相序轮换在高铁牵引供电系统中的应用分析

吴世文



相序轮换在高铁牵引供电系统中的应用分析

吴世文

中铁五局集团电务工程有限责任公司

在分析三相V,v结线变压器相序轮换的基础上，研究了采用三相V,x结线变压器的高铁牵引变电所外部电源相序轮换规则。通过分析研究，发现牵引变电所进线相序/馈线相位、变压器联接组号、牵引所和铁路相对位置对牵引变所的主接线形式存在相互影响。在保证牵引变电所馈线相位正常轮换的前提下，牵引变电所主接线和总平面的形式将受进线相序、变压器联接组号的影响。通过合理调整牵引变电所的进线相序和变压器联接组号，铁路沿线各牵引所可以采用形式一致的主接线和总平面布置，可以简化设计，并方便维护管理。

高速铁路 牵引供电 三相V,v(x) 相序轮换 主接线

相序轮换，是指铁路各相邻牵引变电所牵引变压器的原边各端子轮换接入电力系统的不同相，以减少铁路单相负荷对电力系统的负序影响。同时为了减少两相邻牵引变电所之间的供电臂电位差，对于三相V,v(x)结线变压器，相序轮换时一般按两相邻供电臂同相位的原则处理。在满足牵引负荷轮换接入电力系统和相邻供电臂同相位的前提下，各牵引所的进线相序、变压器联接组号、牵引所和铁路相对位置关系也将影响牵引所的主接线形式。所以在设计前期阶段，应提前考虑全线各牵引所的相序轮换规则，并结合馈线出线规则、牵引所和铁路的相对位置确定牵引变电所的主接线和总平面布置形式。

1 三相V,v结线牵引变压器

当牵引网采用直接供电方式或带回流线的直接供电方式时，铁路牵引变电所多采用三相V,v结线牵引变压器。三相V,v牵引变压器原边引入电力系统A、B、C三相，次边根据出线端子连接形式的不同，可以构成V,v0和V,v6两种联接组号。图1为三相V,v结线变压器原理结线及套管出线图。当X1，X2并接接地时，将构成三相V,v0结线；当T1，T2并接接地时，将构成三相V,v6结线。

图1 三相V,v结线原理及套管布置图

2 采用三相V,v结线变压器的牵引变电所相序轮换分析

对铁路部门而言，各牵引变电所的相序轮换应使得相邻牵引所供电臂之间的电压差为最小或相位一致。所以当采用三相V,v结变压器，相邻牵引变电所的联结组号应为V,v0和V,v6交替出现，相邻牵引变电所采用同一种联接组号是无法实现相序轮换的。

采用三相V,v结线变压器的牵引变电所相序轮换分两种情况，分别见图2、图3。图2的相序轮换顺序为ABC（正序）、CAB（正序）、BCA（正序）、ABC（正序）、CAB（正序）、BCA（正序），图3的相序轮换顺序为ABC（正序）、BAC（逆序）、BCA（正序）、CBA（逆序）、CAB（正序）、BCA（逆序）。对比图2和图3可知，图2中各牵引所引入接线均为正序，且为三个相序轮换两次；图3为正序和逆序交替轮换，六个牵引所完成一次完整轮换。但是就牵引负荷接入电力系统的情况而言， ABC、CAB、BCA或ABC、BAC、BCA三相牵引所便可完成一次相序轮换，即供电臂相位-BC、AB、AB、-CA、-CA、BC的轮换已经完成了AB、BC、CA相牵引负荷的对称。但图2中的2，4，6牵引所相序均为逆序，是因为馈线馈出交叉的原因，它反映了当馈线相位轮换规则确定时，牵引变电所进线相序与主接线形式之间的关系。

当牵引变电所均位于线路一侧时，本文推荐采用图2的相序轮换方式，因为此时各牵引变电所的主接线、平面布置、设备编号均一致，方便运营维护管理。而对于图3，由于馈线交叉、需要两种主接线形式的牵引变电所，尤其当两供电臂容量不相等时，在设备招标技术联络时还应注意变压器容量和供电臂负荷的对应关系。在运营维护管理时，需要考虑因主接线的不同形式而造成的设备布置和接线的变化。

图2 采用三相V,v结线变压器的牵引所相序轮换示意图一

图3 采用三相V,v结线变压器的牵引所相序轮换示意图二

以上针对于三相V,v结线变压器的牵引所相序轮换均是以牵引变电所位于线路同一侧考虑的，但实际应用过程中，牵引变电所的布点会随机分布于铁路两侧，以下以图2中第1个牵引所为例，分析当牵引所位于铁路对侧时的进线相序与主接线的关系。

以图2第1个所为例，假设左侧为铁路小里程方向、右侧为铁路大里程方向，则图2中的各所位置为面向铁路大里程方向左侧，当牵引所位于铁路对侧时，即面向铁路大里程方向右侧，在保证供电臂相位仍为-BC、AB的前提下，此时牵引变电所相序图如图4所示。由图4可知，当牵引所仍采用ABC相序进线时，此时馈线应交叉出线；当牵引所改为CBA的逆序进线时，牵引所的主接线及馈线出线布置与图2中的第1个所一致。这说明在馈线相位轮换确定的前提下，主接线形式将受牵引所与铁路相对位置的影响，而通过调整进线相序可以改变主接线形式。

图4 位于线路对侧时牵引所进线及相序图

3 三相V,x结线牵引变压器

目前我国高速铁路普遍采用三相V,x结线变压器，它是V,v结线变压器在AT供电方式中的应用。该类变压器一般由两台单相变压器组合成三相V,x结线。

3.1 由联接组号为I,i0的单相变压器组合成的三相V,x结线变压器

当两台变压器均采用I,i0联接组号时，变压器结线原理如图5所示，为了便于对三相V,x结线的理解，将左侧单相变压器的次边出线端子命名为b1，0，b2。实际应用时，将次边中性点相连并接地，则可以构成三相V,x结线变压器，见图6所示。

图5 两台单相I,i0变压器结线原理图

图6 三相V,x结线变压器结线原理图

图6即为扭接而成的三相V,x结线变压器原理图。当b2,a1用于连接T线，a2、b1用于连接F线时，即构成三相V,x-0联接组号变压器（联接组号以T线为基准），见图7所示。当b2、a1用于连接F线，a2、b1用于连接T线时，即构成三相V,x-6联接组号，如图8所示。由图7，图8可知，由单相I,i0拼接成的三相V,x-0变压器次边馈线顺序为TFFT，三相V,x-6变压器次边馈线顺序为FTTF。

图7 由单相I,i0拼接而成的三相V,x-0变压器

图8 由单相I,i0拼接而成的三相V,x-6变压器

3.2 由联接组号为I,i6的单相变压器组合成的三相V,x结线变压器

单相变压器存在两种联接组号，即I,i0和I,i6，以下分析由两台I,i6联接组号的单相牵引变压器拼接成的三相V,x结线变压器。两台单相I,i6联接组号的单相变压器如图9所示，其与单相I,i0联接组号变压器的不同仅为同名端的变化。

图9 两台单相I,i6变压器结线原理图

同理，由两台单相I,i6变压器也可以连接成三相V,x-0联接组号变压器和三相V,x-6联接组号变压器，分别见图10，图11。

图10 由单相I,i6拼接而成的三相V,x-0变压器

图11 由单相I,i6拼接而成的三相V,x-6变压器

由图10、图11可知，由两台单相I,i6变压器连接成的三相V,x-0联接组号变压器馈线出现顺序为FTTF，三相V,x-6联接组号变压器馈线出现顺序为TFFT。

3.3 变压器套管布置及I,i0,i0联结组号变压器

对应于以上变压器的套管布置如图12所示。图12中的变压器次边有三个抽头，中间为中性点，此种变压器在生产时即确定联结组号。在实际应用中，也可以采用I,i0,i0联结组号变压器，对应结线原理图和套管布置图见图13、14所示。当a2、x1接地时，即可构成两台I,i0结线变压器；当x2、a1接地时，即可构成两台I,i6结线变压器。变压器结构型式唯一，但具体的三相V,x结线变压器联接组号根据实际情况确定，接线显得更加灵活。

图12 变压器套管布置图一

图13 两台 I,i0,i0单相变压器结线原理图

图14 变压器套管布置图二

4 采用三相V,x结线变压器相序轮换方式分析

由三相V,v结线变压器相序轮换分析可知，三相V,x结线变压器的相序轮换也应该是V,x-0和V,x-6交替出现。图15为两台单相I,i0变压器构成的相序轮换图，图16为两台I,i0结线变压器及I,i6结线变压器交替出现的相序轮换图。从图15、图16可以看出，两图的进线相序均为：ABC-CAB-BCA轮换两次，进线相序未出现逆序是因为两图中的牵引所馈线未交叉出线。但是图15中两相邻牵引所的馈线出线依次为TFFT、FTTF交替，而图16中，各牵引所的馈线出线均为TFFT，这反映了采用I,i0和I,i6单相变压器的区别。

当采用图15的相序轮换布置时，牵引变压器V,x-0联接组号和V,x-6联接组号交替出现，各三相V,x牵引变压器均由I,i0单相组合构成，变压器各牵引所馈线出现TFFT与FTTF交替变换，馈线出线顺序的不同会使得相邻牵引所的主接线形式不同。当采用图16的相序轮换布置时，牵引变压器V,x-0联接组号由单相I,i0组成，V,x-6联接组号由单相I,i6组成，变压器各牵引所馈线均为TFFT出线，各牵引所的主接线形式一致。本文推荐采用图16的相序轮换方式，铁路沿线各牵引变电所的主接线、总平面布置会变得统一，方便维护管理。

图15 三相V,x结线变压器相序轮换示意图一

图16 三相V,x结线变压器相序轮换示意图二

当牵引变电所位于铁路另一侧时，在保证牵引变压器联接组号不变的前提下，牵引所馈线出线与进线相序的关系与三相V,v结线变压器一致。以图15中的第一个所为例，当进线相序不变时，馈线出线会产生交叉。当进线相序变为逆序时，馈线出线与对侧牵引所顺序一致，详见图17。此时牵引所的主接线和总平面与图15中的第一个所一致，但是馈线设备的编号会有变化，即小里程和大里程的编号对调。

图17 位于铁路对侧的牵引所进线相序

5 结束语

采用三相V,v(x)结线变压器的牵引变电所相序轮换，相邻牵引所的变压器依次为V,v(x)0和V,v(x)6交替变化。对于由单相变压器组合而成的三相V,x结线变压器，单相变压器的联结组号会影响三相V,x变压器的T线和F线的出线顺序。通过合理调整牵引所进线相序，并选择合适结线的变压器，可以使得全线的牵引所主接线及总平面布置统一，进而可以简化设计，方便维护管理。

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