铁路功率融通变压设备的制作方法

本实用新型涉及电力变电或配电技术领域，特别涉及一种铁路功率融通变压设备。

背景技术：

我国的电气化铁路近年来得到快速发展，牵引负荷的大量接入对公用电网的电能质量带来较大影响。电力机车产生的负序、谐波、无功等电能质量问题，通过牵引变电站注入公用电网，对电力系统带来危害，严重威胁电力系统的安全和经济运行。其中，负序电流增大同步电机的附加损耗、降低变压器出力、引起继电保护装置误动等；谐波电流引起发电机、变压器、输电线路附加损耗，并可能产生谐波放大烧毁电力设备；无功功率不足增加输电线路损耗，降低电压水平。

技术实现要素：

基于此，为解决上述问题，本实用新型提供一种铁路功率融通变压设备，可有效减少机车牵引负荷对公用电网电能质量的影响，保证电力系统的安全和经济运行。

其技术方案如下：

一种铁路功率融通变压设备，包括交流电网，分别连接于所述交流电网两侧并连接有电力机车的的第一供电臂和第二供电臂，连接所述第一供电臂和第二供电臂的变流模块，以及连接于所述第一供电臂和变流模块之间的第一功率融通变压器、连接于所述第二供电臂和变流模块之间的第二功率融通变压器；

所述第一功率融通变压器和第二功率融通变压器均包括与所述第一供电臂或第二供电臂连接的高压端，以及与所述变流模块连接的低压端；所述变流模块包括变流单元，所述变流单元包括与所述第一功率融通变压器的所述低压端连接的第一IGBT功率模块、与所述第二功率融通变压器的所述低压端连接的第二IGBT功率模块、以及连接于所述第一IGBT功率模块和第二IGBT功率模块之间的直流电容。

通过在第一供电臂和第二供电臂之间连接设置变流模块、第一功率融通变压器及第二功率融通变压器，在交流电网的两供电臂之间实现功率转移(功率融通变压器是实现两供电臂的有功功率转移的重要环节)，通过功率转移达到两供电臂的有功平衡，并可类似于配电静止同步补偿器补偿无功，使三相电流趋于对称，实现负序、谐波和无功的综合补偿。通过功率补偿装置对两个供电臂之间的能量交换，可有效减少电力机车牵引负荷对交流电网电能质量的影响，而通过设置功率融通变压器可以进一步减小电能质量调节装置(变流模块)的容量，达到节约成本的目的。

下面对进一步技术方案进行说明：

进一步地，所述第一功率融通变压器和第二功率融通变压器均设置为单相多绕组变压器。

进一步地，所述单相多绕组变压器包括矩形框状铁芯，绕设于所述铁芯上的一组高压线圈，以及绕设于铁芯上的多组低压线圈；

所述高压线圈形成所述高压端并与所述第一供电臂或第二供电臂连接，所述低压线圈形成所述低压端并与所述第一IGBT功率模块或第二IGBT功率模块连接。

进一步地，所述变流模块包括多个与所述低压线圈对应的变流单元，每个所述变流单元的所述第一IGBT功率模块与所述第一功率融通变压器的一组所述低压线圈对应连接、所述第二IGBT功率模块与所述第二功率融通变压器的一组所述低压线圈对应连接。

进一步地，所述第一功率融通变压器和第二功率融通变压器均设置为单相四绕组变压器，所述单相四绕组变压器具有四组所述低压线圈，所述变流模块包括与四组所述低压线圈对应的四个所述变流单元。

进一步地，所述铁芯包括两根竖直并排的绕线柱，所述高压线圈包括分别绕设于每根所述绕线柱上的一组高压绕组；

每根所述绕线柱上的一组所述高压绕组分裂为上下两个高压绕组单元，且每根所述绕线柱上的两个所述高压绕组单元并联后与另一根所述绕线柱上的两个所述高压绕组单元并联。

进一步地，每组所述低压线圈包括对应设置于一个所述高压绕组单元内侧的一个低压绕组，每个所述低压绕组包括一个低压绕组单元，且每个所述低压绕组单元相互独立并与一个所述第一IGBT功率模块或第二IGBT功率模块连接。

进一步地，所述铁芯包括多片叠装的矩形框状硅钢片，且多片所述硅钢片的两端分别夹设有夹具结构。

本实用新型具有如下突出的优点：通过在两个供电臂之间设置变流模块和功率融通变压器形成的电能质量调节装置，在交流电网的两供电臂之间实现功率转移使两供电臂达到有功平衡。可有效减少电力机车牵引负荷对交流电网电能质量的影响，并可以进一步减小电能质量调节装置的容量，节约成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述铁路功率融通变压设备的电路结构示意图；

图2是本实用新型实施例所述铁路功率融通变压设备的功率融通变压器的电路结构示意图；

图3是本实用新型实施例所述铁路功率融通变压设备的功率融通变压器的实体结构示意图；

图4是本实用新型实施例所述铁路功率融通变压设备的变流模块的电路结构示意图。

附图标记说明：

100-交流电网，110-第一供电臂，120-第二供电臂，200-变流模块，210-第一IGBT功率模块，220-第二IGBT功率模块，230-直流电容，300a-第一功率融通变压器，300b-第二功率融通变压器，302-高压端，304-低压端，310-铁芯，320-夹具结构，330-高压线圈(或低压线圈)，332-高压绕组单元，334-低压绕组单元。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例进行详细说明：

如图1所示，一种铁路功率融通变压设备，包括交流电网100，分别连接于所述交流电网100两侧并连接有电力机车的的第一供电臂110和第二供电臂120，连接于所述第一供电臂110和第二供电臂120之间的变流模块200，以及连接于所述第一供电臂110和变流模块200之间的第一功率融通变压器300a、连接于所述第二供电臂120和变流模块200之间的第二功率融通变压器300b。通过在第一供电臂110和第二供电臂120之间连接设置变流模块200、第一功率融通变压器300a及第二功率融通变压器300b，在交流电网100的两供电臂之间实现功率转移(功率融通变压器是实现两个供电臂的有功功率转移的重要环节)，通过功率转移达到两个供电臂的有功平衡，并可类似于配电静止同步补偿器补偿无功，使三相电流趋于对称，实现负序、谐波和无功的综合补偿。通过功率补偿装置对两个供电臂之间的能量交换，可有效减少电力机车牵引负荷对交流电网电能质量的影响，而通过设置功率融通变压器可以进一步减小电能质量调节装置(变流模块)的容量，达到节约成本的目的。

此外，如图2至图3所示，所述第一功率融通变压器300a和第二功率融通变压器300b均包括与所述第一供电臂110或第二供电臂120连接的高压端302，以及与所述变流模块200连接的低压端304。

此外，如图4所示，所述变流模块200包括变流单元，所述变流单元包括与所述第一功率融通变压器300a的所述低压端304连接的第一IGBT功率模块210、与所述第二功率融通变压器300b的所述低压端304连接的第二IGBT功率模块220、以及连接于所述第一IGBT功率模块210和第二IGBT功率模块220之间的直流电容230。且所述第一IGBT功率模块和第二IGBT功率模块电路结构相同。即变流模块200由多个IGBT功率模块与直流电容组成。IGBT功率模块可实现整流逆变的过程，并通过直流电容进行稳压，在功率双向流通的过程中稳定交流电网电压。IGBT功率模块是以绝缘栅双极型晶体管(IGBT，即Insulated Gate Bipolar Transistor)构成的功率模块，IGBT功率模块是电压型控制，输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高，元件容量大。直流电容即直流支撑电容器，又称DC-Link电容器，在逆变电路中主要是对IGBT功率模块的输出电压进行平滑滤波，吸收来自于IGBT功率模块向直流电容索取的高幅值脉动电流，阻止其在直流电容的阻抗上产生高幅值脉动电压，使直流母线上的电压波动保持在允许范围，还可防止来自于直流电容的电压过冲和瞬时过电压对IGBT功率模块的影响。

而且，如图3所示，所述第一功率融通变压器300a和第二功率融通变压器300b均设置为单相多绕组变压器。所述单相多绕组变压器区别于传统电力变压器的低短路阻抗(大概在4％～8％)，可使功率融通变压器(即第一功率融通变压器300a或第二功率融通变压器300b)的短路阻抗可达30％～40％高阻抗特性(采用等效漏抗作为滤波电感)，与变流模块200配合可滤除交流电网中13次及以下的高次谐波。

进一步地，所述单相多绕组变压器包括矩形框状铁芯310、绕设于所述铁芯310上的一组高压线圈330、以及绕设于铁芯310上的多组低压线圈。所述高压线圈形成所述高压端302并与所述第一供电臂110或第二供电臂120连接，所述低压线圈形成所述低压端304并与所述第一IGBT功率模块210或第二IGBT功率模块220连接。对应地，所述变流模块200包括多个与所述低压线圈对应的变流单元，每个所述变流单元的所述第一IGBT功率模块210与所述第一功率融通变压器300a的一组所述低压线圈对应连接、所述第二IGBT功率模块220与所述第二功率融通变压器300b的一组所述低压线圈对应连接。

在一个实施例中，所述第一功率融通变压器300a和第二功率融通变压器300b均设置为单相四绕组变压器，所述单相四绕组变压器具有四组所述低压线圈，所述变流模块200包括与四组所述低压线圈对应的四个所述变流单元。而且，所述铁芯310包括两根竖直并排的绕线柱，所述高压线圈包括分别绕设于每根所述绕线柱上的一组高压绕组。每根所述绕线柱上的一组所述高压绕组分裂为上下两个高压绕组单元332，且每根所述绕线柱上的两个所述高压绕组单元332并联后与另一根所述绕线柱上的两个所述高压绕组单元332并联。此外，每组所述低压线圈包括对应设置于一个所述高压绕组单元332内侧的一个低压绕组，每个所述低压绕组包括一个低压绕组单元334(同样绕设于所述绕线柱上)，且每个所述低压绕组单元334相互独立并与一个所述第一IGBT功率模块210或第二IGBT功率模块220连接。即所述高压线圈采用两柱并联并且单柱上下并联的分裂结构，而四组所述低压线圈分别与四个并联分裂的高压线圈一一对应分布。采用上述结构的功率融通变压器(第一功率融通变压器300a和第二功率融通变压器300b)，在使用工况恶劣，牵引供电网高谐波含量、负序电流、无功损耗等电能质量问题严重，以及变压器与变流模块连接存在一定直流分量的情况下，能够解决抬高电压时造成的变压器铁芯磁饱和、铁芯损耗增加、变压器噪音增大等问题。另外，功率融通变压器的等效漏抗是作为滤波电感，对交流电网电压进行滤波，采用上述结构的功率融通变压器，可以保证变压器阻抗的稳定性，可使穿越阻抗(四组低压线圈同时投入运行时阻抗)和半穿越阻抗(单组、两组或三组低压线圈投入运行时阻抗)均稳定维持在30％～40％之间。

此外，所述铁芯可采用叠片式结构，包括多片叠装的矩形框状硅钢片，每片硅钢片可分成两部分再连接在一起，这样便于将线圈放置在铁芯柱上。而且，多片所述硅钢片的两端分别夹设有夹具结构，通过夹具结构可将铁芯夹紧。

本实用新型提出的铁路功率融通变压设备，通过在两个供电臂之间设置变流模块和功率融通变压器形成的电能质量调节装置，在交流电网的两供电臂之间实现功率转移使两供电臂达到有功平衡。可有效减少电力机车牵引负荷对交流电网电能质量的影响，并可以进一步减小电能质量调节装置的容量，节约成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。