中间牵引变电所的电气主接线设计

牵引供电课程设计报告书题 目中间牵引变电所的电气主接线设计院/系(部)电气工程系班 级学 号 姓 名指导教师完成时间2013年12月20日摘要牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分，它直接影响整个电气化铁路的安全与经济运行，是联系供电系统和电气化铁路的桥梁，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是变电所的主要环节，直接关系着整个变电所的电气设备的选择、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。基于上述原因，本文对牵引变电所的结构和接线方式进行了详细的分析和选择。通过负荷计算选取了主变压器的型号和容量，同时对主变压器的接线方式进行了研究。通过研究和比较确定了本次设计所采用的主接线方式，并运用AutoCAD软件绘制出了主接线图。短路电流计算是本次设计的关键部分通过计算结果对断路器、隔离开关、电压互感器、母线和避雷器这些电气设备进行了选型及校验。从而，完成了本次课程设计。通过对各种计算结果的校验本文设计得出的结果是合理的、可行的。 关键词： 牵引变电所变压器主接线目录第1章课程设计目的和任务要求11.1设计目的11.2任务要求及依据11.2.1任务要求11.2.2依据11.3提出解决方案2第2章方案的比较及选择22.1牵引变压器接线形式的比较22.2 牵引变压器的选择2第3章牵引变电所变压器的选择33.1牵引变电所的备用方式及选择33.2牵引变压器容量的计算43.2.1计算容量43.2.2校核容量43.2.3安装容量和台数4第4章主接线的设计54.1牵引变电所高压侧主接线的选择54.2倒闸操作54.3牵引变电所馈线侧主接线设计6第5章牵引变电所的短路计算65.1短路点的选取65.2短路计算6第6章高压设备的选取96.1110kV侧进线选择96.2 27.5KV侧母线的选择106.3断路器选取106.4隔离开关选取116.5电压互感器的选取116.6电流互感器的选取11第7章继电保护12第8章并联无功补偿138.1并联电容补偿装置主接线138.2并联无功补偿计算14第9章防雷16总结17参考文献18附录19牵引供电课程设计第1章课程设计目的和任务要求1.1设计目的通过本课程设计，能够运用电气基础课程中的基本理论和实践知识，正确地解决牵引变电所的电气主接线设计等问题。学习和掌握牵引供电系统在实际生活中的应用和设计技术，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。通过牵引变电所的电气主接线设计的训练，提高电气设计能力，学会使用相关的手册及图册资料等。1.2任务要求及依据1.2.1任务要求(1)确定该三相牵引变电所高压侧的电气主结线的形式，并分析其运行方式。 (2)确定牵引变压器的容量、台数和型号。(3)确定牵引负荷侧的电气主接线的形式。(4)对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择。(5)对变电所进行继电保护配置，并进行防雷和接地设计。(6)用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。1.2.2依据(1)该牵引变电所的供电电源是由电力系统的区域变电所以双边双回路(110kV)的输电形式输送电能的，基准容量100MVA，在最大运行方式下电力系统的电抗标幺值为0.13，最小运行方式下为0.15，高压侧有一定的穿越功率。(2)该牵引变电所性接触网的供电方式为直供加回流的供电方式，为单线区段，同时以10kV电压给车站电力、照明等地区符合供电，容量计算为1000MVA，还可以提供变电所。(3)牵引变电器的参数： 额定电压为110/27.5kV,重负荷臂有效电流和平均电流为366A和285A，重负荷臂的最大电流为580A，轻负荷臂的有效电流为322A和243A。(4)环境资料： 本牵引变电所地区海拔为550米，地层以纱质粘土为主，地下水位为5.5米。该牵引变电所位于电气化铁路的中间位置，所内不设铁路岔线，外部有公路直通所内。 本变电所地区最高温度为38，年平均温度为21，年最热月平均最高气温为33，年雷暴日为25天，土壤冻结深度为1.2m。1.3提出解决方案(1)方案一：高压侧采用内桥形接线两台牵引变压器，一台正常使用，一台作为固定备用，一次侧接在110kVA进线低压侧采用单母线分段的接线方式。(2)方案二：高压侧采用四台牵引变压器，每两台一组并联运行；另外一组作为固定备用。第2章方案的比较及选择2.1牵引变压器接线形式的比较三相联结牵引变电所的优点是：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。三相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。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。单相联接牵引变电所的优点：牵引变压器的容量利用率可达100%，主接线简单，设备少，占地面积少，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比较大；对接触网的供电不能实现两边供电。2.2 牵引变压器的选择通过上面的介绍，本次接线适合选用YN，d11接线变压器，这种变压器高压侧采用Y接线，低压侧采用接线，这种接线对供电系统的负序影响小。并且低压侧采用接线，产生的谐波电流在其三角形接线的一次绕组内形成环流，从而不致注如公共的高压高压电网中。基于这些优点，我国电气化铁路中直接供电和BT供电中普遍采用YN,d11接线方式。另外方案一用两台牵引变压器，而方案二用四台牵引变压器，所以方案二要采取两台变压器并联运行，第二种运行方式对技术要求比较高，其主接线和负荷接线也比方案一负载很多。另外就是方案二要比方案一增加两倍的投资，比如各种高低压开关器件、主变压器、互感器以及母线都比方案一多选择两倍。 综合考虑，还是方案一更适合本次设计，所以选择两台牵引变压器单台运行的方式是合理的。第3章牵引变电所变压器的选择3.1牵引变电所的备用方式及选择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。在大运量的双线区段，牵引变压器一旦出现故障，应尽快投入备用变压器，显得比单线区段要求更高。备用变压器投入的快供，将影响到恢复正常供电的时间，并且与采用的备用方式有关。备用方式的选择，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。我国的电气化铁路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方式称为移动备用。采用移动备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，正常时两台并联运行。所内设有铁路专用岔线。备用变压器安放在移动变压器车上，停放于适中位置的牵引变电所内或供电段段部，以便于需要作为备用变压器投人时，缩短运输时间。在供电段的牵引变电所不超过58个的情况下,设一台移动变压器，其额定容量应与该区段的最大单台牵引变压器额定容量相同。 (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。采用固定备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，一台运行，一台备用。每台牵引变压器容量应能承担全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。(3)结合本次设计的任务要求，该牵引变电所外部有公路连通，变电所外部没有设置铁路岔线。变电所需要检修时可能通过外部的公路到指定的变电所完成检修和设备维护，所以在当前进行电气化铁路牵引供电系统的设计中，牵引变压器的备用方式不再考虑移动备用方式，而是采用固定备用。3.2牵引变压器容量的计算牵引变电所容量的计算需要如下原始资料:通过区段的每日列车对数；车通过引变电所两边供电分区的走行时分、给电走行的时分和能耗；线路资料如供电区长度、区间数、信号系统等。由此进行列车电流与馈线电流的计算。因为该牵引变电所重负荷臂馈线有效电流，平均电流，最大电流.轻负荷臂馈线有效电流，平均电流。并且采用YN,d11接线方式。3.2.1计算容量牵引变电所主变压器采用接线，主变压器的正常负荷计算： 将，代入可以求得：3.2.2校核容量紧密运行状态下的主变压器的计算容量为：将， 代入上面公式可以求得：牵引变压器校核容量：3.2.3安装容量和台数根据上述变压器容量计算的结果，并且参照压器技术参数表，选择两台SF1-25000/110变压器，一台工作，另外一台作为固定备用。当工作变压器需要进行检修时，或者排查故障时，只需要进行一系列的倒闸作业就能让备用变压器投入使用从而不至于中断供电影响铁路的运行。变压器的参数如表3-1所示。表3-1 变压器参数额定容(kVA)额定电压(kV)额定电流(A)连接方式高压侧25000110105YN,d11低压侧2500027.5420YN,d11第4章主接线的设计4.1牵引变电所高压侧主接线的选择本次设计是三相牵引变电所，变电所有系统功率穿越，所以应该选择桥型接线。两回路电源引入线分别经断路器接入两台主变压器。外桥接线中，两台主变压器，只有3组断路器，断路器数量比较少、配电装置简单、清晰。无复杂的倒闸作业且具有一定的运行灵活性、供电可靠性，使用电器少，建设费用低，在结构上便于发展为单母线或具有旁路母线的单母线接线。内桥接线中，两回电源线路接入系统的环形电网，并有穿越功率通过桥接母线，桥路断路器(QF)的检修或故障将造成环网断开，为此可在线路断路器外侧安装一组跨条，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。所以在本次设计中，在查阅相关资料后得出采用内桥接线是最适合本次设计的结论。接线如图4-1所示。图4-1内、外桥接线4.2倒闸操作如图4.1，在正常状态下，桥形母线上的断路器QF开闸运行，1QF和2QF是闭合的。当变压器1发生故障或运行中需要断开时，断路器1QF跳闸，QF闭合，线路1由变压器2带着继续正常运行。但若是线路故障或检修时，将是与该线路连接的变压器短时中断运行，须经转换操作后才能恢复工作。因而外侨形结线适用于电源线路较短、负荷不稳定、变压器需要经常切换（例如两台主变中一台要经常断开或投入）的场合，也可用在有穿越功率通过的与唤醒电网连接的变电所中。4.3牵引变电所馈线侧主接线设计本次设计从供电可靠性、灵活性和经济性考虑本次接线选用馈线断路器100%备用的接线方式。这种接线当工作断路器需检修时，此种接线用于单线区段，牵引母线不同的场合。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。如图4-2所示。图4-2馈线断路器100%备用第5章牵引变电所的短路计算5.1短路点的选取因短路计算的主要内容是确定最大短路电流，所以对一次侧设备的选取一般选取110kV高压母线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线断路器的选取一般选取27.5kV低压母线短路点作为短路计算点。5.2短路计算其计算电路如图5-1。图5-1 短路计算电路 其等效电路如图5-2。图5-2 短路等效电路图(1)确定基准值 取 (2)变压器的电抗标幺值(3)k-1点的相关计算最大运行方式下总电抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值 其他三相短路电流最小运行方式下总电抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值 其他三相短路电流(4)K-2点的相关计算 最大运行方式下总电抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值 其他三相短路电流 最小运行方式下总电抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值 其他三相短路电流 短路计算结果如表5-1所示。表5-1 短路计算结果工作方式短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVA最大k-13.863.863.869.845.83769.20k-23.823.823.827.034.16181.82最小k-13.353.353.358.545.06666.67k-23.683.683.686.804.00175,50第6章高压设备的选取6.1110kV侧进线选择计算电流：(1)按经济电流密度选择进线截面。查表选标准截面，即选LGJ-95型钢芯铝绞线。(2)校验发热条件查表得温度为时明敷的LGJ-95型截面为的钢芯铝绞线的满足发热条件。(3)校验机械强度 查表知，按明敷在户外绝缘支持件上，且支持件间距为最大时，铝芯线的最小截面为。满足机械强度要求。6.2 27.5KV侧母线的选择最大负荷持续电流为 查表电力牵引供变电技术附表三LMY矩形导体尺寸 平放1129(A) 竖放1227(A)，大于最大工作电流，故初步选用截面的铝母线。 假定线距，档距为，档数大于2，则最大动力： 所以，由发热条件，且满足机械强度校验，所以低压母线满足要求。6.3断路器选取(1)最大工作电流按变压器1.3倍考虑初选额定电流为1200A的/1200的少油断路器。(2)短路关合电流校验极限通过电流为,而，所以满足。6.4隔离开关选取(1)最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑而要满足，可初选型号为GW4-110DDW/630的隔离开关。(2)校验短路时的热稳定性，所以，故满足热稳定性要求。6.5电压互感器的选取供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为3级。供110kV侧计费的电压互感器选择：准确级0.5级。由于电压互感器装于110kV侧用于计费，并不需要起保护作用，因为如果110kV侧发生故障或事故时，其地方的电力系统会启动继电保护装置跳闸，将其故障或事故切除，因此选用型准确级0.5级，额定容量500VA的电压互感器便可以满足要求。由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流过互感器，因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。 6.6电流互感器的选取(1)最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，而，由表5-12查出电流互感器LCW-110的额定电压为，额定电流比为，故初步确定选用的型号为LCW-110的电流互感器。(2)短路热稳定性校验因为，故满足热稳定性。(3)短路动稳定性校验 显然，满足动稳定性。各设备的参数如表6-1所示。表6-1 一次侧设备的选择校验选择校验项目电压(kV)电流(A)断流能力(kA)动稳定度(kA)热稳定度数据1105.023.866.31627设备型号规格少油断路器SW3-110G110120015.8kA41998.56高压隔离开关GW4-110DDW110630-501600电压互感器JCC6-110110/(300600)-电流互感器LCW-110110/5-第7章继电保护继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：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；反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，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，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。主变压器继电保护的配置：本设计主变压器容量为25000kVA，通过电力系统继电保护原理可知该容量的变压器首先应装设瓦斯保护（包括轻瓦斯和重瓦斯）、纵差动保护、过负荷保护、零序方向过电流保护。线路继电保护的配置：线路保护有纵联保护、距离三段式保护、电流三段式保护、零序保护等，对于本次设计的110kV线路，采用纵联保护投资大，并且该线路电压等级也不高，本站只是终端变电站，在系统中的地位也不是很高，应多考虑经济性，而采用距离三段式足矣保证该可靠性、灵敏性及快速性。第8章并联无功补偿8.1并联电容补偿装置主接线 图8-1表示了并联电容补偿装置的两种主接线，（a）用于直接供电方式、带回流线的直接供电方式和BT供电方式等牵引变电所；图（b）用于AT供电方式的牵引变电所。主接线的主要设备有： 并联电容器组C。用于无功补偿，与串联电抗器匹配，滤掉一部分谐波电流。串联电抗器L。用于限制断路器合闸是的涌流和分闸时的重燃电流；与电容器组匹配，滤掉一部分谐波电流；防止并联电容补偿装置与供电系统发生高次谐波并联谐振；发生短路故障（例如牵引侧母线短路）时，避免电容器组通过短路点直接放电，保护电容器不受损坏；还可以抑制牵引母线瞬时电压降低为零。断路器QF。为了投切和保护并联电容补偿装置。隔离开关QS。为了在维护检查并联电容补偿装置时有明显电点。电压互感器TV1，TV2（或放电线圈）。为了实现电容器组的继电保护，并联电容器组退出运行时放电。电流互感器TA1，TA2。为了实现并联电容补偿装置的电流测量和继电保护。避雷器F。作为过电压保护。熔断器FU。作为单台电容器的保护。 图8-1 并联电容补偿装置8.2并联无功补偿计算 在牵引变电所牵引侧设计和安装并联电容补偿装置，既是减少牵引负荷谐波影响的一项措施，又是提高牵引负荷功率因数的一种对策。按牵引变电所负荷平均有功功率计算需补无功容量，并根据无防倒要求进行调整。还应考虑，对于运量大的双线电气化铁路，按牵引变电所无牵引负荷概率的100%进行调整。牵引变电所功率因数取值：补偿前，牵引侧，牵引变压器高压侧；补偿后，牵引变压器高压侧 (1) 重供电臂负荷平均有功功率：需补无功容量，无防倒要求时： 安装无功容量：代入，可求得：实际安装无功容量，选取电容器型号为BWF10.5-16-1串联电容器单元数n按下式确定：并联电容器单元数m按下式确定：m应受下列允许值限制，最小允许值：为电容器组工作电压，为故障电容器端电压，按下式确定：最大允许值：实际安装无功容量： (2)轻供电臂并联电容补偿计算轻供电臂并联电容补偿计算同重供电臂算法相同。并联补偿计算的结果如表8-1所示。表8-1并联补偿计算的结果m*nA6426.752043.402589.4841*42624B5479.651742.272207.8835*42240 第9章防雷牵引变电所是重要的电力枢纽，一旦发生雷击事故,就会造成大面积停电。一些重要设备如变压器等，多半不是自恢复绝缘，其内部绝缘如故发生闪络,就会损坏设备。因此，变电所实际上是完全耐雷的。变电所的雷害事故来自两个方面：一是雷直击变电所；二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电所。对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对雷电侵入波的防护的主要措施是阀式避雷器限制过电压幅值，同时辅之以相应措施，以限制流过阀式避雷器的雷电流和降低侵入波的陡度，避雷器应与被保护设备并联，且安装在被保护设备的电源侧。能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。在每路进线终端均装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器。为了有效地保护主变压器，阀式避雷器应尽量靠近主变压器安装。变压器两侧的避雷器应与主变压器中性点及其金属外壳一同接地。其参数如表8-1所示。 表8-1避雷器选型表保护地点110kV侧设备保护27.5kV侧设备保护选用型号Y5W5126/439 ZnO避雷器FZ30J普通阀式避雷器总结这次牵引供电课程设计我设计的是三相牵引变电所电气主接线，首先因为本设计是带穿越功率的，所以主接线选择桥型接线，然后根据所给资料确定了变压器容量并进行短路计算和主要电气设备的选择，最后进行了继电保护和无功补偿，完成了本次课程设计。经过这次课程设计，我了解了牵引变压器的用途及工作原理，熟悉了牵引变电所的设计步骤，温习了工厂供电的相关知识，更深入学习了牵引供电知识。由于时间精力知识水平有限，本次设计也有很多不足，比如线路和设备的设置、电气设备的选择与校验等等。但从中我也学到了很多东西，收获了很多经验，对以后的学习和生活都会有很大帮助。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，20092尹向强.电力系统继电保护.中国电力出版社，20103刘介才.工厂供电（第5版）.机械工业出版社，2013附录18