货运铁路牵引变电所的电气系统设计

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毕业设计任务书

题目学生姓名学号货运铁路牵引变电所的电气系统设计班级导师姓名专业电气工程及其自动化导师职称讲师承担指导任务单位电气工程系一、主要内容 1. 按规定供、馈电容量与要求确定电气主结线。 2. 短路电流计算。 3. 牵引变压器容量、型式及台数的选择。 4. 母线（导体）和主要一次电气设备选择。 5. 配置所需的二次系统，并进行继电保护整定计算。 6. 进行防雷与接地的设计。二、基本要求 1. 设计计算说明书一份，要求条目清楚、计算正确、文本整洁。 2. 绘制出牵引变电所电气主接线图。三、主要技术指标（或研究方法） 1. 包含有A、B两牵引变电所的供电系统示意图如图1所示。图1 牵引供电系统示意图 2. 电力系统1、2均为区域变电站，电力系统容量分别为4000MVA和4800MVA选取基准容量Sj为100MVA，在最大运行方式下，电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为0.10和0.12，在最小运行方式下，电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为0.11和0.14。对每个牵引变电所而言，110kV线路为一主一备。图1中，L1、L2、L3长度分别30km、50km、20km。线路平均正序电抗X1为0.4Ω/km, 平均零序电抗X0为1.2Ω/km。基本设计数据如表1所示。表1 牵引变电所基本设计数据项目左臂负荷全日有效值（A）右臂负荷全日有效值（A）左臂短时最大负荷（A）[注] 右臂短时最大负荷（A） A牵引变电所 560 780 860 1080

续表1 项目牵引负荷功率因数 10kV地区负荷容量（kVA） 10kV地区负荷功率因数牵引变压器接线型式牵引变压器110kV接线型式左供电臂27.5kV馈线数目右供电臂27.5kV馈线数目 10kV地区负荷馈线数预计中期牵引负荷增长 A牵引变电所 0.85(感性) 2×1000 0.86(感性) 自选自选 2 2 2回路工作，1回路备用 30％ [注]：供电臂短时最大负荷即为线路处于紧密运行状态下的供电臂负荷。 3.根据需要，可自行补充其它资料。四、应收集的资料及参考文献 1. 李彦哲,胡彦奎,王果等.电气化铁道供电系统与设计[M].兰州:兰州大学出版社,2006. 2. 贺威俊,简克良.电气化铁道供变电工程[M].北京:铁道出版社,1983. 3. 刘国亭.电力工程CAD[M].北京:中国水利水电出版社,2006. 4. 曾成碧,赵莉华.电机学[M],北京:机械工业出版社,2005. 5. 张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005. 6. 谭秀炳,交流电.气化铁道牵引供电系统[M].西南交通大学出版社.2009. 7. 李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析[M].西南交大出版社2010. 五、进度计划 1. 第1-3周：调研、收集材料，完成外文翻译、开题报告； 2. 第4周：分析、确定方案； 3. 第5-7周：设计、计算、绘图； 4. 第8周：中期检查； 5. 第9-11周：撰写论文； 6. 第12-14周：论文审核定稿； 7. 第15-16周：答辩。教研室主任签字时间

年月日毕业设计开题报告

题目学生姓名学号货运铁路牵引变电所的电气系统设计班级专业电气工程及其自动化一、研究背景牵引变电所（traction substation）向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引等提供电能和变换、分配电能的电气装置与设施。其功能是将电力系统的三相交流电经降压、整流或变频后，供电力机车和动车组使用。牵引变电所把区域电力系统输送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别输送到铁路沿线上架设的接触网，为电力机车或动车组供电，因此牵引变电所是电气化铁路的“心脏”。牵引变电所能否安全运行，直接关系到电气化铁路的运行情况。因此，牵引变电所的研究对电气化铁路的发展以及安全运行都有着很重要的意义，对国民经济的发展也有直接或间接的影响。二、国内外研究现状我国电气化铁道牵引变电所二次设备技术水平的发展，牵引变电所综合自动化系统被广泛应用。武广高速铁路牵引变电所采用的综合自动化系统技术为牵引供电可靠性及供电质量提供了保障。在对既有经验与技术总结的同时，进一步探索变电所数字化设计的可行性是十分必要的。目前，我国交、直流牵引变电所技术装备产生了重大变化，主设备向高可靠性、小型化和免维修方面发展；变电所主接线和辅助设施逐步趋于简化和典型化；远动监控、故障录波和微机保护与自动装置得到广泛的推广应用，最终将实现高度自动化的减员值班和无人值班的牵引变电所的目标。国外牵引变电所一般采用提高供电方式，以增大系统短路容量，来减小对系统和用户的影响。如：欧洲一些发达国家和日本都采用这种方法。并且国外的牵引变电所在运营模式上已经做到无人值守。三、研究方案根据已经给出的电力系统的容量，参照铁道部电气化铁路牵引变电所设计规范，按照设计任务书要求首先进行参数计算，选择确定牵引变电所主变压器的安装容量和接线形式以及确定主变压器的备用方式。然后提出牵引变电所高压侧和馈线侧的几种接线方案、通过比较确定高压侧和馈线侧的最优接线方案。接着对牵引变电所进行短路计算，根据计算的结果选择确定各高压设备的型号并对所选设备进行动稳定性和热稳定性校验。再接着对牵引变电所进行二次系统设计，确定变压器和馈线的继电保护。然后参照电气化铁路牵引变电所设计规范根据计算结果选择确定防雷和接地设施。并且使用AutoCAD绘制出一次侧的主接线图。四、预期达到的结果通过对牵引变压器正常负荷和紧密运行状态下的容量进行计算以及对中远期运量进行估计，对主变压器进行初步选型，确定出主变压器的安装容量和接线形式以及备用方式以及；确定出高压侧和馈线侧分别采用何种接线方式；分别对牵引变压器高压侧和低压侧进行短路计算,正确选择出110kV侧和27.5kV侧的进线、母线、高压断路器、高压熔断器、隔离开关、电流互感器、电压互感器和绝缘子等设备并完成校验；确定出牵引变压器和馈线的继电保护方式，选择出合适的防雷和接地装置；最后用AutoCAD软件绘制出牵引变电所一次设备的主接线图。指导教师签字

时间年月日摘要

货运铁路牵引变电所是铁路系统的重要组成部分，起着变换和分配电能的作用,它直接影响整个铁路系统的安全与经济运行。

本设计主要针对牵引供电系统进行设计和研究。主要包括牵引负荷的计算、主变压器接线方式的分析比较、主变压器型号和台数的选择、牵引变电所进线和馈线方式的选择、短路计算、高压设备的选取和校验、继电保护的拟定与计算、牵引变电所防雷与接地装置的设置。其中电气主接线是变电所设计的主要环节，直接关系着整个变电所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，并且是牵引变电所电气部分投资大小的决定性因素。短路电流计算是本次设计的关键部分，通过计算对断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、熔断器等进行选择校验和进行继电保护的拟定计算。

本次毕业设计实现了任务书要求的全部内容，选择出牵引变压器，高压侧、低压侧的电气设备，确定了主接线方式。并且用AutoCAD绘出了系统的主接线图。

关键词:主接线主变压器电气设备

Abstract

Freight railway traction substation is an important part of the railway system, playing a role in transformation and distribution of electric energy, which directly affects the security and economic operation of the whole railway system.

The design is mainly for traction power supply system and substation engineering. including traction load calculation, the main transformer wiring analysis and comparison, the main transformer model and the choice of the number of units, traction line and substation feeder mode choice, short circuit calculations, high-voltage equipment selection and validation, formulation and calculation of relay protection, traction substation lightning protection and grounding device settings. Substation main electrical wiring which is the main part of the design is directly related to the choice of the entire substation electrical equipment, distribution equipment layout, relay protection and automatic device to determine, and is part of the investment size electric traction substation the decisive factor. Short-circuit current calculation is a critical part of this design, by calculation circuit breakers, disconnectors, voltage transformers, current transformers, fuses, etc. Select the intended protection checksum calculation.

The graduation project has successfully achieved the entire contents of the mission statement.The project has picked out the appropt traction transformers , high-side(low-side) electrical equipment, and has determined the main wiring, as well as using AutoCAD to plot main wiring diagram.

Key words: Main connection The main transformer Electrical equipment

第1章绪论 ····································································································································· 1 1.1 课题研究的背景 ····················································································································· 1 1.2 电气化铁路的国内外现状 ······································································································ 1 1.3 本设计研究的主要内容 ·········································································································· 2 第2章变压器的选择 ······················································································································ 3 2.1 牵引变压器作用及类型 ·········································································································· 3 2.1.1 牵引变压器作用 ·············································································································· 3 2.1.2 牵引变压器的类型 ·········································································································· 3 2.2 牵引变压器台数和容量的选择 ······························································································· 5 2.2.1 牵引变压器选择原则 ······································································································ 5 2.2.2 牵引变压器的选择 ·········································································································· 5 第3章牵引变电所主接线设计 ······································································································ 8 3.1 电气主接线的基本要求 ·········································································································· 8 3.2 牵引变电所一次侧主接线的基本形式 ··················································································· 8 3.3 牵引变电所馈线侧主接线基本形式 ······················································································10 3.4 电气主接线方案的确定 ·········································································································12 第4章短路电流计算 ·····················································································································13 4.1 短路点的确定 ························································································································13 4.2 110KV短路电流计算 ·············································································································13 4.3 27.5KV短路电流计算 ············································································································15 4.4 10KV侧短路电流计算 ···········································································································16 第5章电气设备选型 ·····················································································································19 5.1 断路器的选型及校验 ·············································································································19 5.2 高压隔离开关的选型及校验 ·································································································20 5.3 电流互感器的选择与校验 ·····································································································21 5.4 电压互感器的选择 ·················································································································22 5.5 避雷器的选择 ························································································································22 5.6 熔断器的选择 ························································································································23 5.7 导线选择及校验 ····················································································································23 5.7.1 导线的选择依据 ·············································································································23 5.7.2 导线选型及校验 ·············································································································25 5.7.3 母线选型及校验 ·············································································································26 5.8 支持绝缘子 ····························································································································26 5.8.1 支持绝缘子选型及校验 ··································································································27

5.8.2 穿墙套管选型及校验 ·····································································································27 第6章继电保护的配置与整定 ·····································································································29 6.1 继电保护的任务和要求 ·········································································································29 6.1.1 继电保护的任务 ·············································································································29 6.1.2 继电保护基本要求 ·········································································································29 6.2 牵引变压器的保护 ·················································································································30 6.2.1 纵联差动保护 ·················································································································30 6.2.2 瓦斯保护 ························································································································31 6.2.3 过电流保护 ·····················································································································32 6.2.4 接地保护 ························································································································32 6.3 馈线的保护 ····························································································································32 第7章变电所的防雷保护与接地装置的设计 ···············································································34 7.1 变电所的防雷保护 ·················································································································34 7.1.1 直击雷防护 ·····················································································································34 7.1.2 雷电波侵入的防护 ·········································································································34 7.2 接地装置 ································································································································35 7.2.1 接地与接地装置的定义 ··································································································35 7.2.2 接地装置的设计 ·············································································································36 第8章结论 ····································································································································37 参考文献 ···········································································································································38 致谢 ···················································································································································39 附录 ···················································································································································40 附录A 外文资料 ·························································································································40 附录B 系统图 ·····························································································································52

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

第1章绪论

1.1 课题研究的背景

牵引供电系统的构成简化图如图1-1所示。相对牵引变电所而言，通常把为其供电的电力系统称为外部电源或一次系统。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成。

图1-1 牵引供电系统的构成简图

电力系统与输电线：它们为电气化铁路提供高压电源，其电压为110kV或220kV。电气化铁路的牵引负荷是一级负荷，故要求电源有足够的容量和较高的可靠度。

牵引变电所：牵引变电所的作用是将电力系统供应的电能转变为是核电力牵引供电方式的电能，其中的核心元件是牵引变压器，并设有备用。与地方变电所相比，牵引变电所绝大多数情况下是用于提供牵引用电作为区别，而称为牵引变电所。

牵引网：由馈(电)线、接触网、轨(地)、回流线等组成，是牵引供电网(回路)，完成对电力机车的送电任务。

1.2 电气化铁路的国内外现状

电气化铁路对于实现我国铁路重载、高速起到了至关重要的作用。至2007

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年底，我国的电气化铁路营业里程已达到了24046.6km，占我国铁路总营业里程的37.8%，各大干线都已实现了电气化。

近年来，我国变电所自动化的技术特点是新老交替、新老结合、新老并存，既有以常规远动装置为核心派生的老站改造模式，又有局部或完全分散的新站设计模式，更有保护监控仪表录波防误操作等功能，并且很多变电所都实现了自动化。现代电力牵引都以公用电网配电，实质上是取用经变换的单相电。在我国，矿山电力牵引、城市电车和地下铁道或轻轨交通都采用直流制，电压从45V到3000V不等；电气化铁路都采用工频(50Hz)，额定电压为27.5kV或2×27.5kV的单相交流制。

1.3 本设计研究的主要内容

本设计主要是货运铁路牵引变电所电气设计。根据步骤进行设计，通过对牵引与电气计算，确定变压器容量、台数、接线方式和备用方式，根据原始资料及技术要求确定变压器主接线形式，短路计算，再根据短路计算结果进行一次设备的选型与校验最后是牵引变电所防雷保护与接地装置的设计。

供变电系统及装置的设计，不仅要满足正常运行方式下的各种工作状态及运行条件的要求，而且还应考虑在故障条件下如何缩小或故障的范围及影响，并保证电气设备在故障状态下可靠的工作。

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第2章变压器的选择

2.1 牵引变压器作用及类型

2.1.1 牵引变压器作用

牵引变压器的作用是将110kV或220kV三相交流电能变换成27.5kV(或55kV)的单相交流电能供电力机车使用，在牵引变电所中起到降压分相的作用。

目前，我国牵引供电系统中采用的牵引变压器主要有：单相变压器、三相星形三角形接法变压器、三相三绕组十字交叉接线变压器、斯科特接线变压器、三相星形延边三角形接法变压器和三相星形曲折延边三角形接线变压器。

2.1.2 牵引变压器的类型

按牵引变压器的联接方式分为单相联结；Vv联结；和三相YNd11联结；Scott联结等。

(1)单相牵引变电所的优点：牵引变压器的容量利用率可达100%；主结线简单，设备少，占地面积小，投资省等。缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；对电力系统的负序影响最大；对接触网的供电不能实现两边供电。这种联结只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地由地方电网得到供应的场合。

图2-1 单相联接原理图

(2)Vv联结牵引变电所不但保持了单相V，v联结牵引变电所的主要优点，而且完全克服了单相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于采用固定备用即其自动投入的问题。同时，三相V，v联结牵引变压器有两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，

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有利于实现分相有载或无载调压。为牵引变压器的选型提供了一种新的连接形式。

图2-2 Vv联接原理图

(3)三相联结牵引变电所，这种牵引变电所中装设两台三相YNd11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。

三相YNd11联结牵引变电所的优点是：①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；②能很好的适应当一个供电臂出现很大牵引负荷时，另一供电臂却没有或只有很小牵引负荷的不均衡运行情况；③三相YNd11联结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，价格也较便宜；④一次侧YN联结中性点可以引出接地，一次绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便。对接触网的供电可实现两边供电。

缺点主要是牵引变压器容量利用率不高。当重负荷相线圈电流达到额定值时，牵引变压器的输出容量只能达到其额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%。

图2-3 YNd11联接原理图

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2.2 牵引变压器台数和容量的选择

2.2.1 牵引变压器选择原则

(1)为保证供电的可靠性，在变电所中，一般装设两台主变压器；

(2)为满足运行的灵敏性和可靠性，如有重要负荷的变电所，应选择两台三绕组变压器，选用三绕组变压器占地面积小，运行及维护工作量少，价格低于四台双绕组变压器，因此三绕组变压器的选择大大优于四台双绕组变压器；

(3)装有两台主变压器的变电所，其中一台事故后其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的70%以上，并保证用户的一级和二级全部负荷的供电。

2.2.2 牵引变压器的选择

三相牵引变压器的计算容量是由牵引供电计算求出的。本变电所考虑为固定备用方式，按故障检修时的需要，应设两台牵引用主变压器。

计算容量公式：

S3U2NIcaKt

其中(Kt0.94,U2N27.5kV) 全日平均电流

g左I左560397.16 K1.41I右780553.19 K1.41 (2-1)

g右

Ica1124I2右2Ig右Ig左I478022553.19397.165602595.04A 左33计算容量：

S3U2NIcaKt327.5595.040.9446145.35kVA 牵引变电所的并联补偿分为并联电容补偿和并联无功补偿两种，可以与牵引网的并联电容补偿联合运用，也可以单独使用。考虑到投资效益比，电气化铁路多单独使用。

根据本设计基础资料的要求，因此需要进行并联无功补偿(PRC)，考虑到变压所的高压侧的cos20.9无功损耗大于有功损耗，故取cos20.92进行补偿，

然后计算。

P300.85S0.8546145.3539223.55kVA

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补偿后：

SP3039223.5542634.29kVA 0.920.92紧密运行下的计算容量：

g左I左860609.93A K1.41I右1080765.96 K1.41g右Ica1124I2右2Ig右Ig左I4108022609.93765.968602839.28A 左33紧密运行下的计算容量：

S3U2NIcaKt327.5839.280.9465086.16kVA 由于牵引负荷功率因数为0.85。

P300.85S0.8565086.1655323.24kVA

补偿后：

SP3055323.2460133.96kVA 0.920.92Smax (2-2) K其中K=1.5 S校校核容量：

S校S补K60133.96400.31kVA 1.5中期变压器计算：

中期牵引负荷增长30%:

S长1.3S1.342634.2955424.58kVA

紧密运行方式下：

S长1.3S1.360133.9678174.15kVA

校核容量：

S校S长1.578174.1552116.1kVA 1.5根据计算的容量,选用SF10-QY-63000/110型牵引变压器两台。空载损耗44.6，负载损耗246，空载电流0.2%,阻抗电压10.5%。

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同时根据要求，10KV侧选用SF11-1000/27.5型电力变压器。空载损耗1.65，负载损耗13.5，空载电流1.0%,阻抗电压6.5%。

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第3章牵引变电所主接线设计

3.1 电气主接线的基本要求

电气主接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。对电气主接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

保证对牵引负荷和地区负荷的供电可靠性和电能质量。

牵引负荷和部分地区负荷均为一级负荷，必须保证供电的安全可靠性，为此要保证牵引变电所电源引入可靠，选择主接线时要考虑在电路的转换、设备的检修和事故处理时供电的可靠性和连续性。为了满足电能质量的要求，主接线应在变压器接线方式、谐波补偿和调压方式方面注意改善电能质量。

(2)操作方便

主接线应力求简单、清晰、操作方便。

由于接触网事故较多，检修频繁，牵引变电所倒闸作业较多，主接线越简单清晰，程序操作越少，操作越方便。

(3)灵活性

应能适应必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。 (4)经济性

在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。

(5)发展扩建性的可能性

主接线应考虑将来的发展和扩建的方便。设计主接线要考虑倒远景规划，在需要的时候可以很方便地改造和扩建。

3.2 牵引变电所一次侧主接线的基本形式

电气主接线主要有以下几种形式： (1)桥型接线

当牵引变电所只有两条电源进线和两台主变压器，且有系统功率穿越时采用桥式接线，通过式牵引变电所一次侧常采用桥型接线。

①内桥接线

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内桥接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，如图3-1所示。

图3-1 内桥接线图3-2 外桥接线

②外桥接线

外桥接线的特点与内桥接线正好相反。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，采用外桥接线的方式比较合适，如图3-2所示。

(2)单母线接线

单母线接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开关电器接到同一组母线上。

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，任意元件故障或检修，均须使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部母线仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。

(3)单母线分段接线

优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同断引出两个回路由两个电源供电；当一段母线发生故障，分开母联断路器，自动将故障隔离，保证正

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常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

缺点：当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电；当出现为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。

(4)双母线接线

优点：供电可靠；调度灵活；扩建方便；便于试验。

缺点：增加一组母线时每回路就需要增加一组母线隔离开关；当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。为了避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设连锁装置[4]。

3.3 牵引变电所馈线侧主接线基本形式

由于27.5kV馈线断路器的跳闸次数较多，为了提高供电的可靠性，按馈线断路器备用方式不同，牵引变电所27.5kV 侧馈线的接线方式一般有下列三种：

(1)馈线断路器100% 备用的接线

此种接线用于单线区段，牵引母线不同相的场合。这种接线当工作断路器需检修时，即由备用断路器代替。断路器的转换操作方便，供电可靠性高，但一次投资较大。馈线断路器100%备用的接线图如图3-3所示。

(2)馈线断路器50% 备用的接线

馈线断路器50%备用的接线图如图3-4所示。

50%备用的接线，此种接线用于单线区段，牵引母线同相的场合和复线区段，每相母线只有两条馈线的场合。这种接线每两条馈线设一台备用断路器，通过隔离开关的转换，备用断路器可代替其中任一台断路器工作。牵引母线用两台隔离开关分段是为了便于两段母线轮流检修。当每相母线的馈出线数目较多时，一般很少采用此种法方法。此外该接法虽然在经济上比100%备用的接线优越，但可靠性相对来说较低。

在只考虑可靠性时，应偏向于选择馈线断路器50%备用，只从经济性方面考虑的话，却应该偏向于选择馈线断路器100%备用。但实际生活中，往往从两方面同时考虑而选择备用方式。

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图3-3 馈线断路器100%备用

图3-4 馈线断路器50%备用

(3)带旁路母线和旁路断路器的接线

一般情况下，每2至4条馈线设一旁路断路器。通过旁路母线，旁路断路器可代替任一馈线断路器工作。这种接线方式适用于每相牵引母线馈线数目较多的场合，以减少备用断路器的数量。由于牵引变压器为三相YN,d11牵引变压器且此变电所着重要的牵引负荷供电任务，为提高供电的安全可靠性，同时避免较大的一次性投资，牵引变电所27.5kV侧馈线采用带有旁路母线和旁路断路器的接线方式。带旁路母线和旁路断路器的接线图如图3-5所示。

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图3-5 带有旁路母线和旁路断路器的接线

3.4 电气主接线方案的确定

考虑110 kV母线检修时不致全部停电，并且有系统功率穿过，所以采用外桥式接线。由于该变电所处于大型编组站内牵引馈线断路器数量多，且检修频繁，故27.5kV牵引负荷母线采用单母线分段带旁路母线的接线方式。按照向复线区段供电的要求，其牵引侧母线的馈线数目较多，为了保障操作的灵活性和供电的可靠性，我们选用馈线断路器100%备用接线，这种接线也便于故障断路器的检修。

牵引变电所A担负着重要的牵引负荷供电任务(一级负荷)，馈线数目多，影响范围广，应保证安全可靠的供电，所以为满足故障检修时的需要，应设两台牵引用变压器，使用固定备用方式。

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第4章短路电流计算

短路是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。造成短路的主要原因有：电气设备绝缘损坏、有关人员误操作、鸟兽为害事故等。短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多，对供电系统产生极大的危害。

同时为了正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定和热稳定性，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏，也需要进行短路电流的计算。

4.1 短路点的确定

短路计算时主接线图可以等效为如图4-1所示：

图4-1 短路等效电路图

冲击系数按表4-1选取：

表4-1 冲击系数

电压等级

110kV 1.80

27.5kV 1.80

10kV 1.80

Kch

根据原始材料知，S1=4000MVA，S2=4800MVA，Sj=100MVA，L1=30km，L2=50km，L3=20km。

4.2 110kV短路电流计算

(1)系统最大运行方式下由已知可以求得各支路阻抗：

XL2X1L2500.420,XL3X1L3200.48

*已知最大运行方式下电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为XS10.10和*XS20.12。

基准电流为：

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Ij110Sj3Uj110031150.5kA

支路的电抗标幺值分别为：

X*L2XL2SjUc2SjUc2201000.15 1152*XL3XL381000.06 2115则110kV侧的总电抗标幺值为：

*****X(110)(XS1XL2)//(XS2XL3)0.26//0.180.1

三相短路电流周期分量有效值为：

(3)I110Ij110*X(110)0.55.0kA 0.1其他三相短路电流：

''(3)(3)(3)短路稳态电流 III1105.0kA

设110kV时，冲击系数Kch1.8，则冲击电流

(3)(3)ichKch2I11012.73kA

短路电流最大有效值：

(3)(3)Ich12(Kch1)2I1107.55kA

三相短路容量：

(3)S110Sj*X(110)1001000MVA 0.1(2)系统最小运行方式下

*已知最小运行方式下电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为XS10.11和*XS20.14。

基准电流为：

Ij110Sj3Uj110031150.5kA

则110kV侧的总电抗标幺值为：

*****X(XX)//(XX110S1L2S2L3)0.26//0.200.11

三相短路电流周期分量有效值为：

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(3)I110Ij110*X1100.54.55kA 0.11其他三相短路电流：

''(3)(3)(3)短路稳态电流 III1104.55kA

设110kV时，冲击系数Kch1.8，则冲击电流

(3)(3)ichKch2I11011.58kA

短路电流最大有效值：

(3)(3)Ich12(Kch1)2I1101.5126.87kA

三相短路容量：

S(3)110Sj*X110100909.09MVA 0.114.3 27.5kV短路电流计算

(1)系统最大运行方式下基准电流为：

Ij27.5Sj3Uj21002.0kA

327.5105%与110kV侧比较多了变压器T1的电抗：

X*T1Ud%Sj10.51001030.17 100SN10063000则27.5kV侧的总电抗标幺值为：

*****X27.5(XSX)//(XX)X1L2S2L3T10.25//0.180.170.27

三相短路电流周期分量有效值为：

I其他三相短路电流：

(3)27.5Ij27.5*X27.52.07.41kA 0.27''(3)(3)(3)短路稳态电流 III27.57.41kA

设27.5kV时，冲击系数Kch1.8，则冲击电流

(3)(3)ichKch2I27.518.86kA

短路电流最大有效值：

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(3)(3)Ich12(Kch1)2I27.51.415.7511.19kA

三相短路容量：

S(3)27.5Sj*X27.5100370.37MVA 0.27(2)系统最小运行方式下基准电流为：

Ij27.5Sj3Uj21002.0kA

327.5105%与110kV侧比较多了变压器T1的电抗：

X*T1Ud%Sj10.51001030.17 100SN10063000则27.5kV侧的总电抗标幺值为：

*****X27.5(XSX)//(XX)X1L2S2L3T10.26//0.200.170.28

三相短路电流周期分量有效值为：

I其他三相短路电流：

(3)27.5Ij27.5*X27.52.07.14kA 0.28''(3)(3)(3)短路稳态电流 III27.57.14kA

设27.5kV时，冲击系数Kch1.8，则冲击电流

(3)(3) ichKch2I27.518.18kA短路电流最大有效值：

(3)(3) Ich12(Kch1)2I27.510.78kA三相短路容量：

S(3)27.5Sj*X27.5100357.14MVA 0.284.4 10kV侧短路电流计算

(1)系统最大运行方式下：基准电流为：

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Ij10Sj3Uj21005.5kA

310105%与27.5kV侧比较多了变压器T2的电抗：

X*T2Ud%Sj6.51001036.5 100SN1001000则10kV侧的总电抗标幺值为：

*****X10(XS1XL2)//(XS2XL3)XT20.25//0.186.56.77

三相短路电流周期分量有效值为：

I其他三相短路电流：

(3)10Ij10*X105.50.81kA 6.7''(3)(3)(3)短路稳态电流 III100.81kA

设10kV时，冲击系数Kch1.8，则冲击电流

(3)(3)ichKch2I102.06kA

短路电流最大有效值：

(3)(3)Ich12(Kch1)2I103.11kA

三相短路容量：

(3)S10Sj*X1010014.77MVA 6.77(2)系统最小运行方式下基准电流：

Ij10Sj3Uj21005.5kA

310105%与27.5kV侧比较多了变压器T2的电抗：

X*T2Ud%Sj6.51001036.5 100SN1001000则10kV侧的总电抗标幺值为：

*****X10(XS1XL2)//(XS2XL3)XT20.26//0.206.56.78

三相短路电流周期分量有效值为：

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(3)I10Ij10*X105.50.81kA 6.7其他三相短路电流：

''(3)(3)(3)短路稳态电流 III100.81kA

设10kV时，冲击系数Kch1.8，则冲击电流

(3)(3)ichKch2I102.06kA

短路电流最大有效值：

(3)(3)Ich12(Kch1)2I103.11kA

三相短路容量：

S(3)10Sj*X1010014.75MVA 6.78

表4-2 短路电流计算结果汇总

变压器运行方式

短路点

110kV侧

一运一备

27.5kV侧 10kV侧

(3) I 系统最大运行方式三相短路电流/kA

(3) ich(3)

Ich

系统最小运行方式三相短路电流/kA

S(3)

1000 370.37 14.77

(3) I (3) ich(3) IchS(3)

909.09

5.0 7.41 0.81

12.73 18.86 2.06

7.55 11.19 3.11

4.55 7.14 0.81

11.58 18.18 2.06

6.87

10.78 357.14 3.11

14.75

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第5章电气设备选型

各级继电器保护时间配合按表5-1选取：

表5-1 继电保护时间配合

计算点

K110

1.50 1.56

1.50+1.56+0.05=3.11

K27.5

1.00 1.06

1.00+1.06+0.05=2.11

tj(s) tdl(s)

tjx(s)

整定时限如图：

5.1 断路器的选型及校验

(1)断路器的选择及校验条件如下： ①UeUg； ②IeIg.max；

(3)③IekI；

(3)④动稳定校验idwIch； (3)tjx。 ⑤热稳定校验It2tI2设计中110kV侧牵引变压器的选择型号为(三相YN,d11)SF10-63000/110，最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑：

Igmax1.363000429.86A

311019

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表5-2 110kV高压断路器选择校验

序号

装设地点的电气条件项目

1 2 3 4 5

表5-3 27.5kV高压断路器选择校验

序号 1 2 3 4 5

装设地点的电气条件

项目

数据 27.5kV 1719.45A 7.41kA 10.43kA

7.4122.11115.86

SW3110G型断路器

项目

数据 110kV 1200A 15.8kA

结论合格合格合格合格合格

数据 110kV 429.86A 5.0kA 7.55kA 7.5523.11177.28

Ug Igmax

(3) IUe Ie Iek idw It2t

(3) Ich(3)Itjx

241kA

15.824998.56

ZN12-27.5型真空断路器

项目

数据 27.5kV 2000A 25A 63kA 25242500

结论合格合格合格合格合格

Ug Igmax

(3) IUe Ie Iek idw It2t

(3) Ich(3)Itjx

25.2 高压隔离开关的选型及校验

(1)隔离开关选择和校验原则是： ①UeUg； ②IeIgmax；

(3)③Ichidw； (3)tjxIt2t。 ④I2

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表5-4 110kV隔离开关选择校验

序号 1 2 3 4

装设地点的电气条件项目

数据 110kV 429.86A 7.55kA 7.5523.11177.28

GW4-110DW型隔离开关

项目

数据 110kV 630A 50kA 20241600

结论合格合格合格合格

Ug Igmax

(3) Ich

Ue Ie idw It2t

(3)2Itjx

表5-5 27.5kV隔离开关选择校验

序号 1 2 3 4

装设地点的电气条件

项目

数据 27.5kV 1719.45A 10.43kA

7.4122.11115.86

GN4-27.5/2000型隔离开关

项目

数据 27.5kV 2000A 100kA

结论合格合格合格合格

Ug Igmax

(3)

Ich

Ue Ie idw It2t

(3)2Itjx

402400

5.3 电流互感器的选择与校验

电流互感器应按以下条件选择，见表5-6所示：

表5-6 电流、电压互感器选择与校验

电流互感器电压互感器

选择电压

电流

热稳定

校验

动稳定

U1eUg 2IeIgmax IZtjx(ktI1e)21

2kdwI1eich

0.9UgU1e1.1Ug W2W2e

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表5-7 110kV电流互感器选择校验

序号 1 2 3 4

装设地点的电气条件项目

数据 110kV 429.86A 7.55kA 2.523.1119.44

LVQB-110型电流互感器

项目

数据 110kV 2400/5A

结论合格合格合格合格

Ug Igmax

(3) IchUe Ie

2kdwI1e (I1ekt)2

2125176.78kA

(3)2Itjx

(63)2311907kA

表5-8 27.5kV电流互感器选择校验

序号 1 2 3 4

装设地点的电气条件

项目

数据 27.5kV 1719.45A 10.43kA

7.4122.11115.86

LAJ-10型电流互感器

项目

数据 27.5kV 2000/5A

结论合格合格合格合格

Ug Igmax

(3) IchUe Ie

2kdwI1e 9022254.52kA (I1ekt)2

(502)210000

(3)2Itjx

5.4 电压互感器的选择

电压互感器应按装设地点的条件及一次电压、二次电压(一般为100V)、准确度级等条件进行选择。由于它的一、二次侧均有熔断器保护，故不需进行短路稳定度的校验。

表5-9 电压互感器选择

电压等级 110kV侧 27.5kV侧

型号 JCC-110 DJ-27.5

额定电压 110kV 27.5kV

5.5 避雷器的选择

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，并能在较短时间内切断续流，使系

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统自动恢复正常运行。

综合各种因素，避雷器选择见表5-10所示：

表5-10 避雷器的选择

电压等级 110kV侧 27.5kV侧

型号 Y10W5-100/295 Y10W5-42/140

额定电压（kV）

110 27.5

5.6 熔断器的选择

RN1型主要用于电力线路和变压器的过载和短路保护；RN2型主要用于保护电压互感器。综合各种因素考虑，熔断器的型号选择见表5-11所示：

表5-11 熔断器的选择

型号 RN2-35

额定电压（kV）

额定电流（A）

0.5

额定开断容量（MVA）

1000

5.7 导线选择及校验

5.7.1 导线的选择依据

110kV进线侧，进入高压室的27.5kV进线侧，从高压室出来的27.5kV馈线侧，10kV馈线侧的母线均为软母线。

软母线进行选型，热稳定校验(无需进行动稳定校验)。计算方法：按导线长期发热允许电流选择导线。温度修正系数K由下式求得：

a10'K (5-1)

a10式中，a1--导线额定负荷时的最高允许温度，设计中取38C

0--导线的允许载流量所采用的环境温度，在室外取29C，室内取

34C

0'--导线敷设地点实际的环境温度，取22C 故在室外时K1.3，在室内时K2。

工程中常采用查表的方法求母线和导体的容许电流(载流量)[2]。

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表5-12 导线的选择与校验选择

导线名称母线及短导线普通导线

按导线长期发热允许电流选择

√ ＿＿

按经济电流密度

选择

＿＿ √

动稳定 √ ＿＿

校验

热稳定 √ √

室内母线:高压室内27.5kV硬母线长度l=2000mm,相间距a=600mm；高压室内10kV硬母线长度l=1200mm,相间距a=250mm。计算方法：

(1)按导线长期发热允许电流选择导线

IgmaxKIyx (5-2)

式中，Igmax--通过导线的最大持续电流；

Iyx--对于额定环境温度，导线长期允许电流； Kθ--温度修正系数。 (2)经济电流密度选择导线

SjIgmax/J (5-3)

式中，Sj--导线经济截面积,(mm2)； J--经济电流密度。

注：选择架空导线截面积，除了要遵循上述原则外，还应考虑导线机械强度及电压等级等。

表5-13 架空导线最小截面积

架空线路电压等级

35kV 6~10kV ≤1kV

钢芯铝线（mm2）

25 25 16

铝及铝合金（mm2） 35

35（居民区） 25（非居民区）

正式6

铜（mm2） ―― 16 8

(3)母线、导线热稳定性校验 SSmin(3)IchCtjxkf (5-4)

式中，Smin--满足热稳定要求的导线最小截面积(mm2)； C--热稳定系数；

(3)

Ich--三相短路电流稳态有效值(A)；

tjx--假想时间(s)；

kf--集肤效应系数，对于电缆及小面积导线取1。

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表5-14 各种起始温度下℃值

起始温度（Ｃ）铝材铜材

40 99 186

45 97 183

50 95 181

55 93 179

60 91 176

65 174

70 87 171

75 85 169

80 83 165

85 79 161

(4)硬母线动稳定校验

a1c (5-5)

式中，σa1--母线材料的最大允许应力(MPa)；

(3) σc--母线通过ich时所受到的最大冲击应力。

最大电动力按下式计算

l(3)2107() (5-6) F(3)1.73kxicha式中，kx--导体形状修正系数，约为1；

(3) ich--三相短路冲击电流；

l--平行母线长度(mm)； a--母线间距(mm)。

最大冲击应力按下式计算

MF(3)l/102 c(Pa) (5-7) Wbh／6式中，10--跨距数大于2时的取值； 8--跨距数等于2时的取值； h--硬母线截面宽边长度(mm)； b--硬母线截面窄边长度(mm)。

5.7.2 导线选型及校验

(1)室外110kV进线侧的软母线选型及校验

室外110kV进线侧母线为软母线，母线最大工作电流按变压器过载1.3倍考虑，由前面计算知gmax429.86

Ia1Igmaxk429.86330.66A 1.3选用LGJ-150型钢芯铝绞线

LGJ-150型钢芯铝绞线的允许最大电流为360A大于Ial

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检验母线热稳定性

Smin(3)Ich7550tjxkf3.111134.49＜S C99由于所选母线实际截面S150mm2Smin,因此该母线满足短路热稳定度要求。

(2)室外27.5kV侧进线的软母线选型及校验同理可得Igmax1719.45A

Ia1Igmaxk1719.451322.65A 1.3选用LGJ-3×240钢芯铝绞线

LGJ-3×240钢芯铝绞线的允许最大电流为1482A＞1322.65 校验母线热稳定性

Smin(3)IchCtjxkf104302.111153.03 99由于所选母线实际截面S720mm2Smin，故选用LGJ-3×240钢芯铝导线符合要求。

5.7.3 母线选型及校验

(1)27.5kV硬母线选型及校验

由Igmax1719.45A，Smin153.03mm2，可初步选型LMY-1008平放的硬铝母线

动稳定性校验：三相短路时间电动力

l2000(3)2F(3)1.73kxich1071.73117.812107106182.92Na600

b2h1W0.010.121.67105m3

66F(3)l182.922c2.19106Paa17107Pa 510W101.6710满足要求，选用LMY-1008平放的硬铝母线。

5.8 支持绝缘子

支持绝缘子在配电装置中用以固定母线和导体，并使导体与地或处在其他电

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位下的设备绝缘，其选择依据见表5-15所示：

表5-15 支持绝缘子和穿墙套管选择与校验

支持绝缘子穿墙套管

选择

电压

电流 —

热稳定 — It2t≥Ishtjx

(3)2校验

动稳定

UeUg UeUg

0.6FyxFjs 0.6FyxFjs

IeIgmax

在三相短路电流下，中间相母线承受的机械应力最大。若绝缘子间跨距和绝缘子管间跨距分别为L和l1，则左端绝缘子

1l(3)2Fmax11.73ich107(N)

2a1(3)2Fmax21.73ich(l1L)107(N)

2aFmax3Fmax1l1 L5.8.1 支持绝缘子选型及校验

(1)110kV侧母线支持绝缘子选型及校验取L=1m，a=1m, 则

Fmax111.7312.732110710614.02N 2校验： 0.63000Fmax1

选择则ZS—110/3型号支持绝缘子。 (2)27.5kV侧母线支持绝缘子选型及校验取L=2m，a=40cm则

Fmax1121.7317.8121071068137.19N 20.4校验：0.64000Fmax1

选择则ZS—35/4型号支持绝缘子。

5.8.2 穿墙套管选型及校验

(1)27.5kV进线侧穿墙套管选型及校验

因为母线Igmax1719.45A，选择CWLB—35/1000穿墙绝缘陶瓷套管。动稳定性校验：

Fmax82.6N，查表，可知Fyx7.36kN，故0.6FyxFmax，满足动稳定性校

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验。

热稳定性校验：

3)It18kA,t10s，(s ch18.18k，tjx2.11(3)It2tIshtjx，满足要求。

2所以选择CWLB—35/1000穿墙绝缘陶瓷套管。 (2)27.5kV出线侧穿墙套管选型及校验

同理，27.5kV出线侧选择CWLB—35/1000型号的穿墙套管。

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第6章继电保护的配置与整定

6.1 继电保护的任务和要求

6.1.1 继电保护的任务

(1)当电力系统中的电气设备发生短路故障时，能自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；

(2)当电力系统中的电气设备出现不正常运行状态时，并根据运行维护的条件(例如有无经常值班人员)，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免误动作。

6.1.2 继电保护基本要求

对于动作于跳闸的继电保护装置，在技术上一般应满足4个基本要求，即可靠性、选择性、速动性、灵敏性。

(1)可靠性：是指继电保护装置自身在工作过程中的安全性和信赖性，是对继电保护最基本的性能要求。它又可分为可信赖性和安全性2个方面。可信赖性要求继电保护在异常或故障情况下，能准确地完成设计所要求的动作；安全性要求继电保护在非设计所要求动作的所有情况下，能够可靠地不动作。

(2)选择性：是指当电力系统中的电气设备发生短路故障时，电力系统中的所有继电保护装置应该有选择性地动作，将故障设备从电力系统中切除，并保证切除故障设备后电力系统的停电范围最小。

(3)速动性：是指当电力系统中电气设备发生故障时，继电保护装置应能尽快地在最短时间内切除故障。快速动作的目的是减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

(4)灵敏性：是指继电保护装置对其保护范围内的电气设备发生短路故障时的反应能力。能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内出现设备故障时，不论短路点的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应并动作。

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6.2 牵引变压器的保护

变压器是电力系统普遍使用的重要电气设备。它的安全运行直接关系到电力系统供电和稳定运行，特别是大容量变压器，一旦因故障而损坏造成的损失就更大。因此必须针对变压器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠，性能良好的继电保护装置。一般包括：

6.2.1 纵联差动保护

变压器差动保护是反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护，保护变压器本体及其引出线。但由于他对油箱内部的匝间短路故障不够灵敏，而变压器油箱内部的故障又是电力系统最危险故障之一，因此纵差保护必须和瓦斯保护一起构成变压器的主保护。变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的，如图6-1示出了双绕组变压器纵差保护原理接线图。

I1I2IKTA1KTKTA2I11I22I2I22

差动保护整定计算：

图6-1 纵差保护原理接线图

Iunb.max(fzaU0.1KnpKst)Ik.max(0.050.050.11)75501510A Ik.actKrelIunb.max1.315101963A 灵敏度系数的校验：

KsenIK.minIset30

45502.318 1963石家庄铁道大学四方学院毕业设计

灵敏度系数一般不应低于2所以满足要求

纵差保护是电气主设备的主保护，它灵敏度高、选择性好，在变压器保护上运用较为成功。

变压器纵差保护基本原理：由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。

正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，欲使这种情况下流过继电器的电流基本为零，则应恰当选择两侧电流互感器的变比。另外，由于纵差保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其纵差保护回路中有不平衡电流，使纵差保护处于不利的工作条件下。为保证变压器纵差保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出产生的原因，采取措施予以消除。

图6-2 瓦斯保护原理图

6.2.2 瓦斯保护

瓦斯保护在油浸式变压器的保护装置中具有特殊的地位。它作为变压器的主保护使用，既可以反映变压器油箱内部故障(如匝间短路、层间短路等)，又可以反映变压器的不正常工作状态(如油面过低、长期过热等)，所以瓦斯保护也分为

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重瓦斯和轻瓦斯，重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于报警。工作原理如图6-1所示

6.2.3 过电流保护

过电流保护在变压器保护装置中主要作为后备保护使用。在实际应用中，由于牵引供电系统为重负荷供电线路，常采用低电压启动方式提高过电流保护的动作灵敏性，即采用低电压启动过电流保护。而且，由于牵引供电系统变压器二次为单相供电负荷，一般情况下过电流保护在变压器的高压侧和低压侧分别设置，高压侧设置三相过电流保护(称110kV侧过电流)，低压侧设置两单相过电流保护(称27.5kV侧过电流)。需要说明的是，27.5kV侧过电流主要作为变压器二次侧引出线至27.5kV侧母线间(包括母线)的主保护和牵引网馈线的后备保护。110kV侧过电流保护则是作为变压器纵差保护的近后备保护和27.5kV侧过电流保护的远后备保护。

6.2.4 接地保护

接地保护在变压器的保护装置中作为反映变压器一次侧发生接地故障时的保护，是一种相对的保护，也是纵差保护的一种辅助保护。

对中性点直接接地电网，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。零序电流保护通常由两段组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时限用于缩小故障影响范围，以较长的时限用于断开变压器各侧的断路器。当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地时，中性点接地的变压器跳闸后，中性点不接地的变压器(低压侧有电源)仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护及在中性点装设放电间隙加零序电流保护等。

6.3 馈线的保护

(1)距离保护

①距离保护第一段为无延时的速动段，它应该只反映本线路的故障，下级线路出口发生短路故障时，应可靠不动作。所以其测量元件的整定阻抗，应该按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

设馈线长度LAB=30km;被保护线路单位长度的正序阻抗为z10.35(/km)IIIzK0.8zsetrelset距离I段的整定阻抗为针可靠系数则

KrelLABZ18.4线

路A-B的正序阻抗为ZABZ1LAB6.4与相邻线路距离保护I段配合。

为了保证在下级线路上发生故障，上级线路保护处的保护Ⅱ段不至于越级跳

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闸，其Ⅱ段的动作范围不应该超出保护2I段的动作范围。若保护2I段的整定阻抗

IIIII为Zset.1Krel(ZABKb.minZset.2)9.5

灵敏度校验。距离保护Ⅱ段，应该保护线路的全长，本线路末端短路时，应该有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏度系数应满足

Ksen

IIZset9.51.481.25 ZAB6.433

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第7章变电所的防雷保护与接地装置的设计

7.1 变电所的防雷保护

由气象资料得知，牵引变电所所在地区的年雷暴雨日数为20天。虽然发生雷暴的几率不属于高频地区，但是雷电过电压产生的雷电冲击波对供电系统的危害极大，因此必须对雷电过电压加以防护。

7.1.1 直击雷防护

在变电所纵向中心轴线位置设置两支间距D=98m、高度为h35m的等高避雷针保护室外高压配电装置、主变压器及所有建筑物。已知出线构架高12.5m(变电所最高点)，其最远点距较近避雷针11.5m，建筑物高7m，其最远点距避雷针18.7m。按―滚球法‖校验避雷针保护范围如下：

本变电所建筑物防雷级别为二级，滚球半径为hr45m。

因为h35m2h(2hrh)87.7m，所以避雷针在出线构架高度上的水平保护半径为

rxh(2hrh)hx(2hrhx)35(24535)m12.5(24512.5)m12.8m而其最远点距避雷针11.5m避雷针在建筑物高度上的水平保护半径为

rxh(2hrh)hx(2hrhx)35(24535)m7(2457)m19.8m 而其最远点距避雷针18.7m根据以上计算结果可知，变电所装设的两支35m等高避雷针能保护变电所内的所有设施。

7.1.2 雷电波侵入的防护

为防止线路侵入的雷电波过电压，在变电所1~2km的110kV进线段架设避雷线，主变压器各侧出口分别安装阀型避雷器。为保护主变压器中性点绝缘，在主变压器110kV侧中性点装设一台避雷器。

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7.2 接地装置

7.2.1 接地与接地装置的定义

电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体，或称接地极。专门为接地而人为装设的接地体，称为人工接地体。兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属管道及建筑物的钢筋混凝土基础等，称为自然接地体。连接接地体与设备、装置接地部分的金属导体，称为接地线。接地线在设备、装置正常运行情况下是不载流的，但在故障情况下要通过接地故障电流。

接地线与接地体合称为接地装置。由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网。其中接地线又分为接地干线和接地支线。接地干线一般应采用不少于两根导体在不同地点与接地网连接。

防雷接地：为把雷电流迅速导入大地，以防止雷害为目的的接地叫作防雷接地。建筑多属于一级负荷，应按一级防雷建筑物的保护措施设计，接闪器采用针带组合接闪器，避雷带采用25×4(mm)镀锌扁钢在屋顶组成≤10×10(m)的网格，该网格与屋面金属构件作电气连接，与大楼柱头钢筋作电气连接，引下线利用柱头中钢筋，圈梁钢筋，楼层钢筋与防雷系统连接，外墙面所有金属构件也应与防雷系统连接，柱头钢筋与接地体连接，组成具有多层屏蔽的笼形防雷体系。这样不仅可以有效防止雷击损坏楼内设备，而且还能防止外来的电磁干扰。各类防雷接地装置的工频接地电阻，一般应根据落雷时的反击条件来确定。防雷装置如与电气设备的工作接地合用一个总的接地网时，接地电阻应符合其最小值要求。

交流工作接地：将电力系统中的某一点，直接或经特殊设备(如阻抗，电阻等)与大地作金属连接，称为工作接地。工作接地主要指的是变压器中性点或中性线(N线)接地。N线必须用铜芯绝缘线。在配电中存在辅助等电位接线端子，等电位接线端子一般均在箱柜内。必须注意，该接线端子不能外露；不能与其它接地系统，如直流接地，屏蔽接地，防静电接地等混接；也不能与PE线连接。在高压系统里，采用中性点接地方式可使接地继电保护准确动作并消除单相电弧接地过电流。中性点接地可以防止零序电压偏移，保持三相电压基本平衡，这对于低压系统很有意义，可以方便使用单相电源。

安全保护接地：安全保护接地就是将电气设备不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。即将大楼内的用电设备以及设备附近的一些金属构件，用PE线连接起来，但严禁将PE线与N线连接。

屏蔽接地与防静电接地：为了避免所用设备的机能障碍，避免甚至会出现的设备损坏，构成布线系统的设备应当能够防止内部自身传导和外来干扰。这些干

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扰的产生或者是因为导线之间的耦合现象，或者是因为电容效应或电感效应。其主要来源是超高电压，大功率幅射电磁场，自然雷击和静电放电。这些现象会对设计用来发送或接收很高传输频率的设备产生很大的干扰。因此对这些设备及其布线必须采取保护措施，免受来自各方面的干扰。屏蔽及其正确接地是防止电磁干扰的最佳保护方法。可将设备外壳与PE线连接；导线的屏蔽接地要求屏蔽管路两端与PE线可靠连接；室内屏蔽也应多点与PE线可靠连接。防静电干扰也很重要。在洁净、干燥的房间内，人的走步、移动设备，各自磨擦均会产生大量静电。例如在相对湿度10～20％的环境中人的走步可以积聚3.5万伏的静电电压、如果没有良好的接地，不仅会产生对电子设备的干扰，甚至会将设备芯片击坏。将带静电物体或有可能产生静电的物体(非绝缘体)通过导静电体与大地构成电气回路的接地叫防静电接地。防静电接地要求在洁静干燥环境中，所有设备外壳及室内(包括地坪)设施必须均与PE线多点可靠连接。

7.2.2 接地装置的设计

110kV为大电流接地系统，查表可知，其接地电阻要求不大于0.5Ω；27.5kV系统的接地电流为7A，故要求接地电阻RE≤120/IE=120/7Ω=17Ω，由表RE≤10Ω；10kV系统的接地电阻要求不大于10Ω；所用电380/220V系统的接地电阻要求不大于4Ω。故共用接地装置的接地电阻应不大于0.5Ω。

接地装置拟采用直径为50mm、长为2.5m的钢管作为接地体，垂直埋入地下，间距5m，管间用40mm×4mm的扁钢焊接相连成环形，则单根钢管的接地电阻为

RE(1)=Kρ=32.6×10-4×1000Ω=3.26Ω

式中K、ρ可查表得到。

因为RE(1) /RE=3.26/0.5=6.52，考虑到管间电流屏蔽效应的影响，初选10根钢管作接地体，管间距离a和管长l之比a/l=5/2.5=2，根据n=10和a/l=2查表得η=0.71，则钢管根数为

n0.9RE(1)RE0.93.268.26

0.710.5最终选10根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体，用40mm×4mm的扁钢焊接相连，环形布置。由此算得接地电阻为

n符合要求。

0.9RE(1)n0.93.260.410.5

100.7136

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第8章结论

本次设计根据设计任务书的要求，确定电气主接线，牵引变压器容量、型式及台式的选择，短路电流计算，选择主要电气设备，进行继电保护，接地防雷保护设计，最终根据变压器的接线形式以及所选的高低压开关设备，电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、避雷器等设备的型号和数量用CAD软件画出电气主接线图。

毕业设计是最重要的实践性教学环节，必须综合运用多门基础理论和专业课知识，将所学的理论知识融会贯通于设计过程中。牵引供电设计必须根据专业技术标准进行，尽力使设计方案满足安全，可靠，经济多方面要求。

最后，通过课程设计使我认识到由于所学知识的局限性以及缺乏经验，我的设计可能不够合理，也不够完善。因此，我需要在今后的学习中不断的积累知识，使自己有所进步。由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

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参考文献

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致谢

本设计是在王老师精心指导下完成的，她严谨求实的工作作风和治学精神使我受益匪浅。在毕业设计过程中，王老师认真指导，多方面支持，给出了许多很好的指导意见。在此表示衷心的感谢！

在毕业设计这段时间里，我们对所学《牵引供系统分析》和《工厂供电》课程的知识，对设备选型、校验，绝缘接地等原理都有了更具体的认识和理解，尤其是在多次修改论文的过程中她以极大的耐心帮助进行修改我的论文，使我深受感动。

同时，在毕业设计过程中，还得向在大学四年中教过我的任课老师表示感谢，使我在毕业设计过程中能够熟练的运用理论知识。最后，感谢学校的支持。

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附录

附录A 外文资料

DC Traction Power System Grounding

Dev Paul, Senior Member, IEEE

Abstract—This paper provides a review of the present practice of dc traction power system grounding methods employed in . North America. An analysis of equipment grounding, system grounding, and their relationships to achieve optimized equipment and personal safety is derived. Generic protective relay schemes commonly used in the dc equipment enclosure grounding are shown. Rail leakage stray current and personnel safety affected by the dc system grounding method are discussed. To enhance personnel/equipment safety, specific recommendations for the design of the dc traction power system grounding are included.

Index Terms—Equipment grounding, rail-to-ground potential, rapid transit system, stray current, system grounding, touch potential.

I. INTRODUCTION

RAPID TRANSIT systems are expanding at great speed throughout the world, including North America. However, there is very little effort toward development of standards for dcpower system design and protection as compared to ac power systems used for general industry. Each new transit project begins with its own set of design directive documents and applies equipment and system grounding methods that may not be fully evaluated due to lack of clear understanding of their relationship to stray current and personnel safety. It is the author’s view that there are times when the low-resistance and high-resistance equipment grounding methods used for dc power systems may be misunderstood to be the power system grounding in accordance with the definition of ac power systems grounding. At present, there are no recommended guidelines or industry standards that cover dc traction power system grounding, unlike the color book series [5] that covers ac power system grounding. This paper attempts to provide the ABCs of dc equipment enclosure and dc traction power system grounding methods and their relationship. Only the protective relay schemes associated with dc equipment enclosure grounding and system grounding are described. The overall dc rapid transit system protective relay scheme is beyond the

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scope of this paper. Interested readers are encouraged to read dc breakers protection duty requirements indicated in [9].

A typical dc electrification one-line diagram of a rapid transit system with grounding protective relay schemes covering the equipment and dc power system grounding methods is included in Fig. 1. A way to accommodate two different contradictory re-

Fig. 1. DC electrification one-line diagram. 1: Rectifier unit; 2: dc switchgear; 3: negative bus box; 4: equipment grounding protection; 5: system grounding protection.

quirements of minimizing dc stray current and maximizing personnel safety through the design of dc power system grounding

protection schemes is discussed. II. DC TRACTION POWER SYSTEM

In a dc traction power system, current from the traction power substations is delivered to the moving trains by either the third rail or the overhead contact system (OCS) and is returned to the substations by the track running rails. The installation configuration

of the traction power substation stations (TPSSs), positive

and negative feeder cable runs, and the track running rails is such that the third rail or the OCS acts as a long positive conductor and the cross-bonded running rails as the negative conductor, while each TPSS is in parallel between these two positive and negative conductors. Sectionalizing of the positive conductor is provided by the dc feeder breakers at each traction power substation. Sometimes, gap stations are employed in the middle of the two traction power substations to increase the sectionalization, especially for a 1500-V dc system when the distance between the traction power substations is relatively large. Under normal system operation, to minimize dc stray current and its associated corrosion effects on underground utilities, the running rails and the dc traction power system negative are kept ungrounded. Present practice when designing the dc traction power system is to keep rated voltage in the range of 600–1500-V dc with 750-V dc the normal choice of many projects [3]. The dc switchgear [4] consists of single-polarity (positive) dc circuit breakers ofeither the high-speed or the semihigh-speed type [11] to supply dc power to the train propulsion system via third rail or OCS

system. The negative-polarity bus box is physically kept separated from the dc

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switchgear.

Fig. 1 represents various components of the dc electrification system including the vehicle. It should be noted that the vehicle touch potential is practically the same as the rail-to-ground potential, especially if there is no other provision for grounding the vehicle [7]. To properly address the subject of grounding, there should be a clear understanding of the differences between ―equipment‖ grounding and ―system‖ grounding. Equipment grounding refers to grounding of the enclosures of the rectifier unit and dc switchgear. System grounding refers to grounding of the current-carrying conductor of the dc negative system. This negative system is the negative of the rectifier unit at each TPSS and the track running rails carrying negative return current. The three basic configurations: 1) ungrounded; 2) impedance

grounded; and 3) effectively grounded that apply to ac power systems [5] could very well apply to dc traction power systems. Under normal system operation, there is no direct intentional electrical connection between the dc negative and the ground. However, this ungrounded system establishes reference to ground through leakage resistance of the running rails. This leakage resistance depends upon the track insulation material and is generally on the order of 200 /1000 ft/rail under normal dry weather conditions [5]. This value is subject to change depending upon type of track construction, weather conditions, and age of the tracks due to accumulation of metallic dust. Thus, the ungrounded dc traction power system in reality is grounded through an equivalent rail-to-ground leakage resistance

value derived by expression (1), assuming all four running rails of the double-track system are cross bonded

III. EQUIPMENT GROUNDING

Design of the dc equipment enclosure grounding shall assure maximum safety of personnel and equipment under fault conditions.

Early published literature [1], [2] indicates that danger to personnel results from high dc short-circuit currents due to associated fire, molten metal, and brilliant flash rather than electric shock risk due to dc voltage present at the equipment enclosure under fault conditions. At that time, grounding of one polarity of the dc system was standard practice for the railway and mining industries. As a result of these experiences, the development of high-resistance equipment grounding protective relay schemes

became the norm of the transit industry in the U.S. These practices lead to the

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inclusion of the following in ANSI C37.20.1 [4]

Exception: LV switchgear having single polarity dc circuits, rated above 250 V, shall be ungrounded. It is rec ommended that they be connected to ground only by protecting or indicating devices of relatively high resistance.

The National Electrical Code [6] Article 250–110 (1) states that the exposed noncurrent carrying metal parts of fixed equipment likely to become energized shall be grounded if within 8 ft vertically or 5 ft horizontally from grounded surface and subject to contact by persons.

It has been recognized by the transit industry that dc equipment enclosure rectifiers and metal-enclosed dc switchgear should be grounded by using an appropriate protective relay scheme for safety of personnel and equipment. This protection relay scheme, which employs either high-resistance or low-resistance equipment grounding methods, has been a subject of many debates and discussions among equipment suppliers, design engineers, and transit authority representatives. Each transit property employs one or the other grounding method depending upon their own understanding of the safety and design issues [3]. It should be mentioned that the tolerable touch potential for a dc system is relatively higher, on the order of 3.5 times, than an ac system [14].

IV. DC POWER SYSTEM GROUNDING

Design of the dc power system grounding needs to compromise two contradictory requirements: 1) minimum dc stray current and 2) maximum personnel/equipment safety. To achieve this objective, system grounding should be designed to satisfy the following basic requirements.

(1)Under normal system operation, the grounding system should minimize dc stray current. This can be achieved by keeping the system ungrounded, i.e., floating. No intentional connection is made between system negative and ground.

(2)Under abnormal system operation with unsafe rail-to-ground potential, the system should be grounded by shorting the negative polarity to ground to suppress the unsafe voltage. The method of shorting the rail or the substation negative bus box to ground shall be achieved automatically through protection relays and shorting devices in the shortest possible time. Upon clearing this abnormal situation, the system will automatically return to the original stage of an ungrounded power system

V. DC EQUIPMENT ENCLOSURE FAULT

Bridging of the dc bus to the enclosure may lead to bolted fault or arcing fault

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inside the dc enclosure. Depending upon the condition of the power system being ungrounded or grounded, fault current will be controlled by the various resistance parameters defined below. Running rails leakage resistance. This can be computed by using expression (1).

VI. FAULTS OUTSIDE THE DC ENCLOSURE

There is a possibility of two types of faults outside the dc enclosure on the electrified tracks. These faults are arcing fault (positive to ground) and bolted short-circuit fault (positiveto- negative). The arcing fault will generally involve high impedance at the fault location, whereas the bolted fault will have no intentional fault impedance at the fault location. Both types of fault currents will be controlled by the system grounding resistance parameters and/or rail-to-ground leakage resistance, irrespective of the type of equipment grounding method.

VII. DC STRAY CURRENT

The fraction of the dc load current returning to the traction power substation via negative rails leaks to ground due to leakage resistance of the insulation pads between running rails and ground. To minimize dc stray current, voltage drop across the negative return rails is kept as low as practical and the traction power system negative is kept ungrounded under normal system operation. The relative magnitude of the stray current and the vehicle touch potential for various system grounding configurations is shown in Table II. Both the stray current and the human safety seem to be balanced by the thyristor-grounding method as compared to other system grounding methods. The protective relays shown in Fig. 8 provide complete tripping and isolation of the traction power system in case of heavy short-circuit current due to positive-to-ground fault, and automatically return to normal configuration once the fault is cleared. Reverse GTO may be used at the stations to suppress dangerous vehicle touch potential; however, it may unnecessarily increase stray current magnitude.

VIII. SAFETY ANALYSIS

The arc associated with dc current has proven to be very dangerous to personnel and equipment. Thus, the equipment grounding and system grounding protection schemes should be optimized to minimize dc fault current if possible. The design should also assure that a person in contact with the faulted dc equipment enclosure or the transit vehicle is not exposed to the danger of electric shock. DC voltage in the range of 60–90 V is considered safe [7], [14] according to the present transit industry

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practice. Based upon the present trends of more litigation from such causes as electric shocks and from the nature of some humans with pacemakers or metallic components embedded in human bones by advances in the medical field, it appears that the safe dc voltage may very well be lower than 60 V. To reduce the effect of electric shock to passengers, the station platform edges should employ high-resistance rubber mats. Similarly, inside the traction power substation, insulated floors with very high volume resistivity compound tend to increase the operator safety from electric shock. From the safety point of view, running rails should be grounded, however, from the stray current point of view, they should be kept isolated from ground. To compromise this requirement, the system grounding protective relay scheme should ground the rail upon sensing the dangerous voltage difference between the rail and ground, and automatically return to the normal state of an ungrounded rail when dangerous voltage is suppressed.

IX. CONCLUSIONS

(1)Generic protection schemes of high-resistance and low-resistance equipment grounding methods were presented. With the application of modern microprocessor and digital relays, individual vendors offer their own brand names for these grounding protection schemes. There is no industry standard for the resistance values used in the low- or high-resistance protective relay schemes. Some suppliers may promote their low-resistance protective relay scheme without establishing its short-circuit current withstand capability. This could prove to be destructive and dangerous in the case of heavy short-circuit current established by the system grounding protection scheme. Both the protective relay

scheme as well as the shorting device should be capable of withstanding the worst case maximum expected dc short-circuit currents.

(2)Both the high-resistance and the low-resistance equipment grounding protective relay schemes in combination with the preferred GTO system grounding protection scheme should be evaluated. The evaluation should be based upon the short-circuit and rail-to-ground potential rise calculations. The results should be reviewed with the equipment supplier.

(3)The substation spacing should be established by performing rail-to-ground potential rise and stray current analysis under normal and abnormal system operation. For system grounding purposes, a bidirectional GTO unit may be needed, depending upon the system parameters and configuration.

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(4)When the passenger stations are physically separated from the traction power substations, a system grounding protection scheme with reverse GTO similar to one used at the traction power substation may be employed at the passenger station. This may increase the personnel safety from the high vehicle touch potential under rare cases of simultaneous train starting or train bunching conditions.

(5)The application engineer should carefully evaluate the supplier’s equipment and system grounding protective relay schemes. Evaluation should include the overall reliability and factory tests of microprocessor solid-state products to assure that their performance is guaranteed.

X. RECOMMENDATION

(1)For safe design practices of a dc traction power system, there is a need for the industry standard for clarification of high- and low-resistance grounding protection methods with recommended resistance values. The standard should review and establish the safe touch dc potential for the general public and the substation maintenance person, especially now when pacemakers and metallic bones have become an integral part of the human body.

(2)It is recommended that the low-voltage switchgear committee responsible for upgrading ANSI C37.20.1 [4] should review the outdated exception, ―LV switchgear having single polarity dc circuits, rated above 250 V, should be ungrounded. It is recommended that they be connected to the ground only by protecting or indicating devices of relatively high resistance.‖ This seems to be invalid, as the majority of the modern transit systems are operated ungrounded under normal system operation compared to the grounded systems of the past.

ACKNOWLEDGMENT

The author would like to thank R. Belardo of Earth Tech for his technical review during the preparation of this paper.

FROM: IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 38, NO. 3, MAY/JUNE 2002

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直流牵引供电系统的接地

高级会员，IEEE开发保罗

摘要：本文提供了一个审查的现行做法直流牵引供电系统的接地方式。北美的接地系统接地，和他们的关系，以实现优化的设备和人身安全的分析而得。在直流设备外壳接地常用的通用保护继电器计划被示出。铁泄漏杂散电流和人员安全的直流系统接地方式影响进行了讨论。要加强人员/设备的安全，具体建议的直流牵引供电系统接地的设计，指数设备接地，轨对地电势，快速公交系统，杂散电流系统接地，触摸潜力。

一．简介

快速公交系统正在以极快的速度扩张，在世界各地，包括北美。然而，很少有努力发展dcpower系统的设计和保护的标准相比，为一般工业用的交流电源系统。每一个新的交通项目开始有自己的一套设计指令文件，适用于设备和系统的接地方法，可能无法充分评估，由于缺乏清楚地了解它们之间的关系，杂散电流和人员的安全。这是作者的观点，即有低电阻和高阻抗直流电源系统设备的接地方法的时候可能会被误解为是在按照定义的交流电力系统接地的电力系统接地。目前，有没有推荐的准则或行业标准，包括直流牵引供电系统接地，不同的颜色书系列[5]，包括交流电源系统接地。本文试图提供的最基本的直流设备的外壳和直流牵引供电系统接地方式和他们的关系。只有直流设备外壳接地系统的接地与保护继电器计划进行了说明。整体的直流快速公交系统继电保护方案超出了本文的讨论范围。鼓励有兴趣的读者阅读直流断路器保护责任的要求[9]。一个典型的直流电气化单线图的快速公交系统的接地保护继电器计划的覆盖设备和直流电源系统接地的方法包括在图中。 1。一种方法，以适应两种不同的矛盾。1。 DC电气化单线图。 1：整流单元2：直流开关;3：负母线箱; 4：设备的接地保护; 5：系统接地保护。通过直流电源系统接地的设计最大限度地减少直流杂散电流和最大限度地提高人员的安全保护方案进行了讨论。

二．直流牵引供电系统

在一个直流牵引电力系统中，电流从牵引变电站交付给列车行驶中，不论是由第三导轨或架空接触系统(OCS)和返回到由运行的轨道导轨的变电站。安装配置牵引动力变电站的站(TPSSs)，积极和负馈线电缆运行时，运行的轨道导轨，使得第三导轨或OCS作为长的正导体和交叉粘合运行导轨作为负极导体，而每个TPSS之间并联的这两个正和负导体。所提供的直流馈线断路器的正极导体分段在每个牵引变电站。有时，间隙站采用在中间的两个牵引变电站增加的分节，特别是对于一个1500-V直流系统牵引变电站之间的距离时，是比较大的。在正常的系统操作，最大限度地减少直流杂散电流，并保持不接地的地下公用设施的运

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行轨道和直流牵引供电系统负相关的腐蚀作用。现时的做法，在设计时的直流牵引供电系统是保持额定电压范围600-1500-V直流750 V直流许多项目的正常选择[3]。直流开关[4]由单一极性(正)直流断路器ofeither高速度或semihigh的速度型[11]通过第三轨或OCS的列车推进系统提供直流电源系统。负极性的总线盒在物理上保持分离的直流开关装置。图1表示包括车辆的直流电气化系统的各个组成部分。应当注意的是，车辆的触摸电位作为轨到接地电位实际上是相同的，尤其是如果有没有其他规定的车辆的接地[7]。要正确接地的主题，“设备”的接地和“系统”接地之间的差异应该有一个清醒的认识。设备接地指的整流单元和直流开关设备的外壳接地。系统的接地是指到接地的载流导体的直流负系统。这种消极的系统是在每个TPSS和负返回电流运行的轨道导轨的整流单元的负。这三种基本配置：1)不接地，2)的阻抗接地; 3)有效接地，适用于交流电力系统[5]可以很好地适用于直流牵引供电系统。在正常的系统操作中，不存在直接故意的直流负和接地之间的电连接。然而，这不接地系统建立参考到地漏电阻的运行轨道。这个漏电阻取决于轨道绝缘材料，一般是200/1000英尺/轨正常干燥的天气条件下的顺序[5]。这个值是如有更改，这取决于类型的轨道建设，气象条件，和年龄的轨道，由于金属粉尘堆积。因此，未接地的直流牵引电力系统在现实中是通过等效轨到地面的耐漏液性接地由式(1)得出的值，假设所有四个正在运行的轨双轨制是跨保税。

三．设备的接地

在故障情况下，最大的直流设备外壳接地设计应保证人员和设备的安全。早期发表的文献[1]，[2]表明，危险的人员结果从高直流短路电流，由于相关的火，熔化的金属，和灿烂的闪光，而不是触电的危险，由于目前在设备外壳在故障情况下的直流电压条件。当时，直流系统接地极性是为铁路，矿山等行业的标准做法。这些经验的结果，高电阻设备的发展接地保护继电器计划，成为在美国的这些做法导致的交通行业标准ANSI C37.20.1列入以下[4]例外：低压开关柜具有单一极性直流电路，额定250 V以上时，应接地。它是录音推荐的，它们被连接到接地仅由保护或指示装置的相对高的电阻。国家电气规范[6]第250-110(1)暴露的非流动携带的金属部件固定有可能成为带电的设备，应接地，如果在8英尺垂直或5英尺水平接地的表面和主体联系的人。人们已经认识到的交通行业应接地，直流设备的外壳的整流器和金属封闭直流开关，使用适当的保护继电器计划的人员和设备的安全。它采用高阻抗或低阻抗设备的接地方法，此的保护继电器计划，一直受到许多设备供应商，设计工程师和交通运输部门的代表之间的辩论和讨论。每个中转属性使用一个或其他的接地方式，根据自己的理解，安全性和设计问题[3]。应当提到的是一个直流系统的容许触摸潜力是相对较高的，3.5倍，比

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交流系统[14]的顺序。

四．直流电源系统接地

直流电源系统接地的设计需要妥协两个相互矛盾的要求：1）最低的直流杂散电流和2）最大人员/设备的安全性。为了实现这个目标，系统接地的设计应满足下列基本要求。1）在系统正常运行，应尽量减少直流杂散电流接地系统。可以实现这一点通过保持未接地的系统，即，浮动。没有刻意的连接系统的负和地面之间。2）根据与不安全轨到接地电位不正常的系统操作中，该系统应接地负极短路接地，以抑制不安全电压。轨或变电站负接地总线盒短路的方法，可以实现自动在最短的时间内通过保护的继电器和短路设备。在清除这种不正常的情况时，系统会自动返回到原始阶段不接地的电力系统。

五．DC装备盒故障。

桥接的直流母线的外壳可能会导致螺栓连接故障或故障电弧的直流内。根据被接地或不接地的电力系统中的条件，故障电流将被控制的下文定义的各种电阻参数。运行Rails的漏电阻。这可以通过使用表达式(1)计算。

六．故障之外的DC外壳

有一种可能性，两种类型的电气化的轨道上的dc外壳外故障。这些故障电弧故障(正地)和螺栓连接短路故障(positiveto负)。在故障点电弧故障通常会涉及高阻抗，而用螺栓固定在故障位置，故障不会有任何故意的故障阻抗。这两种类型的故障电流将被控制由系统接地电阻的参数和/或轨到地面的耐漏液性，不论设备的接地方法的类型。

七．直流杂散电流

返回到牵引电力变电站的直流负载电流的馏分中，通过负轨泄漏到地面，由于运行轨和接地之间的绝缘垫片的耐漏液性。为了尽量减少直流杂散电流，两端的电压降的负回报导轨保持尽可能低的实用，并保持不接地系统正常操作下的牵引动力系统负。的相对大小的杂散电流和各种系统接地配置的车辆触摸电位示于表II。杂散电流和人类安全的其他系统的接地方法相比似乎要平衡晶闸管的接地方法。图中所示的保护继电器。 8提供完整的脱扣和沉重的短路电流，由于正到接地故障，故障被清除后自动返回到正常配置的情况下牵引供电系统的隔离。反向GTO可用于在各站抑制危险的车辆触摸电位，但是，它可能会不必要地增加杂散电流幅值。

八．安全性分析

与直流(DC)电流相关联的弧，已被证明是非常危险的人员和设备。因此，设备的接地系统的接地保护方案进行优化，以最大限度地减少直流故障电流，如果可能的。的设计也保证了一个人接触，发生故障的直流设备的外壳或过境车辆不

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接触触电的危险。直流电压在范围60-90 V被认为是安全的，[7]，[14]根据本运输行业惯例。根据目前的趋势等原因造成电击和从一些人类心脏起搏器或嵌入金属部件，在医疗领域的进步人类骨骼的性质更多的诉讼，这似乎是安全的直流电压很可能低于60 V.为了减少触电乘客的影响，该站的月台边缘的橡胶垫采用高电阻。类似地，牵引电力变电站内，绝缘层具有非常高的体积电阻率化合物倾向于从电击以增加操作者的安全。从安全的角度来看，应运行rails接地，然而，从杂散电流的角度来看，它们应保持隔离从地面。要妥协的这一要求，应接地系统接地保护继电器计划的轨道，在检测到危险的铁路和地面之间的电压差，并自动返回到时不接地铁路的正常状态危险电压抑制。

九．结论

(1)一般保护方案的高电阻和低电阻接地方式。随着现代微处理器和数字继电器的应用，个别供应商提供自己的品牌，这些接地保护方案。有没有行业标准，使用的电阻值低或高电阻保护继电器计划。有些供应商可能会促进他们的低电阻保护继电器计划没有建立其短路电流耐受能力。这可能被证明是破坏性和危险的情况下，重成立的短路电流系统接地保护方案。无论是保护继电器计划以及短路装置应该能够承受最大预期的最坏的情况下直流短路电流。

(2)双方的高电阻和低电阻的设备接地的优选GTO系统接地保护方案的组合的保护继电器计划应当进行评估。评估应根据短路和轨对地电位升高的计算。结果应与设备供应商进行审查。

(3)的变电站间距应建立通过执行正常和不正常的系统操作下轨到地面电位升高和杂散电流分析。对于系统的接地的目的，一个双向GTO单元可能被需要，根据系统参数和配置。

(4)当客站物理上分离的牵引变电站，系统接地保护计划，可以采用反向GTO相似，用在牵引变电所的乘客站。这可能会增加操作人员的安全，从高配车型触摸潜在罕见的情况下，同时列车启动或火车群聚条件。

(5)应用工程师应该仔细地评估供应商的设备和系统的接地保护继电器计划的。评价应包括总体微处理器的固态产品的可靠性和出厂试验，以确保他们的表现保证。

十．建议

(1)对于一个直流牵引供电系统的安全设计实践，是一个需要澄清推荐的电阻值高，低电阻接地保护方法的行业标准。标准应检讨并建立安全触摸DC的潜力，为广大市民和变电站的维修人员，尤其是现在已经成为一个不可分割的组成部分，对人体心脏起搏器和金属骨骼。

(2)建议，低压开关柜委员会，负责升级ANSI C37.20.1[4]应检讨过时的例外，

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“低压开关柜具有单一极性直流电路，额定250 V以上，应接地。它建议将其连接到接地“这似乎是无效的，因为大多数现代过境系统操作不接地的接地系统相比，根据正常的系统操作仅由保护或指示装置的相对高的电阻。

致谢

笔者感谢R.贝拉尔多的地球工程公司为他在编写本文件的技术审查。出自：IEEE交易在行业中的应用，VOL。 38，NO。3，5月/2002年6月

附录B 系统图

LMY-1(240×3)左供电臂上行右供电臂上行左供电臂下行右供电臂下行石家庄铁道大学四方学院电气货运铁路牵引图号A3变电所工程及其自动化编号设计曹永飞班级方0910-1主接线图审核王庆芬日期2013.5.27

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