电气化铁路scott接线变压器牵引供电方式设计1.

黑龙江交通职业技术学院 毕业设计（论文） 题目 电气化铁路scott接线 变压器牵引供电方式设计 专业班级               姓    名                学    号          2017年  月   日 摘  要 随着我国铁路跨越式发展战略的逐步实施,我国铁路已逐步向高速客运专线的方向发展,电气化铁道接触网作为整个电力供电系统的重要组成部分,其牵引负荷的供电要求相以前的常规铁路已发生较大变化,对接触网系统的供电质量要求也越来越高。牵引供电系统的供电质量好与坏？弓网是否有良好的受流质量？这与高速铁路供电系统方式有着密不可分关系,因为供电方式的不同将直接影响接触网的电压、电流等参数,最终影响受流质量。目前,铁道部加快了重载高速电气化铁路的建设。重载高速电气化铁路的重要特点是牵引负荷较以往电气化铁路有很大幅度的提高,如大秦线2亿t扩能改造工程,单列车牵引质量由1万t增加到2万t,牵引功率也由原来的12800kW增加至25600kW;高速客运专线速度为350km/h时,列车牵引功率可达到22000～25000kW,是普通速度客运机车功率的4～5倍。如此大的负荷对供电系统的功率传输能力提出了新的要求。因此,对高速铁路接触网供电方式研究是十分关键的。 关键词：变压器，斯科特，供电 目  录 第1章  绪论    1 1.1  选题目的和意义    1 1.2  国内外研究现状    1 1.3  牵引变压器    2 1.4  本文主要内容    2 第2章  斯科特变压器    4 2.1  AT供电方式    4 2.2  斯科特变压器特点    4 2.3  斯科特变压器供电方式    6 2.4  高压侧主接线    7 2.5  馈线侧主接线设计    8 第3章  斯科特计算    10 3.1  变压器计算容量    10 3.2  变压器校核容量    10 3.3  短路计算    11 3.3.1  短路点的选取    11 3.3  备用方式选择    11 3.4  绘制电气主接线图    12 第4章  我国采用斯科特变压器的线路    14 4.1  哈大铁路客运专线    14 4.2  京沪高速铁路    14 4.3  京沈客运专线    15 第5章  结论    16 参考文献    17 第1章  绪论 1.1  选题目的和意义 我国自1961年8月15日建成开通宝鸡至凤州91km第一段山区电气化铁路、实现电气化铁路零的突破以来,到2005年末,电气化开通营业里程已突破2万km。电气化铁路所具有的牵引力大、速度快、能耗低、效率高、污染小的优越性,使电气化铁路从山区到平原,从重载到客运专线,形成了遍布全国的电气化铁路网。 目前,铁道部加快了重载高速电气化铁路的建设。重载高速电气化铁路的重要特点是牵引负荷较以往电气化铁路有很大幅度的提高,如大秦线2亿t扩能改造工程,单列车牵引质量由1万t增加到2万t,牵引功率也由原来的12800kW增加至25600kW;高速客运专线速度为350km/h时,列车牵引功率可达到22000～25000kW,是普通速度客运机车功率的4～5倍。如此大的负荷对供电系统的功率传输能力提出了新的要求。 我国电气化铁路绝大多数采用110kV作为牵引变电所的受电电压,均保证了安全、可靠的供电;但对于重载高速线路,需电网输电容量达到126～180MVA,要保证输送如此大的功率,则应当考虑采用更高等级的电压作为受电电压。 1.2  国内外研究现状 斯科特平衡变压器，包括两台单相变压器，分别为M变和T变，M变包括第一高压绕组、结构对称的第一低压绕组和第二低压绕组，T变包括第二高压绕组、结构对称的第三低压绕组和第四低压绕组。由于M变和T变分别提供两组结构对称的低压绕组，通过低压绕组的串联连接和并联连接方式，可以实现电源电压的三相变两相和三相变四相，能够同时满足电气化铁路直供方式和AT供电方式。既可以满足电气化铁路牵引供电系统近期规划的直供方式，也可以满足远期规划的AT供电方式，无需更换变压器，能够减少变压器投资，节约资源。 斯科特（Scott）变压器，是一种特种变压器。它能将供电电源的三相电变成两相电（两个相位差90°的单相），提供两相电源，保证供电的三相电源平衡。一般斯科特变压器大多用在电气化牵引铁路中；该变压器原边有两个绕组，接成倒T形，它的底部绕组（称为底绕组）接入高压系统的两相间电压（如A，C相间），另一绕组（称为高绕组）则连接于底绕组中心点和高压三个电压中的另一相（如B相），底绕组和高绕组的匝数比为1：√3/2；次边匝数相同的两个单相绕组，在空间结构上分别与倒T形原边绕组相对应、构成互成π∕2相位差的两相次边电压Uα，Uβ，分别向两侧不同的接触网分段供电。当两馈电分段电流为Iα，Iβ时，通过电流变比和相位转换，可得原边三相电流IA＝IB＝IC且相位是对称的，使原边三相负荷实现了平衡，是其优点。 1.3  牵引变压器 牵引变压器是将三相电力系统的电能传输给二个各自带负载的单相牵引线路。二个单相牵引线路分别给上下行机车供电。在理想的情况下，二个单相负载相同。所以，牵引变压器就是用作三相变二相的变压器。 1.4  本文主要内容 研究内容：本文主要的研究目的是通过对斯科特变压器的研究，加强对斯科特变压器以及AT供电方式的了解，发现其中存在的问题，进而提出将斯科特变压器发展方向。 拟从以下几个方面进行研究： 1．首先介绍斯科特变压器的结构组成，分析斯科特变压器的发展背景，及其应用在牵引供电上的重大意义； 2．分析AT供电方式供电的使用、效果以及存在问题，分析使用AT供电对于高速铁路的有利影响； 3．介绍对斯科特变压器对于高速铁路发展的意义，重点分析其对供电的三相平衡，突出设计的主题； 4.分析牵引供电中存在的制约因素，以及这些制约因素对我国牵引供电所带来的危害和影响； 5．结合前文的综合论述，进行总结，同时重申论文的研究目标以及对斯科特变压器的展望。 研究方法：结合本文的特点，本文的研究会用到以下几种方法 1 文献检索法 本文的研究需要首先阅读大量的文献成果，才能总结出现在该论题的研究进展情况，找出以前研究的不足和避免研究内容的重复性； 2比较分析法 在论文中将对牵引供电方式进行分析，需要对技术指标方面进行比较，总结出不同的特点，看出牵引供电方式存在的差距。 3 理论联系实际的方法 对现有线路进行分析，结合理论分析我国电气化铁路发展的现状以及AT供电方式发展的必要性。 第2章  斯科特变压器 2.1  AT供电方式 斯科特变压器使用在自耦变压器供电方式(简称AT供电方式)，自耦变压器供电方式(简称AT供电方式)，是每隔10km左右在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨相连。自耦变压器将牵引网的供电电压提高一倍，而供给电力机车的电压仍为25千伏，如下图所示。 电力机车由接触网受电后，牵引电流一般由钢轨流回，由于自耦变压器的作用，经钢轨流回的电流，经自耦变压器绕组和正馈线流回变电所。当自耦变压器的一个绕组流过机车电流时，其另一个绕组感应出电流供给电力机车，因此，当机车负荷电流为I时，由接触网和正馈线供给的电流为0.5I，另外的负荷电流由自耦变压器感应电流供给。 这种供电方式的牵引网阻抗很小，电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长，可达40～50km。由于牵引负荷电流在接触网和正馈线中的方向相反，因而对邻近的通信线路干扰很小。 2.2  斯科特变压器特点 斯科特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，称为座变压器；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相位差为 的对称两相电压，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。M座变压器原边绕组匝数，电压分别用 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 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 ，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；副边绕组匝数，电压分别为 ，向右边供电臂供电。T座和M座副边匝数相同，都是 ，原边匝数不同，T座原边匝数是M座的 。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。 图2-1中 座变压器原边绕组匝数、电压分别用 、 表示，两端分别接入电力系统的 、 相；副边绕组匝数、电压分别用 、 表示，向左边供电臂供电。 座变压器原边绕组匝数、电压分别为 、 ，一端接到 座变压器原边绕组的中点 ，另一端接到电力系统的 相；副边绕组匝数 、电压分别为 、 ，向右边供电臂供电。原、副边电流如图中标示。由图可知， 座和 座副边匝数相同，都是 ；但原边匝数不相同， 座原边匝数是 座的 倍。实际中，通常把两台单相变压器绕组装配在一个铁芯上，安装在一个油箱里。 图2-1 斯科特变压器原理电路图 由于该牵引变电所采用直接供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5KV， 接线。因此，其动力变压器及其自用电变压器可采用逆斯科特变压器，逆斯科特变压器接线如图2-2所示。 图2-2 逆斯科特接线 2.3  斯科特变压器供电方式 单线AT牵引网图2-3为单线AT牵引网，仅由接触网，轨道，正馈线构成。 图2-3 双线AT牵引网如图2-4所示，c，d为双线AT牵引网，除了接触网，轨道，正馈线之外，还有保护线、横向连接线和（双线）横向连接线。 图2-4 2.4  高压侧主接线 牵引变电所高压侧（电源进线侧）的主接线设计可以分为三类：母线型接线、桥式接线、双T接线。对于大型变电所来说，母线型接线是中心牵引变电所110kV电源侧电气主接线的核心；通过式牵引变电所110kV电源侧一般采用桥式接线；分接式牵引变电所110kV电源侧采用双T接线。 根据题目要求及分析已知条件可知：待设计变电所为一中等容量的通过式牵引变电所。所以我们选取结构比较简单且经济性能高的桥式接线。 桥式接线又分为内桥和外桥两种接线形式。 图2-5内桥接线            图2-6 外侨接线 图2-5内桥接线，连接在靠近变压器侧，其特点是适用于线路长，线路故障高，而变压器不需要频繁操作的场合，这种接线形式可以很方便地切换或投入线路。图2-6为外桥接线，本设计采用的是外桥接线，连接在靠近线路侧，其特点是适用于输电距离较短，线路故障较少，而变压器需要经常操作的场合，这种接线方式便于变压器的投入以及切除。 为了配合牵引变电所在出现主变压器故障时备用变压器的自动投入，选择采用外桥接线便于备用变压器的投入以及故障主变压器的切除。 2.5  馈线侧主接线设计 直接供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为直接供电方式的馈电线包括接触网（ ）和正馈线（ ）两根线，断路器和隔离开关均为双线；另外有中线馈出，不设断路器和隔离开关。当牵引变压器（ 接线变压器）副边线圈无中点抽头时，在变电所内还应另设自耦变压器。一般将自耦变压器设在馈电线外侧，当相邻变电所越区供电时，可作为末端的自耦变压器使用。双线铁路一般为四回馈电线，每两回同相馈电线设一组备用断路器，如图2-7所示。 图2-7 双线区段斯科特变压器直接供电方式馈电线主接线 该方式是 备用的接线方式，这种接线方便于工作，当工作断路器需检修时，可有各自的备用断路器来代替其工作 ，断路器的转换操作较方便，供电可靠性高。 第3章 斯科特计算 3.1  变压器计算容量 斯科特结线变压器两副边绕组是相互独立的，故副边绕组的有效电流为 （3-1） 式中， 和 分别为 座、 座绕组有效值； 和 为对应于 座与 座的供电臂 、 的有效电流。 则其计算容量为 （3-2） 式中，由于是用于直接供电系统，则 ， 、 。 由条件知 ， ， ， ，则由式（3-2）可得计算容量为 3.2  变压器校核容量 （3-3） 式中 为牵引侧电压，为 ； 、 分别为 座、 座二次绕组最大电流， ， ， 、 分别为与 、 对应的供电臂最大电流。 则由式（3-3）可得变压器的最大容量为 校核容量 为 （3-4） 3.3  短路计算 （1）在选择电气设备时，为保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这需要全面的短路计算。 （2）在设计屋外高压配电装置时，需按短路计算条件检验软导线的相间和对地的安全距离。 （3）在选择几点保护方式和进行整定计算时，需要短路计算提供依据。 3.3.1  短路点的选取 因短路计算的主要计算式短路电流，所以对一次侧设备的选取一般选取110kV高压侧母线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线侧断路器的选择一般选取27.5kV低压母线侧短路点作为短路计算点。 3.3  备用方式选择 区域电网以双回路110kV输送电能，电力系统容量为3000MVA，选取基准容量为 为1000MVA，在最大允许方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.24；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.30。 某牵引变电所A采用直接供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相平衡接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表1-1所示。 表3-1  两供电臂电流归算到27.5kV侧的电流 牵引变电所 供电臂 长度km 端子 平均电流A 有效电流A 短路电流A 穿越电流A A 24.6 β 282 363 1023 202 20.4 α 240 319 874 154               已知 ，故选用的固定备用或移动备用方式下的安装容量是合适的。在采用移动备用方式的情况下，考虑到当两台并联运行的牵引变压器一台发生故障停电后，由另一台单独运行，允许超载 ，并持续 小时，为使其单独运行而不影响铁路正常运输，且考虑到负荷的增长率为 ，由 所以容量选用 变压器作为移动备用。 如果选用移动备用，当牵引变压器发生故障时，移动变压器的调运和投入约需数小时。此外，靠一台牵引变压器供电往往不能保证铁路正常运输，即使这种影响在单线区段或运量小的双线区段可以很快恢复正常，但考虑到本牵引变电所设在沿线有公路条件的大运量的双线区段，为确保供电的可靠性应当采用固定备用方式。 采用固定备用方式，为使其单独运行而不影响铁路正常运输，且考虑到负荷的增长率为 ，由 所以安装容量选用 变压器，一台运行一台固定备用。 采用固定备用方式的优点是：其投入快速方便，可以确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用线岔，可使牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量少，电气主接线较简单。 综上所述，采用 容量的斯科特变压器，采用固定备用方式，变压器型号为 。 表3-2  变压器的技术参数 额定容量(KVA) 额定电压(KV) 额定电流(A) 损耗(KV) 阻抗电压(%) 空载电流(%) 高压 低压 高压 低压 空载 短路 40000 110 27.5 60 310 21 54 5.25 2.5                   3.4  绘制电气主接线图 综合电源侧主接线图、变压器主接线图、馈线侧主接线图可得牵引变电所电气主结线图。电气主结线图见附图。 图中高压侧采用外桥接线形式，这种接线形式所用电气设备少，接线相对简单，可靠性高。两台主变压器均为斯科特接线变压器，正常时一台工作，一台备用。当工作电源失压或工作变压器故障时，在主断路器跳闸后，由自动切换装置使备用的斯科特变压器投入工作，从而保证了不间断供电。两回110KV电源进线各挂有一组电容式电压互感器（TV）。 由于主变压器二次侧为对称的的两相27.5KV，故每相（两条线）所使用的断路器、隔离开关均为双极联动的。并联电容补偿装置跨接于每相的两条线上。两台自用电变压器分别接于两台主变压器的二次侧，并采取二相——三相的斯科特反变换获得三相电源。 这种供电方式的牵引馈电线，每路始端均跨接有自耦变压器直接。直接两端分别与牵引网的接触导线（或接触网T）及正馈导线（F）相连， 中点与钢轨（R）及保护线（PW）相连，并通过火花间隙（放电器）接地。该主接线中的馈线断路器采用 的备用方式。 第4章 我国采用斯科特变压器的线路 4.1  哈大铁路客运专线 哈大铁路客运专线，是指在中国黑龙江省哈尔滨市与辽宁省大连市之间建设的高速客运专用铁路。是国家“十一五”规划的重点工程，是国家《中长期铁路网规划》“四纵四横”客运专线网中京哈客运专线的重要组成部分，是我国目前在最北端的严寒地区设计建设标准最高的一条高速铁路。哈大客运专线于2007年8月23日正式开工建设，2010年12月28日全线贯通。2012年12月1日正式运行。它北起黑龙江省哈尔滨市，南抵辽宁省大连市，线路纵贯东北三省，途径哈尔滨、长春、沈阳、大连四个副省级城市和六个地级市及其所辖区县。全长921公里，为双线电气化铁路。其中黑龙江省境内81公里，吉林省境内270公里，辽宁省境内553公里，设23个车站。 2012年6月3日，随着哈大铁路客运专线最后一段接触网----长春西至哈尔滨接触网成功送电，至此，哈大铁路客运专线接触网实现了全线送电贯通，标志着哈大铁路客运专线电气化工程已经建成竣工，进入开通运营前的分段及全线拉通联调联试和动态检测阶段。 哈大铁路客运专线电气化工程，全线采用AT 供电方式，对于枢纽地区跨线列车联络线、动车组走行线和动车段等采用带回流线的直接供电方式。各变电所引入两路220千伏高压直流 电源，进线侧主线采用分支形式；2×27.5kV 侧采用单母线分段的接线形式。各变电所设置两组牵引变压器，一组运行，一组固定备用。全线共设置牵引变电所20 座，分区所18 座，2 座分区兼开闭所，32 座AT 所，2 座开闭所。全线正线接触网采用全补偿弹性链型悬挂，站线接触网采用全补偿简单链型悬挂。 4.2  京沪高速铁路 京沪高速铁路位于中国华北和华东地区，两端连接环渤海和长江三角洲两个经济区域，全线纵贯北京、天津、上海三大直辖市和河北、山东、安徽、江苏四省。所经区域面积占国土面积的6.5%，人口占全国地26.7%，人口100万以上城市11个，国内生产总值占全国的43.3%，是中国经济发展最活跃和最具潜力的地区，也是中国客货运输最繁忙、增长潜力巨大的交通走廊。沿线以平原为主，局部为低山丘陵区，经过海河、黄河、淮河、长江四大水系。北京—济南属冀鲁平原，地形平坦开阔，地势为两端高、中间低，团泊洼一带为全线最低处；济南—徐州属鲁中南低山丘陵及丘间平原，地形起伏较大，泰安段为全线海拔最高的区段；徐州—上海线路主要通过黄淮、长江三角洲平原区，局部（蚌埠—丹阳）通过阶地垄岗、低山丘陵。沿线的工程地质条件主要是软土、松软土分布广泛，尤其是武清—沧州松软土、丹阳—上海软土，埋深变化大，软土层厚、强度低，工程性质差。设计最高运行时速350km，初期运营时速300km，列车最小追踪间隔按3min设计。预计京沪高速铁路建成后，列车以时速350km运行，北京南—上海虹桥站全程运行时间为3h58min ；以时速300km运行，运行时间为4h37min ；以时速200km运行，运行时间为6h52min 。年客运输送能力双向达到1.6亿人次。 4.3  京沈客运专线 京沈客运专线位于中国东北和北京市，连接环渤海和东北工业基地两个经济区域，全线纵贯北京，河北承德，辽宁的朝阳、阜新、沈阳三省五市。 京沈客专设20座车站。京沈客运专线新建正线起于北京星火站南咽喉DK12公里处，途经北京市、河北省、辽宁省，止于沈阳站。全线途经北京市，河北省承德市，辽宁省朝阳市、阜新市、锦州市黑山县和沈阳市。 其中根据铁路总公司安排，京沈客专沈阳西至乌兰木图段为综合高速试验段，全长185公里，设计时速满足500公里/小时的试验标准，试验的主要内容为更高速度条件下高速铁路关键技术科学试验、基于自主知识产权的高速铁路信号系统的研究与试验、新型牵引供电系统关键技术及应用试验等九大类内容、59项课题。 根据《京沈客专北京段初步规划设计》，为保证全线的建设进度，京沈客专新建正线起于DK12公里处，即星火站南咽喉为新建正线起点，北京站至星火站之间初期利用既有东星单线引入北京站，后期逐步改造复线，届时北京站在初期也可以始发少量沈阳哈尔滨方向的高速动车。 第5章  结论 本次设计主要是斯科特变压器在直接供电方式下给双线区段供电臂供电。以下是本次设计我所做的工作。通过老师和同学的指导完成本次设计满足任务中提及的要求，从而使牵引供电知识得到系统性的深化。经过牵引供电课程设计，不但使我对之前学过的专业课知识有了一次很好的复习，而且使我深刻到书上的知识和实践运用的差距，认识到了毕业设计在大学学习中的重要性。通过毕业设计，不但使我对以前所学过的专业课知识有了一次很好的复习，而且使我更加深刻的认识到了毕业设计在我们大学学习中的重要性。通过这次实践，我了解了牵引供电系统的用途及工作原理，熟悉了电气化铁道供电系统牵引变电所的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。 AT供电方式的牵引网阻抗很小，电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长，可达40～50km。由于牵引负荷电流在接触网和正馈线中的方向相反，因而对邻近的通信线路干扰很小。在高速牵引网上应用非常广泛我国著名的高速铁路都是采用以斯科特变压器为“心脏”的AT供电。 AT供电是一种非常成熟的供电方式在日本、法国、德国等高速铁路比较发达的国家得到了十分广泛的应用，但AT供电方式接触网结构比较复杂在运营维护上比较不便，难度很大。 在供电分区范围较大的复线AT牵引网中，有时为了进一步缩小接触网事故停电范围和降低牵引网电压损失和电能损失，也可在分区所与牵引变电所之间增设开闭所，也称辅助分区所。开闭所的主要设备是断路器。电源进线一般设两回，复线时可由上、下行牵引网各引一回，出线则按需要设置。当出线数量较多时，也可将开闭所母线实行分段。单线时如就近无法获得第二电源，也可只引一回电源。这对斯科特变压器在高速铁路的应用上带来了很多困难。 参考文献 [1] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统（第三版）.西南交通大学出版社，2009 [2] 马永翔.王世荣.电力系统继电保护.北京大学出版社，2006 [3] 刘介才.工厂供电（第四版）.机械工业出版社，2009 [4] 刘介才.工厂供电简明设计手册[M].北京：机械工业出版社，1993