变压器在轨道交通中的应用及原理

变压器在轨道交通中的应用及原理

在现代轨道交通领域，无论是高速飞驰的高铁，还是穿梭于城市地下的地铁，稳定可靠的电力供应都是其安全、稳定运行的核心保障。变压器作为电力传输与转换的关键设备，在轨道交通系统中承担着不可或缺的角色。

一、变压器在轨道交通中的应用场景

（一）牵引供电系统

• 电压变换与升压传输：轨道交通的牵引供电系统需要为列车运行提供强大的动力。由于电力在长距离传输过程中会产生较大的线路损耗，为减少损耗，通常采用高压输电的方式。以高铁为例，电网输入的电压一般为 110kV 或 220kV，变压器需将其转换为适合牵引网的电压，如 25kV 的单相交流电（交流制牵引供电系统） 。通过升压变压器，将电网电压提升后输送至牵引变电所，再经过降压变压器将电压降至合适等级，为列车的牵引电机提供电能，驱动列车运行。

  
  

• 隔离与保护：牵引供电系统中的变压器具备电气隔离功能，能有效隔离电网与列车之间的电气联系，防止电网中的谐波、过电压等干扰影响列车的正常运行。同时，当牵引供电系统出现短路、过载等故障时，变压器的保护装置可迅速动作，切断电路，避免故障范围扩大，保障列车和人员的安全。

（二）辅助供电系统

• 多种电压适配：轨道交通车辆内部需要多种不同等级的电压，以满足照明、空调、通风、控制系统等各类设备的用电需求。变压器可将牵引供电系统提供的高压电转换为适合车辆设备的低压电，如将 25kV 交流电转换为 380V 交流电用于空调、通风设备，转换为 220V 交流电用于照明系统，转换为直流电（通过整流环节配合）用于控制系统等，确保车辆内部各设备正常运转。

  
  

• 稳定供电保障：在列车运行过程中，负载情况会不断变化，辅助供电系统中的变压器能够根据负载需求动态调整输出电压和电流，保证供电的稳定性。此外，当某一设备出现故障导致电流异常时，变压器的保护机制可及时响应，隔离故障设备，避免影响其他设备的正常供电，维持列车运行环境的舒适性和安全性。

（三）变电站与配电系统

在轨道交通沿线的变电站和配电系统中，变压器同样发挥着重要作用。它们负责将电网输入的高压电进行多级降压，分配至不同的用电区域，如车站、区间隧道等。同时，通过合理配置变压器的容量和数量，优化电力分配，提高整个轨道交通供电系统的可靠性和运行效率，确保各个环节都能获得稳定、充足的电力供应。

二、变压器在轨道交通中的应用原理

变压器的工作原理基于电磁感应定律，其主要结构包括铁芯和绕组。绕组分为初级绕组和次级绕组，当交流电流通过初级绕组时，会在铁芯中产生交变磁场。根据电磁感应原理，该交变磁场会在次级绕组中感应出电动势，从而实现电能从初级绕组到次级绕组的传递。通过改变初级绕组和次级绕组的匝数比（:），可以实现电压的变换，即，其中为初级电压，为次级电压 。

在轨道交通应用中，为适应牵引供电和辅助供电的特殊需求，变压器进行了针对性设计。例如，在牵引供电系统的变压器设计中，考虑到列车运行时负载的波动性和冲击性，会采用特殊的铁芯材料和绕组结构，以降低铁芯损耗和绕组铜损，提高变压器的过载能力和抗短路能力。同时，为减少电磁干扰对列车控制系统的影响，变压器会加强屏蔽和绝缘措施，确保其电磁兼容性。在辅助供电系统中，变压器则注重提高电压调节的精度和响应速度，以满足车辆内部各类设备对稳定供电的要求。

此外，现代轨道交通中的变压器还配备了智能化监测和保护装置。通过内置的传感器实时监测变压器的油温、绕组温度、局部放电等参数，并将数据传输至监控系统。一旦检测到异常情况，监控系统可及时发出预警信号，并根据预设的保护策略自动采取措施，如调整运行参数、切断故障电路等，实现变压器的智能运维和故障预防。

三、变压器在轨道交通中的应用原理图

在上述原理图中，城市电网的 110kV 或 220kV 高压电首先接入主降压变压器，将电压降至适合牵引变电所和配电系统使用的电压等级。降压后的电能输送至牵引变电所，牵引变电所内的牵引变压器将电压进一步转换为 25kV 的单相交流电，通过接触网为电力机车供电，驱动列车运行。同时，牵引变电所还通过辅助变压器将电能转换为车辆辅助供电系统所需的 380V、220V 等不同等级的电压，为列车内部的照明、空调、通风等设备供电。在变压器运行过程中，内置的传感器组实时监测牵引变压器和辅助变压器的运行参数，并将数据分别传输至牵引供电监控系统和辅助供电监控系统，实现对变压器运行状态的实时监控和智能管理，确保轨道交通供电系统稳定、可靠运行。

综上所述，变压器在轨道交通的牵引供电、辅助供电以及变电站配电等多个环节都发挥着至关重要的作用。其通过科学的电压变换、可靠的电气隔离和智能的监测保护，为轨道交通的安全、稳定运行提供了坚实的电力保障。