变压器供电方案与接线方式

牵引变电所的供电方案与接线方式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，即其原边取自电力系统的110kV或220kV三相电压，次边向两个单相供电臂馈电，其母线额定电压为27.5kV或55kV。对于三相YN,d11或V,v接线的牵引变电所，次边两相电压的相别是原边三个相（或线）电压相别三中取二的某种组合；而对于平衡变压器，经变压器的变换，次边形成大小相等而相位相互垂直的两相电压。从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换，可称为系统变换，如通过系统变换，可以获得一次侧的电力系统、牵引变压器的等值电路模型，或二次侧的电力系统、牵引变压器等值电路模型。这两个等值电路模型对于牵引供电系统的电气分析十分方便、有用，如用于电压损失，故障分析，电能计量，负序含量，谐波水平等计算。（一）纯单相接线变压器电力机车是单相交流负荷，显然，牵引变电所采用单相变压器最为直观、简单，单相牵引变压器和一般的单相变压器不同，一般单相变压器，都是一端接高压，另一端接地或接中性点，故可采用分级绝缘，而单相牵引变压器的高压绕组两端都接高压，故对地的绝缘要求相同，故采用全绝缘。单相牵引变电所中的两台变压器并联接线完全一样。两台变压器的高压绕组金额相同的两相，地压绕组的一端接母线，同时供给变电所的两个臂的负荷。相邻两段接触网绝缘分开，既利于缩小事故停电范围，又提高了供电的灵活性。低压....ABC绕组的另一端与接地网和钢轨以及回流线可靠连接，以便使钢轨、回流线中的负荷电流以及地中电流流回变压器。纯单相接线的主要优点是变压器的容量利用率为100%，且变电所的主接线简单，设备少、占地面积小，缺点是在三相系统形成较大的负序电流，为了减少负序电流对系统的影响，各变电所变压器高压绕组所结相序依次轮换，即所谓换相连接。纯单相接线的另一个缺点是不能实现双边供电，并且变电所无三相电源，变电所的所用电须由附近地方电网引入。我国的哈尔滨—大连线全部采用纯单相接线。（二）单相V,V接线变压器单相V,V接线与纯单相接线的区别是两台变压器分别接不同的两个线电压，两高压绕组有公用端子，故而构成V型。两个低压绕组也有一个公共端子，接到钢轨和地网，低压绕组的另外两个端子分别接变电所的两个供电臂，两臂电压均为27.5kV，构成所谓60度接线。由于两臂的相位不同，故两供电臂在接触网上必须采用分相绝缘器。分相绝缘器两端电压也为27.5kV。与纯单相接线的另一个区别时，V,V接线牵引变压器在正常工作时，两台变压器均投入运行，其备用方式是移动备用。当一台变压器故障或检修时，由专用车将移动变压器运往变电所。V,V接线变压器的优点是容量利用率为100%，而且可以供给所用电电能，对牵引网还可实现双边供电。变电所内设备也相对较少，这种接线在阳平关—安康线路应用。（三）三相V,V接线变压器电力机车是单相交流负荷，现在普遍采用三相V,v接线牵引变压器。这种变电所内装设两台三相V,v接线牵引变压器。一台运行，一台固定备用。三相V,v接线牵引变压器的内部接线类似两台纯单相接线变压器的组合。V,v接线牵引变压器原边接两个线电压（AB、BC、CA间线电压中的两个）。三相V,V接线变压器不但保持了单相V,V接线的主要优点，而且完全克服了单相V,V接线的缺点，最可取的是解决了单相V,V接线不便于采用固定备用和自动投入的问题。同时，三相V,V接线变压器有两台独立的铁心和对应的绕组通过电磁感应进行变换和传递，两台容量可以相等，也可以不等，两台的负变电压可以相同也可以不同，有利于实现分相有载或无载调压，为牵引变压器的选型提供了一种新的接线形式。（四）三相YN,d11接线牵引变电所三相YN,d11接线牵引变电所简称三相牵引变电所。三相牵引变电所是我国电气化铁道采用较多的一类。目前在三相牵引变电所中采用的是110kV油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用标准联结组，即YN,d11，必要时原边中性点可大电流接地。备用方式有移动备用和固定备用两种，实用中大多采用固定备用。对于直接供电或BT供电方式，变压器次边输出电压为27.5kV，比牵引网标准网压（25kV）高10％。1、原理电路图及展开图绕组(ax)，(cz)为负荷相绕组；绕组(by)则被称为自由相绕组，（）内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边。为分析的直观与方便，更常见使用YNd11接线牵引变压器展开图。画展开图有如下约定：(1)为施工和运行安全起见，统一规定次边绕组的（c）端子接钢轨和地；(2)原、次边对应绕组相互平行；(3)原、次边每套（相）绕组的同名端放在同一侧；实际上，有了展开图中每套（相）绕组的同名端，端字号已不重要，可以只保留次边端子号（c），甚至不要。需要时，根据每套（相）的同名端不难恢复全部端子号。2、电压电流的规格化定向在牵引供电系统分析中，对所有牵引变压器均都采用规格化定向（又称为减极性定向，即在这种定向下，原、次边绕组磁势相互抵消）。(1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，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，即牵引变压器是次边负荷的电源；(3)负荷吸收正功率。单相变压器规格化定向对于理想变压器，U1与U2同相。规格化定向应注意：(1)原边绕组电压与实际进线电压相别一致；(2)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致；(3)原边电流、电压按电动机惯例，次边按发电机惯例，原、次边绕组电流为减极性；(4)通常，完成电压定向后（先原边，后次边，或者根据需要而相反），先标次边电流（负荷），再标原边电流。YN,d11牵引变压器的规格化定向3、绕组电流与负荷端口电流的关系由于牵引负荷是两个单相负荷，故在变压器三相绕组中的电流分配是不均匀的。习惯上把两臂电压的方向都设定为接触网高于大地，即图中的Uac和Ubc。在此两电压作用下，产生负荷电流Ia和Ic，且Ia超前Ic60度。左臂电流Ia在三角形绕组内有两条并联之路，一条是支路a-c，只有一相绕组，另一条是支路c-b-a，为两相绕组并联，故阻抗值是前者的2倍，因此，绕组ac流过2/3Ia，绕组ab和bc流过1/3Ia，同理，Ib在三相绕组中的分配为绕组bc流过2/3Ib，绕组ac和ab流过1/3Ib，当两臂同时都有电流时，可得三相绕组bc、ca、ac中的电流关系为：如果令Ia=Ib，就可利用左图法画出各绕组的电流Ibc、Ica、Iab，如图所示，不难看出各相绕组电流极不对称。为了求出两臂电流相等条件下，各绕组中电流的数值和相位，可以以Ib为基准量，即Ib=I，Ia=I∟60゜代入上式并联立求解可得：Ibc=2.65/3I∟180゜+19.1゜Ica=2.65/3I∟60゜-19.1゜Iab=1/3∟-60゜上式说明，在两臂负荷电流相等的条件下，有下列两个关系：（1）两接地相绕组bc、ca（又称臂绕组）的电流大小相等，而非接地绕组ab（又称自由绕组）的电流较小，只是臂绕组电流的1/2.65或0.378倍，故习惯将ab绕组称为轻负荷绕组，而bc和ca称为重负荷绕组。（2）馈线负荷电流为臂绕组电流的3/2.65倍，不同于一般三相对称系统中的线电流是相电流的1.732倍。4、三相牵变压器的容量利用率三相牵引变压器低压侧为三角形接法，设额定输出电压为UN，线电流Ia=Ib=Ic=IN，则变压器的额定容量为：So=√3UNIN又因为三相牵引变压器三角形侧近输出两个单相负荷，故变压器的输出容量还可以写为：Sout=2UNIL其中，IL为供电臂电流。正常情况下，三角形接法的线电流是相电流的√3倍，供电臂电流为线电流IL，臂绕组电流是相电流Ip，所以，供电臂电流为臂绕组电流的√3倍，即IL=√3Ip。而三相牵引变压器的供电臂电流为臂绕组电流的1.13倍，即IL=1.13Ip。所以，当臂绕组的电流Ip达到额定值时，此时供电臂电流为仅为供电臂额定电流IN的1.13/√3=0.655倍，故当臂绕组电流为额定电流时，变压器的额定输出容量为：So=2UNIL=2×0.655IN=1.31UNIN变压器额定容量利用率KK=(额定输出容量/额定容量)×100%K=(1.31UNIN/√3UNIN)×100%=75.6%可见，三相牵引变压器的额定容量只能达到其额定容量的75.6%。在实际应用中，当绕组bc、ac电流达到额定值时，绕组ab只达到了0.378倍额定电流。缘边对应绕组B向电流也同样为0.378倍额定电流，所以，三相牵引变压器还未达到额定温升，故还可适当提高两供电臂的负荷电流，为此，引入一个温度系数，Kt=0.9，是供电臂的电流达到1/0.9=1.11倍，此时，相应变压器的容量利用率也可达到1.11×0.765=0.84。当只有一臂有负载时，供电臂的容许电流还可增大。5、三相牵引变压器的优缺点（1）优点：（1）变压器原边采用YN接线，中性点引出接地方式与高压电网相适应。（2）变压器结构相对简单，又因中性点接地，绕组可采用分级绝缘，因此变压器造价较低。（3）运用技术成熟，供电安全可靠性好。（4）变电所有三相电源，不但所用电可靠，必要时还可向地方供应电能。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）和单相接线牵引变电所相比，主接线比较复杂，设备多，占地面积大，工程投资大，设备的维护和检修的工作量也相应增大。（五）Scott变压器Scott变压器是一种三相-两相平衡变压器，由于它对电力系统所形成的负序电流较小，且变压器的容量利用率高，故在北京-秦皇岛，郑州-武昌等繁忙干线上采用。1、概述三相-两相平衡变压器平衡——对应“0序”，无“0序”称平衡，否则为不平衡。对称——对应“负序”，无负序（只有正序）为对称，否则为不对称。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零序分量，但通常造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡而不对称的。平衡变压器通常是指那种具有变压和换相功能的三相——两相变压器，目的是消除或削弱负序。数学上是三相对称系统与两相对称系统之间的变换。即:三相对称：三相电气相量大小相等，相位互差120ο两相对称：两相电气相量大小相等，相位互差90ο2.Scott接线斯科特接线变压器的原理接线图如图所示。该变压器的接线可看作两个单相变压器组成，一台变压器的原边绕作为W1接三相电源BC上，称为M座变压器，另一台变压器的原边绕组√3/2W1的一端引出，接到电源的A相，另一端接到M座变压器的中点O，称为T座变压器。两台变压器的次边绕组相等。即图中的两个W2，并输出两个数值相等，相位互相垂直的电压U2M和U2T，分别向变电所的左右两个臂供电，当两臂负荷电流相等时，原边三相电流相等。0ABC和其他接线形式的变压器一样，每个变电所均设两台变压器，一台运行，一台备用。我国采用输出电压为55kV，其目的是适应AT方式供电，即两个输出电压分别接两个自耦变压器的两端点，自耦变压器的中点抽头接地和钢轨，这样就可获得2×27.5kV电压，并分别接接触网和正馈线。2、电压关系Scott接线变压器原、次边电压关系如图所示。设电力系统A、B、C三相电压对称，即线电压UAB、UBC、UCA为等边三角形ABC。三角形的BC边电压UBC为M座变压器的原绕组电压U1M，其高AO为T座变压器原边绕组U1T，其值为线电压的UBC的√3/2倍，可见两变压器原边电压相互垂直，且U1T超前U1M90゜，故其次边电压U2T超前U2M90゜。由于M座变压器和T座变压器的原绕组分别对应于三角形的底和高，所以通常又称M座变压器为底变压器，称T座变压器为高变压器。U2T和U2M的数值关系可以有下面推导得出。M座变压器的变比KM=W1/W2，T座变压器的变比为KT=√3/2W1/W2=√3/2KM，故有了：U2T=U1T/KT=√3/2UBC/√3/2KM=UBC/KM=U1M/KM=U2M结论：斯科特变压器可以把三相对称电压变换为两相对称电压。3、电流关系斯科特变压器的主要特点是当次边两负荷臂电流相等时，原