電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 (2).doc

自動化與電氣工程學(xué)院 電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 評語： 2011年 12 月30日一、 題目某牽引變電所甲采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kv，三相平衡接線，兩供電臂電流歸算到27.5kv測電流如下表所示。表1 牽引變電所甲電流參數(shù)表牽引變電所供電臂長度km端子平均電流a有效電流a短路電流a穿越電流a甲24.6282363102320220.4240319874154二、 題目分析及解決方案框架確定2.1計(jì)算牽引變壓器的容量由題意得，本題采用主變壓器非阻抗匹配yn，結(jié)線平衡變壓器為牽引變電所的主牽引變壓器，它是yn，結(jié)線平衡變壓器取=1的特例，其主要特點(diǎn)是通過副邊繞組三角形接線的結(jié)構(gòu)和阻抗的改變，實(shí)現(xiàn)將三相對稱電壓變成二相對稱電壓，不需要專門進(jìn)行阻抗匹配，按結(jié)構(gòu)對稱性布置繞組，就可以是該變壓器達(dá)到平衡，所以繞組布置較容易，設(shè)計(jì)制造方便，其繞組結(jié)線示意圖如圖1所示。 圖1 繞組結(jié)線示意圖為了經(jīng)濟(jì)合理的選擇變壓器容量，計(jì)算分為以下步驟： 確定計(jì)算容量按正常運(yùn)行的計(jì)算條件求出主變壓器供應(yīng)牽引負(fù)荷所必須的最小容量。 確定校核容量按列車緊密運(yùn)行的計(jì)算條件并充分利用牽引變壓器的過負(fù)荷能力所計(jì)算的容量。 確定安裝容量在計(jì)算容量和校核容量的基礎(chǔ)上，再考慮備用方式，最后按其系列產(chǎn)品的規(guī)格確定牽引變壓器臺數(shù)與容量。2.2 牽引變電所其它設(shè)備的選擇本設(shè)計(jì)采用牽引變電所直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kv，三相平衡接線。在設(shè)計(jì)中要根據(jù)牽引變電所的電流參數(shù)值等來選擇所需設(shè)備的型號。直接供電方式是將從牽引變電所輸出的電能，直接通過接觸網(wǎng)供應(yīng)給電力機(jī)車，而回歸電流則通過軌道、大地回到牽引變電所。它的缺點(diǎn)是對鄰近通信線路的影響嚴(yán)重，并且鋼軌電位比其他供電方式要高，但是它有著其突出的優(yōu)點(diǎn)，比如相比較于at,bt供電方式，它其饋電回路和設(shè)備簡單、投資省、運(yùn)營維護(hù)方便。采用直接供電方式，對簡化系統(tǒng)設(shè)備、提高供電可靠性、增強(qiáng)技術(shù)指標(biāo)及廣泛的適用性等方面具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。2.3 畫出牽引變電所的主接線圖牽引變電所的主要任務(wù)是將電力系統(tǒng)輸送來的三相高壓電變換成適合電力機(jī)車使用的電能。為了完成接受電能、高壓和分配電能的工作，其電氣接線可分為兩大部分：一次接線(主接線)和二次接線。牽引變電所的主接線由電源側(cè)、主變壓器、牽引側(cè)三部分主接線組成。而電氣主接線是指由隔離開關(guān)、互感器、避雷器、斷路器、主變壓器、母線、電力電纜、移相電容器等高壓一次設(shè)備，按照工作要求順序連接構(gòu)成的接受和分配電能的牽引變電所的電氣主接線圖。三、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較3.1供電方式的經(jīng)濟(jì)比較 本次供電方式的設(shè)計(jì)采用直接供電方式，它是將從牽引變電所輸出的電能，直接通過接觸網(wǎng)供給電力機(jī)車，而回歸電流則通過軌道，大地回歸到牽引變電所其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備的配置較其他的供電方式簡單了許多，成本也是比較低的，且由于直接供電方式的設(shè)備簡單，故維護(hù)也比較方便，人力物力的減少使得直接供電方式維修的費(fèi)用也較低，故而經(jīng)濟(jì)性比較好，世界上除了日本以外，絕大多數(shù)國家的鐵路電氣化均采用了直接供電方式。為了彌補(bǔ)直接供電方式的不足，at供電方式在結(jié)構(gòu)和設(shè)備的配置上比直接供電方式要復(fù)雜，雖然降低了牽引網(wǎng)中的電壓損失，減少了牽引變電所的數(shù)目，但是必須在沿線安置電壓較高，容量較大的自耦變壓器，牽引網(wǎng)設(shè)備的投資也必須增加，而滿足這方面要求的變壓器的價格是比較高的，它在高速、對環(huán)境干擾等方面彌補(bǔ)了直接供電方式的不足，所以在設(shè)備和結(jié)構(gòu)方面的造價比直接供電方式要高。3.2供電方式的技術(shù)比較at供電專門設(shè)置了正饋線并聯(lián)與牽引網(wǎng)中，供電電壓升高，導(dǎo)致絕緣的等級升高，對絕緣技術(shù)要求升高，且變電所饋出線出口需另設(shè)at，需專門制造這種特殊電壓等級的斷路器，這些使得造價費(fèi)用增加，所需求的技術(shù)比直接供電復(fù)雜和麻煩的多，對于施工的要求也嚴(yán)格許多。直接供電的自身結(jié)構(gòu)決定了技術(shù)相對于at、bt都較簡單一點(diǎn)，由于不帶回流線的直接供電方式是機(jī)車直接與接觸網(wǎng)相連接，大地和鋼軌作為回流線，沒有專門設(shè)置的回流線或者如同at中的正饋線，而改進(jìn)型的直接供電方式也只是在鋼軌上并聯(lián)架設(shè)回流線，輸電線要求都較低，故而技術(shù)上容易操作。3.3電所主變壓器的經(jīng)濟(jì)比較本次設(shè)計(jì)中因?yàn)轭}目要求采用平衡接線，所以采用的是yn接線阻抗匹配平衡變壓器，它是副邊繞組三角形結(jié)線結(jié)構(gòu)，即在非接地相增設(shè)兩個外移繞組。內(nèi)三角形接線的一角c與軌道，接地網(wǎng)連接。兩端分別接到牽引側(cè)兩相母線上，由兩相牽引母線分別向兩側(cè)對應(yīng)的供電臂牽引網(wǎng)供電，即將三相對稱電壓變成兩相對稱電壓。這種供電方式的缺點(diǎn)是倆供電臂之間的分相絕緣器承受的電壓高，所以絕緣器的成本會增加，且制作工藝比較復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)是和yn接線平衡變壓器比較，它的成本還是低于yn接線平衡變壓器，因?yàn)閥n接線平衡變壓器平衡繞組與a（或b，c）繞組的匝比和阻抗匹配系數(shù)都是固定值。一般來說，繞組匝數(shù)的配合比較容易。而無論從設(shè)計(jì)上還是制造工藝上來講，要得到預(yù)先確定的某一阻抗匹配系數(shù)都是相當(dāng)困難的。經(jīng)濟(jì)方面考慮yn接線阻抗匹配平衡變壓器是比較有優(yōu)勢的四、設(shè)計(jì)過程4.1牽引變電所220kv側(cè)主接線設(shè)計(jì)依據(jù)該牽引變電所負(fù)荷等級，要求兩路電源進(jìn)線，因有系統(tǒng)功率穿越，屬通過式變電所，220kv側(cè)采用圖2所示的單母線分段接線，正常運(yùn)行時，分段斷路器閉合，兩母線并列運(yùn)行，當(dāng)一段母線發(fā)生故障時，分段斷路器自動斷開，使故障段解列，從而保證了另一段母線仍能正常運(yùn)行。若考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也可采用圖3所示的外橋接線。外橋接線適合于輸電距離較短，線路故障會較少，而變壓器需要經(jīng)常操作的場合。此設(shè)計(jì)中著重考慮滿足供電的可靠性和運(yùn)行操作中的安全、靈活及便利，因此采用單母線分段接線。圖2 單母線分段接線 圖3 外橋接線4.2牽引變電所饋線側(cè)主接線設(shè)計(jì)由于27.5kv(或55kv)饋線斷路器的跳閘次數(shù)較多，為了提高供電的可靠性，按饋線斷路器備用方式不同，牽引變電所27.5kv 側(cè)饋線的接線方式一般有下列三種：1）饋線斷路器100%備用的接線饋電線路斷路器100%備用接線如圖4所示。適用于當(dāng)牽引變電所設(shè)在小站，饋電線只供區(qū)間時。一般每2至4條饋線設(shè)一旁路斷路器。通過旁路母線，旁路斷路器可代替任一饋線斷路器工作。這種接線方式適用于每相牽引母線饋線數(shù)目較多的場合，以減少備用斷路器的數(shù)量，體現(xiàn)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。圖4饋線斷路器100%備用接線2）饋線斷路器50%備用的接線饋電線路斷路器50%備用的接線如圖5所示。此種接線用于單線區(qū)段，牽引母線同相的場合和復(fù)線區(qū)段，每相母線只有兩條饋線的場合。這種接線每兩條饋線設(shè)一臺備用斷路器，通過隔離開關(guān)的轉(zhuǎn)換，備用斷路器可代替其中任一臺斷路器工作。本題中所采用的就是這種饋線斷路器50%備用的接線方式。圖5饋線斷路器50%備用接線3）帶旁路母線和旁路斷路器的接線帶旁路母線和旁路斷路器的接線如圖6所示。圖6 帶旁路母線和旁路斷路器的接線一般每2至4條饋線設(shè)一旁路斷路器。通過旁路母線，旁路斷路器可代替任一饋線斷路器工作。具有旁路母線的接線不但解決了斷路器的公共備用和檢修備用，在調(diào)試、更換斷路器及內(nèi)裝式電流互感器、整定繼電保護(hù)時都可不必停電。這種接線方式適用于每相牽引母線饋線數(shù)目較多的場合，特別是負(fù)荷較重要、線路斷路器多、檢修斷路器不允許停電的場合，以減少備用斷路器的數(shù)量?？紤]到牽引變壓器類型為單相變壓器，且此牽引變電所只為區(qū)間正線供電，為了提高供電的可靠性，同時避免較大的一次性投資，牽引變電所27.5kv 側(cè)饋線斷路器采用50%備用的接線。4.3牽引變壓器容量計(jì)算 1）牽引變壓器的計(jì)算容量牽引變電所甲采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型110/27.5kv，采用三相平衡接線，兩供電臂電流歸算到27.5kv測電流表1中已知，即負(fù)荷電流變換成變壓器繞組的有效電流。根據(jù)牽引變壓器的三相平衡接線的計(jì)算容量公式可知，在（2.11）式中，將363a，代入得： )2）牽引變壓器的校核容量在（2.12）式中，將，代入得： 取變壓器的過負(fù)荷倍數(shù)即可得校核容量：)3）牽引變壓器的安裝容量根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算出的計(jì)算容量和校核容量，在保證變壓器正常壽命的前提下，考慮變壓器的過負(fù)荷能力，選擇兩者中的較大者，即校核容量，并按照所采用的備用方式，即固定備用方式，參考牽引變壓器的系列產(chǎn)品（額定容量優(yōu)先數(shù)為r10系列，即10000，2,100,1600,20000,52000,31500,40000,50000,36000,80000,100000（kva）等），并考慮到地區(qū)動力負(fù)荷等綜合因素，確定牽引變壓器安裝容量，取牽引變壓器安裝容量為240mva。4）變壓器的主接線圖圖7 變壓器的接線圖4.4斷路器的型號選擇1） 高壓側(cè)斷路器在主變壓器應(yīng)配有斷路器和互感器進(jìn)行配合保護(hù)與倒閘操作，則高壓110kv側(cè)選擇lw-110型戶外高壓六氟化硫斷路器，該型斷路器為戶外三相交流50hz高壓輸變電設(shè)備，可以用于切合額定電流、故障電流及轉(zhuǎn)換線路，從而實(shí)現(xiàn)對輸變電系統(tǒng)的保護(hù)、控制及操作。 該斷路器是以sf6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)，配一臺氣動操作機(jī)構(gòu)，由壓縮空氣進(jìn)行分閘，彈簧力進(jìn)行合閘。2） 低壓側(cè)斷路器對于低壓27.5kv側(cè)，選擇zn42-27.5/1250系列真空斷路器，加強(qiáng)絕緣型電流互感器置于車架上安裝，配手動推進(jìn)機(jī)構(gòu)，安裝于27.5kv電氣化鐵道專用開關(guān)柜中， 4.5隔離開關(guān)型號選擇1）高壓側(cè)隔離開關(guān)高壓側(cè)的隔離開關(guān)分為接地式與防污式隔離開關(guān)，以110kv為標(biāo)準(zhǔn)，選擇gw4-110(d)/1250和gw4-110(w)/1250兩種類型隔離開關(guān)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。表4 gw22-126(d)(w)/1250型隔離開關(guān)主要技術(shù)參數(shù)額定電壓110kv最高運(yùn)行電壓126kv額定電流1250a額定熱穩(wěn)定時間3s額定動穩(wěn)定電流20ka1min工頻耐壓95kv雷電沖擊耐壓259kv爬電距離2750mm2）低壓側(cè)隔離開關(guān)低壓側(cè)的隔離開關(guān)只需防污式，無需接地式，以27.5kv為標(biāo)準(zhǔn)，選擇gw4-27.5(w)/1250。適用于頻率為50hz，額定電壓為27.5kv，額定電流為1250a的鐵道電氣化線路中，作為有電壓無負(fù)荷時分合電路用，也供鐵道自動閉塞信事情裝置時使用。并可單級使用。隔離開關(guān)配用cs11、cs14型手力操動機(jī)構(gòu)，并與cj2、cj5、cj6、cj11免維護(hù)系列電動操動機(jī)構(gòu)組合，特別適合電力系統(tǒng)和電氣化鐵路領(lǐng)域?qū)h(yuǎn)距離分、合的需要。4.6電流互感器型號選擇1）電流互感器的選擇 電流互感器的選擇一般有如下原則需要遵循：應(yīng)滿足一次回路的額定電壓、最大負(fù)荷電流及短路時的動、熱穩(wěn)定電流的要求；應(yīng)滿足二次回路測量、自動裝置的準(zhǔn)確度要求和保護(hù)裝置10誤差的要求；應(yīng)滿足保護(hù)裝置對暫態(tài)特性要求（如500kv保護(hù)）。用于變壓器差動時，各側(cè)電流互感器的鐵芯宜采用相同的鐵芯型式。各互感器的特性應(yīng)相同。以防止區(qū)外故障時，各互感器特性不一致產(chǎn)生差流，造成誤動。 電流互感器類型選擇 為保證保護(hù)裝置的正確動作，所選擇的互感器至少要保證在穩(wěn)態(tài)對稱短路電流的下的誤差不超過規(guī)定值。至于故障電流中的非周期分量和互感器剩磁等問題帶來的暫態(tài)影響，則只能根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問題的嚴(yán)重程度、保護(hù)裝置的特性、暫態(tài)飽和可能引起的后果和運(yùn)行情況進(jìn)行綜合考慮定性分析，至于精確的暫態(tài)特性計(jì)算由于過于復(fù)雜且現(xiàn)場工作情況很難進(jìn)行，因此不進(jìn)行討論。 330500kv系統(tǒng)保護(hù)、高壓側(cè)為330500kv的變壓器保護(hù)用的電流互感器，由于系統(tǒng)一次時間常熟較大，互感器暫態(tài)飽和較嚴(yán)重，由此可能導(dǎo)致保護(hù)錯誤動作的后果。因此互感器應(yīng)保證實(shí)際短路工作循環(huán)中不致暫態(tài)飽和，即暫態(tài)誤差不超過規(guī)定值。一般選用tp類互感器，尤其是線路保護(hù)考慮到重合閘的問題，要考慮雙工作循環(huán)的問題，因此推薦使用tpy型。 220kv系統(tǒng)保護(hù)、高壓側(cè)為220kv的變壓器保護(hù)互感器其暫態(tài)飽和問題及其影響較輕，可按穩(wěn)態(tài)短路條件計(jì)算互感器穩(wěn)態(tài)特性，進(jìn)而選擇互感器。當(dāng)然，為減輕可能發(fā)生的暫態(tài)飽和影響，我們有必要留有適當(dāng)?shù)脑６取?20kv系統(tǒng)保護(hù)的暫態(tài)系數(shù)一般不小于2。110kv系統(tǒng)保護(hù)用互感器一般按穩(wěn)態(tài)條件考慮，采用p類互感器。 高壓母線差動保護(hù)用電流互感器，由于母線故障時故障電流很大，而且外部故障時流過互感器的電流差別也很大。即使各互感器特性一致，其暫態(tài)飽和的情況也可能差別很大。因此母線差動保護(hù)用的電流互感器最好要具有抗暫態(tài)飽和的能力。實(shí)際工程應(yīng)用中，一般按穩(wěn)態(tài)條件選擇互感器，而抗飽和的問題更多的由保護(hù)裝置進(jìn)行處理。（2）電壓互感器的作用 給重合閘提供必要信號，一條線路兩側(cè)重合閘的方式要么是檢無壓，要么是檢同期，線路pt可以為重合閘提供電壓信號。 現(xiàn)在部分線路pt時用的電容式電壓互感器，可以為載波通信提供信號通道。 目前對一些特殊的供電用戶線路提供計(jì)量電壓。 將系統(tǒng)高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的低電壓（100v）,為儀表、保護(hù)提供必要的電壓。 與測量儀表相配合，測量線路的相電壓與線電壓；與繼電保護(hù)裝置相配合，對系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行過電壓、單相接地保護(hù)。 隔離一次設(shè)備與二次設(shè)備，保護(hù)人身和設(shè)備的安全。4.7電壓互感器型號選擇1） 高壓側(cè)電壓互感器電壓互感器的工作原理，構(gòu)造，接線方法與電力變壓器相仿電壓互感器在使用中二次側(cè)不允許短路。為了防止電壓互感器二次回路發(fā)生短路所引起的持續(xù)過電流燒毀互感器，則在電壓互感器二次側(cè)需裝設(shè)低壓熔斷器對于高壓側(cè)設(shè)計(jì)中選用三相的電壓互感器，并要求其可靠性高，本題選擇jsqxf-110zh-110kv配gis用sf6氣體絕緣電壓互感器，產(chǎn)品二次接線盒采用防塵、防水密封結(jié)構(gòu)，適應(yīng)戶外使用的要求；二次端子采用鳳凰端子，方便用戶接線，主要技術(shù)指標(biāo)見表5所示。表5 jsqxf-110zh-110kv型電壓互感器主要技術(shù)參數(shù)額定電壓27.5kv最高運(yùn)行電壓40.5kv額定頻率50hz雷電沖擊耐受電壓200kv準(zhǔn)確級組合0.2(0.5)/3p(3p)二次負(fù)載100va2）低壓側(cè)電壓互感器對于低壓側(cè)設(shè)計(jì)中選用單相的電壓互感器，本案選擇jdzx9-27.5型電壓互感器，單相雙繞組及三繞組環(huán)氧樹脂澆注全封閉式戶內(nèi)裝置電壓互感器，適用于交流系統(tǒng)中作精密電壓、電能測量及繼電保護(hù)之用，具體參數(shù)指標(biāo)見表6所示。表6 jdzx9-27.5型電壓互感器額定電壓27.5kv最高運(yùn)行電壓40.5kv額定頻率50hz雷電沖擊耐受電壓200kv準(zhǔn)確級組合0.2(0.5)/3p(3p)二次負(fù)載100va3）電壓互感器的作用電壓互感器的作用有兩點(diǎn)，第一，現(xiàn)在部分線路pt時用的電容式電壓互感器，可以為載波通信提供信號通道，第二，給重合閘提供必要信號，一條線路兩側(cè)重合閘的方式要么是檢無壓，要么是檢同期，線路pt可以為重合閘提供電壓信號。它的作用還有對一些特殊的供電用戶線路提供計(jì)量電壓。對系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行過電壓、單相接地保護(hù)，隔離一次設(shè)備與二次設(shè)備，保護(hù)人身和設(shè)備的安全。將系統(tǒng)高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的低電壓（100v）,為儀表、保護(hù)提供必要的電壓，與測量儀表相配合，測量線路的相電壓與線電壓；4.8母線型號的選擇1）室外27.5kv進(jìn)線側(cè)母線的選擇母線的最大長期工作電流可按變壓器過載1.3倍考慮，我們選擇容量為1600kva電壓27.5/10.5kv的三相雙繞組電力變壓器。經(jīng)計(jì)算：由所給資料查出鋼芯鋁絞線(lgj-10)的允許載流量為86a(基準(zhǔn)環(huán)境溫度為25時)，符合式子(),故初步確定27.5kv側(cè)的母線選用截面積為10 mm2的鋼芯鋁絞線(lgj-10)。2）室外110kv進(jìn)線側(cè)母線的選擇室外110kv進(jìn)線側(cè)的母線為軟母線,且每段負(fù)荷不同,母線截面可采取相同截面，以按最大長期工作電流方式來選擇為宜。設(shè)計(jì)中三相雙繞組牽引變壓器的選擇型號為sf1-40000/110。母線的最大長期工作電流可按變壓器過載1.3倍考慮。經(jīng)計(jì)算：查