铁路牵引供电二次侧中点抽样牵引变压器选型研究

铁路牵引供电二次侧中点抽样牵引变压器选型研究

1cott地下接收线路在世界范围内，应用于电气化道路自桥压的主要供电类型包括单轨线、套线、变形桥压、桥段、中学二次从中选择单元、v/x线等。目前我国现有普速电气化铁道AT供电系统几乎全部采用Scott接线,仅有的几处例外是:(1)1988年在大同—秦皇岛电气化铁路的延庆和涿鹿两牵引变电所采用了十字交叉接线;(2)1998年秦皇岛枢纽的秦北牵引变电所采用了二次侧中点抽出式单相接线;(3)2004年在准格尔—东胜地方铁路的福兴城牵引变电所采用了V/X接线。2008年以后新建的高速客运专线则大量采用了单相组合式V/X接线变压器和二次侧中点抽出式单相接线。新型变压器的研究一直是国内输变电技术领域的一个热点,其中,近些年提出的三相变四相电力变压器引起了电气化铁道研究者的注意,陆续开展了一些应用基础研究。本文研究的二次侧中点抽出式Scott接线变压器,是对传统Scott接线变压器的改进,也能实现三相到四相的变换,用于电气化铁道时,由于二次侧抽出的中点可以直接同钢轨相连,从而可以省掉变电所内的AT,直接向2×25kV牵引网供电。我国近几年规划修建的高速电气化客运专线将主要采用AT供电方式,结合客运专线AT供电系统变压器选型问题开展二次侧中点抽出式Scott接线变压器的理论与试验研究,具有重要现实意义。2次侧t、r、f接触网二次侧中点抽出式Scott接线变压器用于AT供电系统的原理如图1所示,其一次侧与传统的Scott接线变压器没有区别,但在二次侧,T变压器和M变压器绕组的中点抽出,同钢轨相连接,直接向牵引网供电,这样原先安装在变电所内的AT就可以省掉,图中T、R、F分别表示接触网、钢轨、正馈线。3平衡函数和两相解决函数3.1管负荷接接方式所谓平衡特性是指:在一次侧施加三相对称电压情况下,只要T变压器和M变压器所带负荷的容量和功率因数均相等,不管负荷接在27.5kV端口还是55kV端口,或二者兼而有之,则一次侧三相电流对称。要实现平衡特性,除要求绕组匝数做到精确匹配外,还需要阻抗匹配,要求做到从二次侧看两相短路阻抗对称,即,一次侧三相短路时,从二次侧ad和bc测得的阻抗相等;从ae(ed)和bf(fc)测得的阻抗也相等。这可通过合理布置绕组实现,方案不唯一。3.2两相平衡变压器普通三变性Scott接线变压器的一个突出特点是二次侧两相自然解耦,即,一相的负荷不在另一相上产生电压损失,即使一相短路,另一相的电压输出也不受影响。这一点是其他的三相变两相平衡变压器很难做到的,而对Scott接线变压器,只要M变一次侧两个半绕组BD和DC做到完全对称即可。二次侧中点抽出,并不影响一次侧的接线,因此二次侧中点抽出式Scott接线变压器同样具有二次侧两相解耦这一特点。4次侧中点切换与at组合AT供电系统为保证一定的供电性能,特别是为提高防干扰性能,通常要求AT的漏抗Zg要小,如我国一般要求Zg≤0.45Ω,当省掉所内AT时,会相应对主变压器的阻抗提出要求。由于两相解耦,可把二次侧中点抽出式Scott接线变压器当作两个单相变压器处理。如图2所示,容易通过列写节点导纳矩阵证明,只要满足Z1=Zt-k2Zg和Z2=2Zg,则一台二次侧中点抽出式单相变压器与一台单相两绕组变压器和一台AT的组合在电路上等效。这个结论对设计二次侧中点抽出式Scott接线变压器时,确定阻抗参数的取值是有用的。5牵引中性点接地表1从多个方面比较了应用于电气化铁道AT供电系统的不同接线变压器。前些年,我国修建的普速电气化铁路较多地采用带负馈线的直接供电方式牵引网,变压器优先采用单相接线,其优点是:(1)变压器容量利用率为100%,安装容量小,节省固定容量电费。(2)变电所接线简单,节省占地面积和开关设备,投资低。(3)理论上可以省略变电所出口处的电分相,从而可减少电分相环节对列车运行的不利影响。正在建设的大量高速客运专线,列车牵引功率大,行车密度高,主要采用AT供电方式。若采用单相变压器,初期容量一般为50~75MVA,后期75~120MVA。当电源相对较薄弱时,重负荷下的一次侧三相电压不平衡度往往超过标准限制值。变形伍德桥接线结构比较复杂,容量利用率低,制造难度大,存在AT中性点间环流问题,世界上仅日本新干线采用,我国不宜采用。十字交叉接线的问题是容量利用率低和滞后相压损大,这与YNd11接线类似。2005年大秦线2亿吨扩能改造时,涿鹿变电所已更换为Scott接线,延庆变电所则在滞后相上加装了调压装置。这两种变压器的优点是一次侧具有中性点,一旦电力系统有要求,可以接地运行。从我国近50年的电气化铁路建设和运行实际来看,一般都不要求牵引变电所中性点接地运行。目前我国各大电网的主干骨架是500kV电网,为避免形成高低压电磁环网,220kV电网解环运行,向地区性输配电功能转化,即使客运专线牵引变电所的进线电压升级到220kV,高压侧一般不会有穿越功率通过,在送电端已经实现中性点接地的条件下,通常从简化零序电流保护角度不会要求牵引变电所中性点接地运行。哈大线和秦沈线大量投运了采用220kV单相变压器就是一个证明。当然,当一次侧没有可以接地的中性点时,变压器绕组绝缘水平应该提高,通常必须采用全绝缘结构。目前我国已建成的客运专线大量采用了单体组合式V/X接线,因为它既有一定的抑制负序能力,又能省掉变电所内的AT。本文则推荐二次侧中点抽出式Scott接线变压器,它保留了平衡变换的优点,同时由于二次侧抽出的中点可以直接同钢轨相连,从而也可以省掉变电所内的AT。比较一下V/X接线和二次侧中点抽出式Scott接线就会发现:(1)结构上都是由两台单相变压器组合而成。(2)都可省掉变电所内的AT,变电所牵引侧接线完全一样。(3)变压器绝缘要求相同,材料消耗基本相当。(4)设计时都需考虑满足AT供电系统阻抗要求,两者二次绕组布置可采用同一方案。(5)在抑制负序方面,考虑到客运专线线路条件好、供电臂距离长、列车牵引电流大、行车密度高等特点,变电所两臂同时有负荷的概率大,这会更有利于平衡变压器优势的发挥,计算显示,Scott接线剩余负序电流仅为V/V接线的30%~60%,对电力系统的负序影响明显降低。二次侧中点抽出式Scott接线变压器尽管接线原理不复杂,但要实现阻抗匹配要求,绕组布置应当合理设计,有一定制造难度。近些年国内在研究、开发牵引变压器上已经积累了不少经验,甚至走在世界前列,制造二次侧中点抽出式Scott接线变压器不存在不可克服的技术困难,甚至容量不大时在220kV等级可以做成单体式,能较目前的组合式V/X接线进一步节省变电所面积。需要注意的是,由于二次侧同一相的两个半绕组在AT牵引网中的负荷条件不同,连接接触网的半绕组(图1中为ae和bf)需要适当进行容量放大,这点与我国已经应用的十字交叉接线变压器、二次侧中点抽出式单相接线变压器和V/X接线变压器类似。综上所述,作者认为,我国高速客运专线AT供电系统应该采用二次侧中点抽出式单相变压器和二次侧中点抽出式Scott接线变压器,其中后者尤其适用于电源相对较弱或对抑制负序要求较高的场合。6次侧两个半串联结构为了验证二次侧中点抽出式Scott接线变压器方案的可行性,制作了一台小容量模型,如图3所示。T变压器和M变压器二次绕组采用每柱两线圈跨心柱交错并联结构,M变压器一次侧两个半绕组采用跨心柱交错串联结构。主要设计参数如下:额定容量SN=50kVA,额定电压U1N=2200V,U2N=2×220V,阻抗电压百分数uk%=5.6。测试结果如下:6.1电压比一次侧施加50%额定电压,实测结果见表2。可得6.2短路电流的不对称二次侧全短路,一次侧施加三相电压,使一次侧电流近似达到额定电流,实测结果见表3。相电流平均值三相电流不对称度式中,Imax和Imin分别为三相电流中的最大值和最小值。引起三相短路电流不对称的原因有二:一是阻抗未实现完全匹配;二是一次侧施加的电压本身就不完全对称。线电压平均值则从一次侧看的短路阻抗为所说的阻抗是指其模值,因忽略电阻,阻抗模值等于电抗值(下同)。于是,阻抗电压百分数与设计值5.6的误差为-5.607%。6.3短路一种单采充填抗一次侧全短路,二次侧各端口分别施加电压,使二次侧电流近似达到额定电流,实测结果见表4。从ad、bc分别看的短路阻抗二次侧短路阻抗平均值二次侧短路阻抗不对称度二次侧阻抗电压百分数与一次侧的5.286的误差为1.230%,理论上二者应相等。从ae、bf分别看的短路阻抗6.4变压器二次短路阻抗测量验证测量结果见表5。测量时,在前一个绕组施加电压,后一个绕组短路,因此所测得的Zk是折算至前一个绕组的短路阻抗。为提高测量精度,一般在高压绕组施加电压。利用绕组间短路阻抗可计算变压器二次短路阻抗,与实测值比较就可以验证计算模型。与二次侧实测值0.4134的误差为-0.1209%。与二次侧实测值0.4153的误差为-0.2889%。与二次侧实测值0.1179的误差为-1.951%。与二次侧实测值0.1179的误差为-2.036%。6.5z3的测量结果把T变压器绕组AD、ae、ed分别标为1、2、3,用Z1、Z2、Z3分别表示各绕组的等值阻抗,若把所有阻抗都折算至二次半绕组220V侧,根据表5的测量结果有解得根据这些数据可以计算绕组AD、ad间的短路阻抗与表5中直接测量值7.356的误差为-1.359%。6.6边插装式变压器二次侧把M变压器当作三绕组变压器分析,绕组BC、bf、fc分别标为4、5、6,用Z4、Z5、Z6分别表示各绕组的等值阻抗,若把所有阻抗都折算至二次半绕组220V侧,根据表5的测量结果有解得根据这些数据可以计算绕组BC、bc间的短路阻抗与表5中直接测量值10.36的误差为-1.255%。对模型变压器的试验结果表明,二次侧中点抽出式Scott接线变压器的平衡特性十分理想,满足ZIIT=ZIIM和ZIIt=ZIIm的工程要求。二次侧两个半绕组之间,即,ae与ed之间、bf与fc之间的短路阻抗非常小,分别为0.0547Ω和0.0524Ω,这是特意设计的结果,是为了模拟AT供电系统对等效AT漏阻抗的低值特殊要求。7at运营中二次侧中点切换式高效电路设计在对用于AT供电系统的不同接线型式变压器进行技术性能比较的基础上,建议我国高速客运专线优先采用二次侧中