牵引供电课程设计报告

更新时间：2023-05-11 07:22:01 阅读量：实用文档文档下载

说明：文章内容仅供预览，部分内容可能不全。下载后的文档，内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的，是否完整无缺。

某牵引变电所位于大型编组站内,向两条复线电气化铁路干线的四个方向供电区段供电,已知列车正常情况的计算容量为20000 kVA(三相变压器),并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电,容量计算为1000 kVA,各电压侧馈出数目及负荷情况如下：25kV回路(2路备)：两方向年货运量与供电距离分别为,,。10kV共6回路(4路备)。共电电源由系统区域变电所以双回路110kV输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间...

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：

2011 年 7 月 23 日

一、题目

某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复线电气化铁路干线的四个方向供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为20000 kVA（三相变压器），并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为1000 kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：

25kV回路（2路备）：两方向年货运量与供电距离分别为Q1L1 60 60Mtkm，

Q2L2 60 25Mtkm， q 150kWh/10ktkm。10kV共6回路（4路备）。

共电电源由系统区域变电所以双回路110kV输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电线距离20km，主变压器为三相接线。

二、题目分析及解决方案框架确定

2.1分析负荷及原始资料

由上述资料可知，本牵引变电所担负着重要的牵引负荷供电任务（一级负荷）、馈线数目多、影响范围广，应保证安全可靠的供电。10千伏地区负荷主要为编组站自动化驼峰、信号自动闭塞、照明及其它自动装置等一部分为一级负荷、其他包括机务段在内均为二级负荷，应有足够可靠性的要求。本变电所为终端变电所，一次侧无通过功率。题目中的变电所所负责供电的10kV负荷小于变压器额定容量的15%，则在110kV侧单独设置110/10kV的三相动力变压器，以供应10kV铁路信号专线及地区其他负荷。三相双绕组YN,d11接线牵引变电所的优缺点如下：

优点是牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力。并联运行时，当一台停电时，供电不会中断，运行可靠方便，能很好的适应山区单线电气化铁路牵引负荷不均衡的特点。三相YN,d11结线牵引变压器在我国采用的时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格也比较便宜。原边中性点可以引出接地，原边绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便，对接地网的供电可实现两边供电。缺点是牵引变压器容量不能得到充分利用。重负荷相绕组电流达额定值时牵引变压器输出容量只能达到其额定容量的75.6%，引入温度系数后也只能达到84%，而且主接线相对复杂，设备投资也较大，维护检修工作量及相应的费用也有所增加。

2.2 主变压器台数和容量的选择

三相牵引变压器的计算容量是由牵引供电计算求出的。本变电所考虑为固定备用方式，按故障检修时的需要，应设两台牵引用主变压器，地区电力负荷因有一级负荷，为保证变压器检修时不致断电，也应设两台。考虑到三相YN,d11结线牵引变压器的特点以及牵引变电所的类型（通过式牵引变电所）采用如图2所示的单母线分段接线。按照向复线区段供电的要求，其牵引侧母线的馈线数目较多，为了保障操作的灵活性和供电的可靠性，也便于故障断路器的检修，根据题目要求带有旁路母线和旁路断路器的接线方式以及根据原始资料和各种负荷对供电可靠性要求，主变压器容量与台数的选择，可能有以下两种方案：

方案A:2×20000千伏安牵引变压器+2×6300 kVA地区变压器，一次侧同时接于110 kV母线，（110千伏变压器最小容量为6300kVA）。

方案B:2×25000千伏安的三绕组变压器，因10千伏侧地区负荷与总容量比值小于15%，采用电压为110／27.5／10.5kVA，结线为Y0/ / 两台三绕组变压器为牵引负荷供电，同时曾设动力变压器2×6300千伏安为地区电力负荷供电。三绕组变压器各绕组容量比为100:100:50。

三、设计过程

3.1牵引变电所110kV侧主接线设计

电气主接线一方面从电源系统接受电能，一方面又通过馈电线路将电能分配出去。电气主接线的电源回路和用电回路之间采用什么方式连接，以保证工作可靠性灵活是十分重要的问题。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，110kV侧采用图2所示的单母线分段接线。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。下图1为三相YN,d11变电所的变压器的主接线。

3.2牵引变电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

如图3所示。这种接线当工作断路器需检修时，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，但一次投资较大。

（2）馈线断路器50%备用的接线

如图4所示。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。

图1 三相YN,d11变压器主接线

（3）带旁路母线和旁路断路器的接线

如图5所示。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。在正常运行时，旁路断路器不带电。各回路旁路隔离开关也都在断开位置。该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。

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2路备用的接线

3.3各种方案主接线的拟定

按110kV进线和终端变电所的地位，考虑变压器数量，以及各种电压级馈线数目、可靠供电的需要程度选择结线方式。

（1）方案A，因有四台变压器，考虑110kV母线检修不致全部停电，采用单母线用断路器分段的结线方式，如图6，每段母线连接一台牵引变压器和地区变压器。由于牵引馈线断路器数量多，且检修频繁，牵引负荷母线采用带旁路母线放入单母线分段（隔离开关分段）结线方式，10kV地区负荷母线同样采用断路器分段的单母线结线系统。自用电变压器分别接于10kV两段母线上（两台）。

图2 单母线分段接线

（2）对于方案B，共用两台三绕组主变压器、两回路110kV进线，线路太长，但应有线路继电保护设备，故以采用节省断路器数量的内桥结线较为经济合理，如图7。牵引负荷母线结线和10千伏母线结线与方案（A）的结线相同。

3.4技术经济比较

因地区负荷占比例较大，且有部分为一级负荷，应保证必要的电压质量，主要应检验电压不对称系数。然后进行两种方案的经济比较。

a相母线b相母线

送左供电分区

上行

下行

上行下行

图3 馈线断路器100%备用的方式

a相母线

相母线

上﹑下行上﹑下行

图4 馈线断路器50%备用的方式

a相母线b

相母线

旁路母线

图5 带有旁路母线和旁路断路器的接线方式

（1）电压不对称系数的计算

a）由已知牵引负荷容量，25kV侧额定电流I2e及每馈电区电流I2a、I2c分别为：

I2e

231A

cos 2=0.8

I2a=I2c=0.655I2e=138 A（因电流不对称引入的系数k=0.655）

两馈电区电流在△形绕组中分配后，每相绕组电流为

2I 1I 243.4ej( 17.8 )A I2ab2a2c

33 2I 1I 243.4ej184 A I2bc2c2a

1I I 92.0ej83.1 A I2ca2c2c

10kV电压侧为三相对称负荷，设cos 3=0.9则其额定电流I3e和△形绕组中每相电流分别为：

I3e

55 (A)

. j( 90 )Ij4.2 3e3 (A) (以U3ab为基准) I3ab e 31.75e

同理

31.75ej44.2 (A) I3bc

31.75ej124.2 (A) I3ca

110kV高压绕组中的电流，不计励磁电流时，即为负荷电流归算到高压侧的值。 b）高压110千伏绕组中的阻抗压降，已知参数为：

三绕组16000千伏安变压器 PM 125.8kW ，Ud1% 10.5；

双绕组10000千伏安变压器

PM 115kW，Ud% 10.5。

10kV

图6 方案A主接线

25kV

按以上式子分别求得高压绕组的电阻及电抗为：

PM Ue2 103

( ) (Ue=110 kV) R1 2

2 Se

Ud%Ue2

( ) X1

100Se

三绕组变压器 R1' 1.22 ，X1' 50.8

图7 方案B主接线

双绕组变压器 R1 1.74 ，X1 63.5

高压各相绕组阻抗压降，由各相阻抗压降三角形可知：对于三绕组变压器，

Ua' I1a(R1' jX1') 99.35ej( 17.8 )(1.22 j50.8) 5.05ej70.8 (kV) '' Ub I1b(R1' jX1') 99.35ej184 (1.22 j50.8) 5.04ej272.6 (kV) ' Uc' I1c(R1' jX1') 36.22ej83.1 (1.22 j50.8) 1.84ej171.72 （kV）

对于双绕组变压器，

I (R jX) 105.37ej( 17.8 )(1.74 j63.5) 6.69ej70.63 (kV) Ua1a11 I (R jX) 105.37ej184 (1.74 j63.5) 6.69ej272.43 (kV) Ub1b11 I (R jX) 39.83ej83.1 (1.74 j63.5) 2.53ej171.53 (kV) Uc1c11

c）高压110 kV绕组感应电势（E）及不对称系数K1u，按下式计算

100 ej0 (kV) U U ；其中：UE1a1a1aa

3 100 ej120 (kV) U U ；其中: UE1b1b1bb

3 100 ej240 (kV) U U ；其中: UE1c1c1cc

1 a2E ) (kV) (E1a aE E1a(1)1b1c31 aE ) (kV) (E1a a2E负序分量 E1a(2)1b1c3

正序分量

电压（势）不对称系数 K1u

E1a(2)E1a(1)

100%

从上述比较可知，在保证电压质量方面，方案（A）和方案（B）的K1u值在允许范围以内。

（2）变压器与配电装置的一次投资与折旧维修费

方案A：2×20000+2×6300kVA变压器四台，多增加110kV断路器四组，按SW3-110少油断路器计算，共需（以万元计）

2 80 2 50 4 (11 1.9 2 0.95) 274.8 (万元)

（每组断路器包括断路器及机构1台、电流互感器1台，及两侧隔离开关2台，分别为11万元、1.9万元和2 0.92万元）。

方案B：2 25000kVA三绕组变压器两台，两台动力变压器，另增加变压器前面和跨条隔离开关（110kV）4组，共需

2 136 4 (11 1.9 2 0.95) 286.8 （万元）

方案A 110kV配电间隔数增加，其占地面积不予计算。每年折旧维修费，按取一次投资的8%计，则方案A Cpa=274.8 0.08=21.98 （万元）方案B Cpb 306.8 0.08 24.544 （万元）

（3）各方案的年电能损耗费（主变压器正常工作采用两台并联运行方式）

a）方案A采用2×SF1-QY-20000／110型和2×SF7-6300／110型三相变压器，其参数为：

牵引变压器 Pc 27.5kW， Pm=115kW，I0%=2.2，Ud%=10.5。地区变压器 Pc 11.6kW， Pm=41kW，I0%=1.1，Ud%=10.5。

按已知条件，可求牵引负荷的最大功率损耗时间为：

1.2(1000 60 6000 25) 150τq 5738(h)

20000 0.8地区负荷Tmax 4500hh，cos 0.9，用插入法得，τd（地区负荷）=2750小时。

牵引变压器和地区变压器的年能量损耗和 AQ和 Ad分别由式

AQ n( Pc Kj Qc)T n( Pm Kj Qm)

Ad n( Pc Kj Qc)T n( Pm Kj QmS2

) Se

求得（取无功经济当量Kj=0.1）：

AQ 2(27.5 0.1 2.2 其中Ie2

20000120000

8760 115 0.1 10.5 ） 12 5738 10021003Ie2

20000

242.4 (A)；Ix2各值已在前面求出；

3 27.5

2x2222 I2ab I2bc I2ca 4 2 121.72 46.02 120603.1 (A2)

故 AQ 1252680 1275897.8 2528577.8 （千瓦时）

牵引用电按每度（千瓦时）0.16元计，则年电能损耗费

CeQ=2528577.8 0.16=40.46 （万元）

63001630010002

) 8760 (41 0.1 10.5 )() 2750 10021006300

工业用电按每度0.10元计，则年电能损耗费

Ad （211.6 0.1 1.1

Ced=326605.6 0.10=3.27 (万元)

方案A 年电能损耗费

Cea CeQ Ced=43.73 （万元）

b）方案B采用2×SFS7-25000／110型三项三绕组变压器，其参数为：各绕组容量比100：100：50； Pc 38.5 kW，I0%=1.1， Pm=125.8 kW，各绕组短路电压Ud1%=10.5，

Ud2%=6.5。则依下式：

11 S32S12S2

P( ) m2122232nSSSeee

22 1S1S2

A n( Pc Kj Qc） T Kj( Qm1 1 2 Qm2 2 2

SeSe n

S3 Qm3 3 ） 2

可求得年电能损耗为：

11 S32S12S2

125.8 (2 1 2 2 2 3)

SeSeSe

2 1 S12S225000

A 2(38.5 0.1 1.1 ） 9760 0.1 (10.5 1 2 6.5 2 2

100SeSe 2

0）

其中

''2'2''2

S (Ix（I1b)2 (I1c)=99.352 2+36.222=21052.7 2 Ix3) (I1a) 21

2500022

S 3 I 3 () 51653；S2 （Ix2)2 120603.1；

11012

21e

2Se2 3 (

250002

) 275482。

3 27.5

已知 2 Q 5738h， 3 d 2750h，则

代入上述各值后，得：

5738 20000 2750 1000

5596h

20000 1000

21052.7120603.1

5596 5738)

5165327548221052.7120603.1

0.05 (0.105 5596 25000 0.065 5738

51653275482

25000) 1103760 127010.5 3197671.9 4428442.4 A 2 63 8760 26.5 (

年电能损耗费Ceb 4428442.4 0.12 10000 3.27 56.41万元（综合用电取平均电价为0.12/度）。

c）年运行费用：为年折旧费用与年电能损耗费之和。

方案A CA Cpa Cea 21.98 43.73 65.71 （万元/年）方案B CB Cpa Ceb 24.544 56.41 80.954 （万元/年） d)经济比较表，以方案A为基数，则方案B净增数按式T

表1各主接线方案经济比较表

项目

一次投资（万元）

年运行费（万元）

方案A 0 0

方案

方案B

K2 K1

，如表1。

C1 C2

286.8-274.8=12 80.954-65.71=15.24

e)由技术经济全面比较表明，在保证同样可靠性的前提下，方案A和方案B对地区负荷供电电压质量都满足要求，但方案A投资和年运行费用均较低，且节省占地面积且投资和年运营费用都较低，又节省占地面积，故推荐方案A。

3.5绘制电气主接线图

该牵引变电所主接线方案A如图8所示(见附录)。为保证供电可靠性，牵引变压器采用固定备用方式。因采用单相牵引变压器，同一牵引变电所馈线电压同相，且省去牵引变电所出口处电分相装置，改善了电力机车运行的弓网关系。此种接线适用于高速电气化铁路的机车运行。方案B的主接线图如图9所示（见附录）。

3.6开关设备的选择

（1）高压断路器的选择

对于开断电路中负荷电流和短路电流的高压断路器，首先应按使用地点和负荷种类

及特点选择断路器的类型和型号、即户内或户外式，以及灭弧介质的种类，并能满足下列条件：

[1] 断路器的额定电压，应不低于电网的工作电压 [2] 断路器的额定电流应不小于电路中的最大长期负荷电流

[3] 根据断路器的断路能力，即按照制造厂给定的额定切断电流或额定断路容量选择断路器切断短路电流（或短路功率）的能力。为此，应使额定切断电流不小于断路器灭弧触头刚分离瞬间电路内短路电流的有效值，或在一定工作电压下应使断路容量不小于短路功率。

（2）高压熔断器的选择

高压熔断器用以切断过负荷电流和短路电流，选择是首先应考虑装置的种类与型式、是屋内或屋外使用，对于污秽地区的屋外式熔断器还应保证绝缘泄露比距的要求，以加强绝缘，此外，高压熔断器应满足：

[1]按工作电压 Ue Ug （与断路器意义相同）。 [2]按工作电流

Iei Ig

式中，IeR、Iei——分别为熔断器额定电流和熔件额定电流；

——网络中最大长期工作电流

[3]按断流容量

Iq I

或

Se S

式中，Iq、Se分别为熔断器的极限开断电流和额定断流容量。

[4]对污秽地区屋外安装的熔断器，其绝缘泄露比距应满足

g x

因熔断器的熔断时间很短，故采用熔断器保护的导体和电器可不校验短路电流的机械稳定性和热稳定性。此外，高压熔断器熔件的选择还必须与网络中各分段、分支电路的熔断器熔件或与馈电线继电保护之间，从时间特性上保证互相间动作的选择性和时限配合关系。

（3）隔离开关的选择

选择隔离开关，首先应考虑装置的种类和型式，是屋内或屋外使用。

隔离开关的其它选择条件与断路器类似，但对隔离开关不进行切断能力的（切断电流或断路容量）的校验。

结论

在我们所使用的方案中采用了单母线分段接线方式。正常工作时分段断路器闭合，是两段母线并列运行，电源回路和同一负荷的馈电回路应交错连接在不同的分段母线上。这样当母线检修时，停电范围可缩小一半；母线故障时，分段断路器由于保护动作而自动跳闸，将故障母线隔开，非故障母线及与其连接的线路仍正常工作，仅使故障母线连接的电源线路与馈电回路停电。母线分段数目越多，母线故障停电范围越小，但所需断路器、隔离开关等设备也随之增多，同时使运行变得较为复杂。而且该结线方式结线简单、设备少、配电装置费用低，经济性好并能满足一定的可靠性；检修任一回路及其断路器时，仅该回路停电，其他回路不受影响。由于馈线断路器备用较多可能会增加投资，在经济上有些欠缺，同时，会产生较大的负序和谐波。

本题要求设计的是位于编组站内的牵引变电所，采用三相YN,d11结线牵引变压器，且其牵引负荷及地区负荷中均包含一级负荷，供电可靠性显得尤为重要。在了解和掌握牵引供电系统的用途及工作原理的基础上进行如下设计步骤：

首先，本变电所为终端变电所，一次侧无通过功率，针对它的这种特点，对设计的框架进行了确定，选择单母线分段接线，固定备用方式，两路电源进线，25kV侧采用8路馈线，10kV侧6路馈线。从而对牵引变电所的主接线做出了A﹑B两种设计方案。A方案主要采用的是双绕组变压器，而B方案则主要采用三绕组变压器，两种设计方案中10kV侧都由独立的110／10kV的变压器供电。然后，对不同方案进行电压不对称系数的检验和经济比较，通过电能质量和经济两方面比较优先推选出A方案。在这之后，利用Microsoft Visio软件画出了不同方案的主接线图以及其它一些设计用图。最后，提供了断路器﹑隔离开关以及互感器等的选择指标，达到了进一步完善设计方案的目的。

由于题目的要求所以本组人员主要围绕三相YN,d11结线牵引变压器进行的设计和思考，但是根据最新高铁及发展的需要，其它变压器的运用也日益广泛，所起的作用也日益重大。对其它变压器的学习和掌握也是十分重要和必要的。

此次课程设计对专业知识的学习和专业知识的检验起到了非常积极的作用，是电气工程及其自动化专业的从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。

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.北京:中国铁道出版

社,1988.

[2] 铁道部电气化工程局第一工程处.电气化铁道施工手册—牵引变电所.北京:中国铁道出版社，

1995.

[3] 贺威俊高仕斌.电力牵引供变电技术[M].成都:西南交通大学出版社,1998.

[4] 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.

附录

ABCN

图8 方案A电气主接线