侯马牵引变电所电气系统设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计 侯马牵引变电所电气系统设计 the electrical design of the hm traction substation 2013 届 电气工程 系 专 业 电气工程及其自动化 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2013 年 5 月 27 日 毕业设计成绩单毕业设计成绩单 学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化 毕业设计题目 侯马牵引变电所电气系统设计 指导教师姓名 指导教师职称副教授 评 定 成 绩 指导教师 得分 评阅人 得分 答辩小 组组长 得分 成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计开题报告毕业设计开题报告 题 目侯马牵引变电所电气系统设计 专 业电气工程及其自动化班级学生姓名 一、研究背景 牵引变电所是电气化铁路的心脏，其主要作用是将 110kv 三相交流电转换成 27.5（55）kv 单项交流电，并供电给电力牵引网和电力机车。牵引变电所是接受与分配电能并改变电能电压 的枢纽。保证牵引变电所的安全高效运行对电气化铁路来说是至关重要的，要确保牵引变电所 的安全高效运行就需要合理的对牵引变电所进行电气化设计。牵引变电所根据在电网中的位置、 重要程度和电力系统向牵引变电所供电方式的不同可分为中心变电所、通过式牵引变电所和分 接式牵引变电所。 二、国内外研究现状 国内的电气化铁路技术已很成熟。电气化铁路有以下几个优点：拉得多，跑得快，运输 能力大。节约能源消耗，综合利用能源。经济效益好。对环境无污染，劳动条件好，有 利于实现净化运输。有利于铁路沿线实现电气化，促进工农业发展。因此我国的电气化铁路 发展前景喜人。 目前国内用新技术在电气化铁路建设上的实例如：秦沈客运专线，它是我国目前高速电气 化铁路技术层次最高、创新内容最多的标志性工程。作为我国高速电气化铁路的重要窗口与试 验基地，其设计时速为 200km，其中山海关至绥中北试验段最高设计时速达 300km。秦沈客运专 线牵引供电系统，大量采用了一系列新技术、新方法、新设备，引领着高速电气化铁路牵引供 电系统的发展方向。 三、研究方案 本次牵引变电所设计主要进行的是 110kv 牵引变电所设计。牵引变电所是客运线的电源， 为整个客运线的运行提供动力。 首先，按照电气化铁道设计规范，参照设计任务书进行参数计算。接着，提出牵引变电所 的几种接线方案，确定最优的接线方案。其次，就是要进行负荷计算，确定主变压器容量、型 式、台数。再次，就是进行短路计算，也就是说计算在发生短路时，继电保护要动作但还没动 作的这段时间内，系统、设备能否经受得住，还要进行动稳、热稳定性的校验。高压电气设备 的选择和校验，高压断路器和隔离开关的选择，高压熔断器的选择和校验，电流、电压互感器 的选择和校验，母线的选择和校验，避雷器的选择。最后，进行电能质量分析，研究一下谐波 分析、牵引网对通信线路的影响、牵引负荷对电力系统的影响与对策等方面的工作。 指导教师签字时 间年 月 日 摘 要 牵引变电所的进线是 110kv 的三相供电，变电所内部的主接线和电气设备的选 择是本次设计的主要学习与研究对象。 按照铁路牵引供电设计规范 铁路电力变，配电所设计的规范中的要求进 行此次设计学习。首先要进行选择牵引变压器的主接线和主变压器参数容量，选出 合适的主变压器。然后根据系统和主变压器的项参数进行短路计算。在短路计算中， 根据主变压器的不同的运行状态，分别计算高低压侧的最大和最小短路电流，然后 根据设计要求对牵引变压器的继电保护和防雷。之后，按照一定的高压设备选择的 原则进行本设计中高压设备的选择与校验，包括高低压侧断路器的选择，高低压侧 隔离开关个选择，电流互感器的选择与校验，高压熔断器的选择与校验，电压互感 器的选择，防雷设备的选择。最后对所有数据的校验与整理，设计出合理，安全， 可行的牵引变电所。 关键字：变压器负荷计算 主结线 短路计算 abstract traction substation 110kv line is a three-phase power supply, internal main substation wiring and electrical equipment selection is the second major design learning and study. accordance with the “railway traction power supply design specifications“, “railway power transformation and distribution of the design specifications“ in the requirements for the design of learning. we must first choose a main traction transformer wiring and main transformer capacity parameters, select the appropriate main transformer. then according to the system and the main parameters of the transformer short-circuit calculation items. in the short-circuit calculations, based on the main transformer different operating states, high and low side were calculated maximum and minimum short-circuit current, and then according to the design requirements for traction transformers and lightning protection. after some high-voltage equipment in accordance with the principles of this design choice in high-voltage equipment selection and validation, including the choice of high and low pressure side of the circuit breaker, high and low side isolation switch option, selection and validation of current transformers, high voltage fuse the selection and validation, the choice of voltage transformers, lightning protection device selection. finally, all data validation and finishing, design a reasonable, safe and feasible traction substation. key words: transformer load calculations main wiring short-circuit calculation i 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 课题研究的目的意义1 1.2 电气化铁路的国内外现状1 1.3 设计研究的内容2 第 2 章 主接线的设计3 2.1 牵引变电所主结线的概述 3 2.1.1 电气主接线基本要求3 2.1.2 高压侧电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤3 2.1.3 牵引变电所高压侧主接线的选择4 2.2 牵引变电所馈线侧主接线设计 4 第 3 章 牵引变电所变压器的选择5 3.1 牵引变压器的接线形式及选择 5 3.2 牵引变电所的备用方式及选择 5 3.3 牵引变压器容量的计算 5 3.3.1 供电区间内的需要输送能力6 3.3.2 供电臂 ab 的基本参数：6 3.3.3 上下行供电臂列车带电平均电流：6 3.3.4 供电臂中同时存在的平均列车数：7 3.3.5 供电臂内列车带电平均概率：7 3.3.6 列车电流间断系数:7 3.3.7 供电臂 ab 的平均电流8 3.3.8 供电臂 ab 的有效电流8 3.3.9 变压器的计算容量 s：9 3.3.10 变压器的校核容量：9 3.4 变压器的安装容量：11 第 4 章 牵引网阻抗的计算12 4.1 牵引网等效阻抗计算13 第 5 章 短路电流计算19 5.1 基本参数19 5.1.1 系统参数19 5.1.2 变压器参数19 5.1.3 短路点选取19 5.2 系统短路电流计算20 5.3 低压侧短路电流计算21 5.4 牵引网末端短路计算22 第 6 章 高压设备的选择24 ii 6.1 设备选择原则 24 6.2 母线的选择 24 6.3 高压断路器的选取 27 6.4 高压熔断器的选取及校验 28 6.5 隔离开关的选取及校验 29 6.6 电压互感器的选取30 6.7 电流互感器的选取 31 第 7 章 继电保护34 7.1 继电保护的任务和要求 34 7.2 电力变压器继电保护的选择 34 7.2.1 距离 i 段整定36 7.2.2 距离 ii 段整定37 第 8 章 变电所防雷保护设计38 第 9 章 牵引网电压损失和电能损耗计算40 9.1 电压损失的计算40 9.2 电能损耗41 第 10 章 对电力系统的负序影响及对策43 10.1 电气化铁路对电力系统的影响概述43 10.2 谐波电流和负序电流对电力系统的主要影响43 10.3 负荷功率因数及补偿措施44 10.4 改善电气化铁路对电力系统影响的主要措施45 10.4.1 降低和限制负序电流措施45 第 11 章 结论与展望46 11.1 结论 46 11.2 展望 46 参考文献47 致谢48 附录49 附录 a49 附录 b 主接线图 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的目的意义 铁路的客运与货运是交通运输的核心，也是国民经济的基础产业。它承担着民 运，军事等一系列的国家重要事项。铁路运营目前仍然是我国主要运输之一。电力 牵引是现代铁路最先进的牵引动力，具有其他方式无法比拟的优势:它牵引力大，对 环境影响小，没有蒸汽机车和内燃机车所产生的废气和油的污染，能源利用率高， 整备时间短，机车效率高，控制性能好，平稳，舒适。既适用于高速旅客运输，也 适合重载运输。 电力牵引变电所是电力机车安全运行的核心，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，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网， 为电力机车供电，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，直接关系的电气化铁路的运行情况。因此，对牵引变电所的研究对电气化铁路 的发展以及运行都有着很重要的意义，对国民经济也有直接或间接的影响1。 1.2 电气化铁路的国内外现状 牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分，目前电气化铁路广泛采用单向工频 供电法式。它是在 20 世纪 50 年代中期法国电气化铁路应用整流式交流电力机车获 得成功之后开始推广的。从那时以来，许多国家都相继采用。这种电流制在电力机 车上降压后应用整流装置整流来供应直流牵引电动机。由于频率提高，牵引网阻抗 加大，牵引网电压也相应提高。目前，较普遍应用的接触网额定电压是 25kv。采用 工频单相交流制的优点是，消除了低频单相交流制的两个主要缺点(与电力工业标准 频率并行的非标准频率和构造复杂的交流整流子式牵引电动机)；牵引供电系统的结 构和设备大为简化，牵引变电所只要选择适宜的牵引变压器，就可以完成降压、分 相、供电的功能；接触网的额定电压较高，其中通过的电流相对较小，从而使接触 网导线截面减小、结构简化；牵引变电所的间距延长、数量减少；工程投资和金属 消耗量降低，电能损失和运营费用减少；电力机车采用直流串励牵引电动机，也远 比交流整流子式牵引电动机牵引性能好，运行可靠。采用工频单相交流制的缺点是， 对电力系统引起的抚恤电流分量和高次谐波含量增加以及功率因数降低；对沿电气 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 化铁路架设的通信线有干扰。但是，经过技术方面和经济方面的综合分析比较，上 述优点是主要的。因此，我国电气化铁路采用工频单相 25kv 交流制。 牵引变电所随着电气化铁路的发展而发展，目前国际上电气化铁路普遍采用 bt 供电方式。在一些客运专线上采用 at 供电方式，这些先进的供电方式对牵引变电 所的性能提出了更高的要求。对变电所的安全运行和变电所的容量提出了更高的要 求。现在客运专线电气化铁路牵引变电所采用单相变压器、室外补偿电容装置及室 内柜式 27.5kv 电气设备。变电所内设置了接触网自动检测装置，即短路检测装置和 反向电压检测装置。保证设备及作业人员的安全。采用馈线断路器操作失灵保护， 断路器箱体和变压器碰壳保护、接触网热保护技术，提高了运营可靠性。采用远动 系统，牵引变电所无人值班。牵引变电所保护系统全部采用数字化保护，动作准确、 可靠。保护设备部件集成化，体积小，占用空间少，故障串低，维修量少。 1.3 设计研究的内容 本次设计是根据设计任务书的要求并按照电气化铁路设计手册对牵引变电所进 行设计，主要内容包括牵引变电所高压侧主接线和负荷侧的主接线的设计，确定变 压器的台数和型号。按照主接线图等效电路进行短路计算以便对对本牵引变电所的 一次电气设备进行选择(如：断路器、隔离开关、母线、互感器等)。对牵引变电所 的防雷和接地进行计算，cad 画出电气主接线图。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 第 2 章 主接线的设计 2.1 牵引变电所主结线的概述 牵引变电所的主接线，是指由主变压器、高压电器和设备等各种电器元件和连 接导线所组成的接受和分配电能的电路。用规定的设备文字符号和图形代表上述电 气设备、导线，并根据他们的作用和运行操作顺序，按一定要求连接的线路，称为 电气主结线图。其中包括主要设备的参数，也包含连接方式和各电气回路的相互关 系，从而构成变电所电气部分主系统。电气主结线反映了牵引变电所的基本结构和 功能。电能输送和分配的关系以及变电所一次设备的运行方式，成为实际运行操作 的依据；在设计中，主结线的确定对变电所电气设备选择、配电装置布置、继电保 护装置和防雷等设施。电气主结线及其组成的电气设备，是牵引变电所的主体部分 3 。 2.1.1 电气主接线基本要求 (1)首先应保证可靠性，并力求经济性。 (2)具有必要的运行灵活性。 (3)应具有较好的经济型。 (4)应力求结线简洁明了，并有发展和扩建余地4。 2.1.2 高压侧电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤 (1)依据任务书的严格要求来进行，以国家的利益与政策出发点、技术规范和规 程为准则，结合工程具体特点和实际调查掌握的各种基础资料，进行综合分析和方 案研究。 (2)主结线设计与整个牵引供电系统供电方案、电力系统对电力牵引供电方案密 切相关，包括牵引网供电方式、变电所布置、主变压器接线方式和容量、各个短路 点的短路计算、器件的选择与防雷设施的选择等技术问题，应通过供电系统计算进 行全面的综合技术经济比较，确定牵引变电所的主要技术参数和各种技术要求。 (3)根据供电系统计算结果提供的上述各种技术参数和有关资料，结合牵引变电 所高压进线及其与系统联系、进线继电保护方式、 ，以及电气化铁路当前运量和发展 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 规划远景等因素，并全面考虑对主结线的基本要求，做出综合分析和方案比较，设 计合理的电气主结线。 (4)新技术的应用对牵引变电所主结线结构和可靠性等方面，将产生直接影响。 2.1.3 牵引变电所高压侧主接线的选择 本次设计是通过式牵引变电所，选择的是桥型接线。两回路电源引入线分别经 断路器接入两台主变压器。本次设计要求的供电距离较长，牵引负荷较剧烈，考虑 到这些情况后，牵引变电所高压侧适合采用外桥接线。并且外桥接线中，两台主变 压器，、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。即在初期按桥型结接线。将来有可能增加电源线路回路时再扩展为其 他接线形式。所以在本次设计中，在查阅相关资料后得出采用外桥接线是最适合本 次设计的结论。 2.2 牵引变电所馈线侧主接线设计 牵引负荷是牵引变电所基本的重要负荷，上述电气主接线的基本形式和要求对 牵引负荷侧也都适用。但是牵引负荷也有其特殊性，牵引负荷侧通过馈线给接触网 供电，由于接触网没有备用，而且接触网故障几率比一般架空线路更为频繁，因此 牵引负荷侧对断路器的类型和备用方式比较高。 2.2.1 牵引变电所馈线侧接线的选择 本次设计从从供电可靠性、灵活性和经济性考虑本次接线选用双母线分段。其 优点可分为:供电可靠,可以轮流检修一组母线而不致使供电中断；一组母线故障时， 能迅速恢复供电；检修任一回路的母线隔离开关，只停该回路。调度灵活。各个电 源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应系统中各种运行方式 调度和潮流变化的需要。扩建方便。向双母线的左右任何的一个方向扩建，均不影 响两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。便于试验。当个别 回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 第 3 章 牵引变电所变压器的选择 牵引变压器是牵引供电系统的重要设备，担负着将电力系统供给的 110kv 或 220kv 三相电源变换成适合电力机车的 27.5kv 的单向工频交流电。由于牵引负荷具 有极度不稳定，短路故障多、等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣的多，因此要 求牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强。根据这些特点对牵引变压器的接线 方式和安装容量的选择。 3.1 牵引变压器的接线形式及选择 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。 3.2 牵引变电所的备用方式及选择 结合本次设计的要求，即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,所以综合考虑情况该变电所采比较适合采用固定备用。当变电所需要检修 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。 3.3 牵引变压器容量的计算 现根据铁路运行实际情况作如下假设： 该供电系统是双线区段供电并采用上，下行并联得供电方式。 其负荷情况如下： (1)近期调查年货运量 =8950 万吨/年 (2)牵引吨数 q=6000t (3)牵引计算结果：（a 中已包括机车自用电） 供电臂 a ： 上行：n=3，a=2000kvah，tg=38.4min t=40.1 min 下行：n=3，a=2200kvah，tg=33.3min t=38.7min n 非=90 对/天 供电臂 b： 上行：n=3，a=2500kvah，tg=35.4min t=39.5min 下行：n=3，a=2100kvah，tg=26.3min t=29.6min 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 n 非=90 对/天 cos=0.8，在牵引母线上补偿，补偿后 cos=0.9 3.3.1 供电区间内的需要输送能力 n=80(列/日)= 40 对/日 净 q kk 365 104 21 705 . 0 6000365 10895015 . 1 2 . 1 4 其中波动系数，取 1.2； 1 k 储备系数，复线取 1.15； 2 k 年运货量(8950 吨/年) 货物列车载重系数(有各种车辆的百分比决定)； 净 列车牵引重量(吨)；q 3.3.2 供电臂 ab 的基本参数： 供电臂 a: 上行：i=119.7 a aa上 上 上 t a 4 . 2 1 .40 2000 4 . 2 下行：i=136.43 a 下aa 下 下 t a 4 . 2 7 .38 2200 4 . 2 供电臂 b: 上行：i=151.90 a 上ab 上 上 t b 4 . 2 5 .39 2500 4 . 2 下行：i=141.57 a 下ab 4 . 2 下 下 t b 6 . 35 2100 4 . 2 3.3.3 上下行供电臂列车带电平均电流： 供电臂 a: 上行：i=125 a 上aa 上 上 g t a 4 . 2 4 . 38 2000 4 . 2 下行：i=158.56 a 下aa 上 上 g t a 4 . 2 3 .33 2200 4 . 2 供电臂 b: 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 上行：i=169.49 a 上ab 上 上 g t b 4 . 2 4 . 35 2500 4 . 2 下行：i=170.27 a 下ab 4 . 2 下 下 g t b 6 .29 2100 4 . 2 3.3.4 供电臂中同时存在的平均列车数： 供电臂 a： m 上=1.114 t tn 上 1440 1 . 4040 m 下=1.075 t tn 下 1440 7 . 3840 供电臂 b： m 上=1.097 t tn 上 1440 5 . 3940 m 下=0.989 t tn 下 1440 6 . 3540 3.3.5 供电臂内列车带电平均概率： 供电臂 a： p 上=0.36 nt tn g上 14403 4 . 3840 p 下= =0.308 nt tn g 下 14403 3 . 3340 供电臂 b： p 上=0.328 nt tn g上 14403 4 . 3540 p 下= =0.274 nt tn g 下 14403 6 . 2940 3.3.6 列车电流间断系数: 供电臂 a： a 上= =1.04 上 上 g t t 4 . 38 1 . 40 a 下=1.16 下 下 g t t 3 .33 7 . 38 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 供电臂 b： a 上= =1.12 上 上 g t t 4 . 35 5 . 39 a 下=1.20 下 下 g t t 6 . 29 6 . 35 3.3.7 供电臂 ab 的平均电流i、i、i、i 上aa下aa上ab下ab i上=1.667na=1.667402000=133.37 a 上aa上 3- 10 3- 10 i=1.667n=1.667402200=146.69 a 下aa下 a 3- 10 3- 10 i=1.667n=1.667402500=166.69 a 上ab上 b 3- 10 3- 10 i=1.667n=1.667402100=140.0 a 下ab下 b 3- 10 3- 10 i= i + i = 280.06 a aa上aa下aa i = i + i=306.69 a ab上ab下ab 3.3.8 供电臂 ab 的有效电流i、i xaxb 供电臂 a： kxa 上=1.41 上 上 a a np p 2 1 36. 03 01 . 0 1 . 1 1 ixa 上 = kxa 上iaa 上=1.41133.37=188.05 a kxa 下=1.21 2 1 下 下 a a np p 46 . 0 3 46. 01 . 1 1 ixa 下 = kxa 下iaa 下=1.44146.69=211.23 a pa=pa 上+pa 下pa 上pa 下=0.36+0.3080.360.308=0.55 kxa=1.09 a a np p 2 1 703 . 0 3 703 . 0 1 . 1 1 ixa = kxaiaa=1.155280.06.2=323.47 a 供电臂 b： kxb 上=1.24 上 上 b b np p 2 1 42. 03 42 . 0 1 . 1 1 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9 ixb 上 = kxb 上iab 上=1.34166.69=223.36 a kxb 下=1.25 2 1 下 下 b b np p 41 . 0 3 41 . 0 1 . 1 1 ixb 下 = kxb 下iab 下=1.416140=198.24 a pb=pb 上+pb 下pb 上pb 下=0.328+0.2740.3280.274 =0.512 kxb=1.176 b b np p 2 1 512 . 0 3 512 . 0 1 . 1 1 ixb= kxbiab=1.176306.69=360.67 a 其中， 有效系数，取 1.04； )3( *大d i p供电臂出现带电运行列车的平均概率； k供电臂有效电流系数； x 3.3.9 变压器的计算容量 s： s=ktu baxaxb iiii aa 22 24 =0.927.5 1 . 449 2 . 4182 9 . 45569.3604 22 =22092.81 kva 其中，k 变压器的温度系数，一般取 0.9； t u牵引变电所母线额定电压即 27.5 kv； 3.3.10 变压器的校核容量： 按非平行运行区间通过能力 n 非的要求进行核算： 轻负荷臂 a 对应于 n 非的有效电流 ixa： pa 上=0.8 nt tgn 非 14403 4 . 3890 pa 下=0.694 nt tgn 非 14403 3 . 3390 pa=pa 上+pa 下pa 上pa 下=0.8+0.6940.80.694=0.939 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 kxa=1.028 a a np p 2 1 939. 03 939 . 0 1 . 1 1 iaa =1.667n非a10-3=1.66790(2000+2200）10-3=630.126 a ixa = kxaiaa=1.028630.126=647.77 a 重负荷臂 b 对应于 n 非的最大短时电流： pb 上=0.738 nt tgn 非 14403 4 . 3590 pb 下=0.617 nt tgn 非 14403 6 . 2990