毕业设计 电力牵引供变电系统分析与典型故障处理.docx
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毕业设计电力牵引供变电系统分析与典型故障处理
毕业设计说明书
课题名称：
电力牵引供变电系统分析与典型故障处理
2011届毕业设计任务书
一、课题名称：
电力牵引供变电系统分析与典型故障处理
二、指导老师：
三、设计内容与要求
（一）课题描述
以长沙供电段管内电力牵引供变电系统为依据，对牵引变电所、接触网两大部分进行原理分析，分析各典型供电方式的结构特点。
对典型故障案例进行系统分析、论证，提出完善的组织处理流程，安全、技术、施工处理措施等。
（二）设计用内容及要求
1．分析典型的牵引变电所、接触网两大部分工作原理，对其结构特点进行系统分析，包括主电路、控制电路、计量回路。
事故预告，报警回路；高低压电器等。
2．设计说明书主体内容应包括：
电力牵引供变电系统供电方式的特点分析，对典型故障案例进行深入分析，提出解决方案，包括组织流程、安全、技术、施工处理措施，简要说明经费预算。
（三）设计课题的特点与目的
1．学会收集资料，查阅手册，利用国家标准。
综合运用理论知识和实践技能。
配合完成该课题的设计。
2．掌握电力牵引供电系统的供电方式，牵引负荷与供电设备的选择。
3．掌握电器设备的型号、规格、参数的选用和设计。
4．学习使用电器元件的图形符号、文字符号的国家标准，培养学生的绘图能力，文字表达能力。
5．掌握牵引变电所与接触网的安规与检规。
简要了解变电所值班制度。
熟悉牵引供变电系统的工作流程。
四、设计参考书目：
1．《电力牵引供变电技术》
2．《牵引供电规程与规则》
3．《电气制图及图形符号国家标准汇集》；
2．《高压供配电技术》；
4．《工厂常用电器设备手册》；
5．《变电检修》
6．《电力系统继电保护》。
五、设计说明书要求
1．封面
2．目录
3．内容摘要（200－400字左右，中英文）
4．引言
5．正文（各系统设计方案比较与特点，故障分析，论证，组织处理流程，安全、技术、施工处理措施等）
6．结束语
7．附录（参考文献、图纸、材料清单等）
六、毕业设计进程安排
1．第1周：
熟悉任务书，分析电力牵引供变电系统工作原理，确定方案。
2．第2~3周：
资料收集与准备，编写故障分析与处理的方案。
3．第4-6周：
图纸的绘制、设计说明书的撰写。
4．第7周：
毕业设计说明书的修改、完善。
4．第8周：
整理设计任务书，准备毕业设计答辩。
七、毕业设计答辩与论文要求
毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。
学生答辩对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题、质询与课题密切相关的基础理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法、鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求：
说明书要求打印（除图纸外），不能手写。
文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：
所有曲线、图表、线路图。
程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
摘要
本毕业设计说明书介绍了电气化铁道供变电技术，以交流电气化铁道为重点，加强了对牵引供电系统的认识。
牵引供电系统又以牵引变电所为重点，介绍了供电系统一次设备和二次电气设备，对变电所一次电气设备的构成、类型、工作原理做了一定的介绍；对变电所的二次装置的构成、工作原理进行了比较详细的介绍。
本设计主要以电力牵引供变电系统为主，对其结构特点进行系统分析，包括主电路、控制电路、计量回路。
事故预告，报警回路；高低压电器等。
同时对电力牵引供变电系统供电方式的特点进行分析，对典型故障案例进行深入分析，提出解决方案，包括组织流程、安全、技术、处理措施。
本设计书还对接触网和牵引变电所倒闸部分进行了分析，更便于掌握牵引变电所的运行状态。
关键词：
交流电气化设备供电系统供电方式结构特点
ABSTRACT
Thegraduationdesignspecificationintroduceselectrifiedrailwayforsubstationtechnology,withacelectrifiedrailwayasthekeypoint,tostrengthentheunderstandingofthetractionpowersupplysystem.Tractionpowersupplysystemandfocusingontractionsubstation,thispaperintroducesapowersupplysystemandthesecondaryelectricalequipment,equipmentforsubstationonceelectricalequipmentstructure,type,principleofworkdonesomeintroduction;Theseconddeviceforsubstationstructure,workingprinciplearedetailedintroduced.Thisdesignismainlyforelectrictractionsubstationsystemisgivenpriorityto,onthestructurecharacteristicofsystemanalysis,includingthemaincircuitandcontrolcircuit,measurementcircuit.Theaccidentforecast,alarmcircuit,highandlowvoltageelectricapparatus,etc.Atthesametimeontheelectrictractionsubstationsystemforthepower-supplymodes,analyzesthecharacteristicoftypicalfaultcasesanalysis,andproposesthesolutions,includingorganizationalprocesses,safety,technology,handlingmeasures.Thisproponentofcatenaryandtractionsubstationpourbrakepartsareanalyzed,morefacilitatemastertractionsubstationoperation.
Keywords:
AcelectrifiedequipmentpowersupplysystemPower-supplymodesStructurecharacteristics
第1章电力牵引供电系统概述
1.1电力牵引特点
电力牵引是一种新型有轨运输牵引动力形式。
在干线铁路、城市轨道交通运输和工矿运输中有着广泛的作用。
电力牵引是利用电能作为牵引动力，将电能转换为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道交通车辆等有轨运输工具运行的一种运输形式。
电力牵引按其牵引网供电电流制式不同，分为工频单相交流制、低频单相交流制和直流制。
我国电气化铁路采用工频单相交流制电力牵引，直流制电力牵引仅用于城市轨道交通运输系统和工矿运输系统。
一、电力牵引特点
电力牵引运输具有一系列有点：
（1）电力牵引机车本身不带燃料，可使用二次能源，为非自给式牵引动力，并由大容量电力系统供电，连接全国电网，能源有保证。
（2）机车或动车组总功率大，具有启动和加速快、过载能力强、运输能力大等特点，能满足各种现代交通运输对快速、大运输能力的需要。
（3）不造成空气和环境（噪声）污染，改善劳动条件。
（4）电力牵引的总效率高，节约能源。
我国的铁路机车牵引经历了蒸汽机车、内燃机车和电力机车的发展阶段。
统计资料表明，电力牵引在全部或部分为水电供电的情况下，包括发电厂、输变电和供电系统以及机车、车辆效率在内，比使用内燃机车为动力的内燃机车和汽车运输等运输工具的总效率要高出几个甚至几十个百分点。
因而采用电力牵引可有效节约能源，并降低运输成本。
（5）安全性高。
随着信息技术、微电子技术的广泛应用，电力机车可实现实时检测故障、自动驾驶、遥测及遥控，电力牵引系统易于实现全面自动化和信息化，从而大力提高劳动生产效率和经济效益。
（6）有利铁路沿线实现电气化，促进工农业发展。
当然，电力牵引也存在某些缺点，主要是其一次投资费用较同类运输工具要高。
从上可知，电力牵引的综合优势是明显的。
自20世纪50年代以来，铁路牵引动力电气化已成为世界范围内铁路技术革命的方向、铁路现代化的标志。
在当前，发展城市轨道交通电力牵引，已日益引起人们的广泛重视。
1.2电力系统简介
随着现代工业的发展，电力工业在现代化建设中扮演着越来越重要的角色。
电能是绝大多数工矿企业现代化设备的动力能源，电能可以十分经济又方便地进行输送和分配，也可以易于被操作和控制，使得其自动化生产、输送和在各个领域中的普及应用易于得到实现。
一、电力系统组成
电能的生产、输送、分配和使用组成了一个系统，称为电力系统，主要由发电厂、变电所、电力网、电能用户组成，它们分别完成电能的生产、电压变换、电能的传输、分配及使用。
1.发电厂
发电厂是生产电能的工厂，它的生产原料是煤、水力、核能等能源，它的产品就是电能。
按照发电厂所使用的一次能源不同，发电厂可分为火力发电厂、水力发电厂和核发电厂。
2.变配电所
变配电所是变换电能电压和接受分配电能的场所，是联系发电厂和电能用户的中间枢纽。
如果仅用于接受电能和分配电能，则称为配电所，而仅用以把交流电能变换直流电能，则称为变电所。
变配电所有升压和降压之分。
升压变电所一般和大型发电厂结合在一起，把电能电压升高，再进行长距离输送。
降压变电所多设在用电区域，将高压适当降低后，对某地区或用户供电。
3.电力网
输电线路和配电线路统称为电力网。
电力网是输送电能和分配电能的通道，是联系发电厂、变配电所和电能用户的纽带。
根据各种不同电压等级和不同结构类型可分为220kv（输电线路）、110kv（高压配电线路）、6～35kv（中压配电线路）380～220v（低压配电线路）。
4.电能用户
电能用户主要包括工矿企业和居民区等。
按照用户的重要程度和对供电可靠性的要求，用电负荷可分为三类：
一级负荷、二级负荷和三级负荷。
二、电能质量标准
电力设备都是在一定频率的电压下工作的。
电压的频率或电压偏差，都会影响用电设备的寿命和效率，甚至会直接损坏用电设备，供电部门应保证供电质量。
电能的质量指标主要包括供电频率、电压偏差、电压的不对称性和波形的非正弦性和供电的可靠性。
1.3牵引供变电系统的组成
电力牵引供变电系统是指从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流（将工频交流变换为低频交流或直流电压）后，向电力机车负荷提供所需电流制式（交流或直流）的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统。
工频交流单相电力牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网组成。
牵引网实行单相供电，由馈电线（简称馈线）、接触网、轨道电路及回流线等组成。
为了使电能有效、可靠地供给电力机车，牵引网上还安装有分相绝缘器，分段绝缘器等设备，供电系统中设有分区所、开闭所等。
我国规定牵引网额定电压为25kv，额定频率为50Hz。
交流电气化牵引供电系统组成结构如图1-1所示，牵引供电构成的回路是：
牵引变电所——馈电线——接触网——电力机车——钢轨和大地——回流线——牵引变电所。
图1-1电气化铁道供电系统示意图
城市轨道交通的直流电力牵引供电系统则有主变电所、直流牵引变电所、牵引网等组成。
交流电力牵引供电系统因牵引网对抑制通信干扰采取的技术措施不同而区分为直接供电方式、带回流导线的供电方式、带吸流变压器（BT）供电方式，以及2×25kv自耦变压器（AT）供电方式，不同供电方式的系统和装置结构有所不同。
一、牵引变电所
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，它完成变压、变相和牵引网供电等功能，并实现三相交流一次供电系统与单相电力牵引系统的借口与系统。
牵引变电所停电后，可由相邻变电所实现越区供电，但牵引网电压水平将下降。
根据交流牵引网的不同供电方式和牵引变电所为抑制单相牵引负荷造成电力系统的不对称影响，可采用不同接线方式与结构的主变压器，区分为三相牵引变电所（一般为Y，d11接线主变压器）、单相牵引变电所（含V／V形接线方式主变压器），三相二相牵引变电所（采用特种接线方式，用以变相的平衡变压器）。
相对于牵引网不同供电方式而言，则区分为一般（直供、BT方式）供电方式牵引变电所和自耦变压器（AT）供电方式牵引变电所。
二、接触网
按电力机车集电方式的不同，接触网可分为：
架空单线式、架空复线式和接触轨（第三轨）三种方式。
交流电气化铁道一般均采用架空单线式：
城市无轨电车则采用架空复线式，第三轨方式则普遍应用于地下铁道。
架空接触网是一种悬挂在电气化铁道钢轨上方并和轨面保持一定距离的链型或单导线系统，专为电力机车或电动车组提供电力的特殊供电回路，机车通过受电弓与接触网滑动接触取得电能。
三、馈电线
馈电线是连接牵引变电所和接触网的导线，也称馈出线。
馈电线一般采用钢芯铝绞线，将变电所的电能输送给接触网。
四、回流线
回流线是牵引供电回路中的一部分，是将轨道和牵引变电所主变压器接地相之间连接的导线，通过其将流经电力机车的负荷电流引入变电所。
五、轨道
轨道除了作为电力机车的导轨外，同时是牵引供电系统中回流电路的一部分，在供给机车的电流中有一部分是流入大地的，轨道的作用就是将大行动中的回流导入变电所。
1.4牵引供电方式
交流电力牵引供电系统因牵引网对抑制通信干扰采取的技术措施不同而采取不同的供电方式。
牵引供电系统的供电方式主要包括直接供电方式、带回流导线的供电方式、带吸流变压器（BT）供电方式，以及2×25kv自耦变压器（AT）供电方式。
牵引网的供电方式则包括单边供电、上下行并联供电和双边供电。
一、牵引供电系统的供电方式
1.直接供电方式（TR供电方式）
直接供电方式是在牵引网中不断增加特殊防护措施的一种供电方式，是结构最简单的一种。
电气化铁路最早大都采用这种供电方式，它的一根馈线接在接触网（T）上，另一根馈线接在钢轨（R）上，如图1-2所示。
这种供电方式结构简单，投资最省，牵引网阻损较小，能耗也较低。
供电距离单线一般为30km左右，复线一般为25km左右。
电气化铁路是单相负荷，机车由接触网取得电流经钢轨流回牵引变电所。
由于钢轨与大地是不绝缘的，一部分回流电流由钢轨流入大地，因此对通信线路产生较大电磁干扰。
这是直接供电方式的缺点，它一般采用在铁路沿线通信线路已改用地下屏蔽电缆的区段。
图1-2直接供电方式原理图
2.吸流变压器供电方式（BT供电方式）
BT供电方式是在牵引网中架设有吸流变压器—回流线装置的一种供电方式。
与直接供电方式相比，是在系统中增加了吸流变压器设备。
此种方式目前在我国电气化铁路上采用较广。
吸流变压器是变比为1：
1的变压器，它的一次绕组串接在接触网（T）上，二次绕组串接在专为牵引电流流回牵引变电所而特设的回流线（NF）上，所以也称吸流变压器—回流线供电方式，如图1-3所示。
图1-3BT供电方式原理图
吸流变压器供电方式的工作原理是，由于吸流变压器的变比为1：
1，当吸流变压器的一次绕组流过牵引电流时，在其二次绕组中强制回流通过吸上线流入回流线。
由于接触网与回流线中流过的电流大致相等，方向相反，因此对邻近的通信线路的电磁感应绝大部分被抵消，从而降低了对通信线路的干扰。
这种供电方式由于在牵引网中串联了吸流变压器，牵引网的阻抗比直接供电方式约大50％，能耗也比较大，供电距离也较短，单线一般为25km左右，复线一般为20km左右，投资也比直接供电方式大。
3.带回流线的直接供电方式（DN供电方式）
DN供电方式是在接触网支柱上架有一条与钢轨并联的回流线，如图1-4所示。
这种供电方式取消了吸流变压器，保留了回流线。
利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的回流尽可能地由回流线回牵引变电所。
因而能部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰，但其防干扰效果不让BT供电方式。
这种供电方式可在对通信线路防干扰要求不高的区段采用。
由于取消了吸流变压器，只保留了回流线，因此牵引网阻抗比直接供电方式低一些，供电性能好一些，造价也比BT供电方式低。
目前，这种供电方式在我国电气化铁路上得到了广泛应用。
图1-4DN供电方式原理图
4.自耦变压器供电方式（AT供电方式）
AT供电方式是20世纪70年代才发展起来的一种供电方式。
它既能有效地减轻牵引网对通信线的干扰，又能适应高速、大功率电力机车运行，故近年来在我国得到了迅速发展。
这种供电方式是每隔10km左右在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，绕组与钢轨相接。
自耦变压器将牵引网的供电电压提高一倍，而供给电力机车的电压仍是25kv，其工作原理如图1-5所示。
电力机车由接触网（T）受电后，牵引电流一般由钢轨（R）流回，由于自耦变压器的作用，钢轨流回的电流经自耦变压器绕组和正馈线（F）流回变电所。
当自耦变压器的一个绕组流过牵引电力时，其另一个绕组感应出电流供给电力机车，因此实际上当机车负荷电力为I时，由于自耦变压器的作用，流经接触网（T）和正馈线（F）的电流为I／2。
图1-5AT供电方式原理图
自耦变压器供电方式牵引网阻抗很小，约为直接供电方式的1／4，因此电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长，可达40～50km。
由于牵引变电所间的距离加大，减少了牵引变电所数量，也减少了电力系统对电气化铁路供电的工程和投资。
但由于牵引变电所和牵引网比较复杂，加大了电气化铁路自身的投资，这种供电方式一般在重载铁路、高速铁路等负荷大的电气化铁路上使用。
由于牵引负荷电流在接触网（T）和正馈线（F）中方向相反，因而对邻近的通信线路干扰很小，其防干扰效果与BT供电方式相当。
5.同轴电力电缆供电方式（CC供电方式）
CC供电方式是一种新型的供电方式。
同轴电力电缆沿铁路线路敷设，其内部芯线昨晚馈电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接。
每隔5～10km作为一个分段，如图1-6所示。
由于馈电线与回流线在同一电缆中，间隔很小，而同轴布置，使互感系数增大，所以同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小得多，牵引电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆中流过。
因此电缆芯线与外部导体电流相等，方向相反，二者形成的磁场相互抵消，对邻近的通信线路几乎无干扰。
由于阻抗小，因而供电距离长。
但由于同轴电力电缆造价高，投资大，现仅在一些特别困难的区段采用。
图1-6CC供电方式原理图
二、牵引网的供电方式
1.单边供电
我国单线电气化铁路全部采用单边供电，如图1-7所示。
在复线区段当馈电线较短时也可以采用单边供电。
单边供电与其他区段无联系，继电保护设置简单。
2.上下行并联供电
在复线电气化区段的供电臂末端设有分区所，将上下行接触网通过断路器实行并联供电，如图1-8所示。
这种供电方式的优点是，它能均衡上下行供电臂的电流，降低接触网损耗，提高电压水平，在有轻重车方向和线路有较大坡道情况下，效果更为显著。
我国复线电气化铁路大多采用这种供电方式。
图1-8上下行并联供电方式原理图
3.双边供电
双边供电是由相邻两个牵引变电所同时向其间的接触网供电，在供电臂的末端由分区所连接起来，如图1-9所示。
其优点是由两个牵引变电所供电，均衡了负荷，降低了接触网损耗，提高了电压水平。
目前我国交流电气化铁路还未采用这种供电方式，双边供电方式多用在城市轨道交通的直流牵引供电系统中。
1.5接触网
1.接触网的组成
）`（g M7M"R+h'_-中国地铁生活门户论坛,涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。
接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。
其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。
2B（v;_0i（d-中国地铁生活门户论坛,涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。
接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。
接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。
（f'k（B J9Q-l#};y9@地铁族支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。
根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。
支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。
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定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。
支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。
我国接触网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的，即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土制成的基础上，由基础承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性。
预应力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端直接埋入地下。
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2接触网的电压等级地铁,地铁族,地铁论坛,上海地铁,轨道交通,北京地铁,天接触网的电压等级：
工频单相交流制：
25KV;W8P G;^,\,e!
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3接触悬挂的类型地铁族 K+t4F+N!
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接触网的分类大多以接触悬挂的类型来区分。
我们所讲的接触悬挂的分类是对接触网的每个锚段而言的。
接触悬挂的种类较多，一般根据其结构的不同分成简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。
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G,D（S;O）w,^4]8n-中国地铁生活门户论坛,涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。
简单接触悬挂（以下简称简单悬挂）系由一根接触线直接固定在支柱支持装置上的悬挂形式。
国内外对简单悬挂做了不少研究和改进。
我国现采用的带补偿装置的弹性简单悬挂系在接触线下锚处装设了张力补偿装置，以调节张力和弛度的变化。
在悬挂点上加装8～16m长的弹性吊索，通过弹性吊索悬挂接触线，这就减少了悬挂点处产生的硬点，改善了取流条件。
另外跨距适当缩小，增大接触线的张力去改善弛度对取流的影响。
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链形悬挂的接触线是通过吊弦悬挂在承力索上。
承力索悬挂于支柱的支持装置上，使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点，利用调整吊弦长度，使接触线在整个跨距内对轨面的距离保持一致。
链形悬挂减小了接触线在跨距中间的弛度，改善了弹性，增加了悬挂重量，提高了稳定性，可以满足电力机车高速运行取流的要求。
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R+a;F地铁族链形悬挂比简单悬挂得到了较好的性能，但也带来了结构复杂、造价高、施工和维修任务量大等许多问题
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