CN108859872A - 一种虚拟贯通交流牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟贯通交流牵引供电系统，包括若干个变电所以及位于每两个变电所之间的分区所；变电所包括若干个同相供电装置、左供电臂、供电中性段和右供电臂；同相供电装置的输入端连接供电电网，输出端连接牵引电网母线，同相供电装置用于将供电电网内的三相交流电转换为特定电压的单相交流电输送至牵引电网母线；左供电臂和供电中性段之间，以及供电中性段和右供电臂之间分别通过平行线断开，且左供电臂、供电中性段和右供电臂分别连接牵引电网母线。本发明能够使得全线路的各个变电所区间内分别各自存在同相的电压，避免异相供电导致的列车拉弧现象出现，安全性高，列车的运行性能更好。

Description

一种虚拟贯通交流牵引供电系统

技术领域

本发明涉及铁路供电技术领域，特别是涉及一种虚拟贯通交流牵引供电系统。

背景技术

目前世界上电气化铁路绝大部分采用交流供电系统，为了负荷平衡及消除负序分量，通常采用分段轮换相序的供电方式，即异相供电方式，这就导致牵引供电网上必然存在电分相，参见图1所示，图1为目前异相牵引供电系统的结构示意图；。

其中，电力系统提供110kV/220kV的高压电源，其容量一般较大，可以承受较大的短路电流和谐波电流。牵引变压器完成三相高压交流到次边两相低压的转化，由于次边的非三相对称(图中为α、β两相)，导致牵引变压器的原边电流三相不对称，或者说负序电流的存在。变压器次边利用馈线将25kV电压连接到牵引网当中，再经牵引网导线、受电弓接入列车，并经钢轨和回流线构成一个完整的回路。

异相供电指的是两相邻供电臂的电压幅值和相位各不相同，例如图1中α1、β1、α2、β2四个供电臂，彼此相邻段电压一般不同，因此导致两个供电臂之间必须采用电分相或者说无电区来进行电气隔离。电分相的存在，不仅影响了列车舒适度和速度，更有可能使得列车调入无电的电分相区间，或者导致拉弧，严重情况下甚至烧损牵引网，严重影响系统安全可靠性。

因此，如何提供一种同相供电的虚拟贯通交流牵引供电系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟贯通交流牵引供电系统，能够使得全线路的各个变电所区间内分别各自存在同相的电压，避免异相供电导致的列车拉弧现象出现，安全性高，列车的运行性能更好。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种虚拟贯通交流牵引供电系统，包括若干个变电所以及位于每两个变电所之间的分区所；

所述变电所包括若干个同相供电装置、左供电臂、供电中性段和右供电臂；

所述同相供电装置的输入端连接供电电网，输出端连接牵引电网母线，所述同相供电装置用于将所述供电电网内的三相交流电转换为特定电压的单相交流电输送至所述牵引电网母线；

所述左供电臂和所述供电中性段之间，以及所述供电中性段和所述右供电臂之间分别通过平行线断开，且所述左供电臂、所述供电中性段和所述右供电臂分别连接所述牵引电网母线。

优选地，所述分区所包括分相区供电装置、分区所左供电臂、分区所中性段和分区所右供电臂；其中，所述分区所左供电臂和所述分区所中性段之间，以及所述分区所中性段和所述分区所右供电臂之间分别通过平行线断开；所述分区所左供电臂和所述分区所右供电臂分别与自身相邻的变电所的供电臂连接；

所述分相区供电装置包括两个电力电子开关，每个所述电力电子开关并联由一个断路器，第一电力电子开关的第一端连接所述分区所左供电臂，所述第一电力电子开关的第二端分别连接所述分区所中性段以及第二电力电子开关的第一端，所述第二电力电子开关的第二端连接所述分区所右供电臂；

且所述第一电力电子开关与所述分区所左供电臂、所述分区所中性段之间以及所述第二电力电子开关与所述分区所右供电臂之间均设置分段开关。

优选地，所述同相供电装置具体包括：

牵引变压器，用于将所述供电电网的三相交流电转换为两路单相交流电；所述牵引变压器的第一路单相输出端包括直接连接所述牵引电网母线的接线端以及接地端，第二路单相输出端连接同相供电变流器；

所述同相供电变流器包括若干个内部变压器以及若干个内部变流器；每个所述内部变压器的输入端分别连接所述第二路单相输出端；

所述内部变压器包括多组变压绕组，其中，第一组变压绕组的正负输出端分别连接所述牵引电网母线以及接地端，第i组变压绕组的输出端分别与其余内部变压器内的第i组变压绕组的输出端并接后与第i个所述内部变流器的输入端连接；所述内部变流器的正负输出端分别连接所述牵引电网母线以及接地端；2≤i≤N，N为所述变压绕组的个数。

优选地，所述内部变压器中第一组变压绕组具体通过分段开关连接所述牵引电网母线；所述变压绕组与所述内部变流器的输入端之间，以及所述内部变流器的正输出端与所述牵引电网母线之间具体通过分段开关连接。

优选地，所述同相供电装置具体包括：

三相变压器，所述三相变压器的高压侧连接所述供电电网，低压侧连接三相变单相交流器的输入端；

所述三相变单相交流器的输出端连接所述牵引电网母线；所述三相变单相交流器用于将所述三相变压器输出的三相电流转换为单相电流。

优选地，所述左供电臂、所述供电中性段和所述右供电臂分别通过分段开关连接所述牵引电网母线。

优选地，所述左供电臂和所述供电中性段之间，以及所述供电中性段和所述右供电臂之间分别通过锚段关节式分相断开。

本发明提供了一种虚拟贯通交流牵引供电系统，系统中的每个变电所内包括若干个同相供电装置，该同相供电装置将供电电网内的交流电进行处理后输送给牵引电网母线，左供电臂、供电中性段和右供电臂分别连接牵引电网母线，从牵引电网母线里获取交流电并通过受电弓为列车供电。由于左供电臂、供电中性段和右供电臂均是从同一母线获取电能，因此同一变电所内的各个供电臂之间为同相电压，即使得全线路的各个变电所区间内分别各自存在同相的电压，避免了异相供电导致的列车拉弧现象出现，安全性高，列车的运行性能更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为目前异相牵引供电系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种虚拟贯通交流牵引供电系统的结构示意图；

图3为本发明提供的一种虚拟贯通交流牵引供电系统中同相供电变流器的结构示意图；

图4为本发明提供的一种虚拟贯通交流牵引供电系统中分区所的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种虚拟贯通交流牵引供电系统，能够使得全线路的各个变电所区间内分别各自存在同相的电压，避免异相供电导致的列车拉弧现象出现，安全性高，列车的运行性能更好。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种虚拟贯通交流牵引供电系统，包括若干个变电所以及位于每两个变电所之间的分区所；

变电所包括若干个同相供电装置、左供电臂、供电中性段和右供电臂；

同相供电装置的输入端连接供电电网，输出端连接牵引电网母线，同相供电装置用于将供电电网内的三相交流电转换为特定电压的单相交流电输送至牵引电网母线；

左供电臂和供电中性段之间，以及供电中性段和右供电臂之间分别通过平行线断开，且左供电臂、供电中性段和右供电臂分别连接牵引电网母线。

可以理解的是，本发明的各个变电所之间的同相供电装置通过分区所相互独立，不存在并联关系，故无需考虑各同相供电装置变流器之间并联的潮流控制，使得系统的控制简单，可靠性、稳定性强。并且，由于左供电臂和供电中性段之间，以及供电中性段和右供电臂之间分别通过平行线断开，故各供电臂之间相互独立，可以有效避免不同供电臂之间的相互影响，当供电线路某个节点出现异常，不会影响到整个供电线路，提升了系统的可用性和可维护性。同时，本发明对现有供电网络的物理结构及系统拓扑改变较小，因而易于实现，成本较低。

另外，左供电臂和供电中性段之间，以及供电中性段和右供电臂之间分别通过锚段关节式分相断开。

可以理解的是，由于供电臂与供电中性段之间采用锚段关节式分相，列车从左供电臂到中性区到右供电臂，或从右供电臂到中性区到左供电臂，其受电弓能一直接触到高压电，实现列车电气系统不断电通过变电所的分相区。从物理意义上，中性段与供电臂并没有直接相连，但其电气方面是完全同相供电的。

在具体实施例中，参见图2和图3所示，图2为本发明提供的一种虚拟贯通交流牵引供电系统的结构示意图；图3为本发明提供的一种虚拟贯通交流牵引供电系统中同相供电变流器的结构示意图；同相供电装置具体包括：

牵引变压器，用于将供电电网的三相交流电转换为两路单相交流电；牵引变压器的第一路单相输出端包括直接连接牵引电网母线的接线端以及接地端，第二路单相输出端连接同相供电变流器；

同相供电变流器包括若干个内部变压器以及若干个内部变流器；每个内部变压器的输入端分别连接第二路单相输出端；

内部变压器包括多组变压绕组，其中，第一组变压绕组的正负输出端分别连接牵引电网母线以及接地端，第i组变压绕组的输出端分别与其余内部变压器内的第i组变压绕组的输出端并接后与第i个内部变流器的输入端连接；内部变流器的正负输出端分别连接牵引电网母线以及接地端；2≤i≤N，N为变压绕组的个数。

可以理解的是，变压器不能够直接实现三相变单相的目的，因此需要将三相转换为两路单相来实现。并且，内部变压器内除第一组变压绕组外，其余变压绕组的功能是相同的，这部分绕组具体设置的个数可根据实际情况而定。并且，同相供电变流器内设置多个内部变压器的目的是出于冗余设计考虑，具体设计的个数可根据实际需要而定。

进一步可知，内部变压器中第一组变压绕组具体通过分段开关连接牵引电网母线；变压绕组与内部变流器的输入端之间，以及内部变流器的正输出端与牵引电网母线之间具体通过分段开关连接。

需要注意的是，各个变压绕组独立通过分段开关连接牵引电网母线，能够使得变压绕组之间彼此独立，一旦有变压绕组出现故障，可通过断开开关切断故障绕组的连接，同时当有内部变流器故障时，也可以通过切换开关，断开故障变流器，选择正常的变流器接入，提高系统的可靠性。

在另一实施例中，同相供电装置具体包括：

三相变压器，三相变压器的高压侧连接供电电网，低压侧连接三相变单相交流器的输入端；

三相变单相交流器的输出端连接牵引电网母线；三相变单相交流器用于将三相变压器输出的三相电流转换为单相电流。

可以理解的是，三相变单相交流器的工作过程可以具体为先将三相交流电整流为直流电，然后在将直流电逆变为单相交流电，该过程中还可根据需要同时进行降压的操作。当然，以上仅为一种具体实现方式，三相变单相交流器可以选择IGBT、IGCT、IPM或碳化硅等不同半导体器件，其拓扑可采用两电平、三电平、H桥级联、链式、MMC等多种型式，三相变单相交流器可以有滤波器，也可不采用滤波器，即本发明不限定三相变单相交流器的具体结构。

另外，通过上述同相供电装置可以实现馈线的无功补偿及低次谐波的治理，从而实现变压器电能质量的综合治理。

具体的，左供电臂、供电中性段和右供电臂分别通过分段开关连接牵引电网母线。

可以理解的是，通过设置分段开关，可实现供电臂的分段保护和检修，提高系统的可维护性。一旦有供电臂出现故障，可将该段供电臂与牵引电网母线间的分段开关断开即可，当供电中性段断开时，系统采用分相模式即可正常通过分相区。

在优选实施例中，参见图4所示，图4为本发明提供的一种虚拟贯通交流牵引供电系统中分区所的结构示意图。分区所包括分相区供电装置、分区所左供电臂、分区所中性段和分区所右供电臂；其中，分区所左供电臂和分区所中性段之间，以及分区所中性段和分区所右供电臂之间分别通过平行线断开；分区所左供电臂和分区所右供电臂分别与自身相邻的变电所的供电臂连接；

分相区供电装置包括两个电力电子开关，每个电力电子开关并联由一个断路器，第一电力电子开关的第一端连接分区所左供电臂，第一电力电子开关的第二端分别连接分区所中性段以及第二电力电子开关的第一端，第二电力电子开关的第二端连接分区所右供电臂；

且第一电力电子开关与分区所左供电臂、分区所中性段之间以及第二电力电子开关与分区所右供电臂之间均设置分段开关。

可以理解的是，由于分区所左供电臂和分区所右供电臂分别与自身相邻的变电所的供电臂连接，故分区所左供电臂和分区所右供电臂均间接连接牵引电网母线，列车在上述两段供电臂上运行时，可以直接获取电能，而分区所中性段本身不带电。因此，列车在分区所中性段运行时，需要通过与分区所左供电臂或分区所右供电臂连接，来获取电能。

例如，参见图4，假设列车从左至右行驶，初始列车与分区所左供电臂接触，分区所左供电臂供电，之后列车运行至分区所中性段后，第一电力电子开关导通，此时列车在中性段仍由分区所左供电臂供电，之后，在瞬间切断第一电力电子开关并导通第二电力电子开关，使得列车开始由分区所右供电臂供电，之后列车驶过分区所中性段。正常工作情况下，分区所的供电臂、中性段与电力电子开关间的分段开关均处于闭合状态。

由于不同变电所的供电臂的电压幅值和相位之间存在差别，导致列车不能直接供一个变电所过渡到另一个变电所，需要在变电所之间设置分区所，列车在分区所时处于断电状态，断电时间较长，给用户带来不好的行车体验，且列车的运行可靠性低，并且，本发明不仅使得分区所两侧的变电所处于物理隔离状态，且能够使得列车在通过分区所时实现供电平滑过渡的目的，而且本发明仅在开关切换的一瞬间断电，时间极短，体验好，可靠性高。

其中，电力电子开关可以采用晶闸管，当然，本发明对此不作具体限定。当某一电力电子开关组异常时，才使用与之并联的断路器(QF11、QF12、QF21、QF22)临时替代其功能。分区所的电力电子开关正常工作时，隔离开关(K11、K12、K13、K21、K22、K23)处于闭合状态，并联的断路器(QF11、QF12、QF21、QF22)处于断开状态，通过控制电力电子开关组实现中性区的供电切换。

当然，以上仅为一种具体的实现方式，分区所还可采用其他方式实现，本发明对此不作具体限定，

需要注意的是，一般列车运行为双向，因此左供电臂、供电中性段以及右供电臂均要设置为上下行线路，分相区供电装置、分区所左供电臂、分区所中性段和分区所右供电臂也需要设置为上下行线路，上行线路与下行线路完全一致，上行线路与下行线路可以分别连接牵引电网母线；另外，也可以分别设置上行牵引电网母线与下行牵引电网母线，上下行线路分别与对应的牵引电网母线连接，具体采用哪种方式本发明不作具体限定。

另外，牵引电网母线上的电压具体可以为25kV，当然，本发明对此不作具体限定。

本发明提供了一种虚拟贯通交流牵引供电系统，系统中的每个变电所内包括若干个同相供电装置，该同相供电装置将供电电网内的交流电进行处理后输送给牵引电网母线，左供电臂、供电中性段和右供电臂分别连接牵引电网母线，从牵引电网母线里获取交流电并通过受电弓为列车供电。由于左供电臂、供电中性段和右供电臂均是从同一母线获取电能，因此同一变电所内的各个供电臂之间为同相电压，即使得全线路的各个变电所区间内分别各自存在同相的电压，避免了异相供电导致的列车拉弧现象出现，安全性高，列车的运行性能更好。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种虚拟贯通交流牵引供电系统，其特征在于，包括若干个变电所以及位于每两个变电所之间的分区所；

所述变电所包括若干个同相供电装置、左供电臂、供电中性段和右供电臂；

所述同相供电装置的输入端连接供电电网，输出端连接牵引电网母线，所述同相供电装置用于将所述供电电网内的三相交流电转换为特定电压的单相交流电输送至所述牵引电网母线；

所述左供电臂和所述供电中性段之间，以及所述供电中性段和所述右供电臂之间分别通过平行线断开，且所述左供电臂、所述供电中性段和所述右供电臂分别连接所述牵引电网母线。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分区所包括分相区供电装置、分区所左供电臂、分区所中性段和分区所右供电臂；其中，所述分区所左供电臂和所述分区所中性段之间，以及所述分区所中性段和所述分区所右供电臂之间分别通过平行线断开；所述分区所左供电臂和所述分区所右供电臂分别与自身相邻的变电所的供电臂连接；

所述分相区供电装置包括两个电力电子开关，每个所述电力电子开关并联由一个断路器，第一电力电子开关的第一端连接所述分区所左供电臂，所述第一电力电子开关的第二端分别连接所述分区所中性段以及第二电力电子开关的第一端，所述第二电力电子开关的第二端连接所述分区所右供电臂；

且所述第一电力电子开关与所述分区所左供电臂、所述分区所中性段之间以及所述第二电力电子开关与所述分区所右供电臂之间均设置分段开关。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述同相供电装置具体包括：

牵引变压器，用于将所述供电电网的三相交流电转换为两路单相交流电；所述牵引变压器的第一路单相输出端包括直接连接所述牵引电网母线的接线端以及接地端，第二路单相输出端连接同相供电变流器；

所述同相供电变流器包括若干个内部变压器以及若干个内部变流器；每个所述内部变压器的输入端分别连接所述第二路单相输出端；

所述内部变压器包括多组变压绕组，其中，第一组变压绕组的正负输出端分别连接所述牵引电网母线以及接地端，第i组变压绕组的输出端分别与其余内部变压器内的第i组变压绕组的输出端并接后与第i个所述内部变流器的输入端连接；所述内部变流器的正负输出端分别连接所述牵引电网母线以及接地端；2≤i≤N，N为所述变压绕组的个数。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述内部变压器中第一组变压绕组具体通过分段开关连接所述牵引电网母线；所述变压绕组与所述内部变流器的输入端之间，以及所述内部变流器的正输出端与所述牵引电网母线之间具体通过分段开关连接。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述同相供电装置具体包括：

三相变压器，所述三相变压器的高压侧连接所述供电电网，低压侧连接三相变单相交流器的输入端；

所述三相变单相交流器的输出端连接所述牵引电网母线；所述三相变单相交流器用于将所述三相变压器输出的三相电流转换为单相电流。

6.根据权利要求3-5任一项所述的系统，其特征在于，所述左供电臂、所述供电中性段和所述右供电臂分别通过分段开关连接所述牵引电网母线。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述左供电臂和所述供电中性段之间，以及所述供电中性段和所述右供电臂之间分别通过锚段关节式分相断开。