畢業(yè)論文-含Vv變壓器和平衡變壓器的牽引供電系統(tǒng)建模研究

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r3\hHUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(論文)設(shè)計論文題目：含V/v變壓器和平衡變壓器的牽引供電系統(tǒng)建模研究學生姓名：學生學號：專業(yè)班級：電氣工程及其自動化1108班學院名稱：電氣與信息工程學院指導老師：學院院長：2015年 月日湖南大學畢業(yè)論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在老師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。學生簽名： 日期：2015年5月日畢業(yè)論文版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本論文。本論文屬于1、保密，在______年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密√。（請在以上相應方框內(nèi)打“√”）學生簽名： 日期：2015年5月日指導教師簽名： 日期：2015年5月日

湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第頁1緒論1.1課題背景及目的世界上第一條電氣化鐵路是由西門子公司和哈爾斯克公司于1879年在德國柏林世界貿(mào)易博覽會上展出的，雖然很小，但卻是電氣化鐵路的先驅(qū)。世界上第一條運行的高速鐵路于1964年誕生于日本。由于高速鐵路不但綜合能效高，而且運輸量大、乘車環(huán)境舒適，因此受到全球許多國家的關(guān)注，高速鐵路已經(jīng)成為了鐵路運輸?shù)闹饕绞街籟1]。繼日本之后，法國的TGV高速鐵路和德國的ICE高速鐵路也相繼建成并投入運行。隨著大量電氣化機車投入使用，其對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響逐漸受到鐵路部門和電力部門的關(guān)注。隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對于供電的要求也相應提高。然而電力機車在運行中產(chǎn)生的諧波和負序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大的影響。因此研究電氣化鐵路牽引負荷產(chǎn)生的諧波和負序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的影響，并提出相應的解決方法是一項十分有意義的工作。1961年，我國鐵路工作者以前蘇聯(lián)的技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合我國實際的情況，修建開通了寶雞到鳳州的第一段電氣化鐵路，全長93公里，實現(xiàn)了我們國家電氣化鐵路的零的突破。伴隨現(xiàn)代化建設(shè)和改革開放的深入發(fā)展，我國鐵路的電氣化構(gòu)建步伐不斷加快，先后引進了晶閘管、供電、運動控制相控電力機車等先進的技術(shù)和設(shè)備，而且經(jīng)過吸收和消化，建立了自己的技術(shù)模式。到了2005年年末，我國總共建成并開通了43條電氣化的鐵路干(支)線，電氣化鐵路通車里程已突破兩萬公里，達到了20132公里，已占全國鐵路營業(yè)里程的27．08％，完成鐵路運量的50％以上．隨著電氣化鐵路的高速發(fā)展，其對電網(wǎng)的影響也越來越受到關(guān)注[2]。電氣化鐵路不僅運載能力強、行駛速度快、工作條件好，而且運行成本低、能源消耗少、自然條件影響小，已經(jīng)成為了我國鐵路運輸?shù)闹饕l(fā)展方向。牽引供電系統(tǒng)由牽引變壓器、牽引饋線和電力機車等部分組成，其中牽引變壓器是關(guān)鍵設(shè)備。采用不同的牽引變壓器所構(gòu)成的牽引供電系統(tǒng)具有不同的特性。本課題的目的在于了解牽引變壓器的主要類型和牽引供電系統(tǒng)的基本概念，建立含V/v變壓器和平衡變壓器的牽引供電系統(tǒng)仿真模型并進行仿真，并將其應用到韶山型機車的牽引供電當中，研究不同變壓器產(chǎn)生的諧波和負序電流對供電系統(tǒng)的影響。1.2國內(nèi)外研究狀況1.2.1電氣化鐵路的組成電力牽引指由外電源供給動力車電能的牽引方式，采用電力牽引的鐵路稱為電氣化鐵路[3]。電氣化鐵路除了一般的鐵路線路、車站、通訊、信號等設(shè)施外，還包括特殊的牽引供電系統(tǒng)、電力機車以及相應的運行、維修和管理單位供電段、電力機務段、電力調(diào)度及其主管部門等[3]。1.2.2我國電氣化鐵路的發(fā)展概況上世紀50年代確定了電氣化鐵路采用工頻單相25kV交流制；電氣化鐵路通車里程截至2009年底達到3.2萬公里，位居世界第二，電氣化率約40%；牽引供電系統(tǒng)設(shè)施也在不斷發(fā)展過程中；自主設(shè)計制造的電力機車時速可以達到350km/h甚至以上[2]。1.2.3電氣化鐵路的優(yōu)越性與存在的問題優(yōu)越性：1）拉得多，跑得快，運輸能力大；2）節(jié)約能源消耗，綜合利用能源；3）經(jīng)濟效益好；4）對環(huán)境無污染，勞動條件好，有利于實現(xiàn)環(huán)保運輸；5）有利于鐵路沿線實現(xiàn)電氣化，促進工農(nóng)業(yè)發(fā)展；存在的問題：1）對給電氣化鐵路牽引負荷供電的電力系統(tǒng)造成負序電流和高次諧波含量增大、功率因數(shù)降低等不良影響；2）對沿電氣化鐵路架設(shè)的通信線路有干擾；3）基建投資比蒸汽牽引和內(nèi)燃牽引投資大；4）接觸網(wǎng)檢修需要天窗時間。1.2.4國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢我國高鐵牽引變電所大量采用V/v接線牽引變壓器。三相V/v接線方式的優(yōu)點有：一是容量的利用率達到100％；二是變電所所需要的設(shè)備數(shù)量較少，因此成本較低；三是可以使牽引網(wǎng)達到雙邊供電；四是可以使供變電所內(nèi)自用電和三相負荷平衡。缺點有：電力系統(tǒng)的三相負荷不對稱，不對稱系數(shù)是0.5，對電力系統(tǒng)能夠產(chǎn)生一定的負序影響。阻抗匹配平衡變壓器在電氣化鐵路中也有廣泛的應用，其接線方式的優(yōu)點是：一是兩臂負荷大小和功率因數(shù)相等，電力系統(tǒng)的三相負荷可以達到對稱；二是變壓器的容量利用率高；三是可以得到對稱的三相電壓，滿足牽引變電所自用電和地區(qū)三相用電的要求。缺點是：一是工程成本高，結(jié)構(gòu)復雜；二是牽引變電所出口相絕緣器的絕緣性能要求高。因此，研究V/v變壓器或平衡變壓器組成的牽引供電系統(tǒng)的特性具有重要的意義。電力機車負荷具有動態(tài)性、沖擊性、不對稱性等特點，同時還具有一系列諧波成分[3]。目前，研究牽引供電系統(tǒng)的特性主要還是采用仿真的方法，即分別建立三相電網(wǎng)（電源）、牽引變壓器、電力機車（負荷）的仿真模型[3]。1.3課題的研究方法1.3.1電氣化鐵路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理a）電氣化鐵路供電系統(tǒng)b）單相V/v連接牽引變電所c）三相Yn，d11聯(lián)結(jié)牽引變電所d）阻抗匹配平衡牽引變電所1.3.2課題研究方法利用MATLAB/Simulink建立部件及系統(tǒng)的仿真模型，進行仿真研究，主要研究非線性及不對稱負載情況下，電網(wǎng)側(cè)的電壓、電流、功率因數(shù)和諧波情況。1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本文擬從以下幾點進行課題研究：1）分別建立含V/v和含平衡牽引變壓器和電力機車的仿真模型；2）對電力機車（包括韶山型普通電力機車和動車組）負荷進行模擬；3）對于韶山型普通電力機車，采用單相晶閘管整流+直流電動機模擬；4）對于動車組，采用單相PWM整流器+交流電動機進行模擬。2電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)牽引變壓器基本理論分析2.1牽引變壓器高速鐵路牽引負荷是單相的、會劇烈變化的負荷，牽引變壓器的選擇除了應滿足容量、并列運行、能量損耗和過負荷能力等要求外，還應遵照有利于減小牽引變電所高壓側(cè)的負序、提高牽引變壓器的容量利用率和降低牽引變壓器電壓損失的原則[3]。牽引變壓器有單相變壓器、V/v接線變壓器、YNd11接線變壓器和三相--兩相平衡變壓器等，下面分別予以介紹。2.1.1單相變壓器每個牽引變電站設(shè)1~2臺單相變壓器。它的一次側(cè)繞組跨接于110kV（或220kV）的三相高壓輸電線的兩輸電線上，取用線電壓。二次側(cè)繞組則一端連接于牽引變電站的牽引母線上，另一端接在鋼軌上，見圖2-1。當經(jīng)過三個變電站的相位轉(zhuǎn)換連接之后，三相輸電線的電源側(cè)可使三相負荷近似對稱。單相牽引變電站內(nèi)設(shè)備的布置都比較簡單，運行維護比較方便，成本和運行費用也比較廉價。但它由于沒有三相電源，必須另設(shè)劈相裝置，或由地方上引入三相電源，這不利于變電所內(nèi)三相自用電和地區(qū)三相電力的供給；對電力系統(tǒng)的不平衡影響比三相變壓器和V/v接線嚴重，其不對稱系數(shù)為1。這種變電所只適用于電力系統(tǒng)比較發(fā)達的地方。圖2.1純單相接線原理圖2.2V/v接線原理2.1.2V/v接線變壓器V/v接線，就是用2臺單相變壓器按照開口三角形連接，其電路原理圖如圖2.2所示。在圖2.2中，1B和2B是單相的牽引變壓器。1B和2B連接在在高壓側(cè)的A、C相與B、C相。低壓側(cè)分別取一端連到27.5kV的a、b相母線上，另一端與鋼軌和接地網(wǎng)相連。A相母線對于地面的電壓為Uac，供給左側(cè)牽引負荷I’，b相母線對于地面的電壓Ubc供給右側(cè)牽引負荷I”。V/v接線變電所設(shè)備比三相牽引變電所簡單，變壓器繞組中的電流與純粹的單相變壓器一樣，都是饋線電流值，容量利用率可達到100%。當兩供電臂負荷相同時，V/v接線的不對稱系數(shù)為1/2。V/v接線在正常運行情況下，能提供三相電源，如圖2.2所示，此時1B和2B非并聯(lián)運行。當2B因為故障停止工作時，為保證繼續(xù)供應右側(cè)牽引負荷，則1B必須跨相供電，也就是把2B的負荷轉(zhuǎn)移到1B上去，這樣就會有轉(zhuǎn)移負荷的倒閘過程。在負荷轉(zhuǎn)移的過程中，三相電源在次邊的部分中斷。變電所內(nèi)三相自用電中斷，改由劈相或單相--三相變壓器供電。然而，值得注意的是轉(zhuǎn)移時間不能過長，只能是應急措施。2.1.3三相變壓器三相牽引變電所的接線方式，就是指牽引變壓器的接線方式。為了降低電氣化鐵路對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的負序電流，不但要對牽引變壓器采用合理的接線組別，而且還要對各個牽引變電所的進線應進行相序輪換。目前我國已投入運行的牽引變壓器，其連接組別為YNd11，高壓側(cè)為Y形連接，接到電壓為110kV的電力網(wǎng)上；而牽引變電所二次側(cè)母線的額定電壓為27.5kV，它比接觸網(wǎng)的額定電壓25kV高10%。其原理如圖2.3所示[3]。圖2.3中牽引變壓器的高壓側(cè)接電網(wǎng)，低壓側(cè)端子（c）接地母線和鋼軌；其他端子（a）和（b）分別接27.5kV的牽引側(cè)母線，并由這里分別饋入牽引變電所兩側(cè)的牽引網(wǎng)。由于兩側(cè)牽引網(wǎng)電壓相位不一樣，從而在接觸網(wǎng)上一定要互相絕緣，通常用分相絕緣器來實現(xiàn)。Ia、Ib分別為左、右兩側(cè)牽引負荷。繞組ca與高壓側(cè)A相繞組同相，繞組bc與高壓側(cè)C相繞組同相，所以ca側(cè)是滯后相。從電力系統(tǒng)的角度來看，ca側(cè)可以標記為（A）相供電分區(qū)。Bc側(cè)為引前相，從電力系統(tǒng)來看，bc側(cè)可以標記為（C）相供電分區(qū)。變壓器的接線組別為YNd11的三相牽引變電所，其優(yōu)越性是變壓器的次邊即牽引側(cè)仍保持三相接線，方便為變電所內(nèi)的三相自用電及地區(qū)三相電力負荷提供三相電源。當兩臺變壓器并聯(lián)運行時，其供電更加可靠，操作也較為容易。三相牽引變電所由單相負荷所引起的負序電流對電力系統(tǒng)的影響比單相牽引變電所要小。當兩供電臂負荷相同時，其不對稱系數(shù)為1/2，也就是負序電流是正序電流的1/2。三相牽引變電所的主要缺陷是變壓器容量不能完全利用，三相變電所內(nèi)所需的裝置比單相牽引變電所要多，因而維護工作量也大。圖2.3YNd11牽引變壓器原理電路圖2.1.4當量平衡變壓器當量平衡變壓器用于已有的電氣化鐵路的三相牽引變電所擴能改建。牽引網(wǎng)電壓水平嚴重偏低的110/27.5kV變電所，可以在主變壓器27.5kV側(cè)自由相上跨接自耦變壓器，構(gòu)成當量平衡接線方式。這種改造能同時達到擴容和改善網(wǎng)壓水平的目的。當量平衡變壓器接線如圖2.4所示。圖2.4中，牽引變壓器為YNd11接線三相變壓器，它的原、次邊額定線電壓為110/27.5kV；自耦變壓器支臂線圈匝數(shù)可調(diào)節(jié)，在運行過程中，Wα、Wβ為變量，其中，YNd11接線牽引變壓器與自耦變壓器在磁路上各自獨立。當量平衡變壓器的電壓關(guān)系設(shè)牽引變壓器與電力系統(tǒng)的連接如圖2.4（a）。容易畫出α、β端口空載電壓（電勢）Eα、Eβ與三角形各繞組電壓（電勢）Ea、Eb、Ec之間的關(guān)系，如圖2-4（根據(jù)圖2-4（b）可得以下關(guān)系：?Eα式中Eα，Eβ―α，Ea，Eb，Kα，K在調(diào)壓過程中，Kα，Kβ隨電網(wǎng)電壓變化。構(gòu)成平衡變壓器時，θα=θβ=15°對于110/27.5kV牽引變電所，當Kα、Kβ在0~0.366范圍之內(nèi)變化時，當量平衡變壓器α、β端口的空載電壓處在母線電壓的1~1.225倍之間，由此可知這種接線的調(diào)壓范圍較大。運行中，根據(jù)α、β端口電壓Uα、Uβ的大小，調(diào)整自耦變壓器兩支臂線圈匝數(shù)，就可以保證（二）當量平衡變壓器的電流關(guān)系根據(jù)圖2.4所示的繞組電流方向，可以寫出自耦變壓器原、次邊磁勢平衡關(guān)系式，并求的其原、次邊繞組電流關(guān)系為：IATW2-根據(jù)式（2-2）可以得出當量平衡變壓器各端口電流分布，如圖2-4所示。II110kV側(cè)三相電流與兩供電臂負荷之間的關(guān)系為：IAIBIC=式中K顯然，當Kβ=Kα=0時，式（2.3）表示三相牽引變壓器的電流分配關(guān)系；當在重載的工作狀況下，電力牽引系統(tǒng)往往同時表現(xiàn)出供電設(shè)備容量不足和電網(wǎng)電壓偏低的現(xiàn)象。當量平衡變壓器工作在平衡接線狀態(tài)下時，除了能完成調(diào)節(jié)電壓功能外，還可以使三相牽引變壓器的容量全面發(fā)揮，因此當量平衡變壓器具有調(diào)壓和擴容兩種能力。圖2.4當量平衡變壓器接線及向量圖2.1.5變形伍德橋接線變壓器變形伍德橋接線變壓器可以實現(xiàn)三相―兩相系統(tǒng)的對稱變換，其接線原理如圖2.5所示。這種變壓器一次側(cè)三相繞組連成Y接，可以接入需要大電流接地的三相系統(tǒng)；二次側(cè)的α相和β相各從兩個互相垂直的角端引出電壓，向兩臂的牽引網(wǎng)供電。由于α端引出電壓是β端1/3倍，故應在α端再接一個升壓自耦變壓器T2，其變壓比為1：3，從而可以使兩臂輸出電壓大小相等且相位相差90°，即Uα=U∠0°，Uβ=U∠-90°。我們可以解析其三相―兩相間的電壓變換關(guān)系。由圖UU而且有：U聯(lián)解以上三式可得：UAUB同樣，也可以導出其逆變換的關(guān)系式為：UαUβ兩側(cè)的電流變換關(guān)系與式（2.5）完全相同。因此，這種伍德橋接線的變壓器可以由1臺三相繞組變壓器再配合1臺升壓自耦變壓器來達成對稱的三相―兩相變換。升壓自耦變壓器的容量為主變壓器容量的1/2，而它的電磁容量則相當于銘牌的輸出容量的（3-1）/3=0.4226倍。當計算自耦變壓器時，總?cè)萘坷寐蕿椋篕=這種方式適合已存在的變壓器的改造。如果在設(shè)計的時候就決定使用這種接線的變壓器，可以使用圖2.6所示的接線方式。這種接線的變壓器利用高壓側(cè)的A相繞組來實現(xiàn)α端的升壓，和原來相比節(jié)省了1套自耦變壓器，從而使材料利用率提高。圖2.5變形Wood-Bridge接線示意圖圖2.6無自耦變壓器的變形Wood-Bridge接線示意圖2.1.6阻抗匹配平衡變壓器（一）平衡與對稱阻抗匹配平衡變壓器是在一般的Ynd11接線變壓器的自由相上增加兩個繞組，并使它的次邊Δ內(nèi)各繞組阻抗?jié)M足Zab=KZ圖中，?W=3-1W2/2，在次邊Δ內(nèi)，Zca=ZIax=K根據(jù)變壓器三相原、次邊的磁勢平衡方程，有：IA-I將式（2.6）代入式（2.7），可以得到變壓器次邊Iα，Iβ與原邊IA，IBIAIB其中，K1=W1/W2，K2=根據(jù)平衡變壓器的定義，無論Iα、Iβ負荷如何，三相側(cè)的零序電流一定要等于零，不難得出KZ=3+1。也就是在阻抗匹配平衡變壓器的原邊施加三相對稱電壓時，次邊兩相系統(tǒng)的電勢Eα、EβEα=1將式（2.9）用向量圖表示如圖2.8所示。從圖2.8可以看出，兩相系統(tǒng)電勢大小相等，相位差為90°。若Iα、Iβ用Iα=Iα∠0°，IAIB當變壓器次邊兩相均載，即Iα=IA=從式（2.11）可以看出，阻抗匹配平衡變壓器次邊兩相電流大小相同時，原邊的三相電流完全對稱。（二）阻抗匹配平衡變壓器的特點阻抗匹配平衡變壓器具有以下特點：變壓器次邊電流Iα≠Iβ時，原邊三相電流為平衡系，即IN=0；次邊電流變壓器原邊三相制的視在功率完全轉(zhuǎn)化為次邊兩相制的視在功率。因此：S根據(jù)圖2.8及式（2.11），可知：U所以同時，在變壓器原邊電流相同的情況下，阻抗匹配平衡變壓器Iα或Iβ為相同標稱容量YNd11變壓器I2LIα?=Iβ?=37I1?=I2?K?=對于阻抗匹配平衡變壓器有：I1?=6根據(jù)式（2.13）和式（2.14）相等的條件，有Iα?=7阻抗匹配平衡變壓器的原邊仍用YN接法，引出中性點，與現(xiàn)有110kV或220kV系統(tǒng)匹配方便。阻抗匹配平衡變壓器次邊仍有Δ繞組，三次諧波電流可以流過，可以確保主磁通和電勢波形有良好的正弦度。阻抗匹配平衡變壓器的容量利用系數(shù)與線材利用系數(shù)（1/0.95825）均顯著高于YNd11接線變壓器（0.7559/0.7559）[3]。圖2.7阻抗匹配平衡變壓器接線圖圖2.8電勢向量圖圖2.9不對稱度K與牽引負荷比m的關(guān)系曲線2.1.7Scott平衡變壓器（一）電流變換關(guān)系Scott平衡變壓器是一種特殊接線方式的變壓器，由兩臺單相變壓器組成。變壓器的原邊低繞組BC和高繞組AO按照倒T形連接，三個出線端接進電力系統(tǒng)的三相電網(wǎng)，如圖2.10所示。次邊按90°的V形連接，若是對27.5kV的接觸網(wǎng)按直接供電的方式或按BT供電的方式供電，將次邊α、β端子接下、上行的兩條供電臂的接觸網(wǎng)，另外的兩個端子連成公共端然后直接連接在鋼軌上；若要向55kV的接觸網(wǎng)以AT供電方式的供電，則將次邊α相、β相對照的兩組端子分別接下、上行接觸網(wǎng)的F線或T線就行了。依照變壓器原、次邊磁勢平衡原理，有：IA+IB式（2.16）可以變成式（2.17）的形式：IAIBI式中，K=W1/W當變壓器空載時，Scott平衡變壓器的電壓向量如圖2.11所示。從圖2.11可以看出，次邊電壓Uα超前Uβ90°。當Scott平衡變壓器次邊兩相的負荷幅值相等時，近似的有Iα=jIIA=2j3K從式（2.18）可以看出，當變壓器次邊的兩相負載電流相等時，Scott平衡變壓器原邊電流是對稱的。（二）Scott平衡變壓器的特點（1）Scott平衡變壓器次邊電流Iα≠Iβ時，原邊三相電流為平衡系；次邊電流Iα=Iβ時，原邊三相電流轉(zhuǎn)化為對稱系。對牽引負荷來說，任何時刻都滿足I（2）Scott平衡變壓器的原邊無法引出中性點。（3）Scott平衡變壓器次邊無Δ繞組，三相諧波電流不能流通。（4）Scott平衡變壓器由兩臺單相變壓器組成，容量利用率為100%。圖2.10Scott平衡變壓器的接線圖圖2.11Scott變壓器空載時的電壓向量圖2.2變壓器的比較和選擇1．單相接線變壓器優(yōu)點：容量利用率可以達到100%；主接線方式簡單，設(shè)備少，占地面積小，投資少。缺點：不能供應牽引變電所的三相負荷和地區(qū)的用電，在電力系統(tǒng)中，單相牽引負荷所產(chǎn)生的負序電流比較大，向接觸網(wǎng)的輸電并不能實現(xiàn)雙向供電。適用于：大容量的電力系統(tǒng)，電力網(wǎng)發(fā)達，三相負荷的用電可以可靠的從地方電網(wǎng)得到供給的情況。2．單相V,v接線變壓器（三相）單相：優(yōu)點：主接線較簡單，設(shè)備較少，成本低廉。對電力系統(tǒng)的負序所產(chǎn)生的影響比單相接線少?？蓪崿F(xiàn)對接觸網(wǎng)的雙邊同時供電。缺點：當一臺牽引變壓器故障時，另一臺一定要跨相供電，也就是同時供左右兩邊供電臂的牽引網(wǎng)。那么就需要倒閘，即把故障的變壓器原來所承擔的供電任務轉(zhuǎn)移到正常運行的變壓器上。在這倒閘完成之前，故障的變壓器原來的供電臂的牽引網(wǎng)將會中斷供電，這樣嚴重的將會會影響鐵路的運行。假使倒閘完成，地區(qū)的三相電力供給也會中斷。牽引變電站的三相的自用電不得不改為單相－三相自用變壓器或劈相機供電。實際上變?yōu)榱藛蜗嘟泳€牽引變電站，對于電力系統(tǒng)的負序影響也會隨著增大。三相：優(yōu)點：保持了單相V/v接線變壓器的主要優(yōu)點，完全解決了單相V/v結(jié)線變壓器缺點。最值得關(guān)注的是解決了單相V/v接線變壓器不方便采用固定備用及其自動投入的問題，這有利于實現(xiàn)分相有載或無載調(diào)壓。3．三相YN，d11雙繞組變壓器優(yōu)點：牽引變壓器低壓側(cè)保持三相，有利于供應牽引變電所的自用電和地區(qū)三相電力。在兩臺牽引變壓器并聯(lián)運行的情況下，當一臺斷電時，供電不會中斷，運行可靠方便。三相YN，d11雙繞組變壓器在我國運行的時間長，有比較多的經(jīng)驗，制造相對簡單，價格低廉。對接觸網(wǎng)可實現(xiàn)雙邊供電。缺點：變壓器的容量不能獲得完全利用，最多等于額定容量的75.6%，引入的溫度系數(shù)也只會等于84%，與那些用單相接線的變壓器的變電站相比，主接線要更復雜一點，用的設(shè)備價格更高，工程花費也更多，維修的工作量和相關(guān)的費用也會增加[3]。適用于：電氣化鐵路的單相牽引負載不平衡的山區(qū)。4．Scott接線變壓器優(yōu)點：當M座和T座兩供電臂負荷電流大小相等，功率因素也相等時，Scott結(jié)線變壓器原邊三相電流對稱。變壓器容量可達到全部利用。（用逆Scott結(jié)線變壓器把對稱兩相電壓轉(zhuǎn)換為對稱三相電壓）?？蓪佑|網(wǎng)實現(xiàn)雙邊供電。缺點：Scott接線牽引變壓器生產(chǎn)難度大，造價高。牽引變電站主接線繁雜，設(shè)備較多，工程投資也較多。維修的工作量及對應的費用有所增加。而且Scott接線牽引變壓器原邊T接地（O點）電位隨著負載的變化而發(fā)生漂移。嚴重時甚至有零序電流經(jīng)過電力網(wǎng)，這可能會引起系統(tǒng)中零序電流繼電保護的錯誤操作，對附近的平行通信線也許會產(chǎn)生干擾，同時引發(fā)各相繞組的電壓的不平衡，從而加重了繞組絕緣方面的負擔。因而，這種接線變壓器的絕緣性水平要達到完全絕緣。5．YN，接線阻抗匹配牽引變壓器優(yōu)點：當變壓器次邊電流Iα≠Iβ時，原邊的三相電流平衡，即零序電流IN=0。當副邊Iα=Iβ時，原邊的三相電流是對稱的，不存在電力系統(tǒng)受負序電流影響。原邊的三相制的視在功率全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇芜叾嘀频囊曉诠β剩儔浩鞯娜萘靠赏耆焕?。原邊依然用YN接線，從中性點引出接線，容易與中性點接地的高壓的電力系統(tǒng)相對應缺點：設(shè)計和計算以及生產(chǎn)的工藝復雜，造價高。兩供電臂之間的分相絕緣器兩端承受的電壓高，因此，分相絕緣器的絕緣應注意加強。適用于：站區(qū)三相電力和牽引變電站的自我用電。6．YN，接線平衡變壓器優(yōu)點：它的阻抗匹配系數(shù)在一定范圍內(nèi)任意取值，從而使變壓器的設(shè)計和生產(chǎn)更加容易。阻抗匹配系數(shù)選取的靈活性對繞組的布置具有重要意義。缺點：需要考慮減小電磁力，環(huán)流等問題。3電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)變壓器仿真模型研究3.1V/v接線牽引變壓器3.1.1仿真電路V/v接線牽引變壓器是用兩個單相牽引變壓器并聯(lián)而成，仿真的模型如圖3.1所示。在仿真模型中把牽引變壓器T1和T2的原、次邊變比設(shè)置為110kV/27.5kV。對于V/v變壓器，ac相電壓與bc相電壓的幅值相等，相位相差60°，即Uac=Ubcej60。假設(shè)兩供電臂負載大小和功率因數(shù)相等，在兩個供電臂的電流幅值也要相等，相位相差60°。在負載為100?時兩供電臂輸出電流有效值都是275A。α供電臂超前β供電臂60°，在對稱的圖3.1Vv接線牽引變壓器仿真模型圖3.2晶閘管輸出電壓電流波形如圖3.2所示，上面的波形為晶閘管輸出的電壓波形，下面的波形為電流波形，從波形不難看出電路中負序和諧波的影響。圖3.3變壓器輸出電壓和輸入脈沖波形圖3.4負載電壓波形圖正常運行的電力系統(tǒng)是三相對稱的，表現(xiàn)出三相電源的電勢對稱、各相的阻抗對稱。當系統(tǒng)或發(fā)電機的對稱工作狀態(tài)受到破壞，就會出現(xiàn)電壓或電流的不對稱性。通過對稱分量法可以將它分解成正序電流I1、負序電流I2和零序電流I0，因為發(fā)電機經(jīng)常接成Y形，而中性點不接地或經(jīng)過阻抗后接地，所以根據(jù)電力系統(tǒng)運行的特性，產(chǎn)生負序電流的原因可分為以下兩個方面：時不對稱運行電力系統(tǒng)不對稱故障(包括不對稱短路及一相斷線)；電機不對稱故障(包括匝間短路，分支短路，單相、兩相短路)；單相重合闡動作過程；主變壓器高壓側(cè)斷路在正常及故障情況下，未能三相全部合上或斷開的動作過程?？跀嗦菲魇鹿侍l時，滅磁開關(guān)因故未能及時滅?。怀隹跀嗦菲髟谡＜肮收锨闆r下，未能三相全部合上或斷開的動作過程；時不對稱運行輸電網(wǎng)絡(luò)的阻抗不對稱：例如高壓線路不停電分相檢查維修；低壓電網(wǎng)的“兩相一地”供電方式等；時間負荷的不對稱；例如被廣泛應用的冶金單相電弧爐、鐵路電力機車等大容量單相負荷，這樣會形成比較大的負序電流，對與這些負荷電氣距離較近的發(fā)電機會造成不良影響。3.1.2負序電流對電力變壓器的影響負序電流使電力系統(tǒng)三相電流不對稱，從而系統(tǒng)中的三相變壓器有一相電流最大而不能有效發(fā)揮變壓器的額定出力(即變壓器容量利用率下降)。另外，還會造成交壓器的附加能量的損失并在變壓器鐵心磁路中造成額外發(fā)熱。電氣化鐵路牽引負荷通過整流型電力機車產(chǎn)生，含有多次的諧波，是諧波電流源。電力機車采取單相整流橋，脈動數(shù)為2，特征諧波為奇次諧波。另外，在啟動與過分區(qū)空載投入時電力機車會產(chǎn)生遠高于額定電流的勵磁涌流。勵磁涌流不但含有奇次諧波，還會含有各偶次諧波，其中二次諧波的含量最大。3.1.3諧波對電力變壓器的危害諧波使變壓器的銅的損耗大增，其中包括電阻的損耗、導體中渦流的損耗以及導體外部因漏磁所引起的雜散的損耗都會增加。諧波還會使變壓器的鐵耗大增，這主要表現(xiàn)于鐵心中的磁滯的損耗的增加，諧波讓電壓的波形變得越差，那么磁滯損耗就會更大。同時，由于以上這兩處的損耗的增加，則要降低變壓器的實際的應用容量，或在選取變壓器額定容量時要額外考慮預留電網(wǎng)里的諧波的含量。此外，諧波還會使變壓器的噪聲大增，變壓器振動產(chǎn)生的噪聲大部分是因為鐵心的磁滯進行伸縮所引發(fā)的，隨著諧波次數(shù)的加大，在lkHz左右振動頻率的成分會使混雜噪聲增加，有時還會發(fā)出金屬聲。3.1.4諧波對變壓器保護的影響變壓器的差動保護的運行一般都是采用的突變量作為起動判據(jù)。選取依靠半周積分法的相電流的工頻變化量作為判斷根據(jù)的變壓器的保護裝置和選取相電流采樣值的突變量作為起動判據(jù)的變壓器保護裝置都不能夠完全消的除諧波的影響，或許還會使保護不能正常起動。在電壓頻率變化的電路中選用濾波電路，軟件的計算選用全周的傅氏算法，從而比率差動保護和差動電流迅速切斷具有很好的濾波性。并且因為采用了分相差動，穿越性的諧波分量對保護的影響并不會很大。3.2阻抗匹配平衡變壓器圖3.1阻抗匹配平衡變壓器仿真模型3.2.1仿真電路Matlab/Simulink的電力系統(tǒng)仿真模塊庫（PSB）中，只是提供了各種通用變壓器元件，PSB中沒有可直接使用的阻抗匹配平衡變壓器，因此需要另外建立模型。在Matlab/Simulink環(huán)境下，按照阻抗匹配的要求建立阻抗匹配平衡變壓器的仿真模型，如圖3.11所示。參數(shù)的設(shè)置：三相電源電壓110kv阻抗匹配平衡變壓器額定電壓110/27.5kV，變壓器容量30MVA，A、C相為雙繞組，B相為四繞組，B相二次側(cè)的三角形繞組阻抗為A、C相二次側(cè)繞組的2.732倍[4]。仿真分為四種情況進行，分別是空載時、Iβ=Iα、Iβ=0.5Iα、阻抗匹配存在5%誤差，仿真結(jié)果依次見圖3.12、圖情況一變壓器空載。由圖3.12可看出，空載時的輸出端口兩相電壓大小相等，相位相差90°，一次側(cè)電流很小，僅有勵磁電流，中性點對地電壓為0。該仿真結(jié)果表明阻抗匹配平衡變壓器實現(xiàn)了電壓三相到兩相的對稱變換。情況二Iβ=Iα。從圖3.13可以看出，當兩臂負荷相同時，二次側(cè)電流大小相等，相位相差90°，一次側(cè)三相電流對稱，中性點對情況三Iβ=0.5Iα。由圖情況四阻抗匹配系數(shù)λ存在5%誤差。從圖3.15可以看出，阻抗匹配系數(shù)存在誤差時，中性點電壓會出現(xiàn)漂移，此時中性點接地，會有地中電流通過。阻抗匹配的目的在于消除零序，在變壓器的制造過程中，要達到滿意的阻抗匹配程度相當困難，因而在實際運行過程中，中性點接地運行會有地中電流。3.2.2負序影響分析根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，雖然牽引變壓器兩臂負荷是隨機變化的，但負荷的性質(zhì)相同，可認為兩臂負荷的功率因數(shù)相同，即兩臂負荷電流的相角相差90°。以α相為基準，則Iα=Iα，Iβ=jII==1令n=Iβ/Iα，用ε=ε=I由式（3.2）繪制n-ε關(guān)系曲線，同時繪制YNd11牽引變壓器的電流不對稱度作為對比，如圖3.11所示。由曲線圖可以看出，在同等負荷情況下，阻抗匹配平衡變壓器的電流不對稱度要小于YNd11變壓器。4SS8型電力機車電路的仿真模型4.1SS8型電力機車電路的工作原理電力機車的性能與整流電路的選取有很大的關(guān)系，從供電的性能上來說，機車選取主要有兩個指標：一是諧波電流和功率因數(shù)；二是機車運行效率。為了提升機車的功率因數(shù)，降低諧波電流，現(xiàn)階段電力機車的晶閘管相控整流電路多廣泛采取多段橋式結(jié)構(gòu)，而SS8型電力機車取用的是三段的不等分橋整流調(diào)壓電路(圖4.1)，它的調(diào)壓是由牽引繞組的接入與晶閘管的改變相控角來實現(xiàn)的。圖4.1中的L1、L2是平波電抗器，M1、M2是牽引電動機電樞繞組，Lf是勵磁繞組，R1、R2是固定分路的電阻，它的功能是使電樞電流中的交流分量分成多份，降低主極中的和電機機座的交變磁通，達到減少渦流的損耗，改良電動機的換向問題并降低了主極的溫升圖4.1中網(wǎng)側(cè)25KV電壓經(jīng)過主變壓器的降壓，牽引繞組a1-x1和a2-x2的出線電壓均為686.8V，而其中al-bl和bl-xl的出線電壓均為343.4V。上述繞組與相應的整流元件構(gòu)成三段不等分整流橋，其調(diào)壓原理分析如下（設(shè)三段橋均投入且晶閘管全導通時的整流輸出電壓為Ud0，繞組a2-x2兩端電壓為U2，繞組a1-x1與繞組b1-x1兩端電壓均為U3，晶閘管觸發(fā)角為投入繞組a2-x2，移相晶閘管VT6、VT5。整流輸出電壓為：Ud1=2πU2×晶閘管VT6、VT5都導通的時候，加入繞組a1-b1段，移相晶閘管VT2、VT1。整流所輸出的電壓為：Ud2=22πU當?shù)诙蝍1-b1繞組將要全部接入時，加入繞組b1-x1段，移相晶閘管VT4、VT3。整流所輸出的電壓為：Ud3=當α=π→0時，4.2晶閘管的觸發(fā)角α的確定為了簡化仿真的過程，本文忽略了段內(nèi)晶閘管和段與段之間的換相操作過程，晶閘管的導通角α在仿真過程中可以由整流回路的關(guān)系和機車的牽引控制特性函數(shù)加以確定。SS8Ia=min120n875n-87.5v1360式中：n―級位，分18級；v―機車速度（km/h）；Ia―牽引電動機電樞電流（A因為牽引控制系統(tǒng)通過級位牽引電機電樞電流大小和速度，根據(jù)下面的式子可以確定整流電路輸出的直流電壓為：Ud=Cv?+IaRd式中：C=μc60πDCe（其中μc為傳動齒輪傳動比，D為車輪直徑，計算知道直流的電壓后，根據(jù)上面所說的整流電路的工作原理就可以確定整流橋的工作狀況，進一步可以確定晶閘管的觸發(fā)角α。整流變壓器的交流側(cè)電壓和直流側(cè)電壓還有晶閘管觸發(fā)角α的關(guān)系式如下：電力機車工作在第一段狀態(tài)，由式（4.1）得：α=cos-1（πUd1電力機車工作在第二段狀態(tài)，由式（4.2）得：α=cos-1（πUd2電力機車工作在第三段狀態(tài)，由式（4.3）得：α=cos-1（πUd34.3建立仿真模型為了可以在相同的仿真模版中對電力機車的三個階段的工作狀態(tài)進行詳細的仿真，本文對晶閘管的仿真采取以下的控制方式：（1）若要在仿真的時間內(nèi)讓晶閘管停止，只需要晶閘管觸發(fā)脈沖關(guān)閉；（2）若要在仿真時間內(nèi)使晶閘管運行，只需要該晶閘管由零觸發(fā)導通；（3）晶閘管觸發(fā)脈沖的移相角在其余工作狀態(tài)下的大小可按照式（4.6）~式（4.8）計算。Matlab中SS8型電力機車的仿真模型如圖4.2所示，圖中的各元件的參數(shù)依照參考文獻[5]中所給的參數(shù)來設(shè)置。當電力機車運行在第二段時，晶閘管的觸發(fā)角為60°時，其直流端輸出電壓波形及電機回路電流波形如圖4.3及圖4.44.4阻抗匹配平衡變壓器的仿真模型阻抗匹配平衡變壓器接線如圖4.5所示，該變壓器一次側(cè)三相采用Y形接線，其一次側(cè)的中性點可與110kV電網(wǎng)接線形式相匹配，在我國電氣化鐵路中得到大量的應用。二次側(cè)是在三角形接線方式的中間相的兩側(cè)，各添加一個外延的支臂，支臂的匝數(shù)是三角形相繞組的匝數(shù)的0.366倍，從而讓三角形的另一結(jié)點和兩支臂的引出端組成兩相輸出電壓，相位差為90°，這樣就是三相變兩相的接線形式。它的主要的優(yōu)點是，如果兩相供電臂的負荷電流大小相等、功率因數(shù)相同時，一次側(cè)的負序電流分量是零，三相電壓在一次側(cè)的波動值也會相同。依照文獻中的阻抗匹配變壓器的等值電路和實現(xiàn)阻抗匹配的條件來設(shè)置變壓器的參數(shù)，在Matlab中阻抗匹配平衡變壓器的仿真模型如圖4.6所示。由以上仿真結(jié)果可以看出，在兩相供電臂負載不平衡的情況下，牽引變壓器兩繞組輸出電流向三相供電系統(tǒng)注入了大量的奇次諧波電流，并造成了三相供電系統(tǒng)的電流嚴重不平衡，對電力系統(tǒng)造成危害。5總結(jié)本文主要研究對象是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中牽引變壓器方面的內(nèi)容。本文首先對國內(nèi)外的研究方向和研究程度進行了簡單的介紹，之后用了很大篇幅對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中常用的幾種牽引變壓器從原理和使用上進行了細致的理論分析和講解，對下一步的專向研究打下了理論基礎(chǔ)。之后，本文對于簡單的含V/v變壓器和阻抗匹配平衡變壓器的電氣化鐵路進行了MATLAB/Simulink仿真建模，并研究其電路傳輸性質(zhì)，主要是對于負序和諧波的研究。最后，在上一章的基礎(chǔ)上，對韶山8型電力機車進行仿真研究，細致的了解了兩種變壓器在真正實際應用中的情況并做了細致分析。通過本次研究，本人了解到：不同的變壓器的接線方式在三相電力系統(tǒng)中所引起的不對稱電流有著很大的區(qū)別。在單相交流電氣化鐵路中，總是希望一次供電系統(tǒng)的每相負荷盡量達到平衡。但是，要保證向單相交流電氣化鐵路供電的三相電力系統(tǒng)各相的負荷都相同，在現(xiàn)實中是不現(xiàn)實的。這是由于在不同的時間段的電力機車的數(shù)目也會不同，供電系統(tǒng)所消耗的功率也會各不相同，從而一定會造成電力系統(tǒng)的三相負荷不對稱。選取不同的變壓器的接線方式，在線路運行中會有不同的設(shè)備容量的利用率，不同的后備方式也會對供應地區(qū)負荷有著不同的適應程度。因此，在各種各樣的具體條件下，選用不同的變壓器的接線方式，有著不一樣的技術(shù)經(jīng)濟效果。致謝在完成我的本科論文之際，我首先要感謝我的導師張志文教授，張老師在我完成我的本科畢業(yè)設(shè)計和本科論文的過程中給予了我很大的幫助。畢業(yè)設(shè)計制作期間，張老師提供很多寶貴的建議，并在我困惑疑難時給予我很多的幫助。在論文的寫作期間，張老師對論文質(zhì)量要求很嚴，他仔細審閱論文，并提出改進意見，張老師淵博的學識，嚴謹、縝密的思維，實事求是的做事風格著實令我感到敬佩，也是我需要學習地方。最后，我還要感謝家人朋友對我的支持和鼓勵，讓我能夠順利完成我的本科學業(yè)。參考文獻[1]李群湛.論新一代牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].西南交通大學學報，2014,49（4）：559-568.[2]李晴，徐麗杰.對含動車組負荷的牽引供電系統(tǒng)的仿真研究[J].鐵道車輛，2008,46（7）：5-6.[3]馬向平.電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的研究與分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014,21：112-114.[4]吳傳平，羅安，徐先勇，馬伏軍，孫娟.采用V/v變壓器的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)負序和諧波綜合補償方法[J].中國電機工程學報，2010,30（16）：111-117.[5]李偉，朱凌，馬治國.基于Matlab/Simulink的SS8型電力機車供電系統(tǒng)建模與仿真[J].大功率變流技術(shù)，2009,6：6-10.[6]