牵引变电所一次系统电气设备的选择_毕业论文

毕业设计（论文）

题目：110KV 牵引变电所一次系统电气设

学科专业：电气化铁道技术

班 级：电气化3122

学 号：[1**********]

姓 名： 党王胜

指导老师： 吕岚

起止日期：

目 录

1 引言.............................................................. 3

2 牵引供电系统...................................................... 5

2.1牵引供电系统简介............................................. 5

2.2 牵引变电所 .................................................. 5

2.3接触网....................................................... 5

2.4牵引变电所设计步骤........................................... 6

2.5影响牵引变电所设计的因素..................................... 6

3 牵引变压器及其接线............................................... 7

4 短路计算......................................................... 8

4.1三相对称短路电流的分析计算................................... 8

4.2短路的原因................................................... 9

4.3短路的危害及防范措施......................................... 9

4.4短路计算的目的及假设条件..................................... 9

5 短路电流的危害及措施............................................ 13

6 高压电气设备选择及校验.......................................... 15

6.1 母线的选择和校验 ........................................... 15

6.2 高压电气设备选择的原则 ..................................... 18

6.3 高压断路器的选择和校验 ..................................... 20

6.4 隔离开关的选择和校验 ....................................... 21

6.5 高压熔断器的选择和校验 ..................................... 23

6.6 支柱绝缘子及穿墙套管的选择和校验 ........................... 23

6.7电流互感器的校验............................................ 26

6.8 电压互感器的校验 ........................................... 27

结论............................................................... 29

致谢............................................................... 30

参考文献........................................................... 31

1 引言

采用电力机车为主要牵引动力的铁路称为电气化铁路，1879年5月31日在德国柏林举办的世界贸易博览会上，由西门子和哈尔斯克公司展出了第一条电气化铁路迄今已有120多年的历史。低能耗、高效率、高速度的电力牵引已成为世界各国铁路发展趋势，是铁路现代化的额标志。20世纪60年代，世界第一条高速电气化铁路------东京到大阪的新干线在日本建成，拉开了高速电气化铁道建设的新篇章。

随着电气化铁路的迅猛发展，我国在1961年8月15日第一条电气化铁路宝成线，即宝鸡------凤州段正式通车，从此揭开了中国电气化铁路建设的序幕。从第一条电气化铁路运营到现在的40多年里，特别是改革开放以来，中国的电气化铁道得到了迅猛的发展。到2006年7月1日既有京沪线化改造完成为止，电气化铁路已突破2.1万Km ，居亚洲第一，世界第二。是中国由电气化铁路大国迈进电气化铁路强国。

中国的电气化铁路采用了目前国际上普遍使用的先进的25Kv 单相工频交流制。其优点为：牵引供电系统的结构简单，牵引变电所损耗小、间距大、数目少，机车粘着性能和牵引性能良好，大大降低了建设投资和运营费用。

原始资料

2 牵引供电系统

2.1牵引供电系统简介

将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV （或220kV ）降到27.5kV ，经馈电线将电能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能，用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区亭之间的接触网（含馈电线）称供电臂。

牵引供电回路是由牵引变电所——馈电线——接触网——电力机车——钢轨——回流联接——（牵引变电所）接地网组成的闭合回路，其中流通的电流称牵引电流，闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧，处理不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线统称为牵引网。

牵引供电设备的检修运行由供电段负责，牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。供电调度通常设在分局和铁路局调度所。

2.2 牵引变电所

牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈出。降低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。

牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。我国牵引变压器采用三相、三相——二相和单相三种类型，因而牵引变电所也分为三相、三相——二相和单相三类。

随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。

2.3接触网

接触网是沿铁路沿线架设的特殊电力线路，电力机车受电弓通过与之滑动摩擦接触而授流，取得电能。所以两者均应保持良好的工作状态。

受电弓的运动状态是很复杂的，影响因素也很多。为了保证对其良好的供电，接触网结构本身应做到：

（1）接触线距钢轨面的高度应尽量相等，定位点及跨中与受电弓中心相对位置符

合要求；

（2）接触悬挂应有较均匀的弹性和良好的稳定性；

（3）良好的绝缘性能；

（4）适应气象条件的变化并能保持上述特性不应有很大的变化；

（5）接触网结构应力求轻巧简单，做到标准化，方便施工和运行维修；

（6）零部件标准化，轻便，耐腐蚀，可靠性高，

（7）接触线应有足够的耐磨性；

（8）主导电回路通畅。

2.4牵引变电所设计步骤

设计部门对牵引变电所的设计分为三个步骤，即初步设计、技术设计和施工设计。 在初步设计之前设计部门要进行方案报告、可行性研究，进行初测。这些完成后才能初步设计。

初步设计就是根据上级下达的任务书，以及初测资料确定的主要设计原则、技术标准、主要方案（含比较方案），并且画出主接线图、交流直流系统图，编写设计说明书，以及画出变电所房屋平面图，最后还须列出三表；主要设备表、主要材料表和主要工程数量表。

在初步设计后，便开始技术设计，这一阶段主要任务是画出图纸。如一次部分高压室设备平面图，墙上母线布置图，防雷接地平面图等。

最后是施工设计，除出上述图纸以外，还增加详细的安装大样图。

对于一个牵引变电所的设计又可具体分为以下、五个步骤：

首先，选择所址，这项工作主要考虑交通条件、生活方便情况、进出线方便情况等； 第二，外部电源的选取，一般采用不同方向两路同时能供电的独立电源；

第三，主接线设计及总平面布置；

第四，主要设备选型，这些设备包括：主变压器、断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关等；

第五，二次接线设计，它包括集中控制、测量、保护、信号等设计。

2.5影响牵引变电所设计的因素

影响牵引变电所设计的因素主要有两个因素：自身因素和自然因素。包括：

牵引变电所供电的区间线路近期、远期运量；

电力系统提供的电源；

电力系统容量

变电所一次侧短路容量Sd ，或者系统的网络结构；

可提供独立电源情况。

地区负荷

地区负荷包括铁路企业、车站、沿线附近地方负荷。

地形与气象

变电所的地形，进线、馈线方向；

气象：水位、风、冰雪、雷电日、土壤电阻率。

3 牵引变压器及其接线

工频单相交流电力机车是功率很大的单相负荷，必然会影响到三相电力系统的对称性。 因此牵引变电所的重要任务不仅是将电力系统送来的高压电变为电力机车所需的电压，而且还通过采用不同形式的变压器及其结线，使电力机车的单相负荷对电力系统的不良影响降低到最小。

为了实现上述功能，我国铁路牵引变电所不仅采用有普通的单相电力变压器、三相电力变压器，还特别采用了某些特殊变压器，主要为三相-两相平衡变压器，包括斯科特结线变压器、阻抗匹配与非阻抗匹配平衡变压器，以及我国台湾省采用的列勃兰克结线变压器。在国外，例如日本，还采用伍德桥结线和改进伍德桥结线的平衡变压器。

根据所采用的变压器的类型不同，牵引变电所通常又分为：单相牵引变电所（包括纯单相变电所i ，单相V ，V 结线和三相V ，V 结线变电所）；三相变电所；三相-两相变电所（包括斯科特结线变电所和阻抗匹配与非阻抗匹配结线变电所）。

牵引变压器原边额定电压为110KV-220KV ，副边额定电压为55KV 或27.5KV ，比牵引网额定电压高10%。

牵引变压器的容量较大，一般为数万KV ·A 或数十MV ·A ，例如容量为20000KV ·A ，即为20MV-A 。目前常用的额定容量等级有以下9种（MV ·A ）；即10，（12.5），16,20,25,31.5,40,50,63等。神（木）一朔（州）运煤干线的斯科特结线变压器容量达75MV ·A

上述容量等级是按R10标准系列设计。

由于牵引变压器的容量大、数量多，因此变压器的容量利用率就成为牵引变电所运行的重要经济指标。所谓容量利用率是指变压器的额定输出容量与额定容量之比，即

K=额定输出容量/额定容量

变压器的容量利用率低，不仅造成基本建设投资的浪费，还会额外增加运营成本。因为牵引用电除收取用电电度费用外，还按变压器容量收取基本电费。每千伏·安的基本电费为20元（人民币）。

为了提高牵引供电的可靠性，牵引变电所一般都安装两台变压器，即所谓冗余配置。每台变压器就能承担全部负荷。正常运行时，一台工作，另一台作为检修或故障时的备用。

本章对目前应用较多的几种牵引变压器结线形式，即单相变压器结线、三相变压器结线、斯科特结线和阻抗匹配及非阻抗匹配平衡变压器的工作原理作简单介绍。

4 短路计算

4.1三相对称短路电流的分析计算

1、短路的基本概念

短路的定义、类型及产生的一般原因

电气化铁道供电系统的主要任务是保证安全可靠地向电力机车供电。根据供电系统的运行经验，影响供电系统正常供电的主要原因是短路。

所谓短路就是不同电位导电部分之间的短接，例如一切相与想见、在大电流接地系统中相与地间的直接短接等。短路是供电系统中最常见的故障，也是最严重的一种故障。

通常，多数短路点都存在一定的过渡电阻，此种短路称为非金属性短路。由于过渡电阻的值受多种因素的影响，为简化分析，都将过渡电阻的值忽略，即按金属性短路考虑。在本书中所讨论的短路，凡无特殊申明者，均指金属性短路。

2、 短路的类型

短路有三相短路、两相短路、单相接地短路、两相短路接地等多种类型。其中三相短路为对称性短路，其余皆为不对称短路。显然，单相接地短路和两相短路接地只会在大电流接地系统中发生。下列表列出了各种短路的表示符号即发生几率。可见单相接地发生的几率最

4.2短路的原因

（1）自然灾害引起。例如带点部分遭受雷击，或因风雪引起的倒杆断线等均属于此类。

（2）因恶劣的工作环境而引起。例如变电所位于污染严重地区，绝缘子因受污染而击穿。

（3）因维护设备不善而引起。例如设备绝缘已老化，而未及时更换造成击穿。

（4）由于工作人员违章误操作而引起。例如接触网工带电挂接地线及未撤地线而送电等均属此类。

4.3短路的危害及防范措施

当供电系统发生短路时，由于系统的阻抗急剧减小，电流急剧增加、系统电压降压。短路时电流值达额定值的几倍或几十倍，有时电流达几十万安培。如此大的短路电流对电力系统将产生极大的危害。主要的危害有以下几个方面：

（1）短路的热效应和电动效应。当很大的短路电流通过电器设备和导体时，将使发热增加，并在导体间产生很大的机械应力。如持续时间过长，将引起发热超过允许值，危害设备的绝缘或直接使绝缘损坏。电动力会使导体及其支持装置产生变形，遭受机械破坏。

（2）短路时，由于系统电压急剧下降，严重危及用户电气设备的正常运行，造成产品报废及设备损坏。当牵引系统短路时，电压下降到允许最低工作电压（19kv ）以下时，供电区内的电力机车就不能起动，而使运输中断。

（3）接地短路时，将引起不平衡电流。这一不平衡电流产生的不平衡磁通，将在邻近的平行通讯线路上感应出附加电势，干扰通讯系统。严重时将危及通讯设备及人身安全。

（4）电力系统短路的最严重后果是引起系统解列。因为短路后，并列运行的各电厂电压下降程度和功率输出不同，如持续时间不长，则引起失去同步，破坏系统的稳定和正常运行，造成大片地区停电，使工农业生产和人民生活受到严重影响。

为了减少短路故障的危害，主要采取以下措施：

（1）减少短路发生的可能，根除短路危害。通常做法是正确设计、高质量的安装、精心维护、认真检修、定期进行绝缘预防性试验，及时消除设备缺陷、严明操作规程。

（2）限制短路电流，减少危害程度。通常的做法是在线路上接电抗器等。

（3）限制短路电流的危害时间和范围。通常的做法是在供电系统中装设性能良好的的继电保护装置，能在短路发生时，快速地将短路部分有选择地从系统中切除。将故障部分与正常部分隔离，使非故障部分正常工作，故障部分及时脱离电源。

（4）提高发电机的性能，增强系统稳定性。通常的做法是在发电机上装设自动调压装置。

4.4短路计算的目的及假设条件

在牵引变电所中，整个供电系统的设计和运行工作中，除了考虑正常的最大长期工作电

流与容许电压波动外，还必须以短路条件进行热稳定性和机械稳定性的校验。短路计算的目的就在于为变电所等供电装置的电气主接线及电气设备选择、比较提供必要的数据；为供电系统继电保护与自动装置的设计、动作参数整定，提供必要的数据；为保护接地装置的设计及运行过程中的事故分析提供必要的数据。

在分析研究供电系统的短路过程中，通常在保证满足一定精度要求前提下，采用一些基本假设，忽略一些次要因素，突出主要因素。使计算和分析大大简化。在一般情况下，对于各种类型的短路和系统中的电气元件，采用如下的基本假设：

（1）电力系统中所有发电机电势相角都相同，发电机间无交换电流。

（2）电力系统中元件的磁路不饱和，即系统中元件参数恒定不变，为线性电路。在计算机就可以应用迭加原理。

（3）一般电气元件的电阻略去不计。对高压网络来说，在整个短路回路中，元件总电阻R ∑与总电抗X ∑的值，一般总能满足R ∑≦1／3 X∑，略去电阻后求得的短路电流仅增大5%左右。这在实际工程中是允许的。

当短路发生的电缆线路或低压网络时，由于总电阻与总电抗之比值大于1/3，则应计及电阻。但为计算方便，不用复阻抗，而用阻抗的绝对值Z （Z=√R2+X2）进行计算。另外，当计算短路电流非周期分量的衰减时间常数时，应计及电阻的影响。

（4）电压等级为330kv 及以下输电线路的电容略去不计。

（5）变压器的激磁电流略去不计。

（6）电力系统是对称的三相系统。

（7）短路点没有任何阻抗，即发生“金属性短路”。

依照假设条件进行短路计算的一般程序是，首先按已知条件、要求和系统接线图，编制计算所必需的等效网络，并变换和化简等效网络，然后根据选定的短路计算方法，进行分析和计算。

标幺值及其应用

在供电系统的短路故障分析计算中，由于故障点的电压等级和系统各元件所处地点的电压等级不同，使元件参数折算比较麻烦。为了简化计算，通常供电系统的各种参数和物理量均采用标幺值进行计算。

（一）标幺值

1、标幺值的定义

在标幺制中，任何物理量的标幺值是该物理量的实际有名值与一预先选定的同一类物理量的基准值的比值。即 标幺值 实际有名值（任意单位） 基准值（与实际有名值同单位）

2、 标幺值的表示符号及表示方法

标幺值的表示符号，通常是在表示该量文字符号的右下角加标注“*”号。例如，电抗的标幺值表示为X*，容量的标幺量表示为S*。

标幺值的数值通常采用两种方法表示。一种是用实际比值表示，这个数可以表示成小数，也可以表示成百分数。例如某同步发电机的次暂态电抗标幺值为0.105时，可将此种形式表示为X"K*=0.105或X"K*=10.5%。另一种是采用百分数值表示，即以比值百分数的分子数表示，如某变压器的短路电压标幺值为0.05时，用百分值形式表示为UK=5%

显然，同一标幺值，分别表示成以上两种不同的形式，在数值上相差100倍，因而有以下换算关系：

F ≡

*

F %

100

*

F%=100F

式中 F*---任意电气量（可代表电压、电流、电抗）的标幺值； F%----任意电气量标幺值的百分值。 由于标幺值是两个同类量的比值，是一个无量纲的相对量，所以当一个电气量被表示为标幺值时，必须指出其对应的基准值。否则用标幺值表示将无任何意义。 2、 基准量的选择原则及方法

选择基准量的基本原则，应使由其所得的标幺值负符合电路基本定律。为此要求所选择的4个电气量（电压、电流、电容、阻抗）的基准量满足电路基本定律，即对于三相系统

U d ≡3I d Z d S d ≡3U d I d

对于单相系统

U d ≡I d Z d S d ≡U d I d

式中 Ud ---基准电压（V 或KV ） Id ---基准电流（A 或KA ） Sd ---基准容量（KV.A ） Zd —基准阻抗（Ω）

1、短路计算 110kV 侧

（1） 首先应该取短路点，按照分析可以把所有设备的计算归算到110kV 和

27.5kV 侧，从发电厂S c 到27.5KV 供电臂线路如图所示，因此只取两个短路点进行计算即可。 （2） 先计算110kV 侧:统一基准量，取S d =100MVA, 基准电压取短路计算元件可再电路的电网平均计算电压，即U d =Uav , 基准电压比可在电路的额定电压U N 高出5％，U d =1.05UN =1.05×110=115KV,计算各线路和变压器的阻 抗标幺值. 从

S C

到变电所F 可以经由两条路线. 如下图：

发电机X 1∑*=X ∑*⨯

S d 100

=0. 3⨯=0. 1 S GN 300

I *=

把Sc 当成无限大容量的电源. 那么取E*=1，

1X 1∑*

=

1

=100. 1

I d =

S d U d

=

100⨯115

=0. 502kA

I =I d ⨯I *=0. 502⨯10=5. 02kA

110KV 电网冲击系数冲击电流为 ：

k m =1.8

i ch =k m ⨯2⨯I =1. 8⨯2⨯5. 02=12. 7769kA

I ch max =1. 61I =1. 61⨯5. 02=8. 0822kA

短路电流最大有效值为： 2、短路计算27.5kV 侧

从发电厂到27.5KV 供电臂，线路等效电路如下图所示

变压器的阻抗：X 2=X 3=（KVA 或MVA ）

**

U d %S 10. 5100

×d =×=0.7 (其中S TN 为变压器额定容量

15100S TN 100

输电线的阻抗： X 4*=x 0l 电网平均电压（KV ）

S d 100

=0. 4⨯50⨯=2. 64 （其中U av 为输电线可在22

U av 27. 5

X ∑*=X 1∑*+

11

X 2*+X 4*=0. 1+⨯0. 7+2. 64=3. 09 取U d =Uav =27.5KV 22

I *=

1X ∑*S d 3U d

=

1

=0. 3236 3. 09

1003*27. 5

=2.099kA

I d =

=

I =I d ⨯I *=2. 099⨯0. 2331=0. 489kA

27.5kV 电网冲击系数取 冲击电流

k m =1.7

i ch =k m ⨯2⨯I =1. 7⨯2⨯0. 489=1. 1755kA

I ch max =1. 61I =1. 61⨯0. 489=0. 2983kA

短路电流最大有效值为:

5 短路电流的危害及措施

短路故障是破坏电力系统正常运行的常见原因，简要探讨短路故障的成因及短路电流计算的问题。

在电力系统的设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。实际运行表明，破坏供电系统正常运行的故障，多数为各种短路故障。所谓短路，是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短

接，或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接以及三相四线制系统中相与零线的短接等。当发生短路时，电源电压被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路电流。

三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。目前，三相短路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关键问题。然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同，这就有可能造成短路电流计算结论的差异和短路电流超标判断的差异，以及短路电流限制措施的不同。如果短路电流计算结果偏于保守，有可能造成不必要的投资浪费：若偏于乐观，则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。因而，在深入研究短路电流计算标准的基础上，比较了不同短路电流计算条件对短路电流计算结论的影响，以期能为电网短路电流的计算和限制提供更切合实际的方法和思路。

短路产生的原因及危害

产生短路的主要原因，是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的。例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等；运行人员错误操作，如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等；设备长期过负荷，使绝缘加速老化或破坏；小电流系统中一相接地，未能及时消除故障；在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区。未考虑电气间隙与爬电距离(应符合GB) 等。此外，在电力系统中的某些事故也可能直接导致短路，如电杆倒塌、导线断线等：或动物、飞禽跨越导体时也会造成短路。

短路电流越大，持续时间越长，对故障设备的破坏程度越大。短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏力，如果导体和它们的支架不够坚固，可能遭到难以修复的破坏：这样大的短路电流即使通过的时间很短，也会使设备和导体引起不能允许的发热，从而损坏绝缘，甚至使金属部分退火、变形或烧坏。短路时由于很大的短路电流流经过网路阻抗，必将使网路产生很大的电压损失。如为金属性短路，短路点电压为零，短路点以上各处的电压也要相应降低很多，一旦电压低于额定电压40％以上时，就会使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行解列，引起严重后果。接地短路时，接地相出现的短路电流为不平衡电流，该电流所产生的磁通将对邻近平行的通讯线路感应出附加电势，干扰通讯，严重时，将危及通讯设备和人身的安全。

为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要在供电系统中加装保护，以便在故障发生时，自动而快速地切断故障部分，以保障系统安全正常运行。这就需要我们准确的计算短路电流的大小。电力系统在运行中相与相之间或相与地(或中性线) 之间发生非正常连接(短路) 时流过的电流称为短路电流。在三相系统中发生短路的基本类型有三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。三相短路因短路时的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。在中性点直接接地的电网中，以一相对地的短路故障为最多，约占全部短路故障的90。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，由于电源供电回路阻抗的减小以及忽然短路时的暂态过程，使短路回路中的电流大大增加，可能超过回路的额定电

流许多倍。短路电流的大小取决于短路点距电源的电气距离，例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10～15倍，在大容量的电力系统中，短路电流可高达数万安培。短路电流的危害短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏四周设备和伤害四周人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，非凡是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。短路电流的限制措施为保证系统安全可靠地运行，减轻短路造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，可采用快速动作的继电保护和断路器，以及发电机装设自动调节励磁装置等。此外，还应考虑采用限制短路电流的措施，如合理选择电气主接线的形式或运行方式，以增大系统阻抗，减少短路电流值；加装限电流电抗器；采用分裂低压绕阻变压器等。主要措施如下：一是做好短路电流的计算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。二是正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断保护装置，以便发生短路时，能快速切断短路电流，减少短路电流持续时间，减少短路所造成的损失。三是在变电站安装避雷针，在变压器四周和线路上安装避雷器，减少雷击损害。四是保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定。五是带电安装和检修电气设备，注重力要集中，防止误接线，误操作，在带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。六是加强治理，防止小动物进入配电室，爬上电气设备。七是及时清除导电粉尘，防止导电粉尘进入电气设备。八是在电缆埋设处设置标记，有人在四周挖掘施工，要派专人看护，并向施工人员说明电缆敷设位置，以防电缆被破坏引发短路。九是电力系统的运行、维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电气设备，禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工，维护人员工作完毕，应立即拆除接地线。要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，迅速进行检修。

6 高压电气设备选择及校验

6.1 母线的选择和校验

母线的选择和校验

一、110KV 侧母线采用软母线 (35KV及以上电压级的屋外配电装置中，为了防止产生电晕，一般采用圆形截面的钢芯铝绞线（软母线）)

(1) 按最大长期工作电流选择母线截面

根据正常工作下持续发热容许温升的限制，应使最大长期工作电流小于

I xu ，即

I xu ≥I L .max ；最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑，则

I L .max =1.3I e =

==102.35A

其中: Se —变压器额定容量，其作为最大长期工作电流时容量 Ue —变压器额定电压，并为母线额定电压

由《电力牵引供变电技术》附录二附表3查出铝母线（LMR 型）15×3的允许载流量为I NU =156A（环境温度为θ0=25C 时），大于最大工作电流I Lmax ，故初选15×3=45mm截面的铝

2

︒

母线（单条平放）。

θs =θ0+(

(2) 校验母线的短路热稳定性母线在最大负荷时的温度

I L .max 2

) (θxu -θ0) xu

=25+() 2(70-25) =44.37︒

156 C

短路电流计算时间

t k =t 0+t a =0. 1+0. 1=0. 2s

短路周期分量电流热效应：

" 2

I K

Q p =

⎛+10⨯ I t K

⎝212⎫

⎪+I t 2

K ⎪5. 022+10⨯5. 022+5. 022⎭⨯t k =⨯0. 2=5. 0401kA 2⋅s

12

2

非短路周期分量电流热效应：

Q np =I z 2⋅T ft =5. 022⨯0. 064=1. 6128kA 2⋅S

短路电流热效应：

Q kt =Q p +Q np =5. 0401+1. 6128=6. 6529kA 2⋅S

︒

θ=44.37C ，在《电气化铁道供变电技术》中查图7-3中查得铝曲线L 由

A L =0.32⨯104

A K =A L +

114

()ϑ+ϑ=0. 32⨯10+P np S 245⨯10-3

2

(5. 0401+1. 6128)=0. 6485⨯104

在《电气化铁道供变电技术》中查图7-3可得当错误！未找到引用源。，对应铝母线曲线的纵坐标为80，即短路发热最高θk 错误！未找到引用源。200℃，表明所选截面的母线能满足热稳定性，说明：室外母线由于其相间距离较大，不效验动稳定。 二、27.5KV 侧母线选用矩形铝母线（室内选硬母线、室外选软母线）

(1) 按最大长期工作电流选择母线截面 （35KV 以下电压级的屋内配电装置中一般采用矩形截面的硬铝母线（硬母线））

I L .max =1.3I e ==1.3=409.4A

由《电力牵引供变电技术》附录二附表3查出铝母线40×4的允许载流量I xu =456A（环境温度为25时），大于最大工作电流I Lmax ，故初选40×4=160mm截面的铝母线（单条平放）。

2

︒

(2) 校验母线的短路热稳定性

θL =θ0+(

I L .max 2

) (θxu -θ0) xu

=25+() 2(70-25) =61.27︒C

456母线在最大负荷时的温度

其中： θ0—实际环境温度

θxu —允许发热温度

t K ≥0.2s 时

" 2

I K

Q p =

⎛+10⨯ I t K

⎝212⎫2⎪+I tk ⎪0. 4892+10⨯0. 4892+0. 4892⎭⨯t k =⨯0. 2=0. 0478kA 2⋅S

12

2

t K ≥0.1s 时

2

Q np =I Z ⋅T fi =0. 4892⨯0. 064=0. 0153kA 2⋅S

其中T fi 为非周期

分量电流的时间常数 Tfi ≈0.05～0.064

以Q kt 表示任意时刻短路电流i k 的热效应，短路电流热效应：

Q kt =Q p +Q np =0. 0478+0. 0153=0. 0631kA 2⋅S

︒4

θ=61.27C A =0.42⨯10由L ，在《电气化铁道供变电技术》中查图7-3得铝曲线L

114A k =A L +2(θp +θup )=0. 42⨯10+

S 160⨯10-3

4

()0. 0478+0. 0153=0. 4202⨯102

在《电气化铁道供变电技术》中查图7-3得A k =0.4203×10时，对应于铝母线曲线的

︒

纵坐标为64C ，即短时发热最高温度θk 错误！未找到引用源。200℃，表明所选截面的母

4

线能满足热稳定性。

当导体中通过短路电流时，导体间的电动力将急剧增加。若导体和绝缘子的机械强度不够时，将产生变形或损坏，也可能使闭合状态下的电路触头打开，造成重大事故。为防止这种现象发生，必须研究短路电流电动力的大小和特征，以便选用适当强度的电气设备，使其具有足够的电动力稳定性。

载流导体之间电动力的大小和方向，取决于电流的大小和方向、导体的尺寸、形状和相互间的位置及周围介质的特性。

(3)校验母线的机械稳定性 冲击电流

i ch =1. 7⨯2⨯0. 489=1. 1755kA

三相短路时相间电动力为：

1120(3)2

F (3)=1. 73i ch ⨯k x ⨯⨯10-7=1. 73⨯1. 17552⨯106⨯⨯10-7=0. 7172N

a 40

其中 ich —实际三相短路冲击电流

Kx —形状修正系数，K x ≈1 a,b,h分别为母线轴间距离，宽度，母线高度

母线平放及水平排列时，其抗弯模量为：

121

W =bh =⨯0.004⨯0.042=10.67⨯10-7m 3

66

由材料力学可知，对于单条矩形母线，当跨距数大于2时，母线的最大弯矩为：M=Ft/10 (N·m) 式中l —支柱绝缘子的跨距，m

F—母线承受机械力，N

M F ⋅10. 7172⨯1. 26

σ====0. 0807⨯10Pa -7

W 10W 10⨯10. 67⨯10母线的计算应力：

6σ

在《电气化铁道供变电技术》中查表7-4铝母线的允许应力为6.87⨯10Pa ，

满足机械稳定性。

6.2 高压电气设备选择的原则

1、按正常工作条件选择电气设备 额定电压选择

在选择电气设备时，必须使电气装置地点电路的最大工作电压高工作电压

U g

不超过电气设备的最

U max ，才能保证在正常运行情况下电器的绝缘不致破坏。即U g ≤U max

按额定电流选择

在选择电器时，为使发热不超过允许温度，就必须保证电器的额定电流不小于电器所在电路中最大连续工作电流，即

式中：

I L .max ≤I xu

I xu —电气设备的长期允许电流值

I L .max =1.3I e =

I

L .max —电路的最大长期工作电流

各电路的最大长期工作电流的计算见下表： 2、按短路情况校验电气设备的稳定 短路计算点的选择（见前） 短路计算时间的确定

短路的计算时间就是短路电流通过所选择电气设备的时间，它等于被校验电气设备所在电路的主保护动作时间t a 与该电路内断路器断路时间t 0之和，即 短路计算时间 t k =ta +t0 而t 0=tgu +thu (s)

t gu

—断路器的固有动作时间

t hu —电弧持续时间

空气断路器

t hu =0.01—0.02s 多油或少油断路器t hu =0.02—0.04s

3、短路热稳定校验 热稳定条件为

Q xu ≥Q d

Q xu —电器断路时允许的发热量，制造厂常以t s 内允许通过电流I t 所产生的热量

I t 2Rt 来表示，时间t 通常定为5s 或10s ，新断路器为4s

Q d —短路电流所产生的热量

222

Q =I ⨯t I ⨯t ≤I ⨯t d ∞∞t 由于; 故有：

4、动稳定校验

电器的动稳定度由制造厂规定的极限通过电流峰值

i gf

表示，它也称为电器的动稳定电

3i ch 流，在运行中，可能通过的最大电流是回路中可能发生的三相短路电流最大冲击值，因

此校验电器的动稳定时需满足：

式中：

3

i ch ≤i gf

或

I ch ≤I gf

i gf

、

I gf

—电器极限通过电流峰值和有效值

i ch 、I ch —短路冲击电流及其有效值

6.3 高压断路器的选择和校验

表3-1

因为该型号断路器U N =110KV UW =110KV 满足要求 (UW —可在电网的额定电压)

I N =1000A >I L max =102. 35A 满足要求

I g =32kA >I ch =24. 2729kA

满足要求

2

Q xu =I rt ⨯t =212⨯5=2205kA 2⋅S >Q kt =19. 0898kA 2⋅S 满足要求 （Q

—

kt

短路电流热效应）

S nk =3500MVA >S kt =3U N I Kt =3⨯110⨯15. 0751=2872. 1923MVA 满

足要求

所以，该型号户外高压断路器满足要求

二、27.5kV 侧选用LN1-27.5型的六氟化硫断路器，其技术数据见表3-2：

表3-2

因为该型号断路器U N =25KV

U g =25kV

满足要求

IN =600A﹥I Lmax =409.4A 满足要求

I g =14. 5kA >I ch =0. 943kA

满足要求

2

Q xu =I Nt ⨯t =8. 52⨯4=289kA 2⋅S >Q kt =0. 289kA 2⋅S

满足要求

错误！未找到引用源。=400KVA﹥S Kt =3U N I kt =×25×0.5858=25.3659MVA 满足要求

所以，该型号户内高压断路器满足要求

6.4 隔离开关的选择和校验

隔离开关选择：隔离开关应根据下列条件选择：额定电压、额定电流、安装地点、结构形式，此外还需要校验短路时的动稳定和热稳定。选择的方法和要求与选择断路器相同，但不需校验其断路能力。

表3-3

因为 UN =110KV

U g =110kV

满足要求

IN =600A ﹥I L max =102. 35A 满足要求

i g =50kA >i ch =38. 4415kA

满足要求

2

Q xu =I Nt ⨯t =142⨯5=980kA 2⋅S >Q kt =19. 0898kA 2⋅S 满足要求

所以，该型号高压隔离开关满足要求

(2) 110kV侧隔离开关选用GW4-110/600型技术参数见表3-4：

因为 UN =110KV

IN =600A ﹥I L max =102. 35A 满足要求

U g =110kV

满足要求

i g =50kA >i ch =38. 4415kA

满足要求

2Q xu =I Nt ⨯t =142⨯5=980kA 2⋅S >Q kt =19. 0898kA 2⋅S 满足要求

所以，该型号高压隔离开关满足要求

表3-6

因为该型号隔离开关 UN =35KV ﹥U g =27.5KV 满足要求 IN =600A ﹥I L max =409. 4A 满足要求

i g =50kA >i ch =1. 4084

满足要求

2

Q xu =I Nt ⨯t =142⨯5=980kA 2⋅S >Q kt =0. 0289kA 2⋅S 满足要求

所以该型号高压隔离开关满足要求

表3-6

因为该型号隔离开关 UN =35KV ﹥U g =27.5KV 满足要求 IN =600A ﹥I L max =409. 4A 满足要求

i g =64kA >

i ch =1. 4084kA

满足要求

2Q xu =I Nt ⨯5=252⨯5=3125kA 2⋅S >Q kt =0. 0289kA 2⋅S 满足要求

所以该型号高压隔离开关满足要求

6.5 高压熔断器的选择和校验

熔断器是用以切断过载电流和短路电流，选择熔断器时首先应根据装置地点和使用条件确定种类和型式；对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需要按额定电压和断流容量两项来进行选择。

表3-7 因为

U e =35kV >U g =27.5kV

满足电压要求

最大断流容量 错误！未找到引用源。=400KVA﹥S Kt =3U N I kt =×27.5×0.5858=27.9025MVA 满足开断能力所以该型号高压熔断器满足要求

6.6 支柱绝缘子及穿墙套管的选择和校验

支持绝缘子和穿墙套管用来支持和固定载流裸导体，并使载流裸导体与地绝缘，或使配电装置中处于不同电位的载流导体之间绝缘。因此，支持绝缘子与穿墙套管应具有足够的绝缘强度和机械强度，并能够耐热和不怕潮湿. 1. 按安装地点选择绝缘子和穿墙套管

一般屋内配电装置中选用屋内是绝缘子，屋外配电装置中选用屋外是绝缘子。根据安装

地点的污秽等级决定是否选用防污性绝缘子，并应满足下列条件：∂w ≥∂N

式中 错误！未找到引用源。————屋外支持绝缘子和穿墙套管的额定绝缘泄漏比例，mm/kV；

错误！未找到引用源。————不同污秽等级地区的绝缘泄漏比距，mm/kV 2、按电压条件选择支持绝缘子和穿墙套管

绝缘子能在超过其额定电压的10%~15%（对35kV 及以下的为15%，对110~220kV的为10%）的条件下可靠工作。所以，只要满足下列条件即可

错误！未找到引用源。≤错误！未找到引用源。

式中 错误！未找到引用源。————母线的工作电压；

错误！未找到引用源。————绝缘子、穿墙套管的额定电压。 3、按最大长期工作电流选择穿墙套管

穿墙套管的额定电流错误！未找到引用源。应大于或等于最大长期电流错误！未找到引用源。，即

错误！未找到引用源。≥错误！未找到引用源。

由于上式错误！未找到引用源。是按错误！未找到引用源。=40℃考虑的，当环境温度高于+40℃，但不超过+60℃时，穿墙套管的允许额定电流应按下式计算I ' N =I N ∙

85-0

85-40

式中 错误！未找到引用源。————使用时周围实际环境温度。

对于母线型穿墙套管，因本身不带导体，无需按长期工作电流选择，但要保证套管的形式与母线条的形状和尺寸相配合。 4、按短路时热稳定校验穿墙套管

由于穿墙套管接入电路中，在短路时，它和母线一样将承受短路电流的热效应和点动力效应。为了满足短路时热稳定的要求，只要满足下列条件即可：

错误！未找到引用源。=（错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。）≤错误！未

找到引用源。·t

式中 错误！未找到引用源。————短路电流热效应。

错误！未找到引用源。·t 为制造厂给定的短路时套管的允许发热量。制造厂通常以t s 内允许通过热稳定电流错误！未找到引用源。所产生的热量错误！未找到引用源。·t 表示，其值可查附表19-3获得。

5、按短路时动稳定校验支持绝缘子和穿墙套管。

短路时，支持绝缘子和穿墙套管所受电动力F max 不应使绝缘子和套管损坏。即

F max 错误！未找到引用源。≤0.6F N

式中 0.6————绝缘子和套管的潜在强度系数；

错误！未找到引用源。————绝缘子和套管的允许抗弯破坏负荷，N

1）110kV 侧支柱绝缘子选用ZS-110/3型，其参数见表3-8：

表3-8

支柱绝缘子机械稳定性校验： 绝缘子受力(取L=1.5m,a=2m)

11. 52

F max =1. 73i ch ⨯k x ⨯⨯10-7=1. 73⨯38. 44152⨯106⨯⨯10-7=191. 7379N

a 2

1l (3) 2-7

其中：F max =×3[i b ]∙×10 (N)

2a

F xu =

l 1(3) 2-7

×[i b ]∙1×10 (N) 2a

满足机械稳定性要求

2）27.5KV 侧支柱绝缘子选用ZA-35Y 型，其参数见表3-9： 表3-9

支柱绝缘子机械稳定校验：由前面计算知27.5kV 三相短路的相间电动力为

1. 00N

表3-10

穿墙套管热稳定校验：

2

Q xu =I rt ⨯t =72⨯5=245kA 2⋅S >Q kt =19. 0898kA 2⋅S 满足热稳定性要求

穿墙套管机械稳定性校验：由前面计算知27.5kV 三相短路的相间电动力为

1N

6.7电流互感器的校验

一、（1）110kv 侧需用LCW —110型瓷绝缘户外式电流互感器，电流比为100/5，其具体

表3-11

由《电力牵引供变电技术》附录二表13查得对应的额定容量为30V.A ，热稳定倍数Ku=150 （2）每相互感器二次负荷列于下表中，据此进行二次负载的计算与校验。

表3-12

由最大一相（B 相）负载为依据进行计算，取W2=W2e=30V.A 则可得导线电阻为Rd=30-3/5²-0.1=0.98Ω

铜导线ρ=0.018Ω.mm ²/m,L=l，则其截面S=ρL/Rd=0.018*50/0.98=0.918mm² 因此，选择截面为1.5mm 的铜导线，可满足要求。 （3）校验热稳定性

（Iie ×Kl ）²*t=(0.1*75) ²*1=56.25KA².S ＞Qd=0.2585 KA².S 满足热稳定性要求

（4）按√2 IIe*Ku ≥ich 的条件校验机械稳定性 √2 IIe*Ku=√2*0.1*150=21.2KA＞ich=2.52KA 校验作用于互感器绝缘瓷瓶帽上的机械应力：

设相间距离a=2m，互感器瓷套帽到最近支柱绝缘子间距离L=1.5m

则作用于瓷套帽尚德机械应力为： F=1/2×1.73×L/A* ich2×10-7=1/2×1.73×1.5/2×2520 ²×10-7=0.412N＜1800N

说明互感器对机械力的作用是稳定的，故选择的LCW —110型电流互感器能满足要求。 二、（1）27.5kv 侧选用LZBJ1-27.5型油浸绝缘电流互感器，电流比为100/5,其具体技

由《电力牵引供变电技术》附录二表13查得对应的额定容量为30V.A ，热稳定倍数Kt=141 （2）每相互感器二次负荷列于下表中，据此进行二次负载的计算与校验。

表3-14

由最大一相（B 相）负载为依据进行计算，取W2=W2e=30V.A 则可得导线内电阻为：Rd=30-3/5²-0.1=0.98Ω

铜导线ρ=0.018Ωm ㎡/m ，L=l，则其截S=ρL/Rd=0.018*50/0.98=0.918mm² 因此，选择截面为1.5mm2 的铜导线，可满足要求。 （3）校验热稳定性

（IIe ×Kt ）2×t=(0.4×100)2×1=1600KA2·S>Qd=0.5533 KA2·S 满足热稳定性要求

（4）按 IIe×Ku ≥ich 的条件校验机械稳定性 IIe×Ku= ×0.4×141=79.76kA> ich=3.633kA 校验作用于互感器绝缘瓷瓶帽上的机械应力：

设相间距离a=40㎝，互感器瓷套帽到最近支柱绝缘子间距离L=120㎝, 则作用于瓷套帽上的机械应力为： F=1/2×1.73×L/A* ich2×10-7=1/2×1.73×1.2/0.4×3633 ²×10-7=3.43N＜4500N

说明互感器对机械力的作用是稳定的，故选择的LZBJ1-27.5型油浸绝缘电流互感器能满足要求。

6.8 电压互感器的校验

（1）对于户外高压电压互感器选用JCC6-110型户外串级电压互感器 供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为1~1.5级。

表3-15

由于电压互感器装于110kv 侧只是用于电压监视，并不需要起保护作用，因为如果110kv 侧发生故障或事故是，其地方的电力系统会启动继电保护装置跳闸，将其故障或事故切除，因此选用JCC6-11O 型标准级1级，额定容量500V.A 的电压互感器便可以满足要求。

（2）27.5kv 侧选用JDJJ-35型的单相带接地保护的油浸式电压互感器 供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为3级。

供计费用的电压互感器的选择：型号同上，但准确级为0.5级。

表3-16

由于电压互感器装于27.5kv 侧，不仅要用于电压监视，而且还要起到保护作用，用于保护牵引网馈线上所发生的故障或事故，其准确级需要3级，因此选用JDJJ-35型准确级3级，额定容量600V.A 的电压互感器可以满足要求。

结论

本论文通过对牵引变电所一次系统主接线图的全过程设计，提出了一系列满

足现场实际和工程需要的技术要求，分析了变电站综合自动化所具备的功能以及发展过程和方向，在对市场和产品充分调研下，提出了基于总线型的分散分布式综合自动化系统是一种比较成熟和实用的系统，并进行了合理选型和组态，改良了产品中不符合现场需要的部分，完成了该变电站综合自动化系统的设计和实施。

通过牵引变电所一次系统主接线图的设计，了解了牵引变电所中的一些基本概述，对于短路计算的公式、数据等都有了理解。在选择设备型号及校验中，也有很大的收获，理解了设备的选择依据，有助于我们以后的选择以及校验！在设计过程中，尽管计算烦琐，但是通过这次课程设计，不但学到了许多新的知识，更重要的是形成了严谨的作风，对以后的学习和工作都有很大的帮助。

致谢

本论文在选题及设计过程中得到戴老师的悉心指导。吕老师多次询问设计

进程，并为我指点迷津，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。吕老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给我以终生受益无穷之道。对吕老师的感激之情是无法用言语表达的。

感谢王老师、吕老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。在此，我还要感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

一切即将结束，一切又将开始。踏上工作新的征程，我只有不懈努力，踏实奋进来报答所有关心、理解、支持、鼓励和帮助我的人！让生命成为感激！

有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！

谨致谢忱！

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参考文献

在论文研究过程中，需要广泛参阅资料文献，结合铁路的实际情况进行文献的收集与研究。主要参考文献有：

[1] 林永顺，《电气化铁道供变电技术 》 中国铁道出版社2006

[2] 简克良，《电力系统分析》 成都：西南交通大学出版社，1993

[3] 贺威俊，高仕斌，张淑琴 《电力牵引供变电技术 》 西南交通大学出版社，2005

[4] 杨保初，刘晓波，戴玉松 编著 《高电压技术》 重庆：重庆大学出版社，2001

[5] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院 电气化铁道设计手册，牵引供电系统[专著] 中国铁道出版社，1988