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1、自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计0一、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 A18.3 217 295 818 148乙13.3 144 218 637 144二、题目分析及解决方案框架确定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
2、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。该牵引变电所的设计过程如下:(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。三、设计过程三相 YN,d11 结线
3、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自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计1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
4、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。图
5、 1 三相 YN,d11 结线牵引变压器原理电路图3.1 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Q Fd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2A A B B C C a b c左供电臂 右供电臂aI bI自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计2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
6、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3所示的外桥接线。 图2 内桥接线 图3 外桥接线3.2 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下列三种：3.2.1 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
7、替。断路器的转换操作方便，供电可靠性高，但一次投资较大。电源侧L1 L2QF2QF1 QS2QS2QS1QF1T2T1电源侧 L2QS4L1QS1QS3QS5QS2QF2QF1QFT1 T2自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计3图 4 馈线断路器 100%备用的接线3.2.2 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。a 相母线b 相母线送左臂下行 送右臂上
8、行送左臂上行 送右臂上行a 相母线b 相母线左臂上行 左臂下行 右臂上行 右臂下行自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计4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3.2.3 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。图 6 带旁路母线和旁路断路器的接线考虑到牵引变压器类
9、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。馈线的接线方式为馈线断路器 50%备用的接线。每 2 条馈线设 1 台备用断路器和 2 台备用隔离开关，备用断路器和备用隔离开关中的 1 台可代替任一馈线断路器和隔离开关工作。3.3 三相 YN,d11 变压器主接线三相 YN,d11 接线变压器用于直接供电方式或吸流变压器供电方式中。变压器高压侧绕组以星形方式与电力系统的三相相联接。变压器低压侧绕组接成三角形，b 相母线a 相母线旁路母线自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计5其
10、中 c 端子的一角经电流互感器接至接地网和钢轨（吸流变压器供电方式时接回流线）；另两角（变压器 a、b 端子）分别经电流互感器、断路器和隔离开关引接至牵引母线。两台变压器可并联工作；也可一台工作，另一台固定备用。如图 7（见附录）所示。3.4 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
11、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。3.4.1 牵引变压器的计算容量(1)12(20.65)tXXSKUII其中 为温度系数，取 0.9， U 为牵引侧电压，为 27.5kV， =295A， =218A，tk X1IX2I代入可得：S=16.8MVA。3.4.2 牵引变压器的校核容量(2)maxmaxx220.65btSkUII其中 为温度系数，取 0.9，U 为牵引侧电压，为tk27.5kV， =590A， =218A，代入可得： =32.7MVA。max1IX2I m
12、axbS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)max1.bS校自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计63.4.3 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。3.4.4 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10000，12
13、500，1600，20000，25000，31500，40000，50000，63000，80000， （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 225000KVA。牵引变压器选择用 SFY-25000/110型三相双绕组牵引变压器。3.5 绘制电气主结线图该牵引变电所主接线方案如图 8（见附录）所示。为保证供电可靠性，牵引变压器采用固定备用方式。采用固定备用方式的优点是，其投入快速方便，可确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用岔线，牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量较少，电气主接线较简单。其缺点是增加了牵引变压器的安
14、装容量，变电所内设备检修业务要靠公路运输。因此，固定备用方式适用于有公路条件的大运量区段。因采用三相牵引变压器，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。3.6 开关设备的选择3.6.1 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，并自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计7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UeUg式中,
15、 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IeIg式中, I g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IeqIdt 或 Sed= UeIeqSdt（三相系统）3式中，I dt短路后 t 秒短路电流有效值（周期
16、分量） ，对快速断路器，取 Idt=I, t0.1； 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=0.78Sed35.27式中，S ed35 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（I eq 不变）：S(2)ed=27.5IeqS(2)dt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
