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1、第1章 绪 论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1。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。在高速、重载和繁忙干线电气化铁路，大多采用AT（自偶变压器）供电方式牵引变电所1。1.1 牵引变电所简介牵引变电所除了将电力系统三相电压降低，变换电压的作用外，还具有集中电能、分配电能和控制电能作用。牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，根据牵引负荷变化剧烈、外
2、部短路频繁的要求，一般把变电所分为以下3种：(1)枢钮变电所。它通常都有两个及其以上电源汇集，进行电能的分配和交换，从而形成电能的枢钮。此类变电所规模大，并采用三绕组变压器获得不同级别的电压，送到不同距离的地区。(2)地区变电所。其作用是供给一个地区用电。通常也采用三绕组变压器，高压受电，中压转供，低压直配。(3)用户变电所。此类变电所属于电力系统的终端变电所，直接供给用户电能。通常采用双绕组变压器。铁路牵引变电所就属于此类变电所2。牵引变电所主结线的设计选择对变电所电气设备选择、配电装置布置、继电保护配置和自动装置和控制方式选择等都有重大影响。此外，电气主结线对牵引供电系统运行的可靠、电能质
3、量、运行灵活性和经济性起着决定性作用。因此，电气主结线及其组成的电气设备，是牵引变电所的主体部分。1.2 应用前景 现电气化铁路除电力牵引供电系统和电力机车动车外，还应包括对供电设施集中监控的远动系统3。牵引供电设施分布在铁路沿线，运行管理复杂，早在20世纪50年代末和60年代初，国际上即开始研制并采用远动装置。随着电子技术的飞速发展，特别是计算机技术的引入，远动装置已逐步形成能日臻完善的系统（电力牵引供电系统的子系统）。远动系统的功能可归纳为“四遥”，即遥控、遥信、遥测和遥调。采用微机远动系统，可及时掌握供电设施的运行状态、节省人力和实现无人操作，防止误传指令和误操作，提高牵引供电的可靠性，
4、保证运输安全。AT供电方式牵引变电所由于馈线供电电压提高与25kV馈线电压相比，变电所间距离成倍扩大，主变压器容量相应增大（单机最大容量为63MV以上），采用斯科特接线主变压器有利于改善变电所的主要运行技术指标（电压水平和负序电流等），提高供电质量2。但牵引变电所主接线相对较复杂，使其一次投资费用增大。它适用于高速、重载和繁忙干线电气化铁路，例如在欧洲等一些国家的高速铁路牵引变电所应用较广泛。随着新世纪高速铁路在中国和世界上不少国家的推广和发展，AT供电方式牵引变电所以其技术经济的整体优势，将得到进一步采用4。1.3 本设计的主要内容确定牵引变电所高压侧的电气主接线的形式，并分析主变压器或11
5、0kV侧线路故障时运行方式的转换；确定牵引变压器的台数，备用方式和接线形式；确定55kV侧电气主接线；该变电所配置所需要的继电保护装置和测量装置；配置合适的过电压保护装置，防雷装置以及提高接触网功率因数的装置；画出复线区段牵引变电所的电气主结线图。1.4 对电气主结线的基本要求电气主结线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次结线或电气主系统。用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部节本组成和连接关系的接线图，成为主结线电路图。电气主结线是变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节。
6、对电气主结线的基本要求概括地说应包括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。(1) 可靠性 供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，停电会对国民经济各部门带来巨大的损失，往往比少发点能的价值大几十倍，会导致产品报废、设备损坏、人身伤亡等。因此，主结线的结线形式必须保证供电可靠。因事故被迫中断供电的机会越小，影响范围越小，停电时间越短，主结线的可靠程度就越高。研究主结线可靠性应注意的问题如下：考虑变电所在电力系统中的地位和作用。由于变电所是电力系统的重要组成部分，其可靠性应与系统要求相适应。变电所接入电力系统的方式。现代化的变电所都接入电力系统运行。其接入方式的选择与容量大小、电压等
7、级、负荷性质以及地理位置和输送电能距离等因素有关。变电所的运行方式及负荷性质。电能生产的特点是发电、变电、输电、用电同一时刻完成。而负荷的性质按其重要性又有I类、II类、III类之分。当变电所设备利用率较高，年利用小时数在5000h以上，主要供应I类、II类负荷用电视，必须采用供电较为可靠的结线形式。设备的可靠程度直接影响着主结线的可靠性。电气主结线是由电气设备相互连接而组成的，电气设备本身的质量及可靠程度直接影响着主结线的可靠性。因此，主结线设计必须同时考虑一次设备和二次设备的故障率及其对供电的影响。(2) 灵活性 电气主结线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。不仅正常运行时
8、能安全可靠地供电，而且在系统故障或电气设备检修及故障时，也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使停电时间缩短，并使影响范围最小化。(3) 经济性 在设计主结线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主结线可靠、灵活，必然要选高质量的设备和现代化的自动装置，从而导致投资的增加。因此，主结线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。一般从以下方面考虑：投资省：主结线应简单清楚，节省断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等一次设备；使继电保护和二次回路不过与复杂，节省二次设备和控制电缆；限制断路电流，以便于选择廉价的电气设备和轻型电器；如能满足系统安全运行及
9、继电保护要求，110kV及以下中断或分支变电所可采用简易电器。占地面积小。主结线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少。电能损失少。在变电所中，正常运行时，电能损耗主要来自变压器，应经济合理地选择变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。此外，在系统规划设计中，要避免简历复杂的操作枢纽，为简化主线路，变电所接入系统的电压等级一般不超过两种。1.5 电气主结线的设计原则设计变电所电气主结线时，所遵循的总原则：符合设计任务书的要求；符合有关的方针，政策和技术规范、规程；结合具体工程特点，设计出技术经济合理的主结线。为此，应考虑下列情况：(1)明确变电所在电力系统中的地位和
10、作用各类变电所在电力系统中的地位是不同的，所以对主结线的可靠性、灵活性和经济性等的要求也不同，因此就决定了有不同的电气主结线。(2)确定变压器的运行方式有重要符合的农村变电所，应装设两台容量相同或不同的变压器。农闲季节负荷低时，可以切除一台，以减小空载损耗。(3)合理地确定电压的等级农村变电所高压侧电压普遍采用一个等级，低压侧电压一般为1-2个等级，目前多为一个等级。(4)开关电器的设置在满足供电可靠性要求的条件下，变电所应根据自身的特点，尽量减少断路器的数目。特别是农村终端变电所，可适当采用熔断器或接地开关等简易开关电器，以达到提高经济性的目的。第二章 电气主结线设计电气主结线和高压配电装置
11、是牵引变电所主结线设计的主体部分。本章将通过对主结线的基本要求、主结线基本形式和各个结线的特点来进行分析和设计，并满足设计的需要。2.1 高压侧电气主结线分析高压侧电气设备其形式与电力系统整体及变电所运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定有很大的影响。所以高压侧主结线的选择对于整个设计来说占着十分重要的位置。2.1.1 高压侧电气主结线的形式高压侧电气主结线由于汇流母线的形式不同即构成不同的结线形式：单母线结线、双母线结线、桥形结线和简单分支结线等。(1) 单母线结线单母线结线的特点是整个配电装置只有一组母线，每个电源线和引出线都经过
12、开关电器接到同一组母线上，如图2-1所示。图2-1 单母线结线供电电源是变压器或高压进线回路。母线既可以保证电源并列工作，又能使任一条出线回路都可以从电源获得电能。每条引出线回路中都装有断路器和隔离开关，靠近母线侧的隔离开关2G称作母线隔离开关，靠近线路侧的1G成为线路隔离开关。由于断路器具有开合电路的专用灭弧装置，可以开断或闭合负荷电流和开断短路电流，故用来作为接通或切断电路的控制电器。隔离开关没有灭弧装置，其开合电流能力极低，只能用作设备停运后退出工作时断开电路，保证与带电部分隔离，起着隔离电压的作用。所以，同一回路中在断路器可能出现电源的一侧或两侧均应配置隔离开关，以便检修断路器时隔离电
13、压。若馈线的用户侧没有电源时，断路器通往用户侧可以不装设线路隔离开关。但如果费用不大，为了防止过电压的侵入，也可以装设。同一回路中串接的隔离开关和断路器，在运行操作时，必须严格遵守下列操作顺序：如对馈线送电时，须先合上隔离开关1G和2G，再投入断路器1DL；如果想要停止对其供电，则必须先断开1DL，然后再断开1G和2G。单母线结线的优缺点：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。每回路由断路器切断负荷电流和故障电流。检修断路器是，可用两侧隔离开头是断路器与电压隔离，保证检修人员的安全。任一用电回路可从任何电源回路取得电能，不致因运行方式的不同而造成相互影响。检修母线和与
14、母线联结的隔离开关时，将造成全部停电。母线发生故障，将是全部电源回路断开，待修复后才能恢复供电。检修任一回路及其断路器是，仅该回路停电，其他回路不受影响。当母线故障时、检修设备和母线时要造成停电，仅适用于对可靠性要求不高的1035KV地区负荷。 (2) 双母线结线为了避免单母线分段在母线隔离开关故障或检修时，连接在该段母线上的回路都要在检修期间长时间停电而发展成双母线，如图2-2所示。这种结线具有两组母线，即工作母线1M和备用母线2M。两套母线通过母联断路器（MD）连接起来，每条电源线路和馈电线路经断路器后用两只隔离开关分别与两套母线联结。正常运行时，仅母线1M工作，所有与1M连接的隔离开关闭
15、合，而与2M连接的所有隔离开关断开，母联断路器MD打开。这种结线适用于牵引变电所电源回路较多（四回路以上），且具有通过母线给其他变电所输送大功率供电回路的场合，对于110KV以上电压的变电所母线，如线路较多且检修断路器不允许停电，则可采用具有旁路母线的双母线结线。图2-2 双母线结线双母线结线的特点分析：优点：供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任一回路的母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条回路和与此隔离开关相恋的该组母线，其它回路均可通过另外一组母线继续运行，但其操作步骤必须正确。调度灵活。各个电源和各个
16、回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。通过倒闸操作可以组成各种运行方式。无备用断路器的情况下，检修任一断路器时，可通过一定的转换操作用母联断路器代替被检修的断路器，而停电时间很短。这时电路按单母线具旁路母线的结线运行，被检修断路器两侧用导线跨接。具有较好的运行灵活性，还可按单母线分段的结线运行，只需将一部分电压回路和馈电回路接至一套母线，而将其余回路接入另一套母线，通过母联断路器使两套母线连接且并列运行。扩建方面。向双母线左右任何方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工中，也不会造成原有回路停电。当有双汇架空线路时，可以
17、顺序布置，以致联结不同的母线段时，不会如但母线分段那样导致出线交叉跨越。缺点：隔离开关数量多，增加了电气设备的投资。当母线故障或检修时，隔离开关作为倒闸操作电器，容易误操作。为了避免误操作，需在隔离开关盒断路器直接装设闭锁装置。当馈线断路器或线路侧隔离开关故障时停止对用户供电。(3) 桥形结线桥形结线的最大特点是使断路器的数量较少，一般采用断路器数目等于或小于出线回路数，从而结构简单，投资较小。当牵引变电所只有两条电源回路和两台主变压器时，常在电源线路间用横向母线将它们链接起来，即构成桥形结线，如图2-3所示，(a)为内桥结线，(b)为外桥结线。这种结线中，四个链接元件仅需三个断路器，配电装置
18、结构也较简单。(b)外桥(a)内桥图2-3 桥型结线内桥结线如图2-3(a)所示，内桥结线的连接桥断路器设置在内侧。其余两台断路器接在线路上。因此线路的切除和投入比较方便，而且当线路发生短路故障时，仅故障线路的断路器断开，不影响其它回路运行。此外，变压器切除和投入的操作比较复杂，需切除和投入与该变压器连接的两台断路器，也影响了一回未故障线路的运行。连接桥断路器检修时，两个回路需解列运行。当输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需经常切除时，采用内桥接线比较合适。外桥结线如图2-3(b)所示，外桥结线的特点与内桥结线正好相反。联结桥断路器设置在外侧，其它两台断路器接在变压器回路中，线路故障和进
19、行切除以及投入操作时，需动过与之相得两台断路器并影响一台未故障变压器的运行。但变压器的切除和投入时，不影响其它回路运行。当出线较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换时，采用外桥结线的方式比较合适。，桥形结线能够满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电气少，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。即在初期按桥形结线，将来有可能增加电源线路回数时在扩展为其他结线形式。(4)简单分支结线如图2-4所示，对于某县中间式（或终端式）牵引变电所，如采用从输电线路分支连接（又称T形连接）的电源线路，且进线线路较短，变电所高压母线无穿越功率通过的情况下，上述桥形界限的桥路
20、断路器没有任何作用，但考虑运行的灵活性，可在两电源线路间保留带有隔离开关的跨条，形成如图的简单结线或称双T形结线。这种结线与桥形结线相比，需用高压电器更少，配电装置结构更简单，分支线路进线不设继电保护。任一电源线路故障，则由输电线路（1SL或2SL）两侧继电保护动作，使两端断路器（3DL和4DL）跳闸而断开。但双回输电线路分支连接变电所的数目应有限制，分支线数过多，对可靠性的影响相对增大，并对线路（1SL等）继电保护的整定造成困难。图2-4 简单分支结线2.1.2 高压侧电气主接线的设计在复线AT牵引变电所中，牵引变电所有两路110KV的电源进线，而桥型结线恰好满足两条电源回路的要求，故在此选
21、择桥型结线。但是桥型结线由于中间横向母线的位置不同而分为内桥接线和外桥接线两种，由于设计要求提出，牵引变压器不需要经常切换。外桥接线的母线连接在靠变压器侧，适用于变压器故障较多的场所，变压器要经常切换；而内桥接线的母线则连接在靠线路侧，适用于线路故障较多的场所，不需要经常切换变压器，故在此选内桥接线。2.1.3 高压侧线路故障时运行方式的转换内桥结线的线路断路器1DL、2DL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。当线路发生短路故障是，仅故障线路的断路器自动跳闸，其他三个元件（另一线路和两台主变压器）仍可继续工作。但当任一主变压器（例如1B）故障时，与故障变压器1B连接
22、的两台断路器1DL和2DL都必须断开，从而使结线在短时间内按线路变压器组（2SL2B）方式运行，另一线路（1SL）暂时中断供电。但随着用隔离开关将故障变压器隔开后，线路1SL即可恢复供电。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要多，故这种结线在牵引变电所获得了较多广泛的应用。当内桥结线的两回电源线路接入系统的环形电网中，并有穿越功率通过桥接母线时，桥路断路器（QD）的检修或故障将造成环网断开。为避免这一缺陷，可在线路断路器外侧安装一组跨条，如图中虚线所示，正常工作时用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。2.2 牵引变压器主
23、结线分析2.2.1 牵引变压器的结线形式牵引变压器的结线形式主要有：单相联结牵引变电所、单相V,v联结牵引变电所、三相V,v联结牵引变电所、三相YN，d11联结牵引变电所、斯科特连接牵引变电所等。(1) 单相联结牵引变电所工作原理：如图2-5中所示。图2-5单相联结牵引变电所牵引变电所装设两台单相联结牵引变压器，可以两台并联运行，也可以一台运行，另一台固定备用。牵引变压器的一次侧只接入三相电力系统中的两相；二次侧一端与牵引侧母线连接，另一端与轨道及接地网连接。牵引变电所两供电臂由同一相（图中为AB）供电。牵引负载对电力系统而言属于纯单相负载。优点：容量利用率可达100%；主接线简单，设备少，占
24、地面积小，投资少，投资小等。缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电，在电力系统中，单相牵引负荷产生的负序电流较大，对接触网的供电不能实现双边供电。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的由地方电网得到供应的场合，并要按全绝缘设计制造。(2) 单相V,v联结牵引变电所，其原理电路如图2-6所示。图2-6 单相V,v联结牵引变电所原理电路图牵引变电所装设两台单相联结牵引变压器1T和2T，作V,v联结。1T和2T的一次侧分别接入电力系统的BC相和AC相；二次侧各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，各有另一端与轨道及接地网连接。BC相向左边供电臂的牵引网供电，AC相向右边供电
25、臂的牵引网供电，即通常所说的60接线。由于牵引变压器二次绕组电流等于供电臂电流，因此，供电臂长期允许电流就等于牵引变压器二次侧的额定电流，牵引变压器的容量能得到充分利用。特点：牵引变压器容量利用率可达100%；在正常运行时，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；主结线较简单，设备较少，投资较省。对电力系统的负序影响比单相结线少；对接触网的供电可实现双边供电.缺点：当一台牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电臂的牵引网。这就需要一个倒闸过程，即把故障变压器原来承担的供电任务转移到正常运行的变压器。在这一倒闸过程完成前，故障变压器原来供电的供电臂牵引网中断供电
26、，这种情况甚至会影响行车。即使这一倒闸过程完成后，地区三相电力供应也要中断。牵引变电所三相自用电必须改用劈相机或单相三相自用变压器供电。实质上变成了单相结线牵引变电所，对电力系统的负序影响也随之增大。(3) 三相V,v联结牵引变电所工作原理如图2-7所示：图2-7三相V,v联结牵引变电所这种牵引变电所中装设两台三相V,v联结牵引变压器，一台运行，一台固定备用。三相V,v联结牵引变压器是近年来新研制的产品，它是将两台容量相等或不相等的单相变压器器身安装于同一油箱内组成的。原理电路如图2-7所示。一次绕组接成固定的V联结，V的顶点（A2与X1连接点）为C相，A1 ，X1分别为A相、B相。二次绕组四
27、个端子全部引出在油箱外部，根据牵引供电的要求，既可接成正“v”，也可接成反“v”。接成正“v”时，a2与x1连接为c相，即正“v”的顶点；a1,x2分别为a相、b相。接成反“v”时，a1与x2连接为c相，即反“v”的顶点；x1，a2分别为a相、b相。在牵引变电所中安装时，三相V,v联结牵引变压器一次侧A,C,B三相分别接入电力系统中的三相；二次侧c相与轨道、接地网连接，a相、b相分别接到牵引侧两相母线上，然后分别向对应的供电臂牵引网供电，也是60接线。特点：三相V,v结线保持了单相V,v结线变压器的主要优点，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
28、于采用固定备用及其自动投入的问题。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。(4)三相YN，d11联结牵引变电所工作原理：这种牵引变电所中装设两台三相YN，d11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。其原理电路如图2-8所示。一、二次侧对应线圈相互平行；一、二次侧对应线圈的同名端在同一侧；二次绕组的c端子接轨道、地回路。在牵引变电所中安装时，三相YN，d11联结牵引变压器的高压侧通过引入线接到三相电力系统的高压输电线上；低压侧的一角c与轨道、接地网连接
29、，另两个角a和b分别接到牵引侧两相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电。由图2-8可知，供应左边供电臂牵引网的电压是U()ac(U()a),供应右边供电臂牵引网的电压是U()bc(-U()c)。由于U()ac(U()a)和 U()bc(-U()c)之间的相位角为60，故也是60接线。优点：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。能很好的适应当一个供电臂出项很大牵引负荷时，另一个供电臂却没有或只有很小牵引负荷的不均衡运行情况。三相YN，d11双绕组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，价格便宜。对接触网的供电可实现两边供电。缺点：牵引变压
30、器容量利用率不能得到充分利用，只能达到额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%。与采用单相结线牵引变压器的牵引变电所相比，主接线要复杂一些，用的设备，工程投资也较多，维护检修工作量及相应的费用也有所增加。适用于：山区单线电气化铁路牵引负载不平衡的场所。 图2-8 三相YN，d11联结牵引变电所原理电路图和相量关系(4)斯科特连接牵引变电所：图2-9斯科特连接牵引变电所这种牵引变电所中装设两台斯科特连接牵引变压器，可以两台并联运行；也可以一台运行，一台固定备用。斯科特联结牵引变压器实际上也是由两台单相变压器按规定连接而成。一台单相变压器的原边绕组两端引出，分别接到三相电力系统的两相，称
31、为M座变压器；另一台单相变压器的原边绕组一端引出，接到三相电力系统的另一相，另一端到M座变压器原边绕组的中点O，称为T座变压器。这种结线型式把对称三相电压变换成对称二相电压，用两相中的一相供应一边供电臂，另一相供应另一边供电臂。原理电路如图2-9所示。该图中M座变压器一次侧绕组匝数，电压分别用w1 ,U 1M 表示，两端分别接入电力系统的B，C相；副边绕组匝数，电压分别用w2 ，U 2M表示，向左边供电臂供电。T座变压器原边绕组匝数，电压分别为（/2）w1,U 1T，一端接在M座变压器原边绕组的中点O，另一端接到接到电力系统的A相；二次绕组匝数，电压分别为 w2 ，U 2T ，向右边供电臂供电
32、。一、二次电流如图中标示。由图可知，T座和M座二次匝数相同，都是w2，一次匝数不同，T座原边匝数是M座的/2。实际中，通常把两台单相变压器绕组装配在一个铁芯上，安装在一个油箱内。特点：优点：当M座和T座两供电臂负荷电流大小相等，功率因素也相等时，斯科特结线变压器原边三相电流对称。变压器容量可全部利用；能供应牵引变电所自用电和站区三相电力（用逆斯科特结线变压器把对称两相电压变换成对称三相电压）。对接触网的供电可实现两边供电。缺点：斯科特结线牵引变压器制造难度较大，造价较高。牵引变电所主结线复杂，设备较多，工程投资也较多。维护检修工作量及相应的费用有所增加。而且斯科特结线牵引变压器一次T接地（O点
33、）电位随负载变化而产生漂移。严重时有零序电流流经电力网，可能引起电力系统零序电流继电保护误动作，对邻近的平行通信线可能产生干扰，同时引起牵引变压器各相绕组电压不平衡，而加重绕组的绝缘负担。为此，该结线牵引变压器的绝缘水平要采用全绝缘。2.2.2 牵引变压器的结线形式的设计在AT牵引变电所中，牵引变电所是向复线电气化铁路进行供电的，同时还要求向牵引变电所提供三相自用电，即可进行双边供电，而除了单相联结牵引变电所外其它几种结线方式都可实现双边供电；由于复线电气化铁路上经过的列车大多数是整流型电力机车，牵引负荷的功率因数较低，电压损失较大，通过对比，斯科特结线变压器容量可全部利用，能供应牵引变电所自
34、用电和站区三相电力，对接触网的供电可实现两边供电。虽然也存在着一些缺陷，但从变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性出发，故斯科特结线为最佳选择。2.2.3 牵引变压器的台数根据实际情况考虑，由于铁路电力牵引属于一级负荷，所以牵引变电所须由两路高压输电线供电，并且在牵引变电所中设置两台牵引变压器。有两台主变压器，可保证供电的可靠性，避免一台变压器故障或检修时影响正常供电，保障供电安全。2.2.4 牵引变压器的备用方式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。从我国的电气化铁路历史来看，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
35、方式，称为移动备用。移动备用是整个供电段管辖的几个牵引变电所设置一台或数台可移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。(2) 固定备用：采用加大牵引变压器容量或增加台数作为备用的方式，称为固定备用。固定备用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。(3)结论：在变电所中，变压器选用两台，由于变压器选用斯科特结线，一台备用一台工作，故在此选择固定备用方式。2.3 55kv侧电气主结线分析牵引负荷是牵引变电所基本的重要负荷，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，
36、必须检修母线和母线上隔离开关时，可有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以下几种形式：2.3.1 55kv侧电气主结线的形式(1) 每路馈线设有备用断路器的单母线结线如图2-10所示，考虑手车式气体断路器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。图2-10每路馈线设有备用断路器的单母线结线(2) 每两路馈线设一公共备用断路器BD通过隔离开关的转换，可使BD代替任一馈线断路器，并达到按单母线分段带旁路母线的作用，如图2-11所示， 这种结线
37、的缺点是隔离开关的转换太繁琐。图2-11 具有公共断路器的结线(3) 单母线分段带旁路母线的结线图2-12 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路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1BD、2BD，分别作为每段母线上连接的馈线断路器的备用，如图2-12所示，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。2.3.2 55kv侧电气主结线的设计由于设计要求是复线牵引变电所，两台变压器一台使用一台备用，馈线数目较
38、多，当设备检修时，需要备用馈线断路器，故在此选择单母线分段带旁路母线的结线。2.4 小结通过对各个结线形式的分析，确定了高压侧采用的是内桥结线，因内桥不需经常切换变压器，并且还满足两条电源进线的要求。在变压器侧则选择的是斯科特结线，斯科特结线的容量利用率可达100%，可实现双边供电，由于是斯科特结线，需要两条变压器，故变压器的备用方式是一台运行一台备用的固定备用方式。通过对55kV侧电气结线的分析，也同时确定了55kV侧选用单母线分段带旁路母线的结线方式。 第3章 主结线各个装置的设计3.1 测量装置的设计变电所中装设测量系统，是保证一次电气设备经济运行和一、二次设备安全可靠工作所必须的，而为
39、了保障牵引变电所运行的可靠性与经济性，准确有效地反映各种电器设备的运行状况，在变电所的二次设备主结线中，应设置测量装置。牵引变电所装设的测量表，按其功用大致划分为下列两类：(1) 对各种电气设备的运行状况或供电质量进行监视性的测量，如电流表、电压表、功率因数表能。(2) 对变电所供电运行要求的各种经济性指标进行的计量性测量，如有功、无功电度表以及主变压器的铜损、铁损表计等。通常牵引变电所要求设置的测量表计，其配置与用途概况如表2-4-1所示：表2-4-1牵引变电所主要测量表计功用及其配置电路名称测量表计配置用途电源进线三只或者一只电流表一只三相有功功率表监视三相负荷的大小，平衡情况以及三相功率
40、主变压器三只或者一只电流表三只单相（或一只三相）有功电度表三只单相无功电度表铜损与铁损表监视负荷的大小，平衡情况以及计量电能消耗等牵引网馈电线一只电流表监视负荷情况动力变压器一只电流表一只三相有功电度表监视负荷情况以及计量电能消耗10kv动力馈线一只电流表一只三相有功电度表监视负荷情况以及计量电能消耗10110kv及以上电压母线三只或一只电压表监视母线电压牵引电压母线每相一只电压表（直流仅一只）监视母线电压并联补偿电容器组电流表一只无功电度表监视补偿电流以及计量补偿无功能耗测量表设置的一般原则为：（1）按测量用途不同，对表的精确度有不同要求。用作计量型测量的标记，其精确度要求较高，一般不低于0
41、.5级。用作监视性测量的表精确度较低，一般在13级间。（2）无特定规定或必要，一般可不再高压侧进行计量型测量，以便尽可能节省设置高压仪用互感器。但由于电力系统结线的需要及发展，往往要求高压侧设置计量性测量装置。（3）为了减少连接导线电阻对测量表准确度造成的误差，标记的设置应尽量靠近有关互感器。（4）为降低造价、节能以及便于监视观察，应尽可能减少测量表计数量。由于牵引负荷的不对称性，电能表适合采用三只单相瓦时计组的量度方式。有功、无功瓦特表（或称功率表）用以对系统功率分配进行监测。还可以根据有功瓦特表、电流表、电压表的瞬时值，经换算得到瞬时功率因数值。有功瓦时计即有功电度表用以统计计算用电能表。
42、根据有功、无功瓦时计的累积数据，可以确定用户在一个时期的平津功率因数，电能表是专门用于计量某一时间段电能累计值的仪表，又叫电度表。它有感应式电能表和电子式电能表。作为测量电能的专用仪表，在电力系统的发电、供电和用电等各个环节中广泛应用。3.2 过电压保护装置的设计过电压是指在电气线路或电气设备上出现的超过正常工作要求的电压。在电力系统中，按过电压产生的原因不同，可分为内部过电压和雷电过电压两类。3.2.1 内部过电压内部过电压是由于电力系统内的开关操作、发生故障或其他原因，使系统的工作状态突然改变，从而在系统内部出现电磁振荡而引起的过电压。内部过电压又分为操作过电压和谐振过电压等形式。(1)
43、操作过电压操作过电压是由于系统中的开关操作、负荷周边或由于故障而出现断续性电弧而引起的过电压。这类过电压时间短、幅值高。操作过电压与系统接线、中性点接地方式、开关性能有着密切的关系。操作过电压的产生一般是由于开关灭弧能力不强，触头具有重燃现象的结果。因此限制操作过电压的主要措施是采用灭弧触头装有并联电阻或电容的开关，另外，用性能较好的避雷器也可以限制操作过电压。(2) 谐振过电压谐振过电压是由于系统电路参数（R、L、C）在不利组合时发生谐振而引起的过电压，包括电力变压器铁心饱和而引起的铁磁谐振过电压。铁磁谐振过电压是电力系统中的许多具有铁芯的电感元件，例如发电机、变压器、电压互感器、消弧线圈、
44、并联电抗器等，它们和系统的电容元件组成的振荡回路，当满足一定的条件时所产生的过电压。由于谐振过电压持续时间长，要达十分之几秒以上，甚至可能长期存在，因此不能用避雷器限制。在中性点非直接接地系统中，可采取下列措施消除铁磁谐振过电压：选用励磁特性较好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互感器；在电磁式电压互感器的开口三角形中加装电阻；在选择消弧线圈安装位置时，尽量避免电力网中的一部分失去消弧线圈运行的可能性；采取临时的倒闸措施，如投入事先规定的某些线路或设备等；中性点瞬间改为经电阻接地。运行经验证明，内部过电压一般不会超过系统正常运行时相对地额定电压3-4倍,因此对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是
45、很大。3.2.2 雷电过电压雷电过电压又称大气过电压或外部过电压，他是由于电力系统内的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电过电压有两种基本形式：(1) 直接雷击（direct lightning stroke）它是雷电直接击中电气设备、线路或建筑物，其过电压引起强大的雷电流通过这些物体放电入地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，相伴的还有电磁脉冲和闪络放电。这种雷电过电压简称直击雷。(2) 间接雷击（indirect lightning stroke）它是雷电未直接击中电力系统中的任何部分而是由雷对设备、线或其他物体的静电感应或电磁感应所产生的过电压。这种雷电过电
46、压又称感应雷或雷电感应（lightning induction）。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，因此对供电系统的危害极大，必须加以防护。可在被保护的设备中并联避雷器，装载被保护设备的电源侧，而避雷器中的阀式避雷器和金属氧化物避雷器都可起到很好的防雷电过电压的作用，其中金属氧化物避雷器具有比普通阀式避雷器更有益的保护性能，且运行更安全可靠，所以它是普通阀式避雷器的更新替换产品。3.3 继电保护装置的设计继电保护是当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。继电保护装置是保障电网可靠运行的重要组成部分，一般由感受元件、比较元件和执行元件组成。 继电保护装置必须具备以下4项基本性能： 灵敏性。 灵敏性表示保护范围内发生故障或不正常运行状态时，继电保护装置的反应能力，通常以灵敏系数表示。在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数。 可靠性。 在规定的保护范围内发生了属于其应该动作的故障时，
