完整版牵引变电所一次系统电气设备的选择毕业论文文档格式.docx

1、6.6 支柱绝缘子及穿墙套管的选择和校验 226.7电流互感器的校验 256.8 电压互感器的校验 26结论 28致谢 29参考文献 301 引言采用电力机车为主要牵引动力的铁路称为电气化铁路，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第一条电气化铁路迄今已有120多年的历史。低能耗、高效率、高速度的电力牵引已成为世界各国铁路发展趋势，是铁路现代化的额标志。20世纪60年代，世界第一条高速电气化铁路-东京到大阪的新干线在日本建成，拉开了高速电气化铁道建设的新篇章。随着电气化铁路的迅猛发展，我国在1961年8月15日第一条电气化铁路宝成线，即宝鸡-凤州段正

2、式通车，从此揭开了中国电气化铁路建设的序幕。从第一条电气化铁路运营到现在的40多年里，特别是改革开放以来，中国的电气化铁道得到了迅猛的发展。到2006年7月1日既有京沪线化改造完成为止，电气化铁路已突破2.1万Km，居亚洲第一，世界第二。是中国由电气化铁路大国迈进电气化铁路强国。中国的电气化铁路采用了目前国际上普遍使用的先进的25Kv单相工频交流制。其优点为：牵引供电系统的结构简单，牵引变电所损耗小、间距大、数目少，机车粘着性能和牵引性能良好，大大降低了建设投资和运营费用。原始资料变电所编号B供电臂长度（KM）50牵引负荷计算容量（KVA）13500地区负荷计算容量（KVA）800年货运量（M

3、t）40一次系统综合电抗0.3馈线数目2 牵引供电系统2.1牵引供电系统简介将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV（或220kV）降到27.5kV，经馈电线将电能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能，用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区亭之间的接触网（含馈电线）称供电臂。牵引供电回路是由牵引变电所馈电线接触网电力机车钢轨回流联接（牵引变

4、电所）接地网组成的闭合回路，其中流通的电流称牵引电流，闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧，处理不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线统称为牵引网。牵引供电设备的检修运行由供电段负责，牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。供电调度通常设在分局和铁路局调度所。2.2 牵引变电所牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈出。降低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。我国牵引变压器采用三相、三相

5、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。随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。2.3接触网接触网是沿铁路沿线架设的特殊电力线路，电力机车受电弓通过与之滑动摩擦接触而授流，取得电能。所以两者均应保持良好的工作状态。受电弓的运动状态是很复杂的，影响因素也很多。为了保证对其良好的供电，接触网结构本身应做到：（1）接触线距钢轨面的高度应尽量相等，定位点及跨中与受电弓中心相对位置符合要求；（2）接触悬挂应有较均匀的弹性和良好的稳定性；（3）良好的绝缘性能；（4）适应气象条件的变化并能保

6、持上述特性不应有很大的变化；（5）接触网结构应力求轻巧简单，做到标准化，方便施工和运行维修；（6）零部件标准化，轻便，耐腐蚀，可靠性高， （7）接触线应有足够的耐磨性；（8）主导电回路通畅。2.4牵引变电所设计步骤设计部门对牵引变电所的设计分为三个步骤，即初步设计、技术设计和施工设计。在初步设计之前设计部门要进行方案报告、可行性研究，进行初测。这些完成后才能初步设计。初步设计就是根据上级下达的任务书，以及初测资料确定的主要设计原则、技术标准、主要方案（含比较方案），并且画出主接线图、交流直流系统图，编写设计说明书，以及画出变电所房屋平面图，最后还须列出三表；主要设备表、主要材料表和主要工程数量

7、表。在初步设计后，便开始技术设计，这一阶段主要任务是画出图纸。如一次部分高压室设备平面图，墙上母线布置图，防雷接地平面图等。最后是施工设计，除出上述图纸以外，还增加详细的安装大样图。对于一个牵引变电所的设计又可具体分为以下、五个步骤：首先，选择所址，这项工作主要考虑交通条件、生活方便情况、进出线方便情况等；第二，外部电源的选取，一般采用不同方向两路同时能供电的独立电源；第三，主接线设计及总平面布置；第四，主要设备选型，这些设备包括：主变压器、断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关等；第五，二次接线设计，它包括集中控制、测量、保护、信号等设计。2.5影响牵引变电所设计的因素影响牵引变电所设计的

8、因素主要有两个因素：自身因素和自然因素。包括：牵引变电所供电的区间线路近期、远期运量；电力系统提供的电源；电力系统容量变电所一次侧短路容量Sd，或者系统的网络结构；可提供独立电源情况。地区负荷地区负荷包括铁路企业、车站、沿线附近地方负荷。地形与气象变电所的地形，进线、馈线方向；气象：水位、风、冰雪、雷电日、土壤电阻率。3 牵引变压器及其接线工频单相交流电力机车是功率很大的单相负荷，必然会影响到三相电力系统的对称性。因此牵引变电所的重要任务不仅是将电力系统送来的高压电变为电力机车所需的电压，而且还通过采用不同形式的变压器及其结线，使电力机车的单相负荷对电力系统的不良影响降低到最小。为了实现上述功

9、能，我国铁路牵引变电所不仅采用有普通的单相电力变压器、三相电力变压器，还特别采用了某些特殊变压器，主要为三相-两相平衡变压器，包括斯科特结线变压器、阻抗匹配与非阻抗匹配平衡变压器，以及我国台湾省采用的列勃兰克结线变压器。在国外，例如日本，还采用伍德桥结线和改进伍德桥结线的平衡变压器。根据所采用的变压器的类型不同，牵引变电所通常又分为：单相牵引变电所（包括纯单相变电所i，单相V，V结线和三相V，V结线变电所）；三相变电所；三相-两相变电所（包括斯科特结线变电所和阻抗匹配与非阻抗匹配结线变电所）。牵引变压器原边额定电压为110KV-220KV，副边额定电压为55KV或27.5KV，比牵引网额定电压

10、高10%。牵引变压器的容量较大，一般为数万KVA或数十MVA，例如容量为20000KVA，即为20MV-A。目前常用的额定容量等级有以下9种（MVA）；即10，（12.5），上述容量等级是按R10标准系列设计。由于牵引变压器的容量大、数量多，因此变压器的容量利用率就成为牵引变电所运行的重要经济指标。所谓容量利用率是指变压器的额定输出容量与额定容量之比，即K=额定输出容量额定容量变压器的容量利用率低，不仅造成基本建设投资的浪费，还会额外增加运营成本。因为牵引用电除收取用电电度费用外，还按变压器容量收取基本电费。每千伏安的基本电费为20元（人民币）。为了提高牵引供电的可靠性，牵引变电所一般都安装两

11、台变压器，即所谓冗余配置。每台变压器就能承担全部负荷。正常运行时，一台工作，另一台作为检修或故障时的备用。本章对目前应用较多的几种牵引变压器结线形式，即单相变压器结线、三相变压器结线、斯科特结线和阻抗匹配及非阻抗匹配平衡变压器的工作原理作简单介绍。4 短路计算4.1三相对称短路电流的分析计算1、短路的基本概念短路的定义、类型及产生的一般原因电气化铁道供电系统的主要任务是保证安全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。所谓短路就是不同电位导电部分之间的短接，例如一切相与想见、在大电流接地系统中相与地间的直接短接等。短路是供电系统中最常见的故障，也是最严

12、重的一种故障。 通常，多数短路点都存在一定的过渡电阻，此种短路称为非金属性短路。由于过渡电阻的值受多种因素的影响，为简化分析，都将过渡电阻的值忽略，即按金属性短路考虑。在本书中所讨论的短路，凡无特殊申明者，均指金属性短路。2、 短路的类型短路有三相短路、两相短路、单相接地短路、两相短路接地等多种类型。其中三相短路为对称性短路，其余皆为不对称短路。显然，单相接地短路和两相短路接地只会在大电流接地系统中发生。下列表列出了各种短路的表示符号即发生几率。可见单相接地发生的几率最高，三相短路为最少。短路种类示意图符号某电力网故障统计（%）三相短路 K（3） 2.2两相短路 K（2）单相接地短路 K（1）

13、 88.4两相短路接地 K（1,1） 6.7（断线0.5）4.2短路的原因（1）自然灾害引起。例如带点部分遭受雷击，或因风雪引起的倒杆断线等均属于此类。（2）因恶劣的工作环境而引起。例如变电所位于污染严重地区，绝缘子因受污染而击穿。（3）因维护设备不善而引起。例如设备绝缘已老化，而未及时更换造成击穿。（4）由于工作人员违章误操作而引起。例如接触网工带电挂接地线及未撤地线而送电等均属此类。4.3短路的危害及防范措施 当供电系统发生短路时，由于系统的阻抗急剧减小，电流急剧增加、系统电压降压。短路时电流值达额定值的几倍或几十倍，有时电流达几十万安培。如此大的短路电流对电力系统将产生极大的危害。主要的

14、危害有以下几个方面：（1）短路的热效应和电动效应。当很大的短路电流通过电器设备和导体时，将使发热增加，并在导体间产生很大的机械应力。如持续时间过长，将引起发热超过允许值，危害设备的绝缘或直接使绝缘损坏。电动力会使导体及其支持装置产生变形，遭受机械破坏。（2）短路时，由于系统电压急剧下降，严重危及用户电气设备的正常运行，造成产品报废及设备损坏。当牵引系统短路时，电压下降到允许最低工作电压（19kv）以下时，供电区内的电力机车就不能起动，而使运输中断。（3）接地短路时，将引起不平衡电流。这一不平衡电流产生的不平衡磁通，将在邻近的平行通讯线路上感应出附加电势，干扰通讯系统。严重时将危及通讯设备及人身

15、安全。（4）电力系统短路的最严重后果是引起系统解列。因为短路后，并列运行的各电厂电压下降程度和功率输出不同，如持续时间不长，则引起失去同步，破坏系统的稳定和正常运行，造成大片地区停电，使工农业生产和人民生活受到严重影响。为了减少短路故障的危害，主要采取以下措施：（1）减少短路发生的可能，根除短路危害。通常做法是正确设计、高质量的安装、精心维护、认真检修、定期进行绝缘预防性试验，及时消除设备缺陷、严明操作规程。 （2）限制短路电流，减少危害程度。通常的做法是在线路上接电抗器等。 （3）限制短路电流的危害时间和范围。通常的做法是在供电系统中装设性能良好的的继电保护装置，能在短路发生时，快速地将短路

16、部分有选择地从系统中切除。将故障部分与正常部分隔离，使非故障部分正常工作，故障部分及时脱离电源。 （4）提高发电机的性能，增强系统稳定性。通常的做法是在发电机上装设自动调压装置。4.4短路计算的目的及假设条件在牵引变电所中，整个供电系统的设计和运行工作中，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机械稳定性的校验。短路计算的目的就在于为变电所等供电装置的电气主接线及电气设备选择、比较提供必要的数据；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。在分析研究供电系统的短路过程中，通常在

17、保证满足一定精度要求前提下，采用一些基本假设，忽略一些次要因素，突出主要因素。使计算和分析大大简化。在一般情况下，对于各种类型的短路和系统中的电气元件，采用如下的基本假设：（1）电力系统中所有发电机电势相角都相同，发电机间无交换电流。（2）电力系统中元件的磁路不饱和，即系统中元件参数恒定不变，为线性电路。在计算机就可以应用迭加原理。（3）一般电气元件的电阻略去不计。对高压网络来说，在整个短路回路中，元件总电阻R与总电抗X的值，一般总能满足R13 X，略去电阻后求得的短路电流仅增大5%左右。这在实际工程中是允许的。当短路发生的电缆线路或低压网络时，由于总电阻与总电抗之比值大于13，则应计及电阻。

18、但为计算方便，不用复阻抗，而用阻抗的绝对值Z（Z=R2+X2）进行计算。另外，当计算短路电流非周期分量的衰减时间常数时，应计及电阻的影响。（4）电压等级为330kv及以下输电线路的电容略去不计。（5）变压器的激磁电流略去不计。（6）电力系统是对称的三相系统。（7）短路点没有任何阻抗，即发生“金属性短路”。依照假设条件进行短路计算的一般程序是，首先按已知条件、要求和系统接线图，编制计算所必需的等效网络，并变换和化简等效网络，然后根据选定的短路计算方法，进行分析和计算。标幺值及其应用在供电系统的短路故障分析计算中，由于故障点的电压等级和系统各元件所处地点的电压等级不同，使元件参数折算比较麻烦。为了

19、简化计算，通常供电系统的各种参数和物理量均采用标幺值进行计算。（一）标幺值1、标幺值的定义在标幺制中，任何物理量的标幺值是该物理量的实际有名值与一预先选定的同一类物理量的基准值的比值。即2、 标幺值的表示符号及表示方法标幺值的表示符号，通常是在表示该量文字符号的右下角加标注“*”号。例如，电抗的标幺值表示为X*，容量的标幺量表示为S*。标幺值的数值通常采用两种方法表示。一种是用实际比值表示，这个数可以表示成小数，也可以表示成百分数。例如某同步发电机的次暂态电抗标幺值为0.105时，可将此种形式表示为XK*=0.105或XK*=10.5%。另一种是采用百分数值表示，即以比值百分数的分子数表示，如

20、某变压器的短路电压标幺值为0.05时，用百分值形式表示为UK=5%显然，同一标幺值，分别表示成以上两种不同的形式，在数值上相差100倍，因而有以下换算关系：F%=100式中 F*-任意电气量（可代表电压、电流、电抗）的标幺值；F%-任意电气量标幺值的百分值。由于标幺值是两个同类量的比值，是一个无量纲的相对量，所以当一个电气量被表示为标幺值时，必须指出其对应的基准值。否则用标幺值表示将无任何意义。2、 基准量的选择原则及方法选择基准量的基本原则，应使由其所得的标幺值负符合电路基本定律。为此要求所选择的4个电气量（电压、电流、电容、阻抗）的基准量满足电路基本定律，即对于三相系统对于单相系统式中 U

21、d-基准电压（V或KV） Id-基准电流（A或KA） Sd-基准容量（KV.A） Zd基准阻抗（）1、短路计算侧（1） 首先应该取短路点，按照分析可以把所有设备的计算归算到110kV和27.5kV侧，从发电厂Sc到27.5KV供电臂线路如图所示，因此只取两个短路点进行计算即可。（2） 先计算侧:统一基准量，取Sd=100MVA, 基准电压取短路计算元件可再电路的电网平均计算电压，即Ud=Uav, 基准电压比可在电路的额定电压UN高出5，Ud=1.05UN=1.05110=115KV,计算各线路和变压器的阻抗标幺值. 从到变电所F可以经由两条路线.如下图：发电机把Sc当成无限大容量的电源.那么取

22、E*=1， 110KV电网冲击系数冲击电流为 ：短路电流最大有效值为：2、短路计算侧从发电厂到27.5KV供电臂，线路等效电路如下图所示变压器的阻抗：=0.7 （其中STN为变压器额定容量（KVA或MVA）输电线的阻抗： （其中Uav为输电线可在电网平均电压（KV） 取Ud=Uav=27.5KV=2.099kA27.5kV电网冲击系数取 冲击电流短路电流最大有效值为:5 短路电流的危害及措施短路故障是破坏电力系统正常运行的常见原因，简要探讨短路故障的成因及短路电流计算的问题。在电力系统的设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。实际运行表明，破坏供

23、电系统正常运行的故障，多数为各种短路故障。所谓短路，是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短接，或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接以及三相四线制系统中相与零线的短接等。当发生短路时，电源电压被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路电流。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。目前，三相短路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关键问题。然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同，这就有可能造成短路电流计算结论的差异和短路电流超标判断的差异，以及短路电流限制措施的不同。如果短路电流计算结果偏于保

24、守，有可能造成不必要的投资浪费：若偏于乐观，则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。因而，在深入研究短路电流计算标准的基础上，比较了不同短路电流计算条件对短路电流计算结论的影响，以期能为电网短路电流的计算和限制提供更切合实际的方法和思路。短路产生的原因及危害产生短路的主要原因，是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的。例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等；运行人员错误操作，如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等；设备长期过负荷，使绝缘加速老化或破坏；小电流系统中一相接地，未

25、能及时消除故障；在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区。未考虑电气间隙与爬电距离（应符合GB）等。此外，在电力系统中的某些事故也可能直接导致短路，如电杆倒塌、导线断线等：或动物、飞禽跨越导体时也会造成短路。短路电流越大，持续时间越长，对故障设备的破坏程度越大。短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏力，如果导体和它们的支架不够坚固，可能遭到难以修复的破坏：这样大的短路电流即使通过的时间很短，也会使设备和导体引起不能允许的发热，从而损坏绝缘，甚至使金属部分退火、变形或烧坏。短路时由于很大的短路电流流经过网路阻抗，必将使网路产生很大的电压损失。如为金属性短路，短路点电压为零，短路点以上各处的电压也要相应

26、降低很多，一旦电压低于额定电压40以上时，就会使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行解列，引起严重后果。接地短路时，接地相出现的短路电流为不平衡电流，该电流所产生的磁通将对邻近平行的通讯线路感应出附加电势，干扰通讯，严重时，将危及通讯设备和人身的安全。为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要在供电系统中加装保护，以便在故障发生时，自动而快速地切断故障部分，以保障系统安全正常运行。这就需要我们准确的计算短路电流的大小。电力系统在运行中相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（短路）时流过的电流称为短路电流。在三相系统中发生短路的基本类型有

27、三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。三相短路因短路时的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。在中性点直接接地的电网中，以一相对地的短路故障为最多，约占全部短路故障的90。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，由于电源供电回路阻抗的减小以及忽然短路时的暂态过程，使短路回路中的电流大大增加，可能超过回路的额定电流许多倍。短路电流的大小取决于短路点距电源的电气距离，例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的1015倍，在大容量的电力系统中，短路电流可高达数万安培。短路电

28、流的危害短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏四周设备和伤害四周人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，非凡是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使

29、整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。短路电流的限制措施为保证系统安全可靠地运行，减轻短路造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，可采用快速动作的继电保护和断路器，以及发电机装设自动调节励磁装置等。此外，还应考虑采用限制短路电流的措施，如合理选择电气主接线的形式或运行方式，以增大系统阻抗，减少短路电流值；加装限电流电抗器；采用分裂低压绕阻变压器等。主要措施如下：一是做好短路电流的计算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。二是正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断保护装置，以便发生短路时，能快速切断短路电流，减少短路电流持续时间，减少短路所造成的损失。三是在变电站安装避雷针，在变压器四周和线路上安装避雷器，减少雷击损害。四是保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定。五是带电安装和检修电气设备，注重力要集中，防止误接线，误操作，在带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。六是加强治理，防止小动物进入配电室，爬上电气设备。七是及时清除导电粉尘，防止导电粉尘进入电气设备。八是在电缆埋设处设置标记，有人在四