电气化铁道站场变电所设计 毕业论文.doc

本科生毕业设计 电气化铁道站场变电所设计 electrified railway station substation design 学生姓名 所在专业 电气工程及其自动化 所在班级 电气 1081 申请学位 工学学士 指导教师 职称 副教授 副 指 导 教 师 职称 答辩时间 2012 年 06 月 02 日 目 录 目 录 设计总说明 i introduction.ii 第 1 章 概论 2 1.1 课题研究的目的意义 2 1.2 电气化铁道简介 .2 1.3 牵引变电所 4 1.3.1 电力牵引的电流制 .5 1.3.2 牵引变电所的供电方式 .6 1.3 小结 .6 第 2 章 牵引变电所主接线的选择 9 2.1 高压侧电气主结线的基本形式 9 2.2 牵引负荷侧电气接线特点 11 2.3 电气主接线方案的分析 12 第 3 章 牵引变电所变压器的选择 14 3.1 牵引变压器的分类 14 3.1.1 单相联接牵引变压器 .14 3.1.2 单相 v，v 牵引变压器 .14 3.1.3 三相 v，v 联接牵引变压器 .14 3.1.4 三相联接牵引变压器 .15 3.2 牵引变压器选择的分析 .16 3.2.1 选择原则 16 3.2.2 牵引变压器的接线方式和台数的确定 .16 3.2.3 牵引变压器安装容量的确定和选择 16 3.2.4 变压器备用方式的选择 .17 第 4 章 牵引变电所的短路计算 19 4.1 短路计算的目的 19 4.2 短路点的选取 .19 4.3 短路计算 .19 第 5 章 设备选型 22 5.1 27.5kv 侧母线的选取： .23 5.2 高压断路器的选取 25 5.2.1、110kv 侧断路器的选取 25 目 录 5.2.2、27.5kv 侧真空断路器的选取 26 5.3 高压熔断器的选取 .26 5.4 隔离开关的选取 28 5.4.1 110kv 侧隔离开关的选取 28 5.4.2 27.5kv 侧隔离开关的选取 29 5.5 电压互感器的选取 30 5.5.1 110kv 侧电压互感器的选取 30 5.5.2 27.5kv 侧电压互感器的选取 30 5.6 电流互感器的选取 .31 5.6.1 110kv 侧电流互感器的选取 31 5.6.2 27.5kv 侧电流互感器的选取 32 5.7 避雷器的选取 33 5.8 避雷针的选择 33 5.8.1 避雷针位置的确定 .33 5.8.2 避雷针的保护范围计算 34 第 6 章 继电保护的设计 36 6.1 继电保护的基本原理与基本要求 36 6.2 电力变压器的保护 37 6.3 馈线 39 第 7 章 并联补偿装置与过电压与防雷 41 7.1 并联电容补偿的作用 41 7.2 并联电容补偿方案 41 7.2.1 tcr+fc 型动态无功补偿装置原理介绍 41 7.2.2 最大动态无功补偿容量的计算 .42 7.3 fc 滤波支路的优化设计 43 7.3.1 调谐系数和滤波支路的滤波率 .43 7.3.2 容量分配系数 .44 7.4 过电压 45 7.5 变电所的保护 45 第 8 章 结论与展望 47 致 谢 48 参考文献 49 作者简介 50 附录 a51 设计总说明 i 设计总说明 这类电气化铁道变电所（牵引变电所）的电源线路，按保证牵引负荷供电的需要 一般有两个回路，主要向牵引负荷进行供电进线 110kv 出线 27.5kv 采用的 tr 供电方 式。附录 1 为高压侧采用内桥接线的三相牵引变电所的主接线。其主变压器采用两台 三相双绕组变压器，二次侧的公共相接地并和钢轨相连。 在 110kv 进线处装有测量仪表和继电保护用的电压互感器及电流互感器，过电压 保护用的阀式避雷器， 。为了停电检修 110kv 线路和母线时能方便的进行安全接地这些 线路的线路隔离开关和链接桥母线上的隔离开关都带有接地道闸，借助于隔离开关本 身的机械连锁装置，保证在主刀闸从线路中隔断后接地刀闸才能闭合。 牵引负荷侧因馈线的数目较多采用单母线分段带旁路母线接线。在负荷侧采用动 态无功补尝，即避免了无功不足又不会过补尝现象。每一分段母线都带有四条馈线， 其中两条用于铁道接触网供电，另两条用于站场调车。 关键词：电气化铁道；变电所；110kv/27.5kv introduction ii introduction such power lines electrified railway substation (traction substation), according to the need to ensure traction load powered general two-loop, and the main supply line 110kv to qualify 27.5kv used tr power supply to the traction load. appendix 1 is a high-pressure side of the main wiring of the bridge connection within the three-phase traction substation. the main transformer with two sets of three-phase two-winding transformer, the public phase of the secondary side and the rail connected. equipped with measuring instruments and relay voltage transformer and current transformers in the 110kv line at the over-voltage protection with surge arresters. in order to power outages the overhaul 110kv lines and bus safety ground line isolation switch isolation switch and bus link bridge with ground barrier, by means of the isolation switch itself mechanical interlock to ensure that the main knife the line cut off the grounding switch can be closed. traction load side feeder, a larger number of single busbar with bypass bus connection. dynamic reactive power to compensate for the load side, ie to avoid reactive and will not compensate for the phenomenon. each segmented bus with four feeders, two of which are used for railway catenary power supply and another two for station shunting. keywords: electrified railway; substation; 110kv/27.5kv 1 电气化铁道站场变电所设计 毕业设计任务书 电气化铁道站场变电所设计： 基本材料： 高压侧 110kv 进线； 低压侧 27.5kv，八条馈线，其中四条用于铁道牵引，另四条用于站场调车； 功率因素 0.85 要求： 对该牵引变电所进行变电设计：主接线、短路计算、设备选择、容量补尝、保护 等设计。 2 第 1 章 概论 1.1 课题研究的目的意义 铁道电气化（railway electrification)将铁路新线和既有线按电气化铁道技术 要求进行建设、改建和运营，以实现电力牵引。又称铁路电气化。 电气化铁道技术要求和设施，包括：增设供电系统和各种供电装置、运动监控系 统和调度中心、供电设备维修段、电力机车或动车组以及机务检修与机车折返段（参 见电气化铁道，电力牵引，电气化铁道供电系统）对铁路线路建筑物、桥梁隧道，需 按电力机车运行的限界要求设计，并考虑电力机车高速通过的运行安全而增大线路曲 线半径距离车站站线长度则需按大功率机车牵引力增大情况下，列车编组扩大的实际 需要来设计；此外，为适应电力机车高速运行需要和轨道电路流经机车返回工频交流 电流的实际情况，信号装置和电路应采取特殊的有效措施；为避免牵引网电流、电压 产生的磁场和电场，导致对线平行接近架空通信线感生干扰电压，一般都采用同轴电 缆电缆和光纤通信线路予以防护。 牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，它的主要任务是将电力系统输送 来的三相高压电变化成适合电力机车使用的电能。而电气主接线反映牵引变电所设施 的主要电气设备以及这些设备的规格、型号、技术参数以及在电气上是如何连接的， 高压侧有几回进线、几台牵引变压器，有几回接触网馈电线。通过电气主接线可以了 解牵引变电所等设施的规模大小、设备情况。 1.2 电气化铁道简介 电气化铁道是由电力机车和牵引供电装置组成的，牵引供电装置一般分成牵引变 电所和接触网两部分，所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的 “三大元件” 。 1.2.1 接触网 接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触 悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。 接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置架设 在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。 牵引变电所的功能是将三相的 110kv(或 220kv)高压交流电变换为两个单相的 27.5kv 的交 流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网 (额定电压为 25kv)供电，牵引变电 所每一侧的接触网都被称做供电臂。 3 1.2.2 牵引变电所 牵引变电所外部电源 牵引供电系统一般又由铁路以外的容量较大的电力系统供电。电力系统有许多种 电等级网络和设备，其中 110kv 及以上电压等级的输电线路，用区域变电所中的变压 器联系起来，主要用于输送强大电力，利用它们向电气化铁路的牵引变电所输送电力， 供电牵引用力。为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所高压输电线路无 一例外地为双回线。两条双回线互为备用，平时均处于带电状态，一旦一条回路发生 供电故障，另一条回自动投入，从而保证不间断供电。 牵引变电所主接线 牵引变电所(包括分区亭、开闭所，at 所等)，为了完成接 受电能，高压和分配电能的工作，其电气接线可分为两大部分：一次接线(主接线)和 二次接线。主接线是指牵引变电所内一次主设备(即高压、强电流设备)的联接方式， 也是变电所接受电能、变压和分配电能的通路。它反映了牵引变电所的基本结构和功 能。 二次接线是指牵引变电所内二次设备(即低电压、弱电流的设备)的联接方式。其 作用是对主接线中的设备工作状态进行控制，监察、测量以及实现继电保护与运动化 等。二次接线对一次主设备的安全可靠运行起着重要作用。主接线是根据变电所的容 量规模、性能要求、电源条件及配电出线的要求确定的，其基本主接线型式有：单母 线分段接线、劳旁路母线的单母线分段接线、双母线接线、桥式接线、双 t 式(即分支 式)接线等。 开闭所 所谓开闭所，是指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电 所，一般有两条进线，然后多路馈出向枢纽站场接触网各分段供电。 进线和出线均经 过断路器，以实现接触网各分段停、供电灵活运行的目的。又由于断路器对接触网短 路故障进行保护，从而可以缩小事故停电范围。 分区亭 分区亭设于两个牵引变电所的中间，可使相邻的接触网供电区段(同 一供电臂的上、下行或两相邻变电所的两供电臂)实现并联或单独工作。 如果分 区厅两侧的某一区段接触网发生短路故障，可由供电的牵引变电所馈电线断路器及分 区亭断路器，在继电保护的作用下自动跳闸，将故障段接触网切除，而非故障段的接 触网仍照常工作，从而使事故范围缩小一半。 at 所 牵引网采用 at 供电方式时，在铁路沿线每隔 10km 左右设置一台自耦变压 器 at，该设置处所称做 at 所。 牵引变电所变压器 牵引变电所内的变压器，根据用途不同，分为主变压器 (牵引变压器)、动力变压器、自耦变压器(at)、所用变压器几种；根据接线方式不同， 又有单相变压器、三相变压器、三相-二相变压器等。尽管变压器的类型、容量、电压 等级千差万 别，但其基本原理都是一样的，其作用都是变换电压，传输电能，以供给 不同的电负荷。 4 主变压器是牵引变电所内的核心设备，担负着将电力系统供给的 110kv 或 220kv 的三相电源变换成适合电力机车使用的 27.5kv 的单相电。由于牵引负荷具有极度不稳 定、短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣的多， 因此要求 牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强，这也是牵引变压器区别于一般电力变压 器的特点。 动力变压器一般是给本所以外的非牵引负荷供电，电压等级一般为 27.5/10kv，容 量从几百至几千 kva 不等。 自耦变压器(at)是 at 供电的专用变压器，自身阻抗很小，一般沿牵引网每 1020km 设一台，用以降低线路阻抗，提高网压水平及减少通信干扰。 所用变压器(又称自用电变压器)是给本所的二次设备、检修设备以及日常生活、 照明负荷供电的设备，电压一般为 27.5/0.4kv 或 27.5/0.23kv，容量从几十至几百 kva 不等。 牵引变电所断路器 断路器是牵引变电所内最为重要的电气设备之一，其工作 最为繁重，地位最为关键(结构最为复杂，它依靠本身所具有的强大的灭弧能力，不但 可以带负荷切断各种电气设备和牵引网线路，更可与保护装置配合，快速、可带地切 断各种短路故障。牵引变电所目前应用最多的有少油断路器，六氟化硫断路器和真空 断路器等几种，各种断路器的区别主要在于所用的灭弧介质不同，如少油断路器采用 变压器油做为溶温和灭弧介质、六氟化硫断路器使用六氟化硫气体(sf6)作为溶温和灭 弧介质，真空断路器则使用真空作为绝缘和灭弧介质等，由于灭弧介质不同，断路器 的结构自然有所差别。 隔离开关 隔离开关，顾名思义就是一种在需要时将电气设备、线路与电源 隔离开来的开关设备，具有明显可见的、距离足够的断口，它不带灭弧装置，不能开、 合负荷电流和短路电流。隔离开关按使用地点不同，有户内式和户外式两种，其区别 在于户外式隔离开关可适应各种恶劣的气候条件；按工作相数不同，有三极联动，三 极连动和单极三种；按操作方式不同，有电动和手动两种，尽管隔离开关的类别多种 多样，但其基本组成和结构都是一样的，都由主刀闸、支持瓷瓶、底座、连杆和操作 机构几部分组成。 牵引变电所互感器 牵引变电所内仅有变压器、开关等变、配电设备是远远不 能满足安全、可靠、高效供电等要求的，还需要用二次设备将其有效的监控、保护起 来，因此，就需要一种变换装置将主设备中的电气参数传递给二次设备，如仪表、继 电器等，这种将高电压、大电流变换成低电压、小电流的设备就是互感器，变换电压 的设备叫电压每感器，变换电流的设备叫电流互感器。 并联电容补偿装置 1.3 牵引变电所 5 1.3.1 电力牵引的电流制 电力牵引 按牵引网供电电流的种类可分为三种电流制，即直流制、低频单相交1 流制和工频单相交流制。 (1) 直流制 即牵引网供电电流为直流的电力牵引电流制。电力系统将三相交流电送到牵引变 电所一次侧，经过牵引变电所降压并整流变成直流电，再通过牵引网供给电力机车使 用。直流制发展最早，目前有些国家的电气化铁路仍在应用。我国仅工矿、城市电车 和地下铁道采用。牵引网电压有 1200v，1500v，3000v 和 600v，750v 等，后两种分别 用于城市电车、地下铁道。直流制存在的主要问题是，直流牵引电动机额定电压受到 换向条件的限制不能太高，即牵引网电压很难进一步提高，这就要求沿牵引网输送大 量电流来供应电力机车。由于牵引电流增大，接触网导线截面要随着增大（一般得使 用两根铜接触线和铜承力索） ，牵引网电压损失也相应增大，所以牵引变电所之间的距 离要缩短，一般只有 1530 km。牵引变电所的数量多，并且为完成整流任务而变得较 复杂。由于这些缘故，许多国家已逐渐停止发展直流制。 (2) 低频单相交流制 即牵引网供电电流为低频单相交流的电力牵引电流制。这种电流制是继直流制之 后出现的，牵引网供电电流频率为 16hz，牵引网电压为 15kv 或 11kv，电力机车上采 用交流整流子式牵引电动机。交流容易变压，因此，可以在牵引网中用高电压送 电而在电力机车上降低电压，供应低电压的交流整流子式牵引电动机。低频单相交 流制的出现，与力图提高牵引网电压以降低接触网中的有色金属用量有关。应用低频 的条件，一方面是由于欧洲电力工业发展的初期原来就存在低于 50hz 的频率；另一方 面，交流整流子式牵引电动机因存在变压器电势而对整流过程造成困难，不适宜在较 高的频率下运行。因此，在欧洲，低频单相交流制于 20 世纪 50 年代前得到较大发展， 目前在一些欧洲国家仍在应用。另外，在美国等国家，还采用牵引网供电电流频率为 25hz、电压为 1113kv 的低频单相交流制。电力工业主要采用 50hz 标准频率后，低 频制电气化铁道或者须自建专用的低频率的发电厂，或者在牵引变电所变频后送人牵 引网；这就变得复杂化，于是，其发展受到了限制。 (3) 工频单相交流制 即牵引网供电电流为工业频率单相交流的电力牵引电流制。它是在 20 世纪 50 年 代中期法国电气化铁路应用整流式交流电力机车获得成功之后开始推广的。从那时以 来，许多国家都相继采用。这种电流制在电力机车上降压后应用整流装置整流来供应 直流牵引电动机。由于频率提高，牵引网阻抗加大，牵引网电压也相应提高。目前， 较普遍应用的接触网额定电压是 25kv。采用工频单相交流制的优点是，消除了低频单 相交流制的两个主要缺点（与电力工业标准频率并行的非标准频率和构造复杂的交流 6 整流子式牵引电动机） ；牵引供电系统的结构和设备大为简化，牵引变电所只要选择适 宜的牵引变压器，就可以完成降压、分相、供电的功能；接触网的额定电压较高，其 中通过的电流相对较小，从而使接触网导线截面减小、结构简化；牵引变电所的间距 延长、数量减少；工程投资和金属消耗量降低，电能损失和运营费用减少；电力机车 采用直流串励牵引电动机，也远比交流整流子式牵引电动机牵引性能好，运行可靠。 采用工频单相交流制的缺点是，对电力系统引起的抚恤电流分量和高次谐波含量增加 以及功率因数降低；对沿电气化铁路架设的通信线有干扰。但是，经过技术方面和经 济方面的综合分析比较，上述优点是主要的。因此，我国电气化铁路采用工频单相 25kv 交流制。 1.3.2 牵引变电所的供电方式 (1)牵引变电所一次侧的供电方式 牵引变电所一次侧 （电源侧，通常为 110kv 或 220kv）的供电方式，可分为一边 供电边供电和环形供电。 一边供电 就是牵引变电所的电能由电力系统中一个方向的电厂送来。 两边供电 就是牵引变电所的电能由电力系统中两向的电厂送来。 环形供电 是指若干个发电厂、地区变电站通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变 电所处于环形电力系统的一个环路中。 (2)牵引变电所向接触网的供电方式 单线区段 一边供电；两边供电。 双线区段 同相一边并联供电；同相一边分开供电；双边扭结供电。 1.3 小结 变电所是对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所,本章介绍了牵引变电 所分类及其国内外现状，对其有了初步的了解。 1.4 我国电气化铁道概况 我国第一条电气化铁路宝成铁路宝鸡至风州段，于 1961 年 8 月 15 日建成通 7 车。我国电气化铁路发展初期，主要局限在隧道多、坡度大的山区铁路。到 1980 年底， 共建成电气化铁路 1676km，发展速度十分缓慢。改革开放后，电气化铁路开始从山区 向平原，由标准低的边远地区铁路向主要长大干线、重载、高速发展。到 2005 年底， 我国电气化铁路已达 20132 公里。电气化率为 27%，承担的运量比重近 50%。 铁路已成为制约国民经济发展的瓶颈 目前，铁路内燃机车是我国交通运输业能源消费的大户，全路行车用柴油年消耗 量约占全国柴油消耗总量的 10%。内燃机车使用柴油的能源利用效率较低，平均约为 30%。电气牵引使用电能的能源利用效率，按目前我国电网大约水电占 24.2%，效率 70%； 火电占 74%，效率 35%计算，综合利用效率为 42.8%。远比内燃机能源利用效率高，具 有显著的节能效益。电力牵引对环境污染小。国家的能源政策和环保政策，决定了我 国电力牵引必将是铁路牵引动力发展方向。国务院批准的中长期铁路网规划明确， 到 2020 年，我国铁路总里程将达 100，000km，其中电气化 50，000km，主要干线铁路 都将实现电气化。铁路电气化率约 50%，承担的运输量比重在 80%以上。 中长期铁路网规划客运专线 国家发展和改革委员会【2004】159 号文件中长期铁路网规划批准：“为满 足快速增长的旅客运输要求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四 纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。建设客运专线 1.2 万公里以 上，客车速度目标值达到每小时 200 公里及以上。 ” “十一五”铁路规划 将建成新线 19，800 公里，其中客运专线 9，800 公里，既有线复线 8，000 公里，其中既有线电气化 15，000 公里。2010 年，全国铁路营业里程达 95，000 公里， 其中复线里程 42，750 公里，电气化里程 42，750 公里。 8 9 第 2 章 牵引变电所主接线的选择 牵引变电气主接线是变电所设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。主 接线的确定与电力系统整体及变电所本身运行的可靠性，灵活性和经济性是密切相关 的，而且对电气设备的选择，配电装置布置，继电保护和控制方式的拟定有较大影响。 因此必须合理的确定主接线 。2 电气主结线应满足的基本要求 首先保证电力牵引负荷，运输用动力，信号负荷安全，可靠供电的需要和电能 质量。 具有必要的运行灵活性，使检修维护安全方便。 应有较好的经济性，力求减小投资和运行费用。 应力求接线简捷明了，并有发展和扩建的余地。 2.1 高压侧电气主接线的基本形式 （1）单母线接线 图 2-1 单母线结线图 如图 2-1 所示，单母线接线的的特点是整个的配电装置只有一组母线，每个电源 线和引出线都经过开关电器接到同一组母线上。同一回路中串接的隔离开关和断路器， 在运行操作时，必须严格遵守以下操作顺序：对馈线送电时必须先和 1qs 和 2qs 在投 入 1qf；如欲停止对其供电必须先断开 1qf 然后断开 1qs 和 2qs。 单母线接线的特点是：（1）接线简单、设备少、配电装置费用低、经济性好并能 满足一定的可靠性。 （2）每回路断路器切断负荷电流和故障电流。检修任一回路及其 断路器时，仅该回路停电，其他回路不受影响。 （3） 检修母线和与母线相连的隔离开 1 s l 2 s l 1 q s 2 q s 1 q f 2 q f 3 q f 10 关时，将造成全部停电。母线发生故障时，将是全部电源断开，待修复后才能恢复供 电。 这种接线方式的缺点是母线故障时、检修设备和母线时要造成停电；适用范围： 适用于对可靠性要求不高的 1035kv 地区负荷。 (2)单母线分段接线 图 2-2 为用断路器分段的单母线分段接线图。分段断路器 md 正常时闭合，是两 段母线并列运行，电源回路和同一负荷的馈电回路应交错连接在不同的分段母线上。 图 2-2 单母线分段接线图 这种接线方式的特点是：(1)分段母线检修时将造成该段母线上回路停电。(2)进 线上断路器检修时造成该进线停电。 适用范围：广泛应用于 1035kv 地区负荷、城市电牵引各种变电所和 110kv 电源 进线回路较少的 110kv 接线系统。 (3)采用桥形接线 当只有两条电源回路和两台主变压器时，常在电源线间用横向母线将它们连接起 来，即构成桥型接线。桥型接线按中间横向桥接母线的位置不同，分为内桥形和外桥 形两种，如图 2-3 所示。前者的连接母线靠近变压器侧，而后者则连接在靠近线路侧。 内桥形接线的线断路器分别连接在两回电源线路上，因而线路退出工作或投入运 行都比较方便。桥形母线上的断路器 qf 在正常状态下合闸运行，1qs 和 2qs 是断开的。 当线路 1sl 发上故障时，1qs 和 2qs 合闸，故障线路的断路器 1qf 跳闸，其他三个元件 （另一线路和两台主变压器）仍可继续工作。内桥接线当任一线路故障或检修时不影 响变压器的并列工作。由于线路故障远比变压器故障多，故这种界限在牵引变电所获 得了较广泛的应用。当内桥接线的两回电源线路接入系统的环形电网中，并有系统功 率穿越桥接母线时，桥断路器（qf）的检修或故障将造成环网断开。为避免这一缺陷， 2 s l 1 s l 1 q s 1 q f 9 q s 5 q f q f q s 2 m1 m 11 可在线路短路器外侧安装一组跨条，如图中的虚线所示，正常工作时隔离开关将跨条 断开，安装两组隔离开关的目的是便于它们轮流停电检修。 图中外桥形接线的特点与内桥刚好相反，当变压器发生故障或运行中需要断开时， 只要断开它们前面的断路器 1qf 或 2qf，而不影响线路的正常工作。但线路故障或检修 时，将是与该线路连接的变压器短时中断运行，须经转换操作后才能恢复工作。因而 外侨形接线适用于电源线路较短、负荷不稳定、变压器需要经常切换（例如两台主变 中一台要经常断开或投入）的场合，也可用在有穿越功率通过的与唤醒电网连接的变 电所中。 (a) 内桥形 (b) 外桥形 图 2-3 内桥和外桥接线图 内桥型接线能满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电器少， 建造费用低，在接构上便于发展成单母线或具有旁路母线得到那母线接线。即在初期 按桥形接线，将来有可能增加电源线路数时再扩展为其他接线形式。 2.2 牵引负荷侧电气接线特点 牵引负荷是牵引变电所基本的重要负荷，上述电气主接线基本形式多数对牵引负 荷侧电气接线也是适用的。但考虑牵引负荷及牵引供电系统的下列特点，有针对性的 在电气接线上采取有效措施，以保证供电系统的可靠性和运行灵活性。 (1) 由于接触网没有备用，而接触网故障几率比一般架空输电线路更为频繁，因 此牵引负荷侧电气接线对接触网馈线断路器的类型与备用方式较一般电力负荷要求更 高。 (2) 牵引侧电气接线于牵引变压器的类型（单相或三相）和接线方式以及主变压 器的备用方式有关，在采用移动式变压器做备用的情况下，与移动变压器接入电路的 方式有关。 (3) 与馈线数目、电气化铁路年运量、单线或复线，以及变电所附近铁路其他设 施如大型枢纽站、电力机车段和地区负荷等的供电要求有关。 对于牵引侧母线本身，由于线路简单，引至馈线配电间隔为单相母线，实践证明 1sl2sl1qs2qs1fqf1b2b2qf 2sl1slqf1qf2qf2b1b 12 很少发生故障， 单母线分段带旁路母线接线由一组分段的主母线和一组旁路母线组成的电气主接 线。为了避免单母线分段接线中线路或主变压器回路的断路器检修时，引起线路或主 变压器回路停电的缺点，设置了一组旁路母线，见图 2-4。当线路或主变压器回路的断 路器检修时，该回路可以通过旁路隔离开关接至旁路母线，再通过旁路断路器接至主 母线，使该回路继续正常运行。 旁路断路器通常的设置方式，是将一段主母线和一组旁路母线连接起来。由于只 设一个旁路断路器回路，而且它与主母线和旁路母线之间是固定连接，因此不与旁 路断路器连接的主母线，其相应的线路或主变压机回路中断路器停电检修时，该问 路通过旁路母线接入另一段主母线上,能保证继续供电。因此，这种接线解决了断路 器检修时的公共备用问题。较多的应用于 100kv220 kv 进（出）线回路多和牵引负 荷电压侧馈线数量多的交流牵引变电所。 图 2-4 单母线分段带旁路母线 2.3 电气主接线方案的分析 （1）110kv 侧接线的选择 方案一：采用单母线接线 优点：接线简单清晰，使用设备少，经济比较好，而且在远期调整时线路变换更 比较方便。由于接线简单，操作人员发生误操作的可能性就要小。 缺点：不够灵活可靠，接到母线上任一元件故障时，均使整个配电装置停电。 方案二：采用内桥接线 优点：桥形接线能满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电器 少，建造费用低，在接构上便于发展为单母线或具有旁路母线的单母线接线。此接线 方案适用于有系统功率穿越，线路检修停电机会较多，主变压器不需经常切换的牵引 变电所。 缺点：经济性较单母线要差。 13 比较接论：作为牵引变电所，必须保证供电的可靠性和灵敏性，根据任务书的依 据，采用内桥接线比较合理 （2）27.5kv 侧接线的选择 牵引负荷侧单母线分段带旁路母线接线 2.4 小结 电气主接线是牵引变电所的主体部分，本章主要介绍了牵引变电所单母线接线、 单母线分段接线、桥形接线、等几种接线形式及特点，并根据设计任务书要求确定高 压侧采用内桥形接线，牵引负荷侧采用单母线分段带旁路母线接线。 14 第 3 章 牵引变电所变压器的选择 3.1 牵引变压器的分类 按牵引变压器的联接方式分为单相联接；单相 v，v 联接；三相 v，v 联接；三相 yn，d11 联接和三相不等容量 yn，d11 联接；斯科特联接等。 3.1.1 单相联接牵引变压器 单相牵引变电所的优点：牵引变压器的容量利用率可达 100%；主接线简单，设备 少，占地面积小，投资省等。 缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；对电力系统的负序影响最大； 对接触网的供电不能实现两边供电。 这种联接只适用于电力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠 地由地方电网得到供应的场合。 3.1.2 单相 v，v 牵引变压器 单相 v，v 牵引变压器的优点：牵引变压器容量利用率可达到 100%；正常运行时， 牵引侧保持三相，所以可供应牵引变电所自用电和地区三相负载；主接线较简单，设 备较少，投资较省；对电力系统的负序影响比单相联接小；对接触网的供电可实现两 边供电。 缺点：当一台变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电臂的牵 引网。 3.1.3 三相 v，v 联接牵引变压器 不但保持了单相 v，v 联接牵引变电所的主要优点，而且完全克服了单相 v，v 联 接牵引变电所的缺点。最可取的是解决了单相 v，v 联接牵引变电所不便于采用固定备 用即其自动投入的问题。同时，三相 v，v 联接牵引变压器有两台独立的铁芯和对应绕 组通过电磁感应进行变换和传递；两台的容量可以相等，也可以不相等；两台的二次 侧电压可以相同，也可以不相同，有利于实现分相有载或无载调压。为牵引变压器的 选型提供了一种新的连接形式。如图 3-1 15 图 3-1 三相 v-v 变压器端子标志、联接及全序列相序图 3.1.4 三相联接牵引变压器 又简称三相牵引变电所。 16 这种牵引变电所中装设两台三相 联接牵引变压器，可以两台并联运行；也,1nyd 可以一台运行，另一台固定备用。其原理电路和相量关系分别如图 3-2（a）和（b）所 示 (a) (b) 图 3-2 三相 连接牵引变压器原理电路和向量,1nyd 三相 联接牵引变电所的优点是：牵引变压器低压侧保持三相，有利于供,1nyd 应牵引变电所自用电和地区三相电力；能很好的适应当一个供电臂出现很大牵引负 荷时，另一供电臂却没有或只有很小牵引负荷的不均衡运行情况；三相 联接,1nyd 变压器在我国采用的时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格也较便宜；一 次侧 yn 联接中性点可以引出接地，一次绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配 方便。对接触网的供电可实现两边供电。 缺点主要是牵引变压器容量利用率不高。当重负荷相线圈电流达到额定值时，牵 引变压器的输出容量只能达到其额定容量的 75.6%，引入温度系数也只能达到 84%。 3.2 牵引变压器选择的分析 主变压器是牵引变电所内的核心设备，担负着将电力系统供给的 110kv 或 220kv 的三相电源变换成适合电力机车使用的 27.5kv 的单相电。由于牵引负荷具有极度不稳 定、短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣的多， 因此要求 牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强，这也是牵引变压器区别于一般电力变压 abcabcuaibiu b.ici.iab.ia31 ib.ib ib. ib.ibibc.ibuc.aua. uc.ica.32 32313131ia b(z)(y) ww22 b a ubuauc .u b.cib.ia. w1w1w1 17 器的特点。 3.2.1 选择原则 （1）为保证供电的可靠性，在变电所中，一般装设两台主变压器； （2）为满足运行的灵敏性和可靠性，如有重要负荷的变电所，应选择两台三绕组 变压器，选用三绕组变压器占地面积小，运行及维护工作量少，价格低于四台双绕组 变压器，因此三绕组变压器的选择大大优于四台双绕组变压器； （3）装有两台主变压器的变电所，其中一台事故后其余主变压器的容量应保证该 所全部负荷的 70%以上，并保证用户的一级和二级全部负荷的供电。 3.2.2 牵引变压器的接线方式和台数的确定 考虑到该变电所为三相牵引变电所，与系统联系紧密，且在一次主接线中已考虑 采用内桥接线方式，考虑到利用效率与方便、经济本设计采用三相 v-v 接线。由于牵 引负荷属于一级负荷，并考虑备用，所以选用两台主变压器。通过本章的学习加深了 对牵引变压器的基本知识的理解，对设计和以后的实际工程设计及研究工作奠定了理 论基础。 3.2.3 牵引变压器安装容量的确定和选择 当牵引变压器的计算容量和校核容量确定以后，选择两者中较大者，并按采用的 备用方式，牵引变压器 的系列产品（额定容量优先系数为 r10 系列） ，以及有否地区 动力负荷等诸因素，即可确定牵引变压器的安装容量。 先做简单的负荷分析：该变电所有上行、下行及双臂运行，现以最大负荷预算 每列车 10mva，同一时间上行、下行及双臂都有列车，及站场内的调车总容量 ,故选用两台 31.5mva 三相 v-v 联结变压器。具体参数如下表 3-mva60541 1。 表 3-1 三相 v-v 双绕组变压器主要技术参数 额定电压(kv) 损耗(kw)变压器型 号 额定容 量 (kva) 高压 低压 连接组 别标号 空载 负载 阻抗 电压 (%) 空载电 流(%) s9-qy- 31500/110 31500 %5.210 27.5 vv0 28.1 147 10.5 0.5 18 3.2.4 变压器备用方式的选择 牵引变压器在检修或发生故障时，都需要有备用变压器投入，以确保电气化铁路 的正常运输。在大运量的双线区段，牵引变压器一旦出现故障，应尽快投入备用变压 器，显得比单线区段要求更高。备用变压器投入的快供，将影响到恢复正常供电的时 间，并且与采用的备用方式有关。备用方式的选择，必须从实际的电气化铁路线路、 运量、牵引变电所的规模、选址、供电方式及外部条件(如有无公路)等因素，综合考 虑比较后确定。我国的电气化铁路牵引变压器备用方式有以下两种。 (1)移动备用 采用移动变压器作为备用的方式，称为移动备用。采用移动备用方式的电气化区 段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，正常时两台并联运行。所内设有铁路专用 岔线。备用变压器安放在移动变压器车上，停放于适中位置的牵引变电所内或供电段 段部，以便于需要作为备用变压器投入时，缩短运输时间。在供电段所辖的牵引变电 所不超过 58 个的情况下，设一台移动变压器，其额定容量应与所辖变电所中的最大 牵引变压器额定容量相同。 当牵引变压器需要检修时，可将移动变压器按计划调入牵引变电所。但在牵引变 压器发生故障时，移动变压器的调运和投入约需数小时。此间，靠一台牵引变压器供 电往往不能保证铁路正常运输。这种影响，在单线区段或运量小的双线区段可很快恢 复正常；但在大运量的双线区段须予以重视。可按牵引变压器一台故障停电后由另一 台单独运行，允许超载 30，并持续 4 小时，而能符合计算容量(满足正常运输)的要 求进行检算。 采用移动备用方式，除上述影响外，还需要修建铁路专用岔线。这将导致牵引变 电所选址困难、场地面积和土方量增加，相应加大投资。不仅如此，移动变压器车辆 进厂检修时，修要把备用变压器从车上拆卸吊下来；车辆修好出厂后，又要把备用变 压器吊上车安装好。这项工作十分麻烦和困难，非常费时费力费钱。采用移动备用方 式的优点是牵引变压器容量较省。因此，移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线 区段。 (2)固定备用 采用加大牵引变压器容量或增加台数作为备用的方式，称为固定备用。采用固定 备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，一台运行，一台备用。 每台牵引变压器容量应能承担全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。 采用固定备用方式的优点是：其投入快速方便，可确保铁路正常运输，又可不修 建铁路专用岔线，牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量较少，电气主 接线较简单。其缺点是：增加了牵引变压器的安装容量，变电所内设备检修业务要靠 19 公路运输。因此，固定备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。 在当前进行电气化铁路牵引供电系统的设计中，牵引变压器的备用方式不再考虑 移动备用方式。 3.3 小结 本章先介绍了牵引变电所中几种牵引变压器的接线形式及特点，并根据设计任务 书要求来确定牵引变压器的接线形式：采用三相 v-v 双绕组连接。由于牵引负荷属于 一级负荷，并考虑备用，所以选用两台主变压器。 第 4 章 牵引变电所的短路计算 4.1 短路计算的目的 1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限 制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。 2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地 工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。 3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全 距离。 4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。 20 4.2 短路点的选取 因短路计算的主要内容是确定最大短路电流的大小，所以对一次侧设备的选取一 般选取 高压进线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线断路器的选10kv 取一般选取 低压母线短路点作为短路计算点 。27.5 12 4.3 短路计算 电路简化图如图 4-1：假记远方输电站到该牵引变电站距离为 70km 在图中， 点1d 为 高压进线短路点， 点为 低压母线短路点。10kv2d7.5kv 取基准功率 s =100mva、基准电压 u =115kvbb 图 4-1 短路故障简化图 线路： 21.054.70211* busxlx 变压器： 3.1.0%2*nk 点短路时的转移电抗：0.2111d 点短路时的转移电抗：0.211+0.333=0.5442 计算短路电流周期分量： 点短路电流：标幺值 1d 739.421.0*di 有名值 )(.25kad 点短路电流：标幺值 2d 916.3.021.*di 21 有名值 )(023.4573196.2 kaid 电路中最大冲击电流： 点冲击短路电流：1d )(811i 点冲击短路电流：2 240132ka 短路容量： 点短路容量 1d )(86.79.1531 mvsd 点短路容量 2 2103422 a 短路电流最大有效值: 短路电流最大有效值 1d )(59.7.51 kimd 短路电流最大有效值 2 0.623.42 a 对牵引变电所主变压器： 侧额定电流： 10kv )(87.103511usiee 侧额定电流： 27.5 )(3.65.222 aiee 表 4-1 短路计算值 额定电流 ()a短路电流 ()a冲击电流 ()a最大短路电流有效 值 () 侧10kv181.87 2379 6057 3592 侧27.5661.33 4023 10240 6075 22 第 5 章 设备选型 由于电气设备和载流导体得用途及工作条件各异,因此它们的选择校验项目和方法 也都完全不相同。但是，电气设备和载留导体在正常运行和短路时都必须可靠地工作， 为此，它们的选择都有一个共同的原则 。9 电气设备选择的一般原则为： 1.应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求并考 虑远景发展。 2.应满足安装地点和当地环境条件校核。 3.应力求技术先进和经济合理。 4.同类设备应尽量减少品种。 5.与整个工程的建设标准协调一致。 6.选用的新产品均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格的特殊情况下选用未 经正式鉴定的新产品应经上级批准。 技术条件： 选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正 23 常运行。 1.电压 选用的电器允许最高工作电压 umax 不得低于该回路的最高运行电压 ug,即 ， umaxug 2.电流 选用的电器额定电流 ie不得低于 所在回路在各种可能运行方式下的持续工 作电流 ig ， 即 ieig 校验的一般原则： 1.电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动热稳定校验，校验的短路电 流一般取最严重情况的短路电流 。8 2.用熔断器保护的电器可不校验热稳定。 3.短路的热稳定条件 qdirt2 qdt在计算时间 ts 内，短路电流的热效应（ka 2s） itt 秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（ka 2s） t设备允许通过的热稳定电流时间（s） 校验短路热稳定所用的计算时间 ts 按下式计算 t=td+tkd 式中 td 继电保护装置动作时间内（s） tkd断路的全分闸时间（s） 4.动稳定校验 电动力稳定是导体和电器承