《牵引供电系统》第二章牵引变压器

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1、牵引变压器功能概述： 主要功能：将电力系统的电能变换成电动车辆所需的电能。 辅助功能：消除负序电流、提高功率因数和减少高次谐波， 以减少对电力系统的影响。,3,第2章 牵引变压器,配套设备的功能： 负序电流：相邻牵引变电所牵引变压器原边换接相序；合理安排牵引网 的分段及相序；采用三相-二相平衡变压器 无功补偿：在牵引变电所二次侧母线上安装并联电容补偿装置，补偿度 为0.12，以确保一次侧的平均功率因数不低于0.9。 高次谐波：采取必要的谐波抑制措施。,3,第2章 牵引变压器,牵引变压器特点： 具有较高的过负荷和抗短路冲击能力； 接线形式多种多样； 三相变单相或三相变两相。 有负序分量但无零序分

2、量。,3,第2章 牵引变压器,2.1 纯单相接线变压器,一、基本原理 连接形式： 高压绕组跨接于电力系统中的两相； 低压绕组一端连接牵引侧母线，上引到供电臂，另一端连接轨道及接地网。,2.1 纯单相接线变压器,续上页 单相牵引变压器的高压绕组两端都接高压，两端的对绝缘要求相同，且需要采用全绝缘。 一次侧和二次侧电流关系,2.1 纯单相接线变压器,二、供电方式 在AT供电方式中，单相牵引变压的副边绕组带中间抽头。一次侧接电力系统的两相，二次侧分别接到两组55kV的牵引母线上。二次侧绕组中间抽头通过N母线上接到轨道上，并通过放电器接地。,2.1 纯单相接线变压器,三、不对称度和容量利用率 1、不对

3、称度。对称度是指通过序电流来度量多相负荷平衡状态的指标，其具体定义为：,2.1 纯单相接线变压器,接上页 根据电力系统分析可知，三相电流可分解为正序分量、负序分量和零序分量，即 式中，,2.1 纯单相接线变压器,对于单相负荷而言，有 若单相牵引变压器原边三相对称，且副边两供电臂的功率因数相等，则 因此单相接线变压器的电流不对称度为：,2.1 纯单相接线变压器,2、容量利用率：衡量变电所运行的重要经济指标。 其具体定义为 单相接线牵引变压器的容量利用率为,2.1 纯单相接线变压器,四、换接相序 1、依次换接相序 目的：减少负序电流的影响； 原理：相邻变电所牵引变压器的高压绕组所接相序依次轮换，构

4、成所谓的换相连接。 具体做法： 高压侧分别依次接到电力系统的不同相，低压侧一端接地和钢轨，另一端接接触线，两个变电所之间的供电臂为异相，需用分相绝缘器相连。,2.1 纯单相接线变压器,接上页 前3个牵引变电所和后3个牵引变电所分别构成小循环，6个牵引变电所共同构成一个完整循环。,2.1 纯单相接线变压器,2、对称换接相序。 前3个牵引变电所和后3个牵引变电所采用对称连接方式，6个牵引变电所构成一个循环。,2.1 纯单相接线变压器,五、优缺点 1、优点： 主接线简单；设备少；占地面积小；投资少。 2、缺点： 它不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电； 牵引负荷产生较大的负序电流，对电力系统造成影响

5、； 接触线的供电也不能实现双边供电。,2.2 单相V/v接线变压器,一、基本原理 在单相V/v结线变压器接线图中，两台单相变压器高压侧一端分别接电源的不同相，另一端同时接到另外一相上，故变压器的高压侧如同一个V字。 两台变压器的低压侧一端分别接各自相连的供电臂，另一端同时接到钢轨引回的回流线上，这样低压侧也像一个V字。,2.2 单相V/v接线变压器,续上页,2.2 单相V/v接线变压器,二、不对称度和容量利用率 单相V/v结线变压器一、二次电流关系为,2.2 单相V/v接线变压器,+,2.2 单相V/v接线变压器,1、不对称度计算 电流不对称度为 设 ，代入上式得： 显然，不对称度的范围：,2

6、.2 单相V/v接线变压器,2、额定利用率 当Iab、Ibc达到额定值Ie时，有 Iab= Ibc =Ie，则 额定输出容量：S= IabUe + IbcUe =2UeIe 额定容量： S=2Ue Ie 因此，额定利用率K=100%,2.2 单相V/v接线变压器,三、换相连接 单相V/v接线，使得变电所从两相取电，不对称程度有了一定的 降低，但变电所之间仍需采用换相连接来达到三相对称的目的.,2.2 单相V/v接线变压器,2.2 单相V/v接线变压器,四、优缺点 1、优点 可实现双边供电，并能够提供所用电源； 容量利用率可达到 100%; 变电所内设备简单，投资小。,2.2 单相V/v接线变压

7、器,2、缺点： 在正常工作时，两台变压器均投入运行； 为了保证可靠性，只能采用移动备用的方式； 当一台变压器故障或检修时，变压器的调运和投入时间较长，且需要必须跨相供电。,2.3 单相V/x接线变压器,一、基本原理 单相V/x牵引变压器用于AT方式供电。 在变电所中，有4台二次侧有中点抽头的单相变压器(2主2副)。 2主或2副的接线方法如下图。,2.3 单相V/x接线变压器,二、不对称度和容量利用率 单相V/x结线变压器一、二次电流关系为 由于单相V/x接线变压器是两个单相V/V接线变压器组合， 因此其不对称度和容量利用率，与单相V/V 接线变压器相同。,2.4 三相V/v接线变压器,一、基本

8、原理 三相V/v接线牵引变压器接线方式类同单相V/v接线，将两 台单相变压器放到同一油箱内。 将一个高压绕组的X1端和两一个高压绕组的A2端连接在一 起，构成公共端，另两端A1和X2引出到高压接线端子。低压绕 组的四个端子分别引出到四个接线端子。,2.4 三相V/v接线变压器,二、不平衡度及换相连接 三相V/v接线变压器的不平衡度同单相VV结线变压器是一样的，因而需要通过换相解决该问题，如下图所示。,2.5 三相YNd11接线变压器,三相牵引变电所中大多采用的是油浸风冷式YNd11接线变压 器。该牵引变压器的原边中性点采用大电流接地方式，属于三 相-两相制式。,2.5 三相YNd11接线变压器

9、,一、基本原理 牵引变压器一次侧接成星形，中性点通过隔离开关直接接地； 隔离开关一般情况下断开，变压器停送电时才短时闭合。 二次侧接成三角形，低压侧的一角c与轨道、接地网连接，另两个角a和b分别接到27.5kV的a相和b相母线上。,2.5 三相YNd11接线变压器,由于两臂电压的相位差为60，因而变压器引出线相接的这 两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器分开。 在图中，原边的符号用大写字母，二次绕组的符号用小写。,2.5 三相YNd11接线变压器,1、绘制展开图的约定 为了方便分析和计算，通常将牵引变压器接线画成展开图 的形式。画展开图有如下约定: (1)原、次边对应绕组相互平行； (2)原

10、、次边每相绕组的同名端 放在同一侧; (3)次边绕组的端子c接钢轨和地；,2.5 三相YNd11接线变压器,2、电压、电流相量的规格化定向 变压器电压电流的规格化定向：原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向(看作负载)。 即变压器从电力系统吸收电能；次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向变压器是次边负荷的电源；假定负荷从电源吸收正功率。,2.5 三相YNd11接线变压器,(1)原边绕组电压与实际进线电压一致； (2)原、次边对应绕组相互平行； (3)原、次边每相绕组的同名端放在同一侧; (4)电流、电压相量的下标表示其实际相别， 与绕组端子号无关； (5)次边绕组的端子c接钢轨和地；,2.5 三相

11、YNd11接线变压器,3、三相牵引变压器绕组的电流分布 为求解三相牵引变压器绕组的电流，在展开图上标明其电压 和电流的方向，并规格化定向。,在图中，大写下标为一次侧电气 量， 、 、 为二次侧绕组 电流， 和 分别为供电臂电流。,2.5 三相YNd11接线变压器,假设两供电臂负载相同且为感性，则供电臂分别滞后对应电压 角， 和 之间的夹角为 。,2.5 三相YNd11接线变压器,若电力系统三相电压对称且阻抗平衡，将电力系统的电源电 压和短路阻抗、牵引变压器的绕组漏抗归算到二次侧，可得牵引 变压器的等效电路为。,2.5 三相YNd11接线变压器,利用叠加原理求解，可以轻易得到二次侧三相绕组电流

12、、 、 与供电臂电流 、 的关系：,2.5 三相YNd11接线变压器,以 为基准量( ),因 比 滞后 ，故 。 因此，上式可转化为：,2.5 三相YNd11接线变压器,臂绕组电流 且 (其中I为供电臂电流)，故供电臂绕组ca和bc的电流比绕组ab要大的多。 工程上，习惯成供电臂绕组ca和bc为重负荷臂绕组，绕组ab为轻负荷臂绕组。,2.5 三相YNd11接线变压器,二、不对称度和容量利用率计算 1、不对称度 思路：找到一次侧三线电流与供电臂电流之间的数量关系。 若忽略空载电流后，则A、B、C 三相铁芯柱的磁动势平衡方程为：,式中，W1、W2分别为一、二次侧绕组的匝数。,2.5 三相YNd11

13、接线变压器,+,2.5 三相YNd11接线变压器,在电力系统中，没有零序分量的产生，称系统是平衡的。没有负序分量的产生，称系统是对称的。 分析上式可知，在供电臂有电流时，无论供电臂电流如何变化，总有 ，因此没有零序电流产生，即三相是平衡的。 但三相YN,d11变压器的原边不对称，将有负序电流产生。,2.5 三相YNd11接线变压器,+,2.5 三相YNd11接线变压器,电流不对称度为：,令 ，则有： 显然，不对称度,2.5 三相YNd11接线变压器,2、容量利用率 三相牵引变压器低压侧为三角形接法，设额定输出电压为 UN ，线电流 IA = IB=IC=IN ，则变压器的额定容量为： 三相牵引

14、变压器三角形侧只有两个单相负荷，故其额定容 量还可以表示为： 注：IL为供电臂电流)。,2.5 三相YNd11接线变压器,在正常情况下，三角形接法中的线电流是相电流的 倍， 供电臂电流为线电流IL ，臂绕组电流是相电流Ip ，因此有 实际供电臂电流为臂绕组电流的1.13倍，即供电臂电流只 有其额定电流的0.655倍( )，因而变压器的额定容量为 因此额定容量利用率为,2.5 三相YNd11接线变压器,三、总体评价 1、优点 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； 结构相对简单，绕组可采取分级绝缘，造价较低； 运用技术成熟、供电安全、可靠性好； 变电所有三相电源不但所内自用

15、电可靠，且必要时还可向地方负荷供电。,2.5 三相YNd11接线变压器,2、缺点 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%。 和单相结线变压器相比，主接线比较复杂，设备多，占地面积大，投资大，而且维护检修的工作量和费用也相应增加。,2.5 三相YNd11接线变压器,四、环相连接,2.5 三相YNd11接线变压器,2.6 斯科特牵引变压器,一、三相-两相平衡牵引变压器的引入 1、行业定义的差异 在电力系统中，对称和平衡是有根本区别的： 平衡 零序，即无零序分量称为平衡，否则为不平衡。 对称 负序，即无负序分量称为对称，否则为不对称。,2.6 斯科特牵引变压器,分析： 由于牵引变压器在工作时不会产生零序分量，但都产生一定的负序分量，故从三相电力系统看，牵引负荷是平衡而不对称的。 在电气化铁道行业，由于不考虑“0序”，只考虑负序，因此通常将对称变压器称为平衡变压器，这一点是与电力系统有出入的。,2.6 斯科特牵引变压器,2、斯科特牵引变压器的由来 负序的危害