牵引变电所课程设计-张新钰.doc

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黑龙江交通职业技术学院课程设计任务书题目牵引变电所一次主接线设计专业电气化铁道技术专业(接触网) 班级接触网1404 学号 14110345 姓名张新钰指导教师武文斌电信工程学院摘要本设计是分接式牵引变电所电气主接线设计，牵引变电所的主要任务是将电力系统输送来的三相高压电变换成适合电力机车使用的电能。为了完成接受电能、高压和分配电能的工作，其电气接线可分为两大部分：一次接线和二次接线。根据题目要求选择了合理的主接线形式，确定了变压器的容量、台数、型号以及联结组别，并且进行短路计算，然后根据短路计算的结果对隔离开关、断路器和避雷器进行了选型，选择了合理的继电保护装置，并且为了提高牵引变压器的功率因数增设了并联电容补偿装置，从而完成了110kV电气一次部分的设计，本设计书还对倒换变压器操作时的倒闸操作过程进行了分析，更便于掌握牵引变电所的运行状态。关键词：分接式牵引变电所供电方式继电保护目录第1章设计任务 1 1.1 设计目的 1 1.2 设计要求 1 1.3 分析问题及解决方案 1 第2章牵引变压器容量计算和选型 2 第3章主接线设计 3 3.1 电气主接线的设计原则 2 3.2 牵引变电所110kV侧主接线设计 2 3.3 电气主接线的设计要求 3 3.4 牵引变电所馈线侧主接线设计 4 第4章短路计算 5 第5章主要一次设备的选择 7 第6章并联电容补偿 9 第7章变电所保护装置设备认知接地防护与避雷装置.....................................10 7.1接地防护与避雷装置....................................................................10 7.2保护装置设备认知操作机构............................................................11 第8章总结 16 参考文献 17 附：分接式三相YNd11牵引变压器主接线图第1章设计任务 1.1 设计目的经过本次设计，对所学的专业知识得到相当的运用和实践，这将使自己所学的理论知识提升到一定的运用层次，为以后完成实际设计奠定扎实的基本功和基本技能，最终达到学以致用的目的。 1.2 设计要求 1.确定该三相Ynd11牵引变电所高压侧的电气主结线的形式，并分析其正常运行时以及倒换变压器操作时倒闸操作过程。 2.确定牵引变压器的容量、结线方式及台数。 3.确定牵引负荷侧电气主结线的形式。 4.对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择。 5.对变电所进行继电保护配置，并进行防雷和接地设计。 6.用A3图纸画出整个牵引变电所的电气主接线图。 1.3 分析问题及解决方案由于本设计是分接式变电所，且牵引变电所中的变压器经常切换，且该牵引变电所有穿越功率，故主接线选择双T接线。短路计算的最大电流要用最小阻抗下的最大短路电流，故直接用电力系统的标幺值为0.12。校验设备是否符合要求就按照最大短路电流来校验。本设计采用三相YNd11联结牵引变压器，其结构相对简单，又因中性点接地，绕组可采取分级绝缘，因此变压器造价较低。第2章牵引变压器容量计算和选型为了经济合理的选择变压器容量，计算分为以下步骤：第一，确定计算容量，按正常运行的计算条件求出主变压器供应牵引负荷所必须的最小容量。第二，确定校核容量，按列车紧密运行的计算条件并充分利用牵引变压器的过负荷能力所计算的容量。第三，确定安装容量，在计算容量和校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按其系列产品的规格确定牵引变压器台数与容量。根据要求所给条件，计算出所需变压器计算容量为：根据要求所给条件，计算出所需变压器最大容量为：变压器校核容量为：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，选用三相YNd11联结变压器的安装容量为，所选变压器的型号是SF1-31500/110。第3章主接线设计 3.1 电气主接线的设计原则应根据变电所在电力系统的地位和作用，首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求。根据规划容量，本期建设规模，输送电压等级，进出线回路数，供电负荷的重要性，保证供电平衡，电力系统线路容量，电气设备性能和周围环境及自动化规划与等级条件确定，应满足可靠性、灵活性、经济性的要求。 3.2 牵引变电所110kV侧主接线设计依据该牵引变电所负荷等级，要求两路电源进线，因有系统功率穿越，属通过式变电所，考虑经济运行也可采用图3-1所示的双T 接线。双T接线适合于输电距离较短，线路故障较少，而且变压器需要经常操作的场合。 3.3 电气主接线的设计要求电气主接线必须满足可靠性了、灵活性和经济性三项基本要求。 (1) 保证必要的供电可靠性和电能质量安全可靠是电力生产的首要任务，停电不仅使发电厂造成损失，而且对国民经济各部门带来的损失将更严重，往往比少发电能的价值大几十倍，至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失和政治影响，更是难以估量。因此，主接线的接线形式必须保证供电可靠。电压、频率和供电连续可靠，是表征电能质量的基本指标，主接线应在各种运行方式下都能满足这方面的要求。 (2) 具有一定的灵活性和方便性主接线不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且在系统故障或设备检修及故障时，也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。满足检修时的灵活性要求。在某一设备需要检修时，应能方便地将其退出运行，并使该设备与带电运行部分有可靠的安全隔离，保证检修人员检修时方便和安全。 (3) 具有经济性在主接线设计时，在满足供电可靠的基础上，尽量使设备投资费和运行费为最少，注意节约占地面积和搬迁费用，在可能和允许条件下应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。 3.4 牵引变电所馈线侧主接线设计馈线侧采用50%备用，这种接线适用于单线区段牵引母线同相得场合和复线区段每相牵引母线只有两条馈线的场合，并且馈线只向牵引网供电。每两条馈线设一台备用断路器，通过隔离开关的轮换，备用断路器可代替任何馈线断路器工作。牵引母线用两台隔离开关分段是为了便于两段母线轮流检修。图3.3-1馈线50%备用第4章短路计算为使所选电器设备和导体有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，而进行短路电流计算。其计算电路如图4-1 图4-1 短路计算电路其等效电路如图4-2 图4-2 短路等效电路图（1）确定基准值取（2）变压器的电抗标幺值（3）k-1点的相关计算总电抗标幺值三相短路电流周期分量有效值其他三相短路电流（4）K-2点的相关计算总电抗标幺值三相短路电流周期分量有效值其他三相短路电流第5章主要一次设备的选择 1、按工作电压选择设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压。 2、按工作电流选择设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流。 3、按断流能力选择设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量。对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。 4、隔离开关和断路器的短路稳定度校验（1）动稳定校验条件或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值（2）热稳定校验条件注：为短路稳定电流，为热效时间，为电器的热稳定电流，为电器的热稳定试验时间。对于上面的分析，如表5-1示，由它可知所选一次设备均满足要求。表5-1 一次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数据 110kV 4.02A 4.183kA 6.316kA 27 设备型号规格少油断路器SW3-110G 110kV 1200A 15.8kA 41 kA 998.56 高压隔离开关GW4-110DDW 110kV 630A - 50 kA 1600 避雷器 Y10W5-100/295 110kV - - - - 第6章并联电容补偿根据任务书要求，本次设计变电站要求对10kV侧进行无功补偿设计。要求27.5kV侧负荷的功率因素cosj从0.8提高到0.9。（1）牵引变电所负荷平均有功功率（2）需补无功容量（3）安装无功容量取取选取电容器型号为CY-1-50-1的电容器（4）实际安装无功容量串联电容器单元数并联电容器单元数第七章变电所保护装置设备认知、接地防护与避雷装置 7.1接地防护与避雷装置让雷电进入到防雷系统后，则需要变电所内的设备做好搪地，这样会引导雷击电流流入大地，不会对设备造成破坏，使雷电的能量得到有效的泄放，使引线上的电压保持在正常的范围内，避免发生反击的情况。所以在变电所内的防雷系统中，要具有良好的接地体，这是防雷的关键，可以有效的避免二次反击雷的产生，保护电子设备的安全。因此，牵引变电所要做好接地网，不仅在使接地网满足规范的要求，同时还要对接地电阻进行定期的检测，确保电阻能够满足安全运行的需要。所以需要在实际牵引变电所运行中，根据运行的情况，来对进行等电位连接、电源防雷装置及浪涌电压保护装置的安装和设置，从而使变电所内的所有设备都能够达到统一的防雷效果。而当变电所内所有设备都能够满足防雷保护要求后，则需要进行统一接地网的敷设，同时为了进一步确保防雷措施的安全性，则还需要在避雷针和接地体下增加接地体，而且还要单独对这些接地体进行敷设。 7.2保护装置设备认知操作机构 7.2.1高压断路器高压断路器是电力系统中最为重要的电器。在正常运行状态下，依靠断路器接通或断开负荷电流起控制作用；在故障状态时，依靠断路器与继电保护装置配合迅速而准确的切断短路电流而起保护作用。它具有很强的灭弧能力，性能完善，同时具有控制和保护双重作用。断路器在断开时，触头间会产生电弧，高压断路器有专门的灭弧机构。高压断路器的灭弧方法有很多种，有利用电流产生的电磁吹力来灭弧的磁吹灭弧，有利用电弧将介质分解成强大气流的气吹灭弧，还有利用真空不易产生电弧的性能灭弧等等。根据灭弧介质的不同，可分为油断路器、六氟化硫（SF6）断路器和真空断路器等。 1.少油断路器采用变压器油作为灭弧介质的断路器称为油断路器，油断路器有少油断路器和多油断路器两种。变压器油不仅作为灭弧介质，还要作为绝缘介质的断路器为多油断路器；变压器油只作为灭弧介质和触头开断后弧隙绝缘介质，而带电部分与地之间的绝缘采用磁介质的断路器称为少油断路器。少油断路器的灭弧室和触头都安装在瓷套中，少量油作灭弧介质。少油断路器在我国电气化铁路发展初期得到较为广泛的应用，但少油断路器燃弧时间较长，动作速度慢，体积相对较大，且不适于频繁操作，随着技术的发展，最终将会被性能更加优良的六氟化硫断路器和真空断路器所取代。目前少油断路器仅在110kV侧使用，有SW3-110型（电磁操动机构）和SW6-110型（液压操动机构）两种。 2.六氟化硫断路器六氟化硫是一种无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体，它具有良好的灭弧和绝缘性能，用六氯化硫气体作为灭弧和绝缘介质的新型气吹断路器，已得到了广泛的应用。六氟化硫断路器在吹弧的过程中，气体不排入大气，而在封闭系统中反复使用。户外SF6断路器结构形式有瓷柱式和罐式两种。磁柱式的灭弧室置于瓷套内，价格较低；罐式的灭弧室置于接地的金属罐中，用SF6作为绝缘介质，重心低，在进出线套管上可安装电流互感器，同时利用出线套管的电容制成电容式分压器，获得电压信号，也可和其它设备组成复合式开关设备，抗震性强。由于SF6的优良电气绝缘和灭弧能力，近年来六氟化硫全封闭组合电器得到了快速发展，特别是在高压、超高压断路器领域中扮演着重要的角色。 3.真空断路器真空断路器是利用真空作为绝缘和灭弧手段的断路器。其核心部件是真空灭弧室。真空灭弧室的外壳常用微晶玻璃或高强度陶瓷等无机绝缘材料制成，两端有金属端盖。静触头与上端盖焊成一体，动触头借助于波纹管伸缩，实现分合闸的操作。真空灭弧室的真空度应保持在Pa以上。真空灭弧室的开断特性与触头结构和触头材质关系极大，大容量灭弧室都需要利用短路电流产生的磁场灭弧，因此触头做成各种形状。触头的材质，不仅应具有导电性能好，开断能力强，耐压强度高，电寿命长等一般特性，还需要满足抗熔焊性能好，截流水平低等特殊要求。真空断路器电寿命长，能频繁操作，新型的真空断路器可以开断额定电流上万次，开断短路电流数十次，而且无爆炸、火灾的危险，目前正得到广泛的应用。 4、断路器的操作机构断路器的分、合闸操作功率大，必须有专门的操动机构来完成。断路器操动机构结构复杂，传动速度较快，操作功率大，是断路器必备的配件。各种断路器配置不同的操动机构，断路器的各种自动化操作是通过操动机构与控制电路联合实现的。断路器的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构、液压操动机构和气动操动机构。电磁操动机构是利用电磁铁作为操作动力，其特点是结构简单，动作可靠，但是需要较大容量的直流电源。弹簧操动机构是利用电动机使合闸弹簧压缩贮能作为操作动力。其特点是结构简单，不需要大容量直流电源。液压操动机构是利用氮气压缩贮能，以油作为传递压力的媒介，由工作缸活塞的运动带动断路器工作。这种机构效率高，一次贮能，可多次动作，而且动作平稳，但各部件加工精度要求较高，工作中要保持良好的密封性能。气动操动机构是利用压缩机将空气压缩存在贮气缸内，由压缩空气推动操动机构中的汽缸活塞，是断路器动作，其优点是操动平稳可靠，不需大容量电源，但需要有压缩空气系统。 7.2.2高压隔离开关及其操动机构隔离开关是一种没有灭弧装置的开关电器，其动、静触头、导电杆均暴露在外。在分闸状态下有明显的断口，在合闸状态下能可靠的通过额定电流和短路电流。隔离开关没有灭弧装置，不能切断负荷电流和短路电流，所以隔离开关通常和断路器配合使用，且在操作中必须注意与断路器操作的先后顺序。实用中，若隔离开关与断路器串联，隔离开关进行分合闸操作的条件是断路器处于分闸状态。即在分闸操作时先分断路器，后分隔离开关；在合闸操作时，先合隔离开关，再合断路器。若隔离开关与断路器并联，隔离开关进行分合闸操作的条件是隔离开关处于合闸状态，即合闸时，先合断路器再合隔离开关；分闸时先分隔离开关再断开断路器。隔离开关的主要用途有： 1.为设备或线路的检修与分断进行电气隔离； 2.在断口两端电位接近相等的情况下，倒换母线，改变接线方式； 3.分合一定长度的母线和电缆； 4.分合一定容量的空载变压器、一定长度的空载线路和电压互感器。隔离开关安装地点可分为户内型和户外型，按触头的运动方式可分为水平回转式、垂直回转式、伸缩式和直线移动式。其操动机构有手动和电动两种，由于隔离开关是不带负荷进行操作，故对分合闸的速度和时间没有严格的要求，所以多采用手动才动机构，只有在远距离控制的要求下，才采用电动操动机构。 GW系列交流隔离开关，用于电气化铁道额定电压36~126kV的电力系统中，供有电压无负荷时分合线路用。GW系列隔离开关包括三个单极，每极为双柱式结构。主要由底座、支持绝缘子、导电部分组成。 7.2.3互感器 7.2.3.1电流互感器变电所中装设的电流互感器，由于一次主电路电流很大，所以电流互感器一次绕组匝数极少，绕组截面粗，直接串接于主电路中；二次绕组外接测量仪表和继电保护装置的电流绕组，负荷阻抗极小。所以电流互感器相当于一台容量很小、工作状态近似副边断路的变压器，结构上也类似于变压器。电流互感器在接线时，一定要注意极性，在工程实用中，一般采用减极性接线。电流互感器的接线方式有单相接线、两项不完全星形接线、星形接线、两相电流差接线、三角型接线和零序接线六种，这六种接线分别适用于不同场合。运行中的电流互感器，若副边绕组开路，副边绕组将感应数千伏的高压，危及人身和设备的安全，同时铁芯剧烈发热，导致电流互感器损坏。因此运行中的电流互感器禁止将其二次侧开路，电流互感器副边绕组不允许安装熔断器，不接负载的二次绕组都必须将其短接。 7.2.3.2电压互感器变电所中装设的电压互感器，由于一次主电路电压很高，所以一次绕组匝数较多，直接并接于一次电路中；二次绕组匝数较少，直接和测量仪表及继电保护装置的电压绕组相连，负荷阻抗很大。因此，电压互感器相当于一台容量很小、工作状态近似副边开路的变压器，其结构上也类似变压器。电压互感器按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。电磁式电压互感器原理与变压器相同，电容式电压互感器利用电容分压原理构成。电气化铁路大部分采用电磁式电压互感器。常见的电压互感器接线方式有单相接线、三相V形接线、完全星形接线。其中单相接线适用于测量电压对称的三相电路；三相V形接线适用于35kV以下中性点不接地系统测量；完全星形接线用于测量电网中各种相电压、线电压及为用于零序保护设备提供零序电压。特别应当指出，电压互感器的二次负载主要是仪表和电压继电器线圈，其阻抗很大，电压互感器运行时近似于变压器二次侧开路。电压互感器在运行时，若二次绕组出现短路的情况，则产生过电流，导致电压互感器损坏。因此除放电用电压互感器外，所有电压互感器一次和二次绕组均需安装熔断器保护。第八章总结经过本次设计，我学到了许多有用的东西，也积累了不少经验，但由于能力不足，加之时间和精力有限，我感觉还是有一些不足之处：如继电保护设置的不太完善，在许多内容表述上存在着不当之处，设计的深度也很欠缺。不过，在这次设计中有好多知识都是随学随用，就增加了很多不必要的麻烦。非常后悔当初课上听的比较少，因此也得到了教训。但在我们不断努力下，不怕麻烦不怕重复，当克服了这些问题之后我会感觉到自己的知识在一点一滴地积累不知不觉中增加。虽然在设计过程中很多错误被克服了。我相信，只要肯钻研，只要挤时间，一切自己想要的知识都可以。参考文献 [1] 李彦哲,王果等.电气化铁道供电系统与设计[M].兰州:兰州大学出版社,2006. 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