【文章內(nèi)容簡介】 .改革開放后 ,國家確定了以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心的基本路線 ， 電氣化鐵道建設(shè)迎來了蓬勃發(fā)展的春天 ， 開始從山區(qū)向平原 ， 由標(biāo)準(zhǔn)低的邊遠(yuǎn)地區(qū)鐵路向主要長大干線發(fā)展 .“ 六 五 ” 期間修建了京秦線、成渝線、貴昆線貴陽南至水城西、太焦線長治北至月山等電氣化鐵道 .共計(jì) 2506km， 比過去 20石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 年修建的總 和還多 。“ 七五 ” 期間修建了 2764km電氣化鐵道 。 電氣化開始進(jìn)入隴海和京廣繁忙干線 ， 同時(shí)還修建了我國第一條以運(yùn)煤為主、開行萬噸重載列車、年運(yùn)量達(dá) 1 億 噸 的大秦電氣化鐵道 。 截止到 20xx 年十月我國電氣化鐵路總里程達(dá)到 26000km，點(diǎn)氣化率達(dá) %。 國外方面： 目前運(yùn)行的時(shí)速 200 公里以上高速列車的國家有日本、法國、德國、意大利、西班牙、比利時(shí)、荷蘭、瑞典、英國、美國、俄羅斯，正在積 極建設(shè)或規(guī)劃建設(shè)的還有瑞士、奧地利、丹麥、加拿大、澳大利亞、韓國、印度等國。 從國外已運(yùn)營和正在建設(shè)的高速鐵路來看，電力牽引采用工頻單相交流 25 kV 牽引制、最高運(yùn)行速度為 300 km/h 及其以上的高速鐵路中，全部采用的是 AT供電方式。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 本 設(shè)計(jì)的任務(wù)是完成石太客專陽泉北牽引變電所系統(tǒng) 設(shè)計(jì) ： (1)經(jīng)過方案比較確定本段牽引供電方案，區(qū)段供電的供電方式，變壓器接線方式[1]。 (2)通過既有數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，來選擇主變壓器安裝容量以及臺數(shù)。 (3)進(jìn)行短路計(jì)算，包括一次側(cè)短路計(jì)算、二次側(cè) 短路計(jì)算。并以此來進(jìn)行保護(hù)選擇，以及變電所中的斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器等電氣設(shè)備必須依據(jù)短路計(jì)算的結(jié)果。 (4)最后 ， 進(jìn)行牽引變電所的諧波的分析和無功功率補(bǔ)償分析 [2]。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 牽引變電所供電方案及主接線設(shè)計(jì) 外部電源供電介紹 山西電網(wǎng)是我國重要的火電基地，是我國北部“西電東送”的重要通道，電能輸出量高居全國第一，目前已經(jīng)形成 500 千伏電網(wǎng)為骨干、重點(diǎn)負(fù)荷區(qū)以 220千伏為環(huán)網(wǎng)的電網(wǎng)格局 ， 全省共有 500 千伏線路 11 條計(jì) 949 公里， 500 千伏變電站 5 座，變電容量 1200 萬千伏安； 220 千伏線路 124 條計(jì) 5232 公里， 220 千伏變電站 51 座，變電容量 萬千伏安。 到 20xx 年 底 ， 全 省電力裝機(jī)容量 達(dá) 到 2370萬千瓦 。 石太客專沿線 有 太原一廠 ( 萬千瓦 )、二廠 ( 萬千瓦 )、陽泉二廠 (250萬千瓦 )、陽光電廠 (120 萬千瓦 )、娘子關(guān) (40 萬千瓦 )和娘子關(guān)二電廠 (120 萬千瓦 )等電源點(diǎn) ， 擁有侯村 500kV 變電站和陽泉東等諸多 220kV 變電站，完全能夠滿足石太客專的牽引供電需要。 依據(jù) 山西省科電電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì) 的“ 陽泉北牽引變電所 外部電源配套工程可行性研究”文件，本設(shè)計(jì) 陽泉北 牽引變電所， 由溫池 220kV 地區(qū)變電站出雙回220kV 架空線供電。 如圖 21 所示。 圖 21 陽泉北牽引變電所供電分布圖 陽泉北牽引變電所采用帶跨條分段的兩路進(jìn)線接線方式，正常工作時(shí)用隔離開關(guān)將跨條斷開。安裝兩組隔離開關(guān)的目的是便于它們輪流停電檢修。 接觸網(wǎng)的供電方案的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知石太客專是復(fù)線鐵路，在我國普遍采用復(fù)線一邊供電方式。因此本線采用單邊末端并聯(lián)供電。兩相鄰接牽引變電所之間毗鄰的供電臂上、下行接觸網(wǎng)電壓皆屬同相。在接觸網(wǎng)供電分段的末端用分區(qū)亭中的斷路器連接起來，石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 形成復(fù)線單邊末端供 電。 單邊末端并聯(lián)供電時(shí)，機(jī)車由上、下行接觸網(wǎng)兩線路并聯(lián)供電，從而使每條接觸網(wǎng)中的電流減小，接觸網(wǎng)中的電壓損失和電能損失顯著減小，故目前普遍采用此種方式。在正常情況下，上、下行接觸網(wǎng)在 AT 所、分區(qū)所處并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)供電，在分區(qū)所設(shè)置越區(qū)開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電。 向電力機(jī)車的供電方案 牽引網(wǎng)向電力機(jī)車的供電方式有直接供電 (DF)方式、帶回流線的直接供電(DN)方式 、 自耦變壓器供電 (AT)方式、吸流變壓器供電 (BT)方式和同軸電力電纜供電 (CC)方式等 [3]。 AT 供電方式也就是采用自耦變壓器的 供電方式。這種方式由接觸網(wǎng)、鋼軌、正饋線和自耦變壓器組成供電回路，并在接觸網(wǎng)和正饋線之間每隔 1015 公里并入一臺自耦變壓器，其中心抽頭與鋼軌連接。在 AT 牽引變電所中，牽引變壓器將 220 千伏三相電降壓成單相 55 千伏，則鋼軌與接觸網(wǎng)間的電壓正好是自耦變壓器兩端的電壓的一半即 。 如圖 22 所示，這里的回流線為負(fù)饋線 F。 AT 并聯(lián)于牽引網(wǎng)中，不僅克服了BT 傳入方式中產(chǎn)生的 BT 分段方式的缺陷，還使供電電壓成倍提高，牽引網(wǎng)阻抗減小，供電距離增長，一般可達(dá) 10km(約為直接供電方式的 170%~200%)，牽引網(wǎng)上的電壓損失和電能損失都減小。還可以使鋼軌電位降低，從而抑制了通信干擾。能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車電流由左右兩側(cè)接觸我那個(gè)雙邊供電，越區(qū)供電能力大大加強(qiáng)。 圖 22 AT 供電方式 牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保安全可靠，本線坡度大，近期運(yùn)行 5000t 重載列車， AT 供電方式是一種適于高速、重載等大電流運(yùn)行的牽引供電方式。因此采用AT 供電方式。 牽引變電所主接線方式選擇 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 電氣主接線設(shè)計(jì)的基本要求 主接線是指由各種開關(guān)電器、電力變壓器、互感器、母線、電力電纜、并聯(lián)電容器等電氣設(shè)備按一定次序連接的接受 和分配電能的電路。它是電氣設(shè)備選擇及確定配電裝置安裝方式的依據(jù)，也是運(yùn)行人員進(jìn)行各種倒閘操作和事故處理的重要依據(jù)。概括地說，對主接線的基本要求主要有四個(gè)方面的內(nèi)容 :安全、可靠、靈活和經(jīng)濟(jì)。 安全包括設(shè)備安全及人身安全。要滿足這一點(diǎn)，必須按照國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的規(guī)定，正確選擇電氣設(shè)備及正常情況下的監(jiān)視系統(tǒng)和故障情況下的保護(hù)系統(tǒng)，考慮各種人身安全的技術(shù)措施?？煽烤褪侵鹘泳€應(yīng)滿足對不同負(fù)荷的不中斷供電，且保護(hù)裝置在正常運(yùn)行時(shí)不誤動、發(fā)生事故時(shí)不拒動，而且能盡可能的縮小停電范圍。為了滿足可靠性要求，主接線應(yīng)力求 簡單清晰。 靈 活是指用最少的切換，能適應(yīng)不同的運(yùn)行方式，適應(yīng)調(diào)度的要求，并能靈活、簡便、迅速地倒換運(yùn)行方式，使發(fā)生故障時(shí)停電時(shí)間最短，影響范圍盡可能縮減到最小。經(jīng)濟(jì)是指在滿足了以上要求的條件下，保證需要的設(shè)計(jì)投資最少。 因此，主接線的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足可靠性和靈活性的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理。主要應(yīng)從投資小、占地面積少、電能損耗小等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。 它反映了牽引變電所的基本結(jié)構(gòu)和功能。在設(shè)計(jì)中，主接線的確定對牽引變電所的電氣設(shè)備的選擇、配電裝置布置以及牽引變電所的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都具有重要的影響 [4]。 總的來說，對主 接線的要求主要是可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面。 變壓器接線的方案比較 三相 220kV 側(cè)主變壓器的接線方式是本次設(shè)計(jì)中的重要設(shè)計(jì)設(shè)備， 其接線方式的選擇對主接線有著非常大的影響，其接線形式有單相 V,v 接線變壓器、三相V,v 接線變壓器、三相 YN,d11 接線變壓器、斯科特接線變壓器等 [4]。 (1)單相 V， v 接線牽引變壓器接線 原理電路圖如圖 23 所示。牽引變電所裝設(shè)四臺單相 V,v 接線變壓器，其中兩臺并聯(lián)運(yùn)行，兩臺備用。單相 V,v 接線牽引變電所的特點(diǎn)： 牽引變壓器容量利用率可達(dá)到 100%； 正常運(yùn)行時(shí)，牽引側(cè) 保持三相，所以可供應(yīng)牽引變電所自用電和地區(qū)三相負(fù)荷； 主接線較簡單，設(shè)備較少，投資較??； 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響比單相接線??； 對接觸網(wǎng)的供電可實(shí)現(xiàn)雙邊供電。 23 單相 V， v 接線牽引變電所的原理電路圖 (2)三相 V， v 接線牽引變壓器接線 原理電路圖如圖 24 所示。三相 V,v 接線牽引變電所保持了單相 V,v 接線牽引變電所的主要優(yōu)點(diǎn)，最可取的是解決了單相 V,v 接線牽引變電所不便于采用固定備用及其自動投入的問題。同時(shí)，三相 V,v 接線變壓器有兩臺獨(dú)立的鐵芯和對應(yīng)繞組通過電磁感應(yīng)進(jìn)行變換和傳遞；兩臺的容量可以相 等，也可以不相等；兩臺的副邊電壓可以相同，也可以不相同，有利于實(shí)現(xiàn)分相有載或無載調(diào)壓 [5]。 圖 24 三相 V,v 接線牽引變電所的原理電路圖 (3)三相 YN,d11 接線牽引變壓器接線 這種牽引變電所中裝設(shè)兩臺三相 YN,d11 接線牽引變壓器，一臺運(yùn)行，另一臺石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 固定備用。其原理 如圖 25 所示 。 圖 25 三相 YN,d11 接線牽引變壓器原理圖 這種接線方式的特點(diǎn)： 運(yùn)行可靠方便；能很好的適應(yīng)山區(qū)單線電氣化鐵路牽引負(fù)載不平衡的特點(diǎn)；制造相對簡單，價(jià)格較便宜；牽引變壓器容量不能得到充分利用；與采用單相接線牽引變壓器的牽引變電所相比，主接線要復(fù)雜一些，工程投資較多，檢修維護(hù)工作量也有所增加。 (4)斯科特接線牽引變壓器 圖 26 斯科特接線牽引變壓器原理圖 這種接線方式通過兩臺斯科特接線牽引變壓器把對稱三相電壓變換成對稱二相 電壓，用其一相供應(yīng)一邊供電分區(qū)，另一相供應(yīng)另一供電分區(qū)。其原理 如圖 26所示 。 其特點(diǎn)是：當(dāng) T1 和 T2 兩個(gè)供電分區(qū)的負(fù)荷電流相等，功率因數(shù)也相等時(shí)斯科特接線變壓器的原邊三相電流對稱。牽引變壓器制造難度較大，一次側(cè)中性點(diǎn) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 不能抽出接地 (因?yàn)榻拥貢r(shí) T 變負(fù)荷會引起零序電流 )，必須采用全絕緣線圈，造價(jià)高 [6]。 方案比較結(jié)果： 經(jīng)比較，本設(shè)計(jì)選用三相 V, v 接線變壓器，相應(yīng)的變電所應(yīng)為三相 V, v 接線牽引變電所。 當(dāng)牽引變電所只有兩條電源回路和兩臺主變壓器時(shí)，常在電源線路間用橫向母線將它們連接起來，即構(gòu)成 橋形結(jié)線 。四個(gè)連接元件僅需三個(gè)斷路器，配電裝置結(jié)構(gòu)也較簡單。按中間橫向橋接母線位置不同可分為：內(nèi)橋形 ,外橋形 。本次設(shè)計(jì)接線采用內(nèi)橋接線方式。 牽引變電所 側(cè)采用單母線隔離開關(guān)分段接線型式，饋線采用上、下行饋線斷路器互相備用的方式；設(shè)置兩組并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置。 牽引 變電所位置的確定 (1)所址選擇原則 ： 架空電源進(jìn)線、饋出線上網(wǎng)走廊暢通； 盡量少占農(nóng)田，不占良田，公路便于引入所內(nèi)，且力求短捷，便于設(shè)備運(yùn)輸； 避免設(shè)在有嚴(yán)重污穢的地區(qū)； 盡量避開高填方、拆遷大量建筑物、隧道及高架橋處、名勝古跡以及有地下設(shè)施的地區(qū)； 牽引變電所的所址高程應(yīng)在百年一遇的洪水位之上；其余所的所址高程應(yīng)在五十年一遇的洪水位以上； 確定所址時(shí)，考慮與電臺、雷達(dá)站、機(jī)場、弱電線路以及地下管道、電纜、儲油設(shè)施等鄰近設(shè)施和周圍環(huán)境的相互影響。 根據(jù)以上原則結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行陽泉北牽引變電所的選址。牽引變電 所設(shè)置在露天，設(shè)置靠近負(fù)荷中心并且盡量離電源點(diǎn)近，這樣有利于減少電源線路的損耗 [7]。 分區(qū)所 ： 每個(gè)供電臂的上、下行接觸網(wǎng)之間用兩臺斷路器相聯(lián)，正常運(yùn)行時(shí)，斷路器閉合，實(shí)現(xiàn)供電臂上下行并聯(lián)供電。 在每個(gè)供電臂的兩臺斷路器內(nèi)側(cè)設(shè)有兩臺自耦變壓器，每臺自耦變壓器通過電動隔離開關(guān)聯(lián)接，互為備用。 當(dāng)正在運(yùn)行的自耦變壓器故障時(shí)，通過斷路器跳閘，使故障自耦變壓器退出運(yùn)行。 在每回進(jìn)線上均設(shè)置氧化鋅避雷器用于過電壓保護(hù)。 不同供電臂通過電動隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 柱上式分區(qū)所 ： 供電臂的上、下行通過接觸網(wǎng)電動隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn) 供電臂上下行并聯(lián)供電。 AT 所 ： AT 所與分區(qū)所的接線方案類同，通過 2 臺斷路器實(shí)現(xiàn)上、下行并聯(lián)供電，自耦變壓器通過電動隔離開關(guān)接在 2 臺并聯(lián)斷路器之間。 根據(jù)以上方案確定陽泉北牽引變電所位于東凌井與井陘北牽引變電所之間。牽引變電所按不設(shè)自耦變壓器， AT 所設(shè)兩臺自耦變壓器，一臺運(yùn)行，一臺備用；分區(qū)所設(shè)四臺自耦變壓器，兩臺投入運(yùn)行，兩臺備用。 分區(qū)所兼開閉所 ： 從上下行接觸網(wǎng)引入兩路電源，一主一備工作方式；母線為單母線分段接線方式，饋線采用帶旁路母線的接線型式 。陽泉北牽引變電所的大體位置可以確定下來，如圖 27 所示 。 圖 27 牽引變電所位置 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 3 章 牽引變壓器的選擇和負(fù)荷計(jì)算 設(shè)計(jì)依據(jù) 鐵路等級：客運(yùn)專線，近期兼顧貨運(yùn)； 正線數(shù)目：雙線； 速度目標(biāo)值：遠(yuǎn)期最高速度 250km/h ；近期最高運(yùn)營速度 200km/h ，中速列車 160km/h ，貨車最高速度 120km/h ； 最小曲線半徑： 5000m ； 正線線間距：一般為 ； 到發(fā)線有效長度： 1050m，雙機(jī) 1080m； 牽引種類：電力； 機(jī)車類型：客運(yùn)：高速列車，動車組；中速列車， SS9 ； 貨運(yùn)：大功率交流電力機(jī)車； 牽引質(zhì)量：客運(yùn)：高速列車 400 800t～ ，中速列車 900 1000t～ ； 貨運(yùn)： 5000t 列車最小追蹤間隔：客車 4min ，貨車 5min 牽引供電方式： AC 、單相、 50Hz 25kV、 ； 客車列車類型：電動車組 (單列 8 輛編組、重聯(lián) 16 輛編組 )、電力機(jī)車 (18 輛編組 )；