牵引供电系统的运行和故障分析论文.docx
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牵引供电系统的运行和故障分析论文
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毕业设计(论文)报告
题目名称:
牵引供电系统的运行和故障分析
学生姓名:
学号:
二级学院(系)/专业
班级:
指导教师:
2013年05月30日
摘要
随着我国城市化水平的不断完善,城市交通成为城市化进程中的一个重要问题。
城市轨道交通具有大运量、高速、安全、准时、环保、节约能源和土地等特点。
世界各国普遍认识到:
优先发展以轨道交通为主干的城市交通系统是解决城市的交通问题的根本出路。
牵引供电系统是城市轨道交通的最重要子系统之一,牵引供电系统是城市轨道交通的动力来源,只有牵引供电系统的正常运行才能保证城市轨道交通的正常运营,因此牵引供电系统对城市轨道交通来说显得尤为重要。
牵引供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施,其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电,确保轨道交通列车车辆的正常运行。
通过对供电方案的比较,##地铁供电系统采用大双边供电方式,系统包含电业局地区变电所与轨道交通主变电所之间的输电线路、轨道交通供电系统内部牵引降压输配电网络、直流牵引供电网和车站低压配电网;牵引供电系统由主变电所、高压/中压供电网络、牵引供电系统、电力监控系统、接触网系统、杂散电流防护和接地系统、供电车间等组成。
本篇论文是介绍了##地铁二号线牵引供电系统的结构组成,论述了牵引供电系统各组成部分的运行方式,详细分析了几种典型故障的产生原因及处理方案。
关键词地铁;牵引供电系统;运行方式;故障分析
ABSTRACT
WiththeconstantimprovementofurbanizationlevelinChina,urbantrafficbecomesanimportantprobleminurbanizationprocess.Urbanrailtransithasalargecapacity,highspeed,safe,punctual,environmentalprotection,energysavingandlandetc.Characteristics.Prioritytothedevelopmentofcountriesaroundtheworldgenerallyrecognizethatmainlyonrailtransportationdryofurbantrafficsystemisthefundamentalwaytosolvetheproblemofurbantraffic.Tractionpowersupplysystemisoneofthemostimportantsubsystemofurbanrailtransit,thetractionpowersupplysystemisadynamicsourceofurbanrailtransit,onlythenormaloperationofthetractionpowersupplysystemcanguaranteethenormaloperationofurbanrailtransit,sothetractionpowersupplysystemforurbanrailtransitisparticularlyimportant.
Tractionpowersupplysystemofurbanrailtransitsystemisthemostimportantenergyinfrastructure,itsfunctionisforrailtransitsystemintheelectricvehiclepowersupply,ensurethenormaloperationoftherailtransittrainvehicles.Bycomparingpowersolutions,Nanjingmetropowersupplysystemadoptedthebilateralpowersupplymode,areaofsystemincludespowersubstationandtransmissionlinebetweenrailtransitmainsubstation,railtransittractionpowersupplysystem,step-downdctractionsupplynetworkandlowvoltagedistributionnetworkstations,powertransmissionanddistributionnetwork;Tractionpowersupplysystembythemainsubstation,highvoltage/mediumvoltagepowersupplynetworkandtractionpowersupplysystem,powermonitoringsystem,catenarysystem,straycurrentprotectionandgroundingsystem,powersupply,workshop,etc.ThispaperisintroducedtheNanjingmetroline2ofthestructureoftractionpowersupplysystem,thispaperdiscussestheoperationmodeofeachcomponentoftractionpowersupplysystemareanalyzedindetailseveraltypicalfaultcausesandsolutions.
KeywordstheMetro;Tractionpowersupplysystem;Operationmode;Failureanalysis
摘要I
ABSTRACTII
绪论1
第1章牵引供电系统电源及其构成2
1.1主变压所2
1.2变电所的运行方式3
1.3中压环网供电网络4
1.4过电压保护及接地设计5
第2章牵引供电系统10
2.1牵引变电所10
2.2牵引供电运行方式12
2.3牵引网15
第3章牵引供电设备18
3.1DC1500V开关设备18
3.2整流变压器系统22
3.3整流器系统24
第4章故障分析及处理30
4.1DC1500V开关柜故障30
4.2负极柜故障34
4.3AC35KV开关柜故障35
结论37
谢辞38
参考文献39
绪论
近年来我国许多大城市城市都在着力发展城市轨道交通,如北京、##、武汉、杭州、深圳等,其中地铁成为城市轨道交通的重点发展方向,这主要在于地铁有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。
这也是世界各国普遍的认识:
解决城市的交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为主干的城市交通系统,如地铁、轻轨等。
在地铁建设和运营过程中动力来源是一个非常重要的问题,牵引供电系统是地铁的动力来源,只有牵引供电系统的正常运行才能保证城市轨道交通的正常运营,因此牵引供电系统对地铁的正常运营来说显得尤为重要。
地铁供电系统主要包括主变电所、牵引供电系统、牵引网系统、变配电系统、电力监控系统(SCADA)和杂散电流保护系统。
它的主要功能是向轨道交通各机电设备提供安全和可靠的电力供应,满足各系统的供电要求。
主变电所将来自城市电网的高压电源,降压为地铁使用的中压,供给牵引系统和变配电系统。
牵引供电系统将来自于变电所的中压电源,通过中压环网供电网络分配给各
牵引变电所,并通过牵引变电所降压整流,变成供地铁车辆使用的直流电源。
变配电系统将来自于变电所的中压电源,通过中压环网供电网络分配给各降压变电所,并通过降压变电所降压,变成供地铁动力照明等设备使用。
牵引网系统将来自于牵引变电所的直流电源,通过架空接触网和回流网供给地铁车辆使用。
电力监控系统(SCADA)在地铁控制中心,通过调度端、通道和执行端对整个地铁供电系统的主要设备进行控制、监视和测量。
杂散电流防护系统的目标是尽量减少杂散电流,对地铁内部及其附近金属结构的腐蚀在地铁工程设计寿命年限内不超过有关设计标准所规定的指标。
第1章牵引供电系统电源及其构成
##地铁二号线的供电系统采用110kV/35kV两级的集中供电方式,全线在马群和所街附设2座主变电所,每座主变电所中设两台有载调压主变压器(安装容量为31.5MVA),主变电所110kV电源;中压环网供电系统采用35kV牵引动力照明混合网络和短串环接的双环网形式。
牵引供电系统采用DC1500V架空接触网正极供电、走行轨负极回流的供电方式。
1.1主变压所
##地铁二号线在##和##设置两座110/35kV主变电所,将来自于城市电网的高压电源,降压为地铁使用的中压,供给牵引供电系统和变配电系统。
1接线形式
主变电所110kV侧采用线路—变压器组接线方式(如图1-1所示),自地区变电所引2回路110kV电缆进线,110kV线路与110kVGIS设备为电缆连接,35kV侧采用单母线分段接线方式,主变压器容量为2×31.5MVA,主变35kV侧中性点采用小电阻接地方式,35kV电缆线出线8回;35kVⅠ、Ⅱ段各装设所用变一台。
图1-1主变所110KV电缆进线1路进线
⑵主变压器
主变电采用110kV自冷有载调压。
主变压器容量应能满足(近期、远期及余留3种情况下):
正常运行时,每台主变压器容量应承担其供电区域内的全部一、二、三级负荷的供电。
当一台主变压器退出运行时,由另一台主变压器承担本所供电区域的一、二级负荷供电。
当主变压器容量按近期容量选择,但变压器基础按远期容量余留。
⑶AC35kV
35kV侧采用单母线分段连接。
正常情况下每台主变各带一段母线,当一段进线或一台主变出现故障时,将分段断路器合上,保证两段母线不间断供电。
本工程35kV出线全部采用电缆出线,电缆绝缘层的绝缘在发生单相接地被击穿后不具有自恢复能力,在35kV出线发生单相接地故障时,需要选择性切除故障线路,因此主变35kV侧采用中性点经过小电阻接地的方式以提高零序保护对单相接地的灵敏度。
主变电站按初期有人值班,远期无人值班设计。
1.2变电所的运行方式
根据主变电所主接线方案,变电所主要运行方式概括如下:
⑴AC35kV电源部分
图1-2AC35kv系统图(局部)
正常运行时,两回AC35kV进线(如图1-2所示)分别向变电所AC35kVⅠ段母线、Ⅱ母段供电,母联开关断开,两段母线分列运行;当一回AC35kV进线电源故障时,自投装置动作,母联开关合闸,由另一回进线电源负担本所全部负荷。
⑵直流牵引部分
正常运行时,两套整流机组并联运行,牵引网越区隔离开关分闸,相邻的两座牵引变电所构成双边供电方式,共同向其供电范围内的电动机车供电;正线与车辆段之间的接触网联络开关常开,车辆段牵引变电所单独向车辆段内接触网供电;
运营初期,当其中一套整流机组发生故障时,另一套整流机组在其允许的负荷能力情况下,可维持向接触网提供电源;运营远期,一套整流机组发生故障时,另一套整流机组同时退出运行,该变电所解列。
这时,与其相邻的两座牵引变电所通过故障所牵引变电所直流母线和接触网越区隔离开关,共同对退出运行的牵引变电所供电范围的电动机车进行越区大双边供电;车辆段变电所解列时,闭合正线与车辆段和停车场间的接触网联络开关,由正线与牵引变电所向车辆段支援供电。
⑶降压部分
正常运行时,两台动力变压器分列运行,向整个车站及两端相邻半个区间的一、二、三级低压负荷供电,AC0.4kV母线开关常开。
当一台动力变压器因故障退出运行时,切除三级负荷,AC0.4kV母联开关自动投入,由另一台动力变压器负担全所供电范围内的一、二级低压负荷。
1.3中压环网供电网络
⑴概念
通过中压电缆,纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来,横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来,便形成了中压网络(如图1-3所示)。
根据网络功能的不同,把为牵引变电所供电的中压网络,称为牵引网络;同样,把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。
中压网络有两大属性:
分别是电压等级和构成形式[1]。
在供电系统中,中压网络不是独立的子系统,但是它却是供电系统设计的核心内容之一。
其设计牵扯到外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及降压变电所的位置与数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。
⑵构成原则
①安全可靠,经济合理,满足供用电的要求。
②接线简单,负荷平衡,保护完善。
③环网供电,调度方便,误操作机会为零。
④各种变电所结为双电源,主接线尽可能一致。
⑶中压环网的电压等级
国内既有城市轨道交通的中压环网供电网络采用的电压等级为10kV和35kV,20kV电压等级的中压供电网络也在酝酿之中。
不同电压等级的中压网络的特点:
①35kV中压网络是国家标准电压级。
其优点是传输距离较长、输电容量较大;但是设备来源国内,设备体积较大,占用变电所面积较大,不利于减小车站体量;设备价格适中;国内没有环网开关,因而不能用(相对于断路器柜)价格较便宜的环网开关,构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统;广州地铁、上海地铁已经采用。
②20kV中压网络,国际标准电压级。
输电容量及距离适中,比10kV系统大。
设备完全实现国产化;引进MG、ALSTHOM等技术的开关设备,体积较小,占用变电所面积远小于国产35kV设备,有利减小车站体量,节省土建投资;价格适中;有环网单元,可构成操作灵活、接线与保护简单的环网系统;国内地铁目前还没有采用,但国外地铁已经采用。
③10kV中压网络,国家标准电压级。
输电容量较小、距离较短;设备来源国内;设备体积适中;设备价格较低;环网开关技术成熟、运营经验丰厚,可用其构成保护简单、操作灵活的环网系统;国内外地铁广泛采用。
1.4过电压保护及接地设计
⑴过电压保护
实际运行经验证明,牵引供电系统变电所的各种电气设备在运行过程中,经常会遭受各种过电压的侵袭,包括暂态过电压、操作过电压、雷电过电压等,使设备绝缘直接破坏或不断劣化,直接威胁着系统安全可靠的运行。
过电压保护装置(如避雷器等)可有效限制系统中的过电压水平,保护供电设备。
因此,在变电所方案设计特别是设备选型时,必须充分考虑各种电气设备的绝缘水平,采取有效的保护措施,保证电气设备在最大工作电压的持续作用下都能安全可靠的运行。
在城市轨道交通工程中,变电所的过电压保护和防雷一般按35kV交流系统和1500V直流系统两部分考虑。
按照国内外的相关标准的规定,AC35kV和DC1500V电压等级所对应的雷电冲击耐受电压和短时工频耐受电压如表1-1所示。
①35kV交流系统
交流系统的过电压保护和防雷设计满足《高压输变电设备的绝缘配合》GB311.1和有关产品标准的相关规定和要求。
1)主要设备绝缘水平
变电所35kV交流系统主要设备包括AC35kV开关柜、整流变压器、动力变压器和AC1500kV电力电缆等,在国内已建的城市轨道交通中上述设备的绝缘水平通常采用表1-2所列的数值,本工程也不例外,这些数值的选取实际上是来自有关标准的规定。
表1-1AC35kV和DC1500V电压等级绝缘水平
系统标称电压(kV)
设备最高电压(kV)
设备类别
雷电冲击耐受电压(kV)
短时(1min)工频耐受电压(有效值)(kV)
相对地
相间
断路器(断口)
隔离开关(断口)
相对地
相间
断路器(断口)
隔离开关
(断口)
35
40.5
干式变压器
170
170
/
/
70
70
/
/
开关
185/200
185/200
185
215
95
95
95
118
1.5
1.8
开关
1.5
6.9
说明:
表中分子、分母的数据分别对应外绝缘和内绝缘
2)绝缘配合
实际工程设计中,除了按照有关标准选用设备的绝缘水平外,还采取附加的过电压保护措施,如采用氧化锌避雷器或组合式过电压保护装置来限制系统的过电压水平。
雷电过电压下的绝缘配合按照标准规定,通常为:
受避雷器保护的设备,其额定雷电冲击耐受电压应不低于避雷器的雷电冲击保护水平乘以配合因数Kc(Kc≥1.4)。
操作过电压下的绝缘配合按照标准规定,通常为:
根据设备上的统计操作电压水平或避雷器的操作冲击保护水平和设备的绝缘特性,取一定的配合系数Kc(Kc≥1.15)计算、选取额定短时工频耐受电压。
3)过电压保护措施
过电压保护是一个系统工程,关系到建筑、电气设备、接地系统等多方面因素。
根据35kV交流系统主要设备绝缘配合关系,本方案中提出变电所部分应采取的过电压保护措施:
变电所每段35kV母线对地间设置一组避雷器,避雷器标称放电电流下残压不高于119kV;地面和高架车站(包括车辆段)变电所的地面建筑设置避雷器或避雷针,由建筑专业实施。
②1500V直流系统
与国外相比,我国城市轨道交通起步相对较晚,在变电所1500V直流系统的绝缘配合方面的经验积累还不十分成熟,至今还没有成熟的相关标准、规程、规范对此进行明确的规定。
而欧美国家的城市轨道交通项目发展比较成熟,在工程实践中对变电所1500V直流系统的绝缘配合进行了大量的总结,最后形成了EN标准和ANSI标准。
目前,包括我国在内的世界上大多数城市轨道交通项目,1500V直流系统的绝缘配合是按照欧洲铁路标准EN50124《铁路系统—绝缘配合关系》的有关规定进行的。
表1-2AC35kV系统主要设备绝缘水平
设备名称
系统标称电压(kV)
系统最高电压(kV)
工频耐压值
冲击耐压值
通用值
隔离断口
通用值
(kV)
隔离断口
(kV)
AC35kV开关柜
35
40.5
85kV,50Hz,1min
110kV,50Hz,1min
185
215
35/0.4kV整流变压器
35
40.5
70kV
170
35/1.8kV动力变压器
35
40.5
70kV
170
AC35kV电力电缆
35
40.5
104kV,5min
250
1)主要设备绝缘水平
##地铁二号线变电所内直流设备主要有DC1500V开关柜、整流器、DC1500V电力电缆等。
长江电器引进的Secheron直流开关柜,其绝缘水平均遵循欧洲EN标准:
即工频耐压值≥6.9kV,冲击耐压值≥15kV。
实际上Secheron的工频耐压值为8.5kV,50Hz,1min;冲击耐压值≥15kV(1.2/50μs)。
此外,对于用在变电所直流系统中的其它设备如整流器、DC1500电力电缆等,如表1-3列出的绝缘水平大多为我国城市轨道交通项目中所采用。
2)过电压保护措施
在实际工程设计中,为了限制直流系统中出现的各种过电压,保护变压所中电气设备的安全,需要加过电压保护装置:
氧化锌避雷器。
变电所直流系统采用的避雷器位ABB产品,其主要技术指标为:
额定电压1800V,标称放电电流:
5kA,标称放电电流下残压:
4.6kV。
表1-3DC1500V系统部分设备绝缘水平
设备名称
额定电压
工频耐压值
冲击耐压值
DC1500V整流器
AC1.8/DC1.5kV
5kV,50Hz,1min
12kV
DC1500V电力电缆
1500V
6.5kV,50Hz,5min
40kV
通过以上分析,参考相关标准和直流系统主要设备的绝缘水平和配合关系,在本工程中直流系统采取以下过电压保护方案,这也是我国大多数城市轨道交通项目变电所1500V直流系统采取的措施:
DC1500V母线正极和负极之间设置避雷器;DC1500V母线正极对地设置避雷器。
⑵接地设计
①一般原则
##地铁二号线机电系统接地采用综合接地系统的概念,使全线形成统一的高低压兼容、强弱电合一的接地系统,满足车站内各类设备的工作接地、安全接地及防雷接地功能。
②接地网
全线地下车站设置独立人工接地网,地面和高架车站利用建筑结构钢筋与人工接地网合建接地网,接地网的接地电阻一般应不大于0.5欧姆,困难情况下应符合R≤2000/I,并校验接触电势和跨步电势。
接地网的设计应满足如下设计要求:
1)为了减少工程的开挖量,地下车站接地网应设置在车站结构底板下,接地体与结构板间的距离不小于0.6m;地面和高架车站(包括车辆段和停车场)利用建筑结构钢筋和周围空地设置综合接地网;2)为满足防腐和导电要求,接地体选用铜材;3)考虑地下水的影响,引上线引出结构底板出应采取防水措施;4)接地网设置强电设备引出端子和弱电设备引出端子,强、弱电设置引出端子间的距离应大于20米;5)接地引出端子应避开线路、结构底梁和结构柱,强电引出端子应尽量位于变电所电缆夹层中或靠近强电电缆井,弱电接地引出端子应靠近弱电电缆井或弱电设备处,以缩短接地回路的长度,并节省电缆投资[3]。
③变电所设备接地
变电所设备应满足工作接地、保护接地和安全接地要求,采取如下措施:
1)牵引降压混合变电所、降压变电所和跟随式降压变电所设备房中或电缆夹层内设置设备接地母排,接地母排通过电缆与接地网引出端子连接;2)变电所设备房内沿墙敷设接地体用于接地干线,接地干线过门洞、设备运输通道处应预埋在装修层中;3)接地干线与设备基础预埋间通过支线接地体相互连接,支线接地体预埋在装修层中;4)设备保护接地、工作接地通过电缆直接与变电所设备接地母排连接;变电所内电缆支架上接地扁钢,接地扁钢通过电缆与变电所接地主母排连接。
第2章牵引供电系统
2.1牵引变电所
牵引变电所是牵引供电系统的核心,它担负为电动列车供应直流电能,它的站位设置、容量大小,需根据所采用的车辆型式、车流密度、列车编组经过牵引供电计算,经多方案比选确定。
牵引变电所有两种形式:
户内式变电所和户外式箱式变电所,前者适宜地下线路,后者适宜地面线路。
⑴主接线
牵引变电所主接线应力求简单可靠,全线尽量一致,便于运营管理。
如果与降压变电所合建,则中压交流侧需单母线分段,设分段开关,双路电源引入,分列运行;否则,亦可为单母线,双路电源一用一备。
牵引变电所一般设两套牵引整流机组,其容量按远期运量设计。
牵引变压器的容量大小还应考虑便于地下运输和安装。
牵引变电所主接线有两部分组成:
中压交流侧和牵引直流侧。
①中压交流侧主接线中压交流侧主接线有两种接线方式:
一种方式为两套整流机组接至两段母线上;另一种方式为两套整流机组接至同一段母线上。
两套整流机组分别接至中压两段母线,有利于两路电源的负荷平衡。
这样做是有条件的,即牵引变电所两路中压电源电压需平衡或
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