合蚌客专牵引变压器选型

黄建平

（中铁上海设计院集团有限公司电化处，上海200070）

合蚌客专牵引变压器选型

黄建平

（中铁上海设计院集团有限公司电化处，上海200070）

通过分析VX接线变压器接线原理和结构特点，可知其适用于合蚌客专自耦变压器和直供合用的牵引变电所。对所采用的VX变压器原边绕组及次边T、F绕组容量进行了配置。为了减少牵引负荷对电力系统负序影响，研究了合蚌客专牵引变压器换相联接的方法，并通过MATLAB/Simulink进行了建模和仿真。

合蚌客专；VX接线牵引变压器；换相联接；负序影响

0 引言

合肥至蚌埠客运专线北引京沪高铁蚌埠南站，南接合肥枢纽合肥站，与同期建设的三线电化工程中的水蚌线和淮南线在刘府、淮南、水家湖地区相接，并在淮南至合肥段与之近距离并行。合蚌客专牵引供电系统采用自耦变压器AT（auto transformer）供电方式，全线新建刘府南、水家湖、合肥北城3座牵引变电所，根据合蚌客专与三线电化工程的线位关系，为了节省投资，3座牵引变电所均考虑与三线电化合用。由于三线电化工程采用直接供电方式，对于AT和直供合用的牵引变电所，牵引变压器接线采用什么型式，变压器容量如何配置，怎样采取措施减少牵引负荷对电力系统负序影响等问题都值得研究。

1 变压器接线型式选择

AT供电方式牵引变压器有单相接线、Scott接线、Wood-Bridge接线和VX接线等几种接线型式，在各国高速铁路中均有所采用，如日本多采用Scott接线、Wood-Bridge接线变压器，法国、德国、意大利、西班牙主要采用单相接线变压器，我国近年来新建的高速铁路则普遍采用VX接线变压器。

1.1 VX接线变压器原理

VX接线牵引变压器由2台单相变压器组合而成，其接线原理如图1所示，高压侧接入电力系统220 kV或110 kV三相电源，二次侧每个单相变压器有2个中压绕组，分别为T绕组和F绕组，可以输出27.5 kV和2×27.5 kV两种电压，能够为直供和AT两种供电方式供电[1]。

图1 VX接线原理

相比于Scott接线、Wood-Bridge接线变压器，VX接线变压器结构简单，易于设计和制造。此外，由于Scott接线、Wood-Bridge接线变压器二次绕组没有引出中性点，在AT供电方式下，需要在变电所出口处设置1台自耦变压器AT，如图2所示。而VX接线变压器二次绕组引出了中性点接地，可以当做AT供电方式当中的馈线AT，能够取消变电所出口的AT，如图3所示。

图2 Scott变压器牵引供电系统结构示意图

图3 VX变压器牵引供电系统结构示意图

VX牵引变压器在变电所出口处取消自耦变压器后，为使列车运行于牵引变电所和第一个AT区间时的绝大部分牵引电流沿正馈线而不是铁轨和大地返回牵引变电所，降低对周围临近通讯线路的干扰，变压器的短路阻抗应满足以下要求。

式中，Z21为变压器在二次TN绕组上加电压，一次绕组短路、三次FN绕组开路时测得的阻抗；Z31为变压器在三次FN绕组上加电压，一次绕组短路、二次TN绕组开路时测得的阻抗；Z23-1为变压器在二次绕组和三次绕组串联回路两端加电压，一次绕组短路时测得的阻抗。

对于容量较大的VX接线变压器，上述两式容易满足[2]。

1.2 VX接线变压器结构形式

组成VX接线的2台单相变压器既可以放在同一油箱组成三相VX接线，也可以通过外部联接组成VX接线，容量大的变电所通常采用外部联接方式，以降低变压器设计、制造以及运输难度。单台AT单相变压器端子标志及联接如图4所示，变压器低压侧端子a与高压侧端子A为同名端，相位相同。2台变压器组成VX接线外部联接图如图5所示，一次侧接入电力系统三相电源，二次侧分别接入接触网接触线（T）和正馈线（F），定义变压器二次侧a端子接T线，x端子接F线为正“V”接线，a端子接F线，x端子接T线为反“V”接线，变压器二次侧接线可以根据变电所相序的需求接成正“V”或者反“V”。一次侧和二次侧向量图如图6所示，由图可知二次侧T1、T2之间，F1、F2之间电压相位相差60°。

图4 单台AT单相变压器端子及联接示意图

图5 2台单相变压器组成VX接线变压器外部联接示意图

图6 VX变压器一次侧和二次侧向量图

1.3 VX接线变压器优点

通过以上分析可知VX牵引变压器具有以下优点。

a）VX接线变压器采用2台单相变压器组合而成，结构简单，设计和制造难度低，容量利用率高。

b）VX接线变压器二次输出引出了中性点接地，牵引变压器可兼做馈线AT，不需要在牵引变电所出口处设AT，节省工程投资。

c）变压器二次侧电压为2×27.5 kV，能够输出27.5 kV和55 kV两种电压，可以为直供或者AT两种供电方式供电，或者同时为两种供电方式供电，为直供和AT供电方式合用牵引变电所带来可能。

d）变电所二次侧电压为2×27.5 kV，变电所二次侧设备的绝缘要求比55 kV更低；二次侧T1、T2之间，F1、F2之间电压相位相差为60°，牵引变电所分相两端的电压差为27.5 kV，可降低跨接于分相两端设备的绝缘等级。

正由于以上诸多优点，VX接线变压器在我国高速铁路牵引供电系统中应用最为广泛，尤其适用于AT和直供合用的牵引变电所，因此合蚌客专牵引变压器采用VX接线变压器。

2 牵引变压器容量配置

2.1 VX接线变压器容量分配

由于VX接线变压器是由2台单相变压器简单组合而成，其磁路相互独立，原边单相容量可以相等，也可以不相等，次边2×27.5 kV侧T绕组和F绕组容量可以相等，也可以不相等[3]。定义单台单相变压器原边绕组容量为S1，T绕组容量为S2，F绕组容量为S3，若不计牵引变压器和牵引网损耗对传输容量的影响，由AT供电方式的电路特性，可得理论上最为经济的绕组容量分配约束条件为[4]

次边T绕组和F绕组理论分配比例为5∶3，即变压器理论容量分配比例为

次边绕组容量平均分配的比例为

式（4）和式（5）均满足式（3）的约束条件，实际工程中，经常采用原边次边相等容量分配比例

或者采用次边绕组最大容量分配比例

牵引变压器的容量分配可根据牵引负荷的大小合理选择，以提高变压器容量利用率，降低变压器造价及运营费用。

2.2 合蚌客专变压器容量配置

牵引变压器容量根据近期确定。并按远期运量预留条件；过负荷能力满足高峰小时牵引负荷需要，并利用牵引变压器过负荷50%确定牵引变压器安装容量。3座牵引变电所同时为合蚌客专和水蚌线、淮南线供电，牵引变压器容量计算条件为：合蚌客专紧密运行时，淮南、水蚌线按正常运行状态考虑。各牵引变电所变压器容量详见表1(表中需要容量为未考虑牵引变压器过负荷能力的值)。

表1 牵引变压器容量表MVA

合蚌客专每个牵引变电所均与三线电化工程合用，其中合蚌客专采用AT供电方式，三线电化采用直接供电方式。根据合蚌客专和三线电化牵引负荷计算出各牵引变电所的安装变压器容量见表2，刘府南牵引变电所蚌埠方向供电臂短，负荷小，变压器容量比其他方向更小。由于牵引变电所为AT和直供合用变电所，而直供馈线由变电所T母线接引，因此变电所T绕着容量比F绕着容量大。

表2 牵引变压器容量分配表MVA

3 换相联接

为了减小牵引负荷对电力系统负序影响，非平衡牵引变压器采用换相联接方式接入电力系统。牵引变电所一次侧换相联接方式采用每3个牵引变电所一个循环，分别接入电力系统ABC、CAB、BCA相，二次侧则采用正“V”接和反“V”接交替进行的方式。通过一次侧和二次侧的相序轮换，变电所一次侧形成对称联接，二次侧T1、T2之间电压相差60°，相邻变电所之间出线相序相同[5]。

根据上述原则，表3列出了合蚌客专牵引变电所相序排列，刘府南牵引变电所因与京沪高铁蚌埠南牵引变电所相邻，而蚌埠南牵引变电所蚌埠侧出线相序为UAB，故刘府南牵引变电所一次侧进线相序为CAB，水家湖、合肥北城牵引变电所进线依次接入BCA、ABC相。根据表3的相序排列，画出合蚌客专牵引供电系统相序图如图7所示（变电所进线相序为面向高压进线从右至左排列）。

表3 合蚌客专牵引变电所相序排列表

图7 合蚌客专牵引变电所相序图

面对高压进线，牵引变电所内左手侧单相变压器编号为1B，右手侧单相变压器编号为2B，由图7可以看出，1B和2B二次侧接线正好相反，即一个为正“V”接，另一个为反“V”接，对于T、F不等容的VX接线变压器，1B和2B的构造完全相反，变压器制造时应予以区分，安装过程中应仔细辨认变压器端子并严格按图施工。

4 建模与仿真

4.1 牵引供电系统仿真模型搭建

为了验证合蚌客专换相联接后对电力系统负序影响的改善，在Matlab/Simulink平台下搭建了牵引供电系统简化模型，该简化模型由220 kV外部电源模、牵引变电所、AT所、牵引网等组成。采用Simulink模块库里的“3-Phase Source”模块作为外部电源模型；采用“Linear Transformer”单相三绕组变压器模块作为牵引变压器模型，将2台单相三绕组变压器按照图8所示通过外部连接组成VX接线变压器；将“Linear Transformer”单相三绕组变压器设置成单相双绕组，并将变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接在一起作为中间抽头接钢轨，另外两端抽头分别接T线和F线，实现自耦变压器功能，如图9所示；采用“Series RLC Branch”模块作为牵引网简化模型[6-7]。

图8 VX接线变压器仿真模型

牵引变电所220 kV侧和2×27.5 kV侧按照图6的相序分别接入电力系统和牵引网，牵引变电所每个供电臂设2个AT区段，每个AT区段设1个牵引负荷，2个牵引变电所之间不设越区功能的开关。

图9 AT变压器仿真模型

4.2 仿真结果及分析

将3个牵引变电所依次投入，分别测得220 kV侧电流波形如图10、11、12所示。

图10 刘府南牵引变电所投入运行时一次侧电流波形

图11 刘府南、水家湖牵引变电所投入运行时一次侧电流波形

图12 3个变电所同时投入时一次侧电流波形

由仿真结果可知，当只有1个牵引变电所投入运行时，产生明显的负序电流，而当3个牵引变电所都投入运行时，三相电流基本平衡。仿真结果表明，合蚌客专牵引变电所外部电源采用换相联接方式，对电力系统形成对称联接，减小了牵引负荷对电力系统负序的影响。

5 结论

合蚌客专牵引变电所采用VX接线牵引变压器，可以满足牵引变电所同时为AT和直供线路供电的需求，并且可以根据牵引负荷大小灵活配置变压器容量，提高变压器容量利用率，降低运营成本。通过牵引变电所换相联接的方式接入电力系统，能够有效减小牵引负荷对电力系统负序的影响，仿真结果证明了这一点。

[1]田颢亮．220 kV电压等级VX接线单相三绕组牵引变压器的设计[J]．变压器，2014（1）：9-13.

[2]张亚杰，龚永纲，李静．电气化铁路VX接线牵引变压器的设计特点[J]．变压器，2012（3）：1-4.

[3]魏宏伟．三相V/x接原边及次边不等容牵引变压器有关工程应用分析[C]．第十一届世界轨道交通发展研究会年会，2014.

[4]杨振龙．V/X接线牵引变压器的研究和应用[J]．电气化铁道，2004（4）：12-15.

[5]尹传贵．客运专线牵引变电所换相联接的分析研究[J]．铁道工程学报，2008（10）：45-49.

[6]喻奇，吴江涛．客运专线牵引供电系统电气特性的仿真研究[J]．电气化铁道，2010（5）：11-13.

[7]于群，曹娜．MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M]．北京：机械工业出版社，2011.

Traction Transformer Selection for Hefei-Bengbu Dedicated Passenger Line

HUANG Jianping
（China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China）

By analyzing the wiring principle and structure characteristics of VX connection transformer,it is found that VX wiring is suitable for the traction substation in Hefei-Bengbu Dedicated Passenger Line,the power supply method of which can both adopt direct power supply and power supply from AT.The original side winding and the secondary side T and F winding capacity of the VX transformer are configured.In order to reduce the negative sequence influence of traction load on the power system,phase alternating connection method in the traction transformer of Hefei-Bengbu Dedicated Passenger Line is studied,and modeling and simulation are carried out with MATLAB/Simulink.

Hefei-Bengbu passenger dedicated line;VX-connected traction transformer;phase alternating connection;negative sequence influence

U224.2

A

1671-0320（2017）01-0068-05

2016-10-08，

2016-11-20

黄建平（1983），男，江西宁都人，2009年毕业于武汉理工大学控制理论与控制工程专业，高级工程师，从事铁路及城市轨道交通电气化设计工作。