牵引变压器接线方式对谐波和负序的影响研究

游广增 马 斌 朱 毅

（1.云南电网公司电网规划研究中心，昆明 650000；2.西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

我国电气化铁路采用单相工频交流制式，取电于电力系统。牵引变电所作为电力系统和电气化铁路牵引网的联结，向电力机车输送合格的电能。我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相-二相制，即其原边取自电力系统的110kV、220kV 或330kV 三相电压，次边向两个单相供电臂供电，其母线额定电压为27.5kV 或55kV。

牵引变压器是铁路牵引供电系统的核心设备，我国目前采用的牵引变压器接线形式有YNd11接线变压器、V 型接线变压器、平衡接线变压器和单相接线变压器。牵引变压器类型的选择，应综合考虑牵引负荷特性及对电力系统的供电要求、电力系统的短路容量、牵引负荷对电力系统的影响、牵引变压器容量利用率等因素进行综合技术经济比较后确定[1]。

本文针对电气化铁路负荷性质，研究不同牵引变压器接线方式对谐波和负序的影响，为铁路设计部门对变压器的选择提供决策依据。

1 各种接线形式牵引变压器特点分析[2]

1.1 单相接线牵引变压器

在国内采用的众多接线形式的牵引变压器中，最简单的接线形式应属单相接线牵引变压器，其接线原理图如图1所示。牵引变压器的原边只接入电力系统中的两相；副边一端与牵引侧母线连接，另一端与轨道及地网连接。牵引变电所两供电臂由同一相供电。牵引负载对电力系统而言属于纯单相负载。

图1 单相牵引变压器原理展开图

单相接线牵引变压器的优点是，其容量利用率可达100%，主接线简单，设备少，占地面积少，投资省等。其缺点是：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；对电力系统的负序影响较大。所以这种接线的变压器只适用于电力系统容量较大，电网较发达，三相负荷用电能够可靠的由地方电网得到供应的场合，另外，单相牵引变压器要按全绝缘设计制造，次边两绕组容量不等。

1.2 YNd11 接线牵引变压器

YNd11 牵引变压器原边接线如图2所示。

图2 YNd11 牵引变压器的规格化定向

YNd11 接线牵引变压器的优点是牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力。YNd11 接线变压器在我国采用时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格也较便宜。原边YN 接线中性点可以引出接地，原边绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便。

缺点主要是牵引变压器容量不能得到充分利用，当重负荷相绕组电流达到额定值时，牵引变压器的输出容量只能达到其额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%。另外，应用此接线的牵引变电所滞后相供电臂电压损失较大，供电质量相对较差。与采用单相接线牵引变压器的牵引变电所相比，主接线复杂一些，用的设备、投资也较多，维修、检修工作量及相应的费用也有所增加。

目前新建的电气化铁路，已不采用该接线。

1.3 V 型接线变压器

V 接线牵引变压器是目前我国电气化铁路应用最为广泛的接线型式之一。随着我国电气化铁路牵引供电方式的发展，相继出现了低压侧馈出电压为27.5kV的Vv 接线变压器及低压侧馈出电压为2×27.5kV 的Vx 接线变压器。

低压侧馈出27.5kV 电压，主要适用于直接供电方式及带回流线的直接供电方式。接线原理如图3所示。

图3 三相Vv 接线牵引变压器原理展开图

低压侧馈出2×27.5kV 电压，主要适用于自耦变压器供电方式。其原理可看成将两单相三绕组变压器拼接，且将中性点引出并接地。其原理展开图如图4所示。

图4 三相Vx 接线牵引变压器

此接线牵引变压器继承了三相Vv 牵引变压器的优点，并利用变压器二次侧绕组兼做AT，省掉了变电所馈线AT，降低了工程投资。但同时应该指出的是，当牵引网中距变电所第一个AT 段内有机车用电时，牵引变压器二次绕组TR 部分更近似直接供电方式，形成二次绕组功率在TR 和RF 间的不平衡分布，加重了TR 间绕组的负担，在制造时需要适当增大这部分绕组的铜截面，其增大系数与第一个AT 段长度占整个供电臂长度的比例有关，当该比值在1/3 左右时，TR 间绕组的平均电流可增大12%～15%左右。

目前我国建设的客运专线，如京津城际、京沪高速铁路等，均采用该种接线。

1.4 平衡接线变压器

目前已有的平衡接线变压器，主要有两大类。一类是适用于直接供电方式的，如阻抗匹配平衡变压器及各种改进型接线，牵引变压器额定电压为110/27.5kV，国内均有成功生产制造的产品。另一类为使用于自耦变压器供电方式的平衡变压器，如斯柯特（Scott）、变形伍德桥（Wood-Bridge）及YNvd接线。这里将重点介绍斯柯特、阻抗匹配平衡变压器。

1）斯柯特变压器

斯柯特变压器主要有两种，第一种为低压侧不抽出中性点，低压侧额定电压为 55kV，为得到2×27.5kV 电压，在牵引变电所馈线出口设馈线自耦变压器，其接线原理图如图5所示。该接线主要应用在早期建设的AT 供电方式的电气化铁路中，外部电源电压等级为110kV，如京秦线和大秦线。

图5 Scott 接线图

另外，为取消馈线自耦变压器，减少工程投资，目前正在研制低压侧抽出中性点，额定电压为220/（2×27.5）kV 的斯柯特牵引变压器，其高压侧与传统的Scott 接线变压器相同，但在低压侧，T 座和M座绕组的中点抽出并与钢轨相连接，直接向牵引网供电。通过合理选择牵引变压器绕组间的阻抗约束关系，额定在变电所内的馈线AT 可省掉。

斯柯特平衡牵引变压器的优点是当M 座和T 座两供电臂负荷电流大小相等、方向相同时，变压器原边三相电流对称，一定程度上可减轻牵引负荷对电力系统的不平衡（负序）影响；能供应牵引变电所自用电和地区三相负荷（用逆斯科特接线变压器把对称两相电压转换成对称三相电压）。

缺点是斯柯特接线牵引变压器制造难度较大，绝缘水平要采用全绝缘，造价较高；牵引变电所主接线复杂，设备较多，工程投资也较大；维护、检修工作量和相应的费用也有所增加。另外，与Vx 接线一样，其次边绕组也存在容量与阻抗的匹配问题。

2）阻抗匹配平衡变压器

阻抗匹配平衡变压器原边情况与普通三相YNd11 接线变压器的原边情况相同，铁芯也是三相芯的。其主要特点是通过副边绕组三角形接线的结构和阻抗的改变实现将三相对称电压变换成二相对称电压。其接线原理如图6所示。

图6 阻抗匹配平衡变压器原理展开图

该接线原边仍为YN 接线，中性点引出，与高压中性点接地电力系统匹配方便。副边仍有三角接线绕组，三次谐波电流可以流通，是主磁通和电势波形有较好的正弦度。利用逆斯柯特接线变压器把对称两相电压变换成对称三相电压，可供应牵引变电所自用电和站区三相电力。

缺点是设计计算及制造工艺复杂，造价较高。与斯柯特接线一样，两供电臂之间的分相绝缘器两段承受的电压为因此分相绝缘器的绝缘应注意。

目前只在电力系统欠发达地区设置的牵引变电所，采用阻抗匹配平衡接线变压器。

2 牵引变压器接线方式对谐波和负序的影响研究

2.1 牵引负载数据来源

牵引供电系统的特殊性，主要在于其负载的特殊。要研究不同变压器接线方式所带来的不同影响，首先要了解变压器所带负载的特性。在这里，我们采用某牵引变电所的实测数据，周期为一天24 h 时。两臂负荷电流如图7和图8所示。

图7 α 相负载电流

图8 β 相负载电流

两供电臂各次谐波电流统计结果见表1和表2。

可见，随着谐波次数增加谐波电流的平均值越来越小，且偶次谐波含量明显小于奇次谐波，25 次之后奇次谐波电流小于10A，在此不再列出。

表1 α 相谐波电流含量统计表

表2 β 相谐波电流含量统计表

2.2 不同接线方式对牵引变电所一次侧谐波和负序影响

牵引负荷具有严重的不对称性，可以看作电力系统中的负序和谐波电流源，有必要基于牵引变电所供电臂负荷数据开展不同接线方式牵引变压器对牵引变电所一次侧谐波和负序的影响研究。所以，下面重点分析Vv 接线牵引变压器、YNd11 接线和阻抗匹配平衡变压器对牵引变电所谐波和负序的影响。

首先讨论各牵引变电所分别采用不同接线形式牵引变压器时，高压侧电流不平衡度和谐波电流总畸变率，高压侧电流不平衡度统计结果见表3，各牵引变电所110kV 侧电流畸变率统计结果见表4。

表3 110kV 侧电流不平衡度统计

表4 110kV 侧电流畸变率统计结果

基于上述统计结果，可以得到如下结论：

1）基于全天测量数据的统计结果表明：阻抗匹配平衡接线变压器削弱负序电流的能力相对于Vv变压器和YNd11 接线效果稍好，但优势不明显，究其原因是由于牵引变电所两臂负荷的波动性和不平衡性造成的，这也代表了云南境内山区单线电气化铁路牵引负荷的特点。为了研究不同工况下各种接线变压器抑制负序电流能力，下面针对两臂负荷的不同组合进行了详细分析。

2）阻抗匹配平衡接线、Vv 接线和YNd11 接线对高压侧的谐波电流畸变率的影响区别不大，阻抗匹配平衡接线稍好一些。因此，改变变压器接线方式对谐波的影响作用不大。

利用供电臂负载大小的不同代表多种运行工况，提取盐津牵引变电所某天四个时刻的实测数据，分别代表了α和β供电臂均为中等负载且大小接近、α和β供电臂均为小负载、α供电臂为大负载且β供电臂为小负载、β供电臂为大负载且α供电臂为小负载等四种实际工况，对云南电气化铁路目前采用的多种牵引变压器特性进行了详细分析，仿真结果见表5到表8。

表5 α 和β 供电臂均为中等负载时110kV 侧统计结果

表6 α 和β 供电臂均为小负载时110kV 侧统计结果

表7 α 供电臂为大负载且β 供电臂 为小负载时110kV 侧统计结果

表8 β 供电臂为大负载且α 供电臂 为小负载时110kV 侧统计结果

基于上述统计结果，可以得到如下结论：

1）无论何种接线牵引变压器，两供电臂的负载相差越大，注入上级电力系统的负序电流越大，只有当两供电臂的负载相当时注入上级电力系统的负序电流最小。

2）多种负荷工况的对比统计结果表明:阻抗匹配平衡接线抑制负序电流能力相对较强，Vv 变压器和YNd11 接线效果较差，但一旦两供电臂负荷相差较大时三相平衡接线和非平衡接线变压器抑制负序电流的效果相差不大。

3 结论

铁路作为我国国民经济的大动脉，是我国重要的基础设施。牵引变压器是牵引供电系统的关键设备，作为电力系统与牵引供电系统电能转换的重要节点，开展不同接线牵引变压器对牵引变电所一次侧谐波和负序的影响相关研究有着重要的实际意义。

基于上述研究得到以下主要结论：

1）三相-两相平衡变压器（如阻抗匹配平衡变压器）在负载率高且两臂负载相当的情况下对负序电流的抑制能力要明显优于三相-两相非平衡变压器（如V 型接线），平衡变压器的平衡性能总体要优于非平衡牵引变压器，能够有效地减小由牵引供电系统在电力系统引起的负序电流。随着两臂负载不对称度增大，平衡变压器对负序电流的抑制能力明显下降，几乎和非平衡变压器相当。

2）在相同负荷条件下，多种接线形式牵引变压器对牵引负荷在牵引变电所一次侧引起的谐波影响不明显，抑制谐波的能力差别不大。

3）基于各种牵引变压器技术经济性，平衡接线牵引变压器特别适用于两供电臂负载率高且大小较相近的复线区段，由于设计计算及制造工艺复杂，造价较高，目前只在电力系统欠发达地区设置的牵引变电所中采用；YNd11 接线由于牵引变压器容量不能得到充分利用，且应用此接线的牵引变电所滞后相供电臂电压损失较大，供电质量相对较差等原因，目前新建的电气化铁路，已不采用该接线；三相Vx 接线牵引变压器继承了三相Vv 牵引变压器的优点，并利用变压器二次侧绕组兼做AT，省掉了变电所馈线AT，降低了工程投资。目前我国建设的客运专线，如京津城际、京沪高速铁路等，均采用该种接线。

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