电气化铁道供电系统与设计课程设计报告.doc

自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计电气化铁道供电系统与设计课程设计报告班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 评语： 2011 年 12 月 30 日一、 题目某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复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20000 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1000 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（4路备）。供电电源由系统区域变电所以双回路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20km，主变压器为三相接线。二、 题目分析及解决方案框架确定 2.1分析负荷及原始资料由上述资料可知，本牵引变电所担负着重要的牵引负荷供电任务（一级负荷）、馈线数目多、影响范围广，应保证安全可靠的供电。10千伏地区负荷主要为编组站自动化驼峰、信号自动闭塞、照明及其它自动装置等,一部分为一级负荷,其他包括机务段在内均为二级负荷，应有足够可靠性的要求。本变电所为终端变电所，一次侧无通过功率。题目中的变电所所负责供电的10kV负荷小于变压器额定容量的15%，则在110kV侧单独设置110/10kV的三相动力变压器，以供应10kV铁路信号专线及地区其他负荷。2.2 主变压器和容量的选择 三相牵引变压器的计算容量是由牵引供电计算求出的。本变电所考虑为固定备用方式，按故障检修时的需要，应设两台牵引用主变压器，地区电力负荷因有一级负荷，为保证变压器检修时不致断电，也应设两台。根据原始资料和各种负荷对供电可靠性要求，主变压器容量与台数的选择，采用下述方案：20000kVA牵引变压器和6300 kVA地区变压器各两台，一次侧同时接于110 kV母线（110千伏变压器最小容量为6300 kVA）。三、设计过程3.1牵引变电所110kV侧主接线设计电气主接线一方面从电源系统接受电能，一方面又通过馈电线路将电能分配出去。电气主接线的电源回路和用电回路之间采用什么方式连接，以保证工作可靠性灵活是十分重要的问题。当进、出（馈）线数量较多时，常设置母线作为中间环节，用以联系电源回路和用电回路，使运行转换方便。图1 变压器接线图图2 单母线分段接线图3.1为三相YN,d11变电所的变压器的主接线。依据该牵引变电所负荷等级，要求有两路电源进线，因有系统功率穿越，属通过式变电所，110kV侧采用图3.2所示的单母线分段接线。此设计中着重考虑满足供电的可靠性和运行操作中的安全、灵活及便利，因此采用单母线分段接线1。3.2牵引变电所馈线侧主接线设计由于27.5kV(或55kV)馈线断路器的跳闸次数较多，为了提高供电的可靠性，按馈线断路器备用方式不同，牵引变电所27.5kV 侧馈线的接线方式一般有下列三种：3.2.1馈线断路器100%备用的接线如图3.3所示1。这种接线当工作断路器需检修时，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。图3 馈线断路器100%备用接线3.2.2馈线断路器50%备用的接线如图3.4所示1。这种接线每两条馈线设一台备用断路器，通过隔离开关的转换，备用断路器可代替其中任一台断路器工作。3.2.3带旁路母线和旁路断路器的接线如图3.5所示1，一般每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。当某回路断路器需要退出运行时进行检修时，可利用旁路断路器代替其工作，使该回路不中断供电。在正常运行时，旁路断路器不带电。各回路旁路隔离开关也都在断开位置。该接线不但解决了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、整定继电保护时都可以不必停电。主要缺点是增加了一套旁路母线和相应的设备，以及为此而增加配电装置的占地面积。 图4 馈线断路器50%备用接线图5 带旁路母线和旁路断路器的接线考虑到牵引变压器类型为单相变压器，且此牵引变电所只为区间正线供电，为了提高供电的可靠性，同时避免较大的一次性投资，牵引变电所27.5kV 侧馈线断路器采用2路备用的接线。3.3方案主接线的拟定按110 kV进线和终端变电所的地位，考虑变压器数量，以及各种电压级馈线数目、可靠供电的需要程度选择结线方式。因有四台变压器，考虑110 kV母线检修不致全部停电，采用单母线用断路器分段的结线方式，如图3.6，每段母线连接一台牵引变压器和地区变压器。由于牵引馈线断路器数量多，且检修频繁，牵引负荷母线采用带旁路母线放入单母线分段结线方式，10 kV地区负荷母线同样采用断路器分段的单母线结线系统。自用电变压器分别接于10 kV两段母线上。图6 方案主接线3.4技术经济比较因地区负荷占比例较大，且有部分为一级负荷，应保证必要的电压质量，主要应检验电压不对称系数2。3.4.1电压不对称系数的计算（1）由已知牵引负荷容量，25kV侧额定电流及每馈电区电流、，分别为：cos=0.8（因电流不对称引入的系数k=0.655）两馈电区电流在形绕组中分配后，每相绕组电流为 10kV电压侧为三相对称负荷，设cos=0.9则其额定电流和形绕组中每相电流分别为： (以为基准) 同理110kV高压绕组中的电流，不计励磁电流时，即为负荷电流归算到高压侧的值。对于方案仅考虑牵引负荷 （2）高压110千伏绕组中的阻抗压降，已知参数为：三绕组16000千伏安变压器 ，；双绕组10000千伏安变压器，。按公式1和公式2分别求得高压绕组的电阻及电抗为： (=110 kV) (1) （2）三绕组变压器 ，双绕组变压器 ，高压各相绕组阻抗压降，由各相阻抗压降三角形可知对于三绕组变压器，对于双绕组变压器，（3）高压110 kV绕组感应电势（E）及不对称系数，按下式计算 （3）其中： (kV) (4)其中: (5)其中: (kV)正序分量 （6）负序分量 （7）电压（势）不对称系数 （8）综上，由公式8，得：由国家标准知，在保证电压质量方面，方案的在允许范围内。3.4.2变压器与配电装置的一次投资与折旧维修费220000+26300kVA变压器四台，多增加110kV断路器四组，按SW3-110少油断路器计算，共需： (万元) 每组断路器包括断路器及机构1台、电流互感器1台，及两侧隔离开关2台，分别为11万元、1.9万元和20.92万元。110kV配电间隔数增加，其占地面积不予计算。每年折旧维修费，按取一次投资的8%计，则 (万元)。3.4.3方案的年电能损耗费方案采用2SF1-QY-20000110型和2SF7-6300110型三相变压器，其参数为：牵引变压器，； 地区变压器，。 按已知条件，可求牵引负荷的最大功率损耗时间为： 地区负荷，用插入法得，（地区负荷）=2750小时。牵引变压器和地区变压器的年能量损耗和和分别由公式9和公式10 求得（取无功经济当量）：其中；各值已在前面求出；故 （kWh） 牵引用电按每度（kWh）0.16元计，则年电能损耗费 （万元） 工业用电按每度0.10元计，则年电能损耗费 (万元)年电能损耗费（万元）年运行费用：为年折旧费用与年电能损耗费之和。 （万元/年） 由技术经济全面比较表明，方案对地区负荷供电电压质量都满足要求，投资和年运行费用均较低，节省占地面积且投资和年运营费用都较低，又节省占地面积。3.5绘制电气主结线图本设计电气主接线图见附图。为保证供电可靠性，牵引变压器采用固定备用方式。因采用单相牵引变压器，同一牵引变电所馈线电压同相，且省去牵引变电所出口处电分相装置，改善了电力机车运行的弓网关系。此种接线适用于高速电气化铁路的机车运行。唯一不足的是，会产生较大的负序和谐波。3.6开关设备的选择3.6.1高压断路器的选择对于开断电路中负荷电流和短路电流的高压断路器，首先应按使用地点和负荷种类及特点选择断路器的类型和型号、即户内或户外式，以及灭弧介质的种类，并能满足下列条件2：(1) 断路器的额定电压，应不低于电网的工作电压，即 （11） 公式11中、分别为制造厂给出的短路器额定电压和网络的工作电压，伏或千伏。(2) 断路器的额定电流，应不小于电路中的最大长期负荷电流，即 (12) 公式12中断路器的最大长期负荷电流，安或千安。(3) 根据断路器的断路能力，即按照制造厂给定的额定切断电流、或额定断路容量选择断路器切断短路电流（或短路功率）的能力。为此，应使额定切断电流不小于断路器灭弧触头刚分离瞬间电路内短路电流的有效值，或在一定工作电压下应使断路容量不小于短路功率。即 (13) 或 （三相系统） （14） 公式14中，短路后t秒短路电流有效值（周期分量），对快速断路器，取， t0.1；短路后t秒短路功率，对快速熔断器。对于牵引系统，牵引网电压为27.5千伏，当采用三相35千伏系列的断路器时，断路器容量需按下式换算： （15） 公式15中，35千伏断路器用在27.5千伏系统中的三相断路容量。牵引网馈电线用单相断路器，按额定断路容量选择时应满足的条件为（不变）： （16）公式16中，、分别为单相断路器的额定断路容量和单相牵引网中短路后t秒的短路功率。为了求得短路电流有效值，必须用公式17确定切断短路的计算时间，即从短路发生到灭弧触头分开时为止的全部时间，它等于继电保护动作时间和断路器固有动作时间之和 （17） 在设计和电气设备选择中，由实际选择的保护装置与断路器型号，可得到和的实际值，但如无此数据时，一般可按下述情况选取。对快速动作的断路器，取=0.05秒，而对于非快速动作的断路器，=0.10.15秒；对于继电保护，应按具有最小动作时间的速断主保护作为动作时间，即=0.05秒，因此，对于快速动作的断路器，切断短路的计算时间=0.050.1秒，对于非快速动作的断路器，=0.150.2秒。可知，短路发生后0.1秒，因短路电流的非周期分量已接近衰减完毕，此时短路电流即为短路周期分量电流的有效值。当秒时，则须计入短路电流的周期分量。(4) 校验短路电流通过时的机械稳定性在短路电流作用下，对断路器将产生较大的机械应力，为此，制造厂给出了能保证机械稳定性的极限通过电流瞬时值，即在此电流通过下不致引起触头熔接或由于机械应力而产生任何机械变形。因而，应使 （18）公式18中，分别为断路器的极限通过电流或断路器安装处的三相短路冲击电流。(5) 校验短路时的热稳定性短路电流通过时断路器的热稳定性，由制造厂家给出的在t秒（t分别为4、5或10秒）内允许通过的人稳定电流来表征，即在给定的时间t内，通过断路器时，其各部分的发热温度不超过规定的短路最大容许发热温度。因此，短路电流通过断路器时，其热稳定条件为： （19） 公式19中，制造厂家规定的秒热稳定电流。短路电流发热效应。 3.6.2高压熔断器的选择高压熔断器用以切断过负荷电流和短路电流，选择是首先应考虑装置的种类与型式、是屋内或屋外使用，对于污秽地区的屋外式熔断器还应保证绝缘泄露比距的要求，以加强绝缘，此外，高压熔断器应满足2：(1)按工作电流（与断路器意义相同）。(2)按工作电流 （20） 公式20中，、分别为熔断器额定电流和熔件额定电流；网络中最大长期工作电流(3)按断流容量 或 （21） 公式21中，、分别为熔断器的极限开断电流和额定断流容量。(4)对污秽地区屋外安装的熔断器，其绝缘泄露比距应满足公式22 （22） 因熔断器的熔断时间很短，故采用熔断器保护的导体和电器可不校验短路电流的机械稳定性和热稳定性。此外，高压熔断器熔件的选择还必须与网络中各分段、分支电路的熔断器熔件或与馈电线继电保护之间，从时间特性上保证互相间动作的选择性和时限配合关系。3.6.4隔离开关的选择选择隔离开关，首先应考虑装置的种类和型式、是屋内或屋外使用，对于污秽地区的屋外式熔断器还应按上述熔断器选择时的条件2保证绝缘泄露比距的需要。隔离开关的其它选 择条件与断路器类似，但对隔离开关不进行切断能力的（切断电流或断路容量）的校验。3.7仪用互感器的选择3.7.1电流互感器的选择(1)电流互感器的选择一般有如下原则需要遵循3：应满足一次回路的额定电压、最大负荷电流及短路时的动、热稳定电流的要求；应满足二次回路测量、自动装置的准确度要求和保护装置10误差的要求；应满足保护装置对暂态特性要求（如500kV保护）；用于变压器差动时，各侧电流互感器的铁芯宜采用相同的铁芯型式。各互感器的 特性宜相同。以防止区外故障时，各互感器特性不一致产生差流，造成误动。(2)电流互感器类型选择3： 为保证保护装置的正确动作，所选择的互感器至少要保证在稳态对称短路电流的下的误差不超过规定值。至于故障电流中的非周期分量和互感器剩磁等问题带来的暂态影响，则只能根据互感器所在系统暂态问题的严重程度、保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行情况进行综合考虑定性分析，至于精确的暂态特性计算由于过于复杂且现场工作情况很难进行，因此不进行讨论。 330500kV系统保护、高压侧为330500kV的变压器保护用的电流互感器，由于系统一次时间常熟较大，互感器暂态饱和较严重，由此可能导致保护错误动作的后果。因此互感器应保证实际短路工作循环中不致暂态饱和，即暂态误差不超过规定值。一般选用TP类互感器，尤其是线路保护考虑到重合闸的问题，要考虑双工作循环的问题，因此推荐使用TPY型。 220kV系统保护、高压侧为220kV的变压器保护互感器其暂态饱和问题及其影响较轻，可按稳态短路条件计算互感器稳态特性，进而选择互感器。当然，为减轻可能发生的暂态饱和影响，我们有必要留有适当的裕度。220kV系统保护的暂态系数一般不小于2。110kV系统保护用互感器一般按稳态条件考虑，采用P类互感器。 高压母线差动保护用电流互感器，由于母线故障时故障电流很大，而且外部故障时流过互感器的电流差别也很大。即使各互感器特性一致，其暂态饱和的情况也可能差别很大。因此母线差动保护用的电流互感器最好要具有抗暂态饱和的能力。实际工程应用中，一般按稳态条件选择互感器，而抗饱和的问题更多的由保护装置进行处理。3.7.2电压互感器的作用对电压互感器选择时依据的技术条件是4：(1)给重合闸提供必要信号，一条线路两侧重合闸的方式要么是检无压，要么是检同期，线路PT可以为重合闸提供电压信号。 (2)现在部分线路PT时用的电容式电压互感器，可以为载波通信提供信号通道。(3)目前对一些特殊的供电用户线路提供计量电压(4)将系统高电压转变为标准的低电压（100V）,为仪表、保护提供必要的电压。(5)与测量仪表相配合，测量线路的相电压与线电压；与继电保护装置相配合，对系统及设备进行过电压、单相接地保护。(6)隔离一次设备与二次设备，保护人身和设备的安全。总 结本设计在采用方案时采用了单母线分段接线方式。正常工作时分段断路器闭合，是两段母线并列运行，电源回路和同一负荷的馈电回路应交错连接在不同的分段母线上。这样当母线检修时，停电范围可缩小一半；母线故障时，分段断路器由于保护动作而自动跳闸，将故障母线隔开，非故障母线及与其连接的线路仍正常工作，仅使故障母线连接的电源线路与馈电回路停电。母线分段数目越多，母线故障停电范围越小，但所需断路器、隔离开关等设备也随之增多，同时使运行变得较为复杂。而且该结线方式结线简单、设备少、配电装置费用低，经济性好并能满