牵引变电所的设计

第1章概论
1.1 课题研究的目的意义
牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，它的主要任务是将电力系统输送来的三相高压电变化成适合电力机车使用的电能。

而电气主接线反映牵引变电所设施的主要电气设备以及这些设备的规格、型号、技术参数以及在电气上是如何连接的，高压侧有几回进线、几台牵引变压器，有几回接触网馈电线。

通过电气主接线可以了解牵引变电所等设施的规模大小、设备情况。

1.2 电气化铁路的国内外现状
变电所是对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。

在电能是社会生产和生活质量中最为重要的能源和动力的今天，变电所的作用是很重要的当前我国进行的输变电建设和城乡电网的建设与改造，对未来电力工业发展有着重要的作用。

因此，产品技术要先进，产品质量要过硬，应达到30～40年后也能适用的水平；而且产品必须要国产化。

现阶段我过主要是使用常规变电所。

常规变电所即采用传统模式进行设计、建造和管理的变电所，一般为有人值班或驻所值班，有稳定的值班队伍。

继电保护为电磁型，电器就地控制，不具备四遥、远方操作功能，需要一支训练有素的运行与检修队伍和一整套相应的管理机构、制度进行管理，以满足安全运行的要求。

这种模式有许多不足之处。

我国的近期目标是既要充分利用原有设备，又要能够适应微机远动自动化系统；既要实现无人值班，又要满足安全经济运行的要求。

国外的变电所研究已经远远超过我国，他们在变电站的运行管理模式上, 已经能做到无人值守。

1.3 牵引变电所
1.3.1 电力牵引的电流制
电力牵引按牵引网供电电流的种类可分为三种电流制，即直流制、低频单相交流制和工频单相交流制。

(1) 直流制
即牵引网供电电流为直流的电力牵引电流制。

电力系统将三相交流电送到牵引变
电所一次侧，经过牵引变电所降压并整流变成直流电，再通过牵引网供给电力机车使用。

直流制发展最早，目前有些国家的电气化铁路仍在应用。

我国仅工矿、城市电车和地下铁道采用。

牵引网电压有1200V，1500V，3000V和600V，750V等，后两种分别用于城市电车、地下铁道。

直流制存在的主要问题是，直流牵引电动机额定电压受到换向条件的限制不能太高，即牵引网电压很难进一步提高，这就要求沿牵引网输送大量电流来供应电力机车。

由于牵引电流增大，接触网导线截面要随着增大（一般得使用两根铜接触线和铜承力索），牵引网电压损失也相应增大，所以牵引变电所之间的距离要缩短，一般只有15~30 km。

牵引变电所的数量多，并且为完成整流任务而变得较复杂。

由于这些缘故，许多国家已逐渐停止发展直流制。

(2) 低频单相交流制
即牵引网供电电流为低频单相交流的电力牵引电流制。

这种电流制是继直流制之后出现的，牵引网供电电流频率为16Hz，牵引网电压为15kV或11kV，电力机车上采用交流整流子式牵引电动机。

交流容易变压，因此，可以在牵引网中用高电压送电．而在电力机车上降低电压，供应低电压的交流整流子式牵引电动机。

低频单相交流制的出现，与力图提高牵引网电压以降低接触网中的有色金属用量有关。

应用低频的条件，一方面是由于欧洲电力工业发展的初期原来就存在低于50Hz的频率；另一方面，交流整流子式牵引电动机因存在变压器电势而对整流过程造成困难，不适宜在较高的频率下运行。

因此，在欧洲，低频单相交流制于20世纪50年代前得到较大发展，目前在一些欧洲国家仍在应用。

另外，在美国等国家，还采用牵引网供电电流频率为25Hz、电压为11～13kV的低频单相交流制。

电力工业主要采用50Hz标准频率后，低频制电气化铁道或者须自建专用的低频率的发电厂，或者在牵引变电所变频后送人牵引网；这就变得复杂化，于是，其发展受到了限制。

(3) 工频单相交流制
即牵引网供电电流为工业频率单相交流的电力牵引电流制。

它是在20世纪50年代中期法国电气化铁路应用整流式交流电力机车获得成功之后开始推广的。

从那时以来，许多国家都相继采用。

这种电流制在电力机车上降压后应用整流装置整流来供应直流牵引电动机。

由于频率提高，牵引网阻抗加大，牵引网电压也相应提高。

目前，较普遍应用的接触网额定电压是25kV。

采用工频单相交流制的优点是，消除了低频单相交流制的两个主要缺点（与电力工业标准频率并行的非标准频率和构造复杂的交流整流子式牵引电动机）；牵引供电系统的结构和设备大为简化，牵引变电所只要选择适宜的牵引变压器，就可以完成降压、分相、供电的功能；接触网的额定电压较高，其中通过的电流相对较小，从而使接触网导线截面减小、结构简化；牵引变电所的间距延长、数量减少；工程投资和金属消耗量降低，电能损失和运营费用减少；电力机
车采用直流串励牵引电动机，也远比交流整流子式牵引电动机牵引性能好，运行可靠。

采用工频单相交流制的缺点是，对电力系统引起的抚恤电流分量和高次谐波含量增加以及功率因数降低；对沿电气化铁路架设的通信线有干扰。

但是，经过技术方面和经济方面的综合分析比较，上述优点是主要的。

因此，我国电气化铁路采用工频单相25kV交流制。

1.3.2 牵引变电所的供电方式
(1)牵引变电所一次侧的供电方式
牵引变电所一次侧（电源侧，通常为110KV或220KV）的供电方式，可分为一边供电边供电和环形供电。

①一边供电
就是牵引变电所的电能由电力系统中一个方向的电厂送来。

②两边供电
就是牵引变电所的电能由电力系统中两向的电厂送来。

③环形供电
是指若干个发电厂、地区变电站通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一个环路中。

(2)牵引变电所向接触网的供电方式
单线区段
①一边供电；②两边供电。

双线区段
①同相一边并联供电；②同相一边分开供电；③双边扭结供电。

1.4小结
变电所是对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所,本章介绍了牵引变电所分类及其国内外现状，对其有了初步的了解。

第2章 牵引变电所主结线的选择
牵引变电气主接线是变电所设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。

主
接线的确定与电力系统整体及变电所本身运行的可靠性，灵活性和经济性是密切相关
的，而且对电气设备的选择，配电装置布置，继电保护和控制方式的拟定有较大影响。

因此必须合理的确定主接线。

电气主结线应满足的基本要求
①首先保证电力牵引负荷，运输用动力，信号负荷安全，可靠供电的需要和电
能质量。

②具有必要的运行灵活性，使检修维护安全方便。

③应有较好的经济性，力求减小投资和运行费用。

④应力求接线简捷明了，并有发展和扩建的余地。

2.1 高压侧电气主结线的基本形式
（1）单母线接线
图2-1单母线结线图
如图2-1所示，单母线接线的的特点是整个的配电装置只有一组母线，每个电源
线和引出线都经过开关电器接到同一组母线上。

同一回路中串接的隔离开关和断路
器，在运行操作时，必须严格遵守以下操作顺序：对馈线送电时必须先和1QS 和2QS
在投入1QF ；如欲停止对其供电必须先断开1QF 然后断开1QS 和2QS 。

单母线结线的特点是：（1）结线简单、设备少、配电装置费用低、经济性好并能满足一定的可靠性。

（2）每回路断路器切断负荷电流和故障电流。

检修任一回路及其断路器时，仅该回路停电，其他回路不受影响。

（3） 检修母线和与母线相连的隔离开关时，将造成全部停电。

母线发生故障时，将是全部电源断开，待修复后才能恢复供电。

这种结线方式的缺点是母线故障时、检修设备和母线时要造成停电；适用范围：适用于对可靠性要求不高的10~35kV 地区负荷。

(2)单母线分段结线
图2-2为用断路器分段的单母线分段结线图。

分段断路器MD 正常时闭合，是两
图2-2单母线分段结线图
段母线并列运行，电源回路和同一负荷的馈电回路应交错连接在不同的分段母线上。

这种结线方式的特点是：(1)分段母线检修时将造成该段母线上回路停电。

(2)进线上断路器检修时造成该进线停电。

适用范围：广泛应用于10~35kV 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 结线系统。

(3)采用桥形结线
当只有两条电源回路和两台主变压器时，常在电源线间用横向母线将它们连接起来，即构成桥型结线。

桥型结线按中间横向桥接母线的位置不同，分为内桥形和外桥形两种，如图2-3所示。

前者的连接母线靠近变压器侧，而后者则连接在靠近线路侧。

内桥形结线的线断路器分别连接在两回电源线路上，因而线路退出工作或投入运行都比较方便。

桥形母线上的断路器QF 在正常状态下合闸运行，1QS 和2QS 是断开的。

当线路1SL 发上故障时，1QS 和2QS 合闸，故障线路的断路器1QF 跳闸，其他三个元件（另一线路和两台主变压器）仍可继续工作。

内桥结线当任一线路故障或检
修时不影响变压器的并列工作。

由于线路故障远比变压器故障多，故这种界限在牵引变电所获得了较广泛的应用。

当内桥结线的两回电源线路接入系统的环形电网中，并有系统功率穿越桥接母线时，桥断路器（QF ）的检修或故障将造成环网断开。

为避免这一缺陷，可在线路短路器外侧安装一组跨条，如图中的虚线所示，正常工作时隔离开关将跨条断开，安装两组隔离开关的目的是便于它们轮流停电检修。

图中外桥形结线的特点与内桥刚好相反，当变压器发生故障或运行中需要断开时，只要断开它们前面的断路器1QF 或2QF ，而不影响线路的正常工作。

但线路故障或检修时，将是与该线路连接的变压器短时中断运行，须经转换操作后才能恢复工作。

因而外侨形结线适用于电源线路较短、负荷不稳定、变压器需要经常切换（例如两台主变中一台要经常断开或投入）的场合，也可用在有穿越功率通过的与唤醒电网连接的变电所中。

(a) 内桥形 (b) 外桥形
图2-3 内桥和外桥结线图
桥型结线能满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电器少，建造费用低，在结构上便于发展成单母线或具有旁路母线得到那母线结线。

即在初期按桥形结线，将来有可能增加电源线路数时再扩展为其他结线形式。

2.2 牵引负荷侧电气结线特点
牵引负荷是牵引变电所基本的重要负荷，上述电气主结线基本形式多数对牵引负荷侧电气结线也是适用的。

但考虑牵引负荷及牵引供电系统的下列特点，有针对性的在电气结线上采取有效措施，以保证供电系统的可靠性和运行灵活性。

(1) 由于接触网没有备用，而接触网故障几率比一般架空输电线路更为频繁，因此牵引负荷侧电气结线对接触网馈线断路器的类型与备用方式较一般电力负荷要求更高。

(2)
牵引侧电气结线于牵引变压器的类型（单相或三相）和接线方式以及主变压
2B
器的备用方式有关，在采用移动式变压器做备用的情况下，与移动变压器接入电路的方式有关。

(3) 与馈线数目、电气化铁路年运量、单线或复线，以及变电所附近铁路其他设施如大型枢纽站、电力机车段和地区负荷等的供电要求有关。

对于牵引侧母线本身，由于线路简单，引至馈线配电间隔为单相母线，实践证明很少发生故障，必须检修母线和母线上隔离开关时，可由临近变电所越区供电以代替被检修的母线或母线分段。

为合理解决馈线断路器的备用方式，牵引负荷侧电气结线有下列几种形式：①每路馈线设有备用断路器的单母线结线，如图3-8所示，考虑手车式气体断路器（或真空式）产品接触插头的互换性较差，不设移动备用，工作断路器检修时，即由备用断路器代替，这种方式在馈线数量较少时采用，操作转换较方便，但投资较大。

②每两路馈线设一公共备用断路器BQF ，通过隔离开关的转换，可使BQF 代替任一馈线短路器，并达到按单母线分段运行的作用，如图3-8所示，这种结线的缺点是隔离开关的转换太频繁。

③单母线分段带旁路母线的结线，考虑到馈线断路器检修时备用的需要，或者在某些情况下由于电力系统的缘故不允许两回电源线供电的变压器在牵引负荷侧并联运行，母线分段隔离开关经常处于断开位置，故需在每个分段母线上各设一台旁路断路器1BQF 、2BQF ，分别作为每段母线上连接的馈线断路器的备用，如图3-9所示，其工作原理于图3-10相同。

这种结线适用于馈线数目较多的复线，或靠近大型枢纽站向几个方向电气化铁路供电的单线牵引变电所。

牵引变压器的备用方式有移动备用和固定备用两种。

前者是整个供电段管辖的几个牵引变电所设置一台或数台可以动的公共备用变压器，供运行中的牵引变压器检修或故障时使用;后者是在每个牵引变电所安装固定的备用变压器，或者牵引变压器台数不变、而增大变压器容量，使在正常情况下一台工作，一台备用（称为固定全备用）。

根据技术经济的全面比较，在一般牵引变电所设有或不设专用铁路岔线作为变压器搬
图2-4 每路馈线设有备用断路器的单母线结线 图2-5 具有公共备用断路器的结线
运、检修的情况下，对于三相牵引变压器采用固定全备用的方式都是有利和可取的。

特殊情况下需作具体比较。

对于单相或V 形接线的牵引变电所，一般增加一台固定备用变压器，在牵引负荷侧电气结线只需增加一路电源进线及断路器与配电间隔，比较简单。

而采用移动备用变压器的情况下，对单相或V-V 形接线的单相变电所牵引
侧电气结线的构成，将产生较大影响。

2.3 电气主结线方案的分析
（1）110kV侧结线的选择
方案一：采用单母线结线
优点：结线简单清晰，使用设备少，经济比较好，而且在远期调整时线路变换更比较方便。

由于结线简单，操作人员发生误操作的可能性就要小。

缺点：不够灵活可靠，接到母线上任一元件故障时，均使整个配电装置停电。

方案二：采用内桥结线
优点：形结线能满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电器少，建造费用低，在结构上便于发展为单母线或具有旁路母线的单母线结线。

此结线方案适用于有系统功率穿越，线路检修停电机会较多，主变压器不需经常切换的牵引变电所。

缺点：经济性较单母线要差。

比较结论：作为牵引变电所，必须保证供电的可靠性和灵敏性，根据任务书的依据，采用内桥结线比较合理
（2）25kV侧结线的选择
牵引负荷侧一般采用单母线结线。

2.4 小结
电气主结线是牵引变电所的主体部分，本章主要介绍了牵引变电所单母线结线、单母线分段结线、桥形结线、等几种结线形式及特点，并根据设计任务书要求确定高压侧采用内桥形结线，牵引负荷侧采用单母线结线。

第3章牵引变电所变压器的选择
3.1 牵引变压器的分类
按牵引变压器的联接方式分为单相联结；单相V，v联结；三相V，v联结；三相Y N，d11联结和三相不等容量Y N，d11联结；斯科特联结等。

3.1.1 单相联结牵引变电所
单相牵引变电所的优点：牵引变压器的容量利用率可达100%；主结线简单，设备少，占地面积小，投资省等。

缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；对电力系统的负序影响最大；对接触网的供电不能实现两边供电。

这种联结只适用于电力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。

3.1.2 单相V，v牵引变电所
单相V，v牵引变压器的优点：牵引变压器容量利用率可达到100%；正常运行时，牵引侧保持三相，所以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；对电力系统的负序影响比单相联结小；对接触网的供电可实现两边供电。

缺点：当一台变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电臂的牵引网。

3.1.3 三相V，v联结牵引变电所
不但保持了单相V，v联结牵引变电所的主要优点，而且完全克服了单相V，v 联结牵引变电所的缺点。

最可取的是解决了单相V，v联结牵引变电所不便于采用固定备用即其自动投入的问题。

同时，三相V，v联结牵引变压器有两台独立的铁芯和对应绕组通过电磁感应进行变换和传递；两台的容量可以相等，也可以不相等；两台的二次侧电压可以相同，也可以不相同，有利于实现分相有载或无载调压。

为牵引变压器的选型提供了一种新的连接形式。

3.1.4 三相联结牵引变压器
又简称三相牵引变电所。

这种牵引变电所中装设两台三相,11N Y d 联结牵引变压器，可以两台并联运行；也可以一台运行，另一台固定备用。

其原理电路和相量关系分别如图2-6（a ）和（b ）所示
(a) (b)
图2-6 三相,11N Y d 连接牵引变压器原理电路和向量
三相,11N Y d 联结牵引变电所的优点是：①牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力；②能很好的适应当一个供电臂出现很大牵引负荷时，另一供电臂却没有或只有很小牵引负荷的不均衡运行情况；③三相,11N Y d 联结变压器在我国采用的时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格也较便宜；④一次侧YN 联结中性点可以引出接地，一次绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便。

对接触网的供电可实现两边供电。

缺点主要是牵引变压器容量利用率不高。

当重负荷相线圈电流达到额定值时，牵引变压器的输出容量只能达到其额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%。

3.2牵引变压器选择的分析
A
B
C
.31b U B U C ...I b
.
3.2.1选择原则
（1）为保证供电的可靠性，在变电所中，一般装设两台主变压器；
（2）为满足运行的灵敏性和可靠性，如有重要负荷的变电所，应选择两台三绕组变压器，选用三绕组变压器占地面积小，运行及维护工作量少，价格低于四台双绕组变压器，因此三绕组变压器的选择大大优于四台双绕组变压器；
（3）装有两台主变压器的变电所，其中一台事故后其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的70%以上，并保证用户的一级和二级全部负荷的供电。

3.2.2 牵引变压器的接线方式和台数的确定
考虑到该变电所为三相牵引变电所，与系统联系紧密，且在一次主结线中已考虑采用内桥结线方式，故选用采用三绕组变压器，高压侧为Y 形接线，中、低压侧为△连接。

由于牵引负荷属于一级负荷，并考虑备用，所以选用两台主变压器，一台自用电变压器。

通过本章的学习加深了对牵引变压器的基本知识的理解，对设计和以后的实际工程设计及研究工作奠定了理论基础。

3.2.3牵引变压器安装容量的确定和选择
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（额定容量优先系数为R10系列），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。

例如：单线电气化铁路近期年运量为1700万吨∕年，牵引定数G 为2100吨∕列，γ净取0.705，波动系数K 1取1.2，储备系数K 2取1.2，非平行列车运行图区间通过能力N 非=42对∕日。

供电臂1―n=3，∑A1=2005kV ·A ·h, ∑t u1 =28.3min
供电臂2―n=3，∑A2=1700 kV ·A ·h ，∑t u2= 27.3min 。

解：
第一步 计算列车对数N
净
γG K K N 36510421⨯Γ==3.45705.021003651017002.12.14
=⨯⨯⨯⨯⨯列∕日=23对∕日 第二步 计算I1av,I2av,I1e,I2e
()∑=⨯⨯⨯=⨯=--A A N I av 7710200523667.110667.13311
()∑=⨯⨯⨯=⨯=--A A N I av 6510170023667.110667.13322
1
111.11nP P K e -+==151.03151.01.11⨯-+=1.759 其中，151.0144033.28231=⨯⨯==
∑nT t N P u
T 为全日制时间，即1440min 。

2
221.11nP P K e -+==145.03145.01.11⨯-+=1.788 其中，145.01440
33.27232
2=⨯⨯==∑nT t N P u 所以，()
()
A I K I A I K I av e e av e e 11665788.113577795.1222111=⨯===⨯== 第三步 计算变压器的计算容量
()kVA
I I I I U K S av av e e t 76836577211613545.279.024********=⨯⨯++⨯⨯⨯=++=
采用简化公式：
()()()kVA I I U K S e e t 859411665.0113525.279.065.0221=⨯+⨯⨯⨯=+=
第四步 计算变压器校核容量
按非平行运行区间通过能力
非N 的要求进行校核。

计算对应于非N 的重负荷供电
臂（1）的最大电流Imax 。

275.0144033.28421
1=⨯⨯==∑nT t N P u 非 查附录C 图C —5曲线()p n f I ,max =得：
()A I I 40017035.235.2max =⨯== 其中，()A t A
I u 1703
.2820054.24.211=⨯
==∑∑ 计算对应于非N 的轻负荷供电臂（2）的有效电流。

432.1265.03265.01.111.11265.0144033.274222222=⨯-+=-+==⨯⨯=
=
∑nP P K nT t N P e u 非 ()
()
A I K I A A N I av e e av 170119432.111910170042667.110667.12223322=⨯===⨯⨯⨯=⨯=∑--非 三相联结变压器最大容量为：
()()()kVA I I U K S e t 2253517065.040025.279.065.022max max =⨯+⨯⨯⨯=+=
三相联结变压器校核容量：
()kVA K S S 150235.122535max ==
校 第五步 确定安装容量
由此得出变压器的安装容量为2×16000（kV A ）。

3.2.4 变压器备用方式的选择
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供，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入时，缩短运输时间。

在供电段所辖的牵引变电所不超过5—8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。