游廣增 馬 斌 朱 毅

（1.云南電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650000；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

我國(guó)電氣化鐵路采用單相工頻交流制式，取電于電力系統(tǒng)。牽引變電所作為電力系統(tǒng)和電氣化鐵路牽引網(wǎng)的聯(lián)結(jié)，向電力機(jī)車輸送合格的電能。我國(guó)現(xiàn)行的牽引變電所供電方式絕大多數(shù)為三相-二相制，即其原邊取自電力系統(tǒng)的110kV、220kV 或330kV 三相電壓，次邊向兩個(gè)單相供電臂供電，其母線額定電壓為27.5kV 或55kV。

牽引變壓器是鐵路牽引供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，我國(guó)目前采用的牽引變壓器接線形式有YNd11接線變壓器、V 型接線變壓器、平衡接線變壓器和單相接線變壓器。牽引變壓器類型的選擇，應(yīng)綜合考慮牽引負(fù)荷特性及對(duì)電力系統(tǒng)的供電要求、電力系統(tǒng)的短路容量、牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響、牽引變壓器容量利用率等因素進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定[1]。

本文針對(duì)電氣化鐵路負(fù)荷性質(zhì)，研究不同牽引變壓器接線方式對(duì)諧波和負(fù)序的影響，為鐵路設(shè)計(jì)部門對(duì)變壓器的選擇提供決策依據(jù)。

1 各種接線形式牽引變壓器特點(diǎn)分析[2]

1.1 單相接線牽引變壓器

在國(guó)內(nèi)采用的眾多接線形式的牽引變壓器中，最簡(jiǎn)單的接線形式應(yīng)屬單相接線牽引變壓器，其接線原理圖如圖1所示。牽引變壓器的原邊只接入電力系統(tǒng)中的兩相；副邊一端與牽引側(cè)母線連接，另一端與軌道及地網(wǎng)連接。牽引變電所兩供電臂由同一相供電。牽引負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)而言屬于純單相負(fù)載。

圖1 單相牽引變壓器原理展開圖

單相接線牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)是，其容量利用率可達(dá)100%，主接線簡(jiǎn)單，設(shè)備少，占地面積少，投資省等。其缺點(diǎn)是：不能供應(yīng)地區(qū)和牽引變電所三相負(fù)荷用電；對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響較大。所以這種接線的變壓器只適用于電力系統(tǒng)容量較大，電網(wǎng)較發(fā)達(dá)，三相負(fù)荷用電能夠可靠的由地方電網(wǎng)得到供應(yīng)的場(chǎng)合，另外，單相牽引變壓器要按全絕緣設(shè)計(jì)制造，次邊兩繞組容量不等。

1.2 YNd11 接線牽引變壓器

YNd11 牽引變壓器原邊接線如圖2所示。

圖2 YNd11 牽引變壓器的規(guī)格化定向

YNd11 接線牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)是牽引變壓器低壓側(cè)保持三相，有利于供應(yīng)牽引變電所自用電和地區(qū)三相電力。YNd11 接線變壓器在我國(guó)采用時(shí)間長(zhǎng)，有比較多的經(jīng)驗(yàn)，制造相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格也較便宜。原邊YN 接線中性點(diǎn)可以引出接地，原邊繞組可按分級(jí)絕緣設(shè)計(jì)制造，與電力系統(tǒng)匹配方便。

缺點(diǎn)主要是牽引變壓器容量不能得到充分利用，當(dāng)重負(fù)荷相繞組電流達(dá)到額定值時(shí)，牽引變壓器的輸出容量只能達(dá)到其額定容量的75.6%，引入溫度系數(shù)也只能達(dá)到84%。另外，應(yīng)用此接線的牽引變電所滯后相供電臂電壓損失較大，供電質(zhì)量相對(duì)較差。與采用單相接線牽引變壓器的牽引變電所相比，主接線復(fù)雜一些，用的設(shè)備、投資也較多，維修、檢修工作量及相應(yīng)的費(fèi)用也有所增加。

目前新建的電氣化鐵路，已不采用該接線。

1.3 V 型接線變壓器

V 接線牽引變壓器是目前我國(guó)電氣化鐵路應(yīng)用最為廣泛的接線型式之一。隨著我國(guó)電氣化鐵路牽引供電方式的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了低壓側(cè)饋出電壓為27.5kV的Vv 接線變壓器及低壓側(cè)饋出電壓為2×27.5kV 的Vx 接線變壓器。

低壓側(cè)饋出27.5kV 電壓，主要適用于直接供電方式及帶回流線的直接供電方式。接線原理如圖3所示。

圖3 三相Vv 接線牽引變壓器原理展開圖

低壓側(cè)饋出2×27.5kV 電壓，主要適用于自耦變壓器供電方式。其原理可看成將兩單相三繞組變壓器拼接，且將中性點(diǎn)引出并接地。其原理展開圖如圖4所示。

圖4 三相Vx 接線牽引變壓器

此接線牽引變壓器繼承了三相Vv 牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)，并利用變壓器二次側(cè)繞組兼做AT，省掉了變電所饋線AT，降低了工程投資。但同時(shí)應(yīng)該指出的是，當(dāng)牽引網(wǎng)中距變電所第一個(gè)AT 段內(nèi)有機(jī)車用電時(shí)，牽引變壓器二次繞組TR 部分更近似直接供電方式，形成二次繞組功率在TR 和RF 間的不平衡分布，加重了TR 間繞組的負(fù)擔(dān)，在制造時(shí)需要適當(dāng)增大這部分繞組的銅截面，其增大系數(shù)與第一個(gè)AT 段長(zhǎng)度占整個(gè)供電臂長(zhǎng)度的比例有關(guān)，當(dāng)該比值在1/3 左右時(shí)，TR 間繞組的平均電流可增大12%～15%左右。

目前我國(guó)建設(shè)的客運(yùn)專線，如京津城際、京滬高速鐵路等，均采用該種接線。

1.4 平衡接線變壓器

目前已有的平衡接線變壓器，主要有兩大類。一類是適用于直接供電方式的，如阻抗匹配平衡變壓器及各種改進(jìn)型接線，牽引變壓器額定電壓為110/27.5kV，國(guó)內(nèi)均有成功生產(chǎn)制造的產(chǎn)品。另一類為使用于自耦變壓器供電方式的平衡變壓器，如斯柯特（Scott）、變形伍德橋（Wood-Bridge）及YNvd接線。這里將重點(diǎn)介紹斯柯特、阻抗匹配平衡變壓器。

1）斯柯特變壓器

斯柯特變壓器主要有兩種，第一種為低壓側(cè)不抽出中性點(diǎn)，低壓側(cè)額定電壓為 55kV，為得到2×27.5kV 電壓，在牽引變電所饋線出口設(shè)饋線自耦變壓器，其接線原理圖如圖5所示。該接線主要應(yīng)用在早期建設(shè)的AT 供電方式的電氣化鐵路中，外部電源電壓等級(jí)為110kV，如京秦線和大秦線。

圖5 Scott 接線圖

另外，為取消饋線自耦變壓器，減少工程投資，目前正在研制低壓側(cè)抽出中性點(diǎn)，額定電壓為220/（2×27.5）kV 的斯柯特牽引變壓器，其高壓側(cè)與傳統(tǒng)的Scott 接線變壓器相同，但在低壓側(cè)，T 座和M座繞組的中點(diǎn)抽出并與鋼軌相連接，直接向牽引網(wǎng)供電。通過合理選擇牽引變壓器繞組間的阻抗約束關(guān)系，額定在變電所內(nèi)的饋線AT 可省掉。

斯柯特平衡牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)M 座和T 座兩供電臂負(fù)荷電流大小相等、方向相同時(shí)，變壓器原邊三相電流對(duì)稱，一定程度上可減輕牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的不平衡（負(fù)序）影響；能供應(yīng)牽引變電所自用電和地區(qū)三相負(fù)荷（用逆斯科特接線變壓器把對(duì)稱兩相電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)稱三相電壓）。

缺點(diǎn)是斯柯特接線牽引變壓器制造難度較大，絕緣水平要采用全絕緣，造價(jià)較高；牽引變電所主接線復(fù)雜，設(shè)備較多，工程投資也較大；維護(hù)、檢修工作量和相應(yīng)的費(fèi)用也有所增加。另外，與Vx 接線一樣，其次邊繞組也存在容量與阻抗的匹配問題。

2）阻抗匹配平衡變壓器

阻抗匹配平衡變壓器原邊情況與普通三相YNd11 接線變壓器的原邊情況相同，鐵芯也是三相芯的。其主要特點(diǎn)是通過副邊繞組三角形接線的結(jié)構(gòu)和阻抗的改變實(shí)現(xiàn)將三相對(duì)稱電壓變換成二相對(duì)稱電壓。其接線原理如圖6所示。

圖6 阻抗匹配平衡變壓器原理展開圖

該接線原邊仍為YN 接線，中性點(diǎn)引出，與高壓中性點(diǎn)接地電力系統(tǒng)匹配方便。副邊仍有三角接線繞組，三次諧波電流可以流通，是主磁通和電勢(shì)波形有較好的正弦度。利用逆斯柯特接線變壓器把對(duì)稱兩相電壓變換成對(duì)稱三相電壓，可供應(yīng)牽引變電所自用電和站區(qū)三相電力。

缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)計(jì)算及制造工藝復(fù)雜，造價(jià)較高。與斯柯特接線一樣，兩供電臂之間的分相絕緣器兩段承受的電壓為因此分相絕緣器的絕緣應(yīng)注意。

目前只在電力系統(tǒng)欠發(fā)達(dá)地區(qū)設(shè)置的牽引變電所，采用阻抗匹配平衡接線變壓器。

2 牽引變壓器接線方式對(duì)諧波和負(fù)序的影響研究

2.1 牽引負(fù)載數(shù)據(jù)來源

牽引供電系統(tǒng)的特殊性，主要在于其負(fù)載的特殊。要研究不同變壓器接線方式所帶來的不同影響，首先要了解變壓器所帶負(fù)載的特性。在這里，我們采用某牽引變電所的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，周期為一天24 h 時(shí)。兩臂負(fù)荷電流如圖7和圖8所示。

圖7 α 相負(fù)載電流

圖8 β 相負(fù)載電流

兩供電臂各次諧波電流統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1和表2。

可見，隨著諧波次數(shù)增加諧波電流的平均值越來越小，且偶次諧波含量明顯小于奇次諧波，25 次之后奇次諧波電流小于10A，在此不再列出。

表1 α 相諧波電流含量統(tǒng)計(jì)表

表2 β 相諧波電流含量統(tǒng)計(jì)表

2.2 不同接線方式對(duì)牽引變電所一次側(cè)諧波和負(fù)序影響

牽引負(fù)荷具有嚴(yán)重的不對(duì)稱性，可以看作電力系統(tǒng)中的負(fù)序和諧波電流源，有必要基于牽引變電所供電臂負(fù)荷數(shù)據(jù)開展不同接線方式牽引變壓器對(duì)牽引變電所一次側(cè)諧波和負(fù)序的影響研究。所以，下面重點(diǎn)分析Vv 接線牽引變壓器、YNd11 接線和阻抗匹配平衡變壓器對(duì)牽引變電所諧波和負(fù)序的影響。

首先討論各牽引變電所分別采用不同接線形式牽引變壓器時(shí)，高壓側(cè)電流不平衡度和諧波電流總畸變率，高壓側(cè)電流不平衡度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，各牽引變電所110kV 側(cè)電流畸變率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表3 110kV 側(cè)電流不平衡度統(tǒng)計(jì)

表4 110kV 側(cè)電流畸變率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

基于上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1）基于全天測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：阻抗匹配平衡接線變壓器削弱負(fù)序電流的能力相對(duì)于Vv變壓器和YNd11 接線效果稍好，但優(yōu)勢(shì)不明顯，究其原因是由于牽引變電所兩臂負(fù)荷的波動(dòng)性和不平衡性造成的，這也代表了云南境內(nèi)山區(qū)單線電氣化鐵路牽引負(fù)荷的特點(diǎn)。為了研究不同工況下各種接線變壓器抑制負(fù)序電流能力，下面針對(duì)兩臂負(fù)荷的不同組合進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2）阻抗匹配平衡接線、Vv 接線和YNd11 接線對(duì)高壓側(cè)的諧波電流畸變率的影響區(qū)別不大，阻抗匹配平衡接線稍好一些。因此，改變變壓器接線方式對(duì)諧波的影響作用不大。

利用供電臂負(fù)載大小的不同代表多種運(yùn)行工況，提取鹽津牽引變電所某天四個(gè)時(shí)刻的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別代表了α和β供電臂均為中等負(fù)載且大小接近、α和β供電臂均為小負(fù)載、α供電臂為大負(fù)載且β供電臂為小負(fù)載、β供電臂為大負(fù)載且α供電臂為小負(fù)載等四種實(shí)際工況，對(duì)云南電氣化鐵路目前采用的多種牽引變壓器特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，仿真結(jié)果見表5到表8。

表5 α 和β 供電臂均為中等負(fù)載時(shí)110kV 側(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 α 和β 供電臂均為小負(fù)載時(shí)110kV 側(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表7 α 供電臂為大負(fù)載且β 供電臂 為小負(fù)載時(shí)110kV 側(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表8 β 供電臂為大負(fù)載且α 供電臂 為小負(fù)載時(shí)110kV 側(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

基于上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1）無論何種接線牽引變壓器，兩供電臂的負(fù)載相差越大，注入上級(jí)電力系統(tǒng)的負(fù)序電流越大，只有當(dāng)兩供電臂的負(fù)載相當(dāng)時(shí)注入上級(jí)電力系統(tǒng)的負(fù)序電流最小。

2）多種負(fù)荷工況的對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:阻抗匹配平衡接線抑制負(fù)序電流能力相對(duì)較強(qiáng)，Vv 變壓器和YNd11 接線效果較差，但一旦兩供電臂負(fù)荷相差較大時(shí)三相平衡接線和非平衡接線變壓器抑制負(fù)序電流的效果相差不大。

3 結(jié)論

鐵路作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，是我國(guó)重要的基礎(chǔ)設(shè)施。牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，作為電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點(diǎn)，開展不同接線牽引變壓器對(duì)牽引變電所一次側(cè)諧波和負(fù)序的影響相關(guān)研究有著重要的實(shí)際意義。

基于上述研究得到以下主要結(jié)論：

1）三相-兩相平衡變壓器（如阻抗匹配平衡變壓器）在負(fù)載率高且兩臂負(fù)載相當(dāng)?shù)那闆r下對(duì)負(fù)序電流的抑制能力要明顯優(yōu)于三相-兩相非平衡變壓器（如V 型接線），平衡變壓器的平衡性能總體要優(yōu)于非平衡牽引變壓器，能夠有效地減小由牽引供電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)引起的負(fù)序電流。隨著兩臂負(fù)載不對(duì)稱度增大，平衡變壓器對(duì)負(fù)序電流的抑制能力明顯下降，幾乎和非平衡變壓器相當(dāng)。

2）在相同負(fù)荷條件下，多種接線形式牽引變壓器對(duì)牽引負(fù)荷在牽引變電所一次側(cè)引起的諧波影響不明顯，抑制諧波的能力差別不大。

3）基于各種牽引變壓器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，平衡接線牽引變壓器特別適用于兩供電臂負(fù)載率高且大小較相近的復(fù)線區(qū)段，由于設(shè)計(jì)計(jì)算及制造工藝復(fù)雜，造價(jià)較高，目前只在電力系統(tǒng)欠發(fā)達(dá)地區(qū)設(shè)置的牽引變電所中采用；YNd11 接線由于牽引變壓器容量不能得到充分利用，且應(yīng)用此接線的牽引變電所滯后相供電臂電壓損失較大，供電質(zhì)量相對(duì)較差等原因，目前新建的電氣化鐵路，已不采用該接線；三相Vx 接線牽引變壓器繼承了三相Vv 牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)，并利用變壓器二次側(cè)繞組兼做AT，省掉了變電所饋線AT，降低了工程投資。目前我國(guó)建設(shè)的客運(yùn)專線，如京津城際、京滬高速鐵路等，均采用該種接線。

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