牵引变电所I电气主接线设计.doc

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1、目录第1章 设计思路2 1.1 设计的目的2 1.2 设计的要求2 1.3 设计的依据2 1.4 设计方案3 1.4.1 设计方案比较3 1.4.2 备用的选择4第2章 牵引变压器的选择5 2.1 参数的定义5 2.2 牵引变压器容量计算5 2.3 中期变压器容量估算5 2.4 牵引变压器的电压损失计算6第3章 牵引变电所主接线设计7 3.1主接线要求7 3.2变电所110kV侧主接线设计8 3.3变电所27.5kV侧主接线设计9第4章 短路电流的计算9第5章 设备的选择12 5.1 110kV侧进线的选择12 5.2 27.5kV侧母线的选择13 5.3 开关设备的选择13 5.3.1 11

2、0kV侧开关设备的选择13 5.3.2 27.5kV侧开关设备的选择15 5.4 电流互感器的选取16第6章 继电保护拟定18 6.1 继电保护的任务18 6.2 继电保护的要求18 6.3 继电保护配置19第7章 并联无功补偿装置19第8章 变电所防雷设计21第9章 设计结论22参考文献23第1章 设计思路1.1 设计的目的通过对牵引变电所I电气主接线的设计，可以初步掌握电气化铁道牵引变电所电气主接线的设计步骤和方法。基本掌握变电所主接线图的绘制方法，锻炼自己综合运用所学知识的能力，熟悉有关设计规范，将所学的理论知识与实际设计相结合，建立一个对牵引变电所的供电系统的概念模型，为今后进行工程设

3、计奠定良好基础。1.2 设计的要求(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)确定牵引变压器的容量、台数及接线方式。(3)确定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)设置合适的过电压保护装置、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主接线图。 1.3 设计的依据包含有H、I两牵引变电所的供电系统示意图如图1所示。图1 牵引供电系统示意图图1中，牵引变电所中的两台牵引变压器为一台工作，另一台备用。电力系统1、2均为火电厂，选取基准容量为100MVA，在最大运行方式下，电力系统1、

4、2的综合电抗标幺值分别为0.12和0.14； 在最小运行方式下，电力系统1、2的综合电抗标幺值分别为0.21和0.26。 对每个牵引变电所而言，110kV线路为一主一备。图1中，、长度分别25km、40km、20km。线路平均正序电抗为, 平均零序电抗为。1.4 设计方案方案一：三相YNd11联结牵引变电所方案二：三相Vv联结牵引变电所设计步骤：(1)根据所给数据，求计算容量、校核容量和安装容量,选择变压器型号 (2)进行短路电流计算，选择校验断路器、隔离开关、电压及电流互感器。 (3)并联无功补偿的设计 (4)防雷接地保护设计1.4.1 设计方案比较方案一：Vv接线主接线简单，设备投资少。供

5、电可靠，利用率高。电压必须是线电压，对于供电和绝缘设备的投入相对比较高。Vv接线采用两只全绝缘电压互感器一次收尾相连分别连接到ABC三相监测电压。这样一次侧没有接地，在系统发生单相接地故障的时候Vv接线方式不容易引起系统谐振。但是这种方式一般应用在35kV以下的系统，同时测量的是线电压，不能测量相电压，也不能监测系统单相接地故障。方案二：YNd11接线制造简单，价格比较便宜，可实现双边供电。但主接线比较复杂，投资较多。YNd11接线有利于变电所用电和地区三相电力，一台停运时供电不中断，方便可靠。有较好的抗频繁短路能力，短时严重过负荷和三相负荷不平衡的承受能力强。三相负荷不平衡时，特别是单项短路

6、时，三相中性点将产生偏移，从而使各相电压相差很大，影响安全。综合考虑，选三相YNd11接线的变压器。1.4.2 备用的选择牵引变压器在检修或发生故障时，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。备用变压器投入的快供，将影响到恢复正常供电的时间，并且与采用的备用方式有关。备用方式的选择，必须从实际的电气化铁路线路、运量、牵引变电所的规模、选址、供电方式及外部条件(如有无公路)等因素，综合考虑比较后确定。我国的电气化铁路牵引变压器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

7、备用。采用移动备用方式的电气化区段每个牵引变电所装设两台牵引变压器正常时两台并联运行。所内设有铁路专用岔线。备用变压器安放在移动变压器车上停放于适中位置的牵引变电所内或供电段段部以便于需要作为备用变压器投人时缩短运输时间。在供电段所辖的牵引变电所不超过58个的情况下,设一台移动变压器其额定容量应与所辖变电所中的最大牵引变压器额定容量相同。当牵引变压器需要检修时可将移动变压器按计划调入牵引变电所。但在牵引变压器发生故障时移动变压器的调运和投入约需数小时。此间，采用移动备用方式的优点是牵引变压器容量较省。因此移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线区段。(2)固定备用采用加大牵引变压器容量或增加台数

8、作为备用的方式，称为固定备用。采用固定备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，一台运行，一台备用。每台牵引变压器容量应能承担全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。采用固定备用方式的优点是：其投入快速方便，可确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用岔线，牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量较少，电气主接线较简单。其缺点是：增加了牵引变压器的安装容量，变电所内设备检修业务要靠公路运输。因此，固定备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。结合本次设计的要求，牵引变电所采用直接供电方式向双线区段供电，外部有公路直通所内。所以综合考虑情况该变电所采比较适合采用固定备用。当变电所需要

9、检修时可能通过外部的公路到指定的变电所完成检修和设备维护，所以在当前进行电气化铁路牵引供电系统的设计中采用备用方式。第2章 牵引变压器的选择2.1 参数的定义-温度系数，一般为0.9-牵引变电所牵引侧三相变压器的母线额定电压，即27.5kV-左供电臂负荷全日的有效值，为390A-右供电臂负荷全日的有效值，为160A-变压器容量-电能损耗-电压损耗-阻抗-牵引变压器过负荷倍数，一般取1.52.2 牵引变压器容量计算牵引变电所的主变压器采用YNd11接线方式，主变压器正常负荷计算：将,代入上式：可得 紧密运行状态下的主变压器计算容量：将,代入上式：可得校核容量根据计算容量选择三相双绕组牵引变压器的

10、容量为225000kVA。2.3 中期变压器容量估算 为了满足铁路运输的不断发展，牵引变压器要留有一定余量，预计中期牵引负荷增长为40%，则 校核容量为根据以上计算查附录表选择三相双绕组牵引变压器为 所以最终选择的牵引变压器的容量为,采用YNd11接线方式,固定备用方式。牵引变压器参数如表2-1所示：表2-1变压器参数表设备型号额定容量（kVA）额定电压（kV）额定电流（A）损耗（kV）阻抗电压（%）空载电流（%）连接组别高压低压高压低压空载短路3150011027.516566038.5148 10.5 2YNd11 2.4 牵引变压器的电压损失计算三相接线变压器的阻抗：参数定义：变压器短路

11、电压百分值，变压器额定电压，变压器额定铜耗，变压器额定容量将原边Y接相阻抗归算到27.5KV侧对应Y接，并把Y接转换成接，即次边绕组阻抗为：，三相牵引变压器电压损失计算：由于 所以超前与滞后项最大电压损失计算式如下:计算得： ， 超前相绕组的最大电压损失为：滞后相绕组的最大电压损失为：滞后相绕组的电压损失比超前相大，重负荷设在超前相，也就是a相。第3章 牵引变电所主接线设计3.1主接线要求电气主接线应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求：(1)灵活性主接线的灵活性主要表现在正常运行或故障情况下都能迅速改变接线方式，即应满足调度正常操作灵活的要求，满足输电线路、变压器、开关设备停电检修或设备更

12、换方便灵活的要求，满足接线过渡的灵活性，满足处理事故的灵活性。(2)可靠性 根据变电所的性质和在系统中的地位和作用不同，对变电所的主接线可靠性提出不同的要求。主接线的可靠性是接线方式和一次、二次设备可靠性的综合。对主接线可以做定量计算，但需要各种设备的可靠性指标、各级线路、母线故障率等原始数据。一边情况下，在主接线设计时尚缺乏准确的可靠性计算所需的原始资料，而且计算方法各异，也不成熟，故通常不做定量计算，其结果也只能做参考。通常采用定性分析来比较各种接线的可靠性。(3)经济性经济性是在满足接线可靠性、灵活性要求的前提下，尽可能的减少与接线方式有关的投资。主要内容如下：采用简单的接线方式，少用设

13、备，节省设备上的投资。在投产初期回路数减少时，更有条件采用设备用量较少的简化接线。能缓装的设备，不提前采购装设。在设备型式和额定参数的选择上，要结合工程情况恰到好处，避免以大代少、以高代低;在选择接线方式时，要考虑到设备布置的占地面积大少，要力求减小占地，节省配电装置征地费用。3.2变电所110kV侧主接线设计桥型接线能满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电气设备少，建造费用低，在结构上便于发展成单母线或具有旁路母线的接线。即在初期按桥形结线，将来有可能增加电源线路数时再扩展为其它接线形式。桥型接线线按中间横向桥接母线的位置不同，分为内桥形和外桥形两种。内桥适用于故障较多的长输电

14、线路以及主变压器不需要经常切换的场合。外桥适用于故障较少的短输电线路以及主变压器需要经常切换的场合。由此可采用外桥形接线，如图3-1(a)所示：正常运行时，T1运行，T2备用。T1运行，由线路L1供电，QS1，QS2，QF1合闸，其它均断开；T1运行，由线路L2供电，QS5，QS4，QS3，QS2，QF2，QF1合闸，其它均断开；T2运行，由线路L2供电，QS5，QS6，QF3合闸，其它均断开；T2运行，由线路L1供电，QS1，QS3，QS4,QS6，QF2，QF3，其它均断开。 (a) (b)图3-1桥型接线图3.3变电所27.5kV侧主接线设计馈线断路器100%备用的接线如图3-2所示。这

15、种接线当工作断路器需检修时，此种接线用于单线区段，牵引母线不同的场合。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。图3-2断路器100%备用的接线图第4章 短路电流的计算运行方式和短路电流的计算应在最大、小运行方式下采用标幺值法进行计算。取基准容量，。牵引变电所短路示意图如图4-1所示。 图4-1牵引变电所短路示意图(1)牵引变压器高压侧（）发生短路时图4-1-1 点短路计算等效电路图最大运行方式下：在最大运行方式下， ，。线路电抗标幺值： 短路点的起始次暂态电流标幺值： 短路点处的基准电流为： 短路点的起始次暂态电流为： 短路点的冲击电流为： 最小运行方式下：在最

16、小运行方式下， ，。线路电抗标幺值： 短路点的起始次暂态电流标幺值： 短路点处的基准电流为： 短路点的起始次暂态电流为： 短路点的冲击电流为： (2)牵引变压器低压侧（）发生短路时图4-1-2 点短路计算等效电路图 最大运行方式下：变压器电抗标幺值： 短路点的起始次暂态电流标幺值为： 短路点处的基准电流为： 短路点的起始次暂态电流为： 短路点的冲击电流为： 最小运行方式下：变压器电抗标幺值： 短路点的起始次暂态电流标幺值为： 短路点处的基准电流为： 短路点的起始次暂态电流为： 短路点的冲击电流为： 综上计算结果如表4-1所示。表4-1短路计算结果 电压等级 110kV 27.5kV最大运行方式

17、 (kA) 2.561 3.968 (kA) 6.52 9.54最小运行方式 （kA) 1.523 2.94 (kA) 3.87 7.07第5章 设备的选择5.1 110kV侧进线的选择最大负荷持续工作电流按变压器过载的1.3倍考虑。经计算最大负荷持续电流为：按经济电流密度选择进线截面： 故应选择LGJ-240的钢芯铝绞线。校验热稳定度：LGJ-240的允许载流量满足要求。5.2 27.5kV侧母线的选择最大负荷持续工作电流： 按经济电流密度选择进线截面： 故应选择硬铝母线，型号为 。校验热稳定度：的允许载流量满足要求。5.3 开关设备的选择开关设备包括断路器和隔离开关电器。选择标准见下表所示

18、，根据表中条件，选择合理的开关设备并校验。开关电器的选择与校验 ：表5-1 选择与校验条件选择项目校验项目额定电压额定电流 动稳定热稳定断路器隔离开关注：、分别为开关电器的额定电压、额定电流和额定开断电流；、分别为开关电器工作点的线路额定电压、最大负荷电流和三相短路电流稳态值；、t分别为开关电器的动稳定电流峰值、热稳定电流及其试验时间；假想时间，继电保护整定时间（s）；断路器动作时间（s）；0.05考虑短路电流非周期分量热影响的等效时间。5.3.1 110kV侧开关设备的选择对于开断电路中负荷电流和短路电流的高压断路器，首先应按使用环境、负荷种类及使用技术条件选择断路器的类型和型号，及户外或户

19、内，以及灭弧介质的种类。对110kV三相系统中，广泛采用少油式或者断路器，交流牵引负荷侧由于故障跳闸频繁，从减少运行维修工作量考虑，较普遍采用真空断路器或者断路器。(1)高压断路器的型号选择如下：工作点的线路额定电压为：,三相短路电流稳态值为:,根据上面数据和表5-1的条件，以及附录可选择的断路器型号为： 。最大负荷电流为：校验断路器的动稳定性：短路器的动稳定电流峰值，所以 满足要求校验断路器的热稳定性：断路器的热稳定电流，断路器的试验时间假想时间 ,所以，满足要求(2)高压隔离开关型号选择如下：工作点的线路额定电压为：,三相短路电流稳态值为：最大负荷电流为：根据上面数据和表5-1的条件，以及

20、附录可选择的隔离开关型号为： 型的隔离开关校验隔离开关的动稳定性：隔离开关的动稳定电流峰值，所以 满足要求校验隔离开关的热稳定性：隔离开关的热稳定电流，隔离开关的试验时间假想时间,所以，满足要求综合上述的分析，110kV侧电气设备的选择校验如表5-2。表5-2110kV侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度装置地点条件参数数据110kV2.561kA6.52kA380.83一次设备型号规格额定参数高压断路器110kV1200A15.8kA41kA998.56高压隔离开关110kV630A50 kA5.3.2 27.5kV侧开关设备的选择(1)27.5kV侧断路器型号选择如

21、下：工作点的线路额定电压为：,三相短路电流稳态值为：最大负荷电流为：根据上面数据和表5-1的条件，以及附录可选择的断路器型号为：校验断路器的动稳定性：短路器的动稳定电流峰值，所以 满足要求校验断路器的热稳定性：断路器的热稳定电流，断路器的试验时间假想时间 ,所以，满足要求(2)27.5kV侧隔离开关型号选择如下：工作点的线路额定电压为：,三相短路电流稳态值为：最大负荷电流为：根据上面数据和表5-1的条件,以及附录可选择的隔离开关型号为：校验隔离开关的动稳定性：隔离开关的动稳定电流峰值，所以 满足要求校验隔离开关的热稳定性：隔离开关的热稳定电流，隔离开关的试验时间假想时间,所以，满足要求27.5

22、kV侧一次设备的选择型号如表5-3所示。 表5-327.5kV侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度装置地点条件参数数据27.5kV3.968kA9.54kA64.843二次设备型号规格额定参数断路器27.5kV1000A10kA25kA高压隔离开关27.5kV1250A31.5kA80 kA5.4 电流互感器的选取(1)110kV侧电流互感器的选取最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑 而，且查出电流互感器LCW-110的额定电压为110kV，额定电流比为(300-600)/5，故初步确定选用的型号为LCW-110的电流互感器，其参数如下表5-4所示。表5-4LCW

23、-110的电流互感器参数型号额定电流比/A准确度级次额定二次负荷10%倍数0.513D二次负荷倍数LCW-1101-1.22.4-1.215短路热稳定性校验 因为 ，故满足热稳定性。短路动稳定性校验 显然，满足动稳定性。(2)27.5kV侧电流互感器的选取最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑 而，电流互感器LCW-35的额定电压为35kV，额定电流比为(15-1000)/5，故初步确定型号为LCW-35的电流互感器，其参数如下表5-5所示。表5-5LCW-35的电流互感器参数型号额定电流比/A准确度级次额定二次负荷10%倍数0.513D二次负荷倍数LCW-35(15-1000)/5 1-

24、1.22.4- 1.2 15短路热稳定性校验 故满足热稳定性。短路动稳定性校验 故满足动稳定性。第6章 继电保护拟定6.1 继电保护的任务继电保护的任务是：自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可

25、靠性。6.2 继电保护的要求动作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求，即可靠性、选择性、速动性和灵敏性。可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护性能的最根本要求。选择性是指保护装置动作时，在可能最小的区间将故障从电力系统中断开，最大限度的保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。速动性是指尽可能快的切除故障，以减少设备及用户在大短路电流、低电压下运行的时间，降低设备的损坏程度，提高电力系统并列运行的稳定性。灵敏性是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。6.3 继电保护配置1.主接线各部分的继电保护根据变压器的故障种类及异常运行方式应装设如下保护装置：(1)针对变压器油箱内部短

26、路和油面降低的瓦斯保护。(2)针对变压器绕组和引出线的多相短路，大接地电流电网侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路的纵差保护或电流速断保护。(3)针对外部相间短路并作瓦斯保护和纵差保护(或电流速断保护)后备的过电流保护(或复合电压启动的过电流保护或负序电流保护)。(4)针对大接地电流电网中外部接地短路的零序电流保护。(5)针对对称过负荷的过负荷保护，等等。2.输电线路的继电保护按照保护动作原理分为纵联电流差动保护和方向比较式纵联保护。线路纵联保护是利用某种通信通道将线路两侧的电气量（电流、电流的相位、功率方向等）纵向联系起来，将线路一侧的电气量信息传到另一侧去，将两侧的电气量同时比较形成的

27、保护。方向比较式纵联保护比较的是线路两端的功率方向，又称为方向高频保护。第7章 并联无功补偿装置并联电容的作用：提高功率因数；吸收谐波电流，具有滤波作用；改善电力系统电压质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压；减少电力系统电能损失。并联电容补偿装置如图7-1所示。主要设备有：并联电容器组C。用于无功补偿，并与串联电抗器匹配，滤掉一部分谐波电流。串联电抗器L。限制断路器合闸涌流和分闸时的重燃电流，与电容器匹配滤掉部分谐波电流；防止并联电容补偿装置与供电系统发生高次谐波并联谐振；发生短路故障(例如牵引侧母线短路)时，避免电容器组向短路点直接放电，保护电容器不受损坏。断路器QF。用于投切和保护并联电容器

28、补偿装置。隔离开关QS。保证在维护和检查并联电容补偿装置时有明显的断口。电压互感器TV1、TV2(或放电线圈)。实现电容器组的继电保护，并在电容器组退出运行时放电。电流互感器TA1、TA2。实现并联电容器补偿装置的电流测量和继电保护。避雷器F。作过电压保护。熔断器FU。单台电容器的过电流保护。表7-1并联电容补偿装置图牵引变电所功率因数取值：补偿前，牵引侧，牵引变压器高压侧；补偿后，牵引变压器高压侧；并联电容补偿装置的偿度。选取电容器型号为CY-1-50-1的电容器 。(1)牵引变电所负荷平均有功功率 (2)需补无功容量(3)安装无功容量取， (4)实际安装无功容量串联电容器单元数(取稍大的整

29、数)并联电容器单元数(取稍大的整数)(5)实际安装无功容量 第8章 变电所防雷设计变电所的设备相对集中，一旦发生雷电事故，往往导致重要电气设备的损坏，更换修复困难，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活，因此变电所的防雷保护要求十分可靠。变电所遭受的雷电灾害一般来自两个方面：一方面是雷直击变电所；另一方面是雷击输电线路后产生的雷电波沿该导线侵入变电所。对直击雷的保护，一般采用避雷针或避雷线，根据我们运行经验，凡装设符合规定要求的避雷针（线）的变电所绕击和反击事故率是非常低得，约每年每百所0.3次。由于雷击线路比较频繁，沿线路侵入的雷电波的危害是变电所雷害事故的主要原因，雷电流的幅值虽然受

30、到线路绝缘的限制，但变电所电气设备的绝缘水平比线路绝缘低，主要措施是在变电所内安装合适的避雷器以限制电气设备上得过电压峰值，同时设置进线保护段以限制雷电流幅值和侵入波的陡度。避雷器是专门用以限制线路传来的雷过电压或操作过电压的一种防雷装置，它与被保护用得电气设备并联连接。对于主变压器中性点的保护采用磁吹阀式避雷器型号，110kV交流电气设备的过电压保护采用，27.5KV侧的避雷器选用普通的阀式避雷器。第9章 设计结论本课题是牵引变电所I的主接线图的设计，在本次设计中，我们选用了三相YNd11接线方式的变压器，并选用固定备用。通过计算容量、校核容量及安装容量选择合适的牵引变压器；并计算短路电流，

31、根据选择校验条件选出断路器、隔离开关、电压、电流互感器及避雷器。这次设计，是在结合了上学期和本学期的几门专业课的基础上完成的，设计中发现自己存在很多问题，特别是对供电与继电保护之间的联系上还很不足，同时这次课程设计也锻炼了我的信息检索能力和筛选能力，同时使对一些基本软件用得更加的得心应手，比如说CAD画图软件等。在这短短几天里，在各种资料以及笔记等条件下，更主要得益于同学之间互相帮助和老师的耐心指导，团队的力量是完成课程设计的关键。在学习的过程，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，继而加深了同学以及团队之间的友谊。 参考文献1贺威俊等 编著.电力牵引供变电技术 西南交通大学出版社，19982李群湛 贺建闽 编著. 牵引供电系统分析 西南交通大学出版社，20073铁道部电化工程局电气化勘测设计处主编 电气化铁道设计手册接触网 中国铁道出版社 1983.24吴广宁 主编高电压技术机械工业出版社，20075谭秀炳 主编交流电气化铁道牵引供电系统西南交通大学出版社，20026张保会 尹项根 主编电力系统继电保护中国电力出版社，20077刘国亭 电力工程CAD中国水利水电出版社,200624