牵引变电所一次系统电气设备的选择

高 等 教 育 自 学 考 试毕业设计 （论文）北京交通大学题目：牵引变电所一次系统电 气设备的选择姓名：专业：工作单位：职务：准考证号：设计（论文）指导教师：发题日期：年月日完成日期：年月日毕业设计（论文）评议意见书专业姓名题目指导教师评阅意见成绩评定：指导教师：年月日答辩组意见答辩组负责人：年月日备注毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：牵引变电所一次系统电气设备的选择一、毕业设计（论文）内容本论文通过对牵引变电所一次系统主接线图的全过程设计，提出了一系列满足现场实际和工程需要的技术要求，分析了变电站综合自动化所具备的功能以及发展过程和方向， 在对市场和产品充分调研下， 提出了基于总线型的分散分布式综合自动化系统是一种比较成熟和实用的系统，并进行了合理选型和组态， 改良了产品中不符合现场需要的部分，完成了该变电站综合自动化系统的设计和实施。通过牵引变电所一次系统主接线图的设计，了解了牵引变电所中的一些基本概述， 对于短路计算的公式、 数据等都有了理解。 在选择设备型号及校验中， 也有很大的收获， 理解了设备的选择依据， 有助于我们以后的选择以及校验。二、基本要求1认真搜集实时资料；2资料详实、可靠、内容丰富；3论文中心思想明确，结构完整；4论据充分合理，论证清楚；5要求独立完成，杜绝抄袭。三、重点研究的问题四、主要技术指标五、其他需要说明的问题下达任务日期：年月日要求完成日期：年月日指导教师：中 文 摘 要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。本论文通过对牵引变电所一次系统主接线图的全过程设计，提出了一系列满足现场实际和工程需要的技术要求，分析了变电站综合自动化所具备的功能以及发展过程和方向， 在对市场和产品充分调研下， 提出了基于总线型的分散分布式综合自动化系统是一种比较成熟和实用的系统，并进行了合理选型和组态， 改良了产品中不符合现场需要的部分，完成了该变电站综合自动化系统的设计和实施。【关键词 】 ：牵引变电所一次设备选择目 录第一章 引言 . 1第二章 牵引供电系统. 22.1 牵引供电系统简介 . . 3 2.2 牵引变电所 . 3 2.3 接触网 . . 4 2.4 牵引变电所设计步骤 . . 4 2.5 影响牵引变电所设计的因素. . 5 第三章牵引变压器及其接线 5第四章短路计算 74.1 三相对称短路电流的分析计算. . 7 4.2 短路的原因 . . 9 4.3 短路的危害及防范措施. . 9 4.4 短路计算的目的及假设条件. 10 第五章短路电流的危害及措施 . 16 第六章高压电气设备选择及校验 . 20 6.1 母线的选择和校验 20 6.2 高压电气设备选择的原则 24 6.3 高压断路器的选择和校验 26 6.4 隔离开关的选择和校验 27 6.5 高压熔断器的选择和校验 30 6.6 支柱绝缘子及穿墙套管的选择和校验 30 6.7 电流互感器的校验 . 33 6.8 电压互感器的校验 36 第七章 结束语 38 参 考 文 献 40 1 第一章 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。2 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（ Mt） 40 40 一次系统综合电抗 0.3 馈线数目 第二章 牵引供电系统3 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4 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5 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。第三章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。6 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，比牵引网额定电压高10% 。牵引变压器的容量较大，一般为数万KV ·A或数十 MV ·A，例如容量为 20000KV · A， 即为 20MV-A 。 目前常用的额定容量等级有以下9 种 （MV · A） ；即 10， （12.5 ） ，16,20,25,31.5,40,50,63等。神（木）一朔（州）运煤干线的斯科特结线变压器容量达75MV · A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）。7 为了提高牵引供电的可靠性， 牵引变电所一般都安装两台变压器，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。第四章短路计算4.1 三相对称短路电流的分析计算一、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。8 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。二、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