1、220kV平衡牵引变压器基本要求
考虑到我国高速铁路牵引供电系统整体上已形成了成熟的技术体系，拟开发的220kV平衡变压器应能与此体系最大程度兼容，特别是要求能够满足我国高速铁路采用AT供电方式要求，并且能适应变电所牵引侧2×27.5kV设备方案。当前我国高速铁路牵引变电所主要采用单相组合式V/X接线变压器，个别系统容量大的变电所则采用二次侧中点抽出式单相变压器。这两种接线方式二次侧输出电压均为2×27.5kV，具有能接钢轨和大地的中性点，变电所内不再需要单独配置自耦变压器就能向AT供电方式牵引网馈电，变电所内牵引侧的开关设备、电压互感器、电流互感器、避雷器等的绝缘均可按系统标称工作电压27.5kV统一考虑确定。新研制的220kV平衡变压器二次侧也应该输出2×27.5kV，而不能是55kV。目前电气化铁路已经采用的几种平衡变压器都不能满足以上要求。首先，星形-延边三角形接线和星形-曲折延边三角形接线由于二次侧两端口电气上不独立，不能用于AT供电系统。其次，Scott接线变压器、变形woodbridge接线变压器和LeBlanc接线变压器二次侧不具有可以接钢轨和大地的中性点，无法兼容我国高速铁路变电所的2×27.5kV设备方案。
2、技术方案比选
如果再进一步，可以把方案1的两台变压器合并成1台，即可以直接研制图2所示的220kV/2×27.5kV的平衡变压器。这种方案（称为方案2）由于B相共7个绕组，结构比较复杂，要想达到理想的平衡性能设计难度大。方案3采用两台YNvd接线变压器组合，如图3所示。YNvd接线平衡变压器是为了开发电气化铁路同相供电技术而提出的[8]，尚未在我国得到应用，有一定研制难度。方案4采用220kV二次侧中点抽出式Scott接线变压器[9-11]。传统的Scott接线变压器二次侧直接输出55kV，此方案对传统方案进行改进，引出二次侧绕组的中点，构成2×27.5kV的输出（如图4）。3.2二次侧中点抽出式Scott接线方案的优势几种技术方案提出后，经过充分论证和专家咨询，课题组认为我国220kV平衡变压器应该采用二次侧中点抽出式Scott接线方案。主要优势有：1）接线简单。Scott接线变压器是接线最简单的三相变两相平衡变压器，二次侧两个输出端口电气独立，相互解耦，把二次侧绕组的中点抽出，不破坏以上优点，并且原理简单，容易理解。2）技术把握性大。传统Scott接线变压器在我国AT供电系统广泛应用，设计、制造技术成熟，在其基础上，对二次侧绕组进行改进设计，技术上不存在难以克服的困难。并且，该方案已经进行过小容量模型验证[8,9]。3）结构适应性强。当变压器容量不太大时，可按单体设计；如果容量足够大，考虑到运输限制，也可以把T座和M座分开，按两台单相变压器分体设计制造，现场安装时再通过外部连接组合成一体。4）容量利用率高，二次侧绕组扩容方便。4种方案中，二次侧中点抽出式Scott接线变压器容量利用率最高。对于省掉变电所内AT的变压器，由于连接T线和F线的绕组负荷条件不同，一般T绕组平均电流为F绕组平均电流的2倍左右，为充分利用变压器容量，需要对二次侧绕组容量适当调整（放大T绕组容量、减小F绕组容量，或者同时放大T、F绕组容量），这在二次侧中点抽出式Scott接线变压器上比较容易实现。此外，我国此次开发220kV平衡牵引变压器，应该体现技术提升，要有创新。采用两台220kV/27.5kV平衡变压器组合的方案，固然容易实现，但不利于今后的推广。
3、二次侧中点抽出式Scott接线结构设计方案
传统Scott接线变压器技术方案不唯一，对大容量变压器常采用两个双柱式铁心，T座和M座按单相变压器分别设计。为实现阻抗匹配，要求M座高压侧两个半绕组BD和DC必须实现紧密耦合，一种常用方案是把其二次侧绕组设计成跨心柱并联连接方式，如图5所示，这样对T变一次侧流下来的分流电流能起到补偿绕组作用，增强了位于两个心柱的BD和DC绕组间的电磁耦合。为保持对称，T座的二次侧也采用同样设计方案。当把二次侧绕组分成匝数相等的两部分，抽出中点时，无法继续使用原有方案。这时除了要满足Scott变压器的两相端口的平衡性能和阻抗匹配外，尚需满足AT供电的要求，即，要求ae和ed之间以及bf和fc之间紧密耦合，以模拟自耦变压器的低漏抗特性。为此，课题组采用了图6的结构设计方案。二次侧绕组采用跨心柱交错串联方式，既保证了二次侧两个半绕组的对称性，又实现了它们之间的强耦合。这时，由于M座二次侧绕组已不能再对一次侧的两个半绕组提供补偿作用，于是在高低压绕组之间再额外增加一对封闭的补偿绕组。
4、产品开发及应用情况
2010年底两台二次侧中点抽出式Scott接线变压器在保定天威保变电气股份有限公司制造完成，并完成了型式试验。变压器主要参数如表2所示。2011年两台二次侧中点抽出式Scott接线变压器安装在杭甬客专新上虞牵引变电所，设备现场照片见图7。2013年2月开始送电，经联调联试和试运行，2013年7月1日随杭甬客专的开通正式投入运营。
5、结束语
经方案比选，我国新研制的220kV平衡牵引变压器采用了二次侧中点抽出式Scott接线方案，型式试验和初步现场运行表明，达到了设计开发目的。目前产品还处在运行考核期，实际运行性能尚需进一步总结。220kV平衡牵引变压器的开发成功，有助于减轻高速铁路在薄弱电源条件下对电网的负序影响，在我国具有一定推广应用前景。
作者：肖志强 吴命利 陈敏 单位：中国铁路经济规划研究院 北京交通大学电气工程学院 中铁电气化勘测设计研究院有限公司
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