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雷火电竞体彩app下载平台:第一章 电力系统与牵引供电系统 pdf

发布时间: 2022-07-07 11:23:23 来源:雷火电竞体彩app下载平台 作者:雷火电竞竞猜

  第一章 电力系统与牵引供电系统 第一节 电力系统概述 电力系统是指发电、送电、变电和用电组成的整体。电力系统的规模大小、结构合理 与否直接关系到国家工农业生产和交通运输的发展。我国电气化铁道的建设更与电力能源 的发展和建设紧密相关。 电力系统的组成可用图 1-1 的示意图说明。图中的电力系统如果把发电厂的汽轮机、 锅炉、水电厂的水轮机、水库等动力部分包括进来,统称为动力系统。 图 1-1 电力系统示意图 电力系统主要包括以下几部分: 一、发电厂 发电厂将其他形式的能源转换为电能。根据能源的不同,发电厂分为火电厂,水电厂, 核电厂等。此外还有地热电厂,风力电厂,潮汐海洋电厂。 (一)火电厂:目前我国仍以燃煤为主的火电厂居多数。这些电厂多建在煤炭基地附近, 故称为“坑口”电厂,其单机容量可达 600 MW(兆瓦)。如果把已作过功的乏气再供给用户 作为热能,这种电厂又称为热电厂。 (二)水电厂:水电厂是建于江河之上并把河流的落差能量变成电能的发电厂。水能发 电不仅效率高,而且水能是在自然界不断循环的再生资源,具有用之不竭的特点。我国水 能资源丰富,水能发电的潜力很大,目前世界最大发电机的容量为 750 MW。我国水轮发电 机的单机容量为 700 MW,例如长江三峡装设了数台 700 MW 的水轮发电机。 (三)核电厂:核电厂是将原子核裂变时所产生的核能转变为电能。核电厂的重要部分 是核子反应堆和蒸汽发生器,相当于发电厂的蒸汽锅炉。其发电设备仍为一般汽轮机和发 电机。核电厂建设需要大量公用辅助和防护设施,故为了提高效益,核电厂的单机容量较 大,近年来多在 900 MW 以上。 发电机一般采用三相同步发电机,电压多为 10.5 kV。每台发电机都有相应的升压变压 器,组成发电机一变压器组。 二、电力网及电网电压 电力网简称电网,由输电线路,配电线路和变电所组成。输电线路的作用是输送电能, 其特点是电压较高,线路较长;配电线路的作用是分配电能,电压较低,线路较短。 电网按其规模主要分为地区电网和区域电网,前者多限于一个地区或一个省,电压等 级为 110~220 kV。区域电网是几个地区或几个省联合而成,电压等级为 330~500 kV。 国家规定的电网额定电压分别为(kV):750、500、330、220、110、60、35、10、6 等 9 个电压等级。 电网的电压等级不同,输送电能的容量和距离不同,如表 1-1 所示。 表 1-1 各级电压的输送容量与距离 线路电压(kV) 输送容量(MW) 输送距离(km) 线路电压(kV) 输送容量(MW) 输送距离 0.38 0.1 0.6 以下 110 10~50 50~1 6 0.1~0.2 0.6~15 220 100~500 100~3 10 0.2~2.0 6~20 330 200~800 200~6 35 2.0—1.0 20~50 500 1 000~1 500 200~8 为了提高电网的输送容量和输送距离,世界各国都在探索电压等级更高的输 电线路。 同时由于直流电压输电无电抗存在,稳定性好,故受到世界各国的普遍重视。我国也已建 成了多条±500 kV 的直流高压输电线路。 三、变电所 变电所除具有变换电压的作用外,还具有集中电能、分配电能和控制电能以及调整电 压的作用。一般把变电所分为以下 3 种: (一)枢钮变电所。它通常都有两个及其以上电源汇集,进行电能的分配和交换,从而 形成电能的枢钮,如图 1-1 所示的 S ,S 变电所。此类变电所规模大,并采用三绕组变压 1 2 器获得不同级别的电压,送到不同距离的地区。 (二)地区变电所。其作用是供给一个地区用电,如图中的 S3 等。通常也采用三绕组变 压器,高压受电,中压转供,低压直配。 (三)用户变电所。此类变电所属于电力系统的终端变电所,直接供给用户电能。通常 采用双绕组变压器,如图中的 S ,S 等。铁路牵引变电所就属于此类变电所。 4 5 第二节 牵引供电系统 牵引供电是指拖动车辆运输所需电能的供电形式。例如城市电车、城市地下铁道、工 厂矿山的电力交通运输供电等,都可称为牵引供电。电气化铁道供电,因其用电量大、分 布广,因而形成相对独立于电力系统的电气化铁道牵引供电系统。 一、牵引供电系统的电流制 电气化铁道供电采用何种电流制,关系到许多重大技术问题和铁路运输的经济效益, 故成为每个建造电气化铁道的国家首先要考虑的问题。目前主要有以下 4 种电流制。 (一)直流制 直流制是世界上早期电气化铁道普遍采用的方式,到目前为止,直流制在电气化铁道 中所占的比例仍占 43%左右。其原因是电力机车多采用机械性能好,调速方便的直流串励 电动机牵引,显然,利用直流电向直流电机供电可以极大地简化机车设备。 但是受直流牵引电动机额定电压的限制,直流制供电电压较低,通常只有 1 500 V。由 于供电电压较低,要保证电力机车足够的功率,供电电流就比较大,线路损耗也大,所以, 送电距离较短,一般不超过 20~30 km,变电所的数目相对增加。又由于电流较大,需要导 线的截面大,金属消耗增加。另外,牵引变电所必须有整流设备。 在工矿企业,城市地上交通和地铁供电,由于相对距离较近,对供电的安全性却要求 较高,所以采用电压较低的直流制供电更具有优越性。矿山运输的直流电压为 1 500 V,城 市电车为 650~800 V,地铁为 720~820 V。 (二)低频单相交流制 为了克服直流制的缺点,在 20 世纪初,西欧一些国家采用了低频单相交流制,并得到 了较大发展。低频单相交流制的频率为 16(2/3)Hz,电压也提高到 11~15 kV。 这些国家之所以采用低频,是因为当时这些国家有低频的工业电力,且低频的整流相 对容易,低频交流的电抗也较工频小。 和直流制比较,低频单相交流制的导线截面减小,送电距离也可相应提高到 50~70 km。 低频单相交流制的主要缺点是供电频率与工业供电频率不同,故变电所必须有相应的 变频装置,或由铁路专用的低频发电厂供电。 (三)三相交流制 在牵引电流制的发展过程中,个别国家,如瑞士、法国等,还采用了 3.6 kV 的三相交 流制,电力机车牵引电动机采用三相交流异步电动机。 三相交流制是三相对称负荷,不会影响电力系统的三相对称性,牵引变电所和电力机 车的结构也都相对简化。而且三相异步电动机运行可靠、维护方便。主要缺点是机车供电 线路复杂,特别是三相异步电动机调速比较困难。 由于三相交流制和三相异步电动机有上述优点,目前许多国家都在研究和生产变频电 力机车,变频机车是一种交一直一交系统的机车。它是将接触网上的工频单相交流高压电, 经机车上的变压器降压,整流滤波成直流,再经逆变器将直流变换成三相交流,并利用三 相异步电动机牵引。控制逆变器能够调节三相电压的频率和幅值,实现调速和调转矩的目 的。这种机车具有功率大、速度高,功率因数接近于 1,并能将无功电流、通讯干扰减小到 最小值的优点。 (四)工频单相交流制 工频单相交流制是电气化铁道发展中的一项先进供电制,最早出现在匈牙利,电压为 16 kV。1950 年法国试建了一条 25 kV 的单相工频交流电气化铁道。随后日本,前苏联等相 继都采用了工频交流制,电压为 20 kV。由于此种电流制的优越性比较明显,很快在各国被 采用,目前已占到电气化铁道的 40%以上。我国电气化铁道建设一开始就采用了此种电流 制,从而为后来的电气化铁道的发展打下了良好的基础。 工频单相交流制的主要优点如下: (1)牵引供电系统结构简单。牵引变电所从电力系统获得电能并经过电压变换后,直接 供给牵引网,不需要在变电所设置整流和变频设备,变电所结构大为简化。 (2)牵引供电电压增高,既可保证大功率机车的供电,提高机车的牵引定数和运行速度, 又可使变电所之间的距离延长,导线截面减少,建设投资和运营费用显著降低。 (3)交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。通过机车上变压器的调压,牵引电动机 可以在全并联状态下工作,牵引电动机并联运转可以防止轮对空转的恶性发展,从而提高 了运用粘着系数。 (4)和直流制比较交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小,一般可不设专门防护装 置。 工频单相交流制存在的主要问题如下: (1)单相牵引负荷将会在电力系统中形成负序电流,当电力系统容量较小时,负序电流 的影响尤为突出。 (2)电力牵引负荷是感性负荷,功率因数低,特别是采用相控整流后,牵引电流变为非 正弦波,出现较大的谐波电流,将使功率因数更低。 (3)牵引网中的单相工频电流将对沿线通讯线路造成较大的电磁干扰。 为了克服上述缺点,使电气化铁道的投资也相应增加。 二、工频单相交流牵引供电系统 工频单相交流牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网两部分组成。其主要作用是从 电力系统取得电能,并送给沿铁路线运行的电力机车。牵引供电系统的构成可用图 1-2 所 示的示意图说明。 图 1-2 工频单相交流牵引供电系统示意图 1-区域变电所或发电厂;2-高压输电线-回流线-开闭所。 (一)一次供电网络 一次供电网络是指直接向牵引变电所供电的地区变电所(或发电厂)及高压输电线路。 输电线路一般分为两路,电压为 110 kV。近年来,也有采用 220 kV 的(哈大线),相比之下, 后者电源的可靠性和稳定性等技术指标相对较高。 上述高压输电线路虽然专门用于牵引供电,但由国家电力部门修建并管理,并以牵引 变电所的 110 kV 进线门形架为分界点。 (二)牵引变电所 牵引变电所的作用是降压,并将三相电源转换成两个单相电源,然后通过馈 电线分别 供电给牵引变电所两侧的接触网。 (三)牵引网 牵引网是由馈电线、接触网、钢轨、回流线组成的双导线供电系统。 馈电线是连接牵引变电所母线和接触网的架空铝绞线。馈电线除直接送电给接触网外, 还要送电给附近车站,机务折返段,开闭所等,所以馈电线的数目较多,距离也可能较长。 接触网是牵引网的主体,由于接触网分布广,结构复杂,运行条件又差,所 以不仅日 常维修工作量大,短路故障也较多,故与牵引供电的可靠性关系极大。 流过电力机车的负荷电流经钢轨和回流线回到牵引变电所。由于钢轨对地并非绝缘, 所以部分电流沿大地流回到牵引变电所,形成地中电流。 (四)分区亭 为了增加供电的灵活性,提高运行的可靠性,在两个相邻牵引变电所供电的接触网区 段通常加设分区亭,如图 1-2 中的 8 所示。分区亭的作用是: (1)可以使相邻两供电区段实行并联供电或分开供电,也可使复线区段的上、下行实行 并联或分开供电。 (2)相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时,可以闭合分区亭内的断路器由非故障 牵引变电所实行越区供电。 (五)开闭所 电气化铁道的枢钮站场(如编组站、客站、机车整备线等),均由接触网供电。为了提 高供电的可靠性和灵活性,通常将其分组并独立供电,为此就需要增设开闭所,如图 1-2 中的 10 所示。如果是复线电气化铁道区段,通过开闭所的断路器还可将上行和下行接触网 并联起来,此时的开闭所还兼有分区亭的作用。 三、牵引变电所的一次供电方式 牵引变电所的一次供电方式又称一次侧供电方式或外部供电方式。因为电气化铁道牵 引供电属于一级负荷,中断供电将会造成重大经济损失和严重的社会影响。因此对一次供 电的可靠性要求很高。通常要求每个牵引变电所必须有两个独立电源供电,或者由两路非 同杆架设的输电线路供电,其中每路输电线应能承担牵引变电所的全部负荷。两路电源互 为备用或一主一备,即一路可长期供电,另一路由于某种原因只能作为短期备用。当供电 电源故障时,备用电源应能立即投入。 根据供电系统的分布状况,发电厂和地区变电所的位置以及容量等因素,牵引变电所 的供电方式有以下几种: (一)一边供电 一边供电是指牵引变电所的电能只能由电力系统中的一个方向送来,如图 1-3 所示。 图中牵引变电所 C 、C 、C 只能从右侧的发电厂 A 用两路输电线供电。而发电厂 A 又通过 1 2 3 1 1 地区变电所 B 、B 、B 与发电厂 A 、A 相连,构成一个可靠的供电网络,保证任一电源故障, 1 2 3 2 3 都不会中断供电。 图 1-3 牵引变电所的一边供电方式 (二)两边供电 两边供电就是指牵引变电所的电能由电力系统中的两个方向送来,如图 1—4 中的牵引 变电所 C,它的两侧都有电源,左侧发电厂 A1 用一条输电线给牵引变电所送电,并供电给地 区变电所 B,而变电所 B 又由发电厂 A2 供电,并由一条专用输电线供给牵引变电所 C。 图 1-4 牵引变电所的两边供电方式 (三)环形供电 环形供电是指若干个发电厂、地区变电所通过高压输电线连接成环形电力网,而牵引 变电所处于环形电力系统中的一段环路之中。仍以图 1-4 说明,如果发电厂 A1 通过输电线 W 、 W 与发电厂 A 或 A 以远的电网连接,则形成环形电力系统,这时牵引变电所 C 就处于 1 2 2 2 电力系统的一段环形之中而构成环形供电。 不难看出,两边供电和环形供电,比一边供电有更高的可靠性和更好的供电质量。两 边供电的优点在于任一座发电厂故障时,电气化铁道的供电不会中断。环形供电的优点则 在于电力系统的频率稳定,电压波动的幅度较少。因此,牵引变电所的一次供电方式,应 尽可能采用两边供电或环形供电。通常在一条很长的电气化铁道区段上,往往同时采用几 种不同的外部供电方式。 四、牵引变电所的引入线方式 牵引变电所的引入线方式又称为牵引变电所一次侧的主接线方式。采用何种引入线方 式,需要从技术、经济、运行、外部供电方式以及主变压器的接线方式等因素综合比较后 才能确定。 目前我国牵引变电所的引入线.桥接线方式 当电力系统的功率需要穿越牵引变电所时,采用此种引入线 牵引变电所的引入线方式 牵引变电所有两路引入线,并通过桥断路器连接起来,以便通过穿越功率。当桥断路 器位于牵引变压器侧时,称为内桥,当桥断路器在线.双 T 接线方式 双 T 接线方式又称为分支接线,即两路输电线路分别引出两条支线到牵引变电所,构 成双 T,如图 1-5(b)所示。此种引入方式通常只有一路送电,另一路备用。 在牵引供电系统中,双 T 接线.单母线分段方式 当牵引变电所除了两回电源引入线外,还需要引出线的中心变电所,通常采用此种引 入线(c)所示。图中母线分段断路器既能经常通过穿越功率,又可在必要时 将母线分成两段,以提高供电的可靠性和灵活性。 五、接触网的供电方式 接触网的供电方式是指牵引变电所向接触网的供电方式。牵引变电所是沿着 电气化铁 道区段分布的,每一个变电所有一定的供电范围。接触网也相应分成许多供电分段,每段 称为供电分区,一个供电分区的长度对应于线 个区间。每一个区段可 以从一边供电,称为单边供电,也可以从两边供电,称为双边供电。现将单线铁路和复线 铁路两种情况分述如下。 (一)单线.单边供电:即接触网的每个分段由牵引变电所从一边供应电能,如图 1-6 所示。每 个牵引变电所的两个臂供两个接触网区段,相邻两个变电所之间的两段接触网相互绝缘。 但为了在必要时实行越区供电,在接触网分界点设有柱上隔离开关,且照惯例,此两段接 触网供同相电。 单线单边供电方式是每个供电臂独立供电,变电所的倒闸操作及馈线保护都比较简单, 故目前普遍采用。 图 1-6 单线.双边供电:当相邻两牵引变电所之间的两段接触网用分区亭中的断路器连接,并从 两变电所同时供电,这种供电方式称单线 所示。分区亭的作用是缩小 接触网故障停电范围和检修时的停电范围。 两边供电时,电力机车从两个牵引变电所取流,所以每条馈电线的电流相对减小,从 而可以减小牵引网中的电压损失和电能损失,有利于改善供电臂的电压水平,降低铁路的 运营成本,而且牵引变电压器和接触网悬挂的负荷载较均匀。同时由于电力机车两边的供 电电流方向相反,故可以减小对通信线路的电磁感应干扰。两边供电的主要缺点是增设了 分区亭中的一、二次设备,运营维护也需投入许多人力、物力。同时,当两牵引变电所的 电压有差异时,还可能出现不平衡电流,从而产生附加的电能损失。 (二)复线区段 和单线区段一样,复线区段也可采用单边供电和双边供电。但由于复线双边供电分区 亭设备复杂,对接触网短路故障的保护十分困难,故目前我国只采用复线.单边末端并联供电:由于复线区段牵引变电所同一侧的上、下行接触网均供同相电, 以图 1-7 所示的相序为例,故可在接触网供电分段的末端用分区亭中的断路器连接起来, 形成单边末端并联供电。 图 1-7 复线区段的单边供电方式 单边末端并联供电时,电力机车由上、下行接触网两线路并联供电,使分配到每条接 触网中的电流减小,从而使接触网中的电压损失和电能损失显著减小,故目前普遍采用此 种方式。此种方式的缺点是分区亭设备复杂,如果再考虑相邻变电所故障时进行越区供电 等情况,分区亭需设 4 台断路器,除两台作末端并联用外,另外两台将相邻变电所两供电 臂接触网相连,如图 1-8 所示。这就增加了运营维修的工作量,故在实际运行中往往不投 入断路器,形成单边分开供电。 图 1-8 复线单边末端并联供电 图 1-9 复线.单边全并联供电:单边全并联供电是近年来采用的一项新技术。单边全并联供电是 在每个车站利用柱上负荷开关将上、下行接触网并联,形成如图 1-9 所示的并联网络。并 联负荷开关可以自动投切,也可以经设于车站的远动终端 RTU 由电力调度控制。 单边全并联供电方式比末端并联电更能有效地减小接触网阻抗,降低接触网 电压损失 和电能损失;另一方面又能对接触网的短路故障进行有效的保护,即当接触网短路故障时, 牵引变电所两馈线断路器自动跳闸,接触网瞬时失电,负荷开关随即自动断开,上、下行 接触网分开,此时,通过变电所的故障判断装置确定其故障线路,而非故障线路即刻自动 重合送电。如果是瞬消性故障,两条线路分别送电成功后,负荷开关自动重合,又恢复到 全并联供电方式。 第三节 电力机车简介 我国电气化铁道运行的电力机车,除少量国外引进的电力机车(如日本的 8K 型,法国 的 6K 型)外,绝大多数是我国自己设计制造的 SS(韶山)型单相工频电力机车。如:适用于 重载货运的 SS 型,客货两用的 SS 型和 SS 型,以及快速客运和准高速客运的 SS 型和 SS 4 6 7 5 8 型。机车的额定电压为 25 kV,最高工作电压为 29 kV,最低工作电压为 20 kV。牵引电动 机采用直流串励式,额定电压为 1 020 V,功率约为 700~900 kW。 一、25 kV侧电路 图 1-10 为 SS8 型电力机车 25 kV 侧(又称网侧)的简化主电路。该电路主要包括:受电 弓 AP,主断路器 QF,变压器 T,以及电压互感器 TV,电流互感器 1TA,2TA,避雷器 F 等。 图 1-10 SS8 型电力机车主电路腺理图 受电弓 AP 以大约(90±10)N 的压力与接触网接触并获取电流。为了改善取流条件,降 低弓网之间的相互磨损,受电弓上装有粉末冶金滑板,有的受电弓弓头上还装有固体润滑 剂。电力机车上装有两个受电弓,一般升后弓,前弓备用。 主断路器 QF 接于受电弓与主变压器之间,安装于机车车顶中部,它是电力机车电源的 总开关和总保护电器。主断路器采用空气断路器,即利用灭弧性能较好的压缩空气灭弧, 额定切断电流达 10 kA,固有分闸时间≤30 ms,与主断路器配合动作的还有隔离开关,当 主断路器切断电弧电流后,隔离开关随即打开,此后主断路器重新合闸。当送电时,只要 合上隔离开关即可。 变压器 T 的额定电压为 25 kV,低压绕组除牵引绕组供牵引电动机用电外,还有辅助绕 组,励磁绕组等。SS 和 SS 型电力机车的变压器容量为 6 350 kV·A,原边额定电流为 254 4 8 A。 电压互感器 TV 用作电压测量及电度的计量,变比为 25 000/100,并接在主断路器之前, 只要升起受电弓,就可知网压状况。电流互感器 1TA 用作变压器高压侧短路保护用,保护 动作时间约为 0.06 s。但是当机车顶部短路时,例如受电弓底架支持绝缘子短路时,由牵 引变电所馈线TA 作电度计量等用。避雷器 F 用以抑止操作过电压及雷击过 电压。 二、相控整流调压电路 电力机车采用直流电动机牵引,其重要原因之一是因为直流电动机便于调速。由转速 公式 n=U-IR/Ce φ,可知,通过调节电动机的电枢电压 U 就可实现调速。早期的电力机车 采用调压开关进行有级调速,变压器绕组抽头多,结构复杂。目前均采用大功率晶闸管相 控整流调压电路进行调压。 所谓相控整流调压就是通过控制晶闸管的导通角来调节输出电压。图 1-11 所示为三段 相控整流调压电路的简化电路。 图 1-11 三段相控整流调压电路示意图 图中 a2 x2,a1b1 和 b1x1 为机车变压器副边的三段牵引绕组。二极管 V1~V4 及晶闸 管 VS01-VS06 组成三段桥相控整流电路。L 为平波电抗器,对整流回路的脉动电流起平波作 用。虚线内为包括励磁绕组在内的牵引电动机 M。牵引电动机一般为 4~6 台,图中只画出 一台。 工作时,首先开通 V1,V2,VS01,VS02 组成的四臂桥,绕组 a2x2 投入;第二步开通 V3, V4,VS03,VS04 组成的四臂桥,绕组 a1b1 投入,第三步开通 VS05,VS06,a1b1x1 投入。 相控整流的电路工作原理如下:首先开通第一段绕组 a2x2 投入工作。当电源在正半周 时,触发晶闸管 VS02 使其开通。电流回路为: a2-V1-L-M-V4-V3-VS02-x2-a2 电源在负半周时,触发晶闸管 VS01,电流回路为: x2-VS01-L-M-V4-V3-V2-a2-x2 改变相控角,使整流电压不断增加。当 VS01,VS02 满开放后,再继续触发 VS03,VS04,投 入第二段 a1b1。当电源正半周时,电流回路为: a1-V3-VS02-x2-a2-V1-L-M-VS04-b1-a1 负半周时,电流回路为: b1-VS03-V2-a2-x2-VS01-L-M-V4-a1-b1 当 VS03,VS04 满开放后,再继续触发 VS05,VS06 电压继续上升至电动机的额定电压。 实际操作时,电力机车司机通过调节调速手柄的运行级位,相应的电位器数值改变, 从而达到改变相控角的目的。 当 1、2、3 段依次投入工作时,整流电压的波形分别如图 1-12 中的(a)、(b)、(c)所 示。 图 1-12 相径整流电压波形图 除了相控整流调压外,电力机车还采用无级磁场削弱电路进行调速。即当整流电压接 近牵引电机的额定值后,利用晶闸管相控电路对电动机的励磁回路进行分流,由转速公式 可知,当励磁电流减小时,磁通φ减少,转速增加。 由于电力机车采用相控整流调压电路,故在牵引负荷电流中形成了大量的高次谐波, 使牵引负荷的功率因数降低。其改善方法在后续课程中探讨。 习 题 1.电力网的额定电压有哪几种?为什么要设这么多电压等级? 2.划分电气化铁道电流制的依据是什么? 3.为什么采用直流制时,接触网上的电压一般不超过 3 kV?而由此带来的缺点是什么? 4.为什么我国城市无轨电车、矿山电力机车、地铁都采用直流制,而电气化铁道干线 上却不采用直流制? 5.工频单相交流制存在的主要问题是什么? 6.什么是工频单相交流制的牵引供电系统?牵引变电所与牵引网的作用是什么? 7.什么是相控整流调压电路? 第二章 牵引变压器及其结线 工频单相交流电力机车是功率很大的单相负荷,必然会影响到三相电力系统的对称性。 因此牵引变电所的重要任务不仅是将电力系统送来的高压电变为电力机车所需的电压,而 且还通过采用不同形式的变压器及其结线,使电力机车的单相负荷对电力系统的不良影响 降低到最小。 为了实现上述功能,我国铁路牵引变电所不仅采用有普通的单相电力变压器、三相电 力变压器,还特别采用了某些特殊变压器,主要为三相一两相平衡变压器,包括斯科特 (Scott)结线变压器、阻抗匹配与非阻抗匹配平衡变压器,以及我国台湾省采用的列勃兰克 (Leblanc)结线变压器。在国外,例如日本,还采用伍德桥(Wood bridge)结线和改进伍德 桥结线的平衡变压器。 根据所采用的变压器的类型不同,牵引变电所通常又分为:单相牵引变电所(包括纯单 相变电所,单相 V,V 结和三相 V,V 结变电所);三相变电所;三相一两相变电所(包括斯 科特结线变电所和阻抗匹配与非阻抗匹配结线变电所)。 牵引变压器原边额定电压为 110 kV 或 220 kV,副边额定电压为 55 kV 或 27.5 kV,比 牵引网额定电压高 10%。 牵引变压器的容量较大,一般为数万 kV·A 或数十 MV·A,例如容量为 20000 kV·A, 即为 20 MV·A。目前常用的额定容量等级有以下 9 种(MV·A);即 10,(12.5),16,20, 25,31.5,40,50,63 等。神(木)——朔(州)运煤干线 上述容量等级是按 R10 标准系列设计,即按 10 的倍数增加。例如:25 kV·A×(10 )= 25 kV·A×1.258 9=31.472 5 kV·A≈31.5 kV·A。 由于牵引变压器的容量大、数量多,因此变压器的容量利用率就成为牵引变 电所运行 的重要经济指标。所谓容量利用率是指变压器的额定输出容量与额定容量之比,即 R=额定输出容易/额定容量 变压器的容量利用率低,不仅造成基本建设投资的浪费,还会额外增加运营成本。因为牵 引用电除收取用电电度费用外,还按变压器容量收取基本电费。每千伏·安的基本电费为 20 元(人民币)。 为了提高牵引供电的可靠性,牵引变电所一般都安装两台变压器,即所谓冗余配置。 每台变压器就能承担全部负荷。正常运行时,一台工作,另一台作为检修或故障时的备用。 本章对目前应用较多的几种牵引变压器结线形式,即单相变压器结线、三相变压器结 线、斯科特结线和阻抗匹配及非阻抗匹配平衡变压器的工作原理作简单介绍。 第一节 单相牵引变压器结线 采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。电力机车是单相交流负荷,显然, 牵引变电所采用单相变压器最为直观简单,如图 2-1 所示。 图 2-1 单相变压器结线 单相变压器的高压绕组 AX 接三相电源的某两相,例如图中 A、C 相,电压为 110 kV 或 220 kV。低压绕组似的首端 a 接到牵引母线上,末端 x 与钢轨连接。低压绕组输出电压为 27.5 kV。 应该说明,单相牵引变压器和一般单相变压器的绝缘结构不同。一般单相变压器,或 是单独使用,或是组成三相组式变压器,都是一端接高压,另一端接地或接中性点,故可 采用分级绝缘,接地端的绝缘水平较低。而单相牵引变压器的高压绕组两端都接高压,故 对地的绝缘要求相同,即所谓全绝缘。 单相结线变压器的结线 种,即纯单相结线,单相 V,V 结线和三相 V,V 结线,现分述如下。 一、纯单相结线 纯单相牵引变电所中的两台单相变压器并联结线完全一样,原理接线 所示为其 中一台变压器的接线 纯单相结线 两台变压器的高压绕组跨接相同的两相,例如图中的 A、C 相。低压绕组的一端接母线, 同时供给变电所两个臂的负荷。相邻两段接触网绝缘分开,既利于缩小事故停电范围,又 提高了供电的灵活性。低压绕组的另一端与接地网和钢轨以及回流线可靠连接,以便使钢 轨、回流线中的负荷电流以及地中电流流回变压器。 纯单相结线的主要优点是变压器的容量可以充分利用,容量利用率为 100%,且变电所 的主接线简单、设备少、占地面积小、投资少。缺点是在三相系统形成较大的负序电流, 不对称系数为 1(详见第八章)。为了减少负序电流对系统的影响,各变电所变压器高压绕组 所接相序依次轮换,即所谓换相连接,其工作原理详见第八章。纯单相结线的另一个缺点 是不能实现双边供电,并且变电所无三相电源,变电所的所用电需由附近地方电网引入, 或由所内劈相机、单相-三相变压器等方式供给。 综上所述,纯单相结线主要适合于电力系统容量较大,地方电网较发达的地区。我国 的哈(尔滨)——大(连)线全部采用纯单相结线,牵引变电所接于容量较大的 220 kV 电网。 二、单相V,V结线 单相 V,V 结线 所示。 单相 V,V 结线与纯单相结线的区别是两台变压器分别接不同的两个线电压,例如图中 的 AC 相和 BC 相,两高压绕组有公用端子 C,故构成 V 接。两个低压绕组也有一个公共端 子,接钢轨和地网,低压绕组的另外两个端子 a 和 b 分别接变电所的两个供电臂,左边供 电臂的电压为 Uac,右边供电臂为 U ,均为 27.5 kV,构成所谓 60°接线 所示。 bc 显然当两臂功率因数相同时,两臂电流也相差 60°。 由于两臂的相位不同,故两供电臂在接触网上必须采用相分段绝缘。分相绝缘结构两 端电压 Uab 也为 27.5 kV。 图 2-3 单相 V,V 结线 单相 V,V 结线相量图 与纯单相结线的另一个区别是,V,V 结线牵引变电所在正常工作时,两台变压器均投 入运行,其备用方式是几个变电所共用一台移动变压器,当其中一台变压器故障或检修时, 由专用车将移动变压器运往变电所,在移动变压器接入前,非故障变压器可允许一定时间 的过负荷运行。 V,V 结线变电所的优点是容量利用率为 100%,而且可以供给所内及地区三相负荷, 对牵引网还可实行双边供电。和纯单相接线比较,对系统的负序影响减小,即不对称系数 为 1/2(详见第八章)。变电所的设备也相对较少,投资较省。这种接线在我国阳(平关)-安(康) 等线路 应用。 V,V 结线的缺点是:当一台牵引变压器故障时,另一台进行跨相供电,即兼供左右两 臂的牵引网负荷。这就需要一个倒闸过程,即把故障变压器原来承担的任务转移到正常运 行的变压器,如图 2-5 所示。在此倒闸过程完成前,故障变压器原来供电的牵引负荷将中 断供电。而且变电所的三相电源将中断,变电所的三相自用电如同纯单相结线变压器一样, 依靠其他方式供电,对电力系统的负序影响也随之增大。 图 2-5 一台变压器故障时单相 V,V 结变压器结线 三、三相V,V结线 三相 V,V 结线是将两台 V,V 结线的单相变压器安装在同一油箱内,所以可视为单相 变压器结线 所示。一台单相变压器的高压绕组为 A1-X1,低绕组为 a1-x1,另一 台为 A2-X2 与 a2-x2。高压绕组引出 3 个端子 A、B、C 接三相电源,所以通常又称为三相 V, V 结线 三相 V,V 结线 三相 V,V 结牵引变压器采用共轭式铁心结构,即在传统的等截面三柱铁心上,将中柱 铁心作为两台单相变压器的共轭回路,两个边柱上为两立的单相变压器绕组,如图 2-7(a)所示。为了使中柱磁通与两边柱磁通相等,两边柱绕组的绕向相反,使中柱磁通为 两边柱磁通之差。由于两边柱电压 U 、U 相差 60°,所以,两电压之差 U =U =U ,所 AC BC AB AC BC 以三柱铁心中的磁通也相等,如图 2-7(b)所示。 图 2-7 共轭式 V,V 连接原理图 (a)接线图; (b)相量图。 同单相 V,V 结线一样,第一个高压绕组的尾端 X1 与第二个绕组的首端 A2 相连构成固 定的 V 结,V 的顶点为 C 相。如图 2-8 所示。但副边绕组的 4 个端子 a1,x1,a2,x2 全部 引出在油箱外部,根据牵引供电的要求,既可接成正“V”(V,V-12),(即 a2 与 x1 连接成 为 C 相,即正“V”的顶点,a1,x2 分别为 a 相 b 相)。也可接成反“V”(V,V-6)。(即 a1 与 x2 连接为 C 相,即反“V”的顶点,x1,a2 分别为 a 相和 b 相)。 图 2-8 三相 V,V 结线变压器端子及结线示意图 (a)V,V-12;(b)V,V-6。 在牵引变电所安装时,变压器的原边端子 A、B、C 可根据换相要求接于电网有关相序, 副边 C 端子与轨道和地网连接,a 端子和 B 端子分别接到牵引网两条母线上,两母线电压分 别为 U 和 U ,并相差 60°,与图 2-4 所示的单相 V,V 结线类似。但 C 相电流为其他两相 ac bc 的 30.5 倍。 三相 V,V 结线是在单线 V,V 结线的基础上发展起来的新型结线方式,每个变电所安 装两台同型变压器,一台运行,一台备用。这样,既保持了单相 V,V 结线的主要优点,而 且克服了单相 V,V 结线的缺点,最主要的是解决了单相 V,V 结线牵引变电所无固定备用 及其备用变压器自动投入问题。而且油箱内的两台单相变压器磁路互相独立。两台的容量 可以相等,也可以不相等。两台单相变压器的有载调压或无载调压可分别进行,大大提高 了供电的灵活性。 第二节 三相牵引变压器及其结线 凡是采用三相变压器的牵引变电所就称为三相牵引变电所。 三相变压器广泛应用于电力系统,它的设计、制造工艺和运用技术都比较成熟,因此 采用三相变压器就成为我国牵引变电所的首选方式,也是目前应用最广泛的方式。 一、三相牵引变压器的结线原理 三相牵引变压器均为双绕组油浸变压器。三相双绕组变压器的结线有多种形式,为统 一起见,国家有关标准规定:Y,d11;Y,yn12;YN,d11 三种形式作为标准结线。牵引变 电所采用其中的 YN,d11 结线 线)牵引变压器的容量较大,一般只能由 110 kV 或者 220 kV 电网供电,而该电压等级 的电网为中性点直接接地系统。三相牵引变压器高压绕组接成 YN 型,便于与系统运行方式 配合。同时中性点接地还具有能降低绕组的绝缘造价等优点。 (2)从电机学原理知道,当三相变压器的副边绕组为三角形结线时,可以提供三次谐波 电流的通路,从而保证变压器的主磁通和电势为正弦波。 三相牵引变电所均设两台三相变压器,两台变压器的接线完全相同。可以两台并联运 行,也可以一台运行,一台备用。图 2-9 所示为其中一台变压器的原理结线 三相牵引变压器结线 图中高压绕组接成 YN 型。绕组端子 A、B、C 接线路 A、B、C 相,也可根据换相要求接 其他相序。中性点通过隔离开关 QS 接地,其原因有以下两点: (1)由于每一个中性接地点,都构成零序电流回路的一个分支,对电力系统故障时的零 序电流形成分流,使零序保护的动作受到影响。因此中性点何时需要接地,应根据地方电 力调度的命令确定。通常中性点隔离开关 QS 是断开的。 (2)为减小操作过电压对变压器绕组绝缘的威胁,在变压器送电和停电的瞬间必须合上 中性点接地隔离开关。 副边绕组接成三角形,C 端子接钢轨和地网,a 端子和 b 端子分别接到牵引侧两相母线 上,由于两侧牵引网的电压相位不同,因此在接触网上采用分相绝缘器。通常把两供电臂 电压的正方向定为:由接触网指向大地。不难看出两臂电压分别为 U 和 U 。 ac bc 由于高压绕组进行换相连接,因而低压绕组的相位也相应变化。但为了运行方便起见, 所有三相变电所原副边的相位均按一定的相位顺序标注,如图 2-10 所示。 图 2-10 三相变压器端子标志及引出线图 为便于分析三相变压器原副边的相位关系,通常还采用图 2-11(a)所示的展式图,图中 约定: (1)原副边对应绕组相互平行; (2)原副边对应绕组的同名端在同一侧; (3)副边绕组的“C”端子接地。 如果忽略其激磁电流及其绕组的漏阻抗压降,则同一相绕组原、副边电压同相,电流 也同相。即副边绕组 ac 相与高压绕组 A 相同相,cb 相与 C 相同相,并在图中用(A)、(C) 标记。由于变压器原绕组 A、B、C 与电力系统的相序一致,即为正序,其电压相量图如图 2-11(b)所示,即 A 相滞后 C 相。对应的副边 ac 相也滞后 cb 相,即绕组 cb 为引前相,ac 为滞后相。 图 2-11 三相 YN,d11 结线牵引变压器展式原理图 需要说明的是:由于牵引变电所采取换相连接(详见第八章),变压器高压侧绕组所标 的相序有时与接到电力系统的相序不一致,故其实际相序要由电力系统的相序确定,故引 前相和滞后相也应由电力系统的相序确定。 由图 2-11(c)可以看出,供应牵引网两臂负荷的电压 和 相差 60°,即也是 60° 接线。 二、三相牵引变压器绕组的电流分布 由于牵引负荷是两个单相负荷,故在变压器三相绕组中的电流分配是不均匀的,现说 明如下。 如图 2-12(a)所示,习惯上把两臂电压的方向都设定为接触网高于大地,即图中 和 。在此两电压作用下,产生负荷电流 和 ,且 超前 60°,如图 2-12(b)所示。 图 2-12 三相牵引变压器绕组电流分布 (a)电流分布图; (b)电流相位图。 左臂电流 在三角形绕组内有两条并联支路,一条是支路 c-a,只有一相绕组;另一条 是支路 c-b-a,为两相绕组串联,故阻抗值是前者的 2 倍,因此,绕组 ac 流过 2/3 ,绕组 ab 和 bc 流过 1/3 ,同理, 在三相绕组中的分配为:绕组 bc 流过 2/3 ,绕组们和 ab 流 过 1/3 当两供电臂同时都有电流时,可得三相绕组 bc、ca、ac 中的电流关系为 如果令,I =I ,就可利用作图法画出各绕组的电流 、 和 ,如图 2-12(b)所示。 a b 不难看出各相绕组电流极不对称。 为求出两臂电流相等条件下各绕组中电流的数值和相位,可以 为基准量(也可以 为 基准量)即 =I, =I∠60°代入上式并联立求解可得: 上式说明,在两臂负荷电流相等的条件下,有下列两个关系: (1)两接地相绕组 bc、ca(又称臂绕组)的电流大小相等,而非接地绕组 ab(又称自由相 绕组)的电流较小,只是臂绕组电流的 1/2.65 或 0.378 倍。故习惯将 ab 绕组称为轻负荷绕 组,而 bc 和 ca 称为重负荷绕组。 (2)馈线负荷电流为臂绕组电流的 3/2.65 或 1.13 倍,不同于一般三相对称系统中的线 倍。 三、三相牵引变压器的容量利用率 三相牵引变压器三角侧输出两个单相负荷,设额定输出电压为 UN ,两供电臂额定电流 I =I =I ,则额定输出容量为 a b N S =2U I (2-3) out N N 由式(2-2)中得知,当臂绕组电流达到额定值时,馈线 是额定电流 IN 的 1.13/3 =0.655 倍,故额定输出 S =2U × 0.655I =1.31 U I (2-4) out N N N N 牵引变压器的实际安装容量为 0.5 S =3 U I (2-5) N N N 故容量利用率为 0.5 K=S /S =1.31U I /3 U I =0.756 (2-6) out N N N N N 可见,三相 YN,d11 结线牵引变压器的额定容量只能达到其额定容量的 75.6%。 在实用中,当绕组 bc、ac 达到额定值时,绕组 ab 只达到 0.378 倍的额定电流。原边 对应绕组(B 相)电流也同样为 0.378 倍额定电流,所以三相变压器还未达到额定温升,故还 可适当提高两供电臂的负荷电流,为此,引入一个温度系数 Kt =0.9,使供电臂的电流增加 1/Kt =1.111 倍,当只有一臂有负载时,供电臂的容许电流还可增大。如表 2-1 所示,相应 变压器的容量利用率也可达到 1.111×0.756=0.84。 表 2-1 牵引变电所馈线电流容许值 馈线电流容许值(A) 三相牵引变压器容量(kV·A) 牵引侧额定电流(A) 一臂有负载 两臂有相等负 10000 210 223 152 (12 500) 263 279 191 15 000 315 334 228 20000 419 446 305 25 000 525 557 381 31 500 661 701 480 40000 840 891 610 50000 1 050 1 114 763 四、三相牵引变电所的优缺点 采用三相 YN,d11 结线的三相变电所主要有以下优点: (1)变压器原边采用 YN 结线,中性点引出接地方式与高压电网相适应。 (2)变压器结构相对简单,又因中性点接地,绕组可采取分级绝缘,因此变压器造价较 低。 (3)运用技术成熟,供电安全可靠性好。 (4)变电所有三相电源,不但所内自用电可靠,而且必要时还可向地方负荷供电。 三相变电所的主要缺点是: (1)变压器的容量不能充分利用,输出容量只能达到其额定容量的 75.6%,引入温度系 数后,也只能达到 84%。 (2)和单相结线牵引变电所相比,主接线比较复杂,设备多,占地面积大,工程投资大, 而且维护检修的工作量和费用也相应增加。 五、三相不等容量牵引变压器 综上所述可知,YN,d11 结线的三相牵引变压器,当两个重负荷相绕组的负荷达到 100 %额定容量时,轻负荷相绕组只要 37.8%的结构容量即可满足运行要求。三相不等容量牵 引变压器就是根据上述特点制造而成。它是将轻负荷绕组的富裕容量抽出,平均分配到两 个重负荷相上,且改变后的总容量仍维持原来变压器的容量等级。 在实际设计时,为简单起见,使轻负荷绕组的结构容量为重负荷绕组(A、C 相)的 40%, 而三相容量分配为 A:B:C=1:0.4:1;或 A:B:C=2.5:1:2.5。 由此可得,不等容量变压器的结构容量与原改型前的等容量的变压器之比为 (2×100%+40%)/3×100%=80% (2-7) 上述比值正好为 R10 系列的一个容量等级差,即如果设计计算得出的三相变压器容量为 20 000 kV·A,那么则可选用不等容量的 16 000 kV·A 变压器,依次类推。 比照前述推导方法,可求得三相不等容量的变压器,其容量利用率为 94.5%。 三相不等容量的变压器从 1994 年在成(都)-渝(重庆)线的资阳变电所运行实际证明, 其经济效益十分显著。 第三节 斯科特结线变压器 斯科特结线变压器是一种三相一两相平衡变压器。由于它对电力系统所形成的负序较 小,且变压器的容量利用率较高,故先后在(北)京-秦(皇岛),郑(州)-武(昌)等重要繁忙 干线上采用。 一、斯科特变压器的结线图 斯科特结线变压器的原理结线 所示。该变压器的结线可看作两个单相变压 器组成。一台变压器的原绕组为 W1 接三相电源 BC 相上,称为 M 座变压器,另一台变压器的 原绕组 30.5/2W 的一端引出,接到电源的 A 相,另一端接到 M 座变压器的中点 O,称为 T 座 1 变压器;两台变压器的副绕组匝数相等,即图中的两个 W2,并输出两个数值相等,相位互 相垂直的两个电压 U 和 U ,分别向变电所的左右两个臂供电。当两臂负荷电流相等时,原 2M 2T 边三相电流对称。 图 2-13 斯科特变压器结线图 和其他结线形式的变压器一样,每个变电所均设两台变压器,一台运行,一台备用。 应该说明,斯科特结线变压器的两个输出电压可以根据需要取值,例如日本东海道干 线 kV,其目的是适应 AT 供电方式,即两个输出电压 分别接两个自耦变压器的两端点,自耦变压器的中点抽头接地网和钢轨,这样就可获得 2 ×27.5 kV 电压,并分别接于接触网和正馈线(详见第八章)。 二、斯科特结线变压器的电压关系 斯科特结线变压器原副边电压关系可用图 2-14 说明。设电力系统 A、B、C 三相电压对 称,即线电压 为等边三角形 ABC。三角形的 BC 边电压 为 M 座变压器原绕 组电压 ,其高 AO 为 T 座变压器原绕组的电压 ,其值为线电压 U 的 倍,可见两变压 BC 器原边电压相互垂直,且 超前 90°,如图 2-14(b)所示,故其副边电压 超前 90 °,如图 2-14(c)所示。 图 2-14 斯科特结线变压器的电压关系 由于 M 座变压器和 T 座变压器的原绕组分别对应于三角形的底和高,所以通常又称 M 座变压器为底变压器,称 T 座变压器为高变压器。 U 和 U 的数值的关系由以下的简单推导求出。由图可知,M 座变压器的变比 K =W/W , 2T 2M M 1 2 T 座变压器的变比 ,故可得 (2-8) 结论:斯科特结线变压器可以把三相对称电压变换成两相对称电压,所谓两相对称是 指数值相等,相位相差 90°。 三、斯科特结线变压器的电流关系 斯科特结线变压器的主要特点是当副边两负荷臂电流相等时,原边三相电流对称,现 简单证明如下。 由上述分析得知,电压 超前 90°。当两臂功率因数相等时,显然两臂电流 超前 。现以 为基准量,且假定 I =T ,即有 M T 根据 KCL 节点电流方程及变压器磁势平衡原理,可列出以下方程式: (2-9) 解上述方程组,求得原边三相电流为 (2-10) 由于复数 和 模均为 2,可见三相电流 的数值相等。 将式(2-10)的结果(化成指数形式),利用作图法,即以 为基准量,将 视为 1 个 单位,便可十分容易的绘出原边三相电流 的相量图,图中 与 的夹角为 , 与 的夹角也为 60°,如图 2-15 所示。可见 不但数值相等, 而且按正相序,依次相差 120°。 图 2-15 斯科特结线变压器原副边电流关系(I =I ) T M 四、斯科特结线变压器的容量利用率 斯科特结线变压器的容量可视为 M 座和 T 座两个单相变压器的容量之和,而 M 座变压 器的原绕组又可看成对称的两部分,故原边的总容量 SM 为 S =(1/2U I +1/2U I )+U I (2-11) N BC B BC C AO A 当副边电流 I =I =I 时,由式(2-10)可知 M T 令 U =U =U, M T 代入式(2-11)得 (2-12) 变压器的输出容量也为二单相变压器输出容量之和,即 S =UI +UI =2UI (2-13) out M T 比较式(2-12)和式(2-13)可见,斯科特结线变压器的输出容量与变压器的额定容量接近相 等。容量利用率接近于 1。 五、斯科特结线变压器的优缺点 斯科特结线变压器的优点概括为: (1)当 M 座和 T 座两供电臂电流相等,且功率因数相同时,原边三相电流对称; (2)变压器容量能全部利用; (3)可利用逆斯科特结线变压器产生三相对称电压供牵引变电所的自用电。 斯科特结线变压器的主要缺点有: (1)斯科特结线变压器制造难度大,绕组需按全绝缘设计,变压器造价较高。 (2)变电所主接线复杂,设备较多,工程投资较大,日常的维护、检修工作量及费用都 相应增加。 (3)斯科特结线变压器的中性点难以引出,且无三角形绕组回路,电压波形较差。 (4)斯科特结线变压器原边接点 O 的电位随负载变化而产生漂移。严重时有零序电流流 经电力网。零序电流不仅可能造成零序电流保护误动作,还会对邻近的平行通信线产生干 扰。O 点漂移还会引起各相绕组的电压不平衡,加重绕组的绝缘负担,为此,该结线的变压 器也应采取全绝缘。 (5)斯科特结线 kV,即分相绝缘器两端的电压较高,故 应适当加强其绝缘。 斯科特结线变压器适用于中性点不要求接地,运输较繁忙,两供电臂负荷电流接近相 等的牵引变电所。 第四节 阻抗匹配与非阻抗匹配平衡变压器 综合比较分析三相 YN,d11 结线变压器和斯科特结线平衡变压器的优缺点,我国于 20 世纪 90 年代前后,研究和生产出一种新型平衡变压器——即阻抗匹配和非阻抗匹配平衡变 压器,前者可称为具有平衡绕组的 YN, 结线变压器,后者可称为具有补偿绕组的 YN, 结线变压器。这种新型变压器是在传统 YN,d 结线的基础上,通过阻抗匹配或增设补偿绕 组的办法实现变压器副边两相对称,原边三相对称。既克服了一般三相牵引变压器会在电 力系统产生很大负序电流,容量利用率低的缺点,又解决了斯科特结线变压器无中性接地 点,不能与系统中性接地运行方式相配合的问题。 由于此种牵引变压器具有上述优点,故经现场试运行多年后,已在我国的重要铁路干 线广泛应用。 一、阻抗匹配平衡变压器的工作原理 YN, 结线阻抗匹配平衡变压器是在三相 YN,d11 结线牵引变压器的基础上,通过阻 抗匹配,实现三相一两相变换,使副边两相电压相差 90°,且和斯科特结线变压器具有相 同的平衡作用,即当两馈线电流相等时牵引变压器原边三相电流对称。 分析三相牵引变压器不难发现,其所以造成原边三相电流不对称和容量利用率低的原 因是:副边存在轻负荷相。为此,可以采取增加轻负荷相绕组匝数的办法,并适当改变轻 负荷相的阻抗值,使三相磁势平衡,实现原边三相电流对称。YN, 结线阻抗匹配平衡变 压器正是利用此原理构成,其原理结线 阻抗匹配平衡变压器原理图 (a)结线图; (b)相量图。 图中变压器的三相高压绕组 W1 与普通三相 YN,d11 结线牵引变压器高压绕组的接线完 全相同,铁心也是三相心式结构。低压绕组三角形内三相绕组匝数也完全一样,均为 W2 , 且 C 端子与钢轨和接地网连接。不同的是: (1)非接地相 ab 的阻抗增加λ倍,即 Z =λZ =λZ ,λ称为阻抗匹配系数,其值为 ab bc ca 30.5+1; (2)非接地相的两端增加了两个对称的外移绕组 aα和 bβ,其绕组匝数 W3 为内三角形 0.5 0.5 每相绕组匝数的 3 -1/2 倍,即 W =3 -1/2W =0.366W 。 3 2 2 α和β两端分别接到牵引侧两条母线上,并由两条母线向两侧对应的供电臂供电。牵 引变电所设两台变压器,互为备用。 二、阻抗匹配平衡变压器的电压及电流关系 由图 2-16 不难看出,YN, 结线阻抗匹配变压器可将电源的三相对称电压变换成两相 对称电压,现简述如下: 1.电压关系 变电所两供电臂电压 和 相位差为 90°,而且,原副边电压之比为 K =U /U = U 1N 2N 110/27.5=4。 原边绕组的相电压为 110/30.5,故原边匝数 W 与副边三角形内三相绕组的匝数 W 之比 K 1 2 为 2.电流关系 和斯科特结线变压器类似,YN, 结线平衡变压器也具有当副边两臂电流相等时,原 边三相电流对称。即 。当 I =I =I 时,原边电流 对称。可以证明 α β 0.5 K =I/I =I/I =I/I =3 /2×4=3.464 i A B C 三、阻抗匹配平衡变压器的容量利用率 为计算其容量利用率,可依次计算原边容量、副边容量及输出容量。 1.原边容量设两臂负荷电流 I =I =I 则可证明 S =3U I =2U I α β 2N 1 1φ 1φ 2N 2N 2.副边容量副边的容量为三角形两接地相和非接地相以及两对称外移绕组容量之和,

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