作者：李学武 主编
出版社：化学工业出版社
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电气化铁路牵引供变电技术(第二版)试读：
前言
2008年8月1日，中国第一条具有世界一流水平、最高运营时速350公里的高速铁路京津城际铁路正式通车运营，是中国铁路全面进入“高速时代”的重要里程碑。到2011年初，中国高速铁路的营业里程已经达到8358公里，居世界第一。
电气化铁路运营速度提高，为高速列车提供动力——单相工频交流电能的电力牵引供变电技术，是高速铁路的关键技术之一。分布在高速电气化铁路沿线的牵引变电所、分区亭、开闭所、AT所等供电设施，不断投入使用新型高压电器设备，应用微机保护与综合自动化技术，运营管理出现新要求。铁道部相继颁发了检修、运营管理等方面的新的技术标准。
本书从高等职业教育培养高端技术应用性人才的目标出发，围绕牵引变电所、分区亭、开闭所、AT所等供电设施的运营、维护技术人员应具备的核心知识技能，重点讲述了高压电器设备及其电气主接线、配电装置、微机监控系统、自用电系统的基本结构、工作原理和典型设备，既可作为高职高专电力牵引供变电技术课程的教学用书，又能作为现场工程技术人员培训用书。
本书的编写过程中，作者收集了武广、郑西、合武、京沪、石武、秦沈等高速客运专线牵引供电系统设计、施工和运营维护技术文件，对高速电气化铁道牵引变电所新型高压开关电器、新型操动机构、新的电气主接线形式及其供电方式、GIS组合电器、高速铁路综合接地技术、综合自动化技术及其二次接线、新型直流操作电源系统等新技术、新设备进行了深入细致的讲解。本书兼顾国内电气化铁路设备现状，注重新建线路新设备、既有线路旧设备、既有线路改造设备等方面的技术衔接，具有较好的实用性。
本书共十章，第一章是电力系统与牵引供电系统的概况介绍；第二章详细讲解了各种类型的断路器、隔离开关及其操动机构的基本结构、工作原理、检修维护常识；第三章叙述了互感器的基本组成、工作原理、检修维护常识；第四章讲解了电气主接线的基本概念与形式，特别对来自于铁路运营现场的各种典型结构的牵引变电所、分区亭、开闭所、AT所等的电气主接线进行了举例分析；第五章介绍高压配电装置，重点讲解了在高速客运专线使用的GIS组合电器；第六章讲解了变电所接地装置的基本概念、布置形式以及高速铁路综合接地系统；第七章介绍了短路电流的效应以及电气设备选择的一般步骤；第八章讲解综合自动化变电所中主变保护屏、馈线保护屏的接线及其对进线、馈线断路器和隔离开关的控制、监视原理；第九章讲解变电所自用电系统，重点介绍了新型阀控铅酸密封蓄电池以及高频开关电源的工作原理与维护；第十章介绍综合自动化系统的结构原理与运行维护。
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本书由李学武主编，李学武负责全书统稿工作，张宏伟高级工程师担任主审，参加本书编写的有：王睿（第一章、第七章）；程永胜（第二章第一～四节）；杜庆彦（第二章第五～七节）；童岩峰（第三章、第九章）；李学武（第四章、第八章、附录）；蒋会哲（第五章、第六章）；徐百钏（第十章）。本书编写过程中，得到了相关设备厂家、铁路供电段的大力支持，并提供了大量技术资料，在此表示衷心感谢。
书中难免存在疏漏或不妥之处，望广大读者特别是生产一线从事牵引供电系统设计、施工和维修工作的人员提出意见和建议。读者可以通过邮箱xuewu6981@163.com和编者共同探讨本书相关的技术问题。编者2015年2月第一章概述【学习目标】
1.了解电力系统的组成、供电质量指标、电力系统中性点运行方式的类型特点与应用范围。
2.掌握牵引供电系统的组成及各部分的作用，了解牵引负荷电流流通的回路。第一节 电力系统概述
一、电力系统的组成
电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等设施所构成的整体。电力系统的组成可用图1-1的示意图说明。图1-1 电力系统示意图1—变压器；2—负荷；3—动力负荷；4—照明负荷
发电厂将其他形式的能源转变为电能。根据能源的来源不同，发电厂分为火力发电厂、水力发电厂、核电厂等，此外还有地热电厂、风力发电厂、潮汐电厂和太阳能发电厂等。发电机一般采用三相同步发电机，额定电压多为10.5kV。为实现远距离输电，每台发电机都配有相应的升压变压器，组成发电机-变压器组。
电力网简称电网，包含电力系统中的输电、变电和配电三个环节，是将各电压等级的输电线路、配电线路和各种类型的变电所连接而成的网络。输电线路的作用是输送电能，其特点是电压较高、线路较长。配电线路的作用是分配电能，其特点是电压较低、线路较短。国家规定的电网额定电压等级有：750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、60kV、35kV、10kV、6kV和25kV等。电网按其规模主要分为地区电网和区域电网。地区电网多限于一个地区或一个省，电压等级为110～220kV；区域电网由几个地区或几个省联合而成，电压等级为330～500kV。
变电所的作用是变换电压、调整电压、集中电能、分配电能和控制电能。按变电所在电力系统中的地位和作用，一般把变电所分为以下三种。
①枢纽变电所。如图1-1中的S、S。枢纽变电所通常有两个及12以上的电源汇集，进行电能的分配和交换，形成电能的枢纽。这类变电所规模较大，采用三绕组变压器以获得不同级别的电压，送到不同距离的地区。
②区域变电所。如图1-1中的S。区域变电所的作用是供给一个3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。如图1-1中的S、S。用户变电所属于电力系统45的终端变电所，直接给用户供电，通常采用双绕组变压器。电气化铁道牵引变电所就属于用户变电所。
电力系统运行时应达到以下基本要求。
①保证安全、可靠、连续地对用户进行供电，完成年发电量计划。
②保证电能质量，电压和频率都不能超过规定的范围。
③保证电力系统运行的经济性。在电能生产、输送和分配过程中应尽量做到消耗少、效率高、成本低。
二、供电质量指标
1.电力系统的额定电压
为了便于电器制造业的生产标准化和系列化，国家规定了标准电压等级系列。在设计时，应选择最合适的额定电压等级。所谓额定电压，就是某一用电设备（电动机、电灯等）、发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效益的电压。
中国规定的额定电压，按电压高低和使用范围分为三类。
第一类额定电压是100V及以下的电压等级，主要用于安全照明、蓄电池及开关设备的直流操作电压。直流为6V、12V、24V、48V，交流单相为12V和36V，三相线电压为36V。
第二类额定电压是100～1000V之间的电压等级。这类额定电压应用最广、数量最多，如动力、照明、家用电器和控制设备等。
第三类额定电压是1000V及以上的高电压等级，如表1-1所示，主要用于电力系统中的发电机、变压器、输配电设备和用电设备。表1-1 额定电压（线电压）等级（1）用电设备和线路的额定电压
当电力系统中通过负荷电流时，输电线路和变压器绕组上总存在一定的电压损失，线路从首端至末端的电压损失约为额定电压的5％，变压器绕组上的电压损失也约为额定电压的5％。通常，用电设备的工作电压允许在0.95～1.05倍额定电压范围内变化。
为保证线路末端的用电设备的工作电压在允许范围内波动，就必须提高线路首端的电压，以补偿线路首端的变压器绕组和线路上的电压损失。因此，对于某一电压等级例如110kV的输电线路，其末端的额定电压为110kV，而其首端的额定电压却为121kV，即首端的额定电压比末端的额定电压高10％。将线路首端的额定电压和线路末端的额定电压的平均值，称为线路的平均额定电压，即式中 U——线路的平均额定电压，kV；av
U首——线路首端的额定电压，kV；N
U末——线路末端的额定电压，即线路的额定电压，kV；N
U——线路的额定电压，kV。N
因此，用电设备的额定电压就是输电线路的额定电压。输电线路的额定电压实际上是指线路末端的额定电压，而线路首端的额定电压要比线路的额定电压高10％。（2）发电机的额定电压
由于电力线路允许的电压损耗为±5％，即整个线路允许有10％的电压损耗，因此为了维护线路首端与末端平均电压的额定值，线路首端（电源端）电压应比线路额定电压高5％，而发电机是接在线路首端的，所以规定发电机的额定电压高于同级线路额定电压5％，用以补偿线路上的电压损耗。（3）变压器的额定电压
当电力变压器的原边绕组直接与发电机相连时（发电厂升压变压器），其原边绕组的额定电压应与发电机额定电压一致，即高于同级线路额定电压5％，如表1-1中变压器原边绕组的额定电压有3kV及3.15kV、6kV及6.3kV、10kV及10.5kV。
当电力变压器的原边绕组直接连在线路上时，变压器接受电能，可视为线路上的用电设备，其额定电压就是输电线路的额定电压。
变压器次边绕组的额定电压是指变压器原边绕组接上额定电压而次边绕组开路时的电压，即空载电压。但变压器在满载运行时，次边绕组内约有5％的阻抗电压降。因此，如果变压器的负载侧供电线路很长（例如较大容量的高压线路），则考虑变压器次边绕组额定电压时，不仅要考虑补偿变压器次边绕组本身5％的阻抗电压降，还要考虑变压器满载时的输出的电压即线路首端应高于线路额定电压的5％的要求，此时变压器次边绕组的额定电压要比线路额定电压高10％；如果变压器负载侧供电线路不长（例如为低压线路或直接供电给高、低压用电设备的线路），则考虑变压器次边绕组的额定电压时，只需考虑补偿变压器内部5％的阻抗电压降即可，此时次边绕组额定电压可只比线路额定电压高5％，如表1-1中变压器次边绕组的额定电压有3.15kV、6.3kV、10.5kV。
2.电能的电压质量指标（1）电压偏差
电压偏差是指用电设备的实际工作电压与额定电压的差值，通常用百分数表示。
国家标准规定的供电电压允许偏差参见表1-2。表1-2 供电电压允许偏差
加在用电设备上的电压在数值上偏移额定值后，对于感应电动机，其最大转矩与端电压的平方成正比，当电压降低时，电动机转矩显著减小，以致转差增大，从而使定子、转子电流都显著增大，引起温升增加，绝缘老化加速，甚至烧毁电动机；而且由于转矩减小，转速下降，导致生产效益降低，产量减少，产品质量下降。反之，当电压过高，激磁电流与铁损都大大增加，引起电动机的过热，效率降低。对电热装置，这类设备的功率与电压平方成正比，所以电压过高将损伤设备，电压过低又达不到所需温度。电压偏移对白炽灯影响显著，白炽灯的端电压降低10％，发光效率下降30％以上，灯光明显变暗；端电压升高10％时，发光效率将提高1/3，但使用寿命将只有原来的1/3。（2）电压波动
电压波动是指急剧的电压变化，通常用电压有效值的最大值与最小值的差值表示，一般写成百分数的形式。（3）三相电压的不对称性和波形的非正弦性
在电力系统的用电负荷中，有很大一部分是冲击性负荷和整流性负荷以及容量很大的单相负荷（例如轧钢机、电力机车等），它们不但引起电压的偏差和波动，而且造成三相电压不对称和电压波形畸变，直接影响电气设备的正常工作。
3.电能的频率质量指标
国家规定电力系统的额定频率为50Hz，允许偏差不得超过±0.5Hz，容量大于3000MW的用户，允许偏差不得超过±0.2Hz。
频率的变化对电力系统运行的稳定性影响很大。当系统低频率运行时，将会造成汽轮发电机低压级叶片振动加大而产生裂纹，甚至折断；用户的电动机转速将下降，影响企业的产品质量和数量；将引起计算机计算错误和控制混乱。
4.可靠性
供电的可靠性是衡量供电质量的一个重要指标。衡量供配电可靠性的指标，一般以全年平均供电时间占全年时间的百分数来表示。
根据突然中断供电所造成的损失程度分类，负荷可以分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。
①一级负荷。是指突然中断供电将会造成人身伤亡或会引起周围环境严重污染的；将会造成经济上的巨大损失的；将会造成社会秩序严重混乱或在政治上产生严重影响的。一级负荷应由两个相互独立的电源供电。如果两个电源不是相互独立而有联系时，应该做到在发生故障时，两个电源的任何部分不会同时受到损坏。或者有些一级负荷允许在很短的时间内能中断供电，能在发生任何一种故障时，有一个电源不中断供电，或由值班人员完成必要的操作，迅速恢复一个电源的供电。
②二级负荷。是指突然中断供电会造成经济上较大损失的；将会造成社会秩序混乱或政治上产生较大影响的。二级供电负荷最好能有两个电源供电。如果供电条件有困难或负荷较小时，可以用一个6kV以及6kV以上的专用线路供电。如果采用电缆供电时，可以另外设一条备用电缆，而且该电缆要经常处于运行状态。
③三级负荷。是指不属于上述一类和二类负荷的其他负荷。三级负荷对供电无特殊要求。
三、电力系统中性点的运行方式
电力系统的中性点是指三相电力系统中作星形连接的变压器或发电机绕组的中性点。电力系统中性点的运行方式主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地三种。前两种又称为小电流接地系统，后一种又称为大电流接地系统。
如何选择电力系统中性点的运行方式，是一个比较复杂的、综合性的技术经济问题，无论采用哪一种运行方式，都涉及供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护和自动装置的正确动作、系统的布置、接近故障点时对生命的危险性以及系统的稳定性等一系列问题。
1.中性点不接地
如图1-2所示，在正常运行时，电力系统的中性点与地处于绝缘状态。电力系统的三相导线之间及各相导线与地之间，沿导线全长都存在分布电容。如果三相导线完全对称，则各相导线对地的分布电容是相等的，可用位于线路中央的集中电容C代替，即C=C=C=C；UVW而相间电容较小，不予考虑。图1-2 中性点不接地的三相电力系统的正常运行状态
在正常运行时，三个相电压、、对称，电源提供的三相电流、、分别等于各相的负荷电流、、和各相对地的电容电流、、的相量和，如图1-2（b）所示。在三相对称电压作用下，三相对地电容电流大小相等，其数值为式中 U——电源相电压，V。φ
三相对地电容电流的相位互差120°，因此三者的相量和为零，即，没有电容电流流入大地。可见，正常运行状态下的中性点不接地三相电力系统的中性点电位为零，三相集中电容的中性点电位也为零。
当任何一相的绝缘受到破坏而接地时，各相的对地电压要发生改变，对地电容电流也将发生变化，中性点的电位不再为零。
如图1-3所示，当W相发生金属性接地时，故障相对地电压为零，即。这时，电源三相电压、、仍然对称，可列出故障相的电压方程式为则
可见，当W相发生金属性接地时，中性点N的对地电位上升到相电压，并且与接地相的电源相电压相位相反。于是，非故障相U相和V相的对地电压分别为
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