牵引变电所设计

1、* 米 zwxzwxwx系2010级冰，牵引供电课程设计J聚 牵引供电课程设计报告书题 目院/系（部）双线铁路牵引变电所电气主接线电气工程系方1010-520106742指导教师完成时间王胜合王庆芬2013年12月20日5 / 26牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，它的主要任务是将区域电力系统 送来的电能，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，或者送到地下铁道等城 市交通所需的供电系统。进行双线铁路牵引变电所设计，首先分析负荷及环境情况确定变压器选型，并进 行容量计算选出型号并选定了固定备用；按规定供、馈

2、电容量与要求确定电气主接线 图；对短路电流进行计算，并进行校验；对牵引变压器和馈线配置继电保护和无功补 偿；最后对牵引变电所进行防雷保护。经过上述步骤的分析和计算，最终完成了课题要求。选出各种设备的接线方式， 变压器等设备的型号，完成整个线路并用CAD绘制了最终图纸。【关键词】：牵引变电所主接线继电保护 无功补偿第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. 2. 1设计的基本要求12. 2. 2设计的依据1第2章方案的比较22. 1负荷分析22.2方案比较拟定2第3章变压器备用方式及选型33. 1变压器备用方式33. 2变压器容量计算33. 3变压器的选型6第4章主接线

3、设计64. 1电源侧主接线设计64. 1. 1 倒闸操作84.2牵引侧主接线设计9第5章短路计算105. 1短路计算示意图106. 2 短路计算10第6章设备选择137. 1 进线导线的选择136. 1. 1 110kV侧电源进线的型号选择137. 1. 2 27. 5kV侧母线的选择136.2电气设备的选择141 .2.1高压断路器、隔离开关的选择146 . 2. 2电压互感器的选择16第7章继电保护188. 1继电保护基本要求187.2电力变压器继电保护的选择18第8章并联无功补偿199. 1功率因数低的原因198.2并联电容补偿的作用198. 3并联电容补偿20第9章防雷保护21第10章

4、结论21参考文献22第1章 课程设计目的和任务要求1.1 设计目的通过本次设计，对所学的专业知识得到相当的运用和实践，这将使自己所学的理 论知识提升到一定的运用层次，为以后完成实际设计奠定扎实的基本功和基本技能， 最终达到学以致用的目的。1.2 设计要求1.2.1 设计的基本要求（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）确定该牵引变压器的容量、台数及接线形式。（3）确定该牵引负荷侧电气主接线的形式。（4）对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择。（5）设置合适的电压保护装置、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

5、主接线图。1.2.2设计的依据（1）某牵引变电所位于大型编组站内，向两条双线电气化铁路干线的四个方向 供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为lOOOOkWU三相变压器），并以10kV 电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为375OkVA,各电压侧馈出数 目及负荷情况如下：25kV回路（1路备）：两方向年货运量与供电距离分别为Q1L1=32 X60Mt kin, Q2L2=30X25Mt km, q=100kWh/10kt - kiiio lOkv 共 12 回路（2 路备）。（2）供电电源由系统区域变电所以双路UOkV输送线供电。本变电所位于电气 化铁路的中间，送电线距离15k

6、m。在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别 问0.23；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.25。（3）环境资料本牵引变电所地区平均海拔为650米，底层主要以砂质粘土为主，地下水位为 5.8米。该牵引变电所位于电气化铁路的中间位置，变电所所内不设铁路岔线，外部 1 / 26有公路直通所内。本变电所地区最高温度为38C,年平均温度为21C,年最热月平均最高温度为 33,年雷暴雨日数为23天，土壤冻结深度为1.3m。第2章方案的比较2.1 负荷分析本牵引变电所，向两条双线电气化铁路干线的四个方向供电区段供电，已知列车 正常情况的计算容量为10000k （三相变压器），并以10KV电压给车站

7、电力照明机 务段等地区负荷供电，容量计算为3750kVA,各电压侧馈出数目及负荷情况如下： 25KV回路（1路备）：两方向年货运量与供电距离分别为QlLl=32x60Mt - kin, Q2L2=30x25Mt kin, Aq=100kWlV10kt km。lOkv 共 12 回路（2 路备）；供电电源 由系统区域变电所以双路UOkv输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电 线距离15km。2.2 方案比较拟定（l）YNdll的接线形式优点：牵引变压器的低压侧保持三相，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的牵引负荷时，另一供电臂没有或出现很 小牵引

8、负荷不均衡状况；制造相对简单，价格也比较便宜；一次侧中性点可以接地， 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。（2）三相V,v牵引变压器优点：牵引变压器的容量利用率可达100%,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；主接线较简单，设备较少，投资较省； 对电力系统的负序影响比单相联接小；对接触网的供电可实现两边供电。缺点：当一台变压器故障时，另一台必须跨相，即兼供左右两边供电臂的牵引网。分析题目所给的资料可知，变压器拟定采用三相Vv接线变压器。该变压器在满 足线路要求的情况下，接线简单，便于维护而且经济。变压器采用固定备

9、用方式，选 择两台牵引变压器，其中一台运行，一台备用。该双线牵引变电所采用HOkV双回 线路的供电电源，UOkV电源侧线路较短，故障检修停电机会少，所以高压侧比较适 合采用单母线分段供电。而低压侧为了经济和维护方便采用50%备用方式。第3章变压器备用方式及选型3.1 变压器备用方式从我国的电气化铁路的历史来看，牵引变压器的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。优点是牵引 变压器的容量比较省，适用于沿线无公路区和单线区段。缺点是不能保证当发生故障 时供电持续性。（2）固定备用：采用加大牵引变电所容量或者增加台数作为备用方式。优点每 个牵引变电所一般装设两

10、个牵引变压器，一台运行一台备用。每台牵引变压器容量能 承担全所的最大负荷，确保铁路的正常运行，其投入快速方便，发挥备用主变压器自 动突入装置的功能，可以实现不间断行车的可靠供电，确保铁路的正常运行。适用于 沿线有公路的条件的大运量区段。经过比较上述两种备用方式，且该牵引变电所牵引变电所位于大型编组站内，在 电气化铁路的中间。牵引变压器在捡修或者发生故障时，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，在当前进行电气化铁路牵引供系统 的设计中，牵引变压器的备用方式不再考虑移动备用方式。所以综合考虑

11、情况该变电 所比较适合采用固定备用。3.2 变压器容量计算计算分为以下步骤：第一，确定计算容量，按正常运行的计算条件求出主变压器 供应牵引负荷所必须的最小容量。第二，确定校核容量，按列车紧密运行的计算条件 并充分利用牵引变压器的过负荷能力所计算的容量。第三，确定安装容量，在计算容 量和校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按其系列产品的规格确定牵引变压器 台数与容量。根据设计要求可知中心牵引变电所采用Vv接线，已知列车正常情况的计算容量 为10000 kVA（三相变压器），并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电， 容量计算为3750kVA,各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回

12、路（2路备）：两方向年货运量与供电距离分别为2A = 30 x 60M/4M,Q/=30x25M，kM, /q = 100 kWli/10 Mt - kM o lOkV 共 6 回路 Q 路备）。列车紧密运行时的列车对数为：3 / 26a 14401440“E/口、N止=144(对/日)At 10左供电臂1的最大容量x60= 7.5miii 120Zt左下i =& = Jlx60 = 7.5min v 120左切=左上+左曰=151皿Z 阪,=30x15x10x1000 -365 -1440 x 7.5 =ZeM工 1= 30x15x10x1000 - 365-1440 x 7 S =64.2

13、1kK4h64.21kV = 131.39人左总S左总mm = U/左右2= 27.5X131.39 = 3613 A3kVAS左总max = S左总/I + S左比1g = 4912 .SkVA同上右供电臂2的最大容量Sg. = U/右总= 3613.43女团右供电臂1的最大容量 乙 ioZt右上1 =-=x 60 = 5mmv 120卜1 =x60 = 5iiihiv 12021右总1 = Z t右上1+Z t右下1 = lOninZA, ri. =30x10x10x1000 +365-1440 x5 = 28.54kK4-hZ A右总下=30 X10 X10 X1000 365 + 14

14、40 X 5 = 28.54k3 h 2A左总i = 2 A左总上1+2 A左总下i = 57.08kVA. hp = 0.5n= 1 = = 1,取 n=l1010ZA57 084m = K/-v = 1.4x(2.4x) = 1.4x2.4x= 19.18A乙l右总1US. ri 尸U/“=521A5kVAS.=S、 1 + S/ ，= 4140.88k%41 .y.max 石图5-2短路等效电路图（1）确定基准值5X Sd = 100MVA, Uc = 115kV, t/c2 = 27.5kV（2）计算短路电流中个主要元件的标幺值最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.23：最小运

15、行方式下，电力系 统的标幺值为0.25。架空线路的电抗标幺值一只X。为线路单位阻抗04 L为线路长度15km；* cinnX/ = x/ 上 = 0.4 X15x - = 0.05l 1 J 1152电力变压器的电抗标幺值为：v UK% Sr 10.5 100x1000 A XT = X=X= 0.53100S10020000其中，U&%为变压器阻抗；S为为变压器容量。（3）计算k-l点短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 最大运行方式下的总电抗标幺值=0.05+0.23 = 0.28最小运行方式下总阻抗标幺值Xpz =0.05+0.25 = 0.30三相短路电流周期分量有效值& =

16、- = 3.57dl X” 0.28S100心 X = 3.57 X= = 1.79(k4)(/C1V3115xV3其他三相短路电流： r=/）=瑞）=i.79必 i = 2.55x1.79 = 4.5670111 / 267 = 1.51x1.79 = 2.70764三相短路容量：& = /出 xSd =3.57x100 = 357(ML4)（4）计算k-2点短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 最大运行方式下总电抗标幺值=0.05 + 0.42 + 0.23 = 0.70乙最小运行方式下总电抗标幺值=0.05 + 0.42 + 0.25 = 0.72 一乙三相短路电流周期分量有效值

17、Ak= = 1.43X*zcinnA.x = 1.43x= = 3.0(kA)U,忑 27.5xV3其他三相短路电流：r= /* = /（覆=3幺 ）= 2.55x3 = 7.65。= 1.51x3 = 4.53KA三相短路容量：S2 =心 x Sd = 1.45 xl00= 145(A/VA)短路计算表如表5-1。表57短路计算不/”/2Sk最大运行方式K-11.791. 791.794. 562.70357最大运行方式K-23.03.03. 07.654.53145最小运行方式K-11.671. 671.674.272.52333最小运行方式K-22.922.922.927.444.401

18、39第6章设备选择6.1 进线导线的选择为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线时必须满足一下几 个条件：发热条件，电压损耗条件，经济电流密度和机械强度。6.1.1 110kV侧电源进线的型号选择（1）选择经济截面按照经济电流密度上计算经济截面AccI = P3。= 750 =69 A30115xV3Aec = -=76.7imi2Jec环境温度40c选择标准截面积为70mm,即选择LGJ-70型钢芯铝线。（2）校验发热条件查附录表得LGJ-70的允许载流量& = 222A69A。因此满足发热条件。（3）机械强度校验查表得架空铝线最小截面积满足机械强度要求。综上所述，电源进线导线

19、选择型号为LGJ-70的输电线。6.1.2 27.5kV侧母线的选择一般母线每段负荷不同，但选取母线截面可采取相同截面，并以最大长期工作电 流方式来选择为宜。母线长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑。经计算：Zomax = 1.3x 20000+ （110x73） = 136.46（4）经查表得LGJ-70/40型钢芯铝绞线的允许载流量为220A （基准环境温度为25摄氏度），符合式子/cmaxKN , （k = l）式中：/加八表示通过导线的最大持续电流，表示对于额定环境温度下的允许 电流，K表示温度修正系数。13 / 26考虑裕度，UOkV进线侧的母线选用截面积为70nmr的钢芯铝绞线（

20、LGJ-95/55 ）。6.2 电气设备的选择6.2.1 高压断路器、隔离开关的选择设备选择条件为：（1）按工作电压选择设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压U ,高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压Um八。（2）按工作电流选择设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流八。（3）按断流能力选择设备的额定开断电流心或断流容量2“.，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量Sf）O对于分断负荷设备电流的设备来说，则为（之/dW，/皿皿x为最大负荷电流。 （4）隔离开关和断路器的短路稳定度校验动稳定校验条件：抑或3 /曲分别为开关的极限通过电流峰值和有效值

21、，*）、分别为开关所处的 三相短路冲击电流瞬时值和有效值 热稳定校验条件：注：为短路稳定电流，“为热效时间，为电器的热稳定电流，为电器的 热稳定试验时间。综合上述分析，电源侧和牵引侧电气设备选择、参数和校验如下： （1）高压断路器选择型号及参数如表6-1。表67高压断路器型号及参数表型号额定电压(kV)额定电流(kA)动稳定度(kA)4s热稳定度定A)SW6-110G11012004115.8ZN-27. 527.56002510(2) nokv侧高压断路器选择型号为SW6-110G,其校验如表6-2。表6-2高压断路器SW6T10G校验Un x八”/，安装占110/115125A1.79kA

22、1.56kA0.41SWG-HOG1101200A15.8kA41kA29.95校验结果合格合格合格合格合格所选型号SW6-H0G满足要求。(3) 27. 5kV侧高压断路器选择型号为ZN-27. 5,其校验如表6-3。表6-3高压断路器ZN-27.5校验表% I%hoI叫 “x lirna安装点25/27. 5462A3kA4. 49kA8.9ZN-27. 527. 5600A15. 8kA25kA10校验结果合格合格合格合格合格所选型号ZN-27.5满足要求。(4)高压隔离开关型号及参数如表6-4。表6-4高压隔离开关型号及参数型号额定电压(kV)额定电流(kA)动稳定度(kA)4s热稳定

23、度定A)GW4-110D-DW1106302050GW4-27. 5DT27.56302050(5) llOkV侧高压隔离开关选择型号为GW4-11OD-DW,其校验如表6-5。15 / 26表6-5高压隔离开关GW4-110D-DW校验表In动稳定度热稳定度安装占110462A2. 65kA4.56kAGW4-110D-DW110630A50kA20kA校验结果合格合格合格合格所选型号GW4-110D-DW满足要求。(6) 27. 5kV侧高压隔离开关选择型号为GW4-27.5DT,其校验如表6-6。表6-6高压隔离开关GW4-27. 5DT校验表4动稳定度热稳定度安装占 八、25524A7

24、. 56kA3kAGW4-27. 5DT27. 5630A50kA20kA校验结果合格合格合格合格所选型号GW4-27. 5DT满足要求。6.2.2电压互感器的选择(1)电压互感器的选择供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为3级；供UOkV侧计费的电压互 感器选择：准确级为0.5级。UOkV侧电压互感器的选择：由于电压互感器装于UOkV测知识用来计费的， 不需要保护，因此选用JCCj-110GM匕型准确级为0.5级，额定容量为500MVA的电 压互感器可以满足要求。由于电压互感器是并联在电路中的，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。27.5kV

25、侧电压互感器的选择：由于电压互感器位于27.5kV侧主要起到保护作用， 用于保护牵引网馈线上锁发生的故障或事故，故其准确级为3级，因此选用 JD/2-27.5/O.lkA型准确级为3级，额定容量为1000VA的电压互感器可以满足条件。 由于电压互感器是并接于主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流入互感器, 因此电压互感器不需要校验短路稳定性。综上选择校验最终选择的电压互感器的型号及参数如表6-7。表6-7电压互感器型号及参数表型号原边额定电压准确级额定输出极限输出tg 3JCC6-110GYWHOkV0.5300VA2000VA2%JDJ2-27. 5/0. IkA27. 5kV3100

26、0VA1000VA2%6.2.3电流互感器的选择(1)UOkV侧电流互感器的选取：最大长期电流按变压器过载的1.3倍考虑： c90000Z = 1.3/C = 1.3x一= = 1.3x尸= 136.46(A)Un6110xV3经查阅资料得电流互感器LCWD110的电流互感器，校验如表6-8所示。表6-8电流互感器校验UNIN动稳定度热稳定度安装占110136. 4619.59. 3LCWD2-1101102X15013. 5-277. 5-15校验结果合格合格合格合格(2)短路热稳定性校验17 / 26表6-7电流互感器型校验UNIN动稳定度热稳定度安装占27.58714.55.9LCW-3

27、53510019. 17. 5校验结果合格合格合格合格第7章继电保护7.1 继电保护基本要求继电保护的基本要求主要有四个方面，第一，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；第二，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；第三，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；第四，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

28、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：利用变压器油箱故障时，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。主变压器继电保护的配置：本设计主变压器容量为20000kVA,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UOkV线路，输送距离为15km,采用纵联保护投资大, 且该线路电压等级也不高，应多考虑经济性，采用距离三段式保证可靠性、灵敏性。第8章并联无功补偿8.1 功率因数低的原因(1)整流型机车由于交流侧电流波形畸变及整流换相过程中重叠导通角的影响。(2)牵引网阻抗影响。(3)牵引变压器影响。8.2 并联电容补偿的作用(1)提高功率因数。(2)吸收滤