CN209344795U - 一种基于scott接线的电气化铁路同相供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，涉及交流电气化铁路供电技术领域。该同相供电系统包括三相高压母线、的SCOTT平衡变压器、补偿变压器和三相补偿装置、协调控制器；其中，SCOTT平衡变压器的原边与三相高压母线的A相、B相、C相连接，SCOTT平衡变压器的次边分别与补偿变压器和三相补偿装置连接；补偿变压器与三相补偿装置连接，协调控制器与三相补偿装置的次边连接。因此，本实用新型不仅能实现铁路全线同相供电且取消电分相，还有效地实现电气化铁路同相供电的技术经济最优化，同时，能够解决电气化铁路电力机车负荷造成的以三相系统负序为主的电能质量问题。

Description

一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统

技术领域

本实用新型涉及交流电气化铁路供电领域，尤其涉及一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统。

背景技术

我国电气化铁道普遍采用单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案。分相分区处的相邻供电区间便形成分相绝缘器，称为电分相或分相。为防止电力机车带电通过电分相因燃弧而烧坏接触网悬挂部件，甚至导致相间短路等事故，随着列车速度的不断升高，在司机无法手动进行退级、关辅助机组、断主断路器、靠列车惯性驶过中性段、再合主断路器、合辅助机组、进级恢复牵引功率来完成过分相的情况下，采用了自动过分相技术，主要有地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上自动过分相等几种，但仍存在开关切换中列车通过电分相的暂态电气过程，易产生较大的操作过电压或过电流，造成牵引网与车载设备烧损等事故，影响供电可靠性和列车安全运行。因此，电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。

高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控性器件的大功率交-直-交型电力机车或动车组，其核心是多组四象限PWM控制和多重化控制的牵引变流器，在实际运行中谐波含量小，功率因数接近1，但交-直-交型电力机车或动车组牵引功率大，如大编组运行的单车高速动车组其额定功率达25MW(相当普速铁路5列车)，这些大量开行的大功率单相负荷对三相电网造成的日益严重的以三相电压不平衡度(负序)为主的电能质量问题不能不受到重视。

理论和实践表明采用同相供电技术可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈的同时，还能有效治理负序电流、达到以三相电压不平衡度(负序)限值为主的电能质量要求，有利于促进电力与铁路的和谐发展。

实用新型内容

本实用新型目的是提供了一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，不仅能实现铁路全线同相供电且取消电分相，还有效地实现电气化铁路同相供电的技术经济最优化，同时，能够解决电气化铁路电力机车负荷造成的以三相系统负序为主的电能质量问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案具体如下：

一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，所述同相供电系统包括用于提供同相供电系统的电力系统的三相高压母线、用于将电力系统的线电压变送至牵引母线和补偿并治理电力机车负载带来的负序功率及三相电网不平衡的SCOTT平衡变压器、用于补偿并治理电力机车负载带来的负序功率和三相电网不平衡的补偿变压器和三相补偿装置、用于计算牵引母线的负序功率并向所述三相补偿装置传输信息的协调控制器；其中，所述SCOTT平衡变压器的原边与所述三相高压母线的A相、B相、C相连接，SCOTT平衡变压器的次边分别与所述补偿变压器和所述三相补偿装置连接；所述补偿变压器与所述三相补偿装置连接，所述协调控制器与所述三相补偿装置的次边连接。

优选地，所述SCOTT平衡变压器的次边M座与所述补偿变压器的原边连接，所述SCOTT平衡变压器的次边T座与所述三相补偿装置的W相、V相连接，所述补偿变压器的次边与所述三相补偿装置的V相、U相连接。

优选地，所述三相补偿装置包括第一补偿变流器、第二补偿变流器、……、以及第N补偿变流器；所述第一补偿变流器、第二补偿变流器、……、以及第N补偿变流器相互并联。

进一步优选地，所述协调控制器包括第一电压互感器、第二电压互感器、电流互感器和控制器；所述控制器的输入端分别与所述第一电压互感器的测量端、所述第二电压互感器的测量端、所述电流互感器的测量端连接，所述控制器输出端分别与所述第一补偿变流器、第二补偿变流器、……、以及第N补偿变流器的控制端连接。

更进一步优选地，所述第一电压互感器连接于所述三相高压母线的A相和B相，所述第二电压互感器连接于所述三相高压母线的B相和C相。

具体地，所述SCOTT平衡变压器的次边一端通过所述电流互感器引至牵引母线，其次边另一端通过钢轨接地。

优选地，所述第一补偿变流器、第二补偿变流器、……、以及第N补偿变流器为三相交直变流器。

优选地，所述补偿变变压器为单相补偿变压器。

优选地，所述SCOTT平衡变压器的M座的电压变比为K₁,所述SCOTT平衡变压器的T座的电压变比为K₂，所述补偿变压器的电压变比为K₃，其中K₁、K₂、K₃三者之间的电压变比关系为：K₂＝K₁×K₃。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、在本实用新型所述系统中三相补偿装置只产生负序分量，即可治理电网负序以满足三相电压不平衡度，而不改牵引变电所牵引网的有功潮流；

二、本实用新型提出由SCOTT平衡变压器、单相补偿变压器和三相补偿装置的新式组合，提高了牵引变电所运行的灵活性，可以取消牵引变电所出口处的电分相环节。

三、本实用新型可在既有的采用SCOTT平衡变压器供电的基础上，增加补偿变压器和三相补偿装置，结构简单，性能优越，易于实现。

四、本实用新型所述三相补偿装置可以按容量并联运行，易于补偿容量的扩展。

五、本实用新型可省去原同相供电系统中复杂的多绕组匹配变压器，可节省成本。

六、本实用新型中的三相补偿装置替代原同相供电系统中的背靠背变流器，可节省成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统的结构示意图。

图2是本实用新型实施例所述协调控制器与三相补偿装置之间关系结构示意图。

具体实施方式

为了更好理解本实用新型创造，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，所述同相供电系统包括用于提供同相供电系统的电力系统的三相高压母线HB、用于将电力系统的线电压变送至牵引母线OCS和补偿并治理电力机车负载带来的负序功率及三相电网不平衡的SCOTT平衡变压器TT、用于补偿并治理电力机车负载带来的负序功率和三相电网不平衡的补偿变压器MT和三相补偿装置NC、用于计算牵引母线OCS的负序功率并向所述三相补偿装置NC传输信息的协调控制器MC；其中，所述SCOTT平衡变压器TT的原边与所述三相高压母线HB的A相、B相、C相连接，SCOTT平衡变压器TT的次边分别与所述补偿变压器MT和所述三相补偿装置NC连接；所述补偿变压器MT与所述三相补偿装置NC连接，所述协调控制器MC与所述三相补偿装置NC的次边连接。所述SCOTT平衡变压器TT的次边M座与所述补偿变压器MT的原边连接，所述SCOTT平衡变压器TT的次边T座与所述三相补偿装置NC的W相、V相连接，所述补偿变压器MT的次边与所述三相补偿装置NC的V相、U相连接。在本实用新型实施例中所述所述补偿变压器MT为单相补偿变压器。

在本实用新型实施例中，SCOTT平衡变压器TT的M座的电压变比为K₁,所述SCOTT平衡变压器TT的T座的电压变比为K₂，所述补偿变压器MT的电压变比为K₃，其中K₁、K₂、K₃三者之间的电压变比关系为：K₂＝K₁×K₃。

在本实用新型实施例中，所述三相补偿装置NC包括第一补偿变流器AD₁、第二补偿变流器AD₂、……、以及第N补偿变流器AD_n，其中n等于N；所述第一补偿变流器AD₁、第二补偿变流器AD₂、……、以及第N补偿变流器AD_n相互并联。在本实用新型实施例中所述第一补偿变流器AD₁、第二补偿变流器AD₂、……、以及第N补偿变流器AD_n为三相交直变流器。在本实用新型实施例中，N等于n，且均为正整数。

结合图2所示，所述协调控制器MC包括第一电压互感器PT₁、第二电压互感器PT₂、电流互感器CT和控制器CC；所述控制器CC的输入端分别与所述第一电压互感器PT₁的测量端、所述第二电压互感器PT₂的测量端、所述电流互感器CT的测量端连接，所述控制器CC输出端分别与所述第一补偿变流器AD₁、第二补偿变流器AD₂、……、以及第N补偿变流器AD_n的控制端连接。

继续如图1和图2所示，所述第一电压互感器PT₁连接于所述三相高压母线HB的A相和B相，所述第二电压互感器PT₂连接于所述三相高压母线HB的B相和C相。所述SCOTT平衡变压器TT的次边一端通过所述电流互感器CT引至牵引母线OCS，其次边另一端通过钢轨R接地。

因此，本实用新型所述同相供电系统通过SCOTT平衡变压器TT的M座把电力系统的线电压变送到牵引母线OCS，为牵引网供电；三相补偿装置NC由三相交直变流器并联构成，其交流侧接在单相补偿变压器MT的次边和SCOTT平衡变压器TT的T座，用来补偿治理电力机车单相负载带来的负序功率以及电网电压不平衡；协调控制器MC计算三相补偿装置NC需要补偿的负序功率和无功功率，然后传输给三相补偿装置NC。必要时，三相补偿装置NC还可提供牵引负荷所需的无功功率和谐波补偿电流。

在本实用新型实施例中SCOTT平衡变压器TT、补偿变压器MT和三相补偿装置NC用来补偿治理电力机车单相负载带来的负序功率以及电网电压不平衡的综合补偿方法具体步骤说明如下：

1)协调控制器先读取三相高压母线上的第一电压互感器PT₁的电压值和第二电压互感器PT₂的电压值和电流互感器CT的电流值，再计算出三相高压母线的电压和牵引负载电流最后通过瞬时功率理论计算牵引母线上的有功功率P_L和无功功率Q_L(2)为了补偿牵引负荷在三相高压母线上引入的的负序电流分量和正序电流无功分量，基于瞬时功率理论并按完全补偿的条件，即三相补偿装置完全补偿负序电流分量和正序电流无功分量，电源只提供牵引负荷的有功功率，可得三相高压母线进线处的有功功率P_HB＝P_L，无功功率Q_HB＝0，结合三相高压母线的电压可计算出三相高压母线进线处的总电流 (3)将牵引母线上的电流折算到三相高压母线上可得(4)根据基尔霍夫电流定律，三相高压母线进线处的总电流减去牵引母线上的电流折算值即可得到三相补偿装置需要补偿的电流(折算到三相高压侧)，其中(4)根据SCOTT变压器电流平衡关系，三相补偿装置需要补偿的电流为根据瞬时功率理论将折算成三相补偿装置需要补偿的负序电流和正序无功电流。(6)将折算成三相补偿装置NC需要补偿的负序电流和正序无功电流以三相补偿装置NC中补偿变流器的数量均分成每台补偿变流器的电流指令，并传递给每台补偿变流器。(7)当每台补偿变流器接收的电流指令大于每台补偿变流器的最大容量对应电流时，每台补偿变流器按其最大容量运行。

综上所述，本实用新型所述同相供电系统能实现铁路全线同相供电而无需分相，保证机车的高速、重载运行；同时，该系统能消除铁路牵引负荷对公用电网电能的负序、无功和谐波影响。由于本实用新型所采用SCOTT平衡变压器和补偿变压器分别与多个三相交直变流器连接方式，有利于降低成本和方便实施，并且也能够解决电气化铁路单相负荷造成的以三相系统负序为主的电能质量问题。

Claims (9)

1.一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述同相供电系统包括三相高压母线(HB)、SCOTT平衡变压器(TT)、补偿变压器(MT)、三相补偿装置(NC)和协调控制器(MC)；其中，所述SCOTT平衡变压器(TT)的原边与所述三相高压母线(HB)的A相、B相、C相连接，SCOTT平衡变压器(TT)的次边分别与所述补偿变压器(MT)和所述三相补偿装置(NC)连接；所述补偿变压器(MT)与所述三相补偿装置(NC)连接，所述协调控制器(MC)与所述三相补偿装置(NC)的次边连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述SCOTT平衡变压器(TT)的次边M座与所述补偿变压器(MT)的原边连接，所述SCOTT平衡变压器(TT)的次边T座与所述三相补偿装置(NC)的W相、V相连接，所述补偿变压器(MT)的次边与所述三相补偿装置(NC)的V相、U相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述三相补偿装置(NC)包括第一补偿变流器(AD₁)、第二补偿变流器(AD₂)、……、以及第N补偿变流器(AD_n)；所述第一补偿变流器(AD₁)、第二补偿变流器(AD₂)、……、以及第N补偿变流器(AD_n)相互并联。

4.根据权利要求3所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述协调控制器(MC)包括第一电压互感器(PT₁)、第二电压互感器(PT₂)、电流互感器(CT)和控制器(CC)；所述控制器(CC)的输入端分别与所述第一电压互感器(PT₁)的测量端、所述第二电压互感器(PT₂)的测量端、所述电流互感器(CT)的测量端连接，所述控制器(CC)输出端分别与所述第一补偿变流器(AD₁)、第二补偿变流器(AD₂)、……、以及第N补偿变流器(AD_n)的控制端连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述第一电压互感器(PT₁)连接于所述三相高压母线(HB)的A相和B相，所述第二电压互感器(PT₂)连接于所述三相高压母线(HB)的B相和C相。

6.根据权利要求4所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述SCOTT平衡变压器(TT)的次边M座一端通过所述电流互感器(CT)引至牵引母线(OCS)，其次边另一端通过钢轨(R)接地。

7.根据权利要求3所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述第一补偿变流器(AD₁)、第二补偿变流器(AD₂)、……、以及第N补偿变流器(AD_n)为三相交直变流器。

8.根据权利要求1所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述补偿变压器(MT)为单相补偿变压器。

9.根据权利要求1所述的一种基于SCOTT接线的电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述SCOTT平衡变压器(TT)的M座的电压变比为K₁,所述SCOTT平衡变压器(TT)的T座的电压变比为K₂，所述补偿变压器(MT)的电压变比为K₃，其中K₁、K₂、K₃三者之间的电压变比关系为：K₂＝K₁×K₃。