中心牵引变电所的主接线设计.doc

2010级牵引供电课程设计牵引供电课程设计报告书题 目中心牵引变电所的主接线设计院/系(部)电气工程系班 级 学 号 姓 名指导教师完成时间2013年12月20日- 1 -摘 要随着现代经济的迅猛发展，电力机车已经成为出行必不可少的工具。牵引变电所能够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，或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统。通过负荷计算确定牵引变压器的容量、型号、台数。按规定供、馈电容量与要求确定电气主接线图。对短路电流进行计算，包括高压侧输电线的短路计算和变压器低压侧短路计算，根据短路计算结果对主要的一次设备进行选择和校验，对牵引变压器和馈线配置继电保护。对牵引变电所进行防雷和接地设计。本次设计的电气主接线图，高压侧采用单母线接旁路母线的形式，牵引变压器用Vv接线运行，运用Auto CAD绘制出电路主接线图。关键词：主接线 变压器 Vv接线 目 录第1章 课题的设计目的和任务要求11.1 设计目的11.2 设计要求11.3 设计依据1第2章 方案的拟定22.1 变压器的备用形式22.2 牵引变压器容量的选择22.3 牵引变压器型号的选择4第3章 主接线图的设计53.1 电源侧主接线53.1.1 电气主接线图的接线形式53.1.2 电源侧主接线的拟定73.1.3 电源侧主接线的拟定73.2 倒闸操作73.3 牵引侧主接线83.3.1 牵引侧主接线的方式83.3.2 馈线断路器接线方式拟定9第4章短路计算104.1短路计算的目的104.1.1 短路的原因104.1.2 短路的危害104.1.3 短路计算的目的104.2短路点的选取114.3短路计算114.3.1 电力系统计算短路图114.3.2 短路计算11第5章设备的选择145.1电源进线的选择计算145.1.1 电源进线的要求145.1.2 电源进线的选择计算155.1.3 室外110kV进线侧母线的选择155.2 高压断路器的选择165.2.1 高压断路器的选择165.3 电压互感器和电流互感器的选择175.3.1 电压互感器的选择175.3.2 电流互感器的选择175.4 室外110kV母线的选择18第6章 继电保护196.1 继电保护的定义196.2 继电保护基本要求196.3电力变压器继电保护的选择19第7章 电压水平的改善207.1 接触网功率因数低的主要原因207.2 串联电容补偿20第8章 防雷保护21第9章 结论22参考文献23牵引供电课程设计第1章 课题的设计目的和任务要求1.1 设计目的国家铁路为了保证电气化铁道供电安全可靠运行，也要求供电设备最经济的利用，因此选择合适容量的变压器是很有现实意义的。牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的核心部分，它的主要任务是将电力系统输送来的三相高压电转换成适合电力机车使用的电能。而电气主接线反映牵引变电所设施的主要电气设备以及这些设备的规格、型号、技术参数以及连接方式。通过电气主接线可以了解牵引变电所设施的规模大小、设备情况。 1.2 设计要求（1）确定该牵引变电所高压侧电气主接线形式，分析其正常运行时的运行方式。（2）确定牵引变压器的容量、台数及接线方式。（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）设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画出整个牵引变电所的主接线图。1.3 设计依据某牵引变电所位于大型编组站内，向两条双线电气化铁路干线的四个方向供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为20000 kVA(三相变压器)，并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为3200 kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回路(2路备)：两方向年货运量与供电距离分别为 ，。10kV共6回路(2路备)。 供电电源由系统区域变电所以双回路110kV输送线供电，同时110kV侧有四条馈线给地方变电所供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电线距离20km，在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.22；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.25。环境资料：本牵引变电所地区平均海拔为550米，地层以砂质粘土为主，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，年雷暴雨日数为25天，土壤冻结深度为1.2m。第2章 方案的拟定2.1 变压器的备用形式牵引变压器在检修或者发生故障时，都需要有备用变压器投入，以确保电气化铁路的正常运输。在大运量的双线区段，牵引变压器一旦出现故障，应尽快投入备用变压器，显得比单线区段要求更高。备用牵引变压器投入的快慢，将影响到恢复正常供电的时间，并且与采用的备用方式有关。备用方式及外部条件等因素，综合考虑比较确定。从我国的电气化铁路的历史来看，牵引变压器的备用方式有以下两种。（1）移动备用：采用移动变压器作为备用的方式，称为移动备用。优点是牵引变压器的容量比较省，适用于沿线无公路区和单线区段。缺点是不能保证当发生故障时供电持续性。（2）固定备用：采用加大牵引变电所容量或者增加台数作为备用方式。优点每个牵引变电所一般装设两个牵引变压器，一台运行一台备用。每台牵引变压器容量能承担全所的最大负荷，确保铁路的正常运行，其投入快速方便，发挥备用主变压器自动突入装置的功能，可以实现不间断行车的可靠供电，确保铁路的正常运行。适用于沿线有公路的条件的大运量区段。在当前电气化铁路牵引供电系统设计中，牵引变压器的备用方式不在考虑移动备用方式。本次设计也是选用了固定备用方式。2.2 牵引变压器容量的选择已知列车正常情况的计算容量为20000 kVA(三相变压器)，并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为3200 kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回路(2路备)：两方向年货运量与供电距离分别为 ，。10kV共6回路(2路备)。 左供电臂1的最大容量:，取n=3左供电臂2的最大容量:，取n=2 同上右供电臂1的最大容量右供电臂的最大容量，取n=1 安装容量将计算容量和校核容量进行比较并结合采用的固定备用方式选用三相Vv变压器的安装容量为2.3 牵引变压器型号的选择 选用的是牵引变压器36000kVA的Vv接线SF6-QY-20000+16000。变压器参数如表2-1。表2-1 变压器参数 变压器型号 原边/次边 短路电压 额定空载 额定铜耗 额定空载及接线形式 额定电压 百分值 电流 kW 损耗 kW SF6-QY- 110/27.5 10.5% 0.5% 145 28 20000+16000 10.5% 0.5% 第3章 主接线图的设计3.1 电源侧主接线3.1.1 电气主接线图的接线形式电气主接线的接线形式主要有单母线接线，单母线分段接线，带旁路母线的单母线接线，双母线接线和无母线接线。（1）单母线分段接线这种接线，广泛应用在1035kV地区负荷和110kV电源进线回路较少的接线系统。单母线分段接线如图3-1。图3-1 单母线分段接线（2）单母线带旁路母线接线增设组旁路母线W3和一台公共备用的旁路断路器，组成具有旁路母线的单母线接线,使检修出线断路器时不致停电。单母线带旁路母线接线形式如图3-2 图3-2 单母线接旁路母线（3）无母线接线在电气化铁道中，线路故障远比变压器故障多，故内桥接线在牵引变电所应用较广泛。若两回电源线路接入系统的环形电网，并有穿越功率通过桥接母线，桥路断路器(QF)的检修或故障将造成环网断开，为此可在线路断路器外侧安装一组跨条，正常工作时用隔离开关将跨条断开。安装两组隔离开关的目的是便于它们轮流停电检修。内桥接法如图3-3。 图3-3 内桥接法外桥接线的特点与内桥接线相反，当变压器发生故障或运行中需要断开时，只需断开它们前面的断路器QF1或QF2，而不影响电源线路的正常工作。但线路故障或检修时，将使与该线路连接的变压器短时中断运行，须经转换操作后才能恢复工作。因而外桥接线适用于电源线路较短、负荷不恒定、变压器要经常切换（例如两台主变中一台要经常断开或投入的场合），也可用在有穿越功率通过的与环形电网连接的变电所中。外桥接法如图3-4。图3-4 外桥接法 3.1.2 电源侧主接线的拟定单母线接线，单母线分段接线，带旁路母线的单母线接线，双母线接线和无母线接线。各有好处然而中心牵引变电所需要稳定的供电能力采用单母线接旁路母线比无母线接线和当母线分段的供电可靠性更强也比双母线更经济所以电源侧选用单母线接旁路母线的接线方式。3.1.3 电源侧主接线的拟定单母线接线，单母线分段接线，带旁路母线的单母线接线，双母线接线和无母线接线。各有好处然而中心牵引变电所需要稳定的供电能力采用单母线接旁路母线比无母线接线和当母线分段的供电可靠性更强也比双母线更经济所以电源侧选用单母线接旁路母线的接线方式。3.2 倒闸操作如图3-4外桥接线正常运行时，QS7、QF、QS8，其他断路器隔离开关均断开，变压器T1通过L1得电，使得变压器向27.5kV侧输送电能。当需要检修时，假如仍然需要在L1得电，先断开QF1，然后断开QS3和QS5，再闭合QS4，然后合QS6。最后闭合QF，即可满足检修时供电需要。检修结束时，先断开QF2，然后断开QS4和QS6，再断QF,后闭合QS3和QS5，最后闭合QF1，即可恢复正常供电。当L1线路故障需要由L2线路供电时，先闭合QS2，闭合QF，故障线路QF1跳闸，再断开QS1，最后QF2闭合即可满足L1故障时的供电。如L1线路恢复正常，可以先断开QF2、QF，再断开QS2，闭合QS1，最后闭合QF1即可恢复正常供电。由此可以看出采用外桥型接线对于线路发生故障时比较有利，可以在停电瞬间通过互感器自动检测跳开故障线路断路器，然后闭合备用线路断路器，保证线路故障时自动转换开关使牵引变压器继续运行，有利于系统供电的可靠性和安全性。3.3 牵引侧主接线3.3.1 牵引侧主接线的方式27.5 kV侧馈线的接线方式按馈线断路器备用方式不同可分为三种接线方式，馈线断路器100%备用的接线，馈线断路器50%备用方式，带旁路母线和旁路断路器的接线。（1）馈线断路器100%备用的接线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。馈线断路器100%备用如图3-5。 图3-5馈线断路器100%备用（2）馈电断路器50%备用变压器的备用方式是50%，即当上行或下行的变压器故障、检修的时候将备用变压器投入使用，提高了供电的可靠性和铁路运输的效率。在投入使用时先闭合母线上的隔离开关，然后闭合断路器，继而闭合母线侧隔离开关，最后将变压器侧隔离开关闭合，这样就成功将变压器投入使用。缺点是隔离开光倒闸繁琐。馈线电路50%备用式如图3-6。 图3-6 馈线断路器50%备用(3)带旁路母线和旁路断路器的接线一般每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。带旁路母线和旁路断路器的接线如图3-7。图3-7 带旁路母线和旁路断路器接线3.3.2 馈线断路器接线方式拟定选用带旁路母线的断路器经济。因为选用它比馈电断路器50%备用更稳定。比馈电断路器100%备用方便。第4章短路计算4.1短路计算的目的4.1.1 短路的原因供电系统要求正常的不间断的对用电负荷进行供电，以保证牵引网正常不间断供电。然而由于各种原因，也难免出现故障，从而使牵引供电系统的正常运行遭到破坏。系统中最常见的就是故障就是短路。短路就是指不同电位的导电部分包括导电部分对地的低阻性短接，造成短路的原因：（1） 电气设备的损害这种损害由于设备的长期运行、绝缘自然老化造成的。（2） 相关人员的误操作这种情况大多数是由于操作人员违反安全操作规程发生的。（3） 鸟兽危害事故这种情况都是鸟兽跨越在裸露的相线之间或者相线与接地物体之间，或者咬坏设备和导线电缆的绝缘，从而导致短路。4.1.2 短路的危害（1） 短路时要产生很大的电动力和很高的温度，从而使故障元件和短路电路中的其他元件受到损害和破坏，甚至引发事故。（2） 短路时电路的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。（3） 短路时保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路点越靠近电源侧停电范围越大，造成的损失越大。（4） 严重的短路要影响电力系统的稳定性，可以使并联运行的发电机组失去同步造成系统解列。（5） 不对称短路包括单相和两相短路，其产生的不平衡交变电磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生电磁干扰，影响正常的运行，甚至使之发生误动作。4.1.3 短路计算的目的（1）在选择电气设备时，为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，这需要全面的短路计算。（2）在设计屋外高压配电装置时，需按短路计算条件检验软导线的相间和对地的安全距离。（3）在选择几点保护方式和进行整定计算时，需要短路计算提供依据。（4）为了选择切除短路故障的开关器件、整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件等，必须进行短路计算。4.2短路点的选取因短路计算的主要计算式短路电流，所以对一次侧设备的选取一般选取110kV高压侧母线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线侧断路器一般选取27.5kV低压母线侧短路点作为短路计算点。4.3短路计算4.3.1 电力系统计算短路图计算电路图是将短路计算所需考虑的各个元件的额定参数表示出来，将各个元件依次编号，然后确定短路计算点。计算短路图4-1。图4-1 计算短路图4.3.2 短路计算计算电路图转化为等效电路图。其中k-1点为110kV高压母线短路点，k-2点为27.5kV牵引母线短路点。如图4-2。图4-2 短路简化图（1）确定基准值取,，（2） 计算短路电流中个主要元件的标幺值1） 最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.22：最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.25.2） 架空线路的电抗标幺值一只为线路单位阻抗0.4；为线路长度20km； 3）电力变压器的电抗标幺值为变压器阻抗；为为变压器容量。电力变压器的电抗标幺值为：（3）计算k-1点短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 总电抗标幺值1）最大运行方式下的总电抗标幺值2）最小运行方式下总阻抗标幺值三相短路电流周期分量有效值 最大运行方式下 ： 三相短路容量： 最小运行方式下： 三相短路容量： （4）计算k-2点短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值1）最大运行方式下 2） 最小运行方式下 三相短路电流周期分量有效值 最大运行方式： 三相短路容量： 最小运行方式 三相短路容量： 短路计算表如表4-1。 表4-1 短路计算 最大运行方式 K-1 1.79 1.79 1.79 4.56 2.70 357最大运行方式 K-2 3.67 3.67 3.67 9.36 5.54 175最小运行方式 K-1 1.62 1.62 1.62 4.13 2.45 322最小运行方式 K-2 3.50 3.50 3.50 8.93 5.29 167 第5章设备的选择5.1电源进线的选择计算5.1.1 电源进线的要求为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线时必须满足一下几个条件：（1） 发热条件 导线通过最大的负荷电流即计算电流时产生的发热温度，不应超过正常运行时的最高允许温度。（2） 电压损耗条件 导线通过最大负荷电流即计算电流时产生的电压损耗，不应该超过其正常工作运行时允许的电压损耗。（3） 经济电流密度 35kV以上的高压线路及35kV以下的长距离、大电流线路用经济电流密度计算。（4） 机械强度 导线的截面积不应小于最小允许截面。5.1.2 电源进线的选择计算因为35kV侧需要按照经济电流密度来选择，有因为牵引变电所需要长时间不间断供电，所以其年最大有功利用小时数为8760h查表得到110kV侧电源进线的型号选择（1）选择经济截面按照经济电流密度计算经济截面环境温度40选择标准截面积为120mm，即选择LGJ-120型钢芯铝线。（2） 校验发热条件查附录表得LGJ-120的允许载流量116.4.因此满足发热条件。（3） 机械强度校验查表得架空铝线最小截面积满足机械强度要求。27.5kV侧电源进线的型号选择按照经济电流密度计算经济截面环境温度40选择标准截面积600mm，即选择LGJ-600型钢芯铝线。（3） 校验发热条件查附录表得LGJ-600的允许载流量487.因此满足发热条件。5.1.3 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，并以最大长期工作电流方式来选择为宜。母线长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑。经计算： 经查表得LGJ-70/40型钢芯铝绞线的允许载流量为340A（基准环境温度为25摄氏度），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，表示温度修正系数。考虑裕度，110kV进线侧的母线选用截面积为的钢芯铝绞线（LGJ-95/55）。5.2 高压断路器的选择5.2.1 高压断路器的选择（1）110kv侧选择高压断路器SW6-110G校验如表5-1。表5-1 高压断路器校验 安装点110/115125A1.79kA4.56kA0.41SW6-110G1101200A15.8kA41kA29.95校验结果合格合格合格合格合格 由此可得均满足条件，所以选择该型号断路器。（2）27.5kV侧高压断路器选择为ZN-27.5其校验如表5-2。表5-2高压断路器校验 安装点25/27.5462A3.67kA9.36kA5.0ZN27.527.5600A15.8kA25kA10校验结果合格合格合格合格合格 由此可得均满足条件，所以选择该型号断路器。5.3 电压互感器和电流互感器的选择5.3.1 电压互感器的选择（1）供继电保护用的电压互感器的选择：准确级为3级。供110kV侧计费的电压互感器选择：准确级为0.5级。由于电压互感器装于110kV测知识用来计费的，不需要保护，因此选用型准确级为0.5级，额定容量为500MVA的电压互感器可以满足要求。由于电压互感器是并联在电路中的，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。（2）27.5kV侧电压互感器的选择由于电压互感器位于27.5kV侧主要起到保护作用，用于保护牵引网馈线上锁发生的故障或事故，故其准确级为3级，因此选用型准确级为3级，额定容量为600MVA的电压互感器可以满足条件。由于电压互感器是并接于主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流入互感器，因此不需要校验短路稳定性。5.3.2 电流互感器的选择（1）110kV侧电流互感器的选取最大长期电流按变压器过载的1.3倍考虑经查阅资料得电流互感器的电流互感器，其型号及校验如表5-6。表5-3 电流互感器校验UNIN动稳定度热稳定度安装点110245.621.58.3LCWD2-110110215013.5-277.5-15校验结果合格合格合格合格（a）短路热稳定性校验 满足热稳定性。（b）短路动稳定性校验 故动稳定性也满足。（2）27.5kV侧电流互感器的选取UNIN动稳定度热稳定度安装点27.58714.55.9LCW-353510019.17.5校验结果合格合格合格合格同110kV电流互感器的选取方法一样，经计算和校验，选取LCW-35的电流互感器可以满足短路动、热稳定性。表5-4电流互感器校验5.4 室外110kV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，并以最大长期工作电流方式来选择为宜。母线长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑。经计算： 经查表得LGJ-70/40型钢芯铝绞线的允许载流量为340A（基准环境温度为25摄氏度），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，表示温度修正系数。考虑裕度，110kV进线侧的母线选用截面积为的钢芯铝绞线（LGJ-95/55）。第6章 继电保护 6.1 继电保护的定义继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。6.2 继电保护基本要求选择性：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电力变压器继电保护的选择（1）纵联差动保护：对于牵引变电所内的牵引变压器，均应装设差动保护。电流纵差动保护不但能够正确区分区内区外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点，被广泛地用作变压器的主保护。（2）瓦斯保护：电力变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变压器油箱故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体。气体排出的多少以及排出的速度与变压器的故障程度有关。利用这种气体来实现保护的装置成为瓦斯保护。瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障，但像变压器绝缘子闪络等油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应。主变压器继电保护的配置：本设计主变压器容量为25000kVA，通过电力系统继电保护原理可知该容量的变压器首先应装设瓦斯保护（包括轻瓦斯和重瓦斯）、纵差动保护、过负荷保护、零序方向过电流保护。线路继电保护的配置：线路保护有纵联保护、距离三段式保护、电流三段式保护、零序保护等，对于本次设计的110kV线路，输送距离为20km，采用纵联保护投资大，并且该线路电压等级也不高，本站只是终端变电站，在系统中的地位也不是很高，应多考虑经济性，而采用距离三段式足矣保证该可靠性、灵敏性。第7章 电压水平的改善7.1 接触网功率因数低的主要原因(1) 整流型机车由于交流侧电流波形畸变及整流换相过程中重叠导通角的影响。(2) 牵引网阻抗影响。(3) 牵引变压器影响。7.2 串联电容补偿如选择型号CY-1-20-1型电容器，已知， 。,并联电容器数：，取m=25。串联电容器数：，取n=5电容器组总容量和总阻抗为： 校验：所以补偿容量满足要求。第8章 防雷保护凡是有雷电活动的日子，包括看到雷闪和听到雷声，都称为雷暴日。由当地气象台、站统计的多年雷暴日的年平均值，称为年平均雷暴日数。年平均雷暴日数不超过15天的地区称为少雷区。年平均雷暴日数超过40天的地区称为多雷区。年平均雷暴日数超过90的地区及雷害特别严重的地区称为雷电活动特别强烈的地区，可以归为多雷区。本次设计的雷暴数为25天。应该按照多雷区来计算。牵引变电所是牵引供电系统的重要的电力枢纽，电力负荷属于国家一级。如果发生雷击事故会导致地区大范围的停电，导致铁路运