三相牵引变电所电气主接线设计.docx

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1、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，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详细的分 析和选择。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 式进行了研究。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

2、、隔离开关、电压互感器、母线和避雷器这些电气设备进行了选型及校 验。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 主接线第1章课程设计目的和任务要求11.1设计目的11.2任务要求及依据11.2.1任务要求11.2.2 依据 1第2章牵引变电所变压器的选择22.1 牵引变压器的选择形式22.2牵引变电所的备用方式22.3牵引变压器容量的计算32.4计算容量32.4.1 校核容量32.4.2 安装容量和台数4第3章主接线的设计43.1牵引变电所高压侧主接线43.2 牵引变电所低压侧主接线53.3牵引变电所倒闸操作63.4牵引变

3、电所馈线侧主接线设计6第4章牵引变电所的短路计算74.1短路计算的目的74.2 短路点的选取74.3 短路计算 7第5章设备的选取及保护 105.1选择原则105.2母线的选择105.2.1 110kV侧进线选择105.2.2 27.5KV侧母线的选择115.3 断路器选取125.3.1 110KV侧断路器选择125.3.2 27.5KV侧断路器选择135.4 隔离开关选取135.5电压互感器的选取145.6电流互感器的选取14第6章继电保护15第7章并联无功补偿167.1并联电容补偿装置主接线167.2并联无功补偿17第8章防雷保护19结论20参考文献21第1章课程设计目的和任务要求1.1设

4、计目的通过本课程设计，能够运用电气基础课程中的基本理论和实践知识，正确地解 决牵引变电所的电气主接线设计等问题。学习和掌握牵引供电系统在实际生活中的 应用和设计技术，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知 识与应用相结合的实践和锻炼。通过牵引变电所的电气主接线设计的训练，提高电 气设计能力，学会使用相关的手册及图册资料等。1.2任务要求及依据1.2.1任务要求(1) 确定该三相牵引变电所高压侧的电气主结线的形式，并分析其运行方式。(2 )确定牵引变压器的容量、台数和型号。(3) 确定牵引负荷侧的电气主接线的形式。(4) 对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择。(5) 对变电

5、所进行继电保护配置，并进行防雷和接地设计。(6) 用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。1.2.2 依据(1) 该牵引变电所的供电电源是由电力系统的区域变电所以双边双回路(110kV)的 输电形式输送电能的，基准容量100MVA，在最大运行方式下电力系统的电抗标幺 值为0.13，最小运行方式下为0.15，高压侧有一定的穿越功率。(2) 该牵引变电所性接触网的供电方式为直供加回流的供电方式，为单线区段， 同时以10kV电压给车站电力、照明等地区符合供电，容量计算为1000MVA，还可 以提供变电所。牵引变电器的参数：额定电压为110/27.5kY重负荷臂有效电流和平均电流为366A和285A

6、，重负荷 臂的最大电流为580A，轻负荷臂的有效电流为322A和243A。(4)环境资料：本牵引变电所地区海拔为550米，地层以纱质粘土为主，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38C，年平均温度为21C，年最热月平均最高气温为 33C，年雷暴日为25天，土壤冻结深度为1.2m。第2章牵引变电所变压器的选择2.1牵引变压器的选择形式本次接线适合选用YN，dll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

7、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。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 取两台变压器并联运行，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。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。2.2牵引变电所的备用方式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

8、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

9、于需要作为备用变压器投人时，缩短运输时间。在供 电段的牵引变电所不超过58个的情况下，设一台移动变压器，其额定容量应与该 区段的最大单台牵引变压器额定容量相同。(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。(3) 结合本次设计的任务要求，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。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，

10、牵引变压器的备用 方式不再考虑移动备用方式，而是采用固定备用。2.3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。因为该牵引变电所重负荷臂馈线有效电流/ie=366A，平均电流/%v=285A，最 大电流I = 580A .轻负荷臂馈线有效电流12 = 322A，平均电流12 :243A。并且 采用YN，d11接线方式。赤2.4计算容量牵引变电所主变压器采用，d11接线，主变压器的正常负荷计算：S = K U412 +1

11、2 + 21 I (kVA)将 I = 366A，I = 285A，I = 322A，I = 243A 代入可以求得：S = 21830.82kVA2.4.1校核容量紧密运行状态下的主变压器的计算容量为：S = KU(21+ 0.651 )max ta maxbe将I = 580A，I = 322A代入上面公式可以求得：S = 33890.17kVA牵引变压器校核容量：S = = 33890.17 = 22593.45kVA校 K 1.52.4.2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SF1-25000/110变压器，一台工作，另外一台作为固定备用。当工作

12、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。变压器的参数如表3-1所示。表2-1变压器参数额定额定电压额定电流损耗(kV)阻抗空连冷却型号容量(kV)(A)电压载接方式(kVA)高低高低空短(%)电组压压压压载路流别(%)SF1-YN，ONA25000/2500011027.5105420251510.52d11F110第3章主接线的设计3.1牵引变电所高压侧主接线牵引供电系统为一级负荷，需要两路独立电源进线。有题目中所给出的穿越电流 可知，系统中有功率穿越，属于通过式变电所，并考虑到经济运行，本次采用桥型接线，

13、考 虑到变压器故障率较低,并且采用了固定备用形式,所以,变电所110kV侧主接线采用 利于线路故障维修及检修的内桥形式。内桥接线图见下图3-1所示。3.2牵引变电所低压侧主接线低压侧断路器的接线分为100%和50%两种备用形式。其中,100%备用形式主要 用于单线区段，牵引母线不同相的场合，其转换方便，可靠性高,而50%备用主要适用于 复线区段,所以本次设计中采用100%备用以达到设计目的。低压侧断路器采用100%备用的接线形式如下图3-2所示。图3-2 100%备用示意图3.3牵引变电所倒闸操作正常运行时，QS1、QF1、QS3，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

14、向27.5KV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，再闭 合QS4，最后闭合QF，即可满足检修时供电需要。检修结束时，先断开QF，然后 断开QS4，在闭合QS3，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。由此可以看出采用内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

15、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。3.4牵引变电所馈线侧主接线设计本次设计从供电可靠性、灵活性和经济性考虑本次接线选用馈线断路器100%备 用的接线方式。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 一次侧一次投资较大，如图3-3所示。H相母线L相母线图3-3馈线断路器100%备用第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

16、。(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110kV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27.5kV低压母线短路点作为短路计算点。4.3短路计算其计算电路如图4-1。图4-1短路计算电路其等效电路如图4-2。.YYYYXYYY

17、Y.YYYY图4-2短路等效电路图(1)确定基准值dc1c 2取 S = 100MVA U = 115kV U = 27.5kVIdlSdV3Uc1 = 0.502kA、3 x 115Id2Sdv3Uc2100 =2.1kA I = 131.22 A满足热稳定度的校验。 al30(3)校验动稳定度硬母线的动稳定度校验条件：疽。c式中， al为母线材料的最大允许应力(Pa)，硬铝母线(LMY型) i = 70MPa。最大计算应力： c = M其中 M = -，W =妙。F (3)=(弟(3)2 1 X 10-7106sh a硬铝母线(LMY)的允许应力为： = 23.4MPa = 70MPa由此

18、可见该母线满足短路动稳定度的要求。5.2.2 27.5KV侧母线的选择最大负荷持续电流为g max=Bv3U25000 = 4.7MPa所以，由发热条件/.广1168A 524.68A，且满足机械强度校验，所以低压母线 满足要求。5.3断路器选取高压断路器(或称高压开关)它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负 荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用，切断过负荷电流和短 路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，(1) 额定电压的选择(6-1)安装处电网的额定电压(kV)。(6-2)(6-3)式中，un断路器的额定电压(kV)； uns额定电流的选择N max(3)额

19、定开断电流的选择Nbr kp式中，y 断路器的额定开断电流，由厂家给出(kA)；Ik刚分电流(断路器出头刚分瞬间的回路短路全电流有效值)(kA)。(6-4)(4) 短路关合电流的选择.Ncl sh断路器操动机构能关合的最大短路电流。断路器操动机构能克服动静触头之间 的最大电动斥力，使断路器合闸成功。(5) 热稳定校验I；2 - Qk(6-5)(6) 动稳定校验i i h(6-6)5.3.1110KV侧断路器选择110KV侧所选断路器型号为SW6-110/1250,其技术数据见下表表5-1 110kV侧断路器技术数据表型号额定开断动稳定电流(kA)4s稳定电流(kA)固有分闸时间(s)额定电压(

20、kV)电流(kA)额定电流(A)SW2-110/125011015.812504115.80.04U = 1N1CKV=UNSIn = 1250A I = 270AI = 15.8KA I =Nkk -12.43KAi = 41KA I(3)= 6.20KA 12 x t = 2.432 x1.36=8.03(KA)2 - s UNS=27.5 I =N1000A Imax=1000AINk=165KA I=2.54KA ik-2Nes=45KA I3 = 4.51KAI2 x t = 4.512 x 1.36 = 27.67(KA)2 s U ,I I，可初选型号为GW4-110DDW/63

21、0的隔离开关。e g e g max(2) 校验短路时的热稳定性I = 20kA，I :Lz = 2.43x ：3 = 595.226Ae t 5所以，I疽七，故满足热稳定性要求。5.5电压互感器的选取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0.5级。由于电压互感器装于110kV侧用于计费，并不需要起保护作用，因为如果 110kV侧发生故障或事故时，其地方的电力系统会启动继电保护装置跳闸，将其故 障或事故切除，因此选用JCC -110型准确级0.5级，额定容量500VA的电压互感器6便可以满足要求。由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短

22、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。5.6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S25000I= 1.3 n = 1.3 x = 170.58A ，NU =110kAg而U U , I I ，由表5-12查出电流互感器 LCW-110的额定电压为 110kV，额定电流W&)0600)/5，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( K t =(300 x 75 = 506.25 x 106kA - SfiQ = Q + Q = 7.0273kA2 - S d因为故满足热稳定性。(3) 短路动稳定性

23、校验72/1 - K =很 X 300 X150 = 63630Aich = 6200A显然，满足动稳定性。各设备的参数如表5-3所示。表5-3 一次侧设备的选择校验选择校验项目电压(kV)110电流(A)5.02断流能力(kA)3.86动稳定度(kA)6.316热稳定度27数据少油断路器s SW3-110G110120015.841998.56设备高压隔离开关 GW4-110DDW110630-501600型号电压互感器JCC6-110110/.、3(300600)/5-规格电流互感器LCW-110110/.g5-第6章继电保护继电保护装置，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

24、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。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

25、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，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、灵敏性及快速性。第7章并联无功补偿7.1并联电容补偿装置主接线图7-1表示了并联电容补偿装置的两种主接线（a）用于直接供电方式、带回流 线的直接供电方式和BT供电方式等牵引变电所。主接线的主要设备有： 并联电容器组C。用于无功补偿，与串联电抗器匹配，滤掉一部分谐波电 流。 串联电抗器L。用于限制断路器合闸是的涌流和分闸时的重燃电流；与电容 器组

26、匹配，滤掉一部分谐波电流；防止并联电容补偿装置与供电系统发生高次谐波 并联谐振；发生短路故障（例如牵引侧母线短路）时，避免电容器组通过短路点直 接放电，保护电容器不受损坏；还可以抑制牵引母线瞬时电压降低为零。 断路器QF为7投切和保护并联电容补偿装置。 隔离开关QS。为了在维护检查并联电容补偿装置时有明显电点。 电压互感器TV1，TV2 （或放电线圈）。为了实现电容器组的继电保护，并联 电容器组退出运行时放电。 电流互感器TA1，TA2。为了实现并联电容补偿装置的电流测量和继电保 护。 避雷器F。作为过电压保护。 熔断器FU。作为单台电容器的保护。?L图7-1并联电容补偿装置7.2并联无功补偿

27、在牵引变电所牵引侧设计和安装并联电容补偿装置，既是减少牵引负荷谐波影 响的一项措施，又是提高牵引负荷功率因数的一种对策。按牵引变电所负荷平均有 功功率计算需补无功容量，并根据无防倒要求进行调整。还应考虑，对于运量大的 双线电气化铁路，按牵引变电所无牵引负荷概率的100%进行调整。牵引变电所功率 因数取值：补偿前，牵引侧cos中=0.82，牵引变压器高压侧cos们= 0.78 ；补偿后， 牵引变压器高压侧cos中2 = 0.9(1)重供电臂负荷平均有功功率尸:P = I U cos中=285 x 27.5 x 0.82kW = 6426.75kW需补无功容量Qd，无防倒要求时：| 1) -1 =

28、 2043.40k var 0.92/(11)=PLT -1 J = 6426.75 T 届-1安装无功容量qa：2Qd代入 U max= 29kV , a = 0.13 可求得：U = 35kVQ = 2589.48k var实际安装无功容量QRA，选取电容器型号为BWF10.5-12-1W 电容器BWF10.5-12-1W参数如表7-1所示。表7-1电容器参数表型号额定容量(kvar)额定电压(kV)额定电容(uF)BWF10.5-12-1W126.30.962串联电容器单元数n按下式确定:n = Un =兰 R 4U 10.5Q H . 414 x16并联电容器单元数m按下式确定:m =

29、 r0m应受下列允许值限制，最小允许值:4 -1 ammin3U / 33.33 n- 4TT 11.55u为电容器组工作电压，U为故障电容器端电压，按下式确定:U = Uw - max =29= 33.3kVC1 1 - a1 - 0.13U = 1.1U = 1.1X 10.5 = 11.55kV最大允许值:m=U x 106 = 2 X 4000 = 5.89 x 106max CU 24.95X 17.822实际安装无功容量：Q = mnQ = 4 x 41 x 16 = 2624 k var(2)轻供电臂并联电容补偿计算轻供电臂并联电容补偿计算同重供电臂算法相同。并联补偿计算的结果如

30、表7-2 所示。表7-2并联补偿计算的结果P (kW)Qd(kvar)Q (kvar)m*nQ (kvar)A6426.752043.402589.4841*42624B5479.651742.272207.8835*42240第8章防雷保护牵引变电所是重要的电力枢纽，一旦发生雷击事故，就会造成大面积停电。一些 重要设备如变压器等，多半不是自恢复绝缘，其内部绝缘如故发生闪络，就会损坏设 备。因此，变电所实际上是完全耐雷的。变电所的雷害事故来自两个方面：一是雷直击变电所；二是雷击输电线路产生 的雷电波沿线路侵入变电所。对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对雷电侵入波的防护的主要措施是 阀式避雷

31、器限制过电压幅值，同时辅之以相应措施，以限制流过阀式避雷器的雷电 流和降低侵入波的陡度，避雷器应与被保护设备并联，且安装在被保护设备的电源 侧。能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电 压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。避雷器通常接于带电 导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立 即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅 速恢复原状，以保证系统正常供电。在每路进线终端均装设阀式避雷器或金属氧化 物避雷器。为了有效地保护主变压器，阀式避雷器应尽量靠近主变压器安装。变压 器两侧的避雷器应

32、与主变压器中性点及其金属外壳一同接地。其参数如表8-1所示。通过这次小学期实践，我了解了牵引变压器的用途及工作原理，熟悉了牵引变 压器的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程 设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，提高了综合运用所学理 论知识独立分析问题解决问题的能力，为我们今后的发展打下了良好的基础。但是 毕业设计也暴露出一些不足之处，比如对于原始数据中未给出，尚缺的，自己没有 充分收集和补充。参考文献1谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统（第三版）.西南交通大学出版社，2009尹向强.电力系统继电保护.中国电力出版社，20103刘介才.工厂供电（第5版）.机械工业出版社，2013