牽引變壓器（課堂PPT）

1、1第二章第二章 牽引變壓器接線及其電氣量分析牽引變壓器接線及其電氣量分析2.1 概述概述o我國電氣化鐵路采用我國電氣化鐵路采用單相工頻交流制式單相工頻交流制式，取電于，取電于電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)。o我國現(xiàn)行的牽引變電所供電方式絕大多數(shù)為三相我國現(xiàn)行的牽引變電所供電方式絕大多數(shù)為三相-兩相制式：兩相制式：o牽引變壓器除了電壓變換外，還有電流和阻抗變牽引變壓器除了電壓變換外，還有電流和阻抗變換，稱為系統(tǒng)變換：換，稱為系統(tǒng)變換：牽引牽引變壓器變壓器A.B.Co.2.1 單相牽引變電所單相牽引變電所o采用單相變壓器的牽引變電所稱為單相牽引變電所。采用單相變壓器的牽引變電所稱為單相牽引變電所。單相牽引變電

2、所單相牽引變電所一、純單相結(jié)線一、純單相結(jié)線高壓繞組高壓繞組AXAX接三相電源的接三相電源的某兩相某兩相( (如圖中的如圖中的ACAC相相) )，電壓為電壓為110kV110kV或或220kV220kV。低壓繞組低壓繞組axax，首端，首端a a接至牽引母線上，末端接至牽引母線上，末端x x與鋼軌、與鋼軌、地連接，輸出電壓地連接，輸出電壓27.5kV27.5kV。接牽引母線的一端，同。接牽引母線的一端，同時(shí)給左右兩側(cè)的供電臂供電。時(shí)給左右兩側(cè)的供電臂供電。純單相純單相I,i接線接線單相單相V,v接線接線變壓器的變壓器的容量利用率容量利用率是牽引變電所運(yùn)行的重要經(jīng)是牽引變電所運(yùn)行的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3、濟(jì)指標(biāo)。優(yōu)點(diǎn)：容量可以充分利用，變電所的主接線簡單、優(yōu)點(diǎn)：容量可以充分利用，變電所的主接線簡單、設(shè)備少。設(shè)備少。缺點(diǎn)：在三相系統(tǒng)形成較大的負(fù)序電流；不能實(shí)缺點(diǎn)：在三相系統(tǒng)形成較大的負(fù)序電流；不能實(shí)現(xiàn)雙邊供電；變電所無三相電源，所用電需由附現(xiàn)雙邊供電；變電所無三相電源，所用電需由附近的地方電網(wǎng)引入。近的地方電網(wǎng)引入。%100額定容量額定輸出容量 K%100%1002121 UIUIUIK純單相結(jié)線牽引變電所適用于：純單相結(jié)線牽引變電所適用于： 電力系統(tǒng)容量較大，地方電網(wǎng)較發(fā)達(dá)的地區(qū)。電力系統(tǒng)容量較大，地方電網(wǎng)較發(fā)達(dá)的地區(qū)。o如：哈如：哈(爾濱爾濱) 大大(連連)線全部采用純單相結(jié)線，線全部采用純

4、單相結(jié)線，牽引變電所接于容量較大的牽引變電所接于容量較大的220kV電網(wǎng)。電網(wǎng)。 牽引變電所裝設(shè)兩臺單相牽引變電所裝設(shè)兩臺單相結(jié)線牽引變壓器，作結(jié)線牽引變壓器，作V,v接接線。線。 V,v接線牽引變壓器原邊接線牽引變壓器原邊接入電力系統(tǒng)的兩個(gè)線電壓接入電力系統(tǒng)的兩個(gè)線電壓(如如AB、BC)。 次邊各有一端分別接到次邊各有一端分別接到牽引側(cè)的兩相母線上，公共牽引側(cè)的兩相母線上，公共端子與軌道及接地網(wǎng)連接。端子與軌道及接地網(wǎng)連接。由于對地電壓相位不同，中由于對地電壓相位不同，中間必須用分相絕緣器斷開。間必須用分相絕緣器斷開。二、單相二、單相V,v結(jié)線結(jié)線1.原、次邊電流關(guān)系原、次邊電流關(guān)系設(shè)變比為

5、設(shè)變比為KTbcTBCCbcabTBCABBabTABAbcTBCabTABIKIIIIKIIIIKIIIKIIKI1)(1)(1112.額定利用率額定利用率當(dāng)當(dāng)Iab、Ibc達(dá)到額定值達(dá)到額定值Ie時(shí)，即時(shí)，即 Iab=Ibc=Ie，則額定輸出容量：則額定輸出容量：S=IabUe+IbcUe=2UeIe額定容量：額定容量： S=2UeIe所以，所以，K=100%3.跨相供電跨相供電 當(dāng)一臺變壓器因故停電時(shí)，另一臺變壓器必當(dāng)一臺變壓器因故停電時(shí)，另一臺變壓器必須跨相供電，即兼供左右兩邊供電分區(qū)的牽引網(wǎng)。須跨相供電，即兼供左右兩邊供電分區(qū)的牽引網(wǎng)。優(yōu)點(diǎn)：容量利用率為優(yōu)點(diǎn)：容量利用率為100%，可

6、以供給所內(nèi)及，可以供給所內(nèi)及地區(qū)三相負(fù)荷，對牽引網(wǎng)還可實(shí)行雙邊供電。地區(qū)三相負(fù)荷，對牽引網(wǎng)還可實(shí)行雙邊供電。和純單相結(jié)線比，對系統(tǒng)的負(fù)序影響減小。設(shè)和純單相結(jié)線比，對系統(tǒng)的負(fù)序影響減小。設(shè)備相對較少。備相對較少。缺點(diǎn)：跨相供電缺點(diǎn)：跨相供電o在陽在陽(平關(guān)平關(guān)) 安安(康康)等線路應(yīng)用。等線路應(yīng)用。三相牽引變電所中大多采用的是三相牽引變電所中大多采用的是110kV110kV油浸風(fēng)冷式變壓器，該油浸風(fēng)冷式變壓器，該牽引變壓器的接線采用牽引變壓器的接線采用YN,d11YN,d11標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組。標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組。1.1.原理電路圖原理電路圖高壓側(cè)繞組為高壓側(cè)繞組為YNYN，三個(gè)端子，三個(gè)端子(A)(A)、(

7、B)(B)、(C)(C)接電力系統(tǒng)的接電力系統(tǒng)的A A、B B、C C三相三相( (或或ACBACB，BCA)BCA)，中性點(diǎn)通過隔離，中性點(diǎn)通過隔離開關(guān)開關(guān)QSQS接地。中性點(diǎn)何時(shí)接地由電力接地。中性點(diǎn)何時(shí)接地由電力調(diào)度決定，通常是斷開的。調(diào)度決定，通常是斷開的。次邊繞組接成次邊繞組接成，(c)(c)端子接鋼軌端子接鋼軌和地。和地。(a)(a)、(b)(b)端子分別接牽引母線。端子分別接牽引母線。2.2 三相三相YN,d11接線牽引變電所接線牽引變電所 （）內(nèi)符號表示端子號，（）內(nèi)符號表示端子號，大寫為原邊，小寫為次邊大寫為原邊，小寫為次邊其中繞組其中繞組(ax)，(cz)為負(fù)荷相繞組；為負(fù)

8、荷相繞組；繞組繞組(by)為自由相繞組為自由相繞組注意：帶注意：帶“（）（）”的字母的字母表示端子號，應(yīng)與電力表示端子號，應(yīng)與電力系統(tǒng)相序區(qū)分。系統(tǒng)相序區(qū)分。為了便于分析，通常采用為了便于分析，通常采用展開圖。展開圖。畫展開圖有如下約定：畫展開圖有如下約定：(1)(1)原、次邊對應(yīng)繞組相互平行；原、次邊對應(yīng)繞組相互平行；(2)(2)原、次邊每相繞組的同名端原、次邊每相繞組的同名端放在同一側(cè)；放在同一側(cè)；(3)(3)次邊繞組的次邊繞組的(c)(c)端子接鋼軌和地；端子接鋼軌和地；2.2.展開圖展開圖(4)次邊繞組按同名端與原邊繞組電壓一致。次邊繞組按同名端與原邊繞組電壓一致。下標(biāo)的標(biāo)注：下標(biāo)的標(biāo)

9、注：(1)電流、電壓相量的下標(biāo)表示其實(shí)際相別，與繞組端電流、電壓相量的下標(biāo)表示其實(shí)際相別，與繞組端子號無關(guān)。子號無關(guān)。(2)臂負(fù)荷的電壓相別與其對應(yīng)的工作繞組相別一致。臂負(fù)荷的電壓相別與其對應(yīng)的工作繞組相別一致。3.電壓、電流相量的規(guī)格化定向電壓、電流相量的規(guī)格化定向 (1)原邊繞組電壓、電流采用電動機(jī)慣例定向，原邊繞組電壓、電流采用電動機(jī)慣例定向，(看作負(fù)看作負(fù)載載)，即牽引變壓器從電力系統(tǒng)吸收電能。，即牽引變壓器從電力系統(tǒng)吸收電能。(2)次邊繞組電壓、電流采用發(fā)電機(jī)慣例定向，次邊繞組電壓、電流采用發(fā)電機(jī)慣例定向，(看作電看作電源源)，即牽引變壓器是次邊負(fù)荷的電源。，即牽引變壓器是次邊負(fù)荷的

10、電源。(3)原邊繞組電壓與實(shí)際進(jìn)線電壓一致。原邊繞組電壓與實(shí)際進(jìn)線電壓一致。AIBICI+AU- -+- -BUCU+- -cIaIbI+- -cU +- -aU +- -bU +-bU +-aU bI aI 次邊電壓、電流相量圖：次邊電壓、電流相量圖：將負(fù)荷端口電壓進(jìn)行相位比較，將負(fù)荷端口電壓進(jìn)行相位比較，引前引前120者稱為引前相者稱為引前相 ；另一為滯后相另一為滯后相 ；另一端口另一端口(無負(fù)荷無負(fù)荷)為自由相為自由相 。注：與電力系統(tǒng)的相序一致注：與電力系統(tǒng)的相序一致aUbUcUaIbIabaUbUcUab(以以 為參考相量為參考相量)aU ， 分別表示負(fù)荷分別表示負(fù)荷La、Lb的功率

11、因數(shù)角。的功率因數(shù)角。4.次邊繞組電流與負(fù)荷端口電流的關(guān)系次邊繞組電流與負(fù)荷端口電流的關(guān)系baaIII 3132bacIII 3131babIII 3231次邊三相繞組電流相量圖：次邊三相繞組電流相量圖：設(shè)次邊兩負(fù)荷相等。設(shè)次邊兩負(fù)荷相等。以以 為基準(zhǔn)相量：為基準(zhǔn)相量：o將將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從計(jì)算結(jié)果可看出，

12、各相繞組電流極不對稱。從計(jì)算結(jié)果可看出，各相繞組電流極不對稱。在兩臂負(fù)荷相等情況下，在兩臂負(fù)荷相等情況下，Ia=Ib=I(1)兩接地相繞組兩接地相繞組(臂繞組臂繞組)的電流大小相等，的電流大小相等，非接地相繞組非接地相繞組(自由相繞組自由相繞組)的電流較小，的電流較小，(2)饋線負(fù)荷電流為臂繞組電流的饋線負(fù)荷電流為臂繞組電流的 倍，倍，IIIba365. 2 acIII 65. 213165.23aII 65. 235.容量利用率容量利用率設(shè)額定輸出電壓為設(shè)額定輸出電壓為Ue，兩供電臂額定電流，兩供電臂額定電流Ia=Ib=Ie三相變壓器的額定容量為：三相變壓器的額定容量為：額定輸出容量為：額定

13、輸出容量為：%100 eoutSSKeleeIUS3 eebeaeoutIUIUIUS2 elepII31 elelepeIIII655. 03165. 2365. 23 eleeleeeoutIUIUIUS134. 1655. 022 %6 .75%1003134. 1%100 eleeleeoutIUIUSSK6.優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):(1)變壓器原邊采用變壓器原邊采用YN結(jié)線，中性點(diǎn)引出接地方式結(jié)線，中性點(diǎn)引出接地方式與高壓電網(wǎng)相適應(yīng)。與高壓電網(wǎng)相適應(yīng)。(2)結(jié)構(gòu)相對簡單，繞組可采取分級絕緣，造價(jià)較低。結(jié)構(gòu)相對簡單，繞組可采取分級絕緣，造價(jià)較低。(3)運(yùn)用技術(shù)成熟，供電安全，可靠性好。運(yùn)

14、用技術(shù)成熟，供電安全，可靠性好。(4)變電所有三相電源，不但所內(nèi)自用電可靠，而且變電所有三相電源，不但所內(nèi)自用電可靠，而且必要時(shí)還可向地方負(fù)荷供電。必要時(shí)還可向地方負(fù)荷供電。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)變壓器的容量不能充分利用，輸出容量只能變壓器的容量不能充分利用，輸出容量只能達(dá)到其額定容量的達(dá)到其額定容量的75.6%，引入溫度系數(shù)后，也，引入溫度系數(shù)后，也只能達(dá)到只能達(dá)到84%。(2)和單相結(jié)線牽引變電所相比，主接線比較復(fù)和單相結(jié)線牽引變電所相比，主接線比較復(fù)雜，設(shè)備多，占地面積大，工程投資大，而且維雜，設(shè)備多，占地面積大，工程投資大，而且維護(hù)檢修的工作量和費(fèi)用也相應(yīng)增加。護(hù)檢修的工作量和費(fèi)用也相應(yīng)增

15、加。1.根據(jù)所給三相根據(jù)所給三相YN,d11結(jié)線牽引變電所的原理圖畫出其展開圖，并結(jié)線牽引變電所的原理圖畫出其展開圖，并按規(guī)格化定向標(biāo)出原次邊電壓、電流以及負(fù)荷端口電流、電壓。按規(guī)格化定向標(biāo)出原次邊電壓、電流以及負(fù)荷端口電流、電壓。2.以引前相電壓為基準(zhǔn)，計(jì)算次邊繞組電流。以引前相電壓為基準(zhǔn)，計(jì)算次邊繞組電流。3.畫出次邊繞組電流、電壓相量圖，負(fù)荷端口電流相量圖。畫出次邊繞組電流、電壓相量圖，負(fù)荷端口電流相量圖。兩供電臂負(fù)荷功率因數(shù)相同，兩供電臂負(fù)荷功率因數(shù)相同，均為均為8 . 0cos1.概述：概述： 這種牽引變電所中變壓器為三相這種牽引變電所中變壓器為三相兩相平衡變兩相平衡變壓器。壓器。

16、在電力系統(tǒng)中對稱和平衡是有區(qū)別的：在電力系統(tǒng)中對稱和平衡是有區(qū)別的： 平衡平衡 “0序序”，即無，即無“0序分量序分量”稱為平稱為平衡，否則為不平衡衡，否則為不平衡 對稱對稱 “負(fù)序負(fù)序”，即無，即無“負(fù)序分量負(fù)序分量”稱為對稱為對稱，否則為不對稱稱，否則為不對稱2.3三相三相-兩相牽引變電所兩相牽引變電所 而電氣化鐵道牽引負(fù)荷通過特定接線的牽引而電氣化鐵道牽引負(fù)荷通過特定接線的牽引變壓器不會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生變壓器不會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生“0序分量序分量”，但，但通常都會造成負(fù)序分量。因此，從三相系統(tǒng)看，通常都會造成負(fù)序分量。因此，從三相系統(tǒng)看，牽引負(fù)荷是平衡而不對稱的。牽引負(fù)荷是平衡而不對稱的。

17、 也正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，電氣化鐵道正常運(yùn)行時(shí)不也正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，電氣化鐵道正常運(yùn)行時(shí)不考慮考慮“0序序”，只考慮負(fù)序，又把對稱變壓器稱，只考慮負(fù)序，又把對稱變壓器稱為平衡變壓器，目的都是消除或削弱負(fù)序。為平衡變壓器，目的都是消除或削弱負(fù)序。由兩臺單相變壓器構(gòu)成。由兩臺單相變壓器構(gòu)成。變壓器的原邊繞組聯(lián)成變壓器的原邊繞組聯(lián)成倒倒T形接入三相電力系統(tǒng)，形接入三相電力系統(tǒng)，副邊繞組聯(lián)成相位差為副邊繞組聯(lián)成相位差為90的的V形，公共端接地形，公共端接地和鋼軌，兩個(gè)開口端分和鋼軌，兩個(gè)開口端分別接入接觸網(wǎng)相鄰的兩別接入接觸網(wǎng)相鄰的兩區(qū)段，相鄰兩接觸網(wǎng)對區(qū)段，相鄰兩接觸網(wǎng)對地電壓相位不同，故相地電壓相位不同，

18、故相鄰兩接觸網(wǎng)區(qū)段必須用鄰兩接觸網(wǎng)區(qū)段必須用分相絕緣器斷開。分相絕緣器斷開。2.Scott變壓器接線牽引變電所變壓器接線牽引變電所(1)原、次邊電壓關(guān)系及變比關(guān)系原、次邊電壓關(guān)系及變比關(guān)系(M)座變壓器的繞組原邊接入電力系統(tǒng)座變壓器的繞組原邊接入電力系統(tǒng)AB相相(線電壓線電壓)，(T)座變壓器繞組原邊一端接座變壓器繞組原邊一端接(M)座繞組座繞組的中點(diǎn)的中點(diǎn)D，另一端接入，另一端接入C相。相。分析：分析： 以原邊相電壓以原邊相電壓 為參為參考相量，則：考相量，則：(T)座原邊電壓座原邊電壓 為：為：AU303AABUUCDU 12023302315032112021AAAABABABCAADC

19、ADACACDCADACDUUUUUUUUUUUUUUU (M)座原邊繞組匝數(shù)是座原邊繞組匝數(shù)是(T)座的座的 ，而副邊匝，而副邊匝數(shù)相等數(shù)相等( )。 (M)座變壓器變比座變壓器變比: (T)座變壓器變比座變壓器變比:由于由于(M)與與(T)兩變壓器原邊電壓的關(guān)系對應(yīng)于等邊兩變壓器原邊電壓的關(guān)系對應(yīng)于等邊三角形底邊和高的關(guān)系，故通常稱三角形底邊和高的關(guān)系，故通常稱M座為底變壓器，座為底變壓器，T座為高變壓器。座為高變壓器。232221MKMTKK2323212190239023UKUKUUMABTCD(2)原、次邊電流關(guān)系原、次邊電流關(guān)系列寫電流和磁勢平衡關(guān)系列寫電流和磁勢平衡關(guān)系式式原邊電

20、流：原邊電流：若副邊兩相牽引負(fù)荷電流若副邊兩相牽引負(fù)荷電流相等時(shí)，且相等時(shí)，且M、T兩供電兩供電臂功率因數(shù)相等時(shí)，臂功率因數(shù)相等時(shí)，以以 為參考相量：為參考相量：列磁勢平衡方程：列磁勢平衡方程：0CBAIIII900IIII21212112322IIIIIIICCBA將將 代入得：代入得：0CBAIII21212112322IIIIIIICCBAMKIIII219009032150323032MCMBMAKIIKIIKII結(jié)論結(jié)論 在在M、T兩供電臂負(fù)荷電流大小相等、兩供電臂負(fù)荷電流大小相等、功率因數(shù)相等的條件下，功率因數(shù)相等的條件下，Scott牽引變壓器牽引變壓器原邊三相電流大小相等，相位互

21、差原邊三相電流大小相等，相位互差120，即原邊三相電流對稱。即原邊三相電流對稱。達(dá)到額定輸出時(shí)，即達(dá)到額定輸出時(shí)，即 ，此時(shí)：此時(shí)：變壓器額定輸出容量：變壓器額定輸出容量：變壓設(shè)計(jì)容量：變壓設(shè)計(jì)容量： eIIIeMCBAIKIII32eeUIUIUIS2eMMeABMeMeABCDBABAABCCDbUIKUKIUKIKIUUIUIUIUS)321 () 123(32) 123(3232)(2121%8 .92%1003212%100beSSK(3)Scott變壓器容量利用率變壓器容量利用率3.阻抗匹配平衡變壓器阻抗匹配平衡變壓器所謂平衡變壓器必須滿足：所謂平衡變壓器必須滿足：(1)無論二相側(cè)

22、無論二相側(cè)(負(fù)荷側(cè)負(fù)荷側(cè))負(fù)荷狀況如何，三相側(cè)負(fù)荷狀況如何，三相側(cè)(系系統(tǒng)側(cè)統(tǒng)側(cè))均無零序電流。即三相側(cè)電流為均無零序電流。即三相側(cè)電流為“平衡系平衡系”； (2)當(dāng)二相側(cè)兩臂負(fù)荷相等時(shí)，三相側(cè)負(fù)序電流為當(dāng)二相側(cè)兩臂負(fù)荷相等時(shí)，三相側(cè)負(fù)序電流為零。即三相側(cè)電流為零。即三相側(cè)電流為“對稱系對稱系”。 這里介紹的阻抗匹配平衡變壓器就是在普通這里介紹的阻抗匹配平衡變壓器就是在普通YN,d11接線變壓器的自由相上增加兩個(gè)繞組。這接線變壓器的自由相上增加兩個(gè)繞組。這種結(jié)構(gòu)是目前現(xiàn)有平衡牽引變壓器中最簡單的。種結(jié)構(gòu)是目前現(xiàn)有平衡牽引變壓器中最簡單的。使副邊使副邊內(nèi)各繞組阻抗?jié)M足阻抗匹配原則，從而使內(nèi)各繞組

23、阻抗?jié)M足阻抗匹配原則，從而使原邊平衡，即三個(gè)繞組阻抗?jié)M足原邊平衡，即三個(gè)繞組阻抗?jié)M足: Zab=Zbc=Zac(1)接線圖接線圖: 原邊接線與普通原邊接線與普通YN,d11接接線變壓器的原邊情況完全相線變壓器的原邊情況完全相同；同；次邊三角形接線結(jié)構(gòu)有所改次邊三角形接線結(jié)構(gòu)有所改變，變，即在非接地相增設(shè)了即在非接地相增設(shè)了兩個(gè)外移繞組：兩個(gè)外移繞組： 和和 。(c)端子仍接地。端子仍接地。 、 兩端分別接到兩端分別接到牽引側(cè)兩相母線上。牽引側(cè)兩相母線上。由兩相牽引母線分別由兩相牽引母線分別向兩側(cè)對應(yīng)的供電臂向兩側(cè)對應(yīng)的供電臂供電。供電。ab(2)電流關(guān)系：電流關(guān)系：次邊繞組電流與負(fù)荷端口電流關(guān)系為：次邊繞組電流與負(fù)荷端口電流關(guān)系為：IIIIIcba212121212121原邊三相電流與負(fù)荷端口電流關(guān)系為：原邊三相電流與負(fù)荷端口電流關(guān)系為：IIKIIICBA2121)21213()21213(21211122211KKIIKIIICBA13) 13(22) 13(133211當(dāng)次邊兩相均載時(shí)，都等于當(dāng)次