吳世文

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相序輪換在高鐵牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

吳世文

中鐵五局集團(tuán)電務(wù)工程有限責(zé)任公司

在分析三相V,v結(jié)線變壓器相序輪換的基礎(chǔ)上，研究了采用三相V,x結(jié)線變壓器的高鐵牽引變電所外部電源相序輪換規(guī)則。通過分析研究，發(fā)現(xiàn)牽引變電所進(jìn)線相序/饋線相位、變壓器聯(lián)接組號、牽引所和鐵路相對位置對牽引變所的主接線形式存在相互影響。在保證牽引變電所饋線相位正常輪換的前提下，牽引變電所主接線和總平面的形式將受進(jìn)線相序、變壓器聯(lián)接組號的影響。通過合理調(diào)整牽引變電所的進(jìn)線相序和變壓器聯(lián)接組號，鐵路沿線各牽引所可以采用形式一致的主接線和總平面布置，可以簡化設(shè)計，并方便維護(hù)管理。

高速鐵路 牽引供電 三相V,v(x) 相序輪換 主接線

相序輪換，是指鐵路各相鄰牽引變電所牽引變壓器的原邊各端子輪換接入電力系統(tǒng)的不同相，以減少鐵路單相負(fù)荷對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響。同時為了減少兩相鄰牽引變電所之間的供電臂電位差，對于三相V,v(x)結(jié)線變壓器，相序輪換時一般按兩相鄰供電臂同相位的原則處理。在滿足牽引負(fù)荷輪換接入電力系統(tǒng)和相鄰供電臂同相位的前提下，各牽引所的進(jìn)線相序、變壓器聯(lián)接組號、牽引所和鐵路相對位置關(guān)系也將影響牽引所的主接線形式。所以在設(shè)計前期階段，應(yīng)提前考慮全線各牽引所的相序輪換規(guī)則，并結(jié)合饋線出線規(guī)則、牽引所和鐵路的相對位置確定牽引變電所的主接線和總平面布置形式。

1 三相V,v結(jié)線牽引變壓器

當(dāng)牽引網(wǎng)采用直接供電方式或帶回流線的直接供電方式時，鐵路牽引變電所多采用三相V,v結(jié)線牽引變壓器。三相V,v牽引變壓器原邊引入電力系統(tǒng)A、B、C三相，次邊根據(jù)出線端子連接形式的不同，可以構(gòu)成V,v0和V,v6兩種聯(lián)接組號。圖1為三相V,v結(jié)線變壓器原理結(jié)線及套管出線圖。當(dāng)X1，X2并接接地時，將構(gòu)成三相V,v0結(jié)線；當(dāng)T1，T2并接接地時，將構(gòu)成三相V,v6結(jié)線。

圖1 三相V,v結(jié)線原理及套管布置圖

2 采用三相V,v結(jié)線變壓器的牽引變電所相序輪換分析

對鐵路部門而言，各牽引變電所的相序輪換應(yīng)使得相鄰牽引所供電臂之間的電壓差為最小或相位一致。所以當(dāng)采用三相V,v結(jié)變壓器，相鄰牽引變電所的聯(lián)結(jié)組號應(yīng)為V,v0和V,v6交替出現(xiàn)，相鄰牽引變電所采用同一種聯(lián)接組號是無法實(shí)現(xiàn)相序輪換的。

采用三相V,v結(jié)線變壓器的牽引變電所相序輪換分兩種情況，分別見圖2、圖3。圖2的相序輪換順序為ABC（正序）、CAB（正序）、BCA（正序）、ABC（正序）、CAB（正序）、BCA（正序），圖3的相序輪換順序為ABC（正序）、BAC（逆序）、BCA（正序）、CBA（逆序）、CAB（正序）、BCA（逆序）。對比圖2和圖3可知，圖2中各牽引所引入接線均為正序，且為三個相序輪換兩次；圖3為正序和逆序交替輪換，六個牽引所完成一次完整輪換。但是就牽引負(fù)荷接入電力系統(tǒng)的情況而言， ABC、CAB、BCA或ABC、BAC、BCA三相牽引所便可完成一次相序輪換，即供電臂相位-BC、AB、AB、-CA、-CA、BC的輪換已經(jīng)完成了AB、BC、CA相牽引負(fù)荷的對稱。但圖2中的2，4，6牽引所相序均為逆序，是因為饋線饋出交叉的原因，它反映了當(dāng)饋線相位輪換規(guī)則確定時，牽引變電所進(jìn)線相序與主接線形式之間的關(guān)系。

當(dāng)牽引變電所均位于線路一側(cè)時，本文推薦采用圖2的相序輪換方式，因為此時各牽引變電所的主接線、平面布置、設(shè)備編號均一致，方便運(yùn)營維護(hù)管理。而對于圖3，由于饋線交叉、需要兩種主接線形式的牽引變電所，尤其當(dāng)兩供電臂容量不相等時，在設(shè)備招標(biāo)技術(shù)聯(lián)絡(luò)時還應(yīng)注意變壓器容量和供電臂負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系。在運(yùn)營維護(hù)管理時，需要考慮因主接線的不同形式而造成的設(shè)備布置和接線的變化。

圖2 采用三相V,v結(jié)線變壓器的牽引所相序輪換示意圖一

圖3 采用三相V,v結(jié)線變壓器的牽引所相序輪換示意圖二

以上針對于三相V,v結(jié)線變壓器的牽引所相序輪換均是以牽引變電所位于線路同一側(cè)考慮的，但實(shí)際應(yīng)用過程中，牽引變電所的布點(diǎn)會隨機(jī)分布于鐵路兩側(cè)，以下以圖2中第1個牽引所為例，分析當(dāng)牽引所位于鐵路對側(cè)時的進(jìn)線相序與主接線的關(guān)系。

以圖2第1個所為例，假設(shè)左側(cè)為鐵路小里程方向、右側(cè)為鐵路大里程方向，則圖2中的各所位置為面向鐵路大里程方向左側(cè)，當(dāng)牽引所位于鐵路對側(cè)時，即面向鐵路大里程方向右側(cè)，在保證供電臂相位仍為-BC、AB的前提下，此時牽引變電所相序圖如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)牽引所仍采用ABC相序進(jìn)線時，此時饋線應(yīng)交叉出線；當(dāng)牽引所改為CBA的逆序進(jìn)線時，牽引所的主接線及饋線出線布置與圖2中的第1個所一致。這說明在饋線相位輪換確定的前提下，主接線形式將受牽引所與鐵路相對位置的影響，而通過調(diào)整進(jìn)線相序可以改變主接線形式。

圖4 位于線路對側(cè)時牽引所進(jìn)線及相序圖

3 三相V,x結(jié)線牽引變壓器

目前我國高速鐵路普遍采用三相V,x結(jié)線變壓器，它是V,v結(jié)線變壓器在AT供電方式中的應(yīng)用。該類變壓器一般由兩臺單相變壓器組合成三相V,x結(jié)線。

3.1 由聯(lián)接組號為I,i0的單相變壓器組合成的三相V,x結(jié)線變壓器

當(dāng)兩臺變壓器均采用I,i0聯(lián)接組號時，變壓器結(jié)線原理如圖5所示，為了便于對三相V,x結(jié)線的理解，將左側(cè)單相變壓器的次邊出線端子命名為b1，0，b2。實(shí)際應(yīng)用時，將次邊中性點(diǎn)相連并接地，則可以構(gòu)成三相V,x結(jié)線變壓器，見圖6所示。

圖5 兩臺單相I,i0變壓器結(jié)線原理圖

圖6 三相V,x結(jié)線變壓器結(jié)線原理圖

圖6即為扭接而成的三相V,x結(jié)線變壓器原理圖。當(dāng)b2,a1用于連接T線，a2、b1用于連接F線時，即構(gòu)成三相V,x-0聯(lián)接組號變壓器（聯(lián)接組號以T線為基準(zhǔn)），見圖7所示。當(dāng)b2、a1用于連接F線，a2、b1用于連接T線時，即構(gòu)成三相V,x-6聯(lián)接組號，如圖8所示。由圖7，圖8可知，由單相I,i0拼接成的三相V,x-0變壓器次邊饋線順序為TFFT，三相V,x-6變壓器次邊饋線順序為FTTF。

圖7 由單相I,i0拼接而成的三相V,x-0變壓器

圖8 由單相I,i0拼接而成的三相V,x-6變壓器

3.2 由聯(lián)接組號為I,i6的單相變壓器組合成的三相V,x結(jié)線變壓器

單相變壓器存在兩種聯(lián)接組號，即I,i0和I,i6，以下分析由兩臺I,i6聯(lián)接組號的單相牽引變壓器拼接成的三相V,x結(jié)線變壓器。兩臺單相I,i6聯(lián)接組號的單相變壓器如圖9所示，其與單相I,i0聯(lián)接組號變壓器的不同僅為同名端的變化。

圖9 兩臺單相I,i6變壓器結(jié)線原理圖

同理，由兩臺單相I,i6變壓器也可以連接成三相V,x-0聯(lián)接組號變壓器和三相V,x-6聯(lián)接組號變壓器，分別見圖10，圖11。

圖10 由單相I,i6拼接而成的三相V,x-0變壓器

圖11 由單相I,i6拼接而成的三相V,x-6變壓器

由圖10、圖11可知，由兩臺單相I,i6變壓器連接成的三相V,x-0聯(lián)接組號變壓器饋線出現(xiàn)順序為FTTF，三相V,x-6聯(lián)接組號變壓器饋線出現(xiàn)順序為TFFT。

3.3 變壓器套管布置及I,i0,i0聯(lián)結(jié)組號變壓器

對應(yīng)于以上變壓器的套管布置如圖12所示。圖12中的變壓器次邊有三個抽頭，中間為中性點(diǎn)，此種變壓器在生產(chǎn)時即確定聯(lián)結(jié)組號。在實(shí)際應(yīng)用中，也可以采用I,i0,i0聯(lián)結(jié)組號變壓器，對應(yīng)結(jié)線原理圖和套管布置圖見圖13、14所示。當(dāng)a2、x1接地時，即可構(gòu)成兩臺I,i0結(jié)線變壓器；當(dāng)x2、a1接地時，即可構(gòu)成兩臺I,i6結(jié)線變壓器。變壓器結(jié)構(gòu)型式唯一，但具體的三相V,x結(jié)線變壓器聯(lián)接組號根據(jù)實(shí)際情況確定，接線顯得更加靈活。

圖12 變壓器套管布置圖一

圖13 兩臺 I,i0,i0單相變壓器結(jié)線原理圖

圖14 變壓器套管布置圖二

4 采用三相V,x結(jié)線變壓器相序輪換方式分析

由三相V,v結(jié)線變壓器相序輪換分析可知，三相V,x結(jié)線變壓器的相序輪換也應(yīng)該是V,x-0和V,x-6交替出現(xiàn)。圖15為兩臺單相I,i0變壓器構(gòu)成的相序輪換圖，圖16為兩臺I,i0結(jié)線變壓器及I,i6結(jié)線變壓器交替出現(xiàn)的相序輪換圖。從圖15、圖16可以看出，兩圖的進(jìn)線相序均為：ABC-CAB-BCA輪換兩次，進(jìn)線相序未出現(xiàn)逆序是因為兩圖中的牽引所饋線未交叉出線。但是圖15中兩相鄰牽引所的饋線出線依次為TFFT、FTTF交替，而圖16中，各牽引所的饋線出線均為TFFT，這反映了采用I,i0和I,i6單相變壓器的區(qū)別。

當(dāng)采用圖15的相序輪換布置時，牽引變壓器V,x-0聯(lián)接組號和V,x-6聯(lián)接組號交替出現(xiàn)，各三相V,x牽引變壓器均由I,i0單相組合構(gòu)成，變壓器各牽引所饋線出現(xiàn)TFFT與FTTF交替變換，饋線出線順序的不同會使得相鄰牽引所的主接線形式不同。當(dāng)采用圖16的相序輪換布置時，牽引變壓器V,x-0聯(lián)接組號由單相I,i0組成，V,x-6聯(lián)接組號由單相I,i6組成，變壓器各牽引所饋線均為TFFT出線，各牽引所的主接線形式一致。本文推薦采用圖16的相序輪換方式，鐵路沿線各牽引變電所的主接線、總平面布置會變得統(tǒng)一，方便維護(hù)管理。

圖15 三相V,x結(jié)線變壓器相序輪換示意圖一

圖16 三相V,x結(jié)線變壓器相序輪換示意圖二

當(dāng)牽引變電所位于鐵路另一側(cè)時，在保證牽引變壓器聯(lián)接組號不變的前提下，牽引所饋線出線與進(jìn)線相序的關(guān)系與三相V,v結(jié)線變壓器一致。以圖15中的第一個所為例，當(dāng)進(jìn)線相序不變時，饋線出線會產(chǎn)生交叉。當(dāng)進(jìn)線相序變?yōu)槟嫘驎r，饋線出線與對側(cè)牽引所順序一致，詳見圖17。此時牽引所的主接線和總平面與圖15中的第一個所一致，但是饋線設(shè)備的編號會有變化，即小里程和大里程的編號對調(diào)。

圖17 位于鐵路對側(cè)的牽引所進(jìn)線相序

5 結(jié)束語

采用三相V,v(x)結(jié)線變壓器的牽引變電所相序輪換，相鄰牽引所的變壓器依次為V,v(x)0和V,v(x)6交替變化。對于由單相變壓器組合而成的三相V,x結(jié)線變壓器，單相變壓器的聯(lián)結(jié)組號會影響三相V,x變壓器的T線和F線的出線順序。通過合理調(diào)整牽引所進(jìn)線相序，并選擇合適結(jié)線的變壓器，可以使得全線的牽引所主接線及總平面布置統(tǒng)一，進(jìn)而可以簡化設(shè)計，方便維護(hù)管理。

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