CN113852070A - 一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统 - Google Patents

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Abstract

一种交流电气化轨道交通工程牵引及电力混合供电系统，以实现共用110kV或220kV高压侧电源，同时输出单相27.5kV牵引电源和35kV或20kV或10kV三相电源，分别作为牵引供电以及沿线电力负荷的供电电源。两个相邻的变电所分别从地方电网引入变电所110kV或220kV的输入电源，其三相线路分别接入三相牵引及电力混合型变压器高压侧的牵引绕组与电力绕组，通过其低压侧绕组输出27.5kV单相牵引电源与25kV牵引供电网相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力电源与变比为1:1的三相隔离变压器原变相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源与35kV/20kV/10kV三相电力配电网相连，同时给三相电力配电网提供中性点；两个相邻变电所连接的牵引供电网之间设置牵引网电分相，两个相邻变电所连接的三相电力配电网之间设置三相电力配电网分断联络开关。

Description

一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统
技术领域
本发明涉及轨道交通工程，特别涉及一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统，在同一牵引变电所内主要通过一种牵引及电力混合变压器的整合及隔离变压器的配合应用，同时实现轨道交通工程牵引和电力供电的系统。
背景技术
目前，部分城市的轨道交通工程采用了与电气化铁路一致的单相交流25kV的供电方式，为机车车辆供电。因此需设置专用变电所，引入地方的110kV或220kV电源，转换后为轨道交通工程分别提供牵引供电及电力供电电源。由于这类变电所的电压等级高，变压器的容量及占地面积均较大，市域范围内场地的规划选址困难，同时外部110kV或者220kV电源点的获取也极为困难，代价较高，因此大部分情况下将该牵引变压器及电力变压器均整合在同一个变电所内，共用同一个输入的110kV或者220kV电源。
在牵引变电所内设置独立的牵引变压器，将外部输入的三相110kV或220kV电源转换为单相交流25kV电源给机车车辆提供牵引供电；同时独立设置电力变压器，将外部输入的三相110kV或220kV电源转换为三相35kV或20kV或10kV，给沿线的电力负荷提供电力电源。同时为满足电力配电系统的相关保护功能，给三相35kV或20kV或10kV电力配电系统提供一个接地中性点，需同时配套设置接地变或相关中心点接地设施。高电压等级的牵引及电力变压器各自独立设置，导致设备数量、占地面积及工程造价均大幅提升。
由于交流牵引供电采用单相电源，为降低单相牵引负荷供电对电力系统的三相供电系统不平衡影响，牵引网侧均需采用换相供电的模式。其实现方案一般有以下两种：
方案一：在牵引变电所采用V-V接线的牵引变压器实现从三相电力系统电源至二相牵引供电电源的转换，为实现对电力系统负荷的三相均衡，该方案需要在牵引变电所附近及牵引变电所之间实现牵引网的换相供电，这样造成牵引网每隔约20km左右就需设置一个电分相。
方案二：在地方电网有条件的情况下，牵引变电所也可直接采用单相牵引变压器，实现三相电源系统至单相供电系统的转换。该方案在牵引变电所附近不再需要牵引网的换相供电，仅需要在相邻牵引变电所之间实现换相供电，同方案一相比，牵引网上可减少约一半的电分相。
特别对于城市轨道交通工程，其行车速度相对不是太高，而方案一会导致牵引网上有较多的电分相，这些电分相对城市轨道交通工程的高密度行车运营造成明显的不利影响；方案二尽管可以大幅减少牵引网电分相的数量，但相对方案一会对电网带来更为严重的三相供电系统不平衡影响，其落地实施的难度会比较大。
由于电分相设置的具体位置对于工程的要求较高，实施的难度及对行车效率等方面的影响均较大，在类似供电的电气化轨道交通线路中，如何减少牵引网的电分相设置，同时尽可能的减少单相牵引负荷对电力系统三相供电系统的不平衡影响，已日益成为一个课题。
发明内容
本发明提出一种交流电气化轨道交通工程牵引及电力混合供电系统，通过采用一种三相牵引及电力混合型变压器，实现共用110kV或220kV高压侧电源，同时输出单相27.5kV牵引电源和35kV或20kV或10kV三相电源，分别作为牵引供电以及沿线电力负荷的供电电源。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
本发明的一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统，其特征是：两个相邻的变电所分别从地方电网引入变电所110kV或220kV的输入电源，其三相线路分别接入三相牵引及电力混合型变压器高压侧的牵引绕组与电力绕组，通过其低压侧绕组输出27.5kV单相牵引电源与25kV牵引供电网相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力电源与变比为1:1的三相隔离变压器原变相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源与35kV/20kV/10kV三相电力配电网相连，同时给三相电力配电网提供中性点；两个相邻变电所连接的牵引供电网之间设置牵引网电分相，两个相邻变电所连接的三相电力配电网之间设置三相电力配电网分断联络开关；在两个相邻变电所之间正常情况下各自独立供电，当任意一个变电所出现故障退出的情况下，闭合三相电力配电网分断联络开关，短接牵引网电分相，实现故障情况下的相互支援供电。
所述三相牵引及电力混合型变压器采用三角形绕组/单相绕组/V形绕组构成三绕组变压器。牵引及电力共用高压侧三角形绕组与电力系统输入的三相交流电源相连，牵引低压侧单相绕组输出27.5kV单相电源与牵引供电网连接，构成完整的牵引供电系统；电力低压侧两相V形绕组输出三相35kV/20kV/10kV电源，该三相电源与电力配电系统的三相隔离变压器的输入端连接，通过三相隔离变压器的输出端输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源，构成完整的中压供电系统。
或者，所述三相牵引及电力混合型变压器采用单相绕组/单相绕组和V形绕组/V形绕组接线构成四绕组变压器。其牵引高压侧单相绕组与牵引低压侧单相绕组构成牵引侧绕组；电力高压侧V形绕组、电力低压侧V形绕组构成电力侧绕组；牵引高压侧单相绕组与电力高压侧V形绕组通过高压侧外部接线进行相间连接，共同构成牵引及电力混合型变压器的高压侧绕组，与电力系统输入的三相交流电源相连；牵引低压侧单相绕组输出27.5kV单相电源牵引供电网连接，构成完整的牵引供电系统；电力低压侧两相V形绕组输出三相35kV/20kV/10kV电源，该三相电源与电力配电系统的三相隔离变压器的输入端连接，通过三相隔离变压器的输出端输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源，构成完整的中压供电系统。
本发明的有益效果主要体现在如下方面：
一、牵引负荷直接采用单相供电，可减少各牵引变电所馈出线上网侧的首端电分相(比例约为50％)；若地方电力系统的运行方式允许牵引侧双边供电，则可以进一步实现全线牵引供电均采用同一相供电，即消除线路牵引网上的所有电分相，这更有利于列车的安全、可靠、平稳运行，从而降低由于频繁过分相时列车主断路器切换及引起的过电压危害，特别是可大幅减少线路上特别是上坡列车的速度损失，更有利于提高线路运输效率；
二、高压侧的单相牵引绕组与两相电力绕组，分别接在三相输入电源的不同相线路上，综合利用轨道交通工程的牵引负荷与电力负荷实现相互平衡，使得变电所高压侧的三相负荷得到一定程度的平衡。经计算当电力/牵引负荷比大于60％时，高压侧注入电力三相系统的负序电流将等于或优于目前广泛采用的V/V牵引变压器两相负荷相等时的三相不平衡性能。目前较多城市轨道交通或市域铁路的电力/牵引负荷比均可达到60％及以上，且由于电力负荷波动性远小于牵引负荷，因此本方案具有较好的适应性；
三、通过将变电所中的高压牵引变压器和高压电力变压器整合为一体，大幅减少该类大型高压变压器的设置数量及相关配套设施的设置数量。一方面最大程度的实现了铁心、外壳、支撑、绝缘、散热器等设施和材料的共用，节约了工程成本及后期的维护工作量；另一方面，由于大型高压变压器数量减少，与变压器连接的高压开关等设备的数量也相应减少，同时简化控制、保护设备，大幅节省设备所需空间及相关的配套设施，降低工程规模和投资，可节约宝贵的城市土地资源；
四、该混合供电系统方案对应混合变压器牵引供电部分的运行方式可采用一主一备，也可采用并联运行，若采用并联运行，可有效降低每台混合变压器中牵引需求部分的安装容量，节省材料损耗。
五、电力配电系统单独设置的低电压等级隔离变压器，不仅可有效保证电力配电系统的三相供电，也实现牵引供电与电力供电之间的隔离，同时该隔离变压器可替代原电力配电系统的接地变压器，为电力配电系统提供中性点，有利于中压电力配电网络的保护和安全运行。
附图说明
本说明书包括以下五幅附图：
图1是现有交流电气化轨道交通工程用牵引及电力供电系统示意图；
图2是本发明一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统的示意图，图中：变电所输入电源R1、R2，牵引变电所S1、S2，三相牵引及电力混合型变压器T1，配电隔离变压器T2，牵引网W1，三相电力配电网W2，牵引网电分相F1，三相电力配电网分断联络开关F2；
图3是本发明所涉及的三相牵引及电力混合变压器T1的一种绕组接线方式(实施例1)，图中：三相牵引及电力混合型变压器T1，高压侧三角形绕组11，牵引低压侧单相绕组12，电力低压侧两相V形绕组13；
图4是本发明所涉及的三相牵引及电力混合变压器T1的另一种绕组接线方式(实施例2)，图中：三相牵引及电力混合型变压器T1，牵引高压侧单相绕组21，牵引低压侧单相绕组22，电力高压侧V形绕组31，电力低压侧V形绕组32，高压侧外部接线10。
图5是本发明所涉及的电力配电系统三相隔离变压器T2的接线方式，图中：三相隔离变压器T2；高压侧三角形绕组41，低压侧星形绕组42，低压侧中性点40。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
参照图2，本发明的一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统，两个相邻的变电所(S1、S2)分别从地方电网引入变电所110kV或220kV的输入电源(R1、R2)，其三相线路分别接入三相牵引及电力混合型变压器T1高压侧的牵引绕组与电力绕组，通过其低压侧绕组输出27.5kV单相牵引电源与25kV牵引供电网W1相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力电源与变比为1:1的三相隔离变压器T2原变相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源与35kV/20kV/10kV三相电力配电网W2相连，同时给三相电力配电网W2提供中性点。两个相邻变电所连接的牵引供电网W1之间设置牵引网电分相F1，两个相邻变电所连接的三相电力配电网W2之间设置三相电力配电网分断联络开关F2。在两个相邻变电所之间正常情况下各自独立供电，当任意一个变电所出现故障退出的情况下，闭合三相电力配电网分断联络开关F2，短接牵引网电分相F1，实现故障情况下的相互支援供电。
参照图3，所述三相牵引及电力混合型变压器T1方案一：采用三角形绕组/单相绕组/V形绕组构成三绕组变压器，牵引及电力共用高压侧三角形绕组11与电力系统输入的三相交流电源(R1或R2)相连，牵引低压侧单相绕组12输出27.5kV单相电源与牵引供电网W1连接，构成完整的牵引供电系统；电力低压侧两相V形绕组13输出三相35kV/20kV/10kV电源，该三相电源与电力配电系统的三相隔离变压器T2的输入端连接，通过三相隔离变压器T2的输出端输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源，构成完整的中压供电系统。
参照图4，所述三相牵引及电力混合型变压器T1方案二：也可采用单相绕组/单相绕组和V形绕组/V形绕组接线构成的四绕组变压器，其牵引高压侧单相绕组21与牵引低压侧单相绕组22构成牵引侧绕组；电力高压侧V形绕组31、电力低压侧V形绕组32构成电力侧绕组。牵引高压侧单相绕组21与电力高压侧V形绕组31通过高压侧外部接线10进行相间连接，共同构成牵引及电力混合型变压器T1的高压侧绕组，与电力系统输入的三相交流电源(R1或R2)相连。牵引低压侧单相绕组22输出27.5kV单相电源牵引供电网W1连接，构成完整的牵引供电系统。电力低压侧两相V形绕组32输出三相35kV/20kV/10kV电源，该三相电源与电力配电系统的三相隔离变压器T2的输入端连接，通过三相隔离变压器T2的输出端输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源，构成完整的中压供电系统。
参照图5，所述三相隔离变压器T2高压侧三角形绕组41与低压侧星形绕组42采用1:1的变比，输入三相35kV/20kV/10kV电源，输出35kV/20kV/10kV三相电力配电电源，同时通过该变压器低压侧中性点40给整个电力配电系统提供系统接地用中性点。
所述三相牵引及电力混合型变压器T1的牵引和电力配电绕组容量，以及其绕组变比可根据实际工程需要配置，以提高变压器容量利用率。
本发明通过变电所内牵引变压器和电力变压器的整合应用，实现一种交流电气化轨道交通工程交流25kV牵引负荷和电压等级为35kV或20kV或10kV的常规三相电力负荷的混合供电。对应牵引供电可减少或取消牵引网上的电分相实现同相供电，同时能为整个电力配电系统提供系统接地用中性点。
以上所述只是用图解说明本发明一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，因此，凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (4)

1.一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统，其特征是：两个相邻的变电所分别从地方电网引入变电所110kV或220kV的输入电源，其三相线路分别接入三相牵引及电力混合型变压器(T1)高压侧的牵引绕组与电力绕组，通过其低压侧绕组输出27.5kV单相牵引电源与25kV牵引供电网(W1)相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力电源与变比为1:1的三相隔离变压器(T2)原变相连，输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源与35kV/20kV/10kV三相电力配电网(W2)相连，同时给三相电力配电网(W2)提供中性点；两个相邻变电所连接的牵引供电网(W1)之间设置牵引网电分相(F1)，两个相邻变电所连接的三相电力配电网(W2)之间设置三相电力配电网分断联络开关(F2)；在两个相邻变电所之间正常情况下各自独立供电，当任意一个变电所出现故障退出的情况下，闭合三相电力配电网分断联络开关(F2)，短接牵引网电分相(F1)，实现故障情况下的相互支援供电。
2.如权利要求1所述一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统，其特征是：所述三相牵引及电力混合型变压器(T1)采用方案一：三角形绕组/单相绕组/V形绕组构成三绕组变压器。牵引及电力共用高压侧三角形绕组(11)与电力系统输入的三相交流电源相连，牵引低压侧单相绕组(12)输出27.5kV单相电源与牵引供电网(W1)连接，构成完整的牵引供电系统；电力低压侧两相V形绕组(13)输出三相35kV/20kV/10kV电源，该三相电源与电力配电系统的三相隔离变压器(T2)的输入端连接，通过三相隔离变压器(T2)的输出端输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源，构成完整的中压供电系统。
3.如权利要求1所述一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统，其特征是：所述三相牵引及电力混合型变压器(T1)采用方案二：单相绕组/单相绕组和V形绕组/V形绕组接线构成四绕组变压器。其牵引高压侧单相绕组(21)与牵引低压侧单相绕组(22)构成牵引侧绕组；电力高压侧V形绕组(31)、电力低压侧V形绕组(32)构成电力侧绕组；牵引高压侧单相绕组(21)与电力高压侧V形绕组(31)通过高压侧外部接线(10)进行相间连接，共同构成牵引及电力混合型变压器(T1)的高压侧绕组，与电力系统输入的三相交流电源相连；牵引低压侧单相绕组(22)输出27.5kV单相电源牵引供电网(W1)连接，构成完整的牵引供电系统；电力低压侧两相V形绕组(32)输出三相35kV/20kV/10kV电源，该三相电源与电力配电系统的三相隔离变压器(T2)的输入端连接，通过三相隔离变压器(T2)的输出端输出三相35kV/20kV/10kV电力配电电源，构成完整的中压供电系统。
4.如权利要求2或3所述一种交流电气化轨道交通工程用牵引及电力混合供电系统，其特征是：所述三相隔离变压器(T2)高压侧三角形绕组(41)与低压侧星形绕组(42)采用1:1的变比，输入三相35kV/20kV/10kV电源，输出35kV/20kV/10kV三相电力配电电源，同时通过该变压器低压侧中性点(40)给电力配电系统提供系统接地用中性点。
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