合蚌客專牽引變壓器選型

黃建平

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化處，上海200070）

合蚌客專牽引變壓器選型

黃建平

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化處，上海200070）

通過(guò)分析VX接線變壓器接線原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可知其適用于合蚌客專自耦變壓器和直供合用的牽引變電所。對(duì)所采用的VX變壓器原邊繞組及次邊T、F繞組容量進(jìn)行了配置。為了減少牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序影響，研究了合蚌客專牽引變壓器換相聯(lián)接的方法，并通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行了建模和仿真。

合蚌客專；VX接線牽引變壓器；換相聯(lián)接；負(fù)序影響

0 引言

合肥至蚌埠客運(yùn)專線北引京滬高鐵蚌埠南站，南接合肥樞紐合肥站，與同期建設(shè)的三線電化工程中的水蚌線和淮南線在劉府、淮南、水家湖地區(qū)相接，并在淮南至合肥段與之近距離并行。合蚌客專牽引供電系統(tǒng)采用自耦變壓器AT（auto transformer）供電方式，全線新建劉府南、水家湖、合肥北城3座牽引變電所，根據(jù)合蚌客專與三線電化工程的線位關(guān)系，為了節(jié)省投資，3座牽引變電所均考慮與三線電化合用。由于三線電化工程采用直接供電方式，對(duì)于AT和直供合用的牽引變電所，牽引變壓器接線采用什么型式，變壓器容量如何配置，怎樣采取措施減少牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序影響等問(wèn)題都值得研究。

1 變壓器接線型式選擇

AT供電方式牽引變壓器有單相接線、Scott接線、Wood-Bridge接線和VX接線等幾種接線型式，在各國(guó)高速鐵路中均有所采用，如日本多采用Scott接線、Wood-Bridge接線變壓器，法國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙主要采用單相接線變壓器，我國(guó)近年來(lái)新建的高速鐵路則普遍采用VX接線變壓器。

1.1 VX接線變壓器原理

VX接線牽引變壓器由2臺(tái)單相變壓器組合而成，其接線原理如圖1所示，高壓側(cè)接入電力系統(tǒng)220 kV或110 kV三相電源，二次側(cè)每個(gè)單相變壓器有2個(gè)中壓繞組，分別為T(mén)繞組和F繞組，可以輸出27.5 kV和2×27.5 kV兩種電壓，能夠?yàn)橹惫┖虯T兩種供電方式供電[1]。

圖1 VX接線原理

相比于Scott接線、Wood-Bridge接線變壓器，VX接線變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和制造。此外，由于Scott接線、Wood-Bridge接線變壓器二次繞組沒(méi)有引出中性點(diǎn)，在AT供電方式下，需要在變電所出口處設(shè)置1臺(tái)自耦變壓器AT，如圖2所示。而VX接線變壓器二次繞組引出了中性點(diǎn)接地，可以當(dāng)做AT供電方式當(dāng)中的饋線AT，能夠取消變電所出口的AT，如圖3所示。

圖2 Scott變壓器牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 VX變壓器牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

VX牽引變壓器在變電所出口處取消自耦變壓器后，為使列車運(yùn)行于牽引變電所和第一個(gè)AT區(qū)間時(shí)的絕大部分牽引電流沿正饋線而不是鐵軌和大地返回牽引變電所，降低對(duì)周圍臨近通訊線路的干擾，變壓器的短路阻抗應(yīng)滿足以下要求。

式中，Z21為變壓器在二次TN繞組上加電壓，一次繞組短路、三次FN繞組開(kāi)路時(shí)測(cè)得的阻抗；Z31為變壓器在三次FN繞組上加電壓，一次繞組短路、二次TN繞組開(kāi)路時(shí)測(cè)得的阻抗；Z23-1為變壓器在二次繞組和三次繞組串聯(lián)回路兩端加電壓，一次繞組短路時(shí)測(cè)得的阻抗。

對(duì)于容量較大的VX接線變壓器，上述兩式容易滿足[2]。

1.2 VX接線變壓器結(jié)構(gòu)形式

組成VX接線的2臺(tái)單相變壓器既可以放在同一油箱組成三相VX接線，也可以通過(guò)外部聯(lián)接組成VX接線，容量大的變電所通常采用外部聯(lián)接方式，以降低變壓器設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)輸難度。單臺(tái)AT單相變壓器端子標(biāo)志及聯(lián)接如圖4所示，變壓器低壓側(cè)端子a與高壓側(cè)端子A為同名端，相位相同。2臺(tái)變壓器組成VX接線外部聯(lián)接圖如圖5所示，一次側(cè)接入電力系統(tǒng)三相電源，二次側(cè)分別接入接觸網(wǎng)接觸線（T）和正饋線（F），定義變壓器二次側(cè)a端子接T線，x端子接F線為正“V”接線，a端子接F線，x端子接T線為反“V”接線，變壓器二次側(cè)接線可以根據(jù)變電所相序的需求接成正“V”或者反“V”。一次側(cè)和二次側(cè)向量圖如圖6所示，由圖可知二次側(cè)T1、T2之間，F(xiàn)1、F2之間電壓相位相差60°。

圖4 單臺(tái)AT單相變壓器端子及聯(lián)接示意圖

圖5 2臺(tái)單相變壓器組成VX接線變壓器外部聯(lián)接示意圖

圖6 VX變壓器一次側(cè)和二次側(cè)向量圖

1.3 VX接線變壓器優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)以上分析可知VX牽引變壓器具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a）VX接線變壓器采用2臺(tái)單相變壓器組合而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和制造難度低，容量利用率高。

b）VX接線變壓器二次輸出引出了中性點(diǎn)接地，牽引變壓器可兼做饋線AT，不需要在牽引變電所出口處設(shè)AT，節(jié)省工程投資。

c）變壓器二次側(cè)電壓為2×27.5 kV，能夠輸出27.5 kV和55 kV兩種電壓，可以為直供或者AT兩種供電方式供電，或者同時(shí)為兩種供電方式供電，為直供和AT供電方式合用牽引變電所帶來(lái)可能。

d）變電所二次側(cè)電壓為2×27.5 kV，變電所二次側(cè)設(shè)備的絕緣要求比55 kV更低；二次側(cè)T1、T2之間，F(xiàn)1、F2之間電壓相位相差為60°，牽引變電所分相兩端的電壓差為27.5 kV，可降低跨接于分相兩端設(shè)備的絕緣等級(jí)。

正由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，VX接線變壓器在我國(guó)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，尤其適用于AT和直供合用的牽引變電所，因此合蚌客專牽引變壓器采用VX接線變壓器。

2 牽引變壓器容量配置

2.1 VX接線變壓器容量分配

由于VX接線變壓器是由2臺(tái)單相變壓器簡(jiǎn)單組合而成，其磁路相互獨(dú)立，原邊單相容量可以相等，也可以不相等，次邊2×27.5 kV側(cè)T繞組和F繞組容量可以相等，也可以不相等[3]。定義單臺(tái)單相變壓器原邊繞組容量為S1，T繞組容量為S2，F(xiàn)繞組容量為S3，若不計(jì)牽引變壓器和牽引網(wǎng)損耗對(duì)傳輸容量的影響，由AT供電方式的電路特性，可得理論上最為經(jīng)濟(jì)的繞組容量分配約束條件為[4]

次邊T繞組和F繞組理論分配比例為5∶3，即變壓器理論容量分配比例為

次邊繞組容量平均分配的比例為

式（4）和式（5）均滿足式（3）的約束條件，實(shí)際工程中，經(jīng)常采用原邊次邊相等容量分配比例

或者采用次邊繞組最大容量分配比例

牽引變壓器的容量分配可根據(jù)牽引負(fù)荷的大小合理選擇，以提高變壓器容量利用率，降低變壓器造價(jià)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

2.2 合蚌客專變壓器容量配置

牽引變壓器容量根據(jù)近期確定。并按遠(yuǎn)期運(yùn)量預(yù)留條件；過(guò)負(fù)荷能力滿足高峰小時(shí)牽引負(fù)荷需要，并利用牽引變壓器過(guò)負(fù)荷50%確定牽引變壓器安裝容量。3座牽引變電所同時(shí)為合蚌客專和水蚌線、淮南線供電，牽引變壓器容量計(jì)算條件為：合蚌客專緊密運(yùn)行時(shí)，淮南、水蚌線按正常運(yùn)行狀態(tài)考慮。各牽引變電所變壓器容量詳見(jiàn)表1(表中需要容量為未考慮牽引變壓器過(guò)負(fù)荷能力的值)。

表1 牽引變壓器容量表MVA

合蚌客專每個(gè)牽引變電所均與三線電化工程合用，其中合蚌客專采用AT供電方式，三線電化采用直接供電方式。根據(jù)合蚌客專和三線電化牽引負(fù)荷計(jì)算出各牽引變電所的安裝變壓器容量見(jiàn)表2，劉府南牽引變電所蚌埠方向供電臂短，負(fù)荷小，變壓器容量比其他方向更小。由于牽引變電所為AT和直供合用變電所，而直供饋線由變電所T母線接引，因此變電所T繞著容量比F繞著容量大。

表2 牽引變壓器容量分配表MVA

3 換相聯(lián)接

為了減小牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序影響，非平衡牽引變壓器采用換相聯(lián)接方式接入電力系統(tǒng)。牽引變電所一次側(cè)換相聯(lián)接方式采用每3個(gè)牽引變電所一個(gè)循環(huán)，分別接入電力系統(tǒng)ABC、CAB、BCA相，二次側(cè)則采用正“V”接和反“V”接交替進(jìn)行的方式。通過(guò)一次側(cè)和二次側(cè)的相序輪換，變電所一次側(cè)形成對(duì)稱聯(lián)接，二次側(cè)T1、T2之間電壓相差60°，相鄰變電所之間出線相序相同[5]。

根據(jù)上述原則，表3列出了合蚌客專牽引變電所相序排列，劉府南牽引變電所因與京滬高鐵蚌埠南牽引變電所相鄰，而蚌埠南牽引變電所蚌埠側(cè)出線相序?yàn)閁AB，故劉府南牽引變電所一次側(cè)進(jìn)線相序?yàn)镃AB，水家湖、合肥北城牽引變電所進(jìn)線依次接入BCA、ABC相。根據(jù)表3的相序排列，畫(huà)出合蚌客專牽引供電系統(tǒng)相序圖如圖7所示（變電所進(jìn)線相序?yàn)槊嫦蚋邏哼M(jìn)線從右至左排列）。

表3 合蚌客專牽引變電所相序排列表

圖7 合蚌客專牽引變電所相序圖

面對(duì)高壓進(jìn)線，牽引變電所內(nèi)左手側(cè)單相變壓器編號(hào)為1B，右手側(cè)單相變壓器編號(hào)為2B，由圖7可以看出，1B和2B二次側(cè)接線正好相反，即一個(gè)為正“V”接，另一個(gè)為反“V”接，對(duì)于T、F不等容的VX接線變壓器，1B和2B的構(gòu)造完全相反，變壓器制造時(shí)應(yīng)予以區(qū)分，安裝過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)辨認(rèn)變壓器端子并嚴(yán)格按圖施工。

4 建模與仿真

4.1 牽引供電系統(tǒng)仿真模型搭建

為了驗(yàn)證合蚌客專換相聯(lián)接后對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序影響的改善，在Matlab/Simulink平臺(tái)下搭建了牽引供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，該簡(jiǎn)化模型由220 kV外部電源模、牽引變電所、AT所、牽引網(wǎng)等組成。采用Simulink模塊庫(kù)里的“3-Phase Source”模塊作為外部電源模型；采用“Linear Transformer”單相三繞組變壓器模塊作為牽引變壓器模型，將2臺(tái)單相三繞組變壓器按照?qǐng)D8所示通過(guò)外部連接組成VX接線變壓器；將“Linear Transformer”單相三繞組變壓器設(shè)置成單相雙繞組，并將變壓器一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組的異名端連接在一起作為中間抽頭接鋼軌，另外兩端抽頭分別接T線和F線，實(shí)現(xiàn)自耦變壓器功能，如圖9所示；采用“Series RLC Branch”模塊作為牽引網(wǎng)簡(jiǎn)化模型[6-7]。

圖8 VX接線變壓器仿真模型

牽引變電所220 kV側(cè)和2×27.5 kV側(cè)按照?qǐng)D6的相序分別接入電力系統(tǒng)和牽引網(wǎng)，牽引變電所每個(gè)供電臂設(shè)2個(gè)AT區(qū)段，每個(gè)AT區(qū)段設(shè)1個(gè)牽引負(fù)荷，2個(gè)牽引變電所之間不設(shè)越區(qū)功能的開(kāi)關(guān)。

圖9 AT變壓器仿真模型

4.2 仿真結(jié)果及分析

將3個(gè)牽引變電所依次投入，分別測(cè)得220 kV側(cè)電流波形如圖10、11、12所示。

圖10 劉府南牽引變電所投入運(yùn)行時(shí)一次側(cè)電流波形

圖11 劉府南、水家湖牽引變電所投入運(yùn)行時(shí)一次側(cè)電流波形

圖12 3個(gè)變電所同時(shí)投入時(shí)一次側(cè)電流波形

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)只有1個(gè)牽引變電所投入運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生明顯的負(fù)序電流，而當(dāng)3個(gè)牽引變電所都投入運(yùn)行時(shí)，三相電流基本平衡。仿真結(jié)果表明，合蚌客專牽引變電所外部電源采用換相聯(lián)接方式，對(duì)電力系統(tǒng)形成對(duì)稱聯(lián)接，減小了牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序的影響。

5 結(jié)論

合蚌客專牽引變電所采用VX接線牽引變壓器，可以滿足牽引變電所同時(shí)為AT和直供線路供電的需求，并且可以根據(jù)牽引負(fù)荷大小靈活配置變壓器容量，提高變壓器容量利用率，降低運(yùn)營(yíng)成本。通過(guò)牽引變電所換相聯(lián)接的方式接入電力系統(tǒng)，能夠有效減小牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序的影響，仿真結(jié)果證明了這一點(diǎn)。

[1]田顥亮．220 kV電壓等級(jí)VX接線單相三繞組牽引變壓器的設(shè)計(jì)[J]．變壓器，2014（1）：9-13.

[2]張亞杰，龔永綱，李靜．電氣化鐵路VX接線牽引變壓器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J]．變壓器，2012（3）：1-4.

[3]魏宏偉．三相V/x接原邊及次邊不等容牽引變壓器有關(guān)工程應(yīng)用分析[C]．第十一屆世界軌道交通發(fā)展研究會(huì)年會(huì)，2014.

[4]楊振龍．V/X接線牽引變壓器的研究和應(yīng)用[J]．電氣化鐵道，2004（4）：12-15.

[5]尹傳貴．客運(yùn)專線牽引變電所換相聯(lián)接的分析研究[J]．鐵道工程學(xué)報(bào)，2008（10）：45-49.

[6]喻奇，吳江濤．客運(yùn)專線牽引供電系統(tǒng)電氣特性的仿真研究[J]．電氣化鐵道，2010（5）：11-13.

[7]于群，曹娜．MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M]．北京：機(jī)械工業(yè)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

黃建平（1983），男，江西寧都人，2009年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，高級(jí)工程師，從事鐵路及城市軌道交通電氣化設(shè)計(jì)工作。