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《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

      2、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

      3、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; 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

      4、.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

      5、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,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2

      6、7.5kV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、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

      7、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 、 、 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

      8、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 ,

      9、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

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