電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計

1、一、題目某牽引變電所乙采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，三相YN,d11接線，兩供電臂電流歸算到27.5kV側(cè)電流如下表1所示。表1 計算原始資料牽引變電所供電臂長度km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A乙18.321729581814813.3144218637144二、題目分析及解決方案框架確定分析題目提供的資料可知，該牽引變電所要負擔(dān)向區(qū)段安全可靠的供電任務(wù)，因此采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電的方式，可減輕對鄰近通信線路的干擾影響，大大降低牽引網(wǎng)中的電壓損失，擴大牽引變電所間隔，減少牽引變電所的數(shù)目。該牽引變電所的設(shè)計過程如下:(1) 設(shè)該變

2、電所為通過式牽引變電所，則110kV牽引側(cè)的接線設(shè)計為內(nèi)橋接線形式。(2) 在牽引變電所的主變壓器采用YN,d11接線形式，在兩臺牽引變壓器并聯(lián)運行的情況下，當(dāng)一臺停電時，供電不會中斷，運行可靠方便。能很好地適應(yīng)山區(qū)單線電氣化鐵路牽引負荷不均衡的特點。(3) 牽引變電所饋線側(cè)采用復(fù)線區(qū)段饋線斷路器50%備用，且無饋線備用的接線方式，這種接線方便于工作，當(dāng)工作斷路器需要檢修時，可有各自的備用斷路器來代替其工作，斷路器的轉(zhuǎn)換操作比較方便，供電可靠性高。三、設(shè)計過程三相YN,d11結(jié)線牽引變壓器的高壓側(cè)通過引入線按規(guī)定次序接到110kV三相電力系統(tǒng)的高壓輸電線上；變壓器低壓側(cè)的一角c與軌道、接地網(wǎng)連

3、接，變壓器另兩個角a和b分別接到27.5kV的a相和b相母線上。由兩相牽引母線分別向兩側(cè)對應(yīng)的供電臂供電，兩臂電壓的相位差為60，也是60結(jié)線。由于左、右兩供電臂對軌道的電壓相位不同，因此，在這兩個相鄰的接觸網(wǎng)區(qū)段間采用了分相絕緣器。采用三相YN,d11接線牽引變壓器的缺點：牽引變壓器容量不能得到充分利用，只能達到額定容量的75.6%，引入溫度系數(shù)也只能達到84%，與采用單相接線牽引變壓器的牽引變電所相比，主接線要復(fù)雜一些，用的設(shè)備工程投資也較多，維護檢修工作量及相應(yīng)的費用也有所增加。這種牽引變電所中裝設(shè)兩臺三相YN,d11結(jié)線牽引變壓器，可以兩臺并聯(lián)運行；也可以一臺運行，另一臺固定備用。由圖

4、1可知，變壓器副邊繞組ac為左供電臂提供電壓，變壓器副邊繞組bc為右側(cè)供電臂提供電壓。又根據(jù)變壓器連接組標(biāo)號，變壓器副邊繞組ac、bc分別與原邊繞組A、C同相。此時，牽引變壓器的高壓側(cè)的A端子連接到電力系統(tǒng)的A相；變壓器的B端子連接到電力系統(tǒng)的B相；變壓器的C端子連接到電力系統(tǒng)的C相。原邊繞組A、B、C三相分別與電力系統(tǒng)的A、B、C三相一致。圖1 三相YN,d11結(jié)線牽引變壓器原理電路圖3.1牽引變電所110kV側(cè)主接線設(shè)計此設(shè)計中著重考慮滿足供電的可靠性和運行操作中的安全、靈活及便利，而利用分段開關(guān)將電源及出線平均分配于兩段母線，在正常運行時，分段斷路器閉合。兩段母線并列運行，當(dāng)一段母線發(fā)生

5、故障時，分段斷路器QFd自動斷開，使故障段解列，從而可以保證另一段母線能夠正常工作，縮小了故障停電范圍，因此采用如圖2所示內(nèi)橋接線。依據(jù)該牽引變電所負荷等級，要求兩路電源進線，因有系統(tǒng)功率穿越，屬通過式變電所，110kV側(cè)采用圖2所示的內(nèi)橋接線。由于外橋接線適合于輸電距離較短，線路故障會較少，而變壓器需要經(jīng)常操作的場合，這種接線方便于變壓器的投入及切除，而切除一條線路時，需要同時斷開兩臺變壓器，造成一臺變壓器的短時停電，所以若考慮經(jīng)濟運行也可采用圖3所示的外橋接線。 電源側(cè)L2QS4L1QS1QS3QS5QS2QF2QF1QFT1T2電源側(cè)L1L2QF2QF1QS2QS2QS1QF1T2T1

6、圖2 內(nèi)橋接線 圖3 外橋接線3.2牽引變電所27.5kV饋線側(cè)主接線設(shè)計由于27.5kV(或55kV)饋線斷路器的跳閘次數(shù)較多，為了提高供電的可靠性，按饋線斷路器備用方式不同，牽引變電所27.5kV 側(cè)饋線的接線方式一般有下列三種：3.2.1饋線斷路器100%備用的接線如圖4所示。這種接線當(dāng)工作斷路器需檢修時，即由備用斷路器代替。斷路器的轉(zhuǎn)換操作方便，供電可靠性高，但一次投資較大。a相母線b相母線送左臂下行送右臂上行送左臂上行送右臂上行 圖4 饋線斷路器100%備用的接線3.2.2饋線斷路器50%備用的接線如圖5所示。此種接線用于單線區(qū)段，牽引母線同相的場合和復(fù)線區(qū)段，每相母線只有兩條饋線的

7、場合。這種接線每兩條饋線設(shè)一臺備用斷路器，通過隔離開關(guān)的轉(zhuǎn)換，備用斷路器可代替其中任一臺斷路器工作。牽引母線用兩臺隔離開關(guān)分段是為了便于兩段母線輪流檢修。a相母線b相母線左臂上行左臂下行右臂上行右臂下行 圖5饋線斷路器50%備用的接線在此設(shè)計中由于牽引變電所設(shè)在小站，且饋電線只供區(qū)間時采用，當(dāng)每相母線的饋出線數(shù)目較多時（如牽引變電所設(shè)在樞紐地區(qū)或大的區(qū)段站處），我們可以采用第三種接線方式3.2.3帶旁路母線和旁路斷路器的接線如圖6所示。一般每2至4條饋線設(shè)一旁路斷路器。通過旁路母線，旁路斷路器可代替任一饋線斷路器工作。這種接線方式適用于每相牽引母線饋線數(shù)目較多的場合，以減少備用斷路器的數(shù)量。b

8、相母線a相母線旁路母線 圖6 帶旁路母線和旁路斷路器的接線 考慮到牽引變壓器類型為單相變壓器，且此牽引變電所只為區(qū)間正線供電，為了提高供電的可靠性，同時避免較大的一次性投資，牽引變電所27.5kV 側(cè)饋線斷路器采用50%備用的接線。饋線的接線方式為饋線斷路器50%備用的接線。每2條饋線設(shè)1臺備用斷路器和2臺備用隔離開關(guān)，備用斷路器和備用隔離開關(guān)中的1臺可代替任一饋線斷路器和隔離開關(guān)工作。3.3 三相YN,d11變壓器主接線三相YN,d11接線變壓器用于直接供電方式或吸流變壓器供電方式中。變壓器高壓側(cè)繞組以星形方式與電力系統(tǒng)的三相相聯(lián)接。變壓器低壓側(cè)繞組接成三角形，其中c端子的一角經(jīng)電流互感器接

9、至接地網(wǎng)和鋼軌（吸流變壓器供電方式時接回流線）；另兩角（變壓器a、b端子）分別經(jīng)電流互感器、斷路器和隔離開關(guān)引接至牽引母線。兩臺變壓器可并聯(lián)工作；也可一臺工作，另一臺固定備用。如圖7（見附錄）所示。3.4 牽引變壓器容量計算為了經(jīng)濟合理的選擇牽引變壓器容量，計算分3個步驟進行：(1)確定計算容量按正常運行的計算條件求出主變壓器供應(yīng)牽引負荷所必須的最小容量。(2)確定校核容量按列車緊密運行時的計算條件并充分利用牽引變壓器的過負荷能力所計算的容量。(3)安裝容量根據(jù)計算容量和校核容量，再考慮其他因素（如備用方式）等，最后按變壓器實際產(chǎn)品的規(guī)格所確定的變壓器臺數(shù)與容量。計算容量主要由各供電臂的負荷來

10、決定，各供電臂的負荷就是牽引變電所的饋線電流。牽引變電所的饋線電流由牽引計算的結(jié)果和線路通過能力及行車量等條件決定。3.4.1牽引變壓器的計算容量 (1)其中為溫度系數(shù)，取0.9，U為牽引側(cè)電壓，為27.5kV，=295A，=218A，代入可得：S=16.8MVA。3.4.2牽引變壓器的校核容量 (2)其中為溫度系數(shù)，取0.9，U為牽引側(cè)電壓，為27.5kV，=590A，=218A，代入可得：=32.7MVA。這里三相YN,d11變壓器的過負荷倍數(shù)為1.5，所以可得該變壓器的校核容量為： =21.8MVA (3)3.4.3牽引變壓器安裝容量牽引變壓器的安裝容量是在計算容量和校核容量的基礎(chǔ)上，再

11、考慮備用方式，最后按變壓器的產(chǎn)品規(guī)格確定的變壓器臺數(shù)與容量。確定安裝容量除了計算容量和校核容量外，主要考慮的因素是備用方式。這里牽引變壓器采用固定備用。3.4.4牽引變壓器類型的選擇當(dāng)牽引變壓器的計算容量和校核容量確定以后，選擇兩者中的大者，并按采用的備用方式、牽引變壓器的系列產(chǎn)品（額定容量優(yōu)先級為R10系列，即10000，12500，1600，20000，25000，31500，40000，50000，63000，80000，（KVA）等）以及有否地區(qū)動力負荷等諸因素，即可確定牽引變壓器的安裝容量。本設(shè)計中選擇牽引變壓器安裝容量為225000KVA。牽引變壓器選擇用SFY-25000/110

12、型三相雙繞組牽引變壓器。3.5繪制電氣主結(jié)線圖該牽引變電所主接線方案如圖8（見附錄）所示。為保證供電可靠性，牽引變壓器采用固定備用方式。采用固定備用方式的優(yōu)點是，其投入快速方便，可確保鐵路正常運輸，又可不修建鐵路專用岔線，牽引變電所選址方便、靈活，場地面積較小，土方量較少，電氣主接線較簡單。其缺點是增加了牽引變壓器的安裝容量，變電所內(nèi)設(shè)備檢修業(yè)務(wù)要靠公路運輸。因此，固定備用方式適用于有公路條件的大運量區(qū)段。因采用三相牽引變壓器，同一牽引變電所饋線電壓同相，且省去牽引變電所出口處電分相裝置，改善了電力機車行的弓網(wǎng)關(guān)系。此種接線適用于高速電氣化鐵路的機車運行。唯一不足的是，會產(chǎn)生較大的負序和諧波。

13、3.6開關(guān)設(shè)備的選擇3.6.1高壓斷路器的選擇對于開斷電路中負荷電流和短路電流的高壓斷路器，首先應(yīng)按使用地點和負荷種類及特點選擇斷路器的類型和型號、即戶內(nèi)或戶外式，以及滅弧介質(zhì)的種類，并能滿足下列條件：（1) 斷路器的額定電壓，應(yīng)不低于電網(wǎng)的工作電壓，即 UeUg式中, Ue 、Ug分別為制造廠給出的短路器額定電壓和網(wǎng)絡(luò)的工作電壓，伏或千伏。（2) 斷路器的額定電流Ie，應(yīng)不小于電路中的最大長期負荷電流，即 IeIg式中, Ig斷路器的最大長期負荷電流，安或千安。（3）根據(jù)斷路器的斷路能力，即按照制造廠給定的額定切斷電流Ieq、或額定斷路容量Sed選擇斷路器切斷短路電流（或短路功率）的能力。為

14、此，應(yīng)使額定切斷電流Ieq不小于斷路器滅弧觸頭剛分離瞬間電路內(nèi)短路電流的有效值Idt，或在一定工作電壓下應(yīng)使斷路容量Sed不小于短路功率Sdt。即IeqIdt或Sed=UeIeqSdt（三相系統(tǒng)）式中，Idt短路后t秒短路電流有效值（周期分量），對快速斷路器，取Idt=I, t0.1； Sdt短路后t秒短路功率，對快速熔斷器Sdt=Sd。 對于牽引系統(tǒng)，牽引網(wǎng)電壓為27.5千伏，當(dāng)采用三相35千伏系列的斷路器時，斷路器容量需按下式換算： Sed=Sed=0.78Sed式中，Sed35千伏斷路器用在27.5千伏系統(tǒng)中的三相斷路容量。牽引網(wǎng)饋電線用單相斷路器，按額定斷路容量選擇時應(yīng)滿足的條件為（I

15、eq不變）： S(2)ed=27.5IeqS(2)dt式中，S(2)ed、S(2)dt分別為單相斷路器的額定斷路容量和單相牽引網(wǎng)中短路后t秒的短路功率。為了求得短路電流有效值Idt，必須確定切斷短路的計算時間tjs，即從短路發(fā)生到滅弧觸頭分開時為止的全部時間，它等于繼電保護動作時間tb和斷路器固有動作時間tg之和，故tjs=tb+tg。在設(shè)計和電氣設(shè)備選擇中，由實際選擇的保護裝置與斷路器型號，可得到tb和tg的實際值，但如無此數(shù)據(jù)時，一般可按下述情況選取。對快速動作的斷路器，取tg=0.05秒，而對于非快速動作的斷路器，tjs =0.10.15秒；對于繼電保護，應(yīng)按具有最小動作時間的速斷主保護

16、作為動作時間，即tb=0.05秒，因此，對于快速動作的斷路器，切斷短路的計算時間tjd=0.050.1秒，對于非快速動作的斷路器，tjs =0.150.2秒?？芍?，短路發(fā)生后tjs0.1秒，因短路電流的非周期分量已接近衰減完畢，此時短路電流即為短路周期分量電流的有效值。當(dāng)tjs0.1秒時，則須計入短路電流的周期分量。（4）校驗短路電流通過時的機械穩(wěn)定性在短路電流作用下，對斷路器將產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力，為此，制造廠給出了能保證機械穩(wěn)定性的極限通過電流瞬時值igf，即在此電流通過下不致引起觸頭熔接或由于機械應(yīng)力而產(chǎn)生任何機械變形。因而，應(yīng)使 igfi(3)ch式中，igf，i(3)ch分別為斷路器的

17、極限通過電流或斷路器安裝處的三相短路沖擊電流（幅值）。（5）校驗短路時的熱穩(wěn)定性短路電流通過時斷路器的熱穩(wěn)定性，由制造廠家給出的在t秒（t分別為4、5或10秒）內(nèi)允許通過的人穩(wěn)定電流It來表征，即在給定的時間t內(nèi)，It通過斷路器時，其各部分的發(fā)熱溫度不超過規(guī)定的短路最大容許發(fā)熱溫度。因此，短路電流Id通過斷路器時，其熱穩(wěn)定條件為：I2ttQd式中，It為制造廠家規(guī)定的秒熱穩(wěn)定電流。 Qd短路電流發(fā)熱效應(yīng)。Qd=Qz+Qfi3.6.2高壓熔斷器的選擇高壓熔斷器用以切斷過負荷電流和短路電流，選擇是首先應(yīng)考慮裝置的種類與型式、是屋內(nèi)或屋外使用，對于污穢地區(qū)的屋外式熔斷器還應(yīng)保證絕緣泄露比距的要求，以

18、加強絕緣，此外，高壓熔斷器應(yīng)滿足(1）按工作電流UeUg（與斷路器意義相同）。(2）按工作電流 IeRIeiIg 式中，IeR、Iei分別為熔斷器額定電流和熔件額定電流； Ig網(wǎng)絡(luò)中最大長期工作電流(3）按斷流容量 IqI 或 SeS 式中，Iq、Se分別為熔斷器的極限開斷電流和額定斷流容量。（4）對污穢地區(qū)屋外安裝的熔斷器，其絕緣泄露比距應(yīng)滿足 因熔斷器的熔斷時間很短，故采用熔斷器保護的導(dǎo)體和電器可不校驗短路電流的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。此外，高壓熔斷器熔件的選擇還必須與網(wǎng)絡(luò)中各分段、分支電路的熔斷器熔件或與饋電線繼電保護之間，從時間特性上保證互相間動作的選擇性和時限配合關(guān)系。3.7 儀用互感

19、器的選擇 3.7.1電流互感器的選擇（1） 電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循：應(yīng)滿足一次回路的額定電壓、最大負荷電流及短路時的動、熱穩(wěn)定電流的要求；應(yīng)滿足二次回路測量、自動裝置的準(zhǔn)確度要求和保護裝置10%誤差的要求；應(yīng)滿足保護裝置對暫態(tài)特性的要求（如500KV保護）；用于變壓器差動時，各側(cè)電流互感器的鐵芯宜用相同的鐵芯型式。各互感器的特性宜相同，以防止區(qū)外故障時，各互感器特性不一致而產(chǎn)生差流，造成誤動。（2） 電流互感器類型選擇為保證保護裝置的正確動作，所選擇的互感器至少要保證在穩(wěn)態(tài)對稱短路電流下的誤差不超過規(guī)定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問題帶來的暫態(tài)影響，則只能根據(jù)互

20、感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問題的嚴重程度、保護裝置的特性、暫態(tài)飽和可能引起的后果和運行情況進行綜合考慮定性分析，至于精確的暫態(tài)特性計算由于過于復(fù)雜且現(xiàn)場工作情況很難進行，因此不進行討論。330500KV系統(tǒng)保護、高壓側(cè)為330500KV的變壓器保護用的電流互感器，由于系統(tǒng)一次時間常數(shù)較大，互感器暫態(tài)飽和較嚴重，由此可能導(dǎo)致保護錯誤動作的后果。因此互感器應(yīng)保證實際實際短路工作循環(huán)中不致暫態(tài)飽和，即暫態(tài)誤差不超過規(guī)定值，一般選用P類互感器，尤其是線路保護考慮到重合閘的問題，要考慮雙工作循環(huán)的問題，因此推薦使用TPY型。220KV系統(tǒng)保護、高壓側(cè)為220KV的變壓器保護互感器其暫態(tài)飽和問題及其影響較輕，可按穩(wěn)

21、態(tài)短路條件計算互感器穩(wěn)態(tài)特性，進而選擇互感器。當(dāng)然，為減輕可能發(fā)生的暫態(tài)飽和影響，我們有必要留有適當(dāng)?shù)脑６取?20KV系統(tǒng)保護的暫態(tài)系數(shù)一般不小于2。110KV系統(tǒng)保護用互感器一般按穩(wěn)態(tài)條件考慮，采用P類互感器。高壓母線差動保護用電流互感器，由于母線故障時故障電流很大，而且外部故障時流過互感器的電流差別也很大；即使各互感器特性一致，其暫態(tài)飽和的情況也可能差別很大，因此母線差動保護用的電流互感器最好要具有抗暫態(tài)飽和的能力。實際工程應(yīng)用中，一般按穩(wěn)態(tài)條件選擇互感器，而抗飽和的問題更多的由保護裝置進行處理。3.7.2電壓互感器的選擇（1） 給重合閘提供必要信號，一條線路兩側(cè)重合閘的方式要么是檢無壓，

22、要么是檢同期，線路PT可以為重合閘提供電壓信號。（2）現(xiàn)在部分線路PT時用的電容式電壓互感器，可以為載波通信提供信號通道。（3） 目前對一些特殊的供電用戶線路提供計量電壓。（4） 將系統(tǒng)高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的低電壓（100V），為儀表、保護提供必要的電壓。（5） 與測量儀表相配合，測量線路的相電壓與線電壓，與繼電保護裝置相配合，對系統(tǒng)及設(shè)備進行過電壓、單相接地保護。（6） 隔離一次設(shè)備與二次設(shè)備，保護人身和設(shè)備的安全。四、 心得體會通過近兩周的課程設(shè)計，不但使我對所學(xué)過的專業(yè)課知識有了一次很好的復(fù)習(xí)，而且使我更加深刻的認識到了課程設(shè)計在我們大學(xué)學(xué)習(xí)中的重要性。我認為，這次課程設(shè)計過程，從近的方面來

23、說，是為我們在下一年的畢業(yè)設(shè)計打好一個理論基礎(chǔ)，從遠的方面來說，也是對我們今后工作的一個有效地嘗試和鍛煉。我覺得，課程設(shè)計的結(jié)果并不是我們的最終目的，我們的最終目的是要通過這次的過程來檢驗我們?nèi)绾胃玫膶⒗碚撆c實踐結(jié)合起來，如何將我們在大學(xué)所學(xué)的書本知識應(yīng)用到現(xiàn)實工程技術(shù)領(lǐng)域中去。課程設(shè)計雖然做完了，但我也深刻的認識到了自己知識的欠缺和能力的不足。在課程設(shè)計的過程中不但要學(xué)會如何去使用一些基本的計算機軟件，而且還要學(xué)會如何去查閱相關(guān)的資料、搜集有用信息。在這次課程設(shè)計中所學(xué)到的知識，必定會一直伴隨在我今后的學(xué)習(xí)和工作中，并使我在今后的工作崗位上取得一定的成績。附錄圖7三相YN,d11變壓器主接

24、線 圖8采用雙T接線的復(fù)線三相牽引變電所電氣主接線參考文獻1 鐵道部電氣化局電氣化勘測設(shè)計院，電氣化鐵路設(shè)計手冊-牽引供電系統(tǒng).北京：中國鐵道出版社，1987.2 賀威俊 簡克良.電氣化鐵道供變電工程.北京:鐵道出版社,1983.3 李彥哲 王果 張蕊萍 胡彥奎.電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計M.蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2006tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3Pt