毕业设计-牵引变电所供电系统设计

毕业设计牵引变电所供电系统设计DesignofPowerSupplySystemforTractionSubstation2013届电气与电子工程学院专业电气工程及其自动化学号学生姓名指导教师完成日期2013年6月10日毕业设计成绩单学生姓名学号班级电0901专业电气工程及其自动化毕业设计题目牵引变电所供电系统设计指导教师姓名指导教师职称评定成绩指导教师得分评阅人得分辩论小组组长得分成绩：院长签字：年月日毕业设计任务书题目牵引变电所供电系统设计学生姓名学号班级电0901专业电气工程及其自动化承当指导任务单位电气与电子工程学院导师姓名导师职称一、设计内容：根据石家庄至太原客运专线环境条件和线路相关数据，合理选取设备和参数计算，完成该客运段牵引变电所设计，确保电气化铁路平安供电，并根据计算结果，绘制牵引变电所设计图。二、根本要求：1.根据井陉牵引变电所实际数据完成:主接线设计、主变压器型式、台数及容量的选择；2.根据实际数据进行牵引网阻抗计算；3.根据牵引网阻抗计算结果，完成短路计算、电压电能损失的计算；4.进行高压电气设备选择及校验，包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器的选择和校验。最后合理选择避雷器。三、主要技术指标：铁路等级：客运专线，近期兼顾货运；正线数目：双线；速度目标值：最高速度250km/h；近期最高运营速度200km/h，中速列车160km/h。到发线有效长度：1050m，双机1080m；牵引种类：电力；机车类型：客运：高速列车，动车组；中速列车，SS9；列车最小追踪间隔：客车4min，货车5min客车列车类型：电动车组(单列8辆编组、重联16辆编组)、电力机车(18辆编组)；四、应收集的资料及参考文献：1.有关电气化铁道供电系统的相关文献及资料；2.有关交流电气化铁道牵引供电系统的相关文献及资料；3.铁路电力牵引供电设计标准。五、进度方案1.第1周—第4周收集相关文献资料，撰写开题报告；2.第5周—第8周确定设计方案并完成相关计算，绘出工程图草图；3.第9周—第12周完成全部设计，绘出工程图，编写设计说明书；4.第13周—第16周整理设计说明书，准备辩论。教研室主任签字时间年月日毕业设计开题报告题目牵引变电所供电系统设计学生姓名学号班级电0901专业电气工程及其自动化一、研究背景目前，世界已进入高速电气化铁路建设的新时期,开展电气化铁路已经成为未来趋势，并逐步成为国家社会经济开展水平和铁路现代化的主要标志之一。石太客运专线作为我国电气化铁路“四纵四横”快速客运网的重要组成局部，连接了石家庄和太原两大铁路枢纽，是中国开工最早的高速铁路。井陉站在石太铁路中起着重要的衔接角色，它对该段铁路变换电压等级、聚集电流、分配电能、控制电能流向、调整电压等开展起着决定性作用，本设计井陉牵引供电系统是该段铁路供电的核心。二、所要进行的主要工作根据石家庄至太原客运专线环境条件和线路相关数据，遵守相关的设计要求和标准完成井陉牵引变电所供电系统的设计，其主要工作有：1.牵引变电所主接线的设计和牵引网供电方式的选择；2.牵引变压器的类型和容量选择，牵引网阻抗计算、短路计算、电压损失以及电能损失计算；3.牵引变电所电气设备的选择和校验；4.牵引供电系统的防雷和接地系统的设置；5.绘制牵引变电所设计图。三、预期到达的结果通过井陉牵引供电系统的设计，实现该段铁路的牵引运行要求，使牵引供电系统满足最小追踪列车间隔客车4min、货车5min、客车最高速度200km/h〔最大编组16辆〕、牵引质量满足高速列车400～800t，中速列车900～1000t，货运5000t的综合能力；满足近、远期预测客货运量及顶峰时间段客货运量的需求；并适应运输组织模式的需要，与其它客运专线及既有线跨线运输的要求。同时保证该段铁路线的供电平安，对供电过程中产生的不良影响给出相应合理的措施。指导教师签字时间年月日摘要自20世纪80年代以来，我国的电气化铁道有了很大的开展。目前，电气化已经成为铁路开展的趋势，越来越成为最现代化的铁道。牵引变电所作为电气化铁路供电系统的心脏，为列车的运行提供电能，是列车平安运行的重要保障。石太客运专线是我国铁路“四纵四横”客运专线的重要组成局部，连接了石家庄和太原两大铁路枢纽。本设计的任务是完成石太客运专线中井陉牵引变电所供电系统设计。根据相关资料，首先确定了牵引供电方案，本设计采用2×25kV工频交流制，AT供电方式，复线区段供电，牵引变压器采用三相VV型式。然后进行了容量计算，并根据实际情况，计算了牵引网阻抗。在此根底上分别进行了短路计算、电能电压损失计算。之后，对电气设备进行了选择与校验。最后进行谐波分析以及防雷接地的设计，并对供电过程中产生的不良影响给出相应合理的措施。关键词：牵引变电所牵引变压器AT供电方式客运专线AbstractSince1980s,ourcountryhasmadegreatprogressinelectrifiedrailway.Currently,electrificationhasbecomethetrendofthedevelopmentoftherailway,becomingthemostmodernrailwayincreasingly.Astheheartoftheelectrifiedrailwaypowersupplysystem,tractionsubstationsprovideelectricalpowerfortheoperationoftrains,andisanimportantguaranteeforthesafeoperationoftrains.TheShijiazhuang-TaiyuanpassengerdedicatedlineisanimportantcomponentofChina'srailway"fourverticalandfourhorizontal"passengerdedicatedline,linkingShijiazhuangandTaiyuan,thetwomajorrailwayhub.ThedesigntaskistocompletethepowersupplysystemforJingxingtractionsubstationinShijiazhuang-Taiyuanpassengerdedicatedline.Accordingtotherelevantinformation,determinethetractionpowersupplyschemefirstly.ThisprogramutilizedtheATpowersupply,doubleline-powered,three-phaseVVconnectionforthetractiontransformer.Thencapacitycalculationwascarriedout,andaccordingtotheactualsituation,thetractionnetworkimpedancewascalculated.Onthisbasis,theshortcircuitvoltageandpowerlosscalculationwerecarriedoutrespectively.Afterwards,cametotheselectionandcalibrationoftheelectricalequipment.Finalstepwasharmonicanalysisandthedesignoflightningprotectiongrounding,atthesametime,thereasonablemeasuresfornegativeeffectsofpowersupplywereproposed.Keywords:tractionsubstationstractiontransformerATpowersupplypassengerdedicatedline目录TOC\o"1-3"\h\u19378第1章绪论 1326261.1课题研究的背景及意义 1106361.2电气化铁路牵引供电系统的现状 1203511.2.1国外情况 1187591.2.2国内情况 237701.3设计主要内容 31263第2章牵引变电所的供电方式和主接线设计 5291392.1牵引供电系统 548782.1.1系统结构 5133992.1.2系统的工作特点 5193282.2牵引网对电力机车的供电方式 6141232.3牵引变电所主接线的设计 7148832.3.1概述 748632.3.2高压侧电气主结线的根本形式 720632.3.3220kV侧接线 10315282.3.42×27.5kV侧接线 10305802.3.5牵引变压器的接线 10236732.4主接线图 1120376第3章牵引变压器容量的计算与确定 12163533.1概述 12167743.2牵引变压器容量的计算 12304073.2.1供电臂1、2平均电流的计算13213543.2.2供电臂1、2有效电流的计算1619183.2.3变压器容量的计算 1640253.2.4变压器校核容量的计算 17169823.2.5求变压器的安装容量 1824200第4章牵引网阻抗 19276514.1概述 19252924.2牵引网阻抗计算 1942154.2.1导线的类型的选择 19269854.2.2导线的相关参数 19139874.2.3牵引网阻抗计算相关公式 2026524.2.4牵引网阻抗计算的相关数据 22262034.2.5牵引网阻抗计算 2215643第5章短路计算 2774405.1概述 2790255.2三相对称短路计算 27262195.2.1一次侧短路计算 2910015.2.2二次侧短路计算 29322395.3牵引变电所牵引侧短路类型及短路电流计算 30169115.3.1短路类型及计算公式 3087075.3.2牵引变电所牵引侧短路电流计算 31297875.4牵引网短路类型及短路电流计算 322955.4.1短路类型及计算公式 32327585.4.2牵引网短路电流计算 3316864第6章牵引变电所电气设备的选择及其校验 37305396.1电气设备的选择及其校验的方法 377706.2断路器的选择和校验 38173226.2.1断路器介绍 38243786.2.2220kV侧断路器的选择与校验 3864356.2.32×27.5kV侧断路器的选择 39278136.3隔离开关的选择和校验 40102816.3.1隔离开关的介绍 40119886.3.2220kV侧隔离开关的选择与校验 40202536.2.32×27.5kV侧隔离开关的选择 41290756.4互感器的选择 42244946.4.1电流互感器的选择与校验 42139766.4.2电压互感器的选择与校验 4410524第7章牵引供电系统谐波分析及对通信线路的影响 4669057.1谐波分析 4670607.1.1概述 46163487.1.2牵引供电系统的谐波与功率因数 4698977.2电气化铁道谐波的特点 47259857.3电气化铁道谐波的危害 47175837.4电气化铁道谐波的抑制 48132397.4.1概述 48250467.4.2谐波抑制措施 48171597.4.3总结 5013347.5牵引网对通信线路的影响 50215227.5.1概述 5049127.5.2静电感应影响 50202107.5.3电磁感应影响 50316887.5.4减小对通信线路影响的措施 5112965第8章牵引供电系统的电压损失和电能损失 52319758.1电压损失 5273658.2AT牵引网最大电压降的计算 5251548.3VV接线变压器电压损失 53149418.4改善供电臂电压水平的方法 5350398.5牵引网电能损失 56225018.5.1概述 5651028.5.2AT牵引网电能损失的计算 5667268.6牵引变电所的电能损失 5668108.6.1概述 56223908.6.2VV接线牵引变压器电能损失的计算 57162658.7减小牵引供电系统电能损失的措施 5872第9章防雷、接地装置及地中电流 5912779.1供电线路的雷电防护 59180489.1.1概述 5975599.1.2防雷措施 59262239.2变电所的雷电防护 60326839.2.1概述 60323329.2.2防雷措施 60288929.2.3避雷器的选择 6196059.3牵引变电所的接地 6170209.3.1概述 6149269.3.2接地设计方案 6281049.3.3接地装置材料选择 62239299.3.4降低接地电阻措施 63324559.3.5总结 63160779.4地中电流 63139099.4.1地中电流的产生 63324169.4.2地中电流的特点 63225349.4.3地中电流的近似计算 64143839.4.5地中电流的不良影响及对策 642326第10章结论 6624306参考文献 6728056致谢 684902附录 6926476附录A外文翻译 693507附录B设计图纸 90第1章绪论1.1课题研究的背景及意义自1897年，有了第一条电气化铁路以来，全世界已经有68个国家和地区修建电气化铁路25万公里，承当铁路总运量的80%以上，电气化铁路已经成为一个国家现代化的重要标志。我国从1958年开始修建宝鸡—凤州电气化铁路。截至2006年底，伴随浙赣线电气化改造工程的开通，我国电气化铁路总里程已经突破24000公里，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家。随着2012年12月1日哈大高铁正式开通，中国电气化铁路总里程突破4.8万千米，跃升为世界第一位，初步形成了布局合理、标准统一的电气化铁路运营网路。电气化铁路的供电是在铁路沿线建立假设干个牵引变电所，一般由电力系统110kV或220kV独立的双电源供电，经牵引变压器降为27.5kV后，通过接触网向电力机车供电。电力机车采用25kV单相工频交流电压，经全波整流后，驱动直流牵引电动机，在接触导线和钢轨之间行驶。井陉牵引变电所处于石太客运专线中。石太客运专线，又称石太高铁，是中国开工最早的高速铁路。它是中国中长期铁路规划的“四纵四横”客运专线的“一横”——青太客运专线的重要组成局部，沟通了华东和华北，形成了一条大容量的快捷客运通道，对于大大缩短山西与京津塘环渤海地区和河北、山东等省份的时空距离，密切区域经济、文化、信息交流，拉动经济增长具有重要支撑作用。它东起石家庄北站，经石家庄西站、获鹿站、井陉北站、阳泉北站、东凌井站、太原东站，西至太原南站，全长189.93公里。本线桥隧长度占线路总长约60%，全线桥梁94座(39km)，隧道32座(75km)。双线隧道有效面积不小于92、单线隧道不小于60。井陉牵引变电所采用双线区段上、下行并联供电，主变压器采用固定备用方式，上行指从阳泉到井陉，下行指从井陉到石家庄，该站在石太铁路中起着重要的衔接作用，是该段铁路供电的核心。1.2电气化铁路牵引供电系统的现状国外情况1825年世界上第一条铁路在英国建成，开创了轨道交通新纪元。1879年5月31日在德国柏林举办的世界贸易博览会上，由西门子和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路，迄今已有130多年的历史。经过一百多年的实践和开展，各国电气化铁路的牵引供电系统都有了很大的改良，到达了很高的水平，而且都各具特色。苏联迟至1920年开始实现铁路电气化，但是开展较快，目前货运量的一半以上是电气化铁路负担的。苏联电气化铁路供电系统40%是采用25kV、50Hz供电，其余是直流3000V供电，牵引变电所大都采用三相三绕组或二绕组的变压器供电。英国电气化铁路于1956年将牵引供电电压从15kV、16Hz提高为25kV、50Hz。英国电力系统容量大，已建成统一电网，因此对电气化铁路供电较为方便，一般沿铁路线设有许多供电点，每一个供电点内设有铁路用电变压器，变压器大都是采用单相供电，也有采用三相与斯科特结线的，视铁路符合而定。法国电气化铁路采用25kV、50Hz供电制，铁路变电所供电方式有采用斯科特接线的，也有采用单相变压器供电的。法国铁路牵引供电系统由于采用先进技术，实现自动化、远动化，一次设备大大简化，因此变电所建房面积也大大缩小。美国已经开始采用50kV单相60Hz交流制修建了一条从黑台地区煤矿到波维尔湖发电站的运煤专线(125km)作为样板线，这条煤矿线，只有一个变电所，这条铁路在运输效率和自动化水平军事比拟先进的，可是算是未来美国电气化铁路供电系统的开展方向。各国虽然在变电所型式以及电压等级方面各有特点，但在供电方式上，大都采用AT方式、直供方式的，目前还有在研究试验同轴电力电缆的。近年来由于各国铁路运量急剧增大,行车速度不断提高,逐渐向高速、重载、大密度开展,有些国家积极开展使用2×25kV的自耦变压器供电方式,如日本的东海道、山阳、东北和上越新干线、法国巴黎至里昂的东南高速线和巴黎至勒芒/图尔的大西洋高速线、独联体的维西马至布列斯特和贝阿铁路大干线都采用了这种供电方式。1.2.2国内情况我国电气化铁路是从20世纪50年代初开始筹划的，结合国内外情况，确定了我国电气化铁路采用工频单相25kV交流制。这种电流制与额定电压在技术上、经济上都有很大的优越性。我国第一条电气化铁路宝成线的宝鸡——凤州段，全长93km，1958年开工，1960年建成，1961年8月15日正式投入运行。从此，揭开了我国电气化铁路的序幕[1]。电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车所需能源由牵引供电系统提供，牵引供电系统的核心是牵引变电所。牵引变电所把区域电力系统送来的电能，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，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电。我国电气化铁路均采用单边供电方式，除几条运煤和重载线路和个别繁忙干线采用AT方式外，其余均采用直供加回流供电方式。20世纪80年代初，CC供电方式曾在北京东郊环形铁道试验线上试用，但由于电缆造价高、电缆的故障查找、维护困难等原因，我国工程实践中没有应用。牵引变压器(主变)作为牵引变电所的“心脏”，在牵引供电系统中起着不可替代的作用。我国牵引变压器采用三相、三相——二相和单相三种类型，因而牵引变电所也分为三相、三相——二相和单相三类。牵引变压器联结形式，除了三相联结外，相继采用了单相、斯科特、,三相结线、三相不等容量结线牵引变压器和三相结线牵引变压器等。这些变压器各有特点，适用于不同负载类型的电气化铁路。在断路器方面，除了多油、少油断路器外，相继采用了六氟化硫断路器和真空断路器。在断路器操动机构方面，除了电磁操动机构外，相继采用了液压机构和弹簧机构等。我国电气化铁路经过近60年的开展，伴随着电气化铁路建设新高潮的兴起，进入了高速电气化铁路的开展阶段，截止到2008年10月我国电气化铁路兴建五十周年，电气化铁路总里程达26000km，电气化率达32.7%，预计到2020年，铁路营业里程可达12万公里，其中客运专线为1.6万公里，电气化率到达50%。电气化铁路的开展离不开牵引供电系统的开展，我国牵引供电系统未来将继续向自动化、远动化发面进军，大力开展电子计算技术在供电系统中的应用，实现供电设备检测机械化、自动化，提高运营劳动生产率，争取尽快到达或超过世界先进水平。1.3设计主要内容石太客运专线东起石家庄北站，经石家庄西站、获鹿站、井陉北站、阳泉北站、东凌井站、太原东站，西至太原南站，全长189.93公里。井陉牵引变电所作为其中牵引供电系统的重要组成局部，对该段铁道供电有着不可替代的作用。本次设计的主要任务是根据石太铁路客运专线既有资料完成井陉牵引供电系统的设计，设计中采用2×25kV工频交流制，AT供电方式，复线区段供电，其设计内容主要包括：(1)根据相关数据资料进行牵引变压器容量的计算，根据计算结果选择主变压器；(2)根据容量计算结果选择接触网及悬挂结构，进行牵引网阻抗计算，主要进行AT供电方式的牵引网阻抗计算；(3)进行短路计算，包括三相对称短路计算、牵引变电所牵引侧短路计算以及牵引网短路计算；(4)根据短路计算结果进行牵引变电所电气设备的选择与校验，包括高压断路器、高压隔离开关、电压互感器和电流互感器等；(5)电压损失和电能损失的计算。包括变压器电压损失和电能损失的计算以及牵引网电压损失和电能损失的计算；(6)防雷措施及接地系统的设计。第2章牵引变电所的供电方式和主接线设计2.1牵引供电系统系统结构在电气化铁道中，向电力机车或动车组供电的系统结构如图2-1所示，电力机车或动车组利用电动机将电能转换成机械能，牵引列车运行。通常将牵引变电所、接触网及其沿线的供电设施，统称为牵引供电系统。图2-1电气化铁道供电系统示意图1—馈线；2—分相绝缘器；3—回流线；4—接触网；5—分段绝缘器；6—电力机车系统的工作特点图2-1电气化铁道供电系统示意图1—馈线；2—分相绝缘器；3—回流线；4—接触网；5—分段绝缘器；6—电力机车牵引变电所、接触网、电力机车或动车组是牵引供电不可分割的组成局部。电力机车或动车组是牵引供电系统的唯一负荷，行驶的电力机车或动车组总是处于运动中，因此，牵引负荷的大小和位置都在不断地发生变化，导致供电拓扑结构也在变化，这样的供电系统是一个大型动态电网系统，系统的工作方式具有以下一些特点：(1)牵引供电对象是电力机车或动车组，系统的负荷具有单相性、随机性、短时性、非线性等特征。(2)牵引负荷大，单台电力机车或动车组的工作电流达数百安培，牵引变电所馈线电流可超过千安培，牵引电流在接触网上产生较大的压降，为了保证供电臂末端的电压不低于21kV，必须限制供电臂长度。(3)牵引单相负荷映射到三相系统中会产生负序分量，引起三相系统的不对称程度增加。电力机车或动车组的电力电子变流装置、脉流式直流电机等非线性器件会产生较大的高次谐波，影像电能质量。(4)铁道里程长、分布广，沿线地理和气象条件差异大，接触网张力等机械性能受气候影像明显，电力机车或动车组的受电弓在高速滑动中可能造成刮弓和断线，接触网或车顶绝缘子可能受污染发生闪络，雷电过电压和系统内过电压可能造成绝缘击穿放电，因此，牵引供电系统的工作条件相当恶劣，牵引变电所故障跳闸率较高，严重的高达百件次。(5)铁道电力牵引负荷属于一级负荷，要求供电可靠性非常高，牵引变电所必须具有两路独立电源，通常两台主变压器一主一备运行，在非正常情况下还要能够实施越区供电。接触网没有备用，一旦发生事故，将中断电气化铁道线路的运营，影像正常的铁道运输方案，必须利用天窗时间经常维护，发生事故时需要进行抢修。综上所述，牵引供电系统是电气化铁道运输的关键设施之一，运行方式特殊，工作条件困难，必须进行精心设计，加强维护和管理，才能够保证电气化铁道运输的正常运营。2.2牵引网对电力机车的供电方式牵引网向电力机车的供电方式主要有直接供电(DF方式)、带回流线的直接供电(DN方式)、自耦变压器(AT供电方式)、吸流变压器(BT供电方式)和同轴电力电缆(CC供电方式)。这五种供电方式各有优缺点，通过比照选择适合客运专线的供电方式。本线路设计选用AT方式。下面主要介绍AT供电方式。经自耦变压器向电力机车或动车组供电的方式，简称AT供电方式，接线如图2-2所示。自耦变压器是一种电力变压器，它并接于接触网、钢轨和正馈线之中。这种方式由接触网、钢轨、正馈线和自耦变压器组成供电回路，并在接触网和正馈线之间每隔10-15公里并入一台自耦变压器，其中心抽头与钢轨连接。在AT牵引变电所中，牵引变压器将110千伏或者220千伏三相电降压成单相55千伏，那么钢轨与接触网间的电压正好是自耦变压器两端的电压的一半即27.5千伏。AT方式与BT方式相比，在机车取流相同情况下，从变电所至最靠近机车的AT间，接触网与正馈线上电流只有机车电流的一半，对通信明线干扰将大大减弱。另外，在机车取流的两个AT间的区段内，机车电流总是由左右两侧接触网双边供给，方向相反，对通信明线的干扰互相抵消，因此具有更好的防护效果。由于AT供电方式的接触网、正馈线中的电流均为牵引电流的一半，与上述几种供电方式相比，线路上的电压可减少一半，所以，AT供电方式的供电臂比其他供电方式可增加一倍，到达50km~60km。在实际工程中尽管考虑电源容量和负序问题，AT供电臂长度为40km~50km，但与其他供电方式相比，仍然较大地减少了接触网上的电分相和沿途牵引变电所数量。此外，AT供电方式中由于减小了接触网的电流，也就减小了电弧烧伤接触线和受电弓滑板等问题，所以，AT供电方式适宜于高速铁路和重载铁路的大负荷电流运行，故本设计采用AT供电方式。TTRRFF图2-2AT供电方式2.3牵引变电所主接线的设计概述牵引变电所的电气主接线是指由主变压器、断路器、隔离开关等各种高压电器和设备及其连接导线所组成的接受和分配电能的电路。它反映了牵引变电所的根本结构和功能。主接线确实定对牵引变电所的电气设备的选择、配电装置布置、以及牵引变电所的技术经济指标都具有重要影响。电气主接线的根本要求是：(1)可靠保证对牵引负荷和地区负荷供电需要；(2)减少投资和运行费用(维修和能消耗)；(3)应保证运行灵活，检修维护平安方便；(4)结线简单、明显，操作简便可靠。高压侧电气主结线的根本形式电气主接线的根本形式可以分为：单母线接线、单母线分段接线、双母线接线、T接线、桥式接线和简单接线等，下面介绍牵引供电系统中三种常用的接线方式。(1)单母线接线图2-3单母线结线图如图2-3所示，整个配电装置中只设一组母线。将各个电源的电能聚集后再分配到各引出线[2]。单母线接线的优点：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操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。③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。单母线接线的缺点：可靠性差，母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作，也就是要造成全厂或全站长期停电，调度不方便，电能只能并列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。为了克服单母线接线的缺陷，通常采用以下措施①用断路器或隔离开关将母线分段。②增加旁路母线及相应设备，使检修任一回路的断路器时不致停电。(2)单母线分段结线如图2-4，利用分段开关，将单母线分为两段，把电源及出线平均分配于两段母线，这种接线形式为单母线分段接线。正常运行时，分段断路器闭合，两母线并列运行。当一段母线发生故障时，分段断路器自动断开，使故障段解列，从而保证了另一段母线仍能正常运行，缩小了故障停电范围。母线分段数目越多，母线故障停电范围越小，但是所需断路器、隔离开关数目也随之增多，同时使运行变得较为复杂，此分图2-4单母线分段结线图段数不宜过多。如果可靠性要求不高，也可采用隔离开关进行母线分段。但此时如果一段母线发生故障，因不具有自行切断短路电流的能力，故会引起全部停电。单母线分段的接线，广泛应用在10kV~35kV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)采用桥形结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，即构成桥型结线。桥型结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2-9所示。前者的连接母线靠近变压器侧，而后者那么连接在靠近线路侧。ab图2-9内桥和外桥接线图a内桥b外桥由于线路故障远比变压器故障要多，同时牵引变压器又不需频繁的操作，故内桥接线在牵引变电所获得了较广泛的应用。外桥接线的特点与内桥接线相反，外桥接线适合于输电线距离较短，线路故障时机较少，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。220kV侧接线井陉牵引变电所引入两路220kV三相电源，进线采用带有横向跨条的双T接线，能够实现备用电源的自动投入和电源线路与主变压器的交叉运行。2×27.5kV侧接线牵引变电所2×27.5kV侧采用单母线隔离开关分段接线型式，馈线采用上、下行馈线断路器互相备用的方式。牵引变压器的接线220kV高压侧的接线方式牵引变压器作为牵引变电所的核心设备，其接线方式的选择对主接线有着非常大的影响，其接线形式有单相接线变压器、单相V,v接线变压器、三相V,v接线变压器、三相YN,d11接线变压器、斯科特接线变压器等。各种变压器接线方式的比拟如表2-1所示。本设计选择三相VV接线方式，这也是我国高速铁路广泛采用的方式，有许多优点：(1)主变压器制造简单、本钱低、且接线领先；(2)变压器出口不用设置AT变压器，这样既减少了设备投入，又减少了运行中设备自身的电能损耗，且充分利用了变电所变压器二次侧线圈。变电所近端虽然相当于直供运行方式，但能够有效保证牵引网的电能质量。(3)运行方式灵活，通过变电所的投切开关，既可实现对牵引网的AT供电方式，又可转换成对牵引网的直供方式，有效增强了设备故障情况下的供电能力。表2-1各种接线形式牵引变压器比拟比拟工程纯单相牵引变压器VV接线牵引变压器三相—两相平衡变压器〔SCOTT、伍德桥〕三相Y/△牵引变压器变压器结构简单简单较复杂较复杂容量利用率高，接近100%高，接近100%较高低变电所设备母线等设备容量过大均不易选型标准设备标准设备标准设备负序电流影响负序影响大、对电力系统短路容量要求高负序影响为纯单相牵引变压器的一半在高密度行车条件下，其两臂容量较均衡，负序影响几乎为零负序影响为纯单相牵引变压器的一半适应条件电网兴旺地区，且容量不宜超过90MVA单供电臂容量不宜大于75MVA适应大运量、高密度，且沿线电网薄弱的高速铁路适应于容量不太大的牵引变电所总评价纯单相牵引变压器具有过载能力大等优点，但安装容量过大时，负序治理和变电所设计均比拟困难具有纯单相变压器的大局部优点，并且在超大容量时不会给变电所设计带来困难其优点同VV接线变压器根本相同，只是变电所结构较复杂，运营和维护费用较高由于其过载能力较小、利用率低，一般不适宜作为高速铁路的牵引变压器2.4主接线图主变结线采用三相VV结线，每台三相VV牵引变压器实际是由两台单相变压器接线而成的，正常运行时两台投入使用，两台热备用。主接线图见附录B。第3章牵引变压器容量的计算与确定3.1概述对交流牵引变电所而言，牵引变电所容量的计算与确定，就是牵引变压器容量的计算与确定。牵引变压器是牵引供电系统的重要设备，其容量大小将关系到能否完成预定的运输任务和营运本钱。从平安运行和经济方面来看，容量过小会使变压器长期过载，将造成变压器寿命缩短，以至烧损变压器，反之，容量过大将使变压器长期不能满载运行，损耗增加，从而造成变压器容量浪费，使运营费用增大。因此，在进行牵引变电所容量计算时，正确地确定计算条件，以便合理地选定牵引变电所的额定容量是十分重要的。牵引变电所容量的计算和选择，就是指牵引变压器容量的计算和选择。为了经济合理的选择牵引变压器，计算一般分三个步骤进行[3]：(1)计算容量根据铁道部任务书中规定的年运量大小和行车组织的要求确定计算容量，这是为供给牵引负荷所必须的容量。(2)校核容量根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力，计算校核容量，这是为确保变压器平安运行所必须的容量。(3)安装容量在计算容量和校核容量的根底上，再考虑备用方式，最后按其系列产品确定牵引变压器的台数和容量。计算容量主要由各供电臂的负荷来决定，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。3.2牵引变压器容量的计算牵引负荷计算是确定牵引变压器安装容量的前提。根据设计要求，井陉牵引变电所采用双线区段上、下行并联供电，主变压器采用固定备用方式。供电臂1是指从阳泉到井陉，供电臂2是指从井陉到石家庄。与主变压器容量计算相关的原始资料如下：供电臂1——n=4,N=75对/天，=90对/天；供电臂2——n=3.8,N=75对/天，=90对/天；其中，n表示区间数，N表示计算列车数，表示最大列车数。其余资料如表3-1所示。表3-1计算原始资料供电臂12列车全部运行时间上行14.514.5下行15.515.0列车用电运行时间上行1110下行1010.5列车在内的能耗上行36702897下行350029003.2.1供电臂1、2平均电流的计算首先计算供电臂1、2的根本参数。(1)双线区段上(下)行供电臂列车平均电流：(3-1)式中，——列车在供电臂内上(下)行方向的全部运行时间(min)。——列车在内的能耗(kVA·h)。(2)双线区段供电臂列车用电平均电流：(3-2)式中，——上(下)行供电臂列车用电运行时间。——列车在内的能耗(kVA·h)。(3)(上下)行供电臂同时存在的平均列车数，即(3-3)式中，N——上(下)行供电臂的列车对数(对/日)；T——为全日时间，即1440min。(4)上(下)行供电臂列车用电平均用电概率，即 (3-4)式中，——上(下)行供电臂列车用电运行时间。(5)列车电流间断系数：(3-5)式中，——上(下)行供电臂列车用电运行时间。——列车在供电臂内上(下)行方向的全部运行时间(min)。(6)供电臂1,2的平均电流：Iav供电臂1：供电臂2：按以上计算出的根本参数，可计算供电臂1、2的平均电流。从而可得：供电臂1：供电臂2：3.2.2供电臂1、2有效电流的计算供电臂1、2有效电流：或(3-6)其中，()供电臂1的有效电流计算：=1.18供电臂2的有效电流计算：=1.1753.2.3变压器容量的计算本设计采用三相V，v接线变压器，V，v接线变压器内部实际由两台单相变压器连接而成，其两台变压器计算容量分别为：S1=UIve=UI1eS2=UIve=UI2e因此：3.2.4变压器校核容量的计算对应于的供电臂1列车用电平均概率为按双线有上行车或有下行车的概率为查(n，p)曲线得：又从而得出，那么供电臂1的校核容量对应于的供电臂2列车用电平均概率为按双线有上行车或有下行车的概率为经查得：又从而得出那么供电臂2的校核容量3.2.5求变压器的安装容量牵引变压器的安装容量，是在计算容量与校核容量的根底上，再考虑备用方式，最后按其系列产品确定的牵引变压器台数与容量。为了确定牵引变压器的安装容量，除了其计算容量与校核容量外，主要考虑因素是备用方式。本设计采用的是2台三相VV变压器，正常时1台三相V,V变压器工作，另外1台备用。牵引变压器容量应能承当全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。因此所选变压器容量应比校核容量略大一些，确定每台三相VV变压器容量为40000kVA+31500kVA，如表3-2所示：表3-2确定变压器容量的技术参数计算容量(kVA)校核容量(kVA)变压器容量(kVA)290893348040000234472879431500查阅资料后，选择我国特德公司生产的单相铁路牵引变压器组成三相VV变压器，具体参数如表3-3所示：表3-3220kV单相牵引变压器技术数据额定容量(kVA)电压组合联结组标号短路阻抗31500220±2×2.5%/27.5×2li010.540000第4章牵引网阻抗4.1概述牵引网阻抗是供电臂的电压损失、短路电流以及防干扰等计算中的根本参数。牵引网阻抗值随牵引网的组成和布置尺寸而不同。为此，必须进行牵引网阻抗的计算。牵引网阻抗与牵引网的结构，选用导线(接触导线、承力索、加强导线、回流线、AT网络的正馈线等)的型号和钢轨的类型、数量，采用的供电方式，大地导电率以及采用的防干扰措施等因素有关。牵引网的结构在单线区段主要与接触悬挂的类型、加强导线的数量与位置有关，在设置吸—回装置的区段还与回流线的数量及位置有关，AT区段与正馈线的数量与位置有关。在复线区段，还与双轨的轨距有关[4]。4.2牵引网阻抗计算4.2.1导线的类型的选择导线允许载流量：是指在一定环境下，不超过导线最高允许工作温度时所传输的电流，它与环境、温度、风速、导线的最高允许工作温度、导线外径、导线在最高允许工作温度时的交流电组和导线外表状态等因素有关。根据供电臂有效电流以及表4-5来确定接触网各类导线的类型。表4-5导线类型的选择载流量(A)GJ-70+TCG-85GJ-70+TCG-100GJ-70+TCG-100+LJ-185GL-70+GLCBGL-70+GLCA-GL-70+GLCA-+LGJ-185长期575690110046054097020min5056001020根据表格，确定选择类型为GL-70+TCG-100+LJ-185，钢轨选择4.2.2导线的相关参数确定选择导线类型为GL-70+TCG-100+LJ-185，下面给出已选择的接触导线、承力索、AT网络的正馈线以及钢轨的相关参数[1]供之后的计算使用。见表4-1、表4-2、表4-3和表4-4。表4-1接触导线的根本参数名称规格标称截面〔mm2〕单位重量〔kg/km〕直流电阻〔Ω/km〕计算半径〔mm〕等效半径〔mm〕铜接触导线TCG—1001008900.1795.94.6表4-2承力索的根本参数名称型号单位重量(kg/km)电阻(Ω/km)计算半径(mm)内感抗(Ω/km)钢绞线GJ-706151.935.750.45表4-3正馈线的根本参数名称型号计算截面()根数×单线直径(mm)电线计算重量(kg/km)电阻(Ω/km)计算半径(mm)等效半径(mm〕铝绞线LG-185182.8019×3.505040.1628.756.63表4-4单条钢轨的根本参数名称规格(kg/m)钢轨截面()钢轨周长(mm)钢轨重量(kg/km)有效电阻(Ω/km)有效半径(mm)钢轨5065.560651.5140.185.544.2.3牵引网阻抗计算相关公式本设计为复线区段，牵引网结构示意图如图4-1所示，具体公式如下：图4-1复线区段牵引网结构示意图(1)计算Ⅰ(Ⅱ)系统自阻抗 (4-1)其中：(2)计算Ⅰ和Ⅱ系统互阻抗(4-2)(3)计算Ⅰ和Ⅲ(Ⅱ和Ⅲ)系统互阻抗(4-3)(4)计算Ⅲ系统自阻抗(4-4)(5)牵引网阻抗(4-5)(4-6)4.2.4牵引网阻抗计算的相关数据接触导线：TCG-100，=，接触导线距轨面高H=6000mm接触网结构高度h=1100mm承力索：GJ-70，，，承力索弛度正馈线：LJ-185，，正馈线距轨面高度正馈线弛度正馈线与接触导线平行距离为1000mm正馈线与接触导线同置于接触网支柱一侧钢轨：，，轨距d=1435mm，两轨线间距为5000mm4.2.5牵引网阻抗计算复线区段牵引网示意图如图4-2所示，下面进行牵引网阻抗计算。图4-2复线区段牵引网示意图(1)各局部间距离的计算接触导线和钢轨间距离承力索与接触导线间的平均距离承力索与钢轨顶间的距离正馈线与接触导线间的距离正馈线至轨面的距离地回路等值深度(2)“接触导线—地回路”的自阻抗(3)“承力索—地回路”的自阻抗(4)“接触导线—地回路”与“承力索—地回路”间的互阻抗(5)“接触网—地回路”的等值自阻抗(6)“接触网—钢轨”间互阻抗(7)“轨道—地回路”等值阻抗(8)正馈线等值自阻抗(9)“接触网—正馈线”间互阻抗(10)“正馈线—钢轨”间互阻抗(11)上下行间互阻抗①不同线路的接触网间的互阻抗②不同线路的接触网与馈线间的互阻抗③不同线路的馈线间的互阻抗(12)各当量导线的阻抗①“接触网—地回路”等价自阻抗②“钢轨—地回路”等价自阻抗③“正馈线—地回路”等价自阻抗(13)长回路阻抗、AT段中阻抗得：(14)复线上、下行串联供电牵引网的综合阻抗式中，第5章短路计算5.1概述电气化铁道供电系统的主要任务是保证平安可靠地向电力机车供电。根据供电系统的运行经验，影响供电系统正常供电的主要原因是短路。短路对系统产生极大的危害，会使电流急剧增加，同时使系统电压降低，这将严重影响用电设备的正常运行，破坏电力系统的稳定性。因此，在牵引变电所的设计中必须进行短路计算。在牵引变电所的设计中，除了考虑正常的最大长期工作电流与容许电压波动外，还必须以短路条件进行热稳定性和动稳定性的校验。牵引网短路是指牵引变电所主变压器牵引侧出线端到接触网的任何地点所发生的一切相与相间的不正常联接。常见的牵引网短路有：一臂接地短路、异相牵引母线短路和异相牵引母线短路和异相牵引母线短路接地等型式，其中以一臂接地短路发生率最高。短路计算的目的就在于为牵引变电所的电气主接线及电气设备选择提供必要的数据；为供电系统继电保护与自动装置的设计、动作参数整定，提供必要的数据；为保护接地装置的设计及运行过程中的事故分析提供必要的数据[5]。5.2三相对称短路计算短路计算公式如下：基准电流(5-1)电力系统电抗标幺值(5-2)电力变压器的电抗标幺值(5-3)电力线路的电抗标幺值(5-4)三相短路电流周期分量(5-5)三相短路容量(5-6)其中，表示基准容量，表示电力变压器容量，表示基准电压，表示变压器短路电抗，表示架空线的单位阻抗。具体步骤如下：取，，那么电力系统的电抗标幺值由，因此架空线路的电抗标幺值由，因此电力变压器的电抗标幺值由因此5.2.1一次侧短路计算(1)总电抗标幺值(2)三相短路电流周期分量有效值(3)其他三相短路电流(4)三相短路容量(5)高压侧最大长期允许工作电流所选变压器容量分别为：，那么5.2.2二次侧短路计算(1)总电抗标幺值(2)三相短路电流周期分量有效值(3)其他三相短路电流(4)三相短路容量(5)低压侧最大长期允许工作电流变压器计算容量为：，三相对称短路电流计算结果汇总于表5-1。表5-1短路电流计算汇总结果短路计算位置三相短路电流(kA)三相短容量(MVA)高压侧2.792.792.797.124.211114.8低压侧8.948.948.9422.7813.59425.535.3牵引变电所牵引侧短路类型及短路电流计算5.3.1短路类型及计算公式在VV接线的牵引变电所中，各种短路类型及短路电流公式如表5-2所示：表5-2牵引变电所牵引侧短路电流计算公式汇总短路类型一相母线短路异相母线短路异相母线短路接地短路电流式中，—线电压；—电力系统综合正序、负序电抗；—变压器电抗。5.3.2牵引变电所牵引侧短路电流计算取，，那么电力系统的电抗标幺值由，因此电力变压器的电抗标幺值由，因此(1)一相母线短路(2)异相母线短路(3)异相母线短路接地短路计算结果表见表5-3表5-3短路计算结果短路类型一相母线短路异相母线短路异相母线短路接地短路电流(kA)10.587.0825.335.4牵引网短路类型及短路电流计算5.4.1短路类型及计算公式对于VV接线牵引变电所供电的牵引网，假设以牵引供电系统的总阻抗(ZT+Zq)代替短路电流计算公式中的变压器电抗，就得到了牵引网短路计算公式。VV接线牵引变电所牵引网短路计算公式如表5-3所示。表中Zq是每条线路牵引网的阻抗。对于AT供电方式，不同形式的短路，它的值是不同的，它的计算公式如表5-4所示。表5-3牵引网短路电流计算公式短路类型一臂牵引网短路复线异相牵引网短路复线异相短路接地短路电流表5-4AT供电方式、复线牵引网阻抗计算公式短路类型牵引网总阻抗接触网对地短路接触网对正馈线短路表中，Z—接触网或馈线自阻抗—上行或下行线路的接触网与馈线间的互阻抗—不同线路的接触网间或馈线间的互阻抗—不同线路的接触网与馈线间的互阻抗—短路点到牵引网首端的距离(km)—短路点到相邻所侧相邻AT的距离(km)—与短路点相邻的两个AT的间隔(km)—供电臂长度(km)—横连线间隔(km)5.4.2牵引网短路电流计算结合第4章数据可得原始数据如下：L=40km,=10km,D=2km(接触网)(正馈线)(接触网间)(正馈线间)设某时刻短路点到牵引网首段距离l=25km,那么与短路点相邻的两个AT的间隔=5km，通过表5-3，可得表5-4表5-4Zq的计算结果短路类型牵引网总阻抗()接触网对地短路1.38+j2.469接触网对正馈线短路1.01+j1.11下面求出折算至牵引侧各阻抗有名值：系统阻抗变压器阻抗：(1)牵引网对地短路时①一臂牵引网短路②复线异相牵引网短路③复线异相短路接地(2)接触网对正馈线短路①一臂牵引网短路②复线异相牵引网短路③复线异相短路接地综上，短路计算结果见表5-5(单位：kA)表5-5牵引网短路电流计算结果短路类型一臂牵引网短路复线异相牵引网短路复线异相短路接地牵引网对地短路5.252.968.39接触网对正馈线短路7.314.3210.64第6章牵引变电所电气设备的选择及其校验6.1电气设备的选择及其校验的方法电气设备的选择是牵引变电所设计的主要内容之一，设备选择的目的是为了使导体和电气设备在正常或故障情况下，均能平安、经济、合理的运行。在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证平安、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择适宜的型号。电气设备必须能够在长期的工作条件下及过电压、过电流等情况下保持正常运行，所以在选择时应对其进行热稳定和动稳定的校验，此外还应满足环境条件。(1)按正常工作条件选择①额定电压电气设备的最高允许工作电压不得低于装设回路的最高运行电压。一般220kV及以下的电气设备的最高允许工作电压为。所以一般电气设备的额定电压不低于装设地点的电网的额定电压：(6-1)②额定电流所选电气设备的额定电流不得低于装设回路最大持续工作电流(6-2)(2)按短路状态校验按短路状态校验分为：①热稳定校验：当短路电流通过所选的电气设备时，由制造厂给出的t秒内，允许通过的热稳定的电流用来表征(6-3)式中，——为制造厂给定的t秒热稳定电流。——短路发热假想时间②动稳定校验：所选电气设备通过最大短路电流时，不应因短路电流的电动力效应而造成变形和损坏：(6-4)式中，——短路冲击电流峰值〔kA〕——电器允许的极限通过电流峰值〔kA〕(3)环境条件校验各电气设备均有其适用的条件。根据既有资料中石太客专的历年气象资料，石太客专沿线属于暖温带亚湿润气候区，温度根本都在-20℃—40℃之间，风速在35m/s以下，海拔在2000km以下，故一般电气设备均能满足此环境要求。6.2断路器的选择和校验6.2.1断路器介绍断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。高压断路器是变电所的重要电气设备之一，它的主要功能是：正常运行时，用来接通和开断负荷电流。故障时，断路器通常与继电保护装置配合使用，断开短路电流，切除故障线路，从而保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。高压断路器按绝缘介质不同，断路器可分为多油断路器、少油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、SF6断路器等。牵引变电所常用少油断路器、真空断路器、SF6断路器。电力机车上常用空气断路器、真空断路器。6.2.2220kV侧断路器的选择与校验SF6断路器具有开断能力强，断口电压适于做得较高，允许连续开断次数较多，适用于频繁操作，噪音小，无火灾危险，机电磨损小等优点。在220kV及以上的电力系统，SF6断路器得到了广泛的应用。断路器的具体选择与校验过程如下：(1)额定电压的选择(2)额定电流的选择流过断路器的长期工作电流按变压器过负荷50%进行算，变压器的总容量为(31.5+40)MVA,，那么根据以上条件初选LW6-220型SF6断路器。其技术数据见表6-1：表6-1LW6―220型SF6断路器技术数据型号额定电压(kV)最高工作电压(kV)额定电流(A)3s热稳定电流(kA)额定短路开断电流(kA,有效值)额定短路关合电流(kA，峰值)LW6―22022025225003150404050125100(3)热稳定校验故满足热稳定性要求。(4)动稳定性校验所以满足动稳定性要求。6.2.32×27.5kV侧断路器的选择(1)额定电压的选择(2)额定电流的选择流过断路器的长期工作电流那么根据以上数据，初选DW-2000型户外断路器,其技术数据见表6-2：表6-2DW-2000型断路器技术数据型号额定电压(kV)最高工作电压(kV)额定开断电流(kA)额定电流(A)动稳电流峰值(kA)3s热稳流(kA〕DW-20002×27.531.52520006325(3)热稳定校验故满足热稳定性要求。(4)动稳定性校验所以满足动稳定性要求。6.3隔离开关的选择和校验6.3.1隔离开关的介绍隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，顾名思义，是在电路中起隔离作用的它本身的工作原理及结构比拟简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和平安运行的影响均较大。刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。隔离开关的结构特点是在分闸状态时有明显可见的断口，使运行人员能明确区分电器是否与电网断开。隔离开关可大致分为5类：(1)按绝缘支柱的数目可分为：单柱式、双柱式、三柱式；(2)按闸刀开、合时的运行方式分为，水平旋转式、垂直旋转式、插入式和摆动式；(3)按有无接地刀闸分为，无接地刀闸式、有接地刀闸式；(4)按工作组数分为：单极、双极、三级；(5)按操作机构分为：手动、电动、气动。6.3.2220kV侧隔离开关的选择与校验(1)额定电压的选择(2)额定电流的选择根据上述条件，选择的220kV侧隔离开关的的技术数据见表6-3：表6-3GW7―220〔DW)型户外高压隔离开关技术数据型号额定电压(kV)最高电压(kV)额定电流(A)校验参数隔离开关分、合闸时间(s)动稳定电流(kA，峰值)热稳定电流(kA，有效值)热稳定时间(s)GW7―220〔DW)22025212508031.534(3)热稳定校验故满足热稳定性要求(4)动稳定性校验所以满足动稳定性要求。6.2.32×27.5kV侧隔离开关的选择(1)额定电压的选择(2)额定电流的选择根据以上数据，初选GW4―27.5型户外高压隔离开关,其技术数据见表6-4：表6-4GW4―27.5型户外高压隔离开关技术数据型号额定电压(kV)最高工电压(kV)额定电流(A)动稳定电流峰值(kA)3s热稳定电流(kA)GW-27.527.531.520008031.5(3)热稳定校验故满足热稳定性要求(4)动稳定性校验所以满足动稳定性要求。6.4互感器的选择互感器包括电压互感器和电流互感器，其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压或标准小电流，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的平安。互感器是变电所一次系统和二次系统间的联络元件。其主要功能是：(1)用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘。这样既可防止主电路的高电压直接引入仪表、继电器等二次设备，又可防止仪表、继电器等二次设备的故障影响主电路，提高了平安性和可靠性，有利于人身平安。(2)用来扩大仪表、继电器等二次设备的应用范围。6.4.1电流互感器的选择与校验(1)电流互感器的选择一般有如下原那么需要遵循：①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；②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；③应满足保护装置对暂态特性要求。(2)220kV侧电流互感器的选择与校验①额定电压的选择②额定电流的选择根据上述条件，选择的220kV侧的电流互感器的技术数据见表6-5：表6-5LB9-220型电流互感器主要技术数据型号额定电流比级次组合准确级次1s热稳定倍数动稳定倍数LB9-2204×300/5B/B/B0.50.54278=3\*GB3③热稳定校验电流互感器热稳定能力通常以1s内允许通过一次侧额定电流的倍数来表示，即：代入数据校验得满足热稳定性要求。=4\*GB3④动稳定性校验电流互感器通常以允许通过一次侧的额定电流的倍数——动稳定倍数，表示其内部的动稳定能力，因此其动稳定度校验条件为：代入数据校验得所以满足动稳定性要求。(3)27.5kV侧电流互感器的选择与校验①额定电压的选择②额定电流的选择根据以上数据，初选LAB-27.5kV/1200/5/5型电流互感器，其技术数据见表6-6：表6-627.5kV侧电流互感器的主要技术指标型号额定电压(kV)额定二次电流(A)级别组合1s热稳定倍数动稳定倍数LAB-27.5kV/1200/5/527.550.5/10p20120151=3\*GB3③热稳定校验带入数据校验得满足热稳定性要求。=4\*GB3④动稳定性校验代入数据校验得满足故满足动稳定性要求。6.4.2电压互感器的选择与校验电压互感器的工作原理、构造、接线方法与电力变压器相仿。它的结构特点是,一次绕组匝数很多,而二次绕组匝数较少。电压互感器的一次绕组是与高压电路并联的。而其二次绕组并联仪表、继电器的电压线圈。由于二次仪表、继电器等的电压线圈阻抗很大,所以电压互感器工作时二次回路接近于空载状态。电压互感器变压器很相像，都是用来变换线路上的电压。但是变压器变换电压的目的是为了输送电能，因此容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安为计算单位；而电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，因此电压互感器的容量很小，一般都只有几伏安、几十伏安，最大也不超过一千伏安。(1)220kV侧电容互感器的选择由于电压互感器的一、二次侧均有熔断器保护，故不需进行短路稳定性的校验。110kV以上的配电电装置，当容量和精确等级满足要求时，宜采用电容式电压互感器，因为电容式电压互感器能够快速有效地抑制铁磁谐振现象的持续发生，并具有良好的瞬变响应特性。故本设计中220kV侧母线电压互感器的选择电容式TYD-220式电容式电压互感器。其主要技术参数如表6-7所示。表6-7TYD-220型电压互感器主要技术数据型号额定电压(kV)额定容量(VA)最大容量(VA)一次二次二次保护0.2级0.5级3级TYD-220220/0.1/0.11001503002000(2)27.5kV侧电压互感器的选择表6-8JDT-27.5型电压互感器主要技术数据型号额定电压(kV)额定容量(VA)最大容量(VA)一次二次0.5级1级3级JDT-27.527.50.11502505001200第7章牵引供电系统谐波分析及对通信线路的影响7.1谐波分析概述电气化铁道牵引负荷是少数直接接入高压电力系统的大宗用户之一，它产生的大量谐波(主要是3、5、7次)直接注入高压电力系统。牵引负载与一般电力系统负荷最大的区别在于其随机波动性和不对称性，因此其产生的谐波也与一般电力系统负荷产生的谐波有所差异。目前对谐波的研究方向主要集中在电力系统谐波分布特征和各种参数，对牵引负荷的分布特征和各种参数也有少量涉及，相对来说电力系统谐波分析的研究更加全面和深入。电气化铁道上供电系统主要由牵引变电所和牵引网两大局部组成。它一方面按不对称方式从三相电力系统(110kV或220kV)取得电能;另一方面,经牵引变电所降压为27.5kV或55kV后,向接触网和电力机车供电。随着运营能力和各类负荷的增加,作为高压单相非线性负载的电气化铁道,已成为引起电力系统谐波污染的主要谐波源之一。因此,在目前电气化铁道牵引供电系统进行综合治理的过程中,减少负序电流的影响、抑制谐波以及有效进行无功补偿已成为研究和应用的重要技术课题;同时,这些问题的有效解决也是提高牵引供电质量,促进铁路开展的必由之路。7.1.2牵引供电系统的谐波与功率因数牵引供电系统唯一负荷是电力机车(包括动车组)，由于电力机车上的变流装置是非线性元件，使得电力机车的电流谐波含有率k(k=，为n次谐波电流，为基波电流)很大，如表7-1所示，为国产SS型电力机车的谐波含有率。电力机车的变流装置还导致牵引供电系统的功率因数较低[4]。表7-1电力机车电流谐波含有率车型3次谐波5次谐波7次谐波SS1SS3SS420%18%20%10%8%8%6%5%5%牵引供电系统中高次谐波含有率大，功率因数较低对三相电力系统产生不良影响，主要表现在以下几方面：(1)降低发电机组、供变设备的出力和效率；(2)增加发电机和输电设备的发热、因其电能损失；(3)增大输电线路的电压降，影响电能质量。7.2电气化铁道谐波的特点广义而言,谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频的整数倍,通常称之为高次谐波。电气化铁道谐波具有以下特点:(1)单相独立性。我国铁路供电系统均采用两相供电制,但两相负荷相关性很小,通常认为两臂负荷是独立的。(2)随机波动性。牵引供电系统产生的谐波电流随基波负荷剧烈波动,且范围很大。(3)相位广泛分布。电气化铁道谐波向量可在复平面4个象限上广泛分布。(4)高压渗透性。电气化铁道是为数不多的高压用户,其任一次谐波都通过高压系统向全网渗透,不受变压器接线方向的阻碍。(5)稳态奇次性。单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波,只在涌流中含有偶次谐波。7.3电气化铁道谐波的危害(1)增加电气设备的额外附加损耗由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而也增加了设备的功率损耗、电能损耗，使220kV设备〔如变压器、电容器、输电线路等〕的温度过热，降低设备的利用率和经济效益。(2)影响继电保护和自动装置的工作可靠性电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的平安运行。(3)并联谐振当谐波电流沿牵引网返送系统时,由于牵引网对地分布电容和回路电感的影响,可能构成某次谐波的谐振回路,造成牵引负荷谐波电流的谐振放大。此外,高次谐波还对发电机、电气测量仪表以及自动控制装置等产生负面影响。(4)其它危害谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，从而降低电压质量，浪费电网的容量。还会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，甚至损害机器。电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响。7.4电气化铁道谐波的抑制7.4.1概述所谓谐波抑制,就是限制谐波发生源注入电网的谐波含量,将电力系统中的谐波含量控制在允许范围内的各种措施。电气化铁道作为电力系统中的主要谐波源之一,随着运营能力和各类大功率非线性负荷的增加,势必产生大量的谐波电流并注入电网,对电力系统的平安运行已构成严重威胁。因此,有针对性地采取措施,消除或减少电力系统中的谐波含量,才能保证电力系统的平安运行和接入电网的各种用电设备的可靠工作。7.4.2谐波抑制措施(1)加强监测统一对所辖电网的谐波进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，设置在线监测装置、长期观察点，收集可靠的数据。对电气化铁路客户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力客户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。(2)采用无源型交流滤波装置采用无源型交流滤波装置就近吸收谐波源产生的谐波电流,是抑制谐波污染的一种有效措施。该装置是由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的调谐滤波器。运行过程中,它和谐波源并联,除滤波作用外还可兼顾无功补偿的需要。由于装置结构简单,维护方便,因此得到了广泛的应用。完整的滤波装置一般由一组或数组单调谐LC滤波器组成,有时再加一组高通滤波器;虽然只能补偿固定频率的谐波,补偿效果不甚理想,但LC滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。图7-1给出三种无源型交流滤波器的接线方式。图7-1无源型交流滤波器的接线方式(3)采用有源电力滤波装置采用有源电力滤波器是牵引供电系统谐波抑制的一个重要开展趋势，它的根本原理是:依据瞬时无功功率理论中谐波电流的瞬时检测方法和PWM控制技术,从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,使电网电流中仅含有基波分量。由于有源电力滤波装置可对频率与幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,因而受到广泛的关注。目前运行的有源滤波装置几乎都是并联型。综合而言,与无源型滤波器相比,有源电力滤波器具有以下特点；