CN1279839A - 供电系统 - Google Patents

Abstract

牵引系统的供电系统包括至少一个变压器例如自耦变压器或电流增强变压器和/或转动变流器。该变压器或转动变流器包括绕组,该绕组的绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层(32,34)和该半导体层之间的固体绝缘层(33)构成。

Description

供电系统

技术领域

本发明涉及牵引装置的供电系统，即向铁路机车、轻轨车、电车等交通工具提供电力的设施，该设施中至少包含一个电机，该电机具有由磁性铁芯和至少一个绕组构成的磁路。

背景技术

在电机中的磁路通常包括叠置的铁心，即由钢片作成的铁心，具有焊接结构。为进行通气或冷却，该铁心通常分隔成具有径向和／或轴向导管的通风道。对于较大电机，叠层片被冲压成可以固定在电机框架上的扇形片，该叠层铁心由压掌和压环固定在一起。磁路的绕组配置在铁心的槽口中，该槽口的横截面形状一般为长方形或梯形。

在多相电机中，绕组或者为单层绕组或者为双层绕组。对于单层绕组，每个槽口仅有一个线圈部分(coil side)，而对于双层绕组，则每个槽口有两个线圈部分。所谓线圈部分是指垂直或水平结合在一起的具有公用线圈绝缘层的一个或多个导线，该绝缘层被设计成可承受电机对地的额定电压。

双层绕组一般作成菱形绕组，而在本文的单层绕组作成菱形的或平的绕组。在菱形绕组中仅有一个(可能两个)线圈宽度，而平绕组被作成为同心绕组，即具有变化大的线圈宽度。所谓线圈宽度是指属于同一线圈的两个线圈部分之间的弧度尺寸。

所有大型电机通常具有双层绕组和同样尺寸的线圈。各个线圈的一部分配置在一层中，而另一部分配置在另一层中。这意味着所有线圈在线圈端部彼此交叉。如果超过两层，则这种交叉使绕线操作复杂化，而且线圈端头不太令人满意

因为历史原因，已提出许多用于铁道运输的具有不同电压和频率的供电系统。一当在某个地区建起一种系统，再将这种系统改变成另一种系统将需要巨大投资，而且还会干扰铁路运营。原理上有三种配送电压的标准方案：直流电压系统、市电频率交流电压系统和低频交流电压系统。这意味着，很多牵引运输工具(机车和电力车)和轻轨客车必须配备一种以上的配电系统。今天在不同国家之间已经有用于直运的机车和轻轨车，这些车可以使用不同的供电系统和／或同一供电系统内的变型系统。

轨道运输所用电能可以取自一般配电网，也可取自铁道自营的发电厂。供电系统配置取决于供电是交流电压还是直流电压而不同。在直流供电情况，需要整流站，以便将市电配电网输送的交流电压转换成直流电压。这些整流站在沿铁路线的某些位置提供直流电压。在用市电频率(50或60Hz)的交流供电的情况下，需要在某些位置设置互感器滤波器，以防止机车的硅可控整流器运转所产生的谐波进入到市电电力系统，还需设备平衡牵引负载的装置。采用特殊的变压器接线例如斯柯特接线法可以将三相变换成两相。这种接线的缺点是它需要很多绕组和很大的铁心质量。另外的缺点是市电频率供电系统其输电能力较低，而且与低频系统相比其感应损耗高，并且牵引负载产生进入馈电网路的干扰。在用低频交流电(162／3或25Hz)供电的情况下，需要转换器站，以转换市电配电网电压的市电频率，或需要特定的低频交流电发电站和特定的低频交流电配送网路。

最初选择直流电压供电，因为可以利适用的其控制简单的马达，即串联激励的直流马达。过去采用转动变流器或水银整流器将之相交流电压转换成直流电压，但是在今天通常用6或12－脉冲继电器进行这种转换。

直流电压系统的优点是电流可以直接加在直流马达上。在运输装置上不需要笨重的变压器将电压降低，和用交流电压的情况不相同。因此用直流供电的运输装置价格比较低而且易于制造。从安全方面看，低直流电压是更安全的(例如用在地铁中，在地铁中有时采用裸露的电力汇流条)。

用直流电压工作的缺点主要是电压低，这意味着电流，因而电压降和损耗相当大。这样必须采用大的导电面积和相隔很近的整流器站(每站之间距离通常小于10km)。这导致高成本装置。在高功率例如高速交通线上这种缺点是特别明显的。大功率的整流器必须相隔很近，而且该整流站只在列车经过上述供电站的短时间内才工作。另一缺点是短路电流极大。

在牵引马达用市电频率(50或60Hz)之前，第一个交流电压系统是用低频电压(15－16²／3或25Hz)。在这种系统中应用很久的这种牵引马达是单相串联整流式马达，又称单相牵引马达。这种马达的工作很像直流马达，只是场电流和转子电流每半周转向一次，因为它用交流供电。为使整流不产生过电压或电弧，一定得选择低频和低速马达。与市电频率相比，低频交流电压的优点是具有更好的电力传输能力。

与直流系统相比，交流系统的主要优点是交流电压可以变压(虽然在现在采用所谓交流变换器可变压直流电压)。因而可在架空导线上相对于马达的操作电压保持相当高的电压。由于在架空导线上的电压高，所以电流低，具有更好的电力传输能力，在线网上的损耗也低。因而供电站可以相隔较远的距离(30－120km)。然而其缺点是，牵引马达很大，控制技术比较复杂。

另一个缺点是需要频率转换器，在该转换中，通常应用马达发电机，即驱动单相162／3Hz同步发电机的大体50Hz同步马达。对于非同步连接，50Hz马达／发电机是非同步的，特殊的转子由很低频的交流供电(Scherbius机)。电力可沿两个方向输送。马达的极三倍于发电机的极。转动变流器作成可用于相当低的额定电压(6KV)，从而可避免采用很强的绝缘层。因此在变流器的前面和后面均需要变压器。在同一设施中，若干变流器通常是并联操作的。

转动变流器可以是同步的或非同步的，它可以产生无效功率，这些无效功率可以补偿在架空导线网和运输装置中产生的无效功率损耗。转动变流器还在市电配电网和架空导线系统之间形成电分离。利用转动变流器可将无效功率输送到市电配送网上。

转动变流器的主要缺点是，大型同步／非同步电机的启动很费时，而且使其达到同步很复杂。它一定要能够满足对电力的突发需求。因此该电机在无任何负载时必须运转，以作预备，或者用较低功率进行长时间运行。另一缺点是能耗，这种能耗部分是由无负载时的上述操作造成的。

在新的装置中，转动变流器已由固定式转换器替代。固定式变流器可以产生无效功率，该无效功率可以补偿架空悬吊导线引起的无效功率损失。然而，不管是在三相侧还是在两相侧谐波均是较高的。另外，固定式变流器不能产生可以补偿电感负载引起的电压降的无效功率。

从上面可以清楚看出，电气化铁路所用的各种系统均很复杂，而且费用大。

用常规定子绕组的上述电机不用变压器降低电压便不能连接于高压电网，例如150KV的电网。在这种方式即通过变压器连接于高压电网的方式应用马达与可以直接连接于高压电网的马达相比引起许多缺点。其中可以列出以下缺点：

变压器价格高，增加了供电成本，并占用空间；

变压器降低了系统效率；

变压器消耗无效功率；

常规变压器包含油，由此造成有关的危险；

涉及敏感操作，因为马达经变压器反抗较弱的电网工作。

本发明概述

本发明的目的是提供一种用于电气化铁路运营等的供电系统及其部件，这种系统和部件可以解决此领域内先有技术系统固有的问题。

本发明提供一种如权利要求1、2、6、9、11、17、18或19中任一项要求所述的供电系统，上述各个权利要求具有同样的特征部分。

本发明基于用于制造电机、马达、发电机、变压器等的特殊技术，在这些电装置中，电绕组以一种特殊方式用于绝缘制造。这种技术使得可以除去变压器和／或变压器结构，而没有上述常规变压器固有缺点。

在单一的整套装置中，供电系统包括各种形式的电机，该系统配置成可将配电网的电力输送到大体由架空悬吊线构成的牵引供电线上。该系统自然还包括一个或多个与常规电机联用的这种特殊电机。

本发明涉及的那种电机可以是变压器或用作转换器的马达发电机。这些选择对象当然可以联用。

本发明的供电系统和部件可适合不同铁路系统的要求，经过适当改型，本系统和部件可用于外部供电的铁路系统，或用于具有自身发电系统的铁路系统，还可用于具有不同电压水平和不同频率的铁路系统。用于交流和直流两种系统以及用于同步和非同步马达操作两种操作。

在变压器是必需的情况下，本发明的目的是采用一种电缆制造变压器，这种电缆的型式与包含于本设施中其它电机的电缆相同，并且以相当于该电机的制造方式进行制造。

满足上述目的后所得到的优点是不用居间的充油变压器，这种变压器的元功电阻以别的方式消耗无功功率。优点还有电网质量得到提高，因为存在转动补偿。按照本发明的设施，过载量可以增加到例如100％。控制区域大于现有工艺。

为达到这一点，装在设施中的至少一个电机中的磁路和其导线采用螺旋形的耐久的包含接地的绝缘电缆形成。

已知工艺和本发明实施例之间的主要的基本差别是，利用包含于供电设施的至少一个电机中的磁路来达到本发明的实施例，该电机可通过断路器和绝缘件直接连接于电压达到20－800KV之间的最好高于36KV的高压供电线路。磁路包括一个或多个叠层铁心以及螺旋形电缆构成的绕组，该电缆具有一个或多个持久绝缘层的导线以及在该导线侧和绝缘层外侧的半导体层，该外部半导体层连接于地电位。

为解决直接将电机不管是转动电机还是固定式电机连接于各种高压供电网所引起的问题，本发明设施中的至少一个电机具有许多上述的显著不同于上述工艺的特征。在附属的权利要求书中确定外加的特征和其它实施例，下面将讨论这些外加特征和其它实施例。

本发明的供电设施和包括于该设施中的至少一个电机的上述特征以及其它特征如下：

用一种电缆制造磁路用绕组，该电缆具有一个或多个用两个半导体层永久绝缘的导线，一个半导体层包围绞合线，另一个半导体层构成外包层。这种类型的某些典型导线具有交联聚乙烯或乙丙橡胶的绝缘层。为此目的可以在导线的绞合线和外包层的特性方面进一步开发导线；

横截面为圆形的电缆是最好的，但也可以应用横截面为其它形状的电缆，以便获得例如更好的封装密度；

这种电缆使得可以按照本发明以新颖和优化方式设计叠层铁心的槽口和齿；

绕组最好逐步地由绝缘层形成，以便最好地利用叠层铁心；

绕组最好作成为多层的同心电缆绕组，因而可以减少线圈端头相交的数目。

槽口设计适合于绕组电缆的横截面积，使得槽口形成为许多圆筒形开孔，该开孔沿轴向和／或径向彼此外侧地延伸，并具有位于电枢绕组层之间的开口腰部；

槽口设计可以根据相关电缆横截面积和绕组的梯形绝缘层进行调节。该梯形绝缘层使得磁性铁心具有大体恒定的齿宽度，而不管径向延伸程度；

绞合线的上述进一步发展要求绕组导线由许多嵌入的层即绝缘绞合线构成，从电机的观点看，不必要使该绞合线正确地交叉，或不必要使其彼此不绝缘和／或彼此绝缘；

上述外包层的进一步发展要求在沿导线长度的适当位置切开外包层，使各个切开的部分长度直接连接于地电位或类似的选择电位。

应用上述类型的电缆可以使绕组的外部半导体层的整个长度以及设施的其它部分保持在地电位。重要的优点是，在外部半导层外侧的线圈端部区域内电场接近于零。用外层作地电位便不需要控制电场。这意味着，不管是在铁心中，在线圈端部区域中，还是在它们之间的过渡区中均不产生任何场集中。

混合绝缘的嵌入绞合线和／或不绝缘的嵌入绞合线，或交叉的绞合线可导致较低的杂散损耗。

用于磁路绕组的高压电缆由具有许多绞合线的内部心线导线、至少一个半导体层，最内部的半导体层由一绝缘层包围，该绝缘层又由外部的半导体层包围，该外部半导体层的外直径约为10～250mm，导电面积约为40～3000mm²。

按照本发明的特别优选实施例，至少其中两层，最好所有三层均具有同样的热膨胀系统，这样便得到决定性的好处，即在绕组发生热运动时可以防止出现损伤、裂纹等。

因为设计了比较持久的绝缘系统，使得从热学和电学观点看，它的尺寸被定为适用36KV以上的导线电压，所以该系统可以连接于高压电网而不需要任何中间降压变压器，因此获得上述优点。

本发明的上述的和其它的有利实施例确定于附属的权利要求书。

附图的简要说明

下面参考附图详细说明优选的但不是限制性的实施例，由此可以更详细地描述本发明，这些附图是：

图1是示意端视图，示出本发明设施中电机定子的扇形部分；

图2是端视图，示出图1所示定子绕组中所用的逐级剥开的电缆；

图3是供电系统的示意电路图，该供电系统包括本发明的变压器绕组；

图4是供电系统的示意电路图，该供电系统具有转动变流器装置；

图5是图4所示供电系统的替代实施例；

图6是具有转动变流器装置的供电系统的另一实施例；

图7是图6所示供电系统的替代实施例；

图8是具有转动变流器装置的供电系统的又一实施例；

图9示出常规供电系统，该系统包括滤波和负载平衡装置；

图10示出适合于取代图9系统的本发明的实施例；

图11是线路图，更详细示出图10的实施例；

图12是利用电流增强变压器(current booster transformer)的本发明的实施例；

图13是包括固定式变流器的实施例。

优选实施例的说明

在图1的示意端视图中示出转动型电机的定子1的扇形部分，该电机包含在本发明的供电设施中，图中还未出电机的转子2。定子1由常规的叠层铁心组成。图1示出对应于一个极距的电机扇形部分。许多齿4从铁心的轭部分径向向转子2延伸，该齿由其中配置定子绕组的槽口5分开。构成定子绕组的电缆6是高压电缆，这种电缆与配电系统中用的电缆基本上是为同一种电缆，例如为PEX电缆。一个差别是去掉机械保护外包层和通常包围这种配电电缆的金属屏蔽层，使得本发明应用的电缆只包括导线和绝缘层两则各有的至少一层半导体层。因此半导体层裸露于电缆表面。

图1例示出电缆6，图中仅画出各个电缆部分或线圈部分的中心导电部分。如图所示，各个槽口5具有变化的横截面以及交替的宽部分7和细腰部分8。宽部分基本上是圆形的，包围电缆。其间的细腰部分8用于固定各个电缆的位置。槽口5的横截面还径向向内变窄。这是因为电缆的位置越靠近定子1的径向内部，该电缆上的电压越低。因此在靠近内侧可以用较细的电缆，而在靠近外侧则需要用较粗的电缆。在例示的例子中，采用三种不同尺寸的电缆，分别配置在槽口5的三个相应不同尺寸的槽口部分51、52和53内。

图2示出高压电缆的梯状剥开的高压电缆端视图，该电缆用于装在本发明供电设施中的电机中。高压电缆(6)包括一个或多个导线31，各个导线包括许多绞合线36，这些绞合线一齐形成例如Cu的圆形横截面。这些导线配置在高压电缆6的中部，并且在所示实施例中由局部绝缘层35包围。然而在其中一根导线31上省去绝缘层35也是可行的。在本发明的此实施例中，导线31一齐由第一半导体层32包围。围绕此第一半导体层32的是绝缘层33例如PEX绝缘层，该绝缘层又由第二半导体层34包围。因此本发明电缆不需要包括通常包围配电系统用电缆的那种金属屏蔽层或外包层。

上面说明的用于转动电机的用电缆6形成的磁路也适用于固定式电机例如变压器、电抗器绕组等。其绕组由图2所示电缆形成的变压器在本文中称作“本发明变压器”。从设计和制造观点看可以得到以下重要优点：

可以绕制变压器绕组，而不必考虑任何电场分布，因此在已知工艺中成问题的部分交叉是不需要的；

可以设计变压器铁心而不用考虑电场分布；

不需要用油作电缆和绕组的电绝缘，相反，电缆和绕组可以由空气或不易燃的或耐火的液体包围；

不用油极大减小了本发明变压器起火和爆炸的危险，因此不需要防火墙。

不需要特别的具有处理漏油装置的机座；

变压器易于制造，能够承受地震；

由于变压器能承受短路，所以变压器可以更加简易地作成刚性连接；

变压器的噪声低，较干净，维护较少；

和充油变压器不同，在变压器的外部接头和其中的线圈／绕组之间不需要任何特殊的引线作电连接；

用于本发明变压器及磁路的制造和测试工艺，如上所述，与常规变压器／电抗器所需的工艺相比相当简单。

应用具有上述类型磁路的电机可使向牵引马达的供电大为简化和更为有效。

下面说明的本发明的某些实施例包括转动变流器，该变流器具有至少一个用图2例示导线形成的绕组，在本文中称作“本发明的转动变流器”。转动变流器可以包括由公用轴连接的马达和发电机，或者可以包括具有马达和发电机两种功能的单一电机，如德国专利372390、386561和406371所述。该马达和发电机可以分别是同步的或不同步的，转动变流器的功能是转换电压、相数和／或供电频率。对于市电频率铁路供电系统，变流器可以是相变流器，如Lueger的“Lexicon der Technik”(Deutscher Verlags－Anstalt Stuttgar，Band2，P395)所述，这种变流器也构成单一电机。这种电机在定子和鼠笼式转子中包括两相绕组和三相绕组。

在图3～7的各个图中，已知先有技术供电系统示于图的左侧，为便于比较，本发明的实施例示于右侧。

图3示出典型的市电频率(50或60Hz)系统。三相高压送电线40向铁路沿线若干位置例如41、42的变电站供电。变电站分别从三相送电线中的两相接收电能。各变电站联接不同相，以平衡负载。(如变电站41用A－B相、站42用B－C相，而相邻站(未示出)用C－A相等)。各个变电站包括高压开关设备43、两个变压器44、45和高压或中压开关设备46(虽然每站一个变压器已足够)。在每两个变电站之间的开关设备47使得架空悬吊线部分48、49可以彼此连接。在图示的具有复线的结构中，由图相变电站供电的两根架空悬吊线在此中心点通常可以连接在一起。在大多数情况下，在两个不同相变电站之间的架空悬吊线不能进行连接，因为它们连接于市电网的不同相，这种连接将造成不稳定的状态。这种系统的缺点是，机车不能由架空悬吊线的两端供电。因此变电站彼此必须靠得很近，通常相隔30km。在先有技术变电站41中的变压器是油绝缘的，因此对环境是一种威胁。万一发生火灾，大量变压器油也是很危险的。因此必需定期检查变压器，防止漏油。如果其它设备靠近变压器，在变压器下面的空间一定要受到保护，以便在万一发生漏油时油不会着火。通常在变压器44周围围一层混凝土墙，以保护其不受到损害。如果变压器靠近其它设备或放在建筑物内，则通常要在变压器周围建防火墙，以便万一变压器油燃起来时可以保护其它设备。在变压器附近还需要配置灭火设备。

与此相反，本发明的变压器45其中不包括任何可以渗漏到外边的流体。另一优点是，万一发生火灾，火势也不会太猛。变压器45可以放置在更简易的机座上即混凝土承座上。

图4示出典型的低频系统。三相高压送电线40向位于铁路沿线若干位置的频率转换器站例如51、52供电。在各个转换器站，三相市电频率高压首先降压到中压。然后将三相中压转换成单相低频中压。已知频率转换器53可以是固定式的(如图所示)或转动式的。在变压器的高压侧、变压器和转换器之间以及在变换器的低频侧有开关设备。固定式转换器是一种将中压变换成六相低压的转换器变压器。这种转换器变压器偶尔可以直接由高压开关设备供电。在两个转换器站之间的架空悬吊线上有开关设备，这种开关设备可使架空悬吊线部分彼此连接，并使这些部分同步。这种系统与市电频率系统相比的优点是，机车可以由架空悬吊线的两端供电。因此转换器站可以隔开较远，通常为50～100Km。

示于图4右侧的转动变流器54是本发明的转动转换器。这种系统的优点是，转动变流器54可以直接连接于高压开关设备55，不用任何中间变压器或中间开关设备。即使架空悬吊线的电压高于25KV，在中压侧也不需要任何变压器。

然而在三相送电线40和转动变流器54之间设置变压器也是必要的和经济的。图5示出包括这种变压器56的替代系统，该变压器是本发明的变压器。

图6示出在瑞典用的典型的低频系统。三相高压供电线40向位于铁路沿线关键位置的频率转换站例如61、62供电。在该转换器站，首先将三相市电频率的高压用变压器62降低到中压。然后用固定式频率转换器63将三相中压变成单项低频中压。

随后将低频单相电压连接于架空悬吊线64，但仍采用变压器65变成高压即132KV。将此较高的电压输送到变压器站，在该站将电压再降中压，并连接于架空悬吊线。在变压器62的高压侧、在变压器62和转换器63之间、在转换器63的低频侧以及在单相变压器65的高压侧设置开关设备。在转换器站之间的变压器站在变压器的高压侧有高压开关设备，而在变压器的另一侧具中压开关设备。

这种系统与市电频率系统相比的优点是，机车仍可以由架空悬吊线的两端供电。另一优点是，将高压输送到转换器站之间的变压器站使得可以减小转换器站的数目。应用较高的传输电压(瑞典为132KV)导致更有效的电力传输。因此可以减小安装转换器容量的总量。这样每两个转换器站之间的距离可以更大，通常为300～400Km。对于16．5kV，16²／3kV系统(瑞典)，变压器站配置在约每隔20～40km的地方。

图6右手侧示出本发明的转动变流器66，该变流器位于高压开关设备67和中压开关设备68之间。这种系统的优点是，转动变流器66可以直接连接于高压开关设备67，不用任何中间变压器。

图7示出从图6的系统变化而来的系统，在该系统中，本发明的转动变流器包括具有两个输出的发电机，它可向悬吊线64和高压低频线70供电。

图8的右手侧示出德国、奥地利、瑞士和美国的Amtrak用的典型低频系统。三相高压送电线40向位于铁路沿线关键位置的频率转换器站即80送电。在该转换器80首先将三相市频高压降低至中压。然后将三相中压转换成单相低频中压。频率转换器可以是固定式的(如图所示)或转动式的。然后将低频单相电压升至高压即138kV。将这种较高的电压传输到变压器站例如81，对于11kV25Hz系统(在美国)沿转换器之间的铁路线每隔10公里配置该变压器81，或每隔20－40km(在瑞典)配置。在这些变压器站，将电压再降至中压，然后连接于架空悬吊线82。在变压器83的高压侧、在变压器83和转换器80之间、在转换器80的低频侧以及在单相变压器84的高压侧配置开关设备。

转换器站之间的变压器站81在其变压器85的高压侧具有高压开关设备，而在变压器85的另一侧具有中压开关设备。此系统具有图6和7所示系统的全部优点。

按照示于图8左侧的本发明实施例，本发明的转动转换器86连接在高压开关装置和中压开关装置之间。此系统的优点是，转动变流器86可以直接连接于高压开关设备，不用任何中间变压器或中间开关设备，并可以直接连接于高压低频开关设备，不用任何中间变压器或中间开关设备。变压器85是本发明的变压器。

图9示出市电频率系统的公知原理，该系统需要滤波系统90及负载平衡系统91，以便平衡负载和减小进入市电供电网的干扰。可以应用自耦变压器92来提高沿架空悬吊线93的电压。由于应用自耦变压器，所以减小了对其它系统的干扰。架空悬吊线通常是分段的，这降低了输送能力。

图10示出，具有本发明转动变流器95的系统不需要图9所示的滤波器和负载平衡装置，而且可使架空悬吊线同步，并将供电站连接在一起。可以在很大的范围内选择转动变流器95的输出电压和频率。对于市电频率铁路系统，转动变流器最好包含Lueger的“Lexicon derTechnik”中所述的相转换器。

图11是示意电路图，更详细示出自耦变压器原理。自耦变压器既可用在市电频率系统中，又可用在低频系统中，自耦变压器之间的间距不很远，例如5～20km。这些变压器包括油，通常为5000kg，而且可能漏油，起火，这些对环境都是不利的。

连接于高压或中压开关设备的自耦变压器100是本发明的自耦变压器，其中不包含任何可渗漏到外面的流体。任何可能发生的火灾不会太猛裂，而且自耦变压器100可以放在相当简易的机架例如混凝土承座上。

送入机车的电流仅通过架空悬吊线传送。然而回流电流可能流过以下若干可能路径：

流过铁轨；

经铁轨的任何位置流入地；

经过连接于铁轨的地线；

通过地中的金属例如电缆屏蔽层、管子、栏栅等泄漏；

流通与架空悬吊线平行的回流电流导线。

在大多数情况中，特别是在居民区用回流电流导线是最好的，因为大电流流过例如燃气管是很危险的。这样电流既流过回流导线，又流过它可能的电流路径。

如果应用交流系统，可以用变压比为1∶1的电流增强变压器。这样可迫使回流导线上的回流电流与架空悬吊线上的电流相同。这种变压器通常称作电流增强变压器。这种变压器可以用在具有或不具有回流电流导线的系统中。

具有自耦变压器的系统不仅用来防止有害的回流电路，而且这种系统还具有较高的传输能力。该系统具有电压的负反馈线路，该电压与架空悬吊线上电压相位相差180°角。该变压器连接在两个反馈线路之间，而其绕组中心连接于铁轨。

图12示出本发明的实施例，该实施例包括本发明的电流增强变压器110。该电流增强变压可用在市电频率系统和低频系统两种系统上。电流增强变压器之间的间距不太大，例如为2～5km。已知的电流增强变压器包含油，通常约560kg，而且可能漏出、起火，这对环境都是不利的。本发明的电流增强变压器其内部不包含可能漏到外面的任何流体。另外的优点是，即使发生火灾，火也不会太猛烈。

图13是典型的固定式转换器装置。在此装置中有两个本发明的变压器T1和T2。在已知系统中也采用图13的系统，该系统包含用油绝缘的变压器。而变压器T1、T2中不包括可以渗漏到外边的任何流体。任何发生的火灾也不会太猛烈，而且变压器T1和T2可以放在更简易的机架即混凝土承座上。

本发明不限于上述参照附图说明的系统，而且包括属于权利要求书范围内的类似系统。

绝缘层33通常包括固体热塑性材料，例如低、高密度的聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、乙烯丙烯酸乙酯聚合物、交联材料例PEX，或橡胶绝缘体例如乙丙橡胶或硅橡胶。半导体层32、34包括与绝缘层33相同的材料，但其中具有嵌入的导体粒子例如碳黑、烟垢或金属粒子。

虽然电绝缘层可以被挤压就位，但也可以用薄膜或板形材料的紧卷叠置层形成电绝缘系统。半导体层和电绝缘层均可用这种方式形成。绝缘系统可以用完全合成膜形成，内、外半导体层或部分采用例如其中嵌入导电粒子如碳黑或金属粒子的PP、PET、LDPE或HDPE的聚合物薄膜形成，而绝缘层或部分位于该半导体层或部分之间。

在重叠理论中，相当薄的薄膜其对接缝小于所谓Paschen最小，因此不需要液体浸渍。干的绕卷的多层薄膜绝缘层也具有很好的热特性。

电绝缘系统的另一个例子类似于常规的基于纤维素的电缆，其中在导线上绕卷上薄有纤维素纸或合成纸或无织造材料。在这种情况下，在绝缘层两侧的半导体层可以用绝缘材料纤维作的其中嵌入导电粒子的纤维素纸或无织造材料形成。而绝缘层可以用同样材料制作，或者也可采用其它材料。

可以将薄膜和纤维绝缘材料制作成层制品或重叠在一起的制品，采用这种层制或重叠方法可得到绝缘系统的另一例子。这种绝缘系统的例子是市场上可买到的所谓纸—聚丙烯层制品，PPLP，但也可以采用其它一些薄膜和纤维部分相结合的制品。在这些系统中可以用例如矿物油进行不同的浸渍。

Claims (30)

1．一种牵引系统的供电系统，包括一三相高压送电线、一变压器站和一由该变压器站供电的牵引系统供电线，该变压器站连接于三相送电线中的两相，或连接于一对称装置，该对称装置可将三相转换成两相(例如斯柯特接线法)，该变压器具有包含一绕组的变压器，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个半导体层和上述两个半导体层之间的固体绝缘层组成，各个半导体层提供了一大体等位的表面。

2．一种牵引系统的供电系统，包括一三相高压送电线、连接于送电线的三相并具有一绕组的转动变流器和由转动变流器供电的牵引系统供电线，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别形成大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

3．如权利要求2所述的系统，其特征在于，在送电线和转动变流器之间连接高压开关设备。

4．如权利要求3所述的系统，其特征在于，在开关设备和转动变流器之间连接一变压器。

5．如权利要求2、3或4所述的系统，其特征在于，牵引系统供电线上的供电频率是25Hz或16²／3Hz。

6．一种牵引系统的供电系统，包括一转动变流器，该转动转换器适合于由三相高压送电线供电并且有一绕组，该转动变流器向一单相的牵引系统供电线供电，并经第一变压器向高压居间线供电，该居间线经一个或多个另外的变压器连接于牵引系统供电线，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

7．如权利要求6所述的系统，其特征在于，上述第一变压器的绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

8．如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，该一个或各另外的变压器的绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

9．一种牵引系统的供电系统，包括转动变流器，具有一绕组并适合于由三相高压供电线供电，该转动变流器既向一单相低压牵引系统供电线供电，又向经一个或多个变压器连接于上述牵引系统供电线的高压居间输电线供电，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

10．如权利要求9所述的供电系统，其特征在于，该或各变压器的绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

11．一种供电系统，包括一转动变流器，该变流器具有一绕组并适合于由三相高压送电线供电，上述转动变流器向一个变压器供电，该变压器又向牵引系统供电线供电，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

12．如权利要求2－11中任一项所述的系统，其特征在于，上述转动变流器是同步的。

13．如权利要求2－11中任一项所述的系统，其特征在于，上述转动变流器是非同步的。

14．如权利要求2－13中任一项所述的系统，其特征在于，上述转动变流器包括具有马达和发电机两种功能的单一电机。

15．如权利要求14所述的系统，其特征在于，上述转动变流器包括一相位转换器。

16．如权利要求11所述的系统，其特征在于，变压器的绕组包含绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

17．一种牵引系统的供电系统，包括至少一个自耦变压器，该变压器具有一绕组并连接在牵引系统供电线和中性线之间，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

18．一种牵引系统的供电系统，包括至少一个电流增强变压器，该变压器具有一绕组并连接在一牵引系统供电线和一回流导线之间，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体层之间的固体绝缘层组成。

19．一种牵引系统的供电系统，包括连接在两个变压器之间的静态频率转换器装置，其中各个变压器具有一绕组，其特征在于，上述绕组包括绝缘件，该绝缘件由至少两个分别提供了大体等位表面的半导体层和上述半导体之间的固体绝缘层组成。

20．如上述任一项权利要求所述的系统，上述层中的至少一层其热膨胀系数与上述固体绝缘层相同。

21．如上述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，在该或各变压器或转动变流器中磁路心内的磁力线路经由叠置的薄板和／或粗锻铁和／或铸铁和／或粉末基的铁组成。

22．如上述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，包围至少一个导线(31)的最内部半导体层(32)其电位大体与导线(31)相同。

23．如上述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，外部半导体层(34)连接于预定的电位。

24．如权利要求22所述的系统，其特征在于选定的电位是地电位。

25．如上述任一项所述的系统，其特征在于，绕组的载流导线包括许多绞合线，只有少数绞合线不彼此绝缘。

26．如上述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，上述绕组(或多个绕组)以及在系统装置之间的用于高压电流的永久绝缘的连接导线用电缆(6)制造，该电缆具有用于高压的固体绝缘层，包括至少两个半导体层(32，34)以及绝缘或不绝缘的绞合线(36)。

27．如权利要求26所述的系统，其特征在于，高压电缆(6)的导电面积30～300mm²之间，其电缆外直径在10～250mm之间。

28．如上述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，上述绕组可承载10～800kv的额定电压。

29．如权利要求28所述的系统，其特征在于，上述额定电压高于36kv。

30．如权利要求28所述的系统，其特征在于，上述额定电压高于72．5kv。

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