铁路牵引变压器：如何为25 kV牵引变电站选型，为何V/v与Scott接线决定电网不平衡，以及IEC 62695 / EN 50329有何要求

先给出答案：铁路牵引变压器是由牵引系统决定的——电压、频率、接线方式和负载周期——远在讨论 kVA 之前就已确定

牵引变压器是将铁路从公共电网购得的电能转换为列车实际可用电能的设备：将三相 110 kV、132 kV、220 kV 或 33 kV 电源降压——或将三相转换为两相——变为 25 kV 50 Hz、25 kV 60 Hz 或 15 kV 16.7 Hz 接触网电压，或经整流器变为地铁或轻轨系统 600–1,900 V 直流母线电压。它不是贴有铁路铭牌的配电变压器：牵引负荷为单相、间歇性、富含谐波，且常因再生制动而频繁反向，而约束该设备的标准——固定装置适用 IEC 62695 / EN 50329，车载设备适用 IEC 60310，整流变压器适用 IEC 61378-1 和 IEEE 1653.1——之所以存在，正是因为这些工况会突破普通配电设计的极限。四项决策决定设备形态：接线方式（单相、V/v、Scott）、牵引系统的电压和频率、包含过载和再生工况的负载周期，以及绕组必须承受的谐波含量。这四项确定后，kVA 几乎自动得出；若牵引系统判断错误，任何 kVA 数值都无法挽救项目。

关键要点

• 是牵引系统决定变压器，而非相反。25 kV 50 Hz、25 kV 60 Hz、15 kV 16.7 Hz 以及直流系列（1.5 kV、750 V）各自对应不同的铁心、绝缘水平和接线方式——参见50 Hz 与 60 Hz 变压器设计和如何选择电压等级。
• 单相牵引负荷会使三相电网不平衡。接线方式选择（单相、V/v、Scott）、相邻变电所之间的错相接入，以及必要时的补偿设备，是将负序电压不平衡控制在电网规范限值内的手段——这是工程约束，而非形式要求。
• 牵引工况是周期性的，而非稳态的。列车加速、惰行、制动和再生，因此设备必须按负载周期和过载能力来选型，而非依据单一稳态数值。
• 整流器和变流器工况会增加谐波，有时还带来直流磁化。当接触网为直流，或静止变流器位于变压器与列车之间时，适用谐波损耗和降容规则——其机理与变压器谐波过热相同，也属于电解槽用整流变压器同一类别。
• 阻抗或冷却选型不足是典型错误。阻抗同时决定故障电流和电压调整率；冷却和温升决定绝缘寿命。两者都应在报价前纳入技术规范——参见短路电流计算和冷却方式与温升。

牵引变压器在电气化链条中处于什么位置？

铁路电气化方案是一条链条：公共电网 → 牵引变电所 → 馈线和接触网 → 列车。变压器通常在该链条中出现两次（一次在变电所，一次在列车上），有时出现第三次，即沿线路设置的自耦变压器。IEC 62695 明确列出了固定安装系列，该清单很好地勾勒出变压器制造厂实际被要求制造的产品范围。

面向客户的项目通常会在同一份招标中包含其中两到三种角色。非洲或亚洲的走廊电气化项目包通常包含变电站牵引变压器、轨旁自耦变压器或增压变压器以及辅助单元——招标文件会同时引用 IEC 62695、IEC 60076 和 IEC 60850。先读懂整条链路再去看额定参数，才能保证报价具有可比性：如果招标要求的是轨旁自耦变压器，而供应商报的却是变电站单元，那回答的就是另一个问题了。

在列车本体上，设备的特性有所不同。车载牵引变压器和辅助变压器受IEC 60310标准约束——温度窗口更窄、强制冷却、严苛的振动和冲击要求、重量目标，以及由加速、巡航、制动和再生阶段构成的工作周期。车载设备不在IEC 62695的适用范围之内，且大多数出口工厂买家并不采购此类设备；有价值的要点在于，塑造车载设备的相同物理规律（工作周期、谐波、热循环）同样也塑造着变电站设备，只不过后者空间更充裕、重量压力更小。

您的牵引系统属于哪一种？额定电压和频率决定后续所有环节

六种标准化系统覆盖了全球大部分电气化线路里程，它们分为三个交流系列和三个直流系列。这些差异对变压器至关重要，因为它们会改变铁芯尺寸、绝缘设计、连接方式以及机组对负载的响应方式。

对于交流系统，变压器的额定电压和分接范围必须围绕供电电压窗口来设计，而不能仅依据标称值。EN 50163 / IEC 60850 将牵引供电电压定义为一组限值——最低长期电压、最低非长期电压、最高长期电压、最高非长期电压，以及短时长期过电压水平——以标称电压的标幺值表示。对于 25 kV 系统，广泛引用的长期电压带约为标称值的 −24% 至 +10%，短时偏移可达约 +16%；对于 15 kV 16.7 Hz 系统，约为 −27% 至 +15%，并允许在有限时段内进一步偏移。应依据标准自身的表格进行设计，而非凭记忆中的百分比：该数值决定了分接范围、绝缘水平，以及在同时重载起动时列车端电压允许跌落的程度。中国等效标准为GB/T 1402（*轨道交通 牵引供电系统电压*），与 IEC 60850 对齐。

为什么配电变压器无法胜任？牵引工况的四大差异

每年都有一些项目试图通过将标准配电变压器用于牵引工况来节省成本。有时它能撑一段时间，但随后四种失效机理之一便会显现。理解这些机理，正是有竞争力的报价与保修索赔之间的区别所在。

1. 负载为单相，因此电网会出现不平衡

承载三相负载的三相电网具有平衡电流，几乎不含负序分量。而牵引负载最简单的形式就是单相负载：一对相线承载全部牵引电流，另一相电流缺失。其结果是在公共连接点产生负序电流，进而造成负序电压不平衡，其大小大致与牵引负载同该点三相短路容量之比成正比（这是一个有用的一阶工程近似——精确数值取决于阻抗角以及牵引负载的接入方式）。电网规范对此设有上限：中国的GB/T 15543将公共连接点的负序电压不平衡度限值规定为正常运行时的2%、短时4%，欧洲和亚洲大多数电网规范中也有类似限值——国际标准对比指南展示了GB、IEC和IEEE三大标准体系在实践中如何划分这些要求。变压器、其接线方式以及相邻变电站之间的相位旋转，正是设计人员满足该限值的手段。

2. 负载循环剧烈且重复

配电变压器的日负荷曲线变化缓慢。而牵引变压器所面对的是：一列列车、然后两列、五列，随后又归于零：数十MVA的负荷在数十秒内出现又消失，每天重复数百次，且每次列车启动都会产生一次过电流。因此，热循环在设计上就极为严酷，技术规范必须以带过载等级的负载循环来编写，而不能采用单一的连续额定值。这正是负载率与过载能力所涵盖的范畴，也是牵引变压器常被规定具有比同额定容量配电变压器更高的短时过载能力的原因。

3. 再生制动使功率流向反转

现代列车采用电气制动，并将能量回馈至接触网，由另一列车吸收；若变电站具备可逆功能，能量还可回馈至电网。在通勤线路上，再生制动可占牵引能量的相当大比例（基于行业经验；该比例在很大程度上取决于行车密度和坡度）。对变压器而言，这意味着反向功率流的大小与正向功率流处于同一量级，变压器必须在两个方向上具备同等能力。再生制动还会抬高受电端电压，这与下文讨论的分接范围相互影响。在直流系统中，再生制动正是采用逆变器的可逆变电站得以存在的原因——在二极管整流器无法接受功率回馈的场合，制动能量只能在列车上通过电阻消耗。

4. 电流发生畸变，故障工况严苛且接近

交流牵引车队已采用相位角控制晶闸管变流器，以及近期的IGBT和SiC变流器。两者都会产生谐波电流；直流牵引整流器会产生大量特征谐波（5次、7次、11次、13次及其族系）。谐波电流使绕组涡流损耗大致随谐波次数的平方增加，从内部使设备过热，正如谐波电流为何使变压器过热中所述。与此同时，牵引变压器在电气上靠近其负载：接触网和馈线故障相比配电故障更为频繁，因此设备必须设计为能够承受反复的短路耐受以及每次线路区段重新带电后出现的励磁涌流。保护配置也相应规定——与变压器保护装置同族的装置和方案，并且在设备为油浸式的情况下，定期溶解气体分析是标准的状态检查。

V/v、Scott、Woodbridge 或单相：如何选择接线方式？

接线方式是牵引变压器的首要技术决策，其选择取决于电网约束而非个人偏好。实际应用中有四种可行方案。

从该表可以得出三条实用规则。第一，接线方式属于电网规范层面的论据，而非价格层面的论据。如果公共连接点处的短路容量相对于牵引负荷足够大，V/v 接线通常是可以接受的，也是更经济的选择。如果电网较弱或不平衡度限值较严格，Scott 接线则值得为其溢价买单。第二，变电站之间的错相是系统级手段：将相邻牵引变电站接入不同的相别对，使其单相负荷在上游电网中部分相互抵消，这是标准做法，且必须与接线方式的选择协调进行，而不能交由变电站设计人员自行决定。第三，对于三相机组和接地布置，联结组别仍然重要。一次侧为三角形接法的三相机组可抑制三次谐波并解耦接地系统，其原理与Dyn11 与 Yyn0 联结组别中的论述相同，二次侧的接地理念则遵循接地系统设计——同时铁路领域还特别强调，回流路径和接触电压本身就是一项安全问题，受 EN 50122 系列标准管辖。

当单相牵引负荷相对于电网而言较大且无法通过连接方式解决时，就需要增加补偿——最常见的是由无功元件构成的斯坦梅茨（Steinmetz）补偿装置，或静止补偿器。作为变压器供应商，这超出了您设备的界区范围，但它会改变您必须报价的内容：此时变压器可能被要求承载故意不平衡的负荷，或承受指定的谐波与无功工况。

2×25 kV 自耦变压器系统有哪些变化？

在较长的走廊上，经典的1×25 kV供电方式——接触线以25 kV供电、钢轨和大地作为回流——会遭遇电压降瓶颈：线路阻抗和回流阻抗限制了单个变电所能够覆盖的距离以及单个区段能够承载的功率。标准的解决方案是2×25 kV自耦变压器（AT）供电：接触线和专用馈线相对于接地钢轨保持相反极性，牵引变电所以更高的线间电压向该对线路供电，而沿轨道间隔布置的单相自耦变压器——通常间隔在8–15 km范围内，此为行业经验数值——可将负载所见的有效阻抗减半。

对规格的四个影响：

• 自耦变压器不是牵引变电所变压器。它是单相油浸式设备，实际上是连接接触网与馈线、中点接钢轨的1:1自耦变压器，因此其线间额定电压为系统线对轨电压的两倍。其额定容量区间通常远小于变电所变压器，但必须按户外、无人值守的轨旁运行条件及周期性负荷进行设计。
• 链路上每一台设备都承受更高的绝缘要求。由于两根导体处于相反极性，导体间电压高于EN 50163所限定的相对地电压值——标准本身也针对自耦变压器系统指出了这一点。因此，绝缘配合遵循铁路绝缘配合规则，而非照搬相对地设计。
• 变电所变压器容量选择随之改变。AT供电的变电所在接触网电流减半、电压降减半的情况下输送大致相同的牵引功率，这改变了一座变电所可覆盖的线路范围，进而改变招标中所含变电所数量及变压器数量。
• 回流路径是设计交付内容之一。采用AT供电的部分目的在于降低钢轨和大地中的电流，从而减少干扰和接触电压。变压器的绕组布置、中点接地以及检测故障AT的保护配置均需据此确定。

如何为牵引变压器选型？从运行图到铭牌参数的六个步骤

牵引变压器的选型并非从表格中挑选一个kVA值那么简单。它是一项浓缩于规格书中的小型电力系统研究，而以下流程正是能够通过独立审查的那一套。

1. 确定牵引制式与供电方式。 单相或 2×25 kV AT 供电；轨道数量；变电所间距；相邻变电所是否跨相组交错布置；变电所是否具备可逆运行能力。后续所有决策都以此为基础。
2. 依据运行图而非机车额定功率构建重合牵引负荷。 牵引变压器的容量应按同一时间可能处于该供电区段内的列车来确定——同时启动是通勤铁路和地铁网络的控制工况，而重载工况可能更为严苛。即使年能耗相同，同一坡道上两列长编组货运列车爬行的线路与仅有一列动车组运行的线路，其设备配置也截然不同。
3. 按车队实际功率因数换算为 kVA。 现代变流器供电交流机车在其大部分运行范围内功率因数较高，而老式相角控制车队及直流整流负荷则吸收无功功率并产生电流畸变。铭牌容量以 kVA 计，因此功率因数取值过于乐观将导致变压器容量不足。
4. 采用工作制与过载等级而非稳态额定值。 将负荷表示为循环工况——牵引、停站、再生制动、空载——并校验该循环下的热响应，包括峰值热点温度。此步骤需选定冷却方式与温升及绝缘等级，经典的 10 °C 减半寿命关系在此为你提供商业论证依据。
5. 根据实际面临的矛盾选择阻抗。 对于直接供电交流牵引，阻抗通常保持适中，以保证沿线电压调整率可接受；对于整流工况，换相电抗是指定的设计参数，决定直流纹波与故障电流。两种情况下，该数值均与电压调整率相互作用，若两台设备共用母线，还与并联运行相关。牵引变压器阻抗通常高于同容量配电变压器（行业经验；典型值由电力公司和整流器供应商按项目确定，而非依据经验法则）。
6. 补充环境、冗余与分接要求，然后选取最接近的标准容量等级。 户外轨旁设备需具备防风雨能力，设计环境温度应适配现场条件；高海拔或炎热气候需进行海拔与温度降容处理；N-1 冗余决定铭牌容量是否必须单独承担整个区段负荷；分接开关的调节范围必须覆盖 EN 50163 供电电压窗口加上线路自身电压降。完成上述步骤后，方可选取标准容量等级——对于变电所牵引变压器，这往往是定制容量而非目录标准容量。

直流牵引用整流变压器：为何脉波数决定设计

当接触网为直流时，变压器并不直接向列车供电——它为整流器供电，而整流器的脉波数便成为变压器的设计依据。对于750 V DC或1,500 V DC变电站，二极管整流器或晶闸管整流器按6脉波、12脉波或24脉波组构建。提高脉波数可同时实现两点：一是消除直流母线和交流侧的最低次特征谐波，二是将电流分散到更多的晶闸管或二极管上，这正是低压下处理极大电流的方式。

对变压器造成的后果是具体的：

• 两个或四个具有确定相位位移的二次绕组。 12脉波组通常通过两个相位相差30°的二次绕组（星形和三角形，或延边三角形绕组）实现；24脉波组则需要四组位移绕组或两组级联的12脉波组。设计师花费时间的是绕组布置，而非kVA容量。
• 换相电抗是一个规定值。 它决定了直流纹波和整流器侧的故障电流，并与整流器供应商共同选定。这完全属于工业应用变流变压器的IEC 61378-1标准范畴，以及变电站应用牵引电源整流变压器的IEEE 1653.1标准范畴。
• 谐波损耗和涡流损耗主导热设计。 整流变压器承载的电流波形是配电变压器从未设计应对的；需要降容、等效K系数或定制设计。其机理与K系数变压器选型中所述相同。
• 直流侧扰动可能波及铁芯。 不对称故障和变流器行为可能产生直流分量，使仅按正弦磁通设计的铁芯饱和；整流变压器通常设计有更大的磁通裕度，并在运行期间监测油中气体异常。
• 当整流器可逆时，再生制动改变了要求。 可逆变电站意味着功率通过整流器组和变压器回流，因此两者都必须按双向运行而非仅正向运行来规定。

类似的工况也出现在铁路之外：电动汽车充电枢纽、光伏逆变器、电池储能以及电解槽整流器都面临同样的“变流器加变压器”问题，其设计逻辑可以相互借鉴——只是脉波数和负载周期有所不同。

技术规范和铭牌上应包含哪些内容？

牵引变压器招标往往在技术规格阶段就已失利。以下清单是供应商报出可比价格所需的最低信息，也是采购方应要求在铭牌和试验报告上予以回应的最低内容。

有两个习惯值得付出。第一，要求在报价单中列出铭牌项目，而不是在下单之后：回读铭牌正是如何阅读变压器铭牌中所述的技能，能在几分钟内发现绕组电压与分接范围的不匹配。第二，把定制视为一份范围清单，而不是一个形容词。铁路买家想要的大部分内容，不过是不同组合的标准选项；工厂真正无法更改的项目在哪里都一样，如OEM 与 ODM 变压器定制所述。

哪些试验能证明牵引变压器是合适的？

牵引机组的试验结构与电力变压器相同——每台机组进行例行试验，代表性设计进行型式试验，特殊试验经协商确定——并由 IEC 62695 / EN 50329 以及欧洲的互操作性框架补充铁路特定内容。项目应坚持查看的是：

• 例行试验：变比与联结组别验证、绕组电阻、绝缘电阻与介电试验、空载损耗与负载损耗及阻抗测量，以及油浸式机组的油介电试验。对于单相或多二次侧牵引机组，对每一绕组进行变比测量并非可选项目。
• 型式试验：在代表性设计上进行温升试验和冲击试验，并提供铁路专用的负载与短路耐受验证依据。对于整流机组，这正是验证变流器工况之处，而非仅作假设。
• 谐波与损耗验证：在存在谐波电流的情况下进行损耗测量，或提供有据可查的谐波损耗计算，这正是合规整流变压器与伪装成整流变压器的配电变压器之间的区别所在。
• 由客户或其顾问见证的出厂验收试验，在机组包装前完成发运前检查清单——参见发运前检验及更全面的工厂审核检查清单。
• 调试阶段的现场验证：牵引区段送电前所需的绝缘电阻、变比、相序组别检查、保护定值以及接地与回流回路测量，详见调试试验。

大型牵引变压器的运输值得在合同中单独列项。变电站变压器可能重达数十吨，需经公路运至铁路现场，而现场的吊装能力往往受限；运输与安装中所述的充氮油运输及倾斜限值要求完全适用，且现场进场勘察的责任归属于设备采购方。

牵引变压器价格是多少，影响价格的因素有哪些？

牵引变压器并非目录产品，公开价目表几乎不存在，因此价格区间仅可用于对报价进行合理性核对。三大主导因素如下：

• 接线与绕组复杂度。单相单元是最简单的情况；V/v 接线组使用两台标准单元；Scott 或 Woodbridge 接线单元需要 teaser 绕组或带非标准位置分接头的互联绕组，这会同时增加材料成本和制造成本。具有移相二次绕组的 12 脉波或 24 脉波整流变压器同样属于定制绕组作业。
• 阻抗、分接范围与冷却。高阻抗设计、带转换开关的宽范围 OLTC，或配备油泵和风扇的强迫冷却设计，都会增加成本，而仅与配电变压器进行对比将完全忽略这些成本。
• 验证与环境。经过型式试验的设计（含谐波损耗验证）、C5 级涂装体系、船舶或隧道安装、抗震要求以及见证出厂试验都会增加成本，这些成本在 kVA 数值中不可见，但在招标评审中具有决定性作用。

在材料成本方面，若需一个数量级上的参照，配电变压器价格构成展示了铜、钢和变压器油如何随容量缩放——但牵引变压器绝不应通过缩放配电变压器来定价。在商务方面，正确的框架是FOB报价实际包含的内容，以及在资产全生命周期内的总拥有成本，其中单次非计划牵引停运的成本远超两份报价之间的差额。保修和交付条款值得在付款前以书面形式协商——关键条款与变压器保修条款和交付交货周期中列明的条款相同。若为公开招标，经核实的第三方认证（如CE标志或UL/CSA认证）可能是通过/不通过的条件，因此应在投标前而非投标后确认。

导致牵引项目蒙受损失的五项规格错误

1. 按机车额定值而非同时段实际负荷选型。 结果往往是既昂贵、又在起决定性作用的同步启动工况下额定值捉襟见肘。应从运行图出发进行选型。
2. 忽视再生制动会反向改变功率流向。 仅按正向功率设计变压器、且变电所不具备可逆通路，会浪费制动能量，在某些设计中还会使设备承受其规格未涵盖的热循环。
3. 用配电变压器贴上铁路铭牌报价。 谐波损耗、励磁涌流工况和短路耐受要求均不相同；节省在报价时显现，却在第一次DGA取样时消失。
4. 将供电电压窗口和分接范围交由供应商决定。 如果分接范围未覆盖EN 50163 / IEC 60850窗口加上线路走廊自身的电压降，设备就无法维持列车端电压，而设计范围界定过窄的问题，再多测试也无法弥补。
5. 按价格而非电网规程选择接线方式。 V/v接线往往是正确且更经济的选择——但前提是已针对牵引负荷和电网短路容量，核验了公共连接点处的负序限值。

如果您的项目已进入牵引系统定型、变电站方案正在起草的阶段，那么对初步额定参数进行快速合理性校验的最快方法，就是在招标发布之前先完成负载与损耗的算术核算——这与工程工具箱为电力系统设计工作提供的计算相同。明确牵引系统、同时发生的负载与工作制，其余规范便可随之确定。

资料来源

• 来源：IEC 62695:2014 — 铁路应用 – 固定设施 – 牵引变压器（源自 EN 50329:2003 及其修订 A1:2010）
• 来源：EN 50329:2003/A1:2010 — 铁路应用 – 固定设施 – 牵引变压器
• 来源：IEC 60310 — 铁路应用 – 机车车辆上的牵引变压器和电抗器（2016 版；2026 版）
• 来源：IEC 60850 — 铁路应用 – 牵引系统的供电电压
• 来源：EN 50163:2004 及其修订（A1、A2:2020、A3:2022）— 铁路应用 – 牵引系统的供电电压
• 来源：GB/T 1402 — 轨道交通牵引供电系统电压 / 铁路应用 – 牵引系统的供电电压
• 来源：IEC 60076 系列 — 电力变压器（包括 IEC 60076-1 油浸式、IEC 60076-11 干式、IEC 60076-15 气体绝缘式）
• 来源：IEC 61378-1:2011 — 变流变压器 – 第 1 部分：工业用变压器
• 来源：IEEE 1653.1 — IEEE 变电站用额定直流输出不超过 1500 V 的牵引整流变压器标准
• 来源：IEEE 1653.2 — IEEE 变电站用额定直流输出不超过 1500 V 的不可控牵引整流器标准
• 来源：IEC 62590（EN 50328）— 铁路应用 – 固定设施 – 变电站用电子电力变流器
• 来源：EN 50122 系列 — 铁路应用 – 固定设施 – 电气安全、接地和回流电路（包括第 1 部分防护措施和第 3 部分交流与直流牵引系统的相互影响）
• 来源：IEC 62497-1 — 铁路应用 – 绝缘配合 – 第 1 部分：基本要求
• 来源：IEC 62236-5 — 铁路应用 – 电磁兼容 – 第 5 部分：固定供电设施和设备的发射与抗扰度
• 来源：IEC 60850 / GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡 — 公共连接点负序电压不平衡度限值（正常运行 2%，短时 4%）
• 来源：IEEE 519 — 电力系统谐波控制的推荐做法和要求
• 来源：IEEE C57.110 — 在供给非正弦负载电流时确定液浸式和干式电力及配电变压器能力的推荐做法
• 来源：EN 50388 — 铁路应用 – 供电和机车车辆 – 为实现互通性，供电（变电站）与机车车辆之间协调的技术准则
• 来源：关于欧盟境内铁路系统互通性的指令 (EU) 2016/797 — EN 50163 / EN 50329 系列所适用的框架
• 来源：关于小型、中型和大型电力变压器生态设计要求的欧盟法规 (EU) No 548/2014 — 在相关情况下适用于电网侧供电变压器
• 来源：QDTB 工程团队 — 行业经验 / 行业经验值，涵盖典型牵引变电站和轨旁自耦变压器的额定容量范围、自耦变压器间距实践、整流变压器配置、相关成本驱动因素、设计环境条件和降容假设，以及时刻表密集线路上再生制动能量的相对占比