DN供电方式牵引供电系统项目设计方案

- 1 - 电方式牵引供电系统 项目设计方案 第 2 章 主接线图设计方案 供电方案的说明 目前铁路的运力不断加大，电气化铁路的负荷也在不断增加。牵引变电所的设计要求简单实用，所以根据实际的运行要求选择直供加回流的供电方案。我国铁路供电的电压等级主要是 110压供电，所以本设计拟采用 110相供电。 进线端是两路进线，每路进线选用一台普通三相变压器，其接线方式为 Yn,两台主变压器之间互为备用。 主变压器进线是三相 110出线是每相 相供电 ,其中一相回流 )在方案中选择 容量合适的主变压器是很重要的，容量过小，容易过负荷；容量过大造成浪费，试运营成本增加。 主变压器的进线是三相进线，两台变压器互为备用。 馈线端是接 直接给接触网供电。低压侧采用单母线分段，四条馈线接辅助母线互为 100%备用。在方案确定后紧接着要做的工作就是设计并确定主接线图。主接线图的设计会把这些设计思想反映在接线和设备的选用上。然后根据主接线图进行有关计算，最后选定高压设备 3。 图 2带回流线的直接供电方式示意图 - 2 - - 3 - 主接线图方案的设计 在进行主接线图设计之前，我参考了有 关牵引变电所设计方案，争取把比较完整，比较先进的主接线设计方案运用在该设计中。对该设计中的主接线图的说明主要如下：该变电所电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选出的一种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。该变电所的电气主接线包括110压侧、 压侧以及变压器的接线。因各侧所接的系统情况不同，进出线回路数不同，其接线方式也不同。电气主结线的基本结线形式有单母线接线，双母线接线，桥形结线和简单分支接接线。在该主接线图中，低压侧用了单母线分段 （图2。 馈线 母线 隔离开关 图 2单母线分段示意图 - 4 - 第 3 章 牵引负荷的计算 概述 牵引负荷计算是确定牵引变压器安装容量的前提，主要进行以下三个步骤： (1)根据铁道部任务书中规定的年运量大小和行车组织的要求确定计算容量，这是为供应牵引负荷所必须的容量。 (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，计算校核容量，这是为确保变压器安全运行所必须的容量。 (3)在计算容量和校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按其系列产品确定牵引变压器的台数和容量。 其中，除了考虑计算容量和校 核容量外，主要考虑的因素就是备用方式的选择。牵引变压器在检修或发生故障时，都需要有备用变压器的投入。以确保电气化铁路的正常运输。综合实际电气化铁路线路、运量、供电方式等因素的考虑，该设计采用的是两台变压器互为备用的方式。 负荷的计算 牵引变电所容量的计算原始资料： 表 3负荷计算原始资料 供电臂 1 n=N=100 对 /天， 非N=150 对 /天 供电臂 2 n=N=90 对 /天， 非N=133 对 /天 运行方向 列车全部运行时间 t /车用点运行时间 ut/车在 t （ut）内的能耗 /电臂 1 上行 50 供电臂 1 下行 5 850 供电臂 2 上行 27 51 供电臂 2 下行 60 - 5 - 供电臂 1， 2 平均电流的计算 首先计算供电臂 1， 2 的基本参数。 上 上上 3 下 下下 3 上上上 uI 3 下下下 3 上上（ 3 下下（ 3 u 上上（ 3 u 下下（ 3 上上上 3 下下下 3 将数据代入以上公式得： 供电臂 1： 9 3 . 1 上上上 下下下 上上上 下下下I - 6 - T 上 T 下 nT u 上上 nT u 下下 上上上 下下下供电臂 2： 上上上 下下下 上上上 下下下I T 上 T 下 nT u 上上 nT u 下下 上上上 - 7 - 下下下按以上计算出的基本参数与计算图 ni 1 222 下下上上上 (3 ni 1 222 上上下下下 (3计算双区段上、下行馈线总电流 下上 (上、下行馈线总平均电流 ) (3下上下上 22 （上、下行馈线总有效电流） (3 AI 1 AI 32 供电臂 1、 2 有效电流的计算 供电臂 1、 2 的有效电流计算通常用简化公式 (3计算。 下上上上 22 有简化公式： (3供电臂 1的有效电流 1 下上 则 : 3 243 同理： - 8 - 计算容量 通过以上计算，可知： 2e，则供电臂 2 为重负荷，则： 12122 24 (3 3 0 201 0 4 9 8 0 12122 校核容量 对应于 N 非 重负荷供电臂列车用电的平均概率 u 上非上(3u 下非下(3由式 (3 (3： 4 3 nT u 上非上 4 nT u 下非下 按双线有上行或下行车的概率为： 下上下上 (3 下上下上 对 (3 下上下上 (3由式 (3： 下上下上则 : - 9 - a x 对应于 N 非 的轻负荷供电臂的有效电流 t 非上(3t 非下(3已知 a 为 : 下上 (3 下上 由公式 (3： 由公式 (3： 最大容量 m a x (3则： k V 3 3 m a x k V 89 33 9m a x 核 (3变压器的安装容量 计算容量是为 供应牵引负荷所必需的，而校核容量是保证变压器能正常运行所必需的。在选择变压器容量时，选择值必须要大于这两项技术参数。考虑到今年来客运专线的运力不断加大，必要时两台变压器可以并联运行。因此，在既能满足牵引负荷又能保证变压器正常运行的情况下，选择容量大一些的主变压器。综合考虑，确定变压器的容量为 表 3确定变压器容量的技术参数 计算容量 校核容量 变压器容量 23559.1 1500 - 10 - 这两台容量为 31500三相变压器，接线方 式为 Yn,型号是10,其技术参数如下表： 表 3变压器技术参数 型号 额定容量（ 高压额定电压（ 低压额 定电压（ 高压 额定电流（ A） 低压 额定电流（ A） 空载损耗（ 短 路 损耗（ 阻抗 电压 空载 电流 连接 组别 10 31500 110 65 660 48 Yn,- 11 - 第 4 章 短路电流计算 一次侧短路计算 (1)确定基准 值： 取 00， 000 ， c， 15： . 5 ( k A )3 3 1 1 5 . 1 ( k A )3 3 2 7 . 5 (2)计算短路电路中各元件的电抗标幺值： 电力系统 电抗标幺值： * . 11000 牵引变压器电抗标幺值： * 1 0 . 5 1 0 0 0 . 3 31 0 0 1 0 0 3 1 . 5 (3)一次侧短路计算 等效电路图 ,见图 4 图 4短路等效电路图 - 12 - 总的电抗标幺值： *S 0 三相短路电流周期分量有效值： 0 . 5 5 ( k A )0 . 1 取冲击系数则： 短路冲击电流为： s h s h 2 2 . 5 5 5 1 2 . 7 5 ( k A )i k I 短路冲击电流有效值为： )( 二次侧短路计算 归算到 的系统阻抗和变压器阻抗 : 2 2 . 5 0 . 7 5 6 ( )1000 2 2 1 0 . 5 2 7 . 5 2 . 5 2 ( )1 0 0 1 0 0 3 1 . 5 (1)一臂母线接地短路电流： 1 1 2 1 2 b 1 32 2 22 7 . 5 = 4 . 1 9 7 ( k A )2 ( 0 . 7 5 6 2 . 5 2 )E E X X X X X 三相冲击电流及第一周期短路全电流有效值： s h 12 . 5 5 2 . 5 5 4 . 1 9 7 1 0 . 7 0 2 ( k A ) s h 11 . 5 1 1 . 5 1 4 . 1 9 7 6 . 3 4 ( k A ) （ 2） 异相牵引母线短路电流： 2 1 2 1 2 b 1 32 2 22 7 . 5=2 ( 0 . 7 5 6 2 . 5 2 )4 . 1 9 7 ( k A )E E X X X X X 三相冲击电流及第一周期短路全电流有效值： s h 22 . 5 5 2 . 5 5 4 . 1 9 7 1 0 . 7 0 2 ( k A ) - 13 - s h 21 . 5 1 1 . 5 1 4 . 1 9 7 6 . 3 4 ( k A ) （ 3） 异相牵引母线短路接地： 3 1 1 7 . 6 3 ( k A )0 . 7 5 6 2 . 5 2 X 三相冲击电流及第一周期短路全电流有效值： s h 32 . 5 5 2 . 5 5 7 . 6 3 1 9 . 4 6 ( k A ) s h 31 . 5 1 1 . 5 1 7 . 6 3 1 1 . 5 2 ( k A ) 将短路计算结果列于表 4 表 4短路计算结果 一次侧短路 一相母线对轨 异相母线短路 三相短路 短路电流 5 路冲击电流 路冲击电流有效值 - 14 - 第 5 章 高压电气设备的选择 选择原则 (1)按正常工作条件选择电气设备 额定电压选择 在选 择电气设备时，必须使电气装置地点电路的最大工作电压 能保证在正常运行情况下电器的绝缘不致破坏。即 : (5 按额定电流选择 在选择电器时，为使发热不超过允许温度，就必须保证电器的额定电流不小于电器所在电路中最大连续工作电流，即 I 5式中： 电气设备的长期允 许电流值 a x. (5 电路的最大长期工作电流 (2)按短路情况校验电气设备的稳定 短路计算点的选择 （见图 4 短路计算时间的确定 短路的计算时间就是短路电流通过所选择电气设备的时间，它等于被校验电气设备所在电路的主保护动作时间 该电路内断路器断路时 和，即 t=tb+ tg=s) 断路器的固有动作时间 电弧持续时间 空气断路器 油或少油断路器 3)短路热稳定校验 热稳定条件为 : Q (5 - 15 - 电器断路时允许的发热量，制造厂常以 允许通过电流 产生的热量表示，时间 t 通常定为 5s 或 10s，新断路器为 4s 短路电流所产生的热量 由于 2;故有： t 22 （ 5 (4)动稳定校验 电气的动稳定度由制造厂规定的极限通过电流峰值表示，它也称为电器的动稳定电流，在运行中，可能通过的最大电流是回路中可能发生的三相短路电流最大冲击值3因此校验电器的动稳定时需满足： 3或 (5式中：电器极限通过电流峰值和有效值 短路冲击电流及其有效值 8 高压电器设备的选择 高压断路器的选择和校验 (1)110000 型户外式少 油断路器，其技术数据见下表9 表 5000 型户外式少油断路器技术数据 型号 额定电压/定电流/A 断流容量/值 /效值 /稳定电流/000 110 1000 3500 55 32 21（ 5s） 因为该型号断路器 ,由公式 (5 (5 (5： 错误 !未找到引用源。 10错误 !未找到引用源。 10满足要求 根据（ 5： 41 0 0 0 m a x. 满足要求 - 16 - 错误 !未找到引用源。 满足要求 1 2 555 222d 22错误 !未找到引用源。 ( 3 )c h g 5 5 k A 3 2 k 满足要求 所以，该型号户 外高压断路器满足要求 (2)选用 断路器，其技术数据见表 5 表 5路器技术数据 型号 额 定 电 压/ 定 电 流/A 断流容量 /值 /效值 /稳定 /250 400 63 25 25（ 3s） 工作电压： e 2 7 .5 k 工作电流： e 1250)(a 短路热稳定校验为： 7535 222d 1875325 222t Q 5 - 17 - 3g I 所以，该型号户内高压断路器满足要求。 离开关的选择和校验 (1)110带接地刀闸隔离开关选用 ，技术参数下表 表 5隔离开关参数表 型号 额定电压 （ 最高工作电压（ 额定电流 （ A） 动稳定电流（峰值） 4s 热稳定电流（ 10 126 1250 80 公式 (5 (5 (5： 因为： 10kV10足要求。 41 2 5 0 m a x. 满足要求。 错误 !未找到引用源。 满足要求。 热稳定性校验 222 错误 !未找到引用源。 满足要求 所以，该型号高压隔离开关满足要求 - 18 - (2)隔离开关选用 技术数据见下表 表 5隔离开关参数表 型号 额定电压（ 额定电流 （ A） 动稳定电流 （峰值）（ 5s 热稳定电流（ 5 1000 80 公式 (5 (5 (5： 因为该型号隔离开关： 错误 !未找到引用源。 足要求 6 01 0 0 0 m a x. 错误 !未找到引用源。 满足要求 错误 !未找到引用源。 满足要求 1 222 满足要求 所以该型号高压隔离开关满足要求。 高压熔断器的选择和校验 熔断器是用以切断过载电流和短路电流，选择熔断器时首先应根据装置地点和使用条件确定种类和型式；对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需要按额定电压和断流容量两项来进行选择。 表 5高压熔断器技术数据 型号 额定电压 /大断流容量 /5 400 因为： - 19 - 5 k V U 2 7 . 5 k V 满足电压要求 最大断流容量 M 错误 !未找到引用源。 满足开断能力 所以该型号高压熔断器满足要求。 电流互感器的选择和校验 (1)选择原则 按一次回路额定电压选择 电流互感器的一次额定电压 须大于电流互感器安装处的电网额定电压U 按一次回路额定电流选择 电流互感器的一次额定电流应满足 I 式中：分别为电流互感器的一次侧额定电流和安装处一次回路最大工作电流； 电流互感器的准确级和额定容量的选择 其准确度和额定容量应根据负载要求来确定。为保证足够的准确度，其准确度不得低于二次负载的准确级或二次负载所要求的准确级。如装于重要回路中的电度表或计费用的电度表一般采用 ，相应电流互感器至少是 ；供运行监视、供电电能的电度表一般采用 的；相应互感器应为 1 级；供继电保护或供只需估计电参数的仪表用的电流互感器一般采用 3 级即可。 (2)110电流互感器得选择与校验 110110型瓷绝缘户外式电流互感器，电流比为 300/5，其具体技术数据见表 5 表 5110 型电流互感器技术数据 型号 额定 容量 额定电压 额定电流比 准确级次 1 秒热稳定倍数 动稳定倍数 110 301000/5A 1 75 150 每相互感器二次负荷列于下表中，据此进行二次负载的计算与校验。 - 20 - 表 5电流互感器二次负载统计表 仪表名称 A 相（ B 相（ C 相（ 流表（ ） 3 有功功率表（ 功瓦时计（ 计 3 最大一相（ 载为依据进行计算，取22 3 0 V A则可得导线电阻为 : 23 0 3 0 . 1 0 . 9 85 铜导线 20 . 0 1 8 . /m m m ， ,则其截面： 20 . 0 1 8 5 0 0 . 9 1 80 . 9 8m (5因此，选择截面为 铜导线，可满足要求。 校验热稳定性 2 (5 222 满足热稳定性要求。 故选择的 110型电流互感器能满足要求。 (3)电流互感器得选择与校验 选用 流互感器，电流比为 100/5，其具体技术参数： - 21 - 表 5电流互感器技术数据 型号 额定 容量 /定电压 /定电流比/A 准确级次 1 秒热稳 定倍数 动稳定倍数 0 00/5 1/1000 141 每相互感器二次负荷列于下表中，据此进行二次负载的计算与校验。 表 5流互感器二次负载统计 仪表名称 A 相（ B 相（ C 相（ 流表（ ） 3 有功功率表（ 功瓦时计（ 计 3 最大一相（ B 相）负载为依据进行计算，取22 3 0 V A则可得导线电阻为： 23 0 3 0 . 1 0 . 9 85 铜导线 20 . 0 1 8 . /m m m ， ,则其截面 20 . 0 1 8 5 0 0 . 9 1 80 . 9 8m 因此，选择截面为 铜导线，可满足要求。 校验热稳定性，由 （ 5得： 222 满足热稳定性要求 故选择的 流互感器能满足要求。 - 22 - 电压互感器的选择和校验 (1)选择原则 电压互感器的种类和型 式选择 电压互感器的种类和型式应根据安装地点和使用条件选择。如根据安装地点确定采用户内式还是户外式；根据电网电压级别、使用条件确定电压互感器相数、绝缘方式等。一般电压级别低时，如在 3统，多用干式电压互感器；当电压在 6般采用油浸式或浇注式电压互感器； 110上的电压级别，采用串级式电压互感器等。 按一、二次回路电压选择 为确保电压互感器安全可靠长期工作和在规定的准确度级别下运行，要求电压互感器所接电网电压不超过也不低于互感器一次额定电压的 10%，而电网电压变动一般不会超出电 网额定电压的 10%，因此可按下式确定电压互感器一次额定电压，即： 1 式中：1U 分别为电压互感器一次侧额定电压和互感器安装处电网的额定电压； 电压互感器二次侧额定电压应符合测量仪表或继电器的额定电压，一般为 100。 根据负载确定互感器接线方式、容量和准确度级 电压互感器的准确度级的选择与电流互感 器相同。 为保证电压互感器在所要求的准确级下工作，电压互感器的额定二次容量2： 22 式中：2 2W 分别为每相互感器的额定二次容量和其所承担的二次负荷总容量 （ 。 由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短路时，短路电 流不会流过互感器，因此电压互感器不需要效验短路的稳定性。 当电压在 110以上时，一般不采用钢箱瓷套管结构式的，因为这种结构使互感器笨重，且造价昂贵。此时，采用单相串级结构，并以瓷箱代替钢箱，可以使体积减小、重量减轻，并降低造价。 (2)对于户外高压电压互感器选用 户外电压互感器 确级为 3 级。供 110运行监视用的电压互感器选择：准确级 1 。 - 23 - 表 5户外电压互感器参数表 型号 一次额定电压 （ V） 基本二次额定电压 （ V） 辅助一次额定电压 （ V） 一级额定容量（ 三级额定容量（ 最大容量 （ 备注 10110 33100100/100/3 500 100 2000 中性点直接接地 由于电压互感器装于 110只是用于电压监视，并不需要起保护作用，因为如果 110地方的电力系统会启动继电保护装置跳闸，将其故障或事故切除，因此选用 准确级 1级，额定容量 电压互感器便可以满足要求。 (3)电压互感器 供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为 3 级。 供计费用的电压互感器的选择：型号同上，但准确级为 。 表 5压互感器参数表 额定电压比 额定容量（ 1 级额定容量（ 3 级额定容量（ 一次的二次及地试验电压（ V） 二次对地试验电压（ V） 最大容量 （ 连接组别 27500/100 150 150 500 95 2 1000 I,% 由于电压互感器装于 不仅要用于电压监视，而且还要起到保护作用，用于保护牵引网馈线上所发生的故障或事故，故其准确级需要 3 级，因此选用该型准确级 3 级，额定容量 电压互感器可以满足要求。 雷器的选择 (1)110选 95 型避雷器，其各项技术参数如表 5- 24 - 表 595 型避雷器参数表 注： * 为 8/20峰值 )不大于标称放电电流 10(2)选用 40 型避雷器，其技术参数如表 5 540 型避雷器参数表 注： * 为 8/20峰值 )不大于标称放电电流 10用变压器的选择 根据牵引变电所二次侧的电压等级，选择 列 相双绕 组配电变压器作为牵引变电所内部自用变压器，其主要参数如表 6示： 表 6列三相双绕组变压器主要参数 额定容量/压 /压分 接范围 低压 /接组标号 空载 损耗 /载 损耗 /W 空载 电流 /% 阻抗 电压 /% 50 5 00 ,母线的选择和校验 母线选择时所依 据的条件 (1) 按最大长期工作电流选择母线截面 根据正常工作下持续发热容许温升限制，应使最大长期工作电流小于 型号 系统标称电压 额定电压 持续运行电压 * 95 11000395号 系统标称电压 额定电压 持续运行电压 * 42 2040- 25 - xu 6式中相应于母线工作的环境和其放置方式下，母线长 期允许电流值； 母线在电路中的最大长期工作电流。 (2)按经济电流密度选择母线截面 按经济电流密度 g (6(3)按短路条件校验母线的热稳定性 在满足稳定性的前提下，母线的最小容许截面 (6式中 C 与母线材料及其发热温度有关的系数； (4)按短路条件校验母线的机械稳定性 母线的冲击电流通过母线时，使其承受较大的机械应力，将导致固定在支持绝缘子上的母线弯曲变形甚至折断，因而必须按这时加于母线 的弯矩进行应力计算。 对于单条矩形母线，当跨条大于 2（等于 2）时，母线的最大弯矩为 ()1 0 8F l F (6式中 l 支持绝缘子间的跨距，厘米 F 母线所受的机械应力，公斤。 母线的最大计算应力为 (6将 (6入 (6，得 ( 3 ) 2 9 7 6 1 0 (6 式中 W 截面系数 母线的最大计算应力应小于材料的允许应力 ，即 (6则认为母线的机械稳定性可以满足要求。 110母线的选择 (1)按最大长期工作电流选择母线截面 最大长期工作电流按变压器过载 考虑，则： g . m a x 3 1 . 3 1 6 5 2 1 4 . 5 (A) - 26 - 查出铝母线 (25 4 型 )的允许载流量为 292A(环境温度为 25 时 )，大于最大工作电流，故初选 100面的铝母线 (单条平放 )。 (2)校验母线的短路热稳定性 母线在最大负荷 时的温度 : a j s b g 0 . 1 0 . 1 0 . 2 st t t 短路电流热效应： 2 2 2d 5 0 . 2 5 ( k A S )Q I t 由 ，查得铝曲线 42d 得 对应铝母线曲线的纵坐标为 即 2 0 Z ，表明所选截面的母线能满足热稳定性。 母线的选择 (1)按最大长期工作电流选择母线截面 g . m a x 3 1 . 3 6 6 0 8 5 8 A 查出铝母线 6010 的允许载流量为 1097A(环境温度为 25 时 )，大于最大工作电流，故初选 6010=600面的铝母 线（单条平放）。 (2)校验母线的短路热稳定性 母线在最大负荷时的温度 a 2 2 2d 7 . 6 3 0 . 2 1 1 . 6 4 ( k A S )Q I t 由 ，在查 得铝曲线 27 - 42 642d Z 查 表 可 得 4 2 9 1 0， 对 应 于 铝 母 线 曲 线 的 纵 坐 标 为 72 ，即z x 2 0 0 ，表明所选截面的母线能满足热稳定性。 (3)校验母线的机械稳定性 三线短路时冲击电流 ： . 7 2 7 . 6 3 1 8 . 3 4 ( k A )i 设母线采用水平排列排放 , =40 厘米 ,l=120 厘米 , 2,x 1k 则三相短路时相间电动力为： ）（ 母线平放及水平排列时，其抗弯模量为： 2 2 311 0 . 4 ( 4 ) 1 . 0 6 7 ( c m )66W b h 母线的计算应力： 6 61 7 4 . 6 1 . 2 1 0 1 9 . 6 4 1 0 ( p a )1 0 1 0 1 . 0 6 7M F 查表得铝母线的允许应力为 669