某中心牵引变电所电气系统设计 - 图文

毕业设计任务书

题 目 学生姓名 学号 某中心牵引变电所电气系统设计 5 班级 导师 姓名 专业 电气工程及其自动化 讲师 承担指导任务单位 电气工程系 导师 职称 一、主要内容 1.按规定供、馈电容量与要求确定电气主接线。 2.短路电流计算。 3.牵引变压器容量、型式及台数的选择。 4.母线(导体)和主要一次电气设备选择。 5.配置所需的二次系统。 6.进行防雷与接地的设计。 二、基本要求 1.设计计算说明书一份，要求条目清楚、计算正确、文本整洁。 2.绘制出牵引变电所电气主接线图。 三、主要技术指标(或研究方法) 1.包含有A、B、C三个牵引变电所的供电系统示意图如图1所示。 图1 牵引供电系统示意图 图1中对每个牵引变电所而言，220kV线路为一主一备。待建牵引变电所为牵引变电所A，220kV线路向220kV地区变电所供电，供电容量为2000MVA。图1中L1、L2、L3、L4长度分别30km、15km、15km、20km。线路平均正序电抗X1为0.4Ω/km，平均零序电抗X0为1.2Ω/km。 2.气象资料：本地区最高温度为38℃，最热月平均最高气温29℃，最热月地下0.8m处平均温度为22℃，年主导风向为东风，年雷暴雨日数为20天。 3.地质水文资料：本地区海拔60m，底层以砂黏土为主，地下水位为2m。 4.电源短路容量：电力系统容量分别为3000MVA 、2800MVA。选取基准容量为100MVA，在最大运行方式下，电力系统的综合电抗标幺值为0.21、0.23；在最小运行方式下，电力系统的综合标幺值为0.30、0.35。 5.负荷资料： 表1 牵引变电所负荷资料 项目 左臂负荷全日有效值(A) 右臂负荷全日有效值(A) 左臂短时最大负荷(A)[注] 右臂短时最大负荷(A) 牵引负荷功率因数 10kV地区负荷容量(kVA) 10kV地区负荷功率因数 牵引变压器接线型式 牵引变压器110kV接线型式 左供电臂27.5kV馈线数目 右供电臂27.5kV馈线数目 10kV地区负荷馈线数 预计中期牵引负荷增长 A牵引变电所 410 620 720 880 0.85(感性) 2×1000 0.87(感性) 自选 自选 2 2 2回路工作，1回路备用 20% [注]：供电臂短时最大负荷即为线路处于紧密运行状态下的供电臂负荷。 6.根据需要，可自行补充其它资料。 四、应收集的资料及参考文献 [1] 李彦哲，胡彦奎，王果等.电气化铁道供电系统与设计[M].兰州：兰州大学出版社，2006. [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] 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005. [4] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都：西南交通大学出版社，2009. 五、进度计划 1.第1周-第3周 调研、收集材料，完成外文翻译、开题报告； 2.第4周 分析、确定方案； 3.第5周-第7周 设计、计算、绘图； 4.第8周 中期检查； 5.第9周-第11周 撰写论文； 6.第12周-第14周 论文审核定稿； 7.第15周-第16周 答辩。 教研室主任签字 时 间 年 月 日 毕业设计开题报告

题 目 某中心牵引变电所电气系统设计 学生姓名 学号 班级 专业 电气工程及其自动化 一、研究背景 随着我国铁路建设的快速发展，电力牵引成为现代铁路最先进的牵引动力。它牵引力大，对环境影响小，能源利用率高，整备时间短，机车效率高，控制性能好，平稳，舒适。既适用于高速旅客运输，也适合重载运输。牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的重要组成部分，它的主要作用是将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能。牵引变电所是接受与分配电能并改变电能电压的枢纽。所以保证牵引变电所的高速安全运行对电气化铁路是至关重要的，因此就要对牵引变电所进行合理的系统设计。 二、国内外研究现状 目前我国的交、直流牵引变电所技术装备产生了很大的变化：主设备向高可靠性、小型化和免维修方面发展；变电所主接线和辅助设施趋向简单化和典型化；远动监控、故障录波和微机保护与自动装置得到了广泛的推广与应用。在牵引变压器方面，首台高海拔铁路专用牵引变压器已研制成功，能够满足高海拔地区牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁等要求。我国目前已经全面掌握了时速为350-380公里电气化铁路的设计、施工、检测技术体系以及高速铁路接触网零配件、高强高导接触网导线、GIS开关、自动过分相等高铁关键产品研发和生产技术，建立了具有完全自主知识产权的中国高速铁路牵引供电技术体系，已跻身世界高铁技术前沿。 外国的变电所研究领先于我国，例如日本采用的是AT供电方式，变电所最大供电电流是2000~3000A，法国同样采用AT供电，牵引变电所采用225kV供电，单相与V接相互转换设计。他们在变电站的运行管理模式上已经达到无人值守的程度。 三、研究方案 牵引供电系统是将电能从电力系统传送到电力机车的电力装置的总称，是电气化铁路的供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。本次是对某中心牵引变电所的电气系统进行设计。设计思路如下： 1.对任务书中的主要技术指标进行分析研究，对所设计的内容有大致的了解，并参考各类相关的书籍，文献。 2.根据查阅的资料可以选择中心牵引变电所的牵引变压器接线形式为单相Vv接线。牵引变电所220kV高压侧的接线形式可以选择单母线分段接线的接线方式。 3.对牵引变压器的容量进行计算：根据两供电臂的有效电流和最大负荷电流得出在正常运行和紧密运行状态下牵引变压器的计算容量和校核容量，并对变压器容量进行功率因数补偿，经比较确定安装容量。最后确定变压器的容量，型式及台数。 4.根据以上计算结果选择出合适的主接线方式并用CAD画出电气主接线图。 5.将接线图简化，根据资料中的数据选择合适的短路点进行短路计算，确定最大短路电流和最小短路电流的大小。 6.选择母线、隔离开关、断路器、熔断器、互感器等电气主接线中的主要设备。 7.对电力系统配置继电保护，应满足可靠性(安全性和信赖性)、选择性、速动性和灵活性四个基本要求。 8.根据设计配置合适的并联补偿装置。设计变电所的防雷与接地，包括对避雷针、避雷器等以及接地系统的设计。 四、预期结果 对所要完成的任务、基本的设计原则及计算方法作出简要的论述。短路计算等有完整的计算电路图、详细的计算过程。用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。确定牵引变压器的容量、型号及台数，配置主要的一次设备以及所需的继电保护。系统具有较好的防雷与接地功能。 熟练掌握CAD等软件的使用，了解中心牵引变电所的结构，掌握变电所设备等的选择及参数的计算方法，今后能自行设计牵引变电所的电气部分。 指导教师签字 时 间 年 月 日 摘 要

随着现代经济与科技的迅猛发展，电力机车已成为人们出行必不可少的工具之一，而牵引变电所是将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引的电能的场所。因此需要加强牵引变电所的建设。

本次设计主要是针对中心牵引变电所进行电气系统设计。通过负荷计算确定牵引变压器的容量、型式及台数。按规定供、馈电容量与要求确定电气主接线图。对短路电流进行计算，包括高压侧输电线的短路和变压器低压侧的短路。根据短路计算结果对主要的一次设备进行选择并校验。对牵引变压器和馈线配置继电保护，分析牵引变电所电压损失和电能损失以及补偿方法，对牵引变电所进行防雷与接地设计。

本次设计的电气主接线高压侧采用单母线分段接线的形式，牵引变压器采用单相Vv接线并联运行。采用了并联电容器的方法减小负序电流。运用Auto CAD绘制出了电气主接线图。

关键词：主接线 变压器 Vv接线 保护 短路计算

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

牵引网由馈(电)线、接触网、轨(地)、回流线等组成，是牵引供电网(回路)，完成对电力机车的送电任务。牵引网供电方式按分区所运行状态分为单边供电、双边供电，按牵引网设备类型分为直接供电、BT供电、AT供电和CC供电方式。

电力系统与牵引变电所的连接方式称为外部电源的供电方式，它取决于牵引负荷的用电等级和电力系统的分布情况。电力牵引为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电，当任一路故障时，另一路仍正常供电。外部电源以保证供电可靠性为原则，可分为环形(双侧)单回路供电方式、环形(双侧)双回路供电方式、单电源(单侧)双回路供电方式、放射供电供电方式。

1.4 本次设计研究的主要内容

本次设计的题目是某中心牵引变电所电气系统设计。 (1)确定牵引供电方案。

(2)确定牵引变压器的容量、台数及型式。

(3)进行短路计算。为选择变电所中的断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等电气设备以及母线选型、防雷与接地装置的选择及校验提供依据。

(4)对设计的变电所进行继电保护整定计算。 (5)对变电所进行防雷与接地系统设计。

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第2章 牵引变压器的容量计算和选择

2.1 牵引变压器的容量计算

2.1.1 牵引变压器容量计算的步骤

牵引变压器容量的计算一般分为以下三个步骤：

(1)根据任务书中给定的计算条件求出供应牵引负荷所必须的容量，称为计算容量。

(2)根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力，计算出校核容量，这是确保变压器安全运行所必须计算的容量。

(3)根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素(如备用方式等)，并按实际变压器系列产品的规格选定变压器的数量和容量称为安装容量。

本次设计采用单相Vv接线的形式，根据任务书中给出的数据，计算式如下：

Sa?U2NI?a (2-1) Sb?U2NI?b (2-2)

2.1.2 变压器计算容量和校核容量的计算

(1)设右供电臂计算容量为Sa，左供电臂的计算容量为Sb。由以上公式得单相Vv接线变压器的计算容量分别为：

Sa?U2NI?a?27.5?620?17050kV?A

Sb?U2NI?b?27.5?410?11275kV?A (2)Vv接线变压器最大负荷为：

Sa.max?2U2NIa.max?2?27.5?880?48400kV?A Sb.max?2U2NIb.max?2?27.5?720?39600kV?A 由公式

S校?Smaxk可得两台变压器的校核容量分别为：

(其中k=1.8) (2-3)

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S校a? S校bSa.max48400??26888.89kV?A 1.81.8S39600?b.max??22000kV?A 1.81.82.1.3 功率补偿后的计算容量和校核容量

牵引负荷功率因数为0.85，对其进行无功补偿，设cos?'?0.900。计算如下：

cos??(1)右供电臂有功功率为：

Pa?Sacos??17500?0.85?14492.5kV?A 无功补偿装置的容量为：

Qca?Patan??tan?'?14492.5??0.62?0.484??1970.98kvar 取 Qca?2000kvar 则补偿后右供电臂的计算容量为： S'?P2?aa补偿后的功率因数为： cos?'?(2)左供电臂有功功率为：

Pb?Sbcos??11275?0.85?9583.75kV?A 无功补偿装置的容量为：

Qcb?Pbtan??tan?'?9583.75??0.62?0.484??1303.39kvar 取 Qcb?1400kvar 则补偿后左供电臂的计算容量为： S'?P2?bb补偿后的功率因数为： cos?'?

PS (2-4)

???S2a?Pa2?Qca?2?16086.5kV?A

Pa14492.5??0.901 '.5Sa16086???S2b?P?Qcb2b?2?10604.485kV?A

Pb9583.75??0.904 '.485Sb106044

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(3)右供电臂补偿后的校核容量为：

P校a?S校acos??26888.89?0.85?22855.56kV?A

无功补偿装置的容量为：

Qc校a?P校atan??tan?'?22855.56??0.62?0.484??3108.356kvar 取 Qc校a?3200kvar 则补偿后右供电臂的校核容量为： S'校a???P2校a??S2校a?P2校a?Qc校a?2?25349.5kV?A

补偿后的功率因数为： cos?'?P校a'S校a?22855.56?0.902

25349.5 (4)左供电臂补偿后的校核容量为：

P校b?S校bcos??22000?0.85?18700kV?A

无功补偿装置的容量为：

Qc校b?P校btan??tan?'?18700??0.62?0.484??2543.2kvar 取 Qc校b?2600kvar

则补偿后左供电臂的校核容量为： S'校b???P2校b??S2校b?P2校b?Qc校b?2?20748.399kV?A

补偿后的功率因数为： cos?'?P校b'S校b?18700?0.901

20748.3992.1.4 中期牵引负荷增长后的计算容量及校核容量

右供电臂的计算容量和校核容量分别为：

'''Sa?1.2Sa?1.2?16086.5?19303.8kV?A

.5?30419.4kV?A S校a?1.2S校a?1.2?25349左供电臂的计算容量和校核容量分别为：

'''

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.485?12725.382kV?A Sb?1.2Sb?1.2?10604'''?1.2S.399?24898.079kV?A S校b校b?1.2?20748'''2.1.5 变压器安装容量的计算

由以上计算结果结合实际变压器系列产品的规格，可得重负荷供电臂即右供电臂选取的变压器容量为31.5MVA，轻供电臂即左供电臂选取的变压器容量为25MVA。

2.2 牵引变压器的选择

2.2.1 牵引变压器备用方式的选择

牵引变压器有固定备用和移动备用两种备用方式。在我国，多数情况下采用固定备用的方式。

2.2.2 牵引变压器连接组别的选择

我国牵引变压器采用三相、三相——两相和单相三种类型。常用的牵引变压器主要有单相接线变压器、单相Vv接线变压器、三相Vv接线变压器、三相YNd11双绕组变压器、斯科特接线变压器。 (1)单相接线变压器

优点：容量利用率可达100%；主接线简单，设备少，占地面积小，投资少。 缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电，在电力系统中，单相牵引负荷产生的负序电流较大，对接触网的供电不能实现双边供电。

适用于：电力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。 (2)单相Vv接线变压器

优点：主接线较简单，设备较少，投资较省。牵引变压器容量利用率可达到100%。对电力系统的负序影响比单相接线少。对接触网的供电可实现双边供电。

缺点：当一台牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电臂的牵引网。这就需要一个倒闸过程。在这一倒闸过程完成前，故障变压器原来供电的供电臂牵引网中断供电，这种情况可能会影响行车。即使这一倒闸过程完成后，地区三相电力供应也要中断。牵引变电所三相自用电必须改用劈相电或单相——三相自用变压器供电，实质上变成了单相接线牵引变电所，对电力系统的负序影响也随之增大。

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