铁路牵引变电所一次主接线设计

铁路牵引变电所一次主接线设计

作者：宋新峰

来源：《建筑建材装饰》2014年第08期

摘要：众所周知，我国铁路电气化事业起始于1956年。目前，沿着跨越式发展思路掀起修建高速客运专线的高潮，电气化铁道迎来了新的发展机遇。我国将由电气化铁路大国迈入电气化铁路强国，我国的电气化铁路将达到世界先进水平。 关键词：铁路牵引；主接线设计；主变压器容 前言

电气化铁道技术由铁道供电技术与电力机车技术铁道供电技术组成。铁道供电技术是向运行中的电力机车提供安全、可靠、优质的电能。同时还要协调好电力系统同牵引供电系统的关系；接触网同电力机车的关系（特别包括弓网关系）。铁道供电又分成牵引供电（供电、变电和远动）与接触网两个专业。1.牵引供电系统各部分的功用简述 1.1牵引变电所

牵引变电所的作用是将110kV(或220 kV)三相交流高压电变换为27.5(或55)kV，然后以27.5(或55)kV的电压等级向牵引网供电。 1.2接触网

接触网是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路轨顶保持一定距离的链形或单导线的输电网。电力机车的受电弓和接触网滑动接触取得电能。接触网的额定电压为25kV。 1.3馈电线

馈电线是连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所变换后的电能送电线一般为大截面的钢芯铝绞线。 1.4轨道

在非电牵引情形下，轨道只作为列车的导轨。在电气化铁道，轨道除仍具上述功用外，还需要完成导通回流的任务，是电路的组成部分。 1.5回流线

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

连接轨道和牵引变电所中主变压器接地相之间的导线称为回流线，它也是电路的组成部分，其作用是将把轨道、地中的回路电流导入牵引变电所。 1.6分区所

在电气化铁道上，为了提高运行的可靠性，增加供电工作的灵活性，在相邻两变电所供电的相邻两供电分区的分界处常用分相绝缘器断开。若在断开处设置开关设备和相应的配电装置，则组成分区所。 1.7开闭所

某些远离牵引变电所的大宗负荷，如枢纽站、电力机务段等，接触网按作业及运行的要求需要分成若干组，需要多条供电线路向这些接触网分组供电，一般采取在大宗负荷附近建立开闭所的办法来解决。 1.8自耦变压器站(AT所)

电气化铁路采用自耦变压器(AT)供电方式时，在铁路沿线需每隔若干公里设置自耦变压器和相应的配电装置，即AT所。AT所的作用之一便是将牵引变电所供来的55kV电压经自耦变压器AT降为接触网的25kV电压等级，然后向接触网供电。AT供电方式接触网由接触线、正馈线两条悬挂组成。 2.电气主接线的设计 2.1主接线设计的基本要求 电气主接线一般应满足下列要求：

保证对牵引负荷和地区负荷供电的可靠性，并力求经济性。

牵引负荷是国家电力系统的1级负荷，它应有的双回路电源供电。主接线应具有将来发展的可能性，设计主接线时应考虑远景规划中增加设备的可能性，使主接线稍加改造或不改造即能适应将来的需要。

2.2高压配电装置的基本接线及适用范围

牵引变电所一次侧电压等级国内常用的是110kV和220kV。根据牵引变电所在电网中的位置、重要程度和从电力系统取得电源的方式不同，可分为下列几种形式：

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

中心变电所，具有4路及以上电源进线并有系统功率穿过，除了完成一般牵引变电所的功能，还向其他牵引变电所供电。

中间（或终端）牵引变电所，变电所有2路电源进线的为中间（或终端）牵引变电所，其中有系统功率穿越的称为通过式变电所；没有系统功率穿越的称为分接式变电所。 不同类型的牵引变电所采用不同形式的电气主接线。一次侧主接线完全相同。 牵引变电所一次侧的电气主接线： 2.2.1桥型接线

当牵引变电所只有两条电源线路和两台变压器，且有系统功率穿越时采用桥式接线，通过式牵引所一次侧常采用桥型接线。桥型接线根据连接桥设置的位置不同，又可分为外桥接线和内桥接线。 （1） 内桥接线

优点：高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。

缺点：变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运。 （2） 外桥接线 优点：同内桥接线。

缺点：线路的切除和投入较复杂，需运作两台断路器，并有一台变压器暂时停运。 2.2.2分支接线（双T接线）

在分支接线中，两回路电源，两台主变压器，4个元件只用2套断路器，主接线简单。 2.2.3单母线接线

优点：接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。

缺点：不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电。

2.2.4双母线接线

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

优点：供电可靠,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，调度灵活，扩建方便。

缺点：接线复杂,设备多,母线故障有短时停电。 2.2.5牵引负荷侧电气主接线 （1）主变压器牵引侧母线的接线

主变压器采用纯单相接线，这种接线欧洲应用较多，所内设两台，一主一备；我国早期采用两台并列运行，移动备用。（2）牵引侧馈线的接线

馈线断路器100%备用的接线，这种接线在工作断路器需检修时，即由备用断路器代替。断路器的转换操作简便，供电可靠性强，但一次投资较大，适合于单线电气化区段牵引母线不同的场合。

分区所的电气主接线

分区所的作用是提高接触网末端电压水平、减少能耗以及必要时实现越区供电。单线区段的分区所，正常运行时，分区所内断路器及两侧隔离开关断开。闭合则可实现双边供电或越区供电。

开闭所的电气主接线

开闭所也称辅助供电分所，其作用一是将长供电分段，发生故障时缩小停电范围；另一作用是扩大馈线数目，起到配电所的作用。 AT;所（自耦变压器站）主接线

AT;所中自耦变压器的两个出线端子分别经隔离开关（或短路器）跨接于接触网和正馈线间。

3.主变压器容量的确定 3.1列车能耗的计算

牵引变压器的计算容量取决于供电臂的日负荷电流曲线，该曲线与列车电流的大小和密度有关。在实际运行中，不同的列车载重不同，因此牵引变压器的容量必须满足各类电力牵引列车的用电。列车密度应按照运量计算需要的通过能力，并预留一定的储备能力。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

3.2馈电电流的计算

在牵引供电系统中，馈线电流是确定主设备（如牵引变压器、进线及接触网导线等）容量的主要数据。而牵引变电所的负荷主要是电力牵引列车。由于用途或场合不同，馈线电流的计算方法也有所不同。在设计过程中，各种计算方法都是基于牵引计算的，经常采用的方法有“负荷过程法”、“同型列车法”和“概率分布法”。 3.3牵引变压器的容量选择

牵引变压器的计算容量取决于供电臂的日负荷曲线，该曲线与列车电流的大小和密度有关。所以其容量计算需要如下原始资料：通过供电分区的每日列车对数；列车通过牵引变电所两边供电分区的走行时分、给电走行时分和能耗；线路资料，如供电分区长度、区间数、信号系统等；

变压器容量选择

对牵引变压器进行容量校核，要达到两方面的目的：一方面是为了满足列车紧密运行的需要；另一方面是为了保证牵引变压器在充分利用过负荷能力的情况下能安全运行。 必须从实际的电气化铁路线路、运量、牵引变电所的规模、选址、供电方式及外部条件(如有无公路)等因素，综合考虑比较后确定。

在牵引变电所容量选择中,要区别所供电线路是重要运输线还是非重要运输线，或是主要干线还是非主要干线。 短路电流的计算 4.1短路电流

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（即短路）时流过的电流，这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

三相系统中发生的短路有4种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。

供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作。为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用短路电流的元件。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

4.2短路电流的计算

一般情况下，牵引变电所为选择ll0kV/27.5kV一次电气设备，需计算在最大运行方式下流过电气设备的短路电流（假设系统为无限大容量)。 5.主要电气设备的选择 5.1主要电气设备的选择 选择电气设备的原则

5.1.1按正常工作条件选择电气设备

正常工作条件是指电气设备的型式、额定电压和额定电流。

选择型式，根据安装地点的不同，电气设备一般制成户内型和户外型，选用哪一种，应进行经济技术分析并根据设备情况确定。

5.1.2按断路条件校验电气设备的热稳定和动稳定性。

短路电流通过电气设备时，引起电气设备短时发热并产生巨大的电动力。通过的短路电流越大，电气设备受到的危害越严重。在校验电气设备时，应考虑通过电气设备的最大短路电流及其通过的时间。故应合理选择短路计算点和短路电流通过的时间。

牵引变电所的一次电气设备主要有高压断路器、隔离开关、熔断器、互感器等。 6.避雷器、抗雷线圈及接地装置 6.1避雷器

牵引变电所中的高压电器设备，随时有可能遭到大气过电压、操作过电压的侵袭。为尽可能的降低其侵袭造成的绝缘破坏、影响运行的概率，并同时使电器设备只需具有较低（比能直接耐受过电压低的多）的绝缘水平，以降低造价，牵引变电所中均装有相应的过电压保护装置，包括避雷针、避雷器。

为防雷害，在牵引变电所的进线、出线侧，都并联装设避雷器以削减、侵入所内的雷电波至较低的各型避雷器的残压水平，并将雷电流泄入大地，从而使其保护范围内的电气设备的绝缘得到保护，并能在短时间内切断续流，使系统自动恢复正常运行。在电力系统中广泛采用的主要是阀式避雷器及氧化锌避雷器。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

6.2抗雷线圈

为防止雷电波沿接触线、馈电线侵袭牵引变电所内的设备，常在冲击耐压绝缘水平较低的27.5kV馈电线首端（27.5kV馈线隔离开关外侧）装设与逼雷器相配合的抗雷线圈，可以见效对所内电气设备绝缘的危害。 6.3接地装置

电气设备、杆塔或过电压保护装置用接地线与接地体（网）连接称为接地。埋入地中并与大地直接接触的金属体或金属体网成为接地体或接地网。连接于接地体（或接地网）与电气设备必须接地部分的金属导线成为接地线。接地体（或接地网）和接地线总成为接地装置。牵引供电系统是一线一地制系统。故接地装置是保证人身和设备安全运行的重要技术措施之一，是牵引变电所不可少的组成部分。 （1）接地装置的接地电阻允许值

原则上，接地装置的接地电阻值越小越好，但由于地理条件、施工条件的，接地电阻不可能达到无限小，接地电阻值只要不超过允许的最大值，即可满足工程需要。 （2）接地体的选择

垂直接地体可采用钢管、角钢，单根长度一般为2.5m；水平接地体可采用扁钢、圆钢。 （3）接地装置的敷设

敷设接地装置时，垂直接地体的间距不宜小于其长度的2倍，水平接地体的间距不宜小于5m，与建筑物的距离不宜小于1.5m。 参考文献

[1]唐明艳. 电气化铁路牵引变电所的主接线与变压器设计[J]. 科技创新与应用,2013,08:132-134.

[2]王娥. 电气化铁路牵引变电所的主接线与变压器设计[J]. 科技与企业,2013,21:326. [3]张丽艳. 新建电气化铁路对电网电能质量影响的预测与对策分析研究[D].西南交通大学,2012.

[4]陈民武. 牵引供电系统优化设计与决策评估研究[D].西南交通大学,2009.