摘要：本文主要对采用不同接线方式下电气化铁路牵引变压器对负序电流产生的影响进行了探讨分析，首先简要介绍了现阶段相关领域的研究成果，详细阐述了不同接线方式下牵引变压器电流不平衡度相关理论，在此基础上构建了相应的电流不平衡度数学模型，最后采用MATLAB仿真软件对各个模型进行数值仿真，根据结果分析获得了牵引变压器对负序电流的影响因素。
关键词：电气化铁路；牵引变压器；负序电流
前言
近些年力，电气化铁道在我国获得了快速的发展，已经成为最现代化的铁道，其具有机车效率高、功率大等特点，因此加速和爬坡能力极强。牵引变电所、接触网以及电力机车时电气化铁道的主要组成部分，牵引变压器则是牵引变电所中的重要电气设备，它要满足牵引负荷剧烈变化以及外部短路频繁的要求。探究牵引变压器对负序电流影响的目的是为接线方式的选择提供依据，保障铁路的良好运行。
1.电气化铁路牵引变压器对负序电流影响的研究现状分析
1.1电气化铁路牵引供电系统介绍
在电气化铁路运行的过程中，其牵引变电所和接触网共同组成了牵引供电系统，其主要作用是为电力机车提供牵引用电[1]。如图1所示，为电气化铁路牵引供电系统结构。电力机车在电气化铁路中的作用是为铁路运输提供牵引动力，其运行所需的电力是由牵引供电系统提供，在系统中，由牵引变电所将电力系统中高压输电侧供给的三相交流电转化为单相的工频交流电，之后通过馈线将电能输送到铁路沿线。在此过程中，牵引变压器及其特殊接线方式发挥着重要影响。结合实际情况来看，现阶段电气化铁路牵引变电所中常用的变压器种类可以分为单相接线变压器、V/V接线变压器、三相YN/dll接线变压器、Scott接线变压器、阻抗匹配平衡接线变压器等。这几者的区别主要体现在绕组数量和接线方式上。
图1电气化铁路牵引供电系统结构图
1.2电气化铁路牵引变压器对负序电流影响相关研究概述
在我国电气化铁路中，牵引变电所中所采用的牵引变压器的原边额定电压通常为110kV或220kV，副边额定电压为27.5kV[2]。牵引变压器存在多种接线方式，这使得牵引变压器两侧的三相电流常常出现不对称现象，损害到牵引供电系统的运行效果。因此为了保障电气化铁路的安全稳定运行，必须采取有效的措施抑制或是消除牵引变压器接线方式对负序电流造成的影响。当前阶段，我国对该领域的研究较少，大部分关于牵引变压器的研究都集中在工作特性以及应用范围等方面，例如，高志建在《三相V/V接线牵引变压器负序电流分析》一文中对这种牵引变压器的原理进行了阐述，据此推导其负序电流，进而绘制出牵引变压器一次侧电流不平衡度的变化曲线。而周勇、王绪雄等则在《阻抗匹配平衡变压器的负序电流》一文中对阻抗匹配平衡变压器的结构特征进行了介绍，在此基础上计算并分析了不同负荷条件下的负序电流。再有，张丽艳、李群湛等在《YNdll接线牵引变压器负序分析》一文中，对此类牵引变压器各绕组中的电流分布进行了分析。为了填补该领域研究存在的空白，本文将针对不同接线方式下牵引变压器的电流不平衡度进行综合分析，概括并构建相应的数学模型，借助计算机软件通过数值仿真对其中比较常见的接线方式下牵引变压器的电流不平衡特性进行仿真，为牵引变压器接线方式的合理选择提供参考借鉴。
2.牵引变压器负序电流及其不平衡度分析
本文为了探究单相接线、V/V接线、三相YN/dll接线、Scott接线、阻抗匹配平衡接线等多种接线方式下牵引变压器的负序电流及不平衡度，针对每种接线方式下牵引变压器的原理进行了分析，并构建了相应的数学模型。为了避免叙述繁琐，除阻抗匹配平衡变压器在文中进行详细阐述外，其余接线牵引变压器的数学模型直接给出[3]。如图2所示，为阻抗匹配平衡接线牵引变压器的示意图，它主要是通过二次侧绕组三角接线的结构和阻抗的改变，将三相对称电压转变为两相对称电压。
图2阻抗匹配平衡接线牵引变压器
通过对上图的分析，我们可以获得阻抗匹配平衡接线牵引变压器一、二次侧电压的转换关系，如下所示。
在上式中，K为变压器的变比。牵引变压器一次侧的三相电压分别为Ua、Ub、Uc，二次侧两相电压分别是Uα、Uβ。由此可见，阻抗匹配平衡接线牵引变压器实现了三相对称电压向两相对称电压的转变，两相电压呈相互垂直，且大小一致。在此基础上，我们通过叠加原理就可以获得二次侧三角形各支路电流和牵引负荷电流之间的关系，如下所示。
在此式中，λ代表的是阻抗匹配系数，阻抗匹配平衡接线牵引变压器一次侧的电流分别是Ia、Ib、Ic。二次侧两供电臂的电流分别为Iα、Iβ。为了使二次侧电压和输出端口的负荷电流同时保持对称性，其二次侧三相电流必须保持平衡。之后，依据磁势平衡原理，可以获得牵引变压器一次侧的三相电流，如下所示。
之后，根据对称分量法可以获得正序分量、负序分量以及零序分量，这样就可以得到牵引变压器的电流不平衡度，如下所示。
在推导获得阻抗匹配平衡接线牵引变压器电流不平衡度公式后，我们就可以依据相同的思路，推导获得单相接线变压器、V/V接线变压器、三相YN/dll接线变压器以及Scott接线变压器的电流不平衡度公式，分别如下所示。
3.不同接线方式下牵引变压器电流不平衡度数值仿真分析
本次采用MTLAB软件对不同接线方式下牵引变压器电流的不平衡度进行数值仿真，选择该软件的原因在于其具有数据可视化功能，可以为绘图提供极大的便利。在绘制三维曲面图之前，应该先调用mesh-grid（）函数生成网格矩阵数据x和y，之后依据函数公式采用点运算获得z矩阵，最后可以利用mesh等相关函数绘制三维图形[4]。遵循上述操作流程，利用MATLAB软件将我们上文推导获得的不同接线方式下牵引变压器电流不平衡度公式进行数值仿真就可以获得单相接线、V/V接线、三相YN/dll接线、Scott接线、阻抗匹配平衡接线等五种牵引变压器电流不平衡度的变化曲线图形，具体如图3—6所示。
图3 Scott和阻抗平衡牵引变压器
图4三相YN/dll接线牵引变压器
图5 V/V接线牵引变压器
图6单相接线牵引变压器
结合图3来看，牵引变压器电流不平衡度的取值范围为0~1（包括0，1），由此可知，当电流比为1，负载阻抗角差为0时，牵引变压器引起的负序电流值最小。结合图4和图5来看，三相YN/dll接线牵引变压器电流不平衡度的取值范围为0~1.4（包括0，1.4），V/V接线牵引变压器电流不平衡度的取值范围为0~2.5（包括0，2.5）。最后，根据图6可知，单相接线牵引变压器的电流不平衡度恒定为1，电流比和负载阻抗角差的波动不会对其产生影响。
结合以上内容，我们可以得出一个结论，即在电气化铁路运行的过程中，通过对牵引变压器接线方式、牵引负载以及相位差的适当调整，可以将铁路供电系统中的负序电流控制在最低的范围内。
结语
综上所述，通过不同接线方式下电气化铁路牵引变压器电流不平衡度公式的推导以及数值仿真，我们可以知道接线方式的不同、牵引负载的大小以及相位差均会对电气化铁路牵引供电系统中负序电流的大小产生影响，这样以来，我们就可以通过对这三个方面的有效调整，减小牵引负载在电力系统侧产生的负序电流，为系统的稳定运行提供保障。
参考文献
[1]张永祥.牵引变压器的接线方式对云南电网电气化铁路谐波和负序的影响研究[D].西南交通大学,2010.
[2]公冶如晶,齐鲁翔,龚祎.电气化铁路牵引变压器对负序电流影响的研究[J].黑龙江电力,2017,39(05):430-433.
[3]赵晓琳.不同接线牵引变压器负序特性及补偿方案研究[D].北京交通大学,2014.
[4]胡健民,李凤婷.电力机车负序电流分量对恒速恒频风电机组的影响研究[J].可再生能源,2015,33(06):883-889.
论文作者:王晓峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：变压器论文; 接线论文; 电流论文; 电气化铁路论文; 阻抗论文; 不平衡论文; 方式论文; 《电力设备》2018年第26期论文;