電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計課程設(shè)計報告——牽引變電所設(shè)計

1、自動化與電氣工程學(xué)院 電氣化鐵道供電系統(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： 電氣08*班 學(xué) 號： 20080* 姓 名： * 指導(dǎo)教師： * 評語： 2011 年 12 月 30 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，現(xiàn)在已知列車正常情況時的計算容量為10000kVA（三相變壓器），以10KV電壓給車站電力照明機務(wù)段等地區(qū)負(fù)荷供電，容量計算為3750kVA，各電壓側(cè)饋出數(shù)目及負(fù)荷情況如下所示：25KV回路(1路備):兩方向的年貨運量與供電的距離分別為:，。10kV共12回路（2路備）。供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110k

2、V輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的中間，送電線距離15km，主變壓器為三相接線。二、 題目分析及解決方案框架確定根據(jù)原始資料和各種負(fù)荷對供電可靠性要求，主變壓器容量與臺數(shù)的選擇，可能有以下兩種方案：方案A:2×10000千伏安牽引變壓器+2×6300 kVA地區(qū)變壓器，一次側(cè)同時接于110 kV母線，（110千伏變壓器最小容量為6300 kVA）。方案B:2×15000千伏安的三繞組變壓器，因10千伏側(cè)地區(qū)負(fù)荷與總?cè)萘勘戎党^15%，采用電壓為11027.510.5 kVA，結(jié)線為兩臺三繞組變壓器同時為牽引負(fù)荷與地區(qū)電力負(fù)荷供電。各繞組容量比為100:100:

3、50。由上述資料可知，本牽引變電所擔(dān)負(fù)著重要的牽引負(fù)荷供電任務(wù)（一級負(fù)荷）、饋線數(shù)目多、影響范圍廣，應(yīng)保證安全可靠的供電。10千伏地區(qū)負(fù)荷主要為編組站自動化駝峰、信號自動閉塞、照明及其它自動裝置等一部分為一級負(fù)荷、其他包括機務(wù)段在內(nèi)均為二級負(fù)荷，應(yīng)有足夠可靠性的要求。本變電所為終端變電所，一次側(cè)無通過功率。三相牽引變壓器的計算容量是由牽引供電計算求出的。本變電所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，地區(qū)電力負(fù)荷因有一級負(fù)荷，為保證變壓器檢修時不致斷電，也應(yīng)設(shè)兩臺。 三、設(shè)計過程 3.1牽引變電所110kV側(cè)主接線設(shè)計按110 kV進線和終端變電所的地位，考慮變壓器數(shù)量

4、，以及各種電壓級饋線數(shù)目、可靠供電的需要程度選擇結(jié)線方式。（1）對于方案A，因有四臺變壓器，考慮110 kV母線檢修不致全部停電，采用單母線用斷路器分段的結(jié)線方式，如圖1單母線用斷路器分段的結(jié)線方式，每段母線連接一臺牽引變壓器和地區(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(fù)荷母線采用帶旁路母線放入單母線分段（隔離開關(guān)分段）結(jié)線方式，10 kV地區(qū)負(fù)荷母線同樣采用斷路器分段的單母線結(jié)線系統(tǒng)。自用電變壓器分別接于10 kV兩段母線上（兩臺）。圖1 單母線用斷路器分段結(jié)線（2）對于方案B，共用兩臺三繞組主變壓器、兩回路110 kV進線，線路太長，但是應(yīng)有線路繼電保護設(shè)備，故以采用節(jié)省斷路器

5、數(shù)量的內(nèi)橋結(jié)線較為經(jīng)濟合理，如圖2內(nèi)橋結(jié)線。圖2 內(nèi)橋結(jié)線3.2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(fù)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(fù)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 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。斷路器的額定電流，應(yīng)不小于電路中的最大長期負(fù)荷電流，即式中 斷路器的最大長期負(fù)荷電流，安或千安。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

6、不小于斷路器滅弧觸頭剛分離瞬間電路內(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，??；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(dāng)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

7、為止的全部時間，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，取秒，而對于非快速動作的斷路器，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，即秒，因此，對于快速動作的斷路器，切斷短路的計算時間秒，對于非快速動作的斷路器，秒。可知，短路發(fā)生后秒，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(dāng)秒時，則須計入短路電流的周期分量。校驗短路電流通過時的機械穩(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

8、，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）。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）高壓熔斷器的選擇高壓熔斷器用以切斷過負(fù)荷電流和短路電流，選擇是首先應(yīng)考慮裝置的

9、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)滿足按工作電流（與斷路器意義相同）。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。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

10、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。3.3儀用互感器的選擇（1）電流互感器的選擇電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循：應(yīng)滿足一次回路的額定電壓、最大負(fù)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(zhǔn)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，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

11、時，各互感器特性不一致產(chǎn)生差流，造成誤動。電流互感器類型選擇 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(yán)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)飽和較嚴(yán)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

12、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(dāng)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(dāng)裕度。220KV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

13、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（作用）給重合閘提供必要信號，一條線路兩側(cè)重合閘的方式要么是檢無壓，要么是檢同期，線路PT可以為重合閘提供電壓信號。 現(xiàn)在部分線路PT時用的電容式電壓互感器，可以為載波通信提供信號通道。目前對一些特殊的供電用戶線路提供計量電壓將系統(tǒng)高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的低電壓（100V）,為儀表、保護提供必要的電壓。與測量儀表相配合，測量線路的相電壓與線電壓；與繼電保護裝置相配合，對系統(tǒng)及設(shè)備進行過電壓、單相接地保護。隔離一次設(shè)備與二次設(shè)備，保護人身和設(shè)備的安全

14、。3.4 牽引變壓器計算（1）牽引變壓器不對稱系數(shù)的計算由已知牽引負(fù)荷容量，25kV側(cè)額定電流及每饋電區(qū)電流、，見圖2（a）形繞組中電流分配圖，分別為： (1) (2) 其中（因電流不對稱引入的系數(shù)k=0.655）。 圖2 (a)形繞組中電流分配 兩饋電區(qū)電流在形繞組中分配后，每相繞組電流為: （3） （4） （5）電流與電壓的相量關(guān)系如圖2（b）每相牽引負(fù)荷電流與電壓向量圖，其中以為基準(zhǔn)相。圖2（b）每相牽引負(fù)荷電流與電壓向量圖10千伏電壓側(cè)為三相對稱負(fù)荷，設(shè)cos=0.9則其額定電流和形繞組中每相電流分別為： （6） （7） （8） （9）110kV高壓繞組中的電流，不計勵磁電流時，即為負(fù)

15、荷電流歸算到高壓側(cè)的值。對于方案（A）僅考慮牽引負(fù)荷: （10） （11） （12）對于方案（B），應(yīng)為牽引負(fù)荷與地區(qū)負(fù)荷電流相量和，其值為： （13） （14） （15） 其中電壓變換系數(shù) 高壓110千伏繞組中的阻抗壓降，已知參數(shù)為：三繞組16000千伏安變壓器: 雙繞組10000千伏安變壓器: 按式(16)和(17)分別求得高壓繞組的電阻及電抗為： （16） （17）三繞組變壓器: 雙繞組變壓器: 高壓各相繞組阻抗壓降，由各相阻抗壓降三角形可知：對于三繞組變壓器: （18） （19） （20）對于雙繞組變壓器: （21） （22）高壓110 kV繞組感應(yīng)電勢（E）及不對稱系數(shù)，按下式計算

16、其中： 正序分量: 負(fù)序分量: 電壓（勢）不對稱系數(shù): （2）變壓器與配電裝置的一次投資與折舊維修費方案A：變壓器四臺，多增加110kV斷路器四組，按SW3-110少油斷路器計算，共需（以萬元計）: (23) （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，分別為11萬元、1.9萬元和2×0.95萬元）方案B：三繞組變壓器2臺，另增加變壓器前面和跨條隔離開關(guān)（110kV）4組共需（以萬元計）： (24)（3）方案A與方案B的年電能損耗計算及比較方案A采用型和型三相變壓器，參數(shù)為：牽引變壓器: 地區(qū)變壓器: 按已知條件，可求牽引負(fù)荷的最大功率損耗時間為： 地區(qū)負(fù)荷

17、小時，用插入法得，（地區(qū)負(fù)荷）=2750小時。牽引變壓器和地區(qū)變壓器的年能量損耗和分別由式: 求得（取無功經(jīng)濟當(dāng)量=0.1）： 其中 各值已在前面求出； (25) 方案B采用2×SFS7-16000110型三項三繞組變壓器，容量比100：100：50；，各繞組短路電壓，則依下式：可求得年電能損耗為：已知，則代入上述各值后，得： 。 四、 設(shè)計方案分析 由不對稱系數(shù)和經(jīng)濟性比較可知，方案B在保證同樣可靠性的前提下，對地區(qū)負(fù)荷供電電壓質(zhì)量較好，且投資和年運營費用都較低，又節(jié)省占地面積，故推薦方案B。且采用了內(nèi)橋接線。因為內(nèi)橋接線適合于線路長，線路故障率高，而變壓器不需要頻繁操作的場合且這

18、種接線形式可以很方便的投入或切換。110kv側(cè)采用單母線分段接線方式，提高了供電可靠性。五、 心得體會這次課程設(shè)計我主要負(fù)責(zé)的是畫圖部分的工作，對于畫圖軟件的使用又有了重新的認(rèn)識，當(dāng)然也對這門課程的內(nèi)容有了更加深刻的認(rèn)識，使我對鐵路行業(yè)所從事的一些工作也有了新的了解。當(dāng)然對于這次課程設(shè)計的返工我也有一些想法，有能力的同學(xué)不斷的在做同樣的事情，并且對于很多同學(xué)的積極性嚴(yán)重挫敗，我覺得大學(xué)不僅僅是只學(xué)書本，更重要的是學(xué)做人學(xué)做事，這也是我在課程設(shè)計中的一些體會，望老師海涵。這次課程設(shè)計也使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，提高自己的

19、實際動手能力和獨立思考的能力。任何時候?qū)W的任何東西都是有用的，只是還沒到用的時候，等到想用的時候卻發(fā)現(xiàn)自己的學(xué)習(xí)原來是那么的不扎實。以后日子我要更加注重實踐和理論之間的關(guān)系，真正的做到學(xué)有所用，解決更多的問題，從一個比較有高度的層面上得出結(jié)論才能真正為社會服務(wù)。在設(shè)計的過程中我也遇到很多問題，畢竟畫圖工作還是相當(dāng)考驗人的耐心和毅力的，而且其中很多問題也在繪圖的過程中暴露了出來，這次課程設(shè)計的過程中我也再次發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。生活中沒有一帆風(fēng)順，一勞永逸的事情，過程雖然是枯燥的痛苦的，但苦中也有樂，對于平時單一的理論學(xué)習(xí)是一次升華，“紙上得來終覺淺，絕知