V/v接线牵引变压器的负序分析

2010-09-21张永祥秦浩庭杨林立

电气化铁道 2010年1期

张永祥，吴连，秦浩庭，杨林立，刘能

0 前言

牵引变压器是连接牵引供电系统和电力系统的核心设备，一次侧连接的三相高压电网，二次侧向单相牵引网供电。主要完成变压和传递的功能，其接线形式不仅影响变压器容量，而且决定了牵引负荷对电力系统的负序影响程度[1]，因此牵引变压器接线形式的设计非常重要。掌握牵引变压器的电气特性，对分析牵引供电系统对电力系统的影响起关键的作用，如，计算牵引负荷谐波在电力系统中的分布，牵引负荷引起的电力系统三相不平衡等。由于牵引供电系统负荷具有不对称性，所以它使牵引变压器高低压两侧的三相电流不平衡，并在系统侧母线上产生负序电流。系统中的负序电流会在公共连接点处产生负序电压，并且通过公共连接点流向其他负荷，使电网损耗增加，一些设备无法正常工作。

本文分析的V/v接线牵引变压器是由2台单相变压器组成（双铁心共箱体结构），具有的优点如参考文献[2]所述：适应左、右牵引接触网不等容的要求；左、右牵引接触网可分别单独调压；容量利用率100%；抗短路能力强，运行方便可靠。由于以上优点，我国电气化铁道某些区段的牵引变电所的牵引变压器采用该种接线形式。本文将对该牵引变压器的负序特性进行分析。

1 V/v接线牵引变压器负序电流

1.1 V/v接线牵引变压器的接线原理

接线如图 1所示。称作“不共轭式”，采用 2个双柱式铁心，实际上是共用油箱和散热器的2台单相变压器。该新型V/v接线变压器在内部X1与A2连接，一次侧引出A、B、C 3个端子，而二次侧引出4个端子。x1连接a2后与钢轨相连并接地，a1和 x2端子引出接到接触网的接触线上，分别为牵引负荷的2个供电臂（即α相和β相）。

图1 V/v接线牵引变压器接线图

1.2 V/v接线牵引变压器负序电流

根据图1可得：

式中，K为变压器高低压绕组的匝数比。利用对称分量法分解式（1）可得：

进一步，将式（1）代入式（2）可得：

由式（3）可知，变压器高压侧无零序电流。

图2 电压和电流相量示意图

以上2式取有效值：

式中，I1为正序电流有效值；I2为负序电流有效值。

由于电流不平衡度ε=I2/I1，对于一般情况，取Iβ=mIα，可得电流不平衡度：

下面分几种情况对 V/v牵引变压器的负序电流进行讨论。

（1）牵引侧两臂负荷功率因数角相等。当牵引侧两臂负荷阻抗相等，则φα=φβ，代入式（6）得：

图3 ε - m曲线图

由图3可以看出，当m= 1，即两侧电流大小相等的时候，电流不平衡度取得最小值0.5。

（2）牵引侧两臂负荷功率因数角不相等，电流相等。该条件意味着φα≠φβ，Iα=Iβ，m= 1，代入式（6）得：

φα取固定值，φβ在-90°～+90°之间取值，绘出ε - φβ曲线如图4，图中曲线1、曲线2、曲线3的φα值分别为 0°、-30°、30°。

图 4 ε - φβ曲线图

由图4可知，当m= 1，两臂负荷的功率因数角相差60°的时候，电流不平衡度取最小值0。

（3）牵引侧两臂负荷功率因数角不相等，电流不相等。该情况表明：φα≠φβ，Iα≠Iβ，电流不平衡度的表达式与式（6）一致。m取某个固定值，令(φα-φβ)在-90°～+90°之间取值，绘制ε -(φα-φβ)曲线如图5，图中曲线1、曲线2、曲线3的m分别取1，0.85，1.6。

图 5 ε - (φα - φβ)曲线图

由图5可得出，当两负荷臂的功率因数角相差60°时，电流不平衡度取得最小值。

2 负序电压

负序电流经过电网阻抗将产生负序电压，引起电压不平衡。电力系统中的变压器等静止工作元件，当它们分别通以正序或负序电流时，三相的电磁关系相同，其正序阻抗和负序阻抗相等[4]。通常工程计算中不区分正、负序阻抗。负序电压表达式为[1]

国家标准[5]规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度εU的95%概率最大值不得超过2%，极短时该值不得超过4%。

3 实测数据分析

为了说明牵引负荷对电力系统的不平衡影响，现以某牵引变电所110 kV母线作为电压不平衡的监测点。西南交通大学电气工程学院铁道电气化与自动化实验室对云南电铁部分 V/v接线的牵引变电所进行了测试，获得变电所24 h连续实测数据（采样间隔为3 s，共28 800个点），然后进行编程分析，得到牵引变电所110 kV侧三相电压不平衡度统计结果如表1所示。

表1 电压不平衡度统计值表

从表1可以得出，A和B牵引变电所的电压不平衡度未达到国标要求，其余3个变电所的电压不平衡度符合国标要求，而电压不平衡度95%概率最大值除A所以外的4个变电所均符合国标要求。因此，不平衡度的大小与牵引两臂的负荷有关，与铁路部分现场合理安排调度变电所的两臂负荷密切相关。图6和图7是2个不达标的牵引变电所的电压不平衡度瞬时曲线图。