（电力系统及其自动化专业论文）同相at供电系统单台变压器式接线研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，o u rc o u n t r yi si nt h eh i g h - s p e e dr a i l w a yc o n s t r u c t i o nu p s u r g e a n d l l i g h s p e e d ，o v e r l o a d i n gr a i l w a yt e c h n o l o g yi st h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n t d i r e c t i o n h o w e v e r , t h e r ei sm u c hp r o b l e mi np r e s e n tp o w e rs f i p p l ys y s t e m ，s u c ha s h a r m o n i c s ，r e a c t i v ep o w e r , a n dc o m m u n i c a t i o n sd i s t u r b a n c en o to n l yr e d u c i n gt h e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y , b u ta l s ob e i n g at h r e a tt or e l i a b l e o p e r a t i o n s o ，b u i l d i n gan o v e lt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi s t h ef u n d a m e n t a l s o l u t i o nt oe n s u r i n gi t ss a f e t ya n dr e l i a b l eo p e r a t i o n f i r s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ec o m m o np r o b l e m si nc u r r e n tt r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e ma n dt h eg e n e r a ls o l u t i o n s t ot h e s e i ta l s op r e s e n t st h r e em o d e so fp o w e r s u p p l ya n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d l y t h ep a p e rb r i e f l yd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fc op h a s ep o w e rs u p p l y s y s t e ma n dt h ew a y so fh o wt or e a l i z ei ti n c l u d i n gt w om a j o rm e t h o d s ：o n ei s r e a c t i v es y m m e t r yc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h eo t h e ri sb a s e do nt h eb a l a n c eo f a c t i v ef i l t e rt r a n s f o r m e r t h e n ，t h i sp a p e rp r o p o s e df o u rt y p e sb a s e do nt h ey n ，dllc o n n e c t i o n t r a n s f o r m e r s a l s o ，t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s a r es t u d i e d a st h e s i n g l e t r a n s f o r m e r sh a ss i m p l ec o n n e c t i o n s ，l o w e ri n v e s t m e n t , a n de a s yo p e r a t i o no r m a i n t e n a n c e ，t h i sp a p e rh a sf o c u so nt h e m ( s i n g l et r a n s f o r m e r - 5 5a n ds i n g l e t r a n s f o r m e r - 2 7 5 ) w h i c h o n l yn e e dat r a n s f o r m e r ( d o u b l e - w i n d i n g ) a n dab a l a n c e t r a n s f o i md e v i c e s f o c u s e do ns i n g l et r a n s f o r m e r s ，t h ep a p e rs t u d i e dt h e i rb a n l a n c et r a n s f o r m s ， p o w e rc o n v e r t e r , a l s o a n a l y z e df o ri t sh a r m o n i ca n dr e a c t i v er e a l t i m ed e t e c t i o n t e c h n o l o g y , b a l a n c et r a n s f o r m e ra n da c t i v ep o w e rf i l t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya tl a s t ， t h ep a p e rb u i l ts i n g l et r a n s f o r m e rs i m u l a t i o nm o d e b ym a t i l a b s m u l i n k c o m p a r e d w i t hs i n g l et r a n s f o r m e r - 5 5 ，t h eo t h e ro n es i n g l et r a n s f o r m e r 一2 7 5i sm o r ef a v o r a b l e k e yw o r d s ：c op h a s ep o w e rs y s t e ma tp o w e rs y s t e m a c t i v ep o w e rf i l t e r c o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o na n dd e t e c t i o n b a l a l i c et r a n s f o r m e r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密e g , 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：力挑 日期： 略c ，b 【。 指导老师签名： 日期：删绎 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文的创新点如下： ( 1 ) 讨论了单台- 5 5 接线系统和单台- 2 7 5 接线系统的完全补偿平衡变换条件、 不完全平衡补偿条件、系统的功率关系和容罩利用率。 ( 2 ) 研究了适合同相a t 供电系统下单台一5 5 接线系统和单台一2 7 5 接线系统的 谐波与无功电流的检测方法和有源滤波器的控制方法 ( 3 ) 对同相a t 供电系统下单台- 5 5 接线系统和单台- 2 7 5 接线系统用 m a t i l a b s m u l i n k 进行了仿真，证明了两种接线方案的可行性和正确性，并进行了 比较讨论，得出单台一2 7 5 接线系统更具有优越性的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章引言 高速、重载电气化铁路是世界铁路重要方向，也是电气化铁路的重要组成 部分。牵引供电系统是牵引负荷的动力来源，是影响高速铁路安全性、可靠性 的关键因素，而当前的电力系统还存在着许多问题，如，谐波、无功、通信干 扰、“闯八跨”等，如何让牵引供电系统稳定经济地运行，建立适合高速铁路的 新型牵引供电系统是我们亟待研究和解决的问题。 1 1 目前牵引供电系统中存在的问题 根据目前世界各国高速电气化铁路的发展情况，今后的发展方向主要是采 用单相工频交流制n 训。这种制式也存在着许多问题，随着高速、重载电气化铁 路的不断发展，有些问题显得尤为突出，如“过电分相”、通信干扰、谐波等问 题。 1 1 1 谐波抑制与无功补偿 1 谐波与无功功率的危害 理想的公用电网所提供的电压是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。 谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染。它使用电设备所处的环 境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设 备广泛应用以前，因为谐波污染并不严重，所以没有引起人们广泛的注意。在 近四，五十年以来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日 趋严重，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，谐波危害越来越严重，主要 有以下几个方面口吲： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及 用电设备的效率，使供电质量下降，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热 甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除了引起附加损 耗以外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使得变压器局部严重过热。谐波 使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 这就会使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重的事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不 准确。不同类型的继电器工作和电气测量仪表原理和设计性能不同，因此谐波 对其影响也有较大的差别。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重 者会导致信息的丢失，使通信系统无法正常的工作。 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面b 3 ： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从 而使发电机、变压器及其他的电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户 的启动和控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加，无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备和 线路的损耗增加，有： n 2 2 z k f = 12 r ：( j ：+ ，：) 尺：! 半尺 ( 1 1 ) 1 u i , 1 2 其中线路总电流为j = j 。+ j 。，线路电阻为r ，线路损耗为廿，( 姿) i r 这 u 部分损耗就是由无功功率引起的。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电 压产生剧烈波动，使供电质量严重下降。如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生 频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量。 2 目前的解决方法 在解决谐波污染的问题时，一般有两种方法：一种是装设谐波补偿装置哺，力 来补偿谐波，这对各种谐波都是适用的；一种是对电力电子装置本身进行改造， 使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 ，这只适用于作为主要谐波源的电力电 子装置。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可以补 偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。但是它的主 要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容易和系统发生并联谐振， 导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。而且它只能补偿固定频率的谐波， 补偿效果也不甚理想。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r - a p f ) 。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相 反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值 都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛 的重视，并且已经在日本等国家获得了广泛的应用。 对于无功补偿来说，它的作用主要有以下几个方面： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地 点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡 三相的有功及无功负载。 早期的无功补偿装置的典型代表使同步调相机，不但可以补偿固定的无功 功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。随着发展，又陆续出现了一些新 的无功补偿装置，如并联电容器，静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc a p a c i t o r s v c ) 和静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - s v g ) 等。 1 1 2 通信干扰及防护 交流电气化铁路是以接触网一钢轨( 大地) 为回路的单相不对称供电系统，其 牵引网是一种特殊形式的单相工频交流高压输电线路。当牵引电流流过接触网 时，接触网的周围产生电场和磁场，这种电场和磁场对邻近的通信线路产生危 险影响和干扰影响。 如果电气化铁道不采取防护措施，那么为了使危险影响和干扰影响限制在 规定标准以内，保证通信线路正常工作和人身、设备安全，架空明线应该远离 电气化铁道l k m 以上。如果距离达不到要求，必须采取有效的防护措施。 1 2 目前牵引供电系统所采用的供电方式 目前牵引供电系统主要存在三种供电方式：d n 供电方式，b t 供电方式和 a t 供电方式。 ( 1 ) 对于d n 供电方式，就是我们通常所说的直接供电方式，即在接触网支 柱上架设一条与接触线平行的回流线( n f ) ，隔一段距离设置连接导线将回流线 与钢轨并联，就构成了带回流线的直接供电方式，如下图1 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 t 川f r 图1 - 1d n 供电方式示意图 回流线与钢轨并联，在正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到回流线 中去，从而可以降低钢轨对地电位，使流入大地的电流减少。回流线与接触网 之间相隔距离较小，增强了对接触网负荷电流磁场的去磁效应。这样以来可以 减轻对通信线路的干扰影响，并使牵引网单位阻抗降低，有利于减少电压损失 和功率损失。 d n 供电方式的牵引网结构简单，经济性好，但是防干扰效果较差，所以只 能用在对通信干扰防护要求不高的场所。 ( 2 ) 对于b t 供电方式，主要是在d n 供电方式的基础上在牵引网的接触导线 和回流线中串联了1 ：1 的吸流变压器( b t ) 。如图卜2 所示。 t n f r 图卜2b t 供电方式示意图 这种方式由于流经原边的电流和流经副边的互感电流可以产生极性相反的 磁场而互相抵消，从而极大地减弱了牵引网的周围磁场，防干扰效果较好。如 图1 - 2 中，当牵引负荷电流流经b t 原边时，其副边产生很大的互感电流，迫使负 荷电流沿回流线流回牵引变电所而不经由轨道和大地。但是对于机车的附近的 那个吸流变压器的一端由于没有互感电流产生，因此导致了“半段效应”。如图 1 - 2 中所示，当电力机车在该位置时，牵引负荷电流在流经b t 3 前半段后流入轨 道和大地，而不经过b t 3 ，则该段z 所对应的回流线中没有感应电流，不能消除 该段接触网所产生的磁场，失去了防护效应。其中l 段的长度约为两个吸流变压 器上线间距的一半，则称为“半段效应川引。为了减小影响，可以缩短两个吸流 变压器之间的距离，通常牵引网每隔2 一- - 4 k m 就设置一台b t ，这样半段效应对整 个供电区抗干扰的影响就很有限了。但是在牵引网中串联接入大量的吸流变压 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 器后，将使整个牵引网的阻抗大大增加，从而增大了牵引网的功率损失和电压 损失( p = 1 2 r ， a u = i r ) 。与d n 供电方式相比较，牵引网阻抗和电压损失大 约增加了5 1 ，牵引网的电能损耗大约增加5 6 口1 。由于牵引网阻抗增大，牵引 变电所距离必须缩短，所以供电系统的成本也大大增加。由于b t 串入接触网以 后，每一个b t 原边必须与一个电分段绝缘间隙并联，当牵引列车运行通过这些 电分段绝缘间隙时，b t 原边绕组瞬时被短路，从而在b t 的原边绕组中产生很高 的自感电势，并在电力机车受电弓与接触网之间产生很强的电弧，可能烧坏接 触线和电力机车受电弓滑板。特别是在高速列车和大负荷的电流条件下，这种 损害更为严重。在目前高速铁路即将普及的情况下，这种供电方式的局限性就 很大了。 ( 3 ) 对于a t 供电方式，采用了自耦式变压器，如图1 - 3 所示。 i ，2 a t ia t 2 a t 3 图卜3a t 供电方式示意图 如图卜3 ，这是一种牵引网并联自耦式变压器( a t ) 的供电方式。图1 - 3 中s s 为牵引变电所，其输出电压为2 2 7 5 k v ，a t l ，a t 2 ，a t 3 ，为自耦变压器，变比 为2 ：1 ，w 2 ：w 1 = 1 ：1 ，一端与接触网相连，另一端与正馈线连接，中点与轨道 相接。两个自耦变压器之间的距离一般为1 0 k i n 左右阴1 。 如果a t 阻抗为零，电力机车位于a t 2 处，此时机车电流将被a t 2 全部吸上， 根据变压器磁势平衡的原理，流经a t 2 的w 2 与w l 的电流必定大小相等，方向相 反，且为原来的1 2 。根据节点电流定律，流经接触网和正馈线的电流也为原来 的1 2 ，该电流从牵引变电所沿接触网流出，沿正馈线回牵引变电所。轨道中的 电流为零。由于接触网与正馈线中的电流大小相等，方向相反，两者之间的距 离相对很小，所以两者的交变磁场相互抵消，不存在牵引电流对邻近通信线路 的干扰影响。实际上a t 存在着很小的阻抗，因此在全供电臂内将有部分牵引电 流流经轨道与大地返回变电所。所以仍然存在着对邻近通信线路的电磁干扰影 响，但是由于流经轨道与大地返回变电所的电流极小，因此对邻近通信线路的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电磁干扰影响也极小。 当电力机车在如图1 - 3 位置时，在a t 2 与a t 3 之间，电力机车的电流分两路 ， 流经轨道与大地，i ，= 丢，l = _ ：l - ，。与，：大小分别与两个分路的阻 z l + z 2 + - 1 2 抗成反比，分路阻抗基本与机车距离两个a t 间距成正比。两个分路电流在流向 a t 2 和a t 3 时都有一部分流入大地。但是由于，z = ，厶，所以在厶和z ，两个长度 内的电磁感应影响大小相等方向相反，对于平行于该a t 段的通信线不产生电磁 感应干扰影响。 这种供电方式与其它供电方式相比较，在相同的牵引负荷条件下，接触网 和正馈线中的电流大致可以减小一半，牵引网阻抗小，约为直供方式牵引网阻抗 的1 4 左右，大大减小了牵引网的电压损失和电能损失。牵引变电所的间距可以 增大n 9 0 k m - - 1 0 0 k m ，减少了变电所数量，降低了投资。而且这种供电方式无 需在a t 处实行电分段，有利于高速重载列车顺利通过。经分析和试验表明，a t 供电方式对邻近通信线的综合防护效果优于b t 供电方式。但是对于每个变电所 来说，接线复杂，变压器数量较多，投资和维护费用都较高。 ( 4 ) 对于c c 供电方式，可分为接触网开口方式和不开口方式口1 。这种供电 方式不需要另设像a t 供电方式的正馈线或者b t 供电方式的回流线那样的架空 电缆，对净空要求低，接触网结构简单，对邻近通信线路防护效果好，是一种 优良的供电方式和防护措施。但是由于造价昂贵，无法在实际系统内大量正式 采用。 1 3 国内外高速铁路牵引供电系统 自1 9 6 4 年日本建成开通世界上第一条高速铁路以来，经过几十年的发展， 许多国家高速铁路的牵引供电系统都有了很大的改进，达到了很高的水平。最 具有代表性的是日本、法国和德国高速铁路的牵引供电系统。 1 日本 日本新干线供电方式采用的是日本铁研所开发的a t 供电方式，变电所间隔 6 0 k m 左右，最大供电电流约为2 0 0 0 a 3 0 0 0 a 。a t 被定位为新干线的标准牵引 供电方式。为了减少系统负序，牵引变压器一般采用斯科特结线和变形伍德桥 结线三相变压器。为了防止再生工况( 一臂再生，一臂牵引) 下，平衡变压器的 平衡效果被严重恶化的后果，日本采用了单相s v c ( 无功补偿) 、移相s c o t t s v c 、 三相接线s v c 、不等边s c o t t s v c 等补偿装置睁儿3 。另外，在变电所负荷不对称且 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电源系统侧负序允许值要求苛刻的情况下，研究出单相负荷补偿装置( s f c ) 进 行补偿。为了减少高次谐波对供电和车上设备的危害，一方面在供电臂末端安 装h m c r 装置；另一方面精心设计列车各主回路之间的相位配合，减少谐波量。 新干线在列车通过接触网相分段时，采用的是地面开关站切换方式。地面切换 方式涉及的面较大，机车过分相时，中性段易产生过电压，引起开关重燃及异 相短路。 2 法国 法国高速铁路牵引供电系统采用a t 供电方式，牵引变电所变压器采用单相 变压器。为了限制不平衡，法国采取了以下的措施n 2 1 朝： ( 1 ) 牵引变电所n h 2 2 5 k v 供电，以确保变电所与系统联接点有足够的短路容 量。 ( 2 ) 所有牵引变电所必须轮换相序接入电力系统，使不同变电所产生的负序 电流部分抵消，削弱了电气化铁路产生的负序电流。 ( 3 ) 在电力系统薄弱，大密度行车时，变电所单相与“v 接相互转换设计。 ( 4 ) 在电网短路容量不足时，安装补偿电容器。 3 德国、西班牙 德国、西班牙高速铁路牵引供电系统采用带回流线的直接供电方式，牵引 变电所变压器采用单相变压器。西班牙为了减少不平衡影响，牵引变电所保证 要有较高的短路容量，并采用相序轮换方法和合理安排列车的运行n4 l 。 4 中国 我国电气化铁路方面，已经改造或即将修建的电气化高速铁路均采用a t 供 电方式，为了提高送电能力，增强负序承受能力，将采用2 2 0 k v 电压向牵引变电 所供电。北京一秦皇岛、大同一秦皇岛、郑州一武昌等电气化铁路也采用了a t 供电方式，新建的客运专线，也计划采用a t 供电方式怊1 。 1 4 本章小节 本章讨论了当前牵引供电系统中普遍存在的问题及一般的解决方法，简要 介绍了目前使用的三种供电方式：d n 、b t 和a t 供电方式及其特点。分析了各 种供电方式的优点和局限性以及国内外高速铁路牵引供电系统现状。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章同相a t 供电系统的特点 由于交流电气化铁道牵引负荷为变化频繁的单相负荷，它将在电力系统种 产生较大的负序电流，造成三相严重不平衡。无论采用哪一种接线方式，都将 导致三相电力系统不对称而产生负序电流。负序电流对电力系统的危害和影响 是十分严重的。目前主要的解决方法采用三相一两相平衡牵引变压器，采用高 电压、大容量电源供电，采用不平衡补偿装置和换相联接。这些尽管能改善三 相不平衡状态，但是由于牵引负荷在空间和时间分布上的随机性，使得对三相 不平衡改善程度受到了限制。采用同相供电技术才能从根本上解决电气化铁道 牵引供电系统所存在的问题，而由于a t 供电方式所特有的优点，如果将同相 供电技术与a t 供电方式结合构建新型的供电系统对于提高我国高速铁路供电 质量是很有意义的。 2 1 同相供电系统研究概述 2 1 1 同相供电系统及其优点 牵引供电系统负荷的特殊性和随机性决定了三个异相供电臂同时有负荷的 几率很小，即使三个异相供电臂同时有负荷，也由于机车运行存在起动、加速、 惰行、过电分相、制动与再生等多种状态，使得各供电臂负荷变化剧烈而往往 显著不同。换相联接后各供电区需要用分相绝缘器分隔，以y n ，d 1 1 为例，如 图2 1 所示刨。 a b c t r t t t t 一一i 一 一i j l u 、t l u ， ) _ _ j 图2 - iy n ，d l1 接线异相供电系统示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 由于换相绝缘器的存在使电力机车安全平稳通过存在较大隐患纠7 j ： ( 1 ) 分相和分段绝缘器不论在电气上还是机械上都是薄弱环节，当高速、重 载列车通过时，由于绝缘器形成的硬点对受电弓构成严重威胁，同时绝缘器也 常常因为拉弧而烧毁。 ( 2 ) 一般沿电气化铁道每隔5 0 k m 设置一个牵引变电所，2 5 k m 左右设一个“电 分相”。若列车以2 0 0 k m h 行驶，则每7 5 分钟就要过一次“电分相，每当过“电 分相”时，机车都要提前退级、断电，并依靠惯性滑过“电分相 ，等到过去之 后再重新进行给电、进级行驶。这些都需要手动操作，给列车司机带来了很大 困难。对于高速列车的话，手动操作几乎不能实现。 ( 3 ) 高速铁路“电分相处一般有1 0 0 m 左右的无电区，电力机车只能靠惯 性通过。当“电分相”处于上坡的长大坡道线路时，机车牵引满载的列车通过 “电分相”就十分困难，这就是我们所说的“闯八跨”。 目前解决“闯八跨”问题的一般方法是在“电分相”处装设自动过分相转 换装置，但是装置复杂，且因电压高、转换动作频繁，使其准确性和可靠性在 应用中受到严峻挑战，至今在使用中的技术缺陷依然存在，更重要的是装设自 动过分相装置并不能解决系统不平衡的问题。 所以我们考虑用同相牵引供电系统来从根本上解决这个问题。b t 式供电方 式同相牵引供电系统原理结构如图2 - 2 所示。 b c t r 图2 2b t 供电方式同相牵引供电系统原理图 图2 2 中s s l 、s s 2 和s s 3 为同相供电牵引变电所，它由主变压器和平衡变换 装置( p p ) 组成；平衡变换装置可采用无源网络构成，也可以由有源滤波器构成， 其作用是消除系统不平衡，滤除谐波并补偿无功功率；s p l 和s p 2 为分段断路器， 并根据需要断开或者闭合分段断路器，实现单边或者多边或者贯通式供电。它 的主要优点如下h 1 ： ( 1 ) 各个变电所结构和接线完全相同，一次系统不在换相联接，牵引侧各供 电臂电压相同，从而可以取消分相绝缘器，省去自动过分相装置，避免了列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 断电过分相的“闯八跨”问题，实现了同相供电，消除了高速列车过分相绝缘 器所存在的安全隐患，适宜高速铁路运行；同时由于各个变电所结构和接线完 全相同，便于统一维护。 ( 2 ) 由于平衡变换装置的存在，可以完全消除系统不平衡，滤除谐波并补偿 无功功率，使变化剧烈、含有大量谐波、低功率因数的不对称单相牵引负荷， 对电力系统而言仅仅相当于一个纯阻性的三相对称负荷。 ( 3 ) 可以最大限度地提高变压器容量的利用率，常规的供电系统除了单相变 压器以外，无论是y n ，d 1 1 接变压器，还是平衡变压器( 包括s c o t t 变压器、阻 抗匹配平衡变压器、三相变四相变压器等) 在实际中其容量都不能得到充分利 用，以y n ，d 1 1 为例，其容量利用率只能达到7 6 。但是基于y n ，d l l 接变 压器实现的同相牵引供电系统，变压器容量的利用率可以达到1 0 0 。 ( 4 ) 供电的灵活性和可靠性提高，可以根据要求断开或者闭合分段断路器， 实现单边或者多边或者贯通式供电，使牵引网电压损失和功率损失降低。 2 1 2 同相供电系统的实现方法 适合我国的同相供电技术，主要有两种：一种是无源对称补偿技术n 8 剖；一 种是基于有源滤波器的平衡变换技术。黯1 。 ( 1 ) 采用对称补偿技术构成同相供电系统 采用无源对称补偿技术实现的同相供电系统具有简单、经济、可靠、容易 实现等优点。但是它仍然存在一些问题：采用常规变压器无法使这种补偿装置 产生的负序电流与牵引负荷产生的负序电流反向共线，这将导致补偿装置的容 量浪费，所以为实现最佳补偿必须采用特殊接线方式变压器；尽管采用特殊接 线方式的变压器在理论上能够达到最佳补偿的要求，但是由于条件要求苛刻， 实际中难以达到理想的效果，如s c o t t 接线同相供电对称补偿技术，需要动态实 时连续调整补偿电抗器和电容器的容量以及绕组匝数，才能实现最佳补偿，这 增加了技术难度，即使能够实现，由于技术上的原因，也难达到好的动态跟踪 补偿的效果。 ( 2 ) 采用基于有源滤波器的平衡变换技术构成同相供电系统 这是一种新型的牵引供电方案。以下以y n ，d 1 1 为例说明其原理碡1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图2 3 同相b t 牵引供电系统 如图2 3 所示，该系统由y n ，d 1 1 接线变压器、b t 供电方式牵引网和平 衡变换装置构成。平衡变换装置核心部分有源滤波器是由补偿电流生成电 路、电流跟踪控制电路和主电路( 包括驱动电路) 构成。补偿电流生成电路的核 心是检测出补偿对象电流中谐波、无功和不平衡电流等分量，所以称为补偿电 流检测电路；电流跟踪控制电路作用是根据补偿电流生成电路指令信号产生相 应的p w m 控制脉冲：主电路主要是由三相变流器构成。同相b t 系统的工作原 理为，检测补偿对象的电压和电流，经过补偿电流生成电路得到补偿电流指令 信号，再经电流跟踪控制电路产生p w m 控制脉冲，通过驱动电路控制主电路 产生补偿对象所需要的综合补偿电流。 2 2 基于a t 供电方式实现的同相供电系统 2 2 1 基于a t 供电方式实现同相供电系统的必要性 现有的有源滤波器同相供电系统方案，主要是针对b t 供电方式和d n 供电 方式提出的，有一定的局限性。简单直供或带回流线的直供方式主要用于对通 信防护要求不高的场合。而b t 供电方式尽管有较好的通信防护效果，但由于 牵引网需串联接入大量的吸流变压器，将使牵引网阻抗增大，电压损失和电能 损失增加；沿线变电所之间距离短，系统成本高；沿线接触网有多个断口，当 列车通过断口时，受电弓与接触线间产生很强的电弧，会烧损接触线和电力机 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 车受电弓，特别是在高速列车和大负荷电流条件下，这种损害更为严重。相比 之下，a t 供电方式具有很多优势：通信防护效果好；牵引网阻抗小，供电距离 长，变电所数量少；无需在a t 处实行电分段，适合高速、重载列车运行。a t 供电方式综合经济技术性能优越，在国内外已有广泛应用，所以研究这种供电 方式下同相供电系统具有重要意义。 2 2 2 同相a t 牵引供电系统的结构与原理 同相a t 牵引供电系统n 钔由a t 牵引网和同相a t 牵引变电所组成，如图2 4 所示。 l l l s s i吲r ri s s 2吲r r s s 3吲，r ，l $ p i $ p 2 广上厂1 ：3 - u - 3 一u ) - 3 一 目) 目j r二弓 一 弓 一 弓 一 缸l矗t2h i 了 图2 - 4 同相a t 牵引供电系统示意图 其中，s s i - s s 3 为同相a t 牵引变电所，它主要是由牵引主变压器和平衡变 换装置( p p ) 构成，作用有变压、平衡变换、补偿负载无功和谐波。变压器的任 务主要由牵引主变压器完成，当前常用变压器的接线方式由v ，v 接线，y n ，d 1 1 接线，平衡变压器接线( 包括阻抗匹配平衡变压器，s c o t t 变压器，三相变四相变 压器) 等多种。平衡变换与滤除谐波、补偿无功的任务主要由平衡变换装置完成， 平衡变换装置的核心部分可以由三相三桥臂变流器、三相四桥臂变流器或者两 “背对背”单相变流器等构成。平衡变换装置与系统的连接方式也有很多种： 并联式、串联式和混连式。 与其它方式的同相供电系统一样，由于各个变电所采用了相同的结构，与 牵引网和电力系统的连接方式也一样，所以各个供电区段电压大小相同、相位 一致，可以取消分相绝缘器实现同相供电。考虑供电灵活性和可靠性等原因可 以设置分段断路器，如图2 4 中s p l 和s p 2 。 平衡变换、滤出谐波和补偿无功功率的原理与有源滤波器滤除谐波、补偿无 功功率的原理是一样的，也就是通过实施检测负载中的谐波、无功电流和三相 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 不平衡电流，生成包括谐波、无功和不平衡电流的综合补偿电流参考值，根据 综合补偿电流参考量控制有源滤波器输出综合补偿电流，以补偿负载的谐波、 无功并实现三相平衡。平衡变换装置与有源滤波器本质上是一样的，通常的有 源滤波器主要是用于抑制谐波和补偿无功功率，而同相供电系统的平衡变换装 置的另一项重要功能是实现平衡变换。 2 3 本章小节 本章简单阐述了将同相供电系统与a t 供电方式结合起来构建新型供电系 统。介绍了同相供电系统的结构原理与实现方法，与原有供电系统结构相比可 以取消分相绝缘器，它省去了自动过分相装置，避免了列车断电过分相的“闯 八跨 问题，消除了高速列车过分相绝缘器所存在的安全隐患，适宜高速铁路 运行，通过平衡变换装置完全消除了系统不平衡，而且最大限度地提高变压器 容量的利用率，其目前的实现方法主要有两种，一种是无功对称补偿技术，另 一种是基于有源滤波器的平衡变换装置。并且简单介绍了同相a t 供电系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第三章单台变压器式同相a t 供电系统 对于a t 供电方式牵引变电所，若采用y n ，d 1 1 接线变压器构成时，通常需 要两台变压器或者一台三绕组变压器，接成十字交叉接线。若能采用一台变压 器构成，势必会降低变电所复杂程度，减少成本，方便维护。这就是本文重点 研究的内容。 3 1 基于y n ，d 11 接线变压器构建 对于同相供电系统，基于y n ，d 1 1 接线的变压器接线的单台变压器式结构 主要有两种：一种是采用一台变比为1 1 0 k w 5 5 k v 的y n ，d 1 1 接线变压器构成， 即单- 5 5 3 接线；另一种是采用变比为1 1 0 k w 2 7 5 k v 的y n ，d l l 接线变压器 构成，即单台一2 7 5 阳3 接线。 3 1 1 单台- 5 5 接线系统 n rt t 连；遘；逢 图3 - 1 单台- 5 5 同相a t 牵引变电所 单台- 5 5 接线系统主要由一台变比为11 0 k v 5 5 k v 的y n ，d l1 接线变压器和 一台平衡变换装置构成，接线简单，投资较少，维护方便。平衡变换装置e h - - 相三桥臂变流器构成。如图3 1 所示，单台- 5 5 接线需要一台自藕变压器，以便 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 引出中间抽头接钢轨，因为我国没有1 1 0 k v 5 5 k v 的y n ，d 1 1 接线变压器，所以 变压器需要特制。当平衡变换装置故障时，不影响系统的正常供电，但是系统 失去了平衡能力。 3 1 2 单台- 2 7 5 接线系统 r f t 一 兰疆羔t 量量 图3 2 单台一2 7 5 同相a t 牵引变电所 单台- 2 7 5 同相a t 牵引变电所主要由一台变比为1 1 0 k v 2 7 5 k v 的y n ，d l l 接 线变压器和一台平衡变换装置构成，同样具有接线简单，投资较少，维护方便 的优点。但因其接线比较特殊，单靠变压器自身不能形成完整的向a t 牵引网供 电的电压。平衡变换装置主要由四桥臂变流器构成，其控制方法相对较为复杂， 且平衡转换装置桥臂电流不平衡。当平衡变换装置故障时，系统变为无通信防 护能力的简单直供方式，但仍能继续供电，但是不能向正馈线供电，故失去了 通信防护效果。 3 2 基于特殊接线变压器构建 单台接线系统也可以基于一些特殊接线变压器构成，比方说斯科特平衡变压 器啪1 、阻抗匹配变压器乜刀等等，但是特殊接线的变压器往往制造上存在一定难 度，成本高。下面简单讨论两种基于特殊变压器构建的同相a t 供电系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 。2 1 单台阻抗匹配平衡变压器接线系统 氍倍 _ i j k 辛 ，、， p p l - - a t l1 l- l l 甬；一 弓 一 图3 - 3 单台阻抗匹配变压器同相a t 牵引变电所 如图3 3 所示，这种变压器有中性接地点，与高压中性点接地电力系统匹 配方便。但是设计计算和制造工艺复杂，造价较高。平衡变换装置采用两单相 变流器构成，称为两“背对背 的单相变流器，控制简单，容易操作。当平衡 变换器故障时，系统仍能继续供电，失去平衡能力。 3 2 2 基于斯科特平衡变压器接线系统 r r i - l c l 赢 r 七 n i m t m - m 一 奶 d c a 1 i - 1 p p l - - 一 a ti 。 。甬； ? 弓i 。一 图3 - 4 斯科特平衡变压器同相a t 牵引变电所 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 如图3 4 所示，这种变压器原边没有中性接地点，因此仅能用于对于中性接 地点没有要求的场所。m 座5 5 k v 出口需要一台自耦变压器，以提供接钢轨的中 点抽头。该变压器制造难度大，造价较高，而且牵引变电所主接线复杂，维护 和检修工作量大。平衡变换装置采用两“背对背 单相变流器结构，控制方法 简单，容易实现，各桥臂电流相对均衡。当平衡变换器故障时，系统仍能继续 供电，但是失去了平衡能力。 3 3 本章小节 本章介绍了同相a t 供电系统中基于y n ，d 1 1 接线和特殊接线变压器构成的单 台变压器式接线系统，简单讨论了其结构特点。由于基于y n ，d 1 1 接线的两种单 台变压器式接线具有接线简单，投资少，运行和维护方便等优点，且只需要一 台变压器( 双绕组) 和一台平衡变换装置构成，因此是本文重点讨论的内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 第四章基于y n ，d 11 的单台- 5 5 接线系统分析 由于基于特殊变压器构建的单台变压器式同相供电系统，接线复杂，成本 较高，而基于y n ，d l1 变压器构建的单台5 5 接线系统和单台2 7 5 接线系统具 有接线简单，投资少，运行和维护方便等优点，所以本章和下一章就这两种基 于y n ，d l l 的单台变压器式接线进一步进行研究讨论。 4 1 系统的基本条件 设电源相电压为： h = 4 - e v s i n 根据原边与副边接线关系可以得到变压器副边电压为： u t ( f ) = 4 2 u 曲s i n ( 甜+ 6 0 。) 则副边电流为： i l ( f ) = 压j 。s i n ( n r a + 6 0 。+ 织) n = l 由式( 4 3 ) 可以得到负载的基波分量( f ) 为： f i ( f ) = 4 2 ，ls i n ( 甜+ 6 0 。+ 仍) 其中仍为功率因数角。 展开后可以得n - ) = 西ls i n ( 缎+ 6 0 。) c o s 矽1 + 扫lc o s ( 甜+ 6 0 。) s i n 仍) 其中： 负载基波有功电流f 。p = 五。s i n ( o x + 6 0 。) c o s 妒l 负载基波无功电流i i g = 2 j ic o s ( 甜+ 6 0 。) s i n 仍 d 动 由 动 回 力 一 一 一 一 一 一 一 q q 仕 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 设j 。p = j 。c o s 仍，j l 口= ，l s i nq l ，可以得出负载的有功功率为： 最= u 口6 7 1c o s q ，l = u 曲，i ， 其中，u 曲为机车供电端电压有效值。 4 2 完全补偿平衡变换条件 ( 4 - 8 ) 电源功率：e s = 3 u ， = 兄 ( 4 - 9 ) u 曲= 专u ( 4 1 0 ) i a , i n , i c r = 面e - j 3 。* 1 ，f 。】r ( 4 1 1 ) l 2 去i i p ( 4 - 1 2 ) 豳i a ( t ) 弦1 惯端s i nr a t ：) 限 点棒。 舞 西南交通大学硕士