分接式牵引变电所电气主接线的设计.doc

2010级牵引供电课程设计牵引供电课程设计报告书题 目分接式牵引变电所电气主接线的设计院/系(部)电气工程系班 级 方1010-2学 号 20106651姓 名 李亚超指导教师 王庆芬完成时间2013年12月20日摘 要牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分，它直接影响整个电气化铁路的安全与经济运行，是联系供电系统和电气化铁路的桥梁，起着变换和分配电能的作用。主接线是变电所的重要组成部分，是进行变电所的设计、施工和运营管理的重要依据。在本次课程设计中，我们用所学知识设计出符合任务要求的牵引变电所结构和接线方式。通过负荷计算选取了主变压器的型号和容量，同时选择了负荷侧的接线方式。并运用AutoCAD软件绘制出了主接线图。再通过短路电流计算选择了变压器两侧断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、母线和避雷器等电气设备的型号。同时介绍了在变压器或110KV线路路发生故障时运行方式的切换方法。从而，完成了本次课程设计。 【关键词】：牵引变电所 变压器 主接线 目 录第1章概述51.1 课题研究的目的51.2 课程设计要求51.3 问题的分析5第2章主接线的设计62.1牵引变电所主接线的概述62.1.1电气主接线基本要求62.1.2高压侧电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤62.1.3主接线的基本方式72.1.4牵引变电所高压侧主接线工作方式的切换82.2牵引变电所馈线侧主接线设计9第3章牵引变电所变压器的选择103.1牵引变压器的接线形式及选择103.2牵引变电所的备用方式及选择123.3牵引变压器容量的计算133.3.1计算容量133.3.2校核容量133.3.3安装容量和台数14第4章牵引变电所的短路计算154.1短路计算的目的154.2短路点的选取154.3短路计算15第5章高压设备的选择185.1设备选择原则185.2母线的选择185.2.1110kV侧进线的选择185.2.227.5kV侧母线的选择195.3高压断路器的选取195.3.1110kV侧断路器选取205.3.227.5 kV侧断路器选取205.4高压熔断器的选取及校验215.5隔离开关的选取及校验215.5.1110kV侧隔离开关选取215.5.227.5kV侧隔离开关选取22第6章继电保护236.1继电保护的任务和要求236.1.1继电保护的任务236.1.2继电保护基本要求236.2电力变压器继电保护的选择23第7章防雷保护和接地装置27第8章设计结论28参考文献29第1章概述1.1 课题研究的目的牵引变电所随着电气化铁路的发展而发展，目前国际上电气化铁路普遍采用BT供电方式。牵引变电所把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，因此牵引变电所是电气化铁路的“心脏”牵引变电所能否安全运行，直接关系的电气化铁路的运行情况。因此，对牵引变电所的研究对电气化铁路的发展以及运行都有着很重要的意义，对国民经济也有直接或间接的影响。本次课程设计旨在培养学生实际动手能力，利用已经学过的牵引供电和工厂供电以及接触网的相关知识设计出满足任务要求的电气主接线，加深学生对所学知识的理解同时对当今时代的新型设备加以了解，为将来的工作奠定坚实的基础。1.2 课程设计要求(1)确定牵引变电所的高压侧电气主接线的形式，并分析主变压器或110kV线路故障时运行方式的切换。(2)确定牵引变压器的容量、台数和接线方式。(3)确定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)配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。(6)用CAD绘制本牵引变电所的一次设备的电气主接线图。1.3设计依据(1)本牵引变电所由电力系统以110kV输送线供电，电力系统不要求在110kV侧计费。选取基准容量为100MVA，在最大运行方式下电力系统的电抗标幺值为0.13；在最小运行方式下，电力系统地标幺值为0.25。(2)本变电所向接触网的供电方式为BT供电方式，且为单线区段，可以提供变电所自用电，容量计算为800kVA。(3)牵引变压器的参数如下：牵引变压器的额定电压为110/27.5kV，重负荷臂有效电流和平均电流为250和170A，重负荷臂的最大电流为550A；轻负荷臂有效电流和平均电流为220A和145A.(4)本牵引变电所地区平均海拔为550米，地层以砂质黏土为主，地下水位为5.5米。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38，年平均温度为21，年最热月平均最高气温为33，一年中最热月平均气温为33，年雷暴雨日数为25天，土壤冻结深度为1.2m。1.4问题的分析对于一个刚刚接触电气化铁路的学生来说本次的课程设计无疑是十分困难的。虽然相关知识都已学过，但完成完整地主接线的过程中仍是困难重重。首先，变压器连接形式的选择就是十分困难的，诚然，单相的形式使接线简单且利用率高，但考虑到还要提供变电所内的自用电以及目前大多数变电所的形式我们任然选择了YNd11的接线形式。其次的问题是牵引负荷侧电气主接线的形式，因为实际情况中母线发生故障的几率极小，我们推翻了第一次的单母线分段方式采用了单母线不分段的方式。分接式牵引变电所在变压器或110kV线路发生故障时运行方式的切换问题也得到解决。第2章主接线的设计2.1牵引变电所主接线的概述牵引变电所（含开闭所、降压变电所）的电气主接线，是指由主变压器、高压电器和设备等各种电器元件和连接导线所组成的接受和分配电能的电路。用规定的设备文字符号和图形代表上述电气设备、导线，并根据他们的作用和运行操作顺序，按一定要求连接的单线或三线接线图，称为电气主接线图。2.1.1电气主接线基本要求(1)首先应保证可靠性，并力求经济性。牵引变电所是国家电力系统的一级负荷，中断供电将直接造成运输阻塞，甚至造成人员生命伤亡、设备损坏，进而导致的社会生产无法正常运行。因此，主接线的接线方式必须保证供电的安全可靠性。(2)具有必要的运行灵活性。由于接触网事故较多，检修频繁，牵引变电所的停、送电操作、倒闸作业较多，主接线的灵活，可减少操作程序，避免误操作。(3)应具有较好的经济型。经济型主要取决于汇流母线的结构类型与组数、主变压器容量、结构形式和数量、高压断路器配电单元存在数量、配电结构类型和占地面积等因素。(4)应力求接线简洁明了，并有发展和扩建余地。主接线整体结构和各回路应力求简洁清晰、便于操作运行。同时随着经济建设的高速发展，铁路运量的增长迅速，牵引变电所增容、增加馈线的建设经常存在。2.1.2主接线的基本方式简单接线的主接线形式能满足牵引变电所的可靠性，具有一定的运行灵活性，使用电器少，建造费用低，在结构上便于发展成单母线或具有旁路母线得到那母线接线。即在初期按桥形接线，将来有可能增加电源线路数时再扩展为其他接线形式。 图2-1 分接式主接线2.2牵引变电所馈线侧主接线设计牵引负荷是牵引变电所基本的重要负荷，上述电气主接线的基本形式和要求对牵引负荷侧也都适用。根据现有的经验，变电所的运行过程中母线出现故障的几率是极小的，故负荷侧采用单母线不分段方式。本次设计要求为单线铁路，仅有两条馈线引出，故采用断路器100%备用方式。馈线断路器100%备用的接线如图2-2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。图2-2馈线断路器100%备用2.3倒闸操作本次设计中采用分接式接线形式可以保证在变压器或110KV侧线路发生故障时可以改变其工作方式来保证牵引负荷侧不断电具体的切换方法如下所示。 图2-3系统正常运行当系统正常运行时3QF、4QF、1QS、2QS、6QS、5QS、1QF均闭合，系统由1ML和T1供电。当变压器T1发生故障时，断开1QF，闭合4QS和2QF,系统由T2供电。当110kV侧线路发生故障时，断开3QF,4QS、4QF闭合，系统由2ML供电。第3章牵引变电所变压器的选择牵引变压器是牵引供电系统的重要设备，担负着将电力系统供给的110kV或220kV三相电源变换成适合电力机车的27.5kV的单向工频交流电。由于牵引负荷具有极度不稳定，短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣的多，因此要求牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强。根据这些特点对牵引变压器的接线方式和安装容量进行选择。3.1牵引变压器的接线形式及选择三相YNd11联结牵引变电所的优点是：牵引变压器低压侧保持三相，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牵引负荷时，另一供电臂却没有或只有很小牵引负荷的不均衡运行情况；三相YNd11联结变压器在我国采用的时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格也较便宜；一次侧YN联结中性点可以引出接地，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。本次接线适合选用YNd11接线变压器，这种变压器高压侧采用Y接线，低压侧采用接线，这种接线对供电系统的负序影响小。并且低压侧采用接线，产生的谐波电流在其三角形接线的一次绕组内形成环流，从而不致注如公共的高压高压电网中。基于这些优点，我国电气化铁路中直接供电和BT供电中普遍采用YNd11接线方式。3.2牵引变电所的备用方式及选择牵引变压器在检修或发生故障时，都需要有备用变压器投入，以确保电气化铁路的正常运输。我国的电气化铁路牵引变压器备用方式有移动备用和固定备用两种。结合本次设计的任务书的要求，即该牵引变电所外部有公路连通，变电所外部没有设置铁路岔线,所以综合考虑情况该变电所采比较适合采用固定备用。当变电所需要检修时可能通过外部的公路到指定的变电所完成检修和设备维护。3.3牵引变压器容量的计算牵引变电所容量的计算需要如下原始资料:通过区段的每日列车对数；车通过牵引变电所两边供电分区的走行时分、给电走行的时分和能耗；线路资料如供电区长度、区间数、信号系统等。由此进行列车电流与馈线电流的计算。3.3.1计算容量牵引变电所主变压器采用YNd11接线，主变压器的正常负荷计算： 将， ， ，代入可以求得： S= 14594.10kVA 3.3.2校核容量紧密运行状态下的主变压器的计算容量为：将 , 代入上面公式可以求得：牵引变压器过负荷能力规定，对于YNd11变压器按150%负荷倍数K确定校核容量： 因为计算容量大于校核容量所以选取计算容量作为变压器的安装容量考虑到未来运力发展的要求牵引变压器应有一定的余量即安装容量为：可以求得3.3.3安装容量和台数根据上述变压器容量计算的结果，并且参照压器技术参数表，选择两台SF-QY-31500/110变压器，一台工作，另外一台作为固定备用。当工作变压器需要进行检修时，或者排查故障时，只需要进行一系列的倒闸作业就能让备用变压器投入使用从而不至于中断供电影响铁路的运行。变压器参数如下表所示。表3-1SF-QY-31500/110变压器参数变压器(型号)额定电压（KV）阻抗电压（%）额定容量（KVA）空载电流（%）空载损耗kW短路损耗kWSF-QY-31500/1101104315002.530110第4章牵引变电所的短路计算4.1短路计算的目的(1)在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。(2)在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。(3)在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。(4)在选择继电保护方式和进行整定计算时，需要短路电流提供依据。4.2短路点的选取因短路计算的主要内容是确定最大短路电流，所以对一次侧设备的选取一般选取高压母线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线断路器的选取一般选取低压母线短路点作为短路计算点。4.3短路计算点为高压母线短路点，点为低压母线短路点。其中线路阻抗忽略不计。 图4-1短路故障示意图系统阻抗 X1变压器阻抗X2图4-2短路故障简化图 取，变压器电抗标幺值为： 点发生短路：，,点短路电流基准值： 点短路点短路电流有效值：点冲击电流：点短路电流的最大有效值：发生短路，点短路电流基准值：短路点短路电流的有名值：点冲击电流：点短路电流的最大有效值： 短路容量： 以上为电力系统最大运行方式下的短路计算，相关数据记录于表4-1。参照以上方法计算最小方式下的短路电流，相关数据记录于表4-2。表4-1最大方式下短路计算值(kA)(kA)(kA)侧3.869.695.83侧4.5611.636.89 表4-2最小方式下短路计算值(kA)(kA)(kA)侧1.734.432.62侧3.138.004.73第5章高压设备的选择5.1设备选择原则由于电气设备和载留导体的用途以及工作条件各异，因此它们的选族校验项和法方也都完全不相同。但是，电气设备和载留导体在正常运行和短路时都必须可靠地工作，为此它们的选择都有一个共同原则。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；(5)与整个工程的建设协调一致；(6)选用的新产品品种均应具有可靠的实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。5.2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（硬母线）。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，冷却效果好的原因。目前在牵引变电所的一次侧皆装用室外软母线，所用线材也皆为圆形多股绞线。这是由于圆形线可减少、避免发生电晕，而多股绞线较实心线柔韧且机械强度可靠，不至因个别处的缺陷严重影响整根线的机械强度。5.2.1110kV侧进线的选择(1)最大负荷持续工作电流式中：为变压器的额定容量；为线路的额定电压。(2)按经济电流密度选择进线截面。式中：为经济电流密度。牵引变电所经济电流密度对于牵引负荷侧。故应选择LGJ-240/30钢芯铝绞线，在最高允许温度为时长期允许载流量为276A。5.2.227.5kV侧母线的选择27.5kV侧母线的选取根据查阅相关参数LMY矩形导体尺寸 平放1010A 竖放1140A，大于最大工作电流859.7A，故拟选用截面的铝母线。5.3高压断路器的选取高压断路器（或称高压开关）是发电厂、变电所主要的电力控制设备，具有灭弧特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路以及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。由于牵引变电所工作电流变动比较大，所以断路器的工作环境比其他的变电所要恶略许多，断路器的故障跳闸，操作次数要比一般的供变电系统多。从减少运行维修工作量考虑110kV用断路器，27.5kV侧选用电气化铁路专用的真空断路器。5.3.1110kV侧断路器选取(1)最大工作电流按变压器1.3倍考虑初选额定电流为1000A的的六氟化硫断路器表5-1参数表型号额定电压（KV)额定电流（A）极限通过电流5s热稳定电流（KV）容值有效值110100055KA32KA21(2)短路电流校验极限通过电流为,而，所以满足。(3)校验短路时热稳定性： 而 所以，满足稳定性要求。型断路器。短路动稳定性校验：满足动稳定性。故选用型断路器。5.3.227.5 kV侧断路器选取(1)断路器的最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑而。初选额定电流为1000A的ZN1-27.5型的真空短路器断路器，其技术数据见表：表5-2ZN1-27.5参数表型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流4s热稳定电流（kA）峰值有效值ZN1-27.527.5100030kA14.5kA11.5(2)短路关合电流的校验极限通过电流为，而，所以，故满足要求。(3)校验短路时的热稳定性由前面选择27.5kV母线处可得：，而 所以，故满足热稳定性要求。选用额定电流为1000A的LN1-27.5型的真空断路器。5.4高压熔断器的选取及校验熔断器是用以切断过载电流和短路电流，选择熔断器时首先应根据装置地点和使用条件确定种类和型式；对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需要按额定电压和断流容量两项来进行选择。27.5kV侧高压熔断器选用RW1-35Z型户外高压熔断器，其技术数据见表5-6：表5-3RW1-35Z参数表型号额定电压（kV）切断极限短路电流时电流最大峰值(KA)最大断流容量（MVA）RW1-35Z358200按最大工作电压选择，满足电压要求按熔断器开断电流校验所以RW1-35Z高压熔断器满足要求5.5隔离开关的选取及校验隔离开关配置在主接线上，保证了线路及设备检修时形成明显的断口与带电部分隔离，由于隔离开关没有灭弧装置及开断能力低，所以操作隔离开关时，必须遵守倒闸操作顺序，即送电时，首先合上母线侧隔离开关，其次合上线路侧隔离开关，最后合上断路器，停电则于上述相反。5.5.1110kV侧隔离开关选取(1)最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑拟选型号为GW4-110/600的隔离开关。其技术数据见表5-7：表5-4GW4-110/600参数表型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流5s热稳定电流（kA）峰值有效值GW4-110/60011060050kA-14(2)校验短路时的热稳定性，所以，故满足热稳定性要求。所以侧隔离开关选用型号为户外GW4-110/600。 5.5.227.5kV侧隔离开关选取(1)最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑。选用型号为GW4-35/1000表5-5GW4-35/1000参数表型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流热稳定电流（kA）5s峰值有效值GW4-35/100035100080kA21.5(2)隔离开关的校验所以，故满足热稳定性。所以侧隔离开关选用型号GW4-35/1000。5.5电流互感器的选取 110kV侧电流互感器的选取最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑 而，且查出电流互感器LCW-110的额定电压为110kV，额定电流比为(300-600)/5，故初步确定选用的型号为LCW-110的电流互感器，其参数如下表5-1所示。表5-6LCW-110的电流互感器参数型号额定电流比/A准确度级次额定二次负荷10%倍数0.513D二次负荷倍数LCW-1101-1.22.4-1.215短路热稳定性校验因为，故满足热稳定性。短路动稳定性校验显然，满足动稳定性。(2)27.5kV侧电流互感器的选取最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑而，由表5.7查出电流互感器LCW-35的额定电压为35kV，额定电流比为(15-1000)/5，故初步确定型号为LCW-35的电流互感器，其参数如下表5-10所示。表5-7LCW-35的电流互感器参数型号额定电流比/A准确度级次额定二次负荷10%倍数0.513D二次负荷倍数LCW-3511.22.41.215 短路热稳定性校验 满足热稳定性。短路动稳定性校验满足动稳定性。选用型号为LCW-35的电流互感器。 第6章继电保护6.1继电保护的任务供电系统需迅速地切断故障，并保护系统无故障部分继续运行。当系统出现非正常工作状态时，要给值班人员发出信号，使值班人员及时进行处理，以免引起设备故障。6.2继电保护的要求选择性：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。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。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。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。6.3继电保护的配置变压器保护：主要保护由瓦斯保护和纵联差动保护构成，用于反应变压器上的短路故障。瓦斯保护用于反应变压器油箱内部的短路故障。纵联差动保护既能反应变压器油箱内部的短路故障，也能反应油箱外引出线及母线上的短路故障。主要保护为瞬时动作且动作后变压器各侧断路器均跳闸，变压器退出运行。后备保护由过电流保护、变压器外部短路故障的电流保护和辅助性保护构成。其中辅助保护动作后，只发出相应信号，不跳闸。牵引网保护：主保护为距离保护，后备保护拟采用电流增量保护为主后备保护，并采用电流速断保护、反时限过电流保护、过热保护为辅助后备保护构成完整的保护系统。输电线路的继电保护：按照保护动作原理分为纵联电流差动保护和方向比较式纵联保护。线路纵联保护是利用某种通信通道将线路两侧的电气量（电流、电流的相位、功率方向等）纵向联系起来，将线路一侧的电气量信息传到另一侧去，将两侧的电气量同时比较形成的保护。第7章 并联电容器补偿7.1并联电容器的作用（1）提高系统的功率因数。（2）改善电力系统电压质量，提高牵引变电所牵引侧的母线电压。（3）减少电力系统电能损失。（4）吸收谐波电流，具有滤波作用。（5）减小负序分量，降低不对称度。7.2并联电容的主接线 由于本次课程设计的任务书中说明为BT供电方式，故采用图7-1所示的接线形式。 图7-1 并联电容主接线7.2并联电容补偿装置计算计算条件：补偿前，牵引侧，牵引变压器高压侧，补偿后，牵引变压器高压侧，并联电容补偿装置的补偿度a=0.12-0.13。牵引变电所负荷平均有功功率： 无放倒要求时，需补无功容量：安装无功容量： 其中：取34kv 选用CY-1-20型号的电容器，额定电压1kV，容量20kvar。 则，串联电容器单元数n：并联电容器单元