高速铁路同相供电技术与理论

1．原理接线及特点

YN，d11接线牵引变电所在我国电气化铁道应用最为普遍，因这类牵引变电所主变压器接线形式为YN，d11接，故得此名。其原理接线如图1.7所示，图中“DK”代表分相绝缘器，“R”代表钢轨，“T”代表接触线。变压器原边三相端子分别接三相电源；次边c相端子接钢轨，另外两个端子分别接两个不同方向供电臂母线。通常变电所设两台变压器：一台备用，一台运行；也可以根据实际情况采用两台并列运行。

图1.7　YN，d11牵引变电所原理接线图

这种变电所最大的优势是次边为三角接，隔断了零序及3倍数谐波的流通通路，可以大大减小谐波，就像一个双环路滤波器，既保护了电源侧，也保护了负载侧；同时由于变电所牵引变压器低压侧保持了三相，因此可以向地区和本变电所提供三相电。单相牵引负荷作用下系统三相严重不平衡，变压器容量利用率很低，尤其是只有一个供电臂有负荷时，流过三角侧一个绕组的电流为负荷电流的三分之二，而流过另外两个绕组的电流为负荷电流的三分之一，因此，当重负荷绕组达到额定的满负荷时，两个轻负荷绕组仅为额定负荷的二分之一，这时供给牵引负荷的容量为变压器额定容量的二分之一，变压器容量利用率仅为50%，变压器和系统工作在不对称状态，变压器容量无法得到充分利用。当两个供电臂同时有负荷时，系统不对称程度有所降低，变压器容量利用率也有所提高，但变压器容量利用率不会超过75.6%；由于两个相邻供电臂电压相别不同，必须用分相绝缘器进行分隔，分相绝缘器的存在增加了机车操作的复杂性，制约了高速、重载铁路的发展。

2．电压电流关系

图1.7中标出了牵引变压器原次边电压、电流各量。其中：

——变压器原边三相电压向量；

——变压器原边三相电流向量；

——变压器次边绕组上的三相电压向量；

——变压器次边三相等效星形电压向量，与绕组上的电压向量关系如图1.7（c）所示；

——变压器次边绕组的三相电流向量；(www.xing528.com)

——变压器次边三相电流向量，为了与绕组电流区别，也可称其为变压器次边三相端口电流。

根据变压器次边绕组电流与端口电流关系，很容易得到二者的关系式，再根据磁势平衡和功率守恒容易求得两边电流电压关系。以下作为实例，应用坐标变换来求解电压电流关系式。

应用坐标变换确定两边电压电流关系是非常简单的，不需要了解变压器内部关系，只需要知道两边电压之间的相位关系和两边绕组的匝数。假设原边和次边匝数分别为WA、Wa，则原边与次边绕组匝数。根据YN，d11变压器连接组别知次边线电压向量超前于原边线电压向量，也就是原边电压向量滞后于次边等效星形电压向量，即φAa=-3 0°。将 φAa=-3 0°直接代入三相坐标变换啊啊（1.22）式（1.23），可得

则

式中，为变压器次边三相星形等效电压向量。如果变压器连接组别不同，如YN，d3，YN，d5，YN，d7等以及其他任意连接组别的变压器，根据连接组别容易得到φAa，将 φAa代入坐标变换式（1.22）和式（1.23），就可以直接得到变压器两侧电压电流关系式。

3．AT供电方式下接线形式

由于AT供电方式的特殊性，牵引变电所需要将两台YN，d11接线变压器十字交叉连接。如图1.8所示。其中一台变压器的原边三相端子A、B、C分别接入三相系统A、B、C相；另一台变压器原边三相端子A′、B′、C′分别接入三相系统A、C、B相。一台变压器的次边c端子与另一台变压器a′端子相连后接钢轨，两台变压器次边的另外两个端子a、c′和b、b′分别接两组55 kV牵引母线。

这种由两台变压器十字交叉连接构成的AT供电牵引变电所接线方式，是由苏联专家提出来的。这种接线方式至少需要一台YN，d11接线变压器作为备用，变压器占地面积大。在我国大秦线采用一台三相三绕组变压器来代替两台三相双绕组变压器构成十字交叉接线形式，其原理和接线与两台双绕组相似，不再赘述。基于两台十字交叉YN，d11接线方式构建同相牵引供电系统时，可以与平衡补偿装置有机结合而减少一台工作变压器，并依然能够很好地补偿谐波、无功和负序。关于这方面的详细内容可参考本书第3章和其后各章节。

图1.8　AT供电方式三相变压器十字交叉接线