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1、电气化铁道供电系统与设计课程设计指导手册兰州交通大学自动化学院电气工程系2009-6-18电气化铁道供电系统与设计课程设计 指导手册电气化铁道供电系统与设计 课程设计学院：自动化学院 适用专业：电气工程及其自动化课程设计名称：电气化铁道供电系统课程设计 课程代码 ：0508941学分数：1 学时数：16一、课程设计目的本课程设计是学生在学完电气化铁道供电系统与设计课程之后、进行的一个综合性的教学实践环节。通过本课程设计一方面使学生获得综合运用学过的知识进行牵引变电所主接线设计和电气设备选型的基本能力，另一方面能巩固与扩大学生的电气综合设计知识，为毕业设计做准备，为后续课程的学习及今后从事科学研
2、究、工程技术工作打下较坚实的基础。通过本课程设计，学生能运用电气基础课程中的基本理论和实践知识，正确地解决牵引变电所的电气主接线设计等问题。通过牵引变电所的电气主接线设计的训练，提高电气设计能力，学会使用相关的手册及图册资料：1、掌握牵引变压器容量计算的基本方法能够根据牵引负荷的大小正确计算牵引变压器的计算容量、校核容量和安装容量。2、掌握牵引变电所110kV侧主接线设计的基本方法能够根据牵引变电所在牵引供电系统中的重要性，正确在电气主接线的四种接线形式中进行选择，做出110kV侧主接线的设计。3、掌握牵引变压器型号选择的基本方法能够根据变压器的容量和牵引网向电力机车的供电方式正确选择牵引变压
3、器的型号。4、掌握牵引变电所馈线侧主接线设计的基本方法能够根据牵引变电所向接触网的供电方式，正确进行馈线数目、备用方式和接线形式的和设计。5、掌握牵引变电所主接线中电气设备选型的基本方法能够正确对主接线中电气设备某两种，如：断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器，避雷器，自用电变压器，地方负荷用变压器等进行正确选型。二、课程设计的要求学生要按照课程设计指导书的要求，根据题目所给原始参数进行设计。本课程设计的基本步骤是：1、分析问题及解决方案框架确定2、牵引变压器容量计算正确进行牵引变压器的计算容量、校核容量和安装容量的计算。3、牵引变电所110kV侧主接线设计4、牵引变电所馈线侧主接线设计5
4、、确定电气主结线6、*短路电流计算7、*母线（导体）和主要一次电气设备选择8、*设计并绘制高压配电装置典型配电间隔（单元）的平面布置与断面图9、完成课程设计报告 原始数据分析：对重大技术问题进行必要的方案比较、论证和分析 按设计内容，完成全部计算过程，并将计算结果列表 绘制电气主结线图1张 选择主接线中母线和开关电气设备中的某两种进行选型*设计并绘制高压配电装置典型配电间隔（单元）的平面布置与断面图注：标有“*”号的内容是选做内容。三、考核评估 通过计算、总结报告和学习态度综合考评，并结合学生的动手能力，独立分析解决问题的能力和创新精神。成绩分优、良、中、及格和不及格五等。考核标准包括：1、课
5、程设计的正确性。2、学生的工作态度、动手能力、创新精神。3、总结报告。总成绩评定：满分为100分，总分=第一项成绩50%+第二项成绩20%+第三项成绩30%90-100分为优秀，80-89分为良好，70-79分为中等，60-69分为及格，60分以下为不及格。成绩单上按优秀、良好、中等、及格和不及格填写。四、课程设计实习题1、供变电工程课程设计指导书的牵引变电所A。2、供变电工程课程设计指导书的牵引变电所B。3、某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复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
6、供电，容量计算为3750 kVA，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，。10kV共12回路（2路备）。供电电源由系统区域变电所以双回路110kV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，主变压器为三相接线。4、某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复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20000 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1000 kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回路（2路备）：两方向年货运量与供电距离分别为，。10kV
7、共6回路（4路备）。供电电源由系统区域变电所以双回路110kV输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电线距离20km，主变压器为三相接线。5、某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复线电气化铁路干线的两个方向供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为27000 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2700 kVA，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，。10kV共4回路（2路备）。供电电源由系统区域变电所以双回路110kV输送线供电。本变电所位于电气化铁路的首端，送电线距离30km，主变压器为
8、SCOTT接线。6、某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复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15000kVA（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1200kVA，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，。10kV共4回路（2路备）。供电电源由系统区域变电所以双回路110kV输送线供电。本变电所位于电气化铁路的终端，送电线距离25km，主变压器为三相V-V接线。7、某牵引变电所甲采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相平衡接线，两供电臂电流归
9、算到27.5kV侧电流如下表所示。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甲24.6282363102320220.42403198741548、某牵引变电所乙采用直接供电方式向复线区段供电，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侧电流如下表所示。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乙18.321729581814813.31442186371449、某牵引变电所丙采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相V-V接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表所示
10、。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丙21.923831891720624.7184266105221710、某牵引变电所丁采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，单相V-V接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表所示。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丁19.414221980915223.216724897819811、某牵引变电所戊采用AT供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，SCOTT接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表所示。牵引变电所供电臂长度
11、km端子平均电流A有效电流A短路电流A穿越电流A戊23.62062911086194109516860214412、图1为某一负序网络。图中A、B为两个牵引变电所，是为负序电流源，、分别为电力系统的负序电流和负序电压监视点。其运行方式如下：（1） 线路（b）、（d）断开。（2） 线路（a）、（c）断开。求在上述运行方式下，各监视点、的负序电流分配系数。设监视点I的发电机容量为11.5104kW，=0.8，允许承受持续负序电流8%，牵引供电系统提供的参数如图1所示。试求监视点I的负序电流和监视点II的负序电压是否超过允许值。列车对数（对）79/161追踪间隔数n2333供电臂列车平均电流（A）1
12、73161179157供电臂列车有效电流（A）182169188165供电臂平均电流（A）169/346235/483245/503148/306供电臂有效电流（A）178/363247/507257/528155/321供电臂带电运行时间（min）16.827.42324图1 牵引供电系统的参数13、教师自定综合设计题目：要求：结合专业特点，难度不低于综合设计题目推荐样题（1-12）的难度。五、教材与参考书使用教材：1、电气化铁道供电系统与设计 李彦哲、胡彦奎等主编 兰州大学出版社主要参考书：2、电力牵引供变电技术 贺威俊、高仕斌等主编 西南交通大学出版社3、电气化铁道设计手册：牵引供电系统
13、 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院编 中国铁道出版社4、电气化铁道施工手册：牵引变电所 铁道部电气化工程局第一工程处编 中国铁道出版社5、交流电气化铁道牵引供电系统谭秀炳、刘向阳等主编 西南交大出版社6、电气化铁道并联综合补偿及其应用李群湛主编 铁道出版社7、供变电工程课程设计指导书学校教材科六、设计题目参考答案1、供变电工程课程设计指导书的牵引变电所A参考供变电工程课程设计指导书。2、供变电工程课程设计指导书的牵引变电所B参考供变电工程课程设计指导书。3、某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复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10000kVA（三相变压器）
14、，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回路（1路备）：两方向年货运量与供电距离分别为，。10kV共12回路（2路备）。供电电源由系统区域变电所以双回路110kV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，主变压器为三相接线。参考答案：（1）分析负荷及原始资料由上述资料可知，本牵引变电所担负着重要的牵引负荷供电任务（一级负荷）、馈线数目多、影响范围广，应保证安全可靠的供电。10千伏地区负荷主要为编组站自动化驼峰、信号自动闭塞、照明及其它自动装置等一部分为一级负荷、其他包括机务段在内均为二级负荷，应
15、有足够可靠性的要求。本变电所为终端变电所，一次侧无通过功率。（2）牵引变压器台数和容量的选择三相牵引变压器的计算容量是由牵引供电计算求出的。本变电所考虑为固定备用方式，按故障检修时的需要，应设两台牵引用主变压器，地区电力负荷因有一级负荷，为保证变压器检修时不致断电，也应设两台。根据原始资料和各种负荷对供电可靠性要求，主变压器容量与台数的选择，可能有以下两种方案：方案A:210000千伏安牵引变压器+26300 kVA地区变压器，一次侧同时接于110 kV母线，（110千伏变压器最小容量为6300 kVA）。方案B:215000千伏安的三绕组变压器，因10千伏侧地区负荷与总容量比值超过15%，采
16、用电压为11027.510.5 kVA，结线为两台三绕组变压器同时为牵引负荷与地区电力负荷供电。各绕组容量比为100:100:50。(3)各种方案主接线的拟定按110 kV进线和终端变电所的地位，考虑变压器数量，以及各种电压级馈线数目、可靠供电的需要程度选择结线方式。（1）对于上述方案A，因有四台变压器，考虑110 kV母线检修不致全部停电，采用单母线用断路器分段的结线方式，如图2（a），每段母线连接一台牵引变压器和地区变压器。由于牵引馈线断路器数量多，且检修频繁，牵引负荷母线采用带旁路母线放入单母线分段（隔离开关分段）结线方式，10 kV地区负荷母线同样采用断路器分段的单母线结线系统。自用电
17、变压器分别接于10 kV两段母线上（两台）。（2）对于方案B，共用两台三绕组主变压器、两回路110 kV进线，线路太长，但应有线路继电保护设备，故以采用节省断路器数量的内桥结线较为经济合理，如图2（b）。牵引负荷母线结线和10千伏母线结线与方案（A）的结线相同。（a）方案（A）主接线（b）方案（B）主接线图2各方案主接线图(4)技术经济比较因地区负荷占比例较大，且有部分为一级负荷，应保证必要的电压质量，主要应检验电压不对称系数。然后进行两种方案的经济比较。I电压不对称系数的计算a）由已知牵引负荷容量，25kV侧额定电流及每馈电区电流、，见图3（a），分别为：（1）cos=0.8（2）=0.65
18、5=138 A（因电流不对称引入的系数k=0.655）（3）(a)形绕组中电流分配（b）每相牵引负荷电流与电压向量图图3 三相牵引变压器各绕组中电流分配及相位关系两馈电区电流在形绕组中分配后，每相绕组电流为A（4）A（5）A（6）电流与电压的相量关系如图3（b）其中以为基准相。10千伏电压侧为三相对称负荷，设cos=0.9则其额定电流和形绕组中每相电流分别为：A（7）（8）同理A（9）A（10）110kV高压绕组中的电流，不计励磁电流时，即为负荷电流归算到高压侧的值。对于方案（A）仅考虑牵引负荷A（11）A（12）A（13）对于方案（B），应为牵引负荷与地区负荷电流相量和，其值为：A（14）A
19、（15）A（16）其中电压变换系数，。b）高压110千伏绕组中的阻抗压降，已知参数为：三绕组16000千伏安变压器=106 kW，%=10.5；双绕组10000千伏安变压器=63 kW，%=10.5。按式(16)和(17)分别求得高压绕组的电阻及电抗为：(=110 kV)（17）（18）三绕组变压器=2.51=79.47双绕组变压器=3.81=127.1高压各相绕组阻抗压降，由各相阻抗压降三角形可知：对于三绕组变压器，kV（19）kV（20）kV（21）对于双绕组变压器，kV（22）kV（23）kV（24）c）高压110 kV绕组感应电势（E）及不对称系数，按下式计算=-；其中：=kV（25）
20、=-； =kV（26）=-； =kV（27）正序分量=（+a+）kV负序分量=（+a）kV电压（势）不对称系数=100%将各方案计算结果如表1所示。表1 各主接线方案技术参数计算结果方案单位（kV）百分值A4.2%B2.54%从上述比较可知，在保证电压质量方面，方案（A）和方案（B）的值在允许范围以内。II变压器与配电装置的一次投资与折旧维修费方案A：210000+26300kVA变压器四台，多增加110kV断路器四组，按SW3-110少油断路器计算，共需（以万元计）280+250+4（11+1.9+20.95）=274.8万元（28）（每组断路器包括断路器及机构1台、电流互感器1台，及两侧隔
21、离开关2台，分别为11万元、1.9万元和20.95万元）方案B：216000+26300kVA三绕组变压器2台，另增加变压器前面和跨条隔离开关（110kV）4组共需（以万元计）296+40.95=195.8万元（29）III各方案的年电能损耗a）方案A采用2SF1-QY-10000110型和2SF7-6300110型三相变压器，其参数为：牵引变压器 =21千瓦，=76千瓦，%=3.5，%=10.5；地区变压器 =15千瓦，=55千瓦，%=2.5，%=10.5。按已知条件，可求牵引负荷的最大功率损耗时间为：h（30）地区负荷=4500小时，cos=0.9，用插入法得，（地区负荷）=2750小时。
22、牵引变压器和地区变压器的年能量损耗和分别由式求得（取无功经济当量=0.1）：其中=安；各值已在前面求出；A2故=446760+241985.6=688745.6千瓦时(31)b）方案B采用2SFS7-16000110型三项三绕组变压器，其参数为：各绕组容量比100：100：50；=28kW，%=1.1，=106千瓦，各绕组短路电压%=10.5，%=6.5，%=0。则依下式：可求得年电能损耗为：其中；=8000千伏安；。已知=4000小时，=2750小时，则代入上述各值后，得：千瓦时(32)c）由技术经济全面比较表明，在保证同样可靠性的前提下，方案B对地区负荷供电电压质量较好，且投资和年运营费用
23、都较低，又节省占地面积，故推荐方案B。图4方案A 电气主接线图5 方案B 电气主接线4、4-6题答案参考第3题。5、某牵引变电所乙采用直接供电方式向复线区段供电，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侧电流如下表所示。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乙18.321729581814813.3144218637144参考答案：（1）首先计算牵引变压器的容量主变压器选定了三相YN,d11结线变压器为乙牵引变电所的主牵引变压器。为了经济合理的选择牵引变压器容量，计算分3个步骤进行：(1)确定计算容量按正常运行的计算条件求出主
24、变压器供应牵引负荷所必须的最小容量。(2)确定校核容量按列车紧密运行时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。(3)安装容量根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素（如备用方式）等，最后按变压器实际产品的规格所确定的变压器台数与容量。计算容量主要由各供电臂的负荷来决定，各供电臂的负荷就是牵引变电所的馈线电流。牵引变电所的馈线电流由牵引计算的结果和线路通过能力及行车量等条件决定。根据原始资料中提供的有效电流、平均电流和最大电流，参考电气化铁道供电系统与设计书中第七章关于变压器容量计算部分，可方便的确定出邳县牵引变电所主变压器的安装容量。计算过程如下：牵引变压器的计算容量：(1)其中
25、为温度系数，取0.9，U为牵引侧电压，为27.5kV，=295A，=218A，代入可得：S=16.8MVA。牵引变压器的校核容量：(2)其中为温度系数，取0.9，U为牵引侧电压，为27.5kV，=590A，=218A，代入可得：=32.7MVA。这里三相YN,d11变压器的过负荷倍数为1.5，所以可得该变压器的校核容量为：=21.8MVA(3)牵引变压器安装容量牵引变压器的安装容量是在计算容量和校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按变压器的产品规格确定的变压器台数与容量。确定安装容量除了计算容量和校核容量外，主要考虑的因素是备用方式。这里牵引变压器采用固定备用。根据上面计算出的计算容量和校核容量，选择两者中较大者，并按采用的备用方式，牵引变压器安装容量为225MVA。主接线图如图6所示。6、8-11题答案参考第7题。7、12题答案参考文献1中214-226页。图6 主接线图