《牵引供电系统》第二章牵引变压器幻灯片.ppt

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 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 2UeIe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 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 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 会对电力系统中的变压器 电动机 整流设备的工作产生负面影响 引出问题 消除或减弱牵引负荷的不对称度 具体做法 变电所换接相序 三相 两相平衡变压器 2 6斯科特牵引变压器 三相系统平衡条件 三相电气相量大小相等且相位互差120度 两相系统平衡条件 两相电气相量大小相等且相位相差90度 结论 若牵引变压器原边三相是对称的 副边两相系统是对称的 则其整个系统是对称的 斯科特牵引变压器就是根据此原理而设计的 2 6斯科特牵引变压器 一 Scott牵引变压器的工作原理下图是斯科特Scott变压器的原理图 2 6斯科特牵引变压器 Scott变压器可看作两个单相变压器组合 一台单相变压器的原边绕组两端引出 分别接到三相系统的B和C相 称为M座变压器 另一单相变压器的一次侧绕组一端引出 接到三相系统A相 另一端到M座变压器一次侧绕组的中点O 称为T座变压器 2 6斯科特牵引变压器 接线型式特点 相位互差120 的三相对称电压两个数值相等 相位差为90 的两相对称电压U2M和U2T 分别向两个臂供电 当两臂负荷电流相等时 原边三相电流相等 实际中 通常把两台单相变压器绕组装配在一个铁芯上 安装在一个油箱内 2 6斯科特牵引变压器 二 电压和电流关系1 电压关系下图是斯科特变压器一 二次侧电压关系 2 6斯科特牵引变压器 若电力系统三相电压对称 线电压 构成等边三角形ABC BC边为电压 M座一次侧绕组电压 高AO的电压 T座一次侧绕组电压 且结论 2 6斯科特牵引变压器 M座变压器的变比 T座变压器的变比 结论 斯科特变压器可将三相对称电压变换为两相对称的电压 工程上 将M座变压器称为底变压器 将T座变压器分别称为高变压器 2 6斯科特牵引变压器 2 电流关系假设两供电臂功率因素相同 根据 可知选取为基准量 则有 当两负荷臂电流相等时 则有 根据KCL电流方程及变压器的磁势平衡方程 可得 2 6斯科特牵引变压器 再根据M座变压器的变比KM 可得原边三相电流与负荷电流的函数关系 结论 在M T两供电臂负荷电流大小相等 功率因数相等的条件下 Scott牵引变压器原边对称 2 6斯科特牵引变压器 三 不平衡度 实为不对称度 和容量利用率的计算1 不平衡度 2 6斯科特牵引变压器 不平衡度为 结论 当供电臂电流相等时 斯科特变压器的不对称度为0 2 容量利用率变压器额定输出时 二次侧两供电臂电流相等 假设变压器原边电压对称 则有 变压器二次侧额定电流 变压器原边线电压的有效值 2 6斯科特牵引变压器 利用右式可得 变压器的输入容量为M座和T座变压器输入容量之和 则变压器输入容量为 2 6斯科特牵引变压器 由于变压器额定输出容量为二次侧两变压器输出容量之和 则 因此 变压器额定容量利用率 2 6斯科特牵引变压器 四 Scott变压器的优缺点及其应用1 优点 当两臂负荷电流和功率因数都相等时 原边三相电流对称 变压器容量利用率高 解决了所用电和地区供电的问题 可实现两边供电 2 6斯科特牵引变压器 2 缺点 制造费用高 检修维护费用较大 原边T接地电位随负载变化而产生漂移 有可能引起电力系统零序电流继电保护误动作 对邻近