铁道电气化课程方案设计书.doc

自动化与电气工程学院 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

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评语：

2011 年 07 月 20 日
一、 题目
某牵引变电所丁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，单相V-V接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表1所示。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
表1 两供电臂电流归算到27.5kV侧电流
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
丁
19.4

142
219
809
152
23.2

167
248
978
198
二、 题目分析及解决方案框架确定
原理电路如图1所示。
单相V-V接线的牵引变压器是将两台单相变压器以V的方式联于三相电力系统，每一个牵引变电所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两台变压器的次边绕组，各取一端联至牵引变电所的两相母线上。而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线。这时，两臂电压的相位差为60°，电流不对称度有所减少。这种接线即通常所说的60°接线。同时，由于左、右两供电臂对轨道的电压相位不同，在这两个相邻的接触网区段间必须采用分相绝缘结构。另外，由于牵引变压器次边绕组电流等于供电臂电流，因此供电臂长期允许电流就等于牵引变压器次边的额定电流，牵引变压器的容量得到了充分利用。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
在正常运行时，牵引侧保持三相，可供应牵引变电所自用电和地区三相负载。主接线较简单，设备较少，投资较省。对电力系统的负序影响比单相接线小。对接触网的供电可实现双边供电。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
当一台牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左、右两边供电臂的牵引网。这需要一个倒闸过程，即把故障变压器原来承担的供电任务转移到正常运行的变压器。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
在设计过程中，通过求解变压器的计算容量、校核容量以及安装容量来选取变压器的型号。然后再变压器型号的基础之上，选取室外110kV侧母线，室外27.5kV侧母线以及室外10kV侧母线的型号。考虑到V-V接线中装有两台变压器的特点，在确定220kV侧主接线时我们采用桥形接线。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。按照选取的变压器的容量以及22kV侧的和牵引侧的主接线，可以做出设计牵引变电所的电气主接线。单相V-V接线的牵引变压器原理电路如图1所示。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

图1单相V-V接线牵引变电所
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、单相V-V直接供电方式变压器接线。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
3.1牵引变电所110kV侧主接线图设计
内桥接线和外桥接线的接线方式分别如图2和图3所示。根据它们的特点选择外桥式接线。
3.2牵引变电所馈线侧主接线设计
牵引变电所27.5kV 侧馈线的接线方式一般有下列三种：馈线断路器100%备用的接线（如图4所示），馈线断路器50%备用的接线(如图5所示), 带旁路母线和旁路断路器的接线(如图6所示)。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

图2 内桥接线 图3 外桥接线

图4 馈线断路器100%备用

图5 馈线断路器50%备用

图6 带有旁路母线和旁路断路器的接线

综合以上几种接线方式优缺点的比较，牵引变电所27.5kV 侧馈线断路器采用50%备用的接线。
3.3单相V-V直供方式变压器接线
单相V-V接线变压器是由两台单相变压器构成，高压侧两个绕组接在电力系统的两个线电压上。
因为是采用直接供电方式，低压侧两个绕组接成V形，两台变压器的次边绕组，各取一端联至27.5KV的a相和b相母线上。而它们的另一端则连成公共端的方式接至地网和钢轨或钢轨引回的回流线（参见附图1）。为了保证供电的可靠性及经济性，采用变压器移动备用的方式。其主接线如图7所示。直接供电方式下单相V-V变压器主接线图如图7所示。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

图7 直接供电方式下单相V-V变压器主接线

3.4牵引变压器容量计算
牵引变压器容量应能满足负荷的需要。对牵引变压器进行容量校核，要达到两方面的目的：一方面为了满足列车紧密运行的需要；另一方面是为了保证牵引变压器在充分利用过负荷能力的情况下能安全运行。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
当牵引变压器的计算容量和校核容量确定以后，选择两者中的较大者，并按采用的备用方式、牵引变压器的系列产品（额定容量优先数为R10系列，及10000,12500,16000,20000,40000,50000,80000,100000（kVA）等）以及有否地区动力负荷等因素，即可确定牵引变压器的安装容量。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
（1）单相V-V接线牵引变压器绕组的有效电流
单相V-V接线牵引变压器是由两台单相牵引变压器连接而成，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即为馈线有效电流，故預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
(1)
A)

式中，为绕组电流有效值，为供电臂电流有效值。根据题意，。
（2）计算单相V-V接线牵引变压器的计算容量
负荷电流计算出了按计算条件外，都应将负荷电流变换成变压器绕组的有效电流，然后用绕组有效电流计算变压器的容量。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
单相V-V接线牵引变压器是由两台单相牵引变压器连接而成，，其两台变压器计算容量公式分别为
(2)
(kVA)

式中，分别为两台变压器容量，分别为两变压器绕组电流有效值，分别为两台变压器供电臂电流有效值。
（3）变压器校核容量
应按下面条件所得出的牵引变压器的最大容量，然后考虑变压器的过负荷能力，再算出变压器的校核容量。可以充分利用过负荷能力满足的需要。着就是对牵引变压器计算校核容量，以达到既满足列车紧密运行的需要，又可充分利用过负荷能力而安全运行的目的。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
单相V-V结线牵引变压器的最大容量为
(3)
(kVA)

式中，，分别为供电臂a，b的最大电流。

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
(4)
(kVA)

式中，K为牵引变压器过负荷倍数，取K=1.5。则可得

(4) 确定单相V-V接线牵引变压器的安装容量及型号选择
牵引变压器的安装容量，是在计算容量与校核容量的基础上，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，除了计算容量与校核容量外，主要考虑因素是其备用方式。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
采用移动变压器作为备用的方式，称为移动备用方式。当牵引变压器需要检修时，可将移动变压器按计划调入牵引变电所。但在牵引变压器发生故障时，移动变压器的调用和投入需要数小时。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
将单相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，选用单相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 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

已知
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，未了使另一台单独运行而不影响铁路正常运输，安装容量选用变压器。因为蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

因此选择16000/110型号的变压器。

3.5 绘制电气主结线图
电气主接线如附图二所示。
该牵引变电所主接线方案如图6所示。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。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
3.６开关设备的选择
（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：
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 特性宜相同。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。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
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，因此进行讨论。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
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。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
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。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
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。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
（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。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
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。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
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。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
⑥隔离一次设备与二次设备，保护人身和设备的安全。
3.7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。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
温度修正系数K由下式求得：

式中， 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。在室外有日照时=1，在室内=0.9。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
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2 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
＿ ＿
√
＿ ＿
√
（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。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
经计算 =1.3×16000/（110×）=109.17(A)硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
式中：表示通过导线的最大持续电流，表示对于额定环境温度,允许电流，为温度修正系数。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
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 。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
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)。
（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。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
经计算：
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,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)。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
（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。谚辞調担鈧谄动禪泻類。
经计算：
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)。导线的选择标准见附表一。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
四、 设计方案分析
此次设计我主要负责容量计算和互感器、馈电母线的选择。单相V-V变压器的容量利用率为100%，牵引变压器容量计算分为容量计算，校核容量计算，安装容量计算等过程。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
单相V-V接线牵引变压器主要应用于电气化铁路建设中牵引变电所，具有低损耗、噪声小、安全可靠性高、运行维护费用低、占地面积小的优点，因此V-V接线牵引变压器已成为国家铁道部为电气化铁路建设首选的变电产品。通常由两台单相变压器组成，结构简单，制造容易。最大的优势是可以全容量输出，减少投资。和单相牵引变压器相比，运行时负序小，对电网干扰小。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
单相V-V接线牵引变压器有以下优点：
（1） 适用于电气化铁路直接供电或BT供电方式，安装维护方便，可靠性高。
（2） 相变压器的容量可以相等或不相等，适应范围广。
（3） 相变压器可以独立进行调压，调压方式可选择有载调压或无励磁调压，用户选型灵活、使用方便。
（4） 相同的单相变压器与三相变压器相比，单相变压器的铁重轻，铜重少，节约这些国内紧缺且价格昂贵的硅钢片和铜导线能获得很大的经济效益。尤其是采用卷铁心结构时，变压器的空载损耗可下降以上，空载电流可下降，这将使单相变压器的制造成本和使用成本同时下降，从而获得最佳的寿命周期成本。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
五、心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.对我们学工科的同学来说尤为重要！颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
回顾起此次电气课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这几天里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说变压器不懂怎么去选，不懂怎么去选互感器，对电气主接线图的选择掌握得不好，过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
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.挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
[2] 和其光，陈蓉平.牵引变电所[M].北京：中国铁道出版社，1989.
[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，2006.赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

标称截面积
/mm2(铝/钢)
弹性模量/GPa
线胀系数/10-6C-1
计算载流量/Ａ
70℃
80℃
90℃
10/2
79.0
19.0
66
78
87
16/3
79.0
19.1
85
100
113
25/4
79.0
19.1
111
131
149
35/6
79.0
19.1
134
158
180
50/8
79.0
19.1
161
191
218
50/30
105.0
15.3
166
195
218
70/10
79.0
19.1
194
232
266
70/40
105.0
15.3
196
230
257
95/15
76.0
18.9
252
306
351
95/20
76.0
18.5
233
277
319
95/55
105.0
15.3
230
270
301
120/7
66.0
21.2
287
350
401
120/20
76.0
18.9
285
348
399
120/25
76.0
18.5
265
315
365
附录1钢芯铝绞线的物理参数及载流量

附录2 牵引变电所电气主接线

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