一种新型牵引变压器的电气性能分析

智

慧，邓云川，高

宏，楚振宇

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

摘要：分析YNvd 变压器的接线特点，说明其对我国电气化铁道牵引供电系统具有良好的适应性。应

用多绕组变压器理论，得到变压器一次侧与二次侧间电气量的变换关系，分析变压器的平衡特性。推导二次侧两相端口电压输出方程，给出相坐标下的节点导纳矩阵，计算三相侧短路阻抗。

关键词：平衡变压器；电路理论；电路设计；电气特性

中图分类号：U224.22文献标识码：A 文章编号：1006-9178（2009）03-0039-04

2009年3月（总第269期）

第37卷Vol.37第3期

No.3

铁道技术监督

RAILWAY QUALITY CONTROL

收稿日期：2008-11-23作者简介：智

慧，助理工程师

为解决电气化铁道牵引负荷对电力系统的不对称影响，三相—两相平衡变压器在电力牵引供电系统中得以应用。YNvd 接线变压器是一种新型三相三绕组平衡变压器，结构简单，性能优越

[1]

。

1YNvd 变压器的接线形式

YNvd 接线变压器如图1所示，为三相三绕组变压器。一次侧端子A 、B 、C 接三相电网，二次

侧α和β相作为牵引端口，W A 、W B 和W C 为高压侧三相绕组，W a1和W c1组合构成低压侧α相，

W a2、W b2和W c2组合构成低压侧β相，一次侧绕组

为星形连接，可以实现中性点接地运行。

2YNcd 变压器对我国电气化铁道的适应性

YNvd 变压器除具有一般平衡变压器的特性

外，其特殊接线形式还具有诸多优点，与一般平衡变压器相比，它对我国电气化铁道具有更广泛的适应性［1，2］。

（1）YNvd 接线变压器采用普通三相三柱式铁心。铁心具有利用率高、制作和维护较方便等特点。

（2）YNvd 接线变压器的特点还体现在它的高压侧中性点可以抽出，低压侧具有三角形接线绕组，能构成激磁电流三次谐波分量的通路，有利于电压波形保持高质量工频正弦。必要的话三角形绕组还可以提供三相对称电压，作为牵引变电所自用电或地区三相电力。

与国内普遍使用的平衡变压器相比，YNvd 平衡变压器的技术优势如表1所示。

Abstract ：The charactertistics of connection of YNvd balance transformer are analyzed and the good adaptation to traction power supply system of electrified railway is proved,then on the basis of the multi-winding transformer the －ory,the transformation relations of the electrical values between the primary side and the secondary side are clari －fied,and the balancing condition of transformer is analyzed.The output voltage equations in secondary side are de －rived,and nodal admittance matrix is presented.Finally,the short-circuit impedance on three phase side of YNvd connected transformer is calculated.

Key words ：Balance Transformer;Circuit Theory;Circuit Design;Electric Performance

图1

YNvd 接线变压器

研究与交流

STUDY AND COMMUNICATIONS

39··

一种新型牵引变压器的电气性能分析

研究与交流

可见，Ynvd 接线平衡变压器兼有Scott 与阻抗匹配平衡变压器二者的优点，是一种很有实用和推广价值的新型变压器

[3]

。3电气量变换关系

假设YNvd 接线变压器一次侧绕组匝数N A 、

N B 、N C 、N 1相同，二次侧绕组匝数N a1、N c1、N 2相

同，N a2、N b2、N c2、N 3相同，N 3=姨N 2，变比K =

N 1/N 3。一次侧绕组等值漏阻抗满足Z A =Z B =Z C =Z I ，

二次侧α相绕组等值漏阻抗满足Z a1=Z c1=Z II ，β相绕组等值漏阻抗为Z a2=Z c2=Z III ，Z b2=λZ III ，其中λ为变压器阻抗匹配系数I 。当一次侧三相电压对称时，利用文献[4]、

[5]基于多绕组变压器理论的

分析方法，在一次侧中性点接地运行且忽略励磁电流时，可以得到二次侧绕组电流：

I 觶a 1

I 觶c 1I 觶a 2I 觶b 2I 觶c 2λλλλλλλλλλλ

λλλλλλλλλλλ=-10100λ0-20λ2+λλλλλλλ

λλλλλλλλλλλλλλλλ

I 觶αI 觶βλλλλλλλλ，（1）

进一步可以推得一次侧三相电流表达式为

I 觶A I 觶B I 觶C λλλλλλλλλλλλ=1K 13姨-λ022+λ-1姨-λ2+λλλλλλλλ

λλλ

λλλλλλI 觶αI 觶βλλλλλλλλ。（2）

利用对称分量法，可得到一次侧电流序分量：

I

觶A 1I 觶A 2I 觶A 0λλλλλλλλλλλλ

=12+a 3姨a

1-a 姨a 2

02-2λ2+λλλλλλλλλ

λλλλλλ

λλI 觶αI 觶βλλλλλλλλ，（3）

一次侧负序电流表达式为

I 觶A 2=13K

e j （-30°）I 觶α+e j 240°I 觶βλλ（4）

可见，一次侧负序电流与阻抗匹配系数无关，

当I 觶α=jI 觶β

时，一次侧负序电流为零，这也是平衡变压器共同的特点

[6、7]

。

中性点接地零序电流表达式为

I 觶A 0

=13K

（2-2λ2+λ

I 觶β

）（5）

可见，零序电流与阻抗匹配系数、β相负荷电流有关，当阻抗匹配系数λ=1时，原边三相电流完全对称。

4两相端口电压输出方程

当阻抗匹配系数λ=1时，由式（1）-（4）可

推得二次侧两相端口电压输出方程为

U 觶αU 觶β0λλλλλλλ=U 觶α0

U 觶β00λλλλλλλ-2Z II +2Z I 3K 20023Z III +2Z I 3K 20λλλλλ

λλλλλλI 觶αI 觶β0λλλλλλλ，（6）U 觶α0U 觶β00λλλλλλλ=1K 1姨0-1姨-1323-130λλλλλλλλλU 觶A 0U 觶B 0U 觶C 00λλλλλλλλλλλ

。（7）式（6）右端第1项为空载电压，式（7）中U

觶A0、U 觶B0和U 觶C0表示一次侧相电压，式（6）第2项反映了变压器等值漏阻抗对输出电压的影响，且

2Z II +

2Z I

3K =2Z III +2Z I 3K

=Z 。可以发现，λ=1时，两相供电回路之间等效互阻抗为零，因此是完全的，无电气联系，对电

气化铁路高电压、大容量、远距离的AT 供电方式的适应性更强。

5节点导纳矩阵

牵引变压器是牵引网和三相电力系统之间的接

口元件，在分析电气化铁道对电力系统的负序、谐波影响等问题时，由于牵引变电所的三相不对称，

需要在相坐标下对全系统进行数学建模。当变压器一次侧中性点接地，且λ=1时，由式（1）、（2）、（6）可得YNvd 变压器的节点导纳方程

[8]

：

表1

几种平衡变压器的技术指标对比

名

称

YNvd Scott 阻抗匹配高压侧有无中性点低压侧有无三角形绕组低压侧有无电气联系能否提供所用电阻抗匹配难易程度

制作难度造价

有有容易简单低

无

无无复杂———中等中

有有有能困难复杂高

40··

第37卷第3期

铁道技术监督I P I S

SS =

Y PP Y PS Y T

PS

Y SS S

S V P V S

S S

（8）式中，I P =I 觶A

I 觶B

I 觶C

S

S T

，（9）V P =U 觶A U 觶B U 觶C S S T

，（10）

I S =I 觶a 1I 觶c1I 觶b 2I 觶a 2

S S T

，（11）V S =U 觶a 1

U 觶c 1

U 觶b 2

U 觶a 2

S S T

，（12）

Y PP =1ZK 249-29-29-2949-29-2-24I I I I

I I I I I I I

I I I I I ，（13）

Y PS =-1ZK 13姨-13姨-1

3

13002-2-1

3姨13

姨-11I I I I I I

I I I

I I

I

I

I I I

，（14）

Y SS =-1Z 1-1

00-1100001-100-1

I I I

I I I I I I I I

I 1。（15）

6三相侧短路阻抗计算

当变压器两相输出端口短路时，变压器设计中

有必要计算三相侧的短路阻抗，此时U

觶α=U 觶β=0，由式（6）可得：

I 觶αI 觶βI I I I I I I I =12Z II +2Z I 3K 002Z III +2Z I 3K I I I I I I

I

I I I I I U 觶α0U 觶β0I I I I I I I I ，（16）其中，D =（2Z II +2Z I 3K 2

）（23Z III +2Z I 3K

2）。（17）由式（1）、（2）可得：

当一次侧三相电压U A0、U B0、U C0对称，且为

正序时，由上式可知三相侧的短路阻抗满足：

Y A =1Z A =1K 2

D

［（8Z I 27K

2+23Z II +227

Z III ）+

（-4Z I 27K

2

-4Z III

27

）e j （-120°）

+

（-

4Z I

27K -2Z II +2Z III

）e j 120°］，（19）

Y B =1B =1K D

［（-

4Z I 27K

-4Z III ）e j 120°+（8Z I 27K

+8Z III ）+（-4Z I 27K

-4Z III

）e j （-120°）］，（20）

Y C =1C =1K D ［（8Z I 27K

+2Z II +2Z III ）+（-4Z I 27K 2

-4Z III

27

）e j 120°+（-

4Z I

27K

2

-23Z II +227Z III ）e j （120°）

］。（21）

可见，当λ=1，Z III =3Z II ，且Z A =Z B =Z C =Z I 时，

YNvd 平衡变压器三相侧的短路阻抗相等，且满足：

Z A =Z B =Z C =（K 2D ）/［（8Z I

27K 2

+827

Z III ）+（-4Z I 27K 2-4Z III

27

）e j （120°）

+

（-4Z I

27K 2

-427

Z III ）e j 120°］=Z I +K 2Z III （22）

7结语

（1）YNvd 接线平衡变压器是一种新型的三相

三绕组平衡变压器，具有众多的技术优势，可以推广应用到电气化铁道牵引供电系统中。（2）基于变压器基本原理推导YNvd 接线平衡变压器的电气量变换关系，系统分析其运行特性，为YNvd 接线平衡变压器的设计制造提供依

据。参考文献［1］李群湛，贺建闽.电气化铁路的同相供电系统与对称补偿技术［J ］.电力系统自动化，1996，20（4）：9-11.I 觶A0I 觶B0I 觶C0I I I I I I I I I I =1K 2D 8Z I 27K +2Z II +2Z III -4Z I 27K -4Z III -4Z I 27K -2Z II +2Z III -4Z I 27K -4Z III 8Z I 27K +8Z III -4Z I 27K -4Z III

-4Z I 27K 2-23Z II +227Z III -4Z I 27K 2-4Z III 278Z I 27K 2

+23Z II +227Z III I I I I I I I I I I I I I I I I U 觶A0

U 觶B0U 觶C0I I I I I I I I I I 。（18）（下转第54页）

41··

［2］李群湛．牵引变电所供电分析及综合补偿技术［M ］．北京：中

国铁道出版社，2006.

［3］刘光晔，周有庆，姚建刚.新型平衡变压器的平衡条件及等值电路研究［J ］.中国电机工程学报，1999，19（4）：84-88.［4］吴命利，范瑜，郑琼林.十字交叉接线牵引变压器的运行特

性（I ）—数学模型与理论分析［J ］.电工技术学报，2004，

19（9）：11-17.

［5］CHEN T H ，KUO H Y.Network modeling of traction substation

transformers for studying unbalance effects ［J ］.IEE Proceedin －

gs ，Generation Transmission and Distribution ，1995，142（2）：103-108.

［6］李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析［M ］.成都：西南交通大学出版社，2007.

［7］

Hiroaki Morimoto ，Masato Ando ，Yoshifumi Mochinaga ，et al.Development of railway static power conditioner used at substation for Shinkansen ［C ］.Power Conversion Conference 2002，Osa －ka ，pp.1108-1111.

［8］

吴命利，吴利仁.Scott 接线平衡变压器数学模型与阻抗匹配的实验验证［J ］.铁道学报，2007,29（2）：39-44.

（上接第41页）

序号标准编号标准名称

被代替标准号发布文号批准日期实施日期

33TB/T 2994—2000内燃机车燃油滤清器滤芯技术条件TB/T 1437.1—2008铁科技〔2008〕223号2008-10-142009-03-0134TB/T 3056.1—2002内燃机车机油滤清器滤芯压降－流量特性试验方法

TB/T 1436.2—2008铁科技〔2008〕223号2008-10-142009-03-0135TB/T 3056.2—2002内燃机车机油滤清器滤芯耐高压降及高温性能试验方法

TB/T 1436.2—2008铁科技〔2008〕223号2008-10-142009-03-0136TB/T 3056.3—2002内燃机车机油滤清器滤芯原始效率试验方法重量法

TB/T 1436.2—2008铁科技〔2008〕223号2008-10-142009-03-0137TB/T 3056.4—2002内燃机车机油滤清器滤芯堵塞寿命试验方法

TB/T 1436.2—2008铁科技〔2008〕223号2008-10-142009-03-0138TB/T 3068—2002电气化铁道接触网用棒形悬式复合绝缘子

TB/T 3199.2—2008铁科技〔2008〕223号2008-10-142009-03-0139TB/T 3132—2006电气化铁道接触网钢管支柱

TB/T 2921.3—2008铁科技〔2008〕39号2008-01-252008-01-2540

TB/T 3170—2007

货车车钩、钩尾框采购和验收技术条件

TB/T 456—2008

铁科技〔2008〕223号

2008-10-142009-03-01

续表

（3）修改标准

序号

标准编号

标准名称

修改单

发布文号批准日期

实施日期

1TB/T 1842.1—2002/XG1—2008电力机车受电弓滑板粉末冶金滑板1号修改单科技技〔2008〕167号2008-11-042008-11-042TB/T 1842.2—2002/XG1—2008电力机车受电弓滑板浸金属碳滑板1号修改单科技技〔2008〕167号2008-11-042008-11-043TB/T 2344—2003/XG1—200843kg/m ～75kg/m 热轧钢轨订货技术条件

1号修改单科技技〔2008〕167号2008-11-042008-11-044TB/T 2871—1998/XG1—2008内燃机车滤芯结构完整性检验方法1号修改单科技技〔2008〕167号2008-11-042008-11-045

TB/T 3147—2007/XG1—2008

铁路轨道检查仪

1号修改单

科技技〔2008〕167号

2008-11-042008-11-04

3铁路部门计量检定规程

制定规程

序号规程编号规程名称

代替规程号

发布文号批准日期实施日期

1JJG (铁道)196—2008车辆段修量具

制定铁科技〔2008〕223号2008-10-142009-03-012JJG (铁道)197—2008铁路隧道限界检测装置制定铁科技〔2008〕165号2008-09-062008-12-013JJG (铁道)198—2008动态变形模量Evd 测试仪

制定铁科技〔2008〕165号2008-09-062008-12-014

JJF (铁道)701—2008

列车运行监控记录装置测试设备综合校验仪

制定

铁科技〔2008〕223号

2008-10-142009-03-01

2008年铁道部制定、修订的国家标准，铁道行业标准，计量检定规程年报

通报，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，

54··