课程设计报告—AT供电方式下斯科特接线牵引变电所设计.doc

电气化铁道供电系统与设计课程设计报告班 级： 电气* 学 号： * 姓 名： * * 指导教师： * 评语： 2011 年 07 月 18 日自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计目录1、题目12 题目分析及解决方案框架确定13 设计过程13.1 牵引变电所110kV侧主接线设计23.2 牵引变压器主接线设计33.3 牵引变电所馈线侧主接线设计33.3.1 55kV侧馈线的接线方式33.3.2动力变压器及其自用电变压器接线53.4 绘制电气主结线图53.5 牵引变压器容量计算63.6 牵引变压器类型选择83.7导线选择83.7.1 室外110kV进线侧母线的选择83.7.2 室外27.5kV进线侧母线的选择93.7.3 室外10kV馈线侧母线的选择93.8 开关设备的选择93.8.1 高压断路器的选择93.8.2 高压熔断器的选择113.8.3 隔离开关的选择123.9 仪用互感器的选择123.9.1电流互感器的选择123.9.2电压互感器的选择及作用134 小结14参考文献14附表1 钢芯铝绞线的物理参数及载流量15附图1 牵引变电所电气主结线图16自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计AT供电方式下斯科特接线牵引变电所设计1、题目某牵引变电所戊采用AT供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，SCOTT接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如表1所示。本次设计主要做了变电所AT供电方式下，从电源进线到向供电臂供电的所有接线设计和此种接线方式下变电所的容量计算。表1 原始数据牵引变电所供电臂长度km端子平均电流A有效电流A短路电流A穿越电流A戊23.6206291108619410951686021442 题目分析及解决方案框架确定分析题目提供的资料可知，该牵引变电所要担负向区段安全可靠的供电任务，题目要求采用110/55kV、SCOTT接线牵引变压器，AT供电方式向复线区段供电的方式，此供电方式可减轻对邻近通信线路的干扰影响，大大降低牵引网中的电压损失，扩大牵引变电所间隔，减少牵引变电所的数目。该牵引变电所的主要设计内容如下：(1) 所110kV侧的接线设计。(2) 牵引变电所馈线侧主接线设计。(3) 确定电气主结线。(4) 牵引变压器安装容量计算及选择。(5) 短路电流计算。(6) 母线（导体）和主要一次电气设备选择。3 设计过程本设计要求采用斯科特变压器。现将斯科特变压器原理简要介绍如下：斯科特结线变压器实际上是由两台单相变压器按规定连接而成。一台变压器的原边绕组两端引出，分别接到三相电力系统的两相，称为座变压器；另一台单相变压器原边绕组一端引出，接到三相电力系统的另一相，另一端接到座变压器原边绕组的中点，称为座变压器。这种结线型式把对称三相电压变换成相位差为的对称两相电压，用两相中的一相供应一边供电臂，另一相供应另一边供电臂。图1中座变压器原边绕组匝数、电压分别用、表示，两端分别接入电力系统的、相；副边绕组匝数、电压分别用、表示，向左边供电臂供电。座变压器原边绕组匝数、电压分别为、，一端接到座变压器原边绕组的中点，另一端接到电力系统的相；副边绕组匝数、电压分别为、，向右边供电臂供电。原、副边电流如图中标示。由图可知，座和座副边匝数相同，都是；但原边匝数不相同，座原边匝数是座的倍。实际中，通常把两台单相变压器绕组装配在一个铁芯上，安装在一个油箱里。 图1 斯科特变压器原理电路图3.1 牵引变电所110kV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。对于大型变电所来说，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；通过式牵引变电所110kV电源侧一般采用桥式接线；分接式牵引变电所110kV电源侧采用双T接线。根据题目要求及分析已知条件可知：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2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3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。 图2 内桥接线 图3 外桥接线 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。3.2 牵引变压器主接线设计AT供电方式下斯科特变压器接线如图4所示。3.3 牵引变电所馈线侧主接线设计3.3.1 55kV侧馈线的接线方式题目要求牵引变电所采供电方式向复线区段供电，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5所示。图4 AT供电方式下斯科特变压器接线图5 复线区段斯科特变压器AT供电方式馈电线主接线该方式是备用的接线方式，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。3.3.2动力变压器及其自用电变压器接线由于该牵引变电所采用AT供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为，接线。因此，其动力变压器及其自用电变压器可采用逆斯科特变压器，逆斯科特变压器接线如图6所示。图6 逆斯科特接线3.4 绘制电气主结线图综合电源侧主接线图、变压器主接线图、馈线侧主接线图可得牵引变电所电气主结线图。电气主结线图见附图。图中高压侧采用外桥接线形式，这种接线形式所用电气设备少，接线相对简单，可靠性高。两台主变压器均为斯科特接线变压器，正常时一台工作，一台备用。当工作电源失压或工作变压器故障时，在主断路器跳闸后，由自动切换装置使备用的斯科特变压器投入工作，从而保证了不间断供电。两回电源进线各挂有一组电容式电压互感器（）。由于主变压器二次侧为对称的的两相，故每相（两条线）所使用的断路器、隔离开关均为双极联动的。并联电容补偿装置跨接于每相的两条线上。两台自用电变压器分别接于两台主变压器的二次侧，并采取二相三相的斯科特反变换获得三相电源。这种供电方式的牵引馈电线，每路始端均跨接有自耦变压器。两端分别与牵引网的接触导线（或接触网）及正馈导线（）相连，中点与钢轨（）及保护线（）相连，并通过火花间隙（放电器）接地。该主接线中的馈线断路器采用的备用方式。主接线图见附图1。3.5 牵引变压器容量计算牵引变压器的容量应能满足负荷的需要。该牵引变电所的主牵引变压器选定了斯科特（）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，再考虑其他因素（如备用方式）等，最后按变压器实际系列产品的规格所确定的变压器的台数和容量。计算容量主要是由各供电臂的负荷来决定的，各供电臂的负荷就是牵引变电所馈线的电流。牵引变电所馈线的电流由牵引计算的结果和线路通过能力以及行车量等条件决定。根据原始资料中提供的有效电流、平均电流和最大电流，根据参考资料1中第七章关于变压器容量计算的内容，可确定出牵引变压器的安装容量。其具体计算过程如下：第一步：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（3-1）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 （3-2）式中，由于是用于供电系统，则，、。由条件知，则由式（3-2）可得计算容量为第二步：牵引变压器的校核容量 （3-3）式中为牵引侧电压，为；、分别为座、座对应的供电臂最大电流，因为是供电，则，、分别为与、对应的供电臂最大电流。由条件知，则由式（3-3）可得变压器的最大容量为校核容量为 （3-4）第三步：牵引变压器的设备选型及校验移动备用方式下安装容量选用；固定备用方式下安装容量选用；由变压器允许过负荷可知：在移动备用方式下；在固定备用方式下；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。在采用移动备用方式的情况下，考虑到当两台并联运行的牵引变压器一台发生故障停电后，由另一台单独运行，允许超载，并持续小时，为使其单独运行而不影响铁路正常运输，安装容量选用变压器。因为。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。3.6 牵引变压器类型选择根据原始资料的分析、计算以及备用方式比较后得出结论：应采用固定备用，选择安装容量为的牵引变压器。3.7导线选择进线侧，进入高压室的进线侧，从高压室出来的馈线侧和馈线侧的母线均为软母线。需要对软母线进行选型，热稳定性校验（无需进行动稳定性校验）。计算方法：按导线长期发热允许电流选择导线。温度修正系数由下式求得： （3-5）式中,表示运行的允许温度，对室外有日照时取，室内取，为实际环境温度。设计时取，那么在室外有日照时，在室内。工程实际中常常采用查表的方法求母线和导体的容许电流(即载流量)。导线的选择与校验见表2.表2 导线的选择与校验导线名称选择校验按导线长期发热允许电流选择按经济电流密度选择动稳定性热稳定性母线及短导线 普通导线 3.7.1 室外110kV进线侧母线的选择室外进线侧的母线为软母线,且每段负荷不同,母线截面可采取相同截面，并以按最大长期工作电流方式来选择为宜。母线的最大长期工作电流可按变压器过载倍考虑。经计算： （3-6）由附录表查出型钢芯铝绞线的允许载流量为 (基准环境温度为)，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，为温度修正系数。考虑冗余，进线侧的母线选用截面积为的钢芯铝绞线。3.7.2 室外27.5kV进线侧母线的选择母线的最大长期工作电流可按变压器过载倍考虑，我们选择容量为，电压为的三相双绕组电力变压器。经计算： （3-7）由所给资料查出钢芯铝绞线的允许载流量为 (基准环境温度为时且允许温度为时，)，符合式子,故初步确定侧的母线选用截面积为的钢芯铝绞线。3.7.3 室外10kV馈线侧母线的选择母线的最大长期工作电流可按变压器过载倍考虑，选择容量为电压的三相双绕组电力变压器。经计算： （3-8）由所给资料查出钢芯铝绞线的允许载流量为 (基准环境温度为时)，符合式子，故初步确定侧的母线选用截面积为的钢芯铝绞线。3.8 开关设备的选择3.8.1 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，并能够满足下列条件(1) 断路器的额定电压，应不低于电网的工作电压，即 （3-9）式中，、分别为制造厂给出的短路器额定电压和网络的工作电压，单位为伏或千伏。(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 （3-10）式中，断路器的最大长期负荷电流，单位为安或千安。(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的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 （3-11） 或 （三相系统） （3-12）式中，短路后秒时短路电流周期分量的有效值，对于快速断路器，取， ；短路后秒时的短路功率，对于快速熔断器取。对于牵引供电系统，牵引网电压为，当采用三相系列的断路器时，断路器容量需按下式换算： （3-13）式中 断路器用在系统中的三相断路容量。 牵引网馈电线采用单相断路器，按额定断路容量选择时应满足的条件为（不变）： （3-14）式中，、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秒的短路功率。为了求得短路电流有效值，必须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，它等于继电保护装置动作时间和断路器固有动作时间之和，故 （3-15）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，可以得到和的实际值，但如无此数据时，一般可按下述情况选取：对于快速动作的断路器，取，而对于非快速动作的断路器，；对于继电保护，应按照具有最小动作时间的速断主保护作为动作时间的选取对象，即，因此，对于快速动作的断路器，切断短路的计算时间，对于非快速动作的断路器，。当短路发生后，短路电流的非周期分量已接近衰减完毕，因而此时的短路电流即为短路周期分量电流的有效值。当时，则必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，将对断路器产生较大的机械应力，为此，制造厂给出了能够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 （3-16）式中，分别为断路器的极限通过电流和断路器安装处的三相短路冲击电流（幅值大小）。(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秒（分别为、或）内允许通过的人稳定电流来表征，即在给定的时间内，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： （3-17）式中，为制造厂家规定的秒时热稳定性电流。短路电流发热效应。 （3-18）3.8.2 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(1)按工作电流（与断路器意义相同）。(2)按工作电流 （3-19）式中，、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（3-20）式中，、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 （3-21）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配合动作的选择性和时限配合关系。3.8.3 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（4）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。3.9 仪用互感器的选择3.9.1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：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误差的要求；应满足保护装置对暂态特性要求（如保护）；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 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。系统保护、高压侧为的变压器保护用的电流互感器，由于系统一次时间常数较大，互感器暂态饱和较严重，由此可能导致保护错误动作而引发严重后果。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。一般选用类互感器，尤其是线路保护不但要考虑到重合闸的问题而且要考虑到双工作循环的问题，因此推荐使用型。 系统保护、高压侧为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的稳态特性，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。系统保护的暂态系数一般不小于。系统保护用互感器一般按稳态条件考虑，采用类互感器。 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。3.9.2电压互感器的选择及作用(1)给重合闸提供必要的信号，一条线路两侧重合闸的方式要么是检无压，要么是检同期，线路可以为重合闸提供电压信号。 (2)现在部分线路使用的是电容式电压互感器，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（）,从而为仪表、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。4 小结本次课程设计要求采用斯科特变压器在AT供电方式下给复线区段供电臂供电。110kV进线侧采用通过式外桥接线，两变压器到接触网采用母线分段式接线形式并采用50%备用。在确定接线形式后对变压器的容量进行了计算，包括计算容量、校核容量，并最终确定变压器的容量选择。最后对其他主要电气设备做了粗略校验