电气化铁道供电系统课程设计Word格式文档下载.docx
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2.题目分析及解决方案框架确定
在设计过程中，先按给定的计算条件求出牵引变压器供应牵引负荷所必须的最小容量，然后按列车紧密运行时供电臂的有效电流与充分利用牵引变压器过负荷能力，求出所需要的容量，称为校核容量。
这是为确保牵引变压器安全运行所必须的容量。
最后计算容量和校核容量，再考虑其他因素（如备用方式等），然后按实际系列产品的规格选定牵引的台数和容量，称为安装容量或设计容量。
然后再变压器型号的基础之上，选取室外110kV侧母线，室外27.5kV侧母线以及室外10kV侧母线的型号。
三相V,v结线牵引变压器是近年新研制的产品，它是将两台容量相等或不相等的单相变压器器身安装于同一油箱内组成的。
三相V-v结线牵引变电所中装设两台V，v结线牵引变压器，一台运行，一台固定备用。
三相V-v结线牵引变电所不但保持了单相V-v结线牵引变电所的牵引变压器容量得到充分利用，可供应牵引变电所自用电和地区三相负载，主接线较简单，设备较少，投资较省，对电力系统的负须影响比单线小，对接触网的供电可实现双边供电等优点，最可取的是，解决了单相V-v结线牵引变电所不便于采用固定备用及其自动投入的问题。
考虑到V-v接线中装有两台变压器的特点，在确定110kV侧主接线时我们采用桥形接线。
按照向复线区段供电的要求，其牵引侧母线的馈线数目较多，为了保障操作的灵活性和供电的可靠性，我们选用馈线断路器100%备用接线，这种接线也便于故障断路器的检修。
按照选取的变压器的容量以及110kV侧的和牵引侧的主接线，可以做出设计牵引变电所的电气主接线。
3.设计过程
电气主接线一方面从电源系统接收电能，另一方面又通过馈电线路将电能分配出去。
电气主接线的电源回路和用电回路之间采用什么方式连接，以保证工作可靠.灵活是十分重要的问题。
牵引变电所（包括开闭所、分区所）的电气主结线是指由隔离开关、互感器、避雷器、断路器、主变压器、母线、电力电缆、移相电容器等高压一次电气设备，按工作要求顺序连接构成的接受和分配电能的牵引变电所内部的电气主电路。
安全可靠的要求是首要的。
运行检修时绝不允许发生人身事故和重大设备事故。
停电必然造成损失，尤其是牵引负荷和部分动力负荷（如地铁的动力、主要照明和信号电源等）为一级负荷，中断供电将直接造成运输阻塞，甚至造成人员生命伤亡、设备损坏。
在考虑主结线的可靠性时，应该辩证地看待以下几个问题：
①可靠性的客观检验标准是运行实践。
主结线的故障率是它的各组成元件在运行中的故障率的总和，过多地增加主结线中的电气设备，会降低主结线的可靠性（增加了故障率）；
②可靠性并不是绝对的。
同样的主结线对二、三级负荷来说是可靠的，而对一级负荷来说就可能不够可靠，因此分析和估价主结线的可靠性时，不能脱离负荷等级和供电电源的具体条件；
③主结线的可靠性是发展的。
随着电力系统的发展，技术的进步，主结线的可靠性也是会改变的。
经济性也是设计主结线的重要原则。
经济性主要涉及主变压器、地区变压器的设备与安装费用，以及配电装置的设备、安装费用，还有占地面积和土石方工程等。
可靠性与经济性二者之间，既有矛盾的一面，也有统一的一面。
如果过分强调可靠性，势必造成设备增多，投资增大，结线系统复杂，其结果可能造成操作复杂，易产生误操作，增大故障率，反而降低了主结线的可靠性；
如果过分强调经济性，减少设备，简化结线，必然又会影响可靠性，造成事故和停电停产，反而不经济。
所以在处理这些矛盾时，应当首先满足可靠而后再求经济。
因此，确定主结线时应深入调查分析用电负荷的性质和大小、对供电电源的要求、自动化装置的采用、发展的远景等等，找出主要矛盾，才能设计出高质量的主结线。
牵引变电所的电气主结线分为三个部分来分别设计：
110kV电源侧的电气主接线、牵引侧的主接线、三相V-v直接供电方式变压器接线。
3.1牵引变电所馈线侧主接线设计
由于27.5kV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：
1）带旁路母线和旁路断路器的接线
如图3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3带有旁路母线和旁路断路器的接线
2）馈线断路器50%备用的接线
如图4所示。
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。
当每相母线的馈出线数目较多时，一般很少采用此种法方法。
图4馈线断路器50%备用
3）馈线断路器100%备用的接线
如图5所示。
这种接线当工作断路器需检修时，此种接线用于单线区段，牵引母线不同的场合。
即由备用断路器代替。
断路器的转换操作方便，供电可靠性高，但一次投资较大。
图5馈线断路器100%备用
由于牵引变压器类型为三相V-v，而且此牵引变电所向两个相邻区间的复线供电，为提高供电的可靠性，保障断路器转换的操作方便，牵引变电所27.5kV侧馈线断路器采用100%备用的接线。
3.2牵引变电所110kV侧主接线设计
根据实际运行要求，三相V-v牵引变电所装设两回电源进线和两台变压器，因有系统功率穿越，属通过式变电所。
因此选取结构比较简单且经济性能高的桥式接线[1]。
图1为内桥接线，特点是连接在靠近变压器侧，适用于线路长，线路故障高，而变压器不需要频繁操作的场合，这种接线形式可以很方便地切换或投入线路。
图2为外桥接线，与内桥形接线相比，外桥接线靠近线路侧，适合于输电距离较短，线路故障较少，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以及切除。
为了配合三相V-v牵引变电所在出现变压器故障时备用变压器的自动投入，选择采用外桥接线便于备用变压器的投入以及故障变压器的切除。
图1内桥接线图2外桥接线
3.3三相V-v直供方式变压器接线
为了克服单相V,V结线方式在变电所内需设置第三台同样的单相牵引变压器作固定备用，使变电所主接线较复杂，倒闸操作或备用自投装置麻烦的缺点可采用两台三相V,V结线牵引变压器，一台运行，另一台固定备用[2]。
当采用直接供电方式时，三相V，v变压器低压侧两个绕组接成正“V”或反“V”，原边绕组接成固定的V结线。
低压侧两次边绕组，各取一端联至27.5kV的a相和b相母线上，它们的公共端接至接地网和钢轨。
其主接线如图6所示。
图6三相V-v变压器直接供电方式主接线
3.4牵引变压器容量计算
为了确定牵引变电所的变压器安装容量和台数，需要进行变压器容量计算。
变压器容量计算一般分为三个步骤：
首先根据铁道部任务书中规定的年运量大小和行车组织的要求确定计算容量，这是为供应牵引负荷所必须的容量。
其次根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力，计算校核容量，这是为确保变压器安全运行所必须的容量。
最后，根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素（如备用方式等），并按实际变压器系列产品的规格选定变压器的数量和容量称为安装容量。
牵引变压器是牵引供电系统的重要设备，其容量大小关系到能否完成国家交给的运输任务和运营成本。
从安全运行和经济方面来看，容量过小会使牵引变压器长期过载，将造成其寿命缩短，甚至烧损；
容量过大将使牵引变压器长期不能满载运行，从而造成其容量浪费，损耗增加，使运营费用增大。
因此，在进行牵引变压器容量计算时，正确地确定计算条件，以便合理地选定牵引变压器的额定容量是十分重要的。
①三相V-v接线牵引变压器绕组的有效电流
三相V-v结线变压器是由两台单相变压器安装于同一油箱内组成的,每台变压器供给所辖供电臂负荷｡所以其绕组有效电流Ive即为供电臂的有效电流,故
I1ve=I1e
I2ve=I2e
式中,I1e､I2e分别为供电左β､右臂α的馈线有效电流;
I1ve､I2ve分别为三相V-v结线变压器绕组的有效电流｡根据题意,I1ve=318A,I2ve=266A｡
②计算三相V-v接线牵引变压器的计算容量
（3）
（4）
三相V-v接线牵引变压器供两个供电臂时,其计算容量为
S1=UI1ve
S2=UI2ve
S1=UI1ve=27.5×
318（kVA）=8745（kVA）
S2=UI2ve=27.5×
266（KVA）=7315（kVA）
③计算三相V-v接线牵引变压器的校核容量
（5）
（6）
三相V-v接线中两台牵引变压器的最大容量分别为
S1max=UI1max
S2max=UI2max
S1max=UI1max=27.5×
917（kVA）=25217.5（kVA）
S2max=UI2max=27.5×
1052（kVA）=28930（kVA）
在最大容量的基础之上,再考虑牵引变压器的过负荷能力后所确定的容量,就可以得到校核容量,即
S校=
式中,K为牵引变压器过负荷倍数,取K=1.5,则可得
S校=（25217.5+28930）/1.5（kVA）=36098.34（kVA）
④确定三相V-v接线牵引变压器的安装容量及型号选择
将三相V-v接线的变压器的计算容量和校核容量进行比较,并结合采用固定备用方式和系列产品,选用三相V-v变压器的安装容量为2×
40000kVA｡通过查询附表1可选择SFY-40000/110型号的三相双绕组变压器｡
3.5导线选择
导电材料可以是铜或铝按最大长期工作电流选择母线截面要求根据导线允许温度查表获得的允许电流大于母线长期工作电流。
按经济电流密度选择母线截面，导线发热损耗随着导线截面积的增加而降低，同时，导线截面积的增加将导致导线的投资和维护费用增加，考虑上述两条件可获得导线的年运行费用，对应年运行费用最小值，就是导线的经济截面积。
导线截面的选择有两种方法：
根据最大长期工作电流，根据
经济电流密度。
根据经济电流密度选择导线的实际流程：
一般来说，选择导线时，首先确定导线材料，一般是先铝后铜，在铝导线不能满足要求时才考虑铜导线，根据最大负荷利用小时数和导线材料确定经济电流密度（查表），计算出导线截面，查表选择一款比计算截面大但最接近计算截面的导线。
根据最大长期工作电流选择导线的实际流程：
根据给出的最大长期工作电流，查表，取一款允许电流大于该长期工作电流且最接近该电流的导线。
注意进行环境温度修正。
根据经济电流密度选择的导线可能与根据最大长期工作电流选择的导线不一样，但最终选择的导线截面一定能满足最大长期工作电流的要求，一般情况下，用经济电流密度选择出来的导线截面要大一些。
110kV进线侧，进入高压室的27.5kV进线侧，从高压室出来的27.5kV馈线侧，10kV馈线侧的母线均为软母线。
计算方法：
按导线长期发热允许电流选择导线。
温度修正系数K由下式求得：
K=
式中：
θxu表示运行的允许温度，对室外有日照时取80℃，室内取70℃.，t为实际环境温度。
设计时取t=25℃，那么在室外有日照时K=1，在室内K=1。
工程中常采用查表的方法求母线和导体的容许电流（载流量）。
表2为所用的一些选择导线的参数：
表2导线的选择与校验
导线名称
选择
校验
按导线长期发热允许电流选择
按经济电流密度选择
动稳定
热稳定
母线及短导线
√
＿＿
普通导线
1）室外110kV进线侧母线的选择
室外110kV进线侧的母线为软母线,且每段负荷不同,母线截面可采取相同截面，以按最大长期工作电流方式来选择为宜。
设计中三相双绕组牵引变压器的选择型号为SF1-20000/110。
母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑。
经计算：
Icmax=1.3×
20000/110×
=136.46（A）
由所给资料查出钢芯铝绞线（GJ-95）的允许载流量为140A（基准环境温度为25℃时），符合式子Icmax≤KIyx（K=1）
Icmax表示通过导线的最大持续电流,Iyx表示对于额定环境温度,允许电流，K为温度修正系数。
故初步确定110kV进线侧的母线选用截面积为70mm2的钢芯铝绞线（GJ-95）。
2）室外27.5kV进线侧母线的选择
母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，我们选择容量为1600kVA电压27.5/10.5千伏的三相双绕组电力变压器。
1600/27.5×
=43.67（A）
由所给资料查出钢芯铝绞线（LGJ-10）的允许载流量为86A（基准环境温度为25℃时），符合式子Icmax≤KIyx。
（K=1）,故初步确定27.5kV侧的母线选用截面积为10mm2的钢芯铝绞线（LGJ-10）。
3）室外10KV馈线侧母线的选择
母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，选择容量为1600kVA电压27.5/10.5千伏的三相双绕组电力变压器。
1600/10.5×
=114.4（A）
由所给资料查出钢芯铝绞线（LGJ-25）的允许载流量为138A（基准环境温度为25℃时），符合式子Icmax≤KIyx
（K=1）故初步确定10kV侧的母线选用截面积为25mm2的钢芯铝绞线（LGJ-25）。
3.6断路器的选择
目前一般使用的断路器类型有：
少油断路器、真空断路器、SF6断路器，要根据使用场合和用途选择断路器类型，少油断路器属于通用产品，如果没有特殊要求，一般选少油断路器；
真空断路器分合闸时间短、允许动作次数多，一般频繁操作和对动作时间有特殊要求的场合使用；
SF6断路器绝缘性能好，一般用于高压系统中。
断路器的额定电压应按照断路器安装地点的工作电压考虑，额定电流要大于断路器长期流过的最大电流（短路电流除外）断路器的额定开断电流要求大于短路电流，取何时间短路电流则要看保护的动作时间[3]。
对于快速分闸开关（如真空开关），可以取短路的次暂态电流为选择用短路电流。
对于其它开关，则根据保护的最短动作时间加上开关的固有分闸时间作为计算短路电流的时间。
如果没有保护动作时间的资料，一般可按照0.03~0.05秒计；
如果没有断路器的固有分闸时间参数，一般可按照真空短路器，取0.05秒，其它断路器取0.1~0.15秒。
27.5kV侧的最大短路电流为1052A，工作电压为27.5kV，根据GB/T11022《高压开关设备和控制设备公用的技术要求》，选择ZN85-40.5/1250-31.5型号的高压断路器。
所选设备的技术参数为：
额定电压—40.5kV
额定电流—1250A
额定频率—50HZ
额定短路开断电流—31.5A
雷电冲击耐压（峰值）—185kV
额定操作电压—AC/DC110V/220V
开断时间—<
80ms
机械寿命—10000次
3.7隔离开关的选择
与高压断路器计算相似，无需校验断流容量或开断短路电流。
27.5kV侧的最大短路电流为1052A，工作电压为27.5kV，根据IEC60129《交流隔离开关与接地开关》的技术要求，选择GW4—40.5/1250型号的高压交流隔离开关。
所选设备的参数为：
雷电冲击耐压（峰值）—80kV
3.8互感器的选择
1）电压互感器的选择，电压互感器的选择包含以下内容：
按额定电压选择，一般来说要根据测量监视点的电压等级来确定，器原边电副边电压选择与原边接线有关：
按工作场所选择户内、户外：
按构造选择:
≤35kV,采用油浸式普通结构或环氧树脂浇注干式结构；
≥110kV，采用串级式电压互感器。
按精确度等级选择：
有测量仪表或继电器的形式和用途，确定电压互感器的精确度等级，查表，获得互感器在该精确度下的额定容量（校验用）。
一般来说，可以根据以下原则确定精确度等级：
计量用（接电度表），0.5级；
供给监视用电度表、功率表或发电厂的电压继电器，1级；
供给监视用电压表、电压继电器，3级。
2）电流互感器的选择:
按额定电压选择:
电流互感器安装位置的工作电压小于该电流互感器允许的最大工作电压;
按额定电流选择即电流互感器安装位置的原边最大长期工作电流小于该电流互感器原边额定电流;
按装置种类和互感器的型式选择电压等级6~10kV的电流互感器，多选择浇注绝绝缘式，而电压等级为35kV及以上的电流互感器，多选择户外型或安装在变压器、断路器套管中的。
按精确度等级和副边负荷选择与电压互感器相似：
计量用（接电度表）：
0.5级；
监视用电度表、功率表、发电厂电流表：
1级；
监视用其它表计：
3级；
只用于观测有无的表计：
10级。
3.9绘制电气主结线图
该牵引变电所主接线方案附录二所示。
因有系统功率穿越，牵引变电所属通过式变电所，110kV侧采用外桥接线的单线三相牵引变电所，主要向牵引负荷和地区负荷供电。
为了满足三相V-v两台变压器的需要则需要有两回电源线路。
桥形接线110kV侧因有系统穿越功率通过母线，110kV线路设有继电保护装置，故110kV侧装有单相式三相电压互感器，27.5kV侧采用馈线断路器100%备用的单母线接线。
4.设计体会
通过这次课程设计，拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。
安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟，并且加深对专业课的理解。
尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质复合型人才。
作为整个学习体系的有机组成部分。
它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。
运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想；
检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。
对本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。
这也是一次预演和准备毕业设计工作。
通过课程设计，能够找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。
课程设计促进了本院人才培养计划的完善和课程设置的调整。
近年来，本院为适应学生的实践需要陆续增设与调整了一系列课程，受到同学的欢迎，其中这次的设计很受同学们的喜欢。
课程设计达到了专业学习的预期目的。
在课程设计之后，同学们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对软件开发流程的了解，进一步激发了各位同学对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。
附录一牵引变压器主要技术数据表[3]
设备型号
额定容量（kVA）
10000
15000
20000
31500
40000
额定电压（kV）
高压
110
低压
27.5
额定电流（A）
52.5
78.8
105
165
270
210
315
420
660
840
损耗（kV）
空载
16.5
22.5
38.5
38
25
短路
59
80
104
148
180
115
阻抗电压（%）
10.5
空载电流（%）
2.5
2
2.1
连接组别
YN,d11
附录二牵引变电所主接线图[3]
参考文献
[1]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.
[2]铁道部电气化局电气化勘测设计院，电气化铁路设计手册-牵引供电系统.北京：
中国铁道出版社，1987.
[3]贺威俊，简克良.电气化铁道供变电工程.北京:
铁道出版社,1983.
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