電氣化鐵道供電系統(tǒng)

1、自動化與的電氣工程學(xué)院 電氣化鐵道供電系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)與設(shè)計 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： 1. 題目某牽引變電所丙采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，三相V-v接線，兩供電臂電流歸算到27.5kV側(cè)電流如表1所示。 表1 已知參數(shù)供電臂供電臂長度km端子 平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A左臂21.9238318917206右臂24.718426610522172. 題目分析及解決方案框架確定在設(shè)計過程中，先按給定的計算條件求出牽引變壓器供應(yīng)牽引負荷所必須的最小容量，然后按列車緊密運行時供電臂的有效電流

2、與充分利用牽引變壓器過負荷能力，求出所需要的容量，稱為校核容量。這是為確保牽引變壓器安全運行所必須的容量。最后計算容量和校核容量，再考慮其他因素（如備用方式等），然后按實際系列產(chǎn)品的規(guī)格選定牽引的臺數(shù)和容量，稱為安裝容量或設(shè)計容量。然后再變壓器型號的基礎(chǔ)之上，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。三相V,v結(jié)線牽引變壓器是近年新研制的產(chǎn)品，它是將兩臺容量相等或不相等的單相變壓器器身安裝于同一油箱內(nèi)組成的。三相V-v結(jié)線牽引變電所中裝設(shè)兩臺V，v結(jié)線牽引變壓器，一臺運行，一臺固定備用。三相V-v結(jié)線牽引變電所不但保持了單相V-v結(jié)線牽引變電所的牽引變壓器容

3、量得到充分利用，可供應(yīng)牽引變電所自用電和地區(qū)三相負載，主接線較簡單，設(shè)備較少，投資較省，對電力系統(tǒng)的負須影響比單線小，對接觸網(wǎng)的供電可實現(xiàn)雙邊供電等優(yōu)點，最可取的是，解決了單相V-v結(jié)線牽引變電所不便于采用固定備用及其自動投入的問題?？紤]到V-v接線中裝有兩臺變壓器的特點，在確定110kV側(cè)主接線時我們采用橋形接線。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，我們選用饋線斷路器100%備用接線，這種接線也便于故障斷路器的檢修。按照選取的變壓器的容量以及110kV側(cè)的和牽引側(cè)的主接線，可以做出設(shè)計牽引變電所的電氣主接線。3.設(shè)計過程電氣主接線一方面從

4、電源系統(tǒng)接收電能，另一方面又通過饋電線路將電能分配出去。電氣主接線的電源回路和用電回路之間采用什么方式連接，以保證工作可靠.靈活是十分重要的問題。牽引變電所（包括開閉所、分區(qū)所）的電氣主結(jié)線是指由隔離開關(guān)、互感器、避雷器、斷路器、主變壓器、母線、電力電纜、移相電容器等高壓一次電氣設(shè)備，按工作要求順序連接構(gòu)成的接受和分配電能的牽引變電所內(nèi)部的電氣主電路。 安全可靠的要求是首要的。運行檢修時絕不允許發(fā)生人身事故和重大設(shè)備事故。停電必然造成損失，尤其是牽引負荷和部分動力負荷（如地鐵的動力、主要照明和信號電源等）為一級負荷，中斷供電將直接造成運輸阻塞，甚至造成人員生命傷亡、設(shè)備損壞。在考慮主結(jié)線的可靠

5、性時，應(yīng)該辯證地看待以下幾個問題：可靠性的客觀檢驗標準是運行實踐。主結(jié)線的故障率是它的各組成元件在運行中的故障率的總和，過多地增加主結(jié)線中的電氣設(shè)備，會降低主結(jié)線的可靠性（增加了故障率）；可靠性并不是絕對的。同樣的主結(jié)線對二、三級負荷來說是可靠的，而對一級負荷來說就可能不夠可靠，因此分析和估價主結(jié)線的可靠性時，不能脫離負荷等級和供電電源的具體條件；主結(jié)線的可靠性是發(fā)展的。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，技術(shù)的進步，主結(jié)線的可靠性也是會改變的。 經(jīng)濟性也是設(shè)計主結(jié)線的重要原則。經(jīng)濟性主要涉及主變壓器、地區(qū)變壓器的設(shè)備與安裝費用，以及配電裝置的設(shè)備、安裝費用，還有占地面積和土石方工程等。 可靠性與經(jīng)濟性二者之

6、間，既有矛盾的一面，也有統(tǒng)一的一面。如果過分強調(diào)可靠性，勢必造成設(shè)備增多，投資增大，結(jié)線系統(tǒng)復(fù)雜，其結(jié)果可能造成操作復(fù)雜，易產(chǎn)生誤操作，增大故障率，反而降低了主結(jié)線的可靠性；如果過分強調(diào)經(jīng)濟性，減少設(shè)備，簡化結(jié)線，必然又會影響可靠性，造成事故和停電停產(chǎn)，反而不經(jīng)濟。所以在處理這些矛盾時，應(yīng)當(dāng)首先滿足可靠而后再求經(jīng)濟。因此，確定主結(jié)線時應(yīng)深入調(diào)查分析用電負荷的性質(zhì)和大小、對供電電源的要求、自動化裝置的采用、發(fā)展的遠景等等，找出主要矛盾，才能設(shè)計出高質(zhì)量的主結(jié)線。牽引變電所的電氣主結(jié)線分為三個部分來分別設(shè)計：110kV電源側(cè)的電氣主接線、牽引側(cè)的主接線、三相V-v直接供電方式變壓器接線。3.1牽引

7、變電所饋線側(cè)主接線設(shè)計由于27.5kV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：1）帶旁路母線和旁路斷路器的接線如圖3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。圖3 帶有旁路母線和旁路斷路器的接線2）饋線斷路器50%備用的接線如圖4所示。這種接線每兩條饋線設(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。當(dāng)每相母線的饋出線數(shù)目較多時，一般很少采用此種法方法。圖4

8、 饋線斷路器50%備用3）饋線斷路器100%備用的接線如圖5所示。這種接線當(dāng)工作斷路器需檢修時，此種接線用于單線區(qū)段，牽引母線不同的場合。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。圖5 饋線斷路器100%備用由于牽引變壓器類型為三相V-v，而且此牽引變電所向兩個相鄰區(qū)間的復(fù)線供電，為提高供電的可靠性，保障斷路器轉(zhuǎn)換的操作方便，牽引變電所27.5kV 側(cè)饋線斷路器采用100%備用的接線。3.2牽引變電所110kV側(cè)主接線設(shè)計根據(jù)實際運行要求，三相V-v牽引變電所裝設(shè)兩回電源進線和兩臺變壓器，因有系統(tǒng)功率穿越，屬通過式變電所。因此選取結(jié)構(gòu)比較簡單且經(jīng)濟性能高的橋式接線

9、1。圖1為內(nèi)橋接線，特點是連接在靠近變壓器側(cè)，適用于線路長，線路故障高，而變壓器不需要頻繁操作的場合，這種接線形式可以很方便地切換或投入線路。圖2為外橋接線，與內(nèi)橋形接線相比，外橋接線靠近線路側(cè)，適合于輸電距離較短，線路故障較少，而變壓器需要經(jīng)常操作的場合，這種接線方便于變壓器的投入以及切除。為了配合三相V-v牽引變電所在出現(xiàn)變壓器故障時備用變壓器的自動投入，選擇采用外橋接線便于備用變壓器的投入以及故障變壓器的切除。 圖1 內(nèi)橋接線 圖2 外橋接線3.3 三相V-v直供方式變壓器接線為了克服單相V,V結(jié)線方式在變電所內(nèi)需設(shè)置第三臺同樣的單相牽引變壓器作固定備用，使變電所主接線較復(fù)雜，倒閘操作或

10、備用自投裝置麻煩的缺點可采用兩臺三相V,V結(jié)線牽引變壓器，一臺運行，另一臺固定備用2。當(dāng)采用直接供電方式時，三相V，v變壓器低壓側(cè)兩個繞組接成正“V”或反“V” ，原邊繞組接成固定的V結(jié)線。低壓側(cè)兩次邊繞組，各取一端聯(lián)至27.5kV的a相和b相母線上，它們的公共端接至接地網(wǎng)和鋼軌。其主接線如圖6所示。 圖6 三相V-v變壓器直接供電方式主接線3.4 牽引變壓器容量計算為了確定牽引變電所的變壓器安裝容量和臺數(shù)，需要進行變壓器容量計算。變壓器容量計算一般分為三個步驟： 首先根據(jù)鐵道部任務(wù)書中規(guī)定的年運量大小和行車組織的要求確定計算容量，這是為供應(yīng)牽引負荷所必須的容量。其次根據(jù)列車緊密運行時供電臂的

11、有效電流和充分利用牽引變壓器的過載能力，計算校核容量，這是為確保變壓器安全運行所必須的容量。最后，根據(jù)計算容量和校核容量，再考慮其他因素(如備用方式等)，并按實際變壓器系列產(chǎn)品的規(guī)格選定變壓器的數(shù)量和容量稱為安裝容量。牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其容量大小關(guān)系到能否完成國家交給的運輸任務(wù)和運營成本。從安全運行和經(jīng)濟方面來看，容量過小會使?fàn)恳儔浩鏖L期過載，將造成其壽命縮短，甚至燒損；容量過大將使?fàn)恳儔浩鏖L期不能滿載運行，從而造成其容量浪費，損耗增加，使運營費用增大。因此，在進行牽引變壓器容量計算時，正確地確定計算條件，以便合理地選定牽引變壓器的額定容量是十分重要的。 三相V-v接線牽

12、引變壓器繞組的有效電流（1）(2 )(三相V-v結(jié)線變壓器是由兩臺單相變壓器安裝于同一油箱內(nèi)組成的,每臺變壓器供給所轄供電臂負荷所以其繞組有效電流Ive即為供電臂的有效電流,故 I1ve = I1e I2ve = I2e式中,I1e I2e分別為供電左右臂的饋線有效電流;I1ve I2ve分別為三相V-v結(jié)線變壓器繞組的有效電流根據(jù)題意,I1ve=318A,I2ve=266A 計算三相V-v接線牽引變壓器的計算容量(3) (4)三相V-v接線牽引變壓器供兩個供電臂時,其計算容量為S1 = UI1ve S2 = UI2veS1 = UI1ve= 27.5×318(kVA)=8745(k

13、VA) S2 = UI2ve= 27.5×266(KVA)=7315(kVA)計算三相V-v接線牽引變壓器的校核容量（5） （6）三相V-v接線中兩臺牽引變壓器的最大容量分別為S1max = UI1max S2max = UI2max S1max = UI1max =27.5×917(kVA)=25217.5(kVA)S2max = UI2max =27.5×1052(kVA)=28930(kVA)在最大容量的基礎(chǔ)之上,再考慮牽引變壓器的過負荷能力后所確定的容量,就可以得到校核容量,即(7)S校 = 式中,K為牽引變壓器過負荷倍數(shù),取K=1.5,則可得S校=(25

14、217.5+28930)/1.5(kVA)=36098.34(kVA)確定三相V-v接線牽引變壓器的安裝容量及型號選擇將三相V-v接線的變壓器的計算容量和校核容量進行比較,并結(jié)合采用固定備用方式和系列產(chǎn)品,選用三相V-v變壓器的安裝容量為2×40000kVA通過查詢附表1可選擇SFY-40000/110型號的三相雙繞組變壓器3.5 導(dǎo)線選擇導(dǎo)電材料可以是銅或鋁按最大長期工作電流選擇母線截面要求根據(jù)導(dǎo)線允許溫度查表獲得的允許電流大于母線長期工作電流。按經(jīng)濟電流密度選擇母線截面，導(dǎo)線發(fā)熱損耗隨著導(dǎo)線截面積的增加而降低，同時，導(dǎo)線截面積的增加將導(dǎo)致導(dǎo)線的投資和維護費用增加，考慮上述兩條件可

15、獲得導(dǎo)線的年運行費用，對應(yīng)年運行費用最小值，就是導(dǎo)線的經(jīng)濟截面積。導(dǎo)線截面的選擇有兩種方法：根據(jù)最大長期工作電流，根據(jù)經(jīng)濟電流密度。根據(jù)經(jīng)濟電流密度選擇導(dǎo)線的實際流程：一般來說，選擇導(dǎo)線時，首先確定導(dǎo)線材料，一般是先鋁后銅，在鋁導(dǎo)線不能滿足要求時才考慮銅導(dǎo)線，根據(jù)最大負荷利用小時數(shù)和導(dǎo)線材料確定經(jīng)濟電流密度（查表），計算出導(dǎo)線截面，查表選擇一款比計算截面大但最接近計算截面的導(dǎo)線。根據(jù)最大長期工作電流選擇導(dǎo)線的實際流程：根據(jù)給出的最大長期工作電流，查表，取一款允許電流大于該長期工作電流且最接近該電流的導(dǎo)線。注意進行環(huán)境溫度修正。 根據(jù)經(jīng)濟電流密度選擇的導(dǎo)線可能與根據(jù)最大長期工作電流選擇的導(dǎo)線不一

16、樣，但最終選擇的導(dǎo)線截面一定能滿足最大長期工作電流的要求，一般情況下，用經(jīng)濟電流密度選擇出來的導(dǎo)線截面要大一些。110kV進線側(cè)，進入高壓室的27.5kV進線側(cè)，從高壓室出來的27.5kV饋線側(cè)，10kV饋線側(cè)的母線均為軟母線。計算方法：按導(dǎo)線長期發(fā)熱允許電流選擇導(dǎo)線。(8)溫度修正系數(shù)K由下式求得：K=式中：xu表示運行的允許溫度，對室外有日照時取80，室內(nèi)取70.，t為實際環(huán)境溫度。設(shè)計時取t=25，那么在室外有日照時K=1，在室內(nèi)K=1。工程中常采用查表的方法求母線和導(dǎo)體的容許電流(載流量)。表2為所用的一些選擇導(dǎo)線的參數(shù)：表2 導(dǎo)線的選擇與校驗導(dǎo)線名稱選擇校驗按導(dǎo)線長期發(fā)熱允許電流選擇

17、按經(jīng)濟電流密度選擇動穩(wěn)定熱穩(wěn)定母線及短導(dǎo)線 普通導(dǎo)線 1) 室外110kV進線側(cè)母線的選擇 室外110kV進線側(cè)的母線為軟母線,且每段負荷不同,母線截面可采取相同截面，以按最大長期工作電流方式來選擇為宜。設(shè)計中三相雙繞組牽引變壓器的選擇型號為SF1-20000/110。母線的最大長期工作電流可按變壓器過載1.3倍考慮。經(jīng)計算：Icmax=1.3×20000/110×=136.46(A)由所給資料查出鋼芯鋁絞線(GJ-95)的允許載流量為140A(基準環(huán)境溫度為25時)，符合式子Icmax KIyx (K=1)式中：Icmax表示通過導(dǎo)線的最大持續(xù)電流, Iyx表示對于額定環(huán)

18、境溫度,允許電流，K為溫度修正系數(shù)。故初步確定110kV進線側(cè)的母線選用截面積為70mm2的鋼芯鋁絞線(GJ-95)。 2）室外27.5kV進線側(cè)母線的選擇母線的最大長期工作電流可按變壓器過載1.3倍考慮，我們選擇容量為1600kVA電壓27.5/10.5千伏的三相雙繞組電力變壓器。經(jīng)計算：Icmax=1.3×1600/27.5×=43.67(A)由所給資料查出鋼芯鋁絞線(LGJ-10)的允許載流量為86A(基準環(huán)境溫度為25時)，符合式子Icmax KIyx。(K=1),故初步確定27.5kV側(cè)的母線選用截面積為10 mm2的鋼芯鋁絞線(LGJ-10)。 3）室外10KV

19、饋線側(cè)母線的選擇母線的最大長期工作電流可按變壓器過載1.3倍考慮，選擇容量為1600kVA電壓27.5/10.5千伏的三相雙繞組電力變壓器。經(jīng)計算：Icmax=1.3×1600/10.5×=114.4(A)由所給資料查出鋼芯鋁絞線(LGJ-25)的允許載流量為138A(基準環(huán)境溫度為25時)，符合式子Icmax KIyx(K=1)故初步確定10kV側(cè)的母線選用截面積為25 mm2的鋼芯鋁絞線(LGJ-25)。 3.6 斷路器的選擇目前一般使用的斷路器類型有：少油斷路器、真空斷路器、SF6斷路器，要根據(jù)使用場合和用途選擇斷路器類型，少油斷路器屬于通用產(chǎn)品，如果沒有特殊要求，一

20、般選少油斷路器；真空斷路器分合閘時間短、允許動作次數(shù)多，一般頻繁操作和對動作時間有特殊要求的場合使用；SF6斷路器絕緣性能好，一般用于高壓系統(tǒng)中。斷路器的額定電壓應(yīng)按照斷路器安裝地點的工作電壓考慮，額定電流要大于斷路器長期流過的最大電流（短路電流除外）斷路器的額定開斷電流要求大于短路電流，取何時間短路電流則要看保護的動作時間3。對于快速分閘開關(guān)（如真空開關(guān)），可以取短路的次暫態(tài)電流為選擇用短路電流。對于其它開關(guān)，則根據(jù)保護的最短動作時間加上開關(guān)的固有分閘時間作為計算短路電流的時間。如果沒有保護動作時間的資料，一般可按照0.030.05秒計；如果沒有斷路器的固有分閘時間參數(shù)，一般可按照真空短路器

21、，取0.05秒，其它斷路器取0.10.15秒。27.5kV側(cè)的最大短路電流為1052A，工作電壓為27.5kV，根據(jù)GB/T11022高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備公用的技術(shù)要求，選擇ZN85-40.5/1250-31.5型號的高壓斷路器。所選設(shè)備的技術(shù)參數(shù)為：額定電壓40.5kV額定電流1250A額定頻率50HZ額定短路開斷電流31.5A雷電沖擊耐壓（峰值）185kV額定操作電壓AC/DC 110V/220V開斷時間<80ms機械壽命10000次3.7 隔離開關(guān)的選擇與高壓斷路器計算相似，無需校驗斷流容量或開斷短路電流。27.5kV側(cè)的最大短路電流為1052A，工作電壓為27.5kV，根據(jù)IE

22、C60129交流隔離開關(guān)與接地開關(guān)的技術(shù)要求，選擇GW440.5/1250型號的高壓交流隔離開關(guān)。所選設(shè)備的參數(shù)為：額定電壓40.5kV額定電流1250A額定頻率50HZ額定短路開斷電流31.5A雷電沖擊耐壓（峰值）80kV額定操作電壓AC/DC 110V/220V3.8互感器的選擇 1）電壓互感器的選擇，電壓互感器的選擇包含以下內(nèi)容：按額定電壓選擇，一般來說要根據(jù)測量監(jiān)視點的電壓等級來確定，器原邊電副邊電壓選擇與原邊接線有關(guān)：按工作場所選擇戶內(nèi)、戶外：按構(gòu)造選擇:35kV, 采用油浸式普通結(jié)構(gòu)或環(huán)氧樹脂澆注干式結(jié)構(gòu)；110kV，采用串級式電壓互感器。按精確度等級選擇：有測量儀表或繼電器的形式

23、和用途，確定電壓互感器的精確度等級，查表，獲得互感器在該精確度下的額定容量（校驗用）。一般來說，可以根據(jù)以下原則確定精確度等級：計量用（接電度表），0.5級；供給監(jiān)視用電度表、功率表或發(fā)電廠的電壓繼電器，1級；供給監(jiān)視用電壓表、電壓繼電器，3級。2）電流互感器的選擇:按額定電壓選擇:電流互感器安裝位置的工作電壓小于該電流互感器允許的最大工作電壓;按額定電流選擇即電流互感器安裝位置的原邊最大長期工作電流小于該電流互感器原邊額定電流; 按裝置種類和互感器的型式選擇電壓等級610kV的電流互感器，多選擇澆注絕絕緣式，而電壓等級為35kV及以上的電流互感器，多選擇戶外型或安裝在變壓器、斷路器套管中的。

24、按精確度等級和副邊負荷選擇與電壓互感器相似：計量用（接電度表）：0.5級；監(jiān)視用電度表、功率表、發(fā)電廠電流表：1級；監(jiān)視用其它表計：3級；只用于觀測有無的表計：10級。 3.9 繪制電氣主結(jié)線圖該牽引變電所主接線方案附錄二所示。因有系統(tǒng)功率穿越，牽引變電所屬通過式變電所，110kV側(cè)采用外橋接線的單線三相牽引變電所，主要向牽引負荷和地區(qū)負荷供電。為了滿足三相V-v兩臺變壓器的需要則需要有兩回電源線路。橋形接線110kV側(cè)因有系統(tǒng)穿越功率通過母線，110kV線路設(shè)有繼電保護裝置，故110kV側(cè)裝有單相式三相電壓互感器，27.5kV側(cè)采用饋線斷路器100%備用的單母線接線。4. 設(shè)計體會通過這次課程設(shè)計，拓寬了知識面，鍛煉了能力，綜合素質(zhì)得到較大提高。安排課程設(shè)計的基本目的，在于通過理論與實際的結(jié)合、人與人的溝通，進一步提高思想覺悟，并且加深對專業(yè)課的理解。尤其是觀察、分析和解決問題的實際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)復(fù)合型人才。作為整個學(xué)習(xí)體系的有機組成部分。它的一個重要功能，在于運用學(xué)習(xí)成果，檢驗學(xué)習(xí)成果。運用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應(yīng)用于實際設(shè)計工作，并從理論的高度對設(shè)計工作的現(xiàn)代化提出一些有針對性的建議和設(shè)想；檢驗學(xué)習(xí)成果，看一看課堂學(xué)習(xí)與實際工作到底有多大距離，并通過綜合分