牵引变电所的设计原则及其要求.doc

目 录第1章 牵引变电所设计基础11.1 概述11.2 电气主接线设计的基本要求11.3 电气主接线的设计依据21.4 主变压器型式、台数及容量的选择3第2章 F所牵引变电所电气主接线图设计说明3第3章 短路计算4第4章 高压电气设备选择及校验54.1 高压电气设备选择的原则54.2 高压电气设备的选择方法及校验74.2.1 高压断路器和隔离开关的选择114.2.2 高压熔断器的选择和校验134.2.3 电流互感器的选择和校验144.2.4 电压互感器144.2.5 支柱绝缘子及穿墙套管的选择和校验154.2.6 母线的选择和校验164.2.7 限流电抗器选择164.2.8 避雷器的选择17后 记19参考资料20附 图21第1章 牵引变电所设计原则及要求1.1概述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，选择出一种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。变电所的电气主接线是电力系统接线的重要组成部分，它表明变电所内的变压器、各电压等级的线路、无功补偿设备以最优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电所内各种电气设备之间的连接方式。一个变电所的电气主接线包括高压侧、中压侧、低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但母线结线，双母线结线，桥形结线和简单分支结线。牵引负荷侧电气结线特点主要有：1.每路馈线设有备用断路器的单母线结线；2.具有公共备用断路器的结线；3.但母线分段带旁路母线结线。1.2 电气主接线基本要求电气主接线应满足可靠性、经济性和灵活性三项基本要求：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，具体情况如下： 满足调度正常操作灵活的要求，调度员根据系统正常运行的需要，能方便、灵活地切除或投入线路、变压器或无功补偿装置，使电力系统处于最经济、最安全的运行状态。 满足输电线路、变压器、开关设备停电检修或设备更换方便灵活的要求。设备停电检修引起的操作，包括本站内的设备检修和系统相关的厂、站设备检修引起的站内的操作是否方便灵活。 满足接线过渡的灵活性。一般变电站都是分期建设的，从初期接线到最终接线的形成，中间要经过多次扩建。主接线设计要考虑接线过渡过程中停电范围最少，停电时间最短，一次、二次设备接线的改动最少，设备的搬迁最少或不进行设备搬迁。 满足处理事故的灵活性。变电所内部或系统发生故障后，能迅速地隔离故障部分，尽快恢复供电操作的方便和灵活性，保障电网的安全稳定。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。对主接线可以作定量的计算，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。一般情况下，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，故通常不作定量计算，其结果也只能作参考。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，尽可能地减少与接线方式有关的投资。主要内容如下：1）采用简单的接线方式，少用设备，节省设备上的投资。在投产初期回路数较少时，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。2）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，避免以大代小、以高代低。3）在选择接线方式时，要考虑到设备布置的占地面积大小，要力求减少占地，节省配电装置征地的费用。1.3 电气主接线设计依据 1、 变电所的分期和最终建设规模变电所根据十几年电力系统发展规划进行设计。一般装设两台主变压器；当技术经济比较合理时，330500KV枢纽变电所也可装设34台主变压器；终端或分支变电所如只有一个电源时，可只装设一台主变压器。2、 变电所在电力系统中的地位和作用电力系统中的变电所有系统枢纽变电所、地区重要变电所和一般变电所三种类型。一般系统枢纽变电所汇集多个大电源，进行系统功率交换和以中压供电，电压为330500KV；地区重要变电所，电压为220330KV；一般变电所多为终端和分支变电所，电压为110KV，但也有220KV。3、 负荷大小和重要性 对于一级负荷必须有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。 对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电。4、 系统备用容量大小 装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台事故断开，其余主变压器的容量应保证该所70%的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证一级和二级负荷。 系统备用容量的大小将会影响运行方式的变化。例如：检修母线或断路器时，是否允许线路、变压器停运；故障时允许切除的线路、变压器的数量等。设计主接线时应充分考虑这个因素。1.4主变压器型式、台数及容量的选择主变压器是供电系统和牵引变电所的重要电气设备，它的类型和结构是由整个供电系统和供电方式技术经济设计方案的全面比较确定的。按照对电气主接线的构成产生影响的情况，不同主变压器的类型和台数一般考虑不同。主变压器总容量的选择按设计规程的计算条件，通过供电系统的电计算进行。第2章 F牵引变电所电气主接线图设计说明根据原始资料知，乙站对E所正常供电时，正常运行时，110kV线路在E所内断开，不构成闭合环网。E所内的牵引变压器正常运行时，接入由D所送来的电源线L8上，L8故障时可转接至F所由L9供电。E所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线，有公路引入所内。27.5kV侧不设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。所用电采用在110kV进线隔离开关内侧接入（）/0.23kV单相变压器，以提高向硅整流装置供电的可靠性。由于E所110KV侧要求计费，所以设置电压互感器监测。变电所选用的型接线方式适用于中间或终端牵引变电所，且无穿越功率通过其高压母线。由于T型接线方式需要高压电器更少，配电装置结构更简单，分支线路进线不设继电保护。一般情况下，两回进线中，采用一回主供；另一回备用，进线端T型接线。在供电要求较高的场合，两回均能作为主供回路，并能互为备用。由于馈线数目较少，每相只有两条馈线，考虑到经济性，牵引负荷母线采用带旁路母线的单母线分段接线方式， 对于单母线检修时，可使停电范围缩小一半，发生故障时。可将故障段隔离开，非故障区域正常工作。旁路母线可以解决断路器的公共备用和检修备用，在调试、更换断路器及内装式电流互感器时都可以不必停电，增加运行的可靠性。第3章 短路计算1、短路计算 侧（1） 首先应该取短路点，按照分析可以把所有设备的计算归算到110kV和27.5kV侧，因此只取两个短路点进行计算即可。（2） 先计算侧:取 , 计算各线路和变压器的阻抗标幺值. 从到变电所F可以经由两条路线.F所110kV线路一的等效电路如下图3.1所示：X10图3.1L1： 因为L1为双回路，所以L10：乙站的阻抗标幺值： 所以线路一的总阻抗为：即正常运行时的总阻抗为0.508线路二的等效电路如下图3.2所示：图3.2线路二的阻抗 即故障时的阻抗为0.68948把Sc当成无限大容量的电源.那么取E*=1， 冲击电流为 ：短路电流最大有效值为：2、短路计算侧变压器的阻抗 计算方法同上。取最大值计算 27.5kV电网冲击系数取 冲击电流 短路电流最大有效值为：第4章 高压电气设备选择及校验4.1高压电气设备选择的原则1、按正常工作条件选择电气设备（1） 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不超过电气设备的最高工作电压，才能保证在正常运行情况下电器的绝缘不致破坏。即（2） 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，即式中：电气设备的长期允许电流值电路的最大长期工作电流各电路的最大长期工作电流的计算见下表：2、按短路情况校验电气设备的稳定（3） 短路计算点的选择（见前）（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与该电路内断路器断路时间之和，即 而 (s)断路器的固有动作时间电弧持续时间空气断路器=0.010.02s 多油或少油断路器=0.020.04s3、短路热稳定校验 热稳定条件为 电器断路时允许的发热量，制造厂常以内允许通过电流所产生的热量来表示，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; 故有：4、动稳定校验电器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，因此校验电器的动稳定时需满足： 或 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4.2高压断路器的选择和校验一、110KV侧断路器选用SW4-110/1000型户外式少油断路器，其技术数据见表3-1： 型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流有效值 峰值热稳定电流（kA）5sSW4-110/1000 110 100032kA 55kA 21表3-1因为该型号断路器 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求所以，该型号户外高压断路器满足要求二、27.5kV侧选用LN1-27.5型的六氟化硫断路器，其技术数据见表3-2：型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流有效值 峰值热稳定电流（kA）4sLN1-27.5 25 60014.5kA 25kA 8.5表3-2因为该型号断路器 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求所以，该型号户内高压断路器满足要求4.3隔离开关的选择和校验一、(1) 110kV侧带接地刀闸隔离开关选用GW4-110D/600型，技术参数见表3-3：型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流有效值 峰值5s热稳定电流（kA）GW4-110D/600110600- 50kA14表3-3因为 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求所以，该型号高压隔离开关满足要求(2) 110kV侧隔离开关选用GW4-110/600型技术参数见表3-4：型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流有效值 峰值5s热稳定电流（kA）GW4-110/600110600- 50kA14表3-4因为 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求所以，该型号高压隔离开关满足要求二、(1) 27.5KV侧带接地刀闸隔离开关选用GW2-35GD/600型，其技术参数见表3-6：型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流有效值 峰值热稳定电流（kA）5sGW2-35GD/60035600- 50kA14表3-6因为该型号隔离开关 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求所以该型号高压隔离开关满足要求(2) 27.5KV侧隔离开关选用GN2-35/600型，其技术数据见表3-5：型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流有效值 峰值热稳定电流（kA）5sGN235/6003560030kA 64kA25表3-5因为该型号隔离开关 满足要求 满足要求 满足要求 满足要求所以该型号高压隔离开关满足要求4.4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。27.5kV侧高压熔断器选用RW1-35Z型户外高压熔断器，其技术数据见表3-7：型号额定电压（kV）最大断流容量（MVA）RW1-35Z35400表3-7因为 满足电压要求最大断流容量满足开断能力所以该型号高压熔断器满足要求 4.5支柱绝缘子及穿墙套管的选择和校验 1）110kV侧支柱绝缘子选用ZS-110/3型，其参数见表3-8：支柱绝缘子（型号）额定电压（kV）机械破坏负荷（kN）ZS110/31103表3-8支柱绝缘子机械稳定性校验：绝缘子受力(取L=1.5m,a=2m) 满足机械稳定性要求2）27.5KV侧支柱绝缘子选用ZA-35Y型，其参数见表3-9：支柱绝缘子（型号）额定电压（kV）机械破坏负荷（kN）ZA35Y353.75表3-9支柱绝缘子机械稳定校验：由前面计算知27.5kV三相短路的相间电动力为 满足机械稳定要求3）27.5KV侧穿墙套管选用CLB-35/400型，其参数见表3-10：穿墙套管（型号）额定电压（kV）额定电流（A）机械破坏负荷（kN）CLB-35/400 35400 7.5表3-10穿墙套管热稳定校验： 满足热稳定性要求穿墙套管机械稳定性校验：由前面计算知27.5kV三相短路的相间电动力为 满足机械稳定性要求4.6电流互感器的选择和校验1）按一次回路额定电压选择电流互感器的一次额定电压必须大于电流互感器安装处的电网额定电压，即 2）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 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；3）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0.5-1级，相应电流互感器至少是0.5级；供运行监视、供电电能的电度表一般采用1-1.5级 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。一、(1) 110kV侧选用LCW110型瓷绝缘户外式电流互感器，电流比为100/5，其具体技术数据见表3-11：型号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LCW110110kV100/5A0.5、175150表3-11由电力牵引供变电技术附录二表13查得对应的额定容量为30V.A，热稳定倍数,电动力稳定倍数(2)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。 电流互感器二次负载统计表见表3-12仪表名称 二次负荷（V.A） A相 B相 C相电流表（ITI-A型）有功功率表（IDI-W）有功瓦时计（DSI）总 计 3 1.45 1.45 0.5 0.5 1.95 3 1.95表3-12由最大一相（B相）负载为依据进行计算，取则可得导线电阻为 铜导线，,则其截面因此，选择截面为的铜导线，可满足要求。(3校验热稳定性 满足热稳定性要求(4)按的条件校验机械稳定性校验作用于互感器绝缘瓷瓶帽上的机械应力： 设相间距离，互感器瓷套帽到最近支柱绝缘子间距离则作用于瓷套帽上的机械应力为 ：说明互感器对机械力的作用是稳定的，故选择的LCW110型电流互感器能满足要求。二、(1) 27.5kV侧选用型油浸绝缘电流互感器，电流比为100/5，其具体技术数据见表3-13：型号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27.5kV400/5A1/10P1100141表3-13由电力牵引供变电技术附录二表13查得对应的额定容量为，热稳定倍数,电动力稳定倍数(2)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。 电流互感器二次负载统计表见表3-14仪表名称 二次负荷（V.A） A相 B相 C相电流表（ITI-A型）有功功率表（IDI-W）有功瓦时计（DSI）总 计 3 1.45 1.45 0.5 0.5 1.95 3 1.95表3-14由最大一相（B相）负载为依据进行计算，取则可得导线电阻为： 铜导线，,则其截面因此，选择截面为的铜导线，可满足要求。(3校验热稳定性 满足热稳定性要求(4)按的条件校验机械稳定性校验作用于互感器绝缘瓷瓶帽上的机械应力： 设相间距离，互感器瓷套帽到最近支柱绝缘子间距离，则作用于瓷套帽上的机械应力为 ：说明互感器对机械力的作用是稳定的，故选择的LZBJ1-27.5型油浸绝缘电流互感器能满足要求。4.7电压互感器的选择和校验1)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3-6kV系统，多用干式电压互感器；当电压在6-35kV级别时，一般采用油浸式或浇注式电压互感器；110kV以上的电压级别，采用串级式电压互感器等。2)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： 式中： 、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100V或 3)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应不小于互感器的二次负载容量，即： 式中： 、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（VA）。 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110kV及以上时，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。(1) 对于户外高压电压互感器选用型户外串级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110kV侧运行监视用的电压互感器选择：准确级11.5级。其具体技术参数见表3-15:型号额定电压（kV）额定容量（V.A）最大容量（V.A） 原线圈 副线圈1级 2级 3级 300 500 500 2000表3-15 由于电压互感器装于110kV侧只是用于电压监视，并不需要起保护作用，因为如果110kV侧发生故障或事故是，其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，因此选用型准确级1级，额定容量500V.A的电压互感器便可以满足要求。(2) 27.5KV侧选用JDJJ-35型的单相带接地保护的油浸式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0.5级。其具体技术参数见表3-16：型号额定电压（kV）额定容量（V.A）最大容量（V.A）原线圈副线圈1级 2级 3级JDJJ-35150 250 6001200表3-16由于电压互感器装于27.5kV侧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JDJJ-35型准确级3级，额定容量600V.A的电压互感器可以满足要求。4.8支柱绝缘子及穿墙套管的选择和校验 1）110kV侧支柱绝缘子选用ZS-110/3型，其参数见表3-8：支柱绝缘子（型号）额定电压（kV）机械破坏负荷（kN）ZS110/31103表3-8支柱绝缘子机械稳定性校验：绝缘子受力(取L=1.5m,a=2m) 满足机械稳定性要求2）27.5KV侧支柱绝缘子选用ZA-35Y型，其参数见表3-9：支柱绝缘子（型号）额定电压（kV）机械破坏负荷（kN）ZA35Y353.75表3-9支柱绝缘子机械稳定校验：由前面计算知27.5kV三相短路的相间电动力为 满足机械稳定要求3）27.5KV侧穿墙套管选用CLB-35/400型，其参数见表3-10：穿墙套管（型号）额定电压（kV）额定电流（A）机械破坏负荷（kN）CLB-35/400 35400 7.5表3-10穿墙套管热稳定校验： 满足热稳定性要求穿墙套管机械稳定性校验：由前面计算知27.5kV三相短路的相间电动力为 满足机械稳定性要求稳定性要求4.9 母线的选择和校验一、110KV侧母线采用软母线(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的限制，应使最大长期工作电流小于，即；最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑，则 由电力牵引供变电技术附录二附表3查出铝母线（LMR型）153的允许载流量为156A（环境温度为时），大于最大工作电流，故初选153=45mm2截面的铝母线（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 短路电流计算时间短路电流热效应：由，在电力牵引供变电技术图6.6中查得铝曲线在电力牵引供变电技术中查表6.6可得，对应铝母线曲线的纵坐标为，即，表明所选截面的母线能满足热稳定性。二、27.5KV侧母线选用矩形铝母线（室内选硬母线、室外选软母线）(1) 按最大长期工作电流选择母线截面 由电力牵引供变电技术附录二附表3查出铝母线404的允许载流量为456A（环境温度为时），大于最大工作电流，故初选404=160mm2截面的铝母线（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 Qfi= 短路电流热效应：由，在电力牵引供变电技术图6.6中查得铝曲线在电力牵引供变电技术中查表6.6可得，对应于铝母线曲线的纵坐标为，即，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冲击电流 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：母线的计算应力：由电力牵引供变电技术表6.4铝母线的允许应力为，满足机械稳定性。4.10 限流电抗器选择和校验普通电抗器：将短路电流限制到要求值（通常为与电抗器串联回路内轻型断路器的额定工作电流）所必须的电抗百分值： 式中： 、 基准电压（kV）、基准电流（kA）、电抗器的额定电压（kV）、额定电流（kA）；换算至统一基准容量下的限流电抗器标么电抗值 对于母线分段电抗器、厂用出线电