交叉互补式高铁牵引变压器

本实用新型涉及牵引变压器领域，特别涉及交叉互补式高铁牵引变压器。

众所周知，电力系统必须尽力保证三相供电的对称运行，但是在高速发展的高铁 系统中，牵引机车都是采用以受电弓引入单相工频交流电作为电源，上、下行两组机车的单 相或两相功率均可大至数千千瓦，且负荷波动幅度大，由此造成牵引变压器电网侧三相负 荷严重不对称，大大降低了电网的运行效率和可靠性，同时也殃及电网的其它负荷，甚至也 波及到高铁牵引机车自身运行的可靠性，特别是由于不对称运行引起的负序电流和由于铁 芯不对称饱和度及机车调速装置引起的谐波电流会对电力系统的供电质量、安全及运行效 率造成极大的危害，主要体现在：

1.使发电机或电动机定、转子的铁、铜耗大大增加而导致严重发热，谐波形成的附 加力矩使发电机或电动机不能正常出力并大大增加了振动和噪声；

2.造成电力系统的三相电压不平衡，往往引起系统中继电保护装置以及以负序分 量为启动参量的元件产生拒动或误动，直接危及电网安全；

3.变压器原边绕组中负荷大的一相会因过热而缩短运行寿命甚至焚毁，三相磁通 不平衡，大量漏磁经变压器铁构件和油箱壁闭合引起严重发热，增加了变压器的损耗并危 及变压器的安全；

4.增加供电线路的能量损失和电压损失；

5.对周围的通讯系统产生严重干扰，破坏通讯信号的正常传递，甚至毁坏通讯设 备；

6.使电网中发生谐波谐振的可能性大大增加，从而产生危害性极大的过电流和过 电压，威胁电网安全。

仔细分析，当前全球高铁供电变压器的接法不外以下几种接法：

1)单相接线牵引变压器。它的优点是容量利用率高，设备少，投资小，但是负序电 流大，要求电网强，目前香港电气化铁路使用；

2)单相V/V牵引变压器和三相V/V牵引变压器。其中单相V/V接法投资小一些，负序 分量比纯单相接法为小，两个变压器共用一个油箱，缺点是当一相故障时需要断电、倒闸， 我国阳安-襄渝线曾使用该种接法，后因电力不胜负荷而改成三相；

3)三相YNd11双绕组牵引变压器。优点是可以顺带解决变电所自身的三相及单相 用电；缺点是容量利用率低，接线复杂，投资较大；

4)斯科特牵引变压器。目前日本电气化铁道使用较多，我国京秦线也引进了此一 设备，但斯科特变压器是由两台单相变压器主(M)变和梯(T)变构成，结构复杂，制造成本和 安装使用成本高，显著缺点是其主梯变联结点S点的电位随负载变化而漂移、三次谐波电流 无回路、磁通及感应电压波形畸变，三相侧调压困难等；

5)阻抗匹配平衡变压器。其阻抗匹配设计和制造难度均大，实际阻抗匹配效果往 往得不到保证，因而三相电流的平衡程度也难达理想效果，且价格较高、无中性点接地，必 须采用全绝缘、互感配合复杂、三相铁芯不一致而使制造材料不能充分利用等诸多缺点促 使人们另辟蹊径；

6)十字交叉接线牵引变压器。副边把两个匝数相等的Δ接法绕组对接形成1200的 交叉连接构成两相输出，目前已用于我国大秦线上，有了很大改进，其性能和普通Y/Δ接法 相似，由于可以取消第一台供电臂的自耦变压器而使造价降低，其缺点是即使低压侧两相 负荷相等，也不能避免高压侧仍有负序电流及高次谐波进入电网，这将会对电力系统及周 围通讯设施造成影响，此外这种十字交叉接线牵引变压器的原、副边始终有一相负荷不足 (75.6％)，材料利用率偏低，必须加以改进。

实用新型目的：本实用新型针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本实用新 型公开了交叉互补式高铁牵引变压器，其能使高铁电力供应系统达到对称平衡运行，同时 并显著提高了系统的安全性和经济性。

技术方案：交叉互补式高铁牵引变压器，包括一个平面三柱铁芯、一次线圈A1、一 次线圈B1、一次线圈C1、二次线圈a1、二次线圈a2、二次线圈a3、二次线圈c1、二次线圈c2和 二次线圈c3；

平面三柱铁芯包括A相芯柱、B相芯柱和C相芯柱，所述A相芯柱上分别套装一次线 圈A1、二次线圈c3和二次线圈a1；所述B相芯柱上分别套装一次线圈B1、二次线圈c2和二次 线圈a2；所述C相芯柱分别套装一次线圈C1、二次线圈a3和二次线圈c1；

一次线圈A1、一次线圈B1、一次线圈C1首尾依次相连形成三角形连接的一次侧绕 组后接入供电网络的A相、B相、C相；

二次线圈c3、二次线圈c2、二次线圈c1串联成为二次侧绕组的c相，该c相为上行机 车供电；

二次线圈a3、二次线圈a2、二次线圈a1串联成为二次侧绕组的a相，该a相为下行机 车供电；

二次线圈a1的起头引出作为次级a相负载的一个电源输入端，二次线圈c1的起头 引出作为次级c相负载的一个电源输入端，二次线圈a3和二次线圈c3的尾头连接在一起引 出作为a相和c相负载的电源的公共输入端并接地；

二次线圈a2、二次线圈a3、二次线圈c2、二次线圈c3的绕制方向与一次线圈A1、一 次线圈B1、一次线圈C1、二次线圈a1、二次线圈c1的绕制方向相反。

进一步地，二次线圈a2、二次线圈a3、二次线圈c2、二次线圈c3的绕制方向为右绕 向，一次线圈A1、一次线圈B1、一次线圈C1、二次线圈a1、二次线圈c1的绕制方向为左绕向。

进一步地，一次线圈A1、一次线圈B1、一次线圈C1的匝数相同。

进一步地，二次线圈a1、二次线圈a3、二次线圈c1、二次线圈c3的匝数相同；

二次线圈a2、二次线圈c2的匝数相同。

有益效果：本实用新型公开的交叉互补式高铁牵引变压器具有以下有益效果：

1、使用范围广——广泛适用于各种电压等级和容量的高铁牵引供电系统，甚至在 电网三相输入不平衡的情况下让机车仍可获得稳定输出电压；

2、不仅能在二次侧严重不对称情况下保持一次侧电流的对称，而且能在一次侧电 压不对称时仍然保持二次侧负载电压的相对稳定，为电力机车的安全运行提供了保证；

3、结构相对简单，设计制造方便，且不需增加附加设备，安装使用成本大幅减少， 不存在附加的额外能耗，大大降价低了电力系统的能量损失。

图1为本实用新型公开的交叉互补式高铁牵引变压器的结构示意图；

图2a为一次侧绕组联结原理图；

图2b为二次侧绕组联结原理图；

图3a为一次侧电压相量图；

图3b为二次侧电压相量图；

图3c为二次侧相电流相量图；

图3d为一次侧相电流相量图；

图3e为一次侧线电流相量图；

图4a为一次侧电压相量图；

图4b为二次侧电压相量图；

图5为平面三柱铁芯的立体示意图。

其中：

11-A相芯柱 12-B相芯柱

13-C相芯柱

2-一次侧绕组 4-二次侧绕组

下面对本实用新型的具体实施方式详细说明。

按变压器理论分析通用方法，假设一/二次侧相电压相等且均为100V，即变压器两 侧电压比为1：1，二次侧负荷电流为100A。

设一次侧线圈为100匝，则二次侧每相线圈总匝数为152.5匝，其中2个左绕向线圈 分别标为二次线圈a1、二次线圈c1为41匝，4个右绕向线圈——二次线圈a2、二次线圈c2为 70.5匝，二次线圈a3、二次线圈c3为41匝。6个线圈分相套在铁芯的A/B/C相芯柱上，其中A相 芯柱安装a1和c3，B相芯柱安装a2和c2，C相芯柱安装c1和a3，各绕组作如附图1及附图2a、2b 所示的连接。左绕向的二次线圈a1、二次线圈c1的起头引出分别作为a相和c相负载的一个 电源输入端，右绕向线圈二次线圈a3、二次线圈c3的尾头连接在一起引出作为二次侧a相和 c相负载的电源公共输入端并接地，形成完整的二次侧两相绕组。

由附图1和图5可知，交叉互补式高铁牵引变压器，包括一个平面三柱铁芯、一次线 圈A1、一次线圈B1、一次线圈C1、二次线圈a1、二次线圈a2、二次线圈a3、二次线圈c1、二次线 圈c2和二次线圈c3；

平面三柱铁芯包括A相芯柱11、B相芯柱12和C相芯柱13，A相芯柱11上分别套装一 次线圈A1、二次线圈c3和二次线圈a1；B相芯柱12上分别套装一次线圈B1、二次线圈c2和二 次线圈a2；C相芯柱13分别套装一次线圈C1、二次线圈a3和二次线圈c1；

一次线圈A1、一次线圈B1、一次线圈C1首尾依次相连形成三角形连接的一次侧绕 组2后接入供电网络的A相、B相、C相；

二次线圈c3、二次线圈c2、二次线圈c1串联成为二次侧绕组4的c相，该c相为上行 机车供电；

二次线圈a3、二次线圈a2、二次线圈a1串联成为二次侧绕组4的a相，该a相为下行 机车供电；

二次线圈a1的起头引出作为次级a相负载的一个电源输入端，二次线圈c1的起头 引出作为次级c相负载的一个电源输入端，二次线圈a3和二次线圈c3的尾头连接在一起引 出作为a相和c相负载的电源的公共输入端并接地；

二次线圈a2、二次线圈a3、二次线圈c2、二次线圈c3的绕制方向与一次线圈A1、一 次线圈B1、一次线圈C1、二次线圈a1、二次线圈c1的绕制方向相反。

进一步地，二次线圈a2、二次线圈a3、二次线圈c2、二次线圈c3的绕制方向为右绕 向，一次线圈A1、一次线圈B1、一次线圈C1、二次线圈a1、二次线圈c1的绕制方向为左绕向。

进一步地，一次线圈A1、一次线圈B1、一次线圈C1的匝数相同。

进一步地，二次线圈a1、二次线圈a3、二次线圈c1、二次线圈c3的匝数相同；

二次线圈a2、二次线圈c2的匝数相同。

本实用新型的交叉互补式高铁牵引变压器特别适用于各种电压等级和容量的高 铁牵引供电系统,尤其是在一次三相输入电压不平衡的情况下更突显其能平衡二次输出电 压的优势。

经实践检验,本实用新型的交叉互补式高铁牵引变压器的平衡效果可参照附图3a ～3e、附图4a和4b所示,参照附图3a～3b可知，当一次侧三相输入电压平衡且为100V(假设 值)时，二次侧a相和c相电压均为100V。参照附图3c～3e可知,当二次侧负荷均衡且电流均 为100A(假设值)时，一次侧的线电流分别为：iAl＝116.46A、iBl＝115.21A、iCl＝115.21A, 且相角均为120度，平衡率接近100％(理论上可达100％)。

参照附图4a和4b可知，当一次侧三相输入电压不平衡(附图4中假设UA＝100VUB＝ 100VUC＝90V)且不平衡率为(100-90)/100＝10％(假设值)时，二次侧a相和c相电压分别为 99.1V和96.1V，二次侧电压不平衡率为(99.1-96.1)/99.1＝3％,足见电压平衡效果相当显 著(各向量图的数字不代表真实数字，仅说明比例关系)。

上面对本实用新型的实施方式做了详细说明。但是本实用新型并不限于上述实施 方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗 旨的前提下做出各种变化。