毕业设计通过式牵引变电所电气设计毕业论文.doc

通过式牵引变电所电气设计 The Electrical Design of the Through Type Traction Substation 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 电气主接线是变电所的主要环节 电气主接线直接关系着整个变电所的电气设备的 选择 配电装置的布置 继电保护和自动装置的确定 并且是牵引变电所电气部分 投资大小的决定性因素 基于上述原因 本文对牵引变电所的结构和接线方式进行 了介绍 通过负荷计算选取了主变压器的型号和容量 同时对主变压器的接线方式 进行了详细的说明 通过研究和比较确定了本次设计所采用的主接线方式 并运用 AutoCAD软件绘制出了主接线图 短路电流计算是本次设计的关键部分通过计算结 果对断路器 隔离开关 电压互感器 电流互感器 母线和避雷器这些电气设备进 行了选型 另外对部分电气设备进行了介绍 从而 完成了本次课程设计 通过对 各种计算结果的校验本文设计得出的结果是合理的 可行的 关键词 牵引变电所 变压器 主接线 Abstract Traction substation is an important component of the Electrified railway it has a direct impact on the Electrified railway used as intermediate links to connect power plants and users it plays an important role in the transformation and distribution of Electrified railway Electrical wiring is the main link of the main substation also the main electrical wiring directly is related to the development of the entire electrical substation equipment selection distribution equipment layout protection devices and automatic identification so it is the decisive factors of electrical investment This thesis introduces the structure and connection modes of single phase traction substation Firstly it selects the type and capacity of main transformer through the calculation of load meanwhile it presents the connection mode of the main transformer in detail and maps out main connection with AutoCAD Calculating short current is the key of this thesis and breakers isolating switch voltage transformer current transformer bus arrester are selected according to the results of calculation At the same time some electrical devices are introduced At last the reformation of Course design is completed By checking various results of the calculation the design of this thesis is reasonable and feasible Keywords Traction Substation Transformer Main connection 目 录 第1章 概述 1 1 1 课题研究的目的意义 1 1 2 电气化铁路的国内外现状 1 1 3 论文研究的内容 2 第2章 主接线的设计 3 2 1 牵引变电所主结线的概述 3 2 1 1 电气主接线基本要求 3 2 1 2 高压侧电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤 4 2 1 3 高压侧主接线的基本方式 4 2 1 4 牵引变电所高压侧主接线的选择 6 2 2 牵引变电所馈线侧主接线设计 7 2 2 1 牵引变电所馈线侧的几种接线形式 7 2 3 2 牵引变电所馈线侧接线的选择 8 第3章 牵引变电所变压器的选择 8 3 1 牵引变压器的接线形式及选择 8 3 2 牵引变电所的备用方式及选择 8 3 3 牵引变压器容量的计算 8 3 3 1 计算容量 8 3 3 2 校核容量 8 3 3 3 安装容量和台数 8 第4章 牵引变电所的短路计算 8 4 1 短路计算的目的 8 4 2 短路点的选取 8 4 3 短路计算 8 第5章 高压设备的选择 8 5 1 备选择原则 8 5 2 母线的选择 8 5 2 1 110kV侧进线的选择 8 5 2 2 27 5kV侧母线的选择 8 5 3 绝缘子和穿墙套管的选取 8 5 3 1 110kV侧支柱绝缘子的选取 8 5 3 2 27 5kV侧支柱绝缘子选取 8 5 4 27 5KV侧穿墙套管选择 8 5 5 高压断路器的选取 8 5 5 1 110kV侧断路器选取 8 5 5 2 27 5 kV侧断路器选取 8 5 6 高压熔断器的选取及校验 8 5 7 隔离开关的选取及校验 8 5 7 1 110kV侧隔离开关选取 8 5 7 2 27 5kV侧户外隔离开关选取 8 5 8 3 27 5kV侧户内隔离开关选取 8 5 10 电流互感器的选取 8 5 10 1 110kV侧电流互感器的选取 8 5 10 2 27 5kV侧电流互感器的选取 8 第6章 继电保护 8 6 1 继电保护的任务和要求 8 6 1 1 继电保护的任务 8 6 1 2 继电保护基本要求 8 6 2 电力变压器继电保护的选择 8 第7章 防雷保护和接地装置 8 7 1 避雷装置的选取 8 7 2 接地装置的选择 8 第8章 结论与展望 8 8 1 结论 8 8 2 展望 8 参考文献 8 致谢 8 附录 8 附录A 外文翻译 8 附录B 主接线图 8 第1章 概述 1 1 课题研究的目的意义 交通运输是是国民经济的基础产业 铁路运输在我国五大交通运输体系 铁路 公里 航空 水运和管道 占据主要地位 电力牵引是现代铁路最先进的牵引动 力 具有其他方式无法比拟的优势 它牵引力大 对环境影响小 没有蒸汽机车和内 燃机车所产生的废气和油的污染 能源利用率高 整备时间短 机车效率高 控制 性能好 平稳 舒适 既适用于高速旅客运输 也适合重载运输 电力牵引的专用变电所 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 1 1 2 电气化铁路的国内外现状 牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分 目前电气化铁路广泛采用单向工频 供电法式 它是在20世纪50年代中期法国电气化铁路应用整流式交流电力机车获得 成功之后开始推广的 从那时以来 许多国家都相继采用 这种电流制在电力机车 上降压后应用整流装置整流来供应直流牵引电动机 由于频率提高 牵引网阻抗加 大 牵引网电压也相应提高 目前 较普遍应用的接触网额定电压是25kV 采用工 频单相交流制的优点是 消除了低频单相交流制的两个主要缺点 与电力工业标准 频率并行的非标准频率和构造复杂的交流整流子式牵引电动机 牵引供电系统的 结构和设备大为简化 牵引变电所只要选择适宜的牵引变压器 就可以完成降压 分相 供电的功能 接触网的额定电压较高 其中通过的电流相对较小 从而使接 触网导线截面减小 结构简化 牵引变电所的间距延长 数量减少 工程投资和金 属消耗量降低 电能损失和运营费用减少 电力机车采用直流串励牵引电动机 也 远比交流整流子式牵引电动机牵引性能好 运行可靠 采用工频单相交流制的缺点 是 对电力系统引起的抚恤电流分量和高次谐波含量增加以及功率因数降低 对沿 电气化铁路架设的通信线有干扰 但是 经过技术方面和经济方面的综合分析比较 上述优点是主要的 因此 我国电气化铁路采用工频单相25kV交流制 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 在一些客运专线上采用AT供电方式 这些先进的供电方式对牵引变电所 的性能提出了更高的要求 对变电所的安全运行和变电所的容量提出了更高的要求 现在客运专线电气化铁路牵引变电所采用单相变压器 室外补偿电容装置及室内 柜式27 5kV电气设备 变电所内设置了接触网自动检测装置 即短路检测装置和反 向电压检测装置 保证设备及作业人员的安全 采用馈线断路器操作失灵保护 断 路器箱体和变压器碰壳保护 接触网热保护技术 提高了运营可靠性 采用远动系 统 牵引变电所无人值班 牵引变电所保护系统全部采用数字化保护 动作准确 可靠 保护设备部件集成化 体积小 占用空间少 故障串低 维修量少 2 1 3 论文研究的内容 本次设计是根据设计任务书的要求并按照电气化铁路设计手册对牵引变电所进 行设计 主要内容包括牵引变电所高压侧主接线和负荷侧的主接线的设计 确定变 压器的台数和型号 提出两种供电方式并对两种方案进行经济性能比较选择最优的 供电方案 按照主接线图等效电路进行短路计算以便对对本牵引变电所的一次电气 设备进行选择 如 断路器 隔离开关 母线 互感器等 对牵引变电所的防雷 和接地进行计算 CAD画出电气主接线图 第2章 主接线的设计 2 1 牵引变电所主结线的概述 牵引变电所 含开闭所 降压变电所 的电气主结线 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结线图 称为电气主结线图 它不仅标明了各主要 设备的规格 数量 而且反映各设备的连接方式和各电气回路的相互关系 从而构 成变电所电气部分主系统 电气主结线反映了牵引变电所的基本结构和功能 在运 行中 它能表明与高压电网连接方式 电能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 主结线的确定对变电所电气设 备选择 配电装置布置 继电保护装置和计算 自动装置和控制方式选择等都有重 大影响 此外 电气主结线对牵引供电系统运行的可靠性 电能质量 运行灵活性 和经济性起着决定性作用 此外 电气主结线及其组成的电气设备 是牵引变电所 的主体部分 3 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 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 主结线 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 应力求结线简洁明了 并有发展和扩建余地 4 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 高压侧电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤 1 应以批准的设计任务书为依据 以国家经济建设的方针政策和有关的技术政 策 技术规范和规程为准则 结合工程具体特点和实际调查掌握的各种基础资料 进行综合分析和方案研究 2 主结线设计与整个牵引供电系统供电方案 电力系统对电力牵引供电方案密 切相关 包括牵引网供电方式 变电所布点 主变压器接线方式和容量 牵引网电 压水平及补偿措施 无功 谐波的综合补偿措施以及直流牵引系统电压等级选择等 重大综合技术问题 应通过供电系统计算进行全面的综合技术经济比较 确定牵引 变电所的主要技术参数和各种技术要求 5 3 根据供电系统计算结果提供的上述各种技术参数和有关资料 结合牵引变电 所高压进线及其与系统联系 进线继电保护方式 自动装置与监控二次系统类型 自用电系统 以及电气化铁路当前运量和发展规划远景等因素 并全面考虑对主结 线的基本要求 做出综合分析和方案比较 以期设计合理的电气主结线 4 新技术的应用对牵引变电所主结线结构和可靠性等方面 将产生直接影响 2 1 3 高压侧主接线的基本方式 1 单母线接线如图2 1所示 图2 1 单母线结线图 单母线接线的特点是 这种接线简单 设备少 配电装置费用低 经济性好并能满足一定的可靠 每 回路断路器切断负荷电流和故障电流 检修任一回路及其断路器时 该回路停电 1SL2SL 1QS 2QS 1QF2QF 3QF 其他回路不受影响 检修母线和与母线相连的隔离开关时 将造成全部停电 母线 发生故障时 将是全部电源断开 待修复后才能恢复供电 这种接线方式的缺点是母线故障时 检修设备和母线时要造成停电 适用范围 适用于对可靠性要求不高的10 35kV地区负荷 2 单母线分段接线 这种接线方式的特点如图2 2所示 图2 2 单母线分段结线图 这种接线解决了断路器的公共备用和检修备用 在调试 更换断路器和整定继 电保护装置时都可以不必停电 提高了供电可靠性 它广泛应用于牵引负荷和35kV 以上线路中 特别是负荷较重要 线路断路器较多 检修断路器不允许停电的场合 其主要的缺点是设备较多 接线较复杂 配电装置的占地 面积大 3 桥形结线 当只有两条电源回路和两台主变压器时 常在电源线间用横向母线将它们连接 起来 即构成桥型结线 桥型结线按中间横向桥接母线的位置不同 分为内桥形和 外桥形两种 如图2 3所示 前者的连接母线靠近变压器侧 而后者则连接在靠近线路侧 内桥形结线的线断路器分别连接在两回电源线路上 因而线路退出工作或投入 运行都比较方便 桥形母线上的断路器QF在正常状态下合闸运行 1QS和2QS是断 开的 当线路1SL发上故障时 1QS和2QS合闸 故障线路的断路器1QF跳闸 其他 三个元件 另一线路和两台主变压器 仍可继续工作 内桥结线当任一线路故障或 检修时不影响变压器的并列工作 由于线路故障远比变压器故障多 故这种界限在 牵引变电所获得了较广泛的应用 当内桥结线的两回电源线路接入系统的环形电网 中 并有系统功率穿越桥接母线时 桥断路器 QF 的检修或故障将造成环网断开 2SL 1SL 1QS 1QF 9QS 5QF QF QS 2M1M 为避免这一缺陷 可在线路短路器外侧安装一组跨条 如图中的虚线所示 正常 工作时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 图中外桥形结线的特点与内桥刚好相反 当变压器发生故障或运行中需要断开 时 只要断开它们前面的断路器1QF或2QF 而不影响线路的正常工作 但线路故障 或检修时 将是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 因而外侨形结线适用于电源线路较短 负荷不稳定 变压器需要经常切换 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唤醒 电网连接的变电所中 桥型结线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结线 即在初 期按桥形结线 将来有可能增加电源线路数时再扩展为其他结线形式 a 内桥形 b 外桥形 图2 3 内桥和外桥结线图 2 1 4 牵引变电所高压侧主接线的选择 本次设计是通过式牵引变电所 变电所有系统功率穿越 所以应该选择桥型接 线 两回路电源引入线分别经断路器接入两台主变压器 本次设计要求的供电距离 比较长 牵引负荷的变化比较剧烈 考虑到这些情况后 牵引变电所高压侧适合采 用外桥接线 并且外桥接线中 两台主变压器 只有3组断路器 断路器数量比较少 配电装置简单 清晰 无复杂的倒闸作业且具有一定的运行灵活性 供电可靠性 使用电器少 建设费用低 在结构上便于发展为单母线或具有旁路母线的单母线 接线 即在初期按桥型结接线 将来有可能增加电源线路回路时再扩展为其他接线 形式 所以在本次设计中 在查阅相关资料后得出采用外桥接线是最适合本次设计 的结论 1SL 2SL 1QS 2QS 1QF QF 1B 2B 2QF 2SL1SL QF 1QF 2QF 2B1B 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 但是牵引负荷也有其特殊性 牵引负荷侧通过馈线给接触网 供电 由于接触网没有备用 而且接触网故障几率比一般架空线路更为频繁 因此 牵引负荷侧对断路器的类型和备用方式比较高 6 2 2 1 牵引变电所馈线侧的几种接线形式 1 馈线断路器100 备用的接线 如图2 4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 4 馈线断路器100 备用 2 馈线断路器50 备用的接线 如图2 5所示 这种接线每两条馈线设一台备用断路器 通过隔离开关的转换 备用断路器 可代替其中任一台断路器工作 当每相母线的馈出线数目较多时 一般很少采用此 种法方法 图2 5 馈线断路器50 备用 3 带旁路母线和旁路断路器的接线 如图2 6所示 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 图2 6 带有旁路母线和旁路断路器的接线 2 3 2 牵引变电所馈线侧接线的选择 本次设计要求有六路馈线 数目比较多 从供电可靠性 灵活性和经济性考虑 本次接线选用单母线带分段旁路母线旁路的方式比较实用 这种接线能减少备用断 路器的数量 通过旁路母线 旁路断路器可代替任一馈线断路器工作 考虑到27 5k V母线在故障时进行检修 所以27 5kV进线侧 采用加真空短路器的供电方式 采 用这种供电方式通过旁路母线和断路器相互配合进行刀闸操作 就可以对故障母线 进行检修了 2 4 两种方案的提出及选择 1 方案一 高压侧采用外桥形接线两台40000kVA牵引变压器 一台正常使用 一台作为固定备 用 一次侧接在110kVA进线低压侧采用单母线带旁路母线的接线方式 方案二高压侧采用4 20000kVA牵引变压器 每两台一组并联运行 另外一组作 为固定备用 两供电臂电流在三相YN d11接线牵引变压器中的分配关系 22 2 1212 212 339 caxxxpp IIII I 22 2 2112 212 339 bcxxxpp IIII I 22 2 1212 111 339 abxxxpp IIII I 式中 为两供电臂有效电流 为供电臂的平均电流 在牵引变电 1x I x2 I p1 I p2 I 所中 一台牵引变压器运行 则全年的实际负载能力为 222 dcaxbcxabx d 2 e 0 876 3 P III A I 4 10 kWh a 式中 为每台牵引变压器的额定短路损耗 kW 为每台牵引变压器27 5k d P 2 e I V侧绕组的额定电流 A 全年空载电压损失为 kWh a 00 0 876AP 式中 为每台变压器的额定空载损耗 kW 0 P 全年牵引变压器的总损失为 0Td AAP 若改为两台变压器并联运行 则每台通过供电臂电流的一半 负荷损耗只有单 台运行时的1 4 所以两台并联运行的总负荷损耗只有单台运行时的1 2 其全年总负 载电能损失为 222 2 0 146 dcaxbcxabx d e P III A I 4 10 kWh a 两台运行时全年实际空载损耗为 0 0 876 2 d AP 4 10 kWh a 两台运行时全年牵引变压器实际总电能损失为 0Td AAP 4 10 kWh a 根据上面公式计算出第一种方案全年牵引变压器实际总电能损失为 0 55 358 Td AAP 4 10 kWh a 其中负载损耗为22 07 空载损耗为为33 288 0 A 4 10 kWh aP 4 10 kWh a 同理方案二的全年牵引变压器实际总损耗为 0 50 73 Td AAP 4 10 kWh a 其中负载损耗为2 55 空载损耗为为50 73 0 A 4 10 kWh aP 4 10 kWh a 虽然方案一的全年电能损耗大于方案二 但是方案二的空载损耗比方案二大的 多 综合考虑方案一要比方案二经济很多 2 另外方案一用两台牵引变压器 而方案二用四台牵引变压器 所以方案二要 采取两天变压器并联运行 第二种运行方式对技术要求比较高 其主接线和负荷接 线也比方案一负载很多 另外就是方案二要比方案一增加两倍的投资 比如各种高 低压开关器件 主变压器 互感器以及母线都比方案一多选择两倍 所以综合考虑 还是方案一更适合本次设计 所以选择两台牵引变压器单台运行的方式是合理的 7 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220 kV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尽心选择 8 3 1 牵引变压器的接线形式及选择 1 接线变压器 N Y d11 这种牵引变电所中装设两台三相 联结牵引变压器 可以两台并联运行 也可以一台运行 另一台固定备用 N Y d11 其原理电路和相量关系分别如图3 1 a 和 b 所示 a b 图3 1 三相连接牵引变压器原理电路 N Y d11 A B C A B C UA IB IA UB IC IC Iab Ia 3 1 Ib Ib Ib Ib Ib Ibc Ib Uc Ua Ua Uc Ica 3 2 3 2 3 1 3 1 3 1 Ia Ub b z a y w2 w2 w2 b a UB UA UC Ub Ua UC Ib Ia w1 w1 w1 三相联结牵引变电所的优点是 N Y d11 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 N Y d11 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 2 单相联结牵引变压器 单相牵引变电所的优点 牵引变压器的容量利用率可达100 主结线简单 设 备少 占地面积小 投资省等 缺点 不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电 对电力系统的负序影响最大 对接触网的供电不能实现两边供电 这种联结只适用于电力系统容量较大 电力网比较发达 三相负荷用电能够可 靠地由地方电网得到供应的场合 3 单相V v牵引变压器 单相V v牵引变压器的优点 牵引变压器容量利用率可达到100 正常运行时 牵引侧保持三相 所以可供应牵引变电所自用电和地区三相负载 主接线较简单 设备较少 投资较省 对电力系统的负序影响比单相联结小 对接触网的供电可 实现两边供电 缺点 当一台变压器故障时 另一台必须跨相供电 即兼供左右两边供电臂的 牵引网 4 三相V v联结牵引变压器 不但保持了单相V v联结牵引变电所的主要优点 而且完全克服了单相V v联 结牵引变电所的缺点 最可取的是解决了单相V v联结牵引变电所不便于采用固定 备用即其自动投入的问题 同时 三相V v联结牵引变压器有两台独立的铁芯和对 应绕组通过电磁感应进行变换和传递 两台的容量可以相等 也可以不相等 两台 的二次侧电压可以相同 也可以不相同 有利于实现分相有载或无载调压 为牵引 变压器的选型提供了一种新的连接形式 5 通过上面的介绍 本次接线适合选用YN d11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YN d11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 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5 7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 3 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 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 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 9 因为该牵引变电所一边馈线电流 另一边 并且 1 366A x I 2 322A x I 12xx II 采用YN d11 3 3 1 计算容量 牵引变电所主变压器采用接线 主变压器的正常负荷计算 N d11 Y 12 t SK 20 65 xx UII 将 代入可以求得 x2 322AI 1 x 366AI S 24332 61 kVA 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 maxmax 20 65 kVA btabx SKUII 将 代入上面公式可以求得 max 600AI 2 322A x I max S36430 41 kVA b 牵引变压器过负荷能力规定 对于变压器按150 负荷倍数K确定校核容 N d11 Y 量 max S S24286 94 kVA b K y 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 S140 S y 可以求得S34065 65 kVA y 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SFY 40000 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 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110kV 一般选取低压母线短路点作为短路计算点 27 5kV 4 3 短路计算 电路简化图如图 4 1 在图中 点为高压母线短路点 点为低压母线短路点 1 d110kV 2 d27 5kV 图4 1 短路故障简化图 取 变压器和线路的阻抗标幺值分别为 B 100MVAS j 115kVU 3 3 10 5100 10 0 26 10010040000 KB US X S B 1 2 L j 100 0 4 250 076 115 S XX l U 式中 为变压器电抗电压 为系统容量 为变压器额定容量 为线路 K U B S N S 1 x 单位电抗 为线路长度 L 短路回路的的等值电抗为 0 260 0760 130 468X 短路电流标幺值 1 2 134 wk L I X 短路电流有效值 0 803kA 3 B wkwk B S II U 点发生短路 各个短路电流的计算 1 d 点发生短路 点短路电流标幺值 1 d115kV B U 1 d 2 12 1 2 56 wk I XX 点短路点短路电流有效值 1 d 1 100 4 852 43kA 31153 B Zwk B S II U 点冲击电流 取冲击系数 1 d 1 1 826 20 shwk iIKA 1 8 impl k 点短路电流的最大有效值 1 d 1 1 513 67 kA shwk II 点短路容量 1 d 1 1 445MVA ktwkB SIS 发生短路 各个短路电流的计算为 2 d 点短路电流标幺值 B 27 5KV U 2 d 2 123 1 2 134 wk I XXX 短路点短路电流的有名值 2 d B wk2 wk2 B 100 1 604 47kA 327 53 S II U 点冲击电流 取冲击系数 2 d wk2 1 8211 38kA sh iI impl 1 8k 点短路电流的最大有效值 2 d wk2 1 516 75 kA sh II 表4 1 短路计算值 Z I kA sh i kA sh I kA 110kV侧 2 436 203 67 27 5kV侧 4 4711 386 75 第5章 高压设备的选择 5 1 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 9 5 2 母线的选择 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以及AT变电所的55kV牵引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 1 110kV侧进线的选择 1 最大负荷持续工作电流 N gmax N 40000 1 31 31 3272 93A 3 110 e S II U 式中 为变压器的额定容量 为线路的额定电压 B S N U 2 按经济电流密度选择进线截面 gmax I S j 式中 为经济电流密度 牵引变电所经济电流密度 max 3000 5000 70ThC 对于牵引负荷侧 2 1 15 A mm j max 3000 5000hT 由式 5 6 得 gmax2 272 93 237 33 mm 1 15 I S j 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931A 0 70 C 3 校验热稳定性 进线在最大负荷时的温度为 2 2 gmax0000 s0 xn0 xu 272 93 25702528 86 931 I CCCC I 短路电流计算时间0 10 20 3 dbg ttt 短路周期分量电流热效应的计算 222 2 2 2 10 2 1 771kAS 12 td Ztd z I II Q 非周期分量电流发热计算 22 Zfi 0 378 fi QITkAS 查表c 98 短路热效应 2 2 149kAS dzfi QQQ 32 min 11 2 149 1014 8mm 98 d SQ C 满足要求 4 校验进线机械稳定性 由技术数据可得 LGJ 240 30钢芯铝绞线的计算拉力为75620N 5 2 2 27 5kV侧母线的选择 27 5kV侧母线的选取 N gmax N 40000 1 31 31 31091A 327 5 e S II U 查表 电力牵引供变电技术 附表三LMY矩形导体尺寸 h b 63 10 平放1129 A 竖放1227 A 大于最大工作电流1091A 故初步选用 截面的铝母线 校验母线的短路热稳定性 2 63 10630mm 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 z s z 0 Af 应的值 再由求出 再次利用曲线找出对应的 s A 2 1 dzs QAA S z A Af z 2 2 max0000 00 1091 25702567 022 1129 g sxn xu I CCCC I 短路电流计算时间 0 10 20 3 dbg ttt 短路热效应 dzfi QQQ 由 电力牵引供变电技术 查表得 0 67 022 s C 2 22 22 10 5 994kAS 12 dd Ztt zd III Qt 22 1 279kAS fiZfi QIT 得 2 7 0273kAS dzfi QQQ 由 在 电力牵引供变电技术 图6 6中查得铝曲线 s 67 022 C 4 s A0 39 10 464 zszfi2 2 1 1 AA QQ 0 39 107 0273 100 3902 10 S630 在 电力牵引供变电技术 中查表6 6可得 对应于铝母线曲线 4 z A0 4002 10 的纵坐标为 即 表明所选截面的母线能满足热稳定性65 C zxu 65 C200 C 校验母线的机械 动 稳定性 设母线采用水平放 冲取电流11 38kA ch i 已知a 40cm l 120cm h 50mm b 6mm则 4006 7 03572 650 ab bn 三相短路时 相间电动力为 3 3 27267 chx 120l F1 73ik101 73 11 38101067 2123N a40 母线平放及水平排列时 其抗弯模量为 243 11 0 063 0 202 1 10 m 66 wbh 母线应力 6 2 91 10 10 MF l pa Ww 由 电力牵引供变电技术 表6 4知 铝母线的允许应力为pa 满足机69 100 械稳定性 故最后选择截面为的铝母线 2 63 10630mm 5 3 绝缘子和穿墙套管的选取 5 3 1 110kV侧支柱绝缘子的选取 1 按最大工作电压选择支柱绝缘子时 可按变压器110kV侧额定电压 考虑110kV e U 表5 1 110kV绝缘子参数表 支柱绝缘子 型号 额定电压 kV 机械破坏荷重 kN ZS 110 31103 2 支柱绝缘子机械稳定性校验 绝缘子受力 取L 120cm a 40cm 3 3 27267 chx l2 F1 73ik101 736 210106 6501N a2 故满足机械稳定性要求 xu 0 6F0 6 30001800N 5 3 2 27 5kV侧支柱绝缘子选取 按最大工作电压选择支柱绝缘子27 5kV侧额定电压考虑27 5kV e U 表5 2 27 5kV绝缘子参数表 支柱绝缘子 型号 额定电压 kV 机械破坏荷重 kN ZA 35Y353 75 支柱绝缘机械稳定校验 由计算知27 5三相短路相间短路 3 3 27267 chxxu 120l F1 73ik101 73 11 38101067 2123N0 6F a40 故能满足机械稳定要求0 6 37502250N 5 4 27 5kV侧穿墙套管选择 1 按最大长期工作电流选择电流母线截面可按变压器过载1 3倍考虑 max 40000 1 31 31 31091A 3327 5 e ge e S II U 表5 3 CLB 35 1500参数表 穿墙套管 型 号 额定电压 k V 额定电流 A 机械破坏荷 重 kN 热稳定电流 KA 不小于 10s 铜导体导管 5s 铝导 体导管 CLB 355 2330 2 穿墙套管热稳定校验 2222 xurtz QIt1851620KASQ 5 994 KAS 3 穿墙套管机械稳定性校验 27267 maxchxxu 120l F1 73ik101 73 11 381 101067 2123N0 6F a40 故其能满足机械稳定性要求0 6 75004500N 5 5 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 因此 高压断路器工作的好坏 直接影响到电力系统的安全运行 高压 断路器种类很多 按其灭弧的不同 可分为 油断路器 多油断路器 少油断路器 六氟化硫断路器 SF6断路器 真空断路器 压缩空气断路器等 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 10 6 SF 5 5 1 110kV侧断路器选取 1 最大工作电流按变压器1 3倍考虑 N gmax N 40000 1 31 31 3272 93A 3 110 e S II U 初选额定电流为1000A的的六氟化硫断路器 6 110 1000SF 表5 4 参数表 6 SF110 1000 极限通过电流型号额定电压 K V 额定电流 A 容值有效 值 5s热稳定电流 KV 6 110 1000SF 110100055KA32KA21 2 短路关合电流校验 极限通过电流为 而 所以满足 1 55kVi 6 2kA ch i 1ch ii 3 校验短路时热稳定性 2 2 149kAS dzfi QQQ 而 4 222 rt 2152205kAS d QIt 所以 满足稳定性要型断路器 4d QQ 6 110 1000SF 5 5 2 27 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 max 40000 1 31 31 31091A 3327 5 e ge e S II U 27 5kV g U 而 初选额定电流为1000A的LN1 max egeg UUII 27 5型的真空短路器断路器 其技术数据见表 表5 5 ZN1 27 5参数表 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 25kA eg i 11 38kA cj i egcj ii 3 校验短路时的热稳定性 由前面选择27 5kV母线处可得 2 7 0273kAS dzfi QQQ 而 222 4 8 54289kAS rt QIt 所以 故满足热稳定性要求 4d QQ 所以 选用额定电流为1000A的LN1 27 5型的真空断路器 5 6 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 6 RW1 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 eg U35kVU27 5kV 满足电压要求 按熔断器开断电流校验 8kA6 75kA eksh II 所以RW1 35Z高压熔断器满足要求 5 7 隔离开关的选取及校验 极限通过电流 型号额定电压 kV 额定电流 A 峰值有效值 4s热稳定电流 k A ZN1 27 527 5100030kA14 5kA11 5 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