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深圳凯龙烟嘴有限公司 牵引供电课程设计 第1章 课程设计的目的和任务要求 1.1 课程设计目的 通过本课程设计，学习和掌握牵引供电系统在实际生活中的应用和设计技术，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。本课程设计是牵引变电所E的电气主接线。电力牵引是现代铁路最先进的牵引动力，具有其他方式无法比拟的优势:它牵引力大，对环境影响小，没有蒸汽机车和内燃机车所产生的废气和油的污染，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。 1.2 课程设计要求 (1)确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式，并分析其正常运行的四种运行方式。 (2)确定牵引变压器的容量、台数及接线形式。 (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。 1.3 课程设计依据 区域电网以双回路110kV输送电能，在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.33。 某牵引供电所E采用AT供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为110kV/27.5kV，SCOTT接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表所示。 表1-1 牵引变电所的设计条件 供电臂 牵引变电所 端子 平均电流A 有效电流A 短路电流A 穿越电流A 长度km , 23.6 206 291 1086 194 E ,10 95 168 602 144 1 牵引供电课程设计 1.4 任务分析及解决 分析题目所给的资料可知，该牵引变电所由区域变电所以双回路110kV供电，采用AT供电方式向双线区段供电，牵引变压器采用斯科特接线形式。这种供电方式可减轻对邻近通信线路的干扰影响，大大减少牵引网中的电压损失和电能损失，扩大牵引变电所的间隔，减少牵引变电所的数目。 因为在电气化铁道中，线路故障远比变压器故障多，并且该牵引变电所以双回路供电，有穿越功率通过，所以110kV侧采用内桥接线。变压器采用固定备用方式，选择两台牵引变压器，其中一台运行，一台备用。 该牵引变电所的主要设计内容如下: (1)牵引变压器容量计算和选型。 (2)110kV侧和牵引负荷侧的接线设计。 (3)短路电流计算。 (4)110kV侧和27.5kV侧电器设备的选择。 (5)并联无功补偿。 第2章 牵引变压器容量计算和选型 牵引变压器容量的计算和选择一般分为三个步骤进行。第一，按给定的计算条件求出牵引变压器供应牵引负荷所必需的最小容量，称为计算容量。第二，按列车紧密运行时供电臂的有效电流与充分利用牵引变压器的过负荷能力，求出所需的容量，称为校核容量，这是为确保牵引变压器安全运行所必需的容量。第三，根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素，最后按实际系列产品的规格选定牵引变压器的台数和容量，称为安装容量或设计容量。 II，168，144Te'穿根据要求所给条件，设n，为在M座和T座二次,,,0.64,1II，291，194Me穿 绕组电流不相等情况下的一次侧线材利用率按下式确定 S1，n1.64'out ,,,,,0.961S1.7112lf1，n，n3 计算出所需斯科特变压器计算容量为: ,,12',,，，S,UI，I1，n，n,,55，，，291，194，1.71，0.96,31389.68kVAMe1穿,,3 ,, 2 牵引供电课程设计 计算斯科特变压器的最大容量时，设，，，，，则变压器的最n,I，I/I，ITmaxMmax穿穿 大容量为: ,,12',,，，S,UI，I1，n，n,,55，，，310，194，1.75，0.96,46569.6kVAMmaxmax1穿,,3 ,, 所以斯科特变压器校核容量为: S46569.6max S,,,23284.8kVA校K2 将计算容量和校核容量进行比较，并结合采用的固定备用方式和系列产品，选用 U%斯科特联结变压器的安装容量为，该变压器的为10.5。 ，，2，31500kVAk 第3章 主接线设计 3.1 牵引变电所110kV侧主接线设计 当牵引变电所有两条电源回路和两台变压器时，常在电源线路间用横向母线将它们连接起来，构成桥型接线。而在电气化铁道中，线路故障远比变压器故障多，故内桥接线在牵引变电所中应用比较广泛。内桥接线如图3-1所示。桥型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，在结构上便于发展成单母线或具有旁路母线得到那母线结线。即在初期按桥形结线，将来有可能增加电源线路数时再扩展为其他结线形式。 图3-1 内桥接线图 3 牵引供电课程设计 四中运行方式:?T1运行，由线路L1供电，QS1，QS2，QF1合闸，其它均断开;?T1运行，由线路L2供电，QS5，QS4，QS3，QS2，QF2，QF3合闸，其它均断开;?T2运行，由线路L2供电，QS5，QS6，QF2合闸，其它均断开;?T2运行，由线路L1供电，QS1，QS3，QS4,QS6，QF1，QF3，其它均断开。 3.2 牵引变电所馈线侧27.5kV主接线设计 牵引变电所27.5kV馈线侧的断路器采用50%的备用接线形式。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。牵引变电所馈线侧的主接线如图3-2所示。 图3-2 牵引变压器馈线侧主接线图 第4章 短路计算 在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，需要进行全面的短路电流计算;在选择继电保护方式和进行整定计算时，也需要短路电流提供依据。因短路计算的主要内容是确定最大短路电流，所以对一次侧设备一般选取110kV侧高压母线短路点作为短路计算点;二次侧设备和牵引馈线断路器的选取一般选取27.5kV侧短路点作为短路计算点。 4 牵引供电课程设计 4.1 绘制短路计算示意图 图4-1 短路计算示意图 4.2 确定短路计算基准值 U设基准容量，基准电压，为短路计算电压，U,U,1.05US,1000MVAcdcNd ，，则 U,115kVU,27.5kVd1d2 S1000MVAd I,,,5.02kAd13U3，115kVd1 S1000MVAd I,,,10.5kAd23U3，27.5kVd2 4.3 计算短路电路中各个元件的电抗标幺值 *电力系统的电抗标幺值。 X,0.331 U%查得变压器的短路电压百分值=10.5，故 k US%10.5，1000，1000**KdX,X,,,3.33 23S100100，31500N 因此绘制短路计算等效电路如图4-2所示。 图4-2 短路计算等效电路图 5 牵引供电课程设计 4.4 k-1点(110kV侧)的相关计算 总电抗标幺值: **X,X,0.33 ,K,(1)1三相短路电流值: I5.02kA*d1 I,,,15.21kAk,1*0.33X,k,(1) ''(3)(3)(3) I,I,I,15.21kA,k,2 (3)''(3) i,2.55I,2.55，15.21kA,38.79kAsh (3)''(3) I,1.51I,1.51，15.21kA,22.97kAsh 三相短路容量: S1000MVA(3)d S,,,3030.30MVAk,1*0.33X,k,(1) 4.5 k-2点(27.5kV侧)的相关计算 总电抗标幺值: ****X,X，X//X,0.33，3.33,3.66, ,K,(2)123三相短路电流值: I10.50kA*d2I,,,2.87kA k,2*X3.66,k,(2) ''(3)(3)(3) I,I,I,2.87kA,k,2 (3)''(3) i,2.55I,2.55，2.87kA,7.32kAsh (3)''(3)I,1.51I,1.51，2.87kA,4.33kA sh 三相短路容量: S1000MVA(3)dS,,,273.22MVA k,2*X3.66,k,(2) 6 牵引供电课程设计 表4-1 短路计算值 三相短路电流/kA 三相短路容量/MVA 短路计算点 (3)(3)(3)(3)(3)''(3) IISi II kshshk, k-1 15.21 15.21 15.21 38.79 22.97 3030.30 k-2 2.87 2.87 2.87 7.32 4.33 273.22 第5章 电气设备的选择 本课程设计的110kV高压侧采用内桥接线，所以高压侧没有母线，但是要对进线进行选择，一般采用钢芯铝绞线。在低压侧屋内配电装置中一般采用矩形截面的硬铝母线。这是因为在截面积相同的条件下，矩形截面比圆形截面的周长大。故矩形截面母线散热面积大，冷却效果好的原因。 5.1 110kV侧进线的选择 最大负荷持续工作电流按变压器过载的1.3倍考虑。经计算最大负荷持续电流为: S31500NI,1.3，,1.3，,214.93A gmaxU3，110N 按经济电流密度选择进线截面: I214.93gmax2 A,,,238.81mmcej0.9ce 故应选择LGJ-240的钢芯铝绞线。 5.2 27.5kV侧母线的选择 最大负荷持续工作电流: S31500NI,1.3，,1.3，,859.73A gmaxU3，27.5N 按经济电流密度选择进线截面: I859.73gmax2 A,,,955.26mmcej0.9ce 7 牵引供电课程设计 LYM,100，10故应选择硬铝母线，型号为 。 5.3 电气设备的选择条件 5.3.1 按工作电压选择 设备的额定电压应不小于装置地点的额定电压，即;或设备的U,UUUN,eNN,eN额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。一般电器设备允UUU,UN,emaxN,emax许的最高工作电压可达1.1~1.15。 UN 5.3.2 按工作电流选择 I设备的额定电流应不小于通过设备的最大负荷持续工作电流，即IN,egmax 。 I,IN,egmax 5.3.3 按断流能力选择 设备的最大开端电流(或功率)应不小于它可能开断的最大电流(或功率)。对分断 (3)短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大三相短路电流有效值I或三相短k (3)(3)(3)(3)S路容量，即或。对于分断设备负荷电流的设备来说，则为I,IS,Skockock I，为最大负荷电流。 I,IOL,maxocOL,max 5.4 电气设备的校验 动稳定度校验条件: (3)(3)I,Ii,i或 maxshmaxsh 热稳定度校验条件: 2(3)2It,It tima, (3)ttII式中，为短路稳定电流，为热效时间，为电器的热稳定电流，为电器,imat 的热稳定试验时间。 8 牵引供电课程设计 5.5 电气设备的选择 对于上述分析，110kV侧电气设备的选择校验如表5-1所示，27.5kV侧电气设备 的选择校验如表5-2。 表5-1 110kV侧设备的选择校验 选择校验项目 电压 电流 断流能力 动稳定度 热稳定度 装(3)2(3)(3) I U I I,ti参数 gmaxNk,imash置 地 点2110kV 214.93A 15.21kA 38.79kA 数据 15.21，1.8,416.42 条 件 2 IIiU I,t额定参数 N,eocmaxN,et一交流少油断路器 2次110kV 1200A 15.8kA 41kA 15.8，4,998.56 SW,110G3设 备高压隔离开关2110kV 630A 50 kA — 20，4,1600 型GW4,110DDW 号电压互感器 规110kV — — — — JJC,1106格 电流互感器110kV 300A — — — LCWB,110 9 牵引供电课程设计 表5-2 27.5kV侧设备的选择校验 选择校验项目 电压 电流 断流能力 动稳定度 热稳定度 装(3)2(3)(3) I U I I,ti参数 gmaxNk,imash置 地 点227.5kV 859.73A 2.87kA 7.32kA 数据 2.87，1.8,14.83 条 件 2 IIiU I,t额定参数 N,eocmaxN,et二真空断路器227.5kV 1000A 10kA 25kA 10，4,100 次ZN,27.5 设高压隔离开关227.5kV 1250A 80 kA — 31.5，4,3969 备GW4,27.5DT 型电压互感器 号27.5kV — — — — JDJ,27.52规 格 电流互感器 35kV 1000A — — — LCWD,351 第6章 继电保护 继电保护的任务是:一确保供电系统需迅速地切断故障，并保护系统无故障部分继续运行;二当系统出现非正常工作状态时，要给值班人员发出信号，使值班人员及时进行处理，以免引起设备故障。继电保护基本要求是选择性、快速性、灵敏性、可靠性。 在牵引变电所中最重要的电气设备就是电力变压器，而对变压器应采用双重保护，瓦斯保护、纵差动保护或电流速断保护。由于110kV及以上电压等级的电力系统难于满足系统稳定性对快速切除故障的要求，所以需要将线路一侧电气量信息传到另一侧去，安装于线路两侧的保护对两侧的电气量同时比较、联合工作，构成输电线路的纵联保护。 10 牵引供电课程设计 第7章 并联无功补偿 为方便运行管理，一般在牵引变电所集中安装并联电容补偿装置。由并联电容的作用:提高功率因数;吸收谐波电流，具有滤波作用;改善电力系统电压质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压;减少电力系统电能损失。由于滞后相的电压损失比超前相大，所以将并联电容补偿装置安装在滞后相上。 并联电容补偿装置如图7-1所示。主要设备有: ?并联电容器组C。用于无功补偿，并与串联电抗器匹配，滤掉一部分谐波电流。 ?串联电抗器L。限制断路器合闸涌流和分闸时的重燃电流，与电容器匹配滤掉部分谐波电流;防止并联电容补偿装置与供电系统发生高次谐波并联谐振;发生短路故障(例如牵引侧母线短路)时，避免电容器组向短路点直接放电，保护电容器不受损坏。 ?断路器QF。用于投切和保护并联电容器补偿装置。 ?隔离开关QS。保证在维护和检查并联电容补偿装置时有明显的断口。 ?电压互感器TV1、TV2(或放电线圈)。实现电容器组的继电保护，并在电容器组退出运行时放电。 ?电流互感器TA1、TA2。实现并联电容器补偿装置的电流测量和继电保护。 ?避雷器F。作过电压保护。 ?熔断器FU。单台电容器的过电流保护。 表7-1 并联电容补偿装置图 cos,,0.82假设牵引变电所功率因数取值:补偿前，牵引侧，牵引变压器高压侧;补偿后，牵引变压器高压侧。并联电容补偿装置的补偿cos,,0.78cos,,0.912 11 牵引供电课程设计 ,,0.12~0.13度。选取电容器型号为CY-1-50-1的电容器 。 (1)牵引变电所负荷平均有功功率 P,IUcos,,95，27.5，0.82,2142.25kWLavWN (2)需补无功容量 ,,,,1111,,,,Q,P,1,,1,2142.25，,1,,1,685.52kvar Ld2222,,,,coscos0.780.9,1,,,2,, (3)安装无功容量 取,,0.12， U,29KVW,max 22,,U33.64,,CN,,，，Q,1,,Q,0.88，，685.52,811.74kvar ,,Ad,,U29,,W,,max, UW,max U,,33.64KVCN,1-1.15 (4)实际安装无功容量 QRA 串联电容器单元数(取稍大的整数) U33.64CNn,,,33.64,34 U1C0 并联电容器单元数(取稍大的整数) Q811.74Am,,,0.47,1 nQ34，500 (5)实际安装无功容量 Q,mnQ,1，34，50,1700kvarRA0 第8章 防雷保护 牵引变电所是重要的电力枢纽,一旦发生雷击事故,就会造成大面积停电。变电所 的雷害事故来自两个方面:一是雷直击变电所;二是雷击输电线路产生的雷电波沿线 路侵入变电。 12 牵引供电课程设计 对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对雷电侵入波的防护的主要措施是氧化锌避雷器限制过电压幅值,同时辅之以相应措施,以限制流过阀式避雷器的雷电流和降低侵入波的陡度，避雷器应与被保护设备并联，且安装在被保护设备的电源侧。 第9章 结论 本次课程设计要求采用斯科特变压器在AT供电方式下给复线区段供电臂供电。110kV进线侧采用内桥接线，两变压器到接触网采用分段式接线形式并采用50%备用。在确定接线形式后对变压器容量进行计算，包括计算容量、校核容量，并最终确定变压器的容量选择。最后对其他主要电气设备做了粗略校验选择。 通过查阅有关资料，了解到斯科特接线牵引变电所是一种特殊的变电所。这种变电所的主接线复杂，设备较多，工程投资很大，同时这种变电所的维护和检修的工作量也是比较大的。但是这种牵引变电所有一个很好的优点，那就是这种这种接线方式可以使变压器的容量得到充分的利用。 课程设计虽然做完了，但我也深刻的认识到了自己知识的欠缺和能力的不足。在课程设计的过程中不但要学会如何去使用一些基本的计算机软件，而且还要学会如何去查阅相关的资料、搜集有用信息。在这次课程设计中所学到的知识，必定会一直伴随在我今后的学习和工作中，并使我在今后的的工作岗位上取得一定的成绩。 13 牵引供电课程设计 参考文献 [1] 贺威俊，高仕斌等.电力牵引供变电技术[M].西南交通大学出版社，2007 [2] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统(第三版).西南交通大学出版社，2006 [3] 马永翔，王世荣.电力系统继电保护.北京大学出版社，2006 [4] 刘介才.工厂供电(第四版).机械工业出版社，2009 14