牵引变电所设计

摘 要变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着整个变电所的电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电所电气部分投资大小的决定性因素。基于上述，本文对牵引变电所的结构和接线方式进行了介绍。本文为阳安线牵引变电所的扩能改造。通过负荷计算选取了主变压器的型号和容量，同时对主变压器的接线方式进行了详细的说明。通过研究和比较，确定了本次设计所采用的主接线方式，并运用AutoCAD软件绘制出了主接线图。短路电流计算是本次设计的关键部分，通过计算结果对断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、母线和避雷器这些电气设备进行了选型。另外，对部分电气设备进行了介绍。至此，完成了阳安线牵引变电所扩能改造的设计。通过对各种计算结果的校验，本文设计得出的结果是合理的，可行的。关键词：牵引变电所；变压器；主接线AbstractElectricity substation is an important component of the electrical system, it has a direct impact on the entire power systems security and economy, used as intermediate links to connect power plants and users. it plays an important role in the transformation and distribution of electric energy. Electrical wiring is the main link of the main substation, also, the main electrical wiring directly is related to the development of the entire electrical substation, equipment selection, distribution equipment layout, protection devices and automatic identification, so it is the decisive factors of electrical investment. This thesis introduces the structure and connection modes of single-phase traction substation, then it designs and reforms the YangAn electrical substation. Firstly, it selects the type and capacity of main transformer through the calculation of load, meanwhile, it presents the connection mode of the main transformer in detail, and maps out main connection with AutoCAD. Calculating short-current is the key of this thesis, and breakers, isolating switch, voltage transformer, current transformer, bus, arrester are selected according to the results of calculation. At the same time, some electrical devices are introduced. At last, the reformation of YangAn substation is completed.By checking various results of the calculation, the design of this thesis is reasonable and feasible.Key words：Traction substation，Transformer，Main connection目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 铁路发展的历史背景11.2 牵引变电所的介绍11.3 本次设计的任务和主要工作22 电气主接线的设计32.1 电气主接线概述32.1.1 对主接线的基本要求32.1.2 电气主接线的设计原则42.1.3 电气主接线的设计步骤52.1.4 电气主接线的设计目的62.2 电气主接线的基本形式62.3 牵引变电所电气主接线132.3.1 牵引变压器主接线132.3.2 牵引侧主接线142.4 牵引变电所主接线的选择163 负荷计算及其变压器的选型173.1 容量计算概述173.1.1 计算条件173.1.2 参数解释173.1.3 馈线电流183.1.4 牵引变压器的计算容量183.1.5 牵引变压器的校核容量183.1.6 牵引变压器的安装容量193.2 牵引变压器容量计算203.2.1 原始数据203.2.2 变压器的容量计算213.2.3 变压器的选择264 短路电流计算274.1 短路电流计算的基本步骤274.2 短路电流计算点的确定274.3 短路造成的危险后果284.4 短路电流计算284.4.1 原始数据284.4.2 等值电路图294.4.3 短路电流的计算295 电气设备的选择325.1 选择规范325.1.1 电气设备选择的一般原则325.1.2 高压电气设备的选择原理325.2 母线的选择335.2.1 110kV侧母线的选择355.2.2 27.5kV侧母线的选择365.3 高压断路器的选择375.3.1 高压断路器介绍375.3.2 高压断路器的选择与校验405.4 隔离开关的选择435.4.1 隔离开关的介绍435.4.2 隔离开关的选择与校验455.5 电压互感器的选择475.5.1 电压互感器的介绍475.5.2 电压互感器的选择与校验495.6 电流互感器的选择495.6.1 电流互感器的介绍495.6.2 电流互感器的选择与校验515.7 避雷器的选择与校验535.7.1 雷电的危害535.7.2 雷电过电压535.7.3 避雷器的介绍545.7.4 避雷器的选择55结 论57致 谢58参 考 文 献59附录A 电气主接线图601 绪论1.1 铁路发展的历史背景我国制定铁路大力发展电力牵引的政策并积极推进实施，是和我国地广人多、地貌复杂（山区、高原多）、资源分布不均衡，以及铁路网的程度和密度远不能适应国民经济发展，长期以来铁路运输一直成为制约国民经济发展的瓶颈等具体情况密切相关的。按照我国国情和国家的财力、物力，要又快又省地提高铁路运输能力、有效地解决铁路运行和不断增长的运量之间的矛盾，必须从铁路本身的技术改革，首先是牵引动力改革和适当增建新线与改善路网结构两方面着手。根据我国和世界各国铁路技术改革的长期实践经验证明，大力发展电力牵引、加速繁忙干线电气化，是在最短时间内提高铁路运输能力的一条有效途径。经过六次铁路大提速后，中国铁路开始步入高速时代，时速200公里及以上的线路一次达到6227公里，使我国的铁路运输能力得到了空前的释放。随着时速达300公里的京津城际铁路的开通，设计时速350公里的京沪高速铁路破土动工，中国的铁路主题不再是既有线的提速，而是开创崭新的速度，步入高速客运专线、客货分离的时代。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（交流或直交流）的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统。我国的电气化铁道均采用单相工频交流制，额定电压为25KV。电气化铁道使用的电力机车所需的电能是由电力部门通过牵引供电系统获得的。牵引供电装置一般分成牵引变电所和接触网两部分。而牵引变电所是完成对电力机车供电的主要装置之一。为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所的高压输电线路均为双回路1。1.2 牵引变电所的介绍变电所是变换电压和分配电能的场所，由电力变压器和配电装置所组成。它的类型除按升压、降压分类外，还可按设备布置的地点分为户外变电所和户内变电所及地下变电所等。若按变电所的容量和重要性又可分为枢纽变电所，中间变电所和终端变电所。牵引变电所的作用是将110kV（或220kV）三相交流高压电变换为27.5kV（或55kV），然后以27.5kV（或55kV）的电压等级向牵引网供电。牵引变电所（包括开闭所、分区所）的电气主接线是指由隔离开关、互感器、避雷器、断路器、主变压器、母线、电力电缆、移相电容器等高电压一次电气设备，按工作要求顺序连接构成的接收和分配电能的牵引变电所内部的电气主电路。它反映了牵引变电所的基本结构和性能，在运行中表明电能的输送和分配关系、一次设备的运行方式，是实际运行操作的依据。电气主接线图通常画成单线图的形式。在个别情况下，当三相电路中设备显得不对称时，则部分用三线图表示。主接线的确定与牵引变电所电气设备的选择，配电装置的布置以及运行的可靠性和经济性有很密切的关系。所以主接线是牵引变电所电气设计中的一个很主要的问题。目前我国采用的工频交流制牵引变电所按其主变压器的结线方式可分为：三相牵引变电所、单相牵引变电所和三相两相牵引变电所。(1) 三相牵引变电所三相牵引变电所主变压器采用三相二绕组油浸风冷式变压器，其高压侧额定电压为110kV，牵引侧额定电压为27.5kV（高压侧为额定电压时牵引侧的空载电压），比牵引网标准电压高10%。两台变压器并列，接法完全相同。(2) 单相牵引变电所单相牵引变电所的变压器采用特别设计的110绝缘变压器，副边额定电压也为27.5kV。在牵引变电所，通常选用“V”接线或接线方式。“V”接线为两台变压器组成，其一次和二次侧都连成开口三角形。此开口二角形的两个开口端和一个公共端，在一次侧连入电力系统的三相电网，在二次侧将公共端与轨道相连，两个开口端则分别用馈电线连入接触网的两个相邻区段。其一次侧接入电力系统的110kV或更高电压等级的电网中，二次侧作为牵引绕组一端与轨道连接，另一端连到接触网。(3) 三相两相牵引变电所牵引变电所中使用比较成熟的三相两相变压器为由两台变压器构成的斯柯特变压器接线。变压器T1接入AB相；变压器T2一端接入C相，另一端接T1的中点。两变压器副边匝数相同，分别供应变电所两边的供电分区。1.3 本次设计的任务和主要工作本次设计要求对牵引变电所进行扩能改造，负荷种类由单线变为复线铁路，供电方式采用三相牵引变压器的直接供电方式。设计并绘制牵引变电所主接线，根据各种情况（正常及突发故障），说明主接线的运行方式。在上述的基础上，进行牵引变压器容量的计算与选择及主接线各电气设备的选型。2 电气主接线的设计2.1 电气主接线概述牵引变电所（包括开闭所、分区所）的电气主接线是指由隔离开关、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。它反映了变电所的基本结构和性能，在运行中表明电能的输送和分配关系、一次设备的运行方式，是实际运行操作的依据。电气主接线图通常画成单线图形式（单线图是表示三相交流电气装置中一相连接顺序的图）。在个别情况下，当三相电路中设备显得不对称时，则部分的用三线图表示。主接线的确定对牵引变电所电气设备的选择、配电装置的布置以及运行的可靠性和经济性有很密切的关系。所以主接线是牵引变电所电气设计中一个很主要的问题。2.1.1 对主接线的基本要求主接线设计的基本要求如下：(1) 可靠性根据用电负荷的等级，保证在各种运行方式下提高供电的连续性，力求可靠供电；(2) 灵活性主接线应力求简单，明显，没有多余的电气设备；投入或切除某些设备或线路的操作方便。这样就可以避免误操作，又能提高运行的可靠性，处理事务也能简单迅速。灵活性还表现在具有适应发展的可能性；(3) 安全性保证在进行一切操作切换时工作人员和设备的安全，以及能在安全条件下进行维护检修工作；(4) 应使主接线的初投资与运行费用达到经济合理。以上的基本要求，实际上反映了主接线的可靠性与经济性这两个主要矛盾方面。安全可靠的要求是首要的。运行检修时绝对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，甚至造成人员伤亡、设备破坏。在考虑主接线的可靠性时，应该辩证的看待以下几个问题：(1) 可靠性的客观检验标准是运行实践。主接线的故障是它的各组成元件在运行中的故障率的总和，过多的增加主接线中的电气设备，会降低主接线的可靠性（增加了故障率）；(2) 可靠性并不是绝对的。同样的主接线对二、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，因此分析和估价主接线的可靠性时，不能脱离负荷等级和供电电源的具体条件；(3) 主接线的可靠性是发展的。随着电力系统的发展，技术的进步，主接线的可靠性也是会改变的。经济性也是设计主接线的重要原则。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。此外，经济性还必须表现为投资与运行费用的总效果最为经济。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，接线系统复杂，其结果可能造成操作复杂，易产生误操作，增大故障率，反而降低了主接线的可靠性；如果过分强调经济性，减少设备，简化接线，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，确定主接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接线2。2.1.2 电气主接线的设计原则变配电所主接线的设计必须满足上述四个基本要求。以设计任务书为依据,以国家经济建设方针、政策及有关技术规范为准则，结合工程具体特点，准确地掌握基础资料，做到既要技术先进，又要经济实用。在工程设计中，经上级主管部门批准的设计任务书或委托书是必不可少的。它将根据国家经济发展及电力负荷增长率的规划，给出所设计的变配电所的容量、电压等级、出线回路数、主要负荷要求、电力系统参数和对变电所的具体要求，以及设计的内容和范围。这些原始资料是设计的依据。必须进行详细的分析和研究，从而可以初步拟定一些主接线方案。国家方针政策、技术规范和标准是根据国家实际状况，结合电力工业的技术特点而制定的准则，设计时必须严格遵循。结合对主接线的基本要求，设计的主接线应供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展的余地。设计时，在进行论证分析阶段，更应辩证地统一供电可靠性与经济性的关系，以使设计的主接线具有先进性和可行性。我国变电所设计技术规程对主接线设计作了如下规定：在满足运行要求时，变电所高压侧应尽量采用断路器较少的或不用断路器的接线。在110220kV变电所中，当出线为2回时，一般采用桥形接线；当出线不超过4回时，一般采用单母线分段接线；当枢纽变电所的出线在4回及以上时，一般采用双母线。在35kV变电所中，当出线为2回时，一般采用桥形接线；当出线为2回以上时。一般采用单母线分段或单母线接线，出线回路数和电源数较多的污秽环境中的变电所，可采用双母线接线。在610kV变电所中，一般采用单母线接线或单母线分段接线。旁路设施可按主接线基本形式中所述的情况设置。2.1.3 电气主接线的设计步骤电气主接线的设计伴随着发电厂或变电所的整体设计，即按照工程基本建设程序，历经可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段等四个阶段，在各阶段中随要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计思路、方法和步骤相同。(1) 对原始资料进行综合分析 变电所的情况，包括变电所的类型，在电力系统中的地位和作用，近期及远景规划容量，近期和远景电力系统的连接方式和各级电压中性点接地方式、最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。 负荷情况，包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，应在电力负荷预测的基础上确定，其准确性直接影响主接线的设计质量。 环境条件，包括当地的气温、湿度、污秽、覆冰、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素。这些对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响，必须予以重视；此外，对重型设备的运输，也应充分考虑。 设备情况，为使所设计的主接线可行，必须对各主要电器的性能、制造能力、供货情况和价格等资料汇集并进行分析比较，保证设计具有先迓性、经济性咈可行性。(2) 确定主变压器的容量和台数变电所主变压器的容量，一般应按510年规划负荷来选择，根据城市规划、负荷性质、电网结构等综合考虑确定。对重要变电所，应考虑当1台主变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力允许时间内，应满足各种类型负荷的供应；对一般性变电所，当1台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的70%80%。变电所主变压器的台数，对于枢纽变电所在中、低压侧形成环网的情况下，以设置2台主变压器为宜；对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设3台主变压器，以提高供电可靠性。(3) 主接线方案的拟定与选择根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等，可拟定出若于个主接线方案。依据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留23个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进行经济比较。对于在系统中占有重要地位的大容量变电所的主接线，还应进行可靠性定量分析计算比较，最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案3。2.1.4 电气主接线的设计目的通过对牵引变电所主接线的设计，进一步熟悉和掌握电气化铁路牵引变电所设计内容和技术规范，使在校所学的理论知识与实际相结合，建立对牵引供电系统的概念，以至达到在将来的实际工作中能够熟练应用和指导2.2 电气主接线的基本形式(1) 单母线接线如图2.1所示，整个配电装置中只设一组母线。将各个电源的电能汇集后再分配到各引出线。连到母线上的电源回路与出线回路的分布应使通过母线各断面上的电流最小。电源进线与引出线由断路器和隔离开关接到母线，其中断路器用来接通与切换电路中的负荷电流与故障短路电流。隔离开关的作用是利用其可见断口隔离电压，使停电设备与带电设备隔离，以保证人身及设备工作的安全。在电气主接线上，如果断路器两侧都有电源，则需要在其两侧都装设一组隔离开关。靠近母线的，叫母线隔离开关，靠近线路的，叫线路隔离开关。如果在用户侧没有电源，原则上可只装设一组母线隔离开关，但为了防止线路产生雷击过电压等意外情况，往往在线路侧也装设一组隔离开关。对于电源进线的断路器，如果电源是发电机，只需在母线侧装设一组隔离开关，因为断路器和发电机必须同时停电，不能单独运行。但有时为了发电机停机后做试验方便，在发电机和断路器之间亦可装设一组隔离开关。如果电源为变压器进线，同样的道理，如果是双绕组变压器，则只需在断路器的母线侧装设一组隔离开关，而如果是三绕组变压器，因为变压器任何一侧断路器跳开之后，其他两侧仍可交换功率，则只需在断路器的两侧各装设一组隔离开关。在断路器与隔离开关配合操作时，必须严格遵守“倒闸操作”程序。倒闸操作的原则是：接通电路时，先闭合隔离开关，后闭合断路器；切断电路时，先断开断路器，后断开隔离开关。为了避免误动作，在断路器与隔离开关之间应加装电磁或机械闭锁装置，使得在断路器未开断前，不能操作隔离开关。单母线接线的优点： 接线简单，设备少，配电装置费用低，经济性好并能满足一定的可靠性； 每一回路由断路器切断负荷电流和故障电流。检修断路器时，可用两侧隔离开关使断路器与电压隔离，保证检修人员的安全； 任一出线可从任何电源回路取得电能，不致因运行方式的不同而造成相互影响。单母线接线的缺点： 母线故障及检修母线和与母线连接的隔离开关时要造成停电； 检修任一回路及其断路器时，会使该回路停电，但其他回路不受影响。由此，单母线接线仅适用于对可靠性要求不高的10kV35kV地区负荷。为了克服单母线接线的缺陷，通常采用以下措施： 用断路器或隔离开关将母线分段； 增加旁路母线及相应设备，使检修任一回路的断路器时不致停电。图2.1 单母线接线 图2.2 单母线分段接线(2) 单母线分段接线如图2.2所示，利用分段开关QFd，将单母线分为两段，把电源及出线平均分配于两段母线，这种接线形式为单母线分段接线。正常运行时，分段断路器闭合，两母线并列运行。当一段母线发生故障时，分段断路器QFd自动断开，使故障段解列，从而保证了另一段母线仍能正常运行，缩小了故障停电范围。母线分段数目越多，母线故障停电范围越小，但是所需断路器、隔离开关数目也随之增多，同时使运行变得较为复杂，因此分段数不宜过多。如果可靠性要求不高，也可采用隔离开关进行母线分段。如图中QSd。但此时如果一段母线发生故障，因QSd不具有自行切断短路电流的能力，故会引起全部停电，需在停电之后将QSd拉开，再恢复完好段母线的运行。单母线分段的接线，广泛应用在10kV35kV地区负荷、城市电牵引各种变电所和110kV电源进线回路较少的110kV接线系统。(3) 单母线带旁路母线接线一般断路器经过长期运行和数次切断短路电流后都需要检修。为了检修出线断路器，不致中断该回路供电，可增设旁路母线W2和旁路断路器QF2，如图2.3所示，旁路母线经旁路隔离开关QS3与出线连接。正常运行时，QF和QS3断开。当检修某出线断路器QF1时，先闭合QF2两侧的隔离开关，再闭合QF2和QS3，然后断开QF1及其线路隔离开关QS2和母线隔离开关QS1。这样QF1就可以退出工作，由旁路断路器QF2执行其任务，即在检修QF1期间，通过QF2和QS3向线路L3供电。有了旁路母线，检修与它相连的任意回路的断路器时，该回路就可以不停电，从而提高了供电的可靠性。它广泛的用于出线数较多的110kV及以上的高压配电装置中，因为电压等级高，输送功率较大，送电距离较远，停电影响较大，同时高压断路器每台检图2.3 带旁路母线的单母线接线修时间较长。而35kV及以下配电装置多为屋内型，为节省建筑面积，降低造价都不设旁路母线。只有在向特殊重要的、类用户负荷供电，不允许停电检修断路器时才设置旁路母线。(4) 单母线分段带旁路母线接线图2.4为单母线分段带旁路母线接线。每段工作母线与旁路母线之间用旁路断路器连接。每一回路用旁路隔离开关与旁路母线相连。正常运行时，分段断路器QFd闭合。两段母线并列运行。旁路断路器及其两侧隔离开关都在断开位置，旁路母线不带电。各回路旁路隔离开关也都在断开位置。当任一回路断路器需检修时，可用旁路断路器代替其工作。为减少变电所投资，可根据变电所在电力系统中的重要程度及对供电可靠性的具体要求，采用将旁路断路器和分段断路器合并为一套断路器的简化的单母线分段带旁路母线的电气主接线。这种接线正常运行时，QS3和所有旁路断路器断开，QF及其它开关均闭合，两段工作母线并列运行，形成单母线分段的主接线运行形式。此时，QF起分段断路器的作用。图2.4 简化的单母线分段带旁路母线接线(5) 双母线接线以上介绍的几种单母线类结线形式，虽结线简单清晰，易于操作，但当母线检修时，会导致全部或部分停电，双母线接线则可解决这个问题。如图2.5为双母线结线形式。这种结线具有两组母线，一组作为工作母线，另一组作为备用母线，在两组母线之间，通过母线联络断路器（简称为母联断路器）进行连接。每回线路都通过一台断路器、两组隔离开关分别连接到两组母线。在常规运行方式下，一组母线工作，另一组母线停电备用，所有回路都闭合于工作母线上。母线断路器及其两侧隔离开关在断开位置，这种运行方式的一个最大缺点是：当母线或母线隔离开关故障时，会造成全部回路停电。为避免这个问题，常常把双母线系统变成单母线分段运行方式，即正常运行时，使两条母线都投入工作，母线断路器及其两侧隔离开关闭合，全部进出线均匀分配于两条母线。这种运行方式可以有效缩小母线故障时的停电范围。双母线接线的优点： 供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断，一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路的母线隔离开关，只需要断开该回路； 调度灵活。各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应系统中各中运行方式调度和潮流变化的需要； 扩建方便。向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。当有双回架空线路时，可以顺序布置，以致连接不同的母线段时，不会如单母线分段那样导致出线交叉跨越； 便于试验。当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。为了避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。双母线接线的适用范围，当出线回路数或母线上电源较多、输送和穿越功率较大、母线故障后要求迅速恢复供电、系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用，各级电压采用的具体条件如下： 610kV配电装置，当短路电流较大、出线需要带电抗器时； 3566kV配电装置，当出线回路数超过8回时；或连接的电源较多、负荷较大时； 110220kV配电装置出线回路数为5回及以上时，或当110220kV配电装置在系统中居重要地位，出线回路数为4回及以上时。(6) 桥式接线图2.5 双母线接线图2.6 桥式接线 （左：内桥接线，右：外桥接线）当牵引变电所只有两回电源进线和两台主变压器时，常在电源线路间用横向母线将它们连接起来，即构成桥形接线，如图2.6。桥式接线要比分段单母线接线简化，它减少了断路器的数量，四回电路只采用三台断路器，配电装置结构也较简单。桥形接线按中间横向桥接母线的位置不同而分为内桥接线（如图2.6中的左图）和外桥接线（如图2.6中的右图）两种。前者的桥接母线连接在靠变压器侧，而后者则连接在靠线路侧。桥形接线正常运行时，三台断路器均处于闭合位置。内桥接线的线路断路器QF1、QF2分别连接在两回电源线路上，因而电源线路退出工作或投入运行都比较方便。当线路发生短路故障时，仅故障线路的断路器自动跳闸，其他三个元件仍可继续工作。但当任一主变压器故障或退出运行时，与变压器T1连接的两台断路器QF1和QF都必须断开，从而使线路将暂时中断供电。但随着用隔离开关QS3将变压器T1隔开后，线路L1即可恢复供电。 根据接线形式的特点，内桥接线适用于线路长，线路故障率高，而变压器不需频繁操作的场合，这种接线形式可以很方便地切换或投入线路，而切除某台变压器时，则需同时断开与之相连的两台断路器，造成一条出线的短时停电。由于线路故障远比变压器故障要多，同时牵引变压器又不需频繁的操作，故内桥接线在牵引变电所获得了较广泛的应用。图2.6中的右图中外桥接线的特点与内桥接线相反，外桥接线适合于输电线距离较短，线路故障会较少，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及切除，而切除一条线路时，需要同时断开两台变压器，造成一台变压器的短时停电，如右图中的变压器T1切除时，只需断开QF1，拉开QS3。而切除L1线路时，要断开QF1及QF然后断开隔离开关QS1，使L1线退出运行。如需恢复T1运行，要重新闭合QF1及QF。为避免变压器侧断路器检修时，形成一台变压器长期停电，可在变压器内侧接一跨条如右图中虚线。通过式牵引变电所110kV（220kV）电源侧一般采用桥式接线。(7) 简单分支接线（双T接线）对于图2.7所示的牵引变电所，其两回电源线路是从输电线路WL1、WL2采用分支连接（双T型接线）的方式获得。此时，牵引变电所的进线线路会较短；同时，又由于此处牵引变电所两回电源进线不是以构成环形电网的方式接入电力系统的，因此牵引变电所高压母线无穿越功率通过。在这种情况下，上述桥形接线的桥路断路器没有任何作用，但考虑运行的灵活性，可在两电源线路间保留带有隔离母线开关的跨条，形成如图2.7的简单接线或称双T型接线7。这种接线与桥形接线相比，需要高压电器更少，配电装置结构更简单，线路继电保护也简单。牵引变电所任一电源进线线路故障，则由输电线路（WL1或WL2）两侧的继电保护动作，使输电线路两端断路器（QF3与QF5和QF4与QF6）跳闸而断开。但双回路输电线路WL1、WL2上分支连接的变电所的数目应有限制。若分支线数过多，对可靠性的影响相对增大，同时对输电线路（WL1、WL2）继电保护的整定造成困难。按电源参数不同，双T式主接线通常采用下列几种运行方式： 若两路电源允许在25kV侧并联，可采用一路电源供电，另一路电源备用的运行方式； 若两路电源允许在25kV侧并联，还可采用两路电源同时供电的运行方式； 若两路电源不允许在25kV侧并联，通常采用一路电源供电，另一路电源备用的供电方式； 若两路电源不允许在25kV侧并联，也可采用两路电源同时供电的运行方式。正常供电时，跨条隔离开关断开，其它开关均闭合，两台变压器分列运行； 若两路电源允许在110kV侧用隔离开关并联，双T主接线可采用两路电源同时供电，此时跨条隔离开关断开，两台主变压器分列运行。总之，双T式接线运行的灵活性较高，应尽量采用倒换电源操作时不造成全变电所停电的运行方式，在双T接线中，两路电源，两台变压器只需两套断路器，并且110kV侧无系统功率穿越。主接线结构简单，110kV线路不需设置继电保护装置，是二次接线装置也叫简单，可节省投资。在电力系统日趋稳定的条件下，其供电可靠性日趋提高，故双T接线在牵引变电所中得到广泛的利用。图2.7 双T式主接线2.3 牵引变电所电气主接线2.3.1 牵引变压器主接线(1) 三相YN，d11接线变压器三相YN，d11接线变压器用于直接供电方式或吸流变压器供电方式中。变压器高压侧绕组以星形方式与电力系统的三相相联接。变压器低压侧绕组接成三角形，其中c端子的一角经电流互感器接至接地网和钢轨（吸流变压器供电方式时接回流线）；另两角（变压器a、b端子）分别经电流互感器、断路器和隔离开关引接至牵引母线。(2) 单相变压器单相变压器最简单。变压器高压侧接电力系统的线电压。在采用直接供电方式或吸流变压器供电方式时，变压器低压侧一端经电流互感器、断路器和隔离开关引接至牵引母线，另一端经电流互感器接至接地网和钢轨或回流线。当采用自耦变压器（AT）供电方式时，变压器低压侧两端均设置断路器和隔离开关，接至T和F母线上（T母线与接触网导线T相连接；F母线与牵引网中正馈线F相连接），变压器中点（此单相变压器副边绕组带中点抽头）直接接至中性线N母线（N与钢轨R相连接）。使用单相牵引主变的AT供电方式，变电所处不需再设自耦变压器。这种接线方式在法国采用。(3) 单相V，v接线变压器单相V，v接线变压器是由两台单相变压器构成，高压侧两个绕组接在电力系统的两个线电压上。当采用直接供电方式时，低压侧两个绕组接成V形，两变压器的次边绕组，各取一端联至27.5kV的a相和b相母线上。而它们的另一端则以联成公共端的方式接至接地网和钢轨或钢轨引回的回流线。为保证供电的可靠性及经济性，采用变压器移动备用的方式。为便于移动变压器的接入，低压侧单独设有断路器和隔离开关，移动变压器高压侧临时连接。若采用自耦变压器供电方式时，低压侧两个绕组则接成X型。(4) 三相V，v接线变压器单相V，v结线的缺点是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。为了克服单相V，v结线方式的上述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。采用直接供电方式时，三相V，v变压器原边绕组接成固定的V结线，低压侧两个绕组接成正“V”或反“V”。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。采用自耦变压器供电方式时，三相V，v变压器原边绕组接成固定的V结线，两个副边绕组的四个出线端子a1、x1和a2、x2分别接到两组55kV牵引母线上。两组牵引母线分别通过馈电线向变电所两侧供电臂的牵引网供电。两个副边绕组的中点抽头o1、o2分别接到N母线上。N母线与轨道连接，并通过放电器SD接地。因此，也可省去变电所内AT。(5) 斯科特接线变压器斯科特接线变压器是一种平衡变压器，它将电力系统的三相电压变成相差的两相电压。高压侧绕组接成T形，接至电力系统的三个相上，低压侧两相绕组设断路器和隔离开关，接至母线上。采用直接供电方式时，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。在用于自耦变压器供电方式时，变电所应另设自耦变压器，一般自耦变压器设在馈电线外侧。(6) 三相三绕组YN，d11，d1接线变压器 三相YN，d11，d1接线变压器用于自耦变压器供电方式时，高压侧绕组接成Y形，接至电力系统的三个相上，低压侧有两个绕组均接成三角形，其中一角相连。三相YN，d11低压侧a、b两相4个端子设断路器和隔离开关，接至母线上，两三角形连接点抽出直接接N线，可不另设自耦变压器。2.3.2 牵引侧主接线(1) 27.5kV（或55kV）侧馈线的接线方式由于27.5kV（或55kV）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（或55kV）侧馈线的接线方式一般有下列三种： 馈线断路器100%备用的接线此种接线用于单线区段，牵引母线不同相的场合。这种接线当工作断路器需检修时，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。 馈线断路器50%备用的接线此种接线用于单线区段，牵引母线同相的场合和复线区段，每相母线只有两条馈线的场合。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。牵引母线用两台隔离开关分段是为了便于两段母线轮流检修。上述两种接线只是当牵引变电所设在小站，馈电线只供区间时采用。当每相母线的馈出线数目较多时（如牵引变电所设在枢纽地区或大的区段站处），应采用下面的第三种接线方式。 带旁路母线和旁路断路器的接线一般每24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。(2) 复线铁路斯科特结线变压器AT供电方式馈电线接线AT供电方式馈电线有接触网（T）和正馈线（F）两根线，断路器和隔离开关均为双级；另有中线馈出，不设断路器和隔离开关。当牵引变压器（斯科特结线变压器）副边线圈无中点抽头时，在变电所内还应另设自耦变压器。一般将自耦变压器设在馈电线外侧，当相邻变电所越区供电时，可作为末端的自耦变压器使用。双线铁路一般为四回馈电线，每两回同相馈电线设一组备用断路器。 (3) 动力变压器及自用电变压器接线动力变压器主要供给非牵引负荷用电。牵引变电所沿铁路线设置，有些地区电网薄弱不能供给铁路非牵引负荷用电。可在牵引变电所内设置动力变压器，将27.5kV电压降至10kV，以三相供给铁路或地方其他负荷。一般动力变压器的容量为10002000kVA，若地区需要容量较大，则应另外单设l10kV的动力变压器。(4) 电容补偿装置主接线电容补偿装置是为了改善功率因数及吸收部分高次谐波而设置的。电容补偿装置由电容器组和串联电抗器组成。单个电容器的电压一般为10kV或6.3kV，牵引变电所牵引侧母线电压为27.5kV，因此，由46个电容器组成串联一组。电容补偿装置的电容量是根据计算确定的，由若干个电容器组串联构成。电容器组串联电抗器，一方面抑制电容器组投入电网时所产生的涌流，同时吸收部分高次谐波；另一方面对防止切断电容器组时断路器发生重燃也有好处。2.4 牵引变电所主接线的选择本次牵引变电所设计110kV侧用双T接线，27.5kV侧采用单母线接线的单线三相牵引变电所。变电所内设两台YN，d11三相双绕组变压器，固定全备用。主接线图见附录A。110KV侧可不设互感器。因无特别规定或必要，电力系统一般不要求在110kV高压侧计费，以便尽可能节省设置高压仪用互感器。27.5kV侧每相母线上均设有电压互感器，以供测量和继电保护的需要。而本次设计110kV侧安装电压互感器，是为满足高压侧计费和自动装置的需要。由于向几个方向的复线牵引网供电，馈线回路数较多，为合理解决馈线断路器的备用问题，27.5kV侧采用隔离开关分段带旁路母线的单母线接线。考虑到27.5kV工作母线与馈线配电间隔的配置相对应，以及27.5kV进线与馈线方便，主母线A1、A2和B1、B2与旁路母线系分相布置，分段主母线在正常情况下并列运行，分段隔离开关合闸。主母线上两个分段隔离开关的作用是便于隔离开关本身轮流检修时隔离电压。每个分段母线都设有单相电压互感器和避雷器，以便某分段工作母线停电时，不影响其它分段母线的工作。每回馈线的出口处，均装有抗雷线圈KL并与阀型避雷器配合使用。以防止接触网上落雷时，雷电波袭击牵引变电所内的设备4。3 负荷计算及其变压器的选型3.1 容量计算概述3.1.1 计算条件(1) 列车用电量的计算条件在铁路运输中，除了满载的直通货物列车（重车）外，还有零担列车、摘挂列车、不满载列车和旅客列车。当上下行两个方向货运量不一致时，会出现一部分空载列车。因此，牵引变压器容量必须满足各类电力牵引列车用电的需要。一般对于不同类型的车，都按满载货物列车考虑。当电力牵引的旅客列车数比较大时，或上（下）行方向空载车数比例很大时，也可分别按实际的客、货、空列车的用电量计算。(2) 牵引变压器校核容量的计算条件牵引变压器校核容量的确定计算条件，是按其最大容量的需要来确定的。应计算最大列车数具体有下列规定： 重负荷臂按对于非平行运行图区间通过能力（或按线路输送能力）的95%列车数概率积分最大值来计算供电臂最大短时电流（简称最大电流），轻负荷臂取对应（或线路输送能力）的供电臂有效电流。 应用非平行运行图区间通过能力来校核。在电气化工程设计中，牵引变压器容量计算所需的年运量、电力机车类型牵引定数、牵引方式、线路坡道、追踪间隔时分等，在国家下达的设计任务书中都有规定。因此，具体计算时，要以设计任务书为依据5。3.1.2 参数解释It 列车平均电流；I 列车用电平均电流；m 供电臂同时存在的平均列车数；p 区间出现用电运行列车的平均概率；Ip 上、下行馈线平均电流；IX 上、下行馈线有效电流；S 牵引变压器计算容量；Sbmax 牵引变压器最大容量；S校 牵引变压器校核容量；T 全日时间，即1440min；N 供电臂的列车对数；N非 非平行运行图区间列车通过能力。3.1.3 馈线电流牵引变电所的负荷主要是电力牵引列车。与电力系统的负荷相比有很大的差别，其特点是：(1) 列车以变化的速度沿线路运行，即牵引负荷的位置是移动的；(2) 牵引负荷的大小随线路坡度、列车密度等因素而发生很大的变化，当列车上大陡坡或列车密集运行时则负荷电流大；反之则负荷电流小以至为零，牵引变压器负荷率很低；(3) 列车可以在供电分区任意分布，即牵引负荷在供电分区任意分布。当然，这是从概率论的角度来说的；(4) 由于采用整流器式电力机车，接触网电流变为非正弦波。3.1.4 牵引变压器的计算容量牵引变压器容量应满足负荷的需要。不同接线方式的变压器，其负荷电流计算应将负荷电流变换成变压器绕组的有效电流，然后用绕组有效电流计算变压器的容量。三相YN，d11结线牵引变压器的计算容量如下设，（供电臂1为重负荷，供电臂2为轻负荷），则计算容量为 (3.1)式中：、为重负荷臂有效电流和平均电流（A）；、为轻负荷臂有效电流和平均电流（A）；为三相变压器的温度系数，一般取；U为牵引变电所牵引侧母线额定电压，即27.5kV。3.1.5 牵引变压器的校核容量对牵引变压器进行容量校核，要达到两方面的目的：一方面是为了满足列车紧密运行的需要；另一方面是为了保证牵引变压器在充分利用过负荷能力的情况下能安全运行。按第一方面的条件所得出的牵引变压器容量，称为最大容量，但不是校核容量，因为并没有考虑牵引变压器的过负荷能力。变压器的过负荷能力，是以过负荷倍数（负荷电流与额定电流之比值）K来表示的。牵引变压器计算校核容量，既要满足列车紧密运行的需要，又要充分利用过负荷能力达到安全运行的目的。三相YN，d11结线牵引变压器的校核容量如下 (3.2) 式中：为重负荷臂的最大电流；为轻负荷臂的有效电流。3.1.6 牵引变压器的安装容量牵引变压器的安装容量，是在计算容量与校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按其系列产品确定的牵引变压器台数与容量。为了确定牵引变压器的安装容量，除了其计算容量与校核容量外，主要考虑因素是其备用方式。牵引变压器在检修或发生故障时，都需要有备用变压器投入，以确保电气化铁路的正常运输。在大运量的双线区段，牵引变压器一旦出现故障，应尽快投入备用变压器，显得比单线区段要求更高。备用变压器投入的快慢，将影响到恢复正常供电的时间，并且与采用的备用方式有关。备用方式的选择，必须从实际的电气化铁路线路、运量、牵引变电所的规模、选址、供电方式及外部条件（如有无公路）等因素，综合考虑比较后确定。我国的电气化铁路牵引变压器备用方式有以下两种。(1) 移动备用采用移动变压器作为备用的方式，称为移动备用。采用移动备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，正常时两台并联运行。所内设有铁路专用岔线。备用变压器安放在移动变压器车上，停放于适中位置的牵引变电所内或供电段段部，以便于需要作为备用变压器投人时，缩短运输时间。在供电段所辖的牵引变电所不超过57个的情况下，设一台移动变压器，其额定容量应与所辖变电所中的最大牵引变压器额定容量相同。当牵引变压器需要检修时，可将移动变压器按计划调入牵引变电所。但在牵引变压器发生故障时，移动变压器的调运和投入约需数小时。此间，靠一台牵引变压器供电往往不能保证铁路正常运输。这种影响，在单线区段或运量小的双线区段可很快恢复正常；但在大运量的双线区段须予以重视。可按牵引变压器一台故障停电后由另一台单独运行，允许超载30%，并持续4小时，而能符合计算容量（满足正常运输）的要求进行检算。采用移动备用方式，除上述影响外，还需要修建铁路专用岔线。这将导致牵引变电所选址困难、场地面积和土方量增加，相应加大投资。不仅如此，移动变压器车辆进厂检修时，需要把备用变压器从车上拆卸吊下来；车辆修好出厂后，又要把备用变压器吊上车安装好。这项工作十分麻烦和困难，非常费时费力费钱。采用移动备用方式的优点是牵引变压器容量较省。因此，移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线区段。(2) 固定备用采用加大牵引变压器容量或增加台数作为备用的方式，称为固定备用。采用固定备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，一台运行，一台备用。每台牵引变压器容量应能承担全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。采用固定备用方式的优点是，其投入快速方便，可确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用岔线，牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量较少，电气主接线较简单。其缺点是增加了牵引变压器的安装容量，变电所内设备检修业务要靠公路运输。因此，固定备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。牵引变压器安装容量的确定，当牵引变压器的计算容量和校核容量确定以后，选择两者中较大者，并按采用的备用方式、牵引变压器的系列产品以及有否地区动力负荷等诸因素，即可确定牵引变压器的安装容量6。 3.2 牵引变压器容量计算3.2.1 原始数据复线区段采用上、下行并联供电方式，变压器为三相YN，d11供电臂1n=3.01，；供电臂2n=3.41，。供电臂1和2内，计算的原始数据如表3.1所示。表3.1 负荷计算原始数据供电臂12列车全部运行时间上行下行26.721.428.625.7列车用电运行时间上行下行17.615.716.420.3列车在内的能耗(kVA)上行下行9788618599723.2.2 变压器的容量计算第一步：供电臂1、2平均电流计算首先计算供电臂1、2的基参数。供电臂1：(1) 双线区段上（下）行供电臂列车平均电流 (3.3)式中：为列车在供电臂内上（或下）行方向的全部运行时间(min)；为列车在内的能耗(kVAh)。 由式（3.3）得(2) 双线区段上（下）行供电臂列车用电平均电流 (3.4)式中：为列车在供电臂内上（或下）行方向的用电运行时间(min)。 由式（3.4）得(3) 供电臂同时存在的平均列车数 (3.5)式中：N为供电臂的列车对数(对/日)；T为全日时间，即1440min。由式（3.5）得(4) 供电臂内n个区间的列车用电概率