變壓器供電方案與接線方式

1、牽引變電所的供電方案與接線方式我國(guó)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，即其原邊取自電力系統(tǒng)的110kV或220kV三相電壓，次邊向兩個(gè)單相供電臂饋電，其母線額定電壓為27.5kV或55kV。 對(duì)于三相YN,d11或V,v接線的牽引變電所，次邊兩相電壓的相別是原邊三個(gè)相（或線）電壓相別三中取二的某種組合；而對(duì)于平衡變壓器，經(jīng)變壓器的變換，次邊形成大小相等而相位相互垂直的兩相電壓。 （一）純單相接線變壓器電力機(jī)車是單相交流負(fù)荷，顯然，牽引變電所采用單相變壓器最為直觀、簡(jiǎn)單，單相牽引變壓器和一般的單相變壓器不同，一般單相變壓器，都是一端接高壓，另一端接地或接中性點(diǎn)，故可采用分級(jí)絕緣，而單

2、相牽引變壓器的高壓繞組兩端都接高壓，故對(duì)地的絕緣要求相同，故采用全絕緣。單相牽引變電所中的兩臺(tái)變壓器并聯(lián)接線完全一樣。兩臺(tái)變壓器的高壓繞組金額相同的兩相，地壓繞組的一端接母線，同時(shí)供給變電所的兩個(gè)臂的負(fù)荷。相鄰兩段接觸網(wǎng)絕緣分開(kāi)，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網(wǎng)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。純單相接線的主要優(yōu)點(diǎn)是變壓器的容量利用率為100%，且變電所的主接線簡(jiǎn)單，設(shè)備少、占地面積小，缺點(diǎn)是在三相系統(tǒng)形成較大的負(fù)序電流，為了減少負(fù)序電流對(duì)系統(tǒng)的影響，各變電所變壓器高壓繞組所結(jié)相序依次輪換，即所謂換相連接。純單

3、相接線的另一個(gè)缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)雙邊供電，并且變電所無(wú)三相電源，變電所的所用電須由附近地方電網(wǎng)引入。我國(guó)的哈爾濱大連線全部采用純單相接線。（二）單相V,V接線變壓器單相V,V接線與純單相接線的區(qū)別是兩臺(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，故而構(gòu)成V型。兩個(gè)低壓繞組也有一個(gè)公共端子，接到鋼軌和地網(wǎng)，低壓繞組的另外兩個(gè)端子分別接變電所的兩個(gè)供電臂，兩臂電壓均為27.5 kV，構(gòu)成所謂60度接線。由于兩臂的相位不同，故兩供電臂在接觸網(wǎng)上必須采用分相絕緣器。分相絕緣器兩端電壓也為27.5 kV。與純單相接線的另一個(gè)區(qū)別時(shí)，V,V接線牽引變壓器在正常工作時(shí)，兩臺(tái)變壓器均投入運(yùn)行，其備用方式是

4、移動(dòng)備用。當(dāng)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。V,V接線變壓器的優(yōu)點(diǎn)是容量利用率為100%，而且可以供給所用電電能，對(duì)牽引網(wǎng)還可實(shí)現(xiàn)雙邊供電。變電所內(nèi)設(shè)備也相對(duì)較少，這種接線在陽(yáng)平關(guān)安康線路應(yīng)用。（三）三相V,V接線變壓器電力機(jī)車是單相交流負(fù)荷，現(xiàn)在普遍采用三相V,v接線牽引變壓器。這種變電所內(nèi)裝設(shè)兩臺(tái)三相V,v接線牽引變壓器。一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)固定備用。三相V,v接線牽引變壓器的內(nèi)部接線類似兩臺(tái)純單相接線變壓器的組合。V,v接線牽引變壓器原邊接兩個(gè)線電壓（AB、BC、CA間線電壓中的兩個(gè)）。（四）三相YN,d11接線牽引變電所三相YN,d11接線牽引變電所簡(jiǎn)稱三相牽引變電所

5、。三相牽引變電所是我國(guó)電氣化鐵道采用較多的一類。目前在三相牽引變電所中采用的是110kV油浸風(fēng)冷式變壓器，該牽引變壓器的接線采用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組，即YN,d11，必要時(shí)原邊中性點(diǎn)可大電流接地。備用方式有移動(dòng)備用和固定備用兩種，實(shí)用中大多采用固定備用。對(duì)于直接供電或BT供電方式，變壓器次邊輸出電壓為27.5kV，比牽引網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)壓（25kV）高10。 1、 原理電路圖及展開(kāi)圖 繞組(ax)，(cz)為負(fù)荷相繞組；繞組(by)則被稱為自由相繞組，（）內(nèi)符號(hào)表示端子號(hào)，大寫(xiě)為原邊，小寫(xiě)為次邊。為分析的直觀與方便，更常見(jiàn)使用YNd11接線牽引變壓器展開(kāi)圖。畫(huà)展開(kāi)圖有如下約定：(1) 為施工和運(yùn)行安全起見(jiàn)，統(tǒng)一

6、規(guī)定次邊繞組的（c）端子接鋼軌和地；(2) 原、次邊對(duì)應(yīng)繞組相互平行；(3) 原、次邊每套（相）繞組的同名端放在同一側(cè)； 實(shí)際上，有了展開(kāi)圖中每套（相）繞組的同名端，端字號(hào)已不重要，可以只保留次邊端子號(hào)（c），甚至不要。需要時(shí)，根據(jù)每套（相）的同名端不難恢復(fù)全部端子號(hào)。 2、 電壓電流的規(guī)格化定向 對(duì)于理想變壓器，U1 與U2同相。規(guī)格化定向應(yīng)注意：(1) 原邊繞組電壓與實(shí)際進(jìn)線電壓相別一致；(2) 次邊繞組按同名端與原邊繞組電壓一致；(3) 原邊電流、電壓按電動(dòng)機(jī)慣例，次邊按發(fā)電機(jī)慣例，原、次邊繞組電流為減極性；(4) 通常，完成電壓定向后（先原邊，后次邊，或者根據(jù)需要而相反），先標(biāo)次邊電流

7、（負(fù)荷），再標(biāo)原邊電流。YN,d11牽引變壓器的規(guī)格化定向左臂電流如果令I(lǐng)a=Ib，就可利用左圖法畫(huà)出各繞組的電流Ibc、Ica、Iab，如圖所示，不難看出各相繞組電流極不對(duì)稱。為了求出兩臂電流相等條件下，各繞組中電流的數(shù)值和相位，可以以Ib為基準(zhǔn)量，即Ib=I，Ia=I60代入上式并聯(lián)立求解可得：Ibc=2.65/3I180+19.1Ica=2.65/3I60-19.1Iab=1/3-60上式說(shuō)明，在兩臂負(fù)荷電流相等的條件下，有下列兩個(gè)關(guān)系：（1） 兩接地相繞組bc、ca（又稱臂繞組）的電流大小相等，而非接地繞組ab（又稱自由繞組）的電流較小，只是臂繞組電流的1/2.65或0.378倍，故習(xí)

8、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倍，不同于一般三相對(duì)稱系統(tǒng)中的線電流是相電流的1.732倍。4、三相牽變壓器的容量利用率三相牽引變壓器低壓側(cè)為三角形接法，設(shè)額定輸出電壓為UN，線電流Ia=Ib= Ic =IN，則變壓器的額定容量為：So=3UN IN又因?yàn)槿酄恳儔浩魅切蝹?cè)近輸出兩個(gè)單相負(fù)荷，故變壓器的輸出容量還可以寫(xiě)為：Sout=2UN IL其中，IL為供電臂電流。正常情況下，三角形接法的線電流是相電流的3倍，供電臂電流為線電流IL，臂繞組電流是相電流Ip，所以，供電臂電流為臂繞組電流的3倍，即IL=3Ip。而三相牽引

9、變壓器的供電臂電流為臂繞組電流的1.13倍，即IL=1.13Ip。所以，當(dāng)臂繞組的電流Ip達(dá)到額定值時(shí)，此時(shí)供電臂電流為僅為供電臂額定電流IN的1.13/3=0.655倍，故當(dāng)臂繞組電流為額定電流時(shí)，變壓器的額定輸出容量為：So=2UN IL= 2×0.655 IN =1.31UN IN變壓器額定容量利用率KK=(額定輸出容量/額定容量)×100%K=(1.31UN IN /3UN IN)×100%=75.6%可見(jiàn)，三相牽引變壓器的額定容量只能達(dá)到其額定容量的75.6%。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)繞組bc、ac電流達(dá)到額定值時(shí)，繞組ab只達(dá)到了0.378倍額定電流。緣邊對(duì)應(yīng)

10、繞組B向電流也同樣為0.378倍額定電流，所以，三相牽引變壓器還未達(dá)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，是供電臂的電流達(dá)到1/0.9=1.11倍，此時(shí)，相應(yīng)變壓器的容量利用率也可達(dá)到1.11×0.765=0.84。當(dāng)只有一臂有負(fù)載時(shí)，供電臂的容許電流還可增大。 5、三相牽引變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)（1） 優(yōu)點(diǎn)：（1）變壓器原邊采用YN接線，中性點(diǎn)引出接地方式與高壓電網(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，繞組可采用分級(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，不但所用電可靠，必要時(shí)還

11、可向地方供應(yīng)電能。缺點(diǎn)：（1） 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75.6%，引入溫度系數(shù)后也只能達(dá)到84%。（2） 和單相接線牽引變電所相比，主接線比較復(fù)雜，設(shè)備多，占地面積大，工程投資大，設(shè)備的維護(hù)和檢修的工作量也相應(yīng)增大。（五）Scott變壓器Scott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)序電流較小，且變壓器的容量利用率高，故在北京-秦皇島，鄭州-武昌等繁忙干線上采用。1、概述三相-兩相平衡變壓器平衡對(duì)應(yīng)“0序”，無(wú)“0序”稱平衡，否則為不平衡。對(duì)稱對(duì)應(yīng)“負(fù)序”，無(wú)負(fù)序（只有正序）為對(duì)稱，否則為不對(duì)稱。 電氣化鐵道牽引負(fù)荷通過(guò)特定接線的牽引變壓

12、器不會(huì)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生零序分量，但通常造成負(fù)序分量。因此，從三相系統(tǒng)看，牽引負(fù)荷是平衡而不對(duì)稱的。 平衡變壓器通常是指那種具有變壓和換相功能的三相兩相變壓器，目的是消除或削弱負(fù)序。數(shù)學(xué)上是三相對(duì)稱系統(tǒng)與兩相對(duì)稱系統(tǒng)之間的變換。 即:三相對(duì)稱：三相電氣相量大小相等，相位互差120兩相對(duì)稱：兩相電氣相量大小相等，相位互差902.Scott接線斯科特接線變壓器的原理接線圖如圖所示。該變壓器的接線可看作兩個(gè)單相變壓器組成，一臺(tái)變壓器的原邊繞作為W1接三相電源BC上，稱為M座變壓器，另一臺(tái)變壓器的原邊繞組3/2W1的一端引出，接到電源的A相，另一端接到M座變壓器的中點(diǎn)O，稱為T(mén)座變壓器。兩臺(tái)變壓器的次邊

13、繞組相等。即圖中的兩個(gè)W2，并輸出兩個(gè)數(shù)值相等，相位互相垂直的電壓U2M和U2T，分別向變電所的左右兩個(gè)臂供電，當(dāng)兩臂負(fù)荷電流相等時(shí)，原邊三相電流相等。和其他接線形式的變壓器一樣，每個(gè)變電所均設(shè)兩臺(tái)變壓器，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。我國(guó)采用輸出電壓為55kV，其目的是適應(yīng)AT方式供電，即兩個(gè)輸出電壓分別接兩個(gè)自耦變壓器的兩端點(diǎn)，自耦變壓器的中點(diǎn)抽頭接地和鋼軌，這樣就可獲得2×27.5kV電壓，并分別接接觸網(wǎng)和正饋線。2、電壓關(guān)系Scott接線變壓器原、次邊電壓關(guān)系如圖所示。設(shè)電力系統(tǒng)A、B、C三相電壓對(duì)稱，即線電壓UAB、UBC、UCA為等邊三角形ABC。三角形的BC邊電壓UBC為M座變壓

14、器的原繞組電壓U1M，其高AO為T(mén)座變壓器原邊繞組U1T，其值為線電壓的UBC的3/2倍，可見(jiàn)兩變壓器原邊電壓相互垂直，且U1T超前U1M90，故其次邊電壓U2 T超前U2 M 90。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，稱T座變壓器為高變壓器。U2T和U2M的數(shù)值關(guān)系可以有下面推導(dǎo)得出。M座變壓器的變比KM=W1/W2，T座變壓器的變比為KT=3/2W1/W2=3/2KM，故有了：U2T=U1T/KT=3/2UBC/3/2KM=UBC/KM=U1M/KM=U2M結(jié)論：斯科特變壓器可以把三相對(duì)稱電壓變換為兩相對(duì)稱電壓。3、電流關(guān)系斯科特變

15、壓器的主要特點(diǎn)是當(dāng)次邊兩負(fù)荷臂電流相等時(shí)，原邊三相電流對(duì)稱，先簡(jiǎn)單證明如下：由上述分析可知，電壓U2 T超前U2 M 90。當(dāng)兩臂功率因數(shù)相等時(shí)，顯然兩臂電流IT超前IM90。現(xiàn)以IT為基準(zhǔn)量，即有I M =-jIT。根據(jù)KCL電流方程及變壓器的磁勢(shì)平衡原理，可列出以下方程式：解上述方程組，求得原邊三相電流為：由于負(fù)數(shù)（1+j3）和（1-j3）的模均為2，可見(jiàn)三相電流IA、IB、IC的數(shù)值相等。將上式的結(jié)果化成指數(shù)形式，利用作圖法，可畫(huà)出三相電流的相量圖，可見(jiàn)，三相電流不但數(shù)值相等，而且相序互差120。4、容量利用率變壓器額定輸出容量：變壓器的設(shè)計(jì)容量：則變壓器額定容量利用率5、斯科特變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1） 當(dāng)M座和T做兩供電臂電流相等，且功率因數(shù)相同時(shí)，原邊三相電流相等。（2） 變壓器容量能全部利用。（3） 可利用逆斯科特變壓器產(chǎn)生三相對(duì)稱電壓供牽引變電所的自用電。缺點(diǎn)：（1） 斯科