基于斯科特变压器的新型同相at 牵引供电系统

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1、基于斯科特变压器的新型同相AT牵引供电系统原作者：张秀峰连级三   0引言   由于牵引供电系统结构和负荷的特殊性，造成了电力系统三相严重不平衡，需采用平衡变压器和换相连接。尽管这样能够改善三相不平衡状况，但由于牵引负荷在空间和时间分布上的随机性，使得由此对三相不平衡改善程度受到了限制。此外换相连接后各供电区段需要用分相绝缘器分隔，而分相绝缘器的存在使电力机车安全平稳性存在较大隐患，制约了高速、重载铁路的发展。   采用有源滤波器的同相供电技术，可以从根本上解决上述问题。文献提出的基于有源滤波器的同相供电系统方案，不仅能实现三相平衡同相供电，而且能动态补

2、偿谐波和无功，是较理想的新型牵引供电系统方案。但这些供电系统方案仅局限于BT供电方式和简单直供方式，不能直接也不宜应用于AT供电方式。与BT和简单直供方式相比，AT供电方式具有很多优势：通信防护效果好；牵引网阻抗小，供电距离长，变电所数量少；无需在AT处实行电分段，适合高速、重载列车运行。当前有不少电气化铁道采用了斯科特变压器和AT供电方式，如我国北京—秦皇岛、大同—秦皇岛、郑州—武昌等电气化铁路。我国新建客运专线，也计划采用AT供电方式。其次，由于AT供电方式的特殊性，变电所接线方式、牵引网的结构等都与BT和简单直供方式不同，其同相供电系统的平衡变换原

3、理、补偿电流检测算法等也与BT和简单直供方式大不相同。所以研究基于AT供电方式和斯科特变压器的新型同相牵引供电系统，不仅必要而且很有价值。   1现有系统结构及特点   图1为斯科特变压器接线AT牵引供电系统结构示意图（图中未示出用于通信防护的自耦变压器，以下同）。图中SS表示牵引变电所，它采用斯科特变压器接线方式；T、R、F分别表示牵引网的接触线、钢轨和正馈线；DK表示分相绝缘器（图中共有10个，仅2个有标号）。为了改善三相不平衡状况，变电所一次侧采用了换相连接。各供电臂之间采用分相绝缘器分隔。图2为变电所接线原理示意图。         这种供电系统

4、的优点是：   ①牵引网阻抗小，约为BT供电方式牵引网阻抗的1/4左右，从而提高了牵引网的供电能力，大大减小了牵引网的电压损失和电能损失。牵引变电所间距可进一步增大，由此可以减小变电所数量，降低投资；经分析和试验表明，AT供电方式对邻近通信线的综合防护效果优于BT供电方式。   ②无需在AT处实行电分段，故有利于高速、重载列车顺利通过。   ③当变电所2个供电臂负荷完全相同时，系统三相完全平衡。也即，当则      式中：KM=110/55为M座变压器变比。   存在问题是：   a.据对部分山区单线牵引变电所被测负荷统计，2个供电臂同时有负荷的时间只占

5、全天的10%左右，而当一个供电臂出现较大牵引负荷时，另一个供电臂常常没有牵引负荷，即使有也较小。所以采用换相连接和平衡变压器对三相不平衡改善程度是有限的。   b.由于采用换相连接，各供电臂电压不同，必须用分相绝缘器分隔（图中用DK表示），增加了机车操作的复杂性，严重制约了高速、重载铁路的发展。   2同相供电系统的结构   2.1 2×55kV同相供电系统如图3所示，斯科特变压器M座和T座二次侧电压为55kV。图中pp为平衡变换装置（以下简称平衡器），其结构见图4所示，它主要是由PWM变流器构成，其作用是通过适当的控制提供负载所需的谐波和无功电流，并实

6、现由单相到三相的平衡变换。接线方式与原系统不同点是：T座55kV出口处不再需要自耦变压器，且出口2个端子不再直接接于另一方向接触线T和正馈线F，而是分别通过平衡器接于同一个接触线T和正馈线F；各变电所接线方式完全相同，且在平衡器作用下都能输出相同相位的电压，不再换相连接，取消了分相绝缘器，实现了各供电区段同相供电。         该方案的特点是：   ①平衡器可由2个背靠背的单相变流器构成，见图4所示。平衡器的控制方法相对简单，容易实现，且各桥臂电流相对均衡。   ②当平衡器故障时，不影响正常供电，且仍保持原来的通信防护效果。   ③比原系统省1台自耦

7、变压器。但M座55kV出口仍需要1台自耦变压器，以提供接钢轨的中点抽头。   2.2  2×27.5kV同相供电系统图5是2×27.5kV同相供电系统，斯科特变压器M座和T座二次侧电压为27.5kV，M座的b端子和T座的a端子分别接接触线T和正馈线F，M座的d端子和T座的c端子连接后接钢轨。同样，通过对平衡器适当控制，能够使各变电所输出同相位的电压，取消分相绝缘器，实现同相供电，并能达到三相完全平衡，同时滤除谐波和无功。      该方案的优点是：   ①M座和T座出口不再需要自耦变压器提供中点抽头，故可节省2台自耦变压器。   ②当平衡器故障时，系统变

8、为简单直供方式，仍能继续供电。   该方案的缺点是：   ①平衡器核心部分是四桥