电气化铁道供电系统与设计课程设计报告 .doc

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1、电气化铁道供电系统与设计课程设计报告班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 评语： 2011年 12 月30日一、 题目某牵引变电所甲采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相平衡接线，两供电臂电流归算到27.5kV测电流如下表所示。表1 牵引变电所甲电流参数表牵引变电所供电臂长度km端子平均电流A有效电流A短路电流A穿越电流A甲24.6282363102320220.4240319874154二、 题目分析及解决方案框架确定2.1计算牵引变压器的容量由题意得，本题采用主变压器非阻抗匹配YN，结线平衡变压器为牵引变电所的主牵引变压器，它是YN，结线平衡变压器取

2、=1的特例，其主要特点是通过副边绕组三角形接线的结构和阻抗的改变，实现将三相对称电压变成二相对称电压，不需要专门进行阻抗匹配，按结构对称性布置绕组，就可以是该变压器达到平衡，所以绕组布置较容易，设计制造方便，其绕组结线示意图如图1所示。 图1 绕组结线示意图为了经济合理的选择变压器容量，计算分为以下步骤： 确定计算容量按正常运行的计算条件求出主变压器供应牵引负荷所必须的最小容量。 确定校核容量按列车紧密运行的计算条件并充分利用牵引变压器的过负荷能力所计算的容量。 确定安装容量在计算容量和校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按其系列产品的规格确定牵引变压器台数与容量。2.2 牵引变电所其它设备

3、的选择本设计采用牵引变电所直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相平衡接线。在设计中要根据牵引变电所的电流参数值等来选择所需设备的型号。直接供电方式是将从牵引变电所输出的电能，直接通过接触网供应给电力机车，而回归电流则通过轨道、大地回到牵引变电所。它的缺点是对邻近通信线路的影响严重，并且钢轨电位比其他供电方式要高，但是它有着其突出的优点，比如相比较于AT,BT供电方式，它其馈电回路和设备简单、投资省、运营维护方便。采用直接供电方式，对简化系统设备、提高供电可靠性、增强技术指标及广泛的适用性等方面具有极大的现实意义。2.3 画出牵引变电所的主接线图牵引变电所的主要任

4、务是将电力系统输送来的三相高压电变换成适合电力机车使用的电能。为了完成接受电能、高压和分配电能的工作，其电气接线可分为两大部分：一次接线(主接线)和二次接线。牵引变电所的主接线由电源侧、主变压器、牵引侧三部分主接线组成。而电气主接线是指由隔离开关、互感器、避雷器、断路器、主变压器、母线、电力电缆、移相电容器等高压一次设备，按照工作要求顺序连接构成的接受和分配电能的牵引变电所的电气主接线图。三、技术经济比较3.1供电方式的经济比较 本次供电方式的设计采用直接供电方式，它是将从牵引变电所输出的电能，直接通过接触网供给电力机车，而回归电流则通过轨道，大地回归到牵引变电所其结构简单，设备的配置较其他的

5、供电方式简单了许多，成本也是比较低的，且由于直接供电方式的设备简单，故维护也比较方便，人力物力的减少使得直接供电方式维修的费用也较低，故而经济性比较好，世界上除了日本以外，绝大多数国家的铁路电气化均采用了直接供电方式。为了弥补直接供电方式的不足，AT供电方式在结构和设备的配置上比直接供电方式要复杂，虽然降低了牵引网中的电压损失，减少了牵引变电所的数目，但是必须在沿线安置电压较高，容量较大的自耦变压器，牵引网设备的投资也必须增加，而满足这方面要求的变压器的价格是比较高的，它在高速、对环境干扰等方面弥补了直接供电方式的不足，所以在设备和结构方面的造价比直接供电方式要高。3.2供电方式的技术比较AT

6、供电专门设置了正馈线并联与牵引网中，供电电压升高，导致绝缘的等级升高，对绝缘技术要求升高，且变电所馈出线出口需另设AT，需专门制造这种特殊电压等级的断路器，这些使得造价费用增加，所需求的技术比直接供电复杂和麻烦的多，对于施工的要求也严格许多。直接供电的自身结构决定了技术相对于AT、BT都较简单一点，由于不带回流线的直接供电方式是机车直接与接触网相连接，大地和钢轨作为回流线，没有专门设置的回流线或者如同AT中的正馈线，而改进型的直接供电方式也只是在钢轨上并联架设回流线，输电线要求都较低，故而技术上容易操作。3.3电所主变压器的经济比较本次设计中因为题目要求采用平衡接线，所以采用的是YN接线阻抗匹

7、配平衡变压器，它是副边绕组三角形结线结构，即在非接地相增设两个外移绕组。内三角形接线的一角c与轨道，接地网连接。两端分别接到牵引侧两相母线上，由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂牵引网供电，即将三相对称电压变成两相对称电压。这种供电方式的缺点是俩供电臂之间的分相绝缘器承受的电压高，所以绝缘器的成本会增加，且制作工艺比较复杂，优点是和YN接线平衡变压器比较，它的成本还是低于YN接线平衡变压器，因为YN接线平衡变压器平衡绕组与a（或b，c）绕组的匝比和阻抗匹配系数都是固定值。一般来说，绕组匝数的配合比较容易。而无论从设计上还是制造工艺上来讲，要得到预先确定的某一阻抗匹配系数都是相当困难的。经济方面

8、考虑YN接线阻抗匹配平衡变压器是比较有优势的四、设计过程4.1牵引变电所220kV侧主接线设计依据该牵引变电所负荷等级，要求两路电源进线，因有系统功率穿越，属通过式变电所，220kV侧采用图2所示的单母线分段接线，正常运行时，分段断路器闭合，两母线并列运行，当一段母线发生故障时，分段断路器自动断开，使故障段解列，从而保证了另一段母线仍能正常运行。若考虑经济运行也可采用图3所示的外桥接线。外桥接线适合于输电距离较短，线路故障会较少，而变压器需要经常操作的场合。此设计中着重考虑满足供电的可靠性和运行操作中的安全、灵活及便利，因此采用单母线分段接线。图2 单母线分段接线 图3 外桥接线4.2牵引变电

9、所馈线侧主接线设计由于27.5kV(或55kV)馈线断路器的跳闸次数较多，为了提高供电的可靠性，按馈线断路器备用方式不同，牵引变电所27.5kV 侧馈线的接线方式一般有下列三种：1）馈线断路器100%备用的接线馈电线路断路器100%备用接线如图4所示。适用于当牵引变电所设在小站，馈电线只供区间时。一般每2至4条馈线设一旁路断路器。通过旁路母线，旁路断路器可代替任一馈线断路器工作。这种接线方式适用于每相牵引母线馈线数目较多的场合，以减少备用断路器的数量，体现设计的经济性。图4馈线断路器100%备用接线2）馈线断路器50%备用的接线馈电线路断路器50%备用的接线如图5所示。此种接线用于单线区段，牵

10、引母线同相的场合和复线区段，每相母线只有两条馈线的场合。这种接线每两条馈线设一台备用断路器，通过隔离开关的转换，备用断路器可代替其中任一台断路器工作。本题中所采用的就是这种馈线断路器50%备用的接线方式。图5馈线断路器50%备用接线3）带旁路母线和旁路断路器的接线带旁路母线和旁路断路器的接线如图6所示。图6 带旁路母线和旁路断路器的接线一般每2至4条馈线设一旁路断路器。通过旁路母线，旁路断路器可代替任一馈线断路器工作。具有旁路母线的接线不但解决了断路器的公共备用和检修备用，在调试、更换断路器及内装式电流互感器、整定继电保护时都可不必停电。这种接线方式适用于每相牵引母线馈线数目较多的场合，特别是

11、负荷较重要、线路断路器多、检修断路器不允许停电的场合，以减少备用断路器的数量。考虑到牵引变压器类型为单相变压器，且此牵引变电所只为区间正线供电，为了提高供电的可靠性，同时避免较大的一次性投资，牵引变电所27.5kV 侧馈线断路器采用50%备用的接线。4.3牵引变压器容量计算 1）牵引变压器的计算容量牵引变电所甲采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型110/27.5kV，采用三相平衡接线，两供电臂电流归算到27.5kV测电流表1中已知，即负荷电流变换成变压器绕组的有效电流。根据牵引变压器的三相平衡接线的计算容量公式可知，在（2.11）式中，将363A，代入得： )2）牵引变压器的校核容量

12、在（2.12）式中，将，代入得： 取变压器的过负荷倍数即可得校核容量：)3）牵引变压器的安装容量根据公式（1）、（2）计算出的计算容量和校核容量，在保证变压器正常寿命的前提下，考虑变压器的过负荷能力，选择两者中的较大者，即校核容量，并按照所采用的备用方式，即固定备用方式，参考牵引变压器的系列产品（额定容量优先数为R10系列，即10000，2,100,1600,20000,52000,31500,40000,50000,36000,80000,100000（KVA）等），并考虑到地区动力负荷等综合因素，确定牵引变压器安装容量，取牵引变压器安装容量为240MVA。4）变压器的主接线图图7 变压器的

13、接线图4.4断路器的型号选择1） 高压侧断路器在主变压器应配有断路器和互感器进行配合保护与倒闸操作，则高压110kV侧选择LW-110型户外高压六氟化硫断路器，该型断路器为户外三相交流50Hz高压输变电设备，可以用于切合额定电流、故障电流及转换线路，从而实现对输变电系统的保护、控制及操作。 该断路器是以SF6气体作为灭弧和绝缘介质，配一台气动操作机构，由压缩空气进行分闸，弹簧力进行合闸。2） 低压侧断路器对于低压27.5kV侧，选择ZN42-27.5/1250系列真空断路器，加强绝缘型电流互感器置于车架上安装，配手动推进机构，安装于27.5kV电气化铁道专用开关柜中， 4.5隔离开关型号选择1

14、）高压侧隔离开关高压侧的隔离开关分为接地式与防污式隔离开关，以110kV为标准，选择GW4-110(D)/1250和GW4-110(W)/1250两种类型隔离开关，其主要技术指标如表4所示。表4 GW22-126(D)(W)/1250型隔离开关主要技术参数额定电压110kV最高运行电压126kV额定电流1250A额定热稳定时间3s额定动稳定电流20kA1min工频耐压95kV雷电冲击耐压259kV爬电距离2750mm2）低压侧隔离开关低压侧的隔离开关只需防污式，无需接地式，以27.5kV为标准，选择GW4-27.5(W)/1250。适用于频率为50Hz，额定电压为27.5kV，额定电流为125

15、0A的铁道电气化线路中，作为有电压无负荷时分合电路用，也供铁道自动闭塞信事情装置时使用。并可单级使用。隔离开关配用CS11、CS14型手力操动机构，并与CJ2、CJ5、CJ6、CJ11免维护系列电动操动机构组合，特别适合电力系统和电气化铁路领域对远距离分、合的需要。4.6电流互感器型号选择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

16、互感器的特性应相同。以防止区外故障时，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，因此不进行讨论。 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

17、此互感器应保证实际短路工作循环中不致暂态饱和，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的裕度。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，

18、其暂态饱和的情况也可能差别很大。因此母线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。

19、隔离一次设备与二次设备，保护人身和设备的安全。4.7电压互感器型号选择1） 高压侧电压互感器电压互感器的工作原理，构造，接线方法与电力变压器相仿电压互感器在使用中二次侧不允许短路。为了防止电压互感器二次回路发生短路所引起的持续过电流烧毁互感器，则在电压互感器二次侧需装设低压熔断器对于高压侧设计中选用三相的电压互感器，并要求其可靠性高，本题选择JSQXF-110ZH-110kV配GIS用SF6气体绝缘电压互感器，产品二次接线盒采用防尘、防水密封结构，适应户外使用的要求；二次端子采用凤凰端子，方便用户接线，主要技术指标见表5所示。表5 JSQXF-110ZH-110kV型电压互感器主要技术参数额定

20、电压27.5kV最高运行电压40.5kV额定频率50Hz雷电冲击耐受电压200kV准确级组合0.2(0.5)/3P(3P)二次负载100VA2）低压侧电压互感器对于低压侧设计中选用单相的电压互感器，本案选择JDZX9-27.5型电压互感器，单相双绕组及三绕组环氧树脂浇注全封闭式户内装置电压互感器，适用于交流系统中作精密电压、电能测量及继电保护之用，具体参数指标见表6所示。表6 JDZX9-27.5型电压互感器额定电压27.5kV最高运行电压40.5kV额定频率50Hz雷电冲击耐受电压200kV准确级组合0.2(0.5)/3P(3P)二次负载100VA3）电压互感器的作用电压互感器的作用有两点，

21、第一，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，第二，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。它的作用还有对一些特殊的供电用户线路提供计量电压。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。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；4.8母线型号的选择1）室外27.5kV进线侧母线的选择母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑，我们选择容量为1600kVA电压27.5/10.5kV的

22、三相双绕组电力变压器。经计算：由所给资料查出钢芯铝绞线(LGJ-10)的允许载流量为86A(基准环境温度为25时)，符合式子(),故初步确定27.5kV侧的母线选用截面积为10 mm2的钢芯铝绞线(LGJ-10)。2）室外110kV进线侧母线的选择室外110kV进线侧的母线为软母线,且每段负荷不同,母线截面可采取相同截面，以按最大长期工作电流方式来选择为宜。设计中三相双绕组牵引变压器的选择型号为SF1-40000/110。母线的最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑。经计算：查得钢芯铝绞线(LGJ-95)的允许载流量为335A(基准环境温度为25时)，符合式子()式中， 表示通过导线的最大

23、持续电流， 表示对于额定环境温度,允许电流，为温度修正系数。故初步确定110kV进线侧的母线选用截面积为95mm2的钢芯铝绞线(GJ-95)。4.9绘制牵引变电所的电气主结线图该牵引变电所主接线方案如附录图所示。为保证供电可靠性，牵引变压器采用固定备用方式。五、 设计结论 本次课程设计，变电所采用了直接供电方式，并在第三部分里通过技术和经济比较分析了知己供电方式较AT,BT供电方式地方优点，第二部分为变压器容量选择的确定以及其他设备的选择原则。第四部分主要为主接线，断路器，互感器具体的选择步骤以及变压器容量的计算。附录部分为这次设计的电气主接线。这次实践，为了解牵引变压器的用途及工作原理，在设

24、计过程中，通过求解变压器的计算容量、校核容量以及安装容量来选取变压器的型号。熟悉了牵引变电所的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己的独立设计能力。在断路器，互感器的选择上，组员们查阅了它们各自的技术指标表，并且根据各项指标进行了器件的选择。在设计中，也遇到了许多困难，通过组内组员的相互帮助和努力，查资料，绘制图表，进行计算，尤其是有老师的大力指导，这些问题的都得到了很好的解决。也提高和加深了自己对于铁道供电的认识，。在此对老师和组员表示感谢、参考文献1 铁道部电气化局电气化勘测设计院，电气化铁路设计手册-牵引供电系统S.北京:中国铁道出版社,1987.2 贺威俊,简克良.电气化铁道供变电工程M.北京:铁道出版社,1983.3 李彦哲,王果,张蕊萍,胡彦奎.电气化铁道供电系统与设计M.兰州:兰州大学出版社，2006.