【正文】 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1動車論壇交流牽引變電所的負(fù)荷計算畢業(yè)論文第 1 章 緒論 電氣化鐵路組成鐵路電氣化已經(jīng)成為世界各國牽引動力現(xiàn)代化的主要方向，且各國都把它作為發(fā)展國家經(jīng)濟的重大技術(shù)措施之一，并納入國家長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。電氣化鐵路是由電力機車和牽引供電系統(tǒng)兩大部分組成。牽引供電裝置一般又分成牽引變電所和接觸網(wǎng)兩部分，所以人們又稱電力機車、牽引變電所和接觸網(wǎng)為電氣化鐵道的“三大元件” 。電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)本身并不產(chǎn)生電能，而是將電力系統(tǒng)的電能傳遞給電力機車的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力機車也必將全部取代蒸汽機車和內(nèi)燃機車，因此對牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計也必然要求越來越科學(xué)和合理。目前電氣化鐵路主要有四種電流制，即直流制、三相交流制、單相低頻交流制和單相工頻交流制。我國電氣化鐵道大多數(shù)采用網(wǎng)壓為 25KV 的單相工頻交流制。 國內(nèi)外電氣化鐵路現(xiàn)狀從世界各國鐵路發(fā)展史來看，電氣化鐵路的蓬勃發(fā)展已經(jīng)成為必然的趨勢。預(yù)計到 2022 年，世界上將有 23 個修建高速電氣化鐵路的國家和地區(qū)，里程將突破30000kM。預(yù)計到 2022 年，我國電氣化鐵路里程將達到 20220kM，到 2022 年將達到 26000kM，鐵路電氣化率將達到 %，電氣化復(fù)線率將增加到 %，電氣化鐵路承擔(dān)的客貨運量將占鐵路總運量的 65%以上。到那個時候，我國的 5 條主要繁忙大干線：京哈線、京廣線、京滬線、隴海線和滬杭浙贛線都將全線實現(xiàn)電氣化；八縱八橫 16 條主通道中將有 12 條基本建成電氣化鐵路；另外，還將修建多條電氣化客運專線；全國 6 個大區(qū)：西南、西北、華北、中南、東北和華東的電氣化鐵路石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計2將基本連接成網(wǎng)；而我國第一條高速電氣化鐵路(京滬高速電氣化鐵路)也將全面動工興建。屆時，我國的電氣化鐵路里程將躍居世界第二位。 電氣化鐵路的優(yōu)越性電氣化鐵路的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：(1)拉得多，跑得快，運輸能力大，可滿足重載、高速、大運量的鐵路干線和大陡坡、長隧道的山區(qū)鐵路運輸?shù)男枰?2)節(jié)約能源消耗，綜合利用能源。蒸汽牽引要燃燒優(yōu)質(zhì)煤，而內(nèi)燃牽引要以價格較高的柴油為燃料，其總功效并不理想。電力牽引從現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)取得電能，總功效是原來的一倍甚至幾倍，節(jié)約了能源消耗。同時，由于電力牽引是從電力系統(tǒng)取得電能，而電力系統(tǒng)可綜合利用水力、風(fēng)力、煤炭(包括劣質(zhì)煤)、天然氣、原子能等各種能源發(fā)電，所以電力牽引可以綜合利用各種能源，達到經(jīng)濟合理地使用國家能源的目的。 (3)經(jīng)濟效益好。首先，電力牽引的上述兩個優(yōu)點，能產(chǎn)生好的經(jīng)濟效益，大大降低運輸成本。而且電力機車不需添加燃料，速度快，宜跑長途，從而減少了檢修基地、機器設(shè)備和人員；同時，電力機車功率大，拉得多，跑得快，周轉(zhuǎn)時間短，減少了機車運用臺數(shù)；電力機車的電機和電器等運行可靠，檢修周期長、次數(shù)少等，這些都能促使運輸成本大大降低。(4)對環(huán)境無污染，勞動條件好，有利于實現(xiàn)凈化運輸。蒸汽機車和燃機車運行時，排出大量的煤煙和油煙，對人身體危害很大。而電力機車運行時，不會產(chǎn)生上述有害氣體。對環(huán)境無污染，鐵路乘務(wù)人員勞動條件好，旅客比較舒服，鐵路沿線居民不受煤煙、油煙之害，有利于實現(xiàn)凈化運輸。(5)有利于鐵路沿線實現(xiàn)電氣化，促進工農(nóng)業(yè)發(fā)展。牽引供電系統(tǒng)除了主要向電力機車供電以外，還可以解決無地方電源地區(qū)的鐵路其他用電，以及鐵路沿線的城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村小量用電。 本設(shè)計主要內(nèi)容簡介本次設(shè)計為交流牽引變電所的負(fù)荷計算。該牽引變電所為上、下行復(fù)線區(qū)段單邊供電，且采用直供加回流供電方式，主要內(nèi)容有：(1)牽引變電所的主接線形式本次設(shè)計的牽引變電所為高壓側(cè)采用橋式接線的三相牽引變電所，裝設(shè)兩臺同型號同容量的三相兩繞組牽引變壓器，且采用兩回路供電。石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計3牽引負(fù)荷側(cè)主接線采用隔離開關(guān)分段的單母線接線方式，其饋線采用饋線斷路器 100%備用的接線方式。(2)牽引變壓器的選擇根據(jù)所給原始數(shù)據(jù)，通過計算牽引變電所的饋線電流、計算容量、校核容量，并比較分析各種變壓器的優(yōu)缺點，進而正確合理地的選擇變壓器的型號及容量。本設(shè)計重點也在于此。由于時間倉促，設(shè)計者能力有限以及設(shè)計者缺少必要的實踐經(jīng)驗，此設(shè)計難免有不足之處，敬請各位老師指正。石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計4第 2 章 牽引變電所概述 電氣化鐵路供電系統(tǒng)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電所、接觸網(wǎng)、饋電線、軌道、回流線。一般把接觸網(wǎng)、饋電線、軌道、回流線叫做牽引網(wǎng)。因此電力牽引供電系統(tǒng)是由牽引變電所和牽引網(wǎng)構(gòu)成的向電力機車供電的完善的工作系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)一般由國家電力系統(tǒng)或發(fā)電廠用專門的高壓輸電線路供電。電力系統(tǒng)有許多種電等級網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，其中 110kV 及以上電壓等級的輸電線路，用區(qū)域變電所中的變壓器聯(lián)系起來，主要用于輸送強大電力，利用它們向電氣化鐵路的牽引變電所輸送電力，供電牽引用電。為了保證供電的可靠性，由電力系統(tǒng)送到牽引變電所高壓輸電線路為雙回線。雙回線互為備用，平時均處于帶電狀態(tài)，一旦一條回路發(fā)生供電故障，另一條回路自動投入，保證不間斷供電。電氣化鐵路供電系統(tǒng)包括以下幾個部分(如圖 21 所示):圖 21 電氣化鐵道供電系統(tǒng)(1)區(qū)域變電站或發(fā)電廠；(2)三相交流高壓輸電線，這兩部分可以稱為電氣化鐵路一次供電系統(tǒng)，其功能是發(fā)電、變電和輸電；(3)牽引變電所，把一次供電系統(tǒng)輸送來的三相交流高壓電能變換成較低電壓的適合電力機車使用要求的電能；(4)饋電線，把牽引變電所變換后的電能送到接觸網(wǎng)；(5)接觸網(wǎng)，把電能輸送到電力機車；(6)軌道、大地，作為牽引電流回歸通路；(7)回流線，把軌道、地中的牽引回歸電流導(dǎo)入牽引變電所的主變壓器；(8)電力機車。石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計5對電氣化鐵路供電系統(tǒng)的基本要求是：(1)保證向電氣化鐵路安全、可靠、不間斷的供電；(2)提高供電質(zhì)量，保證必需的電壓水平；(3)提高功率因數(shù)，減少電能損失，降低工程投資和運營費用；(4)盡量減少單相牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流、負(fù)序電壓和高次諧波的影響；(5)盡量減少對鄰近的通信線路的干擾影響。 牽引變電所概述牽引變電所是交流工頻單相電力牽引供變電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它包括供電系統(tǒng)中的開閉所、分區(qū)所和自耦變壓器所。這些供電設(shè)施構(gòu)成了電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是將電力系統(tǒng)輸送的三相高壓電變換成適合電力機車使用的電能。牽引變電所的任務(wù)是將電力系統(tǒng)三相電壓降低，同時以單相方式饋出。降低電壓是由牽引變壓器來實現(xiàn)的，將三相變?yōu)閱蜗嗍峭ㄟ^變電所的電氣接線來達到的。由于鐵路電力牽引屬于一級負(fù)荷，所以牽引變電所須由兩路高壓輸電線供電，并且在牽引變電所中設(shè)置兩臺牽引變壓器。牽引變電所的額定電壓，原邊通常為110kV(或 220kV)。副邊為 ，比接觸網(wǎng)的額定電壓高 10%；AT 供電方式牽引變壓器副邊額定電壓為 55kV 或 2。其中，三相 YN，d11 結(jié)線牽引變電所是我國電氣化鐵道目前采用多的一類。本次設(shè)計采用的即為三相 YN，d11 結(jié)線牽引變電所，它將 110kV 三相高壓電變換為 單相電，并供給牽引網(wǎng)。這種牽引變電所中裝設(shè)兩臺三相 YN，d11接線牽引變壓器，可并聯(lián)運行，也可以一臺運行，另一臺固定備用。其優(yōu)點是牽引變電所低壓側(cè)保持三相，有利于供應(yīng)牽引變電所自用電和地區(qū)三相電力。但其主要缺點是牽引變壓器容量不能得到充分利用。牽引變電所一次側(cè)(電源側(cè))的供電方式可分為一邊供電、兩邊供電和環(huán)形供電。一邊供電就是牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中一個方向的發(fā)電廠送來；兩邊供電是指牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中兩個方向的發(fā)電廠送來；環(huán)形供電是指若干個發(fā)電廠、地區(qū)變電站通過高壓輸電線連接成環(huán)形的電力系統(tǒng)。本設(shè)計采用一邊供電，它的電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定、電壓波動的幅度都較小。同時，由于本設(shè)計采用兩路電源進線，從而保證電氣化鐵路的供電不會中斷。牽引變電所按承擔(dān)供電臂的供電任務(wù)分類可分為集中供電方式和分散供電方式。每個牽引變電所單獨完成所轄區(qū)域供電臂供電任務(wù)的供電方式即為集中供電方式，石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計6通常設(shè)置兩臺變壓器；而分散供電方式就是每個牽引變電所除了正常完成所轄供電臂的供電任務(wù)外，尚能在事故或檢修的情況下承擔(dān)相鄰變電所所轄供電臂的供電任務(wù)，即越區(qū)供電，可設(shè)置一臺變壓器。本次設(shè)計采用集中供電方式，要求變電所有兩回路進線，且該兩回路進線應(yīng)來自不同的電源點。 牽引變電所主接線將三相電壓變?yōu)閱蜗嚯妷菏峭ㄟ^變電所的電氣接線來實現(xiàn)的。牽引變電所(包括開閉所，分段開關(guān)段等)的電氣主接線是指由主變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等各種電氣元件及其連接導(dǎo)線所組成的接受和分配電能的電路。電氣主接線反映了牽引變電所的基本結(jié)構(gòu)和功能。在運行中，它能表明電能的輸送和分配的關(guān)系以及變電所一次設(shè)備的運行方式，成為實際運行操作的依據(jù)。在設(shè)計中，主接線的確定對變電所的電氣設(shè)備選擇、配電裝置布置、以及變電所的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)都具有重大的影響。主接線要求應(yīng)可靠地保證對電力牽引負(fù)荷和地區(qū)負(fù)荷供電的需要，應(yīng)能減少投資和運行費用，應(yīng)保證運行靈活、檢修維護安全方便，應(yīng)力求接線簡單、明顯，操作簡便可靠。牽引變電所電氣主接線采用不同形式的母線即構(gòu)成不同的接線形式。從供電系統(tǒng)長期運行實踐中，主接線是根據(jù)變電所的容量規(guī)模、性能要求、電源條件及配電出線的要求確定的，其基本主接線形式有：單母線分段接線、帶旁路母線的單母線分段接線、雙母線接線、橋式接線、雙 T 式接線。本次設(shè)計的牽引變電所為高壓側(cè)采用橋式接線的三相牽引變電所主接線，裝設(shè)兩臺同型號同容量的三相兩繞組牽引變壓器。橋式接線根據(jù)連接橋所處位置的不同，又可分為內(nèi)橋式接線和外橋式接線。本設(shè)計采用的是內(nèi)橋式接線，同時為了提高內(nèi)橋式接線供電的可靠性和運行的靈活性，又在進線斷路器外側(cè)設(shè)置了一條帶隔離開關(guān)的橫向母線，稱之為外跨條。這種形式的主接線在兩條電源進線回路上均設(shè)有斷路器，任意一條電源線路故障時，另一條都可自行投入使用，不影響向牽引變電所的供電。它不但能滿足牽引變電所的可靠性，具有一定的運行靈活性，使用電器少，建造費用低，而且在結(jié)構(gòu)上便于發(fā)展為單母線或具有旁路母線的單母線結(jié)線。 牽引負(fù)荷側(cè)主接線采用隔離開關(guān)分段的單母線接線方式，其饋線采用饋線斷路器 100%備用的接線方式。單母線分段后可進行輪換檢修，既具有單母線接線簡單明顯，經(jīng)濟方便的優(yōu)點，又在一定程度上提高了供電可靠性。而饋線斷路器的 100%備用雖操作轉(zhuǎn)換較方便，但投資較大?？紤]到本設(shè)計中饋線數(shù)量較少，故采用此種備用方式。此外，牽引變電所的直流操作電源采用復(fù)式整流裝置。為提高整流電源的獨立石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計7性和可靠性，整流裝置的交流電壓除取自 側(cè)所用電變壓器 T3 外，還取自110kV 進線隔離開關(guān)外側(cè)設(shè)置的 110kV/ 的單相變壓器 0T，以便在正常和事故情況下都能可靠的向整流裝置供電。牽引變電所主接線圖見附錄 B。 牽引變電所主變壓器牽引變壓器是一種特殊電壓等級的電力變壓器，應(yīng)滿足牽引負(fù)荷變化劇烈、外部短路頻繁的要求，是牽引變電所的“心臟” 。牽引變電所內(nèi)的變壓器，根據(jù)用途不同，分為主變壓器(牽引變壓器)、動力變壓器、自耦變壓器(AT)、所用變壓器幾種；根據(jù)接線型式不同，又有單相變壓器、三相變壓器、三相二相變壓器等。動力變壓器一般是給本所以外的非牽引負(fù)荷供電，電壓等級一般為 ，容量從幾百至幾千 KVA 不等。自耦變壓器(AT) 是 AT 供電的專用變壓器，自身阻抗很小，一般沿牽引網(wǎng)每 10～20kM 設(shè)一臺，用以降低線路阻抗，提高網(wǎng)壓水平及減少通信干擾。本次設(shè)計中，根據(jù)用途，主要用到了三相主變壓器和所用變壓器。主變壓器是牽引變電所內(nèi)的核心設(shè)備，擔(dān)負(fù)著將電力系統(tǒng)供給的 110kV 的三相電源變換成適合電力機車使用的 的單相電的任務(wù)。由于牽引負(fù)荷具有極度不穩(wěn)定、短路故障多、諧波含量大等特點，運行環(huán)境比一般電力負(fù)荷惡劣的多，因此要求牽引變壓器過負(fù)荷和抗短路沖擊的能力要強，這也是牽引變壓器區(qū)別于一般電力變壓器的特點。而所用變壓器( 又稱自用電變壓器)是給本所的二次設(shè)備、檢修設(shè)備以及日常生活、照明負(fù)荷供電的設(shè)備，電壓一般為 ，容量從幾十至幾百KVA 不等，本所用變壓器電壓為 ，容量為 80KVA。另外，在變壓器發(fā)生事故或檢修時，變電所一般采用移動式或固定式備用變壓器。采用移動式備用時，牽引變電所需設(shè)置專用的岔線。由于本次設(shè)計的牽引變電所不設(shè)置專用的岔線，所以采用固定式備用變壓器。 牽引變電所向接觸網(wǎng)的供電方式對于單線區(qū)段，牽引變電所向接觸網(wǎng)供電的方式有單邊供電和兩邊供電；對于雙線區(qū)段，牽引變電所向接觸網(wǎng)供電的方式有同相一邊并聯(lián)供電、同相一邊分開供電和雙邊紐結(jié)供電。我國電氣化鐵路大多采用單邊供電方式，即牽引變電所向接觸網(wǎng)供電時，每一個供電臂的接觸網(wǎng)只從一端的牽引變電所獲得電能。從兩邊獲得電能的為雙邊供電，石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計8雙邊供電可提高接觸網(wǎng)末端網(wǎng)壓，但由于其故障范圍大、繼電保護裝置復(fù)雜等原因尚未廣泛采用。復(fù)線區(qū)段可通過分區(qū)亭將上下行接觸網(wǎng)聯(lián)接，實現(xiàn)“并聯(lián)供電” ，即同相一邊并聯(lián)供電，可適當(dāng)提高末端網(wǎng)壓。本次設(shè)計采用的是單邊同相一邊分開供電，它的開關(guān)設(shè)備、繼電保護和倒閘操作都比較簡單。 接觸網(wǎng)的供電方式 電力機車所需要的電力靠電氣化鐵路的電網(wǎng)提供。電氣化鐵路的供電方式有好幾種，廣泛采用的有直接供電(DF)方式、帶回流線的直接供電(DN)方式(如圖 21)、自耦變壓器(AT)供電方式、吸流變壓器(BT) 供電方式等。通常情況下，鐵路系統(tǒng)采用直接供電方式或帶回流線的直接供電方式。而對于運