CN202986865U - 单相三相组合式同相供变电系统 - Google Patents

Abstract

一种单相三相组合式同相供变电系统，其中一台单相牵引变压器，一台三相YNd11接线的补偿变压器及其单相的同相补偿装置；同相补偿装置由交直交变流器构成；牵引变压器和补偿变压器等效于一台次边电压相位垂直的三相-两相平衡变压器；正常时，牵引变压器和补偿变压器及其同相补偿装置一道按规定比例为牵引负荷供电；补偿变压器或同相补偿装置退出运行时，牵引变压器可短时独立工作；备用牵引变压器可替代牵引变压器工作亦可在不同于牵引变压器的线电压上运行。该系统可取消牵引变电所出口处的电分相并满足以三相电压不平衡度为主的电能质量要求，达到牵引供电资源的最佳配置。

Description

单相三相组合式同相供变电系统

技术领域

本实用新型涉及电气化铁路供电领域，尤其涉及一种单相三相组合式同相供变电系统。

背景技术

我国电气化铁道普遍采用单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案。分相分区处的相邻供电区间便形成分相绝缘器，称为电分相或分相。为防止电力机车带电通过电分相因燃弧而烧坏接触网悬挂部件，甚至导致相间短路等事故，随着列车速度的不断升高，在司机无法手动进行退级、关辅助机组、断主断路器、靠列车惯性驶过中性段、再合主断路器、合辅助机组、进级恢复牵引功率来完成过分相的情况下，采用了自动过分相技术，主要有地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上自动过分相等几种，但仍存在开关切换中列车通过电分相的暂态电气过程，易产生较大的操作过电压或过电流，造成牵引网与车载设备烧损等事故，影响供电可靠性和列车安全运行。因此，电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。

高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控性器件的大功率交-直-交型电力机车或动车组，其核心是多组四象限PWM控制和多重化控制的牵引变流器，在实际运行中谐波含量小，功率因数接近1，但交-直-交型电力机车或动车组牵引功率大，如大编组运行的单车高速动车组其额定功率达25MW(相当普速铁路5列车)，这些大量开行的大功率单相负荷对三相电网造成的日益严重的以三相电压不平衡度(负序)为主的电能质量问题不能不受到重视。

理论和实践表明采用同相供电技术可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈的同时，还能有效治理负序电流、达到以三相电压不平衡度(负序)限值为主的电能质量要求，有利于促进电力与铁路的和谐发展。

现阶段实现同相供电的一个关键是牵引网的电压相位，它由一定接线方式的牵引变压器的牵引端口决定。考虑到牵引变电所中各种牵引变压器最简捷、最经济的接线方式是单相牵引变压器，那么，可将用于同相供电系统的牵引变电所的接线方式分为两类，即能与单相牵引变压器构成同相供电的牵引变压器的一类，属于线电压型，另一类，属非线电压型，主要是相电压型。

相电压型的主要代表是YNd11接线的牵引变电所，它在国内既有普速铁路上应用最为普遍，可以自成系统，即把既有铁路的两相供电改造为同相供电。然而，在三相电压不平衡度(负序)不达标的场合需要安装同相(对称)补偿装置，该装置需要在牵引侧的3个端口进行补偿，结构较复杂，同时，与最小值相比需要增加1/3的同相补偿容量，另外，在三相电压不平衡度(负序)满足要求的场合无需同相(对称)补偿时，用其中的一相来进行同相供电将造成YNd11接线牵引变压器容量的较大浪费(达2/3)，很不经济。因此，很难在新建铁路全线推广YNd11接线牵引变压器实施同相供电。

除了单相牵引变压器，线电压型的同相供电可以来自三相-两相平衡接线变压器，其中多数三相-两相平衡接线的一个端口为线电压，另一个端口为相电压，如Scott，Leblanc、(变型)Wood-Bridge及YNvd等，其中的线电压可以与单相牵引变压器的牵引变电所配合实现全线同相供电，是为优点，但缺点是三相-两相平衡接线牵引变压器需要特殊制造，比标准接线变压器费用增加，并将造成备用牵引变压器的部分容量闲置，影响经济性，也很难在新建铁路上全线推广。

显然，以牵引变电所的牵引变压器接线方式中最简捷、最经济的单相牵引变压器为基础，在必要时配以适量的同相(对称)补偿装置，达到取消牵引变电所出口处电分相以消除供电瓶颈，治理负序以满足三相电压不平衡度(负序)限值的电能质量要求，实现牵引变电所接线方式和供电装置容量的最佳匹配才是新建铁路实现同相供电的最佳选择。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种单相三相组合式同相供变电系统，它能取消牵引变电所出口处的电分相，有效地实现电气化铁路同相供电的技术经济最优化，同时，能够解决电气化铁路单相负荷造成的以三相系统负序为主的电能质量问题。

本实用新型的目的是由以下技术方案来实现的：该系统包括一台牵引变压器，一台补偿变压器及其同相补偿装置，一台备用牵引变压器；牵引变压器、补偿变压器和备用牵引变压器的原边接高压母线；牵引变压器、备用牵引变压器的次边和同相补偿装置的输出端分别接牵引母线；正常时，牵引变压器和补偿变压器及其同相补偿装置工作，备用牵引变压器不工作；牵引变压器退出时，备用牵引变压器投入工作；补偿变压器或同相补偿装置退出运行时，牵引变压器可以单独工作，备用牵引变压器亦可替代牵引变压器工作，并且可以在不同于牵引变压器的线电压上运行。

本实用新型的工作原理是：牵引变压器和备用牵引变压器采用单相接线，把电力系统的线电压变送到牵引母线；补偿变压器采用YNd11三相标准接线，三相绕组容量按需求设置为一重二轻，次边电压等级与同相补偿装置配合，二者之间不设置耦合变压器，同相补偿装置由单相交直交变流器构成，其一侧端口接在补偿变压器次边与牵引母线的线电压垂直的相电压的绕组上，另一侧端口接在牵引母线上；牵引变压器和补偿变压器等效于一台次边电压相位垂直的三相-两相平衡变压器；牵引变压器和补偿变压器及其同相补偿装置一道给牵引网供电。同相补偿装置的容量由引起超过国家标准规定的三相电压不平衡度限值的牵引负荷的功率确定；牵引变压器和备用牵引变压器的容量由牵引负荷功率在扣减同相补偿装置的容量后根据其自身过负荷能力确定，补偿变压器的容量由其自身容量利用率、过负荷能力以及同相补偿装置的容量确定。

正常工作过程中，当牵引负荷功率小于等于同相补偿装置容量的2倍时，牵引变压器和补偿变压器及其同相补偿装置分别供给牵引负荷功率的1/2，此时负序电流得以完全补偿，由此引起的三相电压不平衡度为零；当牵引负荷功率大于同相补偿装置容量的2倍时，补偿变压器按同相补偿装置的容量供给，其余部分由牵引变压器供给，此时有剩余负序电流流通，但它产生的三相电压不平衡度满足国标要求。

必要时同相补偿装置还可提供牵引负荷所需的无功功率和谐波补偿电流。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

一、本实用新型可以最大程度减少价格昂贵的同相补偿装置中交直交变流器的容量及其所占比重，有效减少同相供变电装置的一次性投资。

二、本实用新型提出牵引变压器和同相补偿装置的新式组合，提高了牵引变电所运行的灵活性。补偿变压器或同相补偿装置退出运行时，牵引变压器可以短时单独工作，备用牵引变压器亦可替代牵引变压器工作，并且可以在不同于牵引变压器的线电压上运行，以降低与其他牵引变电所的合成负序及由此产生的三相电压不平衡度，并可以取消牵引变电所出口处的电分相环节。

三、本实用新型可提高牵引变电所的供电资源与设备利用率。单相牵引变压器的容量利用率为1，按照一重二轻设计制造的三相绕组YNd11接线补偿变压器的利用率为75％；通常单相牵引变压器的容量大于YNd11接线补偿变压器的容量，当单相牵引变压器容量大于YNd11接线补偿变压器容量一倍时，二者综合容量利用率将大于92％，高于既有三相-两相牵引变压器，也高于同相供电时的Vv接线和Vx接线牵引变压器的容量利用率。

四、本实用新型中的补偿变压器采用YNd11标准接线，便于制造，同时原边可以实施大电流接地，次边三相绕组还可提供三相对称动力用电。

五、本实用新型亦可用于AT供电牵引网及其牵引变电所。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

附图说明

图1是实施例的结构示意图。

图2是本实用新型同相补偿装置CPD中的交直交变流器连接图。

具体实施方式

实施例

本实用新型的一种具体实施方式为：一台单相牵引变压器TT，一台YNd11标准接线补偿变压器CPT及其单相同相补偿装置CPD，一台单相备用牵引变压器BTT；牵引变压器TT、补偿变压器CPT、备用牵引变压器BTT原边接在高压母线B相和C相上，牵引变压器TT、备用牵引变压器BTT次边bc和同相补偿装置CPD的一端(可连接耦合变压器T)接在牵引母线上；补偿变压器CPT次边电压等级与同相补偿装置CPD配合，二者之间不设置耦合变压器，如选取10kV，同相补偿装置CPD由单相交直交变流器构成，其一侧端口接在补偿变压器CPT次边与牵引母线的线电压垂直的相电压的绕组(a相)端口上，另一侧端口接在牵引母线上；牵引变压器TT和补偿变压器CPT及其同相补偿装置CPD一道给牵引网供电。

正常时，牵引变压器TT和补偿变压器CPT及其同相补偿装置CPD工作，备用牵引变压器BTT不工作；牵引变压器TT退出时，备用牵引变压器BTT投入工作；补偿变压器CPT或同相补偿装置CPD退出运行时，牵引变压器TT可以短时单独工作，备用牵引变压器BTT亦可替代牵引变压器TT工作，并且可以在不同于牵引变压器TT的线电压上运行。

补偿变压器CPT采用YNd11三相标准接线，三相绕组容量按需求设置为一重二轻，原边可以大电流接地，次边还提供三相动力用电。

本实用新型的工作原理是：牵引变压器TT和补偿变压器CPT等效于一台次边电压相位垂直的三相-两相平衡变压器；牵引变压器TT和补偿变压器CPT及其同相补偿装置CPD一道给牵引网供电。同相补偿装置CPD的容量由引起超过国家标准规定的三相电压不平衡度限值的牵引负荷的容量确定；牵引变压器TT和备用牵引变压器BTT的容量由牵引负荷功率在扣减同相补偿装置CPD的容量后根据其自身过负荷能力确定，补偿变压器CPT的容量由其自身容量利用率、过负荷能力以及同相补偿装置CPD的容量确定。

正常工作过程中，当牵引负荷功率小于等于同相补偿装置CPD容量的2倍时，牵引变压器TT和补偿变压器CPT及其同相补偿装置CPD分别供给牵引负荷功率的1/2，此时负序电流得以完全补偿，由此引起的三相电压不平衡度为零；当牵引负荷功率大于同相补偿装置CPD容量的2倍时，补偿变压器CPT按同相补偿装置CPD的容量供给，其余部分由牵引变压器TT供给，此时有剩余负序电流流通，但它产生的三相电压不平衡度满足国标要求。

必要时同相补偿装置CPD尚可提供牵引负荷所需的无功功率和谐波补偿电流。

同相补偿装置CPD中的交直交变流器，其中，交直交变流器为大功率开关器件(例如集成门极换向晶闸管IGCT或绝缘栅双极性晶体管IGBT)组成的单相变流器，即通过直流储能电容C连接的背靠背静止无功发生器SVG。

Claims (3)

1.一种单相三相组合式同相供变电系统，包括牵引变压器(TT)、补偿变压器(CPT)和备用牵引变压器(BTT)，其特征在于：牵引变压器(TT)、补偿变压器(CPT)和备用牵引变压器(BTT)的原边接高压母线；牵引变压器(TT)、备用牵引变压器(BTT)的次边和同相补偿装置(CPD)的输出端分别接牵引母线；牵引变压器(TT)和备用牵引变压器(BTT)采用单相接线；补偿变压器(CPT)采用YNd11三相标准接线；同相补偿装置(CPD)由单相交直交变流器构成，其一侧端口接在补偿变压器(CPT)次边与牵引母线的线电压垂直的相电压的绕组上，另一侧端口接牵引母线。 

2.根据权利要求1所述的一种单相三相组合式同相供变电系统，其特征在于：补偿变压器(CPT)的三相绕组容量按需求设置为一重二轻，其次边电压等级与同相补偿装置(CPD)配合。 

3.根据权利要求1所述的一种单相三相组合式同相供变电系统，其特征在于：同相补偿装置(CPD)的容量由超过标准规定的三相电压不平衡度限值的牵引负荷的功率确定；牵引变压器TT和备用牵引变压器(BTT)的容量由牵引负荷功率在扣减同相补偿装置(CPD)的容量后根据其自身过负荷能力确定，补偿变压器(CPT)的容量由其自身容量利用率、过负荷能力以及同相补偿装置(CPD)的容量确定。 

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