牵引变压器接线及其电气量分析

第二章牵引变压器接线及其电气量分析§2.1概述我国电气化铁路采用单相工频交流制式，取电于电力系统。我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相-两相制式：牵引变压器除了电压变换外，还有电流和阻抗变换，称为系统变换：牵引变压器A.B.Co.α.β§2.1单相牵引变电所(通过课后p593.4题自学)采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。单相牵引变电所一、纯单相结线高压绕组AX接三相电源的某两相(如图中的AC相)，电压为110kV或220kV。低压绕组ax，首端a接至牵引母线上，末端x与钢轨、地连接，输出电压27.5kV。接牵引母线的一端，同时给左右两侧的供电臂供电。纯单相I,i接线单相V,v接线ABC(A)(X)(a)(x)T变压器的容量利用率是牵引变电所运行的重要经济指标。优点：容量可以充分利用，变电所的主接线简单、设备少。缺点：在三相系统形成较大的负序电流；不能实现双边供电；变电所无三相电源，所用电需由附近的地方电网引入。%100额定容量额定输出容量K%100%1002121UIUIUIK纯单相结线牵引变电所适用于：电力系统容量较大，地方电网较发达的地区。如：哈(尔滨)—大(连)线全部采用纯单相结线，牵引变电所接于容量较大的220kV电网。abcABC牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器，作V,v接线。V,v接线牵引变压器原边接入电力系统的两个线电压(如AB、BC)。次边各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，公共端子与轨道及接地网连接。由于对地电压相位不同，中间必须用分相绝缘器断开。二、单相V,v结线1.原、次边电流关系设变比为KTABCAIBICIABIBCIabIbcIabUbcUbcTBCCbcabTBCABBabTABAbcTBCabTABIKIIIIKIIIIKIIIKIIKI1)(1)(1112.额定利用率当Iab、Ibc达到额定值Ie时，即Iab=Ibc=Ie，则额定输出容量：S=IabUe+IbcUe=2UeIe额定容量：S=2UeIe所以，K=100%3.跨相供电当一台变压器因故停电时，另一台变压器必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。优点：容量利用率为100%，可以供给所内及地区三相负荷，对牵引网还可实行双边供电。和纯单相结线比，对系统的负序影响减小。设备相对较少。缺点：跨相供电在阳(平关)—安(康)等线路应用。三相牵引变电所中大多采用的是110kV油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用YN,d11标准联结组。1.原理电路图高压侧绕组为YN，三个端子(A)、(B)、(C)接电力系统的A、B、C三相(或ACB，BCA…)，中性点通过隔离开关QS接地。中性点何时接地由电力调度决定，通常是断开的。次边绕组接成Δ，(c)端子接钢轨和地。(a)、(b)端子分别接牵引母线。ABC**(A)(X)(B)(Y)(C)(Z)(a)(b)(c)(x)(y)(z)(a)(b)(c)QS§2.2三相YN,d11接线牵引变电所★（）内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边其中绕组(ax)，(cz)为负荷相绕组；绕组(by)为自由相绕组注意：带“（）”的字母表示端子号，应与电力系统相序区分。ABC**(A)(X)(B)(Y)(C)(Z)(a)(b)(c)(x)(y)(z)(a)(b)(c)QS端子标志及引出线为了便于分析，通常采用展开图。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(c)端子接钢轨和地；(A)(B)(C)*(a)*(b)(c)2.展开图(4)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致。下标的标注：(1)电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。(2)臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。3.电压、电流相量的规格化定向(1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，(看作负载)，即牵引变压器从电力系统吸收电能。(2)次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，(看作电源)，即牵引变压器是次边负荷的电源。(3)原边绕组电压与实际进线电压一致。AIBICIAU+-BUCUcIaIbI+-cUaU*La*ABCLbbU+-bU+-aUbIaI次边电压、电流相量图：将负荷端口电压进行相位比较，引前120°者称为引前相；另一为滞后相；另一端口(无负荷)为自由相。注：与电力系统的相序一致aUbUcUaIbIabaUbUcUab(以为参考相量)aU，分别表示负荷La、Lb的功率因数角。4.次边绕组电流与负荷端口电流的关系cIbI32bI31aI31bIbI31aI31aI32aIbIaIabcbaaIII3132bacIII3131babIII3231次边三相绕组电流相量图：设次边两负荷相等。以为基准相量：将Ia、Ib代入得：aI0IIa120IIbaIbIbaaIII3132aIbabIII3231bIbacIII3131cI1.19365.2120310323132IIIIIIbaa1.139365.212032031IIIIb1203112031031IIIIc从计算结果可看出，各相绕组电流极不对称。在两臂负荷相等情况下，Ia=Ib=I(1)两接地相绕组(臂绕组)的电流大小相等，非接地相绕组(自由相绕组)的电流较小，(2)馈线负荷电流为臂绕组电流的倍，IIIba365.2acIII65.213165.23aII65.235.容量利用率设额定输出电压为Ue，两供电臂额定电流Ia=Ib=Ie三相变压器的额定容量为：额定输出容量为：%100eoutSSKeleeIUS3eebeaeoutIUIUIUS2elepII31elelepeIIII655.03165.2365.23eleeleeeoutIUIUIUS134.1655.022%6.75%1003134.1%100eleeleeoutIUIUSSK6.优缺点优点:(1)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。(2)结构相对简单，绕组可采取分级绝缘，造价较低。(3)运用技术成熟，供电安全，可靠性好。(4)变电所有三相电源，不但所内自用电可靠，而且必要时还可向地方负荷供电。缺点：(1)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%。(2)和单相结线牵引变电所相比，主接线比较复杂，设备多，占地面积大，工程投资大，而且维护检修的工作量和费用也相应增加。YN,d11归算到负荷端口的等值电路模型+-U+-E+-E-+U-+IIIIITSZZTSZZTSZZ1.概述：这种牵引变电所中变压器为三相—两相平衡变压器。在电力系统中对称和平衡是有区别的：平衡“0序”，即无“0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§2.3三相--两相牵引变电所而电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引变压器不会在电力系统中产生“0序分量”，但通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡而不对称的。也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑“0序”，只考虑负序，又把对称变压器称为平衡变压器，目的都是消除或削弱负序。。几种主要的平衡变压器的缩写和接线简图如表所示几种主要平衡接线变压器简况接线方式缩写接线简图适用供电方式ScottSCT，直接供电BTLeBlancLBL铁路少用ModifiedLeBlancMLB，直接供电BTküblerKBL，直接供电BTWood-BridgeWBR铁路少用ModifiedWood-BridgeMWBATAutoWoodBridgeAWBAT本章将重点分析Scott。接线变压器由两台单相变压器构成。变压器的原边绕组联成倒T形接入三相电力系统，副边绕组联成相位差为90°的V形，公共端接地和钢轨，两个开口端分别接入接触网相邻的两区段，相邻两接触网对地电压相位不同，故相邻两接触网区段必须用分相绝缘器断开。ABCO2.Scott变压器接线牵引变电所(1)原、次边电压关系及变比关系ABC**AIBICI1ω2ω1ω2ωDβIαIβUαU(M)(T)(M)座变压器的绕组原边接入电力系统AB相(线电压)，(T)座变压器绕组原边一端接(M)座绕组的中点D，另一端接入C相。分析：以原边相电压为参考相量，则：(T)座原边电压为：ABC**AIBICI1ω2ω1ω2ωDβIαIβUαU(M)(T)AU303AABUUCDU12023302315032112021AAAABABABCAADCADACACDCADACDUUUUUUUUUUUUUUU(T)座原边绕组匝数是(M)座的，而副边匝数相等()。(M)座变压器变比:(T)座变压器变比:由于(M)与(T)两变压器原边电压的关系对应于等边三角形底边和高的关系，故通常称M座为底变压器，T座为高变压器。232221MKMTKK2323212190239023UKUKUUMABTCD(2)原、次边电流关系列写电流和磁势平衡关系式原边电流：若副边两相牵引负荷电流相等时，且M、T两供电臂功率因数相等时，以为参考相量：列磁势平衡方程：ABC**AIBICI1ω2ω1ω2ωDβIαIβUαU(M)(T)0CBAIIII900IIII21212112322IIIIIIICCBA将代入得：0CBAIII21212112322IIIIIIICCBAMKIIII219009032150323032MCMBMAKIIKIIKII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牵引变压器原边三相电流大小相等，相位互差120°，即原边三相电流对称。达到额定输出时，即，此时：变压器额定输出容量：变压设计容量：eIIIeMCBAIKIII32eeUIUIUIS2eMMeABMeMeABCDBABAABCCDbUIKUKIUKIKIUUIUIUIUS)321()123(32)123(3232)(2121%8.92%1003212%100beSSK(3)Scott变压器容量利用率所谓平衡变压器必须满足：(1)无论二相侧(负荷侧)负荷状况如何，三相侧(系统侧)均无零序电流。即三相侧电流为“平衡系”；(2)当二相侧两臂负荷相等时，三相侧负序电流为零。即三相侧电流为“对称系”。这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通YN,d11接线变压器的自由相上增加两个绕组。这种结构是目前现有平衡牵引变压器中最简单的。使副边Δ内各绕组阻抗满足阻抗匹配原则，从而使原边平衡，即三个绕组阻抗满足:Zab=λZbc=λZac3.阻抗匹配平衡变压器(自学)(1)接线图:原边接线与普通YN,d11接线变压器的原边情况完全相同；次边三角形接线结构有所改变，即在非接地相增设了两个外移绕组：和。(c)端子仍接地。、两端分别接到牵引侧两相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电。ABC(A)(B)(C)1ω1ω1ω2