毕业论文-含Vv变压器和平衡变压器的牵引供电系统建模研究

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r3\hHUNANUNIVERSITY毕业设计(论文)设计论文题目：含V/v变压器和平衡变压器的牵引供电系统建模研究学生姓名：学生学号：专业班级：电气工程及其自动化1108班学院名称：电气与信息工程学院指导老师：学院院长：2015年 月日湖南大学毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在老师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名： 日期：2015年5月日毕业论文版权使用授权书本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。本论文属于1、保密，在______年解密后适用本授权书。2、不保密√。（请在以上相应方框内打“√”）学生签名： 日期：2015年5月日指导教师签名： 日期：2015年5月日

湖南大学毕业设计(论文)第页1绪论1.1课题背景及目的世界上第一条电气化铁路是由西门子公司和哈尔斯克公司于1879年在德国柏林世界贸易博览会上展出的，虽然很小，但却是电气化铁路的先驱。世界上第一条运行的高速铁路于1964年诞生于日本。由于高速铁路不但综合能效高，而且运输量大、乘车环境舒适，因此受到全球许多国家的关注，高速铁路已经成为了铁路运输的主要方式之一[1]。继日本之后，法国的TGV高速铁路和德国的ICE高速铁路也相继建成并投入运行。随着大量电气化机车投入使用，其对电网稳定运行的影响逐渐受到铁路部门和电力部门的关注。随着人们生活质量的提高，人们对于供电的要求也相应提高。然而电力机车在运行中产生的谐波和负序对电力系统的稳定性产生了很大的影响。因此研究电气化铁路牵引负荷产生的谐波和负序对电力系统的影响，并提出相应的解决方法是一项十分有意义的工作。1961年，我国铁路工作者以前苏联的技术为基础，结合我国实际的情况，修建开通了宝鸡到凤州的第一段电气化铁路，全长93公里，实现了我们国家电气化铁路的零的突破。伴随现代化建设和改革开放的深入发展，我国铁路的电气化构建步伐不断加快，先后引进了晶闸管、供电、运动控制相控电力机车等先进的技术和设备，而且经过吸收和消化，建立了自己的技术模式。到了2005年年末，我国总共建成并开通了43条电气化的铁路干(支)线，电气化铁路通车里程已突破两万公里，达到了20132公里，已占全国铁路营业里程的27．08％，完成铁路运量的50％以上．随着电气化铁路的高速发展，其对电网的影响也越来越受到关注[2]。电气化铁路不仅运载能力强、行驶速度快、工作条件好，而且运行成本低、能源消耗少、自然条件影响小，已经成为了我国铁路运输的主要发展方向。牵引供电系统由牵引变压器、牵引馈线和电力机车等部分组成，其中牵引变压器是关键设备。采用不同的牵引变压器所构成的牵引供电系统具有不同的特性。本课题的目的在于了解牵引变压器的主要类型和牵引供电系统的基本概念，建立含V/v变压器和平衡变压器的牵引供电系统仿真模型并进行仿真，并将其应用到韶山型机车的牵引供电当中，研究不同变压器产生的谐波和负序电流对供电系统的影响。1.2国内外研究状况1.2.1电气化铁路的组成电力牵引指由外电源供给动力车电能的牵引方式，采用电力牵引的铁路称为电气化铁路[3]。电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号等设施外，还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修和管理单位供电段、电力机务段、电力调度及其主管部门等[3]。1.2.2我国电气化铁路的发展概况上世纪50年代确定了电气化铁路采用工频单相25kV交流制；电气化铁路通车里程截至2009年底达到3.2万公里，位居世界第二，电气化率约40%；牵引供电系统设施也在不断发展过程中；自主设计制造的电力机车时速可以达到350km/h甚至以上[2]。1.2.3电气化铁路的优越性与存在的问题优越性：1）拉得多，跑得快，运输能力大；2）节约能源消耗，综合利用能源；3）经济效益好；4）对环境无污染，劳动条件好，有利于实现环保运输；5）有利于铁路沿线实现电气化，促进工农业发展；存在的问题：1）对给电气化铁路牵引负荷供电的电力系统造成负序电流和高次谐波含量增大、功率因数降低等不良影响；2）对沿电气化铁路架设的通信线路有干扰；3）基建投资比蒸汽牵引和内燃牵引投资大；4）接触网检修需要天窗时间。1.2.4国内研究现状及发展趋势我国高铁牵引变电所大量采用V/v接线牵引变压器。三相V/v接线方式的优点有：一是容量的利用率达到100％；二是变电所所需要的设备数量较少，因此成本较低；三是可以使牵引网达到双边供电；四是可以使供变电所内自用电和三相负荷平衡。缺点有：电力系统的三相负荷不对称，不对称系数是0.5，对电力系统能够产生一定的负序影响。阻抗匹配平衡变压器在电气化铁路中也有广泛的应用，其接线方式的优点是：一是两臂负荷大小和功率因数相等，电力系统的三相负荷可以达到对称；二是变压器的容量利用率高；三是可以得到对称的三相电压，满足牵引变电所自用电和地区三相用电的要求。缺点是：一是工程成本高，结构复杂；二是牵引变电所出口相绝缘器的绝缘性能要求高。因此，研究V/v变压器或平衡变压器组成的牵引供电系统的特性具有重要的意义。电力机车负荷具有动态性、冲击性、不对称性等特点，同时还具有一系列谐波成分[3]。目前，研究牵引供电系统的特性主要还是采用仿真的方法，即分别建立三相电网（电源）、牵引变压器、电力机车（负荷）的仿真模型[3]。1.3课题的研究方法1.3.1电气化铁路供电系统结构与原理a）电气化铁路供电系统b）单相V/v连接牵引变电所c）三相Yn，d11联结牵引变电所d）阻抗匹配平衡牵引变电所1.3.2课题研究方法利用MATLAB/Simulink建立部件及系统的仿真模型，进行仿真研究，主要研究非线性及不对称负载情况下，电网侧的电压、电流、功率因数和谐波情况。1.4论文构成及研究内容本文拟从以下几点进行课题研究：1）分别建立含V/v和含平衡牵引变压器和电力机车的仿真模型；2）对电力机车（包括韶山型普通电力机车和动车组）负荷进行模拟；3）对于韶山型普通电力机车，采用单相晶闸管整流+直流电动机模拟；4）对于动车组，采用单相PWM整流器+交流电动机进行模拟。2电气化铁路牵引供电系统牵引变压器基本理论分析2.1牵引变压器高速铁路牵引负荷是单相的、会剧烈变化的负荷，牵引变压器的选择除了应满足容量、并列运行、能量损耗和过负荷能力等要求外，还应遵照有利于减小牵引变电所高压侧的负序、提高牵引变压器的容量利用率和降低牵引变压器电压损失的原则[3]。牵引变压器有单相变压器、V/v接线变压器、YNd11接线变压器和三相--两相平衡变压器等，下面分别予以介绍。2.1.1单相变压器每个牵引变电站设1~2台单相变压器。它的一次侧绕组跨接于110kV（或220kV）的三相高压输电线的两输电线上，取用线电压。二次侧绕组则一端连接于牵引变电站的牵引母线上，另一端接在钢轨上，见图2-1。当经过三个变电站的相位转换连接之后，三相输电线的电源侧可使三相负荷近似对称。单相牵引变电站内设备的布置都比较简单，运行维护比较方便，成本和运行费用也比较廉价。但它由于没有三相电源，必须另设劈相装置，或由地方上引入三相电源，这不利于变电所内三相自用电和地区三相电力的供给；对电力系统的不平衡影响比三相变压器和V/v接线严重，其不对称系数为1。这种变电所只适用于电力系统比较发达的地方。图2.1纯单相接线原理图2.2V/v接线原理2.1.2V/v接线变压器V/v接线，就是用2台单相变压器按照开口三角形连接，其电路原理图如图2.2所示。在图2.2中，1B和2B是单相的牵引变压器。1B和2B连接在在高压侧的A、C相与B、C相。低压侧分别取一端连到27.5kV的a、b相母线上，另一端与钢轨和接地网相连。A相母线对于地面的电压为Uac，供给左侧牵引负荷I’，b相母线对于地面的电压Ubc供给右侧牵引负荷I”。V/v接线变电所设备比三相牵引变电所简单，变压器绕组中的电流与纯粹的单相变压器一样，都是馈线电流值，容量利用率可达到100%。当两供电臂负荷相同时，V/v接线的不对称系数为1/2。V/v接线在正常运行情况下，能提供三相电源，如图2.2所示，此时1B和2B非并联运行。当2B因为故障停止工作时，为保证继续供应右侧牵引负荷，则1B必须跨相供电，也就是把2B的负荷转移到1B上去，这样就会有转移负荷的倒闸过程。在负荷转移的过程中，三相电源在次边的部分中断。变电所内三相自用电中断，改由劈相或单相--三相变压器供电。然而，值得注意的是转移时间不能过长，只能是应急措施。2.1.3三相变压器三相牵引变电所的接线方式，就是指牵引变压器的接线方式。为了降低电气化铁路对电力系统产生的负序电流，不但要对牵引变压器采用合理的接线组别，而且还要对各个牵引变电所的进线应进行相序轮换。目前我国已投入运行的牵引变压器，其连接组别为YNd11，高压侧为Y形连接，接到电压为110kV的电力网上；而牵引变电所二次侧母线的额定电压为27.5kV，它比接触网的额定电压25kV高10%。其原理如图2.3所示[3]。图2.3中牵引变压器的高压侧接电网，低压侧端子（c）接地母线和钢轨；其他端子（a）和（b）分别接27.5kV的牵引侧母线，并由这里分别馈入牵引变电所两侧的牵引网。由于两侧牵引网电压相位不一样，从而在接触网上一定要互相绝缘，通常用分相绝缘器来实现。Ia、Ib分别为左、右两侧牵引负荷。绕组ca与高压侧A相绕组同相，绕组bc与高压侧C相绕组同相，所以ca侧是滞后相。从电力系统的角度来看，ca侧可以标记为（A）相供电分区。Bc侧为引前相，从电力系统来看，bc侧可以标记为（C）相供电分区。变压器的接线组别为YNd11的三相牵引变电所，其优越性是变压器的次边即牵引侧仍保持三相接线，方便为变电所内的三相自用电及地区三相电力负荷提供三相电源。当两台变压器并联运行时，其供电更加可靠，操作也较为容易。三相牵引变电所由单相负荷所引起的负序电流对电力系统的影响比单相牵引变电所要小。当两供电臂负荷相同时，其不对称系数为1/2，也就是负序电流是正序电流的1/2。三相牵引变电所的主要缺陷是变压器容量不能完全利用，三相变电所内所需的装置比单相牵引变电所要多，因而维护工作量也大。图2.3YNd11牵引变压器原理电路图2.1.4当量平衡变压器当量平衡变压器用于已有的电气化铁路的三相牵引变电所扩能改建。牵引网电压水平严重偏低的110/27.5kV变电所，可以在主变压器27.5kV侧自由相上跨接自耦变压器，构成当量平衡接线方式。这种改造能同时达到扩容和改善网压水平的目的。当量平衡变压器接线如图2.4所示。图2.4中，牵引变压器为YNd11接线三相变压器，它的原、次边额定线电压为110/27.5kV；自耦变压器支臂线圈匝数可调节，在运行过程中，Wα、Wβ为变量，其中，YNd11接线牵引变压器与自耦变压器在磁路上各自独立。当量平衡变压器的电压关系设牵引变压器与电力系统的连接如图2.4（a）。容易画出α、β端口空载电压（电势）Eα、Eβ与三角形各绕组电压（电势）Ea、Eb、Ec之间的关系，如图2-4（根据图2-4（b）可得以下关系：∆Eα式中Eα，Eβ―α，Ea，Eb，Kα，K在调压过程中，Kα，Kβ随电网电压变化。构成平衡变压器时，θα=θβ=15°对于110/27.5kV牵引变电所，当Kα、Kβ在0~0.366范围之内变化时，当量平衡变压器α、β端口的空载电压处在母线电压的1~1.225倍之间，由此可知这种接线的调压范围较大。运行中，根据α、β端口电压Uα、Uβ的大小，调整自耦变压器两支臂线圈匝数，就可以保证（二）当量平衡变压器的电流关系根据图2.4所示的绕组电流方向，可以写出自耦变压器原、次边磁势平衡关系式，并求的其原、次边绕组电流关系为：IATW2-根据式（2-2）可以得出当量平衡变压器各端口电流分布，如图2-4所示。II110kV侧三相电流与两供电臂负荷之间的关系为：IAIBIC=式中K显然，当Kβ=Kα=0时，式（2.3）表示三相牵引变压器的电流分配关系；当在重载的工作状况下，电力牵引系统往往同时表现出供电设备容量不足和电网电压偏低的现象。当量平衡变压器工作在平衡接线状态下时，除了能完成调节电压功能外，还可以使三相牵引变压器的容量全面发挥，因此当量平衡变压器具有调压和扩容两种能力。图2.4当量平衡变压器接线及向量图2.1.5变形伍德桥接线变压器变形伍德桥接线变压器可以实现三相―两相系统的对称变换，其接线原理如图2.5所示。这种变压器一次侧三相绕组连成Y接，可以接入需要大电流接地的三相系统；二次侧的α相和β相各从两个互相垂直的角端引出电压，向两臂的牵引网供电。由于α端引出电压是β端1/3倍，故应在α端再接一个升压自耦变压器T2，其变压比为1：3，从而可以使两臂输出电压大小相等且相位相差90°，即Uα=U∠0°，Uβ=U∠-90°。我们可以解析其三相―两相间的电压变换关系。由图UU而且有：U联解以上三式可得：UAUB同样，也可以导出其逆变换的关系式为：UαUβ两侧的电流变换关系与式（2.5）完全相同。因此，这种伍德桥接线的变压器可以由1台三相绕组变压器再配合1台升压自耦变压器来达成对称的三相―两相变换。升压自耦变压器的容量为主变压器容量的1/2，而它的电磁容量则相当于铭牌的输出容量的（3-1）/3=0.4226倍。当计算自耦变压器时，总容量利用率为：K=这种方式适合已存在的变压器的改造。如果在设计的时候就决定使用这种接线的变压器，可以使用图2.6所示的接线方式。这种接线的变压器利用高压侧的A相绕组来实现α端的升压，和原来相比节省了1套自耦变压器，从而使材料利用率提高。图2.5变形Wood-Bridge接线示意图图2.6无自耦变压器的变形Wood-Bridge接线示意图2.1.6阻抗匹配平衡变压器（一）平衡与对称阻抗匹配平衡变压器是在一般的Ynd11接线变压器的自由相上增加两个绕组，并使它的次边Δ内各绕组阻抗满足Zab=KZ图中，∆W=3-1W2/2，在次边Δ内，Zca=ZIax=K根据变压器三相原、次边的磁势平衡方程，有：IA-I将式（2.6）代入式（2.7），可以得到变压器次边Iα，Iβ与原边IA，IBIAIB其中，K1=W1/W2，K2=根据平衡变压器的定义，无论Iα、Iβ负荷如何，三相侧的零序电流一定要等于零，不难得出KZ=3+1。也就是在阻抗匹配平衡变压器的原边施加三相对称电压时，次边两相系统的电势Eα、EβEα=1将式（2.9）用向量图表示如图2.8所示。从图2.8可以看出，两相系统电势大小相等，相位差为90°。若Iα、Iβ用Iα=Iα∠0°，IAIB当变压器次边两相均载，即Iα=IA=从式（2.11）可以看出，阻抗匹配平衡变压器次边两相电流大小相同时，原边的三相电流完全对称。（二）阻抗匹配平衡变压器的特点阻抗匹配平衡变压器具有以下特点：变压器次边电流Iα≠Iβ时，原边三相电流为平衡系，即IN=0；次边电流变压器原边三相制的视在功率完全转化为次边两相制的视在功率。因此：S根据图2.8及式（2.11），可知：U所以同时，在变压器原边电流相同的情况下，阻抗匹配平衡变压器Iα或Iβ为相同标称容量YNd11变压器I2LIα∆=Iβ∆=37I1∅=I2∅K∆=对于阻抗匹配平衡变压器有：I1∅=6根据式（2.13）和式（2.14）相等的条件，有Iα∇=7阻抗匹配平衡变压器的原边仍用YN接法，引出中性点，与现有110kV或220kV系统匹配方便。阻抗匹配平衡变压器次边仍有Δ绕组，三次谐波电流可以流过，可以确保主磁通和电势波形有良好的正弦度。阻抗匹配平衡变压器的容量利用系数与线材利用系数（1/0.95825）均显著高于YNd11接线变压器（0.7559/0.7559）[3]。图2.7阻抗匹配平衡变压器接线图图2.8电势向量图图2.9不对称度K与牵引负荷比m的关系曲线2.1.7Scott平衡变压器（一）电流变换关系Scott平衡变压器是一种特殊接线方式的变压器，由两台单相变压器组成。变压器的原边低绕组BC和高绕组AO按照倒T形连接，三个出线端接进电力系统的三相电网，如图2.10所示。次边按90°的V形连接，若是对27.5kV的接触网按直接供电的方式或按BT供电的方式供电，将次边α、β端子接下、上行的两条供电臂的接触网，另外的两个端子连成公共端然后直接连接在钢轨上；若要向55kV的接触网以AT供电方式的供电，则将次边α相、β相对照的两组端子分别接下、上行接触网的F线或T线就行了。依照变压器原、次边磁势平衡原理，有：IA+IB式（2.16）可以变成式（2.17）的形式：IAIBI式中，K=W1/W当变压器空载时，Scott平衡变压器的电压向量如图2.11所示。从图2.11可以看出，次边电压Uα超前Uβ90°。当Scott平衡变压器次边两相的负荷幅值相等时，近似的有Iα=jIIA=2j3K从式（2.18）可以看出，当变压器次边的两相负载电流相等时，Scott平衡变压器原边电流是对称的。（二）Scott平衡变压器的特点（1）Scott平衡变压器次边电流Iα≠Iβ时，原边三相电流为平衡系；次边电流Iα=Iβ时，原边三相电流转化为对称系。对牵引负荷来说，任何时刻都满足I（2）Scott平衡变压器的原边无法引出中性点。（3）Scott平衡变压器次边无Δ绕组，三相谐波电流不能流通。（4）Scott平衡变压器由两台单相变压器组成，容量利用率为100%。图2.10Scott平衡变压器的接线图图2.11Scott变压器空载时的电压向量图2.2变压器的比较和选择1．单相接线变压器优点：容量利用率可以达到100%；主接线方式简单，设备少，占地面积小，投资少。缺点：不能供应牵引变电所的三相负荷和地区的用电，在电力系统中，单相牵引负荷所产生的负序电流比较大，向接触网的输电并不能实现双向供电。适用于：大容量的电力系统，电力网发达，三相负荷的用电可以可靠的从地方电网得到供给的情况。2．单相V,v接线变压器（三相）单相：优点：主接线较简单，设备较少，成本低廉。对电力系统的负序所产生的影响比单相接线少。可实现对接触网的双边同时供电。缺点：当一台牵引变压器故障时，另一台一定要跨相供电，也就是同时供左右两边供电臂的牵引网。那么就需要倒闸，即把故障的变压器原来所承担的供电任务转移到正常运行的变压器上。在这倒闸完成之前，故障的变压器原来的供电臂的牵引网将会中断供电，这样严重的将会会影响铁路的运行。假使倒闸完成，地区的三相电力供给也会中断。牵引变电站的三相的自用电不得不改为单相－三相自用变压器或劈相机供电。实际上变为了单相接线牵引变电站，对于电力系统的负序影响也会随着增大。三相：优点：保持了单相V/v接线变压器的主要优点，完全解决了单相V/v结线变压器缺点。最值得关注的是解决了单相V/v接线变压器不方便采用固定备用及其自动投入的问题，这有利于实现分相有载或无载调压。3．三相YN，d11双绕组变压器优点：牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所的自用电和地区三相电力。在两台牵引变压器并联运行的情况下，当一台断电时，供电不会中断，运行可靠方便。三相YN，d11双绕组变压器在我国运行的时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格低廉。对接触网可实现双边供电。缺点：变压器的容量不能获得完全利用，最多等于额定容量的75.6%，引入的温度系数也只会等于84%，与那些用单相接线的变压器的变电站相比，主接线要更复杂一点，用的设备价格更高，工程花费也更多，维修的工作量和相关的费用也会增加[3]。适用于：电气化铁路的单相牵引负载不平衡的山区。4．Scott接线变压器优点：当M座和T座两供电臂负荷电流大小相等，功率因素也相等时，Scott结线变压器原边三相电流对称。变压器容量可达到全部利用。（用逆Scott结线变压器把对称两相电压转换为对称三相电压）。可对接触网实现双边供电。缺点：Scott接线牵引变压器生产难度大，造价高。牵引变电站主接线繁杂，设备较多，工程投资也较多。维修的工作量及对应的费用有所增加。而且Scott接线牵引变压器原边T接地（O点）电位随着负载的变化而发生漂移。严重时甚至有零序电流经过电力网，这可能会引起系统中零序电流继电保护的错误操作，对附近的平行通信线也许会产生干扰，同时引发各相绕组的电压的不平衡，从而加重了绕组绝缘方面的负担。因而，这种接线变压器的绝缘性水平要达到完全绝缘。5．YN，接线阻抗匹配牵引变压器优点：当变压器次边电流Iα≠Iβ时，原边的三相电流平衡，即零序电流IN=0。当副边Iα=Iβ时，原边的三相电流是对称的，不存在电力系统受负序电流影响。原边的三相制的视在功率全部转变为次边二相制的视在功率，变压器的容量可完全被利用。原边依然用YN接线，从中性点引出接线，容易与中性点接地的高压的电力系统相对应缺点：设计和计算以及生产的工艺复杂，造价高。两供电臂之间的分相绝缘器两端承受的电压高，因此，分相绝缘器的绝缘应注意加强。适用于：站区三相电力和牵引变电站的自我用电。6．YN，接线平衡变压器优点：它的阻抗匹配系数在一定范围内任意取值，从而使变压器的设计和生产更加容易。阻抗匹配系数选取的灵活性对绕组的布置具有重要意义。缺点：需要考虑减小电磁力，环流等问题。3电气化铁路牵引供电系统变压器仿真模型研究3.1V/v接线牵引变压器3.1.1仿真电路V/v接线牵引变压器是用两个单相牵引变压器并联而成，仿真的模型如图3.1所示。在仿真模型中把牵引变压器T1和T2的原、次边变比设置为110kV/27.5kV。对于V/v变压器，ac相电压与bc相电压的幅值相等，相位相差60°，即Uac=Ubcej60。假设两供电臂负载大小和功率因数相等，在两个供电臂的电流幅值也要相等，相位相差60°。在负载为100Ω时两供电臂输出电流有效值都是275A。α供电臂超前β供电臂60°，在对称的图3.1Vv接线牵引变压器仿真模型图3.2晶闸管输出电压电流波形如图3.2所示，上面的波形为晶闸管输出的电压波形，下面的波形为电流波形，从波形不难看出电路中负序和谐波的影响。图3.3变压器输出电压和输入脉冲波形图3.4负载电压波形图正常运行的电力系统是三相对称的，表现出三相电源的电势对称、各相的阻抗对称。当系统或发电机的对称工作状态受到破坏，就会出现电压或电流的不对称性。通过对称分量法可以将它分解成正序电流I1、负序电流I2和零序电流I0，因为发电机经常接成Y形，而中性点不接地或经过阻抗后接地，所以根据电力系统运行的特性，产生负序电流的原因可分为以下两个方面：时不对称运行电力系统不对称故障(包括不对称短路及一相断线)；电机不对称故障(包括匝间短路，分支短路，单相、两相短路)；单相重合阐动作过程；主变压器高压侧断路在正常及故障情况下，未能三相全部合上或断开的动作过程。口断路器事故跳闸时，灭磁开关因故未能及时灭弧；出口断路器在正常及故障情况下，未能三相全部合上或断开的动作过程；时不对称运行输电网络的阻抗不对称：例如高压线路不停电分相检查维修；低压电网的“两相一地”供电方式等；时间负荷的不对称；例如被广泛应用的冶金单相电弧炉、铁路电力机车等大容量单相负荷，这样会形成比较大的负序电流，对与这些负荷电气距离较近的发电机会造成不良影响。3.1.2负序电流对电力变压器的影响负序电流使电力系统三相电流不对称，从而系统中的三相变压器有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力(即变压器容量利用率下降)。另外，还会造成交压器的附加能量的损失并在变压器铁心磁路中造成额外发热。电气化铁路牵引负荷通过整流型电力机车产生，含有多次的谐波，是谐波电流源。电力机车采取单相整流桥，脉动数为2，特征谐波为奇次谐波。另外，在启动与过分区空载投入时电力机车会产生远高于额定电流的励磁涌流。励磁涌流不但含有奇次谐波，还会含有各偶次谐波，其中二次谐波的含量最大。3.1.3谐波对电力变压器的危害谐波使变压器的铜的损耗大增，其中包括电阻的损耗、导体中涡流的损耗以及导体外部因漏磁所引起的杂散的损耗都会增加。谐波还会使变压器的铁耗大增，这主要表现于铁心中的磁滞的损耗的增加，谐波让电压的波形变得越差，那么磁滞损耗就会更大。同时，由于以上这两处的损耗的增加，则要降低变压器的实际的应用容量，或在选取变压器额定容量时要额外考虑预留电网里的谐波的含量。此外，谐波还会使变压器的噪声大增，变压器振动产生的噪声大部分是因为铁心的磁滞进行伸缩所引发的，随着谐波次数的加大，在lkHz左右振动频率的成分会使混杂噪声增加，有时还会发出金属声。3.1.4谐波对变压器保护的影响变压器的差动保护的运行一般都是采用的突变量作为起动判据。选取依靠半周积分法的相电流的工频变化量作为判断根据的变压器的保护装置和选取相电流采样值的突变量作为起动判据的变压器保护装置都不能够完全消的除谐波的影响，或许还会使保护不能正常起动。在电压频率变化的电路中选用滤波电路，软件的计算选用全周的傅氏算法，从而比率差动保护和差动电流迅速切断具有很好的滤波性。并且因为采用了分相差动，穿越性的谐波分量对保护的影响并不会很大。3.2阻抗匹配平衡变压器图3.1阻抗匹配平衡变压器仿真模型3.2.1仿真电路Matlab/Simulink的电力系统仿真模块库（PSB）中，只是提供了各种通用变压器元件，PSB中没有可直接使用的阻抗匹配平衡变压器，因此需要另外建立模型。在Matlab/Simulink环境下，按照阻抗匹配的要求建立阻抗匹配平衡变压器的仿真模型，如图3.11所示。参数的设置：三相电源电压110kv阻抗匹配平衡变压器额定电压110/27.5kV，变压器容量30MVA，A、C相为双绕组，B相为四绕组，B相二次侧的三角形绕组阻抗为A、C相二次侧绕组的2.732倍[4]。仿真分为四种情况进行，分别是空载时、Iβ=Iα、Iβ=0.5Iα、阻抗匹配存在5%误差，仿真结果依次见图3.12、图情况一变压器空载。由图3.12可看出，空载时的输出端口两相电压大小相等，相位相差90°，一次侧电流很小，仅有励磁电流，中性点对地电压为0。该仿真结果表明阻抗匹配平衡变压器实现了电压三相到两相的对称变换。情况二Iβ=Iα。从图3.13可以看出，当两臂负荷相同时，二次侧电流大小相等，相位相差90°，一次侧三相电流对称，中性点对情况三Iβ=0.5Iα。由图情况四阻抗匹配系数λ存在5%误差。从图3.15可以看出，阻抗匹配系数存在误差时，中性点电压会出现漂移，此时中性点接地，会有地中电流通过。阻抗匹配的目的在于消除零序，在变压器的制造过程中，要达到满意的阻抗匹配程度相当困难，因而在实际运行过程中，中性点接地运行会有地中电流。3.2.2负序影响分析根据统计规律，虽然牵引变压器两臂负荷是随机变化的，但负荷的性质相同，可认为两臂负荷的功率因数相同，即两臂负荷电流的相角相差90°。以α相为基准，则Iα=Iα，Iβ=jII==1令n=Iβ/Iα，用ε=ε=I由式（3.2）绘制n-ε关系曲线，同时绘制YNd11牵引变压器的电流不对称度作为对比，如图3.11所示。由曲线图可以看出，在同等负荷情况下，阻抗匹配平衡变压器的电流不对称度要小于YNd11变压器。4SS8型电力机车电路的仿真模型4.1SS8型电力机车电路的工作原理电力机车的性能与整流电路的选取有很大的关系，从供电的性能上来说，机车选取主要有两个指标：一是谐波电流和功率因数；二是机车运行效率。为了提升机车的功率因数，降低谐波电流，现阶段电力机车的晶闸管相控整流电路多广泛采取多段桥式结构，而SS8型电力机车取用的是三段的不等分桥整流调压电路(图4.1)，它的调压是由牵引绕组的接入与晶闸管的改变相控角来实现的。图4.1中的L1、L2是平波电抗器，M1、M2是牵引电动机电枢绕组，Lf是励磁绕组，R1、R2是固定分路的电阻，它的功能是使电枢电流中的交流分量分成多份，降低主极中的和电机机座的交变磁通，达到减少涡流的损耗，改良电动机的换向问题并降低了主极的温升图4.1中网侧25KV电压经过主变压器的降压，牵引绕组a1-x1和a2-x2的出线电压均为686.8V，而其中al-bl和bl-xl的出线电压均为343.4V。上述绕组与相应的整流元件构成三段不等分整流桥，其调压原理分析如下（设三段桥均投入且晶闸管全导通时的整流输出电压为Ud0，绕组a2-x2两端电压为U2，绕组a1-x1与绕组b1-x1两端电压均为U3，晶闸管触发角为投入绕组a2-x2，移相晶闸管VT6、VT5。整流输出电压为：Ud1=2πU2×晶闸管VT6、VT5都导通的时候，加入绕组a1-b1段，移相晶闸管VT2、VT1。整流所输出的电压为：Ud2=22πU当第二段a1-b1绕组将要全部接入时，加入绕组b1-x1段，移相晶闸管VT4、VT3。整流所输出的电压为：Ud3=当α=π→0时，4.2晶闸管的触发角α的确定为了简化仿真的过程，本文忽略了段内晶闸管和段与段之间的换相操作过程，晶闸管的导通角α在仿真过程中可以由整流回路的关系和机车的牵引控制特性函数加以确定。SS8Ia=min120n875n-87.5v1360式中：n―级位，分18级；v―机车速度（km/h）；Ia―牵引电动机电枢电流（A因为牵引控制系统通过级位牵引电机电枢电流大小和速度，根据下面的式子可以确定整流电路输出的直流电压为：Ud=Cv∅+IaRd式中：C=μc60πDCe（其中μc为传动齿轮传动比，D为车轮直径，计算知道直流的电压后，根据上面所说的整流电路的工作原理就可以确定整流桥的工作状况，进一步可以确定晶闸管的触发角α。整流变压器的交流侧电压和直流侧电压还有晶闸管触发角α的关系式如下：电力机车工作在第一段状态，由式（4.1）得：α=cos-1（πUd1电力机车工作在第二段状态，由式（4.2）得：α=cos-1（πUd2电力机车工作在第三段状态，由式（4.3）得：α=cos-1（πUd34.3建立仿真模型为了可以在相同的仿真模版中对电力机车的三个阶段的工作状态进行详细的仿真，本文对晶闸管的仿真采取以下的控制方式：（1）若要在仿真的时间内让晶闸管停止，只需要晶闸管触发脉冲关闭；（2）若要在仿真时间内使晶闸管运行，只需要该晶闸管由零触发导通；（3）晶闸管触发脉冲的移相角在其余工作状态下的大小可按照式（4.6）~式（4.8）计算。Matlab中SS8型电力机车的仿真模型如图4.2所示，图中的各元件的参数依照参考文献[5]中所给的参数来设置。当电力机车运行在第二段时，晶闸管的触发角为60°时，其直流端输出电压波形及电机回路电流波形如图4.3及图4.44.4阻抗匹配平衡变压器的仿真模型阻抗匹配平衡变压器接线如图4.5所示，该变压器一次侧三相采用Y形接线，其一次侧的中性点可与110kV电网接线形式相匹配，在我国电气化铁路中得到大量的应用。二次侧是在三角形接线方式的中间相的两侧，各添加一个外延的支臂，支臂的匝数是三角形相绕组的匝数的0.366倍，从而让三角形的另一结点和两支臂的引出端组成两相输出电压，相位差为90°，这样就是三相变两相的接线形式。它的主要的优点是，如果两相供电臂的负荷电流大小相等、功率因数相同时，一次侧的负序电流分量是零，三相电压在一次侧的波动值也会相同。依照文献中的阻抗匹配变压器的等值电路和实现阻抗匹配的条件来设置变压器的参数，在Matlab中阻抗匹配平衡变压器的仿真模型如图4.6所示。由以上仿真结果可以看出，在两相供电臂负载不平衡的情况下，牵引变压器两绕组输出电流向三相供电系统注入了大量的奇次谐波电流，并造成了三相供电系统的电流严重不平衡，对电力系统造成危害。5总结本文主要研究对象是电气化铁路牵引供电系统中牵引变压器方面的内容。本文首先对国内外的研究方向和研究程度进行了简单的介绍，之后用了很大篇幅对电气化铁路牵引供电系统中常用的几种牵引变压器从原理和使用上进行了细致的理论分析和讲解，对下一步的专向研究打下了理论基础。之后，本文对于简单的含V/v变压器和阻抗匹配平衡变压器的电气化铁路进行了MATLAB/Simulink仿真建模，并研究其电路传输性质，主要是对于负序和谐波的研究。最后，在上一章的基础上，对韶山8型电力机车进行仿真研究，细致的了解了两种变压器在真正实际应用中的情况并做了细致分析。通过本次研究，本人了解到：不同的变压器的接线方式在三相电力系统中所引起的不对称电流有着很大的区别。在单相交流电气化铁路中，总是希望一次供电系统的每相负荷尽量达到平衡。但是，要保证向单相交流电气化铁路供电的三相电力系统各相的负荷都相同，在现实中是不现实的。这是由于在不同的时间段的电力机车的数目也会不同，供电系统所消耗的功率也会各不相同，从而一定会造成电力系统的三相负荷不对称。选取不同的变压器的接线方式，在线路运行中会有不同的设备容量的利用率，不同的后备方式也会对供应地区负荷有着不同的适应程度。因此，在各种各样的具体条件下，选用不同的变压器的接线方式，有着不一样的技术经济效果。致谢在完成我的本科论文之际，我首先要感谢我的导师张志文教授，张老师在我完成我的本科毕业设计和本科论文的过程中给予了我很大的帮助。毕业设计制作期间，张老师提供很多宝贵的建议，并在我困惑疑难时给予我很多的帮助。在论文的写作期间，张老师对论文质量要求很严，他仔细审阅论文，并提出改进意见，张老师渊博的学识，严谨、缜密的思维，实事求是的做事风格着实令我感到敬佩，也是我需要学习地方。最后，我还要感谢家人朋友对我的支持和鼓励，让我能够顺利完成我的本科学业。参考文献[1]李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2014,49（4）：559-568.[2]李晴，徐丽杰.对含动车组负荷的牵引供电系统的仿真研究[J].铁道车辆，2008,46（7）：5-6.[3]马向平.电气化铁路牵引供电系统的研究与分析[J].中国高新技术企业，2014,21：112-114.[4]吴传平，罗安，徐先勇，马伏军，孙娟.采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法[J].中国电机工程学报，2010,30（16）：111-117.[5]李伟，朱凌，马治国.基于Matlab/Simulink的SS8型电力机车供电系统建模与仿真[J].大功率变流技术，2009,6：6-10.[6]