某中心牵引变电所电气系统设计

毕 业 设 计 任 务 书题 目 某中心牵引变电所电气系统设计学生姓名 学号 5 班级 专业 电气工程及其自动化承担指导任务单位 电气工程系 导师姓名 导师职称 讲师一、主要内容 1.按规定供、馈电容量与要求确定电气主接线。2.短路电流计算。3.牵引变压器容量、型式及台数的选择。4.母线(导体) 和主要一次电气设备选择。5.配置所需的二次系统。6.进行防雷与接地的设计。二、基本要求1.设计计算说明书一份，要求条目清楚、计算正确、文本整洁。2.绘制出牵引变电所电气主接线图。三、主要技术指标(或研究方法 )1.包含有 A、B、C 三个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 中对每个牵引变电所而言，220kV 线路为一主一备。待建牵引变电所为牵引变电所A，220kV 线路向 220kV 地区变电所供电，供电容量为 2000MVA。图 1 中 L1、L 2、L 3、L 4长度分别 30km、15km、15km、 20km。线路平均正序电抗 X1 为 0.4/km，平均零序电抗 X0 为1.2/km。2.气象资料：本地区最高温度为 38，最热月平均最高气温 29，最热月地下 0.8m 处平均温度为 22，年主导风向为东风，年雷暴雨日数为 20 天。3.地质水文资料：本地区海拔 60m，底层以砂黏土为主，地下水位为 2m。4.电源短路容量：电力系统容量分别为 3000MVA 、2800MVA。选取基准容量为100MVA，在最大运行方式下，电力系统的综合电抗标幺值为 0.21、0.23；在最小运行方式下，电力系统的综合标幺值为 0.30、0.35。5.负荷资料：表 1 牵引变电所负荷资料项目 A 牵引变电所左臂负荷全日有效值(A) 410右臂负荷全日有效值(A) 620左臂短时最大负荷(A)注 720右臂短时最大负荷 (A) 880牵引负荷功率因数 0.85(感性)10kV 地区负荷容量(kVA) 2100010kV 地区负荷功率因数 0.87(感性)牵引变压器接线型式 自选牵引变压器 110kV 接线型式 自选左供电臂 27.5kV 馈线数目 2右供电臂 27.5kV 馈线数目 210kV 地区负荷馈线数 2 回路工作，1 回路备用预计中期牵引负荷增长 20%注：供电臂短时最大负荷即为线路处于紧密运行状态下的供电臂负荷。6.根据需要，可自行补充其它资料。四、应收集的资料及参考文献1 李彦哲，胡彦奎，王果等.电气化铁道供电系统与设计M.兰州：兰州大学出版社，2006.2 贺威俊，简克良.电气化铁道供变电工程M .北京：铁道出版社， 1983.3 张保会，尹项根.电力系统继电保护M .北京：中国电力出版社， 2005.4 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统M .成都：西南交通大学出版社， 2009.五、进度计划1.第 1 周-第 3 周 调研、收集材料，完成外文翻译、开题报告；2.第 4 周 分析、确定方案；3.第 5 周-第 7 周 设计、计算、绘图；4.第 8 周 中期检查；5.第 9 周-第 11 周 撰写论文；6.第 12 周-第 14 周 论文审核定稿；7.第 15 周-第 16 周 答辩。教研室主任签字 时 间 年 月 日毕 业 设 计 开 题 报 告题 目 某中心牵引变电所电气系统设计学生姓名 学号 班级 专业 电气工程及其自动化一、研究背景随着我国铁路建设的快速发展，电力牵引成为现代铁路最先进的牵引动力。它牵引力大，对环境影响小，能源利用率高，整备时间短，机车效率高，控制性能好，平稳，舒适。既适用于高速旅客运输，也适合重载运输。牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的重要组成部分，它的主要作用是将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能。牵引变电所是接受与分配电能并改变电能电压的枢纽。所以保证牵引变电所的高速安全运行对电气化铁路是至关重要的，因此就要对牵引变电所进行合理的系统设计。二、国内外研究现状目前我国的交、直流牵引变电所技术装备产生了很大的变化：主设备向高可靠性、小型化和免维修方面发展；变电所主接线和辅助设施趋向简单化和典型化；远动监控、故障录波和微机保护与自动装置得到了广泛的推广与应用。在牵引变压器方面，首台高海拔铁路专用牵引变压器已研制成功，能够满足高海拔地区牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁等要求。我国目前已经全面掌握了时速为 350-380 公里电气化铁路的设计、施工、检测技术体系以及高速铁路接触网零配件、高强高导接触网导线、GIS 开关、自动过分相等高铁关键产品研发和生产技术，建立了具有完全自主知识产权的中国高速铁路牵引供电技术体系，已跻身世界高铁技术前沿。外国的变电所研究领先于我国，例如日本采用的是 AT 供电方式，变电所最大供电电流是20003000A，法国同样采用 AT 供电，牵引变电所采用 225kV 供电，单相与 V 接相互转换设计。他们在变电站的运行管理模式上已经达到无人值守的程度。三、研究方案牵引供电系统是将电能从电力系统传送到电力机车的电力装置的总称，是电气化铁路的供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。本次是对某中心牵引变电所的电气系统进行设计。设计思路如下：1.对任务书中的主要技术指标进行分析研究，对所设计的内容有大致的了解，并参考各类相关的书籍，文献。2.根据查阅的资料可以选择中心牵引变电所的牵引变压器接线形式为单相 Vv 接线。牵引变电所 220kV 高压侧的接线形式可以选择单母线分段接线的接线方式。3.对牵引变压器的容量进行计算：根据两供电臂的有效电流和最大负荷电流得出在正常运行和紧密运行状态下牵引变压器的计算容量和校核容量，并对变压器容量进行功率因数补偿，经比较确定安装容量。最后确定变压器的容量，型式及台数。4.根据以上计算结果选择出合适的主接线方式并用 CAD 画出电气主接线图。5.将接线图简化，根据资料中的数据选择合适的短路点进行短路计算，确定最大短路电流和最小短路电流的大小。6.选择母线、隔离开关、断路器、熔断器、互感器等电气主接线中的主要设备。7.对电力系统配置继电保护，应满足可靠性(安全性和信赖性) 、选择性、速动性和灵活性四个基本要求。8.根据设计配置合适的并联补偿装置。设计变电所的防雷与接地，包括对避雷针、避雷器等以及接地系统的设计。四、预期结果对所要完成的任务、基本的设计原则及计算方法作出简要的论述。短路计算等有完整的计算电路图、详细的计算过程。用 CAD 画出整个牵引变电所的电气主接线图。确定牵引变压器的容量、型号及台数，配置主要的一次设备以及所需的继电保护。系统具有较好的防雷与接地功能。熟练掌握 CAD 等软件的使用，了解中心牵引变电所的结构，掌握变电所设备等的选择及参数的计算方法，今后能自行设计牵引变电所的电气部分。指导教师签字 时 间 年 月 日摘 要随着现代经济与科技的迅猛发展，电力机车已成为人们出行必不可少的工具之一，而牵引变电所是将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引的电能的场所。因此需要加强牵引变电所的建设。本次设计主要是针对中心牵引变电所进行电气系统设计。通过负荷计算确定牵引变压器的容量、型式及台数。按规定供、馈电容量与要求确定电气主接线图。对短路电流进行计算，包括高压侧输电线的短路和变压器低压侧的短路。根据短路计算结果对主要的一次设备进行选择并校验。对牵引变压器和馈线配置继电保护，分析牵引变电所电压损失和电能损失以及补偿方法，对牵引变电所进行防雷与接地设计。本次设计的电气主接线高压侧采用单母线分段接线的形式，牵引变压器采用单相 Vv 接线并联运行。采用了并联电容器的方法减小负序电流。运用 Auto CAD 绘制出了电气主接线图。关键词：主接线 变压器 Vv 接线 保护 短路计算 AbstractWith the development of modern economy and technology, the electric locomotive has become one of the indispensable tools for people to travel. Traction substation is a place where make the power from power supply system into another power for electric traction.The design is mainly for the center traction substation electrical system. Determine the capacity, the type and number of units of traction transformers through by load calculated. Identify the main electrical wiring diagram according to the supply, fed capacity and requirement. Calculated the short-circuit current, including the high voltage side of the transmission line short-circuit and short-circuit of transformer at the low voltage side. According to the results of short-circuit to choose and check the main primary equipment. Configure the protection for traction transformer and feeder, analysis the traction substation voltage losses and power losses and the compensation method, design lightning protection and grounding for traction substation.The design of the high voltage side of the main electric wiring used in the form of single bus segment connection, the traction transformer using a single phase of Vv connection and ran in parallel. Using a method of Parallel capacitor reduces the negative sequence current. Using Auto CAD drawn out the main electrical wiring diagram.Key words：Main wiring Transformer Vv wiring Protection Short-circuitcalculation I目 录第 1 章 绪论 11.1 课题研究的背景 11.2 电气化铁道的发展现状 11.3 牵引变电所简介 11.4 本次设计研究的主要内容 2第 2 章 牵引变压器的容量计算和选择 32.1 牵引变压器的容量计算 32.1.1 牵引变压器容量计算的步骤 32.1.2 变压器计算容量和校核容量的计算 32.1.3 功率补偿后的计算容量和校核容量 42.1.4 中期牵引负荷增长后的计算容量及校核容量 52.1.5 变压器安装容量的计算 62.2 牵引变压器的选择 62.2.1 牵引变压器备用方式的选择 62.2.2 牵引变压器连接组别的选择 62.2.3 牵引变压器容量、台数和型号的选择 72.3 10kV 电力变压器的容量计算 82.4 电力变压器的选择 8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 123.3 电气主接线的确定 14第 4 章 短路计算 154.1 短路的原因、危害及短路计算的目的 154.1.1 短路的原因 154.1.2 短路的危害 154.1.3 短路计算的目的 154.2 短路计算 164.2.1 短路点的选择 164.2.2 220kV 侧短路计算 164.2.3 27.5kV 侧短路计算 18第 5 章 牵引变电所电气设备的选择 23II5.1 继电保护的配合时间 235.2 断路器和隔离开关的选型及校验 235.2.1 断路器的选型及校验 235.2.2 隔离开关的选型及校验 255.3 电流互感器和电压互感器的选型及校验 275.3.1 电流互感器的选型及校验 275.3.2 电压互感器的选型及校验 295.4 熔断器的选型 295.5 母线的选型及校验 305.5.1 220kV 架空导线的选型及校验 315.5.2 室外 220kV 进线侧软母线的选型及校验 325.5.3 室外 27.5kV 出线的母线选型及校验 325.5.4 室内 27.5kV 侧硬母线的选型及校验 325.6 支柱绝缘子和穿墙套管 335.6.1 支柱绝缘子的选型及校验 335.6.2 穿墙套管的选型及校验 345.7 避雷器的选型 345.7.1 220kV 侧避雷器的选型 345.7.2 27.5kV 侧避雷器的选型 35第 6 章 继电保护的配置与整定计算 366.1 继电保护的任务和要求 366.1.1 继电保护的任务 366.1.2 继电保护的要求 366.2 牵引变压器的保护 366.2.1 变压器纵差动保护 376.2.2 变压器瓦斯保护 396.2.3 变压器的后备保护 406.3 馈线的保护 416.3.1 第段瞬时电流速断保护的整定 416.3.2 第段带时限电流速断保护的整定 426.3.3 第段定时限过电流保护的整定 42第 7 章 馈线的并联无功补偿 437.1 并联无功补偿的综合效益 437.2 降低变电所的电能损失 437.3 降低牵引负荷谐波影响 447.4 降低变电所负序电流的影响 447.5 并联无功补偿的相关设备 44第 8 章 防雷保护与接地装置 458.1 防雷保护 45III8.1.1 直击雷的防护 458.1.2 感应雷的防护 468.1.3 雷电波侵入的防护 468.2 接地装置 478.2.1 接地的有关概念 478.2.2 接地装置的设计 47第 9 章 结论与展望 499.1 结论 499.2 展望 49参考文献 50致谢 51附录 52附录 A 外文资料 52附录 B 设备汇总表 69附录 C 主接线图 70石家庄铁道大学四方学院毕业设计1第章 绪 论1.1 课题研究的背景随着国民经济的发展，我国铁路运输正向着电气化的方向迅速发展。改革开放以来，我国电气化铁路建设速度逐年加快， “九五”期间建设电气化铁路4783.77km，而“十五”期间的第一年就修建了 3665.4km，建设速度十分惊人。至2002 年底，我国已建成 41 条电气化铁路干(支)线，电气化铁路建设总长达到了18615.73km，居亚洲第一，世界第三位 。至 2007 年底，我国的电气化铁路营业路1程已达到 24046.6km，占我国铁路总营业路程的 37.8%，各大干线都已实现了电气化。预计到 2020 年我国铁路营业里程将达 12 万公里以上，其中电气化铁路比重将达到 60%，总长 7 万多公里。根据我国电气化铁路迅速发展的需要，我国应加强牵引变电所的建设。1.2 电气化铁道的发展现状我国电气化铁路采用单相工频制供电 ，目前电力系统通常以 110kV 或 220kV2的电压等级为电气化铁道提供高压电源。牵引供电系统主要包括牵引变电所和牵引网两大部分 。牵引供电回路是由牵引变电所馈电线接触网电力机车3钢轨回流线接地网组成的闭合回路。现阶段我国主要采用传统模式进行设计、建造和管理的变电所自动化程度不高，一般需要有稳定的值班队伍。因此我国建设目标是向无人值守方向发展。国外电气化的水平要高于我国，在变电所的运行管理模式上已经做到了无人值守。例如我国哈大线铁路电气化改造是系统引进德国设备、材料、技术及项目管理方式的电气化工程，具有技术含量高、设备先进等特点。这些新技术是我国电气化铁路的发展方向，值得学习和借鉴。1.3 牵引变电所简介牵引变电所是电力牵引的专用变电所，它的任务是将区域电力系统送来的电能根据电力牵引对电流和电压的不同要求转变为适用于电力牵引的电能。牵引变电所分为中心牵引变电所和中间牵引变电所，其主要电力设备是降压变压器，称主变压石家庄铁道大学四方学院毕业设计2器或牵引变压器，并设有备用 。4牵引网由馈(电) 线、接触网、轨(地) 、回流线等组成，是牵引供电网(回路)，完成对电力机车的送电任务。牵引网供电方式按分区所运行状态分为单边供电、双边供电，按牵引网设备类型分为直接供电、BT 供电、 AT 供电和 CC 供电方式。电力系统与牵引变电所的连接方式称为外部电源的供电方式，它取决于牵引负荷的用电等级和电力系统的分布情况。电力牵引为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电，当任一路故障时，另一路仍正常供电。外部电源以保证供电可靠性为原则，可分为环形( 双侧) 单回路供电方式、环形(双侧)双回路供电方式、单电源(单侧)双回路供电方式、放射供电供电方式。1.4 本次设计研究的主要内容本次设计的题目是某中心牵引变电所电气系统设计。(1)确定牵引供电方案。(2)确定牵引变压器的容量、台数及型式。(3)进行短路计算。为选择变电所中的断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等电气设备以及母线选型、防雷与接地装置的选择及校验提供依据。(4)对设计的变电所进行继电保护整定计算。(5)对变电所进行防雷与接地系统设计。石家庄铁道大学四方学院毕业设计3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)根据任务书中给定的计算条件求出供应牵引负荷所必须的容量，称为计算容量。(2)根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力，计算出校核容量，这是确保变压器安全运行所必须计算的容量。(3)根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素(如备用方式等)，并按实际变压器系列产品的规格选定变压器的数量和容量称为安装容量。本次设计采用单相 Vv 接线的形式，根据任务书中给出的数据，计算式如下： (2-1) aNaIUS2(2-2)bb2.1.2 变压器计算容量和校核容量的计算(1)设右供电臂计算容量为 ，左供电臂的计算容量为 。由以上公式得单相aSbSVv 接线变压器的计算容量分别为： AkV170562.2 aNaIU4bbS(2)Vv 接线变压器最大负荷为：k4805.272max.max. NIAV396 bbUS由公式(其中 k=1.8) (2-3)kSmax校可得两台变压器的校核容量分别为：石家庄铁道大学四方学院毕业设计4AkV89.26.1480.maxa S校39b校2.1.3 功率补偿后的计算容量和校核容量 牵引负荷功率因数为 0.85，对其进行无功补偿，设 。计算如下：90.cos(2-4)SPcos(1)右供电臂有功功率为：AkV5.14928.0175cs aSP无功补偿装置的容量为：var98.70.6.492tnQca 取 kvar0Qca则补偿后右供电臂的计算容量为：AkV5.1682ca22 aaPSS补偿后的功率因数为：90.51684cos aS(2)左供电臂有功功率为：AkV7.3.27cs bP无功补偿装置的容量为：var9.1048.6.05.983tanQcb 取 kvar14Qcb则补偿后左供电臂的计算容量为：AkV485.062cb22 bbPSS补偿后的功率因数为：9.85.106793cos bS石家庄铁道大学四方学院毕业设计5(3)右供电臂补偿后的校核容量为： AkV56.28.08926cosa SP校校无功补偿装置的容量为：var3.1045.tnQac 校校取 kvar320Qac校则补偿后右供电臂的校核容量为：AkV5.2349ac22a 校校校校校 aaPSS补偿后的功率因数为：0.523498.6cosaS校校(4)左供电臂补偿后的校核容量为：AkV187.0csb P校校无功补偿装置的容量为：var2.543.062.187tanQbc 校校取 kvarQbc校则补偿后左供电臂的校核容量为：AkV39.20748bc22 校校校校校 bbbPSS补偿后的功率因数为：1.39.207481cosbS校校2.1.4 中期牵引负荷增长后的计算容量及校核容量右供电臂的计算容量和校核容量分别为： AkV8.19305.682.1. aaS44 校校左供电臂的计算容量和校核容量分别为：石家庄铁道大学四方学院毕业设计6AkV382.17548.10621 bbS099 校校2.1.5 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，可得重负荷供电臂即右供电臂选取的变压器容量为 31.5MVA，轻供电臂即左供电臂选取的变压器容量为25MVA。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