轨道交通供电课程设计.doc

xx大学

轨道交通供电课程设计报告

题 目：某交流牵引混合主变电所主接线设计

院 系 信息工程学院
专 业 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
学 号 xxxxxxxxxxxxxx
学生姓名 xxxxx
指导教师 xxxxxxx

日期：2015年1月17日

目 录

1课程设计的意义 1
1.1题目 1
1.2．1负荷分析 1
1.2．1负荷计算 1
2方案的论证和设计 2
2.1变压器的选择 2
2.1.1绕组的选择 2
2.1.2台数和容量的选择 2
2.2主接线方案设计与论证 3
2.3.1牵引变电所110kV侧主接线设计 4
2.3.2牵引变电所馈线侧主接线设计 4
2.3.3主接线方案的确定 4
3.2系统的等效网络图 5
3.2.1各元件的电抗标幺值 6
3.3各点的短路电流计算 6
3.3．1 d1点的短路电流计算 6
3.3．2 d2点的短路电流计算 7
3.3．3 d3点的短路电流计算 7
3.3．4短路计算结果汇总 8
4 电气主设备的选择与校验 8
4.1 高压断路器的选择与校验 8
4.1.2 高压断路器的校验 9
4.2 高压隔离开关的选择与校验 9
4.2.1 高压隔离开关的选择 9
4.2.2 高压隔离开关的校验 9
4.3电气设备选型汇总 10
5 课程设计体会 10
6参考文献 11

1课程设计的意义
本人认为有几方面的意义：1、加深对轨道供电系统的理解。2、学会选用适合的接线方式。3、熟悉AUTO CAD的使用。4、熟悉短路计算的方法。5、学会电气设备的选择与校验。
本文先分析、计算负荷，再设计和论证变压器与主接线的方案。得到具体的线路，计算短路电流，这样就可以选择主要的电气设备了。
1.1题目
某牵引变电所位于大型编组站内，向两条复线电气化铁路干线的四个方向供电区段供电，已知列车正常情况的计算容量为10000 kVA（三相变压器），并以10kV电压给车站电力照明机务段等地区负荷供电，容量计算为3750 kVA，各电压侧馈出数目及负荷情况如下：
25kV回路（1路备）：两方向年货运量与供电距离分别为Q1L1=32×60Mt•km， Q2L2=30×25Mt•km，△q=100kWh/10kt•km。10kV共12回路（2路备）。
供电电源由系统区域变电所以双回路110kV输送线供电。本变电所位于电气化铁路的中间，送电线距离15km，主变压器为三相接线。
根据上述要求，进行必要的分析，选择合适的供电方案，绘制变电站主接线图，包括进线与出线配电设计，对主要的开关及电气设备完成选型。
1.2负荷分析与计算
1.2．1负荷分析
作为一个110kv的变电所，轨道交通的供电的用电是一级负荷，如果断电会造成重大的人身安全问题，所以供电要十分的可靠。
有两回110kv的进线，2种等级的出线。其中，25kv 6条，10kv 12条。
1）25kv负荷的分析
在几个负荷中，作为一级负荷，停电会造成严重的产品问题或人身安全。
2）10kv负荷的分析
在车站电力照明机务段中，车上的控制设备、自动设备作为一级负荷，而电力照明作为二级负荷。
总的来说，此变电所在电力系统中有着重要的地位。
1.2．1负荷计算
25kv的负荷容量为10000 kVA，10kv的负荷容量为 3750 kVA。假设两侧的负荷的功率因素cosα=0.9 。
侧变电所的容量为 S=（10000+ 3750）/0.9=15277
最大持续工作电流Imax=1.05*S/(cosα*√3*U)
110kv侧最大持续工作电流Imax=1.05*（10000+ 3750）/(0.9*√3*115)=80A
25kv侧最大持续工作电流Imax=1.3*10000/(0.9*√3*27.5)=303A
10kv侧最大持续工作电流Imax=1.3*3750/(0.9*√3*10.5)=298A
2方案的论证和设计
2.1变压器的选择
本系统无特殊要求，可采用冷风冷却的。
2.1.1绕组的选择
绕组的形式主要有双绕组和三绕组。 规程上规定在选择绕组形式时，一般应优先考虑三绕组变压器因为一台三绕组变压器的价格及所用的控制电器和辅助设备比两台双绕组变压器都较少。
具有三种电压等级的变电所，各侧的功率均达到主变压器额定容量的15%以上或低压侧虽无负荷，需装设无功补偿设备时，变压器一般先用三绕组变压器。
在本系统中，10kv的负荷占到了37.5% ,所以优先考虑三绕组变压器。而采用双绕组变压器，即要用4个变压器，不划算。所以用两个三绕组变压器。
2.1.2台数和容量的选择
根据原始资料和各种负荷对供电可靠性要求，主变压器容量与台数的选择，可能有以下两种方案：
方案一:2×10000千伏安牵引变压器+2×6300 kVA地区变压器，一次侧同时接于110 kV母线，（110千伏变压器最小容量为6300 kVA）。
方案二:2×16000千伏安的三绕组变压器，因10千伏侧地区负荷与总容量比值超过15%，采用电压为110／27.5／10.5 kVA，结线为 两台三绕组变压器同时为牵引负荷与地区电力负荷供电。各绕组容量比为100:100:50。
轨道交通供电作为一级负荷，为提高可靠性，所以采用两台变压器。本变电所考虑为固定备用方式，按故障检修时的需要，应设两台牵引用主变压器，地区电力负荷因有一级负荷，为保证变压器检修时不致断电，也应设两台。
有两台及以上主变压器的变电所其中一台是当停运后其余主变压器的
容量应保证该所全部负荷的60-70%。并应保证用户的一级和全部二级负荷的供电。为提高可靠性，两变压器并联运行。而一个变压器断电要保证另一个变压器的能提供全系统的70%的容量。
两个变压器并列运行。假设两个变压器平分负荷，单个变压器要满足该段的负荷。Sa=S/2=15277/2=7638.5kva
为了满足其中一个变压器固障时，另一个变压器要能提供所有负荷的用电。所以变压器的容量要大于所有负荷的容量，即Sn>S=15277kva
查看110kv三绕组变压器的技术参数。采用SFSZ7-16000/110。其技术参数如表2-1所示。
表2-1 SFSZ7-16000/110技术参数
型号
额定容量
额定电压
联结组别
阻抗电压（高中）
阻抗电压（高低）
阻抗电压（中低）
SFSZ7-16000/110
16000KVA
121±2×2.5%/27.5±2.5%//10.5kV
Ynyn0d11
10.5%
18%
6.5%

2.2主接线方案设计与论证
参考设计规范： 《电力工程电气设计手册》
GB 50059—92
10kV及以下变电所设计规范GB50053－94
GB 50059—92
第1．0．3条
上述年限是指工程预定投产之日算起的5～10年。并要适当考虑今后变电所在布置上有再扩建的可能性。
第3．2．5条 6—10kV主接线线路12回及以上用双母线
第3．2．3条规定当35-63kV线路为8回及以上、110kV线路为6回及以上时，采用双母线接线。
对于单母线分段适用于110-220KV配电装置，出线回路数为3-4回；35-65KV配电装置，出线回路为4-8回；3,6-10KV配电装置，出线回路为6回及以上。
单母线分段带旁路母线接线适用于较多的应用于110kV～220 kV进出线回路多的变电所。
外桥接线适用于双线双变的水电站、变电所35～220kV侧，主变年负荷利用小时数高（不经常切换），而线路较短（故障多）场合。
双母线接线有较高的可靠性，广泛用于出线带电抗器的6～10kV配电装置；35～60kV出线数超过8回，负荷较大时；110～220kV出线数为5回及以上时。

2.3.0主接线方案初步的分析
表2-2 主接线方案初步的分析
单母线分段
10-220KV配电3-4回；35-65KV配电4-8回；3,6-10KV配电装置 6回
较符合
单母线分段带旁路母线
110kV～220 kV回路多
35-65KV重要用户
本系统110kv回路只有两条，不太适合。35kv负荷可以考虑。
桥式接线
双线双变的水电站、变电所35～220kV侧
可以考虑
双母线接线
35～60kV出线数超过8回
10～220kV出线数为5回及以上
6—10kV主接线线路12回及以上
本系统10kv回路12两条，比较适合
一台半断路器
中大型发电厂、变电所
不太适合

由上面的分析可知，对于25kv侧的负荷，可以选用单母线分段或单母线分段带旁路母线。对于10kv侧的负荷，可以选用双母线分段。对于110kv侧的负荷，可以选用单母线分段或桥式接线。
2.3.1牵引变电所110kV侧主接线设计
采用单母线分段还是外桥。
侧主接线的设计 110KV侧初期设计2回进线2回出线，最终2进线4回出线，由《电力工程电气设计手册》第二章第二节中的规定可知： 110KV侧配电装置宜采用单母线分段的接线方式。 110KV侧采用单母线分段的接线方式，有下列优点：
⑴ 供电可靠性：当一组母线停电或故障时，不影响另一组母线供电；
⑵ 调度灵活，任一电源消失时，可用另一电源带两段母线：
⑶ 扩建方便；
⑷ 在保证可靠性和灵活性的基础上，较经济。
但是，对于110kv侧的负荷，采用桥式接线，接线简单，用地面积更少，投资少一点。也方便扩建成单母线分段。 共用两台三绕组主变压器、两回路110 kV进线，线路太长，但应有线路继电保护设备，故以采用节省断路器数量的外桥结线较为经济合理
故110KV侧采用外桥的连接方式。
2.3.2牵引变电所馈线侧主接线设计
对于25kv侧的负荷，一般每2至4条馈线设一旁路断路器。通过旁路母线、旁路断路器可代替任一馈线断路器工作。这种接线方式适用于每相牵引母线馈线数目较多的场合以减少备用断路器的数量。
为了提高供电的可靠性，25kv侧的负荷用单母线分段带旁路母线。
6—10kV主接线线路12回及以上用双母线，因此，10kv牵引变电所馈线侧主接线采用双母线。
2.3.3主接线方案的确定
综合考虑上述的经济性、可靠性、灵活性。牵引变电所110kV侧主接线外桥的连接方式。25kv牵引变电所馈线侧主接线都采用单母线分段带旁路母线。10kv牵引变电所馈线侧主接线采用双母线。
3 短路电流计算
3.1基准值的设定
选定基准容量Sb = 100MVA，基准电压为Ub1 = 115KV，Ub2 = 27.5KV，Ub3 = 10.5KV，计算出的基准值结果如表3-1所示。
表3-1 计算出的基准值
Ub(kv)
Ub1 115
Ub2 27.5
Ub3 10.5
Ib(ka)
0.5
2.01
5.5
Xb
132.25
7.9
1.1

3.2系统的等效网络图
电力系统的简化图如图3-1所示。

图3-1 电力系统的简化图
阻抗等效网络图如图3-2所示。

图3-2 阻抗等效网络图
3.2.1各元件的电抗标幺值
为了短路点的电流更加准确，假设一个电力系统的标幺值得X0*，X0*=0.1
X1*为输电线路L1=15km的标幺值,其中，架空线路的单位长度电阻为X0=0.35Ω
输电线路的标幺值X1* = X0*L1*Sb/Ub1^2=0.35*15*100/115^2=0.04
变压器的电抗标幺值X*计算。
Uk(1-2)%=10.5% Uk(1-3)%=18% Uk(2-3)%=6.5%
Uk1%=1/2[Uk(1-2)%+ Uk(1-3)%- Uk(2-3)%]=11
Uk2%=1/2[Uk(1-2)%+ Uk(2-3)%- Uk(1-3)%]=7
Uk3%=1/2[Uk(2-3)%+ Uk(1-3)%- Uk(1-2)%]= -0.5
Sn为变压器的容量，Sn=16MW
变压器高压侧电抗标幺值Uk1*= Uk1%*Sb/(100*Sn)=11*100/(100*16)=0.6875
变压器中压侧电抗标幺值Uk2*= Uk2%*Sb/(100*Sn)=7*100/(100*16)=0.4375
变压器低压侧电抗标幺值Uk3*= 0 ；Uk3%为负数所以为0。
3.3各点的短路电流计算
以下的计算按无限大容量的系统来计算。
3.3．1 d1点的短路电流计算
d1处的阻抗等效网络图如图3-3所示。

图3-3 d1处的阻抗等效网络图
到d1处的总电抗标幺值
X*（d1）= X0*+X1*=(0.1+0.04)/2=0.07
三相短路电流周期分量有效值
I’’’（d1）=Ib1/ X*（d1）=0.5/0.07=7.143（KA）
次暂态和和稳态短路电流相等
I”=I*∝= I’’’（d1）=7.143（KA）
冲击电流
ish=2.55 I”=2.55×7.143=18.21（KA）
冲击电流有效值
Ish =1.51×I”=1.51×7.143=10.78（KA）
短路容量为：Sd1=Sd/ X*（d1） =100/0.07=1428（MVA）
3.3．2 d2点的短路电流计算
d2处的阻抗等效网络图如图3-4所示。

图3-4 d2处的阻抗等效网络图
到d2处的总电抗标幺值
X*（d2）= X0*/2+X1*/2+(Uk1*+Uk2*)/2=(0.1+0.04)/2+(0.6875+0.4375)/2=0.6325
三相短路电流周期分量有效值
I’’’（d2）=Ib1/ X*（d2）=2.01/0.6325=3.18（KA）
次暂态和和稳态短路电流相等
I”=I*∝= I’’’（d2）=3.18（KA）
冲击电流：ish=2.55 I”=2.55×3.18（KA） =8.109（KA）
冲击电流有效值：Ish =1.51×I”=1.51×3.18（KA） =4.8（KA）
短路容量为：Sd1=Sb/ X*（d2） =100/0.6325=158.1（MVA）
3.3．3 d3点的短路电流计算
d3处的阻抗等效网络图如图3-5所示。

图3-5 d3处的阻抗等效网络图
到d3处的总电抗标幺值
X*（d3）= X0*/2+X1*/2+(Uk1*+Uk3*)/2=(0.1+0.04)/2+0.6875/2=0.414
三相短路电流周期分量有效值
I’’’（d3）=Ib3/ X*（d3）=5.5/0.414=13.28（KA）
次暂态和和稳态短路电流相等
I”=I*∝= I’’’（d3）=13.28（KA）
冲击电流
ish=2.55 I”=2.55×13.28（KA） =33.864（KA）
冲击电流有效值
Ish =1.51×I”=1.51×13.28（KA） =20.05（KA）
短路容量为：Sd1=Sb/ X*（d3） =100/0.414=241.55（MVA）
3.3．4短路计算结果汇总
计算出的短路计算结果汇总3-2所示。
表3-2 计算出的短路计算结果汇总
类型
短路点
基准电压 （kV）
三相短路稳态电流（kA)
冲击电流
（kA）ish
冲击电流有效值（kA）
短路容量
（MWA）
d1
115
7.143
18.21
10.78
1428
d2
27.5
3.18
8.109
4.8
158.1
d3
10.5
13.28
33.864
20.05
241.55

4 电气主设备的选择与校验
4.1 高压断路器的选择与校验
110kv侧最大持续工作电流Imax=1.05*（10000+ 3750）/(0.9*√3*115)=80A
25kv侧最大持续工作电流Imax=1.3*10000/(0.9*√3*27.5)=303A
10kv侧最大持续工作电流Imax=1.3*3750/(0.9*√3*10.5)=298A
4.1.1 高压断路器的选择
额定电压选择：UN≥UNs, 额定电流选择：IN>Imax， 分断电流Ioc≥I’’
根据这些条件，初步选定几个高压六氟化硫断路器，高压六氟化硫断路器主要技术参数如表3-3所示。
表3-3 高压六氟化硫断路器主要技术参数
数据
名称
LW25-126
LW17-27.5
LN2-12
额定电压 kV
110

400
10
最高额定电压kV
1
27.5
12
额定电流A
1250

1250
1250
额定短时耐受电流 kA( It)
31.5(4S)
25(4S)
25(4S)
额定峰值耐受电流 kA（Imax(3)）

80
63
63
额定短路开断电流kA
31.5
25
25
全断开时间s
0.06
0.04
0.04
4.1.2 高压断路器的校验
热稳定校验：It2t>Qk= I’’2t
动稳定校验：Imax(3) > ish
对于110断路器
热稳定校验：It2t>Qk
It2t=31.5^2×4=3969> Qk =7.143^2*4=204, 热稳定校验满足
动稳定校验：
Imax(3)=80KA> 18.41KA 满足动稳定要求
25kv与10kv的校验类似，不再列举。
4.2 高压隔离开关的选择与校验
4.2.1 高压隔离开关的选择
额定电压选择：UN≥UNs, 额定电流选择：IN>Imax，
根据这些条件，初步选定几个高压隔离开关，高压隔离开关主要技术参数如表3-4所示。
表3-4 高压隔离开关主要技术参数
数据
名称
GW4-110G
GN2-25T
GN1-10
额定电压 kV
110

25
10
最高额定电压kV
126
27.5
11.5
额定电流A
630
400
600
额定短时耐受电流 kA( It)
31.5(4S)
14(5S)
20(4S)
额定峰值耐受电流 kA（Imax(3)）

50
52
60
4.2.2 高压隔离开关的校验
热稳定校验：It2t>Qk= I’’2t
动稳定校验：Imax(3) > ish
对于110隔离开关
热稳定校验：It2t>Qk
It2t=31.5^2×4=3969> Qk =7.143^2*4=204, 热稳定校验满足
动稳定校验：
Imax(3)=50KA> 18.41KA 满足动稳定要求
25kv与10kv的校验类似，不再列举。
4.3电气设备选型汇总
电气设备选型汇总如表3-5所示。
表3-5 电气设备选型汇总
名称
型号
变压器
SFSZ7-16000/110
110kv断路器
LW25-126
25kv断路器
LW17-27.5
10kv断路器
LN2-12
110kv隔离开关
GW4-110G
25kv隔离开关
GN2-25T
10kv隔离开关
GN1-10

5 课程设计体会
1、加深对轨道供电系统的理解。轨道交通供电是在大三上学期的时候学习，很多已经忘记，本次课程设计给了重新学习，综合运用的机会。对轨道交通供电的电能产生、转换、传输、分配、利用有了更好的理解。
2、学会查标准，学会选用适合的接线方式。其实今个学期也有一个课程设计，是做一个发电厂的，它也是要选择主接线的，之前就是看书的，现在会通过查标准来确定主接线。其实，电气方面的，没有随便两个字的，标准就是标准，是一就是一，不然，你的设计就有可能出现问题
3、熟悉AUTO CAD的使用。大一的时候，我没有想过我会从事成套设备的电气设计工作，结果，我还是做了这方面的工作。AUTO CAD 就是作为我的工具了，通过本次课程设计，算给自己一个练习的机会。
4、熟悉短路计算的方法和加强对数据分析的能力。老师没有提这一方面，但是，我觉得在短路计算方面的进步。之前对标幺值，冲击电流、次暂态短路电流的概念相对模糊，经过今次的苦思，对短路计算理解了。计算出来的结果有多个，建立一个计算结果表，数据就显得清晰明的。
5、学会电气设备的选择与校验。主要的选择条件有：设备的额定电压大于电网的最大电压；额定电流选择大于所在线路的最大持续工作电流；当然要考虑的东西还有许多，比如动稳定，热稳定，还的当地的自然条件等。本人觉得这方面的知识非常的实用。
总的来说，轨道供电的知识，学会查标准，熟悉AUTO CAD的使用，对我将要从事成套设备的工作很有帮助。

6参考文献
[1]徐亚辉主编. 城市轨道交通供变电技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2012.
[2]熊信银主编，发电厂电气部分[M].中国电力出版社，2013. 88-126
[3]何仰赞，温增银主编. 电力系统分析[M]. 北京:中国电力出版社，2010. 32-45
[4]刘介才. 供配电技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2014.
[5]弋东方. 电力工程电气设计手册[M]. 北京:中国电力出版社, 2014.