铁道供电课程设计郭皓.docx
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铁道供电课程设计郭皓
电力牵引供电系统课程设计
评语：
考勤
（10）
守纪
（10）
设计过程
（40）
设计报告
（30）
小组答辩
（10）
总成绩
（100）
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气1101
姓名：
郭皓
学号：
201109111
指导教师：
于晓英
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2014年7月14日
1设计原始题目
1.1具体题目
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
18.3
α
217
295
818
148
13.3
β
144
218
637
144
1.2要完成的内容
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。
该牵引变电所要完成的内容如下:
（1）设该变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。
2设计课题的分析与计算
2.1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1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2所示的外桥接线。
牵引变电所110kV侧内桥接线盒外桥接线如图1和图2所示。
图1内桥接线图2外桥接线
2.2牵引变电所的主变压器接线形式YN,d11
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。
三相YN,d11结线牵引变压器原理电路图如图3所示。
图3三相YN,d11结线牵引变压器原理电路图
2.3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三种：
2.3.1馈线断路器100%备用的接线
这种接线当工作断路器需检修时，即由备用断路器代替。
馈线断路器100%备用的接线图如图4所示。
图4馈线断路器100%备用的接线
2.3.2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。
如图5所示。
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。
2.3.3带旁路母线和旁路断路器的接线
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。
带旁路母线和旁路断路器的接线图如图6所示。
图6带旁路母线和旁路断路器的接线
3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。
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。
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）
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。
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10000，12500，1600，20000，25000，31500，40000，50000，63000，80000，100000（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2×25000kVA。
牵引变压器选择用SFY-25000/110型三相双绕组牵引变压器。
4开关设备的选择
4.1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Ue≥Ug
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Ie≥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=
Ue·Ieq≥Sdt（三相系统）（4）
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=
·Sed=0.78Sed（5）
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）：
S
（2）ed=27.5·Ieq≥S
（2）dt（6）
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=0.1～0.15秒；
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tjd=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>i（3）ch。
式中，igf，i（3）ch—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。
Qd=Qz+Qfi
4.2高压熔断器的选择
高压熔断器应满足:
（1）按工作电流 Ue>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—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
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。
4.3电流互感器的选择
电流互感器的选择一般有如下原则需要遵循：
（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的要求（如500kV保护）；
4.4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，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。
5小结
通过近一周的课程设计，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。
参考文献
[1]铁道部电气化设计院.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.
[2]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.
[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.
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