KV牵引变电所的一次设备部分设计.docx

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KV牵引变电所的一次设备部分设计

摘　　要

牵引变电所一次设备的设计是铁路供电设计的重要组成部分。

其内容包括主接线形式的选择，短路电流的计算，设备的选择与校验计算等多方面设计内容。

本文的主要设计内容包括：

（1）根据负荷情况确定变压器的容量。

（2）根据实际工程要求与国家设计规范的要求选择主接线形式。

（3）选择了系统中具有典型性的两个短路点，计算他们的短路电流。

（4）根据所得到的短路电流计算结果选择、校验设备。

（5）绘制变电所主接线图、平面俯视图、侧面剖视图。

本文组织如下：

第一章，简要叙述了我国电气化铁道供电的基本情况，说明了电力牵引事业在我国建设的重要意义。

第二章，详细介绍了与牵电所设计相关的理论与基础知识。

其内容主要包括牵引变电所概述，主接线的各种接线形式与设计要求，短路电流计算方法，设备选择与校验方法，平面布置的设计要求等。

第三章,兰州110KV牵引变电所一次设备的具体设计。

关键词：

牵引变电所；电气主接线；变压器容量

Abstract

Designthefirstpartequipmentofthetractionsubstationisoneoftheimportantpartsofdesignrailwayelectricpowersupply.Itscontentinclude:

selecttheformatofthemainconnection,counttheshortcircuitcurrent,selectandtuningoftheequipmentandsoon.

Themaindesigningofthisdissertationincludes:

1）Basesontheloaddeterminethecapacityofthetransformer.

2）Basesonthepracticeofthepracticeoftheprojectandthenationdesignnormativerequestselecttheformatofthemainconnection.

3）Selecttwotypicalshortcircuitcurrentselectandtuningtheequipment.

4）Basesontheresultoftheshortcircuitcurrentselectandtuningtheequipment.

5）Protractthreeblueprintofthedistribute-station.

Thedissertationisorganizedasfollows:

Section1;recitetheelectrificationrailwayinourcountry.Narratethemagnitudemeaningoftheelectrictractionaffairtoourcountryconstruct.Section2;introducethetheoryandbasicknowledgeaboutthedesigningtractionsubstationparticularly.Itscontentinclude:

summarizeofthetractionsubstation,theformatanddesignrequestofthebasiccircuit,thecountmethodoftheshortcircuitcurrent,themethodoftheselectandtuningoftheequipment,disposaloftheequipmentandsoon.Section3;ConcretedesignoftheHUHEHAOTE110kVtractionsubstation.

Keywords:

Tractionsubstation,Basiccircuit,Calculationofshortcircuit,Electricequipment,Disposaldesig

1.绪论

电力工业是国民经济的一个重要组成部分，它为工业、农业、交通运输和城市提供能源。

由于电能易于控制、输配简单经济且便于转变成其他形式的能量（机械能、光能、热能、化学能等），电能已广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面。

在我国电气化铁道也是由电力系统供电，安全、可靠、经济、合理地为电气化铁道供配电是实现铁路运输安全、可靠的重要保证和基础。

（1）电气化铁道供电系统由一次供电系统和牵引供电系统组成。

1）一次供电系统

2）牵引供电系统

电力部门管辖的电力系统与铁路部门管辖的牵引供电系统是在牵引变电所高压进线的门形架处分界。

（2）电力牵引供电系统的主要特点

我国电力牵引供电系统的主要特点有以下几方面：

1）电力机车是单相移动性随机负荷，是一种负序源。

2）非线性整流器机车，成为一种谐波源，并从电力系统和牵引供电系统获取无功。

3）供电方式及设备种类多样化，有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、串联吸流变压器

4）牵引供电系统和电力机车在电气上是—个连续的整体，易于实现自动化和信息化管理。

（3）对电气化铁道供电系统的基本要求:

1）保证向电气化铁路安全、可靠、不间断地供电；

2）提高供电质量，保证必需的电压水平；

3）提高功率因数，减少电能损失，降低工程投资和运营费用；

4）尽量减小单相牵引负荷在电力系统引起负序电流、负序电压和高次谐波影响；

5）尽量减小对邻近的通信线路的干扰影响。

我的毕业设计内容是110KV牵引变电所的一次设备设计，它是电气化铁道供电系统中的重要组成部分，设计内容主要包括牵引变电所容量的设计，主接线的设计，短路计算，一次设备的选择，以及牵引变电所的平面布置等几个方面。

2.牵引变电所概论

2.1牵引变电所设计概述

牵引变电所是电气化铁道供电系统的重要组成部分，它的作用是将110kV（或220kV）三相交流高压电变换为27.5（或55）kV，然后以27.5（或55）kV的电压等级向牵引网供电。

2.2牵引变电所的分类

2.2.1牵引变电所按牵引网电流性质的分类

（1）直流牵引变电所

直流牵引变电所可分为回转变流机组、电动发电机组、离子变流器（水银整流器）和半导体整流器等类型。

（2）交流牵引变电所

由于把变流或整流装置已经转移到电力机车上，故和直流牵引变电所相比，交流牵引变电所的结构比较简单。

2.2.2交流牵引变电所按频率和牵引网相数的分类

（1）工频单相交流牵引变电所

我国铁路干线的电气化，采用工频50Hz单相交流制，接触网额定电压为25kV（某些国家也有采用工频60Hz，以及额定电压为50kV的情况）。

这是国际公认的优越的电流制。

这种电流制在电力机车上将交流电降压后应用整流装置整流来供应直流牵引电动机。

牵引变电所的主变压器主要用来降压、分相，所内没有变流以及变频装置。

（2）低频交流牵引变电所

1）.低频单相交流牵引变电所

欧美不少国家采用25Hz单相交流制，接触网额定电压为11或25kV。

低频单相交流制的出现，与力图提高牵引网电压以降低接触网中的有色金属用量有关。

2）低频三相交流牵引变电所

有的国家曾采用25Hz三相交流制，接触网额定电压为。

此时不需变相装置，并可始终保持牵引网处于三相对称运行状态，但要架设三相接触网，结构复杂。

2.2.3工频单相交流牵引变电所按主变压器结构种类和接线方式的分类

有单相结线（又称简单单相结线，或纯单相结线）；单相V,V结线；三相V,V结线；三相YN,d11结线和三相不等容量YN,d11结线；三相YN,dll,dll十字交叉结线；斯科特结线；YN,

阻抗匹配平衡结线；非阻抗匹配YN，

平衡结线，YN，

平衡结线等。

我国台湾省电气化铁道采用的还有列布兰结线。

2.3牵引变电所的设计原则

（1）在采用集中供电方式（每个牵引变电所单独完成所辖供电臂供电任务）的牵引变电所中通常设置两台变压器。

（2）变压器事故或检修时，集中供电方式一般采用移动（或固定）备用变压器，采用移动备用变压器时，牵引变电所应设置专用岔线，对无条件设置专用岔线的个别变电所，则采用固定备用变压器。

（3）牵引变电所由电力系统供电。

由于电气化铁道为一级负荷，因此必须要求电力系统可靠地向牵引变电所供电。

（4）变压器的接线方式，目前多采用的有三相Y/△-LL接线、单相V/V接线、单相接线以及三相-两相斯科达接线等四种。

（5）牵引变电所的馈线数目一般按如下原则考虑：

单线区段采用两回；复线区段采用4回；牵引变电所所在车站股道超过6股时，应考虑设单独馈电线；在枢纽站（或区段站）的到发场以及电力机车机务段和折返段应设置单独馈电线；对支线一般也应设单独馈电线。

（6）为了改善牵引供电系统的供电质量，减少牵引负荷对电力系统的影响和对通信线路的影响，在牵引变电所中根据需要可设置串联和并联电容补偿装置。

（7）牵引变电所之间的距离，单线区段一般为50-60km，复线区段和单线双机牵引区段一般为40-50km。

（8）牵引变电所场地的确定，除根据供电要求合理分布外，还应考虑如下因素：

1）场地条件，包括场地土方量小，高压进线和牵引侧馈线电线走廊畅通，岔线引入方便、节省用地等。

变电所场地的标高应高于百年洪水位，并躲开地质不良地段。

2）考虑运营管理人员的生活条件。

因此有条件时，应尽量设在大站。

3）尽量躲开污秽地区、高海拔地区，远离机场、雷达站、广播电台、电视台等弱电设备地区。

2.4牵引网与接触网

牵引供电回路的构成为：

牵引变电所、馈电线、接触导线、电力机车、钢轨与大地、回流线。

在这个闭合系统中通常将馈电线、接触导线、钢轨与大地回流线统称为牵引网。

3电气主接线方案的确定

3.1电气主接线概述

牵引变电所（包括开闭所、分区所）的电气主接线是指有隔离开关、互感器、避雷器、断路器、主变压器、母线、电力电缆、移相电容器等高压一次电设备，按工作要求顺序连接构成的接受和分配电能的牵引变电所内部的电器主电路。

它反映了牵引变电所的基本结构和性能，在运行中表明电能的输送和分配关系、一次设备的运行方式，是实际运行操作的依据。

电器主接线图通常画成单线图的形式（单线图是表示三相交流电气装置中一相连接顺序的图）。

在个别情况下，当三相电路中设备显得不对称时，则部分的用三线图表示。

主接线的确定对牵引变电所电气设备的选择、配电装置的布置以及运行的可靠性和经济性有很密切的关系。

所以主接线是牵引变电所电气设计中一个很主要的问题。

3.2电气主接线的基本形式

3.2.1单母线接线

图3.1单母线接线图

如图3.1所示，整个配电装置中只设一组母线。

将各个电源的电能汇集后再分配到各引出线。

连到母线上的电源回路与出线回路的分布应使通过母线各断面上的电流最小。

单母线接线的优点：

接线简单、设备少、配电装置费用低、经济性好并能满足一定的可靠性；

每一回路由断路器切断符合电流和故障电流。

检修断路器时，可用两侧隔离开关使断路器与电压隔离，保证检修人员的安全。

单母线接线的缺陷是：

母线故障及检修母线和与母线连接的隔离开关时要造成停电。

为了克服单母线接线的缺陷，通常采用以下措施：

（1）用断路器或隔离开关将母线分段。

（2）增加旁路母线及相应设备，使检修任一进出回路的断路器时不致停电。

3.2.2桥形接线

当牵引变电所只有两回路电源进线和两台主变压器时，常在电源线路间用横向母线将它们连接起来，即构成桥形接线如图3.2所示。

桥式接线要比分段单母线接线简化，它减少了断路器的数量，四回电路只采用三台断路器，配电装置结构也较简

（a）内桥接线（b）外桥接线

接线图

桥形接线按中间横向桥接母线的位置不同而分为内桥接线（如图2-2-2-a）和外桥接线（如图3.2b）两种。

前者的桥接母线连接在靠变压器侧，而后者则连接在考线路侧。

桥形接线正常运行时，三台断路器均处于关闭状态。

根据接线形式的特点，内桥接线适合于线路长，线路故障率高，而变压器不需频繁操作的场合，这种接线形式可以很方便的切换或投入线路，而切除某台变压器时，则需同时断开与之相连的两台断路器造成一条出线的短时停电。

图3.3牵引变电所接线图

对于图3.3所示的牵引变电所，其两回电源线路是从输线路WL1,WL2采用分支连接（又称T型连接）的方式获得。

此时，牵引变电所的进线线路会较短；同时，又由于此处牵引变电所两回电源线路不是以构成环形电网的方式接入电力系统的，因此牵引变电所高压母线无穿越功率通过。

这种情况下，上述桥形接线的桥路断路器没有任何作用，但考虑运行的灵活性，可在两电源线路间保留带有隔离开关的跨条，形成如图3.3的简单接线或称双线T型接线。

按电源参数不同，双T式主接线通常采用下列几种运行方式：

（1）若两路电源允许在25kV侧并联，可采用一路电源（如WL1）供电，另一路电源（如WL2）备用的运行方式。

（2）若两路电源允许在25kV侧并联，还可采用两路电源同时供电的运行方式。

正常供电时，跨条隔离开关断开，其它开关均闭合，两台主变压器分列运行。

（3）若两路电源不允许在25kV侧并联，通常采用一路电源（如WL1）供电，另一路电源（如WL2）备用的运行方式。

（4）若两路电源不允许在25kV侧并联，也可采用两路电源同时供电的运行方式。

正常供电时，跨条隔离开关断开，其它开关均闭合，两台变压器分列运行，其倒换电源的操作顺序同2.

（5）若两路电源允许在110kV侧用隔离开关并联，双T主线可采用两路电源同时供电，此时跨条隔离开关断开，两台主变压器分列运行。

3.3牵引变电所主接线

牵引变电所按其在电网中的位置、重要程度和电源引入方式的不同可分为：

中心变电所，它有4路以上进线并有系统功率穿越；通过式变电所，它有两路进线并有系统功率穿越；分接式变电所，它有两路进线，无系统功率穿越。

所谓系统功率穿越是指该变电所的母线上有其它变电所的负荷电流通过。

3.3.1三相YN,D11接线变压器

三相YN,D11接线变压器用于直接供电方式或溪流变压器供电方式中。

变压器高压侧绕组以星形方式与电力系统的三相相连接。

变压器低压侧绕组结成三角形，其中C端子的一角经电流互感器接致接地网和钢轨（溪流变压器供电方式时接回流线）另两角（变压器AB端子）分别经电流互感器、断路器和隔离开关引接至牵引母线。

3.3.2单相V,v接线变压器

单相V，v接线变压器是由两台单相变压器构成，高压侧两个绕组接在电力系统的两个线电压上。

当采用直接供电方式时，低压侧两个绕组接成V形，两变压器的次边绕组，各取一端连至27.5KV的a相和b相母线上。

而他们的另一端则以连成公共端的方式接至接地网和钢轨或钢轨引回的回流线。

为保证供电的可靠性及经济性，采用变压器移动备用的方式。

其主接线如图2-3-1所示。

为便于移动变压器的接入，低压侧单独设有断路器和隔离开关，移动变压器高压侧临时连接。

图3.3单相V,v接线变压器主接线图

3.3.3斯科特接线变压器

斯科特接线变压器是一种平衡变压器，它将电力系统的三相电压变成相差90度的两相电压。

高压侧绕组接成T形，接至电力系统的三个相上，低压侧两相绕组设断路器和隔离开关，接至母线上。

3.4牵引侧主接线

3.4.127.5kV（或55kV）侧馈线的接线方式

由于27.5Kv（或55kV）馈线断路器的跳闸次数较多，为了提高供电的可靠性，按馈线断路器备用方式不同，牵引变电所27.5kV（或55kV）侧馈线的接线方式一般有下列三种:

（1）馈线断路器100%备用的接线

图3.4馈线断路器100%备用的接线

如图3.4所示。

此种接线用于单线区段，牵引母线不同相的场合。

这种接线当工作断路器需检修时，即由备用断路器代替。

断路器的转换操作方便，供电可靠性高，但一次投资较大。

（2）馈线断路器50%备有的接线

图3.5馈线断路器50%备有的接线

如图3.5此种接线由于单线区段，牵引母线同相的场合和复线区段，每相母线只有两条馈线的场合。

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。

牵引母线用两台隔离开关分段时为了便于两段母线轮流检修。

（3）带旁路母线和旁路断路器的接线

图3.6带旁路母线和旁路断路器的接线

如图3.6所示,一般每2～4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。

这种接线方式适应于没想牵引母线数目较多的场合，以减少备用断路器的数量。

3.4.2复线铁路斯科特接线变压器AT供电方式馈电线接线

AT供电方式馈电线由电线网（T）和正馈线（F）两根线，断路器和隔离开关均为双级；另有中线馈出，不设断路器和隔离开关。

当牵引变压器（斯科特接线变压器）副边线圈无中点抽头时，在变电所内还应另设自耦变压器。

如图2-4-4所示。

图3.7复线铁路斯科特接线变压器AT供电方式馈电线接线

3.4.3动力变压器及自用电变压器接线

直接供电方式，牵引侧母线为三相时，动力变压器一般采用D,d12接线，若牵引侧母线为两相垂直相差时，动力变压器可采用逆斯科特接线。

将两相电压变成三相电压供给非牵引负荷，其主接线如图2-4-5所示。

图3.8动力变压器及自用电变压器接线

3.5主接线方案

3.5.1主接线方案的拟定

对本变电所原始材料进行分析，结合对电气主接线的可靠性、灵活性及经济性等基本要求，综合考虑。

在满足技术、经济政策的前提下，力争使其技术先进，供电可靠，经济合理的主接线方案。

此主接线还应具有足够的灵活性，能适应各种运行方式的变化，且在检修、事故等特殊状态下操作方便、调度灵活、检修安全、扩建发展方便。

故拟定的方案如下：

（1）方案A:

110KV侧采用双母线接线，27.5KV侧采用馈线断路器100%备用的单母线接线。

（2）方案B:

110KV侧采用双T接线，27.5KV侧同方案A。

3.5.2主接线方案的确定

两种方案相比较，都能保证供电的可靠性，但是方案B所用的高压电器更少，配电装置更简单，线路继电保护也简单，结合经济建设的需要，在满足要求的前提下，尽可能节约设备的投资。

故应选方案B。

主接线图如下：

图3.9主接线图

正常运行时，一路电源供电，另一路电源备用，两台主变压器一台正常运行，一台备用。

4高压电器设备的选择

4.1电器选择的一般原则

工业企业的供电系统是由各种电器设备按照一定的主接线关系组成，为确保其安全可靠、经济合理地运行，必须正确合理地选择各种电器设备。

在选择电器设备时，既要考虑安全可靠留有适当余地，又要考虑到经济和安装地点的客观情况，如气候条件（风、雨、雪和湿度等）和环境情况（灰尘和有害气体）。

4.1.1按正常工作条件选择高压电器设备

为了保证在正常运行情况下各种电器设备能可靠工作，必须考虑电器设备的额定电压和额定电流。

4.1.2按短路时故障情况进行效验

为保证电器设备在短路时，不会因短路电流流过而遭损坏，应对所选的电器设备进行短路的动稳定性、热稳定性和断路电流进行效验。

4.2高压断路器的选择

选择断路器时应满足以下基本要求：

（1）在合闸运行时应为良导体，不但能长期通过负荷电流，即使通过短路电流，也应该具有足够的热稳定性和动稳定性。

（2）在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。

（3）应有足够的断路能力和尽可能短的分段时间。

（4）应有尽可能长的机械寿命和电气寿命，并要求结构简单、体积小、重量轻、安装维护方便。

4.2.1110kV侧断路器的选择

（1）该回路为110kV电压等级，故可选用六氟化硫断路器。

（2）断路器安装在户外，故选户外式断路器。

（3）回路额定电压Ue≥110kV的断路器，且断路器的额定电流不得小于通过断路器的最大持续电流1054A。

（4）为方便运行管理及维护，选取110kVSF6断路器为同一型号产品，选为OFPT（B）-110断路器

4.2.210kV侧断路器的选择

（1）该回路为10kV电压等级，故可选用真空断路器。

（2）该断路器安装在户内，故选用户内式断路器。

（3）回路额定电压为10kV，因此必须选择额定电压Ue≥10kV的断路器，且其额定电流不小于流过断路器的最大持续电流1150.7A。

4.3隔离开关的选择

选择隔离开关时应满足以下基本要求：

（1）隔离开关分开后应具有明显的断开点，易于鉴别设备是否与电网隔开。

（2）隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证过电压及相间闪络的情况下，不致引起击穿而危及工作人员的安全。

（3）隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度。

（4）隔离开关在跳、合闸时的同期性要好，要有最佳的跳、合闸速度，以尽可能降低操作时的过电压。

（5）隔离开关的结构简单，动作要可靠。

（6）带有接地刀闸的隔离开关，必须装设连锁机构，以保证隔离开关的正确操作。

4.3.1110kV侧隔离开关的选择

（1）为保证电气设备和母线检修安全，选择隔离开关带接地刀闸。

（2）该隔离开关安装在户外，故选择户外式。

（3）该回路额定电压为110kV，因此所选的隔离开关额定电压Ue≥110kV，且隔离开关的额定电流大于流过断路器的最大持续电流、初选GW4—110D型单接地高压隔离开关其主

（4）校验所选的隔离开关

1）动稳定校验动稳定电流等于极限通过电流峰值即idw=55kA

流过该断。

器的短路冲击电流ish=4.83kA.s即idw＞ish（55KA＞4.83KA）动稳定要求满足。

2）该隔离开关配用CS6型手动式杠杆操作机构。

4.3.210kV侧隔离开关的选择

（1）为保证电气设备和母线检修安全，隔离开关选择不带接地刀闸。

（2）隔离开关安装在户内，故选用户内式。

（3）该回路的额定电压为10kV所选隔离开关的额定电压Ue≥10kV，额定电流大于流过隔离开关的最大持续电流1150.7A。

初选GN19—10型隔离开关，其主要技术数据如下：

型号

额定电压（KV）

额定电流

（A）

允许热效应（kA2.s）

动稳态电流（KA）

GN19-10

10

1250

3200

100

4.4电压母线的选择

本变电所10KV的最终回路较多，因此10KV母线应选硬导体为宜。

故所选LGJ—150型钢芯铝绞线满足热稳定要求，则同时也大于可不校验电晕的最小导体LGJ—70，故不进行电晕校验。

选择户外式绝缘子可以增长沿面放电距离，并能在雨天阻断水流，以保证绝缘子在恶劣的气候环境中可靠的工作。

穿墙套管用于母线在屋内穿过墙壁和天花板以及从屋内向屋外穿墙时使用，6～35KV为瓷绝缘，60～220KV为油浸纸绝缘电容式。

4.5各主要电气设备选择结果一览表

电压等级

电气设备

10kV

110KV

高压断路器

SN9-10

OFPT（B）-110

隔离开关

GN19—10

GW4—110D

电