电气化铁路Scott牵引变压器短路特性研究

摘要：该文以电气化铁路Scott牵引变压器为研究对象，根据牵引变压器磁势平衡原理与相量分析法，分析了Scott牵引变压器的电气运行原理，利用Matlab/Simulink搭建了Scott牵引变压器供电臂短路仿真实验平台，研究了短路工况对Scott牵引变压器电气特性的影响，为牵引变压器的设计提供了理论依据。

关键词：铁路Scott牵引变压器短路

中图分类号：TM41;U224.22文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

Research On Short Circuit Characteristics of Scott Traction Transformer InElectrified Railway

LI Chaoyang

（ Hunan Technical College of Railway High-speed，Hengyang， Hunan Province，421002，China）

Abstract：Scott traction transformer of electrified railway is studied in this paper，According to the magnetic potential balance principle and phasor analysis method of traction transformer， the electrical operation principle of Scott traction transformer is analyzed.The short-circuit simulation experiment platform of Scott traction transformer power supply arm was built by Matlab/Simulink， and the influence of short-circuit condition on Scott traction transformer electrical characteristics was studied， which provided a theoretical basis for the design of traction transformer.

Key Words：Railway; Scott; Traction transformer; Short-circuit

牽引变压器作为电气化铁道的重中之重，是电力机车获取动力的重要中介。牵引变压器的主要作用是实现电压的转换，把交流电的三相变换为交流两相，进而输送给牵引线路。再由各自的单相牵引线路对各自区间的电力机车实施供电[1];然而，短路故障频发、谐波含量多、牵引线路符合不稳定因素高已成为牵引负荷的显著特点，因此，牵引变压器的抗短路能力是极为重要的电气特性保障[2]。

1 电气特性原理

单相变压器的构成及原理较为简单且高效，将两个单相变压器组合在一起就构成了Scott牵引牵引变压器的主要部分[3]。把其中一台定义为 座变压器，将 座变压器的一次侧绕组两端引出线分别接到三相电源 相、 相和 相的任意两相，假设M座变压器接到B、C相;另外一台变压器定义为 座变压器，将其一次侧绕组接到三相电源的 相，然后再将 座变压器的一次绕组的中心点 座变压器的另一个接线端子相连。采用这种电气连接方式，就可以将对称的三相电源变换成两相电源，且这两相电源依然是对称的[4]。电力机车运行于上行区间或者下行区间时，可通过M座牵引变压器与T座牵引变压器的供电臂实行双边供电[5]。其电气原理图如图1所示。

如图1所示，用 与 分别表示牵引变压器M的一次侧绕组匝数及其电压，再从三相电源的B相与C相分别引出接线与M座牵引变压器的两个引出线相连;用 与 分别表示牵引变压器M的一次绕组匝数及其电压，其变比 ，且向左边供电臂供电。T座变压器的一次绕组匝数为M座变压器匝数的 ，T座变压器一次绕组电压为 ，一次绕组的一端与M座的O点（中点）直接相连，另外一端接到三相电源的A相，用为 表示T座变压器的二次绕组匝数，用 表示T座变压器的二次绕组电压，两个变压器的变比为 且向右边的供电臂符合进行供电[6]。如图1中已将一次侧电流与二次侧的电流关系进行了表述，一次侧与二次侧的电压表达式如下[7]：

由上式的电压与电流关系可知，在 ，且M座变压器与T座变压器的供电臂功率因数相等的前提下，那么Scott牵引变压器的一次侧三相电流大小相等，且 相位超前于 120°， 相位超前于 120°， 相位超前于 120°。

2 Scott牵引变压器短路特性仿真

2.1仿真平台搭建

选取交流电源 、 、 模块模拟三相交流电、三相频率分析仪（用来将牵引变压器的一次侧电流分量进行分解）等模块，用接地模块模拟左右两边的供电臂发生短路接地故障，设置三相交流电源电压为63.51kV（线电压是相电压的 倍），三相电源相位各相差120°，电源频率设置为50Hz，按照Scott牵引器电气连接关系搭建的仿真平台如图2所示，设置仿真算法为ode23tb，设置仿真时间为0.2s，点击“Run”运行仿真，打开各示波器可观察相应波形。

2.2 供电臂未短路工况

当机车正常运行，两供电臂均未发生接地短路故障，设置仿真时间为0.2s，牵引变压器一次侧电压、电流波形、各序分量及二次侧电压波形分别如图3至图7所示。

由图3可以得出，A相、B相、C相的电压最大值均为110 kV，A、B、C三相电压相位各相差120°，即A相超前于B相120°，B相超前于C相120°，C相超前于A相120°。

由图4可知， 、 、 的最大值均为0.9A，三相电流与三相电压波形变化趋势一致， 超前于 ， 超前于 ， 超前于 ，相位也互相相差120°。

由图5和图6可知，负序幅值与相位，零序幅值与相位几乎均为0。

由图7可知，牵引变压器二次侧电压为27.5 kV， 相位相差90°，实现了将三相电源变两相电源。

2.3 供电臂短路工况

供电臂短路仿真模型如图2所示，当两供电臂发生接地短路故障时，牵引变压器一次侧电流波形如图8所示，各序分量如图9和图10所示。

由图8可知，当短路故障发生在供电臂时，会产生巨大的短路冲击电流，对牵引变压器的一次侧绕组等部件产生较大的危害。 由0.9A陡增到1500A， 由0.9A陡增到2100A， 由0.9A陡增到580A，三相电流不再对称分布，巨大的短路电流将对牵引变压器造成损伤，甚至损坏牵引变压器。

由图9和图10可知，与正常工况相比，接地故障发生后，三相电流将不再对称，同时出现了负序电流分量。

3 结语

当供电臂 ，且M座变压器与T座变压器的供电臂功率因数相等时，其一次侧三相电流是對称的，这就使得它的容量可充分使用，还可以实现M与T的两边供电，其缺点是造价较高，工程投资也比较大。通过研究短路工况对Scott牵引变压器电气特性的影响，为牵引变压器的设计提供了参考依据。

参考文献

[1] 段少卿.基于MATLAB/SIMULINK的高速铁路牵引网短路故障电流分布仿真计算研究[J].电力设备管理，2020（10）：180-183，197.

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[3] 林轩，阎铁生，曹太强.考虑车网耦合的地铁供电系统潮流计算研究[J].西华大学学报：自然科学版，2021，40（1）：53-62.

[4] 周根华，陈小立，李鲲鹏，等.福州地铁1号线直流牵引供电系统参数动态变化仿真分析[J].中国科技信息，2021（2）：80-82.

[5] 刘诗慧.基于阻抗分析的电气化铁路车-网-车耦合作用及系统稳定性研究[D].北京：北京交通大学，2020.

[6] 王瑞田，赵治华，肖飞，等.中频变压器并联绕组环流的频率特性及其对等效电阻的影响分析[J].电工技术学报，2020，35（S1）：251-258.

[7] 窦雪薇，郎兵，陈秀廷，等.基于PSCAD的高速铁路全并联AT牵引供电系统短路故障仿真计算研究[J].铁道标准设计，2018，62（2）：154-159.

作者简介：李朝阳（1973—），男，硕士，副教授，研究方向为铁路信号控制。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2201-5042-4757