《交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)》教學課件合集

《交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)》?精品課件合集緒 論

電氣化鐵路的組成01

我國電氣化鐵路發(fā)展概況02

電氣化鐵路的優(yōu)越性

及存在的問題03

本學科研究對象04目錄頁01電氣化鐵路的組成電氣化鐵路的組成鐵路的牽引動力設備是機車。從我國鐵路發(fā)展歷史來看，實際使用的機車有蒸汽機車、內(nèi)燃機車和電力機車三種。與此對應的鐵路牽引方式也有蒸汽牽引、內(nèi)燃牽引和電力牽引三種。所謂電力牽引，就是由外電源供給動力車電能的牽引方式。采用電力牽引的鐵路稱為電氣化鐵路。電氣化鐵路的組成作為電氣化鐵路牽引動力的電力機車，本身不帶能源。它必須從外部電源和牽引供電系統(tǒng)獲得電能，電能經(jīng)過變換后，輸送到牽引電動機，使牽引電動機旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動進而牽引列車運行。因此，電氣化鐵路除了一般的鐵路線路、車站、通信、信號等設施外，還包括特殊的牽引供電系統(tǒng)、電力機車以及相應的運行、維修和管理單位供電段、電力機務段、供電調(diào)度及其主管部門等。

02我國電氣化鐵路發(fā)展概況1.確定電流制與額定電壓

我國電氣化鐵路是從

20世紀

50

年代初開始籌劃的。當時，主要是討論采用什么樣的電流制與多高的額定電壓。經(jīng)過反復研究論證，結(jié)合國內(nèi)外情況，確定我國電氣化鐵路采用工頻單相

25

kV

交流制。這種電流制與額定電壓在技術上、經(jīng)濟上都有很大的優(yōu)越性，在世界各國電氣化鐵路建設中，已得到了廣泛的應用。2.電氣化鐵路線路和里程

我國第一條電氣化鐵路寶成線的寶雞—鳳州段，93km，1958年開工，1960年建成，1961年8月

15

日正式投入運營。從此，揭開了我國電氣化鐵路的序幕。

1969—1977年，寶成線的鳳州—成都段、陽安線（陽平關—安康）兩條電氣化鐵路建成投入運營，共計約

940

km。

1980—1990年，有石太線（石家莊—太原）、襄渝線的襄樊—達縣段、京包線的豐臺—大同段、成渝線（成都東—重慶西）、京秦線（豐臺西—山海關）、太焦線的長治北—月山段等十幾條（段）電氣化鐵路建成投入運營，共計約5940

km，是1958—1961年的63

倍多，是1969—1977年的6倍多。

1991—2000年，有川黔線（珞璜—貴陽南）、大秦線的大石莊—秦皇島段、鷹廈線的鷹潭—來舟段與漳平—廈門段、湘黔線的大龍—株洲段、蘭新線的蘭州西—武威南段等二十幾條（段）電氣化鐵路建成投入運營，共計約

7800

km。其中，“八五”末（約9980

km）比“七五”末（約6970km）增加約43%，“九五”末又比“八五”末增加約48%。

2001—2005年，即“十五”期間，有武廣線的武昌—郴州段和韶關—廣州段、哈大線（哈爾濱—大連）、朔黃線的神池南—黃驊段、婁六雙線等十幾條（段）電氣化鐵路建成投入運營，共計約5280km，比“九五”末增加約

35.7%。

截至

2008年10月，我國電氣化鐵路興建五十周年，電氣化鐵路總里程達

26000km，電氣化率達

32.7%。2.電氣化鐵路線路和里程

2008—2015年，“四縱四橫”高速鐵路主骨架基本建成?！八目v”客運專線已開通運營北京—上海、北京—廣州、北京—哈爾濱（大連）、上?！贾荨獙幉āＶ荨钲诘?；“四橫”客運專線已開通運營青島—濟南、石家莊—太原、鄭州—西安—寶雞、南京—合肥—武漢—

重慶—

成都、杭州—

南昌—

長沙—

貴陽等。此外，還相繼開通運營太原—西安、蘭州—

西寧—烏魯木齊、合肥—福州、哈爾濱—齊齊哈爾、貴陽—廣州、盤錦—營口、沈陽—丹東、吉林—圖們—琿春等高速鐵路，以及北京—天津等一批城際客運專線。

到“十二五”末，全國鐵路營業(yè)里程達到

121000

km，居世界第二位；其中，高速鐵路運營里程超過

19000

km，

居世界第一位，占世界高速鐵路總里程的

60%

以上。2.電氣化鐵路線路和里程2016年6月國務院通過《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，要求在“四縱四橫”主骨架基礎上，逐步形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網(wǎng)?！鞍丝v”主通道是：大連—沈陽—天津—青島—上海—杭州—深圳—湛江；北京—上?！Ｖ荩槐本钲?；哈爾濱—香港；呼和浩特—南寧；呼和浩特—三亞；銀川—福州；西安—昆明?！鞍藱M”主通道是：北京—蘭州；青島—銀川；連云港—蘭州—烏魯木齊；上海—成都（拉薩）；上?！ッ?；重慶—廈門；廣州—成都；廣州—昆明。還要求既有線普速鐵路電氣化

25000

km；當然，新建線普速鐵路也有一部分要電氣化。

到

2020年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達到

150000km，電氣化率達到

60%，其中高速鐵路

30000

km。到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達到

175000

km左右，其中高速鐵路

38000km

左右。展望到2030年，遠期鐵路網(wǎng)規(guī)模將達到

200000

km左右，其中高速鐵路

45000

km左右。2.電氣化鐵路線路和里程3.牽引供電系統(tǒng)設施的發(fā)展

牽引網(wǎng)向電力機車供電的方式，除了直接供電方式外，相繼采用了

BT

供電方式、AT

供電方式和帶架空回流線的直接供電方式。

在斷路器方面，早期采用多油、少油斷路器，相繼采用了六氟化硫斷路器和真空斷路器。在斷路器操動機構方面，早期采用電磁操動機構，相繼采用了液壓機構和彈簧機構等。

在繼電保護方面，早期采用機電型（電磁型、感應型），相繼采用了晶體管型和集成電路型繼電保護。進入

21

世紀，已廣泛采用微型計算機繼電保護和綜合自動化系統(tǒng)。

在接觸網(wǎng)懸掛方式方面，有半補償鏈形懸掛、全補償簡單鏈形懸掛、全補償彈性鏈形懸掛和簡單懸掛、補償彈性簡單懸掛等。

在調(diào)度方式方面，除了早期采用電話調(diào)度外，已經(jīng)普遍采用了微型計算機遠動調(diào)度。

在檢測技術方面，已有了接觸網(wǎng)自動檢測車、牽引網(wǎng)短路參數(shù)微機測試儀、牽引變壓器直接測溫裝置和牽引變電所電氣設備程控試驗裝置等。

4.電力機車的發(fā)展我國鐵路電力機車除了少量是進口的以外，大部分是使用國產(chǎn)機車。韶山

SS

型交—直型電力機車研制了

1～9型（連續(xù)），主要批量生產(chǎn)的是

1（2014

年

9月已退役）、3、4、7～9型。其中，SS4

型貨運機車應用了晶閘管電子技術，實現(xiàn)了無級調(diào)速，并將

6

軸改為

8

軸，機車功率達到

6

400

kW；SS8

和

SS9

型客運機車最高速度都提高到170km/h，已初步滿足牽引重載貨運、大編組客運列車，進行快速或準高速運輸。而且，從“八五”開始，已進行新型交—直—交型電力機車的研制開發(fā)，它具有功率因數(shù)高，諧波電流含量小，牽引性能好，牽引電動機質(zhì)量輕、體積小、功率大等許多優(yōu)點。2000

年以來，我國機車車輛制造能力有了新的進展，如交—直—交型電力機車和動車組研制成功并正式投入運用；我國自主設計制造的運行最高速度達

200

km/h，300

km/h

和

350

km/h的動車組等就是實例。

綜上所述，我國的電氣化鐵路發(fā)展方興未艾，前景美好。

03

電氣化鐵路的優(yōu)越性及存在的問題1.電氣化鐵路的優(yōu)越性（1）拉得多，跑得快，運輸能力大可滿足重載、高速、大運量的鐵路干線和大陡坡、長隧道的山區(qū)鐵路運輸?shù)男枰?/p>

以我國第一條電氣化鐵路——寶鳳段為例，以其電氣化開通前后的運輸能力進行比較，如表所示（該區(qū)段限制坡度為30‰）。

（2）節(jié)約能源消耗，綜合利用能源

蒸汽牽引要燃燒優(yōu)質(zhì)煤，其總功效（做功效率）一般約為

6%。內(nèi)燃牽引要以價格較高的柴油為燃料，其總功效約為

25%。電力牽引從現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)取得電能，如果是火力發(fā)電，電力牽引的總功效也可達到

25%；如果是水力發(fā)電，電力牽引的總功效高達

60%；如果按火力、水力發(fā)電綜合考慮，電力牽引的總功效約為

30%。水力發(fā)電占的比例越大，電力牽引的總功效越高。

由于電力牽引是從電力系統(tǒng)取得電能，而電力系統(tǒng)可綜合利用水力、風力、煤炭（包括劣質(zhì)煤）、重油、天然氣、原子能（也叫核能）等各種能源發(fā)電，所以電力牽引可以綜合利用各種能源，達到經(jīng)濟合理地使用國家能源的目的。（3）經(jīng)濟效益好

首先，電力牽引的上述兩個優(yōu)點，必然能產(chǎn)生好的經(jīng)濟效益，大大降低運輸成本。而且電力機車不需添加燃料，速度快，宜跑長交路，從而減少了檢修基地、機器設備和人員；電力機車功率大，拉得多，跑得快，周轉(zhuǎn)時間短，減少了機車運用臺數(shù)；電力機車可實現(xiàn)電氣制動，在長而大的下坡道上，可減少機車和車輛的閘瓦磨耗，節(jié)省大量金屬；電力機車的電機和電器等運行可靠，檢修周期長、次數(shù)少等，這些都能促使運輸成本大大降低。

不僅如此，電力牽引基建投資回收期也短，運量越大的線路越顯著。例如，單線區(qū)段，如果年運量為1000萬噸，基建投資回收期約10年；雙線區(qū)段，如果年運量為4000萬噸，則回收期約4年。

（4）對環(huán)境無污染，勞動條件好，有利于實現(xiàn)環(huán)保運輸

電力機車運行時，不會產(chǎn)生大量有害氣體。對環(huán)境無污染，鐵路乘務人員勞動條件好，旅客比較舒服，鐵路沿線居民不受煤煙、油煙之害，有利于實現(xiàn)環(huán)保運輸。不僅如此，而且電力機車啟動穩(wěn)、加速快，既能使旅客舒服，又能縮短旅行時間。特別是采用先進的無級調(diào)速裝置，使調(diào)速更平穩(wěn)。電力機車運行在長而大的下坡道上實行電氣制動時，既可提高列車下坡速度，又可使制動平穩(wěn)，改善運行狀態(tài)。電力機車的采用不僅減少乘務員人數(shù)，而且使他們的工作條件大為改善。（5）有利于鐵路沿線實現(xiàn)電氣化，促進工農(nóng)業(yè)發(fā)展

因為牽引供電系統(tǒng)除了主要向電力機車供電以外，還可以解決無地方電源地區(qū)的鐵路其他用電，以及鐵路沿線的城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村小量用電。

由上所述，除了知道電氣化鐵路的優(yōu)越性以外，還可知蒸汽機車不能適應我國鐵路運輸和國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。所以，蒸汽機車從20世紀60年代初開始逐漸被淘汰，到21世紀“十五”末已經(jīng)被淘汰。2.電氣化鐵路存在的問題在介紹電氣化鐵路的優(yōu)越性的同時，也要指出它存在的下列問題：

①

對給電氣化鐵路牽引負荷供電的電力系統(tǒng)造成負序電流和（在使用交—直型電力機車情況下）高次諧波含量增大、功率因數(shù)降低等不良影響；

②

對沿電氣化鐵路鄰近的通信光纜或電纜［簡稱光（電）纜］線路、油氣管道與油氣庫等有一定的電磁干擾；③

基建投資比蒸汽牽引和內(nèi)燃牽引大；④

接觸網(wǎng)檢修需要“天窗”時間。

顯然，第③、第④兩個問題可利用其基建投資回收期短和運輸能力大的優(yōu)點得到彌補。對于第①、第②方面的問題，也已研究出行之有效的對策。04本學科研究對象本學科的研究對象

“交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)”是電氣工程及其自動化專業(yè)（鐵道牽引電氣化與自動化方向）的必修專業(yè)課程之一。它是學習電氣化鐵道總體供電方案設計知識和技能的課程。

它主要研究解決電氣化鐵道設計和運營中的重大技術和經(jīng)濟問題，即研究交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構、基本原理、分析方法和供電計算全過程，以及在輸送電能過程中所產(chǎn)生的影響與相應的對策，并給出決定最重要的電氣與經(jīng)濟參數(shù)的方法。

感謝觀看第一章供電系統(tǒng)的結(jié)構、原理與電力機車（動車組）的相關知識

電力系統(tǒng)與電氣化鐵道供電系統(tǒng)01

牽引變電所02

牽引網(wǎng)03

電力機車（動車組）的相關知識04目錄頁01電力系統(tǒng)與電氣化鐵道供電系統(tǒng)一、電力系統(tǒng)與電氣化鐵道供電系統(tǒng)的構成1.電力系統(tǒng)

通常把包括動力、發(fā)電、輸電、變電、配電到用電的全部系統(tǒng)稱為動力系統(tǒng)。其中，將發(fā)電、輸電、變電、配電到用電的有機整體稱為電力系統(tǒng)。

電力網(wǎng)絡則是將輸電、變電、配電聯(lián)系起來的總體，也稱電力網(wǎng)，或簡稱電網(wǎng)。它們的關系如圖所示。1—變壓器；2—負荷；3—電動機；4—電燈動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡示意圖

電力網(wǎng)絡按供電范圍的大小和電壓的高低可分為地方電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)與超高壓電網(wǎng)三種類型。地方電網(wǎng)一般指

35

kV（或110

kV）、送電距離幾十千米，滿足城鎮(zhèn)、工礦和農(nóng)村用電需要的配電網(wǎng)絡。區(qū)域電網(wǎng)則是把地區(qū)發(fā)電廠聯(lián)系在一起，輸電距離達數(shù)百千米，用戶類型眾多，一般電壓在

110～220

kV

的網(wǎng)絡（存在于各省、自治區(qū)）。

而超高壓遠距離送電網(wǎng)絡主要由交流

330～500

kV，或直流500

kV，或更高電壓的送電線路組成，它承擔從大型水電站、坑口火電站或核電站送電給負荷中心的任務，可聯(lián)系幾個區(qū)域電網(wǎng)，可以跨?。ㄗ灾螀^(qū)）甚至在國與國之間組成聯(lián)合電網(wǎng)。電力系統(tǒng)與電力網(wǎng)絡應包括相應的通信、安全自動化、繼電保護和調(diào)度自動化等設施，以保證安全可靠地運行。

電氣化鐵道用電量較大。我國的電氣化鐵道均是由電力系統(tǒng)供電。這樣，就不但保證了電氣化鐵道供電的可靠性，而且保證了電氣化鐵道供電的經(jīng)濟性。2.電氣化鐵道供電系統(tǒng)電氣化鐵道供電系統(tǒng)的簡單原理圖如圖所示。

圖中，1為區(qū)域變電站或發(fā)電廠；2

為三相交流高壓輸電線，這兩部分可稱為電氣化鐵道一次供電系統(tǒng)（又稱外部電源系統(tǒng)），其功能是發(fā)電、變電和輸電；3

為牽引變電所，把一次供電系統(tǒng)輸送來的三相交流高壓電能變換成較低電壓的適合電力機車使用要求的電能；4

為饋電線，把牽引變電所變換后的電能送到接觸網(wǎng)；5為接觸網(wǎng)，把電能送到電力機車；6

為軌道、地，作為牽引電流回歸通路；7

為回流線，把軌道、地中的牽引回歸電流導入牽引變電所的主變壓器；

8

為電力機車。通常把4～7

稱為牽引網(wǎng)，把牽引變電所和牽引網(wǎng)稱為牽引供電系統(tǒng)。電氣化鐵道供電系統(tǒng)原理電路圖對電氣化鐵道供電系統(tǒng)的基本要求是：

①

保證向電氣化鐵路安全、可靠、不間斷行車供電；②

提高供電質(zhì)量，保證必需的電壓水平；③

提高功率因數(shù)，減少電能損失，降低工程投資和運營費用；④

盡量減少單相牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流和高次諧波的影響；

⑤

盡量減小對沿線鄰近的通信光（電）纜線路、油氣管道與油氣庫等的電磁干擾影響。

按國家規(guī)定，電氣化鐵道為一級電力負荷。因此，牽引變電所應有兩路電源供電，每路輸電線要有各自的桿塔和走線；兩路電源若從同一座地區(qū)變電站或發(fā)電廠引出，必須引自所需電壓等級的不同母線；當任一路故障或停電檢修時，另一路仍應正常供電。牽引變電所一次側(cè)（電源側(cè)，標稱電壓為

110

kV或

220

kV

或

330

kV）的供電方式，可分為一邊供電、兩邊供電和環(huán)形供電。

（1）一邊供電

一邊供電就是牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中一個方向的發(fā)電廠送來，如圖所示。牽引變電所一次側(cè)的一邊供電方式

A1，A2，A3

為發(fā)電廠，B1，B2，B3

為地區(qū)變電站，C1，C2，C3

為牽引變電所。三個牽引變電所通過兩路110

kV

輸電線接到發(fā)電廠A1的

110kV母線。發(fā)電廠A1

通過兩路110

kV

輸電線接到地區(qū)變電站

B2

的110

kV母線。地區(qū)變電站

B2

還通過單回

110kV輸電線從發(fā)電廠A2

獲得電能。發(fā)電廠

A2

還通過兩路110

kV

輸電線送電到地區(qū)變電站

B3。地區(qū)變電站

B3

采用三繞組變壓器，其

35kV

母線與發(fā)電廠A3連接。（2）兩邊供電

兩邊供電就是牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中兩個方向的發(fā)電廠送來。如圖所示，A1，A2

為發(fā)電廠，B

為地區(qū)變電站，C

為牽引變電所。牽引變電所的電能從兩邊分別由發(fā)電廠A1

和A2供應。牽引變電所一次側(cè)的兩邊供電方式（3）環(huán)形供電

環(huán)形供電是指若干個發(fā)電廠、地區(qū)變電站通過高壓輸電線連接成環(huán)形的電力系統(tǒng)，牽引變電所處于環(huán)形電力系統(tǒng)的一個環(huán)路之中。仍以上頁圖來說明，如果發(fā)電廠

A1

通過輸電線

D1，D2

與發(fā)電廠A2

或

A2

以遠的電網(wǎng)連接，則形成環(huán)形電力系統(tǒng)。于是牽引變電所

C

將處于環(huán)形電力系統(tǒng)中的一個環(huán)路之中。

牽引變電所一次側(cè)供電方式，究竟采用一邊供電，還是兩邊供電或環(huán)形供電，決定于電氣化鐵路所經(jīng)過的地區(qū)電力系統(tǒng)的具體情況。兩邊供電或環(huán)形供電，比一邊供電有更高的可靠性和更好的供電質(zhì)量，更高的可靠性主要表現(xiàn)在當任一座發(fā)電廠發(fā)生故障時，電氣化鐵路的供電都不會中斷；更好的供電質(zhì)量則主要表現(xiàn)在電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定、電壓波動的幅度較小。因此，牽引變電所一次側(cè)供電方式，應盡可能采用兩邊供電或環(huán)形供電。

二、電力系統(tǒng)的參數(shù)和短路容量1.電力系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)電機的常用參數(shù)

超瞬態(tài)電抗指突然短路時發(fā)電機表現(xiàn)出來的電抗的初始值，用

Xd表示。負序電抗指對負序電流表現(xiàn)出來的電抗，用

X2

表示（詳見第六章第一節(jié)）。兩者的典型值列于下表，斜線左邊為電抗平均值，斜線右邊為電抗值范圍。電壓等級/kV

6～10

35

（27.5）

66

（55）

110

220

330

短路阻抗/%

4～4.5

6.5～8

8～9

10.5

12～14

13～15

（2）變壓器的常用參數(shù)

變壓器的常用參數(shù)主要指短路阻抗。現(xiàn)以雙繞組變壓器為例，說明短路阻抗的含義：當一個繞組接成短路時，在另一個繞組中為產(chǎn)生額定電流所加的電壓（額定頻率，額定分接）叫作短路電壓，常以額定電壓的百分數(shù)表示，這時所表現(xiàn)出來的阻抗，稱為短路阻抗。該參數(shù)有時稱為短路電壓，或阻抗電壓，或阻抗。對于大、中型變壓器，短路阻抗

ZT

的電阻部分RT可忽略不計，只取電抗部分

XT。ZT

標準值列于下表。變壓器短路阻抗繞

組

排

列X1

X2

X3

高—中—低

10.75%

－0.25%

6.75%

高—低—中

10.75%

6.75%

－0.25%

（2）變壓器的常用參數(shù)

變壓器的常用參數(shù)有如下特點：

①

電抗的百分值XT

%與其阻抗電壓的百分值

Uk

%

相等。②

單相變壓器的電抗百分值與三相變壓器的相同。③

三相變壓器和接成三相的單相變壓器組，其負序電抗和正序電抗相等（參見第六章第一節(jié)）。④

三繞組變壓器的等效電抗還與高、中、低壓繞組的排列有關。對于常見的

110

kV

三繞組變壓器，其等效電抗平均值如表所示。110

kV三繞組變壓器等效電抗（3）輸電線的常用參數(shù)

架空輸電線電抗的有名值（Ω）主要與線路長度

l（km）有關，而與導線截面、電壓等級關系不大。其單位長度電抗（簡稱單位電抗）用

x

表示，可按下式計算稱為幾何平均距離；Req

代表導線的等效半徑（或當量半徑），一般由制造廠給定。（4）標么值

發(fā)電機、變壓器的電抗，是歸算到各自的額定容量SN和額定電壓UN

的百分值，輸電線的電抗是有名值。在有些情況下，用歸算到基準容量

Sd

和基準電壓

Ud的標么值計算比較方便。標么值的含義已在“電機學”等課程中敘述。歸算到基準容量

Sd

和基準電壓

Ud

的電抗標么值（加右下角標

“*

”表示；但為了簡化有時將“

*”省略）按下式計算：式中，SN

為發(fā)電機或變壓器的額定容量（MVA）；Sd

為基準容量（MVA），供電計算中通常取Sd

=

100MVA；Ud

為基準電壓（kV）。2.短路容量

牽引供電計算和設計所需要的短路容量，主要指電力系統(tǒng)在牽引變電所進線點（通常稱為負載點）短路時的短路容量。將電力系統(tǒng)各元件的電抗歸算到統(tǒng)一的基準容量后，便可以應用等效發(fā)電機原理將網(wǎng)絡化簡，得出電力系統(tǒng)到牽引變電所進線點的總電抗的標么值X。電力系統(tǒng)在牽引變電所進線點短路時的短路容量

Sk便可按下式計算三、電力系統(tǒng)的電壓波動1.電力系統(tǒng)的電壓波動的含義（1）發(fā)電機的常用參數(shù)

為了分析電力系統(tǒng)的電壓狀態(tài)，考察圖所示的簡單情形。該圖表示單一的發(fā)電廠和

110

kV

輸電線，C

表示牽引變電所負載點。發(fā)電機母線電壓由自動電壓調(diào)節(jié)裝置保持為額定電壓，故升壓變壓器

T

的空載電壓為

121

kV，比輸電線標稱電壓

110

kV

高

10%。由于電力負載的變化，實際

U0

不是恒定值。

一般說來，

距離發(fā)電廠較近的牽引變電所，系統(tǒng)電壓水平較高，電壓波動也較小。而遠離發(fā)電廠的牽引變電所，電壓水平較低，電壓波動也較大。T電力系統(tǒng)的電壓波動示意圖2.牽引變電所主變壓器分接開關及其運行位置的選擇

分析電力系統(tǒng)的電壓狀態(tài)和電壓波動的目的之一，就是為了合理選擇牽引變電所主變壓器分接開關及其運行位置。一般要求適當選擇分接開關運行位，使牽引側(cè)母線空載電壓保持在

28～29

kV（對直接、帶回流線的直接供電方式）或

56～58kV（對AT

供電方式），以確保電力機車牽引列車正常運行。為此，在牽引變電所的設計、施工與運行中，應選用合適的主變壓器高壓繞組電壓分接范圍和級數(shù)。

2.牽引變電所主變壓器分接開關及其運行位置的選擇如圖所示為采用了上述第一種高壓繞組電壓分接范圍和級數(shù)的三相

YNd11

聯(lián)結(jié)主變壓器實例。采用了第一種高壓繞組電壓分接范圍和級數(shù)的三相

YNd11

聯(lián)結(jié)主變壓器實例02牽引變電所一、電力牽引的電流制和牽引變電所的分類1.電力牽引的電流制

電力牽引按牽引網(wǎng)供電電流的種類可分為三種電流制，即直流制、低頻單相交流制和工頻單相交流制。（1）直流制

牽引網(wǎng)供電電流為直流的電力牽引電流制。電力系統(tǒng)將三相交流電送到牽引變電所一次側(cè)，經(jīng)過牽引變電所降壓并整流變成直流電，再通過牽引網(wǎng)供給電力機車使用。直流制發(fā)展最早，有相當多的國家的電氣化鐵路應用。我國僅工礦、城市電車和地下鐵道采用。牽引網(wǎng)電壓有

1200

V，1500

V，3000

V

和600

V，750V

等，后兩種分別用于城市電車、地下鐵道。

直流制存在的主要問題是，直流牽引電動機額定電壓受到換向條件的限制不能太高，即牽引網(wǎng)電壓很難進一步提高，這就要求沿牽引網(wǎng)輸送大量電流來供應電力機車。由于牽引電流增大，接觸網(wǎng)導線截面要隨著加大（一般得使用兩根銅接觸線和銅承力索），牽引網(wǎng)電壓損失也相應增大，所以牽引變電所之間的距離要縮短，一般只有

15～30km。一、電力牽引的電流制和牽引變電所的分類（2）低頻單相交流制

牽引網(wǎng)供電電流為低頻單相交流的電力牽引電流制。這種電流制是繼直流制之后出現(xiàn)的，牽引網(wǎng)供電電流頻率為

16

2

Hz，牽引網(wǎng)電壓為

15

kV

或

11

kV，電力機車上采用交流整流子式牽引電動機。3交流容易變壓，因此，可以在牽引網(wǎng)中用高電壓送電，而在電力機車上降低電壓，以供應低電壓的交流整流子式牽引電動機。

低頻單相交流制的出現(xiàn)，與力圖提高牽引網(wǎng)電壓以降低接觸網(wǎng)中的有色金屬用量有關。應用低頻的條件，一方面是由于歐洲電力工業(yè)發(fā)展的初期原來就存在低于50Hz

的頻率；另一方面，交流整流子式牽引電動機因存在變壓器電勢而對整流過程造成困難，不適宜在較高的頻率下運行。電力工業(yè)主要采用50Hz

標準頻率后，低頻制電氣化鐵道或者需自建專用的低頻率的發(fā)電廠，或者在牽引變電所變頻后送入牽引網(wǎng)，這就變得復雜化，于是其發(fā)展受到了限制。一、電力牽引的電流制和牽引變電所的分類（3）工頻單相交流制（結(jié)合應用交—直型電力機車闡述）

牽引網(wǎng)供電電流為工業(yè)頻率單相交流的電力牽引電流制。它是在20

世紀

50

年代中期法國電氣化鐵路應用交—直型（整流型）電力機車獲得成功之后開始推廣的。這種電流制在電力機車上將交流電降壓后應用整流裝置整流來供應直流牽引電動機。較普遍應用的接觸網(wǎng)額定電壓是

25

kV。

采用工頻單相交流制的優(yōu)點是，消除了低頻單相交流制的兩個主要缺點（與電力工業(yè)標準頻率并行的非標準頻率和構造復雜的交流整流子式牽引電動機）；牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構和設備大為簡化，牽引變電所只要選擇適宜的牽引變壓器，就可以完成降壓、分相、供電的功能；牽引變電所的間距延長、數(shù)量減少；電力機車采用直流串勵牽引電動機，也遠比交流整流子式牽引電動機牽引性能好，運行可靠。

采用工頻單相交流制的缺點是，對電力系統(tǒng)引起負序電流分量和高次諧波含量增加以及功率因數(shù)降低；對電氣化鐵路沿線鄰近的光（電）纜線路、油氣管道與油氣庫等有電磁干擾。

但是，經(jīng)過技術方面和經(jīng)濟方面的綜合分析比較，上述優(yōu)點是主要的。因此，我國電氣化鐵路采用工頻單相25kV交流制。一、電力牽引的電流制和牽引變電所的分類2.牽引變電所的分類（1）按高壓輸電線的引入方式分類

主要有“T”接線（又稱分支接線）和“橋”接線?！癟”接線如圖所示，其特點是外部的電力系統(tǒng)負載電流不進入牽引變電所；如果兩回進線都能作為主供電源，并能互為備用，可不設跨條隔離開關，則稱線路變壓器組接線?！皹颉苯泳€又可分為“內(nèi)橋”接線［如圖所示］和“外橋”接線［如圖所示］，其共同特點是允許外部的電力系統(tǒng)負載電流穿越牽引變電所一次側(cè)母線。一般來說，“內(nèi)橋”接線適用于故障較多的長輸電線路以及主變壓器不需要經(jīng)常切換的場合；“外橋”接線適用于故障較少的較短輸電線路以及主變壓器按固定備用方式需要經(jīng)常切換的場合。按高壓輸電線引入方式分類的牽引變電所的幾種接線方式一、電力牽引的電流制和牽引變電所的分類（2）按牽引變壓器的聯(lián)結(jié)形式分類

有單相聯(lián)結(jié)（又稱簡單單相聯(lián)結(jié)，或純單相聯(lián)結(jié)）；單相

Vv

聯(lián)結(jié)；三相

Vv

聯(lián)結(jié)；三相

YNd11聯(lián)結(jié)和三相不等容量

YNd11聯(lián)結(jié)；三相YNd11d1十字交叉聯(lián)結(jié)；斯科特聯(lián)結(jié)；YN

阻抗匹配平衡聯(lián)結(jié)；非阻抗匹配YN 平衡聯(lián)結(jié)；YN

平衡聯(lián)結(jié)等。我國臺灣省電氣化鐵道采用的還有列勃蘭聯(lián)結(jié)。國外，

主要在日本，還有伍德橋聯(lián)結(jié)和改進伍德橋聯(lián)結(jié)等。一、電力牽引的電流制和牽引變電所的分類（3）按承擔供電臂的供電任務分類

有集中供電方式和分散供電方式。集中供電方式是指每個牽引變電所單獨承擔所轄供電臂的供電任務。分散供電方式是指每個牽引變電所除了在正常情況下承擔所轄供電臂的供電任務外，還能在事故或檢修的情況下承擔相鄰牽引變電所所轄供電臂的供電任務，即越區(qū)供電。迄今牽引變電所一般采用集中供電方式，分散供電方式很少采用。。

一、電力牽引的電流制和牽引變電所的分類二、單相聯(lián)結(jié)牽引變電所

原理電路圖如圖

所示。牽引變電所裝設兩臺單相聯(lián)結(jié)牽引變壓器（其聯(lián)結(jié)組為

I

i

0），可以兩臺并聯(lián)運行，也可以一臺運行，另一臺固定備用。牽引變壓器的一次側(cè)只接入三相電力系統(tǒng)中的兩相；二次

側(cè)一端與牽引側(cè)母線連接，另一端與軌道、接地網(wǎng)連接。

牽引變電所兩供電臂由同一相（圖中為

AB）供電。牽引負載對電力系統(tǒng)而言屬于純單相負載。單相聯(lián)結(jié)牽引變電所原理電路圖

單相聯(lián)結(jié)牽引變電所的優(yōu)點：牽引變壓器的容量利用率（額定輸出容量與額定容量之比值）可達100%；主接線簡單，設備少，占地面積小，投資省等。

其缺點是：不能供應地區(qū)和牽引變電所三相負荷用電；對電力系統(tǒng)的負序影響最大；對接觸網(wǎng)的供電不能實現(xiàn)兩邊供電。所以，這種聯(lián)結(jié)只適用于電力系統(tǒng)容量較大，電力網(wǎng)比較發(fā)達，三相負荷用電能夠可靠地由地方電網(wǎng)得到供應的場合。另外，單相牽引變壓器要按全絕緣設計制造。三、單相Vv

聯(lián)結(jié)牽引變電所

原理電路圖和相量關系分別如圖所示。牽引變電所裝設兩臺單相聯(lián)結(jié)牽引變壓器

1

T

和

2T，作Vv聯(lián)結(jié)。1

T和2

T的一次側(cè)分別接入電力系統(tǒng)的

BC相和AC相；二次側(cè)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、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，即通常所說的60接線。由于牽引變壓器二次繞組電流等于供電臂電流，因此，供電臂長期允許電流就等于牽引變壓器二次側(cè)的額定電流，牽引變壓器的容量能得到充分利用。單相

Vv

聯(lián)結(jié)牽引變電所原理電路圖和相量關系一、二次側(cè)電流關系如下（忽略空載電流）式中，K

為每臺單相牽引變壓器的變壓比。應用余弦定理，可得

1

T

和

2

T

二次側(cè)v

接頂點出線電流相量和為三、單相Vv

聯(lián)結(jié)牽引變電所

單相

Vv

聯(lián)結(jié)牽引變電所的優(yōu)點是：牽引變壓器容量利用率可達到100%；在正常運行時，牽引側(cè)保持三相，所以可供應牽引變電所自用電和地區(qū)三相負載；主接線較簡單，設備較少，投資較?。粚﹄娏ο到y(tǒng)的負序影響比單相聯(lián)結(jié)?。▍⒖吹诹碌谝还?jié)第四部分第6項）；對接觸網(wǎng)的供電可實現(xiàn)兩邊供電。

它的主要缺點是：當一臺牽引變壓器故障時，另一臺必須跨相供電，即兼供左右兩邊供電臂的牽引網(wǎng)。三、單相Vv

聯(lián)結(jié)牽引變電所四、三相Vv

聯(lián)結(jié)牽引變電所

這種牽引變電所中裝設兩臺三相Vv

聯(lián)結(jié)牽引變壓器，一臺運行，一臺固定備用。三相Vv聯(lián)結(jié)牽引變壓器是20世紀90年代新研制的產(chǎn)品，它是將兩臺容量相等或不相等的單相變壓器器身安裝于同一油箱內(nèi)組成的。

三相

Vv

聯(lián)結(jié)牽引變壓器原理電路圖

原理電路如圖所示。一次繞組接成固定的

V

聯(lián)結(jié)，V

的頂點（A2

與

X1

連接點）為

C

相，A1，X2

分別為A相、B

相。

二次繞組四個端子全都引出在油箱外部，根據(jù)牽引供電的要求，既可接成正“v”，也可接成倒“v”。接成正“v”時，a2

與

x1

連接為

c

相，即正“v”的頂點；a1，x2

分別為

a

相、b

相；其聯(lián)結(jié)組為

Vv0。接成倒“v”時，a1

與

x2

連接為

c

相，即三相

Vv

聯(lián)結(jié)牽引變壓器原理電路圖倒“v”的頂點；x1，a2

分別為a相、b相；其聯(lián)結(jié)組為Vv6。

在牽引變電所中安裝時，三相

Vv

聯(lián)結(jié)牽引變壓器一次側(cè)

A，C，B

三相分別接入電力系統(tǒng)中的三相；二次側(cè)

c

相與軌道、接地網(wǎng)連接，a

相、b

相分別接到牽引側(cè)兩相母線上，然后分別向?qū)墓╇姳蹱恳W(wǎng)供電，也是60°接線。四、三相Vv

聯(lián)結(jié)牽引變電所五、三相YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變電所1.接線概況

這種牽引變電所中裝設兩臺三相

YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器，可以兩臺并聯(lián)運行；也可以一臺運行，另一臺固定備用。其原理電路和相量關系如所示。三相

YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器原理電路和相量關系2.牽引變壓器繞組電流的分布

如上頁所示，左側(cè)供電臂電流

Ia

流經(jīng)兩條并聯(lián)支路：一條是支路

c—a，只有一相線圈；另一條是支路c—b—a，串聯(lián)兩相線圈。前者阻抗是后者的1/2，前者電流是后者的兩倍。因此，線圈

ac流過(2/3)

Ia

，線圈

bc，ab

流過

(1/3)

Ia

。同理，線圈bc

流過(2/3)Ib

，線圈

ac，ab

流過(1/3)Ib

。當兩供電臂都有電流時，可得二次側(cè)三相線圈電流

Ica

，Iab

，

Ibc

與供電臂電流Ia，Ib

的關系式如下:忽略空載電流后，A，B，C

三相鐵芯柱的磁勢平衡方程為式中，

w1，

w2分別為一、二次側(cè)線圈匝數(shù)。2.牽引變壓器繞組電流的分布2.牽引變壓器繞組電流的分布2.牽引變壓器繞組電流的分布

線圈

ca

與

bc

電流相等，等于供電臂負荷電流的

√7

/3

；線圈

ab

電流只有線圈

ca

或

bc

電流的1/

√7

，即

0.378

倍，等于供電臂負荷電流的

1/3。因此，線圈

ca，bc

稱為重負荷相線圈（又稱臂線圈或接地相線圈），線圈

ab

稱為輕負荷相線圈（又稱中相線圈或非接地相線圈）。式（1.8’）、式（1.7’）中，

???j120°

=cos120°

-jsin120°=-1???

3。2 2式（1.7）、式（1.8）對應的相量圖如圖所示。三相

YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器一、二次側(cè)電壓、電流相量關系2.牽引變壓器繞組電流的分布3.牽引變壓器容量利用率

三相變壓器△側(cè)額定電流

IN（線電流）等于線圈額定電流的倍。當

Ia=Ib=I

時，由

式（1.7’）第一、第三式可知，I

等于線圈ca或bc電流的

3/√7，即1.134倍。當線圈ca或bc電流達到額定值N????√3N(I

/√3)時，I=1.134× =

0.655

I

。這時牽引變壓器的輸出容量為

式中，UN

為牽引變壓器二次側(cè)額定電壓。三相變壓器額定容量SN=√3UNIN。于是，牽引變壓器的容量利用率為

即三相

YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器承擔單相牽引負荷時，其輸出容量只能達到其額定容量的

75.6%。

4.三相YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變電所的優(yōu)缺點

優(yōu)點是牽引變壓器低壓側(cè)保持三相，有利于供應牽引變電所自用電和地區(qū)三相電力。能很好地適應當一個供電臂出現(xiàn)很大牽引負荷時，另一個供電臂卻沒有或只有很小牽引負荷的不均衡運行情況。三相YNd11

聯(lián)結(jié)變壓器在我國采用的時間長，有比較多的經(jīng)驗，制造相對簡單，價格也較便宜。一次側(cè)YN聯(lián)結(jié)中性點可以引出接地，一次繞組可按分級絕緣設計制造，與電力系統(tǒng)匹配方便。對接觸網(wǎng)的供電可實現(xiàn)兩邊供電。

缺點主要是牽引變壓器容量利用率不高。如前所述，當重負荷相線圈電流達到額定值時,牽引變壓器的輸出容量只能達到其額定容量的

75.6%，引入溫度系數(shù)也只能達到

84%。

5.三相不等容量YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器

為了克服上述普通三相

YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器容量利用率不高的缺點，我國在普通三相YNd1110聯(lián)結(jié)牽引變壓器的基礎上，額定容量仍采用優(yōu)先數(shù)

R10

系列（額定容量系列為公比與q10= 10

≈1.25

近似的等比數(shù)列），尤其是三相繞組每相阻抗仍保持相等［以保證牽引負荷電流在三相繞組中的分布仍符合式（1.7）所示的規(guī)律］，將輕負荷相沒有利用的容量減掉，平分增加到兩個重負荷相，從而研制成三相不等容量

YNd11聯(lián)結(jié)牽引變壓器。從理論上說，如式（1.7’）、式（1.8’）所示，其三相容量比例應為重負荷相∶輕負荷相∶重負荷相＝

√7∶1∶

√7

＝1∶0.378∶15.三相不等容量YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器仍采用前面的設定符號和條件，則于是，可得容量利用率為按文獻[16]，其三相容量比例為：重負荷相∶輕負荷相∶重負荷相＝2.5∶1∶2.5＝1∶0.4∶1比照上述推導方法，可得容量利用率為

94.5%。

5.三相不等容量YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器

與普通三相

YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器比較，三相不等容量

YNd11

聯(lián)結(jié)牽引變壓器的優(yōu)點是，容量利用率比75.6%提高

25%～26%。因此，對于相同容量的牽引變壓器，負載能力可提高一個容量等級；對于相同負載的牽引變電所，牽引變壓器校核容量可降低一個容量等級。在實行老式兩部電價制（按使用電能電價和受電變壓器額定容量基本電價計算電費）的情況下，可節(jié)省的基本電費相當可觀。

六、斯科特（Scott）聯(lián)結(jié)牽引變電所1.接線概況

這種牽引變電所中裝設兩臺斯科特聯(lián)結(jié)牽引變壓器，可以兩臺并聯(lián)運行；也可以一臺運行，另一臺固定備用。斯科特聯(lián)結(jié)牽引變壓器實際上也是由兩臺單相變壓器按規(guī)定連接而成。

一臺單相變壓器的一次繞組兩端引出，分別接到三相電力系統(tǒng)的兩相，稱為

M

座變壓器；另一臺單相變壓器的一次繞組一端引出，接到三相電力系統(tǒng)的另一相，另一端接到

M

座變壓器一次繞組的中點

O，稱為

T

座變壓器。這種聯(lián)結(jié)形式把對稱三相電壓變換成對稱二相電壓，用其一相供應一邊供電臂，另一相供應另一邊供電臂。原理電路圖如圖所示。斯科特聯(lián)結(jié)牽引變電所原理電路圖2.M

座和T

座一、二次電壓關系（忽略阻抗電壓降）

一次電壓相量關系如圖所示，三相電力系統(tǒng)線電壓為

UAB

，UBC

，UCA

，相電壓為

UA

，UB

，UC

，

A

相至

O

點的電壓為UAO。U1M

=

UBC

，U1T

=UAO=(√3/2)UAB

=(√3/2)UBC

=(√3/2)U1M

。則有M

座和

T

座一次電壓相量關系由上式可得以矩陣形式表示的一、二次電壓關系：2.M

座和T

座一、二次電壓關系（忽略阻抗電壓降）可得斯科特變壓器變壓比為式中，

U1N

，

U2N

分別為斯科特變壓器一、二次額定電壓。

斯科特聯(lián)結(jié)變壓器可以把對稱三相電壓變換成對稱二相電壓（U2M

與U2T大小相等，

U2M

比U2T

滯后

90°），如圖所示。由于

M

座與

T

座變壓器一次電壓的關系對應于等邊三角形底與高的關系，所以通常又稱

M座為底變壓器，T

座為高變壓器。M

座和

T

座二次電壓相量關系3.M

座和T

座一、二次電流關系（忽略空載電流）

由上述分析已知U2T比U2M超前90°。當

M

座和

T

座兩供電臂功率因數(shù)相等（cos?M＝cos

?

T=

cos?

）時，則

IT

比

IM

也超前90°。以

IM

為基準相量，則

IM

＝

IM

，

IT

=j

IT

。見圖和相關說明，?? ???? ?? 2???? ?? ???? 2由于?? =

????

，

?? =

????

-????,

?? =

?????-????，所以可直接寫出

上式表面，無論IM

，IT

如何變化，一次側(cè)三相電流平衡，即IA

+

IB

+

IC

=

0

，無零序電流。

4.斯科特聯(lián)結(jié)牽引變壓器的容量及容量利用率M

座和

T

座二次電壓

U2M＝U2T＝U。首先分析變壓器的結(jié)構容量

Sf（即決定變壓器繞組及其導線、鐵芯等主要部件尺寸和材料消耗的容量）。從一次側(cè)看，當

IM

≠

IT

時，有

當

IM

=

IT

時，有

4.斯科特聯(lián)結(jié)牽引變壓器的容量及容量利用率從二次側(cè)看，當

IM

≠

IT

時，有

當

IM

=

IT

時，有

注意：因為

M

座變壓器一次繞組的

BO

和

CO

兩半部都流過絕對值為

IA

/2

，而方向相反的分電流，兩者產(chǎn)生的磁勢互相抵消，不向二次側(cè)傳變電壓和電流，即不向二次側(cè)傳遞功率，所以

S2f＜S1f。

4.斯科特聯(lián)結(jié)牽引變壓器的容量及容量利用率再分析變壓器的輸出容量

Sout。當

IM

≠

IT時，有

當

IM

=

IT

=

I

時，有

可見，變壓器的輸出容量

Sout

與二次側(cè)的結(jié)構容量

S2f

相等。

4.斯科特聯(lián)結(jié)牽引變壓器的容量及容量利用率

最后分析變壓器的線材利用率（輸出容量與結(jié)構容量之比值）和容量利用率。顯然，二次側(cè)線材利用率η

2＝1。設一次側(cè)線材利用率為η

1

，n

=IT

/IM

。當IM

≠

IT

時，有

可知，當

n＝1（即

IM

=

IT

=

I

）時，一次側(cè)線材利用率η

1=

0.928

2

，一、二次側(cè)線材利用率平均值η

=(η

1

+

η

2

)

/

2

=

(0.928

2+1)

/

2

=

0.964

1；當

n

<

1（即

IM

>

IT

）時，η

1

>0.928

2，

η

>0.964

1

；當n

>1

（即

IM

<

IT

）時，η

1

<0.928

2

，η

<

0.964

1

。所以，將重負荷供電臂由

M

座變壓器供電，能略微提高變壓器的一次側(cè)線材利用率和一、二次側(cè)線材利用率平均值。

變壓器容量利用率為100%（因為二次側(cè)M

座、T座繞組電壓和電流分別等于對應的供電端口輸出電壓和電流，即輸出容量等于額定容量）。

5.斯科特聯(lián)結(jié)牽引變電所的優(yōu)缺點

優(yōu)點是當

M

座和

T

座兩供電臂負荷電流大小相等、功率因數(shù)也相等時，斯科特聯(lián)結(jié)變壓器一次側(cè)三相電流對稱；變壓器容量可全部利用；能供應牽引變電所自用電和站區(qū)三相電力（用逆斯科特聯(lián)結(jié)變壓器把對稱兩相電壓變換成對稱三相電壓）；對接觸網(wǎng)的供電可實現(xiàn)兩邊供電。

缺點是斯科特聯(lián)結(jié)牽引變壓器制造難度較大，絕緣水平要采用全絕緣，造價較高；牽引變電所主接線復雜，設備較多，工程投資也較多；維護、檢修工作量和相應的費用也有所增加。七、采用YN聯(lián)結(jié)阻抗匹配平衡變壓器的牽引變電所1.接線概況YN ［YNd11（延邊）］聯(lián)結(jié)阻抗匹配平衡變壓器原理電路和電壓相量圖1.接線概況2.電流關系

設二次側(cè)內(nèi)縮三角形

abc

中各相阻抗

Zac

=

Zbc

=

Z2

，Zab

=

Z2

。按

Iα

，Iβ

在內(nèi)縮三角形

abc

各支路的電流分配關系（與各并聯(lián)支路阻抗成反比例分配），應用疊加原理可得到各支路的總電流

忽略空載電流后，A，B，C

三相鐵芯柱的磁勢平衡方程為

3.電壓關系（忽略阻抗電壓降）二次側(cè)兩相輸出端口的電壓平衡方程為32以

k

=

3?1

代入上式，經(jīng)過演算得一、二次電壓變換關系3.電壓關系（忽略阻抗電壓降）當UA

，UB

，UC

對稱時，上式變換為

表明，這已經(jīng)實現(xiàn)了將三相對稱電壓輸入變換為二相對稱電壓輸出，并且Uα

＝jUβ

?？傻米儔罕葹槭街?，U1N

，U2N

分別為一、二次額定電壓。3.電壓關系（忽略阻抗電壓降）又因K

=

????

，K

=

??1

=

??1??

，所以2 ??2 3????32???? ?? 2由k

=

??3

=

????

=

3?1

和上式，可得Α

和β

之間的電壓為4.功率關系

可見一次側(cè)三相視在功率與二次側(cè)兩相視在功率是相等的（忽略變壓器的損耗）。亦即變壓器一次側(cè)線材利用率η1＝1。二次側(cè)結(jié)構容量（二次側(cè)各線圈視在功率之和）為4.功率關系二次側(cè)輸出功率為

變壓器二次側(cè)線材利用率為變壓器一、二次側(cè)線材利用率平均值為變壓器容量利用率為

100%（因為輸出容量等于額定容量）。

5.YN 聯(lián)結(jié)阻抗匹配平衡牽引變壓器的優(yōu)缺點

優(yōu)點是當阻抗匹配系數(shù)λ

=

3

+1時，無論二次側(cè)

Iα

=

Iβ

或

Iα

≠

Iβ

，一次側(cè)三相電流平衡，即無零序電流。當二次側(cè)

Iα

=

Iβ

，cosφα＝cosφβ

時，一次側(cè)三相電流對稱，沒有負序電流對電力系統(tǒng)的影響。一次側(cè)三相制的視在功率完全轉(zhuǎn)化為二次側(cè)二相制的視在功率，變壓器容量可全部利用。一次側(cè)仍為

YN

聯(lián)結(jié)，中性點引出，與高壓中性點接地電力系統(tǒng)匹配方便。二次側(cè)仍有△聯(lián)結(jié)繞組，三次諧波電流可以流通，使主磁通和電勢波形有較好的正弦度。利用逆斯科特聯(lián)結(jié)變壓器把對稱兩相電壓變換成對稱三相電壓，可供應牽引變電所自用電和站區(qū)三相電力。對接觸網(wǎng)的供電可實現(xiàn)兩邊供電。

缺點是設計計算及制造工藝復雜，造價較高。α，β

兩供電臂之間的分相絕緣器兩端承受的電壓為

2

U2N

= 2

×27.5=

38.89

(kV)，因此分相絕緣器的絕緣應注意加強。與YN 聯(lián)結(jié)阻抗匹配平衡變壓器類似的還有YN 聯(lián)結(jié)平衡變壓器和非阻抗匹配YN 聯(lián)結(jié)平衡變壓器。

八、YN聯(lián)結(jié)平衡變壓器1.原理電路

現(xiàn)代交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)向高電壓、大容量發(fā)展，需要牽引變壓器的一次繞組接成

YN形，二次繞組含有△形回路。根據(jù)平衡變壓器的工作原理，要求：

①

一次側(cè)接三相對稱電源電壓時，二次側(cè)二相輸出端口空載電壓對稱（即大小相等，相位差為90）；

②

二次側(cè)二相輸出端口帶相同負載時，一次側(cè)三相電流對稱。1.原理電路

先不考慮阻抗匹配，即

λ

=

1（亦即二次側(cè)內(nèi)縮△形回路

ax，by，cz

各線圈的阻抗

Z2

相等）。當

w3

=

[(

3

-1)/2]w2

時，滿足要求①。但二次側(cè)兩個輸出端口帶相同負載時，B相安匝數(shù)大于

A（或C）相安匝數(shù)?，F(xiàn)在

ax，cz線圈所在鐵芯各增加一個匝數(shù)為

w4

的線圈，分別流過負載電流Iα

，Iβ

，使其產(chǎn)生的磁勢補償

ax，cz

圈電流磁勢，以滿足要求②。新增加的線圈稱為補償線圈。定義

k3

=

w3/w2

，k4

=

w4/w2

，都稱為分匝比。當

k3=k4

3

/3時，可以構成一種平衡變壓器。原理電路和電壓相量圖如圖所示，其中二次側(cè)內(nèi)縮△回路

abc外部

ad，be為平衡線圈，df，eg

為補償線圈。1.原理電路YN

［YNd11（曲折延邊）］聯(lián)結(jié)平衡變壓器原理電路和電壓相量圖1.原理電路分析圖所示的電壓相量圖可以看出，增加補償線圈后，滿足要求①的

k3

，k4

并不是唯一的。如果考慮

k3

，k4

可變，要求①僅靠

k3

，k4

配合就可以實現(xiàn)，要求②則要靠k3

，k4

和

λ

三者配合來實現(xiàn)。在

k3

，k4滿足要求①的條件下，若帶兩相平衡負載，當k3

＞

k4

時，B

相安匝數(shù)大于

A（C）相安匝數(shù)，適當增大

by

線圈阻抗，即取

λ

>1的適當值，可以實現(xiàn)要求②；反之，當

k3

<

k4時，B

相安匝數(shù)小于

A（C）相安匝數(shù)，則適當減小

by線圈阻抗，即取λ

<

1的適當值，可以實現(xiàn)要求②。

可見，采用將平衡線圈、補償線圈、阻抗匹配相結(jié)合的方法，能使λ

，k3

，k4

滿足一定的關系，同時實現(xiàn)要求①和②，構成

YN

聯(lián)結(jié)平衡變壓器，其原理電路和電壓相量圖仍分別如圖所示。增加補償線圈使λ

的取值范圍發(fā)生了根本性的變化，由只能取唯一值擴展到可以在大于零的一定范圍內(nèi)取值。2.電流變換關系

設

ax，by，????

線圈阻抗分別為Z2

，λ

Z2

，Z2

，可得ax，by，

????

線圈電流與負載電流的關系為忽略空載電流后，A，B，C

三相鐵芯柱的磁勢平衡方程為3.電壓變換關系（忽略阻抗電壓降）二次側(cè)兩相輸出端口的電壓平衡方程為將式代入上式，經(jīng)過演算得一、二次電壓變換關系3.電壓變換關系（忽略阻抗電壓降）當UA

，UB

，UC

對稱時，上式變換為這表明三相對稱電壓輸入轉(zhuǎn)換成兩相對稱電壓輸出，并且Uβ

=j

Uα

。由上式可得變壓比為

式中，

U1N

，

U2N

分別為變壓器一、二次額定電壓。3.電壓變換關系（忽略阻抗電壓降）4.功率關系當

Iβ

=jIα

時，二次側(cè)視在功率（輸出容量）

??2=

2????????

從電流、電壓變換關系可知，一次側(cè)三相視在功率相同。一次側(cè)總視在功率由以上兩式顯而易見，S1

=

S2

，變壓器容量利用率為

100%（因為輸出容量等于額定容量），一次側(cè)線材利用率η

1

=1

。4.功率關系二次側(cè)結(jié)構容量

二次側(cè)線材利用率YN 聯(lián)結(jié)平衡變壓器，一次側(cè)三相電流保持平衡；當二次側(cè)兩個輸出端口帶相同負載時，一次側(cè)三相電流對稱，且三相視在功率一樣，故可以采用普通三相三柱式鐵芯。

k3，k4

與

λ

這三個參數(shù)并不獨立，

留有選擇余地。任選λ

＞0，得相應的

k3

和k4，都可以構成平衡變壓器。若以某

λ

值為目標進行設計，當所得到的

λ

偏離目標值時，還可以根據(jù)所得到的

λ

值公式確定

k