单线电气化铁路牵引变压器容量计算分析

单线电气化铁路牵引变压器容量计算分析

王兵， 赵强

山东中联电气有限公司，山东省淄博市桓台县， 256400

摘要：电气化机车中没有自带很重的引擎以及燃料，其能量由铁路动力系统提供，即对沿线牵引变电所输送电力的外部供电系统，以及从牵引变电所经降压、变相或换流（转换为直流电）后，向电力机车、动车组供电的变、直流牵引供电系统。其中，牵引变电站可以恢复高压输电线路的高压电流,然后输送到铁路的空中联络网，用弧线牵引电力机车，从而带动车辆行驶。电气化铁路是伴随着电力机车的出现而产生的，电气化铁路具有节省能源的优势，其热效率可以达到20％~26％，在运输能力、功率以及牵引量等方面有较大的优势。除此之外，还具有维修少、噪声小、资源消耗少等优势。

关键词：单线电气化铁路；牵引变压器；容量计算

引言

牵引变压器是为电力机车提供能量的关键设备，其容量大小关系到电气化铁路的运营安全及运营成本，容量过小会造成牵引变压器负荷率过大，影响牵引变压器寿命，容量过大会造成能源浪费，增加运输部门经济负担，不符合国家节能减排的要求。为此，对牵引变电所变压器容量重新研究，分别用“平均运量法”、“概率统计法”计算了牵引变压器容量，并基于实测数据对变压器容量的选择进行分析，保证了变压器容量选择的合理性。

1牵引变压器容量传统算法

牵引变压器容量传统算法一般分四个步骤:

(1)确定牵引变压器容量计算条件:根据线路年运输量、列车牵引定数等要求确定正常运行所需的列车对数N;根据列车在供电臂走行时间、带电运行时间及平均能耗等计算两供电臂的平均电流I_av1、I_av2和有效电流I_e1、I_e2。

(2)确定牵引变压器计算容量S_计:根据供电臂平均电流、有效电流与变压器绕组电流的关系，确定不同接线变压器的容量计算公式;确定满足正常列车对数N所需的变压器容量S_计。

(3)确定牵引变压器校核容量S_校:计算满足列车紧密运行时(对应最大列车对数N_max)所需的容量S_max;根据变压器的过负荷倍数k，确定牵引变压器的校核容量S_校(S_校=S_max/k)。

(4)确定牵引变压器安装容量S_安:比较计算容量S_计与校核容量S_校，二者取其大，综合考虑变压器的备用方式与变压器产品规格等确定安装容量S_安。这种方法计算牵引变压器容量时，每列车的能耗都按重车考虑，N_max取最严重情况时的列车对数，确定S_安时选择大于S_计或S_校的一个容量等级。因此，采用这种传统算法确定的牵引变压器容量，不仅能够满足最大负荷的供电能力要求，而且一般都会有较大富余量。

上述算法存在以下不足：

(1)采用的过负荷倍数k所对应的牵引变压器负载率远远高于其实际负载率，这种情况下，牵引变压器具有更高的过载能力，可以允许比k更高的过负荷倍数，传统算法未考虑这一实际因素。

(2)决定变压器容量是否合适的关键是变压器实际运行时的电流限值、温度限值与寿命损失是否满足规定要求，传统算法未对这些参数进行校验，易使变压器容量设置偏大。

2电气化铁路牵引变压器容量计算条件

2.1牵引变压器调压参数设置

(1)牵引变压器调压方式应根据《电力变压器选用导则》(GB/T17468—2008)要求，优先采用高压侧无励磁调压方式。

(2)对外部电源供电电压偏差较大地区，在《电力变压器》(GB1094.1—2013)规范下，110、220、330kV电压等级牵引变压器调压范围应不限于额定电压±2×2.5%，调压范围可根据外部电源情况在±2×2.5%、±3×2.5%、±4×2.5%内选择。

(3)分接范围可根据具体情况，按照《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》(GB/T6451—1999)、《分接开关第1部分:性能要求和实验要求》(GB/T10230.1—2007)、《分接开关第2部分:应用导则》(GB/T10230.2—2007)规定，在分接级数和级电压不变的情况下，允许增加负分接级数，减少正分接级数，或增加正分接级数，减少负分接级数。

2.2列车用电量的计算条件

在铁路运输中，除了满载的直通货物列车（重车）外，还有零担列车、摘挂列车、不满载列车和旅客列车。当上、下行两个方向货运量不一致时，会出现一部分空载列车。牵引变压器容量必须满足各类电力牵引列车用电的需要。一般对于不同类型的列车，都按满载货物列车考虑。当电力牵引的旅客列车数比例较大时，或上（下）行方向空载车数比例很大时，也可分别按实际的客、货、空列车的用电量计算。

2.3列车密度N的计算条件

牵引变压器容量应和铁路运输量的大小及其增长速度相适应。当线路断面确定后，最关键的是年运量。由年运量可以算出需要的线路通过能力，它反应了列车负荷密度。近期按调查运量计算时，还应考虑货运量的波动性，波动系数一般采用20%。远期按国家要求的年输送能力计算时，仅考虑储备系数，不考虑波动系数。在计算牵引变压器计算容量时，列车密度（计算列车数）N可按不同条件分别计算，当采用近期年运量时，计算公式如下：

式中：K₁———波动系数（取1.2）；

K₂———储备系数（单线取1.2，双线取1.15）；

Γ———年运量（104t/年）；

G———列车牵引重量（t）；

γ_净———货物列车净载重系数，即货车净载重与货车总重之比；

365———全年的日数（d/年）。

3基于实测数据的牵引变压器容量选择分析

3.1基于实测数据的牵引变压器容量计算结果

1）馈线平均电流Ip：

式中，T为计算时间，S；ia为供电臂瞬时电流，A。

2）馈线有效电流Ix：

3.2基于实测数据的牵引变压器容量选择分析

为方便分析，将理论计算结果与基于实测数据计算结果的差异进行对比，如表1所示。

表1计算结果差异对比

由上表可以看出来，理论计算的结果与基于实测数据计算的结果有一定的误差，产生误差的原因除与综合自动化系统的记录精度、选取的样本有关外，还与线路坡度、接触网分相位置、车站位置、机车类型等因素有关，具体分析如下。

3.2.1线路坡度的影响

列车实际运行过程中，列车牵引负荷电流受牵引货物的重量、司机操控等因素影响经常变动，而牵引供电计算是从能耗角度计算的，在坡度较大的情况下得出的列车平均电流往往较大。

3.2.2接触网分相位置与车站位置关系的影响

由牵引计算的过程可知，其计算结果体现的是车站到车站的数据，而牵引供电计算的结果体现的是变电所到接触分相的数据。接触网分相位置不可能与车站中心位置重合，所以会导致误差的产生。

3.2.3机车类型的影响

由于在牵引计算时只能使用一种机车类型，而实际运行中往往多种机车混跑，因此也会导致误差的产生。根据理论计算与实测数据计算结果及其对比分析，综合考虑计算误差、线路通过能力、预留储备能力等因素，故本工程牵引变压器容量选择为（16+16）MVA。

结语

通过牵引变压器容量选择的分析可以看出，单线电气化铁路采用“平均运量法”、“概率统计法”等理论计算方法对牵引变压器容量计算均具有较好的适应性；在既有线改造工程中，利用实测数据对牵引变压器容量进行计算，可进一步验证理论计算结果的正确性。本文通过理论计算与实测数据计算两种方法合理的选择了牵引变压器容量，满足了牵引供电系统的可靠性、经济性。

参考文献

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[2]丁峰.电气化铁路牵引供电计算方法适应性研究[D].成都：西南交通大学，2014.

[3]史天玉.基于馈线电流的牵引变压器容量计算[J].电气化铁道，2015（1）：41-43.