铁路牵引变电所的类型划分与设施构成及其故障分析意义

上古幽灵

铁路牵引变电所的类型划分与设施构成及其故障分析意义

摘要：牵引变电所是电气化铁路电能变换与分配的核心环节，其设备故障分析处理必须建立在对变电所类型、功能和设施构成的准确认识之上。本文依据参考资料中牵引变电所概述章节的内容，梳理按电流制划分的直流、低频交流与工频交流三类牵引变电所的功能差异和主要设备，分析工频交流制下三相、单相及三相—两相三种接线方式的结构特点与优缺点，归纳各类变电所共有的配电装置、变压器与换流设备、监控保护设施及自用电系统，并在此基础上讨论设备类型差异对故障分析思路的影响，指出故障分析应结合本所电流制、接线方式和设备构成具体展开，不宜跨类型套用结论。

关键词：牵引变电所；电流制；接线方式；设备构成；故障分析

引言

牵引变电所承担向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引提供电能并进行变换、分配的功能，其运行可靠性直接关系到牵引供电的连续性。参考资料指出，电气化铁路和城市轨道交通牵引变电所为一级电力负荷，要求电力系统采用双回进线或由两个电源点的环网进线对其可靠供电。这一定位说明，牵引变电所一旦发生设备故障，影响的不只是单台设备，而是整段牵引供电能力，因此对故障的分析处理必须建立在对变电所自身类型和设施构成的清晰认识上。

从故障分析的角度看，不同类型的牵引变电所，其设备组成和故障机理差别较大。直流牵引变电所的核心是整流机组，低频交流牵引变电所的核心是变频设施，工频交流牵引变电所的核心则是降压主变压器及其接线方式。如果不区分电流制和接线方式，笼统地讨论“牵引变电所设备故障”，就容易把某一类变电所的故障现象和处理思路错误地套用到另一类上。参考资料在概述部分按电流制对牵引变电所进行分类，并逐一说明其功能、主要设备和发展简况，为后续分设备、分类型开展故障分析提供了基础框架。

本文的分析范围限于参考资料所提供的牵引变电所概述内容，重点讨论三类牵引变电所的功能与设施差异、工频交流牵引变电所三种接线方式的结构特点，以及这些差异对故障分析工作的启示。文中涉及的具体电压等级、容量范围、供电距离等数据，均以参考资料明确给出者为限；资料未涉及的故障案例、处理步骤和保护定值，本文不作展开。

一、按电流制划分的牵引变电所类型及其功能差异

参考资料明确，根据电力牵引采用电流制的不同，牵引变电所分为直流、低频交流及工频交流三种类型。三者的功能定位不同，决定了主要设备的构成不同。

直流牵引变电所具有降压和整流两种功能，主要设备为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。其换流手段经历了从旋转式电动直流发电机组、水银整流器到硅整流器的演变，资料明确说明后来普遍由硅整流器所取代。

低频交流牵引变电所具有降压和变频两种功能，主要设备包括降压变压器、变频设备和升压变压器。其功能是把电力系统的三相工频交流电经降压并将工频变换成低频，供具有单相整流子牵引电机的机车使用。资料指出，这种变电所在西欧一些国家得到采用；其变频手段早期采用旋转式变频发电机组，后来由静止型大功率晶闸管变频器组取代。资料同时说明，低频交流牵引变电所容量一般比工频牵引变电所小，而电气设施及运行维护比后者复杂，因此限制了它的推广应用。

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。资料指出，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。

从故障分析的角度看，这一分类的直接意义在于：三类变电所的核心变换设备不同，故障分析的重点设备也就不同。直流牵引变电所应重点关注整流装置，低频交流牵引变电所应重点关注变频设备，工频交流牵引变电所则应重点关注降压主变压器及其补偿装置。脱离电流制类型谈“主要设备故障”，在方法上是不严谨的。

二、各类牵引变电所共有的设施构成

尽管三类牵引变电所功能不同，参考资料仍归纳出所有类型牵引变电所共有的设施构成，可概括为四个部分。

其一，配电装置。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。

其二，变换设备。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）。

其三，监控与保护设施。设于控制室内的控制、测量、信号、继电保护和自动、远动装置，是保证电气设备安全、经济运行的监控和保护设施。

其四，自用电系统。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。

这一共有设施框架对故障分析具有方法意义。参考资料在概述部分提出的分析顺序，即按照断路器、隔离开关、并补装置、变压器、互感器及交直流等的顺序展开，正是与上述设施构成相对应的。也就是说，故障分析的对象范围并非随意确定，而是由变电所的设施构成所决定的：配电装置对应断路器、隔离开关、互感器、避雷器，变换设备对应变压器和换流设备，监控保护设施对应继电保护及自动装置，自用电系统对应交直流系统。明确这一对应关系，才能把“设备故障分析”落到具体设备类别上，而不是停留在笼统表述。

三、工频交流牵引变电所的三种接线方式及其特点

工频交流牵引变电所在我国应用广泛，参考资料对其接线方式作了较详细的说明，按主变压器接线方式不同分为三相牵引变电所、单相牵引变电所及三相—两相牵引变电所。这一部分内容对故障分析尤为重要，因为接线方式直接决定了故障时的供电影响范围和倒闸操作方式。

三相牵引变电所采用三相电力变压器为主变压器，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。资料归纳其主要特点为：主变压器为普通三相电力变压器，能提供可靠的三相电源供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，将在系统中形成负序电流并产生不利影响，其负序电流影响较单相牵引变电所小。资料还说明，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。

单相牵引变电所用单相双绕组主变压器构成，资料给出两种常用接线方式。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；其设备简单、经济、主变压器容量利用率高，但由于对电力系统构成单相负荷，即使各变电所轮换接入三相，在局部系统中仍将产生大量负序电流，所以只适于在电力系统容量较大的地区采用。另一种为V，v接线方式，将2台单相主变压器的原边接入高压母线不同的两相间，次边分别以不同的相间电压向两边接触网供电；其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。

三相—两相牵引变电所利用特殊接线方式的主变压器，实现次边两相牵引负荷对称变换为原边三相平衡负荷，典型接线为斯科特接线主变压器。资料说明，该变压器原边有两个绕组，接成倒T形，底部绕组接入高压系统的两相间电压，另一绕组连接于底绕组中心点和高压三个电压中的另一相；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，分别向两侧不同的接触网分段供电，使原边三相负荷实现平衡。资料指出，除斯科特接线外，常用的还有伍德桥接线、十字交叉型接线和阻抗匹配型接线等；这类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，在自耦变压器供电的重载和高速铁路区段，由于负荷大、供电区长，牵引负荷造成系统的负序影响较为突出，因此得到广泛应用。

从故障分析角度看，三种接线方式给出的启示是明确的。V，v接线在一台主变压器停电时三相负荷即中断，需要投入备用主变压器并进行倒闸作业，这意味着该类变电所主变压器故障的处置必然涉及倒闸操作环节；三相牵引变电所设2台主变压器，其容量利用率特点和负序影响特点则关系到故障后运行方式调整的余地。这些差异说明，故障处理方案不能脱离本所接线方式统一拟定。

四、对故障分析处理工作的几点认识

综合参考资料概述部分的内容，可以形成以下几点与故障分析处理直接相关的认识。

第一，故障分析必须以本所电流制和接线方式为前提。资料按电流制分类并逐一说明功能与设备，又对工频交流牵引变电所细分三种接线方式，这一结构本身说明，设备故障的类型、表征和处理方法随变电所类型而不同。参考资料在背景部分也指出，国内外电气化铁路使用的设备不同，遇到故障后分析处理方法在各种文献资料中讲解有所不同且比较分散。因此，学习故障分析时，应先明确本所属于哪一类，再讨论具体设备。

第二，故障分析应覆盖变电所的完整设施构成。参考资料归纳的配电装置、变换设备、监控保护设施和自用电系统四个部分，构成了故障分析的对象范围；其提出的按断路器、隔离开关、并补装置、变压器、互感器及交直流顺序展开的分析思路，与这一设施构成相对应。把分析对象限定在某一两类设备上，容易遗漏自用电系统和监控保护设施这类同样影响供电连续性的环节。

第三，故障处理应服从资料明确的处置原则。参考资料提出，当牵引变电所发生故障后，为减少设备故障对正常供电和对运行人员安全的影响，本着“先送电后修复”的原则，限制事故发展，消除事故的根源及对人身设备安全的威胁，优先投入备用回路设备，必要时采取越区供电等措施，以最快速度保证对自用电接触网线路的供电。资料同时说明，当牵引变电所发生故障后值班人员应迅速报告电力调度和有关领导，除按规定做好现场的安全防护外，还应在力所能及的范围内采取必要措施阻止事故发展；紧急事故处理可不填写工作票，但必须统一指挥、加强监护并有电力调度员的命令和编号；在危及人身或设备安全的紧急情况下，值班人员可先断开有关的断路器和隔离开关，然后再报告电力调度；在处理人身触电和设备事故时采取的临时安全措施要及时通知电力调度。上述内容属于资料给出的处置原则表述，实际作业仍应以现行规章、调度命令和现场管理要求为准。

第四，故障分析能力的培养需要与设备认识同步推进。参考资料指出，部分工作人员业务素质不高、技术水平不够或违章作业，都会造成事故或导致事故扩大；并提到值班员应根据继电保护及自动装置动作情况、各种信号及表计显示情况及各种异常现象进行综合判断，防止慌乱匆忙或未经慎重考虑即兴处理。这说明故障分析不是孤立的技巧，而是建立在对本所设备构成、接线方式和保护配置熟悉基础上的综合判断过程。资料还提到，牵引电气设备运行状态的在线检测和故障诊断，使设备从传统的预防性检修提高到预知性状态检修，对提高设备运行可靠性与有效度、提高电力系统经济效益、降低维修成本都有重要意义。这一方向与故障分析处理互为补充，但资料未给出具体检测手段和判据，本文不作展开。

结论与建议

本文依据参考资料中牵引变电所概述章节的内容，梳理了按电流制划分的三类牵引变电所的功能与主要设备差异，归纳了各类变电所共有的四部分设施构成，分析了工频交流牵引变电所三相、单相及三相—两相三种接线方式的结构特点，并据此讨论了设备类型差异对故障分析工作的影响。可以支持的结论是：牵引变电所的故障分析处理不能脱离本所的电流制类型、主变压器接线方式和设施构成而泛泛展开；参考资料提出的按设备重要性和故障发生概率高低确定分析顺序、按“先送电后修复”原则组织处置的思路，与其概述的设施构成和接线特点具有内在一致性。

据此提出以下建议：一是在开展故障分析学习时，先明确本所电流制与接线方式，再进入具体设备层面，避免跨类型套用结论；二是按配电装置、变换设备、监控保护设施和自用电系统四个部分建立设备清单，使故障分析对象覆盖完整；三是把接线方式特点，特别是主变压器台数、备用投入方式和倒闸操作要求，纳入故障处置预案的考虑范围；四是涉及停电、验电、接地、作业距离和保护定值等安全内容时，严格以现行规章、调度命令和现场管理要求为准，不以概述性资料替代具体规定。

参考资料

铁路牵引变电所设备故障分析处理（第一章 牵引变电所概述）

引用依据：
《铁路牵引变电所设备故障分析处理》

资料使用说明：本文依据已抽取铁路专业原始文本整理，仅供学习参考。涉及规章、技术参数和作业要求时，请以现行有效文件为准。