第2章牽引變壓器及其結(jié)線

1、第2章 牽引變壓器及其結(jié)線2-1 單相牽引變壓器結(jié)線2-2 三相牽引變壓器及其結(jié)線2-3 斯科特結(jié)線變壓器2-4 阻抗匹配與非阻抗匹配平衡變壓器第第2章章 牽引變壓器及其結(jié)線牽引變壓器及其結(jié)線2-1 單相牽引變壓器結(jié)線2-1 單相牽引變壓器結(jié)線單相牽引變壓器結(jié)線 采用單相變壓器的牽引變電所稱為單相牽引變電所。如圖2-1所示。 注意：?jiǎn)蜗酄恳儔浩骱鸵话銌蜗嘧儔浩鞯慕^緣結(jié)構(gòu)不同。一般單相變壓器采用分級(jí)絕緣，而單相牽引變壓器采用全絕緣。2-1 單相牽引變壓器結(jié)線2-1 單相牽引變壓器結(jié)線單相牽引變壓器結(jié)線2-1-1 純單相結(jié)線2-1-2 單相V，V結(jié)線2-1-3 三相V，V結(jié)線2-1-1 純單相結(jié)

2、線 2-1-1 純單相結(jié)線純單相結(jié)線 1、接線圖 純單相牽引變電所中的兩臺(tái)單相變壓器并聯(lián)結(jié)線完全一樣，如圖2-2所示。 2-1-1 純單相結(jié)線 2、接線說明 兩臺(tái)變壓器的高壓繞組跨接相同的兩相，低壓繞組的一端接母線，同時(shí)供給變電所兩個(gè)臂的負(fù)荷。相鄰兩相兩段接觸網(wǎng)絕緣分開，既利于縮小事故停電范圍，又提高了供電的靈活性。低壓繞組的另一端與接地風(fēng)和鋼軌以及回流線可靠連接，以便使鋼軌、回流線中的負(fù)荷電流以及地中電流流回變壓器。 3、主要優(yōu)點(diǎn) 變壓器的容量可以充分利用，容量利用率為100%，且變電所的主接線簡(jiǎn)單、設(shè)備少、占地面積小、投資少。 4、缺點(diǎn) 在三相系統(tǒng)形成較大的負(fù)序電流，不對(duì)稱系數(shù)為1。2-1

3、-2 單相V，V結(jié)線 2-1-2 單相單相V，V結(jié)線結(jié)線 1、接線圖 如圖2-3所示。 2-1-2 單相V，V結(jié)線 2、接線說明 單相V，V結(jié)線與純單相結(jié)線的區(qū)別是： 1）兩臺(tái)變壓器分別接不同的兩個(gè)線電壓，兩高壓繞組有公用端子，故構(gòu)成V接。兩個(gè)低壓繞組也有一個(gè)公共端子，接鋼軌和地網(wǎng)，低壓繞組的另外兩個(gè)端子a和b分別接兩個(gè)供電臂，兩供電臂的電壓大小均為27.5kV，相位角差為60，如圖2-4所示。 2）V，V結(jié)線牽引變電所在正常工作時(shí)，兩臺(tái)變壓器均投入運(yùn)行，其備用方式是幾個(gè)變電所共用一臺(tái)移動(dòng)變壓器，當(dāng)其中一臺(tái)變壓器故障或檢修時(shí)，由專用車將移動(dòng)變壓器運(yùn)往變電所，在移動(dòng)變壓器接入前，非故障變壓器可允

4、許一定時(shí)間的過負(fù)荷。 2-1-2 單相V，V結(jié)線 3、優(yōu)點(diǎn) 1）容量利用率為100%； 2）可以供給所內(nèi)及地區(qū)三相負(fù)荷，對(duì)牽引網(wǎng)還可實(shí)行雙邊供電； 3）對(duì)系統(tǒng)的負(fù)序影響??； 4）變電所的設(shè)備相對(duì)較少，投資較省。 4、缺點(diǎn) 需倒閘過程，如圖2-5。在此倒閘過程完成之前，故障變壓器原來供電的牽引負(fù)荷將中斷供電。而且變電所的三相電源將中斷，變電所的三相自用電如同純單相結(jié)線變壓器一樣，依靠其他方式供電，對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響也隨之增大。2-1-3 三相V，V結(jié)線 2-1-3 三相三相V，V結(jié)線結(jié)線 1、接線圖 將兩臺(tái)V，V結(jié)線的單相變壓器安裝在同一油箱內(nèi)，所以可視為單相變壓器結(jié)線，如圖2-6所示。 2-

5、1-3 三相V，V結(jié)線 2、接線說明 采用共軛式鐵心結(jié)構(gòu)，如圖2-7(a)所示。兩邊柱繞組繞向相反，使中柱磁通為兩邊柱磁通之差。使中柱磁通與兩邊柱的磁通相等。相量圖如圖2-7(b)所示。2-1-3 三相V，V結(jié)線 同單相V，V結(jié)線一樣，第一個(gè)高壓繞組的尾端X1與第二個(gè)繞組的首端A2相連構(gòu)成固定的V結(jié)，V的頂點(diǎn)為C相，如圖2-8所示。但副邊繞組的四個(gè)端子全部引出在油箱外部，根據(jù)牽引供電的要求接成正V或反V。2-1-3 三相V，V結(jié)線 在牽引變電所安裝時(shí)，變壓器的原邊端子A、B、C可根據(jù)換相要求接于電網(wǎng)有關(guān)相序，副邊C端子與軌道和地網(wǎng)連接，a端子和b端子分別接到牽引網(wǎng)兩條母線上，兩母線電壓分別為U

6、ac和Ubc，并相差60，與圖2-4所示的單相V，V結(jié)線類似。但C相電流為其他兩相的 倍。 3、優(yōu)點(diǎn) 在單相V，V結(jié)線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，每個(gè)變電所安裝兩臺(tái)同型變壓器，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。所以，它的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在： 1）既保持了單相V，V接線的主要優(yōu)點(diǎn)，又克服了其缺點(diǎn)，解決了其無固定備用變壓器問題及備用變壓器自動(dòng)投入的問題； 2）油箱內(nèi)的兩臺(tái)單相變壓器磁路互相獨(dú)立； 3）供電可靠靈活。32-2 三相牽引變壓器及其結(jié)線2-2 三相牽引變壓器及其結(jié)線三相牽引變壓器及其結(jié)線 凡是采用三相變壓器的牽引變電所就稱為三相牽引變電所。 三相變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)、制造工藝和運(yùn)用技術(shù)都比較成熟，因此采用

7、三相變壓器就成為我國(guó)牽引變電所的首選方式，也是目前應(yīng)用最廣泛的方式。2-2 三相牽引變壓器及其結(jié)線2-2 三相牽引變壓器及其結(jié)線三相牽引變壓器及其結(jié)線2-2-1 三相牽引變壓器的結(jié)線原理2-2-2 三相牽引變壓器繞組的電流分布2-2-3 三相牽引變壓器的容量利用率2-2-4 三相牽引變電所的優(yōu)缺點(diǎn)2-2-5 三相不等容量牽引變壓器2-2-1 三相牽引變壓器的結(jié)線原理 2-2-1 三相牽引變壓器的結(jié)線原理三相牽引變壓器的結(jié)線原理 1、三相牽引變壓器的結(jié)線法 三相牽引變壓器均為雙繞組油浸變壓器。三相雙繞組變壓器的結(jié)線有多種形式，為統(tǒng)一起見，國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：Y，d11；Y，yn12；YN，d11三

8、種形式作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)線。牽引變電所采用其中的YN，d11結(jié)線，原邊電壓110kV，副邊電壓27.5kV。 2、采用YN，d11結(jié)線的優(yōu)點(diǎn) 1）便于與系統(tǒng)運(yùn)行方式配合； 2）中性點(diǎn)接地具有能降低繞組的絕緣造價(jià)； 3）變壓器的主磁通和電勢(shì)為正弦波。 3、三相牽引變壓器結(jié)線圖 三相牽引變電所均設(shè)兩臺(tái)三相變壓器，兩臺(tái)結(jié)線完全相同?？梢圆⒙?lián)運(yùn)行，也可以一運(yùn)一備。其中一臺(tái)的結(jié)線圖如圖2-9所示。2-2-1 三相牽引變壓器的結(jié)線原理2-2-1 三相牽引變壓器的結(jié)線原理 4、高壓繞組通過隔離開關(guān)接地的原因 1）由于每一個(gè)中性接地點(diǎn)，都構(gòu)成零序電流回路的一個(gè)分支，對(duì)電力系統(tǒng)故障時(shí)的零序電流形成分流，使零序保護(hù)的動(dòng)作

9、受到影響。所以中性點(diǎn)何時(shí)需要接地，應(yīng)根據(jù)地方電力調(diào)度的命令確定。通常QS是斷開的。 2）為減小操作過電壓對(duì)變壓器繞組的威脅，在變壓器送電和停電的瞬間必須合上中性點(diǎn)接地隔離開關(guān)。 5、副邊繞組接法 接成三角形。 6、原、副邊的相位標(biāo)注 高壓繞組進(jìn)行換相連接，所以低壓繞組的相位也相應(yīng)發(fā)生變化。但為了運(yùn)行方便，所有三相變電所原副邊的相位均按一定的相位順序標(biāo)注，如圖2-10所示。為了便于分析一相變壓器原副邊的相位關(guān)系，通常還采用圖2-11(a)所示的展式圖，圖中約定：1）原逼邊對(duì)應(yīng)繞組相互平行；2）原副邊對(duì)應(yīng)繞組的同名端在同一側(cè)；3）副邊繞組的C端子接地。2-2-1 三相牽引變壓器的結(jié)線原理2-2-2

10、 三相牽引變壓器繞組的電流分布 2-2-2 三相牽引變壓器繞組的電流分布三相牽引變壓器繞組的電流分布 由于牽引負(fù)荷是兩個(gè)單相負(fù)荷，所以在變壓器三相繞組中的電流分配是不均勻的。如圖2-12所示。2-2-2 三相牽引變壓器繞組的電流分布 由圖可知副邊三相繞組中的電流關(guān)系為：abababcaabbcIIIIIIIII313132313132(2-1)2-2-2 三相牽引變壓器繞組的電流分布 設(shè)Ib為基準(zhǔn)量I，則有可求得：60311 .1960365. 21 .19180365. 2IIIIIIabcabc(2-2)2-2-2 三相牽引變壓器繞組的電流分布 式2-2說明，在兩臂負(fù)荷電流相等的條件下，有

11、下列兩個(gè)關(guān)系： 1）兩接地相繞組bc,ca的電流大小相等，而非接地繞組ab的電流較小，只是臂繞組電流的1/2.65，故習(xí)慣將ab繞組稱為輕負(fù)荷繞組，而bc和ca稱為重負(fù)荷繞組。 2）饋線負(fù)荷電流為臂繞組電流的3/2.65，不同于一般三相對(duì)稱系統(tǒng)中的線電流與相電流的31/2關(guān)系。2-2-3 三相牽引變壓器的容量利用率 2-2-3 三相牽引變壓器的容量利用率三相牽引變壓器的容量利用率 三相牽引變壓器的三角側(cè)輸出兩個(gè)單相負(fù)荷，設(shè)額定輸出電壓為UN，兩供電臂額定電流Ia=Ib=IN，則額定輸出容量為： Uout=2UNIN (2-3) 由式2-2可知，當(dāng)臂繞組電流達(dá)到額定值時(shí)，饋線電流為臂繞組電流 的

12、1.13倍，是額定電流IN的1.13/31/2=0.655倍，故額定輸出為： Sout=2UN0.655IN=1.31UNIN (2-4) 牽引變壓器的實(shí)際安裝容量為：NNNIUS3(2-5) 則容量利用率為：756. 0332. 1NNNNNoutIUIUSSK(2-6)2-2-3 三相牽引變壓器的容量利用率 在實(shí)用中，當(dāng)繞組bc,ac達(dá)到額定值時(shí)，繞組ab只達(dá)到0.378倍的額定電流。原邊對(duì)應(yīng)繞組電流也同樣為0.378倍額定電流，所以三相變壓器還未過到額定溫升，故還可適當(dāng)提高兩供電臂的負(fù)荷電流，為此，引入一個(gè)溫度系數(shù)Kt=0.9，使供電臂的電流增加1/Kt=1.111倍，當(dāng)只有一臂有負(fù)載時(shí)

13、，供電臂的容許電流還可增大。如表2-1所示，相應(yīng)變壓器的容量利用率也可達(dá)到1.1110.756=0.84。2-2-4 三相牽引變電所的優(yōu)缺點(diǎn) 2-2-4 三相牽引變電所的優(yōu)缺點(diǎn)三相牽引變電所的優(yōu)缺點(diǎn) 1、優(yōu)點(diǎn) 1）變壓器原邊采用YN結(jié)線，中性點(diǎn)引出接地方式懷高壓電網(wǎng)相適應(yīng)； 2）變壓器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，又因中性點(diǎn)接地，繞組可采取分級(jí)絕緣，因此變壓器造價(jià)較低； 3）運(yùn)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，而且必要時(shí)還可向地方負(fù)荷供電。 2、缺點(diǎn)： 1）變壓器的容量不能充分利用； 2）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，而且維護(hù)

14、檢修的工作量和費(fèi)用也相應(yīng)增加。2-2-5 三相不等容量牽引變壓器 2-2-5 三相不等容量牽引變壓器三相不等容量牽引變壓器 由前述結(jié)論可知，YN，d11結(jié)線的三相牽引變壓器，當(dāng)兩個(gè)重負(fù)荷相繞組的負(fù)荷達(dá)到100%時(shí)額定容量時(shí)，輕負(fù)荷相繞組只要37.8%的結(jié)構(gòu)容量即可滿足運(yùn)行要求。三相不等容量牽引變壓器就是根據(jù)上述特點(diǎn)制造而成。它是將輕負(fù)荷繞組的富裕量抽出，平均分配到兩個(gè)重負(fù)荷相上，且改變后的總?cè)萘咳跃S持原來變壓器的容量等級(jí)。 在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為簡(jiǎn)單起見，使輕負(fù)荷繞組的結(jié)構(gòu)容量為重負(fù)荷繞組的40%，而三相容量分配為：A：B：C=1:0.4:1。所以，不等容量變壓器的結(jié)構(gòu)容量與原改型前的等容量變壓器之

15、比為： （2100%+40%)/3100%=80% (2-7) 此值正好為R10系統(tǒng)的一個(gè)容量等級(jí)差，即如果設(shè)計(jì)計(jì)算得出的三相變壓器容量為20000kVA，那么則可選用不等容量的16000kVA變壓器。 用前述方法可求得，三相不等容量變壓器的容量利用率為94.5%。2-3 斯科特結(jié)線變壓器2-3 斯科特結(jié)線變壓器斯科特結(jié)線變壓器 斯科特結(jié)線變壓器是一種三相-兩相平衡變壓器。由于它對(duì)電力系統(tǒng)所形成的負(fù)序較不，且變壓器的容量利用率較高，所以先后在京秦線、鄭武線等重要繁忙的干線上采用。2-3 斯科特結(jié)線變壓器2-3 斯科特結(jié)線變壓器斯科特結(jié)線變壓器2-3-1 斯科特變壓器的結(jié)線圖2-3-2 斯科特結(jié)

16、線變壓器的電壓關(guān)系2-3-3 斯科特結(jié)線變壓器的電流關(guān)系2-3-4 斯科特結(jié)線變壓器的容量利用率2-3-5 斯科特結(jié)線變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)2-3-1 斯科特變壓器的結(jié)線圖 2-3-1 斯科特變壓器的結(jié)線圖斯科特變壓器的結(jié)線圖 如圖2-3所示。2-3-2 斯科特結(jié)線變壓器的電壓關(guān)系 2-3-2 斯科特結(jié)線變壓器的電壓關(guān)系斯科特結(jié)線變壓器的電壓關(guān)系 副邊電壓關(guān)系如圖2-14所示。2-3-2 斯科特結(jié)線變壓器的電壓關(guān)系 由于M座變壓器和T座變壓器的原繞組分別對(duì)應(yīng)于三角形的底和高，所以通常又稱M座變壓器為底變壓器，T座變壓器為高變壓器。 由圖2-14可知，M座和T座變壓器的變比為：MTMKWWKWWK232

17、32121和 所以可得U2T和U2M的關(guān)系為：MMMMBCMBCTTTUKUKUKUKUU21122323(2-8) 可見：U2T和U2M為兩相對(duì)稱電壓。即：數(shù)值相等，相位差90。2-3-3 斯科特結(jié)線變壓器的電流關(guān)系 2-3-3 斯科特結(jié)線變壓器的電流關(guān)系斯科特結(jié)線變壓器的電流關(guān)系 因?yàn)閁2T超前U2M90，所以I2T也將超前I2M90。如果設(shè)IT為基準(zhǔn)量，則有IM=-jIT。根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流方程及變壓器磁勢(shì)平衡可得：022023021121WIWIWIWIWIIIIMCBTACBA(2-9)2-3-3 斯科特結(jié)線變壓器的電流關(guān)系 解上述方程組，可得原邊三相電流為：TMBTMBTMAIj

18、KIIjKIIKI3131313132(2-10) 。，jj等所以三相電流的數(shù)值相模均為和由于復(fù)數(shù)23131 電流關(guān)系的相量圖如圖2-15所示。2-3-3 斯科特結(jié)線變壓器的電流關(guān)系2-3-4 斯科特結(jié)線變壓器的容量利用率 2-3-4 斯科特結(jié)線變壓器的容量利用率斯科特結(jié)線變壓器的容量利用率 斯科特結(jié)線變壓器的容量可視為M座和T座兩個(gè)單相變壓器的容量之和，而M座變壓器的原繞組又可看成對(duì)稱的兩部分，所以原邊的總?cè)萘縎N為：AAOCBCBBCIUIUIUSN2121(2-11) 當(dāng)副邊電流IM=IT=I時(shí)，由式2-10可得：UIUIUIS：U，UUIKIIINTMMCBA155. 23211232

19、可得并代入式設(shè)(2-12) 變壓器的輸出容量也為兩個(gè)單相變壓器輸出容量之和，即：UIUIUISTMout2(2-13) 由式2-12和2-13可知，斯科特變壓器的輸出容量與變壓器的額定容量接近相等，容量利用率接近于1。2-3-5 斯科特結(jié)線變壓器的優(yōu)缺點(diǎn) 2-3-5 斯科特結(jié)線變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)斯科特結(jié)線變壓器的優(yōu)缺點(diǎn) 1、優(yōu)點(diǎn) 1）當(dāng)M座和T座兩供電臂電流相等，且功率因數(shù)相等時(shí)，原邊三相電流對(duì)稱； 2）變壓器容量能全部利用； 3）可利用逆斯科特結(jié)線變壓器產(chǎn)生三相對(duì)稱電壓，供牽引變電所的自用電。2-3-5 斯科特結(jié)線變壓器的優(yōu)缺點(diǎn) 2、缺點(diǎn) 1）制造難度大，繞組需按全絕緣設(shè)計(jì)，造價(jià)較高； 2）變電

20、所主接線復(fù)雜，設(shè)備較多，工程投資較大，日常維護(hù)、檢修工作量及費(fèi)用都相應(yīng)增加； 3）斯科特變壓器的中性點(diǎn)難以引出，且無三角形繞組回路，電壓波形較差； 4）斯科特結(jié)線變壓器原邊接點(diǎn)O的電位隨負(fù)載變化而產(chǎn)生漂移，嚴(yán)重時(shí)有零序電流流經(jīng)電力網(wǎng)。零序電流不僅可造成零序電流保護(hù)誤動(dòng)作，還會(huì)對(duì)鄰近的平行通信線產(chǎn)生干擾。O點(diǎn)漂移還會(huì)引起各相繞組電壓不平衡，加重繞組的絕緣負(fù)擔(dān)，為此，該結(jié)線的變壓器也應(yīng)采取全絕緣； 5）斯科特結(jié)線兩饋線之間的電壓為 ，即分相絕緣器兩端的電壓較高，故應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)其絕緣。kV5 .2722-4 阻抗匹配與非阻抗匹配平衡變壓器2-4 阻抗匹配與非阻抗匹配平衡變壓器阻抗匹配與非阻抗匹配平衡變

21、壓器 綜合比較分析三相YN，d11結(jié)線變壓器和斯科特結(jié)線平衡變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)，我國(guó)研究和生產(chǎn)出一種新型平衡變壓器阻抗匹配和非阻抗匹配平衡變壓器。前者可稱為具有平衡繞組的YN，內(nèi)縮三角形結(jié)線變壓器，后者可稱為具有補(bǔ)償繞組的YN，內(nèi)縮三角形結(jié)線變壓器。 優(yōu)點(diǎn)：既克服了一般三要牽引變壓器會(huì)在電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大負(fù)序電流，容量利用率低的缺點(diǎn)，又解決了斯科特結(jié)線變壓器無中性接地點(diǎn)，不能與系統(tǒng)中性接地運(yùn)行方式相配合的問題。 由于此種牽引變壓器具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行多年后，已在我國(guó)的重要鐵路干線廣泛應(yīng)用。2-4 阻抗匹配與非阻抗匹配平衡變壓器2-4 阻抗匹配與非阻抗匹配平衡變壓器阻抗匹配與非阻抗匹配平衡變

22、壓器2-4-1 阻抗匹配平衡變壓器的工作原理2-4-2 阻抗匹配平衡變壓器的電壓及電流關(guān)系2-4-3 阻抗匹配平衡變壓器的容量利用率2-4-4 具有補(bǔ)償繞組的非阻抗匹配平衡變壓器2-4-1 阻抗匹配平衡變壓器的工作原理 2-4-1 阻抗匹配平衡變壓器的工作原理阻抗匹配平衡變壓器的工作原理 是在三相YN，d11結(jié)線牽引變壓器的基礎(chǔ)上，通過阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)三相-兩相變換，使副邊兩相電壓相差90，且和斯科特結(jié)線變壓器具有相同的平衡作用，即當(dāng)兩饋線電流相等時(shí)牽引變壓器原邊三相電流對(duì)稱。其原理結(jié)線圖如圖2-16所示。 與三相YN，d11結(jié)線不同之處為： 1）非接地相ab的阻抗增加倍，即zab=zbc=zca,稱為阻抗匹配系數(shù)，其值為31/2+1； 2）非接地相的兩端增加了兩個(gè)對(duì)稱的外移繞組a和b，其繞組匝數(shù)W3為內(nèi)三角形每相繞組匝數(shù)的(31/2-1)/2倍，即0.366倍。 和兩端分別接到牽引側(cè)兩條母線上，并由兩條母線向兩側(cè)對(duì)應(yīng)的供電臂供電。牽引變電所設(shè)兩臺(tái)變壓器，互為備用。2-4-1 阻抗匹配平衡變壓器的工作原理2-4-2 阻抗匹配平衡變壓器的電壓及電流關(guān)系 2-4-2 阻抗匹配平衡變壓器的電壓及電流關(guān)系阻抗匹配平衡變壓器的電壓及電流關(guān)系 1、電壓關(guān)系 變電所兩供電臂電壓Uc和Uc相位差為90，