电气化铁路单三相组合式变压器电气特性分析

夏焰坤

(西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)



电气化铁路单三相组合式变压器电气特性分析

夏焰坤

(西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

研究了一种应用于电气化铁路的单相和三相组合式变压器供电系统.分析了单三相组合式供电系统的结构和工作原理，以及容量利用率和负序特性.使用Matlab/Simulink首先对单三相组合式供电系统的变压器进行了仿真，仿真结果表明，单三相组合式供电系统的结构和原理符合理论分析.其次，对组合式变压器构成的同相供电系统进行了仿真验证，仿真结果表明补偿方案是有效的.

组合变压器；电气化铁路；容量利用率；负序；补偿

0　引言

由于电力机车是单相负载，而电力系统是三相系统，机车需要从相应变压器取电，并最大可能地减小负序[1-2].目前牵引变电所的变压器有多种类型，主要分为三相-两相非平衡变压器、三相-两相平衡变压器[3-5]、单相变压器等.经验表明，平衡变压器具有较好的负序抑制效果，因此在国内外电铁中得到广泛应用.但平衡变压器存在接线复杂、制造成本高、难以制造较大容量等不足.

采用不同类型变压器组合也能起到减小负序的作用，特别适合电气化铁路异相和同相供电[6]场合.文献[7-10]研究了同相供电模式，大多直接在平衡变压器或者单相变压器上进行改造，采用组合变压器的研究较少.笔者探讨了组合变压器在异相和同相供电系统上的应用方案.

笔者对三相和单相变压器组合一起的等效平衡变压器方案电气特性进行了研究.首先分析了组合式变压器结构、原理；其次分析了组合式变压器绕组容量利用率和负序特性以及同相供电方案应用实例；最后在Matlab仿真平台上进行建模仿真，仿真结果表明，组合式变压器具有较好的平衡特性.

1　单三相组合式变压器供电系统结构

由单相TT和三相变压器HMT组合构成的供电系统结构如图1所示，单相变压器输出电压取自三相系统线电压B、C相，三相变压器输出电压取自三相系统A相.该系统电压相量图如图2所示，从图2中可以看出两个变压器次边组合构成两相正交电压，与平衡接线变压器原理相同.

图1　单相和三相变压器构成的电铁牵引供电系统Fig.1　Electrified railway power supply system based on the single-phase and three-phase transformer

图2　单相和三相变压器电压相量图Fig.2　Voltage phasor diagram of the single-phase and three-phase transformer

2　组合变压器容量利用率及负序特性分析

2.1容量利用率分析

单三相组合式同相供电平衡变压器由单相变压器和三相变压器构成，单三相组合式变压器的接线方式如图3所示.

图3　组合式变压器接线图Fig.3　Wiring map of the single-phase and three-phase transformer

图3中设单相变压器的输出容量Sα=UαIα，三相变压器的输出容量Sβ=UβIβ，且有Sβ=kSα(0

由单相变压器的性质知单相变压器次边绕组上的容量为

S1=UαIα=S.

(1)

(2)

ω3、ω4绕组上的容量为

(3)

由此可得单三相组合式变压器次边绕组容量为

(4)

所以，可得单三相组合式同相供电平衡变压器的绕组容量利用率为

(5)

由上式可得单三相组合式同相供电平衡变压器的绕组容量利用率与两端口负荷量比k的关系如图4所示.

图4　绕组容量利用率与两端口负荷量比k的关系图Fig.4　Elation between capacity utilization ratio and load ratio

由图4可以看出，当两端口负荷容量相等时，单三相组合式变压器的绕组容量利用率最小为85.7%，最大值为1,对应单相变压器容量利用率.由文献[11]可知，YNvd平衡变压器的绕组容量利用率为80.38%，由此对比可得单三相组合式同相供电平衡变压器在原理上与YNvd平衡变压器一致，但是在绕组容量利用率上要优于YNvd平衡变压器，且制造简单.

2.2负序特性分析

这里令单相牵引变压器原、次边变比为

(6)

高压匹配平衡变压器原、次边变比为

(7)

假设

(8)

按磁势平衡原理可得，单相变压器原、次边电流变换关系为

(9)

同理按磁势平衡原理可得，三相变压器原、次边电流变换关系为

(10)

根据对称分量法可得，单相变压器单独给机车负载供电和三相变压器单独给机车负载供电时，三相输电线路正序电流和负序电流的表达式分别为

(1)单相

(11)

(2)三相

(12)

若要原边三相对称,则只需将式(11)和(12)中负序分量相加赋值为0，即

(13)

3　组合变压器在同相供电系统中的应用

组合式变压器特别适合普速和高速电气化铁路同相供电系统的设计或改造，如图5所示.单相变压器TT可以作为主变压器，安装容量较大；三相变压器HMT经过电力电子变流装置补偿三相系统的负序分量，HMT安装容量相对较小.ADA为大功率同相供电变流装置.

该方案的主要特点有：

(1)方便当前高速铁路牵引变电所同相供电改造.我国新建高速铁路主要采用单相变压器构

图5　单相和三相变压器构成的同相供电系统结构Fig.5　Co-phase power supply system based on the single-phase and three-phase transformer

成Vv或Vx接线牵引变压器，并且容量较大.在不改变主变基础上，通过增加较小容量三相变压器来实现同相供电,将有助于实现资源高效利用，减小新设备投资；

(2)可以最大程度减少价格昂贵的同相补偿装置中电力电子变流器的容量及其所占比重，有效减少同相供变电装置的一次性投资，其可以提高牵引变电所的供电资源与设备利用率；

(3)变压器HMT次边为三相结构，方便变电所内用电；

(4)变压器HMT次边电压可以灵活设计成较低电压，尽量与电力电子器件耐压水平相匹配，从而省去一个单相降压隔离变压器.

4　建模仿真分析

为验证笔者所提组合式变压器电压和负序关系，在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证.仿真模型见图6所示，三相系统电压为110 kV，单相变压器次边电压为27.5 kV.

图6　组合变压器仿真模型Fig.6　Combined transformer simulation model

4.1变压器特性仿真

图7和图8给出了在两单相电压端口分别接5 MW有功负载时，组合变压器次边电压和电流波形以及原边电压和电流波形.

图7　次边电压和电流波形Fig.7　Secondary side voltage and current waveform

图8　原边电压和电流波形Fig.8　Primary side voltage and current waveform

4.2变压器组合式同相供电仿真

从图9可以看出,在未使用补偿的情况下，只有B、C两相给负载供电，另一相空载，此时造成三相电力系统负载严重不对称；同相供电装置投入后，负序电流得以完全补偿 ，此时三相电流波形对称且与电压同相位.

图9　同相供电装置投入前后效果对比Fig.9　The effect with and without co-phase power supply system

5　结论

(1) 组合变压器等效于平衡变压器功能，且具有较高的容量利用率；

(2) 组合变压器适合变电所同相供电改造或设计，经过同相供电系统补偿三相电力系统将有较高的电能质量水平.

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Electrical Characteristics of Single-phase and Three-phase Combined Transformer Used in Electrified Railway

XIA Yankun

(School of Electrical and Information Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In this paper, one single and three phase combined transformer power supply system applied to electrified railway was studied. The structure and principle of single and three phase combined power supply system and the negative sequence were analyzed. Matlab/Simulink is used to simulate the traction transformer and the compensation scheme. The simulation shows the correctness of the analysis of single and three phase combined power supply system. It also shows the compensation scheme for single and three phase combined co-phase supply system is effective.

combined transformer; electrified railway; capacity utilization ratio; negative sequence; compensation.

2015-09-26；

2015-11-19

四川省教育厅资助项目(16ZB0159);西华大学重点科研基金资助项目(Z1520909);四川省电力电子节能技术与装备重点实验室开放课题(szjj2015-068)

夏焰坤(1984—)，男，湖北黄冈人，西华大学讲师，博士，主要从事电力系统分析和电能质量分析与控制等方面的研究,E-mail:yankunjtdx@126.com.

1671-6833(2016)04-0011-04

TM722

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.003