货运铁路牵引变电所的电气系统设计-毕业设计

货运铁路牵引变电所的电气系统设计毕业设计任务书题目货运铁路牵引变电所的电气系统设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气工程系导师姓名导师职称讲师一、主要内容1.按规定供、馈电容量与要求确定电气主结线。2.短路电流计算。3.牵引变压器容量、型式及台数的选择。4.母线（导体）和主要一次电气设备选择。5.配置所需的二次系统，并进行继电保护整定计算。6.进行防雷与接地的设计。二、基本要求1.设计计算说明书一份，要求条目清楚、计算正确、文本整洁。2.绘制出牵引变电所电气主接线图。三、主要技术指标（或研究方法）1.包含有A、B两牵引变电所的供电系统示意图如图1所示。图1牵引供电系统示意图2.电力系统1、2均为区域变电站，电力系统容量分别为4000MVA和4800MVA选取基准容量Sj为100MVA，在最大运行方式下，电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为0.10和0.12，在最小运行方式下，电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为0.11和0.14。对每个牵引变电所而言，110kV线路为一主一备。图1中，L1、L2、L3长度分别30km、50km、20km。线路平均正序电抗X1为0.4Ω/km,平均零序电抗X0为1.2Ω/km。基本设计数据如表1所示。表1牵引变电所基本设计数据项目A牵引变电所左臂负荷全日有效值（A）560右臂负荷全日有效值（A）780左臂短时最大负荷（A）[注]860右臂短时最大负荷（A）1080续表1项目A牵引变电所牵引负荷功率因数0.85(感性)10kV地区负荷容量（kVA）2×100010kV地区负荷功率因数0.86(感性)牵引变压器接线型式自选牵引变压器110kV接线型式自选左供电臂27.5kV馈线数目2右供电臂27.5kV馈线数目210kV地区负荷馈线数2回路工作，1回路备用预计中期牵引负荷增长30％[注]：供电臂短时最大负荷即为线路处于紧密运行状态下的供电臂负荷。3.根据需要，可自行补充其它资料。四、应收集的资料及参考文献1.李彦哲,胡彦奎,王果等.电气化铁道供电系统与设计[M].兰州:兰州大学出版社,2006.2.贺威俊,简克良.电气化铁道供变电工程[M].北京:铁道出版社,1983.3.刘国亭.电力工程CAD[M].北京:中国水利水电出版社,2006.4.曾成碧,赵莉华.电机学[M],北京:机械工业出版社,2005.5.张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005.6.谭秀炳,交流电.气化铁道牵引供电系统[M].西南交通大学出版社.2009.7.李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析[M].西南交大出版社2010.五、进度计划1.第1-3周：调研、收集材料，完成外文翻译、开题报告；2.第4周：分析、确定方案；3.第5-7周：设计、计算、绘图；4.第8周：中期检查；5.第9-11周：撰写论文；6.第12-14周：论文审核定稿；7.第15-16周：答辩。教研室主任签字时间年月日毕业设计开题报告题目货运铁路牵引变电所的电气系统设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化一、研究背景牵引变电所（tractionsubstation）向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引等提供电能和变换、分配电能的电气装置与设施。其功能是将电力系统的三相交流电经降压、整流或变频后，供电力机车和动车组使用。牵引变电所把区域电力系统输送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别输送到铁路沿线上架设的接触网，为电力机车或动车组供电，因此牵引变电所是电气化铁路的“心脏”。牵引变电所能否安全运行，直接关系到电气化铁路的运行情况。因此，牵引变电所的研究对电气化铁路的发展以及安全运行都有着很重要的意义，对国民经济的发展也有直接或间接的影响。二、国内外研究现状我国电气化铁道牵引变电所二次设备技术水平的发展，牵引变电所综合自动化系统被广泛应用。武广高速铁路牵引变电所采用的综合自动化系统技术为牵引供电可靠性及供电质量提供了保障。在对既有经验与技术总结的同时，进一步探索变电所数字化设计的可行性是十分必要的。目前，我国交、直流牵引变电所技术装备产生了重大变化，主设备向高可靠性、小型化和免维修方面发展；变电所主接线和辅助设施逐步趋于简化和典型化；远动监控、故障录波和微机保护与自动装置得到广泛的推广应用，最终将实现高度自动化的减员值班和无人值班的牵引变电所的目标。国外牵引变电所一般采用提高供电方式，以增大系统短路容量，来减小对系统和用户的影响。如：欧洲一些发达国家和日本都采用这种方法。并且国外的牵引变电所在运营模式上已经做到无人值守。三、研究方案根据已经给出的电力系统的容量，参照铁道部电气化铁路牵引变电所设计规范，按照设计任务书要求首先进行参数计算，选择确定牵引变电所主变压器的安装容量和接线形式以及确定主变压器的备用方式。然后提出牵引变电所高压侧和馈线侧的几种接线方案、通过比较确定高压侧和馈线侧的最优接线方案。接着对牵引变电所进行短路计算，根据计算的结果选择确定各高压设备的型号并对所选设备进行动稳定性和热稳定性校验。再接着对牵引变电所进行二次系统设计，确定变压器和馈线的继电保护。然后参照电气化铁路牵引变电所设计规范根据计算结果选择确定防雷和接地设施。并且使用AutoCAD绘制出一次侧的主接线图。四、预期达到的结果通过对牵引变压器正常负荷和紧密运行状态下的容量进行计算以及对中远期运量进行估计，对主变压器进行初步选型，确定出主变压器的安装容量和接线形式以及备用方式以及；确定出高压侧和馈线侧分别采用何种接线方式；分别对牵引变压器高压侧和低压侧进行短路计算,正确选择出110kV侧和27.5kV侧的进线、母线、高压断路器、高压熔断器、隔离开关、电流互感器、电压互感器和绝缘子等设备并完成校验；确定出牵引变压器和馈线的继电保护方式，选择出合适的防雷和接地装置；最后用AutoCAD软件绘制出牵引变电所一次设备的主接线图。指导教师签字时间年月日摘要货运铁路牵引变电所是铁路系统的重要组成部分，起着变换和分配电能的作用,它直接影响整个铁路系统的安全与经济运行。本设计主要针对牵引供电系统进行设计和研究。主要包括牵引负荷的计算、主变压器接线方式的分析比较、主变压器型号和台数的选择、牵引变电所进线和馈线方式的选择、短路计算、高压设备的选取和校验、继电保护的拟定与计算、牵引变电所防雷与接地装置的设置。其中电气主接线是变电所设计的主要环节，直接关系着整个变电所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，并且是牵引变电所电气部分投资大小的决定性因素。短路电流计算是本次设计的关键部分，通过计算对断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、熔断器等进行选择校验和进行继电保护的拟定计算。本次毕业设计实现了任务书要求的全部内容，选择出牵引变压器，高压侧、低压侧的电气设备，确定了主接线方式。并且用AutoCAD绘出了系统的主接线图。关键词:主接线主变压器电气设备AbstractFreightrailwaytractionsubstationisanimportantpartoftherailwaysystem,playingaroleintransformationanddistributionofelectricenergy,whichdirectlyaffectsthesecurityandeconomicoperationofthewholerailwaysystem.Thedesignismainlyfortractionpowersupplysystemandsubstationengineering.includingtractionloadcalculation,themaintransformerwiringanalysisandcomparison,themaintransformermodelandthechoiceofthenumberofunits,tractionlineandsubstationfeedermodechoice,shortcircuitcalculations,high-voltageequipmentselectionandvalidation,formulationandcalculationofrelayprotection,tractionsubstationlightningprotectionandgroundingdevicesettings.Substationmainelectricalwiringwhichisthemainpartofthedesignisdirectlyrelatedtothechoiceoftheentiresubstationelectricalequipment,distributionequipmentlayout,relayprotectionandautomaticdevicetodetermine,andispartoftheinvestmentsizeelectrictractionsubstationthedecisivefactor.Short-circuitcurrentcalculationisacriticalpartofthisdesign,bycalculationcircuitbreakers,disconnectors,voltagetransformers,currenttransformers,fuses,etc.Selecttheintendedprotectionchecksumcalculation.Thegraduationprojecthassuccessfullyachievedtheentirecontentsofthemissionstatement.Theprojecthaspickedouttheappropttractiontransformers,high-side(low-side)electricalequipment,andhasdeterminedthemainwiring,aswellasusingAutoCADtoplotmainwiringdiagram.Keywords:MainconnectionThemaintransformerElectricalequipment第1章绪论1.1课题研究的背景牵引供电系统的构成简化图如图1-1所示。相对牵引变电所而言，通常把为其供电的电力系统称为外部电源或一次系统。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成。图1-1牵引供电系统的构成简图电力系统与输电线：它们为电气化铁路提供高压电源，其电压为110kV或220kV。电气化铁路的牵引负荷是一级负荷，故要求电源有足够的容量和较高的可靠度。牵引变电所：牵引变电所的作用是将电力系统供应的电能转变为是核电力牵引供电方式的电能，其中的核心元件是牵引变压器，并设有备用。与地方变电所相比，牵引变电所绝大多数情况下是用于提供牵引用电作为区别，而称为牵引变电所。牵引网：由馈(电)线、接触网、轨(地)、回流线等组成，是牵引供电网(回路)，完成对电力机车的送电任务。1.2电气化铁路的国内外现状电气化铁路对于实现我国铁路重载、高速起到了至关重要的作用。至2007年底，我国的电气化铁路营业里程已达到了24046.6km，占我国铁路总营业里程的37.8%，各大干线都已实现了电气化。近年来，我国变电所自动化的技术特点是新老交替、新老结合、新老并存，既有以常规远动装置为核心派生的老站改造模式，又有局部或完全分散的新站设计模式，更有保护监控仪表录波防误操作等功能，并且很多变电所都实现了自动化。现代电力牵引都以公用电网配电，实质上是取用经变换的单相电。在我国，矿山电力牵引、城市电车和地下铁道或轻轨交通都采用直流制，电压从45V到3000V不等；电气化铁路都采用工频(50Hz)，额定电压为27.5kV或2×27.5kV的单相交流制。1.3本设计研究的主要内容本设计主要是货运铁路牵引变电所电气设计。根据步骤进行设计，通过对牵引与电气计算，确定变压器容量、台数、接线方式和备用方式，根据原始资料及技术要求确定变压器主接线形式，短路计算，再根据短路计算结果进行一次设备的选型与校验最后是牵引变电所防雷保护与接地装置的设计。供变电系统及装置的设计，不仅要满足正常运行方式下的各种工作状态及运行条件的要求，而且还应考虑在故障条件下如何缩小或限制故障的范围及影响，并保证电气设备在故障状态下可靠的工作。第2章变压器的选择2.1牵引变压器作用及类型2.1.1牵引变压器作用牵引变压器的作用是将110kV或220kV三相交流电能变换成27.5kV(或55kV)的单相交流电能供电力机车使用，在牵引变电所中起到降压分相的作用。目前，我国牵引供电系统中采用的牵引变压器主要有：单相变压器、三相星形三角形接法变压器、三相三绕组十字交叉接线变压器、斯科特接线变压器、三相星形延边三角形接法变压器和三相星形曲折延边三角形接线变压器。2.1.2牵引变压器的类型按牵引变压器的联接方式分为单相联结；Vv联结；和三相YNd11联结；Scott联结等。(1)单相牵引变电所的优点：牵引变压器的容量利用率可达100%；主结线简单，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。这种联结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。图2-1单相联接原理图(2)Vv联结牵引变电所不但保持了单相V，v联结牵引变电所的主要优点，而且完全克服了单相V，v联结牵引变电所的缺点。最可取的是解决了单相V，v联结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联结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。图2-2Vv联接原理图(3)三相联结牵引变电所，这种牵引变电所中装设两台三相YNd11联结牵引变压器，可以两台并联运行；也可以一台运行，另一台固定备用。三相YNd11联结牵引变电所的优点是：①牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力；②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；③三相YNd11联结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；④一次侧YN联结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%。图2-3YNd11联接原理图2.2牵引变压器台数和容量的选择2.2.1牵引变压器选择原则(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。2.2.2牵引变压器的选择三相牵引变压器的计算容量是由牵引供电计算求出的。本变电所考虑为固定备用方式，按故障检修时的需要，应设两台牵引用主变压器。计算容量公式： (2-1)其中()全日平均电流计算容量：牵引变电所的并联补偿分为并联电容补偿和并联无功补偿两种，可以与牵引网的并联电容补偿联合运用，也可以单独使用。考虑到投资效益比，电气化铁路多单独使用。根据本设计基础资料的要求，因此需要进行并联无功补偿(PRC)，考虑到变压所的高压侧的无功损耗大于有功损耗，故取进行补偿，然后计算。补偿后：紧密运行下的计算容量：紧密运行下的计算容量：由于牵引负荷功率因数为0.85。补偿后：校核容量：(2-2)其中K=1.5中期变压器计算：中期牵引负荷增长30%:紧密运行方式下：校核容量：根据计算的容量,选用SF10-QY-63000/110型牵引变压器两台。空载损耗44.6，负载损耗246，空载电流0.2%,阻抗电压10.5%。同时根据要求，10KV侧选用SF11-1000/27.5型电力变压器。空载损耗1.65，负载损耗13.5，空载电流1.0%,阻抗电压6.5%。第3章牵引变电所主接线设计3.1电气主接线的基本要求电气主接线是变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节。对电气主接线的基本要求概括地说应包括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。(1)可靠性保证对牵引负荷和地区负荷的供电可靠性和电能质量。牵引负荷和部分地区负荷均为一级负荷，必须保证供电的安全可靠性，为此要保证牵引变电所电源引入可靠，选择主接线时要考虑在电路的转换、设备的检修和事故处理时供电的可靠性和连续性。为了满足电能质量的要求，主接线应在变压器接线方式、谐波补偿和调压方式方面注意改善电能质量。(2)操作方便主接线应力求简单、清晰、操作方便。由于接触网事故较多，检修频繁，牵引变电所倒闸作业较多，主接线越简单清晰，程序操作越少，操作越方便。(3)灵活性应能适应必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。(4)经济性在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。(5)发展扩建性的可能性主接线应考虑将来的发展和扩建的方便。设计主接线要考虑倒远景规划，在需要的时候可以很方便地改造和扩建。3.2牵引变电所一次侧主接线的基本形式电气主接线主要有以下几种形式：(1)桥型接线当牵引变电所只有两条电源进线和两台主变压器，且有系统功率穿越时采用桥式接线，通过式牵引变电所一次侧常采用桥型接线。①内桥接线内桥接线的连接桥断路器设置在内侧。其余两台断路器接在线路上。因此线路的切除和投入比较方便，而且当线路发生短路故障时，仅故障线路的断路器断开，不影响其它回路运行。此外，变压器切除和投入的操作比较复杂，需切除和投入与该变压器连接的两台断路器，也影响了一回未故障线路的运行。连接桥断路器检修时，两个回路需解列运行。当输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需经常切除时，采用内桥接线比较合适，如图3-1所示。图3-1内桥接线图3-2外桥接线②外桥接线外桥接线的特点与内桥接线正好相反。联结桥断路器设置在外侧，其它两台断路器接在变压器回路中，线路故障和进行切除以及投入操作时，需动过与之相得两台断路器并影响一台未故障变压器的运行。但变压器的切除和投入时，不影响其它回路运行。当出线较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换时，采用外桥接线的方式比较合适，如图3-2所示。(2)单母线接线单母线接线的特点是整个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。优点：接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。缺点：不够灵活可靠，任意元件故障或检修，均须使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部母线仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。(3)单母线分段接线优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同断引出两个回路由两个电源供电；当一段母线发生故障，分开母联断路器，自动将故障隔离，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。缺点：当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电；当出现为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。(4)双母线接线优点：供电可靠；调度灵活；扩建方便；便于试验。缺点：增加一组母线时每回路就需要增加一组母线隔离开关；当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。为了避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设连锁装置[4]。3.3牵引变电所馈线侧主接线基本形式由于27.5kV馈线断路器的跳闸次数较多，为了提高供电的可靠性，按馈线断路器备用方式不同，牵引变电所27.5kV侧馈线的接线方式一般有下列三种：(1)馈线断路器100%备用的接线此种接线用于单线区段，牵引母线不同相的场合。这种接线当工作断路器需检修时，即由备用断路器代替。断路器的转换操作方便，供电可靠性高，但一次投资较大。馈线断路器100%备用的接线图如图3-3所示。(2)馈线断路器50%备用的接线馈线断路器50%备用的接线图如图3-4所示。50%备用的接线，此种接线用于单线区段，牵引母线同相的场合和复线区段，每相母线只有两条馈线的场合。这种接线每两条馈线设一台备用断路器，通过隔离开关的转换，备用断路器可代替其中任一台断路器工作。牵引母线用两台隔离开关分段是为了便于两段母线轮流检修。当每相母线的馈出线数目较多时，一般很少采用此种法方法。此外该接法虽然在经济上比100%备用的接线优越，但可靠性相对来说较低。在只考虑可靠性时，应偏向于选择馈线断路器50%备用，只从经济性方面考虑的话，却应该偏向于选择馈线断路器100%备用。但实际生活中，往往从两方面同时考虑而选择备用方式。图3-3馈线断路器100%备用图3-4馈线断路器50%备用(3)带旁路母线和旁路断路器的接线一般情况下，每2至4条馈线设一旁路断路器。通过旁路母线，旁路断路器可代替任一馈线断路器工作。这种接线方式适用于每相牵引母线馈线数目较多的场合，以减少备用断路器的数量。由于牵引变压器为三相YN,d11牵引变压器且此变电所着重要的牵引负荷供电任务，为提高供电的安全可靠性，同时避免较大的一次性投资，牵引变电所27.5kV侧馈线采用带有旁路母线和旁路断路器的接线方式。带旁路母线和旁路断路器的接线图如图3-5所示。图3-5带有旁路母线和旁路断路器的接线3.4电气主接线方案的确定考虑110kV母线检修时不致全部停电，并且有系统功率穿过，所以采用外桥式接线。由于该变电所处于大型编组站内牵引馈线断路器数量多，且检修频繁，故27.5kV牵引负荷母线采用单母线分段带旁路母线的接线方式。按照向复线区段供电的要求，其牵引侧母线的馈线数目较多，为了保障操作的灵活性和供电的可靠性，我们选用馈线断路器100%备用接线，这种接线也便于故障断路器的检修。牵引变电所A担负着重要的牵引负荷供电任务(一级负荷)，馈线数目多，影响范围广，应保证安全可靠的供电，所以为满足故障检修时的需要，应设两台牵引用变压器，使用固定备用方式。第4章短路电流计算短路是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。造成短路的主要原因有：电气设备绝缘损坏、有关人员误操作、鸟兽为害事故等。短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多，对供电系统产生极大的危害。同时为了正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定和热稳定性，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏，也需要进行短路电流的计算。4.1短路点的确定短路计算时主接线图可以等效为如图4-1所示：图4-1短路等效电路图冲击系数按表4-1选取：表4-1冲击系数电压等级110kV27.5kV10kV1.801.801.80根据原始材料知，S1=4000MVA，S2=4800MVA，Sj=100MVA，L1=30km，L2=50km，L3=20km。4.2110kV短路电流计算(1)系统最大运行方式下由已知可以求得各支路阻抗：已知最大运行方式下电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为和。基准电流为：支路的电抗标幺值分别为：则110kV侧的总电抗标幺值为：三相短路电流周期分量有效值为：其他三相短路电流：短路稳态电流设110kV时，冲击系数，则冲击电流短路电流最大有效值：三相短路容量：(2)系统最小运行方式下已知最小运行方式下电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为和。基准电流为：则110kV侧的总电抗标幺值为：三相短路电流周期分量有效值为：其他三相短路电流：短路稳态电流设110kV时，冲击系数，则冲击电流短路电流最大有效值：三相短路容量：4.327.5kV短路电流计算(1)系统最大运行方式下基准电流为：与110kV侧比较多了变压器的电抗：则27.5kV侧的总电抗标幺值为：三相短路电流周期分量有效值为：其他三相短路电流：短路稳态电流设27.5kV时，冲击系数，则冲击电流短路电流最大有效值：三相短路容量：(2)系统最小运行方式下基准电流为：与110kV侧比较多了变压器的电抗：则27.5kV侧的总电抗标幺值为：三相短路电流周期分量有效值为：其他三相短路电流：短路稳态电流设27.5kV时，冲击系数，则冲击电流短路电流最大有效值：三相短路容量：4.410kV侧短路电流计算(1)系统最大运行方式下：基准电流为：与27.5kV侧比较多了变压器的电抗：则10kV侧的总电抗标幺值为：三相短路电流周期分量有效值为：其他三相短路电流：短路稳态电流设10kV时，冲击系数，则冲击电流短路电流最大有效值：三相短路容量：(2)系统最小运行方式下基准电流：与27.5kV侧比较多了变压器的电抗：则10kV侧的总电抗标幺值为：三相短路电流周期分量有效值为：其他三相短路电流：短路稳态电流设10kV时，冲击系数，则冲击电流短路电流最大有效值：三相短路容量：表4-2短路电流计算结果汇总变压器运行方式短路点系统最大运行方式系统最小运行方式三相短路电流/kA三相短路电流/kA一运一备110kV侧5.012.737.5510004.5511.586.87909.0927.5kV侧7.4118.8611.19370.377.1418.1810.78357.1410kV侧0.812.063.1114.770.812.063.1114.75第5章电气设备选型各级继电器保护时间配合按表5-1选取：表5-1继电保护时间配合计算点(s)1.501.00(s)1.561.06(s)1.50+1.56+0.05=3.111.00+1.06+0.05=2.11整定时限如图：5.1断路器的选型及校验(1)断路器的选择及校验条件如下：①；②；③；④动稳定校验；⑤热稳定校验。设计中110kV侧牵引变压器的选择型号为(三相YN,d11)SF10-63000/110，最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑：表5-2110kV高压断路器选择校验序号装设地点的电气条件型断路器项目数据项目数据结论1110kV110kV合格2429.86A1200A合格35.0kA15.8kA合格47.55kAkA合格5合格表5-327.5kV高压断路器选择校验序号装设地点的电气条件ZN12-27.5型真空断路器项目数据项目数据结论127.5kV27.5kV合格2172000A合格37.41kA25A合格410.43kA63kA合格5合格5.2高压隔离开关的选型及校验(1)隔离开关选择和校验原则是：①； ②；③；④。表5-4110kV隔离开关选择校验序号装设地点的电气条件GW4-110DW型隔离开关项目数据项目数据结论1110kV110kV合格2429.86A630A合格37.55kA50kA合格4合格表5-527.5kV隔离开关选择校验序号装设地点的电气条件GN4-27.5/2000型隔离开关项目数据项目数据结论127.5kV27.5kV合格21719.45A2000A合格310.43kA100kA合格4合格5.3电流互感器的选择与校验电流互感器应按以下条件选择，见表5-6所示：表5-6电流、电压互感器选择与校验选择校验电压电流热稳定动稳定电流互感器电压互感器表5-7110kV电流互感器选择校验序号装设地点的电气条件LVQB-110型电流互感器项目数据项目数据结论1110kV110kV合格2429.86A2400/5A合格37.55kAkA合格4kA合格表5-827.5kV电流互感器选择校验序号装设地点的电气条件LAJ-10型电流互感器项目数据项目数据结论127.5kV27.5kV合格21719.45A2000/5A合格310.43kA合格4合格5.4电压互感器的选择电压互感器应按装设地点的条件及一次电压、二次电压(一般为100V)、准确度级等条件进行选择。由于它的一、二次侧均有熔断器保护，故不需进行短路稳定度的校验。表5-9电压互感器选择电压等级型号额定电压110kV侧JCC-110110kV27.5kV侧DJ-27.527.5kV5.5避雷器的选择为防雷害，在牵引变电所的进线、出线侧，都并联装设避雷器以削减、限制侵入所内的雷电波至较低的各型避雷器的残压水平，并将雷电流泄入大地，从而使其保护范围内的电气设备的绝缘得到保护，并能在较短时间内切断续流，使系统自动恢复正常运行。综合各种因素，避雷器选择见表5-10所示：表5-10避雷器的选择电压等级型号额定电压（kV）110kV侧Y10W5-100/29511027.5kV侧Y10W5-42/14027.55.6熔断器的选择RN1型主要用于电力线路和变压器的过载和短路保护；RN2型主要用于保护电压互感器。综合各种因素考虑，熔断器的型号选择见表5-11所示：表5-11熔断器的选择型号额定电压（kV）额定电流（A）额定开断容量（MVA）RN2-35350.510005.7导线选择及校验5.7.1导线的选择依据110kV进线侧，进入高压室的27.5kV进线侧，从高压室出来的27.5kV馈线侧，10kV馈线侧的母线均为软母线。软母线进行选型，热稳定校验(无需进行动稳定校验)。计算方法：按导线长期发热允许电流选择导线。温度修正系数由下式求得： (5-1)式中，--导线额定负荷时的最高允许温度，设计中取--导线的允许载流量所采用的环境温度，在室外取，室内取--导线敷设地点实际的环境温度，取故在室外时，在室内时。工程中常采用查表的方法求母线和导体的容许电流(载流量)[2]。表5-12导线的选择与校验导线名称选择校验按导线长期发热允许电流选择按经济电流密度选择动稳定热稳定母线及短导线√＿＿√√普通导线＿＿√＿＿√室内母线:高压室内27.5kV硬母线长度l=2000mm,相间距a=600mm；高压室内10kV硬母线长度l=1200mm,相间距a=250mm。计算方法：(1)按导线长期发热允许电流选择导线(5-2)式中，Igmax--通过导线的最大持续电流；Iyx--对于额定环境温度，导线长期允许电流；Kθ--温度修正系数。(2)经济电流密度选择导线(5-3)式中，Sj--导线经济截面积,(mm2)；J--经济电流密度。注：选择架空导线截面积，除了要遵循上述原则外，还应考虑导线机械强度及电压等级等。表5-13架空导线最小截面积架空线路电压等级钢芯铝线（mm2）铝及铝合金（mm2）铜（mm2）35kV2535――6~10kV2535（居民区）25（非居民区）16≤1kV16正式68(3)母线、导线热稳定性校验(5-4)式中，Smin--满足热稳定要求的导线最小截面积(mm2)；C--热稳定系数；--三相短路电流稳态有效值(A)；--假想时间(s)；--集肤效应系数，对于电缆及小面积导线取1。表5-14各种起始温度下℃值起始温度（0Ｃ）40455055606570758085铝材99979593918987858379铜材186183181179176174171169165161(4)硬母线动稳定校验(5-5)式中，σa1--母线材料的最大允许应力(MPa)；σc--母线通过时所受到的最大冲击应力。最大电动力按下式计算(5-6)式中，--导体形状修正系数，约为1；--三相短路冲击电流；l--平行母线长度(mm)；a--母线间距(mm)。最大冲击应力按下式计算(Pa)(5-7)式中，10--跨距数大于2时的取值；8--跨距数等于2时的取值；h--硬母线截面宽边长度(mm)；b--硬母线截面窄边长度(mm)。5.7.2导线选型及校验(1)室外110kV进线侧的软母线选型及校验室外110kV进线侧母线为软母线，母线最大工作电流按变压器过载1.3倍考虑，由前面计算知选用LGJ-150型钢芯铝绞线LGJ-150型钢芯铝绞线的允许最大电流为360A大于检验母线热稳定性由于所选母线实际截面,因此该母线满足短路热稳定度要求。(2)室外27.5kV侧进线的软母线选型及校验同理可得选用LGJ-3×240钢芯铝绞线LGJ-3×240钢芯铝绞线的允许最大电流为1482A＞1322.65校验母线热稳定性由于所选母线实际截面，故选用LGJ-3×240钢芯铝导线符合要求。5.7.3母线选型及校验(1)27.5kV硬母线选型及校验由，，可初步选型LMY-平放的硬铝母线动稳定性校验：三相短路时间电动力满足要求，选用LMY-平放的硬铝母线。5.8支持绝缘子支持绝缘子在配电装置中用以固定母线和导体，并使导体与地或处在其他电位下的设备绝缘，其选择依据见表5-15所示：表5-15支持绝缘子和穿墙套管选择与校验选择校验电压电流热稳定动稳定支持绝缘子——穿墙套管It2t≥在三相短路电流下，中间相母线承受的机械应力最大。若绝缘子间跨距和绝缘子管间跨距分别为L和，则左端绝缘子(N)(N)5.8.1支持绝缘子选型及校验(1)110kV侧母线支持绝缘子选型及校验取L=1m，a=1m,则校验：选择则ZS—110/3型号支持绝缘子。(2)27.5kV侧母线支持绝缘子选型及校验取L=2m，a=40cm则校验：选择则ZS—35/4型号支持绝缘子。5.8.2穿墙套管选型及校验(1)27.5kV进线侧穿墙套管选型及校验因为母线，选择CWLB—35/1000穿墙绝缘陶瓷套管。动稳定性校验：，查表，可知，故，满足动稳定性校验。热稳定性校验：，，，满足要求。所以选择CWLB—35/1000穿墙绝缘陶瓷套管。(2)27.5kV出线侧穿墙套管选型及校验同理，27.5kV出线侧选择CWLB—35/1000型号的穿墙套管。第6章继电保护的配置与整定6.1继电保护的任务和要求6.1.1继电保护的任务(1)当电力系统中的电气设备发生短路故障时，能自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；(2)当电力系统中的电气设备出现不正常运行状态时，并根据运行维护的条件(例如有无经常值班人员)，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免误动作。6.1.2继电保护基本要求对于动作于跳闸的继电保护装置，在技术上一般应满足4个基本要求，即可靠性、选择性、速动性、灵敏性。(1)可靠性：是指继电保护装置自身在工作过程中的安全性和信赖性，是对继电保护最基本的性能要求。它又可分为可信赖性和安全性2个方面。可信赖性要求继电保护在异常或故障情况下，能准确地完成设计所要求的动作；安全性要求继电保护在非设计所要求动作的所有情况下，能够可靠地不动作。(2)选择性：是指当电力系统中的电气设备发生短路故障时，电力系统中的所有继电保护装置应该有选择性地动作，将故障设备从电力系统中切除，并保证切除故障设备后电力系统的停电范围最小。(3)速动性：是指当电力系统中电气设备发生故障时，继电保护装置应能尽快地在最短时间内切除故障。快速动作的目的是减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。(4)灵敏性：是指继电保护装置对其保护范围内的电气设备发生短路故障时的反应能力。能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内出现设备故障时，不论短路点的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应并动作。6.2牵引变压器的保护变压器是电力系统普遍使用的重要电气设备。它的安全运行直接关系到电力系统供电和稳定运行，特别是大容量变压器，一旦因故障而损坏造成的损失就更大。因此必须针对变压器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠，性能良好的继电保护装置。一般包括：6.2.1纵联差动保护变压器差动保护是反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护，保护变压器本体及其引出线。但由于他对油箱内部的匝间短路故障不够灵敏，而变压器油箱内部的故障又是电力系统最危险故障之一，因此纵差保护必须和瓦斯保护一起构成变压器的主保护。变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的，如图6-1示出了双绕组变压器纵差保护原理接线图。图6-1纵差保护原理接线图图6-1纵差保护原理接线图差动保护整定计算：灵敏度系数的校验：灵敏度系数一般不应低于2所以满足要求纵差保护是电气主设备的主保护，它灵敏度高、选择性好，在变压器保护上运用较为成功。变压器纵差保护基本原理：由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，欲使这种情况下流过继电器的电流基本为零，则应恰当选择两侧电流互感器的变比。另外，由于纵差保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其纵差保护回路中有不平衡电流，使纵差保护处于不利的工作条件下。为保证变压器纵差保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出产生的原因，采取措施予以消除。图6-2瓦斯保护原理图6.2.2瓦斯保护瓦斯保护在油浸式变压器的保护装置中具有特殊的地位。它作为变压器的主保护使用，既可以反映变压器油箱内部故障(如匝间短路、层间短路等)，又可以反映变压器的不正常工作状态(如油面过低、长期过热等)，所以瓦斯保护也分为重瓦斯和轻瓦斯，重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于报警。工作原理如图6-1所示6.2.3过电流保护过电流保护在变压器保护装置中主要作为后备保护使用。在实际应用中，由于牵引供电系统为重负荷供电线路，常采用低电压启动方式提高过电流保护的动作灵敏性，即采用低电压启动过电流保护。而且，由于牵引供电系统变压器二次为单相独立供电负荷，一般情况下过电流保护在变压器的高压侧和低压侧分别设置，高压侧设置三相过电流保护(称110kV侧过电流)，低压侧设置两单相过电流保护(称27.5kV侧过电流)。需要说明的是，27.5kV侧过电流主要作为变压器二次侧引出线至27.5kV侧母线间(包括母线)的主保护和牵引网馈线的后备保护。110kV侧过电流保护则是作为变压器纵差保护的近后备保护和27.5kV侧过电流保护的远后备保护。6.2.4接地保护接地保护在变压器的保护装置中作为反映变压器一次侧发生接地故障时的保护，是一种相对独立的保护，也是纵差保护的一种辅助保护。对中性点直接接地电网，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。零序电流保护通常由两段组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时限用于缩小故障影响范围，以较长的时限用于断开变压器各侧的断路器。当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地时，中性点接地的变压器跳闸后，中性点不接地的变压器(低压侧有电源)仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护及在中性点装设放电间隙加零序电流保护等。6.3馈线的保护(1)距离保护①距离保护第一段为无延时的速动段，它应该只反映本线路的故障，下级线路出口发生短路故障时，应可靠不动作。所以其测量元件的整定阻抗，应该按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。设馈线长度=30km;被保护线路单位长度的正序阻抗为距离I段的整定阻抗为针可靠系数则线路A-B的正序阻抗为与相邻线路距离保护I段配合。为了保证在下级线路上发生故障，上级线路保护处的保护Ⅱ段不至于越级跳闸，其Ⅱ段的动作范围不应该超出保护2I段的动作范围。若保护2I段的整定阻抗为灵敏度校验。距离保护Ⅱ段，应该保护线路的全长，本线路末端短路时，应该有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏度系数应满足第7章变电所的防雷保护与接地装置的设计7.1变电所的防雷保护由气象资料得知，牵引变电所所在地区的年雷暴雨日数为20天。虽然发生雷暴的几率不属于高频地区，但是雷电过电压产生的雷电冲击波对供电系统的危害极大，因此必须对雷电过电压加以防护。7.1.1直击雷防护在变电所纵向中心轴线位置设置两支间距D=98、高度为的等高避雷针保护室外高压配电装置、主变压器及所有建筑物。已知出线构架高12.5(变电所最高点)，其最远点距较近避雷针11.5，建筑物高7，其最远点距避雷针18.7。按“滚球法”校验避雷针保护范围如下：本变电所建筑物防雷级别为二级，滚球半径为。因为<，且D=98>，所以避雷针在出线构架高度上的水平保护半径为而其最远点距避雷针11.5<，可见出线构架在避雷针的保护范围内。避雷针在建筑物高度上的水平保护半径为而其最远点距避雷针18.7<，可见建筑物也在避雷针的保护范围内。根据以上计算结果可知，变电所装设的两支35等高避雷针能保护变电所内的所有设施。7.1.2雷电波侵入的防护为防止线路侵入的雷电波过电压，在变电所12km的110kV进线段架设避雷线，主变压器各侧出口分别安装阀型避雷器。为保护主变压器中性点绝缘，在主变压器110kV侧中性点装设一台避雷器。7.2接地装置7.2.1接地与接地装置的定义电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体，或称接地极。专门为接地而人为装设的接地体，称为人工接地体。兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属管道及建筑物的钢筋混凝土基础等，称为自然接地体。连接接地体与设备、装置接地部分的金属导体，称为接地线。接地线在设备、装置正常运行情况下是不载流的，但在故障情况下要通过接地故障电流。接地线与接地体合称为接地装置。由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网。其中接地线又分为接地干线和接地支线。接地干线一般应采用不少于两根导体在不同地点与接地网连接。防雷接地：为把雷电流迅速导入大地，以防止雷害为目的的接地叫作防雷接地。建筑多属于一级负荷，应按一级防雷建筑物的保护措施设计，接闪器采用针带组合接闪器，避雷带采用25×4(mm)镀锌扁钢在屋顶组成≤10×10(m)的网格，该网格与屋面金属构件作电气连接，与大楼柱头钢筋作电气连接，引下线利用柱头中钢筋，圈梁钢筋，楼层钢筋与防雷系统连接，外墙面所有金属构件也应与防雷系统连接，柱头钢筋与接地体连接，组成具有多层屏蔽的笼形防雷体系。这样不仅可以有效防止雷击损坏楼内设备，而且还能防止外来的电磁干扰。各类防雷接地装置的工频接地电阻，一般应根据落雷时的反击条件来确定。防雷装置如与电气设备的工作接地合用一个总的接地网时，接地电阻应符合其最小值要求。交流工作接地：将电力系统中的某一点，直接或经特殊设备(如阻抗，电阻等)与大地作金属连接，称为工作接地。工作接地主要指的是变压器中性点或中性线(N线)接地。N线必须用铜芯绝缘线。在配电中存在辅助等电位接线端子，等电位接线端子一般均在箱柜内。必须注意，该接线端子不能外露；不能与其它接地系统，如直流接地，屏蔽接地，防静电接地等混接；也不能与PE线连接。

在高压系统里，采用中性点接地方式可使接地继电保护准确动作并消除单相电弧接地过电流。中性点接地可以防止零序电压偏移，保持三相电压基本平衡，这对于低压系统很有意义，可以方便使用单相电源。安全保护接地：安全保护接地就是将电气设备不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。即将大楼内的用电设备以及设备附近的一些金属构件，用PE线连接起来，但严禁将PE线与N线连接。屏蔽接地与防静电接地：为了避免所用设备的机能障碍，避免甚至会出现的设备损坏，构成布线系统的设备应当能够防止内部自身传导和外来干扰。这些干扰的产生或者是因为导线之间的耦合现象，或者是因为电容效应或电感效应。其主要来源是超高电压，大功率幅射电磁场，自然雷击和静电放电。这些现象会对设计用来发送或接收很高传输频率的设备产生很大的干扰。因此对这些设备及其布线必须采取保护措施，免受来自各方面的干扰。屏蔽及其正确接地是防止电磁干扰的最佳保护方法。可将设备外壳与PE线连接；导线的屏蔽接地要求屏蔽管路两端与PE线可靠连接；室内屏蔽也应多点与PE线可靠连接。防静电干扰也很重要。在洁净、干燥的房间内，人的走步、移动设备，各自磨擦均会产生大量静电。例如在相对湿度10～20％的环境中人的走步可以积聚3.5万伏的静电电压、如果没有良好的接地，不仅会产生对电子设备的干扰，甚至会将设备芯片击坏。将带静电物体或有可能产生静电的物体(非绝缘体)通过导静电体与大地构成电气回路的接地叫防静电接地。防静电接地要求在洁静干燥环境中，所有设备外壳及室内(包括地坪)设施必须均与PE线多点可靠连接。7.2.2接地装置的设计110kV为大电流接地系统，查表可知，其接地电阻要求不大于0.5Ω；27.5kV系统的接地电流为7A，故要求接地电阻RE≤120/IE=120/7Ω=17Ω，由表RE≤10Ω；10kV系统的接地电阻要求不大于10Ω；所用电380/220V系统的接地电阻要求不大于4Ω。故共用接地装置的接地电阻应不大于0.5Ω。接地装置拟采用直径为50mm、长为2.5m的钢管作为接地体，垂直埋入地下，间距5m，管间用40mm×4mm的扁钢焊接相连成环形，则单根钢管的接地电阻为RE(1)=Kρ=32.6×10-4×1000Ω=3.26Ω式中K、ρ可查表得到。因为RE(1)/RE=3.26/0.5=6.52，考虑到管间电流屏蔽效应的影响，初选10根钢管作接地体，管间距离a和管长l之比a/l=5/2.5=2，根据n=10和a/l=2查表得η=0.71，则钢管根数为最终选10根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体，用40mm×4mm的扁钢焊接相连，环形布置。由此算得接地电阻为符合要求。第8章结论本次设计根据设计任务书的要求，确定电气主接线，牵引变压器容量、型式及台式的选择，短路电流计算，选择主要电气设备，进行继电保护，接地防雷保护设计，最终根据变压器的接线形式以及所选的高低压开关设备，电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、避雷器等设备的型号和数量用CAD软件画出电气主接线图。毕业设计是最重要的实践性教学环节，必须综合运用多门基础理论和专业课知识，将所学的理论知识融会贯通于设计过程中。牵引供电设计必须根据专业技术标准进行，尽力使设计方案满足安全，可靠，经济多方面要求。最后，通过课程设计使我认识到由于所学知识的局限性以及缺乏经验，我的设计可能不够合理，也不够完善。因此，我需要在今后的学习中不断的积累知识，使自己有所进步。由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。参考文献[1]刘介才.戴绍基.工厂供电（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2005.[2]李彦哲,胡彦奎,王果等.电气化铁道供电系统与设计[M].兰州：兰州大学出版社，2006.[3]贺威俊,简克良.电气化铁道共变电工程[M].北京：铁道出版社，1983.[4]刘国亭.电力工程CAD[M].北京：中国水利水电出版社，2006.[5]李群湛.贺建闽,牵引供电系统分析[M].西南交大出版社2010.[6]尹克宁.电力工程[M].北京：中国电力出版社，2008.[7]刘介才.工厂供用电实用手册[M].北京：中国电力出版社，2001.[8]曾成碧,赵莉华.电机学[M],北京：机械工业出版社，2008.[9]张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.[10]谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].西南交通大学出版社，2009.[11]DepenbrockM.TheFBDmethod,agenerallyapplicabletoolforanalyzingpowerrelations，IEEETransPowersystem,1993.[12]D.Chatopadhyay,K.Bhatacharya,JyotiParikh,OptimalReactivePowerPlanninganditsSpot-pricing:anIntegratedApproach,IEEETransactionsonPowerSystem,Vol.10,No.4,1995.致谢本设计是在王老师精心指导下完成的，她严谨求实的工作作风和治学精神使我受益匪浅。在毕业设计过程中，王老师认真指导，多方面支持，给出了许多很好的指导意见。在此表示衷心的感谢！在毕业设计这段时间里，我们对所学《牵引供系统分析》和《工厂供电》课程的知识，对设备选型、校验，绝缘接地等原理都有了更具体的认识和理解，尤其是在多次修改论文的过程中她以极大的耐心帮助进行修改我的论文，使我深受感动。同时，在毕业设计过程中，还得向在大学四年中教过我的任课老师表示感谢，使我在毕业设计过程中能够熟练的运用理论知识。最后，感谢学校的支持。附录附录A外文资料DCTractionPowerSystemGroundingDevPaul,SeniorMember,IEEEAbstract—Thispaperprovidesareviewofthepresentpracticeofdctractionpowersystemgroundingmethodsemployedin.NorthAmerica.Ananalysisofequipmentgrounding,systemgrounding,andtheirrelationshipstoachieveoptimizedequipmentandpersonalsafetyisderived.Genericprotectiverelayschemescommonlyusedinthedcequipmentenclosuregroundingareshown.Railleakagestraycurrentandpersonnelsafetyaffectedbythedcsystemgroundingmethodarediscussed.Toenhancepersonnel/equipmentsafety,specificrecommendationsforthedesignofthedctractionpowersystemgroundingareincluded.IndexTerms—Equipmentgrounding,rail-to-groundpotential,rapidtransitsystem,straycurrent,systemgrounding,touchpotential.I.INTRODUCTIONRAPIDTRANSITsystemsareexpandingatgreatspeedthroughouttheworld,includingNorthAmerica.However,thereisverylittleefforttowarddevelopmentofstandardsfordcpowersystemdesignandprotectionascomparedtoacpowersystemsusedforgeneralindustry.Eachnewtransitprojectbeginswithitsownsetofdesigndirectivedocumentsandappliesequipmentandsystemgroundingmethodsthatmaynotbefullyevaluatedduetolackofclearunderstandingoftheirrelationshiptostraycurrentandpersonnelsafety.Itistheauthor’sviewthattherearetimeswhenthelow-resistanceandhigh-resistanceequipmentgroundingmethodsusedfordcpowersystemsmaybemisunderstoodtobethepowersystemgroundinginaccordancewiththedefinitionofacpowersystemsgrounding.Atpresent,therearenorecommendedguidelinesorindustrystandardsthatcoverdctractionpowersystemgrounding,unlikethecolorbookseries[5]thatcoversacpowersystemgrounding.ThispaperattemptstoprovidetheABCsofdcequipmentenclosureanddctractionpowersystemgroundingmethodsandtheirrelationship.Onlytheprotectiverelayschemesassociatedwithdcequipmentenclosuregroundingandsystemgroundingaredescribed.Theoveralldcrapidtransitsystemprotectiverelayschemeisbeyondthescopeofthispaper.Interestedreadersareencouragedtoreaddcbreakersprotectiondutyrequirementsindicatedin[9].Atypicaldcelectrificationone-linediagramofarapidtransitsystemwithgroundingprotectiverelayschemescoveringtheequipmentanddcpowersystemgroundingmethodsisincludedinFig.1.Awaytoaccommodatetwodifferentcontradictoryre-Fig.1.DCelectrificationone-linediagram.1:Rectifierunit;2:dcswitchgear;3:negativebusbox;4:equipmentgroundingprotection;5:systemgroundingprotection.quirementsofminimizingdcstraycurrentandmaximizingpersonnelsafetythroughthedesignofdcpowersystemgroundingprotectionschemesisdiscussed.II.DCTRACTIONPOWERSYSTEMInadctractionpowersystem,currentfromthetractionpowersubstationsisdeliveredtothemovingtrainsbyeitherthethirdrailortheoverheadcontactsystem(OCS)andisreturnedtothesubstationsbythetrackrunningrails.Theinstallationconfigurationofthetractionpowersubstationstations(TPSSs),positiveandnegativefeedercableruns,andthetrackrunningrailsissuchthatthethirdrailortheOCSactsasalongpositiveconductorandthecross-bondedrunningrailsasthenegativeconductor,whileeachTPSSisinparallelbetweenthesetwopositiveandnegativeconductors.Sectionalizingofthepositiveconductorisprovidedbythedcfeederbreakersateachtractionpowersubstation.Sometimes,gapstationsareemployedinthemiddleofthetwotractionpowersubstationstoincreasethesectionalization,especiallyfora1500-Vdcsystemwhenthedistancebetweenthetractionpowersubstationsisrelativelylarge.Undernormalsystemoperation,tominimizedcstraycurrentanditsassociatedcorrosioneffectsonundergroundutilities,therunningrailsandthedctractionpowersystemnegativearekeptungrounded.Presentpracticewhendesigningthedctractionpowersystemistokeepratedvoltageintherangeof600–1500-Vdcwith750-Vdcthenormalchoiceofmanyprojects[3].Thedcswitchgear[4]consistsofsingle-polarity(positive)dccircuitbreakersofeitherthehigh-speedorthesemihigh-speedtype[11]tosupplydcpowertothetrainpropulsionsystemviathirdrailorOCSsystem.Thenegative-polaritybusboxisphysicallykeptseparatedfromthedcswitchgear.Fig.1representsvariouscomponentsofthedcelectrificationsystemincludingthevehicle.Itshouldbenotedthatthevehicletouchpotentialispracticallythesameastherail-to-groundpotential,especiallyifthereisnootherprovisionforgroundingthevehicle[7].Toproperlyaddressthesubjectofgrounding,thereshouldbeaclearunderstandingofthedifferencesbetween“equipment”groundingand“system”grounding.Equipmentgroundingreferstogroundingoftheenclosuresoftherectifierunitanddcswitchgear.Systemgroundingreferstogroundingofthecurrent-carryingconductorofthedcnegativesystem.ThisnegativesystemisthenegativeoftherectifierunitateachTPSSandthetrackrunningrailscarryingnegativereturncurrent.Thethreebasicconfigurations:1)ungrounded;2)impedancegrounded;and3)effectivelygroundedthatapplytoacpowersystems[5]couldverywellapplytodctractionpowersystems.Undernormalsystemoperation,thereisnodirectintentionalelectricalconnection