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1、石家庄铁道学院毕业设计1第 1 章 绪论1.1 电气化铁路组成铁路电气化已经成为世界各国牵引动力现代化的主要方向，且各国都把它作为发展国家经济的重大技术措施之一，并纳入国家长远发展规划。电气化铁路是由电力机车和牵引供电系统两大部分组成。牵引供电装置一般又分成牵引变电所和接触网两部分，所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的“三大元件” 。电气化铁路的牵引供电系统本身并不产生电能，而是将电力系统的电能传递给电力机车的。随着科学技术的发展，电力机车也必将全部取代蒸汽机车和内燃机车，因此对牵引供电系统的设计也必然要求越来越科学和合理。目前电气化铁路主要有四种电流制，即直流制、三相交流制
2、、单相低频交流制和单相工频交流制。我国电气化铁道大多数采用网压为 25KV 的单相工频交流制。1.2 国内外电气化铁路现状从世界各国铁路发展史来看，电气化铁路的蓬勃发展已经成为必然的趋势。预计到 2015 年，世界上将有 23 个修建高速电气化铁路的国家和地区，里程将突破30000kM。预计到 2005 年，我国电气化铁路里程将达到 20000kM，到 2010 年将达到 26000kM，铁路电气化率将达到 34.6%，电气化复线率将增加到 68.9%，电气化铁路承担的客货运量将占铁路总运量的 65%以上。到那个时候，我国的 5 条主要繁忙大干线：京哈线、京广线、京沪线、陇海线和沪杭浙赣线都将
3、全线实现电气化；八纵八横 16 条主通道中将有 12 条基本建成电气化铁路；另外，还将修建多条电气化客运专线；全国 6 个大区：西南、西北、华北、中南、东北和华东的电气化铁路将基本连接成网；而我国第一条高速电气化铁路(京沪高速电气化铁路)也将全面动工兴建。届时，我国的电气化铁路里程将跃居世界第二位。1.3 电气化铁路的优越性电气化铁路的优越性主要体现在：(1)拉得多，跑得快，运输能力大，可满足重载、高速、大运量的铁路干线和大陡坡、长隧道的山区铁路运输的需要。石家庄铁道学院毕业设计2(2)节约能源消耗，综合利用能源。蒸汽牵引要燃烧优质煤，而内燃牵引要以价格较高的柴油为燃料，其总功效并不理想。电力
4、牵引从现代化的电力系统取得电能，总功效是原来的一倍甚至几倍，节约了能源消耗。同时，由于电力牵引是从电力系统取得电能，而电力系统可综合利用水力、风力、煤炭(包括劣质煤)、天然气、原子能等各种能源发电，所以电力牵引可以综合利用各种能源，达到经济合理地使用国家能源的目的。(3)经济效益好。首先，电力牵引的上述两个优点，能产生好的经济效益，大大降低运输成本。而且电力机车不需添加燃料，速度快，宜跑长途，从而减少了检修基地、机器设备和人员；同时，电力机车功率大，拉得多，跑得快，周转时间短，减少了机车运用台数；电力机车的电机和电器等运行可靠，检修周期长、次数少等，这些都能促使运输成本大大降低。(4)对环境无
5、污染，劳动条件好，有利于实现净化运输。蒸汽机车和燃机车运行时，排出大量的煤烟和油烟，对人身体危害很大。而电力机车运行时，不会产生上述有害气体。对环境无污染，铁路乘务人员劳动条件好，旅客比较舒服，铁路沿线居民不受煤烟、油烟之害，有利于实现净化运输。(5)有利于铁路沿线实现电气化，促进工农业发展。牵引供电系统除了主要向电力机车供电以外，还可以解决无地方电源地区的铁路其他用电，以及铁路沿线的城镇、乡村小量用电。1.4 本设计主要内容简介本次设计为交流牵引变电所的负荷计算。该牵引变电所为上、下行复线区段单边供电，且采用直供加回流供电方式，主要内容有：(1)牵引变电所的主接线形式本次设计的牵引变电所为高
6、压侧采用桥式接线的三相牵引变电所，装设两台同型号同容量的三相两绕组牵引变压器，且采用两回路供电。牵引负荷侧主接线采用隔离开关分段的单母线接线方式，其馈线采用馈线断路器 100%备用的接线方式。(2)牵引变压器的选择根据所给原始数据，通过计算牵引变电所的馈线电流、计算容量、校核容量，并比较分析各种变压器的优缺点，进而正确合理地的选择变压器的型号及容量。本设计重点也在于此。由于时间仓促，设计者能力有限以及设计者缺少必要的实践经验，此设计难免有不足之处，敬请各位老师指正。石家庄铁道学院毕业设计3第 2 章 牵引变电所概述2.1 电气化铁路供电系统电气化铁路牵引供电系统包括牵引变电所、接触网、馈电线、
7、轨道、回流线。一般把接触网、馈电线、轨道、回流线叫做牵引网。因此电力牵引供电系统是由牵引变电所和牵引网构成的向电力机车供电的完善的工作系统。牵引供电系统一般由国家电力系统或发电厂用专门的高压输电线路供电。电力系统有许多种电等级网络和设备，其中 110kV 及以上电压等级的输电线路，用区域变电所中的变压器联系起来，主要用于输送强大电力，利用它们向电气化铁路的牵引变电所输送电力，供电牵引用电。为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所高压输电线路为双回线。双回线互为备用，平时均处于带电状态，一旦一条回路发生供电故障，另一条回路自动投入，保证不间断供电。电气化铁路供电系统包括以下几个部分(如图
8、2-1 所示):图 2-1 电气化铁道供电系统(1)区域变电站或发电厂；(2)三相交流高压输电线，这两部分可以称为电气化铁路一次供电系统，其功能是发电、变电和输电；(3)牵引变电所，把一次供电系统输送来的三相交流高压电能变换成较低电压的适合电力机车使用要求的电能；(4)馈电线，把牵引变电所变换后的电能送到接触网；(5)接触网，把电能输送到电力机车；(6)轨道、大地，作为牵引电流回归通路；(7)回流线，把轨道、地中的牵引回归电流导入牵引变电所的主变压器；(8)电力机车。石家庄铁道学院毕业设计4对电气化铁路供电系统的基本要求是：(1)保证向电气化铁路安全、可靠、不间断的供电；(2)提高供电质量，保
9、证必需的电压水平；(3)提高功率因数，减少电能损失，降低工程投资和运营费用；(4)尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流、负序电压和高次谐波的影响；(5)尽量减少对邻近的通信线路的干扰影响。2.2 牵引变电所概述牵引变电所是交流工频单相电力牵引供变电系统的重要环节，它包括供电系统中的开闭所、分区所和自耦变压器所。这些供电设施构成了电气化铁路的牵引供电系统。它的主要任务是将电力系统输送的三相高压电变换成适合电力机车使用的电能。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。由于铁路电力牵引属于一级
10、负荷，所以牵引变电所须由两路高压输电线供电，并且在牵引变电所中设置两台牵引变压器。牵引变电所的额定电压，原边通常为110kV(或 220kV);副边为 27.5kV，比接触网的额定电压高 10%；AT 供电方式牵引变压器副边额定电压为 55kV 或 227.5kV。其中，三相 YN，d11 结线牵引变电所是我国电气化铁道目前采用多的一类。本次设计采用的即为三相 YN，d11 结线牵引变电所，它将 110kV 三相高压电变换为 27.5kV 单相电，并供给牵引网。这种牵引变电所中装设两台三相 YN，d11接线牵引变压器，可并联运行，也可以一台运行，另一台固定备用。其优点是牵引变电所低压侧保持三相
11、，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力。但其主要缺点是牵引变压器容量不能得到充分利用。牵引变电所一次侧(电源侧)的供电方式可分为一边供电、两边供电和环形供电。一边供电就是牵引变电所的电能由电力系统中一个方向的发电厂送来；两边供电是指牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来；环形供电是指若干个发电厂、地区变电站通过高压输电线连接成环形的电力系统。本设计采用一边供电，它的电力系统的频率稳定、电压波动的幅度都较小。同时，由于本设计采用两路电源进线，从而保证电气化铁路的供电不会中断。牵引变电所按承担供电臂的供电任务分类可分为集中供电方式和分散供电方式。每个牵引变电所单独完成所辖区域供电臂供
12、电任务的供电方式即为集中供电方式，石家庄铁道学院毕业设计5通常设置两台变压器；而分散供电方式就是每个牵引变电所除了正常完成所辖供电臂的供电任务外，尚能在事故或检修的情况下承担相邻变电所所辖供电臂的供电任务，即越区供电，可设置一台变压器。本次设计采用集中供电方式，要求变电所有两回路进线，且该两回路进线应来自不同的电源点。2.3 牵引变电所主接线将三相电压变为单相电压是通过变电所的电气接线来实现的。牵引变电所(包括开闭所，分段开关段等)的电气主接线是指由主变压器、断路器、隔离开关等各种电气元件及其连接导线所组成的接受和分配电能的电路。电气主接线反映了牵引变电所的基本结构和功能。在运行中，它能表明电
13、能的输送和分配的关系以及变电所一次设备的运行方式，成为实际运行操作的依据。在设计中，主接线的确定对变电所的电气设备选择、配电装置布置、以及变电所的技术经济指标都具有重大的影响。主接线要求应可靠地保证对电力牵引负荷和地区负荷供电的需要，应能减少投资和运行费用，应保证运行灵活、检修维护安全方便，应力求接线简单、明显，操作简便可靠。牵引变电所电气主接线采用不同形式的母线即构成不同的接线形式。从供电系统长期运行实践中，主接线是根据变电所的容量规模、性能要求、电源条件及配电出线的要求确定的，其基本主接线形式有：单母线分段接线、带旁路母线的单母线分段接线、双母线接线、桥式接线、双 T 式接线。本次设计的牵
14、引变电所为高压侧采用桥式接线的三相牵引变电所主接线，装设两台同型号同容量的三相两绕组牵引变压器。桥式接线根据连接桥所处位置的不同，又可分为内桥式接线和外桥式接线。本设计采用的是内桥式接线，同时为了提高内桥式接线供电的可靠性和运行的灵活性，又在进线断路器外侧设置了一条带隔离开关的横向母线，称之为外跨条。这种形式的主接线在两条电源进线回路上均设有断路器，任意一条电源线路故障时，另一条都可自行投入使用，不影响向牵引变电所的供电。它不但能满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电器少，建造费用低，而且在结构上便于发展为单母线或具有旁路母线的单母线结线。 牵引负荷侧主接线采用隔离开关分段的单母
15、线接线方式，其馈线采用馈线断路器 100%备用的接线方式。单母线分段后可进行轮换检修，既具有单母线接线简单明显，经济方便的优点，又在一定程度上提高了供电可靠性。而馈线断路器的 100%备用虽操作转换较方便，但投资较大。考虑到本设计中馈线数量较少，故采用此种备用方式。此外，牵引变电所的直流操作电源采用复式整流装置。为提高整流电源的独立石家庄铁道学院毕业设计6性和可靠性，整流装置的交流电压除取自 27.5kV 侧所用电变压器 T-3 外，还取自110kV 进线隔离开关外侧设置的 110kV/0.23kV 的单相变压器 0T，以便在正常和事故情况下都能可靠的向整流装置供电。牵引变电所主接线图见附录
16、B。2.4 牵引变电所主变压器牵引变压器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” 。牵引变电所内的变压器，根据用途不同，分为主变压器(牵引变压器)、动力变压器、自耦变压器(AT)、所用变压器几种；根据接线型式不同，又有单相变压器、三相变压器、三相-二相变压器等。动力变压器一般是给本所以外的非牵引负荷供电，电压等级一般为 27.5/10kV，容量从几百至几千 KVA 不等。自耦变压器(AT)是 AT 供电的专用变压器，自身阻抗很小，一般沿牵引网每 1020kM 设一台，用以降低线路阻抗，提高网压水平及减少通信干扰。本次设计中，根据用途，主要用到了三相主变压器和所用变压器。主变压器是牵引变电所内的核心设备，担负着将电力系统供给的 110kV的三相电源变换成适合电力机车使用的 27.5kV的单相电的任务。由于牵引负荷具有极度不稳定、短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣的多，因此要求牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强，这也是牵引变压器区别于一般电力变压器的特点。而所用变压器(又称自用电变
