張永祥，吳 連，秦浩庭，楊林立，劉 能

0 前言

牽引變壓器是連接牽引供電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，一次側(cè)連接的三相高壓電網(wǎng)，二次側(cè)向單相牽引網(wǎng)供電。主要完成變壓和傳遞的功能，其接線形式不僅影響變壓器容量，而且決定了牽引負(fù)荷對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響程度[1]，因此牽引變壓器接線形式的設(shè)計(jì)非常重要。掌握牽引變壓器的電氣特性，對分析牽引供電系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的影響起關(guān)鍵的作用，如，計(jì)算牽引負(fù)荷諧波在電力系統(tǒng)中的分布，牽引負(fù)荷引起的電力系統(tǒng)三相不平衡等。由于牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷具有不對稱性，所以它使?fàn)恳儔浩鞲叩蛪簝蓚?cè)的三相電流不平衡，并在系統(tǒng)側(cè)母線上產(chǎn)生負(fù)序電流。系統(tǒng)中的負(fù)序電流會在公共連接點(diǎn)處產(chǎn)生負(fù)序電壓，并且通過公共連接點(diǎn)流向其他負(fù)荷，使電網(wǎng)損耗增加，一些設(shè)備無法正常工作。

本文分析的V/v接線牽引變壓器是由2臺單相變壓器組成（雙鐵心共箱體結(jié)構(gòu)），具有的優(yōu)點(diǎn)如參考文獻(xiàn)[2]所述：適應(yīng)左、右牽引接觸網(wǎng)不等容的要求；左、右牽引接觸網(wǎng)可分別單獨(dú)調(diào)壓；容量利用率100%；抗短路能力強(qiáng)，運(yùn)行方便可靠。由于以上優(yōu)點(diǎn)，我國電氣化鐵道某些區(qū)段的牽引變電所的牽引變壓器采用該種接線形式。本文將對該牽引變壓器的負(fù)序特性進(jìn)行分析。

1 V/v接線牽引變壓器負(fù)序電流

1.1 V/v接線牽引變壓器的接線原理

接線如圖 1所示。稱作“不共軛式”，采用 2個雙柱式鐵心，實(shí)際上是共用油箱和散熱器的2臺單相變壓器。該新型V/v接線變壓器在內(nèi)部X1與A2連接，一次側(cè)引出A、B、C 3個端子，而二次側(cè)引出4個端子。x1連接a2后與鋼軌相連并接地，a1和 x2端子引出接到接觸網(wǎng)的接觸線上，分別為牽引負(fù)荷的2個供電臂（即α相和β相）。

圖1 V/v接線牽引變壓器接線圖

1.2 V/v接線牽引變壓器負(fù)序電流

根據(jù)圖1可得：

式中，K為變壓器高低壓繞組的匝數(shù)比。利用對稱分量法分解式（1）可得：

進(jìn)一步，將式（1）代入式（2）可得：

由式（3）可知，變壓器高壓側(cè)無零序電流。

圖2 電壓和電流相量示意圖

以上2式取有效值：

式中，I1為正序電流有效值；I2為負(fù)序電流有效值。

由于電流不平衡度ε=I2/I1，對于一般情況，取Iβ=mIα，可得電流不平衡度：

下面分幾種情況對 V/v牽引變壓器的負(fù)序電流進(jìn)行討論。

（1）牽引側(cè)兩臂負(fù)荷功率因數(shù)角相等。當(dāng)牽引側(cè)兩臂負(fù)荷阻抗相等，則φα=φβ，代入式（6）得：

圖3 ε - m曲線圖

由圖3可以看出，當(dāng)m= 1，即兩側(cè)電流大小相等的時候，電流不平衡度取得最小值0.5。

（2）牽引側(cè)兩臂負(fù)荷功率因數(shù)角不相等，電流相等。該條件意味著φα≠φβ，Iα=Iβ，m= 1，代入式（6）得：

φα取固定值，φβ在-90°～+90°之間取值，繪出ε - φβ曲線如圖4，圖中曲線1、曲線2、曲線3的φα值分別為 0°、-30°、30°。

圖 4 ε - φβ曲線圖

由圖4可知，當(dāng)m= 1，兩臂負(fù)荷的功率因數(shù)角相差60°的時候，電流不平衡度取最小值0。

（3）牽引側(cè)兩臂負(fù)荷功率因數(shù)角不相等，電流不相等。該情況表明：φα≠φβ，Iα≠Iβ，電流不平衡度的表達(dá)式與式（6）一致。m取某個固定值，令(φα-φβ)在-90°～+90°之間取值，繪制ε -(φα-φβ)曲線如圖5，圖中曲線1、曲線2、曲線3的m分別取1，0.85，1.6。

圖 5 ε - (φα - φβ)曲線圖

由圖5可得出，當(dāng)兩負(fù)荷臂的功率因數(shù)角相差60°時，電流不平衡度取得最小值。

2 負(fù)序電壓

負(fù)序電流經(jīng)過電網(wǎng)阻抗將產(chǎn)生負(fù)序電壓，引起電壓不平衡。電力系統(tǒng)中的變壓器等靜止工作元件，當(dāng)它們分別通以正序或負(fù)序電流時，三相的電磁關(guān)系相同，其正序阻抗和負(fù)序阻抗相等[4]。通常工程計(jì)算中不區(qū)分正、負(fù)序阻抗。負(fù)序電壓表達(dá)式為[1]

國家標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度εU的95%概率最大值不得超過2%，極短時該值不得超過4%。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

為了說明牽引負(fù)荷對電力系統(tǒng)的不平衡影響，現(xiàn)以某牽引變電所110 kV母線作為電壓不平衡的監(jiān)測點(diǎn)。西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院鐵道電氣化與自動化實(shí)驗(yàn)室對云南電鐵部分 V/v接線的牽引變電所進(jìn)行了測試，獲得變電所24 h連續(xù)實(shí)測數(shù)據(jù)（采樣間隔為3 s，共28 800個點(diǎn)），然后進(jìn)行編程分析，得到牽引變電所110 kV側(cè)三相電壓不平衡度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 電壓不平衡度統(tǒng)計(jì)值表

從表1可以得出，A和B牽引變電所的電壓不平衡度未達(dá)到國標(biāo)要求，其余3個變電所的電壓不平衡度符合國標(biāo)要求，而電壓不平衡度95%概率最大值除A所以外的4個變電所均符合國標(biāo)要求。因此，不平衡度的大小與牽引兩臂的負(fù)荷有關(guān)，與鐵路部分現(xiàn)場合理安排調(diào)度變電所的兩臂負(fù)荷密切相關(guān)。圖6和圖7是2個不達(dá)標(biāo)的牽引變電所的電壓不平衡度瞬時曲線圖。

圖6 A牽引變電所電壓不平衡瞬時曲線圖

圖7 B牽引變電所電壓不平衡瞬時曲線圖

4 結(jié)論

從測試結(jié)果分析表明，部分V/v接線牽引變電所仍然出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)情況，第1.2節(jié)分析得出的結(jié)論將有利于以后對減小負(fù)序提供一定的參考?？梢?，分析和研究牽引負(fù)荷通過牽引變壓器輸入系統(tǒng)的負(fù)序電流問題是必要的。

實(shí)際運(yùn)行中兩臂負(fù)荷電流功率因數(shù)角接近相等。調(diào)度部門如果能合理安排電力機(jī)車的運(yùn)行，使兩臂的負(fù)荷盡可能相等。將有利于降低牽引負(fù)荷通過牽引變電所注入系統(tǒng)的負(fù)序電流，從而實(shí)現(xiàn)電壓不平衡度滿足國標(biāo)要求，減少其對電網(wǎng)的影響將是十分有利的。

[1]李群湛.電氣化鐵道并聯(lián)綜合補(bǔ)償及其應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.

[2]劉金澤，陳強(qiáng).淺談V/v接鐵路牽引變壓器工作原理及運(yùn)行特點(diǎn)[J].電機(jī)電器技術(shù)，2004，（1）：15-17.

[3]林海雪.電壓電流頻率和電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[M].北京：中國電力出版社，2001.

[4]韓禎祥.電力系統(tǒng)分析[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2005.

[5]GB/T15543-1995 電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1995.