V/v接線牽引變壓器的負序分析

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)的核心設備，一次側連接的三相高壓電網(wǎng)，二次側向單相牽引網(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，而且決定了牽引負荷對電力系統(tǒng)的負序影響程度[1]，因此牽引變壓器接線形式的設計非常重要。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)的影響起關鍵的作用，如，計算牽引負荷諧波在電力系統(tǒng)中的分布，牽引負荷引起的電力系統(tǒng)三相不平衡等。由于牽引供電系統(tǒng)負荷具有不對稱性，所以它使牽引變壓器高低壓兩側的三相電流不平衡，并在系統(tǒng)側母線上產(chǎn)生負序電流。系統(tǒng)中的負序電流會在公共連接點處產(chǎn)生負序電壓，并且通過公共連接點流向其他負荷，使電網(wǎng)損耗增加，一些設備無法正常工作。

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（雙鐵心共箱體結構），具有的優(yōu)點如參考文獻[2]所述：適應左、右牽引接觸網(wǎng)不等容的要求；左、右牽引接觸網(wǎng)可分別單獨調壓；容量利用率100%；抗短路能力強，運行方便可靠。由于以上優(yōu)點，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序特性進行分析。

1 V/v接線牽引變壓器負序電流

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接線變壓器在內部X1與A2連接，一次側引出A、B、C 3個端子，而二次側引出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：

進一步，將式（1）代入式（2）可得：

由式（3）可知，變壓器高壓側無零序電流。

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牽引變壓器的負序電流進行討論。

（1）牽引側兩臂負荷功率因數(shù)角相等。當牽引側兩臂負荷阻抗相等，則φα=φβ，代入式（6）得：

圖3 ε - m曲線圖

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

（2）牽引側兩臂負荷功率因數(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m= 1，兩臂負荷的功率因數(shù)角相差60°的時候，電流不平衡度取最小值0。

（3）牽引側兩臂負荷功率因數(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，當兩負荷臂的功率因數(shù)角相差60°時，電流不平衡度取得最小值。

2 負序電壓

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

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

3 實測數(shù)據(jù)分析

為了說明牽引負荷對電力系統(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。西南交通大學電氣工程學院鐵道電氣化與自動化實驗室對云南電鐵部分 V/v接線的牽引變電所進行了測試，獲得變電所24 h連續(xù)實測數(shù)據(jù)（采樣間隔為3 s，共28 800個點），然后進行編程分析，得到牽引變電所110 kV側三相電壓不平衡度統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 電壓不平衡度統(tǒng)計值表

從表1可以得出，A和B牽引變電所的電壓不平衡度未達到國標要求，其余3個變電所的電壓不平衡度符合國標要求，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要求。因此，不平衡度的大小與牽引兩臂的負荷有關，與鐵路部分現(xiàn)場合理安排調度變電所的兩臂負荷密切相關。圖6和圖7是2個不達標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 結論

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

實際運行中兩臂負荷電流功率因數(shù)角接近相等。調度部門如果能合理安排電力機車的運行，使兩臂的負荷盡可能相等。將有利于降低牽引負荷通過牽引變電所注入系統(tǒng)的負序電流，從而實現(xiàn)電壓不平衡度滿足國標要求，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)綜合補償及其應用[M].成都：西南交通大學出版社，1993.

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

[3]林海雪.電壓電流頻率和電能質量國家標準應用手冊[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：浙江大學出版社，2005.

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