CN104979827A - 电气化铁路供电装置及其*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电气化铁路供电装置及其***，所述电气化铁路供电装置包括一个三相变压器、四个三相变流器、至少四个单相变流器及一个单相变压器；其中，所述三相变压器的原边与三相高压公用电网连接，所述三相变压器的次边与所述三相变流器的输入侧连接，所述三相变流器的输出侧与所述单相变流器的输入侧连接，所述单相变流器的输出侧与所述单相变压器的次边连接，所述单相变压器的原边输出单相交流电压至电气化铁路牵引供电网。本发明可将三相交流电转换为单相交流电，完全消除了电分相的问题。

Description

电气化铁路供电装置及其***

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种电气化铁路供电装置及其***。

背景技术

目前，我国交流电气化铁路供电***在应用于高速客运及重载货运时的不适应现象日益明显。高速客运的动车组和重载货运的交流机车均需交流单相电，在目前的供电***结构中，无论采取何种方式，都会产生供电***的三相不平衡，进而产生负序电流，影响供电***供电质量。

为避免产生较大的三相负载不平衡，牵引变电所采用换相联接，即将牵引变电所变压器原边轮换接入电力***三相，换相联接后各供电区段采用分相绝缘器隔离，即“电分相”的产生，由于电分相的产生，列车会在分相处产生速度损失、操作难度复杂化和受电弓拉弧等问题。

现有同相供电技术方案一般存在两种途径，一种为在三相两相变压器基础上增加潮流控制器的方案，一种为使用单相背靠背交直交变流器进行两相供电变换的方案，以上两种方案，存在的共同问题为变压器结构比较复杂、容量利用率不高。

发明内容

本发明提供一种电气化铁路供电装置及其***，以解决上述一项或多项缺失。

本发明提供一种电气化铁路供电装置，所述电气化铁路供电装置包括一个三相变压器、四个三相变流器、至少四个单相变流器及一个单相变压器；其中，所述三相变压器的原边与三相高压公用电网连接，所述三相变压器的次边与所述三相变流器的输入侧连接，所述三相变流器的输出侧与所述单相变流器的输入侧连接，所述单相变流器的输出侧与所述单相变压器的次边连接，所述单相变压器的原边输出单相交流电压至电气化铁路牵引供电网。

一个实施例中，所述三相变压器的原边为Y形接法，所述三相变压器的次边包含四组三相变压器输出，其中两组三相变压器输出为Y形接法，其余两组三相变压器输出为Δ形接法；所述四个三相变流器的输入侧分别与四组所述三相变压器输出一一对应连接。

一个实施例中，所述单相变压器的次边包含至少四个次边绕组，所述次边绕组分别与所述单相变流器的输出侧一一对应连接；所述单相变压器的原边包含至少四个原边绕组，所述原边绕组的抽头串联输出所述单相交流电压。

一个实施例中，所述电气化铁路供电装置包括：断路器和隔离开关，均设置于所述三相变压器的原边的一侧。

一个实施例中，所述电气化铁路供电装置包括：断路器和隔离开关，均设置于所述单相变压器的原边的一侧。

一个实施例中，所述三相变流器的输出侧并联连接有支撑电容；所述单相变流器的输入侧并联连接有支撑电容。

一个实施例中，所述三相变流器和所述单相变流器均采用三电平结构和PWM控制。

一个实施例中，所述三相变流器的输出侧与所述单相变流器的输入侧之间通过过电压保护器件和高通滤波器件连接。

一个实施例中，所述三相变压器和所述单相变压器均为50Hz的变压器。

本发明还提供一种电气化铁路供电***，所述的电气化铁路供电***包括：如上述各实施例所述的电气化铁路供电装置、所述三相高压公用电网、控制柜、冷却装置及所述电气化铁路牵引供电网；其中，所述三相变压器的原边的一侧和所述单相变压器的原边的一侧均设置有断路器和隔离开关；所述冷却装置与所述三相变压器、所述三相变流器、所述单相变流器、所述过压保护器件、所述高通滤波器件及所述单相变压器中的至少一个连接以进行降温；所述控制柜与所述三相变流器、所述单相变流器、所述过压保护器件、所述断路器及所述隔离开关均连接，以控制其工作状态；所述三相高压公用电网的供电制式为110kV、50Hz或220kV、50Hz；所述电气化铁路牵引供电网供电制式为55kV、50Hz或27.5kV、50Hz。

本发明可将公用高压电网电能经三相变压器调压后，经过三相变流器和单相变流器变换，再经过单相变压器调压，形成牵引变电所单相电能输出。若干个牵引变电所并联输出，形成一个单一相位电网结构，实现同相供电。

本发明实施例的电气化铁路供电装置及***，可使铁路线上所有牵引变电所所提供的牵引供电网形成一个统一的单相***，消除了电分相。同时，各个变电所可通过设计其容量大于该变电所供电区段所需的输出容量，当一个变电所出现故障脱网时，其他相邻变电所能迅速输出冗余容量，从而保证牵引供电网的稳定运行。此外本发明彻底消除了牵引供电网三相不平衡给公共供电网带来的负序电流问题，充分利用了现有技术，提高了变压器的使用效率。本发明本身可采用模块化设计，充分考虑了设计余量，提高了同相供电***的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明实施例的电气化铁路供电装置的电路示意图；

图2是本发明一实施例中的三相变流器的电路示意图；

图3是本发明一实施例中的单相变流器的电路示意图；

图4是本发明实施例的电气化铁路供电***的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1是本发明实施例的电气化铁路供电装置的电路示意图。如图1所示，电气化铁路供电装置包括三相变压器部分110、三相变流器部分120、单相变流器部分140及单相变压器部分150。三相变压器部分110含有一个三相变压器T1，三相变流器部分120含有四个三相变流器A，单相变流器部分140含有至少四个单相变流器B，以及单相变压器部分150含有一个单相变压器T2。

三相变压器T1的原边(输入侧/左边)与三相高压公用电网连接，该三相高压公用电网供电制式可为110kV、50Hz或220kV、50Hz。三相变压器T1的次边(输出侧/右边)与三相变流器A的输入侧连接，三相变流器A的输出侧与单相变流器B的输入侧连接，单相变流器B的输出侧与单相变压器T2的次边连接，单相变压器T2的原边输出单相交流电压至电气化铁路牵引供电网，该电气化铁路牵引供电网可为电力机车提供电力供应。

三相变压器T1可用于将三相高压公用电网输入的三相交流电降低至三相变流器A所需的三相交流电压，三相变流器A可用于将三相交流电压转换为直流电压，单相变流器B可用于将直流电压转换为单相交流电压，单相变压器T2用于将单相变流器B输出的单相交流电压转换为电气化铁路牵引供电网所需的单相交流电压。

本发明实施例的电气化铁路供电装置，通过三相变压器、三相变流器、单相变流器及单相变压器将三相交流电转换为单相交流电，可实现电气化铁路全线的同相供电，消除三相负载不平衡现象，取消电分相设置，同时保证供电***的稳定、高效运行，保证列车的准时、高速运行。

一个实施例中，再如图1所示，三相变压器T1的原边可为Y形接法，三相变压器T1的次边可包含四组三相变压器输出(即次边绕组输出)，其中两组三相变压器输出可为Y形接法，其余两组三相变压器输出可为Δ形接法。四个三相变流器A的输入侧分别与四组三相变压器输出一一对应连接，即其中两个三相变流器A与两组三相变压器T1的Y形次边绕组输出连接，另外两个三相变流器A与三相变压器T1的△形次边绕组输出连接。

图2是本发明一实施例中的三相变流器的电路示意图。如图2所示，每个如图1所示的三相变流器A可含有电力电子开关部件VT1a～VT4a、D1a～D6a、VT1b～VT4b、D1b～D6b、VT1c～VT4c、D1c～D6c及电容C1、C2。其中，三相变流器A的输入侧3AC含有三条端线，与三相变压器T1的次边绕组连接。三相变流器A的输出侧的三条端线分别对应图1中三相变流器A的输出侧的三条线。

本发明实施例的电气化铁路供电装置，含有四个三相变流器，仅靠三个三相变流器即可满足牵引变电所的容量需要，换言之，减少四个三相变流器中的任意一个时，其余三相变流器的总容量要大于牵引变电所所需的输出容量。因此，任意一个三相变流器发生故障，均不会影响同相电气化铁路供电装置的正常运行。

图3是本发明一实施例中的单相变流器的电路示意图。如图3所示，图1中所示的单相变流器B可含有电力电子开关部件VT1a～VT4a、D1a～D6a、VT1b～VT4b、D1b～D6b及电容C1、C2。其中，单相变流器B的输入侧(左侧)含有三条端线，分别对应图1中单相变流器B的输入侧的三条线，单相变流器B的输出侧2AC含有两条端线，分别对应图1中单相变流器的输出侧的两条线。

本发明实施例的电气化铁路供电装置，含有至少四个单相变流器，仅靠三个单相变流器即可满足牵引变电所的容量需要，换言之，减少任意一个单相变流器时，其余单相变流器的总容量要大于牵引变电所所需的输出容量。因此，任意一个单相变流器发生故障，均不会影响同相供电气化铁路供电装置的正常运行。

一个实施例中，再如图1所示，单相变压器T2的次边(输入侧)可包含至少四个次边绕组，上述次边绕组可分别与上述每个单相变流器B的输出侧一一对应连接。单相变压器T2的原边(输出侧)可包含至少四个原边绕组，上述原边绕组的抽头可串联输出上述单相交流电压(牵引变电所单相电压输出)至上述电气化铁路牵引供电网。

一个实施例中，图1中所示的三相变压器T1可为50Hz的变压器，以接入50Hz的三相高压公用电网；图1中所示的单相变压器T2也可为50Hz的变压器，以输出电气化铁路牵引供电网所需的50Hz频率的能量。

本发明实施例中，三相变压器和单相变压器采用50Hz的变压器，可与三相高压公用电网的供电标准相匹配，并满足电气化铁路牵引供电网的需求。

再如图1所示，本发明实施例的电气化铁路供电装置还可包括一中间直流环节130。在该中间直流环节130中，可以设置过电压保护电路和高通滤波电路。一个实施例中，该过电压保护电路可由电力电子开关部件VT、D及一个电阻R组成，该高通滤波电路可由一个电容C、一个电感L及一个电阻R组成，则图1中所示的中间直流环节130含有两组过压保护电路和高通滤波电路。在其他实施例中，过电压保护电路和高通滤波电路可以其他电路形式实现。

上述过电压保护电路可由过电压保护器件的形式实现，上述高通滤波电路可由高通滤波器件实现。增加中间直流环节130后，三相变流器T1的输出侧与单相变流器T2的输入侧之间不是直接连接，而是通过过电压保护器件和高通滤波器件连接。

本发明实施例中，通过过电压保护器件或过电压保护电路中的电阻可以消耗掉过高的直流电压，以保证直流环节中的直流电压在正常范围内；通过高通滤波器件或高通滤波电路可用于过滤直流侧高次谐波。

一个实施例中，图1中所示的三相变流器T1和单相变流器T2均可采用三电平结构，并采用PWM控制。如图1所示，三相变流器A的输出侧含有三条输出端线，分别对应不同电平，单相变流器B的输入侧也含有三条输入端线，分别对应不同电平。在其他实施例中，还可以采用其他多电平结构。

本发明实施例中，采用三电平结构和PWM控制，可有效降低谐波含量、降低功率开关管电压等级、提高功率因数、实现能量在交直流两侧的相互传递等。

一个实施例中，图1中所示的三相变流器A的输出侧可并联连接有支撑电容C，每个三相变流器A可并联连接两个支撑电容；单相变流器B的输入侧也可并联连接有支撑电容C，每个单相变流器B可并联连接两个支撑电容。

本发明实施例中，通过在三相变流器的直流侧和单相变流器的直流侧并联连接支撑电容，可以有效提高直流电压的稳定性。

如图1所示，本发明实施例的电气化铁路供电装置还可包括控制开关部分。一个实施例中，包含断路器K1和隔离开关K2(例如三相隔离开关)的控制开关部分160可是设置在三相变压器A的原边的一侧，即输入侧，也可以说是三相高压公用电网输入电压至电气化铁路供电装置的位置，以接入和断开三相高压公用电网的控制。

另一实施例中，包含断路器K1和隔离开关K2的控制开关部分170可设置在单相变压器B的原边的一侧，即输出侧，也可以是电气化铁路牵引供电网的输入端，以接入和断开上述单相交流电压输送至该电气化铁路牵引供电网的控制。

在其他实施例中，图1所示的各种电气化铁路供电装置可以同时包含控制开关部分160和控制开关部分170，以一并控制是否接入三相高压公用电网的电压及是否将上述单相交流电压输送至该电气化铁路牵引供电网。

上述各实施例中，使用相同符号的元件可表示这些元件属于同一种功能元件，并不必须是值容量、类型完全相同。上述各实施例中的“连接”可以是直接连接，也可以是间接连接，即中间包括其他部分。本发明对此均不作限定。上述变压器的“原边”和“次边”是相对的概念，在本发明实施例中，变压器的“原边”可具有较高的电压，变压器的“次边”可具有较低的电压。

本发明实施例还提供一种电气化铁路供电***。图4是本发明实施例的电气化铁路供电***的结构示意图，如图4所示，电气化铁路供电***包括：上述图1至图3所示的电气化铁路供电装置，还包括三相高压公用电网200、控制柜400、冷却装置300及电气化铁路牵引供电网500。

冷却装置300可与电气化铁路供电装置中的三相变压器T1、三相变流器A、单相变流器B及单相变压器T2中的一个或多个连接，以对变压器或变流器进行降温。冷却装置300可与中间直流环节部分130中的过压保护器件、高通滤波器件中的一个或多个连接，以对中间直流环节部分130中的一个或多个器件或元件进行降温。以此保证电气化铁路供电装置中的器件或元件的有效性。

控制柜400可与电气化铁路供电装置中的三相变流器A、单相变流器B及中间直流环节部分130中的过压保护器件、高通滤波器件均连接，以操控上述各部分的工作状态。控制柜400还可与电气化铁路供电装置中的断路器K1及/或隔离开关K2连接，以操控控制开关部分160及/或控制开关部分170的状态。

在电气化铁路供电***中，该三相高压公用电网供电制式可为110kV、50Hz或220kV、50Hz，即输出至电气化铁路供电装置的电压可为110kV或220kV，频率可为50Hz，以与国家电网供电标准相配合。该电气化铁路牵引供电网供电制式可为55kV、50Hz或27.5kV、50Hz，即所需输入电压可为55kV或27.5kV，所需输入频率可为50Hz，以满足电力机车的能量需求。

本发明实施例的电气化铁路供电***中的电气化铁路供电装置可以是上述任一实施例的情形，其所能达到的功效也可如上所述，故在此不再赘述。

需要说明的是，电气化铁路供电***中的控制柜、冷却装置也可视需要设置于电气化铁路供电装置中，在此，仅是组成部分的所属划分不同，并不限定电气化铁路供电装置的组成部分。

本发明可将公用高压电网电能经三相变压器调压后，经过三相变流器和单相变流器变换，再经过单相变压器调压，形成牵引变电所单相电能输出。若干个牵引变电所并联输出，形成一个单一相位电网结构，实现同相供电。

本发明实施例的电气化铁路供电装置及***，可使铁路线上所有牵引变电所所提供的牵引供电网形成一个统一的单相***，消除了电分相。同时，各个变电所可通过设计其容量大于该变电所供电区段所需的输出容量，当一个变电所出现故障脱网时，其他相邻变电所能迅速输出冗余容量，从而保证牵引供电网的稳定运行。此外本发明彻底消除了牵引供电网三相不平衡给公共供电网带来的负序电流问题，充分利用了现有技术，提高了变压器的使用效率。本发明本身可采用模块化设计，充分考虑了设计余量，提高了同相供电***的可靠性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电气化铁路供电装置，其特征在于，所述电气化铁路供电装置包括一个三相变压器、四个三相变流器、至少四个单相变流器及一个单相变压器；其中：

所述三相变压器的原边与三相高压公用电网连接，所述三相变压器的次边与所述三相变流器的输入侧连接，所述三相变流器的输出侧与所述单相变流器的输入侧连接，所述单相变流器的输出侧与所述单相变压器的次边连接，所述单相变压器的原边输出单相交流电压至电气化铁路牵引供电网。

2.如权利要求1所述的电气化铁路供电装置，其特征在于：

所述三相变压器的原边为Y形接法，所述三相变压器的次边包含四组三相变压器输出，其中两组三相变压器输出为Y形接法，其余两组三相变压器输出为Δ形接法；

所述四个三相变流器的输入侧分别与四组所述三相变压器输出一一对应连接。

3.如权利要求1所述的电气化铁路供电装置，其特征在于，所述单相变压器的次边包含至少四个次边绕组，所述次边绕组分别与所述单相变流器的输出侧一一对应连接；所述单相变压器的原边包含至少四个原边绕组，所述原边绕组的抽头串联输出所述单相交流电压。

4.如权利要求1所述的电气化铁路供电装置，所述电气化铁路供电装置包括：断路器和隔离开关，均设置于所述三相变压器的原边的一侧。

5.如权利要求1所述的电气化铁路供电装置，所述电气化铁路供电装置包括：断路器和隔离开关，均设置于所述单相变压器的原边的一侧。

6.如权利要求1所述的电气化铁路供电装置，其特征在于，所述三相变流器的输出侧并联连接有支撑电容；所述单相变流器的输入侧并联连接有支撑电容。

7.如权利要求1至6任一项所述的电气化铁路供电装置，其特征在于，所述三相变流器和所述单相变流器均采用三电平结构和PWM控制。

8.如权利要求1至6任一项所述的电气化铁路供电装置，其特征在于，所述三相变流器的输出侧与所述单相变流器的输入侧之间通过过电压保护器件和高通滤波器件连接。

9.如权利要求1所述的电气化铁路供电装置，其特征在于，所述三相变压器和所述单相变压器均为50Hz的变压器。

10.一种电气化铁路供电***，其特征在于，所述的电气化铁路供电***包括：如权利要求8所述的电气化铁路供电装置、所述三相高压公用电网、控制柜、冷却装置及所述电气化铁路牵引供电网；其中，

所述三相变压器的原边的一侧和所述单相变压器的原边的一侧均设置有断路器和隔离开关；

所述冷却装置与所述三相变压器、所述三相变流器、所述单相变流器、所述过压保护器件、所述高通滤波器件及所述单相变压器中的至少一个连接以进行降温；

所述控制柜与所述三相变流器、所述单相变流器、所述过压保护器件、所述断路器及所述隔离开关均连接，以控制其工作状态；

所述三相高压公用电网的供电制式为110kV、50Hz或220kV、50Hz；所述电气化铁路牵引供电网供电制式为55kV、50Hz或27.5kV、50Hz。