斯科特牵引变电所课程设计

目 录第1章课题设计任务要求11.1 设计任务11.2 设计的基本要求11.3 设计的基本依据1第2章设计方案分析和确定12.1方案主接线的拟定12.2年运量和供电距离的分析22.3变压器与配电装置的一次投资和和折旧维修32.4供电方式的优缺点3第3章变压器台数和容量的选择33.1牵引变压器备用方式的选择33.2牵引变压器台数和容量的选择4第4章主接线设计74.1电源侧主接线74.2牵引变压器接线74.3牵引侧主接线84.4倒闸操作9第5章牵引变电所的短路计算95.1短路计算的目的95.2短路点的选取95.3短路计算9第6章电气设备的选择116.1室外110kV进线侧母线的选择116.2室外27.5kV进线侧母线的选择126.3高压断路器的选择126.4隔离开关的选择136.5电压互感器的选取146.6电流互感器的选取14第7章 电压水平的改善157.1 接触网功率因数低的主要原因157.2 串联电容补偿15第8章继电保护168.1继电保护的任务168.2继电保护基本要求168.3继电保护的拟用16第9章防雷保护装置17第10章总结17参考文献18第1章课题设计任务要求1.1 设计任务 SCOTT接线牵引变电所电气主接线设计,对双线路供电经过本次设计，对所学的专业知识得到相当的运用和实践，这将使自己所学的理论知识提升到一定的运用层次，为以后完成实际设计奠定扎实的基本功和基本技能，最终达到学以致用的目的。1.2 设计的基本要求（1）确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式，并分析其正常运行方式下的运行方式。（2）确定牵引变压器的容量、台数及接线形式。（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，并进行电气设备的选择。（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电气主接线图。1.3 设计的基本依据某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复线电气化铁路干线的两个方向供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为27000 kVA，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2700 kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回路(1路备)：两方向年货运量与供电距离分别为 ，。10kV共4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。本变电所位于电气化铁路的首端，送点距离30km，电力系统容量为3000MVA，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0.23；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.25.主变压器为SCOTT接线。第2章设计方案分析和确定2.1方案主接线的拟定按110 kV 进线和终端变电所的地位，考虑变压器数量，以及各种电压等级馈线数目、可靠供电的需要程度选择结线方式。方案一：两台牵引变压器，一次侧同时接于110 kV母线，采用复线直接牵引供电方式如图2-1。图2-1复线直接牵引供电方式方案二：两台牵引变压器和两台地区变压器，一次侧同时接于110 kV母线(110千伏变压器最小容量为6300kVA)，采用复线AT牵引供电方式。2.2年运量和供电距离的分析由题意知：25kV回路(1路备)：两方向年货运量与供电距离分别为= 3050Mtkm，= 4030Mtkm， = 120kWh/10ktkm。10kV共4回路(2路备)。故两方向上的年电量消耗为： =T=1576800=T=1261440所以，每公里上的年消耗电量为：=52560，=31536因为直接供电方式和AT供电方式均适应于两供电壁不平衡的情况，所以两种方案均符合要求。2.3变压器与配电装置的一次投资和和折旧维修因为两种方案均采用的是容量相等的主变压器，方案二有多用了两台地方电力变压器，所以在一次投资方面方案一投资多一点。2.4供电方式的优缺点直接供电方式结构最简单、维护管理最少、造价最低等优点，但是防干扰性较差，如果能和BT供电方式相结合，则效果可大为改善。AT供电方式无需进步牵引网的绝缘程度即可将供电电压进步一倍。在相同的牵引负荷条件下，接触悬挂和正馈线中的电流大致可减少一半。AT供电方法牵引网单位阻抗约为BT供电方法牵引网单位阻抗的1/4左右。从而提高了牵引网的供电能力，大大减小了牵引网的电压损失和电能损失。牵引变电所的间距可增大到90-100km，不但变电所数量可以减少，而且相应得外部高压输电线数量也可以减少，还有利于选择既便利运营管理又缩短外部高压输电线长度的变电所地位。由于AT供电方法无需在AT处将接触悬挂履行电分段，故当牵引重载列车运行的高速度、大电流电力机车通过AT处时，受电弓上不存在发生强烈电弧，能满足高速、重载列车运输的须要。同时，AT供电方法对附近通讯线的综合防护后果要优于直接供电供电方法。但AT供电方式构造比较复杂。在开闭所、分区所、AT所以及主变压器副边中点不接地的牵引变电所都设置自藕变压器等。牵引网中除了接触悬挂和正馈线之外，还有维护线PW、横向联接线、帮助联接、横向联接、放电器等，所以，AT供电方法的工程投资要大于直接供电方式，相应的施工、维修和运行也比直供方式的工程投资大。方案确定：综上所述，方案一较经济实惠，占地面积较少，故推荐方案方案一。 第3章变压器台数和容量的选择3.1牵引变压器备用方式的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。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。备用变压器投入的快供，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。备用方式的选择，必须从实际的电气化铁路线路、运量、牵引变电所的规模、选址、供电方式及外部条件(如有无公路)等因素，综合考虑比较后确定。我国的电气化铁路牵引变压器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。采用移动备用方式的电气化区段每个牵引变电所装设两台牵引变压器正常时两台并联运行。所内设有铁路专用岔线。备用变压器安放在移动变压器车上停放于适中位置的牵引变电所内或供电段段部以便于需要作为备用变压器投人时缩短运输时间。在供电段所辖的牵引变电所不超过57个的情况下,设一台移动变压器其额定容量应与所辖变电所中的最大牵引变压器额定容量相同。当牵引变压器需要检修时可将移动变压器按计划调入牵引变电所。但在牵引变压器发生故障时移动变压器的调运和投入约需数小时。此间，采用移动备用方式的优点是牵引变压器容量较省。因此移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线区段。(2)固定备用采用加大牵引变压器容量或增加台数作为备用的方式，称为固定备用。采用固定备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，一台运行，一台备用。每台牵引变压器容量应能承担全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。采用固定备用方式的优点是：其投入快速方便，可确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用岔线，牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量较少，电气主接线较简单。其缺点是：增加了牵引变压器的安装容量，变电所内设备检修业务要靠公路运输。因此，固定备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。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,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，所以在当前进行电气化铁路牵引供电系统的设计中，牵引变压器的备用方式不再考虑移动备用方式。所以综合考虑情况该变电所采比较适合采用固定备用。3.2牵引变压器台数和容量的选择牵引变压器是牵引供电系统的重要设备，其容量大小关系到能否完成国家交给的运输任务的问题。从安全运行和经济方面来看，容量过小会使牵引变压器长期过载，将造成其寿命缩短，甚至烧毁；反之，容量过大将使牵引变压器长期不能满载运行，从而造成其容量浪费，损耗增加，使运营成本增大。因此，在进行牵引变压器容量计算时，正确地确定计算条件，以合理地选定牵引变压器的额定容量是十分重要的。三相牵引变压器的计算容量是由牵引供电计算求出的。本变电所考虑为固定备用方式，按故障检修时的需要，应设两台牵引用主变压器，地区电力负荷因有一级负荷，为保证变压器检修时不致断电，也应设两台。由已知得SCOTT变压器计算容量为27000kVA下面计算校核容量：紧密运行时的列车对数为：(对/日)（1）一路设备的校核容量计算 用电时间为： 总功率为： 其中 , 而 ，取n=3 紧密运行时的电流为： 最大容量为： 计算容量为： （2）二路设备的校核容量 用电时间为： 总功率为： 其中 , 而 ，取n=2 紧密运行时的最大电流为： 最大容量为 综合以上计算得校核容量为： 考虑10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电的计算容量为2700kVA,考虑40%的裕量，即 所以选择的安装容量为： S=31500() 所以变压器选择为：231500kVA牵引变压器，一次侧同时接于110 kV母线，采用直接供电方式。其参数如表3-1所示。表3-131500kVA变压器参数安装容量kVA空载损耗kW短路损耗kW阻抗电压（%）3150038.514810.5第4章主接线设计4.1电源侧主接线当牵引变电所只有两电源进线和两台主变压器时，常在电源线路间用横向母线将它们连接起来，即构成桥形接线。根据中间横向母线的位置不同而分为内桥接线和外桥接线两种，前者的桥接母线连接在靠变压器侧，而后者则连接在靠线路侧。内桥接线适用于线路故障较多的场所，外桥接线适用于变压器故障较多的场所，而变压器又不需要频繁的操作，故在此选内桥接线。4.2牵引变压器接线在该变电所中采用SCOTT牵引变压器，斯科特变压器原理电路图如图4-1，在电气主线图中它们的公共端接至接地网和钢轨；SCOTT变压器主接线如图4-2。图4-1SCOTT变压器原理电路图图4-2直接供电方式下SCOTT变压器主结线4.3牵引侧主接线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。这里两种方案均采用第二种接线方式，其连接方式：直接供电方式如图4-3和图4-4。直供方式：上下行无需AT变压器，而是直接供给，所以他的母线就多出一根地线，分别与正、负馈线连接，为上下行线供电27.5kVA。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。图4-327.5KV侧的接线图4-455KV侧的接线4.4倒闸操作在牵引变电所给列车供电的时候要正确的进行倒闸操作，首先供电的时候要闭合110kV侧的断路器，因为断路器不可带电操作；然后相继闭合变压器侧和进线侧的隔离开关，使其给SCOTT变压器供电；变压器经过变电压和分相供电接触网，即图中所示的馈线。而在27.5kV侧的电压器的固定备用转换时，首先要将需要检修或者故障的变压器通过先断隔离开关后断断路器的顺序将其从线路中卸载下来，然后再通过先断路器后隔离开关的顺序将备用变压器接入线路中，保证牵引变电所的正常工作。第5章牵引变电所的短路计算5.1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。5.2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的选择一般选取27.5kV低压母线侧短路点作为短路计算点。5.3短路计算电路示意图如图5-1图5-1短路示意图电路简化图如图5-2，其中点为110kV高压母线短路点，点为27.5kV牵引母线短路点。图5-2 短路简化图取,，变压器和线路的阻抗标幺值为 式中：为线路单位阻抗；为线路长度；为变压器阻抗；为短路回路的等值电抗为；为变压器容量。（1）点短路计算回路的等值电抗为：回路的等值电流为短路电流有效值：短路电流的最大值有效值：短路容量：（2）点短路计算回路的等值电抗为： 回路的等值电流为 短路电流有效值： 短路电流的最大值有效值：短路容量：表4-1短路计算值110kV侧27.5kV侧1.573.232.375.07第6章电气设备的选择电气设备的选择的基本原则是要能够满足牵引变电所的负荷容量；能够准确、快速的断开故障电路，保证设备安全和人生安全；能够保证有能力承受长期最大馈线电流和最大短路电流；同时实现各种保护。6.1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，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）。参数如表6-1所示。表6-1LGJ-95/55参数额定电压（kV）允许载流量（A）最大允许电流（kA）LGJ-95/55110335206.2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31500kVA,电压为27.5/10.5kV的三相双绕组电力变压器。经计算： 由资料得钢芯铝绞线（LGJ-630/45）的允许载流量为1120A（基准坏境温度为25度且允许温度为70度），符合式子，故初步确定27.5kV侧的母线选用截面积为的钢芯铝绞线（LGJ-10）。参数如表6-2所示。表6-2LGJ-630/45参数额定电压（kV）允许载流量（A）最大允许电流（kA）LGJ-630/4527.51120256.3高压断路器的选择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变电所的要恶劣，断路器的故障跳闸、操作次数要比一般的供电系统多。从减少维修工作量考虑，110kV用断路器，27.5kV侧的断路器选用电气换铁路专用的真空断路器。 （1）110kV侧断路器的选择 最大工作电流按变压器的1.3倍计算初选额定电流为1250A的的六氟化硫断路器。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。参数如表6-3。表6-3的参数额定电流（A）短路开断电流（kA）额定电压（kV）最高电压（kV）125040110126（2）27.5kV侧断路器的选择 初选额定电流为1250A的ZN12-35型的真空断路器。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。参数如表6-4。表6-4ZN12-35断路器参数额定电流（A）开断电流（kA）额定电压（kV）热稳定电流（kA）动稳定电流峰值（kA）ZN12-35125031.53531.5636.4隔离开关的选择 选择隔离开关，首先应考虑装置的种类和形式、屋内或者屋外使用，对于污秽地区的屋外式要保证绝缘泄露比距的需要。隔离开关的其他选择条件与断路器的类似。经过计算和校验110kV侧选择型号为GW4-110/1250-25的隔离开关；27.5kV侧选择型号为GW4-35/1000的断路器。参数如表6-5。表6-5隔离开关参数额定电压（kV）额定电流（A）最大断开电流（kA）GW4-110/1250110125025GW4-35/1000351000636.5电压互感器的选取（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JDJJ-35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，因此电压互感器不需要校验短路稳定性。6.6电流互感器的选取（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LCW-110的电流互感器。（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LCW-35的电流互感器。（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。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=22。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章继电保护8.1继电保护的任务当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。(1)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。(2)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。8.2继电保护基本要求继电保护应具有选择性、速动性、灵敏性和可靠性。8.3继电保护的拟用本设计中主要是SCOTT变压器的保护和馈线的保护。按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。即主线路上的保护使用分段式保护，有效的保护器件和线路的安全，同时可以加装自动重合闸装置，保证最大的工作时间和工作的可靠性。后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。（1）远后