A牵引变电所供变电工程设计

1、目录目录 第一章第一章 牵引供电系统的概述牵引供电系统的概述.1 1 1.1 供变电工程课程简介 .1 1.2 牵引变电所设计步骤 .2 1.3 设计原则 .3 第二章第二章 牵引变压器容量计算及校验牵引变压器容量计算及校验.4 4 2.1 单相 v,v结线牵引变电所简介 .4 2.2 主变压器容量计算 .5 第三章第三章 开关设备的选择和校验开关设备的选择和校验.7 7 3.1 断路器的选择 .7 3.2 隔离开关的选择.10 第四章第四章 a a 电所一次系统主接线图电所一次系统主接线图.11.11 第五章第五章 牵引变电所防雷接地设计牵引变电所防雷接地设计 5.1 避雷针的设计 .12

2、5.2 接地装置的设计 .13 5.3 变电所遭受雷击的来源及解决方法.14 总结总结.1515 参考文献：参考文献：.1616 第一章第一章 牵引供电系统的概述牵引供电系统的概述 1.11.1供变电工程供变电工程课程简介课程简介 供变电工程”是电气工程及其自动化专业必修专业课程之一。“供变电工 程”包括电气化铁道牵引变电所和供电系统的其它供变电装置的原理、运行和 设计等实际问题。本课程主要讲座讨论工频音单相交流牵引制干线电气化铁路 供变电工程的理论与实际问题，并且全面系统地介绍了交流与直流电力牵引供 电技术的基本理论、电气设备与系统工作原理、设计计算、运行分析和实际知 识。具体内容大致为：交

3、、直流高压电器与开关设备；交、直流牵引变电所电 气主接线与配电装置；供变电系统常规控制、信号、监测电路与操作电源；变 电所微机监控与综合自动化系统；交、直流牵引变电所设计等。牵引供电系统 是电力系统的一级负荷，而为了保证牵引系统的正常运行，围绕它而所设的信 号、通信、取暖、保护等设备所用电能也是电力系统的一级负荷，为此，牵引 变电所和供电系统地区用变电所都要做到任何情况下都能正常工作，这就是可 靠行的提高，一般都是将两类变电所都设计为一主一备。本次课程设计依照上 述原理来进行一个小型牵引变电所的设计、绘图，以及对一些主要电气设备的 选择和校验。 1.21.2 牵引变电所设计步骤牵引变电所设计步

4、骤 本课程设计的主要内容是对牵引变电所进行设计，而设计过程包括： 1分析需要设计的牵引变电所的原始资料； 2在熟悉原始资料的基础上进行计算，计算的内容包括以下几个方面： a) 变压器容量的计算； b) 过负荷能力的计算； c) 各种电能指标的计算； 3选择牵引变压器（考虑一定的过负荷能力） ； 4计算变压器的运行指标，确定电压不平衡度； 5对各种高压电气设备进行选型和校验。高压设备包括： a) 高压断路器 b) 高压隔离开关 c) 高压互感器等； 6对各种辅助设备进行选型和校验，辅助设备包括： a) 各种导线 b) 穿墙套管等； 7对变电所进行一次技术和经济的评估； 8绘制变电所接线图，包括牵

5、引变电所的整个的主接线图和它的俯视 图； 9列出所需设备清单。 1.31.3 设计原则设计原则 1）供变电系统设计： 牵引变电所的很不地点要符合战备需要，方便运行管理，并考虑职工生 活条件。 近期设计年度牵引变压器计算容量对应的运量为调查运量，远期设计年 度牵引变压器计算容量对应的运量为过江要求的年输送能力。 牵引变压器大修、故障备用方式，一般采用移动备用。移动变压器装在 60 吨平板车上，可沿铁路岔线进入牵引变电所。在岔线修建很困难的特 殊情况下，采用固定备用。 接触网电压水平，最高值按 29kv 计算，最低值按短时不低于 20kv 计算， 以便留有一定裕度。为了确保线路所需要的通过能力，要

6、力求避免限制 区间位于供电臂（供电分区）的末端。 2）电气主结线设计： 应以批准的设计任务书为依据，以国家经济建设的方针政策和有关部门 的技术政策、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。 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方案密 切相关，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。 根据供电系统计算结果提供的各种技术参数和有关资料，结合牵引变电 所高压进线及其系统联系等和电气化铁道当前运量和发展规划远景等因 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，以期

7、 设计合理的电气主结线。 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。应作为设计的重要原则之一，按具体情况深入分析研究和考虑。 第第 2 2 章章 牵引变压器容量计算及校验牵引变压器容量计算及校验 2.12.1 单相单相 v,vv,v 结线牵引变电所简介结线牵引变电所简介 1、v,v 结线，其原理图如下 a b c 1t 2t b ac cba 图 2-1 单相 v,v 结线原理图 2、单相 v,v 结线工作原理与特点 牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器 1t 和 2t，作 v,v 连接。1t 和 2t 的原边分别接入电力系统的 bc 相和 ac 相；副边各有一端分别

8、接到牵引侧 的两相母线上，各有另一端与轨道及接地网连接。bc 相向左边供电臂的牵引网 供电，ac 相向右边供电臂的牵引网供电，即通常所说的 60接线。由于牵引 变压器副边绕组电流等于供电臂电流，因此，供电臂长期允许电流就等于牵引 变压器副边的额定电流，牵引变压器的容量能得到充分利用。 原、副边电流关系如下（忽略空载电流）： 1 () ca a bc b ccabc i i k i i k iii k 式中，k为每台单相牵引变压器的变压比。 。 3、单相 v,v 结线牵引变电所的优缺点 牵引变压器容量利用率可达到 100%；在正常运行时，牵引侧保持三相，所 以可供应牵引变电所自用电和地区三相负载

9、；主接线比较简单，设备较少，投 资较省；对电力系统的负序影响比单相结线小；对接触网的供电可实现双边供 电。 它的主要缺点是：当一台牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左 右两边供电臂的牵引网。这就需要一个倒闸过程，即把故障变压器原来承担的 供电任务转移到正常运行的变压器。 4、与三相 v, v 接线以及星三角 yn, d11 接线比较 a 组合 v, v 方案的剩余负序电流模值始终大于组合三相平衡方案; b 当新增供电范围左右供电臂负荷极其不均衡且达到 2i k2 i k1 时, 组合两 相平衡接线方案对剩余负序电流的削减作用最好; c 一般情况下 2 个供电臂负荷相近( 如本线) ,

10、i k1、i k2 , 因此通常组合三 相平衡接线方案优于组合两相平衡接线方案; 而组合 v, v 方案和组合两相平 衡方案则与供电臂负荷的具体大小有关。 2.22.2 主变压器容量计算主变压器容量计算 1、主变压器近期计算容量 正常负荷运行状态下： 上下供电臂电流，额定网压kv，59.277,16.338 ba ii 5 . 27 e u 不考虑地区负荷容量。 (kva) 4 . 929916.338 5 . 27 aea ius (kva) 7 . 763359.2775 .27 beb ius 同理，紧密运行状态下：额定网压。则，kvue 5 . 27 )(28.3118501.1134

11、5 .27kvaius aea )(28.2533321.921 5 . 27kvaius beb 2、电气化铁道中、远期运量估计： 假设中期牵引符合增长为 40%,考虑地区负荷容量。 正常负荷运行状态下： (140%)1.4 9299.413019.16() (140%)1.4 7633.72510687.215() aea beb su ikva su ikva 紧密运行状态下： (140%)1.4 31185.27543659.385() (140%)1.4 25333.27535466.585() aea beb su ikva su ikva 3、单台变压器初步选型：根据以上计算，可

12、选用 2 50000kva 的变压器 4、 主变压器过负荷能力校验 （1） 、近期运量计算： 考虑设计对象为主要干线，按事故超载 30%允许两小时计算，得变电所容量 高于正常运行时计算容量)(68.23988 3 . 1 28.31185 kvasba)( 4 . 9299kvasa 也高于正常运行时计算容量)(14.19487 3 . 1 28.25333 kvasba)(7 .7633kvasb 则根据事故超载 30%允许两小时计算容量来确定变压器的容量及选型，可选用 2 30000kva 变压器。 考虑对象为非主要干线，从前面的计算得： )(01.10730 3 . 1 5 . 1 4

13、. 9299 kvasba )( 1 .8808 3 . 1 5 . 1 7 . 7633 kvasba 可选用 11500kva 的变压器 （2） 、如考虑中、远期运量，进行以上同样的计算： 考虑设计对象为主要干线，按事故超载 30%允许两小时计算，得变电所容量 )(14.33584 3 . 1 385.43659 kvasba )(99.27281 3 . 1 585.35466 kvasba 考虑对象为非主要干线，从前面的计算得： )(11.15022 3 . 1 5 . 116.13019 kvasba )(40.12311 3 . 1 5 . 1215.10687 kvasba 故，

14、经过以上计算，多种情况综合考虑，应选用容量为 2 35000kva 的变压器。 第三章第三章 开关设备的选择和校验开关设备的选择和校验 3.13.1 断路器的选择断路器的选择 对于开断电路中负荷电流和短路电流的高压断路器，首先应按使用地点和 负荷种类及特点选择断路器的类型和型号、即户内或户外式，以及灭弧介质的 种类，并能满足下列条件 1 断路器的额定电压，应不低于电网的工作电压，即 ueug 式中 、分别为制造厂给出的短路器额定电压和网络的工作电压， ueug 伏或千伏。 2 断路器的额定电流，应不小于电路中的最大长期负荷电流，即 ie eiig 式中 断路器的最大长期负荷电流，安或千安。 i

15、g 3 根据断路器的断路能力，即按照制造厂给定的额定切断电流、或额 eki 定断路容量选择断路器切断短路电流（或短路功率）的能力。为此，应使 sed 额定切断电流不小于断路器灭弧触头刚分离瞬间电路内短路电流的有效值 ieq ，或在一定工作电压下应使断路容量不小于短路功率。即 idtsedsdt ekiidt 或 = （三相系统） sed 3 ue ekisdt 式中，短路后 t 秒短路电流有效值（周期分量） ，对快速断路器，取 idt =， t0.1”； idti 短路后 t 秒短路功率，对快速熔断器=。 sdtsdtsd 对于牵引系统，牵引网电压为 27.5 千伏，当采用三相 35 千伏系列

16、的断路 器时，断路器容量需按下式换算： =0.78 sed 35 5 . 27 sedsed 式中，35 千伏断路器用在 27.5 千伏系统中的三相断路容量。 sed 牵引网馈电线用单相断路器，按额定断路容量选择时应满足的条件为（ 不变）： ieq =27.5 sed )2( ieqsdt )2( 式中，、分别为单相断路器的额定断路容量和单相牵引网中短路 sed )2( sdt )2( 后 t 秒的短路功率。 为了求得短路电流有效值，必须确定切断短路的计算时间，即从短 idttjs 路发生到灭弧触头分开时为止的全部时间，它等于继电保护动作时间和断路 tb 器固有动作时间之和，故=+。 tgtj

17、stbtg 在设计和电气设备选择中，由实际选择的保护装置与断路器型号，可得到 和的实际值，但如无此数据时，一般可按下述情况选取。 tbtg 对快速动作的断路器，取=0.05 秒，而对于非快速动作的断路器， tg =0.10.15 秒； tjs 对于继电保护，应按具有最小动作时间的速断主保护作为动作时间，即 =0.05 秒，因此，对于快速动作的断路器，切断短路的计算时间=0.050.1 tbtjs 秒，对于非快速动作的断路器，=0.150.2 秒。 tjs 可知，短路发生后0.1 秒，因短路电流的非周期分量已接近衰减完毕， tjs 此时短路电流即为短路周期分量电流的有效值。 当0.1 秒时，则须

18、计入短路电流的周期分量。 tjs 4 校验短路电流通过时的机械稳定性 在短路电流作用下，对断路器将产生较大的机械应力，为此，制造厂给出 了能保证机械稳定性的极限通过电流瞬时值，即在此电流通过下不致引起触 igf 头熔接或由于机械应力而产生任何机械变形。因而，应使 ii chgf )3( 式中，分别为断路器的极限通过电流或断路器安装处的三相短路 igfich )3( 冲击电流（幅值） 。 5校验短路时的热稳定性 短路电流通过时断路器的热稳定性，由制造厂家给出的在 t 秒（t 分别为 4、5 或 10 秒）内允许通过的人稳定电流来表征，即在给定的时间 t 内， it 通过断路器时，其各部分的发热温

19、度不超过规定的短路最大容许发热温度。 it 因此，短路电流通过断路器时，其热稳定条件为： id q i d t t 2 式中，为制造厂家规定的秒热稳定电流。 it 短路电流发热效应。 qd qqq fizd 根据断路器的工作环境，电网电压等级，线路工作电流和短路次暂态电流 有效值，初步选择断路器型号为：sw4-110/1000。 断路器参数如下： =110kv，=1000a， n u n i18.4 ek ika55 ek ika 22 2152205 ek i tkw 断路器固有分闸时间 0.06s 校验标准，热稳定 ：设馈线上过电流保护动作时间 0.05 秒，所以短路电流持 续时间：=0.

20、05+0.06=0.11s dgb ttt ；由教科书 233 页查得：=0.6s 567.69 2.89 196.61 i i z t 2222 =i (0.05)196.61(0.60.05 2.89 )39.342205 dz qtkwkw 所以，热稳定合格。 动稳定：；, 因为，所以动稳定合格。55 ek ika692.12 ch ia ekch ii 所以选择少油断路器 sw4-110/1000 正确。 同理利用上述方法可得少油断路器 sw4-110/1000 均满足其他线路的要求。 3.23.2 隔离开关的选择隔离开关的选择 根据隔离开关的工作环境，电网电压等级，线路工作电流和短路

21、次暂态电流有 效值，初步选择隔离开关型号为：gw4-110/600。 隔离开关参数如下： =110kv，=600a， n u n i50 ek ika 22 145980 ek i tw 断路器固有分闸时间 0.06s 校验标准，热稳定 ：设馈线上过电流保护动作时间 2 秒，所以短路电流持续时 间：=2+0.06=2.06s dgb ttt 517.17 2.50 206.63 i s i 由教科书 233 页查得：；3.0 z ts 2222 (0.05)206.63(3.00.05 2.89 )145.922205 dz qitww 所以，热稳定合格。 动稳定：；因为，所以动稳定合格。55

22、 ek ika633 ch ia ekch ii 所以选择户外隔离开关 gw4-110/600 正确。 同理，对于其它户内隔离开关的选型方法也是一样的。列出所得开关选型型号。 第四章第四章 a a 变电所一次系统主接线图变电所一次系统主接线图 第五章第五章 牵引变电所防雷接地设计牵引变电所防雷接地设计 电放电路径不经过防雷保护装置时，放电过程中产生强大的瞬变电磁场在附近的导体中 感应到强大的电磁脉冲，称感应雷。感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体。一种是 在雷云中电荷积聚时，附近导体会感应相反的电荷，当雷击放电时，雷云中电荷迅速释放， 而导体中的静电荷在失去雷云电场束缚后也会沿导体流动寻找释

23、放通道，就会在电路中形 成静电感应，其次是在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场， 附近的导体中就会产生很高的感生电动势，在电路中形成电磁感应，感应雷沿导体传播， 损坏电路中的设备或设备中的器件。信息系统中系统接口多，线路长，给感应雷的产生、 耦合和传播提供了良好环境，而信息系统设备随着科技的发展，集成度越来越高，抗过电 压能力越来越差，极易受感应雷的袭击，并且损害的往往是集成度较高的系统核心器件， 所以更不能掉以轻心，感应雷可以来自云中放电，也可以来自对地雷击。 5.1 避雷针的设计避雷针的设计 h/2 h a h x h 1.5h x r水平面上保 x h 护范围的截面

24、 避雷针的保护范围是一个以其主体为轴线的曲线圆锥体，像一座圆帐篷。 它的侧面边界线实际上是曲线，但我国规程建议近似地用折线来拟合，以简化 计算。 (单支避雷针的保护范围） 在某一被保护物高度的水平面上的保护半径为： x h x r phhr h h xxx )( 2 时：当 phhr h h xxx )25 . 1 ( 2 时：当 式中 h避雷针的高度，m； p高度的修正系数，是考虑到避雷针很高时，不与针高 h 成正比 x r 增大而引入的一个修正系数。 当 h=30m 时，p1； 当 30mh=120m 时， hh p 5 . 530 5.25.2 接地装置的设计接地装置的设计 接地装置有复

25、合地网及水平地网两种形式。前者是由垂直接地体和水平接地体 组成的复合接地装置，而后者则仅由水平接地体联成为长方形或格网形。 室内接地网是由若干水平与垂直接地体连接而成。室内接地网与整个接地装置 应有几个连接点。每个电气设备，都应当用扁钢带单独地与接地网连接，切不 可串联连接。 接地系统设计计算：接地系统设计计算： 对于避雷针、避雷器和避雷线等防雷设备的接地装置，因有很大冲击波电 流通过接地体在地中散流，使附近具有强电流密度和电场强度，导致附近土壤 产生火花击穿而变为良导体，其效果相当于增大接地体的几何尺寸，有利于泻 流。但当波前陡度很大的冲击电流流入接地体时，在接地体上将产生很大感应 电压降，

26、限制冲击电流流向接地体深部，这种效应使其接地电阻增高。 综合考虑上述效应后，冲击接地电阻 jdc r ：可以由 )(* jdjdc rr 求出， 其中为冲击系数，在不同冲击电流和土壤电阻系数下的可从有关手册中查 出，1;工频接地电阻 jd r 由如下式子可求： 当接地电阻为 n 支垂直埋设式接地体时： )( * n r r jd jd ，为多支接地体时散流利用系数1。 当接地电阻为不同形状水平埋设式接地体： a dh l l rjd * ln 2 2 ,l 为水平接地体总长度 m；h 为接地体埋设深度 m；a 为接地体形状系数 这是一支避雷针的计算方式，当要求防雷的面积很大时，就需要多支避雷针

27、配 合设计保护，这时候的计算方式就只是除去重叠的保护范围而已，所以实际上 面保护范围的计算公式仍然有效。 5.3 变电所遭受雷击的来源及解决方法变电所遭受雷击的来源及解决方法 变电所是电力系统防雷的重要保护设施，如果发生雷击事故，将造成大面积的 停电，严重影响社会和人民生活。因此要求变电所的防雷措施必须十分可靠。 雷击的来源。一是雷直击于变电所的设备上；二是架空线路的雷电感应过电 压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。变电所对于直击雷的保 护一般采取装设避雷针或采用沿变电所进线段一定距离内架设避雷线的方法解 决。架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变 电所，是导

28、致变电所雷害的主要原因，若不采取防雷措施，势必造成变电所电 气设备绝缘损坏，引发事故。在变电所内装设避雷器的目的在于限制入侵雷电 波的幅值，使电气设备的过电压不致于超过其冲击耐压值，而变电所的进线段 上装设保护段的主要目的，在于限制流经避雷器的雷电流幅值及入侵雷电波的 陡度 课程设计总结：课程设计总结： 通过本次课程设计的学习，理解，动手准备的过程中，我发现了以前许多没 有遇到的问题，从开始的迷茫不知所措，到最终通过老师和同学的帮助得到解 决，我受益良多，感触也很深。我发现不仅要学习理论知识，还要在实践中去 运用理论解决实际问题，这样才能是学有所用。通过这次课程设计使我懂得了 理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理 论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提 高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 首先，我想感谢学院能够细心安排我们做这个课程设计，在我