基于斯科特变压器的新型同相AT牵引供电完整系统.doc

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A T 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A T 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A T 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A T 供电方式。其次，由于A T 供电方式的特殊性，变电所接线方式、牵引网的结构等都与B T和简单直供方式不同，其同相供电系统的平衡变换原理、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，A T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 × 55 kV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55 kV。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55 kV 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台自耦变压器。但M 座55 kV 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 ??2×27.5 kV同相供电系统图5是2×27.5 kV同相供电系统，斯科特变压器M座和T座二次侧电压为27.5 kV，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