电气化铁道供电系统与设计

1、一、题目某牵引变电所乙采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相YN,d11接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表1所示。表1 计算原始资料牵引变电所供电臂长度km端子平均电流A有效电流A短路电流A穿越电流A乙18.321729581814813.3144218637144二、题目分析及解决方案框架确定分析题目提供的资料可知，该牵引变电所要负担向区段安全可靠的供电任务，因此采用直接供电方式向复线区段供电的方式，可减轻对邻近通信线路的干扰影响，大大降低牵引网中的电压损失，扩大牵引变电所间隔，减少牵引变电所的数目。该牵引变电所的设计过程如下:(1) 设该变

2、电所为通过式牵引变电所，则110kV牵引侧的接线设计为内桥接线形式。(2) 在牵引变电所的主变压器采用YN,d11接线形式，在两台牵引变压器并联运行的情况下，当一台停电时，供电不会中断，运行可靠方便。能很好地适应山区单线电气化铁路牵引负荷不均衡的特点。(3) 牵引变电所馈线侧采用复线区段馈线断路器50%备用，且无馈线备用的接线方式，这种接线方便于工作，当工作断路器需要检修时，可有各自的备用断路器来代替其工作，断路器的转换操作比较方便，供电可靠性高。三、设计过程三相YN,d11结线牵引变压器的高压侧通过引入线按规定次序接到110kV三相电力系统的高压输电线上；变压器低压侧的一角c与轨道、接地网连

3、接，变压器另两个角a和b分别接到27.5kV的a相和b相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电，两臂电压的相位差为60，也是60结线。由于左、右两供电臂对轨道的电压相位不同，因此，在这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。采用三相YN,d11接线牵引变压器的缺点：牵引变压器容量不能得到充分利用，只能达到额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%，与采用单相接线牵引变压器的牵引变电所相比，主接线要复杂一些，用的设备工程投资也较多，维护检修工作量及相应的费用也有所增加。这种牵引变电所中装设两台三相YN,d11结线牵引变压器，可以两台并联运行；也可以一台运行，另一台固定备用。由图

4、1可知，变压器副边绕组ac为左供电臂提供电压，变压器副边绕组bc为右侧供电臂提供电压。又根据变压器连接组标号，变压器副边绕组ac、bc分别与原边绕组A、C同相。此时，牵引变压器的高压侧的A端子连接到电力系统的A相；变压器的B端子连接到电力系统的B相；变压器的C端子连接到电力系统的C相。原边绕组A、B、C三相分别与电力系统的A、B、C三相一致。图1 三相YN,d11结线牵引变压器原理电路图3.1牵引变电所110kV侧主接线设计此设计中着重考虑满足供电的可靠性和运行操作中的安全、灵活及便利，而利用分段开关将电源及出线平均分配于两段母线，在正常运行时，分段断路器闭合。两段母线并列运行，当一段母线发生

5、故障时，分段断路器QFd自动断开，使故障段解列，从而可以保证另一段母线能够正常工作，缩小了故障停电范围，因此采用如图2所示内桥接线。依据该牵引变电所负荷等级，要求两路电源进线，因有系统功率穿越，属通过式变电所，110kV侧采用图2所示的内桥接线。由于外桥接线适合于输电距离较短，线路故障会较少，而变压器需要经常操作的场合，这种接线方便于变压器的投入及切除，而切除一条线路时，需要同时断开两台变压器，造成一台变压器的短时停电，所以若考虑经济运行也可采用图3所示的外桥接线。 电源侧L2QS4L1QS1QS3QS5QS2QF2QF1QFT1T2电源侧L1L2QF2QF1QS2QS2QS1QF1T2T1

6、图2 内桥接线 图3 外桥接线3.2牵引变电所27.5kV馈线侧主接线设计由于27.5kV(或55kV)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：3.2.1馈线断路器100%备用的接线如图4所示。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。a相母线b相母线送左臂下行送右臂上行送左臂上行送右臂上行 图4 馈线断路器100%备用的接线3.2.2馈线断路器50%备用的接线如图5所示。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

7、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。a相母线b相母线左臂上行左臂下行右臂上行右臂下行 图5馈线断路器50%备用的接线在此设计中由于牵引变电所设在小站，且馈电线只供区间时采用，当每相母线的馈出线数目较多时（如牵引变电所设在枢纽地区或大的区段站处），我们可以采用第三种接线方式3.2.3带旁路母线和旁路断路器的接线如图6所示。一般每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。b

8、相母线a相母线旁路母线 图6 带旁路母线和旁路断路器的接线 考虑到牵引变压器类型为单相变压器，且此牵引变电所只为区间正线供电，为了提高供电的可靠性，同时避免较大的一次性投资，牵引变电所27.5kV 侧馈线断路器采用50%备用的接线。馈线的接线方式为馈线断路器50%备用的接线。每2条馈线设1台备用断路器和2台备用隔离开关，备用断路器和备用隔离开关中的1台可代替任一馈线断路器和隔离开关工作。3.3 三相YN,d11变压器主接线三相YN,d11接线变压器用于直接供电方式或吸流变压器供电方式中。变压器高压侧绕组以星形方式与电力系统的三相相联接。变压器低压侧绕组接成三角形，其中c端子的一角经电流互感器接

9、至接地网和钢轨（吸流变压器供电方式时接回流线）；另两角（变压器a、b端子）分别经电流互感器、断路器和隔离开关引接至牵引母线。两台变压器可并联工作；也可一台工作，另一台固定备用。如图7（见附录）所示。3.4 牵引变压器容量计算为了经济合理的选择牵引变压器容量，计算分3个步骤进行：(1)确定计算容量按正常运行的计算条件求出主变压器供应牵引负荷所必须的最小容量。(2)确定校核容量按列车紧密运行时的计算条件并充分利用牵引变压器的过负荷能力所计算的容量。(3)安装容量根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素（如备用方式）等，最后按变压器实际产品的规格所确定的变压器台数与容量。计算容量主要由各供电臂的负荷来

10、决定，各供电臂的负荷就是牵引变电所的馈线电流。牵引变电所的馈线电流由牵引计算的结果和线路通过能力及行车量等条件决定。3.4.1牵引变压器的计算容量 (1)其中为温度系数，取0.9，U为牵引侧电压，为27.5kV，=295A，=218A，代入可得：S=16.8MVA。3.4.2牵引变压器的校核容量 (2)其中为温度系数，取0.9，U为牵引侧电压，为27.5kV，=590A，=218A，代入可得：=32.7MVA。这里三相YN,d11变压器的过负荷倍数为1.5，所以可得该变压器的校核容量为： =21.8MVA (3)3.4.3牵引变压器安装容量牵引变压器的安装容量是在计算容量和校核容量的基础上，再

11、考虑备用方式，最后按变压器的产品规格确定的变压器台数与容量。确定安装容量除了计算容量和校核容量外，主要考虑的因素是备用方式。这里牵引变压器采用固定备用。3.4.4牵引变压器类型的选择当牵引变压器的计算容量和校核容量确定以后，选择两者中的大者，并按采用的备用方式、牵引变压器的系列产品（额定容量优先级为R10系列，即10000，12500，1600，20000，25000，31500，40000，50000，63000，80000，（KVA）等）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。本设计中选择牵引变压器安装容量为225000KVA。牵引变压器选择用SFY-25000/110

12、型三相双绕组牵引变压器。3.5绘制电气主结线图该牵引变电所主接线方案如图8（见附录）所示。为保证供电可靠性，牵引变压器采用固定备用方式。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公路运输。因此，固定备用方式适用于有公路条件的大运量区段。因采用三相牵引变压器，同一牵引变电所馈线电压同相，且省去牵引变电所出口处电分相装置，改善了电力机车行的弓网关系。此种接线适用于高速电气化铁路的机车运行。唯一不足的是，会产生较大的负序和谐波。

13、3.6开关设备的选择3.6.1高压断路器的选择对于开断电路中负荷电流和短路电流的高压断路器，首先应按使用地点和负荷种类及特点选择断路器的类型和型号、即户内或户外式，以及灭弧介质的种类，并能满足下列条件：（1) 断路器的额定电压，应不低于电网的工作电压，即 UeUg式中, Ue 、Ug分别为制造厂给出的短路器额定电压和网络的工作电压，伏或千伏。（2) 断路器的额定电流Ie，应不小于电路中的最大长期负荷电流，即 IeIg式中, Ig断路器的最大长期负荷电流，安或千安。（3）根据断路器的断路能力，即按照制造厂给定的额定切断电流Ieq、或额定断路容量Sed选择断路器切断短路电流（或短路功率）的能力。为

14、此，应使额定切断电流Ieq不小于断路器灭弧触头刚分离瞬间电路内短路电流的有效值Idt，或在一定工作电压下应使断路容量Sed不小于短路功率Sdt。即IeqIdt或Sed=UeIeqSdt（三相系统）式中，Idt短路后t秒短路电流有效值（周期分量），对快速断路器，取Idt=I, t0.1； Sdt短路后t秒短路功率，对快速熔断器Sdt=Sd。 对于牵引系统，牵引网电压为27.5千伏，当采用三相35千伏系列的断路器时，断路器容量需按下式换算： Sed=Sed=0.78Sed式中，Sed35千伏断路器用在27.5千伏系统中的三相断路容量。牵引网馈电线用单相断路器，按额定断路容量选择时应满足的条件为（I

15、eq不变）： S(2)ed=27.5IeqS(2)dt式中，S(2)ed、S(2)dt分别为单相断路器的额定断路容量和单相牵引网中短路后t秒的短路功率。为了求得短路电流有效值Idt，必须确定切断短路的计算时间tjs，即从短路发生到灭弧触头分开时为止的全部时间，它等于继电保护动作时间tb和断路器固有动作时间tg之和，故tjs=tb+tg。在设计和电气设备选择中，由实际选择的保护装置与断路器型号，可得到tb和tg的实际值，但如无此数据时，一般可按下述情况选取。对快速动作的断路器，取tg=0.05秒，而对于非快速动作的断路器，tjs =0.10.15秒；对于继电保护，应按具有最小动作时间的速断主保护

16、作为动作时间，即tb=0.05秒，因此，对于快速动作的断路器，切断短路的计算时间tjd=0.050.1秒，对于非快速动作的断路器，tjs =0.150.2秒。可知，短路发生后tjs0.1秒，因短路电流的非周期分量已接近衰减完毕，此时短路电流即为短路周期分量电流的有效值。当tjs0.1秒时，则须计入短路电流的周期分量。（4）校验短路电流通过时的机械稳定性在短路电流作用下，对断路器将产生较大的机械应力，为此，制造厂给出了能保证机械稳定性的极限通过电流瞬时值igf，即在此电流通过下不致引起触头熔接或由于机械应力而产生任何机械变形。因而，应使 igfi(3)ch式中，igf，i(3)ch分别为断路器的

17、极限通过电流或断路器安装处的三相短路冲击电流（幅值）。（5）校验短路时的热稳定性短路电流通过时断路器的热稳定性，由制造厂家给出的在t秒（t分别为4、5或10秒）内允许通过的人稳定电流It来表征，即在给定的时间t内，It通过断路器时，其各部分的发热温度不超过规定的短路最大容许发热温度。因此，短路电流Id通过断路器时，其热稳定条件为：I2ttQd式中，It为制造厂家规定的秒热稳定电流。 Qd短路电流发热效应。Qd=Qz+Qfi3.6.2高压熔断器的选择高压熔断器用以切断过负荷电流和短路电流，选择是首先应考虑装置的种类与型式、是屋内或屋外使用，对于污秽地区的屋外式熔断器还应保证绝缘泄露比距的要求，以

18、加强绝缘，此外，高压熔断器应满足(1）按工作电流UeUg（与断路器意义相同）。(2）按工作电流 IeRIeiIg 式中，IeR、Iei分别为熔断器额定电流和熔件额定电流； Ig网络中最大长期工作电流(3）按断流容量 IqI 或 SeS 式中，Iq、Se分别为熔断器的极限开断电流和额定断流容量。（4）对污秽地区屋外安装的熔断器，其绝缘泄露比距应满足 因熔断器的熔断时间很短，故采用熔断器保护的导体和电器可不校验短路电流的机械稳定性和热稳定性。此外，高压熔断器熔件的选择还必须与网络中各分段、分支电路的熔断器熔件或与馈电线继电保护之间，从时间特性上保证互相间动作的选择性和时限配合关系。3.7 仪用互感

19、器的选择 3.7.1电流互感器的选择（1） 电流互感器的选择一般有如下原则需要遵循：应满足一次回路的额定电压、最大负荷电流及短路时的动、热稳定电流的要求；应满足二次回路测量、自动装置的准确度要求和保护装置10%误差的要求；应满足保护装置对暂态特性的要求（如500KV保护）；用于变压器差动时，各侧电流互感器的铁芯宜用相同的铁芯型式。各互感器的特性宜相同，以防止区外故障时，各互感器特性不一致而产生差流，造成误动。（2） 电流互感器类型选择为保证保护装置的正确动作，所选择的互感器至少要保证在稳态对称短路电流下的误差不超过规定值。至于故障电流中的非周期分量和互感器剩磁等问题带来的暂态影响，则只能根据互

20、感器所在系统暂态问题的严重程度、保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行情况进行综合考虑定性分析，至于精确的暂态特性计算由于过于复杂且现场工作情况很难进行，因此不进行讨论。330500KV系统保护、高压侧为330500KV的变压器保护用的电流互感器，由于系统一次时间常数较大，互感器暂态饱和较严重，由此可能导致保护错误动作的后果。因此互感器应保证实际实际短路工作循环中不致暂态饱和，即暂态误差不超过规定值，一般选用P类互感器，尤其是线路保护考虑到重合闸的问题，要考虑双工作循环的问题，因此推荐使用TPY型。220KV系统保护、高压侧为220KV的变压器保护互感器其暂态饱和问题及其影响较轻，可按稳

21、态短路条件计算互感器稳态特性，进而选择互感器。当然，为减轻可能发生的暂态饱和影响，我们有必要留有适当的裕度。220KV系统保护的暂态系数一般不小于2。110KV系统保护用互感器一般按稳态条件考虑，采用P类互感器。高压母线差动保护用电流互感器，由于母线故障时故障电流很大，而且外部故障时流过互感器的电流差别也很大；即使各互感器特性一致，其暂态饱和的情况也可能差别很大，因此母线差动保护用的电流互感器最好要具有抗暂态饱和的能力。实际工程应用中，一般按稳态条件选择互感器，而抗饱和的问题更多的由保护装置进行处理。3.7.2电压互感器的选择（1） 给重合闸提供必要信号，一条线路两侧重合闸的方式要么是检无压，

22、要么是检同期，线路PT可以为重合闸提供电压信号。（2）现在部分线路PT时用的电容式电压互感器，可以为载波通信提供信号通道。（3） 目前对一些特殊的供电用户线路提供计量电压。（4） 将系统高电压转变为标准的低电压（100V），为仪表、保护提供必要的电压。（5） 与测量仪表相配合，测量线路的相电压与线电压，与继电保护装置相配合，对系统及设备进行过电压、单相接地保护。（6） 隔离一次设备与二次设备，保护人身和设备的安全。四、 心得体会通过近两周的课程设计，不但使我对所学过的专业课知识有了一次很好的复习，而且使我更加深刻的认识到了课程设计在我们大学学习中的重要性。我认为，这次课程设计过程，从近的方面来

23、说，是为我们在下一年的毕业设计打好一个理论基础，从远的方面来说，也是对我们今后工作的一个有效地尝试和锻炼。我觉得，课程设计的结果并不是我们的最终目的，我们的最终目的是要通过这次的过程来检验我们如何更好的将理论与实践结合起来，如何将我们在大学所学的书本知识应用到现实工程技术领域中去。课程设计虽然做完了，但我也深刻的认识到了自己知识的欠缺和能力的不足。在课程设计的过程中不但要学会如何去使用一些基本的计算机软件，而且还要学会如何去查阅相关的资料、搜集有用信息。在这次课程设计中所学到的知识，必定会一直伴随在我今后的学习和工作中，并使我在今后的工作岗位上取得一定的成绩。附录图7三相YN,d11变压器主接

24、线 图8采用双T接线的复线三相牵引变电所电气主接线参考文献1 铁道部电气化局电气化勘测设计院，电气化铁路设计手册-牵引供电系统.北京：中国铁道出版社，1987.2 贺威俊 简克良.电气化铁道供变电工程.北京:铁道出版社,1983.3 李彦哲 王果 张蕊萍 胡彦奎.电气化铁道供电系统与设计M.兰州：兰州大学出版社，2006tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3Pt