课程设计-- 电气化铁道供电系统与设计

电气化铁道供电系统与设计课程

设计报告

班 级： 电气081班 学 号： 200809012 姓 名： 段有春 指导教师： 王秀华

评语：

2011 年 7 月 15日

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一、 题目

某牵引变电所丙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V,v接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表所示。

牵引变电所 丙 24.7 α 184 266 1052 217 供电臂 端子 平均电流A 有效电流A 短路电流A 穿越电流A 长度km 21.9 β 238 318 917 206 二、 题目分析及解决方案框架确定

三相V,v结线牵引变电所中装设两台三相V,v结线牵引变压器，一台运行，一台固定备用。三相V,v结线牵引变压器是近年来新研制的产品，它是将两台容量相等的单相变压器器身安装于同一油箱内组成的。原理电路如图1所示。原边绕组接成固定的V结线，V的顶点（A2与X1连接点）为C相，A1、X2分别为A相、B相。副边绕组四个端子全部引出在油箱外部，根据牵引供电的要求，即可接成正“V”,也可接成反“V”。 接成正“V”时，a2与x1连接为C相,即正“V”的顶点；a1、x2分别为a相、b相。接成反“V”时，a1与x2连接为c相，即反“V”的顶点；x1、a2分别为a相、b相。在牵引变电所中安装时，三相V,v结线牵引变压器原边A、C、B三相分别接入电力系统中的三相；副边c相与轨道、接地网连接，a相、b相分别接到牵引侧两相母线上，然后分别向对应的供电臂牵引网供电，也是60°接线。

三相V,v结线牵引变电所不但保持了单相V,v结线牵引变电所的主要优点，而且完全克服了单相V,v结线牵引变电所的缺点。最可取的是解决了单相V,v结线牵引变电所不便于采用固定备用及自动投入的问题。同时，三相V,v结线牵引变电所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；两台的副边电压可以相同，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结线型式。

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??C?X2C?2X1?1?x2Ta2x1a1TR左供分电区 右供分电区 R 图1 三相V,v结线牵引变电所

三、 设计过程

牵引变电所的电气主接线分为三个部分来分别设计：110KV侧的主接线、牵引侧的主接线、三相V,v直接供电方式变压器接线。

3.1 牵引变电所110kV侧主接线设计

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所示的单母线分段接线。若考虑经济运行也可采用图3所示的外桥接线。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，因此采用单母线分段接线。

3.2 牵引变电所馈线侧主接线设计

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：

（1）馈线断路器100%备用的接线

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。

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（2）馈线断路器50%备用的接线

馈线断路器50%备用的接线如图5所示。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。

L1L2QS2QS1QS3QFQFdQF1QF2

图2 单母线分段接线 图3 外桥接线

A相母线 B相母线 送左臂上行 送左臂下行 送右臂上行 送右臂下行 图4 馈线断路器100%备用

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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

（3）带旁路母线和旁路断路器的接线

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。

A相母线 B相母线 旁路母线

图6 带有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。

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3.3 三相V,v直接供电方式变压器接线

采用直接供电方式时，三相V,v变压器原边绕组接成固定的V接线，低压侧两个绕组接成正“V”或反“V”。低压侧两次边绕组，各取一端联至27.5kV的a相和b相母线上，它们的公共端接至接地网和钢轨。三相V,v直接供电方式变压器接线如图7所示。

VVVV至钢轨 或回流线 至钢轨 或回流线 ab27.5KV 图7 三相V,v变压器直接供电方式接线

3.4 牵引变压器容量计算

（1）三相V,v接线牵引变压器绕组的有效电流

三相V,v接线牵引变压器是由两台单相牵引变压器联接而成，每台变压器供给所管辖供电臂的负荷。所以其绕组有效电流Ivx即为馈线有效电流，故

?IX IVX1 (1)

IVX1?IX1 (2) 式中Ivx——为绕组电流有效值。根据题意，IVX1?318A,IVX2?266A

（2）计算三相V-V接线牵引变压器的计算容量

三相V,V接线牵引变压器是由两台单相牵引变压器联接而成，，其两台变压

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器计算容量分别为

SA?UIVXA?UIXA (3)

SB?UIVXB?UIXB (4)

58k7V4A A73k1V5 SA?UI?27.5?31?8VXA SB?UI?26?6VX?B27.5（3）变压器校核容量

单相V,v结线牵引变压器的最大容量为

Sabmax?UIamax (5)

(6) Sbbma?xUIbmx式中Iamax——为供电臂（a）的最大电流，Ibmax——为供电臂（b）的最大电流。

Sabmax?UIamax?27.5?917?25217.5kVA

Sbbmax?UIbmax?27.5?1052?28930kVA

在最大容量的基础之上，再考虑牵引变压器的过负荷能力后所确定的容量，就可以得到校核容量，即

Sj?SmaxK (7)

式中，K为牵引变压器过负荷倍数，取K=1.5。则可得

Saj?SabmaxK?25217.5/1.5?16811.67kVA

Sbj?SbbmaxK?28930/1.5?19286.67kVA

Sj?(Saj?Sbj)?(16811.67?19286.67)?36098.34KkVA

（4）确定三相V,v接线牵引变压器的安装容量及型号选择

将三相V,v接线的变压器的计算容量和校核容量进行比较，并结合采用移动备用方式和系列产品，选用三相V,v变压器的安装容量为2×20000KVA。

由变压器允许过电荷50%可知：

移动备用方式下Sbmax?(2?20000)?1.5?60000KVA。

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已知Sbmax?(Sabmax+Sbbmax)max?54147.5kVA，故选用的安装容量是合适的。考虑到在采用移动备用方式的情况下，当两台并联运行的牵引变压器一台发生故障停电后，为了使另一台单独运行而不影响铁路正常运输，安装容量选用

2?16000kVA?32000kVA变压器。因为：

16000kVA?1.3?16380kVA?(8745kVA?7315kVA)?16060kVA

因此选择16000/110型号的变压器。

3.5 绘制电气主结线图

为保证供电可靠性，牵引变压器采用固定备用方式。因采用单相牵引变压器，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，改善了电力机车运行的弓网关系。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。

电气主接线如附录二所示。

3.6 开关设备的选择

(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

Uε?Ug

式中Uε、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Iε，应不小于电路中的最大长期负荷电流，即

Iε?Ig

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

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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

Ieq≥Idt

或 Sed=3UIeq≥Sdt （三相系统）

e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， t≤0.1；

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=

'27.5·Sed=0.78Sed 35式中，Sed——35千伏断路器用在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（Ieq不变）：

Sed(2)=27.5?Ieq?Sdt

(2)(2)(2)式中Sed、Sdt——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=0.1～0.15秒；

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对于继电保护，应按具有最小动作时间的速断主保护作为动作时间，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tjs=0.05～0.1秒，对于非快速动作的断路器，tjs=0.15～0.2秒。

可知，短路发生后tjs＞0.1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tjs≤0.1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

igf?ich

(3)(3)式中igf、ich—分别为断路器的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：

It?t?Qd

式中It—为制造厂家规定的ｔ秒热稳定电流。

Qd—短路电流发热效应。

2Qd?Qz?Qfi

（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

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距的要求，以加强绝缘，此外，高压熔断器应满足：

①按工作电流 Uε?Ug（与断路器意义相同）。 ②按工作电流

IeR?Iei?Ig

式中IeR、Iei——分别为熔断器额定电流和熔件额定电流；Ig——为网络中最大长期工作电流。

③按断流容量

Iq?I''

或Se?S''

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：

?g??x

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）隔离开关的选择

选择隔离开关，首先应考虑装置的种类和型式、是屋内或屋外使用，对于污秽地区的屋外式熔断器还应按上述熔断器选择时的条件④保证绝缘泄露比距的需要。隔离开关的其它选择条件与断路器类似，但对隔离开关不进行切断能力的（切断电流或断路容量）的校验。

3.7 仪用互感器的选择

（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：

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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采用相同的铁芯型式。各互感器的特性应相同。以防止区外故障时，各互感器特性不一致产生差流，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的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。

330－500KV系统保护、高压侧为330－500KV的变压器保护用的电流互感器，由于系统一次时间常熟较大，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TP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。

（2）电压互感器的选择（作用）

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，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。

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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。

3.8 导线选择

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K由下式求得：

K??xu?t?xu?25

式中?xu——表示运行的允许温度，对室外有日照时取80℃，室内取70℃.，t为实际环境温度。

设计时取t=25℃，那么在室外有日照时K=1，在室内K=1。

（1）室外110KV进线侧母线的选择

室外110kV进线侧的母线为软母线,且每段负荷不同,母线截面可采取相同截面，以按最大长期工作电流方式来选择为宜。母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑。

经计算：

Icmax=1.3×16000/（110×）=109.17(A)

由所给资料查出钢芯铝绞线(LGJ-95)的允许载流量为330A(基准环境温度为25℃,允许温度70℃时)，符合式子Icmax?KIyx(K?1)。

式中Icmax——表示通过导线的最大持续电流，Iyx表示对于额定环境温度,允许电流，K为温度修正系数。

考虑冗余，110kV进线侧的母线选用截面积为25mm2的钢芯铝绞线(LGJ25)。 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)。

表1 导线的选择与校验

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导线名称

按导线长期发热允许电流选择

母线及短导线 普通导线

＿ ＿ √

选择

按经济电流密度选择

动稳定

校验

热稳定

＿ ＿ √ √

√ ＿ ＿ √

（2）室外27.5KV进线侧母线的选择

母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，我们选择容量为1600kVA电压27.5/10.5千伏的三相双绕组电力变压器。

经计算：

Icmax=1.3×1600/27.5×

=43.67(A)

由所给资料查出钢芯铝绞线(LGJ-10)的允许载流量为86A(基准环境温度为25℃时)，符合式子Icmax?KIyx(K?1),故初步确定27.5kV侧的母线选用截面积为10 mm2的钢芯铝绞线(LGJ-10)。

（3）室外10KV馈线侧母线的选择

母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，选择容量为1600kVA电压27.5/10.5千伏的三相双绕组电力变压器。

经计算：

Icmax=1.3×1600/10.5×

=114.4(A)

由所给资料查出钢芯铝绞线(LGJ-25)的允许载流量为138A(基准环境温度为25℃时)，符合式子Icmax?KIyx(K?1)故初步确定10kV侧的母线选用截面积为25 mm2的钢芯铝绞线(LGJ-25)。

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四、 心得体会

本次课程设计我和桑文举、丁鹏一组，我们共同完成了复线区段直接供电的牵引变电所。我主要完成了变压器容量的计算和选择，部分器件和导线的选择，同时做好了自己报告的文字编辑和排版工作。

这次的课程设计对我们专业知识，专业学习是一个很好的检测，是我们从大学毕业生走向未来工作的重要一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。我们熟悉了电气手册的使用，基本掌握了VISIO绘图软件的使用，并用它完成了部分接线图的绘制，从一定程度上了解了CAD绘图的过程。在这个过程中我深刻认识到自己很多的不足，知道了自己专业知识很欠缺，作为一个面向铁道的专业人士，发现自己的缺少很多的专业素养，以及对专业软件工具使用的陌生。虽然通过学习完成了本次设计，但是距离熟练掌握还相差很远，自己的各种知识储备还有待提高。

通过这次实践，我了解了牵引供电系统的用途及工作原理，熟悉了电气化铁道供电系统牵引变电所的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身，同时也锻炼了自己把书本上学到的知识怎么灵

活运用到实践中。这次实践展示了我们的团队合作能力，是我充分认识到团队合作的重要性，也意识到了未来工作中应该保留的良好品质。这次实践是对自己大学四年所学的一次考验，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人，为祖国铁路事业，为祖国建设事业增光添彩。

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附录一

表1钢芯铝绞线的物理参数及载流量

标称截面积 /mm2(铝/钢)

10/2 16/3 25/4 35/6 50/8 50/30 70/10 70/40 95/15 95/20 95/55 120/7 120/20 120/25

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弹性模量 /GPa

79.0 79.0 79.0 79.0 79.0 105.0 79.0 105.0 76.0 76.0 105.0 66.0 76.0 76.0

线胀系数 /10-6C-1

19.0 19.1 19.1 19.1 19.1 15.3 19.1 15.3 18.9 18.5 15.3 21.2 18.9 18.5

70℃ 66 85 111 134 161 166 194 196 252 233 230 287 285 265

计算载流量/Ａ

80℃ 78 100 131 158 191 195 232 230 306 277 270 350 348 315

90℃ 87 113 149 180 218 218 266 257 351 319 301 401 399 365

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表2 V,v牵引变压器主要技术数据

变压器型号及接线方式 Vv,

SF6-QY-16000+10000

Vv,

SF6-QY-16000+16000

Vv,

SF6-QY-20000+16000

Vv,

SF6-QY-20000+20000

Vv,

SF6-QY-25000+20000

Vv,

SF6-QY-25000+16000

原边/次边额定电压kV 110/27.5 110/27.5 110/27.5 110/27.5 110/27.5 110/27.5

短路电压百分值 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5% 10.5%

额定空载电流 0.5% 0.5% 0.5% 0.5% 0.5% 0.5%

额定铜耗kW 130 140 145 150 160 160

额定空载损耗kW 20 25 28 30 35 30

冷却方式

ONAF ONAF ONAF ONAF ONAF ONAF

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附录二 牵引变压器主接线图

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参考文献

[1] 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.

[2] 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，

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[3] 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[M].北京：中

国铁道出版社，1987.

[4] 付家才 李忠勤.电气CAD工程实践技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mytr.html