CN210837427U - 一种城市轨道交通牵引变压器 - Google Patents

Abstract

一种城市轨道交通牵引变压器，包括高、低压绕组及设在高、低压绕组之间的辅助绕组，高压绕组轴向双分裂为两个绕组，均为延边三角形接法，移相为+7.5º或‑7.5º，并联运行；低压绕组轴向双分裂为两个绕组，分别为d接法和y接法，各自独立运行；辅助绕组轴向双分裂为两个绕组，均为d接法，各自独立接地运行；辅助绕组采用铜箔绕制，高于低压绕组高度，容量为变压器容量的20%～30%，绝缘水平按低压绕组的设计，工作时2台12脉波、相角差15º的牵引变压器并联运行，以24脉波整流方式供电。该牵引变压器可同时实现磁路屏蔽和电屏蔽，消除谐波对城市电网、通讯系统的危害，降低变压器的空载损耗和负载损耗，满足国家标准的要求。

Description

一种城市轨道交通牵引变压器

技术领域

本实用新型涉及一种变压器，特别涉及一种新型的用于城市轨道交通的牵引变压器。

背景技术

城市轨道交通牵引变压器在给机车提供电能的同时，产生大量的谐波电流，这会对城市电网、通讯系统的产生严重影响，为抑制谐波，通常采用多脉波整流方式供电，即在每座变电站设置2套12脉波整流机组，每套整流机组由一台牵引变压器和一台整流器组成，两台牵引变压器相角差15º，两套整流机组并联运行，以24脉波整流方式供电；但仍然不能有效抑制谐波，原因如下：

1．以24脉波整流方式供电，理论上网侧电流中只有23和25次及以上特征谐波，实际上由于各种非理想因数的存在，如电网电压不对称、触发延时不对称、网侧移相角误差等，不可避免地产生其他非特征次数的谐波，通过检测发现，网侧电流除23和25次外，还有残余的5、7、11、13次谐波，其中23次谐波含量最大，其次顺序为25、5、7、11、13次；

2．一条轨道交通线，随着长度里程的不同，包括数座变电站至数十座变电站，每座变电站功率常在3200kW～8800kW 范围，由于各变电站产生的23次和25谐波电压和谐波电流在电网内是相互叠加的，易造成电网中23次和25次谐波电压和谐波电流超标，在一些多条轨道交通线汇集区，23次和25次谐波对电网的危害更为突出，以2500kVA/35kV 城市轨道交通牵引变压器为例，其23次谐波电流约为基波电流的1%；在35kV 电网侧，额定负荷时，输出的23次谐波电流为0.41A ；4座整流变电站、8台2500kVA 牵引变压器全负荷同时工作时,合成的23次电流为8×0.41=3.28A ,比GB/T 14549标准35kV 电压23次谐波电流标准要求值 (2.7A )大21.5%；

3．在城市轨道交通发展的中后期，由于负荷的增加，普遍会出现23次和25次电网谐波超标准要求问题；部分地区还可能出现残余5次和7次谐波引起的电网5次和7次谐波超标准要求。

目前的解决方案是：在城市轨道交通牵引变压器与电网的联接处设置谐波治理设备，以图把谐波电流控制在国家标准要求值内，消除谐波对城市电网、通信系统的危害（现有城市轨道交通牵引变压器工作状态如附图5所示，每台牵引变绕组布置如附图6所示）；

存在的问题是：构成谐波治理设备的各次谐波滤波器群、开关群及配套的检修设备不仅占地面积大，而且投资和维护费用大，从而增大了变电站的总投资成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型的城市轨道交通牵引变压器，以克服已有技术所存在的上述不足。

本实用新型采取的技术方案是：

一种城市轨道交通牵引变压器，包括铁芯、高压绕组和低压绕组，所述低压绕组与高压绕组之间设置辅助绕组，低压绕组、辅助绕组和高压绕组沿铁芯径向自内向外依次排绕，在空间上辅助绕组离低压绕组近，离高压绕组远；所述辅助绕组采用铜箔绕制，铜箔绕制构成的辅助绕组其高度方向不低于低压绕组高度；辅助绕组的容量为变压器容量的20%～30%，辅助绕组的绝缘水平按低压绕组的绝缘水平设计；

所述高压绕组轴向双分裂为第一高压绕组和第二高压绕组，第一高压绕组和第二高压绕组并联后引出，并联运行；所述第一高压绕组和第二高压绕组均为延边三角形接法，移相为+7.5º或-7.5º；

所述低压绕组轴向双分裂为第一低压绕组和第二低压绕组，各自独立引出，即第一低压绕组和第二低压绕组独立运行，第一低压绕组为d接法，第二低压绕组为y接法；

所述辅助绕组轴向双分裂为第一辅助绕组和第二辅助绕组，各自独立接地运行，第一辅助绕组和第二辅助绕组均为d接法；

工作时，一台移相为+7.5º的牵引变压器与一台整流器构成一套12脉波整流机组，一台移相为-7.5º的牵引变压器与另一台整流器构成一套12脉波整流机组，两套相角差15º的整流机组并联运行，构成24脉波整流工作方式。

其进一步的技术方案是：所述高压绕组、低压绕组和辅助绕组之间的短路电抗关系满足下述关系：

X₁₃+X₂₃≈X₁₂ ，

其中：X₁₂—辅助绕组开路时高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，X₁₃—低压绕组开路时高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，X₂₃—高压绕组开路时低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗。

由于采取上述技术方案，本实用新型之一种城市轨道交通牵引变压器具有如下有益效果：

1．本实用新型之一种城市轨道交通牵引变压器，通过改变城市轨道交通牵引变压器内部结构，实现磁路屏蔽和电屏蔽相结合，使牵引变压器在工作过程中产生和注入电网的谐波电流满足国家标准对电能质量的相关要求，从而消除谐波对城市电网、通讯系统的危害：

（1）由于采用铜箔绕制的辅助绕组，其高度方向不低于低压绕组高度，而且辅助绕组靠近低压绕组，铜箔对低压绕组形成电屏蔽，可有效地切断高、低压绕组之间的电容性电磁耦合，避免高次谐波以感应方式通过高压绕组进入电网（谐波次数越高，消除谐波效果越明显）（参见附注一）；

（2）由于在低压绕组与高压绕组之间增加了d接法的辅助绕组，即“低压绕组、辅助绕组和高压绕组沿铁芯径向自内向外依次排绕”（目前城市轨道交通牵引变无此结构），高压绕组、低压绕组和辅助绕组之间的短路电抗关系满足下述关系：X₁₃+X₂₃≈X₁₂，在铁芯磁路中，低压绕组的某一次谐波电流在铁芯中产生的谐波磁通∅2nf，将在辅助绕组产生感应谐波电势，由于辅助绕组为d接，是个闭合回路，会产生感应谐波电流，该感应谐波电流在铁芯中产生的感应谐波磁通∅3nf将平衡谐波磁通∅2nf，从而在铁芯中消除谐波磁通∅2nf部分，使高压绕组通过磁路感应产生的谐波电流接近为零（参见附注二）；

2．本实用新型之一种城市轨道交通牵引变压器采用磁路屏蔽和电屏蔽相结合，在减少牵引变压器铁芯中的磁通谐波成分、高压绕组中的电流谐波成分的同时，又降低了变压器的空载损耗、空载电流、负载损耗以及变压器的振动、噪音和温升，从而延长变压器使用寿命；

3. 目前国家标准中没有用于抑制谐波的辅助绕组的容量的相关规定，但经实验并结合实践经验，选择辅助绕组的容量为变压器容量的20%～30%，可有效避免容量闲置（谐波污染严重的取大值）；而辅助绕组的绝缘水平按低压绕组的绝缘水平设计（即辅助绕组的绝缘标准按低压绕组的绝缘标准设计），可以大大降低制造成本；

4．本实用新型之一种城市轨道交通牵引变压器，不需另增设滤波装置，不占用地面积，从而减少了设置各次谐波滤波器群和开关群及检修设备的投资和维护费用，极大的降低整流变电站的投资成本。

下面结合附图和实施例对本实用新型之一种城市轨道交通牵引变压器的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型之一种城市轨道交通牵引变压器的绕组布置示意图；

图2为本实用新型之一种城市轨道交通牵引变压器的工作原理图；

图3为现有城市轨道交通牵引变压器工作原理图；

图4为现有城市轨道交通牵引变压器的绕组布置示意图；

图5为现有带平衡绕组或第三绕组变压器的绕组布置示意图；

图6为现有在高、低压绕组之间设置地屏的变压器绕组布置示意图；

图中：Ⅰ—高压绕组（Ⅰ+—正移相，Ⅰ- —负移相），Ⅰ1—第一高压绕组，Ⅰ2—第二高压绕组，Ⅱ—低压绕组，Ⅱ1—第一低压绕组，Ⅱ2—第二低压绕组，Ⅲ—辅助绕组，Ⅲ1—第一辅助绕组，Ⅲ2—第二辅助绕组，Ⅳ—铁芯；101—高压电网，102—直流电网，103—牵引变压器Ⅰ（网侧正移相7.5°），104—牵引变压器Ⅱ（网侧负移相7.5°），105—整流器，106—谐波治理设备。

具体实施方式

一种城市轨道交通牵引变压器，包括铁芯Ⅳ、高压绕组Ⅰ和低压绕组Ⅱ，所述低压绕组Ⅱ与高压绕组Ⅰ之间设置有辅助绕组Ⅲ，所述低压绕组Ⅱ、辅助绕组Ⅲ和高压绕组Ⅰ沿铁芯径向自内向外依次排绕（参见附图1），在空间上辅助绕组离低压绕组近，离高压绕组远；所述辅助绕组Ⅲ采用铜箔绕制，铜箔绕制成的辅助绕组Ⅲ其高度方向不低于低压绕组高度；辅助绕组Ⅲ的容量为变压器容量的20%～30%，辅助绕组Ⅲ的绝缘水平按低压绕组Ⅱ的绝缘水平设计；

所述高压绕组Ⅰ轴向双分裂为第一高压绕组Ⅰ1和第二高压绕组Ⅰ2，第一高压绕组Ⅰ1和第二高压绕组Ⅰ2并联后引出，并联运行（由于第一高压绕组Ⅰ1与第二高压绕组Ⅰ2是并联后引出，故附图2原理图上仅显示1个高压绕组Ⅰ符号）；所述第一高压绕组Ⅰ1和第二高压绕组Ⅰ2均为延边三角形接法，移相为+7.5º或-7.5º；

所述低压绕组Ⅱ轴向双分裂为第一低压绕组Ⅱ1和第二低压绕组Ⅱ2，各自独立引出，即第一低压绕组Ⅱ1和第二低压绕组Ⅱ2独立运行，第一低压绕组Ⅱ1为d接法，第二低压绕组Ⅱ2为y接法；

所述辅助绕组Ⅲ轴向双分裂为第一辅助绕组Ⅲ1和第二辅助绕组Ⅲ2，各自独立接地运行，第一辅助绕组Ⅲ1和第二辅助绕组Ⅲ2均为d接法；

工作时，一台移相为+7.5º的牵引变压器与一台整流器构成一套12脉波整流机组，一台移相为-7.5º的牵引变压器与另一台整流器构成一套12脉波整流机组，两套相角差15º的整流机组并联运行，构成24脉波整流工作方式（参见附图2）。

所述高压绕组、低压绕组和辅助绕组之间的短路电抗关系满足下述关系：

X₁₃+X₂₃≈X₁₂ ，

其中：X₁₂—辅助绕组开路时高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，X₁₃—低压绕组开路时高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，X₂₃—高压绕组开路时低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗。

附注一：设置在高压线圈与低压线圈之间的辅助绕组的电屏蔽原理

由于设置在高压线圈与低压线圈之间的辅助绕组采用高度方向不低于低压绕组高的铜箔绕制，且在低压线圈之外，对低压绕组形成电屏蔽，有效地切断高、低压绕组之间的电容性电磁耦合，避免高次谐波以感应方式通过高压绕组进入电网（谐波次数越高，消除谐波效果越明显）。

现有技术领域的公知常识中;

1. 有一种带d接法平衡绕组（或第三绕组）的变压器（参见附图5），其无法对低压绕组形成电屏蔽作用及完整的磁路屏蔽作用，原因在于：

（1）它的平衡绕组（或第三绕组）设置在铁芯与低压线圈之间，由于没有与高、低压绕组之间的主磁场交链，只与漏磁场交链，产生的感应谐波电流低，仅接地作为3N（N=1,2,3…）(N次谐波电流通路，此类电流产生的感应磁通，将平衡掉铁芯中的3N（N=1,2,3…）谐波磁通，从而消除网侧电压中的3N（N=1,2,3…）次谐波分量；

（2）它的平衡绕组（或第三绕组）通常采用纸包线或漆包线绕制，且线匝或线饼之间有空隙在低压线圈之内，无法对低压绕组形成电屏蔽作用。

2. 有一种在高、低压绕组之间设置地屛的变压器（参见附图6），也无法实现磁路屏蔽，原因在于：

（1）每个铁芯柱上的地屛不闭合，独立接地，三个铁芯柱上的地屛无联系，无法形成闭合回路，不会产生感应谐波电流，去平衡铁芯柱中低压谐波电流产生的谐波磁通；

（2）地屛薄、截面积小，不能承载工作电流，不作为工作绕组，仅能切断高、低压绕组之间的电容性电磁耦合，对低压绕组形成电屏蔽。

附注二：设置在低压线圈与高压线圈之间的辅助绕组磁路屏蔽原理

（一）在三绕组阻抗的星形等效电路中，各支路的等效阻抗为：

Z1=（Z₁₂+Z₁₃-Z₂₃）/ 2 （1），

Z2=（Z₁₂+Z₂₃-Z₁₃）/ 2 （2），

Z3=（Z₁₃+Z₂₃-Z₁₂）/ 2 （3），

Z₁₂=（R1+R2）+JX₁₂ （4），

Z₁₃=（R1+R3）+JX₁₃ （5），

Z₂₃=（R2+R3）+JX₂₃ （6）；

式中：

Z1—高压支路的等效阻抗，Z2—低压支路的等效阻抗，Z3—辅助支路的等效阻抗，

R1—高压绕组的电阻，R2—低压绕组的电阻，R3—辅助绕组的电阻，

Z₁₂—辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路阻抗，

Z₁₃—低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路阻抗，

Z₂₃—高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路阻抗；

（二）对注入低压支路（低压绕组）的某一次谐波电流I_2nf分成两个支路，一路I_1nf流经高压支路（高压绕组，进入电网），一路I_3nf流经辅助支路（辅助绕组），为了使绝大部分的谐波电流不注入电网，辅助支路等效阻抗Z3应尽可能小，使其远小于高压支路等效阻抗Z1，

Z3=（Z₁₃+Z₂₃-Z₁₂）/ 2

=[（R1+R3+JX₁₃）+（R2+R3+JX₂₃）﹣（R1+R2+LX₁₂）] / 2

=R3+J（X₁₃+X₂₃-X₁₂）/ 2 （7）

式中：

X₁₂—为辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，

X₁₃—为低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，

X₂₃—为高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗。

（三）从式（7）可知，要使Z3最小，应使其电抗分量J（X₁₃+X₂₃-X₁₂）/ 2 为零，即

X₁₃+X₂₃=X₁₂ （8）

而变压器绕组间的短路电抗X计算公式如下：

，% （9）

式中：

IW—每相安匝数，∑Dr—漏磁等效面积（cm²），ρ—洛氏系数，Kx—电抗修正系数，Et —匝电势，（V/匝）， Hk—两绕组的平均电抗高（cm）；

其中，∑Dr ∝绕组间的距离，它对短路电抗X的影响远远超过ρ和Kx；

在设计城市轨道交通牵引变压器时，可通过调整各绕组之间的距离大小和其它参数（IW、Et、Hk等）（详见《电力变压器设计手册》）来实现式（8），使 X₁₃+X₂₃≈X₁₂， 此时

Z3≈R3 （10）

（四）将式（4）、（5）、（6）代入式（1）得：

Z1=（Z₁₂+Z₁₃-Z₂₃）/ 2

=[（R1+R2+JX₁₂）+（R1+R3+JX₁₃）﹣（R2+R3+LX₂₃） ] / 2

=R1+J（X₁₂+X₁₃-X₂₃）/ 2 （11）

（五）将式（8）代入式（11）可得：

Z1= R1+J（X₁₃+X₂₃+X₁₃-X₂₃）/ 2

=R1+JX₁₃ （12）

（六）对于城市轨道交通牵引变压器而言，短路阻抗中电阻的成分很小，而且由于电抗与频率成正比，谐波次数越高，效果越明显，即电阻值远小于电抗值： R巜X，所以对高次谐波而言：

Z1≈JX₁₃， （13）

（七）对比式（10）Z3≈R3与式（13），由于R3远小于JX₁₃，故Z3远小于Z1，意味着辅助支路对谐波电流呈通路状态，高压支路（电网支路）对谐波电流呈阻路状态，绝大部分的谐波电流不注入电网，注入辅助绕组，由于电抗与频率成正比，谐波次数越高，消除谐波效果越明显。

其物理意义是，对于新型城市轨道交通牵引变压器，低压绕组的某一次谐波电流在铁芯中产生的谐波磁通∅2nf，将在辅助绕组产生感应谐波电势，由于辅助绕组为d接，是个闭合回路，会产生感应谐波电流，该感应谐波电流在铁芯中产生的谐波磁通∅3nf将平衡∅2nf，从而在铁芯中消除谐波磁通∅2nf部分，使高压绕组中感应的谐波电流接近为零（由于电抗与频率成正比，谐波次数越高，消除谐波效果越明显）。

Claims (2)

1.一种城市轨道交通牵引变压器，包括铁芯（Ⅳ）、高压绕组（Ⅰ）和低压绕组（Ⅱ），其特征在于：

所述低压绕组（Ⅱ）与高压绕组（Ⅰ）之间设置辅助绕组（Ⅲ），低压绕组、辅助绕组和高压绕组沿铁芯径向自内向外依次排绕，在空间上辅助绕组离低压绕组近，离高压绕组远；所述辅助绕组（Ⅲ）采用铜箔绕制，铜箔绕制成的辅助绕组其高度方向不低于低压绕组高度；辅助绕组的容量为变压器容量的20%～30%，辅助绕组的绝缘水平按低压绕组的绝缘水平设计；

所述高压绕组轴向双分裂为第一高压绕组（Ⅰ1）和第二高压绕组（Ⅰ2），第一高压绕组（Ⅰ1）和第二高压绕组（Ⅰ2）并联后引出，并联运行；所述第一高压绕组（Ⅰ1）和第二高压绕组（Ⅰ2）均为延边三角形接法，移相为+7.5º或-7.5º；

所述低压绕组（Ⅱ）轴向双分裂为第一低压绕组（Ⅱ1）和第二低压绕组（Ⅱ2），各自独立引出，即第一低压绕组（Ⅱ1）和第二低压绕组（Ⅱ2）独立运行，第一低压绕组（Ⅱ1）为d接法，第二低压绕组（Ⅱ2）为y接法；

所述辅助绕组（Ⅲ）轴向双分裂为第一辅助绕组（Ⅲ1）和第二辅助绕组（Ⅲ2），各自独立接地运行，第一辅助绕组（Ⅲ1）和第二辅助绕组（Ⅲ2）均为d接法；

工作时，一台移相为+7.5º的牵引变压器与一台整流器构成一套12脉波整流机组，一台移相为-7.5º的牵引变压器与另一台整流器构成一套12脉波整流机组，两套相角差15º的整流机组并联运行，构成24脉波整流工作方式。

2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通牵引变压器，其特征在于：所述高压绕组、低压绕组和辅助绕组之间的短路电抗关系满足下述关系：

X₁₃+X₂₃≈X₁₂，

其中：X₁₂—辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，X₁₃—低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，X₂₃—高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗。

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