一种基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所

1.本发明属于变电所技术领域，具体涉及一种基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所。


背景技术：

2.目前，我国铁路供电系统属于异相供电，且采用单边供电方式，每一个供电臂的接触网只从一端的牵引变电所获得电能，每个牵引变电所负责向该所两侧的供电分区供电，由于相邻两供电分区的供电电压相位不同，需设置电分相。而牵引负荷是非线性、移动性动态单相交流负荷，在系统中容易产生负序电流，造成三相系统严重的不平衡。此外，单边供电方式供电臂末端电压的下降会影响机车牵引力，使得列车运行速度和承载力下降。电分相的存在，使机车或动车组通过电分相时会引起过电压，随着牵引负荷的增大，无功、负序、电压闪变、谐波问题更加突出。
3.因此，如何减少乃至取消传统铁路牵引供电系统中的电分相装置，以取消所内电分相以及所间电分相，实现牵引供电的全贯通，提升系统供电能力，是本领域技术人员有待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了减少传统铁路牵引供电系统中的电分相装置，以取消所内电分相以及所间电分相，实现牵引供电的全贯通，提出了一种基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所。
5.本发明的技术方案为：一种基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所，所述变电所包括高降压比变压器和三相-单相变流器，其中：
6.所述高降压比变压器的原边与三相电网连接，所述高降压比变压器的副边与三相-单相变流器的输入端连接，所述三相-单相变流器的输出端与母线连接。
7.进一步地，所述高降压比变压器的原边具体为一组三相绕组，所述高降压比变压器的副边具体为多组互相隔离的三相绕组，所述高降压比变压器副边的三相绕组为三角连接，且所述高降压比变压器副边的所有三相绕组与所述高降压比变压器原边的三相绕组之间通过预设的联结组别进行接线。
8.进一步地，所述三相-单相变流器具体包括多个级联的子模块，每一个子模块包括依次连接整流器、直流电容和逆变器，所述整流器的输入电感集成至所述高降压比变压器中。
9.进一步地，所述高降压比变压器还作为系统中的移相变压器。
10.进一步地，所述移相变压器的原边和副边通过预设的连结方式进行连结，具体为：一次侧绕组为星接，二次侧为延边三角形连结。
11.进一步地，所述整流器输入侧设置有过电流保护和缺相保护，所述直流电容处设置有过压保护和欠压保护，所述三相-单相变流器的级联输出侧设置有过电流保护。
12.进一步地，将馈线电流互感器和三相-单相变流器同名端均设置在母线侧，且所述馈线电流互感器和三相-单相变流器并联接入差动保护装置，并基于所述差动保护装置确定差动电流，然后在差动电流大于预设整定值时，通过断路器执行保护动作。
13.进一步地，所述高降压比变压器的高压侧设置有电流互感器，并实时监测所述高压侧电流，当所述高压侧电流大于第二预设整定值时，过电流保护动作，其中，若所述过电流保护拒动，则在接地短路时，零序过电流保护动作。
14.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
15.(1)本发明提出的基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所，其包括高降压比变压器和三相-单相变流器，其中，所述高降压比变压器的原边与三相电网连接，所述高降压比变压器的副边与三相-单相变流器的输入端连接，所述三相-单相变流器的输出端与母线连接，其中，高降压比变压器的原边为一组三相绕组，高降压比变压器的副边为多组互相隔离的三相绕组，且副边的三相绕组为三角连接，且所述高降压比变压器副边的所有三相绕组与所述高降压比变压器原边的三相绕组之间通过预设的联结组别进行接线，实现了能够彻底取消电分相，实现贯通柔性供电，一方面解决电能质量问题，一方面相邻变电所之间可实现双边供电，进而使得牵引网阻抗所造成的压降降低，使得贯通供电区间内的牵引网末端电压提升，大幅提升系统供电能力。
16.(2)本发明的变电所，在所述电感和所述高降压比变压器的副边的三相绕组之间具体为通过移相变压器进行连接，可有效抑制电流的谐波，优化三相电网侧电能质量，提高了功率因数，使电路工作更加稳定，变电所的电力电子设备寿命长、维修率大大降低，还能够降低对输入电感的滤波要求，适当减小了电感值。
17.(3)本发明还将整流器的电感集成到高降压比变压器中，能够省去滤波电抗器所占空间从而减小变流器体积。
附图说明
18.图1所示为本发明实施例提供的基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所的结构示意图；
19.图2所示为本发明实施例中移相变压器二次侧线电压相位超前一次侧联结的示意图；
20.图3所示为本发明实施例中移相变压器二次侧线电压相位超前一次侧电压联结方式向量图；
21.图4所示为本发明实施例中移相变压器二次侧线电压相位滞后一次侧联结的示意图；
22.图5所示为本发明实施例中移相变压器二次侧线电压相位滞后一次侧电压联结方式向量图；
23.图6所示为本发明实施例中滤波电抗器和变压器绕组的绕制方式示意图；
24.图7所示为本发明实施例中三相-单相变流器模块级自愈重构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.本技术提出了一种基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所，如图1所示，其包括高降压比变压器和三相-单相变流器，其中：
27.所述高降压比变压器的原边与三相电网连接，所述高降压比变压器的副边与三相-单相变流器的输入端连接，所述三相-单相变流器的输出端与母线连接。
28.在本技术实施例中，所述高降压比变压器的原边具体为一组三相绕组，所述高降压比变压器的副边具体为多组互相隔离的三相绕组，所述高降压比变压器副边的三相绕组为三角连接，且所述高降压比变压器副边的所有三相绕组与所述高降压比变压器原边的三相绕组之间通过预设的联结组别进行接线。
29.在本技术实施例中，所述三相-单相变流器具体包括多个级联的子模块，每一个子模块包括依次连接整流器、直流电容和逆变器，所述整流器的输入电感集成至所述高降压比变压器中。
30.具体的，所述整流器为三相二极管钳位三电平整流器，逆变器为单相级联二极管钳位三电平逆变器，三相-单相变流器的输出端还包括输出滤波电感，三相电网为110/220kv，输出的单相交流电呀有效值为27.5kv。
31.在具体应用场景中，每个变电所内三相整流-中间直流-单相逆变功率模块也即上述子模块的数量是由电力电子器件的耐压和耐流水平决定，在三电平npc结构下，器件的耐压为直流侧电压的一半，一般为1.5-2倍的电压裕量来确定中间直流电压u，牵引网输出电压有效值为27.5kv，则级联子模块数n应满足关系：其中m为调制度。工程上，一般调制度m调整在0.8-1之间。在额定输出27.5kv的情况下，根据功率模块数量可以得到每个变换器的输出电压，一般需考虑该值来设计多绕组变压器的副边线电压有效值从而确定变比。
32.在本技术实施例中，所述高降压比变压器还作为系统中的移相变压器。
33.在本技术实施例中，所述移相变压器的原边和副边通过预设的连结方式进行连结，具体为：一次侧绕组为星接，二次侧为延边三角形连结。
34.具体的，移相变压器原边、副边采用特定的连结方式实现一次绕组线电压相位超前或滞后二次绕组线电压相位角。
35.现一次侧绕组采用星接，二次侧采用延边三角形连结方式。在一次绕组y接二次绕组为延边三角形的移相变压器中，又存在两种结构，一种是线电压相位超前一次绕组线电压相位角，另一种是线电压相位滞后一次绕组线电压相位角。二次侧线电压相位超前ψ角的移相变压器结构，见图2中，一次侧每相绕组在匝数为n1，二次侧绕组由两部分组成，其匝数分别为n2、n3，二次侧绕组为延边三角形连结，在该连结方式下的向量图中，见图3，二次侧线电压向量超前一次侧电压向量角。且由向量图可得：根据图中阴影三角形正弦定理，可以推导得出二次绕组匝数比与移相角之间的关系为
36.37.移相变压器的变比为
[0038][0039]
式中，移相角是有一定范围的，当n2＝0时，二次侧绕组变为星接，线电压相位相同，移相角当n3＝0时，二次侧绕组变为三角接，移相角故在该种连结方式下，移相角范围为0
°
～30
°
。
[0040]
二次侧电压相位滞后一次侧的变压器连结方式如图4，与超前连结方式相比，二者二次侧三角形连结的连结顺序不同，此时移相角为负值。以一次侧线电压为参考向量所作向量图中，见图5，同理可得二次侧绕组匝数比与移相角的关系为
[0041][0042]
移相变压器变比为
[0043][0044]
移相角度范围在-30
°
～0
°
。
[0045]
据上述分析，以12模块级联的三相-单相变流器结构为例，将其分为3组，每组4个模块，移相变压器分为四个移相角，每组的各个模块之间相差15
°
,各模块之间的移相角分别是-22.5
°
、-7.5
°
、+7.5
°
、+22.5
°
。
[0046]
在本技术实施例中，所述整流器输入侧设置有过电流保护和缺相保护，所述直流电容处设置有过压保护和欠压保护，所述三相-单相变流器的级联输出侧设置有过电流保护。
[0047]
具体的，整流器交流侧采用电感做输入滤波器，用以滤除分布在整流器开关频率整数倍附近的高次谐波，而一般能够达到要求的滤波电抗器存在单体体积大、电磁发散等缺点。现有文献所提出的磁集成技术能够实现滤波电抗器绕组和变压器绕组之间的电磁解耦，将滤波电感无耦合地集成到高降压比节能型变压器中。滤波电抗器和变压器绕组的绕制方式见图6，滤波电抗器绕组2由匝数相等、绕向相反的两个子线圈wa、wb组成，在该连接方式下，由于两个子线圈反向串联且匝数相等，则变压器绕组1在绕组2上感生的总电动势为0，且绕组2在绕组1中感应电流也为0，故变压器绕组1和滤波电抗器绕组2之间是相互解耦的。
[0048]
变压器集成滤波电抗器实现了对主磁通的完全解耦，所以集成了滤波电抗器的变压器铁芯结构及尺寸的设计与普通变压器基本相同。
[0049]
在本技术实施例中，将馈线电流互感器和三相-单相变流器同名端均设置在母线侧，且所述馈线电流互感器和三相-单相变流器并联接入差动保护装置，并基于所述差动保护装置确定差动电流，然后在差动电流大于预设整定值时，通过断路器执行保护动作。
[0050]
具体的，柔性牵引变电所牵引变压器由高降压比多绕组变压器和三相-单相变流器组成。其中，高降压比变压器设置过电流保护作为主保护，温度保护、零序电流保护及负序电流保护作为后备保护。三相-单相变流器功率模块整流器输入侧设置过电流保护和缺相保护，中间直流端设置过压保护和欠压保护，每个模块设置温度保护，三相-单相变流器
系统单相级联输出侧设置过电流保护。各部分保护所设置的传感器和动作断路器见图1，说明如下：
[0051]
在馈线保护安装位置设置电压电流互感器，测量馈线处电压电流，计算此时测量阻抗大小，小于整定值则距离保护动作，在距离保护拒动，且满足低压与大电流判据时，低压启动的过电流保护动作，若遇大电阻接地短路故障，距离保护与低压启动过电流保护拒动，此时电流增量保护动作，当保护正向(即qf5接触网侧)出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，电流速断保护动作，避免了距离保护死区造成的距离保护拒动。上述保护均动作于断路器qf5。
[0052]
由于柔性牵引供电系统为双边供电，在qf5、qf9、qf10处需配置方向检测元件，根据方向检测元件判定故障发生方向，通过光缆通信通道进行信息交流，从而判断故障发生区段，并及时断开相应断路器将故障进行隔离，减小故障对柔性牵引供电系统运行的影响。
[0053]
将馈线电流互感器与三相-单相变流器电流互感器同名端均设置在母线侧，再将两处电流互感器并联接入差动保护装置，通过馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和判断母线是否发生故障，在差动电流大于整定值时，母线差动保护动作，保护动作于qf5、qf8。
[0054]
在本技术实施例中，所述高降压比变压器的高压侧设置有电流互感器，并实时监测所述高压侧电流，当所述高压侧电流大于第二预设整定值时，过电流保护动作，其中，若所述过电流保护拒动，则在接地短路时，零序过电流保护动作。
[0055]
具体的，在高降压比变压器高压侧设置电流互感器，变压器气隙设置温度传感器，利用电流互感器测量高压侧电流并计算其负序与零序电流含量。当电流测量值大于整定值时，过电流保护动作，若过电流保护拒动，在发生接地短路时，零序过电流保护动作，在发生两相相间短路时负序过电流保护动作，上述保护均动作于如图1所示的断路器qf6、qf8。当温度传感器测量值大于温度报警值时，温度保护报警，当温度测量值大于最高允许值时，温度保护动作于跳闸，断路器qf6、qf8断开；
[0056]
三相-单相变流器功率模块输入侧设置电流传感器，直流侧设置电压传感器，模块内设置温度传感器，三相-单相变流器级联输出侧设置电流传感器。在三相-单相变流器每个功率模块输出侧设置旁路开关，见图7。以三相-单相变流器的输入、输出电流信号作为故障检测信号，当某一功率模块出现故障时，对故障电流信号分析进行特征提取以实现从器件到模块的故障定位，同时保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应模块旁路开关实现变流器自愈重构；当直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值，首先保护动作于报警，若短时间内变流器通过控制恢复则停止报警，报警时间超过整定值，则保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应模块旁路开关实现变流器自愈重构；当模块散热器温度大于整定温度，保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应模块旁路开关实现变流器自愈重构；当级联输出侧电流大于整定值时，判定为短路故障，保护动作于变流器脉冲封锁，断路器qf8、qf5断开。
[0057]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。