交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器的制作方法

1.本发明涉及轨道交通工程，特别涉及一种交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器。


背景技术：

2.目前，部分城市的轨道交通工程采用了与电气化铁路一致的单相交流25kv的供电方式，为机车车辆供电。在变电所内独立采用一台牵引变压器，将外部输入的三相110kv或220kv电源转换为单相的交流25kv电影给机车车辆提供牵引电源；同时独立设置电力变压器，将外部输入的三相110kv或220kv电源转换为三相35kv或20kv或10kv，给沿线的电力负荷提供电力电源。
3.变电所内采用独立牵引变压器及电力变压器的供电系统示参见附图4。在城市轨道交通供电系统中，由于这类变电所的电压等级高、占地面积较大，要求也较高，市域范围内规划选址困难，外部110kv或者220kv的电源点的获取也极为困难，代价较高，因此大部分情况下将该电力变压器及牵引变压器均整合在同一个变电所内，共用同一个输入电源，但高电压等级的牵引及电力变压器各自独立设置，导致设备数量、占地面积及工程造价均大幅提升。
4.由于城市轨道交通的行车速度相对较低，行车密度较高，负荷较重。且因为采用了单相交流25kv作为牵引电源以后，牵引供电对应牵引网侧的电分相问题，导致实施的难度及对行车效率等方面的影响均较大，以及给电力系统电源侧带来的负序问题，日益成为目前困扰其发展的两个主要问题。如何尽可能减少牵引网的电分相，并满足电力系统三相不平衡标准的要求，已成为一个课题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器，以大幅减少该类大型高压变压器的设置数量及相关配套设施的设置数量，节约工程成本及后期的维护工作量，同时简化控制设备、保护设备，大幅节省设备所需空间及相关的配套设施，降低工程规模和投资。
6.本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
7.本发明的交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器，其特征是：采用三角形绕组/单相绕组/v形绕组构成三绕组变压器，统一整合在变压器壳体内；牵引及电力共用高压侧三角形绕组与电力系统输入的三相交流电源相连，牵引低压侧单相绕组输出27.5kv单相电源，与牵引网连接，向机车车辆提供牵引电源；电力低压侧两相v形绕组输出两相35kv/20kv/10kv电源，与轨道交通的中压35kv或20kv或10kv供电网络相连，形成向沿线电力负荷供电的能力；牵引低压侧单相绕组和电力低压侧两相v形绕组各自独立满足不同的容量需求。
8.或者，采用单相绕组/单相绕组和v形绕组/v形绕组接线构成四绕组变压器，统一
整合在变压器壳体内；牵引高压侧单相绕组绕组与牵引低压侧单相绕组构成牵引侧绕组；电力高压侧v形绕组、电力低压侧v形绕组构成电力侧绕组；牵引高压侧单相绕组与电力高压侧v形绕组通过高压侧外部接线进行相间连接；牵引低压侧单相绕组和电力低压侧v形绕组各自独立满足不同的容量需求。
9.本发明的有益效果主要体现在如下方面：
10.1、三相牵引及电力混合型变压器共用高压侧110kv或220kv进线，牵引负荷直接输出单相供电，电力负荷采用v形接线输出供电，牵引、电力绕组根据实际工程情况采用等容或不等容结构，可减少牵引变电所出线上网侧的首端电分相，为牵引负荷全线采用同相供电提供条件；
11.2、三相牵引及电力混合型变压器的高压侧三相电流总体上是平衡的，在任何情况下均不会产生零序；
12.3、三相牵引及电力混合型变压器通过牵引负荷与电力负荷的相互平衡作用，可以有效的减少交流电气化轨道交通工程单相牵引负荷对电力系统的负序注入电流，当电力/牵引负荷容量比大于等于60％时，其注入电力系统的负序电流将优于目前广泛采用的v/v接线牵引变压器；
13.4、通过将变电所中的牵引变压器和电力变压器整合为一体，大幅减少该类大型高压变压器的设置数量及相关配套设施的设置数量。一方面最大程度的实现了铁心、外壳、支撑、绝缘、散热器等设施和材料的共用，节约了工程成本及后期的维护工作量；另一方面，由于大型高压变压器数量减少，与变压器连接的高压开关等设备的数量也相应减少，同时也简化控制、保护设备，大幅节省设备所需空间及相关的配套设施，降低工程规模和投资，可节约宝贵的城市土地资源。
附图说明
14.本说明书包括以下4幅附图：
15.图1是本发明一交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器的一种绕组接线方式，图中：变压器壳体1，高压侧三角形绕组11、牵引低压侧单相绕组12、电力低压侧两相v形绕组13；
16.图2是本发明交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器的另一种绕组接线方式，图中：变压器壳体1，牵引高压侧单相绕组21，牵引低压侧单相绕组22，电力高压侧v形绕组31，电力低压侧v形绕组32，高压侧外部接线10；
17.图3是本发明交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器高低压侧的电压电流向量图，图中：i
q
为牵引侧电流，i
a
、i
b
为电力侧负荷电流，φ
q
为牵引负荷角，φ为电力负荷角。
18.图4是变电所内采用独立牵引变压器及电力变压器的供电方案示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明进一步说明。
20.本发明将常规独立设置的牵引变压器及电力变压器进行整合为一套装置，用于牵引与电力供电合建的变电所，实现共用110kv或220kv高压侧电源，同时输出单相27.5kv牵
引电源和35kv或20kv或10kv三相电源，分别作为牵引供电以及沿线电力负荷的供电电源。
21.该三相牵引及电力混合型变压器采用图1或图2示出的两种绕组接线形式。
22.方案一参照图1，本发明交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器采用三角形绕组/单相绕组/v形绕组(
△
/i/v)构成三绕组变压器，统一整合在变压器壳体1内。牵引及电力共用高压侧三角形绕组11与电力系统输入的三相交流电源相连，牵引低压侧单相绕组12输出27.5kv单相电源，与牵引网连接，向机车车辆提供牵引电源；电力低压侧两相v形绕组13输出两相35kv/20kv/10kv电源，与轨道交通的中压35kv或20kv或10kv供电网络相连，形成向沿线电力负荷供电的能力；牵引低压侧单相绕组12和电力低压侧两相v形绕组13各自独立满足不同的容量需求。
23.方案二参照图2，本发明交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器采用单相绕组/单相绕组(i/i)和v形绕组/v形绕组(v/v)接线构成四绕组变压器，统一整合在变压器壳体1内。牵引高压侧单相绕组21与牵引低压侧单相绕组22构成牵引侧绕组；电力高压侧v形绕组31、电力低压侧v形绕组32构成电力侧绕组；牵引高压侧单相绕组21与电力高压侧v形绕组31通过高压侧外部接线10进行相间连接；牵引低压侧单相绕组22和电力低压侧v形绕组32各自独立满足不同的容量需求。
24.上述技术方案可应用于国铁主干线路，也可用于交流供电制式的城市轨道交通工程。
25.本发明一交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器的原理如图1及图2所示。设高压侧绕组匝数为wⅰ,低压侧绕组匝数为wⅱ、wⅲ，k1＝wⅰ/wⅱ，k2＝wⅰ/wⅲ,则根据各芯柱上的磁势平衡原理，可以写出高低压侧的电流映射关系如下：
[0026][0027]
根据根据图2、图3和式(1)画出三相牵引及电力混合型变压器高低压侧的电压电流向量如图3所示。从图3中可以看到，三相牵引及电力混合型变压器的高压侧三相电压对称，高压侧三相电流总体上是平衡的，在任何情况下均不会产生零序。
[0028]
本发明一种交流电气化轨道交通工程用三相牵引及电力混合型变压器的负序分析如下：
[0029]
由(1)式根据对称分量法，设由(1)式根据对称分量法，设则：
[0030][0031][0032]
牵引负荷角φ
q
，当cosφ
q
≈1，k1＝110/27.5，k2＝110/35，i/i
q
＝m时：
[0033]
三相电流不平衡度：
[0034]
ε＝i2/i1ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0035]
则：
[0036][0037]
根据式(5)，对应电力/牵引负荷电流不对称系数m的不同取值：
[0038]
m＝0时，ε＝1，此时相当于牵引变电所采用单相牵引变压器，对电力系统的负序影响与单相牵引变压器相当；
[0039]
m＝1时，若cosφ≈0.9，ε＝0.1651，对电力系统的负序影响接近于平衡牵引变压器；
[0040]
m＝0.23时，若cosφ≈0.9，ε＝0.5，对电力系统的负序影响相当于于v/v接线牵引变压器；
[0041]
又k
s
＝s
d
/s
q
＝(2u
d
*i)/(u
d
*i
q
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0042]
式中：k
s
为电力负荷容量与牵引负荷容量的比值，s
d
为电力负荷容量，s
q
为牵引负荷容量，u
d
为电力负荷相电压，i为电力负荷相电流，u
q
为牵引负荷相电压，i
q
为牵引负荷相电流。
[0043]
当m＝0.23，k
s
＝0.6，也即：对三相牵引及电力混合型变压器的负序特征，在对应不同电力/牵引负荷容量比(k
s
)下其表现不一致，当电力负荷容量大于等于60％牵引负荷时，对应三相牵引及电力混合型变压器的负序特性将等于或优于目前广泛采用的v/v接牵引变压器(当其两牵引供电臂负荷相当时)。
[0044]
综上所述，本发明可实现交流电气化轨道交通工程变电所内牵引变压器和电力变压器的整合，并实现电压等级为交流25kv牵引负荷供电和电压等级为35kv或20kv或10kv的常规电力负荷供电。可大幅减少该类大型高压变压器的设置数量及相关配套设施的设置数量，节约工程成本及后期的维护工作量，同时简化控制设备、保护设备，大幅节省设备所需空间及相关的配套设施，降低工程规模和投资。