專利名稱：單相三相組合式同相供變電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電氣化鐵路供電領(lǐng)域，尤其涉及一種單相三相組合式同相供變電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國電氣化鐵道普遍采用單相工頻交流制，為使單相的牽引負(fù)荷在三相電力系統(tǒng)中盡可能平衡，電氣化鐵道往往采用輪換相序、分相分區(qū)供電的方案。分相分區(qū)處的相鄰供電區(qū)間便形成分相絕緣器，稱為電分相或分相。為防止電力機(jī)車帶電通過電分相因燃弧而燒壞接觸網(wǎng)懸掛部件，甚至導(dǎo)致相間短路等事故，隨著列車速度的不斷升高，在司機(jī)無法手動進(jìn)行退級、關(guān)輔助機(jī)組、斷主斷路器、靠列車慣性駛過中性段、再合主斷路器、合輔助機(jī)組、進(jìn)級恢復(fù)牽引功率來完成過分相的情況下，采用了自動過分相技術(shù)，主要有地面開關(guān)自動切換過分相、車載自動過分相以及柱上自動過分相等幾種，但仍存在開關(guān)切換中列車通過電分相的暫態(tài)電氣過程，易產(chǎn)生較大的操作過電壓或過電流，造成牽引網(wǎng)與車載設(shè)備燒損等事故，影響供電可靠性和列車安全運(yùn)行。因此，電分相環(huán)節(jié)是整個(gè)牽引供電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，列車過分相成為了高速鐵路乃至整個(gè)電氣化鐵路牽引供電的瓶頸。高速和重載鐵路已廣泛采用基于IGBT、IGCT等全控性器件的大功率交-直-交型電力機(jī)車或動車組，其核心是多組四象限PWM控制和多重化控制的牽引變流器，在實(shí)際運(yùn)行中諧波含量小，功率因數(shù)接近1，但交-直-交型電力機(jī)車或動車組牽引功率大，如大編組運(yùn)行的單車高速動車組其額定功率達(dá)25MW (相當(dāng)普速鐵路5列車)，這些大量開行的大功率單相負(fù)荷對三相電網(wǎng)造成的日益嚴(yán)重的以三相電壓不平衡度(負(fù)序)為主的電能質(zhì)量問題不能不受到重視。理論和實(shí)踐表明采用同相供電技術(shù)可以在取消牽引變電所出口處電分相、消除供電瓶頸的同時(shí)，還能有效治理負(fù)序電流、達(dá)到以三相電壓不平衡度(負(fù)序)限值為主的電能質(zhì)量要求，有利于促進(jìn)電力與鐵路的和諧發(fā)展?，F(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)同相供電的一個(gè)關(guān)鍵是牽引網(wǎng)的電壓相位，它由一定接線方式的牽引變壓器的牽引端口決定?？紤]到牽引變電所中各種牽引變壓器最簡捷、最經(jīng)濟(jì)的接線方式是單相牽引變壓器，那么，可將用于同相供電系統(tǒng)的牽引變電所的接線方式分為兩類，即能與單相牽引變壓器構(gòu)成同相供電的牽引變壓器的一類，屬于線電壓型，另一類，屬非線電壓型，主要是相電壓型。相電壓型的主要代表是YNdl I接線的牽弓I變電所，它在國內(nèi)既有普速鐵路上應(yīng)用最為普遍，可以自成系統(tǒng)，即把既有鐵路的兩相供電改造為同相供電。然而，在三相電壓不平衡度(負(fù)序)不達(dá)標(biāo)的場合需要安裝同相(對稱)補(bǔ)償裝置，該裝置需要在牽引側(cè)的3個(gè)端口進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時(shí)，與最小值相比需要增加1/3的同相補(bǔ)償容量，另外，在三相電壓不平衡度(負(fù)序)滿足要求的場合無需同相(對稱)補(bǔ)償時(shí)，用其中的一相來進(jìn)行同相供電將造成YNdll接線牽引變壓器容量的較大浪費(fèi)(達(dá)2/3)，很不經(jīng)濟(jì)。因此，很難在新建鐵路全線推廣YNdll接線牽引變壓器實(shí)施同相供電。[0007]除了單相牽引變壓器，線電壓型的同相供電可以來自三相-兩相平衡接線變壓器，其中多數(shù)三相-兩相平衡接線的一個(gè)端口為線電壓，另一個(gè)端口為相電壓，如Scott，Leblanc、(變型)Wood_Bridge及YNvd等,其中的線電壓可以與單相牽引變壓器的牽引變電所配合實(shí)現(xiàn)全線同相供電，是為優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是三相-兩相平衡接線牽引變壓器需要特殊制造，比標(biāo)準(zhǔn)接線變壓器費(fèi)用增加，并將造成備用牽引變壓器的部分容量閑置，影響經(jīng)濟(jì)性，也很難在新建鐵路上全線推廣。顯然，以牽引變電所的牽引變壓器接線方式中最簡捷、最經(jīng)濟(jì)的單相牽引變壓器為基礎(chǔ)，在必要時(shí)配以適量的同相(對稱)補(bǔ)償裝置，達(dá)到取消牽引變電所出口處電分相以消除供電瓶頸，治理負(fù)序以滿足三相電壓不平衡度(負(fù)序)限值的電能質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)牽引變電所接線方式和供電裝置容量的最佳匹配才是新建鐵路實(shí)現(xiàn)同相供電的最佳選擇。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是提供一種單相三相組合式同相供變電系統(tǒng)，它能取消牽引變電所出口處的電分相，有效地實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路同相供電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化，同時(shí)，能夠解決電氣化鐵路單相負(fù)荷造成的以三相系統(tǒng)負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量問題。本實(shí)用新型的目的是由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:該系統(tǒng)包括一臺牽引變壓器，一臺補(bǔ)償變壓器及其同相補(bǔ)償裝置，一臺備用牽引變壓器；牽引變壓器、補(bǔ)償變壓器和備用牽引變壓器的原邊接高壓母線；牽引變壓器、備用牽引變壓器的次邊和同相補(bǔ)償裝置的輸出端分別接牽引母線；正常時(shí)，牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器及其同相補(bǔ)償裝置工作，備用牽引變壓器不工作；牽引變壓器退出時(shí)，備用牽引變壓器投入工作；補(bǔ)償變壓器或同相補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行時(shí)，牽引變壓器可以單獨(dú)工作，備用牽引變壓器亦可替代牽引變壓器工作，并且可以在不同于牽引變壓器的線電壓上運(yùn)行。本實(shí)用新型的工作原理是:牽引變壓器和備用牽引變壓器采用單相接線，把電力系統(tǒng)的線電壓變送到牽引母線；補(bǔ)償變壓器采用YNdll三相標(biāo)準(zhǔn)接線，三相繞組容量按需求設(shè)置為一重二輕，次邊電壓等級與同相補(bǔ)償裝置配合，二者之間不設(shè)置耦合變壓器，同相補(bǔ)償裝置由單相交直交變流器構(gòu)成，其一側(cè)端口接在補(bǔ)償變壓器次邊與牽引母線的線電壓垂直的相電壓的繞組上，另一側(cè)端口接在牽引母線上；牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器等效于一臺次邊電壓相位垂直的三相-兩相平衡變壓器；牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器及其同相補(bǔ)償裝置一道給牽引網(wǎng)供電。同相補(bǔ)償裝置的容量由引起超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三相電壓不平衡度限值的牽引負(fù)荷的功率確定；牽引變壓器和備用牽引變壓器的容量由牽引負(fù)荷功率在扣減同相補(bǔ)償裝置的容量后根據(jù)其自身過負(fù)荷能力確定，補(bǔ)償變壓器的容量由其自身容量利用率、過負(fù)荷能力以及同相補(bǔ)償裝置的容量確定。正常工作過程中，當(dāng)牽引負(fù)荷功率小于等于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器及其同相補(bǔ)償裝置分別供給牽引負(fù)荷功率的1/2，此時(shí)負(fù)序電流得以完全補(bǔ)償，由此引起的三相電壓不平衡度為零；當(dāng)牽引負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，補(bǔ)償變壓器按同相補(bǔ)償裝置的容量供給，其余部分由牽引變壓器供給，此時(shí)有剩余負(fù)序電流流通，但它產(chǎn)生的三相電壓不平衡度滿足國標(biāo)要求。必要時(shí)同相補(bǔ)償裝置還可提供牽引負(fù)荷所需的無功功率和諧波補(bǔ)償電流。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:[0015]一、本實(shí)用新型可以最大程度減少價(jià)格昂貴的同相補(bǔ)償裝置中交直交變流器的容量及其所占比重，有效減少同相供變電裝置的一次性投資。二、本實(shí)用新型提出牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置的新式組合，提高了牽引變電所運(yùn)行的靈活性。補(bǔ)償變壓器或同相補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行時(shí)，牽引變壓器可以短時(shí)單獨(dú)工作，備用牽引變壓器亦可替代牽引變壓器工作，并且可以在不同于牽引變壓器的線電壓上運(yùn)行，以降低與其他牽引變電所的合成負(fù)序及由此產(chǎn)生的三相電壓不平衡度，并可以取消牽引變電所出口處的電分相環(huán)節(jié)。三、本實(shí)用新型可提高牽引變電所的供電資源與設(shè)備利用率。單相牽引變壓器的容量利用率為1，按照一重二輕設(shè)計(jì)制造的三相繞組YNdll接線補(bǔ)償變壓器的利用率為75%;通常單相牽引變壓器的容量大于YNdll接線補(bǔ)償變壓器的容量，當(dāng)單相牽引變壓器容量大于YNdll接線補(bǔ)償變壓器容量一倍時(shí)，二者綜合容量利用率將大于92%，高于既有三相-兩相牽引變壓器，也高于同相供電時(shí)的Vv接線和Vx接線牽引變壓器的容量利用率。四、本實(shí)用新型中的補(bǔ)償變壓器采用YNdll標(biāo)準(zhǔn)接線，便于制造，同時(shí)原邊可以實(shí)施大電流接地，次邊三相繞組還可提供三相對稱動力用電。五、本實(shí)用新型亦可用于AT供電牽引網(wǎng)及其牽引變電所。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。

圖1是實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型同相補(bǔ)償裝置CPD中的交直交變流器連接圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
為:一臺單相牽引變壓器TT，一臺YNdll標(biāo)準(zhǔn)接線補(bǔ)償變壓器CPT及其單相同相補(bǔ)償裝置CPD，一臺單相備用牽引變壓器BTT;牽引變壓器TT、補(bǔ)償變壓器CPT、備用牽引變壓器BTT原邊接在高壓母線B相和C相上，牽引變壓器TT、備用牽引變壓器BTT次邊be和同相補(bǔ)償裝置(PD的一端(可連接耦合變壓器T)接在牽引母線上；補(bǔ)償變壓器CPT次邊電壓等級與同相補(bǔ)償裝置(PD配合，二者之間不設(shè)置耦合變壓器，如選取10kV，同相補(bǔ)償裝置CPD由單相交直交變流器構(gòu)成，其一側(cè)端口接在補(bǔ)償變壓器CPT次邊與牽引母線的線電壓垂直的相電壓的繞組(a相)端口上，另一側(cè)端口接在牽引母線上；牽引變壓器TT和補(bǔ)償變壓器CPT及其同相補(bǔ)償裝置CPD —道給牽引網(wǎng)供電。正常時(shí)，牽引變壓器TT和補(bǔ)償變壓器CPT及其同相補(bǔ)償裝置CPD工作，備用牽引變壓器BTT不工作；牽引變壓器TT退出時(shí)，備用牽引變壓器BTT投入工作；補(bǔ)償變壓器CPT或同相補(bǔ)償裝置CPD退出運(yùn)行時(shí)，牽引變壓器TT可以短時(shí)單獨(dú)工作，備用牽引變壓器BTT亦可替代牽引變壓器TT工作，并且可以在不同于牽引變壓器TT的線電壓上運(yùn)行。補(bǔ)償變壓器CPT采用YNdll三相標(biāo)準(zhǔn)接線，三相繞組容量按需求設(shè)置為一重二輕，原邊可以大電流接地，次邊還提供三相動力用電。本實(shí)用新型的工作原理是:牽引變壓器TT和補(bǔ)償變壓器CPT等效于一臺次邊電壓相位垂直的三相-兩相平衡變壓器；牽引變壓器TT和補(bǔ)償變壓器CPT及其同相補(bǔ)償裝置(PD—道給牽引網(wǎng)供電。同相補(bǔ)償裝置CPD的容量由引起超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三相電壓不平衡度限值的牽引負(fù)荷的容量確定；牽引變壓器TT和備用牽引變壓器BTT的容量由牽引負(fù)荷功率在扣減同相補(bǔ)償裝置CPD的容量后根據(jù)其自身過負(fù)荷能力確定，補(bǔ)償變壓器CPT的容量由其自身容量利用率、過負(fù)荷能力以及同相補(bǔ)償裝置CPD的容量確定。正常工作過程中，當(dāng)牽引負(fù)荷功率小于等于同相補(bǔ)償裝置(PD容量的2倍時(shí)，牽引變壓器TT和補(bǔ)償變壓器CPT及其同相補(bǔ)償裝置CPD分別供給牽引負(fù)荷功率的1/2，此時(shí)負(fù)序電流得以完全補(bǔ)償，由此引起的三相電壓不平衡度為零；當(dāng)牽引負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置CPD容量的2倍時(shí)，補(bǔ)償變壓器CPT按同相補(bǔ)償裝置CPD的容量供給，其余部分由牽引變壓器TT供給，此時(shí)有剩余負(fù)序電流流通，但它產(chǎn)生的三相電壓不平衡度滿足國標(biāo)要求。必要時(shí)同相補(bǔ)償裝置CPD尚可提供牽引負(fù)荷所需的無功功率和諧波補(bǔ)償電流。同相補(bǔ)償裝置(PD中的交直交變流器，其中，交直交變流器為大功率開關(guān)器件(例如集成門極換向晶閘管IGCT或絕緣柵雙極性晶體管IGBT)組成的單相變流器，即通過直流儲能電容C連接的背靠背靜止無功發(fā)生器SVG。
權(quán)利要求1.一種單相三相組合式同相供變電系統(tǒng)，包括牽引變壓器(TT)、補(bǔ)償變壓器(CPT)和備用牽引變壓器(BTT)，其特征在于:牽引變壓器(TT)、補(bǔ)償變壓器(CPT)和備用牽引變壓器(BTT)的原邊接高壓母線；牽引變壓器(TT)、備用牽引變壓器(BTT)的次邊和同相補(bǔ)償裝置(CPD)的輸出端分別接牽引母線；牽引變壓器(TT)和備用牽引變壓器(BTT)采用單相接線；補(bǔ)償變壓器(CPT)采用YNdll三相標(biāo)準(zhǔn)接線；同相補(bǔ)償裝置(CPD)由單相交直交變流器構(gòu)成，其一側(cè)端口接在補(bǔ)償變壓器(CPT)次邊與牽引母線的線電壓垂直的相電壓的繞組上，另一側(cè)端口接牽引母線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相三相組合式同相供變電系統(tǒng)，其特征在于:補(bǔ)償變壓器(CPT)的三相繞組容量按需求設(shè)置為一重二輕，其次邊電壓等級與同相補(bǔ)償裝置(CPD)配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相三相組合式同相供變電系統(tǒng)，其特征在于:同相補(bǔ)償裝置(CPD)的容量由超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三相電壓不平衡度限值的牽引負(fù)荷的功率確定；牽引變壓器TT和備用牽引變壓器(BTT)的容量由牽引負(fù)荷功率在扣減同相補(bǔ)償裝置(CPD)的容量后根據(jù)其自身過負(fù)荷能力確定，補(bǔ)償變壓器(CPT)的容量由其自身容量利用率、過負(fù)荷能力以及同相補(bǔ)償裝置(CPD)的容量確定。
專利摘要一種單相三相組合式同相供變電系統(tǒng)，其中一臺單相牽引變壓器，一臺三相YNd11接線的補(bǔ)償變壓器及其單相的同相補(bǔ)償裝置；同相補(bǔ)償裝置由交直交變流器構(gòu)成；牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器等效于一臺次邊電壓相位垂直的三相-兩相平衡變壓器；正常時(shí)，牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器及其同相補(bǔ)償裝置一道按規(guī)定比例為牽引負(fù)荷供電；補(bǔ)償變壓器或同相補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行時(shí)，牽引變壓器可短時(shí)獨(dú)立工作；備用牽引變壓器可替代牽引變壓器工作亦可在不同于牽引變壓器的線電壓上運(yùn)行。該系統(tǒng)可取消牽引變電所出口處的電分相并滿足以三相電壓不平衡度為主的電能質(zhì)量要求，達(dá)到牽引供電資源的最佳配置。
文檔編號B60M3/00GK202986865SQ201220739389
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者李群湛, 賀建閩, 張麗艷, 郭鍇, 趙元哲, 夏焰坤, 李亞楠, 解紹鋒, 周福林, 陳民武, 劉煒, 李子晗 申請人:西南交通大學(xué)