smax則反映了電力系統(tǒng)需滿足牽引負(fù)荷的三相供電能力。1.3.2阻抗匹配平衡變壓器

牽引變壓器高壓側(cè)各相功率為：

當(dāng) Sα＞Sβ時(shí)，有SA＞SB＞SC；當(dāng) Sα＜Sβ時(shí)，有 SC＞SB＞SA。 式中 SA和 SC相互對(duì)稱(chēng)，可設(shè) Sα＞Sβ，則阻抗匹配平衡接線變壓器高壓側(cè)所需三相供電能力為：

2牽引變性能比較

2.1抑制負(fù)序電流

比較式（4）、（5）和式（9）、（10），當(dāng)n=1，即兩臂負(fù)荷相等時(shí)，V，v接線變壓器的不對(duì)稱(chēng)系數(shù)為50%，阻抗匹配平衡接線牽引變壓器不對(duì)稱(chēng)系數(shù)為0；當(dāng)n=0，即一臂帶負(fù)荷，另一臂負(fù)荷為0時(shí)，兩種接線型式變壓器負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的不對(duì)稱(chēng)度相同，都為100%。總的來(lái)說(shuō)，阻抗匹配平衡接線變壓器負(fù)荷的負(fù)序影響小于V，v接線變壓器。

2.2供電能力

比較式（7）和式（10），當(dāng)n=1 ，即兩臂負(fù)荷相等時(shí)，V，v接線變壓器高壓側(cè)所需三相供電能力為低壓側(cè)兩臂負(fù)荷之和的1.5倍，阻抗匹配平衡接線牽引變壓器高壓側(cè)所需三相供電能力為低壓側(cè)兩臂負(fù)荷之和；當(dāng)n=0，即一臂帶負(fù)荷，另一臂負(fù)荷為0時(shí)，V，v接線變壓器高壓側(cè)所需三相供電能力為低壓側(cè)一臂負(fù)荷的1.732倍，阻抗匹配平衡接線牽引變壓器高壓側(cè)所需三相供電能力為低壓側(cè)一臂負(fù)荷的1.93倍?？梢?jiàn)兩臂負(fù)荷不平衡度越大，需要高壓側(cè)的三相供電能力也越高；采用V，v接線變壓器時(shí)，高壓側(cè)所需電力系統(tǒng)三相供電的能力小于采用平衡變壓器。

2.3建設(shè)周期與造價(jià)

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的平衡變壓器電壓等級(jí)都是110 kV，最大容量可做到80 MV·A。尚無(wú)廠家生產(chǎn)220 kV等級(jí)的平衡變壓器，但一些廠家已具備了生產(chǎn)能力。110 kV平衡變壓器和V，v接線變壓器從設(shè)計(jì)到制造出產(chǎn)品大約需要3個(gè)月，220 kV平衡變壓器制造時(shí)間略長(zhǎng)，大概需要4個(gè)月。由于平衡變壓器設(shè)計(jì)及制造工藝較V，v接線變壓器復(fù)雜，造價(jià)上略高于V，v接線變壓器，相同供電容量的平衡變壓器（如 40 MV·A）和（20+20）MV·A 的 V，v 接線變壓器在其他參數(shù)都相同的情況下，平衡變壓器比V，v接線變壓器價(jià)格要高出約15%。

3無(wú)功沖擊影響對(duì)比

由于電氣化鐵路鐵道條件多變，列車(chē)行進(jìn)過(guò)程中遇到的阻力不斷變化，列車(chē)需要頻繁地啟動(dòng)、加速、惰行、制動(dòng)，或者從一個(gè)供電區(qū)進(jìn)入或退出，都將造成牽引負(fù)荷劇烈波動(dòng)，并產(chǎn)生較大的沖擊電流，在公共連接（PCC）點(diǎn)將產(chǎn)生電壓波動(dòng)，又由于江蘇境內(nèi)鐵路班次多，間隔時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)閃變也不可忽視。

由式（7）和（10）知，在兩臂負(fù)荷相等的情況下，在機(jī)車(chē)啟動(dòng)瞬間，平衡變壓器高壓側(cè)最大一相的無(wú)功沖擊負(fù)荷比V，v接線變壓器小1.5倍，因此在PCC點(diǎn)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)也小于V，v接線變壓器。

以滬寧城際鐵路和寧啟電氣化鐵路為例。滬寧城際鐵路由220 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，客車(chē)采用交直交動(dòng)車(chē)組，單列機(jī)車(chē)8輛編組功率為8 800 kW，雙機(jī)重聯(lián)16輛編組為17 600 kW，在南京境內(nèi)設(shè)有寶華山牽引站；寧啟電氣化鐵路由110 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，客車(chē)擬采用交直交動(dòng)車(chē)組，單列機(jī)車(chē)8輛編組功率為4 800 kW，雙機(jī)重聯(lián)16輛編組功率為9 600 kW；貨車(chē)擬采用HXD3型機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)功率為7 200 kV，在南京境內(nèi)設(shè)有六合牽引站。

采用不同接線型式變壓器時(shí)，PCC點(diǎn)的電壓波動(dòng)如表2所示。

表2牽引變不同接線方式PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)

從表2可以看出，在相同接入電網(wǎng)條件下，平衡接線牽引變壓器在降低沖擊負(fù)荷引起PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)方面能力更強(qiáng)。

4綜合比較

4.1經(jīng)濟(jì)比較

牽引變電站采用不同接線型式主變壓器時(shí)的經(jīng)濟(jì)比較（僅以六合站為例）如表3所示。

從比較結(jié)果來(lái)看，平衡變壓器造價(jià)略高于V,v接線變壓器，但變電站所需無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量小于采用V,v接線變壓器，總投資低于采用V,v接線變壓器。

4.2綜合對(duì)比

采用不同接線型式的牽引變壓器的綜合比較如表4所示。

表3同容量V，v變與平衡變壓器經(jīng)濟(jì)比較

表4牽引站采用不同接線型式主變的比較

從比較結(jié)果來(lái)看，平衡變壓器供電能力強(qiáng)，抑制電鐵對(duì)電網(wǎng)的影響能力更強(qiáng)，而且綜合造價(jià)也相對(duì)較低。

5結(jié)束語(yǔ)

電鐵負(fù)荷不僅對(duì)電能質(zhì)量、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置等產(chǎn)生嚴(yán)重干擾或影響，直接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行，降低供電可靠性；而且影響電動(dòng)機(jī)、變壓器及輸電線路等的使用效率或壽命，增加了系統(tǒng)投資和運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用。而采用合適的牽引變壓器將可以降低電鐵負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。綜合前述技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，為減小電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響，建議牽引站變壓器采用阻抗匹配平衡變壓器。

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