CN110867874B - 一种基于t结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，涉及电气化铁路供变电工程技术领域；该铁路牵引供变电补偿电路包括Y形三相原边绕组、三角形副边绕组和V形副边绕组；所述三角形副边绕组输出第一相电压，所述V形副边绕组输出第二相电压，且三角形副边绕组的两个引出端与V形副边绕组的两个引出端之间通过公共接线连接构成T型结构；本发明通过控制副边两相电流对称即可确保原边的三相电流对称，从而有效减小三相不平衡度，抑制牵引负荷的接入对电网负序的影响。

Description

一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路

技术领域

本发明属于电气化铁路供变电工程技术领域，更具体地，涉及一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路。

背景技术

铁道牵引供电***中的牵引变压器是将电力***提供的外部电源电压转换为电力机车所需的电压的电能变换装置。国内电力***采用三相交流供电方式，但电气化铁道牵引供电***属于单相负荷，其具有重载、多变、低功率因数、高谐波等特点，接入电力***后对电网电能质量影响严重，会造成电力***不对称运行，增加电能损耗。

目前动车段所供电方案采用从牵引变电所单独引一路电源或新建110kV牵引变电所，由于外接电源***短路容量较大，单相牵引供电对电力***产生的负序一般不会超出相关规程限制，但是当动车段所与牵引变电所距离较远时，上述方案投资较大且不便于管理维护，因此有必要研究就近采用10kV或35kV作为进线电源对动车段所供电的供电方案，以实现经济、适用的目标。随之而来的问题是：10kV或35kV***短路容量相对较小，单相牵引负荷容易导致三相不平衡，影响电网电能质量。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，其目的在于解决10kV或35kV三相电源变为单相电源后的三相不平衡引起的电力***不对称运行、增加电能损耗的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，包括Y形三相原边绕组、三角形副边绕组和V形副边绕组；

所述三角形副边绕组输出第一相电压，所述V形副边绕组输出第二相电压，且三角形副边绕组的两个引出端与V形副边绕组的两个引出端之间通过公共接线连接构成T型结构。

优选的，上述铁路牵引供变电补偿电路，所述三角形副边绕组与V形副边绕组的匝数、阻抗分别满足以下关系：

其中，N₃表示三角形副边绕组的匝数；N₂表示V形副边绕组的匝数；z_r3表示三角形副边绕组的阻抗；z_r2表示V形副边绕组的阻抗。

优选的，上述铁路牵引供变电补偿电路，所述Y形三相原边绕组包括采用星形连接的A相绕组、B相绕组和C相绕组；

所述三角形副边绕组包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第一绕组、第二绕组、第三绕组首尾相接实现三角形连接，其中任一绕组的首尾两端分别作为第一相电压的两个引出端；

所述V形副边绕组包括采用V形接法连接的第四绕组和第五绕组，所述第四绕组、第五绕组的非公共端分别作为第二相电压的两个引出端。

优选的，上述铁路牵引供变电补偿电路，当机车负载位于第一相电压或第二相电压的正极端时，所述公共接线上设有第一电感元件，第二相电压或第一相电压的正极端设有第二电感元件；当所述机车负载的阻抗为：Z_i＝R_i+jX_i(i＝3)时，所述第一电感元件、第二电感元件的匹配电感值为：

其中，L₁表示第一电感元件的匹配电感值；R_i表示机车负载的阻值；ω＝2πf，f代表频率；L₂表示第二电感元件的匹配电感值；X_i表示机车负载的电抗值。

优选的，上述铁路牵引供变电补偿电路，所述第一电感元件、第二电感元件均包括至少两个串联的电感，以及分别与每个所述电感并联连接的双向晶闸管；

根据机车负载的运行功率的变化控制所述双向晶闸管的投切以改变第一电感元件、第二电感元件的匹配阻抗，实现与牵引负荷变化的相对匹配补偿。

优选的，上述铁路牵引供变电补偿电路，所述第二电感元件中还包括与所述电感串联连接的控制开关，当机车负载未运行时，断开所述控制开关以使第一相电压和第二相电压空载。

优选的，上述铁路牵引供变电补偿电路，所述第一电感元件的匹配阻抗为：

其中，Z₁表示第一电感元件的匹配阻抗；L₁₁、L₁₂分别表示串联的两个电感的电感值；K₁₁、K₁₂分别表示与L₁₁、L₁₂并联的双向晶闸管；

所述第二电感元件的匹配阻抗为：

其中，Z₂表示第二电感元件的匹配阻抗；K表示控制开关；L₂₁、L₂₂分别表示串联的两个电感的电感值；K₂₁、K₂₂分别表示与L₂₁、L₂₂并联的双向晶闸管。

优选的，上述铁路牵引供变电补偿电路，所述A相绕组、B相绕组和C相绕组的公共端接地。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，包括Y形三相原边绕组、三角形副边绕组和V形副边绕组；三角形副边绕组输出第一相电压，V形副边绕组输出第二相电压，且三角形副边绕组的两个引出端与V形副边绕组的两个引出端之间通过公共接线连接构成T型结构；通过控制副边两相电流对称即可确保原边的三相电流对称，从而有效减小三相不平衡度，抑制牵引负荷的接入对电网负序的影响；

(2)本发明提供的一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，采用两个纯电感元件进行LL补偿，减小牵引负荷实际承受的电压与副边两相输出电压的差值，提高了供电效率。

(3)本发明提供的一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，采用并联双向晶闸管的多级控制方式来减小T型电路中的大电感的投切冲击影响，根据机车运行工况的变化控制双向晶闸管的投切以改变T型电路中其它两个支路的电抗，实现与牵引负荷变化的相对匹配补偿；当没有机车运行时，使控制开关保持断开状态，此时变压器副边两相都是空载运行，不影响原边电能质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路的结构图；

图2是本发明实施例提供的三相三绕组升压变压器绕组的接线原理图；

图3是本发明实施例提供的两相输出电压的二端口网络拓扑结构图；

图4是本发明实施例提供的两种补偿电路的电压相量图；

图5是本发明实施例提供的多级控制方式的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种T结构双电感支路铁路牵引供变电补偿技术，基于10(35)kV/27.5kV升压变压器的T结构的对称变换电路，提出双电感支路的补偿(LL补偿)方案和多级控制方式，以有效抑制牵引负荷的接入对电网负序的影响。

图1是本实施例提供的基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路的结构图；

图2是本发明实施例提供的三相三绕组升压变压器绕组的接线原理图；参见图1、2，该铁路牵引供变电补偿电路包括Y形三相原边绕组、三角形副边绕组和V形副边绕组；

其中，三角形副边绕组输出第一相电压U_α，V形副边绕组输出第二相电压U_β，且三角形副边绕组的两个引出端与V形副边绕组的两个引出端之间通过公共接线连接构成T型结构。

Y形三相原边绕组包括采用星形连接的A相绕组、B相绕组和C相绕组；A相绕组、B相绕组和C相绕组的公共点接地，大电流接地***可使整个***设备绝缘要求水平降低，从而大幅降低造价。

三角形副边绕组包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，该第一绕组、第二绕组、第三绕组首尾相接实现三角形连接，其中任一绕组的首尾两端分别作为第一相电压U_α的两个引出端；副边三角形接线绕组能够提供3次谐波通路，可以改善电压波形。

V形副边绕组包括采用V形接法连接的第四绕组和第五绕组，该第四绕组、第五绕组的非公共端分别作为第二相电压U_β的两个引出端。

其中，第一绕组、第二绕组和第三绕组的匝数相等，第四绕组、第五绕组的匝数相等，以保证三相平衡。

假设Y形三相原边绕组的每相绕组匝数为N₁，V形副边绕组的每相绕组匝数为N₂，三角形副边绕组的每相绕组匝数为N₃；V形副边绕组的每相绕组阻抗为z_r2，三角形副边绕组的每相绕组阻抗为z_r3；则变压器结构应满足以下约束关系：

以确保输出两相电压U_α和U_β的幅值相等，α、β两端口的等值阻抗Z_α、Z_β相等。

根据磁势平衡原理，原副边变换电压如下式：

副边与原边的电流关系式如下：

当副边两相电流对称时，折算到原边的三相电流也是对称的，原边相位相差120°，有效减小了三相不平衡度。

图3是本发明实施例提供的两相输出电压的二端口网络拓扑结构图；参见图3，为了提高供电效率，本实施例采用纯无功器件进行补偿。当机车负载位于T结构的Z₂、Z₃中某一个位置时，其它两个元件为纯电感元件，称为LL补偿。将机车负荷用阻抗表示为Z_i＝R_i+jX_i(i＝3或2)，其中，Z_i表示机车负荷的阻抗，R_i表示机车负载的阻值；X_i表示机车负载的电抗值；j为复数标志。

以机车负载位于T结构的Z₃位置(第二相电压U_β的正极端)为例，其它两个纯电感元件的匹配电感值由下式确定：

其中，L₁表示设于公共接线上的第一电感元件Z₁的匹配电感值；L₂表示设于第一相电压U_α的正极端的第二电感元件Z₂的匹配电感值；ω＝2πf，f代表频率。

图4是本实施例提供的两种补偿电路的电压相量图，其中，图(a)中，Z₂为机车负载，Z₃为电感，Z₁为电容，这种补偿方式称之为LC补偿；图(b)中，Z₃为机车负载，Z₁和Z₂均为电感，这种补偿方式称为LL补偿；图(a)、(b)中，

为牵引负荷实际承受的电压，比较两种方式的电压相量图可知，LC补偿中

幅值大于平衡变压器的两相输出电压

如果将机车负载接在Z₂位置时Z₁为电容，会导致机车负载的承受电压高于额定电压；而LL补偿中，

大小与两相输出电压

的大小相差不大，同级别的电感相比电容在价格和维护上也较有优势。

在实际的工程应用过程中，需要解决T型电路中的大电感Z₂的投切冲击过程影响，因此，本实施例提出基于并联双向晶闸管的多级控制方式，多级控制电路的原理图如图5所示，即采用双向晶闸管分别与电感支路分级并联，具体的，参见图5，第一电感元件Z₁包括至少两个串联的电感L₁₁、L₁₂，以及分别与每个所述电感并联连接的双向晶闸管K₁₁、K₁₂；第二电感元件Z₂均包括至少两个串联的电感L₂₁、L₂₂，以及分别与每个所述电感并联连接的双向晶闸管K₂₁、K₂₂；

另外，第二电感元件Z₂中还包括与电感L₁₁、L₁₂串联连接的控制开关K，当机车负载未运行时，断开控制开关K以使第一相电压和第二相电压空载。

根据机车运行工况(功率)的变化控制双向晶闸管的投切以改变Z₁、Z₂支路阻抗，实现与牵引负荷变化的相对匹配补偿。匹配阻抗Z₁、Z₂的取值通过控制各开关通断组合状态来实现，Z₁、Z₂的取值分别如下式。

当没有机车运行时，开关K保持断开状态，此时变压器副边两相都是空载运行，不影响原边电能质量。

本发明提供的一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，包括Y形三相原边绕组、三角形副边绕组和V形副边绕组；三角形副边绕组输出第一相电压，V形副边绕组输出第二相电压，且三角形副边绕组的两个引出端与V形副边绕组的两个引出端之间通过公共接线连接构成T型结构；通过控制副边两相电流对称即可确保原边的三相电流对称，从而有效减小三相不平衡度，抑制牵引负荷的接入对电网负序的影响；另外，采用两个纯电感元件进行LL补偿，减小牵引负荷实际承受的电压与副边两相输出电压的差值，提高了供电效率。本发明通过变压器结构匹配、两个纯电感元件补偿(LL补偿)、基于并联双向晶闸管的多级控制方式等方法，有效抑制了牵引负荷的接入对电网负序的影响。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于T结构双电感支路的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，包括Y形三相原边绕组、三角形副边绕组和V形副边绕组；

所述三角形副边绕组输出第一相电压，该三角形副边绕组包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第一绕组、第二绕组、第三绕组首尾相接实现三角形连接，其中任一绕组的首尾两端分别作为第一相电压的两个引出端；

所述V形副边绕组输出第二相电压，该V形副边绕组包括采用V形接法连接的第四绕组和第五绕组，所述第四绕组、第五绕组的非公共端分别作为第二相电压的两个引出端；

且三角形副边绕组的两个引出端与V形副边绕组的两个引出端之间通过公共接线连接构成T型结构；所述公共接线上设置第一电感元件，当机车负载位于第一相电压或第二相电压的正极端时，所述机车负载与设置在第二相电压或第一相电压的正极端的第二电感元件串联，所述第一电感元件、机车负载与第二电感元件的连接构成T型网络电路结构。

2.如权利要求1所述的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，所述三角形副边绕组与V形副边绕组的匝数、阻抗分别满足以下关系：

其中，N₃表示三角形副边绕组的匝数；N₂表示V形副边绕组的匝数；z_r3表示三角形副边绕组的阻抗；z_r2表示V形副边绕组的阻抗。

3.如权利要求2所述的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，所述Y形三相原边绕组包括采用星形连接的A相绕组、B相绕组和C相绕组。

4.如权利要求1或3所述的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，当所述机车负载的阻抗为：Z_i＝R_i+jX_i(i＝3)时，所述第一电感元件、第二电感元件的匹配电感值为：

其中，L₁表示第一电感元件的匹配电感值；R_i表示机车负载的阻值；ω＝2πf，f代表频率；L₂表示第二电感元件的匹配电感值；X_i表示机车负载的电抗值。

5.如权利要求4所述的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，所述第一电感元件、第二电感元件均包括至少两个串联的电感，以及分别与每个所述电感并联连接的双向晶闸管；

根据机车负载的运行功率的变化控制所述双向晶闸管的投切以改变第一电感元件、第二电感元件的匹配阻抗，实现与牵引负荷变化的相对匹配补偿。

6.如权利要求5所述的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，所述第二电感元件中还包括与所述电感串联连接的控制开关，当机车负载未运行时，断开所述控制开关以使第一相电压和第二相电压空载。

7.如权利要求6所述的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，所述第一电感元件的匹配阻抗为：

其中，Z₁表示第一电感元件的匹配阻抗；L₁₁、L₁₂分别表示串联的两个电感的电感值；K₁₁、K₁₂分别表示与L₁₁、L₁₂并联的双向晶闸管；

所述第二电感元件的匹配阻抗为：

其中，Z₂表示第二电感元件的匹配阻抗；K表示控制开关；L₂₁、L₂₂分别表示串联的两个电感的电感值；K₂₁、K₂₂分别表示与L₂₁、L₂₂并联的双向晶闸管；。

8.如权利要求3所述的铁路牵引供变电补偿电路，其特征在于，所述A相绕组、B相绕组和C相绕组的公共端接地。

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