电气化铁道供电系统与设计课程设计.doc

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： 年 月 1一、 题目某牵引变电所丁采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，单相V-V接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表1所示。 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丁19.414221980915223.2167248978198二、 题目分析及解决方案框架确定原理电路如图所示。单相V-V接线的牵引变压器是将两台单相变压器以V的方式联于三相电力系统，每一个牵引变电所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两台变压器的次边绕组，各取一端联至牵引变电所的两相母线上。而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线。这时，两臂电压的相位差为60，电流不对称度有所减少。这种接线即通常所说的60接线。同时，由于左、右两供电臂对轨道的电压相位不同，在这两个相邻的接触网区段间必须采用分相绝缘结构。另外，由于牵引变压器次边绕组电流等于供电臂电流，因此供电臂长期允许电流就等于牵引变压器次边的额定电流，牵引变压器的容量得到了充分利用。在正常运行时，牵引侧保持三相，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接线小。对接触网的供电可实现双边供电。它的主要缺点是：当一台牵引变压器故障时另一台必须跨相供电，即兼供左、右两边供电臂的牵引网。这就需要一个倒闸过程，即把故障变压器原来承担的供电任务转移到正常运行的变压器。在这一倒闸过程完成前，故障变压器原来供电的供电臂牵引网中断供电，这种情况甚至会影响行车。即使这一倒闸过程完成后，地区三相电力供应也要中断。牵引变电所三相自用电必须改由劈相机或单相三相自用变压器供电。在设计过程中，通过求解变压器的计算容量、校核容量以及安装容量来选取变压器的型号。然后再变压器型号的基础之上，选取室外110KV侧母线，室外27.5KV侧母线以及室外10KV侧母线的型号。考虑到V-V接线中装有两台变压器的特点，在确定220KV侧主接线时我们采用桥形接线。按照向复线区段供电的要求，其牵引侧母线的馈线数目较多，为了保障操作的灵活性和供电的可靠性，我们选用馈线断路器100%备用接线，这种接线也便于故障断路器的检修。按照选取的变压器的容量以及22KV侧的和牵引侧的主接线，可以做出设计牵引变电所的电气主接线。图表 1单相V-V接线牵引变电所三、设计过程牵引变电所的电气主接线分为三个部分来分别设计：110KV侧的主接线、牵引侧的主接线、单相V-V直接供电方式变压器接线3.1牵引变电所110kV侧主接线设计单相V-V牵引变电所要求有两回电源进线和两台变压器，因有系统功率穿越，属通过式变电所，所以我们选取结构比较简单且经济性能高的桥式接线。图2为内桥接线，连接在靠近变压器侧，其适合于线路长，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，其适合于输电距离较短，线路故障较少，而变压器需要经常操作的场合，这种接线方便于变压器的投入以及切除。为了配合三相V-V牵引变电所在出现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变压器的切除。3.2牵引变电所馈线侧主接线设计由于27.5kV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：（1）馈线断路器100%备用的接线引母线不同如图4所示。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。 图2内桥接线 图3外桥接线 （2）馈线断路器50%备用的接线如图5所示。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。当每相母线的馈出线数目较多时，一般很少采用此种法方法。（3）带旁路母线和旁路断路器的接线如图6所示。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。图4 馈线断路器100%备用图5 馈线断路器50%备用图6 带有旁路母线和旁路断路器的接线考虑到牵引变压器类型为三相V-V，且此牵引变电所为两个相邻区间的复线供电，为了提高供电的可靠性，保障断路器转换的操作方便，牵引变电所27.5kV 侧馈线断路器采用100%备用的接线。3.3单相V-V直供方式变压器接线单相V,V接线变压器是由两台单相变压器构成，高压侧两个绕组接在电力系统的两个线电压上。因为是采用直接供电方式，低压侧两个绕组接成V形，两台变压器的次边绕组，各取一端联至27.5KV的a相和b相母线上。而它们的另一端则联成公共端的方式接至地网和钢轨或钢轨引回的回流线。（参见附图1）为保证供电的可靠性及经济性，采用变压器移动备用的方式。其主接线如图7所示。为了便于移动变压器的接入，低压变压器的接入，低压侧单独设有断路器和隔离开关，移动变压器高压侧临时连接。图7 直接供电方式下单相V,V变压器主接线3.4 牵引变压器容量计算（1）单相V-V接线牵引变压器绕组的有效电流单相V,V接线牵引变压器是由两台单相牵引变压器联接而成，每台变压器供给所管辖供电臂的负荷。所以其绕组有效电流即为馈线有效电流，故(A)式中，为绕组电流有效值。根据题意，。（2）计算单相V-V接线牵引变压器的计算容量单相V,V接线牵引变压器是由两台单相牵引变压器联接而成，其两台变压器计算容量分别为（3）变压器校核容量单相V,V结线牵引变压器的最大容量为(KVA)式中，为供电臂（b）的最大电流。在最大容量的基础之上，再考虑牵引变压器的过负荷能力后所确定的容量，就可以得到校核容量，即S校=SmaxK式中，K为牵引变压器过负荷倍数，取K=1.5。则可得(4) 确定单相V-V接线牵引变压器的安装容量及型号选择将单相V-V接线的变压器的计算容量和校核容量进行比较，并结合采用移动备用方式和系列产品，选用单相V-V变压器的安装容量为220000KVA。由变压器允许过电荷50%可知：移动备用方式下已知，故选用的安装容量是合适的。考虑到在采用移动备用方式的情况下，当两台并联运行的牵引变压器一台发生故障停电后，未了使另一台单独运行而不影响铁路正常运输，安装容量选用变压器。因为因此选择16000/110型号的变压器。3.5绘制电气主结线图电气主接线如附图所示。3.开关设备的选择（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1 断路器的额定电压，应不低于电网的工作电压，即式中 、分别为制造厂给出的短路器额定电压和网络的工作电压，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，即式中 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。即或 = （三相系统）式中，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：=0.78式中，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）：=27.5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t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，它等于继电保护动作时间和断路器固有动作时间之和，故=+。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0.1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，应使式中，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（幅值）。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：式中，为制造厂家规定的秒热稳定电流。短路电流发热效应。（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按断流容量或式中，、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）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。3.7仪用互感器的选择（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 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。（2）电压互感器的选择（作用）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。3.8导线选择110kV进线侧，进入高压室的27.5kV进线侧，从高压室出来的27.5kV馈线侧，10kV馈线侧的母线均为软母线。软母线进行选型，热稳定校验（无需进行动稳定校验）。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K由下式求得：式中， 表示运行的允许温度，对室外有日照时取80，室内取70.，t为实际环境温度。设计时取t=25，那么在室外有日照时=1，在室内=1。工程中常采用查表的方法求母线和导体的容许电流(载流量)。表1 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热稳定母线及短导线 普通导线 （1）室外110KV进线侧母线的选择室外110kV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，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1.3倍考虑。经计算：=1.316000/（1103）=109.17(A)由所给资料查出钢芯铝绞线(LGJ-95)的允许载流量为330A(基准环境温度为25,允许温度70时)，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,允许电流，为温度修正系数。考虑冗余， 110kV进线侧的母线选用截面积为25mm2的钢芯铝绞线(LGJ25)。（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1.3倍考虑，我们选择容量为1600kVA电压27.5/10.5千伏的三相双绕组电力变压器。经计算：=1.31600/27.53=43.67(A)由所给资料查出钢芯铝绞线(LGJ-10)的允许载流量为86A(基准环境温度为25时)，符合式子,故初步确定27.5kV侧的母线选用截面积为10 mm2的钢芯铝绞线(LGJ-10)。（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1.3倍考虑，选择容量为1600kVA电压27.5/10.5千伏的三相双绕组电力变压器。经计算：=1.31600/10.53=114.4(A)由所给资料查出钢芯铝绞线(LGJ-25)的允许载流量为138A(基准环境温度为25时)，符合式子故初步确定10kV侧的母线选用截面积为25 mm2的钢芯铝绞线(LGJ-25)。四、心得体会此次课程设计对检验我们专业知识，专业学习是一个很好的检测，是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了牵引供电系统的用途及工作原理，熟悉了电气化铁道供电系统牵引变电所的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。这次课程设计虽然发现了自己很多的不足，知道了自己专业知识很欠缺，作为一个面向铁道的专业人士，发现自己的缺少很多的专业素养