牵引变电所I电气主接线设计.doc

2010级牵引供电课程设计牵引供电课程设计报告书题 目牵引变电所i电气主接线设计院/系(部)电气工程系班 级方1010-5学 号20106773姓 名孙硕指导教师王庆芬完成时间2013年12月20日摘 要本次设计主要针对牵引变电所主接线进行了研究和设计。主要工作是对牵引变电所i主接线设计及相关器件的选择和检验。首先提出设计方案vv联接牵引变电所、三相联接牵引变电所，通过技术比较确定最终方案。然后，设备的选型和校验包括牵引变压器的选择和校验主要是容量计算和技术指标的检测，绝缘设备的选型和校验主要是关于电气设备的动稳定性、热稳定性、开关设备的选型和校验，以及对室内外母线，电流互感器的选型和校验。其次是对牵引变电所的防雷接地设计，包括避雷针、避雷线、避雷器以及接地系统的设计。本次设计的重点放在了选型、校验和短路计算。最后通过老师和同学的指导完成本次设计满足任务中提及的要求，从而使牵引供电知识得到系统性的深化。在设计过程中对牵引变压器及绝缘设备的选择存在较大的误差导致设备选择困难，最后经检验是问题得到解决。关键词：变电所 选型 校验目 录第1章牵引变电所i设计和要求11.1牵引变电所i基本要求11.2牵引变电所i设计方案1第2章牵引变电所i设计方案的比较12.1设计方案经济方向比较12.2设计方案技术方向比较1第3章牵引变压器的选型及其备用形式23.1牵引变压器的计算容量23.2中期变压器容量估算2第4章牵引变电所i电气主接线设计34.1牵引变电所110kv侧主接线的设计34.2牵引变电所27.5kv侧主接线的设计4第5章短路电流计算45.1短路计算示意图55.2短路电流计算5第6章牵引变电所i设备的选择76.1导线的选择及校验76.1.1室外母线选型及校验76.1.2室内母线的选型和校验96.2断路器、隔离开关的选择及校验106.2.1高压断路器106.2.2隔离开关126.3互感器的选择及校验146.3.1电压互感器146.3.2电流互感器16第7章牵引变电所i并联无功补偿的设计177.1并联无功补偿的作用177.2并联无功补偿的选型177.3并联无功补偿的主接线18第8章牵引变电所i防雷接地保护198.1变电所防雷保护设计198.2变电所接地设计20总结体会21参考文献22附录23第1章牵引变电所i设计和要求1.1牵引变电所i基本要求a 确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式，并分析其运行方式。b 确定牵引变压器的容量、台数及接线形式。c 确定牵引负荷侧电气主接线的形式。d 对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择。e 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。f 用cad画出整个牵引变电所的电气主接线图。1.2 牵引变电所i设计方案方案一：vv联结牵引变电所。方案二：ynd11联结牵引变电所。解决步骤：a计算变压器容量并计算校核容量，选型。 b短路计算，对导线、断路器、隔离开关、互感器进行选择。 c计算并联无功补偿的容量。第2章牵引变电所i设计方案的比较2.1设计方案经济方向比较方案一：vv接线主接线简单，设备投资少。供电可靠，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。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。2.2设计方案技术方向比较方案一：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。结论：由于牵引负荷具有不稳定性、短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣，因此要求牵引变压器具有一定的过负荷能力和抗冲击电流的能力。综合考虑后选择了ynd11接线形式的牵引变压器，并且采用固定备用方式。第3章牵引变压器的选型及其备用形式3.1牵引变压器的计算容量正常负荷运行下的计算容量： 其中：重负荷臂有效电流(a)轻负荷臂有效电流(a)三相变压器的温度系数，一般取0.9牵引变电多牵引母线额定电压，取27.5kv将=390a, =160a代入上式得:s=21879kva紧密运行下的计算容量为：其中：重负荷臂紧密运行时有效电流(a)将=550a, =160a代入上式得：校核容量的确定：所以根据附录选择的牵引变压器为3.2中期变压器容量估算为了满足铁路运输的发展，牵引变压器要留有一定的余量，预计中期牵引负荷增长了40%则：校核容量为：根据以上计算和附录选择牵引变压器为所以最终选择的牵引变压器为在牵引变电所中，牵引变压器采用的是ynd11接线方式，备用方式是固定备用，即运作时一台变压器运行一台备用。牵引变压器参数如表3-1所示：表3-1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3150011027.516566038.514810.52ynd11第4章牵引变电所i电气主接线设计4.1牵引变电所110kv侧主接线的设计依据该牵引变电所负荷等级，要求两路电源进线，因有系统功率穿越，属通过式变电所，考虑经济运行也可采用图4-1所示的外桥接线。外桥接线适合于输电距离较短，线路故障较少，而且变压器需要经常操作的场合。牵引变电所的主接线图见附录，其正常运行时变压器使用t1，馈线侧的qs4、qs5、qf3一直处于闭合状态。对于t1断电倒闸的顺序为：先断qf1，再断qs2，最后断开电源侧隔离开关qs2。然后给t1供电时的倒闸的顺序为：先合电源侧隔离开关qs1，再合qs2，最后合qf1。图4-1外桥接线4.2牵引变电所27.5kv侧主接线的设计馈线侧采用单母线分段接线方式，如图4-2，采用单母线分段接线方案是把单母线分成两段，两段之间装设能够分段运行的开关电器。采用断路器和隔离开关连接的分段母线适用于双回路供电，运行的可靠性和灵活性均较大。采用单母线分段的接线方式，有下列优点：（1）供电可靠性：当一组母线停电或故障时，不影响另一组母线供电；（2）调度灵活，任一电源消失时，可用另一电源带两段母线：（3）扩建方便；（4）在保证可靠性和灵活性的基础上，较经济。图4-2单母线分段接线 第5章短路电流计算为了进行所选电气设备的动稳定，热稳定校验，必须进行相应的短路计算。短路计算时电网电源容量按无限大容量考虑；计算短路电流要考虑周期分量衰减时，在三相短路的暂态过程中，不同时刻短路电流周期分量的有效值的计算，所以用运算曲线法计算；计算中取用系统最大运行方式的综合电抗。5.1 短路计算示意图电力系统短路中最常见的短路类型是单相接地短路，短路后最不严重的短路类型是两相不接地短路，短路电流最大的三相接地短路。由于采用的是完全备用方式，主变压器单台运行，牵引变压器高压侧三相接地短路短路电流与点的三相接地短路电流相等，最终在计算可能通过各种电气设备和母线最大电流时，计算短路点的三相接地短路电流即可。关于短路计算考虑简化计算，电网电源容量按无限大考虑。计算中，取系统最大运行方式的综合电抗。5.2短路电流计算牵引变压器高压侧（）发生三相接地短路时，短路电路图如图5-1所示：图5-1高压侧三相短路等效电路图取电网电源为无限大功率电源，内阻抗为零，线路电抗标幺值：,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有名值为： 短路点的冲击电流为：牵引变压器低压侧（）发生三相接地短路时，短路电路图如图5-2所示：图5-2低压侧三相短路等效电路图由于,所以可以忽略，短路后在计算时也可以忽略不计，所以：变压器电抗标幺值：线路电抗标幺值同上，没变电压标幺值为：线路和线路的并联标幺值为： 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有名值为： 短路点的冲击电流为： 侧发生三相接地短路时的短路电流，短路电路图如图5-3所示：图5-3侧三相短路等效电路图变压器标幺值为：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有名值为： 短路点的冲击电流为：计算结果：电压等级110kv27.5kv10kv (ka)12.4495.62741.5187 (ka)31.6910.3463.3290第6章牵引变电所i设备的选择6.1导线的选择及校验6.1.1室外母线选型及校验室外110kv进线侧为软母线。母线最大工作电流按变压器过载1.3倍考虑，由计算知：根据，可知选择的钢芯铝绞线满足要求。校验母线热稳定性：，其中热稳定系数取为99肌肤效应系数，取1则根据前面的,可得，不满足要求所以选择钢芯铝绞线室外27.5kv进线侧为软母线。母线最大工作电流按变压器过载1.3倍考虑，由计算知：根据，可知选择钢芯铝绞线满足要求。校验母线热稳定性：，则根据前面的,可得，满足要求从高压室出来的27.5馈线侧母线。选择的型号也是钢芯铝绞线从高压室出来的10kv馈线侧母线。母线最大工作电流按变压器过载1.3倍考虑，由计算知：根据，可知选择钢芯铝绞线满足要求。校验母线热稳定性：，则根据前面的,可得，满足要求6.1.2室内母线的选型和校验室内27.5kv硬母线。硬母线长度l2000mm； 相间距a600mm。母线最大工作电流按变压器过载1.3倍考虑，由前面计算知：根据，可知选择的垂直平放置的矩形铝母线满足要求。校验母线热稳定性：，则根据前面的,可得，满足要求。校验母线动稳定性：母线的允许应力为：最大冲击力为： 式中 kx导体形状修正系数，约为1； ich2三相短路冲击电流； l平行母线长度（mm）； a母线间距(mm)。所以最大冲击应力为： 最大冲击应力为： 式中 h硬母线截面宽边长度(mm)。所以最大冲击应力为： 室内10kv硬母线。硬母线长度l1200mm； 相间距a250mm。母线最大工作电流按变压器过载1.3倍考虑，由前面计算知：根据，可知选择的垂直平放置的矩形铝母线满足要求。校验母线热稳定性：，则根据前面的,可得，满足要求校验母线动稳定性：母线的允许应力为：最大冲击力为： 所以最大冲击应力为：最大冲击应力为： 所以最大冲击应力为： 满足要求。室内外母线选择如下：电压等级110kv27.5kv10kv室外lgj210钢芯铝绞线lgj400钢芯铝导线lgj25钢芯铝导线室内lmy垂直放的硬铝母线lmy垂直放的硬铝母线6.2断路器、隔离开关的选择及校验6.2.1高压断路器牵引主变压器高压侧（110kv）选择户外少油断路器。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：。通过查表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，满足要求牵引主变压器低压侧（27.5kv选择户外少油断路器。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：通过查表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。电力变压器高压侧选择户内真空断路器。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：通过查表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，满足要求电力变压器低压侧选择户内真空断路器。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61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。6.2.2隔离开关牵引变压器110kv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：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，满足要求牵引主变压器27.5kv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：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，满足要求电力变压器27.5kv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：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。电力变压器10kv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：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6.3互感器的选择及校验6.3.1电压互感器电压互感器的选型假设二次负荷为：一个馈线上共有一个有功瓦时计，一个无功电度表，一个电压表测母线电压，一个绝缘监视装置。互感器接线形式及负载连接图类为接线形式。110kv侧的电压互感器是用于计费，并不需要起保护作用，因为如果110kv侧发生故障时，其他地方的电力系统会启动继电保护装置跳闸，将故障切除，所以选择准确级0.5级的电压互感器。它的基本数据见下表：型号额定电压（kv）额定容量（va）最大容量（va）原边副边1级3级50010002000电压互感器的校验由于电压互感器的主接线中是与主回路并联，主接线及主回路发生短路时，电压互感器不会通过短路电流，所以对电压互感器不需要校验短路时的稳定型，只需进行容量校验就可以了。电压互感器二次负荷统计表如下表：仪表名称仪表电压线圈数仪表总数仪表所需功率ab相bc相每个总计有功瓦时计111.51.50.380.9250.571.38750.571.3875无功电度表111.51.50.380.9250.571.38750.571.3875电压表114.54.5104.5总计5.642.781.142.78所以：， ， 接线为y/yv接线方式的互感器各相负荷计算式得：计入每相绝缘监视接有电压表的负荷p=4.5w，q=0，则a相总负荷：计入接于相电压的绝缘监视用电压表，则b相总负荷为：故选择型号电压互感器，容量满足要求。6.3.2电流互感器电流互感器选型最大长期工作电流所以可选用型电流互感器，电流比为，有两个铁芯，其中准确度0.5级的供仪表用，1级的供保护用。由资料知，两铁芯的对应额定容量为，热稳定倍数，电动力稳定倍数。电流互感器校验进行电流互感器二次负载的计算和校验每相互感器二次负荷如下表： 仪表名称二次负荷a相b相c相电流表（itia型）3.0有功功率表（idiw）型1.451.45有功瓦时计（dsi）0.50.5总计1.053.01.05由最大一相（b相）负载为依据，取，由公式得导线电阻。铜导线，则其截面积。因此，选择截面积为的铜导线，可满足要求。热稳定性校验：由前面的计算结果可知：，所以， ，满足要求动稳定性校验：由前面的计算结果可知：，所以，满足要求校验作用于互感器绝缘瓷瓶帽上的机械应力：假设则满足动稳定性校验，说明互感器对机械力的作用是稳定的。因此，选择型两铁心互感器能满足要求。第7章牵引变电所i并联无功补偿的设计7.1并联无功补偿的作用第一，提高功率因数。第二，吸收谐波电流。第三，改善电力系统电压质量。第四，减小系统的负序。第五，减少电力系统的电能损失。7.2并联无功补偿的选型根据任务书要求，本次设计变电站要求对10kv侧进行无功补偿设计。要求27.5kv侧负荷的功率因数cosj从0.8提高到0.9。 （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 取选取电容器型号为cy-1-50-1的电容器 。7.3并联无功补偿的主接线(1)并联电容器组c。用于无功补偿，与串联电抗器匹配，滤掉一部分谐波电流。 (2)串联电抗器l。用于限制断路器合闸是的涌流和分闸时的重燃电流；与电容器组匹配，滤掉一部分谐波电流；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，避免电容器组通过短路点直接放电，保护电容器不受损坏；还可以抑制牵引母线瞬时电压降低为零。 (3)断路器qf。为了投切和保护并联电容补偿装置。 (4)隔离开关qs。为了在维护检查并联电容补偿装置时有明显电点。 (5)电压互感器tv1，tv2（或放电线圈）。为了实现电容器组的继电保护，并联电容器组退出运行时放电。 (6)电流互感器ta1，ta2。为了实现并联电容补偿装置的电流测量和继电保护。 (7)避雷器f。作为过电压保护。(8)熔断器fu。作为单台电容器的保护。 图7-1 并联电容补偿装置第8章牵引变电所i防雷接地保护8.1变电所防雷保护设计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。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。避雷针的选取取单只避雷针高度为，则根据可知其在处的保护范围为：，在地面上的保护范围为：取两只避雷针的高度也为，两针外侧的保护范围按单只避雷针的计算方法确定，两针间的保护范围由于相互屏蔽而使保护范围增大，假设两避雷针间的距离为：，那么两针保护范围上部边缘最低高度为：，两针间在高度为处水平面上一侧保护范围最小宽度为：，在地面上一侧保护范围最小宽度为：所以选择两只高度为的避雷针满足要求。避雷器的选择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， 对于110kv交流电气设备的过电压保护采用, 27.5侧的避雷器选用普通的阀式避雷器， 10侧的避雷器选用普通的阀式避雷器。8.2变电所接地设计电力系统中一般的做法是：除自然接地极以外，根据保护接地和工作接地要求敷设一个统一的接地网，然后在避雷针、避雷器安装处增加3-5根集中接地极以满足防