1、第二章第二章 牵引变电所牵引变电所12.1 2.1 单相牵引变电所单相牵引变电所采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。单相牵引变电所单相牵引变电所一、纯单相结线一、纯单相结线高压绕组高压绕组AXAX接三相电源的接三相电源的某两相某两相(如图中的如图中的ACAC相相)，电压为电压为110kV110kV或或220kV220kV。低压绕组低压绕组axax，首端，首端a a接至牵引母线上，末端接至牵引母线上，末端x x与钢轨、与钢轨、地连接，输出电压地连接，输出电压27.5kV27.5kV。接牵引母线的一端，同。接牵引母线的一端，同时给左右两侧的供
2、电臂供电。时给左右两侧的供电臂供电。纯单相纯单相I,iI,i接线接线单相单相V,vV,v接线接线变压器的变压器的容量利用率容量利用率是牵引变电所运行的重要经是牵引变电所运行的重要经济指标。济指标。优点：容量可以充分利用，变电所的主接线简单、优点：容量可以充分利用，变电所的主接线简单、设备少。设备少。缺点：在三相系统形成较大的负序电流；不能实缺点：在三相系统形成较大的负序电流；不能实现双边供电；变电所无三相电源，所用电需由附现双边供电；变电所无三相电源，所用电需由附近的地方电网引入。近的地方电网引入。%100额定容量额定输出容量 K%100%1002121 UIUIUIK纯单相结线牵引变电所适用
3、于：纯单相结线牵引变电所适用于：电力系统容量较大，地方电网较发达的地区。电力系统容量较大，地方电网较发达的地区。o如：哈如：哈(尔滨尔滨)大大(连连)线全部采用纯单相结线，线全部采用纯单相结线，牵引变电所接于容量较大的牵引变电所接于容量较大的220kV220kV电网。电网。abcABC 牵引变电所装设两台单相牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器，作结线牵引变压器，作V,vV,v接接线。线。V,vV,v接线牵引变压器原边接线牵引变压器原边接入电力系统的两个线电压接入电力系统的两个线电压(如如ABAB、BC)BC)。次边各有一端分别接到次边各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，公共牵引侧的两相母线上
4、，公共端子与轨道及接地网连接。端子与轨道及接地网连接。由于对地电压相位不同，中由于对地电压相位不同，中间必须用分相绝缘器断开。间必须用分相绝缘器断开。二、单相二、单相V,vV,v结线结线1.1.原、次边电流关系原、次边电流关系设变比为设变比为K KT TABCAIBICIABIBCIabIbcIabUbcUbcTBCCbcabTBCABBabTABAbcTBCabTABIKIIIIKIIIIKIIIKIIKI1)(1)(1113.3.额定利用率额定利用率当当I Iabab、I Ibcbc达到额定值达到额定值I Ie e时，即时，即 I Iabab=I=Ibcbc=I=Ie e，则额定输出容量：
5、则额定输出容量：S=IS=IababU Ue e+I+IbcbcU Ue e=2U=2Ue eI Ie e额定容量：额定容量：S=2US=2Ue eI Ie e所以，所以，K=100%K=100%4.4.跨相供电跨相供电 当一台变压器因故停电时，另一台变压器必当一台变压器因故停电时，另一台变压器必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。优点：容量利用率为优点：容量利用率为100%100%，可以供给所内及地，可以供给所内及地区三相负荷，对牵引网还可实行双边供电。和区三相负荷，对牵引网还可实行双边供电。和纯单相结线比，对系统的负序影响减小。设备纯单相
6、结线比，对系统的负序影响减小。设备相对较少。相对较少。缺点：跨相供电缺点：跨相供电o在阳在阳(平关平关)安安(康康)等线路应用。等线路应用。2.2 2.2 三相三相YN,d11YN,d11接线牵引变电所接线牵引变电所 目前在三相牵引变电所中大多采用的是目前在三相牵引变电所中大多采用的是110kV110kV油浸风冷式变压油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用器，该牵引变压器的接线采用YN,d11YN,d11标准联结组。标准联结组。1.1.原理电路图原理电路图高压侧绕组为高压侧绕组为YNYN，三个端子，三个端子(A)(A)、(B)(B)、(C)(C)接电力系统的接电力系统的A A、B B、C C
7、三相三相(或或ACBACB，BCA)BCA)，中性点通过隔离开关中性点通过隔离开关QSQS接地。接地。中性点何时接地由电力调度决定，中性点何时接地由电力调度决定，通常是断开的。通常是断开的。次边绕组接成次边绕组接成，(c)(c)端子接钢轨端子接钢轨和地。和地。(a)(a)、(b)(b)端子分别接牵引母线。端子分别接牵引母线。ABC*(A)(X)(B)(Y)(C)(Z)(a)(b)(c)(x)(y)(z)(a)(b)(c)QS（）内符号表示端子号，（）内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边大写为原边，小写为次边其中绕组其中绕组(ax)(ax)，(cz)(cz)为负荷相绕组；为负荷相绕组；绕组绕
8、组(by)(by)为自由相绕组为自由相绕组注意：带注意：带“（）（）”的字母的字母表示端子号，应与电力表示端子号，应与电力系统相序区分。系统相序区分。ABC*(A)(X)(B)(Y)(C)(Z)(a)(b)(c)(x)(y)(z)(a)(b)(c)QS2.2.展开图展开图 为了便于分析，通常采用为了便于分析，通常采用展开图。展开图。画展开图有如下约定：画展开图有如下约定：(1)(1)原、次边对应绕组相互平行；原、次边对应绕组相互平行；(2)(2)原、次边每相绕组的同名端原、次边每相绕组的同名端放在同一侧；放在同一侧；(3)(3)次边绕组的次边绕组的(c)(c)端子接钢轨和地；端子接钢轨和地；(
9、A)(B)(C)*(a)*(b)(c)(4)(4)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致。次边绕组按同名端与原边绕组电压一致。下标的标注：下标的标注：(1)(1)电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。号无关。(2)(2)臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。3.3.电压、电流相量的方向电压、电流相量的方向 (1)(1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，(看作负看作负载载)，即牵引变压器从电力系统吸收电能。，即牵引变压器从电力系统吸收电能。(2)(
10、2)次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，(看作电看作电源源)，即牵引变压器是次边负荷的电源。，即牵引变压器是次边负荷的电源。(3)(3)原边绕组电压与实际进线电压一致。原边绕组电压与实际进线电压一致。AIBICI+AU-+-BUCU+-cIaIbI+-cU+-aU+-*La*ABCLbbU+-bU+-aU bI aI 次边电压、电流相量图：次边电压、电流相量图：将负荷端口电压进行相位比较，将负荷端口电压进行相位比较，引前引前120120者称为引前相者称为引前相 ；另一为滞后相另一为滞后相 ；另一端口另一端口(无负荷无负荷)为自由相为自由相 。注：与电力系
11、统的相序一致注：与电力系统的相序一致aUbUcUaIbIabaUbUcUab(以以 为参考相量为参考相量)aU ，分别表示负荷分别表示负荷L La a、L Lb b的功率因数角。的功率因数角。4.4.次边绕组电流与负荷端口电流的关系次边绕组电流与负荷端口电流的关系baaIII 3132bacIII 3131babIII 3231次边三相绕组电流相量图：次边三相绕组电流相量图：以以 为基准相量：为基准相量：将将I Ia a、I Ib b代入得：代入得：aI 0IIa 120IIbaI bI baaIII 3132aI babIII 3231bI bacIII 3131cI 1.19365.212
12、0310323132IIIIIIbaa 1.139365.212032031IIIIb 1203112031031IIIIc从计算结果可看出，各相绕组电流极不对称。从计算结果可看出，各相绕组电流极不对称。在两臂负荷相等情况下，在两臂负荷相等情况下，I Ia a=I=Ib b=I=I(1)(1)两接地相绕组两接地相绕组(臂绕组臂绕组)的电流大小相等，的电流大小相等，非接地相绕组非接地相绕组(自由相绕组自由相绕组)的电流较小，的电流较小，(2)(2)馈线负荷电流为臂绕组电流的馈线负荷电流为臂绕组电流的 倍，倍，IIIba365.2 acIII 65.213165.23aII 65.235.5.容量
13、利用率容量利用率设额定输出电压为设额定输出电压为U Ue e，两供电臂额定电流，两供电臂额定电流I Ia a=I=Ib b=I=Ie e三相变压器的额定容量为：三相变压器的额定容量为：额定输出容量为：额定输出容量为：%100 eoutSSKeleeIUS3 eebeaeoutIUIUIUS2 elepII31 elelepeIIII655.03165.2365.23 eleeleeeoutIUIUIUS134.1655.022%6.75%1003134.1%100 eleeleeoutIUIUSSK6.6.优缺点优缺点优点优点:(1)(1)变压器原边采用变压器原边采用YNYN结线，中性点引出接
14、地方式结线，中性点引出接地方式与高压电网相适应。与高压电网相适应。(2)(2)结构相对简单，绕组可采取分级绝缘，造价较低。结构相对简单，绕组可采取分级绝缘，造价较低。(3)(3)运用技术成熟，供电安全，可靠性好。运用技术成熟，供电安全，可靠性好。(4)(4)变电所有三相电源，不但所内自用电可靠，而且变电所有三相电源，不但所内自用电可靠，而且必要时还可向地方负荷供电。必要时还可向地方负荷供电。缺点：缺点：(1)(1)变压器的容量不能充分利用，输出容量只能达变压器的容量不能充分利用，输出容量只能达到其额定容量的到其额定容量的75.6%75.6%，引入温度系数后，也只，引入温度系数后，也只能达到能达
15、到84%84%。(2)(2)和单相结线牵引变电所相比，主接线比较复杂，和单相结线牵引变电所相比，主接线比较复杂，设备多，占地面积大，工程投资大，而且维护检设备多，占地面积大，工程投资大，而且维护检修的工作量和费用也相应增加。修的工作量和费用也相应增加。1.1.根据所给三相根据所给三相YN,d11YN,d11结线牵引变电所的原理图画出其展开图，并结线牵引变电所的原理图画出其展开图，并按规格化定向标出原次边电压、电流以及负荷端口电流、电压。按规格化定向标出原次边电压、电流以及负荷端口电流、电压。2.2.以引前相电压为基准，计算次边绕组电流。以引前相电压为基准，计算次边绕组电流。3.3.画出次边绕组
16、电流、电压相量图，负荷端口电流相量图。画出次边绕组电流、电压相量图，负荷端口电流相量图。ABC*(A)(X)(B)(Y)(C)(Z)(a)(b)(c)(x)(y)(z)接供电臂接供电臂300A300A接供电臂接供电臂600A600A两供电臂负荷功率因数相同，两供电臂负荷功率因数相同，均为均为8.0cos2.32.3三相三相-两相牵引变电所两相牵引变电所1.1.概述：概述：这种牵引变电所中变压器为三相这种牵引变电所中变压器为三相两相平衡两相平衡变压器。变压器。在电力系统中对称和平衡是有区别的：在电力系统中对称和平衡是有区别的：平衡平衡 “0 0序序”，即无，即无“0 0序分量序分量”称为平称为平
17、衡，否则为不平衡衡，否则为不平衡 对称对称 “负序负序”，即无，即无“负序分量负序分量”称为称为对称，否则为不对称对称，否则为不对称 而电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引而电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引变压器不会在电力系统中产生变压器不会在电力系统中产生“0 0序分量序分量”，但，但通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡而不对称的。牵引负荷是平衡而不对称的。也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑考虑“0 0序序”，只考虑负序，又把对称变压器称，只考虑负序，又把对称变压器称为平衡变压
18、器，目的都是消除或削弱负序。为平衡变压器，目的都是消除或削弱负序。几种主要的平衡变压器的缩写和接线简图如表所示 几种主要平衡接线变压器简况接线方式缩写接线简图适用供电方式ScottSCT，直接供电 BTLeBlancLBL铁路少用Modified LeBlancMLB，直接供电 BTkblerKBL，直接供电 BTWood-BridgeWBR铁路少用Modified Wood-BridgeMWBATAuto Wood BridgeAWBAT本章将重点分析Scott。接线变压器 由两台单相变压器构成。由两台单相变压器构成。变压器的原边绕组联成倒变压器的原边绕组联成倒T T形接入三相电力系统，形接
19、入三相电力系统，副边绕组联成相位差为副边绕组联成相位差为9090的的V V形，公共端接地形，公共端接地和钢轨，两个开口端分别和钢轨，两个开口端分别接入接触网相邻的两区段，接入接触网相邻的两区段，相邻两接触网对地电压相相邻两接触网对地电压相位不同，故相邻两接触网位不同，故相邻两接触网区段必须用分相绝缘器断区段必须用分相绝缘器断开。开。ABCO2.Scott2.Scott变压器结线牵引变电所变压器结线牵引变电所(1)(1)原、次边电压关系及变比关系原、次边电压关系及变比关系ABC*AIBICI1212DIIUU(M)(M)(T)(T)(M)(M)座变压器的绕组原边接入电力系统座变压器的绕组原边接入
20、电力系统ABAB相相(线电压线电压)，(T)(T)座变压器绕组原边一端接座变压器绕组原边一端接(M)(M)座绕组的座绕组的中点中点D D，另一端接入，另一端接入C C相。相。分析：分析：以原边相电压以原边相电压 为参为参考相量，则：考相量，则：(T)(T)座原边电压座原边电压 为：为：ABC*AIBICI1212DIIUU(M)(M)(T)(T)AU303AABUUCDU 12023302315032112021AAAABABABCAADCADACACDCADACDUUUUUUUUUUUUUUU (M)(M)座原边绕组匝数是座原边绕组匝数是(T)(T)座的座的 ，而副边匝，而副边匝数相等数相等
21、()()。(M)(M)座变压器变比座变压器变比:(T)(T)座变压器变比座变压器变比:由于由于(M)(M)与与(T)(T)两变压器原边电压的关系对应于等边两变压器原边电压的关系对应于等边三角形底边和高的关系，故通常称三角形底边和高的关系，故通常称MM座为底变压器，座为底变压器，T T座为高变压器。座为高变压器。232221MKMTKK2323212190239023UKUKUUMABTCD(2)(2)原、次边电流关系原、次边电流关系列写电流和磁势平衡关系列写电流和磁势平衡关系式式原边电流：原边电流：若副边两相牵引负荷电流若副边两相牵引负荷电流相等时，且相等时，且MM、T T两供电臂两供电臂功率
22、因数相等时，功率因数相等时，以以 为参考相量：为参考相量：列磁势平衡方程：列磁势平衡方程：ABC*AIBICI1212DIIUU(M)(M)(T)(T)0CBAIIII900IIII21212112322IIIIIIICCBA将将 代入得：代入得：0CBAIII21212112322IIIIIIICCBAMKIIII219009032150323032MCMBMAKIIKIIKII结论：结论：在在MM、T T两供电臂负荷电流大小相等、功率因数相等的条件下，两供电臂负荷电流大小相等、功率因数相等的条件下，ScottScott牵引变压器原边三相电流大小相等，相位互差牵引变压器原边三相电流大小相等，
23、相位互差120120，即原边三，即原边三相电流对称。相电流对称。(3)Scott(3)Scott变压器容量利用率变压器容量利用率达到额定输出时，即达到额定输出时，即 ，此时，此时变压器额定输出容量：变压器额定输出容量：变压设计容量：变压设计容量：eIIIeMCBAIKIII32eeUIUIUIS2eMMeABMeMeABCDBABAABCCDbUIKUKIUKIKIUUIUIUIUS)321()123(32)123(3232)(2121%8.92%1003212%100beMSSK3.3.阻抗匹配平衡变压器阻抗匹配平衡变压器所谓平衡变压器必须满足：所谓平衡变压器必须满足：(1)(1)无论二相侧
24、无论二相侧(负荷侧负荷侧)负荷状况如何，三相侧负荷状况如何，三相侧(系统系统侧侧)均无零序电流。即三相侧电流为均无零序电流。即三相侧电流为“平衡系平衡系”；(2)(2)当二相侧两臂负荷相等时，三相侧负序电流为当二相侧两臂负荷相等时，三相侧负序电流为零。即三相侧电流为零。即三相侧电流为“对称系对称系”。这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通YN,d11YN,d11接线变压器的自由相上增加两个绕组。这接线变压器的自由相上增加两个绕组。这种结构是目前现有平衡牵引变压器中最简单的。种结构是目前现有平衡牵引变压器中最简单的。使副边使副边 内各绕组阻抗满足阻抗匹配原则
25、，从而使内各绕组阻抗满足阻抗匹配原则，从而使原边平衡，即三个绕组阻抗满足原边平衡，即三个绕组阻抗满足:Z Zabab=Z Zbcbc=Z Zacac(1)(1)接线图接线图:原边接线与普通原边接线与普通YN,d11YN,d11接接线变压器的原边情况完全相线变压器的原边情况完全相同；同；次边三角形接线结构有所改次边三角形接线结构有所改变，变，即在非接地相增设了即在非接地相增设了两个外移绕组：两个外移绕组：和和 。(c)(c)端子仍接地。端子仍接地。、两端分别接到两端分别接到牵引侧两相母线上。牵引侧两相母线上。由两相牵引母线分别由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂向两侧对应的供电臂供电。供电。AB
26、C(A)(B)(C)111222(X)(Y)(Z)(a)y(b)z(c)xAIBICIIIUUab(2)电流关系：ABC(A)(B)(C)111222(X)(Y)(Z)(a)y(b)z(c)xAIBICIIIUU+-+-aIbI次边绕组电流与负荷端口电流关系为：IIIIIcba212121212121原边三相电流与负荷端口电流关系为：IIKIIICBA2121)21213()21213(21211122211KKIIKIIICBA13)13(22)13(133211当次边两相均载时，都等于当次边两相均载时，都等于I I2 2时，有：时，有：10536135361536212121IKIIKII
27、KICBA(3)电压关系：BCbcBABAABaaUUKUUUUUKUUKKUKUUUU)13(221)13(221213121311111(4)变比关系：(5)变压器容量利用率：额定容量：S1=3U1相I1相额定输出容量：11112111221122223363232632322SIUIUKIKUSIKIUUIUIUIUIUS阻抗匹配平衡变压器的特点：阻抗匹配平衡变压器的特点：1.1.阻抗匹配平衡变压器的原边仍为阻抗匹配平衡变压器的原边仍为YNYN接法，引出接法，引出中性点，与现有中性点，与现有110kV110kV或或220kV220kV系统匹配方便。系统匹配方便。2.2.阻抗匹配平衡变压器
28、的副边仍有阻抗匹配平衡变压器的副边仍有 接线绕组，三接线绕组，三次谐波电流可以流通，确保主磁通和电压波形有次谐波电流可以流通，确保主磁通和电压波形有良好的正弦度。良好的正弦度。3.3.容量利用率显著高于容量利用率显著高于YN,d11YN,d11接线变压器。接线变压器。4.4.次边次边 时，原边三相电流为平衡系；次边时，原边三相电流为平衡系；次边 时，原边三相电流转化为对称系。对牵引负荷来时，原边三相电流转化为对称系。对牵引负荷来说，任何时刻都满足说，任何时刻都满足 的概率是很小的，尽的概率是很小的，尽管如此，阻抗匹配平衡变压器原边三相电流的不管如此，阻抗匹配平衡变压器原边三相电流的不对称度较对
29、称度较YN,d11YN,d11牵引变压器仍有明显改善。牵引变压器仍有明显改善。5.5.原边三相制的视在功率完全转化为次边二相制的原边三相制的视在功率完全转化为次边二相制的视在功率。视在功率。II II II 不对称度K与牵引负荷比m的关系曲线自学：自学：1.31.3牵引网牵引网1.41.4电力机车的相关知识电力机车的相关知识要求：要求：交学习报告，内容重点放在交学习报告，内容重点放在“列车电流曲线和列车电流曲线和列车能耗列车能耗”。回答以下问题：回答以下问题：1.1.电力机车特性的要求电力机车特性的要求2.2.直流串励电动机特性直流串励电动机特性3.3.直流串励电动机的调速方式直流串励电动机的
30、调速方式4.4.为什么电力机车要采用直流串励电动机？为什么电力机车要采用直流串励电动机？一、电力机车简况及其牵引特性一、电力机车简况及其牵引特性交流电力机车因主电动机和种类而异。交流电力机车因主电动机和种类而异。a.a.接受交流电后变换为直流利用直流电动机运行接受交流电后变换为直流利用直流电动机运行b.b.直接将交流降压后利用交流整流子电动机运行直接将交流降压后利用交流整流子电动机运行目前多采用的是将交流变换为直流后利用直流串励电动机目前多采用的是将交流变换为直流后利用直流串励电动机运行。运行。1.1.电力机车特性的要求：电力机车特性的要求：电力机车出发时，速度为零，需要很大的力；要求起动电力机车出发时，速度为零，需要很大的力；要求起动加速力大。加速力大。充分利用牵引电动机容量；列车轻载时，运行速度高；充分利用牵引电动机容量；列车轻载时，运行速度高；重载时，运行速度低。重载时，运行速度低。2.2.直流串励电动机特性：直流串励电动机特性：起动转矩大，过载能力强。起动转矩大，过载能力强。当负载转矩增加时，电动机转速会自动下降。即低速时当负载转矩增加时，电动机转速会自动下降。即低速时所需转矩大，高速时所需转矩小。所需转矩大，高速时所需转矩小。
