一种组合式同相供电构造的制作方法

本实用新型涉及电气化铁路牵引供电领域，尤其涉及一种单相多绕组变压器与三相变压器的组合式同相供变电构造。

背景技术：

我国电气化铁道普遍采用单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案，分相分区处的相邻供电区间设置分相绝缘器，称为电分相或分相。为防止电力机车带电通过电分相造成燃弧而烧坏接触网悬挂部件，甚至导致相间短路等事故，同时随着列车速度的不断升高，在司机无法手动进行退级、关辅助机组、断主断路器、靠列车惯性驶过中性段、再合主断路器、合辅助机组、进级恢复牵引功率来完成过分相的情况下，现有牵引供电系统中引入了自动过分相技术，主要有地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上自动过分相等几种，但仍存在开关切换中列车通过电分相的暂态电气过程，易产生较大的操作过电压或过电流，造成牵引网与车载设备烧损等事故，影响供电可靠性和列车安全运行。因此，电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。

高速和重载铁路已广泛采用基于igbt全控性器件的大功率交-直-交型电力机车或动车组，其核心是多组四象限pwm控制和多重化控制的牵引变流器，在实际运行中谐波含量小，功率因数接近1，但交-直-交型电力机车或动车组牵引功率大，如大编组运行的单车高速动车组其额定功率达25mw(相当普速铁路5列车)，这些大量开行的大功率单相负荷对三相电网造成的日益严重的以三相电压不平衡度(负序)为主的电能质量问题不能不受到重视。

理论和实践表明，采用同相供电技术可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈的同时，还能有效治理负序电流、达到以三相电压不平衡度(负序)限值为主的电能质量要求，有利于促进电力与铁路的和谐发展。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型目的是提供一种组合式同相供电构造，不仅能有效地实现电气化铁路同相牵引供电，取消变电所出口的电分相，还能有效消除电气化铁路单相负荷造成的三相系统的电压不平衡问题，同时有关绕组具有高度集成性，占地少，易于安装。

鉴于此，本实用新型采用如下技术方案：

一种组合式同相供电构造，其中，包括第一牵引变压器、与所述第一牵引变压器互为备用的第二牵引变压器、三相补偿变压器和同相补偿装置；所述第一牵引变压器和第二牵引变压器的原边为与三相高压母线连接的单相绕组，其次边均分别包括与牵引母线连接的牵引绕组和补偿绕组；所述三相补偿变压器的原边与三相高压母线连接，其次边一相引出端口与同相补偿装置的输入端连接；所述第一牵引变压器和所述第二牵引变压器的次边的补偿绕组两两并接构成补偿母线；所述补偿母线分别与同相补偿装置的输出端对应连接。

优选地，所述同相补偿装置设置多个，所述三相补偿变压器的次边一相引出端口与每个同相补偿装置的输入端的并接端口连接，且每个同相补偿装置互为并联。

优选地，所述三相补偿变压器的次边与同相补偿装置的输入端的串接端口连接。

进一步优选地，所述相邻同相补偿装置的输入端的之间并接一开关。

进一步优选地，所述第一牵引变压器和第二牵引变压器的牵引绕组及补偿绕组端口电压同相位，且均与三相高压母线中一线电压同相。

进一步优选地，所述三相补偿变压器次边一相引出端口电压与三相高压母线中一相电压同相，且与所述第一牵引变压器和第二牵引变压器的牵引绕组或补偿绕组的电压相位垂直。

优选地，所述第一牵引变压器的次边的补偿绕组的数量、所述第二牵引变压器的次边的补偿绕组的数量、同相补偿装置的数量和补偿母线的数量均相等。

进一步优选地，所述第一牵引变压器或第二牵引变压器的每个补偿绕组的容量不大于所述第一牵引变压器或第二牵引变压器的牵引绕组的容量。

优选地，所述同相补偿装置可采用背靠背结构的h桥级联或低压h桥。

优选地，所述三相补偿变压器可采用ynd11接线。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果为：

一、本实用新型可以提高牵引变电所运行的灵活性及可靠性。三相补偿变压器或同相补偿装置退出运行时，第一牵引变压器可以继续单独工作，第一牵引变压器退出运行时，第二牵引变压器投入运行。补偿支路适当增加冗余备用，单个同相补偿装置退出运行不影响系统的正常运行；

二、本实用新型相对于传统的同相供变电构造，取消牵引网侧的匹配变压器，其功能由第一牵引变压器的补偿绕组替代，能节省牵引所的设备占地面积，减少设备的安装及维护的数量；

三、本实用新型的三相补偿变压器采用ynd11标准接线，便于制造，同时原边可以实施大电流接地，次边三相绕组还可提供三相对称动力用电；

四、本实用新型采用同相补偿装置在补偿绕组和三相补偿变压器中产生等量的、方向相同的负序功率，该负序功率与第一牵引变压器或第二牵引变压器的牵引绕组中的牵引负荷功率方向相反，从而实现有效消除电气化铁路单相负荷造成的三相系统的电压不平衡问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例一所述组合式同相供电构造的结构示意图。

图2是本实用新型实施例一所述组合式同相供电构造的具体结构示意图。

图3是本实用新型实施例二所述所述组合式同相供电构造的结构示意图。

图4是本实用新型实施例二所述组合式同相供电构造的具体结构示意图。

具体实施方式

为了更好理解本实用新型的创造思想，在此将本实用新型的工作原理作如下说明：

第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc、同相补偿装置cpd以及三相补偿变压器cpt共同构成补偿支路。同相补偿装置cpd在补偿绕组wc和三相补偿变压器cpt中产生等量的、方向相同的负序功率，该负序功率与第一牵引变压器tt1或第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt中的牵引负荷功率方向相反。合理设计和控制补偿支路的功率容量，可以使得牵引负荷的剩余负序电流引起的三相电压不平衡度被限制在国标范围之内，三相电压不平衡度满足国标要求。

实施例一

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种组合式同相供电构造，该组合式同相供电构造包括第一牵引变压器tt1、与所述第一牵引变压器tt1互为备用的第二牵引变压器tt2、三相补偿变压器cpt和n个同相补偿装置cpd，n为正整数；所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的原边为与三相高压母线连接的单相绕组，其次边均分别包括与牵引母线bt连接的牵引绕组wt和n个补偿绕组wc；所述三相补偿变压器cpt的原边与三相高压母线的a相、b相、c相连接，其次边一相引出端口与每个同相补偿装置cpd的输入端连接；所述第一牵引变压器tt1和所述第二牵引变压器tt2的次边的补偿绕组wc两两并接构成n个补偿母线bc；所述每个补偿母线bc分别与每个同相补偿装置cpd的输出端一一对应连接。

在本实用新型实施例中，所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt一端与牵引母线bt连接，所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt另一端接地。所述第一牵引变压器tt1的补偿绕组wc和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc相互对应连接形成n个补偿母线bc。

所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt及补偿绕组wc端口电压同相位，且均与三相高压母线中一线电压同相。所述三相补偿变压器cpt次边一相引出端口电压相位与所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt和补偿绕组wc的电压相位垂直。

所述第一牵引变压器tt1的次边的补偿绕组wc的数量、所述第二牵引变压器tt2的次边的补偿绕组wc的数量、同相补偿装置cpd的数量和补偿母线bc的数量均相等。所述第一牵引变压器tt1或第二牵引变压器tt2的每个补偿绕组wc的容量不大于所述牵引绕组wt的容量。

在本实用新型实施例中，每个同相补偿装置cpd可采用背靠背结构的h桥级联或低压h桥。所述三相补偿变压器cpt可采用ynd11的三相标准接线。

如图2所示，为了更好地理解本实用新型实施例所述的技术方案，以同相补偿装置cpd采用背靠背结构的h桥级联和三相补偿变压器cpt采用ynd11接线为例来具体说明：该组合式同相供变电构造包括一台第一牵引变压器tt1、一台三相补偿变压器cpt、一个或多个背靠背结构的同相补偿装置cpd以及一台第二牵引变压器tt2；第一牵引变压器tt1、三相补偿变压器cpt以及第二牵引变压器tt2的原边接三相高压母线，三相高压母线各相标为a、b、c；第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的次边分别由一个牵引绕组wt和多个补偿绕组wc构成，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt分别接牵引母线bt，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc数量相等，两两并接形成多个补偿母线bc，每个补偿母线bc分别与相对应的同相补偿装置cpd的输出端连接；所述每个同相补偿装置cpd的输入端并接到三相补偿变压器cpt的次边一相引出端口。

在本实用新型实施例中，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc数量以及同相补偿装置cpd的数量根据工程需要适当增加冗余备份，当其中某台同相补偿装置cpd停止运行时，能继续工作。

另外，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的所有补偿绕组wc与其牵引绕组wt对应的端口电压相同，且对应三相系统的线电压与三相补偿变压器cpd次边一相引出端口输出相电压之间二者的相位垂直；每个同相补偿装置cpd的交流输出端口的输出功率等于其交流输入端的输入功率，二者相位也相差90°；同相补偿装置cpd在所有补偿绕组wc和三相补偿变压器cpt次边绕组产生的负序大小相等、相位相同，且与牵引负荷产生的负序相位相反，实现负序补偿。三相补偿变压器cpt采用ynd11的三相标准接线拓扑，原边提供大电流接地点，其次边三相绕组的功率容量按需设置为一重两轻，次边重绕组连接到到所有彼此相互并联的同相补偿装置cpd的并接端口，其功率容量及电压大小与同相补偿装置cpd的功率容量及端口电压匹配。

在本实用新型实施例中，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc、同相补偿装置cpd以及三相补偿变压器cpt共同构成补偿支路；合理设计和控制补偿支路的功率容量，可以使得牵引负荷的剩余负序电流引起的三相电压不平衡度被限制在国标范围之内，三相电压不平衡度满足国标要求。

实施例二

如图3所示，本实用新型实施例提供了一种组合式同相供电构造，该组合式同相供电构造包括第一牵引变压器tt1、与所述第一牵引变压器tt1互为备用的第二牵引变压器tt2、三相补偿变压器cpt和n个同相补偿装置cpd，n为正整数；所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的原边为与三相高压母线连接的单相绕组，其次边均分别包括与牵引母线bt连接的牵引绕组wt和n个补偿绕组wc；所述三相补偿变压器cpt的原边与三相高压母线的a相、b相、c相连接，其次边与每个同相补偿装置cpd的输入端连接；所述第一牵引变压器tt1和所述第二牵引变压器tt2的次边的补偿绕组wc两两并接构成n个补偿母线bc；所述n个补偿母线bc分别与n个同相补偿装置cpd的输出端一一对应连接。

在本实用新型实施例中，所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt一端与牵引母线bt连接，所述第一牵引变压器tt1的补偿绕组wc一端和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc相互对应连接形成n个补偿母线bc。在本实用新型实施例中，为了提高同相供电的可靠性，所述相邻同相补偿装置cpd的输入端的之间并接一开关k，从而能根据工况需要适当增减冗余备份以及保证在单个同相补偿装置退出运行的情况下不影响系统的正常运行。

所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt及补偿绕组wc端口电压同相位，且均与三相高压母线中一线电压同相。所述三相补偿变压器cpt次边一相引出端口的电压相位与所述第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt或补偿绕组wc的电压相位垂直。

所述第一牵引变压器tt1的次边的补偿绕组wc的数量、所述第二牵引变压器tt2的次边的补偿绕组wc的数量、同相补偿装置cpd的数量和补偿母线bc的数量均相等。所述第一牵引变压器tt1或第二牵引变压器tt2的每个补偿绕组wc的容量不大于所述牵引绕组wt的容量。

在本实用新型实施例中，每个同相补偿装置cpd可采用背靠背结构的h桥级联或低压h桥。所述三相补偿变压器cpt可采用ynd11的三相标准接线。

如图4所示，为了更好地理解本实用新型实施例所述的技术方案，以同相补偿装置cpd采用背靠背结构的h桥级联和三相补偿变压器cpt采用ynd11接线为例来具体说明：该组合式同相供变电构造包括一台第一牵引变压器tt1、一台三相补偿变压器cpt、n个背靠背结构的同相补偿装置cpd以及一台第二牵引变压器tt2；第一牵引变压器tt1、三相补偿变压器cpt以及第二牵引变压器tt2的原边接三相高压母线，三相高压母线各相标为a、b、c；第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的次边分别由一个牵引绕组wt和n个补偿绕组wc构成，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt分别接牵引母线bt，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc数量相等，两两并接形成n个补偿母线bc，每个补偿母线bc分别与相对应的同相补偿装置cpd的输出端连接；所述每个同相补偿装置cpd的输入端并接到三相补偿变压器cpt的次边一相引出端口。

在本实用新型实施例中，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc数量以及同相补偿装置cpd的数量根据工程需要适当增加冗余备份，当其中某台同相补偿装置cpd停止运行时，能继续工作。

另外，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的所有补偿绕组wc与其牵引绕组wt对应端的极性相同，且对应三相系统的线电压与三相补偿变压器cpd次边绕组输出相电压之间二者的相量垂直；每个同相补偿装置cpd的交流输出端的输出功率等于其交流输入端的输入功率，二者相位也相差90°；同相补偿装置cpd在所有补偿绕组wc和三相补偿变压器cpt次边绕组产生的负序大小相等、相位相同，且与牵引负荷产生的负序相位相反，实现负序补偿。三相补偿变压器cpt采用ynd11的三相标准接线拓扑，原边提供大电流接地点，其次边三相绕组的功率容量按需设置为一重两轻，次边重绕组连接到到所有同相补偿装置cpd的串接端口，其功率容量及电压大小与同相补偿装置cpd的功率容量及端口电压匹配。

在本实用新型实施例中，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc、同相补偿装置cpd以及三相补偿变压器cpt共同构成补偿支路；合理设计和控制补偿支路的功率容量，可以使得牵引负荷的剩余负序电流引起的三相电压不平衡度被限制在国标范围之内，三相电压不平衡度满足国标要求。

为了更好理解上述实施例一和实施例二，当正常工作时，第一牵引变压器tt1、同相补偿装置cpd以及三相补偿变压器cpt工作，第二牵引变压器tt2不工作；或当第一牵引变压器tt1退出时，第二牵引变压器tt2投入工作；现对本实用新型所述组合式同相供电构造的补偿具体操作方法作如下详细说明：

当所述第一牵引变压器tt1或第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt供给牵引功率时，补偿绕组wc向其所连接的同相补偿装置cpd输出端输出负的补偿负荷，三相补偿变压器cpt次边一相引出端口向其所连接的同相补偿装置cpd输入端输出正的补偿负荷，所述负的补偿负荷的量值等于所述正的补偿负荷的量值；

当所述第一牵引变压器tt1或第二牵引变压器tt2的牵引绕组wt供给再生功率时，补偿绕组wc向其所连接的同相补偿装置cpd输出端输出正的补偿负荷，三相补偿变压器cpt次边一相引出端口向其所连接的同相补偿装置cpd输入端输出负的补偿负荷，所述正的补偿负荷的量值等于所述负的补偿负荷的量值。

在本实用新型实施例中，当同相补偿装置cpd以及三相补偿变压器cpt退出运行时，第一牵引变压器tt1单独工作，第二牵引变压器tt2也可以替代第一牵引变压器tt1单独工作。在这种情况，该组合式同相供变电构造不能进行本实用新型实施例所述的补偿方法，仅供给牵引功率。但有利于提高牵引变电所运行的灵活性及可靠性。

在本实用新型实施例中，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的所有补偿绕组wc与其牵引绕组wt对应端的极性相同，且对应三相系统的线电压与三相补偿变压器cpd次边一相引出端口输出相电压之间二者的相位垂直；所有同相补偿装置cpd的一个交流端口的输出功率等于其另一个交流端口的输入功率，二者相位也相差90°；同相补偿装置cpd在所有补偿绕组wc和三相补偿变压器cpt次边引出端口产生的负序大小相等、相位相同，且与牵引负荷产生的负序相位相反，实现负序补偿。三相补偿变压器cpt采用ynd11的三相标准接线拓扑，原边提供大电流接地点，其次边三相绕组的功率容量按需设置为一重两轻，次边重绕组连接到所有彼此相互并联的同相补偿装置cpd的并接端口或连接到所有同相补偿装置cpd的串接端口，其功率容量及电压大小与同相补偿装置cpd的功率容量及端口电压匹配。

第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的所有补偿绕组wc，每个同相补偿装置cpd以及三相补偿变压器cpt共同构成补偿支路；当正常工作时，牵引负载的功率由第一牵引变压器tt1的原边绕组及补偿支路共同提供；当牵引负载的功率等于或小于补偿支路功率容量的2倍时，第一牵引变压器tt1的原边绕组及补偿支路各提供1/2牵引负载的功率，此时牵引负载引起的负序电流得到完全补偿；当牵引负载的功率大于补偿支路功率容量的2倍时，补偿支路满负荷工作，此时三相电网有剩余负序电流；合理设计补偿支路的功率容量，可以使得牵引负载的剩余负序电流引起的三相电压不平衡度被限制在国标范围之内，三相电压不平衡度满足国标要求。

另外，第一牵引变压器tt1和第二牵引变压器tt2的补偿绕组wc数量以及同相补偿装置cpd的数量根据工程需要适当增加冗余备份，当其中某台同相补偿装置cpd停止运行时，能继续工作。

综上所述，本实用新型所述的同相供变电构造是以单相多绕组的牵引变压器和三相补偿变压器为基础，配以适当容量的同相补偿装置(交直交补偿装置)，达到取消牵引变电所出口处电分相以消除供电瓶颈的目的，以及治理负序，满足三相电压不平衡度(负序)限值的电能质量要求，实现牵引变电所接线方式和供电装置容量的良好匹配。另外，本实用新型还可提高系统灵活性及可靠性，降低牵引所设备安装占地面积，减少设备安装及维护数量，同时ynd11结构的三相补偿变压器为三相高压侧提供了大电流接地点。