牵引变电所1.docx

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牵引变电所1

牵引变电所

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。

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，单相V，V结和三相V,V结变电所）；三相变电所；

牵引变压器原边额定电压为110VVA-220kV，副边额定电压为55kV或27.5kV，比牵引网额定电压高10%。

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。

第一节单相牵引变电所

采用单相变压器的牵引变电所称为单相牵引变电所。

电力机车是单相交流负荷，显然，牵引变电所采用单相变压器最为直观简单，如图2—1所示。

单相变压器的高压绕组AX接三相电源的某两相，例如图中A、C相，电压为110kV或220kV。

低压绕组ax的首端a接到牵引母线上，末端x与钢轨连接。

低压绕组输出电压为27.5kV。

应该说明，单相牵引变压器和一般单相变压器的绝缘结构不同。

一般单相变压器，或是单独使用，或是组成三相组式变压器，都是一端接高压，另一端接地或接中性点，故可采用分级绝缘，接地端的绝缘水平较低。

而单相牵引变压器的高压绕组两端都接高压，故对地的绝缘要求相同，即所谓全绝缘。

1、三相V,V结线

三相V,V结线是将两台V,V结线的单相变压器安装在同一油箱内，所以可视为单相变压器结线。

如图2—6所示。

一台单相变压器的高压绕组为A1-X1，低绕组为al-xl，另一台为A2—X2与a2—x2。

高压绕组引出3个端子A,B,C接三相电源，所以通常又称为三相V,V结线变压器。

第二节馈线电流

馈线电流是指牵引变电所牵引侧母线经由馈电线送到牵引网中的电流。

这个电流就是牵引变电所的负荷电流。

牵引变电所的负荷与动力系统负荷有很大的差别，其特点是：

（1）列车以变化的速度沿区间走行，因而牵引负荷是运动着的；

（2）列车负荷的大小是随时变化的，线路上列车密集则负荷大，反之则负荷小以至为零；

（3）列车可以在供电区段上任意布置，即负荷在供电区段上任意分布；

（4）由于采用半导体整流式机车，整流后使得接触网上的电流变为非正弦波。

从图3一3可清楚的看到牵引负荷剧烈的变化。

当电力机车位于供电臂其一位置时，其牵引电流从负荷点流回牵引变电所时分成两条支路，一部分从钢轨中流回，一部分从大地流回，所以在计算感抗时是不方便的。

为了简化计算，在符合原来的实际情况下，将并联的轨道回路与大地回路分开，分成两个等值电路。

一条是由牵引变电所—接触网—电力机车—大地回路—牵引变电所。

这条回路的特点是在整个回路中流过的电流均为牵引电流，作用在这个回路上的电压是牵引变电所端压与电力机车弓上电压的相量差，为有源回路，另一条是轨道—大地回路。

第三节牵引变电所设备

一、概述

变电所内的电气设备按所属电路性质分为两大类：

一次高压电路中所有的电气设备，即为一次设备；二次控制、信号和测量电路中的所有电气设备即为二次设备。

一次设备按其在一次电路中的功用又可分为变换设备、控制设备、保护设备、补偿设备和成套设备等类型。

1．变换设备

用以变换电能电压或电流的设备。

如电力变压器、电压互感器、电流互感器等。

2．控制设备

用以控制电路通断的设备。

如各种高、低压开关设备。

3．保护设备

用以防护电路过电流或过电压的设备。

如高、低压熔断器和避雷器等。

4．补偿设备

用以补偿电路的无功功率以提高系统功率因数的设备。

如高、低压电容器、静止无功补偿装置等。

5．成套设备

按一定的线路方案将有关一次、二次设备组合而成的设备。

如高压开关柜，低压配电屏，高、低压电容器柜和成套变电站等。

二、变压器

1、变压器的作用

变压器是变电所最主要的设备之一。

其作用是将交流电源的电压进行升高或降低。

2、变压器的工作原理

变压器的工作原理如图2-1所示，它是一种按电磁感应原理工作的电气设备。

一个单相变压器的原、副边两个线圈绕在一个铁心上，副边开路，原边施加交流电压U1。

则原边线圈中流过电流I1，在铁心中产生磁通。

磁通穿过副边线圈在铁心中闭合，在副边感应一个电动势E2。

当变压器副边接上负载后，在电势的作用下将有副边电流I2通过，这样负载两端会有一个电压降U2，电压降U2约等于E2，U2约等于E1，所以

U1/U2=E1/E2=W1/W2=K

式中U1、U2为原、副边线圈的端电压，W1、W2为原、副边线圈的匝数，K称为变压器的变比。

由上式可以看出，由于变压器原、副边线圈匝数不同，因而起到了变换电压的作用。

变压器的电压变比是绕组的匝数比，电流变比是绕组匝数比的倒数。

根据上述原理可以制造出单相、三相等各种变压器。

3、变压器的结构

电力变压器根据容量、电压等级、线圈数的不同，外形和附件不完全相同，但主要部件基本上是相同的。

变压器的外形和结构可参看图2-2。

变压器的主要部件及其功能如下：

1）．铁心

铁心是用导磁性能良好的硅钢片叠装组成，它形成一个磁通闭合回路，变压器的一、二次绕组都绕在铁心上。

2）．线圈

线圈又称为绕组，是变压器的导电回路。

线圈用铜线或铝线绕成多层圆筒形。

线圈绕在铁心柱上，导线外边包有绝缘材料，形成导线之间及导线对地的绝缘。

3）．油箱

油箱是变压器的外壳，内部充满变压器油，铁心和绕组都安装在油箱内，铁心和绕组浸在油中。

变压器油是绝缘的，它一方面起绝缘作用，同时也起散热作用。

变压器的一些部件安装在油箱上。

4）．油枕

油枕也称油柜。

变压器油固温度变化会发生热胀冷缩现象，油面也将随温度的变化而上升或下降、油枕的作用是储油与补油，使变压器油箱内保证充满油，同时油枕缩小了变压器与空气的接触面，减少了油的老化速度。

油枕侧面装有油位计，可以监视油的变化。

5）．呼吸器

油枕内空气随变压器油的体积膨胀或缩小，排出或吸人的空气都要经过呼吸器。

呼吸器内装有干燥剂，吸收空气中的水分，并对空气起过滤作用，保持变压器油的清洁。

6）．防爆装置

防爆装置有防爆管和压力释放装置两种。

防爆装置是安装在变压器顶盖上的。

当变压器内部发生故障，变压器油剧烈分解产生大量气体，使油箱内压力剧增时，防爆装置将油及气体排出，防止变压器油箱爆炸或变形。

7）．散热器

散热器安装在油箱壁上，上下有管道与油箱相通，变压器上部油温与下部油温有温差时，通过散热器形成油的对流，经散热器冷却后流回油箱，起到降低变压器油温度的作用。

为了提高冷却效果，可以采用自冷、强迫风冷和强迫水冷等措施。

目前牵引变电所普遍采用的自然风冷冷却方式。

8）．绝缘套管

变压器绕组的引出线采用绝缘套管，以便与箱体绝缘。

绝缘套管有纯瓷、充油和电容等不同形式。

9）．瓦斯继电器

瓦斯继电器又称为气体继电器，是变压器内部故障的主保护装置，它装在油箱和油枕的连接管上。

当变压器内部发生严重的障时，瓦斯继电器接通断路器跳闸回路；当变压器内部发生不严重故障时，瓦斯继电器接通故障信号回路。

10）．温度计

温度计用来测量油箱里上层油温，监视变压器运行是否正常

11）．调压装置

调压装置是为了保证变压器二次测电压而设置的。

当电源电压变动时，利用调压装置调节变压器的二次电压。

调压装置分为有载调压和无载调压两种。

有载调压可以在变压器带负载的状态下进行电压调节，而无载调压装置的调压则必须在不带负才能进行操作。

目前牵引变电所采用的是无载调压。

配电的调压器采用的是有载调压。

4、变压器的主要技术参数

1）．额定电压UN

包括变压器一次侧和二次侧的额定电压UN1和UN2。

变压器的二次侧额定电压UN2是指变压器空载状态下当一次线圈加其额定电压UNI时，获得的二次测线圈端压。

其表示的是线电压。

2）．额定电流IN指线圈额定电流。

3）．额定容量SN

额定容量指变压器在额定电压和额定电流条件下，连续运行时输送的容量。

单相变压器的额定容量为SN=UNIN；三相变压器的额定容量为SN=

UNIN，这里UN和IN为相应变压器的额定线电流和线电压。

4）．变比K

变比是指变压器一次绕组额定电压和二次绕组额定电压之比，也是变压器一次绕组线圈匝数和二次绕组线圈匝数之比。

5）．铜损△S0

铜损是指变压器一次、二次额定电流流过绕组时产生的能量损耗。

6）．铁损△SK

铁损是指变压器在额定电压下，在铁心中产生的能量损耗。

7）．空载电流人IK％

空载电流是指变压器在额定电压下空载运行时，一次绕组中流过的电流。

一般以百分数表示。

8）．连接组别

连接组别是指三相变压器一次绕组与二次绕组连接的方式，如星形（Y）连接、三角形（△）连接，目前新包神采用的是V/V接线方式。

三、高压开关设备

1、高压断路器

（1）断路器的作用

断路器又叫高压开关，它是变电所的重要设备之一。

断路器不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，而且，当系统发生故障时，它与保护装置、自动装置相配合，可以迅速地切断故障电流，以减少停电范围。

防止事故扩大，保证系统的安全运行。

（2）断路器的结构和种类

断路器的主要结构大体分为导流部分、灭弧部分、绝缘部分和操作机构部分。

断路器在闭合时起接通口路的作用。

当断路器断开时，触头虽已分开，但触头间仍会产生电弧，因而断路器应具有灭弧能力。

断路器的灭弧方法有多种，从灭弧方法上可以将断路器分为以下几类：

1）．油断路器

2）.六氯化硫断路器

六氧化硫是一种无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体，它月有良好的灭弧和绝缘性能，用六氯化硫气体作为灭弧和绝缘介质的新型气吹断路器，已得到了广泛的应用。

六氟化硫断路器在吹弧的过程中，气体不排入大气，而在封闭系统中反复使用。

3）．真空断路器

真空断路器是利用真空作为绝缘和灭弧手段的断路器。

其核心部件是真空灭弧室，真空灭弧室的结构如图2-4所示。

真空断路器电寿命长，能频繁操作，新型的真空断路器可以开断额定电流上万次，开断短路电流数十次，而且无爆炸、火灾的危险，目前正得到广泛的应用。

2、隔离开关

隔离开关是没有灭弧装置和开关的开关电器，在分闸状态下有显的断口，在合闸状态下能可靠的通过额定流和短路电流。

因隔离开关没有灭弧装置，不能切断负荷电和短路电流，因隔离开关通常和断路器配合使用，且在操作中必须注意与断路器操作的先后顺序。

当合闸时，先合隔离开关，后合断路器；分闸时，先分断路器，后分隔离开关。

这种操作通常称为倒闸操作。

为了保证安全，一般采用连锁装置，以防止误操作。

隔离开关的主要用途有：

1）．为设备或线路的检修与分段进行电气隔离；

2）．在断口两端电位接近相等的情况下，倒换母线，改变接线方式；

3）．分合一定长度的母线和电缆；

4）．分合一定容量的空载变压器、一定长度的空载线路和电压互感器。

3、熔断器

熔断器是一种在通过的电流超过规定值时使其熔体熔化而切断电路的保护电器。

熔断器的功能主要是对电路及其中设备进行短路保护，但也有的具有过负荷保护的功能。

熔断器主要有管式熔断器和跌落式换断器两种。

管式熔断器和跌落式解断器的典型结构分别如图2-7和图2-8所示。

4、负荷开关”

负荷开关是在高压隔离开关的基础上加人简单的灭弧装置而成的，能切、合负荷电流，；但不能切断短路电流。

四、互感器

互感器是电压、电流变换设备。

供电系统中的高电压、大电流参数无法直接测量，供电设备的运行状态也无法直接从主回路上取得参数，因此，需要将高电压、大电流变成低电压和小电流，以供继电保护和电气测量使用。

电压互感器又称为仪用变压器，电流互感器又称为仪用交流器，二者被统称为互感器。

从结构和工作原理来说，互感器是一种特殊变压机

互感器的功能主要有两个：

1）．安全绝缘

采用互感器作一次电路与二次电路之间的中间元件，既可以避免一次电路的高电压直接引人仪表、继电保护设备等二次设备，又可避免二次电路的故障影响一次电路，提高了两方面工作的安全性和可靠性，特别是保障了人身安全。

2）、扩大范围

采用互感器以后，相当于扩大了仪表、继电器的使用范围。

由于使用了互感器，可使二次的仪表、继电器等的电流、电压规格统一，有利于大规模标准化生产。

1、电压互感器

又称仪用变压器，是一种电压变换装置。

是将电力系统的高电压变成一定标准的低电压100V（小接地电流电网）或100/根号3V（接地电流电网）的电气设备。

其工作原理、构造和接线方式都与变压器相同，主要区别在于电压互感器容量很小，通常只有几十VA或几百VA，并且在大多数情况下，它的负载是恒定的高阻抗，相当于变压器在低负载下运行，次级电压基本上等于次级感应电动势值。

因此用电压互感器来间接测量电压，能准确反映高压侧的量值，保证测量精度。

电压互感器初级电压有多高，其次级额定电压一般都是100V或100/根号3V。

这样，与电压互感器次级线圈相连的各种仪表和继电器，都可以统一制造而实现标准化。

电压互感器二次绕组不允许短路。

电压互感器在运行时二次倒不允许短路。

这是因为，电压互感器二次例有一定的电压，应接于能承受该电压的回路里。

电压互感器本身阻抗很小，如二次侧短路，二次侧通过的电流增大造成保险熔断，影响表计指示及引起保护误动作，如果保险容量选择不当极易损坏电压互感器。

2、电流互感器

就是升压（降流）变压器。

电流互感器是将高压系统中的电流或低压系统中的大电流变成一定量标准的小电流（5A或1A）的电气设备。

电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。

它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，在测量交变电流的大电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。

电流互感器就起到变流和电气隔离作用，1次侧只有1到几匝，导线截面积大，串入被测电路。

2次侧匝数多,导线细,与阻抗较小的仪表（电流表/功率表的电流线圈）构成闭路。

电流互感器二次绕组不允许开路。

电流互感器在运行时二次恻不允许开认这是因为，电流互感器二次侧开路时，二次电流等于零，一次侧电流完全变成了减磁电流，在二次线圈上产生很高的电势，其峰值可达几kV，威胁人身安全，或造成仪表、保护装置、电流互感器二次绝缘损坏。

另一方面，原边绕组磁化力使铁心孩通密度过度增大，可能造成铁心强烈过热而损坏。

五避雷装置

避雷装置又称防雷装置，其作用是防止电气设备的雷电过电压。

雷电过电压，是由于电力设备或建筑物遭受直接雷击或雷电感应而发生的过电压。

雷电过电压又称为大气过电压或外部过电压。

雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可达100MV，电流幅值可达几百kA，因此，对电气设备的正常运行危害极大，必须采取措施加以防护。

一个完整的壁雷设备一般由避雷器、引下线和接地装置等三个部分组成。

避雷器是过电压保护设备，用来防止雷电所产生的大气过电压沿架突线路侵入变电站或其他建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。

避雷器也可以用来限制内部过电压。

避雷器与被保护设备并联且位于电源流其放电电压低于被保护设备的绝缘耐压值。

六、变压器附件简介

1、分接开关

变压器常用改变绕组匝数的方法来调压。

一般从变压器的高压绕组引出若干抽头，称为分接头，用以切换分接头的装置叫分接开关。

分接开关分为无载调压和有载调压两种，前者必须在变压器停电的情况下切换；后者可以在变压器带负载情况下进行切换。

分接开关安装在油箱内，其控制箱在油箱外，有载调压分接开关内的变压器油是完全独立的，它也有配套的油箱、瓦斯继电器、呼吸器。

2、储油柜

变压器在运行中，随着油温的变化，油的体积会膨胀和收缩，为了减少油与外界空气的接触面积，减小变压器受潮和氧化的概率，通常在变压器上部安装一个储油柜（俗称油枕）。

3、压力释放阀

当变压器内部发生严重故障而产生大量气体时，油箱内压力迅速增加，为防止变压器发生爆炸，油箱上安装压力释放阀。

4、气体继电器

气体继电器又称为瓦斯继电器，是变压器的一种保护装置，安装在油箱与储油柜的连接管道中，当变压器内部发生故障时（如绝缘击穿、匝间短路、铁芯事故、油箱漏油使油面下降较多等）产生的气体和油流，迫使气体继电器动作。

轻者发出信号，以便运行人员及时处理。

重者使断路器跳闸，以保护变压器。

七、隔离开关的作用

1、用于隔离电源，将高压检修设备与带电设备断开，使其间有一明显可看见的断开点。

　　2、隔离开关与断路器配合，按系统运行方式的需要进行倒闸操作，以改变系统运行接线方式。

3、用以接通或断开小电流申路。

隔离开关主要用来将高压配电装置中需要停电的部分与带电部分可靠地隔离，以保证检修工作的安全。

隔离开关的触头全部敞露在空气中，具有明显的断开点，隔离开关没有灭弧装置，因此不能用来切断负荷电流或短路电流，否则在高压作用下，断开点将产生强烈电弧，并很难自行熄灭，甚至可能造成飞弧（相对地或相间短路），烧损设备，危及人身安全，这就是所谓“带负荷拉隔离开关”的严重事故。

隔离开关是一种没有灭弧装置的开关设备，主要用来断开无负荷电流的电路，隔离电源，在分闸状态时有明显的断开点，以保证其他电气设备的安全检修。

在合闸状态时能可靠地通过正常负荷电流及短路故障电流。

因它没有专门的灭弧装置，不能切断负荷电流及短路电流。

因此，隔离开关只能在电路已被断路器断开的情况下才能进行操作，严禁带负荷操作，以免造成严重的设备和人身事故。

八、负荷开关

高压负荷开关的工作原理与断路器相似，具有简单的灭弧装置，因为能通断一定的负荷电流和过负荷电流。

但是它不能断开短路电流。

九、断路器

能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。

十、继电保护的作用

就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本任务是：

（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。

（2）对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。