《中间牵引变电所电气主接线的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中间牵引变电所电气主接线的设计.doc（26页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、2010级牵引供电课程设计牵引供电课程设计报告书题 目中间牵引变电所电器主接线设计院/系(部)电气工程系班 级方1010-1学 号 姓 名崔兴原指导教师王庆芬完成时间2013年12月20日摘 要随着中国经济和科技的的发展，电气化铁路业发展迅速。牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分，它是铁路安全、正常、经济运行的基础保障部分，是联系一次供电系统和牵引网的纽带，牵引变电所的设计运营对整个电气化铁道意义重大。电气主接线是牵引变电所得主要环节。本文通过负荷计算确定了主变压器的型号、容量及台数，并且介绍了变压器的接线方式。根据负荷侧数据及对各方案的比较确定了负荷侧电气主接线形式。根据短路计算结果对断路器
2、、隔离开关、电压互感器、电流互感器、母线及避雷器等电气设备进行了选择和校验。并对系统进行了继电保护设计，确定了和接地设计的方案。本文电主接线高压侧采用外桥形接线形式，牵引变压器采用Vv接线并联运行。最后用CAD作出主接线图，完成了本次设计。关键词：牵引变电所 主接线 短路计算 目 录第1章 设计任务51.1 设计要求51.2 设计依据51.2.1 工厂负荷情况51.2.2地质水文资料51.2.3 气象资料5第2章牵引变压器的容量计算和选择62.1牵引变压器的容量计算62.1.1牵引变压器容量计算的步骤62.1.2变压器计算容量和校核容量的计算62.1.3变压器安装容量的计算72.2牵引变压器的
3、选择72.2.1牵引变压器备用方式的选择72.2.2牵引变压器连接组别的选择72.2.3牵引变压器容量、台数和型号的选择82.3电力变压器的选择9第3章牵引变电所电气主接线设计93.1电气主接线的基本要求93.2牵引变电所主接线设计103.2.1牵引变电所一次侧主接线103.2.2牵引变电所牵引负荷侧主接线113.3电气主接线的确定12第4章短路计算124.1短路计算的目的124.2短路计算134.2.1短路点的选择134.2.2110kV侧短路计算134.2.327.5kV侧短路计算15第5章牵引变电所电气设备的选择175.1继电保护的配合时间175.2断路器和隔离开关的选型及校验185.2
4、.1断路器的选型及校验185.2.2隔离开关的选型及校验195.3电流互感器和电压互感器的选型及校验205.3.1电流互感器的选型及校验215.3.2电压互感器的选型及校验225.4熔断器的选型225.5母线的选型及校验235.5.1110kV架空导线的选型及校验235.5.2室外110kV进线侧软母线的选型及校验235.5.3室外27.5kV出线的母线选型及校验235.5.4室内27.5kV侧硬母线的选型及校验245.6避雷器的选型245.6.1110kV侧避雷器的选型245.6.227.5kV侧避雷器的选型25第6章 设计总结25参考文献26第1章 课程设计目的和任务要求1.1 设计目的本
5、次课程设计通过确定中间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以及倒换变压器操作时倒闸操作过程。确定牵引变压器的容量、结线方式及台数。确定牵引负荷侧电气主结线的形式。对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择。对变电所进行防雷设计。用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。为以后的工程设计奠定良好的基础。 1.2 设计依据1.2.1 工厂负荷情况该牵引变电所位于电气化铁路的中间位置，所以不设铁路岔线，外部有公路直通所内。该中间牵引变电所属于通过式变电所，其供电电源的电压为110KV双回线路，其牵引变电所中变压器需经常切换，而110kV电源线路较短，故障检修停电机会少。选取基准容量为
6、100MVA，在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值为0.12；最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.15。牵引变压器的额定电压为110/27.5kV，重负荷臂有效电流和平均电流为320A和240A，重负荷臂的最大电流为650A；轻负荷臂有效电流和平均电流为268A和186A；轻负荷臂的最大电流为310A。该牵引变电所有穿越功率通过母线，并可向邻近牵引变电所或地区变电所供电，容量计算为800kVA，还可以提供变电所自用电。1.2.2地质水文资料本牵引变电所地区平均海拔为600m，底层以砂质粘土为主，地下水位为6.5m。1.2.3 气象资料本变电所地区年最高气温为37，年平均气温为22，年最热月
7、平均最高气温为32，年最热月平均气温为26，年雷暴日为21d。土壤冻结深度为1.3m。第2章牵引变压器的容量计算和选择2.1牵引变压器的容量计算2.1.1牵引变压器容量计算的步骤 牵引变压器容量的计算一般分为以下三个步骤： (1)根据给定的计算条件求出供应牵引负荷所必须的计算容量。(2)根据有效电流和平均电流计算出校核容量。(3)根据计算容量和校核容量，确定安装容量。本次设计采用单相Vv接线的形式，计算式如下： (2-1) (2-2)2.1.2变压器计算容量和校核容量的计算(1)设重负荷臂计算容量为，轻负荷臂的计算容量为。由以上公式得单相Vv接线变压器的计算容量分别为： (2)Vv接线变压器最
8、大负荷为： 由公式 (其中k=1.5) (2-3)可得两台变压器的校核容量分别为： 2.1.3变压器安装容量的计算由以上计算结果结合实际变压器系列产品的规格，可得重负荷供电臂选取的变压器容量为16MVA，轻供电臂选取的变压器容量为10MVA。2.2牵引变压器的选择2.2.1牵引变压器备用方式的选择牵引变压器有固定备用和移动备用两种备用方式。在我国，多数情况下采用固定备用的方式。2.2.2牵引变压器连接组别的选择我国牵引变压器采用三相、三相两相和单相三种类型。常用的牵引变压器主要有单相接线变压器、单相Vv接线变压器、三相Vv接线变压器、三相YNd11双绕组变压器、斯科特接线变压器。 (1)单相接
9、线变压器优点：容量利用率可达100%；主接线简单，设备少，占地面积小，投资少。缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电，在电力系统中，单相牵引负荷产生的负序电流较大，对接触网的供电不能实现双边供电。适用于：电力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。 (2)单相Vv接线变压器优点：主接线较简单，设备较少，投资较省。牵引变压器容量利用率可达到100%。对电力系统的负序影响比单相接线少。对接触网的供电可实现双边供电。缺点：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。在这一倒闸过程完成前，故障变压器原来供电的
10、供电臂牵引网中断供电，这种情况可能会影响行车。即使这一倒闸过程完成后，地区三相电力供应也要中断。牵引变电所三相自用电必须改用劈相电或单相三相自用变压器供电，实质上变成了单相接线牵引变电所，对电力系统的负序影响也随之增大。 (3)三相Vv接线变压器 优点：保持了单相Vv接线变压器的主要优点，完全克服了单相Vv接线变压器缺点，解决了单相Vv接线变压器不便于采用固定备用及其自动投入的问题，有利于实现分相有载或无载调压。 (4)三相YNd11双绕组变压器 优点：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。在两台牵引变压器并联运行情况下，当一台停电时，供电不会中断，运行可靠方便。
11、三相YNd11双绕组变压器在我国采用的时间最长，经验丰富，制造相对简单，价格便宜。对接触网的供电可实现两边供电。 缺点：牵引变压器容量不能得到充分利用，只能达到额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%，与采用单相接线牵引变压器的牵引变电所相比，主接线要复杂一些，用的设备，工程投资也较多，维护检修工作量及相应的费用也有所增加。 (5)斯科特接线变压器优点：当M座和T座两供电臂负荷电流大小相等，功率因数也相等时，斯科特接线变压器原边三相电流对称，变压器容量可全部利用。对接触网的供电可实现两边供电。缺点：斯科特接线牵引变压器制造难度较大，造价较高。牵引变电所主接线复杂，设备较多，工程投资也
12、较多。而且斯科特接线牵引变压器原边T接地(0点)电位随负载变化而产生零漂。严重时有零序电流流经电力网，可能引起电力系统零序电流继电保护误动作。对邻近的平行通信线可能产生干扰，同时引起牵引变压器各相绕组电压不平衡而加重绕组的绝缘负担。因此，该牵引变压器的绝缘水平要采用全绝缘。本次设计，电力系统以110kV的电压向中心牵引变电所供电。现阶段我国引进国外的先进技术，着力发展Vv接线的接线形式，此接线方式可以提高变压器容量的利用率，主接线较简单，检修操作比较方便。因此本次设计牵引变压器采用单相Vv接线的接线形式。2.2.3牵引变压器容量、台数和型号的选择 由于采用单相Vv接线牵引变压器，为防止出现环流
13、，且有时需要越区供电，所以两个供电臂均采用16MVA的牵引变压器作为主变压器。变压器的备用方式为固定备用，因此选择4台容量为16MVA的牵引变压器。变压器的型号为SF6-QY-16000+10000，参数如下表2-1所示。表2-1变压器的参数型号额定容量()额定电压(kV)空载电流空载损耗(kW)SF6-QY-16000+10000160001100.5%1810.52.3电力变压器的选择根据以上数据可选择两台容量的电力变压器S11-800/10。电力变压器的具体参数如下表2-2所示。一主一备运行。表2-2电力变压器的参数型号额定电压(kV)额定容量()空载损耗负载损耗短路阻抗S10-800/
14、10108000.987.54.5第3章牵引变电所电气主接线设计在发电厂和变电所中，发电机、变压器、断路器、隔离开关、电抗器、电容器、互感器、避雷器等高压电气设备，以及将它们连接在一起的高压电缆和母线，按其功能要求组成的接收和分配电能的主回路。这个电气主回路被称为电气一次系统，又叫做电气主接线。3.1电气主接线的基本要求 电气主接线的正确与否对电力系统的安全、经济运行，对电力系统的稳定和调度的灵活性以及对电气设备的选择等有重大的影响，因此对电气主接线的要求如下：(1)可靠性保证必要的供电可靠性和电能质量，是电气主接线应该满足的最基本要求。主接线的可靠性主要是指当主回路发生故障时或者电气设备检修
15、时，主接线在结构上能够将故障或检修所带来的不利影响限制在一定范围内，以提高供电的能力和电能的质量。 (2)灵活性 满足调度时的灵活性要求。正常情况下，应能根据调度要求，灵活的改变运行方式，实现安全、可靠、经济的供电。发生故障时，能迅速方便的转移负荷、尽快的切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，在故障消除后应能方便的恢复供电。 满足检修时的灵活性要求。在某一设备需要检修时，应能方便地将其退出运行，并使该设备与带电运行部分有可靠的安全距离，保证检修人员检修时定的方便和安全。此外还要满足扩建时的灵活性要求。(3)经济性要求与先进性要求在确定主接线时，应采用先进的技术和新型的设备。同时，在保证安全可
16、靠、运行灵活、操作方便的基础上，还应使投资和年运行费用最小、占地面的最少，应尽量做到经济合理。3.2牵引变电所主接线设计3.2.1牵引变电所一次侧主接线电气主接线主要有单母线接线、单母线分段接线、双母线接线和桥形接线。下面主要介绍单母线分段接线和桥形接线。(1)单母线分段接线 单母线分段接线与单母线接线相比，增加了一台母线分段断路器以及两侧的隔离开关。优点：提高了供电的可靠性。当任一母线或母线隔离开关故障及检修时，仅有一半线路停电，另一段母线上的各回路仍可正常运行。缺点：当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电；当出现为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时
17、需向两个方向均衡扩建。 (2)桥形接线当只有两台变压器和两条线路时，常采用桥形接线。根据断路器的安装位置又可以分为内桥形接线和外桥形接线。 内桥接线内桥接线的连接桥断路器设置在桥内侧。当线路发生故障时，仅故障线路的断路器跳闸，其余支路可继续工作。当变压器故障时，联络断路器及与故障变压器同侧的线路断路器均自动跳闸，使未故障线路的供电受到影响，需经倒闸操作后，可恢复对该线路的供电。正常运行时变压器操作复杂。内桥接线适用于输电线路较长、线路故障率较高、穿越功率少和变压器不需要经常改变运行方式的场合。如图3-1所示。 外桥接线桥臂置于线路断路器的外侧时，称为外桥接线。外桥形接线适用于线路较短、故障率较
18、低、主变压器选经济运行要求经常投切以及电力系统有较大的穿越功率通过桥臂回路的场合。如图3-2所示。 图3-1内桥接线 图3-2外桥接线 由于本次是针对某中心牵引变电所进行设计，有穿越功率通过母线，且110kV高压侧馈线数有2条，根据以上条件可得选择外桥接线的形式。3.2.2牵引变电所牵引负荷侧主接线 由于27.5kV馈线断路器的跳闸次数较多，为了提高供电的可靠性，牵引变电所27.5kV选择馈线断路器100%备用的接线形式。馈线断路器100%备用的接线方式用于单线区段，牵引母线不同相的场合。这种接线当工作断路器需检修时，即由备用断路器代替。断路器的转换操作方便，供电可靠性高，但一次投资较大。馈线
19、断路器100%备用的接线图如图3-3所示。 图3-3馈线断路器100%备用 第4章短路计算4.1短路计算的目的(1)进行短路电流的计算，以便正确的选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性。(2)整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件。(3)用于电气主接线方案的确定。4.2短路计算4.2.1短路点的选择由于在某一范围内短路电流值是近似相等的，如高压母线、变压器高压侧、变压器低压侧、设备接入端等，因此常用几个代表性的点来说明某一供电系统的整体短路水平，这就是计算短路电流的短路点。本次短路计算的短路点分别选取牵引变压器高压侧短路点K，牵引变压器低压侧短路点。各点位置分别如下图4-
20、1和图4-2所示。4.2.2110kV侧短路计算短路计算时的等效电路图如下图4-1所示： 图4-1110kV侧短路计算等效电路 (1)在系统最大运行方式下：电力系统综合电抗标幺值为： 基准容量为： MVA基准电压为： 基准电流为： 三相短路电流周期分量有效值为: 三相短路次暂态电流和稳态电流为： 短路冲击电流为： 短路冲击电流有效值： 三相短路容量为： MVA (2)在系统最小运行方式下： 电力系统的综合标幺值为： 基准电流为： 三相短路周期分量有效值为： 三相短路次暂态电流和稳态电流为： 短路冲击电流为： 短路冲击电流有效值为： 三相短路容量为： MVA 4.2.327.5kV侧短路计算 短
21、路计算等效电路图如下图4-2所示： 图4-227.5kV侧短路计算等效电路(1)在最大运行方式下：基准容量为： MVA基准电压为： 电力系统总阻抗值为： 牵引变压器的阻抗值为： 则在点短路时，短路电流标幺值为： 基准电流为： 次暂态短路电流为： 短路冲击电流为： 短路电流最大有效值为： 短路容量为： MVA(2)在最小运行方式下：电力系统和线路的总阻抗值为： 牵引变压器的阻抗值为： 则在点短路时，短路电流标幺值为： 基准电流为： 次暂态短路电流为： 短路冲击电流为： 短路电流最大有效值为： 短路容量为： MVA (3)由于左右供电臂采用的牵引变压器型号及容量大小均一致，则两边的短路计算结果相同
22、。短路电流计算结果汇总表如下表4-1所示：表4-1短路电流计算结果汇总(kA)(kA)(kA)(MVA)110kV侧最大运行方式4.1710.636.3833.33最小运行方式3.338.425.03666.727.5kV侧右供电臂最大运行方式0.2940.5410.3214.704最小运行方式0.2920.5370.31814.60427.5kV侧左供电臂最大运行方式0.2940.5410.3214.704最小运行方式0.2920.5370.31814.604第5章牵引变电所电气设备的选择5.1继电保护的配合时间继电保护时间配合表如下表5-1所示： 表5-1继电保护配合时间时间110kV27
23、.5kV1.501.563.111.001.062.11表中，继电保护整定时间；断路器动作时间； 假想时间，其中。其中的0.05为考虑短路电流非周期分量热影响的等效时间。5.2断路器和隔离开关的选型及校验高压隔离开关的功能，主要是用来隔离高压电源以保证其他设备和线路的安全检修。断路器和隔离开关的选择校验条件如下表5-2所示:表5-2选择及校验的条件 选择校验额定电压额定电流开断电流热稳定动稳定断路器隔离开关-5.2.1断路器的选型及校验(1)110kV至牵引变压器侧断路器的选择校验由以上计算可知： ，。 因此可初步选择型号为SW6-110I/1600的断路器。具体参数如下表5-3所示：表5-3
24、SW6-110I/1600型断路器参数额定电压(kV)额定电流(A)额定开断电流(kA)动稳定电流(kA)热稳定电流(kA)(4S)110160031.58031.5由上表可知：，满足选择的要求。动稳定校验： ，满足要求。热稳定性校验： 满足热稳定性要求，因此所选型号满足要求。 (2)27.5kV侧断路器的选型及校验：根据以上数据可以初步选择断路器的型号为：ZN6-27.5。具体参数如下表5-4所示：表5-4ZN6-27.5型断路器参数额定电压(kV)额定电流(A)额定断流量(kA)动稳定电流(kA)热稳定电流(kA)(4S)27.51000102510由上表可知：，满足选择的要求。动稳定校验
25、： ，满足要求。热稳定性校验： 满足热稳定性要求，因此所选型号满足要求。5.2.2隔离开关的选型及校验(1)110kV至牵引变压器侧隔离开关的选型和校验由以上计算可得：，。最大长期工作电流为： 可初步选择型号为GW4-220D的隔离开关。参数如下表5-5所示：表5-5GW4-110D型隔离开关的参数额定电压(kV)额定电流(A)动稳定电流(kA)热稳定电流(kA)(4S)主刀闸接地刀闸110200010040CS14GCS14G经比较满足： ，。动稳定校验： kA 则。热稳定性校验： 满足校验的要求，则所选型号满足要求。(2)27.5kV侧隔离开关的选型和校验由以上计算可得：，。 则可初步选择
26、型号为GN2-27.5/1250的隔离开关。具体型号参数如下表5-6所示：表5-6GN2-27.5/1250的参数型号额定电压(kV)额定电流(A)动稳定电流(kA)热稳定电流(kA)(4S)所用刀闸(手动机构)GN2-27.5/125027.512506325CS6-2 经比较可知满足： ，。动稳定校验： ，。热稳定性校验： 则所选型号满足要求。5.3电流互感器和电压互感器的选型及校验 电流互感器和电压互感器选择及校验条件如下表5-7所示：表5-7电流互感器和电压互感器选择校验条件选择校验电压电流热稳定动稳定电流互感器电压互感器-5.3.1电流互感器的选型及校验(1)110kV至牵引变压器侧
27、电流互感器最大负荷电流为：，电压。选择时只考虑，则可初步选择型号为LCWD3-110型电流互感器。参数如下表5-8所示：表5-8LCWD3-110型电流互感器参数额定电压(kV)一次额定电流(A)二次额定电流(A)短时1S热电流(kA)动稳定电流(kA)11030052767.5短路热稳定性校验： 则LCWD3-220满足热稳定性。动稳定性校验： 则LCWD3-220满足动稳定性校验。(2)27.5kV侧电流互感器最大负荷电流为：，电压为：。初步选择型号为LZZB7-27.5型户外电流互感器。具体型号参数如下表5-9所示：表5-9LZZB7-27.5电流互感器的参数额定工作电压(kV)一次额定
28、电流(A)二次额定电流(A)热稳定电流(kA)(4S)动稳定电流(kA)27.53000580130热稳定性校验： 即LZZB7-27.5满足热稳定性校验。动稳定性校验： 即满足动稳定性校验。所以LZZB7-27.5型户外独立式电流互感器满足条件。5.3.2电压互感器的选型及校验 由于电压互感器是并在主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流过互感器，所以不需要校验短路的稳定性。(1)220kV侧电压互感器由以上计算可知：，则，。可选择型号为TYD220/-0.0075H的电容式电压互感器。额定电压为220kV，为其额定电容。(2)27.5kV侧电压互感器，。则可选择型号为JDJ2-27.5
29、型单相油浸式电压互感器。额定电压为27.5kV，满足要求。5.5母线的选型及校验5.5.1110kV架空导线的选型及校验最大长期工作电流为： 所以选择型号为的架空导线。导线截面积为16，分裂数是4。当铝合金导线允许温度为，周围空气为时，此型号的长期允许载流量是85A，当室外为时，长期允许载流量为： 发热条件校验： ，。，满足热稳定校验。所以选择满足要求。5.5.2室外110kV进线侧软母线的选型及校验最大长期工作电流为： 可以初步选择型号为LGJ-25的母线。此导线的允许载流量为。则即可得，满足发热条件。校验母线热稳定性： 由于，则，因此不满足校验。所以选择母线型号为LGJ-70。5.5.3室
30、外27.5kV出线的母线选型及校验27.5kV侧最大长期工作电流为： 初步可以选择型号为LGJQ-400的轻型钢芯铝绞线。此导线的允许载流量为。则，即可得，满足发热条件。校验母线热稳定性： ，因此满足热稳定性校验。即型号选择正确。5.5.4室内27.5kV侧硬母线的选型及校验最大长期工作电流： 热稳定性校验： 初步选择平放的单条矩形硬铝母线。导线允许载流量为1038A。即可得。动稳定性校验： 可得： 则型硬母线满足要求。5.6避雷器的选型避雷器是一种用来限制雷电过电压的保护电器，它可防止雷电过电压沿线路侵入变配电所或其他建筑物内。避雷器应与被保护物并联，装在被保护物的电源侧。5.6.1110k
31、V侧避雷器的选型110kV侧选择型号为Y10W-216/562的金属氧化物避雷器。具体参数如下表5-11所示：表5-11Y10W-216/562避雷器的参数系统电压(kV)避雷器额定电压(kV)持续运行电压(kV)标称放电电流(kA)110216169105.6.227.5kV侧避雷器的选型27.5kV侧可选择型号为Y5WT-42的金属氧化物避雷器。具体参数如下表5-12所示：表5-12Y5WT-42避雷器参数系统额定电压(kV)避雷器额定电压(kV)持续运行电压(kV)标称放电电流(kA)用途27.54231.55电气化铁道第6章 设计总结本次设计根据任务书中的数据资料、要求，确定了牵引变压
32、器的容量、型号及单相Vv接线的接线方式。确定电气主接线高压侧采用单母线分段接线的形式，馈线采用100%备用的接线方式。进行了短路电流的计算，根据短路电流大小选择了主要的电气设备，主要包括断路器、隔离开关、互感器、母线等。设计了防雷与接地系统。最后用CAD软件绘制出了完整的电气主接线图。本次设计只是做了大体的设计，很多设备的选择需要更细致，继电保护设备也没有进一步设计，需要完善。本次设计只是初步的设计，变电所内的线路布置也没有细致设计。经过对变电所的设计，大致掌握了牵引变电所的结构及作用，对今后的工作有很大的帮助。提高自己的实际动手能力、独立思考的能力和创新能力。最后非常感谢王庆芬老师的耐心指导和认真指摘。参考文献1 刘介才.工厂供电M.北京:机械工业出版社，2009.2 谭秀炳.牵引供电系统M.成都:西南交通大学出版社，1993.3 冯仁杰.电气化铁道供电系统M.北京：中国铁道出版社，2001.4 李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析M.成都:西南交通大学出版社，2010