供变电技术课程设计牵引供变电技术.doc

题 目：《牵引供变电技术》课程设计
院 系：电气工程系
专 业：宜职院电化
年 级：2012级
姓 名 曹思
指导教师：吕晓琴

西南交通大学峨眉校区
2015年5月3日

课 程 设 计 任 务 书

专 业 电气工程及其自动化 姓 名 曹思 学 号 201219136
开题日期：2015 年3月15 日 完成日期：2015年5月 3日
题 目 牵引变电所电气主接线设计

一、设计的目的
通过该设计，使学生初步掌握交流电气化铁道牵引变电所电气主接线的设计步骤和方法；熟悉有关设计规范和设计手册的使用；基本掌握变电所主接线图的绘制方法；锻炼学生综合运用所学知识的能力，为今后进行工程设计奠定良好的基础。

二、设计的内容及要求
1、按给定供电系统和给定条件，确定牵引变电所电气主接线。
2、选择牵引变电所电气主接线中的主要设备。如：母线、绝缘子、隔离开关、熔断器、断路器、互感器等。
选择时应优先考虑采用国内经鉴定的新产品、新技术。
3、提交详细的课程设计说明书和牵引变电所电气主接线图。

三、指导教师评语

四、成 绩

指导教师 (签章)
年 月 日

牵引变电所课程设计原始资料
原始资料（任选其中一所进行设计）
1、电力系统及牵引变电所分布图

图例：
：电力系统，火电为主

：地方220/110kV区域变电所

：地方110/35/10kV变电站

：铁道牵引变电所

—— ：三相高压架空输电线
图中：
L1：220kV 双回路 150kM LGJ-300
L2：110kV 双回路 10kM LGJ-120
L3：110kV 20kM
L4：110kV 40kM
L5：110kV 60kM
L6：110kV 双回路 20kM
L7：110kV 30kM
L8：110kV 50kM
L9：110kV 60kM
L10：110kV 60kM
未标注导线型号者均为LGJ-185，所有导线单位电抗均为X=0.4Ω/kM
牵引变压器容量如下（所有Ud%=10.5）：
A：2×3.15万kVA B：2×3.15万kVA
C：2×3.15万kVA D：2×1.5万kVA
E：2×1.5万kVA F：2×1.5万kVA
2、电力系统对各牵引变电所的供电方式及运行条件
[1] 甲站对A所正常供电时，两回110kV线路中，一回为主供电源，另一回备用。A所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧需设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。
[2] 甲站对B所供电时，110kV线路还需经B所送至丙站。正常运行时B所内有系统功率穿越。当甲站至B的输电线路故障时，B所由丙站供电，丙站内110kV母线分段运行，输电线L4、L5分别接入不同的分段母线上。正常运行时，丙站内110kV母线分段断路器断开。B所提供甲站至丙站的载波通道。
B所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线，外部有公路直通所内。27.5kV侧需设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。
[3] C所由丙站送出的两回110kV线路供电。但正常运行时，由甲站送至丙站（L5）再由丙站送至C所的一回110kV线路（L6）平时不向牵引负荷供电。只经过C所的110kV母线转接至某企业110kV变电站。
C所内采用两台变压器，固定全备用。所内不设铁路岔线，外部有公路直通所内。牵引侧除向两个方向的牵引网供电外，还要向电力机务段供电（两回）和地区10kV 负荷供电（一回）。C所内设有27.5/10kV 1000kVA动力变压器一台。10kV高压间内设有4路馈线，每路馈线设有：电流表、电压表、有功电度表、无功电度表。设有电流速断和接地保护，继电保护动作时间0.1秒。10kV高压间设在27.5kV高压室一端，单独开门。27.5kV侧设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。
[4] 牵引变电所D、E、F由乙站供电。正常运行时，110kV线路在E所内断开，不构成闭合环网。E所内的牵引变压器正常运行时，接入由D所送来的电源线L8上，L8故障时可转接至F所由L9供电。D、F所均可能有系统功率穿越。但正常运行时，F所无系统功率穿越。
D所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。所用电有地方10kV可靠电源。
[5] E所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线，有公路引入所内。27.5kV侧不设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。所用电采用在110kV进线隔离开关内侧接入（）/0.23kV单相变压器，以提高向硅整流装置供电的可靠性。
[6] F所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。该地区无地方10kV电源。
[7] 牵引变电所A、C、E 110kV侧要求计费，牵引变电所B、D、F 27.5kV侧要求计费，采用低压侧(27.5kV侧)计费时，110kV侧仍需设电压监视。
[8] 各变电所设计时，一律按海拔h≤1000m，I级污秽地区，盐密δ≤0.1毫克/厘米2，最高环境温度+40℃考虑。
[9] 各牵引变电所均设置避雷针三座。
[10] 牵引变电所B、D 110kV线路采用纵向平行引入方式；C、E 110kV线路采用横向相对引入方式；A、F 110kV线路采用T字型引入方式。
[11] 假定各牵引变电所馈线主保护动作时间tb=0.1秒，27.5kV母线采用矩型截面硬铝母线，母线间距a=40cm，母线跨距l=120cm；10KV母线采用矩型截面硬铝母线，母线间距a=25cm；母线跨距l=100cm。
[12] 各牵引变电所主控制室均采用一对一集中控制方式，直流电源电压均为220V。

摘 要

本课程设计较系统的阐明了牵引变电所D设计的基本方法和步骤。重点在于对牵引变压器的容量计算、牵引变压器的选择和运行技术指标的计算并根据要求选择短路点，对牵引变电所进行短路计算，计算出110KV侧及27.5KV侧短路电流与冲击电流、周期分量电流，由短路计算的结果与设计牵引变电所的要求选择牵引变电所的电气设备并对其校验，最后完成对牵引变电所主接线图主接线图的设计。

关键词： 容量计算；设备选择；主接线图

目 录
第1章 牵引变电所主结线设计原则及要求 6
1.1概述 6
1.2电气主接线基本要求 7
1.3电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤 7
第2章 牵引变电所电气主接线图设计说明 8
2.1 概述 8
2.2 具体分析 8
2.3 D所主接线方式 9
第3章 短路计算 9
3.1短路点的选取 9
3.2短路计算 9
第4章 设备及选型 11
4.1硬母线的选取 11
4.2支柱绝缘子和穿墙导管的选取 14
4.3高压断路器的选取 16
4.4高压熔断器的选取 17
4.5隔离开关的选取 17
4.6电压互感器的选取 19
4.7电流互感器的选取 19
4.8避雷器的选取 21
4.9避雷针的选取 21
后 记 22
参考文献 23
附 录I 24
附 录II 25

第1章 牵引变电所主结线设计原则及要求
1.1概述
牵引变电所（含开闭所、降压变电所）的电气主结线，是指由主变压器、高压电器和设备等各种电器元件和连接导线所组成的接受和分配电能的电路。用规定的设备文字符号和图形代表上述电气设备、导线，并根据他们的作用和运行操作顺序，按一定要求连接的单线或三线结线图，称为电气主结线图。它不仅标明了各主要设备的规格、数量，而且反映各设备的连接方式和各电气回路的相互关系，从而构成变电所电气部分主系统。电气主结线反映了牵引变电所的基本结构和功能。在运行中，它能表明与高压电网连接方式、电能输送和分配的关系以及变电所一次设备的运行方式，成为实际运行操作的依据；在设计中，主结线的确定对变电所电气设备选择、配电装置布置、继电保护装置和计算、自动装置和控制方式选择等都有重大影响。此外，电气主结线对牵引供电系统运行的可靠性、电能质量、运行灵活性和经济性起着决定性作用。此外，电气主结线及其组成的电气设备，是牵引变电所的主体部分。因此，电气主接线的设计与运行，具有十分重要的意义。
1.2电气主接线基本要求
1.2.1安全性
主要体现在：隔离开关的正确配置和隔离开关接线的正确绘制。
隔离开关的主要用途是将检修部分与电源隔离，以保证检修人员的安全。
在主接线图中，凡是应该安装隔离开关的地方都必须配置隔离开关，不能有个别遗漏之处，也不允许从节省投资来考虑而予以省略。
主接线的安全性是必须绝对保证的，在比较分析主接线的特点时，不允许有“比较安全、安全性还可以”等不合适的结论。
1.2.2可靠性
电气主接线的可靠性不是绝对的。同样形式的主接线对某些发电厂和变电所来说是可靠的，而对另一些发电厂和变电所则不一定满足可靠性要求。
电气主接线可靠性的高低，与经济性有关。一般来讲，主接线的可靠性愈高，所需的总投资和年运行费愈多。另一方面，可靠性愈高，因停电而造成的经济损失愈小。所以，对主接线可靠性进行分析时，要根据资金是否充沛，停电的经济损失多少等，从各方面加以综合考虑。
1.2.3经济性
它通常与可靠性方便性之间有矛盾。在可能和充分论证的条件下，可采用按远期规划设计主接线规模、分期实施投资、增加设备等措施，达到最好的经济效益。
1.2.4方便性
1．操作的方便性：尽可能使操作步骤少，以便于人员掌握，不致出错。
2．调度的方便性：根据调度要求，方便地改变运行方式。
3．扩建的方便性：总的来说，对主接线的要求主要是可靠性和经济性两个方面。
1.3电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤
在电气主结线的设计中，应遵循的主要原则与步骤：
1. 以批准的设计任务书为依据，以国家经济建设的方针政策和有关的技术政策、技术规范和规程为准则，结合工程具体特点和实际调查掌握的各种基础资料，进行综合分析和方案研究。
2. 主结线设计与整个牵引供电系统供电方案、电力系统对电力牵引供电方案密切相关，包括牵引网供电方式、变电所布点、主变压器接线方式和容量、牵引网电压水平及补偿措施、无功、谐波的综合补偿措施以及直流牵引系统电压等级选择等重大综合技术问题，应通过供电系统计算进行全面的综合技术经济比较，确定牵引变电所的主要技术参数和各种技术要求。
3. 根据供电系统计算结果提供的上述各种技术参数和有关资料，结合牵引变电所高压进线及其与系统联系、进线继电保护方式、自动装置与监控二次系统类型、自用电系统，以及电气化铁路当前运量和发展规划远景等因素，并全面考虑对主结线的基本要求，做出综合分析和方案比较，以期设计合理的电气主结线。
4. 新技术的应用对牵引变电所主结线结构和可靠性等方面，将产生直接影响。

第2章 牵引变电所电气主接线图设计说明
中心变电所：有4路以上进线并有系统功率穿越。中间通过式变电所：有两路进线并有系统功率穿越。中间式变电所：有两路进线，无系统功率穿越。不同类型的牵引变电所采取不同型式的电气主接线。
2.1 概述
根据原始资料D所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。27.5kV侧设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗器室外。所用电有地方10kV可靠电源。
对D所做出具体分析并得出该所变电站的主接线方式。
2.2 具体分析
（1）首先确定D所为中间通过式牵引变电所。因为这类牵引变电所一般有两类电源进线，且有系统功率穿越，符合D所原始资料中线路供电的情况。
（2）外桥接线中，按保证牵引符合供电的需求一般有两回路，主要向牵引负荷和地区负荷供电，桥型接线中的间牵引变电所还有穿越功率通过母线，并向临近牵引变电所或地区变电所供电，符合D所原始资料中的情况。
（3）由于D所直接由地方区域变电所乙站供电，方便引入高压室，便于接线。所以牵引负荷侧主母线采用不分段单母线的接线方式，并设有室外辅助母线。
（4）对于D所不采用双母线接线是因为D所只有两条电源进线，而双母线接线则要求进线要有4条以上，所以此点不符合。
（5）对于D所不采用双T型接线，是因为D所有系统功率穿越，而双T接线只适用于无功率穿越的变电所，所以此点不符合。
2.3 D所主接线方式
（1）110KV高压侧采用外桥接线的三相牵引变电所主接线。
（2）27.5KV牵引负荷侧采用不分段单母线的接线方式。
第3章 短路计算
3.1短路点的选取
因短路计算的主要内容是确定最大短路电流的大小，所以对一次侧设备的选取一般选取高压母线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线断路器的选取一般选取低压母线短路点作为短路计算点。
3.2短路计算
电路简化图如图 3-1：在图中，点为高压母线短路点，点为低压母线短路点。

图 3-1

表3-1 短路计算值一览表

额定电流
短路电流
冲击电流
最大短路电流有效值
侧
78.7
304.9
814.9
490.9
侧
314.9
1595.6
4028.9
2569.6

第4章 设备及选型
4.1硬母线的选取
4.1.1 侧母线的选取：
1. 按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑

由书查出铝母线（LMY型）的允许载流量为156A（环境温度为时），大于最大工作电流102.35A，故初步确定选用截面的铝母线（单条平放）。
2. 校验母线的短路热稳定性
要求短路最终温度，应先求出起始温度，根据，利用曲线，找出对应的值，再由求出，再次利用曲线找出对应的。

短路电流计算时间：
短路电流热效应：

式中Tfi根据《电力系统分析》书表6-3取得。

由，从图中查得
则由
得：

再由，查得<100℃,而 (见表6.1)，即：，满足热稳定性要求。所以应选择153=45m截面的软铝母线。

4.1.2 27.5KV侧母线的选取：
1. 按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑

由书查出铝母线404的允许载流量为456A，大于最大工作电流409.39 A，故初步选定用404=1600截面的铝母线。
2. 校验母线的短路热稳定性
要求短路最终温度，应先求出起始温度，根据，利用曲线，找出对应的值，再由求出，再次利用曲线找出对应的。
C

由,从图中查得，则由得：

再由，查同上曲线，查得，而 (见表6.1)，即：，满足热稳定性要求，所以应选择的软铝母线。
3.校验母线的机械稳定性
三相短路冲击电流：
设母线采用水平排列平放，
已知：a=40cm，l=120cm，h=40mm，b=4mm则

三相短路时的相间电动力：

母线平放及水平排列时，其抗弯模量为：

母线的计算应力：

由表6.4铝母线的允许应力为，即：，满足机械应力稳定性要求。
故最后确定选择截面为的铝母线。
4.2支柱绝缘子和穿墙导管的选取
由于牵引变压器安装在室外，而进线是直接接到牵引变压器上的，所以不用穿墙导管，故对于侧只需选择支柱绝缘子而不需要选择穿墙导管。而侧的设备既有安装在室外的也有安装在室内，所以对侧既需要选择支柱绝缘子，也需要选择穿墙导管。
4.2.1 侧支柱绝缘子的选取：
1. 按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器侧额定电压考虑

由书查出支柱绝缘子的型号为ZS-110/3，初选破坏荷重为3的支柱绝缘子。
2. 校验支柱绝缘子的机械强度

由书中查得ZS-110/3型支柱绝缘子允许的抗弯破坏荷重为3000N，而短路时中间相中间位置的支柱绝缘子受力为，故能满足要求。
4.2.2 27.5KV侧支柱绝缘子的选取：
1. 按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器侧额定电压考虑

由书查出支柱绝缘子的型号，初选型号为ZA-35Y的支柱绝缘子。
2. 校验支柱绝缘子的机械强度
由书中查得ZA-35Y型支柱绝缘子允许的抗弯破坏荷重为3750N，而短路时中间相中间位置的支柱绝缘子受力为
，故能满足要求。
4.2.3 侧穿墙导管的选取：
1. 按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑

由书查出穿墙导管的型号，初选型号为CLB-35/600的支柱绝缘子。
2. 校验穿墙导管的热稳定性
由前面选择硬母线处可得，而
，所以，故穿墙导管满足热稳定性。
4.3高压断路器的选取
交流牵引负荷侧由于故障跳闸频繁，操作次数多，从减少运行维修工作量考虑，本设计侧选用断路器，侧选用真空断路器。
4.3.1 侧断路器的选取
1. 最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

由书查出断路器的型号为LW-110，额定电流选取1250A。
2. 短路关合电流的校验
由书查出LW-110型号的断路器的极限通过电流为，而，所以，满足要求。
3. 校验短路时的热稳定性
由前面选择硬母线处可得，而
,所以，故满足热稳定性。
所以断路器选取型号为LW-110，额定电流为1250A。
4.3.2 侧真空断路器的选取
1. 最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

由书查出真空断路器的型号为，额定电流选取1000A。
2. 短路关合电流的校验
由书查出型号的真空断路器的极限通过电流为，而，所以，满足要求。
3. 校验短路时的热稳定性
由前面选择硬母线处可得，而
，所以，故满足热稳定性。
所以断路器选取型号为，额定电流选取1000A。
4.4高压熔断器的选取
由于在所设计的电气主结线中，只有侧才有高压熔断器，所以只需选择侧的高压熔断器。
1. 按额定电压选择
由于，而，所以选择型号为的高压熔断器。
2. 熔断器开断电流的校验
，而，即，满足要求。
3. 熔断器断流容量的校验
，而，即，满足要求。
由于环境为标准情况，不需要进行绝缘泄露比距校验。故选择的高压熔断器。
4.5隔离开关的选取
由于在所设计的电气主结线中，侧隔离开关在室外，而侧既有室内的也有室外的，所以对侧只需选择室外的，而侧要选择室内和室外的。
4.5.1 侧隔离开关的选取
1. 最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

而，所以由书查出隔离开关的型号为GW4-110/600。
2. 校验短路时的热稳定性
，，所以，故满足热稳定性。
所以侧隔离开关的型号为户外GW4-110/600。
4.5.2 侧隔离开关的选取
1. 最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

而，所以由附书查出户内隔离开关的型号为GN2-35T/1000，户外隔离开关的型号为GW2-35G/600。
2、校验短路时的热稳定性
1）、户内隔离开关的校验
，，所以，故满足热稳定性。
所以侧隔离开关的型号为户内GN2-35T/1000。
2）、户外隔离开关的校验
，，所以，故满足热稳定性。
所以侧隔离开关的型号为户外GW2-35G/600。
4.6电压互感器的选取
4.6.1 侧电压互感器的选取

由书查出电压互感器的原线圈额定电压为，副线圈额定电压为，故确定选用的型号为的电压互感器。
由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流过互感器，因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。
4.6.2 侧电压互感器的选取

由书查出电压互感器的原线圈额定电压为，副线圈额定电压为，故确定选用的型号为的电压互感器。
由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流过互感器，因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。
4.7电流互感器的选取
4.7.1 侧电流互感器的选取
1. 最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑
，
，
而，由附录二表13.2查出电流互感器LCW-110的额定电压为，额定电流比为，故初步确定选用的型号为LCW-110的电流互感器。
2. 短路热稳定性校验

，故满足热稳定性。
3. 短路动稳定性校验
A

显然，满足动稳定性。
4.7.2 侧电流互感器的选取
1. 最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑

，
而，由书查出电流互感器LCW-35的额定电压为，额定电流比为，故初步确定选用的型号为LCW-35的电流互感器。
2. 短路热稳定性校验

，故满足热稳定性。
3. 短路动稳定性校验

，故满足动稳定性。
4.8避雷器的选取
牵引变电所为预防感应雷电波的入侵，通常采用避雷器保护，以限制入侵雷的辐值和陡度，从而保护电气设备的安全。
FCZ系列磁吹阀式避雷器额定参数如下表4-1

安装点
参数

型号
FCZ—110
FCZ—35
额定电压(KV)
110
35
灭弧电压(KV)
126
41
工频放电电压有效值（KV）
不小于
255
70
不大于
290
85
冲击放电电压不大于（KV）
345
112
冲击电流残压不大于（KV）
5KA时
332
108
10KA时
365
122
表4-1
4.9避雷针的选取
按设计要求需要3避雷针三座，以单支避雷针考虑，参考《高电压技术》中的计算可知，避雷针对所内最高室外设备(不高于10m)的计算保护半径：
取避雷针高度h=30m，在10m高度上的保护半径为：

在地面上的保护半径为：
因此，三座此高度避雷针足以保护此变电所。

后 记
通过这次课程设计的学习，通过理论与实际相结合，使我逐步了解了接触网的设计步骤和计算要求。在这次设计，使我对以往所学习的知识进行了一次系统的总结和复习，对自己掌握不好的进行了巩固与学习；在这次的设计中对接触网有了一个系统的了解。锻炼了我综合运用所学知识的能力，为今后进行工程设计奠定良好的基础，对以后的工作有了很大的帮助。
需要在今后的学习中不断的积累知识，使自己有所进步。由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
还有感谢吕老师在这段时间对我悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过程中，更是离不开曾经老师在课堂上的教导以及现在对我设计的辅导。使我的专业知识和学习整理能力等各方面都得到了很大的进步，在此，谨向吕老师表示最衷心的感谢。

参考文献

[1]贺威俊.电力牵引供变电技术.成都:西南交通大学出版社.2004
[2]简克良.电力系统分析.成都:西南交通大学出版社.1993
[3]李群湛，连级三，高仕斌 .高速铁路电气化工程.西南交通大学出版社
[4]谭秀炳，刘向阳.交流电气化铁道牵引供电系统.西南交通大学出版社
[5]冯仁杰.电气化铁道供电系统.中国铁道出版社

附 录I

电气设备一览表
名称
型号
数量
单位
侧软母线
LMR-
2
根
侧硬母线
LMY
2
根
侧支柱绝缘子
ZS-110/3
3
个
侧支柱绝缘子
ZA-35Y
3
个
侧穿墙导管
CLB-35/600
6
个
侧断路器
LW-110
2
组
侧真空断路器

8
个
侧高压熔断器
RN1-35
4
个
侧隔离开关
GW4-110/600
9
组
侧户内隔离开关
GN2-35T/600
6
个
侧户外隔离开关
GW2-35G/600
2
个
侧电压互感器
JCC-110
2
组
侧电压互感器
JDJ-35
4
个
侧电流互感器
LCW-110
2
组
侧中性点接地电流互感器
LCW-110
2
个
侧电流互感器
LCW-35
12
组
侧C相电流互感器
LCW-35
4
个
侧避雷器
FCZ—110
2
组
侧中性点接地避雷器
FCZ—110
2
个
侧避雷器
FCZ—35
6
个

附 录II
主接线图B