2.第二章牵引变压器接线及其电气量分析

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1、第二章第二章 牵引变压器接线及其电气量分析牵引变压器接线及其电气量分析2.1 概述概述o我国电气化铁路采用我国电气化铁路采用单相工频交流制式单相工频交流制式，取电于，取电于电力系统。电力系统。o我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相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：两相制式：o牵引变压器除了电压变换外，还有电流和阻抗变牵引变压器除了电压变换外，还有电流和阻抗变换，称为系统变换：换，称为系统变换：牵引牵引变压器变压器A.B.Co.2.1 单相牵引变电所单相牵引变电所o采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。单相牵引变电所

2、单相牵引变电所一、纯单相结线一、纯单相结线高压绕组高压绕组AXAX接三相电源的接三相电源的某两相某两相(如图中的如图中的ACAC相相)，电压为电压为110kV110kV或或220kV220kV。低压绕组低压绕组axax，首端，首端a a接至牵引母线上，末端接至牵引母线上，末端x x与钢轨、与钢轨、地连接，输出电压地连接，输出电压27.5kV27.5kV。接牵引母线的一端，同。接牵引母线的一端，同时给左右两侧的供电臂供电。时给左右两侧的供电臂供电。纯单相纯单相I,i接线接线单相单相V,v接线接线变压器的变压器的容量利用率容量利用率是牵引变电所运行的重要经是牵引变电所运行的重要经济指标。济指标。优

3、点：容量可以充分利用，变电所的主接线简单、优点：容量可以充分利用，变电所的主接线简单、设备少。设备少。缺点：在三相系统形成较大的负序电流；不能实缺点：在三相系统形成较大的负序电流；不能实现双边供电；变电所无三相电源，所用电需由附现双边供电；变电所无三相电源，所用电需由附近的地方电网引入。近的地方电网引入。%100额定容量额定输出容量 K%100%1002121 UIUIUIK纯单相结线牵引变电所适用于：纯单相结线牵引变电所适用于：电力系统容量较大，地方电网较发达的地区。电力系统容量较大，地方电网较发达的地区。o如：哈如：哈(尔滨尔滨)大大(连连)线全部采用纯单相结线，线全部采用纯单相结线，牵引

4、变电所接于容量较大的牵引变电所接于容量较大的220kV电网。电网。牵引变电所装设两台单相牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器，作结线牵引变压器，作V,v接接线。线。V,v接线牵引变压器原边接线牵引变压器原边接入电力系统的两个线电压接入电力系统的两个线电压(如如AB、BC)。次边各有一端分别接到次边各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，公共牵引侧的两相母线上，公共端子与轨道及接地网连接。端子与轨道及接地网连接。由于对地电压相位不同，中由于对地电压相位不同，中间必须用分相绝缘器断开。间必须用分相绝缘器断开。二、单相二、单相V,v结线结线1.原、次边电流关系原、次边电流关系设变比为设变比为KTbcTB

5、CCbcabTBCABBabTABAbcTBCabTABIKIIIIKIIIIKIIIKIIKI1)(1)(1112.额定利用率额定利用率当当Iab、Ibc达到额定值达到额定值Ie时，即时，即 Iab=Ibc=Ie，则额定输出容量：则额定输出容量：S=IabUe+IbcUe=2UeIe额定容量：额定容量：S=2UeIe所以，所以，K=100%3.跨相供电跨相供电 当一台变压器因故停电时，另一台变压器必当一台变压器因故停电时，另一台变压器必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。优点：容量利用率为优点：容量利用率为100%，可以供给所内及，可以供给

6、所内及地区三相负荷，对牵引网还可实行双边供电。地区三相负荷，对牵引网还可实行双边供电。和纯单相结线比，对系统的负序影响减小。设和纯单相结线比，对系统的负序影响减小。设备相对较少。备相对较少。缺点：跨相供电缺点：跨相供电o在阳在阳(平关平关)安安(康康)等线路应用。等线路应用。三相牵引变电所中大多采用的是三相牵引变电所中大多采用的是110kV110kV油浸风冷式变压器，该油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用牵引变压器的接线采用YN,d11YN,d11标准联结组。标准联结组。1.1.原理电路图原理电路图高压侧绕组为高压侧绕组为YNYN，三个端子，三个端子(A)(A)、(B)(B)、(C)(C)

7、接电力系统的接电力系统的A A、B B、C C三相三相(或或ACBACB，BCA)BCA)，中性点通过隔离，中性点通过隔离开关开关QSQS接地。中性点何时接地由电力接地。中性点何时接地由电力调度决定，通常是断开的。调度决定，通常是断开的。次边绕组接成次边绕组接成，(c)(c)端子接钢轨端子接钢轨和地。和地。(a)(a)、(b)(b)端子分别接牵引母线。端子分别接牵引母线。2.2 三相三相YN,d11接线牵引变电所接线牵引变电所 （）内符号表示端子号，（）内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边大写为原边，小写为次边其中绕组其中绕组(ax)，(cz)为负荷相绕组；为负荷相绕组；绕组绕组(by)为

8、自由相绕组为自由相绕组注意：带注意：带“（）（）”的字母的字母表示端子号，应与电力表示端子号，应与电力系统相序区分。系统相序区分。为了便于分析，通常采用为了便于分析，通常采用展开图。展开图。画展开图有如下约定：画展开图有如下约定：(1)(1)原、次边对应绕组相互平行；原、次边对应绕组相互平行；(2)(2)原、次边每相绕组的同名端原、次边每相绕组的同名端放在同一侧；放在同一侧；(3)(3)次边绕组的次边绕组的(c)(c)端子接钢轨和地；端子接钢轨和地；2.2.展开图展开图(4)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致。次边绕组按同名端与原边绕组电压一致。下标的标注：下标的标注：(1)电流、电压相量的下

9、标表示其实际相别，与绕组端电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。子号无关。(2)臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。3.电压、电流相量的规格化定向电压、电流相量的规格化定向 (1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，(看作负看作负载载)，即牵引变压器从电力系统吸收电能。，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，次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，(看作电看作电源源)，即牵引变压器是次边负荷的电源。，即牵引变压器是次边负荷的电源。(3)原边绕组电压与实

10、际进线电压一致。原边绕组电压与实际进线电压一致。AIBICI+AU-+-BUCU+-cIaIbI+-cU+-aU+-bU+-bU+-aU bI aI 次边电压、电流相量图：次边电压、电流相量图：将负荷端口电压进行相位比较，将负荷端口电压进行相位比较，引前引前120者称为引前相者称为引前相 ；另一为滞后相另一为滞后相 ；另一端口另一端口(无负荷无负荷)为自由相为自由相 。注：与电力系统的相序一致注：与电力系统的相序一致aUbUcUaIbIabaUbUcUab(以以 为参考相量为参考相量)aU，分别表示负荷分别表示负荷La、Lb的功率因数角。的功率因数角。4.次边绕组电流与负荷端口电流的关系次边绕

11、组电流与负荷端口电流的关系baaIII 3132bacIII 3131babIII 3231次边三相绕组电流相量图：次边三相绕组电流相量图：设次边两负荷相等。设次边两负荷相等。以以 为基准相量：为基准相量：o将将Ia、Ib代入得：代入得：aI 0IIa 120IIbaI bI baaIII 3132aI babIII 3231bI bacIII 3131cI 1.19365.2120310323132IIIIIIbaa 1.139365.212032031IIIIb 1203112031031IIIIc从计算结果可看出，各相绕组电流极不对称。从计算结果可看出，各相绕组电流极不对称。在两臂负荷相

12、等情况下，在两臂负荷相等情况下，Ia=Ib=I(1)两接地相绕组两接地相绕组(臂绕组臂绕组)的电流大小相等，的电流大小相等，非接地相绕组非接地相绕组(自由相绕组自由相绕组)的电流较小，的电流较小，(2)馈线负荷电流为臂绕组电流的馈线负荷电流为臂绕组电流的 倍，倍，IIIba365.2 acIII 65.213165.23aII 65.235.容量利用率容量利用率设额定输出电压为设额定输出电压为Ue，两供电臂额定电流，两供电臂额定电流Ia=Ib=Ie三相变压器的额定容量为：三相变压器的额定容量为：额定输出容量为：额定输出容量为：%100 eoutSSKeleeIUS3 eebeaeoutIUIU

13、IUS2 elepII31 elelepeIIII655.03165.2365.23 eleeleeeoutIUIUIUS134.1655.022%6.75%1003134.1%100 eleeleeoutIUIUSSK6.优缺点优缺点优点优点:(1)变压器原边采用变压器原边采用YN结线，中性点引出接地方式结线，中性点引出接地方式与高压电网相适应。与高压电网相适应。(2)结构相对简单，绕组可采取分级绝缘，造价较低。结构相对简单，绕组可采取分级绝缘，造价较低。(3)运用技术成熟，供电安全，可靠性好。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，而且变电所有三相电源

14、，不但所内自用电可靠，而且必要时还可向地方负荷供电。必要时还可向地方负荷供电。缺点：缺点：(1)变压器的容量不能充分利用，输出容量只能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达到其额定容量的75.6%，引入温度系数后，也，引入温度系数后，也只能达到只能达到84%。(2)和单相结线牵引变电所相比，主接线比较复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。护检修的工作量和费用也相应增加。1.根据所给三相根据所给三相YN,d11结线牵引变电所的原理图画出其展开图，并结线牵引变电所

15、的原理图画出其展开图，并按规格化定向标出原次边电压、电流以及负荷端口电流、电压。按规格化定向标出原次边电压、电流以及负荷端口电流、电压。2.以引前相电压为基准，计算次边绕组电流。以引前相电压为基准，计算次边绕组电流。3.画出次边绕组电流、电压相量图，负荷端口电流相量图。画出次边绕组电流、电压相量图，负荷端口电流相量图。两供电臂负荷功率因数相同，两供电臂负荷功率因数相同，均为均为8.0cos1.概述：概述：这种牵引变电所中变压器为三相这种牵引变电所中变压器为三相两相平衡变两相平衡变压器。压器。在电力系统中对称和平衡是有区别的：在电力系统中对称和平衡是有区别的：平衡平衡 “0序序”，即无，即无“0

16、序分量序分量”称为平称为平衡，否则为不平衡衡，否则为不平衡 对称对称 “负序负序”，即无，即无“负序分量负序分量”称为对称为对称，否则为不对称称，否则为不对称2.3三相三相-两相牵引变电所两相牵引变电所 而电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引而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变压器不会在电力系统中产生“0序分量序分量”，但，但通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡而不对称的。牵引负荷是平衡而不对称的。也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑考虑“0序序”，只考虑

17、负序，又把对称变压器称，只考虑负序，又把对称变压器称为平衡变压器，目的都是消除或削弱负序。为平衡变压器，目的都是消除或削弱负序。由两台单相变压器构成。由两台单相变压器构成。变压器的原边绕组联成变压器的原边绕组联成倒倒T形接入三相电力系统，形接入三相电力系统，副边绕组联成相位差为副边绕组联成相位差为90的的V形，公共端接地形，公共端接地和钢轨，两个开口端分和钢轨，两个开口端分别接入接触网相邻的两别接入接触网相邻的两区段，相邻两接触网对区段，相邻两接触网对地电压相位不同，故相地电压相位不同，故相邻两接触网区段必须用邻两接触网区段必须用分相绝缘器断开。分相绝缘器断开。2.Scott变压器接线牵引变电

18、所变压器接线牵引变电所(1)原、次边电压关系及变比关系原、次边电压关系及变比关系(M)座变压器的绕组原边接入电力系统座变压器的绕组原边接入电力系统AB相相(线电压线电压)，(T)座变压器绕组原边一端接座变压器绕组原边一端接(M)座绕组座绕组的中点的中点D，另一端接入，另一端接入C相。相。分析：分析：以原边相电压以原边相电压 为参为参考相量，则：考相量，则：(T)座原边电压座原边电压 为：为：AU303AABUUCDU 12023302315032112021AAAABABABCAADCADACACDCADACDUUUUUUUUUUUUUUU (M)座原边绕组匝数是座原边绕组匝数是(T)座的座的

19、 ，而副边匝，而副边匝数相等数相等()。(M)座变压器变比座变压器变比:(T)座变压器变比座变压器变比:由于由于(M)与与(T)两变压器原边电压的关系对应于等边两变压器原边电压的关系对应于等边三角形底边和高的关系，故通常称三角形底边和高的关系，故通常称M座为底变压器，座为底变压器，T座为高变压器。座为高变压器。232221MKMTKK2323212190239023UKUKUUMABTCD(2)原、次边电流关系原、次边电流关系列写电流和磁势平衡关系列写电流和磁势平衡关系式式原边电流：原边电流：若副边两相牵引负荷电流若副边两相牵引负荷电流相等时，且相等时，且M、T两供电两供电臂功率因数相等时，臂

20、功率因数相等时，以以 为参考相量：为参考相量：列磁势平衡方程：列磁势平衡方程：0CBAIIII900IIII21212112322IIIIIIICCBA将将 代入得：代入得：0CBAIII21212112322IIIIIIICCBAMKIIII219009032150323032MCMBMAKIIKIIKII结论结论 在在M、T两供电臂负荷电流大小相等、两供电臂负荷电流大小相等、功率因数相等的条件下，功率因数相等的条件下，Scott牵引变压器牵引变压器原边三相电流大小相等，相位互差原边三相电流大小相等，相位互差120，即原边三相电流对称。即原边三相电流对称。达到额定输出时，即达到额定输出时，即

21、 ，此时：此时：变压器额定输出容量：变压器额定输出容量：变压设计容量：变压设计容量：eIIIeMCBAIKIII32eeUIUIUIS2eMMeABMeMeABCDBABAABCCDbUIKUKIUKIKIUUIUIUIUS)321()123(32)123(3232)(2121%8.92%1003212%100beSSK(3)Scott变压器容量利用率变压器容量利用率3.阻抗匹配平衡变压器阻抗匹配平衡变压器所谓平衡变压器必须满足：所谓平衡变压器必须满足：(1)无论二相侧无论二相侧(负荷侧负荷侧)负荷状况如何，三相侧负荷状况如何，三相侧(系系统侧统侧)均无零序电流。即三相侧电流为均无零序电流。即

22、三相侧电流为“平衡系平衡系”；(2)当二相侧两臂负荷相等时，三相侧负序电流为当二相侧两臂负荷相等时，三相侧负序电流为零。即三相侧电流为零。即三相侧电流为“对称系对称系”。这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通YN,d11接线变压器的自由相上增加两个绕组。这接线变压器的自由相上增加两个绕组。这种结构是目前现有平衡牵引变压器中最简单的。种结构是目前现有平衡牵引变压器中最简单的。使副边使副边内各绕组阻抗满足阻抗匹配原则，从而使内各绕组阻抗满足阻抗匹配原则，从而使原边平衡，即三个绕组阻抗满足原边平衡，即三个绕组阻抗满足:Zab=Zbc=Zac(1)接线图接线图:原

23、边接线与普通原边接线与普通YN,d11接接线变压器的原边情况完全相线变压器的原边情况完全相同；同；次边三角形接线结构有所改次边三角形接线结构有所改变，变，即在非接地相增设了即在非接地相增设了两个外移绕组：两个外移绕组：和和 。(c)端子仍接地。端子仍接地。、两端分别接到两端分别接到牵引侧两相母线上。牵引侧两相母线上。由两相牵引母线分别由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂向两侧对应的供电臂供电。供电。ab(2)电流关系：电流关系：次边绕组电流与负荷端口电流关系为：次边绕组电流与负荷端口电流关系为：IIIIIcba212121212121原边三相电流与负荷端口电流关系为：原边三相电流与负荷端口电流

24、关系为：IIKIIICBA2121)21213()21213(21211122211KKIIKIIICBA13)13(22)13(133211当次边两相均载时，都等于当次边两相均载时，都等于I2时，有：时，有：10536135361536212121IKIIKIIKICBA(3)电压关系：电压关系：BCbcBABAABaaUUKUUUUUKUUKKUKUUUU)13(221)13(221213121311111(4)变比关系：变比关系：(5)变压器容量利用率：变压器容量利用率：额定容量：额定容量：S1=3U1相相I1相相额定输出容量：额定输出容量：11112111221122223363232

25、632322SIUIUKIKUSIKIUUIUIUIUIUS阻抗匹配平衡变压器的特点：阻抗匹配平衡变压器的特点：1.阻抗匹配平衡变压器的原边仍为阻抗匹配平衡变压器的原边仍为YN接法，引出接法，引出中性点，与现有中性点，与现有110kV或或220kV系统匹配方便。系统匹配方便。2.阻抗匹配平衡变压器的副边仍有阻抗匹配平衡变压器的副边仍有接线绕组，三接线绕组，三次谐波电流可以流通，确保主磁通和电压波形有次谐波电流可以流通，确保主磁通和电压波形有良好的正弦度。良好的正弦度。3.容量利用率显著高于容量利用率显著高于YN,d11接线变压器。接线变压器。4.次边次边 时，原边三相电流为平衡系；次边时，原边三相电流为平衡系；次边 时，原边三相电流转化为对称系。对牵引负荷来时，原边三相电流转化为对称系。对牵引负荷来说，任何时刻都满足说，任何时刻都满足 的概率是很小的，尽的概率是很小的，尽管如此，阻抗匹配平衡变压器原边三相电流的不管如此，阻抗匹配平衡变压器原边三相电流的不对称度较对称度较YN,d11牵引变压器仍有明显改善。牵引变压器仍有明显改善。5.原边三相制的视在功率完全转化为次边二相制的原边三相制的视在功率完全转化为次边二相制的视在功率。视在功率。II II II 不对称度不对称度K与牵引负荷比与牵引负荷比m的关系曲线的关系曲线