第2章 牵引变压器及其结线

第2章牵引变压器及其结线2-1单相牵引变压器结线2-2三相牵引变压器及其结线2-3斯科特结线变压器2-4阻抗匹配与非阻抗匹配平衡变压器第2章牵引变压器及其结线2-1单相牵引变压器结线2-1单相牵引变压器结线采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。如图2-1所示。注意：单相牵引变压器和一般单相变压器的绝缘结构不同。一般单相变压器采用分级绝缘，而单相牵引变压器采用全绝缘。2-1单相牵引变压器结线2-1单相牵引变压器结线2-1-1纯单相结线2-1-2单相V，V结线2-1-3三相V，V结线2-1-1纯单相结线2-1-1纯单相结线1、接线图纯单相牵引变电所中的两台单相变压器并联结线完全一样，如图2-2所示。2-1-1纯单相结线2、接线说明两台变压器的高压绕组跨接相同的两相，低压绕组的一端接母线，同时供给变电所两个臂的负荷。相邻两相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。低压绕组的另一端与接地风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。3、主要优点变压器的容量可以充分利用，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、投资少。4、缺点在三相系统形成较大的负序电流，不对称系数为1。2-1-2单相V，V结线2-1-2单相V，V结线1、接线图如图2-3所示。2-1-2单相V，V结线2、接线说明单相V，V结线与纯单相结线的区别是：1）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，故构成V接。两个低压绕组也有一个公共端子，接钢轨和地网，低压绕组的另外两个端子a和b分别接两个供电臂，两供电臂的电压大小均为27.5kV，相位角差为60°，如图2-4所示。2）V，V结线牵引变电所在正常工作时，两台变压器均投入运行，其备用方式是几个变电所共用一台移动变压器，当其中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，在移动变压器接入前，非故障变压器可允许一定时间的过负荷。2-1-2单相V，V结线3、优点1）容量利用率为100%；2）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；3）对系统的负序影响小；4）变电所的设备相对较少，投资较省。4、缺点需倒闸过程，如图2-5。在此倒闸过程完成之前，故障变压器原来供电的牵引负荷将中断供电。而且变电所的三相电源将中断，变电所的三相自用电如同纯单相结线变压器一样，依靠其他方式供电，对电力系统的负序影响也随之增大。2-1-3三相V，V结线2-1-3三相V，V结线1、接线图将两台V，V结线的单相变压器安装在同一油箱内，所以可视为单相变压器结线，如图2-6所示。2-1-3三相V，V结线2、接线说明采用共轭式铁心结构，如图2-7(a)所示。两边柱绕组绕向相反，使中柱磁通为两边柱磁通之差。使中柱磁通与两边柱的磁通相等。相量图如图2-7(b)所示。2-1-3三相V，V结线同单相V，V结线一样，第一个高压绕组的尾端X1与第二个绕组的首端A2相连构成固定的V结，V的顶点为C相，如图2-8所示。但副边绕组的四个端子全部引出在油箱外部，根据牵引供电的要求接成正V或反V。2-1-3三相V，V结线在牵引变电所安装时，变压器的原边端子A、B、C可根据换相要求接于电网有关相序，副边C端子与轨道和地网连接，a端子和b端子分别接到牵引网两条母线上，两母线电压分别为Uac和Ubc，并相差60°，与图2-4所示的单相V，V结线类似。但C相电流为其他两相的倍。3、优点在单相V，V结线的基础上发展起来，每个变电所安装两台同型变压器，一台运行，一台备用。所以，它的优点体现在：1）既保持了单相V，V接线的主要优点，又克服了其缺点，解决了其无固定备用变压器问题及备用变压器自动投入的问题；2）油箱内的两台单相变压器磁路互相独立；3）供电可靠灵活。32-2三相牵引变压器及其结线2-2三相牵引变压器及其结线凡是采用三相变压器的牵引变电所就称为三相牵引变电所。三相变压器广泛应用于电力系统，它的设计、制造工艺和运用技术都比较成熟，因此采用三相变压器就成为我国牵引变电所的首选方式，也是目前应用最广泛的方式。2-2三相牵引变压器及其结线2-2三相牵引变压器及其结线2-2-1三相牵引变压器的结线原理2-2-2三相牵引变压器绕组的电流分布2-2-3三相牵引变压器的容量利用率2-2-4三相牵引变电所的优缺点2-2-5三相不等容量牵引变压器2-2-1三相牵引变压器的结线原理2-2-1三相牵引变压器的结线原理1、三相牵引变压器的结线法三相牵引变压器均为双绕组油浸变压器。三相双绕组变压器的结线有多种形式，为统一起见，国家有关标准规定：Y，d11；Y，yn12；YN，d11三种形式作为标准结线。牵引变电所采用其中的YN，d11结线，原边电压110kV，副边电压27.5kV。2、采用YN，d11结线的优点1）便于与系统运行方式配合；2）中性点接地具有能降低绕组的绝缘造价；3）变压器的主磁通和电势为正弦波。3、三相牵引变压器结线图三相牵引变电所均设两台三相变压器，两台结线完全相同。可以并联运行，也可以一运一备。其中一台的结线图如图2-9所示。2-2-1三相牵引变压器的结线原理2-2-1三相牵引变压器的结线原理4、高压绕组通过隔离开关接地的原因1）由于每一个中性接地点，都构成零序电流回路的一个分支，对电力系统故障时的零序电流形成分流，使零序保护的动作受到影响。所以中性点何时需要接地，应根据地方电力调度的命令确定。通常QS是断开的。2）为减小操作过电压对变压器绕组的威胁，在变压器送电和停电的瞬间必须合上中性点接地隔离开关。5、副边绕组接法接成三角形。6、原、副边的相位标注高压绕组进行换相连接，所以低压绕组的相位也相应发生变化。但为了运行方便，所有三相变电所原副边的相位均按一定的相位顺序标注，如图2-10所示。为了便于分析一相变压器原副边的相位关系，通常还采用图2-11(a)所示的展式图，图中约定：1）原逼边对应绕组相互平行；2）原副边对应绕组的同名端在同一侧；3）副边绕组的C端子接地。2-2-1三相牵引变压器的结线原理2-2-2三相牵引变压器绕组的电流分布2-2-2三相牵引变压器绕组的电流分布由于牵引负荷是两个单相负荷，所以在变压器三相绕组中的电流分配是不均匀的。如图2-12所示。2-2-2三相牵引变压器绕组的电流分布由图可知副边三相绕组中的电流关系为：abababcaabbcIIIIIIIII313132313132(2-1)2-2-2三相牵引变压器绕组的电流分布设Ib为基准量I，则有可求得：60311.1960365.21.19180365.2IIIIIIabcabc(2-2)2-2-2三相牵引变压器绕组的电流分布式2-2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的电流大小相等，而非接地绕组ab的电流较小，只是臂绕组电流的1/2.65，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，不同于一般三相对称系统中的线电流与相电流的31/2关系。2-2-3三相牵引变压器的容量利用率2-2-3三相牵引变压器的容量利用率三相牵引变压器的三角侧输出两个单相负荷，设额定输出电压为UN，两供电臂额定电流Ia=Ib=IN，则额定输出容量为：Uout=2UNIN(2-3)由式2-2可知，当臂绕组电流达到额定值时，馈线电流为臂绕组电流的1.13倍，是额定电流IN的1.13/31/2=0.655倍，故额定输出为：Sout=2UN×0.655IN=1.31UNIN(2-4)牵引变压器的实际安装容量为：NNNIUS3(2-5)则容量利用率为：756.0332.1NNNNNoutIUIUSSK(2-6)2-2-3三相牵引变压器的容量利用率在实用中，当绕组bc,ac达到额定值时，绕组ab只达到0.378倍的额定电流。原边对应绕组电流也同样为0.378倍额定电流，所以三相变压器还未过到额定温升，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，使供电臂的电流增加1/Kt=1.111倍，当只有一臂有负载时，供电臂的容许电流还可增大。如表2-1所示，相应变压器的容量利用率也可达到1.111×0.756=0.84。2-2-4三相牵引变电所的优缺点2-2-4三相牵引变电所的优缺点1、优点1）变压器原边采用YN结线，中性点引出接地方式怀高压电网相适应；2）变压器结构相对简单，又因中性点接地，绕组可采取分级绝缘，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，不但所内自用电可靠，而且必要时还可向地方负荷供电。2、缺点：1）变压器的容量不能充分利用；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。2-2-5三相不等容量牵引变压器2-2-5三相不等容量牵引变压器由前述结论可知，YN，d11结线的三相牵引变压器，当两个重负荷相绕组的负荷达到100%时额定容量时，轻负荷相绕组只要37.8%的结构容量即可满足运行要求。三相不等容量牵引变压器就是根据上述特点制造而成。它是将轻负荷绕组的富裕量抽出，平均分配到两个重负荷相上，且改变后的总容量仍维持原来变压器的容量等级。在实际设计时，为简单起见，使轻负荷绕组的结构容量为重负荷绕组的40%，而三相容量分配为：A：B：C=1:0.4:1。所以，不等容量变压器的结构容量与原改型前的等容量变压器之比为：（2×100%+40%)/3×100%=80%(2-7)此值正好为R10系统的一个容量等级差，即如果设计计算得出的三相变压器容量为20000kVA，那么则可选用不等容量的16000kVA变压器。用前述方法可求得，三相不等容量变压器的容量利用率为94.5%。2-3斯科特结线变压器2-3斯科特结线变压器斯科特结线变压器是一种三相-两相平衡变压器。由于它对电力系统所形成的负序较不，且变压器的容量利用率较高，所以先后在京秦线、郑武线等重要繁忙的干线上采用。2-3斯科特结线变压器2-3斯科特结线变压器2-3-1斯科特变压器的结线图2-3-2斯科特结线变压器的电压关系2-3-3斯科特结线变压器的电流关系2-3-4斯科特结线变压器的容量利用率2-3-5斯科特结线变压器的优缺点2-3-1斯科特变压器的结线图2-3-1斯科特变压器的结线图如图2-3所示。2-3-2斯科特结线变压器的电压关系2-3-2斯科特结线变压器的电压关系副边电压关系如图2-14所示。2-3-2斯科特结线变压器的电压关系由于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，T座变压器为高变压器。由图2-14可知，M座和T座变压器的变比为：MTMKWWKWWK23232121和所以可得U2T和U2M的关系为：MMMMBCMBCTTTUKUKUKUKUU21122323(2-8)可见：U2T和U2M为两相对称电压。即：数值相等，相位差90°。2-3-3斯科特结线变压器的电流关系2-3-3斯科特结线变压器的电流关系因为U2T超前U2M90°，所以I2T也将超前I2M90°。如果设IT为基准量，则有IM=-jIT。根据基尔霍夫节点电流方程及变压器磁势平衡可得：022023021121WIWIWIWIWIIIIMCBTACBA(2-9)2-3-3斯科特结线变压器的电流关系解上述方程组，可得原边三相电流为：TMBTMBTMAIjKIIjKIIKI3131313132(2-10)。，jj等所以三相电流的数值相模均为和由于复数23131电流关系的相量图如图2-15所示。2-3-3斯科特结线变压器的电流关系2-3-4斯科特结线变压器的容量利用率2-3-4斯科特结线变压器的容量利用率斯