电气化铁道供电系统与设计课程设计报告——牵引变电所设计

1、自动化与电气工程学院 电气化铁道供电系统与设计电气化铁道供电系统与设计课程设计报告班 级： 电气08*班 学 号： 20080* 姓 名： * 指导教师： * 评语： 2011 年 12 月 30 日一、 题目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四个方向供电区段供电，现在已知列车正常情况时的计算容量为10000kVA（三相变压器），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3750kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下所示：25KV回路(1路备):两方向的年货运量与供电的距离分别为:，。10kV共12回路（2路备）。供电电源由系统区域变电所以双回路110k

2、V输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电线距离15km，主变压器为三相接线。二、 题目分析及解决方案框架确定根据原始资料和各种负荷对供电可靠性要求，主变压器容量与台数的选择，可能有以下两种方案：方案A:2×10000千伏安牵引变压器+2×6300 kVA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6300 kVA）。方案B:2×15000千伏安的三绕组变压器，因10千伏侧地区负荷与总容量比值超过15%，采用电压为11027.510.5 kVA，结线为两台三绕组变压器同时为牵引负荷与地区电力负荷供电。各绕组容量比为100:100:

3、50。由上述资料可知，本牵引变电所担负着重要的牵引负荷供电任务（一级负荷）、馈线数目多、影响范围广，应保证安全可靠的供电。10千伏地区负荷主要为编组站自动化驼峰、信号自动闭塞、照明及其它自动装置等一部分为一级负荷、其他包括机务段在内均为二级负荷，应有足够可靠性的要求。本变电所为终端变电所，一次侧无通过功率。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。 三、设计过程 3.1牵引变电所110kV侧主接线设计按110 kV进线和终端变电所的地位，考虑变压器数量

4、，以及各种电压级馈线数目、可靠供电的需要程度选择结线方式。（1）对于方案A，因有四台变压器，考虑110 kV母线检修不致全部停电，采用单母线用断路器分段的结线方式，如图1单母线用断路器分段的结线方式，每段母线连接一台牵引变压器和地区变压器。由于牵引馈线断路器数量多，且检修频繁，牵引负荷母线采用带旁路母线放入单母线分段（隔离开关分段）结线方式，10 kV地区负荷母线同样采用断路器分段的单母线结线系统。自用电变压器分别接于10 kV两段母线上（两台）。图1 单母线用断路器分段结线（2）对于方案B，共用两台三绕组主变压器、两回路110 kV进线，线路太长，但是应有线路继电保护设备，故以采用节省断路器

5、数量的内桥结线较为经济合理，如图2内桥结线。图2 内桥结线3.2开关设备的选择(1)高压断路器的选择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点选择断路器的类型和型号、即户内或户外式，以及灭弧介质的种类，并能满足下列条件 断路器的额定电压，应不低于电网的工作电压，即式中 , 分别为制造厂给出的短路器额定电压和网络的工作电压，伏或千伏。断路器的额定电流，应不小于电路中的最大长期负荷电流，即式中 断路器的最大长期负荷电流，安或千安。根据断路器的断路能力，即按照制造厂给定的额定切断电流,或额定断路容量选择断路器切断短路电流（或短路功率）的能力。为此，应使额定切断电流

6、不小于断路器灭弧触头刚分离瞬间电路内短路电流的有效值，或在一定工作电压下应使断路容量不小于短路功率。即 或 （三相系统）式中，短路后t秒短路电流有效值（周期分量），对快速断路器，取；短路后t秒短路功率，对快速熔断器。 对于牵引系统，牵引网电压为27.5千伏，当采用三相35千伏系列的断路器时，断路器容量需按下式换算：式中，35千伏断路器用在27.5千伏系统中的三相断路容量。 牵引网馈电线用单相断路器，按额定断路容量选择时应满足的条件为（不变）：式中，、分别为单相断路器的额定断路容量和单相牵引网中短路后t秒的短路功率。为了求得短路电流有效值，必须确定切断短路的计算时间，即从短路发生到灭弧触头分开时

7、为止的全部时间，它等于继电保护动作时间和断路器固有动作时间之和，故。在设计和电气设备选择中，由实际选择的保护装置与断路器型号，可得到和的实际值，但如无此数据时，一般可按下述情况选取。对快速动作的断路器，取秒，而对于非快速动作的断路器，秒；对于继电保护，应按具有最小动作时间的速断主保护作为动作时间，即秒，因此，对于快速动作的断路器，切断短路的计算时间秒，对于非快速动作的断路器，秒。可知，短路发生后秒，因短路电流的非周期分量已接近衰减完毕，此时短路电流即为短路周期分量电流的有效值。当秒时，则须计入短路电流的周期分量。校验短路电流通过时的机械稳定性在短路电流作用下，对断路器将产生较大的机械应力，为此

8、，制造厂给出了能保证机械稳定性的极限通过电流瞬时值，即在此电流通过下不致引起触头熔接或由于机械应力而产生任何机械变形。因而，应使式中，分别为断路器的极限通过电流或断路器安装处的三相短路冲击电流（幅值）。校验短路时的热稳定性短路电流通过时断路器的热稳定性，由制造厂家给出的在t秒（t分别为4、5或10秒）内允许通过的人稳定电流来表征，即在给定的时间t内，通过断路器时，其各部分的发热温度不超过规定的短路最大容许发热温度。因此，短路电流通过断路器时，其热稳定条件为：式中，为制造厂家规定的秒热稳定电流。短路电流发热效应。（2）高压熔断器的选择高压熔断器用以切断过负荷电流和短路电流，选择是首先应考虑装置的

9、种类与型式、是屋内或屋外使用，对于污秽地区的屋外式熔断器还应保证绝缘泄露比距的要求，以加强绝缘，此外，高压熔断器应满足按工作电流（与断路器意义相同）。按工作电流式中、分别为熔断器额定电流和熔件额定电流； 网络中最大长期工作电流按断流容量 或 式中，、分别为熔断器的极限开断电流和额定断流容量。对污秽地区屋外安装的熔断器，其绝缘泄露比距应满足因熔断器的熔断时间很短，故采用熔断器保护的导体和电器可不校验短路电流的机械稳定性和热稳定性。此外，高压熔断器熔件的选择还必须与网络中各分段、分支电路的熔断器熔件或与馈电线继电保护之间，从时间特性上保证互相间动作的选择性和时限配合关系。（3）隔离开关的选择选择隔

10、离开关，首先应考虑装置的种类和型式、是屋内或屋外使用，对于污秽地区的屋外式熔断器还应按上述熔断器选择时的条件（4）保证绝缘泄露比距的需要。隔离开关的其它选择条件与断路器类似，但对隔离开关不进行切断能力的（切断电流或断路容量）的校验。3.3仪用互感器的选择（1）电流互感器的选择电流互感器的选择一般有如下原则需要遵循：应满足一次回路的额定电压、最大负荷电流及短路时的动、热稳定电流的要求；应满足二次回路测量、自动装置的准确度要求和保护装置10误差的要求；应满足保护装置对暂态特性要求（如500KV保护）；用于变压器差动时，各侧电流互感器的铁芯宜采用相同的铁芯型式。各互感器的 特性宜相同。以防止区外故障

11、时，各互感器特性不一致产生差流，造成误动。电流互感器类型选择 为保证保护装置的正确动作，所选择的互感器至少要保证在稳态对称短路电流的下的误差不超过规定值。至于故障电流中的非周期分量和互感器剩磁等问题带来的暂态影响，则只能根据互感器所在系统暂态问题的严重程度、保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行情况进行综合考虑定性分析，至于精确的暂态特性计算由于过于复杂且现场工作情况很难进行，因此进行讨论。 330500KV系统保护、高压侧为330500KV的变压器保护用的电流互感器，由于系统一次时间常熟较大，互感器暂态饱和较严重，由此可能导致保护错误动作的后果。因此互感器应保证实际短路工作循环中不致暂

12、态饱和，即暂态误差不超过规定值。一般选用TP类互感器，尤其是线路保护考虑到重合闸的问题，要考虑双工作循环的问题，因此推荐使用TPY型。 220KV系统保护、高压侧为220KV的变压器保护互感器其暂态饱和问题及其影响较轻，可按稳态短路条件计算互感器稳态特性，进而选择互感器。当然，为减轻可能发生的暂态饱和影响，我们有必要留有适当裕度。220KV系统保护的暂态系数一般不小于2。110KV系统保护用互感器一般按稳态条件考虑，采用P类互感器。 高压母线差动保护用电流互感器，由于母线故障时故障电流很大，而且外部故障时流过互感器的电流差别也很大。即使各互感器特性一致，其暂态饱和的情况也可能差别很大。因此母线

13、差动保护用的电流互感器最好要具有抗暂态饱和的能力。实际工程应用中，一般按稳态条件选择互感器，而抗饱和的问题更多的由保护装置进行处理。（2）电压互感器的选择（作用）给重合闸提供必要信号，一条线路两侧重合闸的方式要么是检无压，要么是检同期，线路PT可以为重合闸提供电压信号。 现在部分线路PT时用的电容式电压互感器，可以为载波通信提供信号通道。目前对一些特殊的供电用户线路提供计量电压将系统高电压转变为标准的低电压（100V）,为仪表、保护提供必要的电压。与测量仪表相配合，测量线路的相电压与线电压；与继电保护装置相配合，对系统及设备进行过电压、单相接地保护。隔离一次设备与二次设备，保护人身和设备的安全

14、。3.4 牵引变压器计算（1）牵引变压器不对称系数的计算由已知牵引负荷容量，25kV侧额定电流及每馈电区电流、，见图2（a）形绕组中电流分配图，分别为： (1) (2) 其中（因电流不对称引入的系数k=0.655）。 图2 (a)形绕组中电流分配 两馈电区电流在形绕组中分配后，每相绕组电流为: （3） （4） （5）电流与电压的相量关系如图2（b）每相牵引负荷电流与电压向量图，其中以为基准相。图2（b）每相牵引负荷电流与电压向量图10千伏电压侧为三相对称负荷，设cos=0.9则其额定电流和形绕组中每相电流分别为： （6） （7） （8） （9）110kV高压绕组中的电流，不计励磁电流时，即为负

15、荷电流归算到高压侧的值。对于方案（A）仅考虑牵引负荷: （10） （11） （12）对于方案（B），应为牵引负荷与地区负荷电流相量和，其值为： （13） （14） （15） 其中电压变换系数 高压110千伏绕组中的阻抗压降，已知参数为：三绕组16000千伏安变压器: 双绕组10000千伏安变压器: 按式(16)和(17)分别求得高压绕组的电阻及电抗为： （16） （17）三绕组变压器: 双绕组变压器: 高压各相绕组阻抗压降，由各相阻抗压降三角形可知：对于三绕组变压器: （18） （19） （20）对于双绕组变压器: （21） （22）高压110 kV绕组感应电势（E）及不对称系数，按下式计算

16、其中： 正序分量: 负序分量: 电压（势）不对称系数: （2）变压器与配电装置的一次投资与折旧维修费方案A：变压器四台，多增加110kV断路器四组，按SW3-110少油断路器计算，共需（以万元计）: (23) （每组断路器包括断路器及机构1台、电流互感器1台，及两侧隔离开关2台，分别为11万元、1.9万元和2×0.95万元）方案B：三绕组变压器2台，另增加变压器前面和跨条隔离开关（110kV）4组共需（以万元计）： (24)（3）方案A与方案B的年电能损耗计算及比较方案A采用型和型三相变压器，参数为：牵引变压器: 地区变压器: 按已知条件，可求牵引负荷的最大功率损耗时间为： 地区负荷

17、小时，用插入法得，（地区负荷）=2750小时。牵引变压器和地区变压器的年能量损耗和分别由式: 求得（取无功经济当量=0.1）： 其中 各值已在前面求出； (25) 方案B采用2×SFS7-16000110型三项三绕组变压器，容量比100：100：50；，各绕组短路电压，则依下式：可求得年电能损耗为：已知，则代入上述各值后，得： 。 四、 设计方案分析 由不对称系数和经济性比较可知，方案B在保证同样可靠性的前提下，对地区负荷供电电压质量较好，且投资和年运营费用都较低，又节省占地面积，故推荐方案B。且采用了内桥接线。因为内桥接线适合于线路长，线路故障率高，而变压器不需要频繁操作的场合且这

18、种接线形式可以很方便的投入或切换。110kv侧采用单母线分段接线方式，提高了供电可靠性。五、 心得体会这次课程设计我主要负责的是画图部分的工作，对于画图软件的使用又有了重新的认识，当然也对这门课程的内容有了更加深刻的认识，使我对铁路行业所从事的一些工作也有了新的了解。当然对于这次课程设计的返工我也有一些想法，有能力的同学不断的在做同样的事情，并且对于很多同学的积极性严重挫败，我觉得大学不仅仅是只学书本，更重要的是学做人学做事，这也是我在课程设计中的一些体会，望老师海涵。这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的

19、实际动手能力和独立思考的能力。任何时候学的任何东西都是有用的，只是还没到用的时候，等到想用的时候却发现自己的学习原来是那么的不扎实。以后日子我要更加注重实践和理论之间的关系，真正的做到学有所用，解决更多的问题，从一个比较有高度的层面上得出结论才能真正为社会服务。在设计的过程中我也遇到很多问题，毕竟画图工作还是相当考验人的耐心和毅力的，而且其中很多问题也在绘图的过程中暴露了出来，这次课程设计的过程中我也再次发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。生活中没有一帆风顺，一劳永逸的事情，过程虽然是枯燥的痛苦的，但苦中也有乐，对于平时单一的理论学习是一次升华，“纸上得来终觉浅，绝知