CN108364764A - 交叉互补式高铁牵引变压器 - Google Patents

交叉互补式高铁牵引变压器 Download PDF

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Abstract

一种交叉互补式高铁牵引变压器，包括一个平面三柱铁芯、三个一次线圈A1、B1、C1，以及仅六个二次线圈a1、a2、a3、c1、c2和c3，其中，一、二次侧相电压相等，且三个二次线圈a1、a2和a3串联成为a相，三个二次线圈c1、c2及c3串联成为c相，该a、c两相的输出分别为上、下行机车供电；该变压器还具有温度检测模块，用于检测变压器内的油温和/或线圈温度，并根据变压器的温度状况自动调整该区间内某一相的负载从而进一步改善供电网络的对称性；其中，温度检测模块具有自发电单元，该自发电单元利用该变压器工作时周围产生的磁场变化而产生电力。本发明的变压器能够进一步改善高铁供电网络的对称运行，同时一并显著提高了系统的安全性和经济性。

Description

交叉互补式高铁牵引变压器
技术领域
本发明涉及牵引变压器领域，特别涉及一种稳定性和安全性均提高的交叉互补式高铁牵引变压器。
技术背景
在高铁系统中，牵引机车采用以受电弓引入的单相工频交流电作为电源，上、下行两组机车的单相或两相功率均可大至数千千瓦，且负荷波动幅度大，由此经常造成牵引变压器电网侧三相负荷严重不对称，大大降低了电网的运行效率和可靠性，同时也殃及电网的其它负荷，甚至也波及到高铁牵引机车自身运行的可靠性，特别是由于不对称运行引起的负序电流和由于铁芯不对称饱和度及机车调速装置引起的谐波电流会对电力系统的供电质量、安全及运行效率造成极大的危害。
为了解决三相电压不平衡的问题，当前全球高铁供电变压器的接法不外以下几种接法：
(1)单相接线牵引变压器。它的优点是容量利用率高，设备少，投资小，但是负序电流大，要求电网强，目前香港电气化铁路使用；
(2)单相V/V牵引变压器和三相V/V牵引变压器。其中单相V/V接法投资小一些，负序分量比纯单相接法为小，两个变压器共用一个油箱，缺点是当一相故障时需要断电、倒闸，我国阳安-襄渝线曾使用该种接法，后因电力不胜负荷而改成三相；
(3)三相YNd11双绕组牵引变压器。优点是可以顺带解决变电所自身的三相及单相用电；缺点是容量利用率低，接线复杂，投资较大；
(4)斯科特牵引变压器。目前日本电气化铁道使用较多，我国京秦线也引进了此一设备，但斯科特变压器是由两台单相变压器主(M)变和梯(T)变构成，结构复杂，制造成本和安装使用成本高，显著缺点是其主梯变联结点S点的电位随负载变化而漂移、三次谐波电流无回路、磁通及感应电压波形畸变，三相侧调压困难等。
(5)阻抗匹配平衡变压器。其阻抗匹配设计和制造难度均大，实际阻抗匹配效果往往得不到保证，因而三相电流的平衡程度也难达理想效果，且价格较高、无中性点接地，必须采用全绝缘、互感配合复杂、三相铁芯不一致而使制造材料不能充分利用等诸多缺点促使人们另辟蹊径；
(6)十字交叉接线牵引变压器。副边把两个匝数相等的Δ接法绕组对接形成1200的交叉连接构成两相输出，目前已用于我国大秦线上，有了很大改进，其性能和普通Y/Δ接法相似，由于可以取消第一台供电臂的自耦变压器而使造价降低，其缺点是即使低压侧两相负荷相等，也不能避免高压侧仍有负序电流及高次谐波进入电网，这将会对电力系统及周围通讯设施造成影响，此外这种十字交叉接线牵引变压器的原、副边始终有一相负荷不足(75.6％)，材料利用率偏低，必须加以改进。
(7)双向平衡变压器。例如专利文献1：CN106229124A，专利文献2：CN101819866A，均公开了采用九个二次线圈，分别构成a相输出绕组、b相输出绕组和c相输出绕组，a、b、c三个输出绕组连接成星形，应用这种结构的装置当一次侧相电压不平衡率为20％时，二次侧相电压不平衡率为5.6％，二次侧线电压不平衡率为8.6％,不平衡率仍然较高,并且采用的线圈结构复杂,生产成本和运输成本仍然较高。
此外,现有的牵引变压器在检测故障风险范畴缺乏结构简单的预警机制和处理机制。无法有效应对实际工况中由于三相点不平衡引起的变压器温度过高所产生的其他问题。
发明内容
针对当前高铁牵引变压器的上述诸多不足，本发明提供了新的牵引变压器结构，能进一步改善高铁供电网络的对称运行，同时一并显著提高了系统的安全性和经济性。
本发明的技术方案如下：
一种交叉互补式高铁牵引变压器，其包括一个平面三柱铁芯以及相角均为120度的三个一次线圈A1、B1、C1；其中，该平面三柱铁芯包括三个芯柱，即第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱，第二芯柱位于第一芯柱和第三芯柱之间；该平面三柱铁芯的三个一次线圈A1、B1、C1两两连接后接入供电网络的A、B、C三相，且三个一次线圈A1、B1、C1的匝数均相同；其特征在于：
该交叉互补式高铁牵引变压器还仅包括六个二次线圈a1、a2、a3、c1、c2和c3；其中，每个芯柱上均安装一个一次线圈和两个二次线圈，具体而言，二次线圈a1、c3和一次线圈A1均缠绕在第一芯柱上，二次线圈a2、c2和一次线圈B1均缠绕在第二芯柱上，二次线圈c1、a3和一次线圈C1均缠绕在第三芯柱上；其中，三个二次线圈a1、a2和a3串联成为a相，三个二次线圈c1、c2及c3串联成为c相，该a、c两相的输出分别为上、下行机车供电；a1和c1的起头引出分别对应做为次级a相和c相负载的一个电源输入端，a3和c3的尾头连接在一起引出作为a相和c相负载的电源公共输入端并接地；其中一次线圈A1、B1和C1均为左绕向，二次线圈a2、a3、c2及c3均为右绕向，二次线圈a1及c1均为左绕向；并且，对于上述每个芯柱上的一次线圈A1/B1/C1的匝数，以及二次线圈中每个线圈的匝数而言，均满足以下关系：
每个一次线圈A1/B1/C1的匝数：二次侧每相线圈的总匝数＝100：152.5；以及，
在二次侧，每个左绕向线圈a1、c1的匝数，第二芯柱上的每个右绕向线圈a2、c2的匝数，以及第一/三芯柱上的每个右绕向线圈c3、a3匝数之比依次为41：70.5：41；
以此，来使得一、二次侧相电压相等并改善供电网络的对称性；并且，
该交叉互补式高铁牵引变压器还具有温度检测模块，用于检测变压器内的油温和/或线圈温度，并将温度数据发送给远程控制台，进而根据变压器的温度状况自动调整该区间内某一相的负载情况，从而进一步改善供电网络的对称性；
其中，温度检测模块具有自发电单元，该自发电单元利用该变压器工作时周围产生的磁场变化而产生电力。
其中，该温度检测模块通过无线方式，将监测到的温度数据发送给远程控制台。
其中，该交叉互补式高铁牵引变压器的二次侧电压在使用中的不平衡率不超过4％。相比现有技术(例如CN106229124A)的二次侧相电压不平衡率(5.6％)大大降低(降低28％以上)。
本发明至少具有以下优点：
1、采用本发明所述的结构(仅有六个二次线圈、相应绕向及相应连接方式)，有机结合一次和二次端1：1的变压比，既使二次侧节省了大量线圈，节约了生产、装配、运输成本，同时改善了供电网络的对称运行，显著提高了系统的安全性和经济性，平衡率得到大的提高(提高28％以上)；
2、不同于现有的传感器供电方式，根据本申请所涉及的领域的特殊性，创造性地利用变压器周围变化的磁场来为温度传感器产生电力。这种方式更加方便和节能，申请人认为，在变压器领域利用变压器周围变化的磁场来产生电力来为传感器供电并非本领域的现有技术和/或公知常识。
3、提供了进一步改善不平衡率的手段——根据变压器的温度状况来调整负载的手段。具体例如，调整某一相的负载电阻。来克服现有技术中无法及时快速地做出针对性响应的问题。
附图说明
图1为本发明交叉互补式高铁牵引变压器器身的结构简图；
图2：交叉互补式高铁牵引变压器联结原理图。
具体实施方式
如图1，本发明的交叉互补式高铁牵引变压器的器身是由一个平面三柱铁芯、三角形(D)连接的输入侧一次绕组、交叉连接的输出侧二次绕组构成。
三个左绕向一次侧线圈分别安装于A、B、C三相芯柱上，三个线圈首尾依次相连，接成与普通变压器相同的三角形(D)一次绕组，将三个线圈的起头引出接入A、B、C三相电源。六个二次侧线圈分别安装于铁芯的A、B、C三相芯柱上，具体的排列详见附图1，连接方式为：a1的尾连接a2的头、a2的尾连接a3的头、c1的尾连接c2的头、c2的尾连接c3的头。左绕向线圈a1、c1的起头引出分别作为二次侧a相和c相负载的一个电源输入端，右绕向线圈a3、c3的尾头连接在一起引出作为二次侧a相和c相负载的电源公共输入端并接地，形成本发明特殊交叉连接的二次输出绕组。
本发明的交叉互补式高铁牵引变压器特别适用于各种电压等级和容量的高铁牵引供电系统。尤其是在一次三相输入电压不平衡的情况下更突显其能平衡二次输出电压的优势。
经实践检验本发明的交叉互补式高铁牵引变压器的平衡效果如下。经测试，当一次侧三相输入电压平衡且为100V(假设值)时，二次侧a相和c相电压均为100V(即，变压器两侧电压比为1：1)，当二次侧负荷均衡且电流均为100A(假设值)时，一次侧的线电流分别为：IAl＝116.46A、IBl＝115.21A、ICl＝115.21A,且相角均为120度，平衡率接近100％(理论上可达100％)。当一次侧三相输入电压不平衡(假设UA＝100V，UB＝100V，UC＝80V)且不平衡率为(100-80)/100＝20％(假设值)时，二次侧a相和c相电压分别为99.1V和96.1V，二次侧电压不平衡率为(99.1V-96.1V)/99.1V＝3.0％,足见电压平衡效果相当显著(特别是相对于现有技术CN106229124A所述结构的电压平衡效果大大提高)。优选地，二次侧电压不平衡率为小于4％。
设一次侧线圈为100匝，则二次侧每相线圈总匝数为152.5匝，其中2个左绕向线圈分别标为a1、c1，为41匝，4个右绕向线圈分别标为a2、c2，为70.5匝，a3、c3为41匝。6个线圈分相套在铁芯的A、B、C三相芯柱上，其中A相芯柱安装a1和c3，B相芯柱安装a2和c2，C相芯柱安装c1和a3，各绕组作如附图1及附图2所示的交叉连接。左绕向线圈a1、c1的起头引出分别作为a相和c相负载的一个电源输入端，右绕向线圈a3、c3的尾头连接在一起引出作为二次侧a相和c相负载的电源公共输入端并接地，形成完整的二次侧两相绕组。
本发明广泛适用于各种电压等级和容量的高铁牵引供电系统，甚至在电网三相输入不平衡的情况下更突显出机车仍可获得稳定输出电压的优势，而这一点迄今为止现有各型机车牵引变压器是难以实现的。
本发明的其它结构与普通三相电力变压器完全相同，无需赘述。
以上所述，仅为本发明较佳具体实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种交叉互补式高铁牵引变压器，其包括一个平面三柱铁芯以及相角均为120度的三个一次线圈A1、B1、C1；其中，该平面三柱铁芯包括三个芯柱，即第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱，第二芯柱位于第一芯柱和第三芯柱之间；该平面三柱铁芯的三个一次线圈A1、B1、C1两两连接后接入供电网络的A、B、C三相，且三个一次线圈A1、B1、C1的匝数均相同；其特征在于：
该交叉互补式高铁牵引变压器还仅包括六个二次线圈a1、a2、a3、c1、c2和c3；其中，每个芯柱上均安装一个一次线圈和两个二次线圈，具体而言，二次线圈a1、c3和一次线圈A1均缠绕在第一芯柱上，二次线圈a2、c2和一次线圈B1均缠绕在第二芯柱上，二次线圈c1、a3和一次线圈C1均缠绕在第三芯柱上；其中，三个二次线圈a1、a2和a3串联成为a相，三个二次线圈c1、c2及c3串联成为c相，该a、c两相的输出分别为上、下行机车供电；a1和c1的起头引出分别对应做为次级a相和c相负载的一个电源输入端，a3和c3的尾头连接在一起引出作为a相和c相负载的电源公共输入端并接地；其中一次线圈A1、B1和C1均为左绕向，二次线圈a2、a3、c2及c3均为右绕向，二次线圈a1及c1均为左绕向；并且，对于上述每个芯柱上的一次线圈A1/B1/C1的匝数，以及二次线圈中每个线圈的匝数而言，均满足以下关系：
每个一次线圈A1/B1/C1的匝数：二次侧每相线圈的总匝数＝100：152.5；以及，
在二次侧，每个左绕向线圈a1、c1的匝数，第二芯柱上的每个右绕向线圈a2、c2的匝数，以及第一/三芯柱上的每个右绕向线圈c3、a3匝数之比依次为41：70.5：41；
以此，来使得一、二次侧相电压相等并改善供电网络的对称性；并且，
该交叉互补式高铁牵引变压器还具有温度检测模块，用于检测变压器内的油温和/或线圈温度，并将温度数据发送给远程控制台，进而根据变压器的温度状况自动调整该区间内某一相的负载情况，从而进一步改善供电网络的对称性；
其中，温度检测模块具有自发电单元，该自发电单元利用该变压器工作时周围产生的磁场变化而产生电力。
2.根据权利要求1所述的交叉互补式高铁牵引变压器，其特征在于，该温度检测模块通过无线方式，将监测到的温度数据发送给远程控制台。
3.根据权利要求1所述的交叉互补式高铁牵引变压器，该交叉互补式高铁牵引变压器的二次侧电压在使用中的不平衡率不超过4％。
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