牵引变电所主接线设计(毕业论文)

1、 目 录目 录1第1章课程设计目的和任务要求11.1设计目的11.2设计要求11.3设计依据1第2章 牵引变电所变压器的选型22.1牵引变压器的优缺点22.2牵引变压器的备用方式22.3变压器的容量32.3.1容量计算32.3.2安装容量和台数4第3章主接线设计43.1.1 倒闸操作5第4章短路计算64.1短路计算的目的64.2短路点的选取74.3短路计算7第5章高压设备的选择95.1母线的选择95.1.1 110kv侧高压进线的选择95.1.2 27.5kv侧母线的选择105.2高压断路器的选取115.2.1 110kv侧断路器选取115.2.227.5kv侧断路器选取135.3隔离开关的选

2、取及校验145.3.1110kv侧隔离开关选取145.3.227.5kv侧隔离开关选取145.4电压互感器的选取155.5电流互感器的选型和校验175.5.1110kv侧电流互感器的选取175.5.227.5kv侧电流互感器的选取18第6章 并联无功补偿196.1并联电容补偿的作用196.2并联电容补偿装置主接线及元件作用196.3并联无功补偿计算21第7章 继电保护237.1继电保护的任务和要求237.1.1继电保护的任务237.1.2继电保护基本要求237.2电力变压器继电保护的选择23第8章防雷保护248.1避雷装置的选取24参考文献25第1章课程设计目的和任务要求1.1设计目的本课程设

3、计较系统的阐明了牵引变电b设计的基本方法和步骤。重点在于对牵引变压器的选择、牵引变压器的容量计算、运行技术指标的计算；电气主接线的设计；导线的选择。分章节进行阐述，经过多方面的校验，从经济实用的角度出发，力求设计出一套较优的方案。1.2设计要求(1)确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式，并分析其正常运行时的运行方式(2)确定牵引变压器的容量，台数及接线形式(3)确定牵引负荷侧电气主接线形式(4)对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择(5)设置合适的过电压保护装置，防雷装置以及提高接触网功率因数的装置(6)用cad画出整个牵引变电所的电气主接线图1.3设计依据区域电网以双回路110kv输送

4、电能，选取基准容量为100mva，在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值为0.23；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.25.某牵引变电所b采取直接供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kv，三相接线，两供电臂电流归算到27.5kv侧电流如表1-1所示。表1-1 两供电臂电流归算到27.5kv侧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最大电流ab 18.321729581814832013.3144218637144390环境资料：本牵引变电所地区平均海拔为400米，地层以砂质黏土为主，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

5、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，年雷暴雨日数为26天，土壤冻结深度为1.2m。第2章 牵引变电所变压器的选型2.牵引变压器的优缺点三相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)能很好地适应两供电臂负荷不平衡的运行情况； (3)制造相对简单，价格比较便宜； (4)一次绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便； (5)对接触网的供电可实现两边供电。缺点是牵引变压器的容量利用率不高。2.2牵引变压器的备用方式电气化铁路牵引用电属于一级负荷，

6、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

7、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。在供电段所辖的牵引变电所不超过57个的情况下,设一台移动变压器其额定容量应与所辖变电所中的最大牵引变压器额定容量相同。当牵引变压器需要检修时可将移动变压器按计划调入牵引变电所。但在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。此间，采用移动备用方式的优点是牵引变压器容量较省。因此移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线区段。(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

8、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。采用固定备用方式的优点是：其投入快速方便，可确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用岔线，牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量较少，电气主接线较简单。其缺点是：增加了牵引变压器的安装容量，变电所内设备检修业务要靠公路运输。因此，固定备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。结合本次设计的任务书的要求，牵引变电所采用直接供电方式向双线区段供电，外部有公路直通所内。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

9、的备用方式不再考虑移动备用方式。2.3变压器的容量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使用的27.5kv的单相电。由于牵引负荷具有极度不稳定、短路故障多、谐波含量大等特点，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。容量过小会使牵引变压器长期过载，将造成其寿命缩短，甚至烧损；容量过大将使牵引变压器长期不能满载运行，从而造成其容量浪费，损耗增加，使运营费用增大。所以通过变压器容量的计算，能更好的选择一个安全经济的设计方案。2.3.1容量计算本设计采用三相ynd11接线变压器，变压器的计算容量

10、为：故： 校核容量紧密运行状态下的主变压器最大容量： 2.3.2安装容量和台数因为计算容量大于校核容量所以选取计算容量作为变压器的安装容量，本设计采用的是2台三相变压器，1台运行，其余1台备用。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。因此所选变压器容量应比校核容量略大一些，确定所选变压器为。其参数如下表：表2-1变压器参数表设备型号额定容量（kva）额定电压（kv）额定电流（a）损耗（kv）阻抗电压（%）空载电流（%）连接组别高压低压高压低压空载短路3150011027.516566038.514810.52ynd11第3章主接线设计(1)内桥接线当任一线路故障或检修时，不

11、影响变压器的并列工作。在电气化铁道中，线路故障远比变压器故障多，故内桥接线在牵引变电所应用较广泛。，如图中的虚线所示，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。内桥接线如图3-1所示。 图3-1内桥接线(2)外桥接线路故障或检修时，将使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。 因而外桥接线适用于电源线路较短、负荷不恒定、变压器要经常切换(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环形电网连接的变电所中。外桥接线如图3-2所示。图3-2外桥接线(3) 某些中间式(或终端式)牵引变电所，如采用从输电线路分支连接(

12、又称t型连接)的电源线路，且进线线路较短，变电所高压母线无穿越功率通过，在这种情况下桥形接线的桥路断路器没有任何作用，考虑运行的灵活性，可在两电源线路间保留带有隔离开关的跨条，形成简单接线或称双t型接线。双t接线如图3-3所示。图3-3 双t接线在电气化铁道中，线路故障远比变压器故障多，本次设计选择了外桥接线。3.1.1 倒闸操作 倒闸操作是指电气设备或电力系统由一种运行状态变换到另一种运行状态，由一种运行方式转变为另一种运行方式时所进行的一系列的有序操作。图3-4 外桥接线示意图正常运行时，qs7、qf、qs8，其他断路器隔离开关均断开，变压器t1通过l1得电，使得变压器向27.5kv侧输送

13、电能。当需要检修时，假如仍然需要在l1得电，先断开qf1，然后断开qs3和qs5，再闭合qs4，然后合qs6。最后闭合qf，即可满足检修时供电需要。检修结束时，先断开qf2，然后断开qs4和qs6，再断qf,后闭合qs3和qs5，最后闭合qf1，即可恢复正常供电。第4章短路计算4.1短路计算的目的(1)在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。(2)在选择电气设备时，为了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，这就需要进行全面的短路电流计算。(3)在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验

14、软导线的相间和相对地的安全距离。(4)在选择继电保护方式和进行整定计算时，需要短路电流提供依据。4.2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低压母线短路点作为短路计算点。4.3短路计算牵引变电所短路示意图如图4-1所示。 图4-1牵引变电所短路示意图(1)确定基准值牵引变电所高压侧发生三相接地短路：取电力系统基准容量，基准电压为，。电压标幺值。短路点基准电流： (2)计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值电力系统的电抗标幺值：0.23电力变压器的电抗标幺值，查附录得，因此绘制短路等

15、效电路图如图4-2所示，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并表明短路计算点。 图4-2等效电路图 (3)计算110kv侧的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流总电抗标幺值：三相短路电流周期分量有效值：其他三相短路电流：三相短路容量：(4)计算27.5kv侧的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流总电抗标幺值：三相短路电流周期分量有效值：其他三相短路电流：三相短路容量：系统在最小运行方式下的三相短路计算同最大运行方式下相同，三相短路计算结果如表4-1所示。表4-1短路计算结果系统运行方式短路计算点 三相短路电流/ka三相短路容量/mva最大k-1 2.182.182.185.563.29 434.78

16、k-2 3.753.753.759.565.66178.57最小k-12.012.012.015.133.04400k-23.623.623.629.235.47175.41第5章高压设备的选择5.1母线的选择5.1.1 110kv侧高压进线的选择(1)最大负荷持续工作电流：(2)按经济电流密度选择进线截面：取故应选择lgj-240钢芯铝绞线，在最高允许温度为时长期允许载流量为494a。(3)校验发热条件查附录表得lgj-240的允许载流量（环境温度为）。因此满足发热条件。(4)校验进线机械强度查附录表得110kv架空线钢芯铝绞线的最小截面，因此所选lgj-240型钢芯铝绞线也满足机械强度要求

17、。5.1.2 27.5kv侧母线的选择低压母线水平平放，档距为900mm，档数大于2，相邻两相母线的轴线距离为50mm，查附录表17得到，27.5kv母线选lmy-505即母线尺寸为。(1)校验动稳定度按校验，式中为母线材料的最大允许应力(pa)，硬铝母线(lmy)型，。为母线通过时，所受到的最大计算应力。线距，档距为。为发生三相短路时两导体之间产生的电动力： b为母线截面的水平宽度，h为母线截面的垂直高度。 (2)校验热稳定度按式，a为母线截面积，单位为；为满足热稳定度条件的最小截面积，单位为，因此，所选的母线符合其要求。5.2高压断路器的选取5.2.1 110kv侧断路器选取 (1)最大工

18、作电流按变压器1.3倍考虑初选sw6-110/1200型高压断路器。 (2)校验电压电流。装设地点的电压为115.5kv，而sw6-110/1200的额定电压为110kv最大电压126kv，校验合格。装设地点的电流为272.93a，而sw6-110/1200的额定电流为1200a，校验合格。 (3)断流能力校验。装设地点可能开断的最大电流是2.17ka，而sw6-110/1200最大开端电流是15.8ka，设备的最大开断电流应不小于它可能的最大开断电流，所以断流能力合格。 (4)短路电流校验。短路电流校验包括动稳定度和热稳定度校验，其中动稳定度校验按三相短路冲击电流校验，热稳定度校验按三相短路

19、稳态电流和短路发热假想时间校验。 动稳定度校验：设备的最大电流为，校验合格。热稳度定校验：热稳定度校验合格。110kv高压断路器选择校验表如表5-1所示。表5-1110kv高压断路器选择校验表 序号装设地点的电气条件sw6-110/1200型高压断路器项目数据项目数据结论1110kv110kv合格2272.93a1200a合格32.17ka15.8ka合格45.54ka41ka合格55.65合格5.2.227.5kv侧断路器选取(2)最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑27.5kv高压断路器选择校验表如表5-2所示表5-227.5kv高压断路器选择校验表 序号装设地点的电气条件zn27.5

20、型高压断路器项目数据项目数据结论127.5kv27.5kv合格2923a1000a合格34.29ka10ka合格410.93ka25ka合格522.08合格5.3隔离开关的选取及校验高压隔离开关在配电线路中起隔离电源、切换电路、接通或断开小电流电路的作用。选择高压隔离开关的技术参数主要有额定电压、额定电流、动稳定和热稳定电流、极限通过电流等。5.3.1110kv侧隔离开关选取(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gw4-110的隔离开关。110kv高压隔离开关选择校验表如下所示：表5-3110kv高压隔离开关选择校验表 序号装设地点的电气条件gw4-110型高压

21、断路器项目数据项目数据结论1110kv110kv合格2272.93a630a合格45.54ka50ka合格55.65合格其开关参数如下所示：表5-4gw4-110dw参数表型号额定电压(kv)额定电流(a)动稳定电流(ka)4s热稳定电流(ka)gw4-110dw1106305020 5.3.227.5kv侧隔离开关选取 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gw427.5/1250的隔离开关。表5-527.5kv高压隔离开关选择校验表 序号装设地点的电气条件gw427.5/1250型高压断路器项目数据项目数据结论127.5kv27.5kv合格2923a1250a合格

22、410.93ka80ka合格522.08合格5.4电压互感器的选取(1) 110kv侧电压互感器选取供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为3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300va的电压互感器便可以满足要求。参数表如下所示：表5-6参数表型号额定电压（kv）额定容量（v.a）最大容量（v.a） 原线圈 副线圈0.5级 1级3级30050010002000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，

23、因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。 (2) 侧电压互感器的选取由于电压互感器装于27.5kv侧要起到保护作用，用于保护牵引网馈线上所发生的故障或事故，故其准确级需要3级，因此选用jdjj-35型准确级3级，额定容量600va的电压互感器可以满足要求。其技术数据见表5-6：表5-7jdj2-27.5参数表型号额定电压（kv）额定容量（v.a）最大容量（v.a）原线圈副线圈0.5级 1级3级jdj2-27.5150 25010001000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。5.5电流互感器的选型和校验5.5.1110

24、kv侧电流互感器的选取(1)最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，而，110kv侧的额定电压为，额定电流比为，故初步确定选用的型号为lcwd2-110的电流互感器。表5-7lcwd2-110参数表型号额定电压(kv)额定电流比(a)动稳定系数1s热稳定电流(ka)lcwd2-1101102600/52.53535(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。5.5.227.5kv侧电流互感器的选取(1)最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，而，27.5kv侧额定电压为，额定电流比为，故初步确定选用的型号为lcwd1-35的电流互感器。 表5

25、-8lcwd1-35参数表型号额定电压(kv)额定电流比(a)动稳定系数1s热稳定电流(ka)lcwd1-35351000/52.54545(2)短路热稳定性校验 故满足热稳定性。(3)短路动稳定性校验 故满足动稳定性。第6章 并联无功补偿 6.1并联电容补偿的作用(1)提高功率因数；(2)吸收谐波电流，具有滤波作用；(3)改善电力系统电压质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压；(4)减少电力系统电能损失(5)减少系统负序电流6.2并联电容补偿装置主接线及元件作用 图6-1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

26、供电方式的牵引变电所。 图6-1并联电容补偿装置 主接线的主要设备及作用如表6-1所示表6-1设备清单元件名称作用并联电容器组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等。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。6.3并

27、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 供电臂并联电容补偿计算(1)供电臂1负荷平均有功功率： (2)需补无功容量，无防倒要求时： (3)安装无功容量：代入，可求得： (4)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

28、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：为电容器单元故障瞬间电压降，为电容器单元额定电容，按下式计算：，实际安装无功容量：供电臂2并联电容补偿计算同供电臂1算法相同。并联补偿计算的结果如表6-2所示。表6-2并联补偿计算的结果m*na4893.351555.851860.5830*41920b3336.771061.131268.9620*41280第7章 继电保护 7.1继电保护的任务和要求7.1.1继电保护的任务(1)供电系统需迅速地切断故障，并保护系统无故障部分继续运行。(2)当系统出现非正常工作状态时，要

29、给值班人员发出信号，使值班人员及时进行处理，以免引起设备故障。7.1.2继电保护基本要求选择性：当供电系统某部分发生故障时，继电保护装置应使距离故障点的断路器动作，将故障部分切除，缩小停电范围，保障无故障部分运行。快速性:快速切断短路故障可以减轻短路电流对电气设备的破坏程度，可以迅速恢复供电正常的过程，减小对用户的影响。灵敏性：灵敏性是指对被保护电气设备可能发射的故障和不正常运行发生的反应能力。为了起保护作用，要求装置由一定的保护灵敏性。可靠性：当发生故障时，要求保护装置动作可靠，即在应动作时不能拒动，而在不动作时不会误动作。7.2电力变压器继电保护的选择(1) 纵联差动保护：对于牵引变电所内

30、的牵引变压器，均应装设差动保护。电流纵差动保护不但能够正确区分区内区外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点，被广泛地用作变压器的主保护。(2) 瓦斯保护：电力变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变压器油箱故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体。气体排出的多少以及排出的速度与变压器的故障程度有关。利用这种气体来实现保护的装置成为瓦斯保护。瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障，但像变压器绝缘子闪络等油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应。 第8章防雷保护8.1避雷装置的选取变配电所的防雷保护主要包括两个重要方面：一是要防止变配电所建筑物和户外配电装置遭受直击雷；二是防止过电压雷电波沿输电线路侵入变电所，危及变配电所电气设备的安全。为防御直击雷，在工厂总降压变电所内设置避雷针。由于避雷针安装高度高于被保护物，因此当雷电临近地面时，它可改变雷电的通道方向吸引到避雷针本身上，然后经与避雷针相连的引下线和接地装置将雷电流泄放到大地中去。根据“滚球法”计算出避雷针的