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直供加回流线供电方式牵引供电系统设计

摘　要

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转换成适合电力机车使用的电能。牵引供电系统的供电方式主要包括：直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式、CC供电方式等。DN供电方式以其结构简单，可靠性高，供电性能好，造价低等优越性广泛的应用于我国各枢纽地区的牵引变电所中。

对采用直供加回流供电方式的牵引供电系统进行设计主要做了如下工作：首先，设计主接线方案，对牵引变电所的主接线图进行了初步的绘制。然后，根据实际参数和设计要求进行负荷计算，选出合适的主变压器及自用电变压器。根据牵引变压器的接线形式进行短路计算。在短路计算中，根据主变压器不同的运行状态，分别计算了高低压侧的最大和最小短路电流。之后，按照一定的高低压设备选择原则进行该设计中高低压设备的选择与校验。然后对牵引供电系统配置并联无功补偿装置及继电保护装置和二次回路系统及防雷接地保护，最后用CAD软件绘制出合理严谨的一次系统图的图纸。

 

关键词：牵引变电所   DN供电方式　 继电保护     

Abstract

The traction substation is the heart of the electric railway power supply system, its main task is to convert the three-phase high-voltage electric convey from the power systems to the electricity which is fit for the electric locomotive. The style of the trctive power supply system mainly includes: Direct power supply, Booster-Transformer power supply, Auto-Transformer power supply, Coaxial Cable power supply and so on.The DN power supply way is widespread in the huge substation by its simple structure, the high reliability, the perfect power supply performance, the low cost and so on.

The design of traction power supply system with direct supply and return mode is mainly done as follows: firstly, the main wiring scheme is designed, and the main wiring diagram of traction substation is initially drawn. Then, according to the actual parameters and design requirements of the load calculation, select the appropriate main transformer and self - use transformer. Short circuit calculation according to the connection mode of traction transformer. According to different operation states of the main transformer, the maximum and minimum short circuit currents are calculated. After that, according to the selection principle of a certain high and low pressure equipment, the selection and calibration of the high and low voltage equipment is carried out. Then the traction power supply system configuration shunt reactive power compensation device and the relay protection device and the two circuit system and lightning protection and grounding protection, and finally use CAD software to draw a reasonable and rigorous system diagram of the drawings.

 

Key words: TtractionSubstation  DN power supply  Relay protection  

 

第1章  绪 论

1.1 课题研究的目的意义

在经济快速发展的今天，对交通运输的要求越来越高，而铁路运输占有了相当大的比重，随着电气化铁道事业的不断发展，牵引变电所作为电气化铁道供变电系统的重要组成部分，大量采用先进技术与新型设备，逐步实现监控自动化、远动化，运行管理智能化，性能检测及故障诊断现代化。DN供电系统是以基本型的直接供电方式为基础，在钢轨上并联架空回流线R，其并联点一般相距5~6km，这能使钢轨电位大为降低，因屏蔽作用，使通信的干扰得到较好地抑制，能降低感应干扰30%左右，还能降低牵引网阻抗，使供电臂延长约30%。由于DN供电系统具有牵引变电所和牵引网结构简单的特点，现阶段在我国各枢纽和地区内的高中速联络线、动车组走行线及动车段（动车运用所）车场线均采用带回流线的直接供电方式，研究和实践证明，DN供电系统牵引变电所以其技术经济的整体优势，将得到进一步采用。

1.2  国内外研究现状

1.2.1  国外研究现状

自1964年10月1日，世界上第一条高速铁路日本东海道新干线(东京至大阪)开通营业，全程515.4公里，直达旅行时间3小时，列车最高运营速度210公后里/小时，经过几十年的实践和发展，各国高速铁路的牵引供电系统都有了很大改进，达到了很高的水平，而且都各具特色，最具有代表性的是日本、法国和德国高速铁路的牵引供电系统。供电方式上日本、法国采用AT供电方式，德国、意大利和西班牙采用RT供电方式。电源电压等级上日本采用154kV、220kV和275kV三种电压等级；法国采用225kV；德国采用110kV；意大利采用110kV；接触网电压日本的标准电压为25kV，最高电压为30kV，最低电压为22.5kV；法国分别为25kV、27.5kV和18kV，德国分别为15kV、17kV和12kV。

1.2.2  国内研究现状

自2008年8月1日中国第一条350公里/小时的高速铁路——京津城际铁路开通运营以来，高速铁路在中国大陆迅猛发展。目前我国电力系统通常以110kV或者220kV的电压等级向电气化铁道供电，主要包括地方变电站或发电厂和交流高压输电线，由这两部分构成了电气化铁道的一次供电系统。牵引变电所、馈电线、接触网、钢轨和钢轨回流线等组成了牵引供电系统。其中牵引变电所是将电力系统供应的电能变为适于电力牵引及其供电方式的电能，其中的核心元件是牵引变压器，并设有备用。由于我国地域辽阔各地电网电压等级也有区别，所以供电方式及设备种类多样，有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、串联吸流变压器(BT)供电方式、自耦变压器(AT)供电方式。牵引变压器有单相、YNd11接线、Scott接线、伍德桥接线、阻抗匹配平衡接线、十字交叉接线等形式。由于供电方式不同，接触网结构类型也较多。

 

1.3  设计研究的内容

由于目前我国电气化铁路所采用的主要是直流式供电，该方式比较简单实用。采用直供加回流的供电方式，该方式是在直接供电时回路采用钢轨和架空回流线，提高回流效率。DN供电方式以其结构简单，可靠性高，供电性能好，造价低等优越性广泛的应用于我国各枢纽地区的牵引变电所中。对采用直供加回流供电方式的牵引供电系统进行设计主要做了如下工作：首先，设计主接线方案，对牵引变电所的主接线图进行了初步的绘制。然后，根据实际参数和设计要求进行负荷计算，选出合适的主变压器及自用电变压器。根据牵引变压器的接线形式进行短路计算。在短路计算中，根据主变压器不同的运行状态，分别计算了高低压侧的最大和最小短路电流。之后，按照一定的高低压设备选择原则进行该设计中高低压设备的选择与校验其中包括高低压侧断路器、高低压侧隔离开关、电流互感器、高压熔断器、电压互感器、避雷设备和自用变压器的选择与校验。然后对牵引供电系统配置并联无功补偿装置及继电保护装置和二次回路系统及防雷接地保护，最后用CAD软件绘制出合理严谨的一次系统图的图纸。

 

结论与展望

    本次毕业设计已顺利完成，通过此次的毕业设计我不但系统性的认识和掌握了牵引供电系统的相关知识，并且还自己学习了CAD的制图方法。本次设计我首先根据牵引变电所担负的任务进行了各种变压器的选择，从而确定了可靠性高、经济性好的接线方式；然后，进行短路电流计算，选择合适的电气设备；最后，根据需要配置了相关的二次系统及防雷接地等。

在此次的牵引供电系统设计中，由于时间比较紧以及原始资料不够完善，自己没有充分收集和补充，使无功补偿、牵引网水平校验、继电保护的整定等一些必要的设计不能进行精确地计算与设计。希望在以后的工作学习中能够完善自己的不足，提高自己的专业技能。

参考文献

[1] 李群湛,贺建闽.牵引供电系统(第2版)[M].成都:西南交通大学出版社,2010.

[2] 贺威俊,高仕斌,张淑琴,王勋.电力牵引供变电技术[M].成都:西南交通大学出版社,1998.

[3] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统(第3版)[M].成都:西南交通大学出版社,2009.

[4] 林永顺.电气化铁道供变电技术(一次系统)[M].北京:中国铁道出版社,2006.

[5] 陶乃彬.电气化铁道供变电技术(二次系统)[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[6] 张保会,尹项根.电力系统继电保护(第二版)[M].北京:中国电力出版社, 2010.

[7] 谭秀炳.铁路电力与牵引供电系统继电保护[M].成都:西南交通大学出版社,2007.

[8] 柯志敏,索娜.继电保护基础[M].北京:北京交通大学出版社,2010.

[9] 刘介才.工厂供电(第5版)[M].北京:机械工业出版社.2011.

[10] 刘介才.工厂供电设计指导[M].北京:机械工业出版社.2003.

[11] 刘曾良,刘国亭.电气工程CAD[M]. 北京:中国铁道出版社,2000.

[12] 铁道部电气化工程局第一工程处.电气化铁道施工手册 牵引变电所[M]. 北京:中国水利水电出版社,2002.

[13] IEC 61000-3-6 Electromagnetic Compatibility-part 3:limits-Section 6:Assessment of Emission Limits for Distorting Load in MV and HV Power Systems,1996.

[14] IEEE Standard 519-1981:IEEE Guide for Harmonic Control and Reactive Compensation of Static Power Converters. IEEE Product No.7971,1981.

 

 

目  录

第1章  绪论 1

1.1 课题研究的目的意义 1

1.2  国内外研究现状 1

1.2.1  国外研究现状 1

1.2.2  国内研究现状 1

1.3  设计研究的内容 2

第2章  变压器的容量计算及选择 3

2.1　牵引变压器的选择形式 3

2.2　牵引变压器的备用方式 3

2.4  牵引负荷计算 4

2.4.1  牵引变电所容量的计算原始资料 4

2.4.2  供电臂1，2平均电流的计算 5

2.4.3  供电臂1、2有效电流的计算 7

2.4.4  计算容量 8

2.4.5  校核容量 8

2.5  变压器的安装容量和台数 9

2.5.1 主变压器的选择 9

2.5.2 自用变压器的选择 10

第3章　牵引供电系统主接线设计 10

3.1　电气主接线的基本要求 11

3.2　牵引供电系统高压侧主接线的选择 11

3.3　　牵引供电电系统低压侧主接线的选择 12

3.3.1　主变压器牵引侧母线的接线方案 12

3.3.2　牵引侧馈线的接线 12

3.4牵引供电系统主接线方案的选择 13

3.4.1　电气主接线的方案初选 13

3.4.2　牵引变电所倒闸操作 14

第4章 　牵引变电所的短路计算 14

4.1　短路点的选取及短路计算 15

第5章　高压设备的选择 17

5.1　母线的选择 18

5.1.1  110kV侧进线选择 18

5.1.2  27.5kV侧母线的选择 19

5.2　断路器选取 20

5.2.1 　110kV侧断路器选取 20

 

5.2.2　27.5kV侧断路器选取 21

5.3　隔离开关的选取及校验 22

5.3.1　110kV侧隔离开关选取 22

5.3.2　27.5kV侧隔离开关选取 22

5.4电压互感器的选取 23

5.4.1  110KV侧电压互感器的选取 23

5.4.2  27.5KV侧电压互感器的选取 23

5.5　电流互感器的选取 24

5.5.1　110kV侧电流互感器的选取 24

5.5.2　27.5kV侧电流互感器的选取 25

5.6　避雷器的选择 26

第6章　并联无功补偿 27

6.1　并联电容补偿装置主接线 28

6.2　并联无功补偿 28

第7章　继电保护的设置及整定 30

7.1　继电保护的任务和要求 31

7.1.1　继电保护的任务 31

7.1.2　继电保护的基本要求 31

7.2　继电保护装置的组成 31

7.3　变压器的保护 32

7.3.1　牵引变压器继电保护整定 33

7.4馈线的保护 34

7.4.1距离保护 35

7.4.2电流速断保护 36

7.4.3电流增量保护 36

第8章　二次回路 38

8.1　二次回路操作电源的选择 38

8.1.1　二次回路操作电源的选择原则 38

8.2　监视、测量电路 38

8.2.1　测量装置的设计 39

8.2.2　电力测量回路 39

8.2.3　绝缘监察回路 39

8.3　断路器的操动机构 40

8.4　隔离开关的操动机构 40

8.5　断路器控制回路与信号装置的选择 40

8.6　牵引变压器保护控制回路 41

第9章　牵引变电所的防雷接地 43

9.1 牵引变电所防雷保护的意义 44

9.2 直击雷的防护 44

9.3 感应雷的防护 45

9.4 牵引变电所接地设置 45

结论与展望 46

参考文献 47

致  谢 48

附  录 50

附录A  外文资料 50

附录B  图纸 62