双线铁路牵引变电所电气主接线.doc

2010级牵引供电课程设计牵引供电课程设计报告书题 目双线铁路牵引变电所电气主接线院/系(部)电气工程系班 级学 号姓 名指导教师完成时间2013年12月20日摘 要牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，它的主要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，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电，或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统。进行双线铁路牵引变电所设计，首先分析负荷及环境情况确定变压器选型，并进行容量计算选出型号并选定了固定备用；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，并进行校验；对牵引变压器和馈线配置继电保护和无功补偿；最后对牵引变电所进行防雷保护。经过上述步骤的分析和计算，最终完成了课题要求。选出各种设备的接线方式，变压器等设备的型号，完成整个线路并用CAD绘制了最终图纸。【关键词】：牵引变电所 主接线 继电保护 无功补偿目 录第1章 课程设计目的和任务要求11.1 设计目的11.2 设计要求1 1.2.1 设计的基本要求1 1.2.2 设计的依据1第2章 方案的比较22.1 负荷分析22.2 方案比较拟定2第3章 变压器备用方式及选型33.1 变压器备用方式33.2 变压器容量计算33.3 变压器的选型6第4章 主接线设计64.1电源侧主接线设计6 4.1.1 倒闸操作84.2牵引侧主接线设计9第5章 短路计算105.1短路计算示意图105.2短路计算10第6章 设备选择136.1进线导线的选择13 6.1.1 110kV侧电源进线的型号选择13 6.1.2 27.5kV侧母线的选择136.2电气设备的选择14 6.2.1 高压断路器、隔离开关的选择14 6.2.2 电压互感器的选择16第7章 继电保护187.1 继电保护基本要求187.2电力变压器继电保护的选择18第8章 并联无功补偿198.1 功率因数低的原因198.2 并联电容补偿的作用198.3 并联电容补偿20第9章 防雷保护21第10章 结论21参考文献22牵引供电课程设计第1章 课程设计目的和任务要求1.1 设计目的通过本次设计，对所学的专业知识得到相当的运用和实践，这将使自己所学的理论知识提升到一定的运用层次，为以后完成实际设计奠定扎实的基本功和基本技能，最终达到学以致用的目的。1.2 设计要求1.2.1 设计的基本要求（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）确定该牵引变压器的容量、台数及接线形式。（3）确定该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。1.2.2 设计的依据（1） 某牵引变电所位于大型编组站内，向两条双线电气化铁路干线的四个方向供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为10000kVA（三相变压器），并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为3750kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回路（1路备）：两方向年货运量与供电距离分别为Q1L1=3260Mtkm，Q2L2=3025Mtkm，q=100kWh/10ktkm。10kv共12回路（2路备）。（2）供电电源由系统区域变电所以双路110kV输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电线距离15km。在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别问0.23；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.25。（3）环境资料本牵引变电所地区平均海拔为650米，底层主要以砂质粘土为主，地下水位为5.8米。该牵引变电所位于电气化铁路的中间位置，变电所所内不设铁路岔线，外部有公路直通所内。本变电所地区最高温度为38，年平均温度为21，年最热月平均最高温度为33，年雷暴雨日数为23天，土壤冻结深度为1.3m。第2章 方案的比较2.1 负荷分析本牵引变电所，向两条双线电气化铁路干线的四个方向供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为10000kVA（三相变压器），并以10KV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为3750kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25KV回路（1路备）：两方向年货运量与供电距离分别为Q1L1=32x60Mtkm，Q2L2=30x25Mtkm，q=100kWh/10ktkm。10kv共12回路（2路备）；供电电源由系统区域变电所以双路110kv输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电线距离15km。2.2 方案比较拟定(1) YNd11的接线形式优点：牵引变压器的低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力；能很好的适应当一个供电臂出现很大的牵引负荷时，另一供电臂没有或出现很小牵引负荷不均衡状况；制造相对简单，价格也比较便宜；一次侧中性点可以接地，一次绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便。对接触网的供电可实现两边供电。(2) 三相V,v牵引变压器优点：牵引变压器的容量利用率可达100%，正常运行时，牵引侧保持三相，所以可供应牵引变电所自用电和地区三相负载；主接线较简单，设备较少，投资较省；对电力系统的负序影响比单相联接小；对接触网的供电可实现两边供电。缺点：当一台变压器故障时，另一台必须跨相，即兼供左右两边供电臂的牵引网。分析题目所给的资料可知，变压器拟定采用三相Vv接线变压器。该变压器在满足线路要求的情况下，接线简单，便于维护而且经济。变压器采用固定备用方式，选择两台牵引变压器，其中一台运行，一台备用。该双线牵引变电所采用110kV双回线路的供电电源，110kV电源侧线路较短，故障检修停电机会少，所以高压侧比较适合采用单母线分段供电。而低压侧为了经济和维护方便采用50%备用方式。第3章 变压器备用方式及选型3.1 变压器备用方式从我国的电气化铁路的历史来看，牵引变压器的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，称为移动备用。优点是牵引变压器的容量比较省，适用于沿线无公路区和单线区段。缺点是不能保证当发生故障时供电持续性。（2）固定备用：采用加大牵引变电所容量或者增加台数作为备用方式。优点每个牵引变电所一般装设两个牵引变压器，一台运行一台备用。每台牵引变压器容量能承担全所的最大负荷，确保铁路的正常运行，其投入快速方便，发挥备用主变压器自动突入装置的功能，可以实现不间断行车的可靠供电，确保铁路的正常运行。适用于沿线有公路的条件的大运量区段。经过比较上述两种备用方式，且该牵引变电所牵引变电所位于大型编组站内，在电气化铁路的中间。牵引变压器在捡修或者发生故障时，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，在当前进行电气化铁路牵引供系统的设计中，牵引变压器的备用方式不再考虑移动备用方式。所以综合考虑情况该变电所比较适合采用固定备用。3.2 变压器容量计算计算分为以下步骤：第一，确定计算容量，按正常运行的计算条件求出主变压器供应牵引负荷所必须的最小容量。第二，确定校核容量，按列车紧密运行的计算条件并充分利用牵引变压器的过负荷能力所计算的容量。第三，确定安装容量，在计算容量和校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按其系列产品的规格确定牵引变压器台数与容量。根据设计要求可知中心牵引变电所采用Vv接线，已知列车正常情况的计算容量为10000 kVA(三相变压器)，并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为3750 kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回路(2路备)：两方向年货运量与供电距离分别为 ，。10kV共6回路(2路备)。 列车紧密运行时的列车对数为： 左供电臂1的最大容量，取n=2 左供电臂2的最大容量 ，取n=3紧密运行时的电流为： 同上右供电臂2的最大容量右供电臂1的最大容量，取n=1 安装容量 。所以选择的三相Vv变压器。 3.3 变压器的选型选用的是牵引变压器20000kVA的Vv接线SF6-QY-10000+10000。变压器参数如表3-1。表3-1 变压器参数表变压器型号原边/次边额定电压短路电压百分值额定空载电流额定铜耗kw额定空载损耗kWSF6-QY-10000+10000110/27.510.5%0.5%12018第4章 主接线设计4.1电源侧主接线设计电气主接线的接线形式主要有单母线接线，单母线分段接线，带旁路母线的单母线接线，双母线接线和无母线接线。（1）单母线分段接线用断路器或隔离开关将单母线分段，以提高供电的灵活可靠性。这种接线，广泛应用在1035kV地区负荷和110kV电源进线回路较少的接线系统。 图4-1 单母线分段接线（2）单母线带旁路母线接线增设组旁路母线W3和一台公共备用的旁路断路器QFP，组成具有旁路母线的单母线接线,使检修出线断路器时不致停电。单母线带旁路母线接线形式如图4-2。图4-2 单母线接旁路母线（3）无母线接线无母线接线又分为内桥接线接线和外桥接线两种形式。在电气化铁道中，线路故障远比变压器故障多，故内桥接线在牵引变电所应用较广泛。若两回电源线路接入系统的环形电网，并有穿越功率通过桥接母线，桥路断路器(QF)的检修或故障将造成环网断开，为此可在线路断路器外侧安装一组跨条，正常工作时用隔离开关将跨条断开。安装两组隔离开关的目的是便于它们轮流停电检修。内桥接法如图4-3。 图4-3 内桥接法外桥接线的特点与内桥接线相反，当变压器发生故障或运行中需要断开时，只需断开它们前面的断路器QF1或QF2，而不影响电源线路的正常工作。但线路故障或检修时，将使与该线路连接的变压器短时中断运行，须经转换操作后才能恢复工作。因而外桥接线适用于电源线路较短、负荷不恒定、变压器要经常切换（例如两台主变中一台要经常断开或投入的场合），也可用在有穿越功率通过的与环形电网连接的变电所中。外桥接法如图4-4。图4-4 外桥接法综合上述，这几类接线方式，各有优劣，然而双线牵引变电所供电距离较近且回路较少，单母线分段接线不仅能够满足稳定可靠的供电能力，而且投资较少维护方便供电灵活，所以电源侧选用单母线分段的接线方式。4.1.1 倒闸操作如图4-4外桥接线正常运行时，QS7、QF、QS8，其他断路器隔离开关均断开，变压器T1通过L1得电，使得变压器向27.5kV侧输送电能。当需要检修时，假如仍然需要在L1得电，先断开QF1，然后断开QS3和QS5，再闭合QS4，然后合QS6。最后闭合QF，即可满足检修时供电需要。检修结束时，先断开QF2，然后断开QS4和QS6，再断QF,后闭合QS3和QS5，最后闭合QF1，即可恢复正常供电。当L1线路故障需要由L2线路供电时，先闭合QS2，闭合QF，故障线路QF1跳闸，再断开QS1，最后QF2闭合即可满足L1故障时的供电。如L1线路恢复正常，可以先断开QF2、QF，再断开QS2，闭合QS1，最后闭合QF1即可恢复正常供电。由此可以看出采用外桥型接线对于线路发生故障时比较有利，可以在停电瞬间通过互感器自动检测跳开故障线路断路器，然后闭合备用线路断路器，保证线路故障时自动转换开关使牵引变压器继续运行，有利于系统供电的可靠性和安全性。4.2牵引侧主接线设计27.5 kV侧馈线的接线方式按馈线断路器备用方式不同可分为三种接线方式，馈线断路器100%备用的接线，馈线断路器50%备用方式，带旁路母线和旁路断路器的接线。（1）馈线断路器100%备用接线这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。馈线断路器100%备用如图4-5。图4-5馈线断路器100%备用（2）馈线断路器50%备用接线变压器的备用方式是50%，即当上行或下行的变压器故障、检修的时候将备用变压器投入使用，提高了供电的可靠性和铁路运输的效率。在投入使用时先闭合母线上的隔离开关，然后闭合断路器，继而闭合母线侧隔离开关，最后将变压器侧隔离开关闭合，这样就成功将变压器投入使用。缺点是隔离开光倒闸繁琐。馈线电路50%备用式如图4-6。 图4-6 馈线断路器50%备用(3)带旁路母线和旁路断路器的接线一般每2至4条馈线设一旁路断路器。通过旁路母线，旁路断路器可代替任一馈线断路器工作。这种接线方式适用于每相牵引母线馈线数目较多的场合，以减少备用断路器的数量。带旁路母线和旁路断路器的接线如图4-7。 图4-7 带旁路母线和旁路断路器接线综合分析上述三种备用方式，选用馈线断路器50%备用方式。因为同样能在完成线路备用的前提下，它比馈电断路器100%备用方便、经济，比带旁路母线和旁路断路器的接线简单，便于维护。第5章 短路计算5.1短路计算示意图计算电路图是将短路计算所需考虑的各个元件的额定参数表示出来，将各个元件依次编号，然后确定短路计算点。计算短路图5-1。图5-1 计算短路图5.2短路计算计算电路图转化为等效电路图。其中k-1点为110kV高压母线短路点，k-2点为27.5kV牵引母线短路点。其等效电路如图5-2。 图5-2 短路等效电路图（1）确定基准值取,，（2）计算短路电流中个主要元件的标幺值最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.23：最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.25。架空线路的电抗标幺值一只为线路单位阻抗0.4；为线路长度15km； 电力变压器的电抗标幺值为：其中，为变压器阻抗；为为变压器容量。（3）计算k-1点短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量最大运行方式下的总电抗标幺值最小运行方式下总阻抗标幺值三相短路电流周期分量有效值其他三相短路电流：三相短路容量：（4）计算k-2点短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量最大运行方式下总电抗标幺值最小运行方式下总电抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值其他三相短路电流：三相短路容量： 短路计算表如表5-1。表5-1 短路计算 最大运行方式K-11.791.791.794.562.70357最大运行方式K-23.03.03.07.654.53145最小运行方式K-11.671.671.674.272.52333最小运行方式 K-22.922.922.927.444.40139第6章 设备选择6.1进线导线的选择为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线时必须满足一下几个条件：发热条件，电压损耗条件，经济电流密度和机械强度。6.1.1 110kV侧电源进线的型号选择（1）选择经济截面 按照经济电流密度计算经济截面 环境温度40选择标准截面积为70mm，即选择LGJ-70型钢芯铝线。（2）校验发热条件 查附录表得LGJ-70的允许载流量69A。因此满足发热条件。（3）机械强度校验 查表得架空铝线最小截面积满足机械强度要求。综上所述，电源进线导线选择型号为LGJ-70的输电线。6.1.2 27.5kV侧母线的选择一般母线每段负荷不同，但选取母线截面可采取相同截面，并以最大长期工作电流方式来选择为宜。母线长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑。经计算： 经查表得LGJ-70/40型钢芯铝绞线的允许载流量为220A（基准环境温度为25摄氏度），符合式子式中：表示通过导线的最大持续电流，表示对于额定环境温度下的允许电流，表示温度修正系数。考虑裕度，110kV进线侧的母线选用截面积为70mm2的钢芯铝绞线（LGJ-95/55）。6.2电气设备的选择6.2.1 高压断路器、隔离开关的选择设备选择条件为：（1）按工作电压选择 设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压。 （2）按工作电流选择 设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流。（3）按断流能力选择 设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量。 对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。（4）隔离开关和断路器的短路稳定度校验动稳定校验条件： 或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值热稳定校验条件： 注：为短路稳定电流，为热效时间，为电器的热稳定电流，为电器的热稳定试验时间。综合上述分析，电源侧和牵引侧电气设备选择、参数和校验如下：（1） 高压断路器选择型号及参数如表6-1。表6-1 高压断路器型号及参数表型号额定电压(kV)额定电流(kA)动稳定度(kA)4s热稳定度(kA)SW6-110G11012004115.8ZN-27.527.56002510（2）110kv侧高压断路器选择型号为SW6-110G，其校验如表6-2。表6-2 高压断路器SW6-110G校验安装点110/115125A1.79kA1.56kA0.41SW6-110G1101200A15.8kA41kA29.95校验结果合格合格合格合格合格所选型号SW6-110G满足要求。（3）27.5kV侧高压断路器选择型号为ZN-27.5，其校验如表6-3。表6-3 高压断路器ZN-27.5校验表安装点25/27.5462A3kA4.49kA8.9ZN-27.527.5600A15.8kA25kA10校验结果合格合格合格合格合格所选型号ZN-27.5满足要求。 (4) 高压隔离开关型号及参数如表6-4。表6-4 高压隔离开关型号及参数型号额定电压(kV)额定电流(kA)动稳定度(kA)4s热稳定度(kA)GW4-110D-DW1106302050GW4-27.5DT27.56302050(5) 110kV侧高压隔离开关选择型号为GW4-110D-DW，其校验如表6-5。表6-5 高压隔离开关GW4-110D-DW校验表动稳定度热稳定度安装点110462A2.65kA4.56kAGW4-110D-DW110630A50kA20kA校验结果合格合格合格合格所选型号GW4-110D-DW满足要求。(6) 27.5kV侧高压隔离开关选择型号为GW4-27.5DT，其校验如表6-6。表6-6 高压隔离开关GW4-27.5DT校验表动稳定度热稳定度安装点25524A7.56kA3kAGW4-27.5DT27.5630A50kA20kA校验结果合格合格合格合格所选型号GW4-27.5DT满足要求。6.2.2 电压互感器的选择（1） 电压互感器的选择供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为3级；供110kV侧计费的电压互感器选择：准确级为0.5级。110kV侧电压互感器的选择：由于电压互感器装于110kV测知识用来计费的，不需要保护，因此选用型准确级为0.5级，额定容量为500MVA的电压互感器可以满足要求。由于电压互感器是并联在电路中的，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校验短路的稳定性。27.5kV侧电压互感器的选择：由于电压互感器位于27.5kV侧主要起到保护作用，用于保护牵引网馈线上锁发生的故障或事故，故其准确级为3级，因此选用型准确级为3级，额定容量为1000VA的电压互感器可以满足条件。由于电压互感器是并接于主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流入互感器，因此电压互感器不需要校验短路稳定性。综上选择校验最终选择的电压互感器的型号及参数如表6-7。表6-7 电压互感器型号及参数表型号原边额定电压准确级额定输出极限输出tgJCC6-110GYW110kV0.5300VA2000VA2%JDJ2-27.5/0.1kA27.5kV31000VA1000VA2%6.2.3 电流互感器的选择（1）110kV侧电流互感器的选取： 最大长期电流按变压器过载的1.3倍考虑： 经查阅资料得电流互感器的电流互感器，校验如表6-8所示。表6-8 电流互感器校验UNIN动稳定度热稳定度安装点110136.4619.59.3LCWD2-110110215013.5-277.5-15校验结果合格合格合格合格（2）短路热稳定性校验 满足热稳定性。（3）短路动稳定性校验 故动稳定性也满足。（4）27.5kV侧电流互感器的选取同110kV电流互感器的选取方法一样，经计算和校验，选取LCW-35的电流互感器可以满足短路动、热稳定性。综上选择教研最终选择的电压互感器的型号及参数如表6-7。表6-7 电流互感器型校验UNIN动稳定度热稳定度安装点27.58714.55.9LCW-353510019.17.5校验结果合格合格合格合格第7章 继电保护7.1 继电保护基本要求继电保护的基本要求主要有四个方面，第一，选择性：当供电系统某部分发生故障时，继电保护装置应使距离故障点的断路器动作，将故障部分切除，缩小停电范围，保障无故障部分运行；第二，快速性：快速切断短路故障可以减轻短路电流对电气设备的破坏程度，可以迅速恢复供电正常的过程，减小对用户的影响；第三，灵敏性：灵敏性是指对被保护电气设备可能发射的故障和不正常运行发生的反应能力。为了起保护作用，要求装置由一定的保护灵敏性；第四，可靠性：当发生故障时，要求保护装置动作可靠，即在应动作时不能拒动，而在不动作时不会误动作。7.2电力变压器继电保护的选择(1) 纵联差动保护：对于牵引变电所内的牵引变压器，均应装设差动保护。电流纵差动保护不但能够正确区分区内区外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点，被广泛地用作变压器的主保护。(2) 瓦斯保护：利用变压器油箱故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体来实现保护的装置成为瓦斯保护。瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障，但像变压器绝缘子闪络等油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应。主变压器继电保护的配置：本设计主变压器容量为20000kVA，通过电力系统继电保护原理可知该容量的变压器首先应装设瓦斯保护（包括轻瓦斯和重瓦斯）、纵差动保护、过负荷保护、零序方向过电流保护。线路继电保护的配置：线路保护有纵联保护、距离三段式保护、电流三段式保护、零序保护等，对于本次设计的110kV线路，输送距离为15km，采用纵联保护投资大，且该线路电压等级也不高，应多考虑经济性，采用距离三段式保证可靠性、灵敏性。第8章 并联无功补偿8.1 功率因数低的原因 (1) 整流型机车由于交流侧电流波形畸变及整流换相过程中重叠导通角的影响。(2) 牵引网阻抗影响。(3) 牵引变压器影响。8.2 并联电容补偿的作用(1) 提高功率因数。(2) 吸收滤波电流，具有滤波作用。(3) 改善电力系统电压质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压。(4) 减少电力系统电能损失。并联电容补偿装置提供的容性电流，不仅提高了牵引负荷的功率因数，而且使流经电力系统和牵引变压器的电流值小于未补偿时的电流值。根据电能损失与电流值的二次方成正比的关系，显然并联电容补偿后可以减少电力系统的电能损失。并联电容补偿装置如图8-1。图8-1并联电容补偿装置主接线的主要设备及其作用：(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。(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。8.3 并联电容补偿如选择型号CY-1-20-1型电容器，已知， 。,并联电容器数：，取m=9。串联电容器数：，取n=5电容器组总容量和总阻抗为： 校验：所以补偿容量满足要求。第9