牵引变电

牵引变电所（traction substation）向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引等提供电能和变换、分配电能的电气装置与设施。

其功能是将电力系统的三相交流电经降压、整流或变频后，供电力机车和...牵引变电所（traction substation）向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引等提供电能和变换、分配电能的电气装置与设施。

其功能是将电力系统的三相交流电经降压、整流或变频后，供电力机车和动车组使用。

类型与主要设施根据电力牵引采用电流制的不同，牵引变电所区分为直流、低频交流及工频交流三种类型。

直流牵引变电所具有降压和整流两种功能，主要设备有降压变压器及整流装置。

用于直流制电气化铁路、矿山与城市轨道交通电力牵引系统。

低频交流牵引变电所具有降压和变频两种功能，主要设备有降压变压器、变频设备和升压变压器。

电力系统的三相工频交流电，经降压并将工频变换成低频162/3Hz，供具有单相整流子牵引电机的机车使用。

这种牵引变电所在西欧一些国家（德国、瑞士、瑞典等）得到采用。

工频交流牵引变电所的主要功能是降压，主要设备是降压变压器，以及无功、谐波综合补偿装置等，随着工频交流电力牵引制的发展，这类牵引变电所在中国、欧洲等不少国家得到广泛应用。

所有类型牵引变电所，都设有由断路器或快速开关、母线、测量用电流、电压互感器和避雷器等电气设备构成的屋外和屋内式配电装置，用以汇集和分配电能；各种电力变压器和换流设备，用以变换电压（降压和升压）、变换电流（整流）与频率（变频）；设于控制室内的控制、测量、信号、继电保护和自动、运动装置，它们是保证电气设备安全、经济运行的监控和保护设施；还设有供变电所运行、维护和控制、保护等需用的交、直流自用电电源与低压配电装置等。

各种牵引变电所功能与主要设施的示意框图见下图。

主要特点电气化铁路和城市轨道交通牵引变电所为一级电力负荷，要求电力系统必须采用双回进线或由两个电源点的环网进线，对其可靠供电。

各种牵引变电所的功能不同，主要设施差异较大，变电所地理环境对电气设施形式及其装置有较大影响，形成各自的特点。

工频交流牵引变电所由于接触网采用25 kV和2×25kV（自耦变压器AT供电方式）单相电压，工频交流牵引变电所之间距离一般可达30km～90km，对于客、货运量大的电气化干线路、重载运输和高速铁路牵引变电所，其主变压器（降压变压器）单台容量可达60MV·A～75MV·A，为保证供电可靠性和供电质量，牵引变电所一般采用110kV～220kV 双回输电线路供电。

见图（a）。

晶闸管相控电力机车负荷特点是功率因数低，负荷电流含有大量奇次谐波，造成不利影响，要求交流牵引变电所设置无功、谐波综合补偿装置，使无功功率就地平衡并降低注入系统的谐波含量（参见并联综合补偿装置，电力谐波）。

按照变压器接线方式的不同，工频交流牵引变电所分为三相牵引变电所、单相牵引变电所及三相一两相牵引变电所。

（分别参见单相接线主变压器，三相接线主变压器，三相一两相接线平衡变压器）。

三相牵引变电所采用三相电力变压器为主变压器的牵引变电所。

变压器接线方式为Y，d11。

每个变电所设2台。

其原边绕组接入电力系统的三相，次边绕组两个端子分别接不同分段的接触网，另一端子接钢轨。

三相牵引变电所的主要特点：主变压器为普通三相电力变压器，能提供可靠的三相电源自用电变压器及其负荷使用；但主变压器容量利用率较低，三相绕组中有一相达不到额定负荷；同时，由于这种牵引变电所对电力系统形成不对称负荷，将在系统中形成到负序电流并产生不利影响（参见负序），其负序电流影响较单相牵引变电所小。

通常将各个牵引变电所的两个重负荷相轮换接入电力系统中的三相，可改善负序影响，采用将轻负荷相容量减小的不等容量三相主变压器，可提高容量利用率94.5%。

单相牵引变电所用单相双绕组主变压器构成的牵引变电所。

有两种常用的接线方式：一种为全并联单相接线，2台主变压器原边绕组并联接入三相系统高压母线的两相间，次边绕组一端与接触网连接，另一端接钢轨。

另一种为V，v接线方式，它是将2台单相主变压器的原边接入高压母线不同的两相间（如AB和BC），次边分别以不同的相间电压向两边接触网供电。

全并联单相接线设备简单、经济、主变压器容量利用率高。

但由于牵引变电所对电力系统构成单相负荷，即使将各个牵引变电所轮换入电力系统中的三相，在局部系统中仍将产生大量负序电流，所以只适宜于在电力系统容量较大的地区采用。

单相V，v接线在电力系统中产生的负序电流和三相牵引变电所相同，影响较小；主变压器容量利用比较充分；能提供三相电源供变电所自用；但一台主变压器停电时，三相负荷即中断，因而工作可靠性差；此时可投入备用主变压器，但需进行倒闸作业，操作较麻烦。

单相牵引变电所在欧洲一些国家的电气化铁路得到较广泛的应用。

三相一两相牵引变电所利用特殊接线方式的主变压器，以实现次边两相牵引负荷对称变换为原边三相平衡负荷的牵引变电所。

具有这种对称变换功能的典型接线为斯科特（Scott）接线主变压器（参见三相一两相接线平衡变压器）。

该变压器原边有两个绕组，接成倒T形，它的底部绕组（称为底绕组）接入高压系统的两相间电压（如A，C相间），另一绕组（称为高绕组）则连接于底绕组中心点和高压三个电压中的另一相（如B相），底绕组和高绕组的匝数比为；次边匝数相同的两个单相绕组，在空间结构上分别与倒T形原边绕组相对应、构成互成π∕2相位差的两相次边电压Uα，Uβ，分别向两侧不同的接触网分段供电。

当两馈电分段电流为Iα，Iβ时，通过电流变比和相位转换，可得原边三相电流I A＝I B＝I C且相位是对称的，使原边三相负荷实现了平衡，是其优点。

能实现这种对称变换的平衡接线方式有很多种，除斯科特接线外，常用的还有伍德桥（Wood Bridge）接线、十字交叉型接线和阻抗匹配型接线等（参见三相一两相接线平衡变压器）。

由这些接线构成的主变压器，在中国和其他国家电气化铁路中都有不同程度的应用。

三相一两相牵引变电所的显著特点是能改善单相牵引负荷对电力系统形成的负序影响，在自耦变压器（AT）供电的重载和高速铁路区段，由于负荷大，AT供电区长，牵引负荷造成系统的负序影响较为突出，因此这种变电所得到广泛应用。

低频交流牵引变电所通过电压交换和变频设施，提供低频（）、交流单相15kV电压，向电力机车供电的牵引变电所。

它有两种形式，一种是早期采用的由专用低频发电厂及相应电网供电，此时低频牵引变电所的功能和设施同工频牵引变电所相似。

但因专用发电厂和输电网的投资大、负序影响大，后来新键牵引变电所都不使用。

另一种是由通用电力系统工频高压电网供电，低频牵引变电所的功能是降压、变频和升压，早期采用旋转式变频发电机组变频，后来已由静止型大功率晶闸管变频器组取代，并获得拥有低频交流牵引制国家的普遍采用。

见图（b）。

具有静止变频器组的低频交流牵引变电所主要设施和特点是，将工频高压电网的高压电，经降压变压器降压后，通过晶闸管变频器及其相控控制系统，把工频电压转换为所需的低频（）单相电压，然后经升压变压器将电压升高为15 kV，向接触网馈电。

低频交流牵引变电所容量一般比工频牵引变电所小，而它的电气设施及其运行维护比后者都要复杂，因此限制了它的推广应用。

直流牵引变电所设有降压、换流设施，提供直流电向直流电力机车供电的牵引变电所。

直流牵引变电所早期先后采用旋转式电动直流发电机组和水银整流器（或称离子交流器）进行换流，随着交流技术的发展，后来普遍由硅整流器所取代（参见整流变压器-整流器机组）见图（c）。

直流牵引变电所一般由10kV～35kV交流双回路电网或环形电网供电。

其主要设施和特点是：①具有多绕组的整流变压器原绕组接入三相电网，经降压后，次边两个绕组（星形和三角形接线）输出12相交流电压，分别对采用桥式并联12相整流电路的两组硅整流桥供电，即可获得输出为12相脉动的整（直）流电压。

然后通过带有快速自动开关的直流配电装置，向直流接触网供电。

按照不同的应用场所，直流牵引变电所结构、主要电气设备类型和配电装置结构形式有较大差别。

②地下铁道和城市轻轨交通直流牵引变电所的布点及其结构有两种形式，一种是每个车站都设置具有单台整流机组的分散式布置牵引变电所，另一种是隔若干车站设置具有多台整流机组并列运行的集中式布置牵引变电所，中国采用后一种布置方式。

在多数情况下，这种牵引变电所的10kV～35 kV汇流母线上还设有专供车站动力、照明负荷和行车信集闭用的动力变压器，构成牵引、动力混合变电所。

③地下铁道和部分城市轻轨交通直流牵引变电所一般设在地下，直流输出电压为750V，1500V两种等级，由于其环境和场地条件的限制，对10kV～35kV交流电压和直流电压系统的配电，应采用室内配电装置，整流机组由自然风冷的干式整流变压器和风冷式金属封闭硅整流器柜组成；并对电气设备的安全性能要求极高，需采用防潮、无自爆、耐火和阻燃的产品。

干线铁路和工矿运输线路直流牵引变电所普遍采用多台整流机组并列运行的集中式布置，变电所的结构形式一般不受场地和环境影响，目前10kV～35kV交流配电广泛采用屋内成套开关柜配电装置，但对35kV电压配电也可按实际情况采用屋外配电装置。

直流输出电压有1500V，3000V两种等级，后者适用于干线电气化铁路。

直流电压配电无例外地采用屋内成套式开关柜。

为改善接触网电流中谐波对铁路沿线平行通信线的干扰影响，在干线电气化直流牵引变电所直流正、负母线间，并联装设由多路电容、电感线圈回路组成的滤波装置，以滤去550Hz，650Hz，1150Hz和1250Hz等各次谐波，在地下铁道或城市轻轨交通线路，由于采用电缆或光纤通信，故不设滤波装置。

发展简况牵变电所的技术装备，是随着电力牵引电流、电压制的变革和电工、电子技术的进步而逐步发展起来的。

19世纪末，国际上最早出现的是装有电动发电机组的直流牵引变电所，迄今已为大功率硅整流机组所取代。

直流牵引所在城市轨道电力牵引和不少国家的干线电气化铁路中，应用仍很广泛。

在干线电力牵引中，20世纪初出现了低频（）单相交流制，这种电流制的低频交流牵引变电所要求同时进行降压变相和变频（三相变成单相、工频变成低频），然后升压，使牵引变电所的设备和运行复杂化，限制了它的发展。

直到20世纪30至50年代以来，工频单相交流制产生并得到进一步完善，其突出特点是，牵引变电所设备大大简化、运行维护简单，促进了工频交流牵引制的推广应用。

中国在20世纪60年代以前, 仅在部分城市的电力和东北少数工矿运输电气化线路，兴建了一批直流牵引变电所。

直到60年代以后，相继在北京、上海等城市新建地下铁道电力牵引系统中，出现了大量采用硅整流机组的直流牵引变电所。