一种三相组合式同相供变电构造的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相组合式同相供变电构造，采用单相结构的牵引变压器和同相供电装置；同相供电装置由高压匹配变压器、交直交变流器、牵引匹配变压器构成；两个高压匹配变压器的原边绕组与牵引变压器原边绕组构成三角形连接组。高压匹配变压器的次边绕组连接交直交变流器入端，交直交变流器出端连接牵引匹配变压器原边。牵引变压器次边绕组和牵引匹配变压器次边绕组的电压幅值和相位相同且均与牵引母线相接；本发明可实现牵引供电资源的优化配置，减少建设投资,并具有节能效果显著的优点。既便于用于Vv接线或Vx接线牵引变电所的同相供电改造；也适于未来用一组新的同相供电装置替代牵引变压器而实施贯通同相供电。
【专利说明】一种三相组合式同相供变电构造
【技术领域】
[0001]本发明涉及交流电气化铁路供电领域，尤其涉及一种三相组合式同相供变电构造。
【背景技术】
[0002]电气化铁道普遍采用由公用电力系统供电的单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡分配，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之间用分相绝缘器分割，形成电分相，也称分相。为防止电力机车带电过分相发生因燃弧而烧坏接触网悬挂部件，甚至导致相间短路等事故，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，采用了自动过分相技术，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过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，甚至导致自动过分相操作失败，影响供电可靠性和列车安全运行。因此，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。
[0003]高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控型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，谐波含量小，功率因数接近于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 (相当于普速铁路的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以三相电压不平衡度(负序)为主的电能质量问题日益严重，不能不受到重视。
[0004]理论和实践均表明采用同相供电技术可以在取消牵引变电所出口分相、消除供电瓶颈、增加供电能力、增强节能效果的同时，还能有效治理负序电流，达到以三相电压不平衡度国标限值为主的电能质量要求，有利于促进电力与铁路的共同与和谐发展。
[0005]现阶段实现同相供电的一个关键是牵引网的电压相位，它由一定接线方式的牵引变压器的牵引端口决定，其中，牵引变电所中各种牵引变压器最简捷、最经济的接线方式是单相牵引变压器，并且我国高速铁路、客运专线广泛采用单相接线或由此发展的Vv及Vx接线。显然，以牵引变电所的牵引变压器接线方式中最简捷、最经济的单相牵引变压器为基础，在必要时配以适量的同相(对称)补偿装置，从而达到取消牵引变电所出口分相以消除供电瓶颈，治理负序以满足三相电压不平衡度(负序)限值的电能质量要求的目标，是实现牵引变电所接线方式和供电装置容量良好匹配的同相供电的优先选择。
[0006]为此，本发明人曾提出了一种单相三相组合式同相供变电装置(中国发明申请号:201210583674.X)和一种单相组合式同相供变电构造(中国发明申请号:201310227591.1),前者适于中性点大电流接地系统和/或需要输出三相自用电的场合，后者适于单相牵引变压器原边中点可抽出的场合，现提出一种三相组合式同相供变电构造，适于不需要中性点大电流接地、单相牵引变压器原边中点不可抽出的场合，特别对既有Vv及Vx接线牵引变电所改造增加了新的选择方案。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就是提供一种三相组合式同相供变电构造，取消牵引变电所出口的分相，优化电气化铁路同相供电的技术经济指标，消除电气化铁路单相负荷造成的三相系统的负序(电压不平衡)影响，为同相供电实施提供更多地选择方案。
[0008]本发明的目的是由以下技术方案来实现的:
[0009]一种三相组合式同相供变电构造，包括牵引变压器TT、备用牵引变压器TB、第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2 ;第一同相供电装置CPDl由第一高压匹配变压器HMT1、第一交直交变流器ADAl和第一牵引匹配变压器TMTl构成；第二同相供电装置CPD2由第二高压匹配变压器HMT2、第二交直交变流器ADA2和第二牵引匹配变压器TMT2构成；牵引变压器TT、备用牵引变压器TB、第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2均为单相结构；牵引变压器TT原边绕组、第一高压匹配变压器HMTl原边绕组和第二高压匹配变压器HMT2原边绕组分别连接于电力系统三组线电压，构成三角形连接组；牵引变压器TT原边绕组和备用牵引变压器TB原边绕组连接电力系统同一组线电压；第一与第二高压匹配变压器的次边绕组分别连接第一与第二交直交变流器的入端；第一和第二交直交变流器的出端分别连接第一和第二牵引匹配变压器的原边，产生与牵引变压器TT相同相位和频率的电压；牵引变压器TT次边绕组、备用牵引变压器TB次边绕组和两牵引匹配变压器的次边绕组的电压幅值和相位相同且均与牵引母线相接。当牵引变压器TT故障或按计划检修时，备用牵引变压器TB投入运行。
[0010]可以配备与第一高压匹配变压器HMTl相同结构的第一备用高压匹配变压器HMTBl，为第二高压匹配变压器HMT2配备与之相同结构的第二备用高压匹配变压器HMTB2 ；第一高压匹配变压器HMT1、第二高压匹配变压器HMT2与牵引变压器TT的单铁心构成三铁心牵引变压器TG;第一备用高压匹配变压器HMTB1、第二备用高压匹配变压器HMTB2与备用牵引变压器TB的单铁心构成备用三铁心牵引变压器TGB。当三铁心牵引变压器TG故障或按计划检修时，备用三铁心牵引变压器TGB投入运行。
[0011]本发明的工作原理是:
[0012]正常运行中，牵引变压器TT与第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2一道给牵引网的牵引负荷供电，牵引变压器TT担负主要供电任务，第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2担负次要供电任务，牵引变压器TT有功计算容量+第一交直交变流器ADAl计算传递容量+第二交直交变流器ADA2计算传递容量=牵引有功负荷计算容量；第一交直交变流器ADAl计算传递容量=第二交直交变流器ADA2计算传递容量；第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2计算传递容量由引起三相电压不平衡度超标部分的牵引有功负荷的容量确定；牵引变压器有功计算容量大于单个交直交变流器的计算传递容量。
[0013]即是说，在正常工作过程中，当牵引有功负荷功率小于或等于单个交直交变流器(第一交直交变流器ADA1，第二交直交变流器ADA2)计算传递容量的3倍时，牵引变压器TT、第一交直交变流器ADA1、第二交直交变流器ADA2三者分别担负牵引有功负荷功率P的1/3，记为p，此时，牵引变压器TT担负的牵引有功负荷功率p产生的负序功率与第一交直交变流器ADAl担负(传递)的牵引有功负荷功率P和第二交直交变流器ADA2担负(传递)的牵引有功负荷功率P联合产生的负序功率相抵消，即牵引变电所的合成负序功率为零，由此引起的三相电压不平衡度亦为零；当牵引负荷有功功率大于第一交直交变流器ADAl或第二交直交变流器ADA2计算传递容量的3倍时，第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2分别按其计算传递容量供给，多余部分由牵引变压器TT供给，此时有剩余负序功率流通并造成电压不平衡，但它产生的三相电压不平衡度满足国标要求，不会超标。
[0014]当牵引转换为再生反馈时，第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2传递的有功功率均反向。
[0015]高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控型器件的大功率交直交型电力机车或动车组，其功率因数接近于1，一般只计及其有功负荷即可，所含无功负荷是感性的，其量极小，可以忽略。但当牵引无功负荷不可忽略时，如用于交直型电力机车时，可由第一交直交变流器ADAl或第二交直交变流器ADA2出端吸收一定量的容性无功功率予以补偿；当牵引转换为再生反馈时，亦然。
[0016]必要时，第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2还可提供谐波补偿电流。
[0017]同相供电装置中的交直交变流器采用的IGBT、IGCT等全控型器件的特性使然，一般不考虑交直交变流器的过载能力，而同相供电装置中的高压匹配变压器HMT和牵引匹配变压器TMT额定容量可分别参考相应的交直交变流器入端和出端额定容量以及自身过负荷能力来确定。备用牵引变压器容量主要应根据牵引变压器TT和同相供电装置的故障情况和检修要求确定，同时考虑对应的三相电压不平衡度的影响，一般可选择与牵引变压器TT相同容量或增减一个容量等级的牵引变压器。
[0018]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0019]一、本发明可以大大减少价格昂贵的同相供电装置中交直交变流器的容量及其所占比重，从而大大减少一次性投资。
[0020]二、本发明尤其便于目前高速铁路和客运专线广泛使用的Vv接线或Vx接线牵引变电所的同相供电改造；也适于未来用一组新的同相供电装置替代牵引变压器而实施贯通同相供电。
[0021]三、本发明可进一步增强牵引供电系统的节能效果。实施同相供电后，牵引变电所的上下行供电臂合并，更有利于其中运行的牵引列车对再生列车电能的利用，加之同相供电装置的交直交变流器工况的可逆性，还可向电力系统送出多余的、达标的电能，大大增加节能效果。
[0022]四、本发明的第一高压匹配变压器HMTl与第二高压匹配变压器HMT2的次边绕组组成V接线，可提供三相自用电；
[0023]五、除了适于直接供电的牵引变电所和牵引网外，亦适用于AT供电的牵引变电所及其牵引网。
[0024]六、本发明技术先进、可靠，易于实施。
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是实施例的牵引变电所的同相供变电构造示意图。
[0027]图2是本发明同相供电装置中的交直交变流器连接示意图。
[0028]图3是本发明用于2X27.5kV的AT牵引供电系统的一种连接示意图。
[0029]图4是本发明有备用高压匹配变压器的同相供变电构造示意图。
[0030]图5是本发明有备用高压匹配变压器的用于2X27.5kV AT牵引供电系统的同相供变电构造示意图。
【具体实施方式】
[0031]实施例
[0032]如图1所示，一种三相组合式同相供变电构造，包括牵引变压器TT、备用牵引变压器TB、第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2 ;第一同相供电装置CPDl由第一高压匹配变压器HMT1、第一交直交变流器ADAl和第一牵引匹配变压器TMTl构成；第二同相供电装置CPD2由第二高压匹配变压器HMT2、第二交直交变流器ADA2和第二牵引匹配变压器TMT2构成；牵引变压器TT、备用牵引变压器TB、第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2均为单相结构；牵引变压器TT原边绕组、第一高压匹配变压器HMTl原边绕组和第二高压匹配变压器HMT2原边绕组分别连接于电力系统高压母线H-Bus的三组线电压，构成三角形连接组；牵引变压器TT原边绕组和备用牵引变压器TB原边绕组连接电力系统高压母线H-Bus的同一组线电压，图中牵引变压器TT原边绕组和备用牵引变压器TB原边绕组连接电力系统高压母线H-Bus的线电压BC，第一高压匹配变压器HMTl原边绕组和第二高压匹配变压器HMT2原边绕组分别连接于电力系统高压母线H-Bus的线电压AB和CA ；第一与第二高压匹配变压器的次边绕组分别连接第一与第二交直交变流器的入端；第一和第二交直交变流器的出端分别连接第一和第二牵引匹配变压器的原边，产生与牵引变压器TT相同相位和频率的电压；牵引变压器次边绕组、备用牵引变压器次边绕组和两牵引匹配变压器的次边绕组的电压幅值和相位相同且均与牵引母线T-Bus相接。图中，T为接触网，G 为钢轨，K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9 各断路器中，Kl、K3、K5、K7 为两相断路器，K2、K4、K6、K8、K9为单相断路器。
[0033]高压匹配变压器次边绕组与交直交变流器入端的电压等级应权衡高压匹配变压器原边电压等级、原次边变比和交直交变流器容量及其入端的级联情况，目前一般选择在6kV至IOkV范围内为宜。
[0034]当牵引变压器TT故障或按计划检修时，备用牵引变压器TB投入运行。
[0035]本发明的工作原理是:
[0036]正常运行中，牵引变压器TT与第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2一道给牵引网的牵引负荷供电，牵引变压器TT担负主要供电任务，第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2担负次要供电任务，牵引变压器TT有功计算容量+第一交直交变流器ADAl计算传递容量+第二交直交变流器ADA2计算传递容量=牵引有功负荷计算容量；第一交直交变流器ADAl计算传递容量=第二交直交变流器ADA2计算传递容量；第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2计算传递容量由引起三相电压不平衡度超标部分的牵弓I有功负荷的容量确定。[0037]即是说，在正常工作过程中，当牵引有功负荷功率小于或等于第一交直交变流器ADAl或第二交直交变流器ADA2计算传递容量的3倍时，牵引变压器TT与第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2分别担负牵引有功负荷功率P的1/3，记为p，此时，牵引变压器TT担负的牵引有功负荷功率P产生的负序功率与第一交直交变流器ADAl担负(传递)的牵引有功负荷功率P和第二交直交变流器ADA2担负(传递)的牵引有功负荷功率P联合产生的负序功率相抵消，即牵引变电所的合成负序功率为零，由此引起的三相电压不平衡度亦为零；当牵引负荷有功功率大于第一交直交变流器ADAl或第二交直交变流器ADA2的计算传递容量的3倍时，第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2分别按其计算传递容量供给，多余部分由牵引变压器TT供给，此时有剩余负序功率流通并造成电压不平衡，但它产生的三相电压不平衡度满足国标要求，不会超标。
[0038]当牵引转换为再生反馈时，第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2传递的有功功率均反向。
[0039]高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控型器件的大功率交直交型电力机车或动车组，其功率因数接近于1，一般只计及其有功负荷即可，所含无功负荷是感性的，其量极小，可以忽略。
[0040]以一实际牵引变电所为例，功率因数=1，牵引有功负荷计算容量=48MVA，满足三相电压不平衡度国标要求的牵引负荷容量为18MVA，不考虑交直交变流器的过负荷能力，则同相供电装置的第一交直交变流器ADAl计算传递容量=第二交直交变流器ADA2计算传递容量=(48MVA-18MVA) /3=IOMVA ;同相供电装置中的高压匹配变压器和牵引匹配变压器额定容量可分别参考相应的交直交变流器入端和出端额定容量以及自身过负荷能力确定，如考虑变压器1.2倍过负荷能力，则两高压匹配变压器和两牵引匹配变压器的额定容量应为10/1.2MVA=8.33MVA，可选择额定容量为8MVA标准等级的单相变压器；牵引变压器有功计算容量=48-20=28MVA，不考虑其过负荷能力时，可选择额定容量为31.5MVA标准等级的单相牵引变压器和备用牵引变压器，而当考虑牵引变压器1.5倍过负荷能力时，牵引变压器计算容量=28/1.5=18.67MVA，则可选择额定容量为20MVA标准等级的单相牵引变压器。
[0041]备用牵引变压器容量主要应根据牵引变压器和同相供电装置的故障情况和检修要求确定，同时考虑对应的三相电压不平衡度的影响，一般选择与牵引变压器相同容量或增减一个容量等级的牵引变压器。此例中，选择额定容量为20MVA标准等级的单相牵引变压器为备用牵引变压器。
[0042]正常时，牵引变压器和同相供电装置工作，备用牵引变压器不工作；牵引变压器退出时，备用牵引变压器投入工作；同相供电装置退出运行时，牵引变压器可以短时单独工作，备用牵引变压器亦可替代牵引变压器工作。
[0043]图2是本发明同相供电装置中交直交变流器ADA的连接图，交直交变流器ADA为采用大功率电力电子半导体器件(例如集成门极换向晶闸管IGCT或绝缘栅双极性晶体管IGBT)的单相PWM (脉宽调制)变流器，即通过直流储能电容连接的交流-直流-交流变换装置，其两端串联的电抗器Li和电抗器Lo的电抗值可分别连同高压匹配变压器和牵引匹配变压器的漏抗一并考虑。
[0044]需要说明的是，由于同相供电装置中交直交变流器采用集成门极换向晶闸管IGCT或绝缘栅双极性晶体管IGBT等性能优良的现代电力电子半导体器件，其制造成本较高，同时由于“牵引变压器担负主要供电任务，同相供电装置担负次要供电任务”的分工，一般不采用像牵引变压器那样的100%备用方式，而是在权衡成本和可靠性后采用模块级备用，以降低成本，并保证可靠性。
[0045]图3是本发明用于AT (自耦变压器)牵引供电系统的一种连接示意图，其中，高压母线H-Bus的连接方式与图1相同，牵引母线T-Bus电压为2X27.5kV，F、T分别是AT牵引网TS中的负馈线和接触线，G为钢轨。显然，在2X27.5kVAT供电方式的同相供变电构造中，牵引变压器TT、备用牵引变压器TB的次边绕组中点均抽出接地，而当牵引变压器TT、备用牵引变压器TB次边绕组中点均不抽出时，则为一种55kV的AT供电方式。一般，第一牵引匹配变压器TMTl和第二牵引匹配变压器TMT2的次边绕组中点均不抽出。图中，K1、K2、Κ3、Κ4、Κ5、Κ6、Κ7、Κ8、Κ9均为两相断路器。
[0046]图4是本发明有备用高压匹配变压器的同相供变电构造示意图。图中，为了节省占地，进一步降低成本，第一高压匹配变压器ΗΜΤ1、第二高压匹配变压器ΗΜΤ2与牵引变压器TT的单铁心构成三铁心牵引变压器TG ;第一备用高压匹配变压器一 ΗΜΤΒ1、第二备用高压匹配变压器ΗΜΤΒ2与备用牵引变压器TB的单铁心构成备用三铁心牵引变压器TGB。为方便高压匹配变压器ΗΜΤ、备用高压匹配变压器HMTB的次边绕组与交直交变流器ADA入端的连接，设置低压(如IOkV)补偿母线L-Busl、L-Bus2及相应的断路器；图中，T为接触网，G 为钢轨，Κ1、Κ2、Κ3、Κ4、Κ5、Κ6、Κ7、Κ8、Κ9、Κ10、Κ11、Κ12、Κ13 各断路器中，Kl、Κ9 为三相断路器，其他为单相断路器。
[0047]当三铁心牵引变压器TG故障或按计划检修时，备用三铁心牵引变压器TGB投入运行。
[0048]图5是本发明有备用高压匹配变压器的用于2X27.5kV的AT牵引供电系统的同相供变电构造示意图。图中，为了节省占地，进一步降低成本，第一高压匹配变压器HMT1、第二高压匹配变压器HMT2与牵引变压器TT的单铁心构成三铁心牵引变压器TG ;第一备用高压匹配变压器HMTB1、第二备用高压匹配变压器HMTB2与备用牵引变压器TB的单铁心构成备用三铁心牵引变压器TGB。牵引母线T-Bus电压为2X27.5kV，F、T分别是AT牵引网TS中的负馈线和接触线，G为钢轨。显然，在2X27.5kV AT供电方式的同相供变电构造中，牵引变压器TT、备用牵引变压器TB的次边绕组中点均抽出接地，而当牵引变压器TT、备用牵引变压器TB次边绕组中点均不抽出时，则为一种55kV的AT供电方式。一般，第一牵引匹配变压器TMTl和第二牵引匹配变压器TMT2的次边绕组中点均不抽出。为方便高压匹配变压器HMT、备用高压匹配变压器HMTB的次边绕组与交直交变流器ADA入端的连接，设置低压(如 IOkV)补偿母线 L-Bus1、L-Bus2 及相应的断路器。Kl、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11、K12、K13各断路器中，K1、K9为三相断路器，K2、K6、K8、K10、K13为两相断路器，K3、K4、K5、K7、K11、K12 为单相断路器。
【权利要求】
1.一种三相组合式同相供变电构造，包括牵引变压器TT、备用牵引变压器TB、第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2组成；其中:第一同相供电装置CPDl由第一高压匹配变压器ΗΜΤ1、第一交直交变流器ADAl和第一牵引匹配变压器TMTl构成；第二同相供电装置CPD2由第二高压匹配变压器ΗΜΤ2、第二交直交变流器ADA2和第二牵引匹配变压器ΤΜΤ2构成；牵引变压器ΤΤ、备用牵引变压器TB、第一同相供电装置CPDl和第二同相供电装置CPD2均为单相结构；其特征在于:牵引变压器TT原边绕组、第一高压匹配变压器HMTl原边绕组和第二高压匹配变压器ΗΜΤ2原边绕组分别连接于电力系统三组线电压，构成三角形连接组；牵引变压器TT原边绕组和备用牵引变压器TB原边绕组连接电力系统同一组线电压；第一与第二高压匹配变压器的次边绕组分别连接第一与第二交直交变流器的入端；第一和第二交直交变流器的出端分别连接第一和第二牵引匹配变压器的原边，产生与牵引变压器TT相同相位和频率的电压；牵引变压器TT次边绕组、备用牵引变压器TB次边绕组和两个牵引匹配变压器的次边绕组的电压幅值和相位相同且均与牵引母线相接。
2.根据权利要求1所述的一种三相组合式同相供变电构造，其特征在于:所述同相供变电构造中，牵引有功负荷计算容量=牵引变压器TT有功计算容量+第一交直交变流器ADAl计算传递容量+第二交直交变流器ADA2计算传递容量；第一交直交变流器ADAl计算传递容量=第二交直交变流器ADA2计算传递容量；两交直交变流器计算传递容量由引起三相电压不平衡度超标部分的牵引有功负荷的容量确定；牵引变压器TT有功计算容量大于单个交直交变流器的计算传递容量。
3.根据权利要求1所述的一种三相组合式同相供变电构造，其特征在于:所述同相供变电构造中，当牵引转换为再生反馈时，第一交直交变流器ADAl和第二交直交变流器ADA2传递的有功功率均反向。
4.根据权利要求1所述的一种三相组合式同相供变电构造，其特征在于:为第一高压匹配变压器HMTl配备与之相同结构的第一备用高压匹配变压器ΗΜΤΒ1，为第二高压匹配变压器ΗΜΤ2配备与之相同结构的第二备用高压匹配变压器ΗΜΤΒ2 ;第一高压匹配变压器ΗΜΤ1、第二高压匹配变压器ΗΜΤ2与牵引变压器TT的单铁心构成三铁心牵引变压器TG ;第一备用高压匹配变压器ΗΜΤΒ1、第二备用高压匹配变压器ΗΜΤΒ2与备用牵引变压器TB的单铁心构成备用三铁心牵引变压器TGB。
【文档编号】H02J3/00GK103427415SQ201310308513
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月22日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】李亚楠, 李群湛, 贺建闽, 郭锴, 解绍锋, 张丽艳, 周福林, 李子晗, 陈民武, 刘炜 申请人:西南交通大学