城市轨道交通用牵引整流变压器.ppt

城市轨道交通用牵引整流变压器 知识交流 城市轨道交通用牵引整流变压器 世界地下交通的历史及现状 大城市中主要在地下修建隧道，铺设轨道，以电动列车运送乘客的公 共交通体系。简称地铁。世界上第一条地铁于1863年诞生在英国首都伦敦 。19世纪末，相继有芝加哥、布达佩斯、格拉斯哥、维也纳和巴黎5 座城 市修建地铁。20世纪上半叶，柏林、纽约、东京、莫斯科等12座城市也先 后修建地铁。20世纪80年代中期，全世界地铁营运里程总计超过3000千米 。中国于1965年开始修建北京地下铁道。天津和上海也分别于70年代初和 80年代初开始修建地铁。 大多数的城市轨道交通系统在城市中心的路段都会铺在地下挖掘的隧 道里。这些系统亦可称为地下铁路，简称地下铁或地铁。在台湾则称作“捷 运”(mass rapid transit system, mrt)。在中国大陆城市，修建于地上或 高架桥上的城市轨道交通系统通常被称为“轻轨”。然而，在专业领域，“轻 轨”与“地铁”的区分方式在于运量的不同，“轻轨”指每小时单向运输量小于 城市轨道交通用牵引整流变压器 我国的轨道交通现状 20000人的城市轨道交通系统，而“地铁”指每小时单向运输量大于20000人 的城市轨道交通系统。有轨电车由于与其他交通工具共同使用道路路面， 因此通常不被算在城市轨道交通系统范围之内。 城市轨道交通的发展在世界已有100多年的历史。1863年世界上第一 条地铁在英国伦敦建成通车，标志着城市轨道交通方式的诞生。在不同国 家、不同发展阶段内，凡经济发达的国家与城市都建有地铁。地铁已成为 一个国家综合国力、城市经济实力、人们生活水平及现代化的重要标志。 中国第一条地铁是北京地铁，于1965年7月1日在北京西郊玉泉路开工， 1969年10月1日完工通车，全长23.6公里，共设17个车站，是中国地铁之 先河。随着一条条新线的落成，北京地铁运营线路也在迅速延伸，从1987 年的40公里、1999年的54公里，迅速上升为2003年的114公里。香港地铁 是由政府政府的地铁公司经营，自第一条线路于1977年建成通车以来， 城市轨道交通用牵引整流变器 截止2005年已有3条线路在正常运营，线路总长度约43.2km，共设车站38 座。香港地铁也是世界上唯一盈利的城市地铁。中国的上海，地铁1号线工 程于1995年5月建成通车，线路总长为21km，2005年运用车辆为162辆， 年客运总量3.6亿人次，约占上海市公交客运总量的8左右。 广州市地铁 起步较晚，地铁一号线于1993年12月28日才破土动工，但是“十五”以来， 其发展速度不断加快：具有世界先进水平的一号线于1999年6月28日全线 开通试运营，2003年12月28日，二号线全线开通试运营，2005年12月26 日，三号线首通段、二号线延长段同期开通。截至2005年年底，广州地铁 运营里程达到54公里。此外，深圳市的轨道网规划则提出，未来25年将建 365公里地铁、轻轨，共需投资约1200亿元。而南京也已经规划好了6条地 铁，最终整个城市的轨道交通线路总长度将达300公里。而杭州、沈阳、 成都、哈尔滨四城市的地铁项目规划也在2005年下半年获批。在“十一五” 规划里， 城市轨道交通用牵引整流变压器 牵引整流变压器市场现状 中央则已经制订了兴建1500公里地铁路网的目标，5年间，平均每年要修建 300公里城市地铁，1年几乎相当于过去的40年。地铁建设的快速发展也带动 了房产、商铺、广告等产业的发展，甚至催生了新的城市格局，其投资潜力 不可小视 。 自2005年68月，杭州、沈阳、哈尔滨、成都先后宣布地铁项目获批开 始，我国地铁建设再次回暖。2006年10月14日，建设部副部长黄卫表示，今 后5年我国规划建设城市轨道交通约500-600公里，总投资约1700亿元。我国 已经成为世界上最大的轨道交通建设市场。 众所周知，利益是最有效的驱动 力。但面对如此庞大的市场诱惑，这两年却并没有更多的企业涉足这一领域 。技术上看，牵引整流变压器的门槛不太高。设备通常有10kv、20kv、 35kv三个电压等级；从整流脉波来分有12脉波和24脉波之分，其中24脉波 整流回路对电网的谐波污染比12脉波降低50%左右容量有800kva、 2500kva、3300kva等几种。而目前我国国内的干式变压器生产企业大 都已经处于一种微利的情况，资金情况不佳，大部分企业无法抽出力量进行 更深入的研究（如对牵引整流变压器、励磁变压器、核电用变压器等高难度 的产品研究），所以只有在干式变压器行业内排名前几位的企业才会涉足牵 引整流变压器。 除了资金压力外，进入这一行业的企业数目较少的另一个 原因是准入门槛比较高。据了解，尽管一个地铁项目整体投资比较大，从几 十亿到几百亿不等，但分解到牵引整流变压器这部分可能只有几百万到几千 万的投资。项目投资方肯定不愿意因为投入如此小的设备的质量问题影响到 整个工程的质量，因此只有拥有多项运行业绩的生产企业才会被看中。这对 起步较早的企业来说无疑是最大的优势。 由于建设前期投资资金需求量大 、回收期长，我国城市轨道建设的主要资金来源还主要依赖政府投资和国家 开发银行贷款。这种融资结构导致一方面因为国家财力有限，使我国 轨道交通建设投资速度相对较慢；另一方面大多轨道交通经营企业都处于亏 损经营的状态，政府补贴任务沉重。2002年10月，国务院曾决定对地铁立项 的事情先搁置不议，其中的一个原因就是地铁建设高昂的资金来源主要是当 地政府的财政收入，国家担心一些城市为了“政绩工程”盲目上马地铁项目 。据了解，目前通过审批的几大地铁项目的设计已经定型，其他待审批项目 还需要假以时日。一场战争已经结束，又一轮的战役还未打响，牵引整流变 压器生产企业都在蓄势待发。议，其中的一个原因就是地铁建设高昂的资金 来源主要是当地政府的财政收入，国家担心一些城市为了“政绩工程”盲目 上马地铁项目。 据了解，目前通过审批的几大地铁项目的设计已经定型， 其他待审批项目还需要假以时日。一场战争已经结束，又一轮的战役还未打 响，牵引整流变压器生产企业都在蓄势待发。 牵引整流变压器的应用 城市轨道交通的直流供电系统 从最早的城市轨道交通开始开始，由于当时的技术条件限制，所以列 车均采用直流电动机提供动力城市轨道交通的供地铁（轻轨）由设置在沿 线的牵引变电站向列车馈送直流电，电压有600伏、750伏、825伏、1000 伏和1500伏等。前 4 种一般通过第三轨供电，1500伏的通过架空线供电。 一般每公里建有一个牵引变电站。地铁照明等由降压变电站提供三相和单 相交流电。随着交变电流的发展，交流电动机技术的成熟，新列车逐渐采 用交流电动机提供动力，但由于直流供电电流大适合轨道交通这样的大流 量线路，而高压交流供电容易造成干扰，交流电动机所用交流也非工频需 通过变频器将频率提升到10khz以上，所以供电系统仍然沿用了以前的直 流供电模式。 牵引整流变压器的应用 牵引整流变压器的工作原理 1整流变压器与普通变压器的相同点 1）外观相似 从外观上来看，都是一种静止的电气设备。 2）结构类似 从结构上来看，整流变压器的器身也是由绕在共同铁心上 的两个或两个以上的线圈组成的。 3）原理相同 从工作原理上来看，可以看到整流变压器和电力变压器一 样，都是根据法拉第电磁感应定律，通过交变磁场把一次绕组和二次绕组 联系在一起，从而完成改变电压、电流和传递电能的功能。 2整流变压器与普通变压器的不同点 （1）对等效相数的要求 为了提高电能的质量，整流变压器的输出波形 不像电力变压器，在一个周期内只有三个正弦波，而是根据网侧电压和装 机容量确定每台变压器在一个周期内的脉波数，大型整流变压器的脉波数 牵引整流变压器的应用 至少为6个，最多可达12个，以满足水电部1984年颁发的电力系统谐波 管理暂行规定的要求。所谓等效相数即为一个周期内的脉波数p0。p0=6 ，就是等效相数为6。 （2）表现在输出电压方面的差异 1）称呼上的差异 由于和整流器的紧密结合，整流变压器的输出电 压称为阀侧电压。其名称起于硅二级管的单相导电性。当整流臂的正极点 位比负极高时，整流变压器的输出电压大于零；当整流臂的正极点位比负 极低时，整流变压器的输出电压等于零，其作用犹如闸阀一样。根据国家 标准gb2900.15-82规定，所谓额定阀侧电压定义为同一换相组阀侧绕组中 相继换相的两相端子之间，对应于额定分接的空载电压。该值应能在额定 工作条件下保证整流器的额定直流电压。 2）计算方法上的差异 由于整流装置的负载电流的波形各异，其输 出电流的计算方法不仅与电力变压器有很大不同，而且不同的整流电路， 其计算方法也不一样。 牵引整流变压器的应用 (3)调压的目的和范围上的差异 一般而言，电力变压器的输出电压值要求 为不变值。为达此目的，电力变压器的电压调节范围取决于电网电压的波 动范围。而整流变压器，不仅要像电力变压器一样，为弥补电网电压波动 而引起的直流电压的变化，而且还由于负载本身的需要，整流变压器的阀 侧电压必须能在一个较大的范围内进行调整。 牵引整流变压器的特点 结构形式基本同于电力变压器。通常采用无励磁 调压，调压范围为5%，目的是为了顺应交流电网的电压波动。主要用于 矿山或城市轨道电力机车的直流电网。 牵引整流变压器的工作原理 为什么要采用12相、24脉的变压器组 牵引整流变的工作主要是将网侧的工频电网电压转换成高频正弦波， 通过整流器等一系列整流设备得到近似于直流的电源。 为了改善整流装置的高次谐波对电网、通讯等系统的影响，对于大功 率整流装置，人们已越来越追求更多的整流相数，如12相甚至更多的相数 。相数越多，产生的谐波量就越小。随着我国城市建设的不断发展，这种 多相多脉波的牵引整流变压器将在城市快速轨道交通供电设备中得到广泛 应用和发展。综合成本等因素考虑，可以预言，采用由分裂式变压器组成 的12脉波或24脉波的整流系统将成为我国轨道交通牵引整流变电站的主流 设备。 谐波含量对比 十二脉波整流二十四脉波整流 谐波阶次谐波比例（ ） 谐波阶次谐波比例（ ）1100.001100.00 20.0020.00 30.4530.06 40.0040.00 50.4350.06 60.0060.00 70.5470.54 80.0080.00 90.5690.56 100.00100.00 119.07111.19 120.00120.00 137.66131.01 140.00140.00 150.35150.35 160.00160.00 170.33170.33 180.00180.00 190.66190.09 200.00200.00 210.68210.09 220.00220.00 234.30234.30 240.00240.00 253.94253.94 谐波总量13.31谐波总量6.11 由计算结果可知：二 十四相整流电流谐波总量 6. 11比十二相整流谐波 总量13.31 减少了50 以上；此外，二十四相整 流的电流谐波频率高（23 ，25次谐波），可以降低 工程滤波费用。 牵引整流变压器的工作原理 牵引整流变压器移向原理 1.1 三相桥式整流 整流原理 采用三相双线圈变压器（如dy11，yy0），与三相桥式整流器一起， 实现将三相交流电源整流输出六脉波直流电源，其电路原理图如图 这种整流方式，其变压器与整流 器结构较简单，但对电网产生谐 波分量较大。 低压a相电流波形 经过整流器后得到的输出ud波形 2.2 十二相（十二脉波）整流 选择两组三相变压器整流器系统，使两组变压器二次电压之间相差 30电角度，其直流电压脉冲分量也相差30电角度，将两组桥式整流器输出 并联运行，即可实现将三相交流电源整流输出十二脉波直流的等效十二相整流 。其电路原理图如图 直流输出ud波形 一个周期内有12个脉波 3.3 二十四相（二十四脉波）整流 轴向双分裂12相24脉波地铁牵引整流变压器，其网侧为一个不分裂的绕组 ，分成上下两个支路，两支路并联联结。两组阀侧绕组沿轴向布置于同一铁心 柱上，其本身并没有串联或并联，而是将其头尾各自采用y联结和d联结分别引 出，分裂成两个支路。这种阀侧绕组分裂为两个支路，布置在同一铁心柱上的 轴向双分裂结构的变压器绕组，可以使阀侧两个支路并联运行，同时向负载供 电，即同时各向一组三相桥式整流器供电。 阀侧绕组一组采用y联结，另一组采用d联结，使它们的线电压有效值接近 。变压器阀侧绕组同名端线电压的相位差为2/12（电角度为30），这就形 成每周期含有12脉波的6相整流系统。如果有两台这样的变压器，一台移相 +7.5，另一台移相-7.5，两台变压器组成一套移相变压器组，这就形成了 12相24脉波的移相整流变压器，其阀侧同名端线电压的相位差是2/24（电角 度为15）。 移相原理 前面所述的整流电路是最基本的整流电路，这些整流电路的脉波数最大只能到6. 对于大功率整流设备，为了提高功率因数，减小网侧谐波电流，必须提高整流设 备的脉波数。为此可以采用移相角的方法来实现。移相的目的是使整流变压器二 次绕组的同名端之间有个相位移，从而可以提高整流设备的脉波数。移相方式分 为星角移相，移相绕组移相和移相自耦变压器移相等三种，星角移相适合于小容 量变压器的移相，移相自耦变压器移相适用于60kv及以上电压等级移相，所以我 公司的牵引整流变压器采用移相绕组移相的方式。而移相绕组移相为一次侧移相 移相绕组和主绕组联接方式有三种，即曲折形、六边形和外延三角形。通过绕组 结构容量的比较，延边三角形比曲折形和六边形均节省材料。我公司的牵引整流 变压器的移相绕组采用延边三角形的方式。 一台变压器网侧的内三角连接成左行（超前7.5 记为+7.5 ）的接线； 另一台变压器网侧的内三角连接成右行（滞后7.5 记为-7.5 ）的接线； a b c a1 y b1 c1 x z a b c c1 b1 a1 zyx 7.5 52.5 移相绕组 主绕组 右行接线 左行接线 a b c a1 y b1 c1 x z a b c c1 b1 a1 zyx 52.5 7.5 24脉地铁整流变压器绕组布置图 铁心 y l.v d l.v h.v h.v 移相绕 组 主绕组 主绕组 单台 24脉波牵引整 流变压器接线 图 经过整流器后得 到的输出ud波形 城市轨道用牵引整流变压器的市场 牵引整流变压器的一般客户要求及国内常用规格 (一)可靠性要求特高 1.无备用；2.在运行时不能停电；3.谐波分量多，空载时电压会升高; 4.负荷变动大；5.要求过载能力特强；6.输出电压误差要求小； 7.变压器设计难度高，制造要求高。 (二)安全性要求特高 1.不能发生火险；2.通风、照明不能停。 国内常用的规格 电压: 高压(网侧）: 35(33)22.5%kv 低压(阀侧）：大约6001200v 容量范围：1600 - 5000kva 变压器组合：两台组成12相24脉 联结组标号：a):dyd-11-0 (+7.5)/ dyd-1-2 (-7.5) b):dyd-5-0 (+7.5)/ dyd-7-2 (-7.5) 城市轨道用牵引整流变压器的市场 牵引整流变压器的负载特性 负载标准工作制等级 城市轨道快速交通牵引整流变压器，其负载的标准工作制等级为vi级即 ： 100%连续运行； 150%运行2小时； 300%运行1分钟。 300% 150% 100% 1分钟 2小时 连续 0 城市轨道用牵引整流变压器的市场 我公司产品的技术参数及一些优缺点 zqscb系列产品（牵引整流变压器）的铁芯材料采用日本新日铁公司30zh120高导磁晶 粒取向硅钢片，45全斜接缝，五级步进叠片（磁力线可顺利避开叠片间的气隙垂直进入 相邻的叠片）。铁芯表面均采用具有防潮、防腐、耐湿热和具有吸收振动、散热性能好的 硅树脂橡胶涂料进行涂履，因而保证了变压器在特殊环境中具有低损耗、低噪声和高强度 、高耐蚀的特点。 zqscb系列产品的一次绕组采用优质无氧冷拔铜导线绕制而成，绕组的层间、段间、 端部及内外层绝缘均采用具有较高机械强度和电气强度、且耐高温的玻璃纤维填充，并经 最先进的飞流在线脱气、混料浇注设备严格的进行真空干燥和脱气处理，保证了一绕组在 浇注过程中完全处于真空状态，使成型后的线圈无空穴等缺陷。另外，绕组的浇注材料采 用流动性极好的进口树脂ve4518（绝缘耐热等级h级），经严格的科学配方和特殊的浇注 固化工艺，使成型后的绕组绝缘具有与铜导体相同的热膨胀系数和较高的机械强度（抗拉 强度不低于600700mpa），因而保证了绕组具有不龟裂、局放小（10kv35kv产品局放量 均5pc），机械强度高，绝缘强度高等特点。二次绕组采用进口德国mkm公司铜箔在自动 箔式绕线机上绕制，内部焊接在绕线机上采用氩气保护焊接，精度高、焊接 电阻小，无外部焊接过程，以预浸f级环氧树脂的dmd复合箔做为层间绝缘， 上、下端均用树脂封装后置于固化炉中，使其成为一个紧固的刚体，且高、 低压绕组电抗高度几乎相同，附加损耗小，散热效果好，有优良的动热稳定 性能。 为满足vi级负载的要求，zqscb系列产品在设计过程中合理的选择了磁 密和电密，绕组的每层导线均设置了轴向气道，并采用了薄绝缘结构，保证 产品具有良好的散热性能。 除以上结构特点外，zqscb系列产品还有以下技术特点： 1、两套机组运行时为24脉波，单套机组也可以12脉波运行，大大提高了系统的 可靠性。 2、24脉波整流系统对电网的谐波电流总量比12脉波减少60以上。各分接移项 角均为7.5，各分接运行谐波量一样小。 3、温升低、过载能力强，在vi级负载条件下能可靠运行。 4、仅改变变压器高压