專利名稱：供電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及牽引裝置的供電系統(tǒng)，即向鐵路機車、輕軌車、電車等交通工具提供電力的設(shè)施，該設(shè)施中至少包含一個電機，該電機具有由磁性鐵芯和至少一個繞組構(gòu)成的磁路。
背景技術(shù)：
在電機中的磁路通常包括疊置的鐵心，即由鋼片作成的鐵心，具有焊接結(jié)構(gòu)。為進行通氣或冷卻，該鐵心通常分隔成具有徑向和／或軸向?qū)Ч艿耐L(fēng)道。對于較大電機，疊層片被沖壓成可以固定在電機框架上的扇形片，該疊層鐵心由壓掌和壓環(huán)固定在一起。磁路的繞組配置在鐵心的槽口中，該槽口的橫截面形狀一般為長方形或梯形。
在多相電機中，繞組或者為單層繞組或者為雙層繞組。對于單層繞組，每個槽口僅有一個線圈部分(coil side)，而對于雙層繞組，則每個槽口有兩個線圈部分。所謂線圈部分是指垂直或水平結(jié)合在一起的具有公用線圈絕緣層的一個或多個導(dǎo)線，該絕緣層被設(shè)計成可承受電機對地的額定電壓。
雙層繞組一般作成菱形繞組，而在本文的單層繞組作成菱形的或平的繞組。在菱形繞組中僅有一個(可能兩個)線圈寬度，而平繞組被作成為同心繞組，即具有變化大的線圈寬度。所謂線圈寬度是指屬于同一線圈的兩個線圈部分之間的弧度尺寸。
所有大型電機通常具有雙層繞組和同樣尺寸的線圈。各個線圈的一部分配置在一層中，而另一部分配置在另一層中。這意味著所有線圈在線圈端部彼此交叉。如果超過兩層，則這種交叉使繞線操作復(fù)雜化，而且線圈端頭不太令人滿意因為歷史原因，已提出許多用于鐵道運輸?shù)木哂胁煌妷汉皖l率的供電系統(tǒng)。一當(dāng)在某個地區(qū)建起一種系統(tǒng)，再將這種系統(tǒng)改變成另一種系統(tǒng)將需要巨大投資，而且還會干擾鐵路運營。原理上有三種配送電壓的標準方案直流電壓系統(tǒng)、市電頻率交流電壓系統(tǒng)和低頻交流電壓系統(tǒng)。這意味著，很多牽引運輸工具(機車和電力車)和輕軌客車必須配備一種以上的配電系統(tǒng)。今天在不同國家之間已經(jīng)有用于直運的機車和輕軌車，這些車可以使用不同的供電系統(tǒng)和／或同一供電系統(tǒng)內(nèi)的變型系統(tǒng)。
軌道運輸所用電能可以取自一般配電網(wǎng)，也可取自鐵道自營的發(fā)電廠。供電系統(tǒng)配置取決于供電是交流電壓還是直流電壓而不同。在直流供電情況，需要整流站，以便將市電配電網(wǎng)輸送的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。這些整流站在沿鐵路線的某些位置提供直流電壓。在用市電頻率(50或60Hz)的交流供電的情況下，需要在某些位置設(shè)置互感器濾波器，以防止機車的硅可控整流器運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的諧波進入到市電電力系統(tǒng)，還需設(shè)備平衡牽引負載的裝置。采用特殊的變壓器接線例如斯柯特接線法可以將三相變換成兩相。這種接線的缺點是它需要很多繞組和很大的鐵心質(zhì)量。另外的缺點是市電頻率供電系統(tǒng)其輸電能力較低，而且與低頻系統(tǒng)相比其感應(yīng)損耗高，并且牽引負載產(chǎn)生進入饋電網(wǎng)路的干擾。在用低頻交流電(162／3或25Hz)供電的情況下，需要轉(zhuǎn)換器站，以轉(zhuǎn)換市電配電網(wǎng)電壓的市電頻率，或需要特定的低頻交流電發(fā)電站和特定的低頻交流電配送網(wǎng)路。
最初選擇直流電壓供電，因為可以利適用的其控制簡單的馬達，即串聯(lián)激勵的直流馬達。過去采用轉(zhuǎn)動變流器或水銀整流器將之相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，但是在今天通常用6或12－脈沖繼電器進行這種轉(zhuǎn)換。
直流電壓系統(tǒng)的優(yōu)點是電流可以直接加在直流馬達上。在運輸裝置上不需要笨重的變壓器將電壓降低，和用交流電壓的情況不相同。因此用直流供電的運輸裝置價格比較低而且易于制造。從安全方面看，低直流電壓是更安全的(例如用在地鐵中，在地鐵中有時采用裸露的電力匯流條)。
用直流電壓工作的缺點主要是電壓低，這意味著電流，因而電壓降和損耗相當(dāng)大。這樣必須采用大的導(dǎo)電面積和相隔很近的整流器站(每站之間距離通常小于10km)。這導(dǎo)致高成本裝置。在高功率例如高速交通線上這種缺點是特別明顯的。大功率的整流器必須相隔很近，而且該整流站只在列車經(jīng)過上述供電站的短時間內(nèi)才工作。另一缺點是短路電流極大。
在牽引馬達用市電頻率(50或60Hz)之前，第一個交流電壓系統(tǒng)是用低頻電壓(15－162／3或25Hz)。在這種系統(tǒng)中應(yīng)用很久的這種牽引馬達是單相串聯(lián)整流式馬達，又稱單相牽引馬達。這種馬達的工作很像直流馬達，只是場電流和轉(zhuǎn)子電流每半周轉(zhuǎn)向一次，因為它用交流供電。為使整流不產(chǎn)生過電壓或電弧，一定得選擇低頻和低速馬達。與市電頻率相比，低頻交流電壓的優(yōu)點是具有更好的電力傳輸能力。
與直流系統(tǒng)相比，交流系統(tǒng)的主要優(yōu)點是交流電壓可以變壓(雖然在現(xiàn)在采用所謂交流變換器可變壓直流電壓)。因而可在架空導(dǎo)線上相對于馬達的操作電壓保持相當(dāng)高的電壓。由于在架空導(dǎo)線上的電壓高，所以電流低，具有更好的電力傳輸能力，在線網(wǎng)上的損耗也低。因而供電站可以相隔較遠的距離(30－120km)。然而其缺點是，牽引馬達很大，控制技術(shù)比較復(fù)雜。
另一個缺點是需要頻率轉(zhuǎn)換器，在該轉(zhuǎn)換中，通常應(yīng)用馬達發(fā)電機，即驅(qū)動單相162／3Hz同步發(fā)電機的大體50Hz同步馬達。對于非同步連接，50Hz馬達／發(fā)電機是非同步的，特殊的轉(zhuǎn)子由很低頻的交流供電(Scherbius機)。電力可沿兩個方向輸送。馬達的極三倍于發(fā)電機的極。轉(zhuǎn)動變流器作成可用于相當(dāng)?shù)偷念~定電壓(6KV)，從而可避免采用很強的絕緣層。因此在變流器的前面和后面均需要變壓器。在同一設(shè)施中，若干變流器通常是并聯(lián)操作的。
轉(zhuǎn)動變流器可以是同步的或非同步的，它可以產(chǎn)生無效功率，這些無效功率可以補償在架空導(dǎo)線網(wǎng)和運輸裝置中產(chǎn)生的無效功率損耗。轉(zhuǎn)動變流器還在市電配電網(wǎng)和架空導(dǎo)線系統(tǒng)之間形成電分離。利用轉(zhuǎn)動變流器可將無效功率輸送到市電配送網(wǎng)上。
轉(zhuǎn)動變流器的主要缺點是，大型同步／非同步電機的啟動很費時，而且使其達到同步很復(fù)雜。它一定要能夠滿足對電力的突發(fā)需求。因此該電機在無任何負載時必須運轉(zhuǎn)，以作預(yù)備，或者用較低功率進行長時間運行。另一缺點是能耗，這種能耗部分是由無負載時的上述操作造成的。
在新的裝置中，轉(zhuǎn)動變流器已由固定式轉(zhuǎn)換器替代。固定式變流器可以產(chǎn)生無效功率，該無效功率可以補償架空懸吊導(dǎo)線引起的無效功率損失。然而，不管是在三相側(cè)還是在兩相側(cè)諧波均是較高的。另外，固定式變流器不能產(chǎn)生可以補償電感負載引起的電壓降的無效功率。
從上面可以清楚看出，電氣化鐵路所用的各種系統(tǒng)均很復(fù)雜，而且費用大。
用常規(guī)定子繞組的上述電機不用變壓器降低電壓便不能連接于高壓電網(wǎng)，例如150KV的電網(wǎng)。在這種方式即通過變壓器連接于高壓電網(wǎng)的方式應(yīng)用馬達與可以直接連接于高壓電網(wǎng)的馬達相比引起許多缺點。其中可以列出以下缺點變壓器價格高，增加了供電成本，并占用空間；變壓器降低了系統(tǒng)效率；變壓器消耗無效功率；常規(guī)變壓器包含油，由此造成有關(guān)的危險；涉及敏感操作，因為馬達經(jīng)變壓器反抗較弱的電網(wǎng)工作。
本發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種用于電氣化鐵路運營等的供電系統(tǒng)及其部件，這種系統(tǒng)和部件可以解決此領(lǐng)域內(nèi)先有技術(shù)系統(tǒng)固有的問題。
本發(fā)明提供一種如權(quán)利要求1、2、6、9、11、17、18或19中任一項要求所述的供電系統(tǒng)，上述各個權(quán)利要求具有同樣的特征部分。
本發(fā)明基于用于制造電機、馬達、發(fā)電機、變壓器等的特殊技術(shù)，在這些電裝置中，電繞組以一種特殊方式用于絕緣制造。這種技術(shù)使得可以除去變壓器和／或變壓器結(jié)構(gòu)，而沒有上述常規(guī)變壓器固有缺點。
在單一的整套裝置中，供電系統(tǒng)包括各種形式的電機，該系統(tǒng)配置成可將配電網(wǎng)的電力輸送到大體由架空懸吊線構(gòu)成的牽引供電線上。該系統(tǒng)自然還包括一個或多個與常規(guī)電機聯(lián)用的這種特殊電機。
本發(fā)明涉及的那種電機可以是變壓器或用作轉(zhuǎn)換器的馬達發(fā)電機。這些選擇對象當(dāng)然可以聯(lián)用。
本發(fā)明的供電系統(tǒng)和部件可適合不同鐵路系統(tǒng)的要求，經(jīng)過適當(dāng)改型，本系統(tǒng)和部件可用于外部供電的鐵路系統(tǒng)，或用于具有自身發(fā)電系統(tǒng)的鐵路系統(tǒng)，還可用于具有不同電壓水平和不同頻率的鐵路系統(tǒng)。用于交流和直流兩種系統(tǒng)以及用于同步和非同步馬達操作兩種操作。
在變壓器是必需的情況下，本發(fā)明的目的是采用一種電纜制造變壓器，這種電纜的型式與包含于本設(shè)施中其它電機的電纜相同，并且以相當(dāng)于該電機的制造方式進行制造。
滿足上述目的后所得到的優(yōu)點是不用居間的充油變壓器，這種變壓器的元功電阻以別的方式消耗無功功率。優(yōu)點還有電網(wǎng)質(zhì)量得到提高，因為存在轉(zhuǎn)動補償。按照本發(fā)明的設(shè)施，過載量可以增加到例如100％。控制區(qū)域大于現(xiàn)有工藝。
為達到這一點，裝在設(shè)施中的至少一個電機中的磁路和其導(dǎo)線采用螺旋形的耐久的包含接地的絕緣電纜形成。
已知工藝和本發(fā)明實施例之間的主要的基本差別是，利用包含于供電設(shè)施的至少一個電機中的磁路來達到本發(fā)明的實施例，該電機可通過斷路器和絕緣件直接連接于電壓達到20－800KV之間的最好高于36KV的高壓供電線路。磁路包括一個或多個疊層鐵心以及螺旋形電纜構(gòu)成的繞組，該電纜具有一個或多個持久絕緣層的導(dǎo)線以及在該導(dǎo)線側(cè)和絕緣層外側(cè)的半導(dǎo)體層，該外部半導(dǎo)體層連接于地電位。
為解決直接將電機不管是轉(zhuǎn)動電機還是固定式電機連接于各種高壓供電網(wǎng)所引起的問題，本發(fā)明設(shè)施中的至少一個電機具有許多上述的顯著不同于上述工藝的特征。在附屬的權(quán)利要求書中確定外加的特征和其它實施例，下面將討論這些外加特征和其它實施例。
本發(fā)明的供電設(shè)施和包括于該設(shè)施中的至少一個電機的上述特征以及其它特征如下用一種電纜制造磁路用繞組，該電纜具有一個或多個用兩個半導(dǎo)體層永久絕緣的導(dǎo)線，一個半導(dǎo)體層包圍絞合線，另一個半導(dǎo)體層構(gòu)成外包層。這種類型的某些典型導(dǎo)線具有交聯(lián)聚乙烯或乙丙橡膠的絕緣層。為此目的可以在導(dǎo)線的絞合線和外包層的特性方面進一步開發(fā)導(dǎo)線；橫截面為圓形的電纜是最好的，但也可以應(yīng)用橫截面為其它形狀的電纜，以便獲得例如更好的封裝密度；這種電纜使得可以按照本發(fā)明以新穎和優(yōu)化方式設(shè)計疊層鐵心的槽口和齒；繞組最好逐步地由絕緣層形成，以便最好地利用疊層鐵心；繞組最好作成為多層的同心電纜繞組，因而可以減少線圈端頭相交的數(shù)目。
槽口設(shè)計適合于繞組電纜的橫截面積，使得槽口形成為許多圓筒形開孔，該開孔沿軸向和／或徑向彼此外側(cè)地延伸，并具有位于電樞繞組層之間的開口腰部；槽口設(shè)計可以根據(jù)相關(guān)電纜橫截面積和繞組的梯形絕緣層進行調(diào)節(jié)。該梯形絕緣層使得磁性鐵心具有大體恒定的齒寬度，而不管徑向延伸程度；絞合線的上述進一步發(fā)展要求繞組導(dǎo)線由許多嵌入的層即絕緣絞合線構(gòu)成，從電機的觀點看，不必要使該絞合線正確地交叉，或不必要使其彼此不絕緣和／或彼此絕緣；上述外包層的進一步發(fā)展要求在沿導(dǎo)線長度的適當(dāng)位置切開外包層，使各個切開的部分長度直接連接于地電位或類似的選擇電位。
應(yīng)用上述類型的電纜可以使繞組的外部半導(dǎo)體層的整個長度以及設(shè)施的其它部分保持在地電位。重要的優(yōu)點是，在外部半導(dǎo)層外側(cè)的線圈端部區(qū)域內(nèi)電場接近于零。用外層作地電位便不需要控制電場。這意味著，不管是在鐵心中，在線圈端部區(qū)域中，還是在它們之間的過渡區(qū)中均不產(chǎn)生任何場集中。
混合絕緣的嵌入絞合線和／或不絕緣的嵌入絞合線，或交叉的絞合線可導(dǎo)致較低的雜散損耗。
用于磁路繞組的高壓電纜由具有許多絞合線的內(nèi)部心線導(dǎo)線、至少一個半導(dǎo)體層，最內(nèi)部的半導(dǎo)體層由一絕緣層包圍，該絕緣層又由外部的半導(dǎo)體層包圍，該外部半導(dǎo)體層的外直徑約為10～250mm，導(dǎo)電面積約為40～3000mm2。
按照本發(fā)明的特別優(yōu)選實施例，至少其中兩層，最好所有三層均具有同樣的熱膨脹系統(tǒng)，這樣便得到?jīng)Q定性的好處，即在繞組發(fā)生熱運動時可以防止出現(xiàn)損傷、裂紋等。
因為設(shè)計了比較持久的絕緣系統(tǒng)，使得從熱學(xué)和電學(xué)觀點看，它的尺寸被定為適用36KV以上的導(dǎo)線電壓，所以該系統(tǒng)可以連接于高壓電網(wǎng)而不需要任何中間降壓變壓器，因此獲得上述優(yōu)點。
本發(fā)明的上述的和其它的有利實施例確定于附屬的權(quán)利要求書。
附圖的簡要說明下面參考附圖詳細說明優(yōu)選的但不是限制性的實施例，由此可以更詳細地描述本發(fā)明，這些附圖是圖1是示意端視圖，示出本發(fā)明設(shè)施中電機定子的扇形部分；圖2是端視圖，示出圖1所示定子繞組中所用的逐級剝開的電纜；圖3是供電系統(tǒng)的示意電路圖，該供電系統(tǒng)包括本發(fā)明的變壓器繞組；圖4是供電系統(tǒng)的示意電路圖，該供電系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)動變流器裝置；圖5是圖4所示供電系統(tǒng)的替代實施例；圖6是具有轉(zhuǎn)動變流器裝置的供電系統(tǒng)的另一實施例；圖7是圖6所示供電系統(tǒng)的替代實施例；圖8是具有轉(zhuǎn)動變流器裝置的供電系統(tǒng)的又一實施例；圖9示出常規(guī)供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括濾波和負載平衡裝置；圖10示出適合于取代圖9系統(tǒng)的本發(fā)明的實施例；圖11是線路圖，更詳細示出圖10的實施例；圖12是利用電流增強變壓器(current booster transformer)的本發(fā)明的實施例；圖13是包括固定式變流器的實施例。
優(yōu)選實施例的說明在圖1的示意端視圖中示出轉(zhuǎn)動型電機的定子1的扇形部分，該電機包含在本發(fā)明的供電設(shè)施中，圖中還未出電機的轉(zhuǎn)子2。定子1由常規(guī)的疊層鐵心組成。圖1示出對應(yīng)于一個極距的電機扇形部分。許多齒4從鐵心的軛部分徑向向轉(zhuǎn)子2延伸，該齒由其中配置定子繞組的槽口5分開。構(gòu)成定子繞組的電纜6是高壓電纜，這種電纜與配電系統(tǒng)中用的電纜基本上是為同一種電纜，例如為PEX電纜。一個差別是去掉機械保護外包層和通常包圍這種配電電纜的金屬屏蔽層，使得本發(fā)明應(yīng)用的電纜只包括導(dǎo)線和絕緣層兩則各有的至少一層半導(dǎo)體層。因此半導(dǎo)體層裸露于電纜表面。
圖1例示出電纜6，圖中僅畫出各個電纜部分或線圈部分的中心導(dǎo)電部分。如圖所示，各個槽口5具有變化的橫截面以及交替的寬部分7和細腰部分8。寬部分基本上是圓形的，包圍電纜。其間的細腰部分8用于固定各個電纜的位置。槽口5的橫截面還徑向向內(nèi)變窄。這是因為電纜的位置越靠近定子1的徑向內(nèi)部，該電纜上的電壓越低。因此在靠近內(nèi)側(cè)可以用較細的電纜，而在靠近外側(cè)則需要用較粗的電纜。在例示的例子中，采用三種不同尺寸的電纜，分別配置在槽口5的三個相應(yīng)不同尺寸的槽口部分51、52和53內(nèi)。
圖2示出高壓電纜的梯狀剝開的高壓電纜端視圖，該電纜用于裝在本發(fā)明供電設(shè)施中的電機中。高壓電纜(6)包括一個或多個導(dǎo)線31，各個導(dǎo)線包括許多絞合線36，這些絞合線一齊形成例如Cu的圓形橫截面。這些導(dǎo)線配置在高壓電纜6的中部，并且在所示實施例中由局部絕緣層35包圍。然而在其中一根導(dǎo)線31上省去絕緣層35也是可行的。在本發(fā)明的此實施例中，導(dǎo)線31一齊由第一半導(dǎo)體層32包圍。圍繞此第一半導(dǎo)體層32的是絕緣層33例如PEX絕緣層，該絕緣層又由第二半導(dǎo)體層34包圍。因此本發(fā)明電纜不需要包括通常包圍配電系統(tǒng)用電纜的那種金屬屏蔽層或外包層。
上面說明的用于轉(zhuǎn)動電機的用電纜6形成的磁路也適用于固定式電機例如變壓器、電抗器繞組等。其繞組由圖2所示電纜形成的變壓器在本文中稱作“本發(fā)明變壓器”。從設(shè)計和制造觀點看可以得到以下重要優(yōu)點可以繞制變壓器繞組，而不必考慮任何電場分布，因此在已知工藝中成問題的部分交叉是不需要的；可以設(shè)計變壓器鐵心而不用考慮電場分布；不需要用油作電纜和繞組的電絕緣，相反，電纜和繞組可以由空氣或不易燃的或耐火的液體包圍；不用油極大減小了本發(fā)明變壓器起火和爆炸的危險，因此不需要防火墻。
不需要特別的具有處理漏油裝置的機座；變壓器易于制造，能夠承受地震；由于變壓器能承受短路，所以變壓器可以更加簡易地作成剛性連接；變壓器的噪聲低，較干凈，維護較少；和充油變壓器不同，在變壓器的外部接頭和其中的線圈／繞組之間不需要任何特殊的引線作電連接；用于本發(fā)明變壓器及磁路的制造和測試工藝，如上所述，與常規(guī)變壓器／電抗器所需的工藝相比相當(dāng)簡單。
應(yīng)用具有上述類型磁路的電機可使向牽引馬達的供電大為簡化和更為有效。
下面說明的本發(fā)明的某些實施例包括轉(zhuǎn)動變流器，該變流器具有至少一個用圖2例示導(dǎo)線形成的繞組，在本文中稱作“本發(fā)明的轉(zhuǎn)動變流器”。轉(zhuǎn)動變流器可以包括由公用軸連接的馬達和發(fā)電機，或者可以包括具有馬達和發(fā)電機兩種功能的單一電機，如德國專利372390、386561和406371所述。該馬達和發(fā)電機可以分別是同步的或不同步的，轉(zhuǎn)動變流器的功能是轉(zhuǎn)換電壓、相數(shù)和／或供電頻率。對于市電頻率鐵路供電系統(tǒng)，變流器可以是相變流器，如Lueger的“Lexicon der Technik”(Deutscher Verlags－Anstalt Stuttgar，Band2，P395)所述，這種變流器也構(gòu)成單一電機。這種電機在定子和鼠籠式轉(zhuǎn)子中包括兩相繞組和三相繞組。
在圖3～7的各個圖中，已知先有技術(shù)供電系統(tǒng)示于圖的左側(cè)，為便于比較，本發(fā)明的實施例示于右側(cè)。
圖3示出典型的市電頻率(50或60Hz)系統(tǒng)。三相高壓送電線40向鐵路沿線若干位置例如41、42的變電站供電。變電站分別從三相送電線中的兩相接收電能。各變電站聯(lián)接不同相，以平衡負載。(如變電站41用A－B相、站42用B－C相，而相鄰站(未示出)用C－A相等)。各個變電站包括高壓開關(guān)設(shè)備43、兩個變壓器44、45和高壓或中壓開關(guān)設(shè)備46(雖然每站一個變壓器已足夠)。在每兩個變電站之間的開關(guān)設(shè)備47使得架空懸吊線部分48、49可以彼此連接。在圖示的具有復(fù)線的結(jié)構(gòu)中，由圖相變電站供電的兩根架空懸吊線在此中心點通?？梢赃B接在一起。在大多數(shù)情況下，在兩個不同相變電站之間的架空懸吊線不能進行連接，因為它們連接于市電網(wǎng)的不同相，這種連接將造成不穩(wěn)定的狀態(tài)。這種系統(tǒng)的缺點是，機車不能由架空懸吊線的兩端供電。因此變電站彼此必須靠得很近，通常相隔30km。在先有技術(shù)變電站41中的變壓器是油絕緣的，因此對環(huán)境是一種威脅。萬一發(fā)生火災(zāi)，大量變壓器油也是很危險的。因此必需定期檢查變壓器，防止漏油。如果其它設(shè)備靠近變壓器，在變壓器下面的空間一定要受到保護，以便在萬一發(fā)生漏油時油不會著火。通常在變壓器44周圍圍一層混凝土墻，以保護其不受到損害。如果變壓器靠近其它設(shè)備或放在建筑物內(nèi)，則通常要在變壓器周圍建防火墻，以便萬一變壓器油燃起來時可以保護其它設(shè)備。在變壓器附近還需要配置滅火設(shè)備。
與此相反，本發(fā)明的變壓器45其中不包括任何可以滲漏到外邊的流體。另一優(yōu)點是，萬一發(fā)生火災(zāi)，火勢也不會太猛。變壓器45可以放置在更簡易的機座上即混凝土承座上。
圖4示出典型的低頻系統(tǒng)。三相高壓送電線40向位于鐵路沿線若干位置的頻率轉(zhuǎn)換器站例如51、52供電。在各個轉(zhuǎn)換器站，三相市電頻率高壓首先降壓到中壓。然后將三相中壓轉(zhuǎn)換成單相低頻中壓。已知頻率轉(zhuǎn)換器53可以是固定式的(如圖所示)或轉(zhuǎn)動式的。在變壓器的高壓側(cè)、變壓器和轉(zhuǎn)換器之間以及在變換器的低頻側(cè)有開關(guān)設(shè)備。固定式轉(zhuǎn)換器是一種將中壓變換成六相低壓的轉(zhuǎn)換器變壓器。這種轉(zhuǎn)換器變壓器偶爾可以直接由高壓開關(guān)設(shè)備供電。在兩個轉(zhuǎn)換器站之間的架空懸吊線上有開關(guān)設(shè)備，這種開關(guān)設(shè)備可使架空懸吊線部分彼此連接，并使這些部分同步。這種系統(tǒng)與市電頻率系統(tǒng)相比的優(yōu)點是，機車可以由架空懸吊線的兩端供電。因此轉(zhuǎn)換器站可以隔開較遠，通常為50～100Km。
示于圖4右側(cè)的轉(zhuǎn)動變流器54是本發(fā)明的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是，轉(zhuǎn)動變流器54可以直接連接于高壓開關(guān)設(shè)備55，不用任何中間變壓器或中間開關(guān)設(shè)備。即使架空懸吊線的電壓高于25KV，在中壓側(cè)也不需要任何變壓器。
然而在三相送電線40和轉(zhuǎn)動變流器54之間設(shè)置變壓器也是必要的和經(jīng)濟的。圖5示出包括這種變壓器56的替代系統(tǒng)，該變壓器是本發(fā)明的變壓器。
圖6示出在瑞典用的典型的低頻系統(tǒng)。三相高壓供電線40向位于鐵路沿線關(guān)鍵位置的頻率轉(zhuǎn)換站例如61、62供電。在該轉(zhuǎn)換器站，首先將三相市電頻率的高壓用變壓器62降低到中壓。然后用固定式頻率轉(zhuǎn)換器63將三相中壓變成單項低頻中壓。
隨后將低頻單相電壓連接于架空懸吊線64，但仍采用變壓器65變成高壓即132KV。將此較高的電壓輸送到變壓器站，在該站將電壓再降中壓，并連接于架空懸吊線。在變壓器62的高壓側(cè)、在變壓器62和轉(zhuǎn)換器63之間、在轉(zhuǎn)換器63的低頻側(cè)以及在單相變壓器65的高壓側(cè)設(shè)置開關(guān)設(shè)備。在轉(zhuǎn)換器站之間的變壓器站在變壓器的高壓側(cè)有高壓開關(guān)設(shè)備，而在變壓器的另一側(cè)具中壓開關(guān)設(shè)備。
這種系統(tǒng)與市電頻率系統(tǒng)相比的優(yōu)點是，機車仍可以由架空懸吊線的兩端供電。另一優(yōu)點是，將高壓輸送到轉(zhuǎn)換器站之間的變壓器站使得可以減小轉(zhuǎn)換器站的數(shù)目。應(yīng)用較高的傳輸電壓(瑞典為132KV)導(dǎo)致更有效的電力傳輸。因此可以減小安裝轉(zhuǎn)換器容量的總量。這樣每兩個轉(zhuǎn)換器站之間的距離可以更大，通常為300～400Km。對于16．5kV，162／3kV系統(tǒng)(瑞典)，變壓器站配置在約每隔20～40km的地方。
圖6右手側(cè)示出本發(fā)明的轉(zhuǎn)動變流器66，該變流器位于高壓開關(guān)設(shè)備67和中壓開關(guān)設(shè)備68之間。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是，轉(zhuǎn)動變流器66可以直接連接于高壓開關(guān)設(shè)備67，不用任何中間變壓器。
圖7示出從圖6的系統(tǒng)變化而來的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，本發(fā)明的轉(zhuǎn)動變流器包括具有兩個輸出的發(fā)電機，它可向懸吊線64和高壓低頻線70供電。
圖8的右手側(cè)示出德國、奧地利、瑞士和美國的Amtrak用的典型低頻系統(tǒng)。三相高壓送電線40向位于鐵路沿線關(guān)鍵位置的頻率轉(zhuǎn)換器站即80送電。在該轉(zhuǎn)換器80首先將三相市頻高壓降低至中壓。然后將三相中壓轉(zhuǎn)換成單相低頻中壓。頻率轉(zhuǎn)換器可以是固定式的(如圖所示)或轉(zhuǎn)動式的。然后將低頻單相電壓升至高壓即138kV。將這種較高的電壓傳輸?shù)阶儔浩髡纠?1，對于11kV25Hz系統(tǒng)(在美國)沿轉(zhuǎn)換器之間的鐵路線每隔10公里配置該變壓器81，或每隔20－40km(在瑞典)配置。在這些變壓器站，將電壓再降至中壓，然后連接于架空懸吊線82。在變壓器83的高壓側(cè)、在變壓器83和轉(zhuǎn)換器80之間、在轉(zhuǎn)換器80的低頻側(cè)以及在單相變壓器84的高壓側(cè)配置開關(guān)設(shè)備。
轉(zhuǎn)換器站之間的變壓器站81在其變壓器85的高壓側(cè)具有高壓開關(guān)設(shè)備，而在變壓器85的另一側(cè)具有中壓開關(guān)設(shè)備。此系統(tǒng)具有圖6和7所示系統(tǒng)的全部優(yōu)點。
按照示于圖8左側(cè)的本發(fā)明實施例，本發(fā)明的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器86連接在高壓開關(guān)裝置和中壓開關(guān)裝置之間。此系統(tǒng)的優(yōu)點是，轉(zhuǎn)動變流器86可以直接連接于高壓開關(guān)設(shè)備，不用任何中間變壓器或中間開關(guān)設(shè)備，并可以直接連接于高壓低頻開關(guān)設(shè)備，不用任何中間變壓器或中間開關(guān)設(shè)備。變壓器85是本發(fā)明的變壓器。
圖9示出市電頻率系統(tǒng)的公知原理，該系統(tǒng)需要濾波系統(tǒng)90及負載平衡系統(tǒng)91，以便平衡負載和減小進入市電供電網(wǎng)的干擾?？梢詰?yīng)用自耦變壓器92來提高沿架空懸吊線93的電壓。由于應(yīng)用自耦變壓器，所以減小了對其它系統(tǒng)的干擾。架空懸吊線通常是分段的，這降低了輸送能力。
圖10示出，具有本發(fā)明轉(zhuǎn)動變流器95的系統(tǒng)不需要圖9所示的濾波器和負載平衡裝置，而且可使架空懸吊線同步，并將供電站連接在一起?？梢栽诤艽蟮姆秶鷥?nèi)選擇轉(zhuǎn)動變流器95的輸出電壓和頻率。對于市電頻率鐵路系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動變流器最好包含Lueger的“Lexicon derTechnik”中所述的相轉(zhuǎn)換器。
圖11是示意電路圖，更詳細示出自耦變壓器原理。自耦變壓器既可用在市電頻率系統(tǒng)中，又可用在低頻系統(tǒng)中，自耦變壓器之間的間距不很遠，例如5～20km。這些變壓器包括油，通常為5000kg，而且可能漏油，起火，這些對環(huán)境都是不利的。
連接于高壓或中壓開關(guān)設(shè)備的自耦變壓器100是本發(fā)明的自耦變壓器，其中不包含任何可滲漏到外面的流體。任何可能發(fā)生的火災(zāi)不會太猛裂，而且自耦變壓器100可以放在相當(dāng)簡易的機架例如混凝土承座上。
送入機車的電流僅通過架空懸吊線傳送。然而回流電流可能流過以下若干可能路徑流過鐵軌；經(jīng)鐵軌的任何位置流入地；經(jīng)過連接于鐵軌的地線；通過地中的金屬例如電纜屏蔽層、管子、欄柵等泄漏；流通與架空懸吊線平行的回流電流導(dǎo)線。
在大多數(shù)情況中，特別是在居民區(qū)用回流電流導(dǎo)線是最好的，因為大電流流過例如燃氣管是很危險的。這樣電流既流過回流導(dǎo)線，又流過它可能的電流路徑。
如果應(yīng)用交流系統(tǒng)，可以用變壓比為1∶1的電流增強變壓器。這樣可迫使回流導(dǎo)線上的回流電流與架空懸吊線上的電流相同。這種變壓器通常稱作電流增強變壓器。這種變壓器可以用在具有或不具有回流電流導(dǎo)線的系統(tǒng)中。
具有自耦變壓器的系統(tǒng)不僅用來防止有害的回流電路，而且這種系統(tǒng)還具有較高的傳輸能力。該系統(tǒng)具有電壓的負反饋線路，該電壓與架空懸吊線上電壓相位相差180°角。該變壓器連接在兩個反饋線路之間，而其繞組中心連接于鐵軌。
圖12示出本發(fā)明的實施例，該實施例包括本發(fā)明的電流增強變壓器110。該電流增強變壓可用在市電頻率系統(tǒng)和低頻系統(tǒng)兩種系統(tǒng)上。電流增強變壓器之間的間距不太大，例如為2～5km。已知的電流增強變壓器包含油，通常約560kg，而且可能漏出、起火，這對環(huán)境都是不利的。本發(fā)明的電流增強變壓器其內(nèi)部不包含可能漏到外面的任何流體。另外的優(yōu)點是，即使發(fā)生火災(zāi)，火也不會太猛烈。
圖13是典型的固定式轉(zhuǎn)換器裝置。在此裝置中有兩個本發(fā)明的變壓器T1和T2。在已知系統(tǒng)中也采用圖13的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含用油絕緣的變壓器。而變壓器T1、T2中不包括可以滲漏到外邊的任何流體。任何發(fā)生的火災(zāi)也不會太猛烈，而且變壓器T1和T2可以放在更簡易的機架即混凝土承座上。
本發(fā)明不限于上述參照


的系統(tǒng)，而且包括屬于權(quán)利要求書范圍內(nèi)的類似系統(tǒng)。
絕緣層33通常包括固體熱塑性材料，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、交聯(lián)材料例PEX，或橡膠絕緣體例如乙丙橡膠或硅橡膠。半導(dǎo)體層32、34包括與絕緣層33相同的材料，但其中具有嵌入的導(dǎo)體粒子例如碳黑、煙垢或金屬粒子。
雖然電絕緣層可以被擠壓就位，但也可以用薄膜或板形材料的緊卷疊置層形成電絕緣系統(tǒng)。半導(dǎo)體層和電絕緣層均可用這種方式形成。絕緣系統(tǒng)可以用完全合成膜形成，內(nèi)、外半導(dǎo)體層或部分采用例如其中嵌入導(dǎo)電粒子如碳黑或金屬粒子的PP、PET、LDPE或HDPE的聚合物薄膜形成，而絕緣層或部分位于該半導(dǎo)體層或部分之間。
在重疊理論中，相當(dāng)薄的薄膜其對接縫小于所謂Paschen最小，因此不需要液體浸漬。干的繞卷的多層薄膜絕緣層也具有很好的熱特性。
電絕緣系統(tǒng)的另一個例子類似于常規(guī)的基于纖維素的電纜，其中在導(dǎo)線上繞卷上薄有纖維素紙或合成紙或無織造材料。在這種情況下，在絕緣層兩側(cè)的半導(dǎo)體層可以用絕緣材料纖維作的其中嵌入導(dǎo)電粒子的纖維素紙或無織造材料形成。而絕緣層可以用同樣材料制作，或者也可采用其它材料。
可以將薄膜和纖維絕緣材料制作成層制品或重疊在一起的制品，采用這種層制或重疊方法可得到絕緣系統(tǒng)的另一例子。這種絕緣系統(tǒng)的例子是市場上可買到的所謂紙—聚丙烯層制品，PPLP，但也可以采用其它一些薄膜和纖維部分相結(jié)合的制品。在這些系統(tǒng)中可以用例如礦物油進行不同的浸漬。
權(quán)利要求
1．一種牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，包括一三相高壓送電線、一變壓器站和一由該變壓器站供電的牽引系統(tǒng)供電線，該變壓器站連接于三相送電線中的兩相，或連接于一對稱裝置，該對稱裝置可將三相轉(zhuǎn)換成兩相(例如斯柯特接線法)，該變壓器具有包含一繞組的變壓器，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個半導(dǎo)體層和上述兩個半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成，各個半導(dǎo)體層提供了一大體等位的表面。
2．一種牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，包括一三相高壓送電線、連接于送電線的三相并具有一繞組的轉(zhuǎn)動變流器和由轉(zhuǎn)動變流器供電的牽引系統(tǒng)供電線，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別形成大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
3．如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，在送電線和轉(zhuǎn)動變流器之間連接高壓開關(guān)設(shè)備。
4．如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，在開關(guān)設(shè)備和轉(zhuǎn)動變流器之間連接一變壓器。
5．如權(quán)利要求2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，牽引系統(tǒng)供電線上的供電頻率是25Hz或162／3Hz。
6．一種牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，包括一轉(zhuǎn)動變流器，該轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器適合于由三相高壓送電線供電并且有一繞組，該轉(zhuǎn)動變流器向一單相的牽引系統(tǒng)供電線供電，并經(jīng)第一變壓器向高壓居間線供電，該居間線經(jīng)一個或多個另外的變壓器連接于牽引系統(tǒng)供電線，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
7．如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述第一變壓器的繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
8．如權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，該一個或各另外的變壓器的繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
9．一種牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)動變流器，具有一繞組并適合于由三相高壓供電線供電，該轉(zhuǎn)動變流器既向一單相低壓牽引系統(tǒng)供電線供電，又向經(jīng)一個或多個變壓器連接于上述牽引系統(tǒng)供電線的高壓居間輸電線供電，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
10．如權(quán)利要求9所述的供電系統(tǒng)，其特征在于，該或各變壓器的繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
11．一種供電系統(tǒng)，包括一轉(zhuǎn)動變流器，該變流器具有一繞組并適合于由三相高壓送電線供電，上述轉(zhuǎn)動變流器向一個變壓器供電，該變壓器又向牽引系統(tǒng)供電線供電，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
12．如權(quán)利要求2－11中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述轉(zhuǎn)動變流器是同步的。
13．如權(quán)利要求2－11中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述轉(zhuǎn)動變流器是非同步的。
14．如權(quán)利要求2－13中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述轉(zhuǎn)動變流器包括具有馬達和發(fā)電機兩種功能的單一電機。
15．如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述轉(zhuǎn)動變流器包括一相位轉(zhuǎn)換器。
16．如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，變壓器的繞組包含絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
17．一種牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，包括至少一個自耦變壓器，該變壓器具有一繞組并連接在牽引系統(tǒng)供電線和中性線之間，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
18．一種牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，包括至少一個電流增強變壓器，該變壓器具有一繞組并連接在一牽引系統(tǒng)供電線和一回流導(dǎo)線之間，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層組成。
19．一種牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，包括連接在兩個變壓器之間的靜態(tài)頻率轉(zhuǎn)換器裝置，其中各個變壓器具有一繞組，其特征在于，上述繞組包括絕緣件，該絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體之間的固體絕緣層組成。
20．如上述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，上述層中的至少一層其熱膨脹系數(shù)與上述固體絕緣層相同。
21．如上述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，在該或各變壓器或轉(zhuǎn)動變流器中磁路心內(nèi)的磁力線路經(jīng)由疊置的薄板和／或粗鍛鐵和／或鑄鐵和／或粉末基的鐵組成。
22．如上述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，包圍至少一個導(dǎo)線(31)的最內(nèi)部半導(dǎo)體層(32)其電位大體與導(dǎo)線(31)相同。
23．如上述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，外部半導(dǎo)體層(34)連接于預(yù)定的電位。
24．如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于選定的電位是地電位。
25．如上述任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，繞組的載流導(dǎo)線包括許多絞合線，只有少數(shù)絞合線不彼此絕緣。
26．如上述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述繞組(或多個繞組)以及在系統(tǒng)裝置之間的用于高壓電流的永久絕緣的連接導(dǎo)線用電纜(6)制造，該電纜具有用于高壓的固體絕緣層，包括至少兩個半導(dǎo)體層(32，34)以及絕緣或不絕緣的絞合線(36)。
27．如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，高壓電纜(6)的導(dǎo)電面積30～300mm2之間，其電纜外直徑在10～250mm之間。
28．如上述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述繞組可承載10～800kv的額定電壓。
29．如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述額定電壓高于36kv。
30．如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述額定電壓高于72．5kv。
全文摘要
牽引系統(tǒng)的供電系統(tǒng)包括至少一個變壓器例如自耦變壓器或電流增強變壓器和/或轉(zhuǎn)動變流器。該變壓器或轉(zhuǎn)動變流器包括繞組,該繞組的絕緣件由至少兩個分別提供了大體等位表面的半導(dǎo)體層(32,34)和該半導(dǎo)體層之間的固體絕緣層(33)構(gòu)成。
文檔編號H02K47/20GK1279839SQ98811514
公開日2001年1月10日 申請日期1998年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月28日
發(fā)明者M·萊永, A·布約爾克倫德, T·許特, L·瓦爾夫里德松 申請人:Abb股份有限公司