分接式牵引变电所主接线设计.docx
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分接式牵引变电所主接线设计.docx
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分接式牵引变电所主接线设计
探探探探探探探
2010级
牵引供电课程设计
探※※※※※※※※
牵引供电课程设计报告书
题目分接式牵引变电所电气主接线的设计院/系(部)电气工程系
班级方1010-6
学号
姓名
指导教师
完成时间
2013年12月20日
变电所是对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。
在电能是社会生产和生活质量中最为重要的能源和动力的今天,变电所的作用是很重要的当前我国进行的输变电建设和城乡电网的建设与改造,对未来电力工业发展有着重要的作用。
在设计了的分接式牵引变电所电气主接线中,进行了变电所的变压器容量计算,通过容量计算确定了变压器的型号,还进行了短路计算,通过短路计算所得的参数进行了电气设备选型,并进行了无功补偿,做了防雷保护等。
关键词:
分接式牵引变电所主接线电气设备
第1章课程设计目的和任务要求0
1.1设计目的0
1.2任务要求0
1.3任务分析与解决方案1
第2章牵引变压器的选择和容量计算1
2.1牵引变压器的选择1
2.2容量计算2
2.3备用方式选择3
第3章主接线设计4
3.1110kV侧主接线的选择4
3.227.5kV低压侧主接线5
3.3倒闸操作6
第4章短路计算7
第5章电气设备选择9
5.1断路器选择9
5.2隔离开关的选择11
5.3互感器的选择12
第6章并联无功补偿13
6.1并联电容补偿作用13
6.2并联电容补偿方案及主接线13
6.3并联电容补偿计算14
第7章防雷保护16
7.1雷电危害16
7.2防雷措施17
第8章设计结论17
参考文献19
第1章课程设计目的和任务要求
1.1设计目的
本设计中最重要的设备即牵引变压器,其容量的大小关系到能否完成国家交给的运输任务和运营成本。
从安全运行和经济方面来看,容量过小会使牵引变压器长期过载,将造成其寿命缩短,甚至烧损;反之,如果容量过大,将使变压器长期不能满载运行,从而造成其容量浪费,损耗增加,使运营费用增大。
因此,变压器的容量计算是极其必要的,要根据实际运营情况进行仔细运算:
从而确定安装容量,应用课堂学习的知识,完成对该分接式牵引变电所主接线的设计。
1.2任务要求
(1)确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式,并分析主变压器货110KV线路故障时运行方式的转换。
(2)确定牵引变压器的容量、台数及接线方式。
(3)确定牵引负荷侧电气主接线的形式。
(4)对变电所进行短路计算,并进行电气设备选择。
(5)设置合适的过电压保护装置、防雷装置以及提高接触网功率因数的装置。
(6)用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。
其设计依据如下:
(1)该分接式牵引变电所的供电电源电压为110kV,该变电所从系统双回输电线路上取电,电力系统不要求在110kV侧计费。
电力系统容量为3200MVA,选取基准容量Sj为100MVA,在最大运行方式下,电力系统的电抗标幺值分别为0.13;在最小运行方式下,电力系统的标幺值为0.25。
⑵该牵引变电所向接触网的供电方式为BT的供电方式,可以提供变电所
自用电,容量计算为800kVA。
(3)牵引变压器的额定电压为110/27.5kV,重负荷臂有效电流和平均电流为250A和170A,重负荷壁的最大电流为550A;轻负荷臂有效电流和平均电流为220A和145A。
(4)环境资料:
本牵引变电所地区平均海拔为550m,地层以沙质粘土为主,地下水位为
5.5m。
该牵引变电所位于电气化铁路的中间位置,所内不设铁路岔线,外部有公
路直通所内。
本变电所地区最高温度为38°C,年平均温度21°C,年最热月平均最高气温为33°C,年雷暴雨日数为25天,土壤冻结深度为1.2m。
1.3任务分析与解决方案
110kV高压侧的接线方式牵引变压器作为牵引变电所的核心设备,其接线方式的选择对主接线有着非常大的影响,其接线形式有单相接线变压器、单相V,v接线变压器、三相YNd11接线变压器、斯科特接线变压器等。
按照课题要求,本设计采用三相YNd11接线变压器。
因为三相YNd11联结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。
一次侧YN联结中性点可以引出接地一次绕组可按分级绝缘设计制造,与电力系统匹配方便,也可以对接触网的供电实现两边供电。
而且本设计要求较为简单,是分接式牵引变电所的电气主接线,对变压器没有特殊要求,因此按照通用经济的原则选择三相YNd11接线变压器。
第2章牵引变压器的选择和容量计算
2.1牵引变压器的选择
牵引变压器是牵引供电系统的重要设备,担负着将电力系统供给的110kV
三相电变换成适合电力机车的27.5kV的单相工频交流电。
由于牵引负荷具有极度不稳定,短路故障多、谐波含量大等特点,运行环境比一般电力负荷恶劣的多,因此要求牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强,故最好用三相YNd11变
这种牵引变电所中装设两台三相YNd11联结牵引变压器,可以两台并联运行;也可以一台运行,另一台固定备用。
三相YNd11联结牵引变电所的优点是:
(1)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;
(2)能很好的适应当一个供电臂出现很大牵引负荷时,另一供电臂却没有或
只有很小牵引负荷的不均衡运行情况;
(3)三相YNd11联结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,价格也较便宜;
(4)一次侧YN联结中性点可以引出接地,一次绕组可按分级绝缘设计制造,与电力系统匹配方便。
对接触网的供电可实现两边供电。
缺点主要是:
牵引变压器容量利用率不高。
当重负荷相线圈电流达到额定值时,牵引变压器的输出容量只能达到其额定容量的75.6%,弓I入温度系数也只能达到84%。
2.2容量计算
变压器计算容量为:
故选择变压器SF-31500/110
表2-1变压器的技术参数
SF1-31
ON
500/103150011027.516566038.514810.52YNd11
AF
2.3备用方式选择
牵引变压器在检修或发生故障时,都需要有备用变压器投入,以确保电气化铁路的正常运输。
备用变压器投入的快供,将影响到恢复正常供电的时间,并且与采用的备用方式有关。
备用方式的选择,必须从实际的电气化铁路线路、运量、牵引变电所的规模、选址、供电方式及外部条件(如有无公路)等因素,综合考虑比较后确定。
我国的电气化铁路牵引变压器备用方式有以下两种。
(1)移动备用
采用移动变压器作为备用的方式,称为移动备用。
采用移动备用方式的电气化区段,每个牵引变电所装设两台牵引变压器,正常时两台并联运行。
所内设有
铁路专用岔线。
备用变压器安放在移动变压器车上,停放于适中位置的牵引变电所内或供电段段部,以便于需要作为备用变压器投入时,缩短运输时间。
在供电段所辖的牵引变电所不超过5—8个的情况下,设一台移动变压器,其额定容量应与所辖变电所中的最大牵引变压器额定容量相同。
当牵引变压器需要检修时,可将移动变压器按计划调入牵引变电所。
但在牵引变压器发生故障时,移动变压器的调运和投入约需数小时。
此间,靠一台牵引变压器供电往往不能保证铁路正常运输。
这种影响,在单线区段或运量小的双线
区段可很快恢复正常;但在大运量的双线区段须予以重视。
可按牵引变压器一台故障停电后由另一台单独运行,允许超载30%,并持续4小时,而能符合计算容量(满足正常运输)的要求进行检算。
采用移动备用方式,除上述影响外,还需要修建铁路专用岔线。
这将导致牵引变电所选址困难、场地面积和土方量增加,相应加大投资。
不仅如此,移动变压器车辆进厂检修时,修要把备用变压器从车上拆卸吊下来;车辆修好出厂后,又要把备用变压器吊上车安装好。
这项工作十分麻烦和困难,非常费时费力费钱。
采用移动备用方式的优点是牵引变压器容量较省。
因此,移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线区段。
依题目要求,负荷增长率为40%,因而若选择移动备用,则计算得容量为:
(140%)S=1.414594.1=20431.7kVA:
:
31500kVA,所以满足要求。
(2)固定备用
采用加大牵引变压器容量或增加台数作为备用的方式,称为固定备用。
采用
固定备用方式的电气化区段,每个牵引变电所装设两台牵引变压器,一台运行,一台备用。
每台牵引变压器容量应能承担全所最大负荷,满足铁路正常运输的要
求。
采用固定备用方式的优点是:
其投入快速方便,可确保铁路正常运输,又可不修建铁路专用岔线,牵引变电所选址方便、灵活,场地面积较小,土方量较少,电气主接线较简单。
其缺点是:
增加了牵引变压器的安装容量,变电所内设备检修业务要靠公路运输。
因此,固定备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。
依题目要求,负荷增长率为40%,因而若选择固定备用,则计算得容量为:
(140%)S校=1.420509.5=28713.3kVA:
:
31500kVA,所以满足要求。
在当前进行电气化铁路牵引供电系统的设计中,牵引变压器的备用方式不再考虑移动备用方式,而是米用固定备用方式。
第3章主接线设计
牵引变电气主接线是变电所设计的首要部分,也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定与电力系统整体及变电所本身运行的可靠性,灵活性和经济性
是密切相关的,而且对电气设备的选择,配电装置布置,继电保护和控制方式的拟定有较大影响。
因此必须合理的确定主接线。
电气主结线应满足的基本要求
(1)首先保证电力牵引负荷,运输用动力,信号负荷安全,可靠供电的需要和电能质量。
(2)具有必要的运行灵活性,使检修维护安全方便。
(3)应有较好的经济性,力求减小投资和运行费用。
(4)应力求接线简捷明了,并有发展和扩建的余地。
3.1110kV侧主接线的选择
方案一:
采用单母线接线。
优点:
结线简单清晰,使用设备少,经济比较好,而且在远期调整时线路变换更比较方便。
由于结线简单,操作人员发生误操作的可能性就要小。
缺点:
不够灵活可靠,接到母线上任一元件故障时,均使整个配电装置停电。
方案二:
采用桥型接线。
优点:
形结线能满足牵引变电所的可靠性,具有一定的运行灵活性,使用电器少,建造费用低,在结构上便于发展为单母线或具有旁路母线的单母线结线。
此结线方案适用于有系统功率穿越,线路检修停电机会较多,主变压器不需经常切换的牵引变电所。
缺点:
经济性较单母线要差。
方案三:
采用双T型接线。
优点:
所用高压电器更少,配电装置结构更简单,线路继电保护也简单。
缺点:
可靠性相对桥形结线较差。
比较结论:
作为牵引变电所,必须保证供电的可靠性和灵敏性,根据任务书的依据,采用外桥结线比较合理。
图3-1为外桥接线,连接在靠近线路侧,其特点是适用于输电距离较短,线路故障较少,而变压器需要经常操作的场合,这种接线方式便于变压器的投入以及切除
图3-1外桥接线示意图
3.227.5kV低压侧主接线
低压侧断路器的接线分为100%和50%两种备用形式。
其中,100%备用形式主要用于单线区段,牵引母线不同相的场合,其转换方便,可靠性高,而50%备用主要适用于复线区段,所以本次设计中采用100%备用以达到设计目的。
其示意图如下图3-2所示。
图3-2低压侧主接线
3.3倒闸操作
则倒闸操作为一下步骤:
正常运行时,QS7、QF、QS8,其他断路器隔离开关均断开,变压器T1通过L1得电,使得变压器向27.5kV侧输送电能。
当需要检修时,假如仍然需要在L1得电,先断开QF1,然后断开QS3和QS5,再闭合QS4,然后合QS6。
最后闭合QF,即可满足检修时供电需要。
检修结束时,先断开QF2,然后断开QS4和QS6,再断QF后闭合QS3和QS5,最后闭合QF1,即可恢复正常供电。
当L1线路故障需要由L2线路供电时,先闭合QS2,闭合QF,故障线路QF1跳闸,再断开QS1,最后QF2闭合即可满足L1故障时的供电。
女口L1线路恢复正常,可以先断开QF2、QF,再断开QS2,闭合QS1,最后闭合QF1即可恢复正常供电。
由此可以看出采用外桥型接线对于线路发生故障时比较有利,可以在停电瞬
间通过互感器自动检测跳开故障线路断路器,然后闭合备用线路断路器,保证线
路故障时自动转换开关使牵引变压器继续运行,有利于系统供电的可靠性和安全性。
3.4继电保护
继电保护是电力系统的重要组成部分,是保证电力系统安全可靠运行的必不可少的技术措施之一。
继电保护装置是指能反应电力系统中电器元件发生故障或不正常运行状态,并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
它的基本任务是:
(1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除,使故障元件免于继续遭到破坏,保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。
(2)反应电器元件的不正常运行状态,并动作与断路器跳闸、发出信号或减负荷。
由此可见继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性,最大限度地保证向用户安全连续供电。
继电保护利用电力系统正常运行状态和不正常运行或故障时各物理量的差别来判断故障和异常,并通过断路器跳闸将故障切除或发出信号。
继电保护装置为了完成它的任务,必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。
该牵引变电所的设计采用了牵引变压器保护和馈线的保护。
牵引变压器的保护包括差动保护,低电压启动的过电流保护,过负荷保护,
瓦斯保护
馈线的保护包括阻抗保护,△I电流增量保护,电流速断保护,自动重合闸
第4章短路计算
电力系统中短路最为严重的就是三相接地短路,因而短路计算就是计算三相接地短路后的最大短路电流等一系列数据,进而根据这些数据来选择各保护装置等元件。
设短路点有两个,分别在变压器之前短路,短路点为k-1,在变压器之后短路,短路点为k-2。
其短路电路图如下图4-1所示。
图4-1短路电路图
则短路数据计算如下:
根据设计材料可知,
UC1=115kV
(4-1)
UC2=27.5kV
(4-2)
Sd=100MVA
(4-3)
XGmax=0・13
(4-4)
XGmin=0•25
(4-5)
则变压器电抗表幺值:
*
Xt
Uk%Sd_10.5100
100SN10031.5
d1
Sd_100
-3Uc11.732115
=0.5
(4-7)
Sd
100
Id^3Uc2=1.73227.5=2.1
(4-8)
画出其等效电路图如下图4-2所示:
Id10.5=3.85kA
I代-
一X;一0.13
k-2点的短路电流为:
⑶
1k_2
1d2
2.1
=4.77kA
X0.130.33
故k-1点的短路参数:
"(3)
I(3)=l"⑶=lk3L=3.85kA
i;3)=2.55X3.85=9.82kA
1,;)=1.51汉3.85=5.81kA
Sk?
=生=100=769.23MVA
X0.13
且k-2点的短路参数:
I⑶」⑶“k?
=4.77kA
"(3)
iS3)=1.844.77=8.78kA
IS3)=1.094.77=5.20kA
(4-9)
(4-10)
(4-11)
(4-12)
(4-13)
(4-14)
(4-15)
(4-16)
(4-17)
s笃二鱼=217.4MVA
X0.46
故短路计算参数表如下表4-1所示
表4-1短路计算结果
三相短路电流/kA
三相短路容量/MVA
(3)
1k
1"(3)
1(3)
i⑶
ish
1(3)
1sh
Sk3)
k-1
3.85
3.85
3.85
9.82
5.81
769.23
k-2
4.77
4.77
4.77
8.78
5.20
217.40
第5章电气设备选择
电气选择应满足一定的选择原则,即如下条件:
(1)应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求并考虑远景发展;
(2)应满足安装地点和当地环境条件校核;
(3)应力求技术先进和经济合理;
(4)同类设备应尽量减少品种;
(5)与整个工程的建设标准协调一致;
(6)选用的新产品种均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格,特殊情况
下选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准。
5.1断路器选择
高压断路器(或称高压开关)它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流
和负荷电流,而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用,切断过负荷电
流和短路电流,它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力。
而于开断电路中负荷电流和短路电流的高压断路器,首先应按使用地点环
境、负荷种类及使用技术条件选择断路器的类型与型号,即户内或户外式,以及
灭弧介质的种类。
(1)额定电压的选择
Un-Uns(5-1)
式中:
Un——断路器的额定电压,Uns——安装处电网的额定电压。
(2)额定电流的选择
(3)额定开断电流的选择
式中:
iNbr――断路器的额定开断电流,由厂家给出
Ikp――刚分电流(断路器出头刚分瞬间的回路短路全电流有效值)
⑷短路关合电流的选择
「Nci-ish(5-4)
(5)热稳定校验
2
Itt—Qk(5-5)
(6)动稳定校验
ics-ish(5-6)
则110kV侧所选断路器型号为SW6-110/1250,其技术数据见下表5-1
表5-1110kV侧断路器技术数据表
固有
额定电
旁百rnx【伞匚
额定电流
动稳定电流
4s稳定电流
型号
额定开断
电流(kA)
分闸时间
压(kV)
(A)
(kA)
(kA)
(s)
SW6-110/12
50
110
15.8
1250
41
15.8
0.04
Un=110kV二Uns
(5-7)
IN
=1250A_I
max-550A
(5-8)
INK
=15.8kA_I
k3j=3.85kA
(5-9)
iNes
;=41kA皿=5.81kA
(5-10)
22
Itt=5.811.36
=45.9g
=15.8?
4=
998.56(kA)2s
(5-11)
均满足条件,所以选择该型号断路器。
则27.5kV侧所选断路器型号为SW2-35/1000其技术数据见下表5-2
表5-227.5kV侧断路器技术数据表
专肓rtt:
[伞匚
动稳定
4s稳定
固有分闸
型号
额定电压
额定开断
额定电流
电流
电流
时间
电流
(kV)
(A)
(s)
(kA)
(kA)
(kA)
SW2-35/1
35
16.5
1000
45
16.5
0.04
000
UN=35kV_UNs=27.5kV(5-12)
IN=1000A_Imax=300A(5-13)
Ink=16.5kA_Ik3]=4.77kA(5-14)
iNes=45KA_lS?
=5.20kA(5-15)
2222Itt=5.201.36=36.8^Qk=16.54=1089(kA)s(5-16)
均满足条件,所以选择该型号断路器。
5.2隔离开关的选择
高压隔离开关在配电线路中起隔离电源、切换电路、接通或断开小电流电路的作用。
选择高压隔离开关的技术参数主要有额定电压、额定电流、动稳定和热稳定电流、极限通过电流等。
而屋外隔离开关的类型很多,它对配电装置的运行和占地面积影响较大,应
从使用要求和运行等多方面考虑选择其形式
110kV侧隔离开关选用GW4-110DW型户外隔离开关,其技术数据见表5-3。
表5-3110kV侧隔离开关技术数据表
型号
额定电压
(kV)
额定电流
(A)
动稳定电(kA)
4s热稳定电流(kA)
GW4-110DW
110
1250
80
31.5
UN=110KV
~UNS
(5-17)
1
1N=1250A_Imax=550A
(5-18)
INK=31.5kA_1岛=3.85kA(5-19)
iNes=80kAZI,3)=5.81kA(5-20)
2222ltt=5.811.36=45.9乞Qk=31.54=3969(kA)s(5-21)
均满足条件,所以选择该型户外隔离开关。
27.5kV侧隔离开关选用GW4-35DW型户外隔离开关,其技术数据见表5-4
表5-427.5kV侧隔离开关技术数据表
型号
额定电压
(kV)
额定电流
(A)
动稳定电流
(kA)
4s热稳定电流(kA)
GW4-35DW
35
1250
80
31.5
UN=37.5kV_UNs=27.5kV(5-22)
In=1250A_Imax=300A(5-23)
Ink=31.5kA_lk3[=4.77kA(5-24)
iNes=80kA_lS3)=5.20kA(5-25)
2222
Itt=5.201.36=36.8_Qk=31.54=3969(kA)s(5-26)
均满足条件,所以选择该型户外隔离开关。
5.3互感器的选择
电流互感器又称仪用变流器。
电压互感器又称仪用变压器。
它们合称仪用互感器或简称互感器。
从基本结构和工作原理来说,互感器就是一种特殊的变压器。
互感器的功能主要是:
(1)用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘。
这既可避免主电路的高电压直接引入仪表、继电气等二次设备,又可防止仪表、继电气等二次设备的故障影响主电路,提高一、二次电路的安全性与可靠性,并有利于人身安全。
(2)用来扩大仪表、继电器等二次设备的应用范围。
110kV侧电流互感器选用LCWD2-110型电流互感器,其技术数据见表5-5表5-5110kV电流互感器技术数据表
型号额定电压
额定电流比(A)
动稳定系数
1s热稳定电流
(kV)
(kA)
LCWD2-110110
2X600/5
2.535
35
UN=110kV
=UNS
(5-27)
IN二600A丄Imax二550A
(5-28)
■■2KnInk二:
22.5350.6二
74.25kA一Ik3l
二3.85kA
(5-29)
(Kt
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