西南交大2007级牵引变电所课程设计孙吉

第22页西南交通大学课程设计目 录第1章 牵引变电所设计原则及要求11 概述112 电气主接线设计依据213 电气主接线基本要求314 原始资料的收集与分析515 主变压器型式、台数及容量的选择516 主接线方式选择与技术经济比较5第2章 牵引变电所电气主接线图设计说明.7第3章 短路计算.831短路计算的相关概念,目的.832线路的短路计算.8第4章 高压电气设备选择及校验1041母线的选择和校验1142支柱绝缘子和穿墙导管的选取1343高压断路器的选择1544隔离开关的选择1645高压熔断器的选择.1746互感器的选择1847避雷器的选择19参考文献后记电气设备一览表附图：供变电系统主接线图第1章 牵引变电所设计原则及要求11概述供电系统牵引变电所等供电装置电气主接线的设计是铁道电气化设计的重要组成部分。它是关系到供电系统及其装置主要电气设备的部署、运行方式以及对铁路其它设施综合供电方式的全局性问题；也牵涉到电气化区段整个供电系统和供电装置运行的可靠性、灵活性和经济性问题。从提高供电质量、保证运行安全可靠的要求出发，在调查研究的基础上分析各种原始资料，根据具体情况或技术经济方案比较，以确定合理的电气主接线方案。牵引变电所电气主接线也是构成电力系统的重要环节。它是指由主变压器、断路器、隔离开关等各种电器元件及其连接导线所组成的接受和分配电能的电路。它反映出牵引变电所的基本结构和功能。在运行中，它能表明电能的输送和分配的关系以及变电所一次设备的运行方式，成为实际运行操作的依据。在设计中，主接线的确定对电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备的选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案。1、2电气主接线设计依据在选择电气主接线时的设计依据：1、 变电所在电力系统中的地位和作用电力系统中的变电所有系统枢纽变电所、地区重要变电所和一般变电所三种类型。一般系统枢纽变电所汇集多个大电源，进行系统功率交换和以中压供电，电压为330500KV；地区重要变电所，电压为220330KV；一般变电所多为终端和分支变电所，电压为110KV，但也有220KV。2、 变电所的分期和最终建设规模变电所根据十几年电力系统发展规划进行设计。一般装设两台主变压器；当技术经济比较合理时，330500KV枢纽变电所也可装设34台主变压器；终端或分支变电所如只有一个电源时，可只装设一台主变压器。3、负荷大小和重要性 对于一级负荷必须有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。 对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电。4、系统备用容量大小 装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台事故断开，其余主变压器的容量应保证该所70%的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证一级和二级负荷。 系统备用容量的大小将会影响运行方式的变化。例如：检修母线或断路器时，是否允许线路、变压器停运；故障时允许切除的线路、变压器的数量等。设计主接线时应充分考虑这个因素。5、系统专业对电气主接线提供的具体资料 出线的电压等级、回路数、出线方向、每回路输送容量和导线截面等。 主变压器的台数、容量和型式；变压器各侧的额定电压、阻抗、调压范围及各种运行方式下通过变压器的功率潮流。各级电压母线的电压波动值和谐波含量值。 电容补偿装置和电抗器等型式、数量、容量和运行方式的要求。 系统的短路容量或归算的电抗值。注明最大、最小运行方式的正、负、零序电抗值，为了进行非周期分量短路电流计算，尚需系统的时间常数不或电阻、电抗值。 变压器中性点接地方式及接地点的选择。 系统内过电压数值及限制内过电压措施。 为保证大系统的稳定性，提出对大机组超高压电气主接线可靠性的要求。 初期及最终变电所与系统的连接方式及推荐的初期和最终主接线方案。1.3电气主接线设计的基本要求电气主接线应满足可靠性、经济性和灵活性三项基本要求：1、可靠性牵引供电系统首先应可靠地保证对电力牵引负荷和地区负荷供电的要求。由于牵引负荷为一级负荷，中断供电将造成运输阻塞，在经济上、政治上的影响很大，除了用双回输电线或环形电源供电外牵引变电所应在电路转换，设备检修和事故处理等情况下保证可靠的供电。对于地区负荷应根据用户的重要程度，容量与馈电回路数量来考虑相应的结线型式。其具体要求如下： 断路器检修时，不宜影响对系统的供电。 断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。 尽量避免变电所全部停运的可能性。 大机组超高压电气主接线应满足可靠性的特殊要求。2、经济性在满足可靠性的基础上，就要考虑经济性。尽量减少投资和运行费用（即维修和能耗费）。经济性主要决定于主接线母线的形式与套数（一套或两套等），断路器的数目以及机配电装置结构的型式，后期的维护、改造和管理等。、主接线应力求接线简单、明显，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备。、要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。、要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。、如能满足系统安全运行及继电保护要求，110KV及以下终端或分支变电所可采用简易电器。、主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少。、经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量，要避免因两次变压而增加电能损失。此外，在系统规划设计中，要避免建立复杂的操作枢纽，为简化主接线，变电所接入系统的电压等级一般不超过两种。3、灵活性主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性，保证运行灵活、检修维护安全方便。、调度时，应可以灵活地投入和切除变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故时运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。、检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电。、扩建时，可以容易地从初期接线过度到最终接线。在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装机组、变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次部分的改建工作量最少。总的来说，对主接线的要求主要是可靠性和经济性两个方面。在主接线设计中，为了提高供电的可靠性并在检修和维护设备时保证工作人员的安全，有时必须增加一定数量的电气设备，如为了检修断路器时的安全而又不致中断供电，必须设有备用断路器及其转换电路。但是过多的增加设备，会影响主接线的经济性，而且由于设备增多，操作转换步骤趋于繁琐，也会增加产生事故的可能性，以致降低主接线的可靠性。，同样，在经济性方面，必须是在保证可靠性的前提下考虑经济性问题。而过分的强调减少设备、节约投资，往往会降低可靠性，其后果是反而是不经济的。因此，要正确处理可靠性和经济性的关系，必须从实际出发，根据具体条件和要求，在电源与电力系统的组成及其运行方式、牵引变电所与系统的联系（有无功率通过一次母线）、保护自动化技术的应用、主变压器类型、接线方式和备用方式，以及电气化铁路的年运量和发展远景等方面，做出综合分析和比较方案，以期得到合理的主接线结构。 1.4 原始资料的收集与分析牵引变电所等供电装置主接线设计的原始资料主要包括：电源与电力系统供电的情况；供电本身的设计规模与发展；供电系统供电方式和主变压器接线方式；控制调度方式；现场场地的自然情况；地区供电负荷的情况等。1、电源与电力系统供电状况、系统容量的近期与远期发展规划、对牵引变电所的供电方式、与电压等级中心牵引变电所在系统中的地位，短路计算资料以及有无地方独立电源作为操作控制电源。2、牵引变电所等供电装置的规模与发展要求，运量大小和邻近线路电气化的可能性，供电计算提供的牵引变压器容量、馈线负荷计算资料、牵引供电系统供电方式和主变压器的接线形式及其备用方式，接触网分段及其接线情况，供电系统急装置的调度控制方式，自动化程度与-调压、电容补偿要求。3、对变电所场地等进行现场调查与踏勘，了解地形条件、进出线位置，交通及铁路岔线出线情况，馈线数目、当地的气象、水文资料、雷电活动与土壤电阻系数等资料。4、地区负荷情况，包括铁路企业、枢纽站以及牵引变电所邻近的工业企业、农村用户的供电容量、电压等级以及负荷性质，出线回路、供电的重要程度、功率因数和负荷的同时系数等，地区负荷容量及电压等级对确定主变压器型式和主接线结构有重要作用。此外，对电气设备产品的技术特性，特别是主变压器、断路器和避雷器等的特性和类型进行初步选型落实，也是主接线设计中原始资料的一个组成部分。1.5主变压器型式、台数及容量的选择主变压器是供电系统和牵引变电所的重要电气设备，它的类型和结构是由整个供电系统和供电方式技术经济设计方案的全面比较确定的。按照对电气主接线的构成产生影响的情况，不同主变压器的类型和台数一般考虑不同。主变压器总容量的选择按设计规程的计算条件，通过供电系统的电计算进行。1.6主接线方式选择与技术经济比较由于牵引变电所电气主接线的结构比较复杂，它是由一次电压侧、牵引负荷侧和地区（或区域）负荷侧的各部分接线组成的。其他供电装置的电气接线都较简单，因此，重点分析牵引变电所电气主接线的选择问题。确定牵引变电所各电压接线应考虑的原则与因素，以及基本接线方式选择应用的场合，归纳为以下几点：1、一次侧接线方式，考虑牵引变电所与电力系统的连接方式，当用双回路专用输电线供电时，较多的采用双T接线，在环网供电回路中采用桥型接线，另一方面，牵引变电所在系统中的作用和地位不同，接线方式也不同。但遇到线路发生故障时有穿越功率通过，则对电气接线的可靠性要求更高。2、电压等级、进线（出线）数量与断路器的备用方式：电压越高、传输功率越大；进（出）线数量越多，供电的面越广都对母线系统可靠性的要求越高。线断路器达到一定数量时，由于断路器跳闸若干次后检修的概率增大，为解决断路器检修备用问题，需采用较复杂的母线系统。因而，对110220KV系统，在进（出）线为三回路时采用单母线分段的电气接线，四回路以上则采用单母线带旁路母线的接线方式。牵引负荷系统，馈线在三回路以上，以采用单母线带旁路母线的接线为宜。3、地区或区域负荷的容量大小和重要程度对电气主接线的影响也很大，地区负荷容量较小时地区变压器可直接由牵引母线供电，容量较大时则采用三绕组变压器供电。 在选择牵引变电所主接线以及主变压器型式、台数和地区负荷供电方式的过程中，通常可以提出若干个不同的接线方案，通过技术经济上的比较分析，再集中少数几个能同时满足运行要求、技术上最合理的方案，进行全面的技术经济比较，才能得到正确的结论。 第2章 牵引变电所电气主接线图设计说明牵引变电所D、E、F由乙站供电。正常运行时，110kV线路在E所内断开，不构成闭合环网。E所内的牵引变压器正常运行时，接入由D所送来的电源线L8上，L8故障时可转接至F所由L9供电。D、F所均可能有系统功率穿越。但正常运行时，F所无系统功率穿越。D所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。所用电有地方10kV可靠电源。由于高压侧要求有电压监视，低压侧要求计费，故低压（二次）侧需设电压互感器，高压侧同样需设电压互感器，按正常运行方式选择变压器容量。因D所可能有系统功率穿越，并且还向E所供电，所以选用桥型结线方式的电气主结线。该主结线图高压侧采用外桥结线，两回进线中，采用一回主供，一回备用。变压器采用两台三相主变压器，其绕组联结形式为YN/接线阻抗匹配平衡变压器，二次绕组有一相接地并与钢轨连接。由于该变电所的供电方式是单线双边供电，馈线数目较少，每相只有两条馈线，考虑到经济性，牵引负荷母线单母线不分段接线方式，但为了保证馈线供电的可靠性，采用50%备用断路器馈线接线方式，每回馈线接两台断路器，一台运行，另一台备用。每个分段母线都设有单相电压互感器和避雷器，以便某分段母线检修或故障停电时，它们不致中断工作。该牵引变电所的运行方式如下：1）一次侧两路110KV进线，一路工作，一路备用，变压器相同，1B工作，2B全备用。当110KV进线1发生故障时，只需合上外跨桥上的隔离开关。1B发生故障时，若采用110KV进线1工作，也合外跨桥上的隔离开关。设备的检修相同。2）二次侧当变压器发生故障或检修时，合上分段母线上相应的隔离开关，27.5KV的馈线能继续工作。断路器及其他设备发生故障或检修相同。但馈线上的断路器采用50%的备用，所以该断路器发生故障或检修时，只需合上另外一个。第3章 短路计算3.1短路计算的相关概念,目的所谓短路,是指供电系统正常运行情况外的，导电相与相或相与地之间负荷支路被旁路的直接短路或经过一个很小的故障点阻抗短接，其主要内容是确定短路电流的大小，即最大短路电流的大小。短路计算的目的，是通过短路过程的研究及计算短路电流的量值，从而达到供电系统合理设计和安全可靠运行的重要因素。3.2线路的短路计算因短路计算的主要内容是确定最大短路电流的大小，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。电力系统网络接线图：如图31 图31短路电流按最大运行方式来计算, 系统电路简化图如图32： 图32 电路简化图取110KV侧点发生短路，短路回路总阻抗为：周期分量有效值为：若取时，电路中最大冲击电流为Kch冲击系数短路电流最大有效值为处短路时，即处短路：周期分量有效值为：若取时，电路中最大冲击电流为短路电流最大有效值为侧额定电流：侧额定电流：短路计算值如下表31： 表31 短路计算值额定电流短路电流冲击电流最大短路电流有效值侧78.73703.118771132侧314.91487.637552223对环境校核：海拔h1000m，I级污秽地区，盐密0.1毫克/厘米2，最高环境温度+40考虑，所以所有参数可以直接引入计算。第4章 高压电气设备选择及校验4.1母线的选择和校验一、侧母线的选取：1.按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑：由附表3查出铝母线的允许载流量为156A，大于最大工作电流102.4A，故初步确定选用截面的铝母线。表41 153铝母线规格导体尺寸hb单 条平 放竖 放1531561652.校验母线的短路热稳定性短路电流计算时间短路电流热效应由得，所以 所以由，从图中查得则由得：再由，查得，而 (见表6.1)，即：，满足热稳定性要求。所以应选择153的软铝母线。（二）27.5KV侧母线的选取：1、按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑由附录二表3查出铝母线的允许载流量为456A，大于最大工作电流409.4A，故初步确定选用截面的铝母线。2.校验母线的短路热稳定性要求短路最终温度，应先求出起始温度，根据，利用曲线，找出对应的值，再由求出，再次利用曲线找出对应的。短路电流计算时间短路电流热效应由查汽轮发电机计算曲线，可得：，所以 由，从图中查得则由得：再由，查得，而 (见表6.1)，即：，满足热稳定性要求。所以应选择404的铝母线。3.校验母线的机械稳定性设母线采用水平排列平放，已知：a=40cm，l=120cm，h=40mm，b=4mm则三相短路时的相间电动力为母线平放及水平排列时，其抗弯模量为：母线的计算应力为：由表6.4铝母线的允许应力为，即：，满足机械应力稳定性要求。故最后确定选择截面为的铝母线。表42 母线选取型号及最大工作电流母线型号(A)三相短路时的相间电动力110KV102.47.31727.5KV409.44.2支柱绝缘子和穿墙导管的选取支柱绝缘子与穿墙套管在配电装置中用以固定母线和导体，并使导体与地或与已处在其它电位下的设备绝缘。所以支柱绝缘子与穿墙套管应具有足够的电强度和机械强度，并能够热。屋外用的支柱绝缘子和窗墙套管应具有防潮和湿闪耐压的能力，以及在污秽区应符合防尘和加强绝缘泄露比距的要求。选择时首先应根据使用地点和电压等级污秽等级确定它们的类型和型号。对于穿墙套管，由于有导体在其中贯穿，应按最大长期工作电流选择导体截面，并与选择母线的方式相同进行短路时热稳定和机械稳定性校验，而支柱绝缘子只须校验短路的机械稳定性。由于牵引变压器安装在室外，而进线是直接接到牵引变压器上的，所以不用穿墙导管，故对于侧只需选择支柱绝缘子而不需要选择穿墙导管。而侧的设备既有安装在室外的也有安装在室内，所以对侧既需要选择支柱绝缘子，也需要选择穿墙导管。一、侧支柱绝缘子的选取：1、按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器侧额定电压考虑，由附录二表11.1查出支柱绝缘子的型号为ZS-110/3，初选破坏荷重为3的支柱绝缘子。2、校验支柱绝缘子的机械强度由于短路时中间相中间位置的绝缘子受力为，故，满足机械稳定性要求。二、侧支柱绝缘子的选取：1、按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器侧额定电压考虑 由附录二表11.1查出支柱绝缘子的型号，初选型号为ZA-35Y的支柱绝缘子。2、校验支柱绝缘子的机械强度由附录二表11.中查得ZA-35Y型支柱绝缘子允许的抗弯破坏荷重为3750N，而短路时中间相中间位置的支柱绝缘子受力为，故能满足要求。三、侧穿墙导管的选取：按最大长期工作电流选择绝缘套管应满足 其中：分别为绝缘套管的额定电流和安装绝缘套管的电路中最大长期工作电流。按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑由附录二表11.1查出穿墙导管的型号，初选型号为CLB-35/600的支柱绝缘子。2、校验穿墙导管的热稳定性由前面选择硬母线处可得，而，所以，故穿墙导管满足热稳定性。表43 支持绝缘子型号及穿墙导管支持绝缘子型号穿墙导管110KV27.5KV4.3高压断路器的选取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性选择断路器的类型与型号、即户内或户外式，以及灭弧介质的种类。交流牵引负荷侧由于故障跳闸频繁，操作次数多，从减少运行维修工作量考虑，本设计侧选用断路器，侧选用真空断路器。一、侧断路器的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑由附录二表6.2查出断路器的型号为，额定电流选取1250A。2、校验短路时的热稳定性由前面选择硬母线处可得，而，所以，故满足热稳定性。所以断路器选取型号为，额定电流为1250A。 二、侧真空断路器的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑由附录二表6.3查出真空断路器的型号为，额定电流选取600A。2、短路关合电流的校验由附录二表6.2查出型号的真空断路器的极限通过电流为，而，所以，满足要求。3、校验短路时的热稳定性由，而，所以，故满足热稳定性。所以真空断路器选取型号为，额定电流选取600A。表44 断路器选取型号110KV断路器27.5KV真空断路器4.4高压熔断器的选取高压熔断器用以切断过负荷电流和短路电流，选择时应首先应考虑装置的种类与形式，由于在所设计的电气主结线中，只有侧才有高压熔断器，所以只需选择侧的高压熔断器。1、按额定电压选择由于，而，所以选择型号为的高压熔断器。2、熔断器开断电流的校验，而，即，满足要求。3、熔断器切断流容量的校验，而，即，满足要求。故选择的高压熔断器。4.5隔离开关的选取隔离开关选择的条件如表45：表45项目名称按工作电压选择按工作电流 选择短路关合电流热稳定校验动稳定校验负荷开关隔离开关 由于在所设计的电气主结线中，侧隔离开关在室外，而侧既有室内的也有室外的，所以对侧只需选择室外的，而侧要选择室内和室外的。一、侧隔离开关的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑而，所以由附录二表9.2查出隔离开关的型号为GW4-110/600。2、校验短路时的热稳定性，所以，故满足热稳定性。所以侧隔离开关的型号为户外GW4-110/600。 二、侧隔离开关的选取1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑而，所以由附录二表9.1查出户外隔离开关的型号为GW2-35G/600，户内隔离开关的型号为GN2-35T/600。2、校验短路时的热稳定性1）、户内隔离开关的校验，所以，故满足热稳定性。所以侧隔离开关的型号为户内GN2-35T/600。 2）、户外隔离开关的校验，所以，故满足热稳定性。所以侧隔离开关的型号为户外GW2-35G/600。 4.6互感器的选取由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流过互感器，因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。一、侧电压互感器的选取由附录二表12查出电压互感器的原线圈额定电压为，副线圈额定电压为，故确定选用的型号为的电压互感器。二、侧电压互感器的选取由附录二表12查出电压互感器的原线圈额定电压为，副线圈额定电压为，故确定选用的型号为的电压互感器。三、侧电流互感器的选取1、最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑， 而，由附录二表13.2查出电流互感器LCW-110的额定电压为，额定电流比为，故初步确定选用的型号为LCW-110的电流互感器。2、短路热稳定性校验，故，满足热稳定