毕业设计论文 论文

兰州交通大学本科毕业设计（论文）摘 要牵引变电所作为牵引供电系统中的重要环节，起到接受、分配电能的作用，对电气化铁道的安全可靠运行有重要影响。电气主接线是变电站的主体部分，反映出牵引变电所的结构与功能。主接线的确定对牵引变电所配电装置布置、电气设备选择、继电保护的配置等都有重大影响。本设计是兰新二线陈家湾牵引变电所主接线设计，该变电所采用AT供电方式，引入两路330kV电源线路。通过对变电所的技术资料分析，在设计时，首先进行电气主接线方式的选择，并对不同的主接线方案进行可靠性、灵活性比较，确定主接线，运用AutoCAD软件绘制主接线图；第二，进行主变压器容量的计算并选择主变压器；第三，进行短路电流计算，对断路器、隔离开关、互感器等相关一次设备选型并校验；最后进行防雷保护及接地装置的设计，主要为避雷器的配置。本设计参考了相关设计手册电气化铁道设计手册-牵引供电系统，设计完全符合规范，能够满足铁道运行要求。关键词：牵引变电所；电气主接线；三相短路计算；设备选型- I -AbstractTraction substation as an important part of the traction power supply system, play to accept the role of the distribution of electricity, the entire electrified railway safe and reliable operation has a direct impact. Electrical main wiring is the main part of the substation, reflecting the traction substation of the basic structure and function. The determination of the main wiring has a significant impact on the selection of electrical equipment for traction substation, the arrangement of power distribution units, and the configuration of relay protection. The design is the new line of the second line of Chenjiawan traction substation main wiring design, the substation using AT power supply, the introduction of two 330kV power lines. Through the analysis of the technical data of the substation, at the time of design, the selection of the main main wiring mode is carried out, and the main wiring scheme is compared with each other, and the main wiring is determined by AutoCAD software; Second, the main transformer capacity calculation and select the main transformer; Third, the short-circuit current calculation, the circuit breaker, disconnector, transformer and other related equipment selection and calibration; Finally, the lightning protection and grounding device design, mainly for the arrester configuration.The design reference to the relevant design manual electrified railway design manual - traction power supply system, designed to meet the specifications to meet the railway operation requirements.Key Words: Traction substation, Main wiring, Short-circuit current calculation, Equipment selection- III -目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1工程背景11.2 设计要求11.3 设计依据11.4 设计内容12 主接线设计32.1 主接线的形式32.1.1 单母线接线32.1.2 分段单母线接线42.1.3 线路-变压器组单元接线42.1.4 桥形接线52.2 牵引侧主接线52.3 主接线方案分析72.3.1 330kV侧主接线的选择72.3.2 27.5kV侧主接线的选择72.4 主接线图73 牵引变压器的容量计算与选择83.1 牵引变压器的选择83.2 备用方式83.3 牵引变压器的容量计算及选择84 短路计算144.1 线路阻抗计算144.2 330kV进线短路电流计算154.3 27.5kV侧短路电流计算165 电气设备的选型185.1 母线的选型与校验185.1.1 330kV侧母线的选择185.1.2 27.5kV侧母线的选择195.2断路器的选型与校验215.2.1 330kV侧断路器的选择215.2.2 27.5kV侧断路器的选择225.3隔离开关的选型与校验225.3.1 330kV侧隔离开关的选择225.3.2 27.5kV侧隔离开关的选择235.4互感器的选型与校验235.4.1 330kV侧电流互感器的选择235.4.2 27.5kV侧电流互感器的选择245.4.3 330kV侧电压互感器的选择245.4.4 27.5kV侧电压互感器的选择246 防雷设计256.1 防雷保护设计256.1.1 变电所遭受雷击的原因256.1.2 变电所防雷原则256.1.3 变电所防雷措施256.2 接地装置设计266.2.1 接地网设置原则266.2.2 防雷接地26结 论27致 谢28参考文献29附录A 设计图纸30兰州交通大学本科毕业设计（论文）1 绪论1.1工程背景陈家湾牵引变电所因其在电力系统中的重要地位，对兰新高铁的发展起十分重要的作用。牵引变电所的设计是否合理，对于铁路运量的增加，电力系统可靠性与经济性的提高息息相关。牵引变电所接收从电力系统传输的电能，经变压器降压、配电系统的分配，将其输送至牵引网，电力机车通过接触网获得电能，再转化为机械能，驱动列车。电气主接线明确、清晰的反映出变电所设计中主要的设备以及设备的具体规格、型号、技术参数等，为我们直观的呈现整个牵引变电所的大致框架。通过电气主接线，可以了解到牵引变电所设施的规模大小、设备情况等，使设计思路更加清晰，敏捷。1.2 设计要求(1) 大量查阅文献，熟悉设计内容并掌握设计方法；(2) 设计的主接线运行可靠、灵活；(3) 使用标幺值进行短路计算作为设备选型的依据；(4) 选择的电气设备在任何工作状态下保持安全运行；(5) 在平面图基础上，进行防雷防雷设计与接地装置选型；1.3 设计依据(1) 国家现行的一些设计标准及规范：高速铁路设计规范（试行） (TB 10621-2009)铁路电力牵引供电设计规范 (TB 10009-2016)电气化铁道设计手册-牵引供电系统(2) 牵引供电计算资料；(3) 其他相关设计规范。1.4 设计内容通过阅读资料与牵引变电所主接线平面设计相关的技术原则和设计规范，完成以下工作：(1) 变电站一次接线的设计，对各方案进行综合性的分析与比较，设计出合理的电气主结线；(2) 进行主变压器的容量计算，主变压器的选择十分重要，它将三相330kV电力降压为227.5kV电力，选好主变压器之后才能进行短路计算；(3) 进行短路计算，对进行短路计算，使设备的动稳定和热稳定校验有据可依，设备能够安全可靠的运行；(4) 电气设备的选择和校验，通过短路计算结果选择设备并进行设备校验。包括电压、电流互感器、母线、断路器、隔离开关等一次设备；(5) 防雷接地装置的设计；(6) 电气主接线图的绘制。2 主接线设计电气主接线是接受和分配电能的电路，也是电力系统网络结构的重要组成部分。变电所的主接线，应该根据变电所在电力网络中的地位、出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定。概括的说，对电气主接线的基本要求，主要包括安全、可靠、灵活、经济等方面。安全包括人身安全及设备安全。一次接线应当正确选择电气设备，采取相关安全措施，符合国家有关标准技术规范要求。可靠是指一次接线需符合一、二级负荷的供电可靠要求，其余接线方式、设备的技术性能等因素有关。故障几率越小，停电的时间及范围越小，可靠性就越高。灵活是用最少的操作适应不同的运行方式，例如电源线路备用方式，将对供电可靠性的影响降至最小。另外，还应当能够满足扩建要求。经济是指一次接线在满足可靠、灵活的前提下，尽可能的做到简化接线费用最少。可靠性与经济性往往相互矛盾，需协调两者的关系。2.1 主接线的形式2.1.1 单母线接线图2.1 单母线接线单母线接线图如图2.1所示，该图为两路进线一用一备的情况。这种接线方式的所有电源进线与引出线都接在同一组母线W上。为便于投入与切除，每一路进出线上装设断路器QF，并设有继电保护装置方便在故障时跳闸。紧靠母线一侧装设隔离开关QS，方便线路检修。优点是接线简单、清晰、设备少、操作方便、配电装置费用低，有利于扩建等。其主要缺点是不够可靠、灵活，若母线故障或检修，会造成所有出线停电。另外，在出现断路器检修期间，该回路必须停止工作。2.1.2 分段单母线接线分段单母线接线图如图2.2所示。用断路器将母线分段，使供电更加可靠、灵活，既保留了单母线接线的优势，又在一定程度上对它进行了改善。这种接线的特点是运行方式灵活，设备检修方便，线路或主变压器故障时互不影响。图2.2 分段单母线接线2.1.3 线路-变压器组单元接线该接线方式属于无母线接线的一种，即电源与变压器之间无母线连接。这种接线方式的优点是简单、设备少、费用低，在有两路电源进线和两台主变压器的情况下，可适当采用双回线路-变压器组单元接线，满足一、二级负荷的供应需求，且可靠性得到提升。缺点是任一变压器或电源进线发生故障，该回路其余元件退出工作状态，不能充分利用设备。2.1.4 桥形接线内桥接线如图2.3所示，它的特点是用一断路器在两台变压器一次侧进线处连接两回线路，桥路靠近变压器侧。这种接线能使变压器和电源线路得到充分利用，如变压器T1发生故障，可切除T1，电源1、2并列运行为T2供电，降低线路中的电压损失和能耗。由于线路故障远多于变压器故障，所以，内桥接线在牵引变电所接线中获得了广泛的应用。图2.3 内桥接线内桥接线电源线路投入与切除十分方便，但变压器故障操作较复杂，任一条线路故障或检修，都不对变压器工作产生影响，因此该接线适和不经常对变压器进行切换的情况。2.2 牵引侧主接线上述电气主结线形式对牵引侧也适用，但考虑牵引负荷的特点，对电气接线采取针对性措施，有效的保证电力系统可靠、灵活的供电。由于接触网无备用，且故障概率比一般架空输电线路更高，因此牵引侧电气接线对断路器的要求高于一般电力负荷。在牵引侧主接线的设计中，牵引变压器的种类、接线方式及主变压器的备用方式是重要的考虑因素，采用移动备用时，与移动变压器的接入方式有关。与馈线数目、电气化铁路的年运量、单线或复线以及电力机车段和地区负荷的供电要求有关。对于牵引侧母线，实践表明牵引侧母线极少发生故障，必须检修母线、母线上隔离开关时，可由邻近变电所越区供电以代替被检修的母线。单线区段100%备用接线如下图2.4所示，这种接线在每路馈线上设有固定备用断路器，考虑真空断路器接触插头的互换性较差，不设移动备用。断路器需要检修时，即由固定备用断路器代替，该接线方式在馈线数量较少时采用，转换操作方便，但投资较大。图2.4 单线区段馈线断路器100%备用的接线50%备用接线如图2.5及图2.6所示，这种接线用于馈线与母线同相的场合，每两路馈线装设一台公共固定备用断路器，通过隔离开关的转换，并实现按单母线分段运行，备用断路器可代替任一馈线断路器，此方式的缺点是隔离开关的转换太繁琐。图2.5 单线区段50%备用的接线图2.6 复线区段50%备用的接线2.3 主接线方案分析2.3.1 330kV侧主接线的选择方案一：采用单母线结线方案二：采用线路-变压器组单元接线方案三：采用内桥结线本设计采用方案二单元接线。2.3.2 27.5kV侧主接线的选择牵引负荷侧采用50%备用接线。2.4 主接线图电气主接线图如附录A所示。3 牵引变压器的容量计算与选择变电所根据电力系统发展规划设计，一般装设2台主变压器。当技术经济合理时，330kV及以上的变电所可装设3-4台主变压器，终端变电所在只有一个电源的情况下，只装设一台主变压器。3.1 牵引变压器的选择牵引变压器的主接线采用单相V,v结线。单相V,v接线以V的方式将两台单相变压器联于电力系统，采用60度接线，以减小电流不对称度，每个变电所由三相系统的两相线电压供电。同时，两供电臂对轨道电压相位不同，因此相邻接触网区段间需采用分相绝缘。优点：对变压器容量充分利用；正常运行时，可供应变电所的自用电和地区三相负载；接线简化，设备少，较为经济；负序影响小于单相接线，可实现接触网双边供电。缺点：当一台变压器需要检修时，另一台须跨相供电，兼供左右两边接触网。在倒闸过程中，正常工作的变压器即承担了故障变压器的供电任务，但这之前牵引网供电会短暂的中断，严重时对行车造成影响。3.2 备用方式备用方式是计算牵引变压器安装容量的主要考虑因素。变压器在发生故障时，备用变压器需尽快投入运行，不致影响铁路正常供电。变压器备用方式分为移动备用和固定备用。移动备用采用移动变压器，其投入时间较长，无法保障铁路正常运输，且增加了牵引变电所的选址难度，建造费用相应提高，不建议在大运量区段使用。固定备用方式投入简洁、快速，主接线简单并克服了移动备用投资高的缺点，在大运量区段得到广泛使用。将四台单相牵引变压器分成两组，每两台一组。考虑到要满足供电的可靠性，两组主变压器，一组运行，一组固定备用。3.3 牵引变压器的容量计算及选择牵引变压器的容量计算过程如下：双线区段各供电臂列车用电平均电流(3.1)上、下行供电臂同时存在的平均列车数(3.2)上、下行供电臂内的列车平均概率(3.3)列车电流间断系数(3.4)各供电臂的平均电流(3.5)根据设计要求，牵引变电所采用双线区段上、下行并联供电，主变压器采用固定备用方式。计算原始资料如下：供电臂1；供电臂2。其中，n表示区间数，N表示计算列车数，表示最大列车数，其他资料如表3.1所述。表3.1 计算原始资料供电臂12列车全部运行时间上行25.227.5下行20.124.4列车用电运行时间上行16.715.8下行15.219.6列车的能耗(kVAh)上行970852下行856967第一步：由式3.1、式3.2、式3.3、式3.4计算供电臂1、2的基本参数供电臂1供电臂2由式3.5计算得两供电臂的平均电流分别为第二步：分别计算供电臂1、2的有效电流(3.6)(3.7)由式3.6、式3.7计算得供电臂1、2的有效电流为第三步：求变压器的计算容量主变压器为单相V,v接线，其计算容量为第四步:求变压器的校核容量与相对应的重负荷侧供电臂列车用电平均概率为根据上述计算可知按双线有上行车或有下行车的概率为由p查“附录图C-5”1可得重负荷臂最大电流为对应于的轻负荷供电臂的有效电流最大容量为校核容量为第三步：求变压器的安装容量变压器允许事故过负荷能力50%，则有固定备用方式下由上述计算可知，因此选用30MVA的安装容量。4 短路计算在对变电所的主接线进行设计时，需要考虑变电所短路故障时的工作状态，这时就要计算可能通过的最大短路电流，以此为依据来选择电气设备。“计算短路电流应在最大运行方式下计算”3，变电所的短路点选取图如图4.1所示。图4.1 牵引变电所简化接线图4.1 线路阻抗计算确定基准值, ,则电力线路电抗标幺值(4.1)电力系统电抗标幺值(4.2)电力变压器电抗标幺值(4.3)计算中选取牵引变电所线路阻抗系数为，线路长度取20km，由式4.1、式4.2、式4.3计算得短路电路中各主要元件的电抗标幺值为4.2 330kV进线短路电流计算基准电流(4.4)三相对称短路电流初始值(4.5)其他三相短路电流(4.6)(4.7)(4.8)三相短路容量(4.9)短路点在k1处时，短路等效电路如图4.2所示。图4.2 k1处短路等效电路图由式4.4得基准电流由式4.5得三相对称短路电流初始值取“冲击系数”3，由式4.6、式4.7、式4.8得其他三相短路电流由式4.9得三相短路容量4.3 27.5kV侧短路电流计算短路点在k3处时，短路等效电路如图4.3所示。图4.3 k3处短路等效电路图由式4.4得基准电流由式4.5得三相对称短路电流初始值取“冲击系数”4，由式4.6、式4.7、式4.8得三相短路冲击电流由式4.9得三相短路容量5 电气设备的选型合理的选择电气设备，评估并计算其承受短路故障能力，是保障电力系统安全可靠运行的必要因素。这些电器应具有的共同性条件有可靠的绝缘；必要的载流能力；较高的通断能力；良好的机械性能；一定的电器寿命。5.1 母线的选型与校验母线常用的材料为铜、铝等，其中，铝母线电阻率低，机械强度高且经济，故选用铝母线，矩形截面散热面积大，冷却效果好。因相关数据不足，导线截面无法按经济电流密度选出，故按最大长期工作电流选择母线的型号。5.1.1 330kV侧母线的选择母线的长期允许工作电流不得低于所在回路各种可能运行方式下的最大持续工作电流，即。校验母线的短路热稳定性查“附表3”5可知，LMY矩形母线的允许载流量为156A，超出最大长期工作电流，故选择此型号的铝母线。母线在最大负荷时的温度式中，为母线最高允许温度，一般为，环境温度为。短路电流计算时间短路电流热效应查“表2-3”4可得。由母线在最大负荷时的温度，在“图5-3”5中查短时发热铝曲线可得再查图“5-3”5，可知短时发热最高温度热稳定性校验满足要求。校验母线的机械稳定性短路冲击电流三相短路时相间电动力母线的计算应力由“表5-2”5查得硬铝的最大允许应力为，比较可得满足机械稳定性。5.1.2 27.5kV侧母线的选择校验母线的短路热稳定性查“附表3”5可知，LMY矩形母线的允许载流量为973A，超出最大长期工作电流，故选择此型号的铝母线。母线在最大负荷时的温度短路电流计算时间短路电流热效应查“表2-3”4可得。由母线在最大负荷时的温度，在“图5-3”5中查短时发热铝曲线可得再查“图5-3”5，可知短时发热最高温度热稳定性校验满足要求。校验母线的机械稳定性短路冲击电流三相短路时相间电动力由“表5-2”5查得硬铝的最大允许应力为，比较可得满足机械稳定性。5.2断路器的选型与校验断路器的作用如下：(1) 高压断路器可在设备检修时，通过与隔离开关配合进行倒闸作业，改变系统运行方式。(2) 断路器可与继电保护配合，快速切除故障设备。(3) 断路器具有极强的灭弧能力，能够开断短路电流，故须进行额定开断电流校验。5.2.1 330kV侧断路器的选择选用SW6-330I型号的高压少油断路器，参数如表5.1所述。表5.1 高压断路器技术参数型号额定电压/kV额定电流/A额定开断电流/kA动稳定电流/kA4s热稳定电流/kASW6-330I330150031.58031.5额定电压：，满足校验需求。额定电流：，满足校验需求。额定开断电流：，满足校验需求。动稳定校验：，满足校验需求。热稳定校验：，满足校验需求。5.2.2 27.5kV侧断路器的选择选取ZN-27.5型号的真空断路器，断路器参数如表5.2所述。表5.2 断路器技术参数型号额定电压/kV额定电流/A额定开断电流/kA动稳定电流/kA4s热稳电流/kAZN-27.527.51250163010额定电压：，满足校验需求。额定电流：，满足校验需求。额定开断电流：，满足校验需求。动稳定校验：，满足校验需求。热稳定校验：，满足校验需求。5.3隔离开关的选型与校验隔离开关属于高压开关的一种，它没有专门的灭弧装置，在分闸状态下有明显断口，极易确定是否断电。在变电所中，隔离开关主要配合断路器进行倒闸操作以使有关电气设备按需要在运行、备用及检修三种状态间转换；在设备检修与分段时用作电气隔离。隔离开关配用手动或电动操动机构。5.3.1 330kV侧隔离开关的选择选择GW7-330型号的户外隔离开关，参数如表5.3所述。表5.3 高压隔离开关技术参数型号额定电压/kV额定电流/A动稳定电流/kA4s热稳电流/kAGW7-330330160010040额定电压：，满足校验需求。额定电流：，满足校验需求。动稳定校验：，满足校验需求。热稳定校验：，满足校验需求。5.3.2 27.5kV侧隔离开关的选择选取GW2-27.5型号的户外隔离开关，技术参数如表5.4所述。表5.4 隔离开关技术参数型号额定电压/kV额定电流/A动稳定电流/kA5s热稳电流/kAGW2-27.527.512506325额定电压：，满足校验需求。额定电流：，满足校验需求。动稳定校验：，满足校验需求。热稳定校验：，满足校验需求。5.4互感器的选型与校验牵引变电所中装设的电压互感器将高电压变为标准低电压100V，电流互感器将大电流变为标准小电流1A或5A，这两种宜用互感器在变电所中的作用是测量变电所进、出线的电压、电流参数并配合继电器保护电气设备；隔开高压设备与测量仪表，保护人身安全与二次设备；便于装设标准化的仪表。5.4.1 330kV侧电流互感器的选择选择LB1-330W1型号的电流互感器，技术参数如表5.5所述。表5.5 电流互感器技术参数型号额定电流比准确级组合3s短时热稳电流/kA动稳定电流/kALB1-330W1600/10.2s/0.5/5P40100额定电压：，满足校验需求。额定电流：，满足校验需求。动稳定校验：，满足校验需求。热稳定校验：，满足校验需求。高压侧装设8组电流互感器，其中1组计量，准确级为0.2s；1组测量，准确级为0.5；1组电流保护，1组过负荷保护，2组后备保护，2组差动保护，准确级均为5P级。5.4.2 27.5kV侧电流互感器的选择选取LQZT-27.5型号的电流互感器，其技术参数如表5.6所述。表5.6 电流互感器技术参数型号额定电流比准确级组合3s短时热稳电流/kA动稳定电流/kALQZT-27.51000/50.5/5P35110额定电压：，满足校验需求。额定电流：，满足校验需求。动稳定校验：，满足校验需求。热稳定校验：，满足校验需求。这一侧装设4组保护，1组测量，准确级数为0.5；1组后备保护，2组差动保护，准确级均为5P。5.4.3 330kV侧电压互感器的选择选择TYD-330型号的电压互感器，参数如表5.7所述。表5.7 电压互感器技术参数型号额定电压/kV准确级额定容量/VA5.4.4 27.5kV侧电压互感器的选择选取JDJ-27.5型号的电压互感器，参数如表5.8所述。表5.8 电压互感器技术参数型号额定电压/kV剩余绕组电压准确级额定容量/VA最大容量/VA绝缘形式JDJ-27.527.5/0.10.1/30.55002000油浸单相式瓷套6 防雷设计6.1 防雷保护设计变电所发生雷击事故，会造成大面积停电，严重危害社会生产。为了保证电力系统能够安全运行，应该根据被保护物的重要性的不同，对于直击雷、雷电感应及雷电侵入波采取防雷保护措施。因此变电所采用的防雷措施必须安全可靠。6.1.1 变电所遭受雷击的原因设备的绝缘通常处于电网额定电压的作用下，但变电所遭受雷击后，系统某些部分的电压会远大于正常状态下的数值，变电所的雷击有两种：一是雷电直击变电所电气设备；二是架空线路的感应过电压与直击雷过电压形成雷电波，沿着线路侵入变电所。6.1.2 变电所防雷原则变电所的防雷分为三道保护，这三道保护相互配合。第一道保护是把雷电流引入地下泄散，称为外部保护；第二道保护阻塞沿着电源线引入的过电压波，称为内部保护；第三道保护限定了被保护设备的浪涌过电压幅值，称为过电压保护。6.1.3 变电所防雷措施变电所对直击雷的防护措施是架设避雷针，对侵入波的主要防护措施是安装阀型避雷器。装设避雷针时应让所有设备处 于避雷针的保护范围内，对于35kV变电所，要保护室外设备，须装设独立的避雷针。独立避雷针及其接地装置与被保护的电缆之间的距离不可小于5m，接地网和独立避雷针之间的地下距离不可小于3m，接地电阻不能大于10；对于110kV及以上电压等级的变电所，由于配电装置绝缘水平比较高，可直接在配电装置的架构上架设避雷针。雷击输电线路的概率远远大于雷击变电站，故沿线路侵入的雷电波更常见。避雷器接在变电站的母线上，使所有设备得到可靠保护。高压侧选用YH10W-300/727型号的避雷器，主变压器中性点保护选择FCZ-330型号的磁吹阀式避雷器，27.5kV侧选用YH5WT-40/20型号的氧化锌避雷器。避雷器参数如下表6.1所述。表6.1 电压互感器参数型号系统额定电压/kV避雷器额定电压/kV冲击放电电压/kVYH10W5-300/727330300727YH5WT-40/12027.5401206.2 接地装置设计接地是保障电气系统、电气设备正常工作以及故障情况下人身和设备安全的重要技术措施。接地设计师电气化铁道供变电工程的重要组成部分，牵引变电所接地装置的好坏