西南交通大学牵引供变电课程设计

1、课程设计任务书专业电气工程及其自动化姓名学号开题日期:2012 年3月15 日完成日期:2012年4月9日题目牵引变电所电气主接线设计一、设计的目的通过该设计,使学生初步掌握交流电气化铁道牵引变电所电气主接线的设计步骤和方法;熟悉有关设计规范和设计手册的使用;基本掌握变电所主接线图的绘制方法;锻炼学生综合运用所学知识的能力,为今后进行工程设计奠定良好的基础。二、设计的内容及要求1、按给定供电系统和给定条件,确定牵引变电所电气主接线。2、选择牵引变电所电气主接线中的主要设备。如:母线、绝缘子、隔离开关、熔断器、断路器、互感器等。选择时应优先考虑采用国内经鉴定的新产品、新技术。3、提交详细的课程设

2、计说明书和牵引变电所电气主接线图。三、指导教师评语四、成绩指导教师(签章年月日 牵引变电所课程设计原始资料原始资料(任选其中一所进行设计1、电力系统及牵引变电所分布图S C=10000MVAx1=x2=0.012×12万kVAU d=17%L1L2L3L5L6L7L8L9L10A B C D E F甲乙至地方110kV变电站2×6.3万kVAU d=17%丙L4图例:电力系统,火电为主:地方220/110kV区域变电所:地方110/35/10kV变电站:铁道牵引变电所:三相高压架空输电线图中:L1:220kV 双回路150kM LGJ-300L2:110kV 双回路10kM

3、 LGJ-120L3:110kV 20kML4:110kV 40kML5:110kV 60kML6:110kV 双回路20kML7:110kV 30kML8:110kV 50kML9:110kV 60kML10:110kV 60kM未标注导线型号者均为LGJ-185,所有导线单位电抗均为X=0.4/kM牵引变压器容量如下(所有U d%=10.5:A:2×3.15万kVA B:2×3.15万kVAC:2×3.15万kV A D:2×1.5万kVAE:2×1.5万kVA F:2×1.5万kV A2、电力系统对各牵引变电所的供电方式及运行条

4、件1 甲站对A所正常供电时,两回110kV线路中,一回为主供电源,另一回备用。A所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧需设室外辅助母线,每相馈线接电容补偿装置二组,电容器室内,电抗器室外。2 甲站对B所供电时,110kV线路还需经B所送至丙站。正常运行时B所内有系统功率穿越。当甲站至B的输电线路故障时,B所由丙站供电,丙站内110kV母线分段运行,输电线L4、L5分别接入不同的分段母线上。正常运行时,丙站内110kV 母线分段断路器断开。B所提供甲站至丙站的载波通道。B所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线,外部有公路直通所内。27.5kV侧需设室外辅助

5、母线,每相馈线接电容补偿装置二组,电容器室内,电抗器室外。3 C所由丙站送出的两回110kV线路供电。但正常运行时,由甲站送至丙站(L5再由丙站送至C所的一回110kV线路(L6平时不向牵引负荷供电。只经过C所的110kV母线转接至某企业110kV变电站。C所内采用两台变压器,固定全备用。所内不设铁路岔线,外部有公路直通所内。牵引侧除向两个方向的牵引网供电外,还要向电力机务段供电(两回和地区10kV 负荷供电(一回。C所内设有27.5/10kV 1000kV A动力变压器一台。10kV高压间内设有4路馈线,每路馈线设有:电流表、电压表、有功电度表、无功电度表。设有电流速断和接地保护,继电保护动

6、作时间0.1秒。10kV高压间设在27.5kV高压室一端,单独开门。27.5kV侧设室外辅助母线,每相馈线接电容补偿装置二组,电容器室内,电抗器室外。4 牵引变电所D、E、F由乙站供电。正常运行时,110kV线路在E所内断开,不构成闭合环网。E所内的牵引变压器正常运行时,接入由D所送来的电源线L8上, L8故障时可转接至F所由L9供电。D、F所均可能有系统功率穿越。但正常运行时, F所无系统功率穿越。D所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧设室外辅助母线,每相馈线接电容补偿装置二组,电容器室内,电抗器室外。所用电有地方10kV可靠电源。5 E所内采用两台牵引变压器固

7、定全备用。所内不设铁路岔线,有公路引入所内。27.5kV侧不设室外辅助母线,每相馈线接电容补偿装置二组,电容器室内,电抗器室外。所用电采用在110kV进线隔离开关内侧接入(3110/0.23kV单相变压器,以提高向硅整流装置供电的可靠性。6 F所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧设室外辅助母线,每相馈线接电容补偿装置二组,电容器室内,电抗器室外。该地区无地方10kV电源。7 牵引变电所A、C、E 110kV侧要求计费,牵引变电所B、D、F 27.5kV侧要求计费,采用低压侧(27.5kV侧计费时,110kV侧仍需设电压监视。8 各变电所设计时,一律按海拔h1000

8、m,I级污秽地区,盐密0.1毫克/厘米2,最高环境温度+40考虑。9 各牵引变电所均设置避雷针三座。10 牵引变电所B、D 110kV线路采用纵向平行引入方式;C、E 110kV线路采用横向相对引入方式;A、F 110kV线路采用T字型引入方式。11 假定各牵引变电所馈线主保护动作时间t b=0.1秒,27.5kV母线采用矩型截面硬铝母线,母线间距a=40cm,母线跨距l=120cm;10KV母线采用矩型截面硬铝母线,母线间距a=25cm;母线跨距l=100cm。12 各牵引变电所主控制室均采用一对一集中控制方式,直流电源电压均为220V。摘要电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤,在此基础上根

9、据原始资料与要求选择牵引变电所的电气主接线图;根据要求选择短路点,对牵引变电所进行短路计算,计算出110KV侧及27.5KV侧短路电流与冲击电流、周期分量电流,由短路计算的结果与设计牵引变电所的要求选择牵引变电所的电气设备并对其校验,最后完成对牵引变电所主接线的设计。关键词电气主接线;短路计算;电气设备选择与校验目录第1章牵引变电所主结线设计原则及要求 (61.1概述 (61.2电气主接线基本要求 (61.3电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤 (7第2章牵引变电所电气主接线图设计说明 (7第3章短路计算 (83.1短路点的选取 (83.2短路计算 (8第4章设备及选型 (104.1硬母线的选

10、取 (104.2支柱绝缘子和穿墙导管的选取 (134.3高压断路器的选取 (144.4高压熔断器的选取 (154.5隔离开关的选取 (164.6电压互感器的选取 (174.7电流互感器的选取 (174.8避雷器的选取 (18附图 (20参考书目 (21后记 (22第一章牵引变电所主结线设计原则及要求1.1概述牵引变电所(含开闭所、降压变电所的电气主结线,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,按一定要求连接的单线或三线结线图,称为电气主结线图。它不仅标明了各主要设备的规

11、格、数量,而且反映各设备的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。在运行中,它能表明与高压电网连接方式、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、继电保护装置和计算、自动装置和控制方式选择等都有重大影响。此外,电气主结线对牵引供电系统运行的可靠性、电能质量、运行灵活性和经济性起着决定性作用。此外,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。1.2电气主接线基本要求1.安全性主要体现在:隔离开关的正确配置和隔离开关接线的正确绘制。隔

12、离开关的主要用途是将检修部分与电源隔离,以保证检修人员的安全。在主接线图中,凡是应该安装隔离开关的地方都必须配置隔离开关,不能有个别遗漏之处,也不允许从节省投资来考虑而予以省略。主接线的安全性是必须绝对保证的,在比较分析主接线的特点时,不允许有“比较安全、安全性还可以”等不合适的结论。2.可靠性电气主接线的可靠性不是绝对的。同样形式的主接线对某些发电厂和变电所来说是可靠的,而对另一些发电厂和变电所则不一定满足可靠性要求。电气主接线可靠性的高低,与经济性有关。一般来讲,主接线的可靠性愈高,所需的总投资和年运行费愈多。另一方面,可靠性愈高,因停电而造成的经济损失愈小。所以,对主接线可靠性进行分析时

13、,要根据资金是否充沛,停电的经济损失多少等,从各方面加以综合考虑。3.经济性它通常与可靠性方便性之间有矛盾。4.方便性(1操作的方便性尽可能使操作步骤少,以便于人员掌握,不致出错。(2调度的方便性根据调度要求,方便地改变运行方式。(3扩建的方便性1.3电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤在电气主结线的设计中,应遵循的主要原则与步骤:1.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。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

14、电所布点、主变压器接线方式和容量、牵引网电压水平及补偿措施、无功、谐波的综合补偿措施以及直流牵引系统电压等级选择等重大综合技术问题,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、自动装置与监控二次系统类型、自用电系统,以及电气化铁路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。第二章牵引变电所电气主接线图设

15、计说明中心变电所:有4路以上进线并有系统功率穿越中间通过式变电所:有两路进线并有系统功率穿越中间式变电所:有两路进线,无系统功率穿越不同类型的牵引变电所采取不同型式的电气主接线。2 甲站对B所供电时,110kV线路还需经B所送至丙站。正常运行时B所内有系统功率穿越。当甲站至B的输电线路故障时,B所由丙站供电,丙站内110kV母线分段运行,输电线L4、L5分别接入不同的分段母线上。正常运行时,丙站内110kV 母线分段断路器断开。B所提供甲站至丙站的载波通道。B所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线,外部有公路直通所内。27.5kV 侧需设室外辅助母线,每相馈线接电容补偿装置二组,电

16、容器室内,电抗器室外。第三章 短路计算3.1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的大小,所以对一次侧设备的选取一般选取110K V 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27.5K V 低压母线短路点作为短路计算点。3.2短路计算电路简化图如图 3-1:在图中,1d 点为110K V 高压母线短路点,2d 点为27.5K V 低压母线短路点。1d 2d G*1X *b X 乙*7X *DbX图: 3-1短路计算值一览表如下表额定电流(A 短路电流(A 冲击电流(A 最大短路电流有效值(A110K V 侧 165.332 2612.1 6981.9

17、 4205.5 27.5K V侧661.324885.913059.47866.3小结:进行相关的短路计算,为后面章节进行所选电气设备的动稳定、热稳定校验做了相应准备。例如进行母线的动稳定校验时要用到短路电流,进行熔断器断流容量的校验时要用到冲击电流。总之,为后面章节相关计算奠定了基础第四章 设备及选型4.1硬母线的选取一、110K V 侧母线的选取:1、按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑A U S I I ee e g 938.214110=由附录二表3查出铝母线(LMY 型325的允许载流量为251A (环境温度为C o 25时,大于最大工作电流214.938A ,

18、故初步确定选用275325mm =截面的铝母线(单条平放。2.校验母线的短路热稳定性要求短路最终温度Z ,应先求出起始温度S ,根据Z ,利用曲线(A f =,找出对应的S A 值,再由21d Z SQ A A S=-求出Z A ,再次利用曲线(A f =找出对应的Z 。CC C C I I ooooo xu xug o s 6.542570(265938.214(25(22max =-+=-+=短路电流计算时间=+=+=短路电流热效应d Z fi Q Q Q =+2055.42055.4106121.212(102222222''s KA t I I I Q d td td

19、zz =+=+=0.1b t s=22''s KA T IQ fi zfi =由C o s 6.54=,从图中查得4105.0=s A 则由21d Z SQ A A S=-得:426421059.07510=+=d s z Q SA A再由Z A ,查得z <100,而200XU C = (见表6.1,即:Z XU <,满足热稳定性要求。所以应选择253=75m 2m 截面的软铝母线。二、27.5KV 侧母线的选取:1、按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑AU S I I ee e g 727.8595=由附录二,表三查出铝母线608的允许载流

20、量为973A ,大于最大工作电流859.727 A ,故初步选定用608=4802mm 截面的铝母线。 2.校验母线的短路热稳定性要求短路最终温度Z ,应先求出起始温度S ,根据Z ,利用曲线(A f =,找出对应的S A 值,再由21d Z SQ A A S=-求出Z A ,再次利用曲线(A f =找出对应的Z 。66.562570(1025752.859(25(22max =-+=-+=C C C I I oo oo xu xug o s 2055.42055.4106121.212(102222222''s KA t I I I Q d td td zz =+=+=22&

21、#39;'s KA T IQ fi zfi =由C o s 66.56=,从图中查得41033.0=s A ,则由21d Z SQ A A S=-得:426421033.048010=+=d s z Q SA A再由Z A ,查同上曲线,查得C o z 100<,而200XU C = (见表6.1,即:Z XU <,满足热稳定性要求,所以应选择860的软铝母线。 3.校验母线的机械稳定性 三相短路冲击电流为设母线采用水平排列平放,KA i ch 0594.13= 已知:a=40cm ,l=120cm ,h=60mm ,b=8mm 则27647.56+-hb b a1x K

22、=三相短路时的相间电动力为Nal iK Fchx 5144.88104012010.73.17237233=-母线平放及水平排列时,其抗弯模量为:362210161mbhW -=母线的计算应力为:(pa WFWM 66310844.18.410105144.8810=由表6.4铝母线的允许应力为66910Pa ,即:XU <,满足机械应力稳定性要求。 故最后确定选择截面为2480860mm S =的铝母线。4.2支柱绝缘子和穿墙导管的选取由于牵引变压器安装在室外,而110K V 进线是直接接到牵引变压器上的,所以不用穿墙导管,故对于110K V 侧只需选择支柱绝缘子而不需要选择穿墙导管。

23、而27.5K V侧的设备既有安装在室外的也有安装在室内,所以对27.5K V 侧既需要选择支柱绝缘子,也需要选择穿墙导管。 一、110K V 侧支柱绝缘子的选取:1、按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器110K V 侧额定电压考虑110e U K V=由附录二表11.1查出支柱绝缘子的型号为ZS-110/3,初选破坏荷重为3的支柱绝缘子。2、校验支柱绝缘子的机械强度Nai F ch 8241.2104672max =-由附录二表11.1中查得ZS-110/3型支柱绝缘子允许的抗弯破坏荷重为3000N ,而短路时中间相中间位置的支柱绝缘子受力为N F n 8241.2max(=,故(30.63

24、0001800FN <=能满足要求。二、27.5K V 侧支柱绝缘子的选取:1、按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器27.5K V 侧额定电压考虑27.5e U K V=由附录二表11.1查出支柱绝缘子的型号,初选型号为ZA-35Y 的支柱绝缘子。 2、校验支柱绝缘子的机械强度由附录二表11.1中查得ZA-35Y 型支柱绝缘子允许的抗弯破坏荷重为3750N ,而短路时中间相中间位置的支柱绝缘子受力为N F n 8241.2max(=,故NF n 225037506.0max(=<能满足要求。三、27.5K V 侧穿墙导管的选取:1、按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1

25、.3倍考虑A U S I I ee e g 752.8595=由附录二表11.1查出穿墙导管的型号,初选型号为CLB-35/600的支柱绝缘子。 2、校验穿墙导管的热稳定性s kA Q .202=,所以Q Q d <,故穿墙导管满足热稳定性。4.3高压断路器的选取交流牵引负荷侧由于故障跳闸频繁,操作次数多,从减少运行维修工作量考虑,本设计110K V 侧选用6SF 断路器,27.5K V 侧选用真空断路器。 一、110K V 侧6SF 断路器的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑A U S I I ee e g 938.214110=110g U K V=由附录二表6.2查出

26、6SF 断路器的型号为LW-110,额定电流选取1250A 。 2、短路关合电流的校验由附录二表 6.2查出LW-110型号的6SF 断路器的极限通过电流为80eg i K A =,而A i cj 9.6981=,所以eg cji i ,满足要求。3、校验短路时的热稳定性222431.543969rt Q I t K A s=,所以4d Q Q <,故满足热稳定性。所以6SF 断路器选取型号为LW-110,额定电流为1250A 。二、27.5K V 侧真空断路器的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑A U S I I ee e g 752.8595=27.5g U K V=K

27、Ai cj 0594.13=,所以eg cj i i ,满足要求。3、校验短路时的热稳定性2224104400rt Q I t K A s=,所以4d Q Q <,故满足热稳定性。所以6SF 断路器选取型号为627.5ZN -,额定电流选取1000A 。4.4高压熔断器的选取由于在所设计的电气主结线中,只有27.5K V 侧才有高压熔断器,所以只需选择27.5K V侧的高压熔断器。1、按额定电压选择由于227.5e U K V =,而2e e U U ,所以选择型号为135R N -的高压熔断器。 2、熔断器开断电流的校验3200105714.2935ek I A =,而23754.66

28、ch I A =,即2ek ch I I >,满足要求。3、熔断器断流容量的校验200e S M VA =,而2e S I U MVA=,即e c h S S >,满足要求。由于环境为标准情况,不需要进行绝缘泄露比距校验。故选择135R N -的高压熔断器。4.5隔离开关的选取由于在所设计的电气主结线中,110K V 侧隔离开关在室外,而27.5K V 侧既有室内的也有室外的,所以对110K V 侧只需选择室外的,而27.5K V 侧要选择室内和室外的。一、110K V 侧隔离开关的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑A U S I I ee e g 938.21411

29、0=110g U K V=而m ax ,e g e g U U I I ,所以由附录二表9.2查出隔离开关的型号为GW4-110/1000。 2、校验短路时的热稳定性14er I K A =,A tt I dz 21.17105=,所以dZ er t I I t>,故满足热稳定性。所以110K V 侧隔离开关的型号为户外GW4-110/1000。 二、27.5K V 侧隔离开关的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑A U S I I ee e g 752.8595=27.5g U K V=而m ax ,e g e g U U I I ,所以由附录二表9.1查出户内隔离开关的型

30、号为GN2-35T/1000,户外隔离开关的型号为GW2-35G/1000。2、校验短路时的热稳定性 1、户内隔离开关的校验25er I K A =,A tt I dz 9.31953.01306=,所以dZ er t I I t>,故满足热稳定性。所以27.5K V 侧隔离开关的型号为户内GN2-35T/1000。 2、户外隔离开关的校验14er I K A =,A tt I dz 9.31953.01306=,所以dZ er t I I t>,故满足热稳定性。所以27.5K V 侧隔离开关的型号为户外GW2-35G/1000。4.6电压互感器的选取一、110K V 侧电压互感器

31、的选取1110E U K V=由附录二表12查出电压互感器110JC C -的原线圈额定电压为110K V ,副线圈额定电压为0.1/3K V ,故确定选用的型号为110JC C -的电压互感器。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。 二、27.5K V 侧电压互感器的选取227.5E U K V=由附录二表12查出电压互感器35JD J -的原线圈额定电压为35K V ,副线圈额定电压为0.1K V ,故确定选用的型号为35JD J -的电压互感器。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

32、互感器,因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。4.7电流互感器的选取一、110K V 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A U S I I ee e g 938.214110=,1110E U K V=,而111m ax ,e E e g U U I I ,由附录二表13.2查出电流互感器LCW-110的额定电压为110K V,额定电流比为(300600/5,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(226130075506.2510e t I K t =6610134.510(21e t d I K t Q >,故满足热稳定性

33、。3、短路动稳定性校验=KA i ch 9819.6=显然12e u ch I K i >,满足动稳定性。二、27.5K V 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A U S I I ee e g 752.8595=227.5E U K V=,而222m ax ,e E e g U U I I ,由附录二表13.2查出电流互感器LCW-35的额定电压为35K V,额定电流比为(151000/5,故初步确定选用的型号为LCW-35的电流互感器。2、短路热稳定性校验(226e t I K t =6610134.510(22e t dI K t Q >,故满足热

34、稳定性。3、短路动稳定性校验=kA i ch 0594.13=12e u ch I K i >,故满足动稳定性。4.8避雷器的选取牵引变电所为预防感应雷电波的入侵,通常采用避雷器保护,以限制入侵雷的辐值和陡度,从而保护电气设备的安全。FCZ 系列磁吹阀式避雷器额定参数如下表安装点参数110K V27.5K V型号FCZ110 FCZ35 额定电压(KV 110 35灭弧电压(KV 126 41工频放电电压有效值(KV不小于255 70 不大于290 85冲击放电电压不大于(KV345 112冲击电流残压不大于(KV5KA时332 108 10KA时365 122电气设备一览表名称型号数量单位110K V侧软母线LMR-153 2 根27.5K V侧硬母线LMY404 2 根110K V侧支柱绝缘子ZS-110/3 3 个27.5K V侧支柱绝缘子ZA-35Y 3 个27.5K V侧穿墙导管CLB-35/600 6 个110K V侧6SF断路器LW-110 2 组27.5K V侧真空断路器627.5ZN-8 个27.5K V侧高压熔断器RN1-35 4 个110K V侧隔离开关GW4-110/600 9 组27.5K V侧户内隔离开关GN2-35T/600 6 个27.5K V侧户外隔离开关GW2-35G/60