電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計課程設(shè)計報告

1、電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計課程設(shè)計報告班 級：學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 評語： 2011 年 7 月 23 日一、 題目某牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，向兩條復(fù)線電氣化鐵路干線的四個方向供電區(qū)段供電，已知列車正常情況的計算容量為20000 kva（三相變壓器），并以10kv電壓給車站電力照明機務(wù)段等地區(qū)負荷供電，容量計算為1000 kva，各電壓側(cè)饋出數(shù)目及負荷情況如下：25kv回路（2路備）：兩方向年貨運量與供電距離分別為，。10kv共6回路（4路備）。供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kv輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的中間，送電線距離20km，主變壓器為三相接線。二、 題目分析

2、及解決方案框架確定2.1原理分析首先對題目進行分析，可以看出本牽引變電所擔(dān)負著重要的牽引負荷供電任務(wù)（一級負荷）、饋線數(shù)目多、影響范圍廣，并且10千伏地區(qū)負荷中也包含部分一級負荷，所以應(yīng)保證安全可靠的供電。三相雙繞組yn,d11接線牽引變電所原理如下4：三相yn,d11結(jié)線牽引變壓器的高壓側(cè)通過引入線按規(guī)定次序接到110kv三相電力系統(tǒng)的高壓輸電線上。變壓器低壓側(cè)的一角c與軌道接地網(wǎng)連接，變壓器另兩個角a和b分別接到27.5kv 的a相和b相母線上。由兩相牽引母線分別向兩側(cè)對應(yīng)的供電臂供電，兩臂電壓相位差為，也為接線。由于左右兩供電臂對軌道的電壓相位不同，因此，在這兩個相鄰的接觸網(wǎng)區(qū)段間采用分

3、段絕緣器。這種牽引變電所中裝設(shè)兩臺三相yn,d11結(jié)線牽引變壓器，可以兩臺并聯(lián)運行也可以一臺運行，一臺固定備用。三相雙繞組yn,d11接線牽引變電所的優(yōu)缺點如下4：優(yōu)點是牽引變壓器低壓側(cè)保持三相，有利于供應(yīng)牽引變電所自用電和地區(qū)三相電力。并聯(lián)運行時，當一臺停電時，供電不會中斷，運行可靠方便，能很好的適應(yīng)山區(qū)單線電氣化鐵路牽引負荷不均衡的特點。三相yn,d11結(jié)線牽引變壓器在我國采用的時間長，有比較多的經(jīng)驗，制造相對簡單，價格也比較便宜。原邊中性點可以引出接地，原邊繞組可按分級絕緣設(shè)計制造，與電力系統(tǒng)匹配方便，對接地網(wǎng)的供電可實現(xiàn)兩邊供電。缺點是牽引變壓器容量不能得到充分利用。重負荷相繞組電流達

4、額定值時牽引變壓器輸出容量只能達到其額定容量的75.6%，引入溫度系數(shù)后也只能達到84%，而且主接線相對復(fù)雜，設(shè)備投資也較大，維護檢修工作量及相應(yīng)的費用也有所增加。2.2方案擬定由題目中給出的變壓器計算容量及對各種負荷對供電可靠性的要求等條件，選取變壓器的型號及數(shù)量。擬定了如下兩套方案：方案a:220000kva牽引變壓器+26300 kva地區(qū)變壓器，一次側(cè)同時接于110kv母線，（110千伏變壓器最小容量為6300 kva）。方案b:225000kva的三繞組變壓器，采用電壓為110/25/10.5kv,接線為的兩臺三繞組變壓器同時為牽引負荷與地區(qū)負荷供電。各繞組容量比為100:100:5

5、0。 在變壓器型號的基礎(chǔ)上，針對不同方案選取室外110kv側(cè)母線，室外27.5kv側(cè)母線以及室外10kv側(cè)母線的型號?？紤]到三相yn,d11結(jié)線牽引變壓器的特點以及牽引變電所的類型（通過式牽引變電所）采用如圖2所示的單母線分段接線。按照向復(fù)線區(qū)段供電的要求，其牽引側(cè)母線的饋線數(shù)目較多，為了保障操作的靈活性和供電的可靠性，也便于故障斷路器的檢修，根據(jù)題目要求帶有旁路母線和旁路斷路器的接線方式。本變電所為終端式牽引變電所，一次側(cè)無通過功率，考慮為固定備用方式，按故障檢修時的需要，應(yīng)設(shè)兩臺牽引用主變壓器，10kv地區(qū)電力負荷主要為編組站自動化駝峰信號自動閉塞照明及其他自動裝置等，所以有一級負荷，為保

6、證變壓器檢修時不致斷電，也應(yīng)設(shè)兩臺。按照選取的變壓器的容量以及110kv牽引側(cè)的主接線，可以設(shè)計出牽引變電所的電氣主接線。三、設(shè)計過程3.1牽引變電所110kv側(cè)主接線設(shè)計依據(jù)該牽引變電所負荷等級，要求兩路電源進線，因有系統(tǒng)功率穿越，屬通過式變電所，兩種方案110kv側(cè)均采用圖2所示的單母線分段接線。以保證供電的可靠性和運行操作中的安全、靈活及便利。3.2牽引變電所饋線側(cè)主接線設(shè)計由于27.5kv側(cè)饋線數(shù)目多，饋線斷路器的跳閘次數(shù)較多，為了提高供電的可靠性，按饋線斷路器備用方式不同，牽引變電所27.5kv側(cè)饋線的接線方式一般有下列三種4：（1）饋線斷路器100%備用的接線如圖3所示。這種接線用

7、于單線區(qū)段，牽引母線不同相的場合。當工作斷路器需檢修時，即由備用斷路器代替。斷路器的轉(zhuǎn)換操作方便，供電可靠性高，但一次投資較大。（2）饋線斷路器50%備用的接線如圖4所示。這種接線用于單線區(qū)段牽引母線同相的場合以及復(fù)線區(qū)段每相母線只有兩條饋線的場合。每兩條饋線設(shè)一臺備用斷路器，通過隔離開關(guān)的轉(zhuǎn)換，備用斷路器可代替其中任一臺斷路器工作。牽引母線用兩臺隔離開關(guān)分段便于兩段母線輪流檢修。（3）帶旁路母線和旁路斷路器的接線如圖5所示。一般每2至4條饋線設(shè)一旁路斷路器。通過旁路母線，旁路斷路器可代替任一饋線斷路器工作。這種接線方式適用于每相牽引母線饋線數(shù)目較多的場合，以減少備用斷路器的數(shù)量。由于牽引變壓

8、器為三相yn,d11牽引變壓器且此變電所著重要的牽引負荷供電任務(wù)，且10千伏地區(qū)負荷中也含部分一級負荷。為提高供電的安全可靠性，同時避免較大的一次性投資，牽引變電所27.5kv側(cè)饋線采用帶有旁路母線和旁路斷路器的接線方式。3.3三相yn,d11直供方式變壓器接線三相yn,d11牽引變壓器主接線如下圖所示：三相yn,d11接線牽引變壓器用于直接供電方式或吸流變壓器供電方式中，高壓側(cè)繞組以星形方式與電力系統(tǒng)的三相相聯(lián)接。變壓器采用接線，低壓繞組接成三角形，其中c端子的一角經(jīng)電流互感器接至接地網(wǎng)和鋼軌（吸流變壓器供電方式時接回流線）；另兩角（變壓器ab端子）分別經(jīng)電流互感器斷路器和隔離開關(guān)引接至牽引

9、母線。其主接線如圖6所示，供應(yīng)復(fù)線鐵路時，上下行電力來自同一母線，兩路母線一個供應(yīng)左臂，一個供應(yīng)右臂，為減少饋出線數(shù)目，工作時母線上的開關(guān)應(yīng)閉合，備用變壓器的隔離開關(guān)打開即可。電源進線上，由于檢修時變壓器和斷路器同時檢修，所以省去一個隔離開關(guān)，投入時兩臺變壓器可以并聯(lián)工作也可以一臺工作，另一臺固定備用。不同方案主接線的擬定如下：（1）方案a，因有四臺變壓器，考慮到供電的可靠性，110kv母線檢修時不致全部停電，采用單母線分段的接線方式，如圖7，每段母線連接一臺牽引變壓器和一臺地區(qū)變壓器。由于牽引饋線斷路器數(shù)量多，且檢修頻繁，牽引負荷母線采用單母線分段帶旁路母線接線方式。10 kv地區(qū)負荷母線同

10、樣采用斷路器分段的單母線接線系統(tǒng)，兩臺自用電變壓器分別接于10kv兩段母線上。（2）方案b，如圖8，共用兩臺三繞組主變壓器，兩回路專用110kv進線，應(yīng)有線路繼電保護設(shè)備，并且其他條件和a方案中的相同，牽引負荷母線接線和10kv母線接線也應(yīng)與方案a的接線相同。3.4 牽引變壓器技術(shù)經(jīng)濟比較因10kv側(cè)地區(qū)負荷所占比例較大，且有部分為一級負荷，所以也應(yīng)保證必要的電壓質(zhì)量，主要應(yīng)檢驗電壓不對稱系，對其作出比較后再對兩種方案進行經(jīng)濟比較，從而確定最優(yōu)方案。（1）電壓不對稱系數(shù)的計算a）由已知牽引負荷容量，25kv側(cè)額定電流及每饋電區(qū)電流、兩饋電區(qū)電流在形繞組中分配后，每相繞組電流為（a） （a）（a

11、）電流與電壓相量關(guān)系以為基準相進行下面的計算。10千伏電壓側(cè)為三相對稱負荷，設(shè)cos=0.9則其額定電流和形繞組中每相電流分別為： (a) (a) (以為基準）同理(a)(a)110kv側(cè)高壓繞組中的電流，不計勵磁電流時，即為負荷電流歸算到高壓側(cè)的值。對于方案（a）僅考慮牽引負荷對于方案（b），應(yīng)為牽引負荷與地區(qū)負荷電流相量和，其值為： (a) (a) (a)其中電壓變換系數(shù)。b）高壓110千伏繞組中的阻抗壓降，已知參數(shù)為：三繞組25000千伏安變壓器 ，；雙繞組20000千伏安變壓器，。按計算公式 () (=110 kv) ()分別求得高壓繞組的電阻及電抗為：三繞組變壓器 雙繞組變壓器 高壓

12、各相繞組阻抗壓降，由各相阻抗壓降三角形可知：對于三繞組變壓器（單位：kv），對于雙繞組變壓器(單位：kv)， c）高壓110 kv繞組感應(yīng)電勢（e）及不對稱系數(shù)，按下式計算；其中： (kv)； (kv)； (kv)正序分量 (kv)負序分量 (kv)電壓（勢）不對稱系數(shù)將各方案計算結(jié)果記錄下來，并進相比較，如表1所示。表1 各主接線方案技術(shù)參數(shù)計算結(jié)果（單位：kv）方案 方案一：雙繞組 變壓器方案二：三繞組 變壓器 從上述比較可知，在保證電壓質(zhì)量方面，方案（a）和方案（b）的值在允許范圍以內(nèi)。（2）變壓器與配電裝置的一次投資與折舊維修費方案a：220000+26300kva變壓器四臺，多增加1

13、10kv斷路器四組，按sw3-110少油斷路器計算，共需（以萬元計） (萬元)（每組斷路器包括斷路器及機構(gòu)1臺、電流互感器1臺，及兩側(cè)隔離開關(guān)2臺，分為11萬元、1.9萬元和20.92萬元）。方案b：225000kva三繞組變壓器兩臺，另增加變壓器前面和跨條隔離開關(guān)（110kv）4組，共需 （萬元）方案a110kv配電間隔數(shù)增加，其占地面積不予計算。每年折舊維修費，按取一次投資的8%計，則方案a （萬元）方案b （萬元）（3）各方案的年電能損耗費（主變壓器正常工作采用兩臺并聯(lián)運行方式）a）方案a采用2sf1-qy-20000110型和2sf7-6300110型三相變壓器，其參數(shù)為：牽引變壓器

14、kw，kw，；地區(qū)變壓器 kw，kw，。按已知條件，可求牽引負荷的最大功率損耗時間為：(h) 地區(qū)負荷h，用插入法得，（地區(qū)負荷）=2750小時。牽引變壓器和地區(qū)變壓器的年能量損耗和和分別由式求得（取無功經(jīng)濟當量）： 其中 (a)；各值已在前面求出； ()故 （千瓦時）牽引用電按每度（千瓦時）0.16元計，則年電能損耗費 （萬元）工業(yè)用電按每度0.10元計，則年電能損耗費 (萬元)方案a年電能損耗費 （萬元）b）方案b采用2sfs7-25000110型三項三繞組變壓器，其參數(shù)為： kw， kw，各繞組短路電壓，。則依下式：可求得年電能損耗為：其中；已知h，h，則h代入上述各值后，得：年電能損耗

15、費 萬元（綜合用電取平均電價為0.12/度）。c）年運行費用：為年折舊費用與年電能損耗費之和。方案a （萬元/年）方案b （萬元/年）d)經(jīng)濟比較表，以方案a為基數(shù)，則方案b凈增數(shù)按式，如表2。表2 各主接線方案經(jīng)濟比較表項目 方案a 方案b一次投資（萬元） 0 286.8274.8=12年運行費（萬元） 0 80.95465.71=15.24e)由技術(shù)經(jīng)濟比較表明，方案a和方案b對地區(qū)負荷供電電壓質(zhì)量都滿足要求，但方案a投資和年運行費用均較低，且節(jié)省占地面積故推薦方案a。3.5繪制電氣主結(jié)線圖電氣主接線圖如下：上述方案a和方案b中，25kv側(cè)引出的8個回路中已經(jīng)包含2路備用；10kv側(cè)引出的

16、6個回路中已經(jīng)包含4路備用。3.開關(guān)設(shè)備的選擇（1）高壓斷路器的選擇對于開斷電路中負荷電流和短路電流的高壓斷路器，首先應(yīng)按使用地點和負荷種類及特點選擇斷路器的類型和型號、即戶內(nèi)或戶外式，以及滅弧介質(zhì)的種類，并能滿足下列條件3：1 斷路器的額定電壓，應(yīng)不低于電網(wǎng)的工作電壓，即式中、分別為制造廠給出的短路器額定電壓和網(wǎng)絡(luò)的工作電壓，伏或千伏。2 斷路器的額定電流，應(yīng)不小于電路中的最大長期負荷電流，即式中斷路器的最大長期負荷電流，安或千安。3 根據(jù)斷路器的斷路能力，即按照制造廠給定的額定切斷電流、或額定斷路容量選擇斷路器切斷短路電流（或短路功率）的能力。為此，應(yīng)使額定切斷電流不小于斷路器滅弧觸頭剛分

17、離瞬間電路內(nèi)短路電流的有效值，或在一定工作電壓下應(yīng)使斷路容量不小于短路功率。即：或 （三相系統(tǒng)）式中，短路后t秒短路電流有效值（周期分量），對快速斷路器取為，t0.1”；短路后t秒短路功率，對快速熔斷器。對于牽引系統(tǒng)，牽引網(wǎng)電壓為27.5千伏，當采用三相35千伏系列的斷路器時，斷路器容量需按下式換算：式中，35千伏斷路器用在27.5千伏系統(tǒng)中的三相斷路容量。牽引網(wǎng)饋電線用單相斷路器，按額定斷路容量選擇時應(yīng)滿足的條件為（不變）：式中，、分別為單相斷路器的額定斷路容量和單相牽引網(wǎng)中短路后t秒的短路功率。為了求得短路電流有效值，必須確定切斷短路的計算時間，即從短路發(fā)生到滅弧觸頭分開時為止的全部時間，

18、它等于繼電保護動作時間和斷路器固有動作時間之和，故。在設(shè)計和電氣設(shè)備選擇中，由實際選擇的保護裝置與斷路器型號，可得到和的實際值，但如無此數(shù)據(jù)時，一般可按下述情況選取。對快速動作的斷路器，取=0.05秒，而對于非快速動作的斷路器，=0.10.15秒；對于繼電保護，應(yīng)按具有最小動作時間的速斷主保護作為動作時間，即=0.05秒，因此，對于快速動作的斷路器，切斷短路的計算時間=0.050.1秒，對于非快速動作的斷路器，=0.150.2秒?？芍?，短路發(fā)生后0.1秒，因短路電流的非周期分量已接近衰減完畢，此時短路電流即為短路周期分量電流的有效值。當0.1秒時，則須計入短路電流的周期分量。4 校驗短路電流通

19、過時的機械穩(wěn)定性在短路電流作用下，對斷路器將產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力，為此，制造廠給出了能保證機械穩(wěn)定性的極限通過電流瞬時值，即在此電流通過下不致引起觸頭熔接或由于機械應(yīng)力而產(chǎn)生任何機械變形。因而，應(yīng)使式中，分別為斷路器的極限通過電流或斷路器安裝處的三相短路沖擊電流（幅值）。5校驗短路時的熱穩(wěn)定性短路電流通過時斷路器的熱穩(wěn)定性，由制造廠家給出的在t秒（t分別為4、5或10秒）內(nèi)允許通過的人穩(wěn)定電流來表征，即在給定的時間t內(nèi)，通過斷路器時，其各部分的發(fā)熱溫度不超過規(guī)定的短路最大容許發(fā)熱溫度。因此，短路電流通過斷路器時，其熱穩(wěn)定條件為：式中，為制造廠家規(guī)定的秒熱穩(wěn)定電流。短路電流發(fā)熱效應(yīng)。（2）高壓熔斷

20、器的選擇高壓熔斷器用以切斷過負荷電流和短路電流，選擇是首先應(yīng)考慮裝置的種類與型式、是屋內(nèi)或屋外使用，對于污穢地區(qū)的屋外式熔斷器還應(yīng)保證絕緣泄露比距的要求，以加強絕緣，此外，高壓熔斷器應(yīng)滿足3:1按工作電流（與斷路器意義相同）。2按工作電流式中，、分別為熔斷器額定電流和熔件額定電流；網(wǎng)絡(luò)中最大長期工作電流3按斷流容量或式中，、分別為熔斷器的極限開斷電流和額定斷流容量。4對污穢地區(qū)屋外安裝的熔斷器，其絕緣泄露比距應(yīng)滿足z因熔斷器的熔斷時間很短，故采用熔斷器保護的導(dǎo)體和電器可不校驗短路電流的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。此外，高壓熔斷器熔件的選擇還必須與網(wǎng)絡(luò)中各分段、分支電路的熔斷器熔件或與饋電線繼電保護之

21、間，從時間特性上保證互相間動作的選擇性和時限配合關(guān)系。（3）隔離開關(guān)的選擇選擇隔離開關(guān)，首先應(yīng)考慮裝置的種類和型式、是屋內(nèi)或屋外使用，對于污穢地區(qū)的屋外式熔斷器還應(yīng)按上述熔斷器選擇時的條件4保證絕緣泄露比距的需要。隔離開關(guān)的其它選擇條件與斷路器類似，但對隔離開關(guān)不進行切斷能力的（切斷電流或斷路容量）的校驗。3.7儀用互感器的選擇（1）電流互感器的選擇1電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循3：應(yīng)滿足一次回路的額定電壓、最大負荷電流及短路時的動、熱穩(wěn)定電流的要求；應(yīng)滿足二次回路測量、自動裝置的準確度要求和保護裝置10誤差的要求；應(yīng)滿足保護裝置對暫態(tài)特性要求（如500kv保護）；用于變壓器差動時，

22、各側(cè)電流互感器的鐵芯宜采用相同的鐵芯型式。各互感器的特性宜相同。以防止區(qū)外故障時，各互感器特性不一致產(chǎn)生差流，造成誤動。2電流互感器類型選擇3:為保證保護裝置的正確動作，所選擇的互感器至少要保證在穩(wěn)態(tài)對稱短路電流的下的誤差不超過規(guī)定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問題帶來的暫態(tài)影響，則只能根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問題的嚴重程度、保護裝置的特性、暫態(tài)飽和可能引起的后果和運行情況進行綜合考慮定性分析，至于精確的暫態(tài)特性計算由于過于復(fù)雜且現(xiàn)場工作情況很難進行，因此不進行討論。 330500kv系統(tǒng)保護、高壓側(cè)為330500kv的變壓器保護用的電流互感器，由于系統(tǒng)一次時間常熟較大，互感器暫態(tài)

23、飽和較嚴重，由此可能導(dǎo)致保護錯誤動作的后果。因此互感器應(yīng)保證實際短路工作循環(huán)中不致暫態(tài)飽和，即暫態(tài)誤差不超過規(guī)定值。一般選用tp類互感器，尤其是線路保護考慮到重合閘的問題，要考慮雙工作循環(huán)的問題，因此推薦使用tpy型。 220kv系統(tǒng)保護、高壓側(cè)為220kv的變壓器保護互感器其暫態(tài)飽和問題及其影響較輕，可按穩(wěn)態(tài)短路條件計算互感器穩(wěn)態(tài)特性，進而選擇互感器。當然，為減輕可能發(fā)生的暫態(tài)飽和影響，我們有必要留有適當?shù)脑６取?20kv系統(tǒng)保護的暫態(tài)系數(shù)一般不小于2。110kv系統(tǒng)保護用互感器一般按穩(wěn)態(tài)條件考慮，采用p類互感器。 高壓母線差動保護用電流互感器，由于母線故障時故障電流很大，而且外部故障時流過

24、互感器的電流差別也很大。即使各互感器特性一致，其暫態(tài)飽和的情況也可能差別很大。因此母線差動保護用的電流互感器最好要具有抗暫態(tài)飽和的能力。實際工程應(yīng)用中，一般按穩(wěn)態(tài)條件選擇互感器，而抗飽和的問題更多的由保護裝置進行處理。（2）電壓互感器的選擇對電壓互感器選擇的選擇時依據(jù)的技術(shù)條件是3：1額定電壓，所選電壓互感器的額定一次側(cè)電壓必須與互感器接入處電網(wǎng)的額定電壓相一致；互感器的額定二次側(cè)電壓符合測量儀表和繼電器的額定電壓，一般等于100v或v。接成開口三角形的輔助二次側(cè)繞組電壓則有100kv等。2根據(jù)用途負載的性質(zhì)選擇電壓互感器的類型及其接線方式。3根據(jù)所要求的準確度等級確定電壓互感器的容量，并應(yīng)使式中， 分別為每相負荷容量和互