牽引變電所設計

1、* 米 zwxzwxwx系2010級冰，牽引供電課程設計J聚 牽引供電課程設計報告書題 目院/系（部）雙線鐵路牽引變電所電氣主接線電氣工程系方1010-520106742指導教師完成時間王勝合王慶芬2013年12月20日5 / 26牽引變電所是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的心臟，它的主要任務是將區(qū)域電力系統(tǒng) 送來的電能，根據(jù)電力牽引對電流和電壓的不同要求，轉變?yōu)檫m用于電力牽引的電能, 然后分別送到沿鐵路線上空架設的接觸網(wǎng)，為電力機車供電，或者送到地下鐵道等城 市交通所需的供電系統(tǒng)。進行雙線鐵路牽引變電所設計，首先分析負荷及環(huán)境情況確定變壓器選型，并進 行容量計算選出型號并選定了固定備用；按規(guī)定供、饋

2、電容量與要求確定電氣主接線 圖；對短路電流進行計算，并進行校驗；對牽引變壓器和饋線配置繼電保護和無功補 償；最后對牽引變電所進行防雷保護。經(jīng)過上述步驟的分析和計算，最終完成了課題要求。選出各種設備的接線方式， 變壓器等設備的型號，完成整個線路并用CAD繪制了最終圖紙。【關鍵詞】：牽引變電所主接線繼電保護 無功補償?shù)?章課程設計目的和任務要求11.1設計目的11. 2設計要求11. 2. 1設計的基本要求12. 2. 2設計的依據(jù)1第2章方案的比較22. 1負荷分析22.2方案比較擬定2第3章變壓器備用方式及選型33. 1變壓器備用方式33. 2變壓器容量計算33. 3變壓器的選型6第4章主接線

3、設計64. 1電源側主接線設計64. 1. 1 倒閘操作84.2牽引側主接線設計9第5章短路計算105. 1短路計算示意圖106. 2 短路計算10第6章設備選擇137. 1 進線導線的選擇136. 1. 1 110kV側電源進線的型號選擇137. 1. 2 27. 5kV側母線的選擇136.2電氣設備的選擇141 .2.1高壓斷路器、隔離開關的選擇146 . 2. 2電壓互感器的選擇16第7章繼電保護188. 1繼電保護基本要求187.2電力變壓器繼電保護的選擇18第8章并聯(lián)無功補償199. 1功率因數(shù)低的原因198.2并聯(lián)電容補償?shù)淖饔?98. 3并聯(lián)電容補償20第9章防雷保護21第10章

4、結論21參考文獻22第1章 課程設計目的和任務要求1.1 設計目的通過本次設計，對所學的專業(yè)知識得到相當?shù)倪\用和實踐，這將使自己所學的理 論知識提升到一定的運用層次，為以后完成實際設計奠定扎實的基本功和基本技能， 最終達到學以致用的目的。1.2 設計要求1.2.1 設計的基本要求（1）確定該牽引變電所高壓側的電氣主接線的形式，并分析其正常運行時的運 行方式。（2）確定該牽引變壓器的容量、臺數(shù)及接線形式。（3）確定該牽引負荷側電氣主接線的形式。（4）對變電所進行短路計算，并進行電氣設備選擇。（5）設置合適的電壓保護裝置、防雷裝置以及提高接觸網(wǎng)功率因數(shù)的裝置。（6）用CAD畫出整個牽引變電所的電氣

5、主接線圖。1.2.2設計的依據(jù)（1）某牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，向兩條雙線電氣化鐵路干線的四個方向 供電區(qū)段供電，已知列車正常情況的計算容量為lOOOOkWU三相變壓器），并以10kV 電壓給車站電力照明機務段等地區(qū)負荷供電，容量計算為375OkVA,各電壓側饋出數(shù) 目及負荷情況如下：25kV回路（1路備）：兩方向年貨運量與供電距離分別為Q1L1=32 X60Mt kin, Q2L2=30X25Mt km, q=100kWh/10kt - kiiio lOkv 共 12 回路（2 路備）。（2）供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙路UOkV輸送線供電。本變電所位于電氣 化鐵路的中間，送電線距離15k

6、m。在最大運行方式下，電力系統(tǒng)的電抗標幺值分別 問0.23；在最小運行方式下，電力系統(tǒng)的標幺值為0.25。（3）環(huán)境資料本牽引變電所地區(qū)平均海拔為650米，底層主要以砂質(zhì)粘土為主，地下水位為 5.8米。該牽引變電所位于電氣化鐵路的中間位置，變電所所內(nèi)不設鐵路岔線，外部 1 / 26有公路直通所內(nèi)。本變電所地區(qū)最高溫度為38C,年平均溫度為21C,年最熱月平均最高溫度為 33,年雷暴雨日數(shù)為23天，土壤凍結深度為1.3m。第2章方案的比較2.1 負荷分析本牽引變電所，向兩條雙線電氣化鐵路干線的四個方向供電區(qū)段供電，已知列車 正常情況的計算容量為10000k （三相變壓器），并以10KV電壓給車站

7、電力照明機 務段等地區(qū)負荷供電，容量計算為3750kVA,各電壓側饋出數(shù)目及負荷情況如下： 25KV回路（1路備）：兩方向年貨運量與供電距離分別為QlLl=32x60Mt - kin, Q2L2=30x25Mt kin, Aq=100kWlV10kt km。lOkv 共 12 回路（2 路備）；供電電源 由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙路UOkv輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的中間，送電 線距離15km。2.2 方案比較擬定（l）YNdll的接線形式優(yōu)點：牽引變壓器的低壓側保持三相，有利于供應牽引變電所自用電和地區(qū)三相 電力；能很好的適應當一個供電臂出現(xiàn)很大的牽引負荷時，另一供電臂沒有或出現(xiàn)很 小牽引

8、負荷不均衡狀況；制造相對簡單，價格也比較便宜；一次側中性點可以接地， 一次繞組可按分級絕緣設計制造，與電力系統(tǒng)匹配方便。對接觸網(wǎng)的供電可實現(xiàn)兩邊 供電。（2）三相V,v牽引變壓器優(yōu)點：牽引變壓器的容量利用率可達100%,正常運行時，牽引側保持三相，所 以可供應牽引變電所自用電和地區(qū)三相負載；主接線較簡單，設備較少，投資較省； 對電力系統(tǒng)的負序影響比單相聯(lián)接??；對接觸網(wǎng)的供電可實現(xiàn)兩邊供電。缺點：當一臺變壓器故障時，另一臺必須跨相，即兼供左右兩邊供電臂的牽引網(wǎng)。分析題目所給的資料可知，變壓器擬定采用三相Vv接線變壓器。該變壓器在滿 足線路要求的情況下，接線簡單，便于維護而且經(jīng)濟。變壓器采用固定備

9、用方式，選 擇兩臺牽引變壓器，其中一臺運行，一臺備用。該雙線牽引變電所采用HOkV雙回 線路的供電電源，UOkV電源側線路較短，故障檢修停電機會少，所以高壓側比較適 合采用單母線分段供電。而低壓側為了經(jīng)濟和維護方便采用50%備用方式。第3章變壓器備用方式及選型3.1 變壓器備用方式從我國的電氣化鐵路的歷史來看，牽引變壓器的備用方式有以下兩種。（1）移動備用：采用移動變壓器作為備用的方式，稱為移動備用。優(yōu)點是牽引 變壓器的容量比較省，適用于沿線無公路區(qū)和單線區(qū)段。缺點是不能保證當發(fā)生故障 時供電持續(xù)性。（2）固定備用：采用加大牽引變電所容量或者增加臺數(shù)作為備用方式。優(yōu)點每 個牽引變電所一般裝設兩

10、個牽引變壓器，一臺運行一臺備用。每臺牽引變壓器容量能 承擔全所的最大負荷，確保鐵路的正常運行，其投入快速方便，發(fā)揮備用主變壓器自 動突入裝置的功能，可以實現(xiàn)不間斷行車的可靠供電，確保鐵路的正常運行。適用于 沿線有公路的條件的大運量區(qū)段。經(jīng)過比較上述兩種備用方式，且該牽引變電所牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，在 電氣化鐵路的中間。牽引變壓器在撿修或者發(fā)生故障時，都需要有備用變壓器投入， 以確保電氣化鐵路的正常運輸。在大運量的雙線區(qū)段，牽引變壓器一旦出現(xiàn)故障，應 盡快投入備用變壓器，顯得比單線區(qū)段要求更高，在當前進行電氣化鐵路牽引供系統(tǒng) 的設計中，牽引變壓器的備用方式不再考慮移動備用方式。所以綜合考慮

11、情況該變電 所比較適合采用固定備用。3.2 變壓器容量計算計算分為以下步驟：第一，確定計算容量，按正常運行的計算條件求出主變壓器 供應牽引負荷所必須的最小容量。第二，確定校核容量，按列車緊密運行的計算條件 并充分利用牽引變壓器的過負荷能力所計算的容量。第三，確定安裝容量，在計算容 量和校核容量的基礎上，再考慮備用方式，最后按其系列產(chǎn)品的規(guī)格確定牽引變壓器 臺數(shù)與容量。根據(jù)設計要求可知中心牽引變電所采用Vv接線，已知列車正常情況的計算容量 為10000 kVA（三相變壓器），并以10kV電壓給車站電力照明機務段等地區(qū)負荷供電， 容量計算為3750kVA,各電壓側饋出數(shù)目及負荷情況如下：25kV回

12、路（2路備）：兩方向年貨運量與供電距離分別為2A = 30 x 60M/4M,Q/=30x25M，kM, /q = 100 kWli/10 Mt - kM o lOkV 共 6 回路 Q 路備）。列車緊密運行時的列車對數(shù)為：3 / 26a 14401440“E/口、N止=144(對/日)At 10左供電臂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人左總S左總mm = U/左右2= 27.5X131.39 = 3613 A3kVAS左總max = S左總/I + S左比1g = 4912 .SkVA同上右供電臂2的最大容量Sg. = U/右總= 3613.43女團右供電臂1的最大容量 乙 ioZt右上1 =-=x 60 = 5mmv 120卜1 =x60 = 5iiihiv 12021右總1 = Z t右上1+Z t右下1 = lOninZA, ri. =30x10x10x1000 +365-1440 x5 = 28.54kK4-hZ A右總下=30 X10 X10 X1000 365 + 14

14、40 X 5 = 28.54k3 h 2A左總i = 2 A左總上1+2 A左總下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右總1US. ri 尸U/“=521A5kVAS.=S、 1 + S/ ，= 4140.88k%41 .y.max 石圖5-2短路等效電路圖（1）確定基準值5X Sd = 100MVA, Uc = 115kV, t/c2 = 27.5kV（2）計算短路電流中個主要元件的標幺值最大運行方式下，電力系統(tǒng)的電抗標幺值分別為0.23：最小運

15、行方式下，電力系 統(tǒng)的標幺值為0.25。架空線路的電抗標幺值一只X。為線路單位阻抗04 L為線路長度15km；* cinnX/ = x/ 上 = 0.4 X15x - = 0.05l 1 J 1152電力變壓器的電抗標幺值為：v UK% Sr 10.5 100x1000 A XT = X=X= 0.53100S10020000其中，U&%為變壓器阻抗；S為為變壓器容量。（3）計算k-l點短路電路總電抗標幺值及三相短路電流和短路容量 最大運行方式下的總電抗標幺值=0.05+0.23 = 0.28最小運行方式下總阻抗標幺值Xpz =0.05+0.25 = 0.30三相短路電流周期分量有效值& =

16、- = 3.57dl X” 0.28S100心 X = 3.57 X= = 1.79(k4)(/C1V3115xV3其他三相短路電流： 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）計算k-2點短路電路總電抗標幺值及三相短路電流和短路容量 最大運行方式下總電抗標幺值=0.05 + 0.42 + 0.23 = 0.70乙最小運行方式下總電抗標幺值=0.05 + 0.42 + 0.25 = 0.72 一乙三相短路電流周期分量有效值

17、Ak= = 1.43X*zcinnA.x = 1.43x= = 3.0(kA)U,忑 27.5xV3其他三相短路電流：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)短路計算表如表5-1。表57短路計算不/”/2Sk最大運行方式K-11.791. 791.794. 562.70357最大運行方式K-23.03.03. 07.654.53145最小運行方式K-11.671. 671.674.272.52333最小運行方式K-22.922.922.927.444.401

18、39第6章設備選擇6.1 進線導線的選擇為了保證供電系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟地運行，選擇導線時必須滿足一下幾 個條件：發(fā)熱條件，電壓損耗條件，經(jīng)濟電流密度和機械強度。6.1.1 110kV側電源進線的型號選擇（1）選擇經(jīng)濟截面按照經(jīng)濟電流密度上計算經(jīng)濟截面AccI = P3。= 750 =69 A30115xV3Aec = -=76.7imi2Jec環(huán)境溫度40c選擇標準截面積為70mm,即選擇LGJ-70型鋼芯鋁線。（2）校驗發(fā)熱條件查附錄表得LGJ-70的允許載流量& = 222A69A。因此滿足發(fā)熱條件。（3）機械強度校驗查表得架空鋁線最小截面積滿足機械強度要求。綜上所述，電源進線導線

19、選擇型號為LGJ-70的輸電線。6.1.2 27.5kV側母線的選擇一般母線每段負荷不同，但選取母線截面可采取相同截面，并以最大長期工作電 流方式來選擇為宜。母線長期工作電流可按變壓器過載1.3倍考慮。經(jīng)計算：Zomax = 1.3x 20000+ （110x73） = 136.46（4）經(jīng)查表得LGJ-70/40型鋼芯鋁絞線的允許載流量為220A （基準環(huán)境溫度為25攝氏度），符合式子/cmaxKN , （k = l）式中：/加八表示通過導線的最大持續(xù)電流，表示對于額定環(huán)境溫度下的允許 電流，K表示溫度修正系數(shù)。13 / 26考慮裕度，UOkV進線側的母線選用截面積為70nmr的鋼芯鋁絞線（

20、LGJ-95/55 ）。6.2 電氣設備的選擇6.2.1 高壓斷路器、隔離開關的選擇設備選擇條件為：（1）按工作電壓選擇設備的額定電壓一般不應小于所在系統(tǒng)的額定電壓U ,高壓設備的額定電壓應不小于其所在系統(tǒng)的最高電壓Um八。（2）按工作電流選擇設備的額定電流不應小于所在電路的計算電流八。（3）按斷流能力選擇設備的額定開斷電流心或斷流容量2“.，對分斷短路電流的設備來說，不應小于它可能分斷的最大短路有效值或短路容量Sf）O對于分斷負荷設備電流的設備來說，則為（之/dW，/皿皿x為最大負荷電流。 （4）隔離開關和斷路器的短路穩(wěn)定度校驗動穩(wěn)定校驗條件：抑或3 /曲分別為開關的極限通過電流峰值和有效值

21、，*）、分別為開關所處的 三相短路沖擊電流瞬時值和有效值 熱穩(wěn)定校驗條件：注：為短路穩(wěn)定電流，“為熱效時間，為電器的熱穩(wěn)定電流，為電器的 熱穩(wěn)定試驗時間。綜合上述分析，電源側和牽引側電氣設備選擇、參數(shù)和校驗如下： （1）高壓斷路器選擇型號及參數(shù)如表6-1。表67高壓斷路器型號及參數(shù)表型號額定電壓(kV)額定電流(kA)動穩(wěn)定度(kA)4s熱穩(wěn)定度定A)SW6-110G11012004115.8ZN-27. 527.56002510(2) nokv側高壓斷路器選擇型號為SW6-110G,其校驗如表6-2。表6-2高壓斷路器SW6T10G校驗Un x八”/，安裝占110/115125A1.79kA

22、1.56kA0.41SWG-HOG1101200A15.8kA41kA29.95校驗結果合格合格合格合格合格所選型號SW6-H0G滿足要求。(3) 27. 5kV側高壓斷路器選擇型號為ZN-27. 5,其校驗如表6-3。表6-3高壓斷路器ZN-27.5校驗表% I%hoI叫 “x lirna安裝點25/27. 5462A3kA4. 49kA8.9ZN-27. 527. 5600A15. 8kA25kA10校驗結果合格合格合格合格合格所選型號ZN-27.5滿足要求。(4)高壓隔離開關型號及參數(shù)如表6-4。表6-4高壓隔離開關型號及參數(shù)型號額定電壓(kV)額定電流(kA)動穩(wěn)定度(kA)4s熱穩(wěn)定

23、度定A)GW4-110D-DW1106302050GW4-27. 5DT27.56302050(5) llOkV側高壓隔離開關選擇型號為GW4-11OD-DW,其校驗如表6-5。15 / 26表6-5高壓隔離開關GW4-110D-DW校驗表In動穩(wěn)定度熱穩(wěn)定度安裝占110462A2. 65kA4.56kAGW4-110D-DW110630A50kA20kA校驗結果合格合格合格合格所選型號GW4-110D-DW滿足要求。(6) 27. 5kV側高壓隔離開關選擇型號為GW4-27.5DT,其校驗如表6-6。表6-6高壓隔離開關GW4-27. 5DT校驗表4動穩(wěn)定度熱穩(wěn)定度安裝占 八、25524A7

24、. 56kA3kAGW4-27. 5DT27. 5630A50kA20kA校驗結果合格合格合格合格所選型號GW4-27. 5DT滿足要求。6.2.2電壓互感器的選擇(1)電壓互感器的選擇供繼電保護用的電壓互感器的選擇：準確級為3級；供UOkV側計費的電壓互 感器選擇：準確級為0.5級。UOkV側電壓互感器的選擇：由于電壓互感器裝于UOkV測知識用來計費的， 不需要保護，因此選用JCCj-110GM匕型準確級為0.5級，額定容量為500MVA的電 壓互感器可以滿足要求。由于電壓互感器是并聯(lián)在電路中的，當主回路發(fā)生短路時， 短路電流不會流過互感器，因此電壓互感器不需要校驗短路的穩(wěn)定性。27.5kV

25、側電壓互感器的選擇：由于電壓互感器位于27.5kV側主要起到保護作用， 用于保護牽引網(wǎng)饋線上鎖發(fā)生的故障或事故，故其準確級為3級，因此選用 JD/2-27.5/O.lkA型準確級為3級，額定容量為1000VA的電壓互感器可以滿足條件。 由于電壓互感器是并接于主回路中，當主回路發(fā)生短路時，短路電流不會流入互感器, 因此電壓互感器不需要校驗短路穩(wěn)定性。綜上選擇校驗最終選擇的電壓互感器的型號及參數(shù)如表6-7。表6-7電壓互感器型號及參數(shù)表型號原邊額定電壓準確級額定輸出極限輸出tg 3JCC6-110GYWHOkV0.5300VA2000VA2%JDJ2-27. 5/0. IkA27. 5kV3100

26、0VA1000VA2%6.2.3電流互感器的選擇(1)UOkV側電流互感器的選?。鹤畲箝L期電流按變壓器過載的1.3倍考慮： c90000Z = 1.3/C = 1.3x一= = 1.3x尸= 136.46(A)Un6110xV3經(jīng)查閱資料得電流互感器LCWD110的電流互感器，校驗如表6-8所示。表6-8電流互感器校驗UNIN動穩(wěn)定度熱穩(wěn)定度安裝占110136. 4619.59. 3LCWD2-1101102X15013. 5-277. 5-15校驗結果合格合格合格合格(2)短路熱穩(wěn)定性校驗17 / 26表6-7電流互感器型校驗UNIN動穩(wěn)定度熱穩(wěn)定度安裝占27.58714.55.9LCW-3

27、53510019. 17. 5校驗結果合格合格合格合格第7章繼電保護7.1 繼電保護基本要求繼電保護的基本要求主要有四個方面，第一，選擇性：當供電系統(tǒng)某部分發(fā)生故 障時，繼電保護裝置應使距離故障點的斷路器動作，將故障部分切除，縮小停電范圍, 保障無故障部分運行；第二，快速性：快速切斷短路故障可以減輕短路電流對電氣設 備的破壞程度，可以迅速恢復供電正常的過程，減小對用戶的影響；第三，靈敏性： 靈敏性是指對被保護電氣設備可能發(fā)射的故障和不正常運行發(fā)生的反應能力。為了起 保護作用，要求裝置由一定的保護靈敏性；第四，可靠性：當發(fā)生故障時，要求保護 裝置動作可靠，即在應動作時不能拒動，而在不動作時不會誤

28、動作。7.2 電力變壓器繼電保護的選擇(1)縱聯(lián)差動保護：對于牽引變電所內(nèi)的牽引變壓器，均應裝設差動保護。電流 縱差動保護不但能夠正確區(qū)分區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，而且不需要與其他元件的保護配合，可 以無延時地切除區(qū)內(nèi)各種故障，具有獨特的優(yōu)點，被廣泛地用作變壓器的主保護。(2)瓦斯保護：利用變壓器油箱故障時，在故障電流和故障點電弧的作用下，變 壓器和其他絕緣材料會因受熱而分解，產(chǎn)生大量氣體來實現(xiàn)保護的裝置成為瓦斯保 護。瓦斯保護能夠保護變壓器油箱內(nèi)的各種輕微故障，但像變壓器絕緣子閃絡等油箱 外面的故障，瓦斯保護不能反應。主變壓器繼電保護的配置：本設計主變壓器容量為20000kVA,通過電力系統(tǒng) 繼電保護原理可知該容量的變壓器首先應裝設瓦斯保護(包括輕瓦斯和重瓦斯)、 縱差動保護、過負荷保護、零序方向過電流保護。線路繼電保護的配置：線路保護有縱聯(lián)保護、距離三段式保護、電流三段式保護、 零序保護等，對于本次設計的UOkV線路，輸送距離為15km,采用縱聯(lián)保護投資大, 且該線路電壓等級也不高，應多考慮經(jīng)濟性，采用距離三段式保證可靠性、靈敏性。第8章并聯(lián)無功補償8.1 功率因數(shù)低的原因(1)整流型機車由于交流側電流波形畸變及整流換相過程中重疊導通角的影響。(2)牽引網(wǎng)阻抗影響。(3)牽引變壓器影響。8.2 并聯(lián)電容補償?shù)淖饔?1)提高功率因數(shù)。(2)吸收濾