某牵引变电所E电气主接线设计.doc

2011级牵引供电课程设计石家庄铁道大学四方学院集中实践报告书课题名称某牵引变电所E电气主接线的设计姓 名王涛学 号20117288系、 部电气工程系专业班级方1110-6指导教师樊伟2015年1 月 5日 一、设计任务及要求：设计任务：牵引变电所E电气主接线的设计。设计要求：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四种运行方式；确定牵引变压器的容量、台数及接线形式；确定牵引负荷侧电气主接线的形式；对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择；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；用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。二、指导教师评语： 三、成绩 指导教师签名： 年 月 日 某牵引变电所E电气主接线的设计目 录1. 设计目的及依据11.1 设计目的11.2 设计依据12. 设计思路13. 牵引变压器的选择和容量计算24. 主接线设计44.1 220kV侧主接线设计44.2 55kV馈线侧主接线设计55. 短路计算65.1 短路计算目的及简化图65.2 确定基准值65.3 牵引变压器三相短路计算66. 电气设备选择76.1 电气设备选择的一般原则76.2 断路器选择校验76.3 隔离开关的选择与校验96.4 互感器的选择与校验106.5 导线的选择117. 并联无功补偿127.1 并联电容补偿的作用127.2 并联电容补偿方案127.3 并联电容补偿装置主接线137.4 并联电容补偿装计算138. 继电保护158.1 变压器的主保护158.2 馈线的保护169. 防雷接地保护179.1 雷电的危害179.2 雷击保护179.3 防雷设备安装1810. 设计结论18参考文献191. 设计目的及依据1.1 设计目的牵引变电所是电气化铁路系统的重要组成部分,其容量的大小关系到能否完成国家交给的运输任务以及自身的运营成本。从经济和安全运行方面来看,对变压器的容量计算和牵引变电所的继电保护是极其必要的,要根据实际运营情况进行仔细运算分析从而确定选择合适的安装容量并保护变压器安全稳定的运行。通过本次设计，对所学的专业知识得到运用和实践，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 设计依据 (1)该区域电网以双回路220kV输送电能，选取基准容量Sj为100MVA，在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.33；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.40。(2)该牵引变电所向接触网的供电方式为AT的供电方式，且为双线区段，可以提供变电所自用电，容量计算为24342kVA。(3)牵引变压器的额定电压为220/55kV，重负荷臂有效电流和平均电流为291A和206A，重负荷壁的最大电流为310A；轻负荷臂有效电流和平均电流为168A和95A，轻负荷壁的最大电流为200A；预期中期牵引负荷增长10%-40%。(4)环境资料本牵引变电所地区平均海拔为950m，地层以沙质粘土为主，地下水位为9.6m。该牵引变电所位于电气化铁路的中间位置，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38C，年平均温度21C，年最热月平均最高气温为33C，年雷暴雨日数为28天，土壤冻结深度为1.2m。 2. 设计思路首先确定牵引变电所高压侧的主接线形式，主要有单母线接线、单母线分段接线和桥型接线，其中桥形接线分为内桥接线和外桥接线两种形式。为保证供电的可靠性和灵活性，对于110-220kV进线为两回路时宜采用分支接线，当有穿越功率时，适宜选用桥形接线（固定备用时采用外侨接线）。故选择220kV侧外侨接线，55kV侧为单母线分段接线。其次通过负荷计算选取变压器的型号，类型和台数。本着安全供电、节约成本的原则，保证设备在正常运行和故障状态下都能安全可靠的工作，对牵引变电所进行短路计算然后进行电气设备的选择。牵引变电所运行时可能会遇到突发情况如短路、雷击之类的影响铁路安全稳定运行的因素，我们还要考虑对变电所的继电保护以及防雷接地等，同时在对牵引变电所的设计和安装时还应考虑并联电容补偿来提高功率因数、减少负荷谐波影响和改善电力系统电能质量。当然在设计时还应考虑当地环境、所处地理位置等对变电所的影响。3. 牵引变压器的选择和容量计算该牵引变电所的主牵引变压器选定了斯科特（SCOOT）接线变压器，为了经济合理的选择牵引变压器容量，计算过程分为三个步骤；(1)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需的最小容量。(2)确定校核容量：按列车紧密运行时的条件并充分利用牵引变压器的过负荷能力所计算的容量。(3)安装容量：根据计算容量和校核容量，综合考虑其他因素（如备用方式等），最后按变压器实际系列产品的规格确定变压器的台数和容量。根据原始资料中提供的有效电流、平均电流和最大电流，根据所学知识进行变压器容量计算，可确定出牵引变压器的安装容量。其具体计算过程如下：牵引变压器的计算容量斯科特结线变压器两副边绕组是相互独立的，故副边绕组的有效电流为 （2-1） 式中，和分别为座、座绕组有效值；和为对应于座与座的供电臂、的有效电流。则其计算容量为 （2-2）式中，由于是用于供电系统，则，、。由条件知，则由式（3-2）可得计算容量为 牵引变压器的校核容量 （2-3）式中为牵引侧电压，为；、分别为座、座二次绕组最大电流，、分别为与、对应的供电臂最大电流。则由式（2-3）可得变压器的最大容量为校核容量为 （2-4）牵引变压器的设备选型及校验已知，故选用的固定备用或移动备用方式下的安装容量是合适的。如果选用移动备用，当牵引变压器发生故障时，移动变压器的调运和投入约需数小时。此外，靠一台牵引变压器供电往往不能保证铁路正常运输，即使这种影响在单线区段或运量小的双线区段可以很快恢复正常，但考虑到本牵引变电所设在沿线有公路条件的大运量的双线区段，为确保供电的可靠性应当采用固定备用方式。采用固定备用方式，为使其单独运行而不影响铁路正常运输，且考虑到负荷的增长率为，由所以安装容量选用变压器，一台运行一台固定备用。采用固定备用方式的优点是：其投入快速方便，可以确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用线岔，可使牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量少，电气主接线较简单。其缺点是：增加了牵引变压器的安装容量，变电所内设备的检修业务要依靠公路运输。综上所述，采用容量的斯科特变压器，采用固定备用方式，变压器型号为SCOTT-T53025。表3-1 变压器的技术参数设备型号额定容量(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(%)冷却方式(%)高压低压高压低压空载短路T5302540000220551054202511510.52YN，d11ONAF4. 主接线设计4.1 220kV侧主接线设计牵引变电所高压侧（电源进线侧）的主接线设计可以分为三类：母线型接线、桥式接线、双T接线。对大型变电所来说，母线型接线是中心牵引变电所110kV电源侧电气主接线的核心；分接式牵引变电所110kV电源侧采用双T接线；对于110-220kV进线为两回路时宜采用分支接线，当有穿越功率时，可用桥形接线（固定备用时采用外侨接线）。根据题目要求及分析所给条件可知：待设计变电所为一中等容量的通过式牵引变电所，所以我们选取结构比较简单且经济性能高的桥式接线。桥式接线又分为内桥和外桥两种接线形式。图4-1（左）为内桥接线，连接在靠近变压器侧，其特点是适用于线路长，线路故障高，而变压器不需要频繁操作的场合，这种接线形式可以很方便地切换或投入线路。图4-1（右）为外桥接线，连接在靠近线路侧，其特点是适用于输电距离较短，线路故障较少，而变压器需要经常操作的场合，这种接线方式便于变压器的投入以及切除。为了配合牵引变电所在出现主变压器故障时备用变压器的自动投入，选择采用外桥接线便于备用变压器的投入以及故障主变压器的切除。因此，选择外桥接线。图4-1 进线侧桥式接线图4.2 55kV馈线侧主接线设计题目要求牵引变电所采供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为，接线。供电方式的馈电线包括接触网（）和正馈线（）两根线，断路器和隔离开关均为双线；另有中线馈出，不设断路器和隔离开关。当牵引变压器（接线变压器）副边线圈无中点抽头时，在变电所内还应另设自耦变压器。一般将自耦变压器设在馈电线外侧，当相邻变电所越区供电时，可作为末端的自耦变压器使用。双线铁路一般为四回馈电线，每两回同相馈电线设一组备用断路器，如图4-3所示。图4-3 AT供电方式下斯科特变压器接图该方式是50%备用的接线方式，这种接线方便于工作，当工作断路器需检修时，可有各自的备用断路器来代替其工作 ，断路器的转换操作较方便，供电可靠性高。5. 短路计算5.1 短路计算目的及简化图电力系统短路中最常见的短路是单相接地短路，短路后果不严重的是两相不接地短路，短路电流最大的是三相接地短路。由于采用的是50%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k-1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k-2点的三相接地短路电流即可。所以可以将主接线图转化为如下简化电路图：短路电路图如下所示： 4-1 短路计算等效电路5.2 确定基准值 5.3 牵引变压器三相短路计算（1）计算牵引变压器220kV侧发生三相接地短路 短路点的起始次暂态电流标幺值为: 三相短路容量: (2) 计算牵引变压器侧发生三相接地短路由于,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： 系统阻抗标幺值为：短路点的起始次暂态电流标幺值为： 三相短路容量: 6. 电气设备选择6.1 电气设备选择的一般原则(1)应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求并考虑远景发展；(2)应满足安装地点和当地环境条件校核；(3)应力求技术先进和经济合理；(4)同类设备应尽量减少品种；选用的新产品种均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格，特殊情况下选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准。6.2 断路器选择校验高压断路器(或称高压开关)它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，(1)额定电压的选择 (6-1) 式中，断路器的额定电压(kV)；安装处电网的额定电压(kV)。(2)额定电流的选择 (6-2) (3)额定开断电流的选择 (6-3) 式中，断路器的额定开断电流，由厂家给出(kA)； 刚分电流(断路器出头刚分瞬间的回路短路全电流有效值)(kA)。(4)短路关合电流的选择 (6-4)断路器操动机构能关合的最大短路电流。断路器操动机构能克服动静触头之间的最大电动斥力，使断路器合闸成功。(5)热稳定校验 (6-5)(6) 动稳定校验 (6-6) 220kV侧断路器选择220kV侧所选断路器型号为SW4-220,其技术数据见下表表6-1 220kV侧断路器技术数据表型号额定电压(kV)额定电流(A)额定开断电流(kA)动稳定电(kA)5s稳定电流(kA)固有分闸时间(s)SW4-22022010002155210.06 均满足条件，所以选择该型号断路器。 55kV侧断路器选择55kV侧所选断路器型号为VBR2-60525BA,其技术数据见下表表6-2 55kV侧断路器技术数据表型号额定电压(kV)额定开断电流(kA)额定电流(A)动稳定电流(kA)3s稳定电流(kA)固有分闸时间(s)VBR2-60525BA5525125063250.06 均满足条件，所以选择该型号断路器。6.3 隔离开关的选择与校验高压隔离开关在配电线路中起隔离电源、切换电路、接通或断开小电流电路的作用。选择高压隔离开关的技术参数主要有额定电压、额定电流、动稳定和热稳定电流、极限通过电流等。（1）220kV侧隔离开关选择220kV侧隔离开关选用GW4-220DW型户外隔离开关，其技术数据见表6-3。表6-3 220kV侧隔离开关技术数据表 型号 额定电压(kV) 额定电流(A) 动稳定电流(kA) 4s热稳定电流(kA)GW4-220DW 220125080 31.5 均满足条件，所以选择该型户外隔离开关。（2）55kV侧隔离开关选择55kV侧隔离开关选用GW4-110DW型户外隔离开关，其技术数据见表5-4。表6-4 55kV侧隔离开关技术数据表 型号额定电压(kV) 额定电流(A)动稳定电流(kA)4s热稳定电流(kA)GW4-110D 1106305020 均满足条件，所以选择该型户外隔离开关。6.4 互感器的选择与校验互感器就是一种特殊的变压器，主要用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘。这样既可避免主电路的高电压直接引入仪表、继电气等二次设备，又可防止仪表、继电气等二次设备的故障影响主电路，提高一、二次电路的安全性与可靠性，并有利于人身安全。不仅如此，互感器还可以用来扩大仪表、继电器等二次设备的应用范围。(1) 220kV侧电流互感器选择220kV侧电流互感器选用LCWD2-220型电流互感器，其技术数据见表6-5。表6-5 220kV侧电流互感器技术数据表 型号额定电压(kV)额定电流比(A)动稳定系数1s热稳定电流(kA)LCWD2-2202202600/58535 均满足条件，所以选择该型号电流互感器。(2) 55kV侧电流互感器选择55kV侧电流互感器选用LB-63A型电流互感器，其技术数据见表6-6表6-6 55kV侧电流互感器技术数据表型号额定电压(kV)额定电流比(A)动稳定系数1s热稳定电流(kA)LB-63A 551000/5150 75 均满足条件，所以选择该型号电流互感器。(3)220kV侧电压互感器选择220kV侧电压互感器选用JCC-220型电流互感器，其技术数据见表6-7。表6-7 220kV侧电压互感器技术数据表 型号额定电压(kV)额定容量(VA)绝缘形式 JCC-220 2202600/5油浸单相或瓷外套 一次电压满足条件，所以选择该型号电压互感器。(4)55kV侧电压互感器选择55kV侧电压互感器选用JD-63型电压互感器，其技术数据见表6-8表6-8 55kV侧电压互感器技术数据表型号额定电压(kV)额定容量()绝缘形式JD-63551000油浸单相或瓷外套 一次电压满足条件，所以选择该型号电压互感器。 6.5 导线的选择本次设计高压侧采用桥型接线，所以高压侧没有母线，但是要对进线进行选择，一般采用钢芯铝绞线。在低压侧屋内配电装置中一般采用矩形截面的硬铝母线。这是因为在截面积相同的条件下，矩形截面比圆形截面的周长大。故矩形截面母线散热面积大，冷却效果好。(1) 220kV侧进线选择按经济电流密度选择进线截面 选标准截面，故选LGJ-120型钢芯铝铰线。校验发热条件查附表可知LGJ-120允许载流量（设环境温度为40）因此满足发热条件。校验机械强度因为35kV架空钢芯铝线的最小截面积，因此该线满足机械强度要求。(2) 55KV侧母线的选择选择截面积长期允许电流 查表得选择规格为的LMY硬铝导线，竖放。校验热稳定度 取(保护动作时间） 取(断路器断路时间得 （短路发热假想时间）查表知铝母线因此所选低压母线满足要求。7. 并联无功补偿在牵引变电所牵引侧设计和安装并联电容补偿装置，既是减少负荷谐波影响的一项措施，又是提高牵引负荷功率因数的一种对策。7.1 并联电容补偿的作用(1) 提高功率因数。(2) 减少负荷谐波影响。(3) 改善电力系统电能质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压水平。(4) 减少电力系统电能损失。7.2 并联电容补偿方案一般在牵引变电所集中安装并联电容补偿装置，按其在牵引侧两相的安装容量的不同，通常有三种补偿方案：牵引侧滞后相集中补偿；牵引侧两相等容量补偿；牵引侧两相不等容量补偿；根据电气化铁道的实际情况，一般进行经济技术比较的内容为：提高功率因数的平衡程度；滤掉一部分谐波电流的效果；降低牵引变压器电压损失的大小等。为取得补偿和滤波的综合效果，本设计采用两相补偿方案，使供电臂牵引负荷中的谐波电流能滤掉一部分。7.3 并联电容补偿装置主接线 主接线的主要设备有：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。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。断路器QF。为了投切和保护并联电容补偿装置。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。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。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。避雷器F。作为过电压保护。熔断器FU。作为单台电容器的保护。图7-1表示了并联电容补偿装置的两种主接线，（a）用于直接供电方式、带回流线的直接供电方式和BT供电方式等牵引变电所；图（b）用于AT供电方式的牵引变电所。 图7-1 并联电容补偿装置7.4 并联电容补偿装计算(1) 功率因数取值补偿前: 侧补偿后: 侧(2) 牵引变电所负荷平均有功功率需补充无功容量安装无功容量电容器组额定电压串联电容器单元数并联电容器单元数应受下列允许值的限制最小值电容器组工作电压故障电容器端电压最大允许值电容器单元故障瞬间电压电容器单元额定电容实际安装无功容量故采用型电容器，并采用滞后相集中补偿方案。8. 继电保护继电保护是电力系统的重要组成部分，其基本原理是利用电力系统正常运行状态和不正常运行或故障时各物理量的差别来判断故障和异常，并通过断路器跳闸将故障切除或发出信号。继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。8.1 变压器的主保护变压器的不正常工作状态主要有：负荷长时间超过额定容量引起的过负荷；外部短路引起的过电流；外部接地短路引起的中性点过电压；油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高；大容量变压器在过电压或低频等异常运行工况下导致变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件过热。根据上述故障类型和不正常工作状态，对变压器应装设下列保护。(1)纵差差动保护或电流速断保护纵差保护主要是用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。保护瞬时动作，断开变压器各侧的断路器。对6.3MVA及以上并列运行的变压器和100MVA单独运行的变压器以及6.3MVA以上厂用变压器应装设纵差保护；其他重要变压器及电流速断保护灵敏度达不到要求时，也可装设纵差保护。纵差保护是利用故障时产生的不平衡电流来动作的，保护灵敏度高，且动作迅速。(2)瓦斯保护对变压器油箱内部的各种故障及油面的降低，应装设瓦斯保护。对800kVA及以上油浸式变压器和400kVA及以上车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应动作于断开变压器各侧的断路器。(3)过电流保护。反应变压器外部相间短路并作瓦斯保护和纵差保护后备的过电流保护，其适用于降压变压器，保护装置和整定值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流。(4)零序过电流保护。对中性点直接接地电网，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。零序电流保护通常由两段组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时限用于缩小事故影响范围，以较长的时限用于断开各侧的断路器。(5)反时限过负荷保护对于400kVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。过负荷保护应接于相电流上，带时限动作于信号。对变压器温度及油箱内压力升高或冷却系统故障，应按现行变压器标准的要求，装设可用于信号或动作于跳闸的装置。8.2 馈线的保护(1)距离保护 距离保护是反映被保护线路始端电压和线路电流比值而工作的一种保护，在牵引供电系统中作为馈线保护的主保护。 (2)阻抗保护 针对交流牵引网远点短路时的短路特性，可知反应电流值变化的电流保护灵敏系数低，一般不宜作为牵引变电所的牵引馈电线的主保护。而采用方向阻抗继电器的阻抗保护，能反应被保护线路的电压、电流及其相位角三个特征参数的变化，灵敏度系数较高，因此可采用其作为牵引变电所的牵引馈电线的主保护。此时，一般采用四边形阻抗继电器作为主保护，相对于与圆特性的阻抗元件，其保护范围不受牵引网的最小负荷阻抗所限定，在阻抗继电器中躲负荷最强，躲过渡电阻的能力也比较强，能够满足灵敏系数的要求。 (3)电流速断保护 由于牵引变电所在牵引供电系统中的重要性，针对近点短路时的短路特性，当系统发生严重的故障时，为了快速切除故障，设置了电流速断保护。该保护在系统发生极端短路故障时，保护装置可以快速出口。因此，其整定值般较高。为了躲过最大负荷电流和激磁涌流，可利用高次谐波进行抑制。由于电流速断保护的保护范围很短，它只能作为阻抗保护的辅助后备保护，以更好的实现继电保护的功能。 (4)自动重合闸 由于牵引供电系统的馈线故障多为瞬时性故障，在保护跳闸之后进行重合闸即可恢复正常供电。因此，为了保障牵引供电系统的供电可靠性，馈线保护装置可设置一次自动重合闸。当馈线发生瞬时性故障时，经过重合闸整定时间，装置发出重合闸命令，系统恢复正常运行；当发生永久性故障时，重合闸后，可由低电压启动的过电流保护或阻抗保护进行跳闸，保证快速切除故障线路。重合闸失败后，装置应闭锁自动重合闸或手动重合闸功能。9. 防雷接地保护雷是一种大气中的放电现象，常常损坏有线电视设备。雷击主要有两种：直击雷和感应 雷。直击雷是带电云层和大地之间放电造成的，可使用避雷针、避雷线和避雷网防避。感应雷是由静电感应和雷电流产生的电磁感应两种原因引起的。感应雷约占雷击率的90%，危害范围甚广。9.1 雷电的危害雷电是自然界存在的物理现象，打雷是指带正负电荷的雷云之间或是带电荷的雷云对大地快速放电而产生的声和光。雷云之间正负电荷放电现象，就是我们平时看到天空闪光和随之而来的巨大隆隆声。天空打雷对现代微电子的电气设备有伤害，但对自然界生物和净化空气十分有好处。但是天空中带电荷的雷云对大地放电。这种强烈直击雷，不仅产生刺眼闪光和巨大雷声，而且打雷所产生的强大雷电流(几十KA几百KA)、炽热高温(600010000)。猛烈冲击波，对打雷附近的人畜生命安全造成严重威胁，使建筑房屋损坏，森林着火，石油、电力、气象、通信、航空航天建筑设施造成严重破坏。沿着雷电流流动方向，使周围数公里空间造成强大剧变电磁场，静电场和强烈电磁辐射等物理效应。把感应出来雷电压、雷电流通过供电线路、信号线路和各种金属管线传到各家各户造成人员伤亡，特别对微电子设备(计算机、电视、通信设备、电气设备等)造成严重破坏，导致重大经济损失，打雷是年年重复发生的自然现象，根据有关方面统计资料报告，全球每年因雷电灾害造成的损失高达数十亿美元。9.2 雷击保护 (1) 直击雷保护:220KV配电装置装设避雷针或装设独立避雷针；主变压器装设独立避雷针；屋外组合导线装设独立避雷针。 (2)雷电侵入波保护:避