CN214377993U

CN214377993U - 一种基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站

Info

Publication number: CN214377993U
Application number: CN202022854801.8U
Authority: CN
Inventors: 李娇; 陈宇超
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2030-12-02

Abstract

本实用新型公开了一种基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站，它的基本组成：三绕组变压器(11，12)，断路器(21，22，23，24)，双母线(31，32)，隔离开关(41，42)，短路环高温超导限流变压器(51，52)。短路环高温超导限流变压器(51，52)的组成：初级线圈，次级线圈，初级铁芯，次级铁芯，YBCO带材和冷却系统。通过切割YBCO带材的方法得到匝数为奇数的短路环。如果短路环的电流比临界电流大，则短路环就会在初级和次级线圈之间建立耦合。本实用新型的技术效果：当发生短路故障时，该基于短路环高温超导限流变压器可以有效地限制故障电流，保护电路；如果三相变压器中的某一相发生短路，可以有效地限制三个相的电流。

Description

一种基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站

技术领域

本实用新型应用于解决牵引供电系统短路电流的技术领域，特别是将短路环高温超导限流变压器应用于牵引供电系统中。

背景技术

城市轨道交通具有线路较短，列车启动频繁，制动减速要求高，以及各条线路互不平交、衔接等特点，提出一种新的牵引供电系统是十分必要的。这种新的牵引供电系统采用20kV电缆与合适的接触网电压等级，采用工频单相交流牵引供电制式。

城市轨道交通牵引供电系统中心牵引变电站的存在使牵引网存在供电死区，带来诸多机电问题，严重制约着机车速度和载荷的提升。同时，中心牵引变电站较复杂，可靠性低，是牵引供电系统的薄弱环节，且中心牵引变电站区域多为事故易发处，严重影响机车的安全运行。

中心牵引变电站规模不断发展建设，短路电流幅值呈现日益增大的趋势，国内已经出现用电集中区域的系统短路电流接近甚至超过现有断路器的额定断开容量，严重影响系统的安全性和可靠性。

超导限流变压器被认为是目前最理想的限流装置之一。超导限流器是基于超导体的零电阻特性和快速转变状态特性发展起来的，是集检测、触发和限流于一体的限流装置。城市轨道交通中心牵引变电站的供电系统具有供电密度高、容量大的特点，且都在大城市，由于土地价格昂贵，其安装空间也紧张。而超导变压器具有体积小、重量轻、损耗低、效率高、阻燃的特殊功效。因此，将超导变压器应用于城市轨道交通牵引供电系统是比较合适的。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提出基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站技术方案，具体如下：

一种基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站，它的基本组成：三绕组变压器11、12，断路器21、22、23和24，双母线31、32，隔离开关41、42，短路环高温超导限流变压器51、52。短路环高温超导限流变压器51、52的组成：初级线圈，次级线圈，初级铁芯，次级铁芯，YBCO带材和冷却系统。

所述的YBCO带材，通过切割YBCO带材的方法得到匝数为奇数的短路环。

所述的短路环，如果短路环的电流比临界电流大，则短路环就会在初级和次级线圈之间建立耦合。

所述冷却系统的组成：液氮冷却泵、真空泵和充满低压液氮的热交换器。

本实用新型的技术效果：当发生短路故障时，该基于短路环高温超导限流变压器可以有效地限制故障电流，保护电路；如果三相变压器中的某一相发生短路，可以有效地限制三个相的电流；利用这些短路环可以将磁通从一个铁芯转移到另一个铁芯；在所有相的初级绕组侧都加上次级线圈，这样就能够在铁芯的两端测量次级侧的电压。

附图说明

图1是中心牵引变电站基本主接线图。

图2是限流变压器的交流磁通图。

图3是限流变压器的原理图。

图4是过冷液氮冷却系统。

图中：11、12为三绕组变压器，21、22、23和24为断路器，31、32为双母线，41、42为隔离开关，51、52为短路环高温超导限流变压器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。

1.整体技术方案

一种基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站，它的基本组成：三绕组变压器11、12，断路器21、22、23和24，双母线31、32，隔离开关41、42，短路环高温超导限流变压器51、52。短路环高温超导限流变压器51、52的组成：初级线圈，次级线圈，初级铁芯，次级铁芯，YBCO带材和冷却系统。如图1和图2所示。

所述的YBCO带材，通过切割YBCO带材的方法得到匝数为奇数的短路环。如图2所示。

所述的短路环，如果短路环的电流比临界电流大，则短路环就会在初级和次级线圈之间建立耦合。如图3所示。

所述冷却系统的组成：液氮冷却泵、真空泵和充满低压液氮的热交换器。如图4所示。

2.三绕组变压器

三绕组变压器的每相有3个绕组，当1个绕组接到交流电源后，另外2个绕组就感应出不同的电势，这种变压器用于需要2种不同电压等级的负载。由于发电厂和变电所通常出现3种不同等级的电压，且用一台三绕组变压器连接3种不同电压等级的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护管理也较方便，所以三绕组变压器在电力系统中应用比较广泛。

三相三绕组变压器通常采用Y-Y-Δ接法，即原、副绕组均为Y接法，第三绕组接成Δ。Δ接法本身是一个闭合回路，可允许同相位的三次谐波电流通过，从而使Y接法的原、副绕组中不出现三次谐波电压。这样它可以为原、副边都提供一个中性点。在远距离输电系统中，第三绕组也可以接同步调相机以提高线路的功率因数。

三绕组变压器有高压、中压、低压三个绕组，每相的三个绕组套在一个铁心柱上，为了便于绝缘，高压绕组通常都置于最外层。升压变压器的低压绕组放在高、中压绕组之间，这样布置的目的是使漏磁场分布均匀，漏抗分布合理，也不会因低压和高压绕组相距太远而造成漏磁通增大以及附加损耗增加，从而保证有较好的电压调整率和运行性能。降压变压器主要从便于绝缘考虑，将中压绕组放在高压与低压绕组之间。根据国内电力系统电压组合的特点，三相三绕组变压器的标准连接组标号有YN，yn0，d11和YN，yn0，y0两种。

容量配置和电压比：三绕组电力变压器各绕组的容量按需要分别规定。其额定容量是指三个绕组中容量最大的那个绕组的容量，一般为一次绕组的额定容量，并以此作为100％，则三个绕组的容量配置有100/100/50、100/50/100、100/100/100三种。三绕组变压器的空载运行原理与双绕组变压器基本相同，但有三个电压比，即高压与中压、高压与低压、中压与低压三个。

3.断路器

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。

断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载、短路或者欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合，而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，断路器已获得了广泛的应用。

当短路时，大电流(一般10至12倍)产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作(电流越大，动作时间越短)。

断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器和外壳等构成，也有电子型的断路器，其使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。

断路器的特性主要有：额定电压U_e；额定电流I_n；过载保护(I_r或I_rth)和短路保护(I_m)的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流(工业用断路器I_cu和家用断路器I_cn)等。

额定工作电压(U_e)：是指断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。

额定电流(I_n)：是指配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值。

4.双母线

在发电厂和变电所的各级电压配电装置中，大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线，这将发动机、变压器与各种电器连接的导线，统称为母线；母线的作用是汇集、分配和传送电能。在运行中，母线承载着极大的电能，在发生短路时，承受着很大的发热和电动力效应，因此，必须合理地选用母线材料、截面形状和截面积以符合安全经济运行的要求。

母线按结构分为硬母线和软母线。硬母线(低压的户内外配电装置)又分为矩形母线和管形母线，矩形母线一般使用于主变压器至配电室内，其特点是施工安装方便，运行中变化小，载流量大，但造价较高。软母线用于室外，因其弹性空间大，即使导线有所摆动也不会造成线间距离不够，且施工简便，造价低廉。

双母线是发电厂、变电站中广泛采用的一种母线方式，这种主接线方式通常是将母联断路器合上使双母线并列运行，这样当一组母线发生短路故障时，母差保护只需要将连接在该组母线上各元件的断路器和母联断路器跳开，而另一段母线仍继续工作。

双母线接线供电可靠，调度灵活，扩建方便，便于设计，但是增加了一组母线，每一回路增加一组母线隔离开关，增加了投资，操作复杂，占地面积增加。

目前，针对双母线主接线的保护配置，在110kV及以下电压等级双母线保护只需配置一套RCS-915AB则可完成对双母线的保护；在220kV及以上电压等级重要电厂、枢纽变电站双母线保护使用两套RCS-915AB，两套RCS-916D，母差保护双重化、断路器失灵的双重化配置。

5.短路环高温超导限流变压器

5.1短路环下的限流变压器的交流磁通的传递

短路环应用在交流情况下，如果超导环的电流比超导环的临界电流大，则超导YBCO环就会在初级和次级线圈之间建立耦合，据此提出的交流磁通互感器单相自限流变压器的方案，该解决方案的优点在于：即使在次级侧没有负载电流，此变压器也能够在只增加初级电流的情况下，打破初级和次级线圈之间的耦合。

单相交流通量传输

可以得到短路环电流

如果

则

该限流变压器主要由初级绕组、次级绕组以及YBCO带材的超导环组成，在所有相的初级绕组侧都加上次级线圈，这样就能够在铁芯的两端测量次级侧的电压，给试验的数据测量带来了方便。由于超导环的存在可以破坏变压器的耦合状态，使得次级侧的电流为0，所以该装置可以用来限制空载电压和故障电流。基于此原理研制出了三相限流变压器的试验模型。

i_sec2(t)L₁为第一相次级侧的电流，i_sec2(t)L₂为第二相次级侧的电流，i_sec2(t)L₃为第三相次级侧的电流。当发生短路故障时，该装置可以有效地限制故障电流，保护电路。该装置的优点在于，如果三相变压器中的某一相发生短路，可以有效地限制三个相的电流。

5.2过冷液氮冷却系统

一个简单的过冷液氮冷却系统。它主要由液氮冷却泵、真空泵和充满低压液氮的热交换器组成。该系统的主要参数是：真空泵抽真空速度为500L/min，热交换器液氮温度为65K，力为155Torr(1Torr≈133Pa)，液氮泵和变压器中的液氮均为1×10⁵Pa，液氮流量为60L/h。它的优点是结构简化、用料省，缺点是不能根据超导系统的温度有效调节输入过冷液氮的流量。

Claims

1.一种基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站，它的基本组成：三绕组变压器(11，12)，断路器(21，22，23，24)，双母线(31，32)，隔离开关(41，42)，短路环高温超导限流变压器(51，52)，其特征在于：短路环高温超导限流变压器(51，52)的组成：初级线圈，次级线圈，初级铁芯，次级铁芯，YBCO带材和冷却系统。

2.根据权利要求1所述的基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站，其特征在于：所述的YBCO带材，通过切割YBCO带材的方法得到匝数为奇数的短路环。

3.根据权利要求2所述的基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站，其特征在于：所述的短路环，如果短路环的电流比临界电流大，则短路环就会在初级和次级线圈之间建立耦合。

4.根据权利要求1所述的基于短路环高温超导限流变压器的中心牵引变电站，其特征在于：所述的冷却系统的组成：液氮冷却泵、真空泵和充满低压液氮的热交换器。