牵引变电所课程设计--中间牵引变电所电气主接线的设计.doc

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2011级
牵引供电课程设计

集中实践报告书

课题名称
中间牵引变电所电气主接线的设计
姓 名

学 号

系、 部
电气工程系
专业班级

指导教师

2015年1月5日

一、设计任务及要求：
设计任务：中间牵引变电所电气主接线的设计。

设计要求：确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式，并分析主变压器货110KV线路故障时运行方式的转换；确定牵引变压器的容量、台数及接线方式；
确定牵引负荷侧电气主接线的形式；对变电所进行短路计算，并进行电气设备选择；
设置合适的过电压保护装置、防雷装置以及提高接触网功率因数的装置；用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。
二、指导教师评语：

三、成绩

指导教师签名：

年 月 日
中间牵引变电所电气主接线的设计

目 录

1.设计目的及依据…………………………………….……………………………………1
1.1设计目的……………………………………………………………………………1
1.2设计基本要求………………………………………………………………………1
1.3设计依据……………………………………………………………………………1
2.设计思路…………………………………….……………………………………………2
3.牵引变压器的选择和容量计算………………………………………….………………2
3.1变压器计算容量计算………..……………………….…...……………….………2
3.2变压器校核容量计算………..………..……………….…….…………….………2
3.3变压器安装容量计算和选择………..……………….…...……………….………3
4.主接线设计…………………………………….………....………………………………3
4.1牵引变电所高压侧主接线………..……..…..……………….….……….......……3
4.2牵引变电所低压侧主接线…………..……………...………………..……………3
5.短路计算………………..………………..…….……..…....…………………..…………7
5.1短路计算的目的…………………………………….………....…..………………4
5.2短路计算…………………………….……….………....…….……………………4
6.电气设备选择…………………………………….……….....……………………...……6
6.1 110KV侧进线的选择……………………………….…….….……....….…………6
6.2高压断路器的选择……………………..………….…….….….…....….…………7
6.2.1 110kV侧断路器选择………………………………….……....….…………7
6.2.2 27.5kV侧断路器选择………….…………...…………..….....….…………8
6.3隔离开关的选取……………………………….…….….….……....….……..……8
6.3.1 110kV侧隔离开关选择………….…….……..……….……....….…………8
6.3.2 27.5kV侧隔离开关选择……………………………….….....…..…………9
6.4互感器的选取………….…………..……….…...….…….….……....….…………9
6.4.1 110kV侧电流互感器选择…….…………….….…….…….…….…………9
6.4.2 27.5kV侧电流互感器选择…………………….…………....….…………10
7.并联无功补偿….…….………………………..….….….…….….…….....….…………10
7.1并联电容补偿的作用……………………….…….…….….……....….…………10
7.2并联电容补偿装计算………………………….…….…….….…....….…………10
8.继电保护………………………………..….….….….…..…….….……....….…………11
9.防雷设计………………………………..….….….….…..…….….……....….…………11
9.1雷电危害…………….…….….….……….……….…….….……....….…………11
9.2防雷措施……….………….……………..….….……….….……....….…………12
10.设计结论……………………………….….….….….….…….….……....….…………12
参考文献…………………….….….….….….…………….…….….……....….…………14

1.设计目的及依据
1.1设计目的
牵引变压器是牵引供电系统的重要设备,其容量的大小关系到能否完成国家交给的运输任务和运营成本。从安全运行和经济方面来看,容量过小会使牵引变压器长期过载,将造成其寿命缩短,甚至烧损;反之,如果容量过大,将使变压器长期不能满载运行,从而造成其容量浪费,损耗增加,使运营费用增大。因此,在进行牵引变压器容量计算时，正确地确定计算条件，以便合理的选定牵引变压器的额定容量是十分重要的。
1.2设计基本要求
（1） 确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式。
（2） 确定牵引变电器的容量、接线方式机台数。
（3）确定牵引负荷侧电气主接线的形式。
（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CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。
1.3设计依据
（1）该牵引变电所属于通过式变电所，其供电电源是110kV双回路，其牵引变电所需经常切换，而110kV电源线路较短，故障检修定点机会少。电力系统容量为3200MVA，选取基准容量Sj为100MVA，在最大运行方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.12；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.15。
（2）牵引变压器的额定电压为220/27.5kV，重负荷臂有效电流和平均电流为320A和240A，重负荷壁的最大电流为650A；轻负荷臂有效电流和平均电流为268A和186A；
（3）改牵引变电所有穿越功率通过母线，并向可临近牵引变电所或地区变电所供电，容量计算为800kVA，还可以提供变电所自用电。
（4）环境资料：
本牵引变电所地区平均海拔为600m，地层以沙质粘土为主，地下水位为6.5m。该牵引变电所位于电气化铁路的中间位置，所内不设铁路岔线，外部有公路直通所内。
本变电所地区最高温度为37°C，年平均温度22°C，年最热月平均最高气温为332°C，年雷暴雨日数为21天，土壤冻结深度为1.3m。
2. 设计思路
首先对牵引变压器的容量进行计算，根据计算的容量对变压器的类型和型号做出选择，确保满足题目的供电要求。
对110KV侧电气主接线的接线形式进行分析。主要有单母线接线，单母线分段接线，带旁路母线的单母线接线，双母线接线和无母线接线。各种接线形式有自身的好处，考虑到中间牵引变电所供电的可靠性原则作出选择。当线路发生故障要求在停电时能自动跳开故障线路断路器，闭合备用线路断路器，保证系统继续运行。
对27.5KV侧馈线有三种接线方式：馈线断路器100%备用接线，馈线断路器50%备用接线，带旁路母线和旁路断路器接线，考虑到可靠性经济性原则作出相应选择。
最后为保证系统稳定可靠运行加入继电保护，计算无功补偿。考虑到两面，一是雷电直接破坏变电所，二是雷电波沿着线路侵入变电所，所以要进行防雷保护。
3. 牵引变压器的选择和容量计算
牵引负荷计算是确定牵引变压器安装容量的前提。根据设计依据可知，牵引变压器的额定电压为110/27.5kV，重负荷臂有效电流和平均电流为320A和240A，重负荷壁的最大电流为650A；轻负荷臂有效电流和平均电流为268A和186A。
3.1变压器计算容量计算
设计中采用三相YNd11接线方式，所以，变压器计算容量公式为：

因此

3.2变压器校核容量计算
三相YNd11接线牵引变压器的最大负荷容量计算公式为:

由此可得最大负荷容量为：

三相YNd11联结变压器校核容量，公式为：

由此可得校核容量分别如下:

3.3变压器安装容量计算和选型
通过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，由于负荷增长率为10%~40%，所以，计算得考虑增长率后的容量为34MVA，所以应选用三相YNd11联结变压器的安装容量为2×40000kVA。选择变压器的型号为SFY-40000。
表3-1 SFY-40000变压器的技术参数

设备型号
额定容量(kVA)
额定电压(kV)
额定电流(A)
损耗(kV)
阻抗电压(%)
空载电流(%)
连接组别(%)
高压
低压
高压
低压
空载
短路
SFY-40000
31500
110
27.5
52
210
16
59
10.5
2.5
YNd11
4.主接线设计
牵引变电所电气主接线是指由主变电器、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。
在设计中主接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都有重大影响。
4.1牵引变电所高压侧主接线
题目要求有两路进线且存在穿越功率，所以单母线形式都不适用，应使用桥型接线形式。变压器要经常切换，不宜使用内桥接线，所以采用外桥接线形式。外桥适合输电距离短，线路不经常发生故障，而变压器切换操作频繁的场合，满足题目要求。
外桥接线图见下图4-1所示。
4.2牵引变电所低压侧主接线
出于馈线的单相结构，采用单母线接线形式，优点是简单清晰，设备数量少，操作维护也方便，对于很少发生故障的牵引负荷侧母线，不必担心检修故障的难度。所以不采用单母线分段接线与带旁路母线的单母线接线，也比双母线更经济更节约空间。综上所述，采用单母线接线形式。
低压侧断路器的接线分为100%和50%两种备用形式。其中,100%备用形式主要用于单线区段,牵引母线不同相的场合,其转换方便,可靠性高,而50%备用主要适用于复线区段,所以本次设计中采用100%备用以达到设计目的。
低压侧断路器采用100%备用的接线形式如下图4-2所示:

图4-1　外桥接线示意图 图4-2　100%备用示意图
5.短路计算
5.1短路计算的目的
根据短路计算，计算并校验进线、高压断路器高压隔离开关、互感器等电气设备。
5.2短路计算
短路故障简化图如图5-1：

图5-1　短路故障简化图

根据短路故障简化图，可得短路计算等效电路图如图5-2所示：

图5-2　短路计算等效电路图
　　　　 取变压器阻抗标幺值分别为：

由于题目描述，110kv侧线路短，采取忽略方式来处理线路阻抗。
式中：为变压器电抗电压；为系统容量；为变压器额定容量。
基准电流为：

K1点发生短路，各个短路电流的计算：

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：

最大负荷持续电流：

K2点发生短路，各个短路电流的计算：

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：

最大负荷持续电流：

短路计算结果如图表5-1所示：
表5-1 短路计算结果
短路计算点
三相短路电流

k-1
4.17
4.17
4.17
10.63
6.3
k-2
5.53
5.53
5.53
14.1
8.35
6.电气设备选择
6.1110KV侧进线的选择

式中，为变压器额定容量，为限量的额度定电压。
按经济电流密度选择进线截面

所以应选择LGJ-240型号的钢芯铝绞线。
校验热稳定性
查表得LGJ-240的允许载流量,因此满足发热条件。
校验机械强度
查表得35KV以上的线路架空钢芯铝绞线的最大截面为35，因此满足机械强度要求。
6.2高压断路器的选择
高压断路器可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，当系统发生故障时切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力。
(1) 额定电压的选择
(7-1)
式中，——断路器的额定电压(kV)；——安装处电网的额定电压(kV)。
(2) 额定电流的选择
(7-2)
(3) 额定开断电流的选择
(7-3)
式中，——断路器的额定开断电流，由厂家给出(kA)；
——刚分电流(断路器出头刚分瞬间的回路短路全电流有效值)(kA)。
(4) 短路关合电流的选择
(7-4)
断路器操动机构能关合的最大短路电流。断路器操动机构能克服动静触头之间的最大电动斥力，使断路器合闸成功。
(5) 热稳定校验
(7-5)
(6) 动稳定校验
(7-6)
6.2.1110kV侧断路器选择
110kV侧所选断路器型号为SW3-110/1200,其技术数据见:表6-1：
表6-1 110kV侧断路器技术数据表
型号
额定电压(kV)
额定开断
电流
(kA)
额定电流
(A)
动稳定
电流
(kA)
4s稳定
电流
(kA)
固有分闸
时间
（s）
SW3-110/1200
110
15.8
1200
41
15.8
0.04

均满足条件，所以选择该型号断路器。
6.2.227.5kV侧断路器选择
27.5kV侧所选断路器型号为SW2-35/1500,其技术数据见表6-2：
表6-2 27.5kV侧断路器技术数据表
型号
额定电压(kV)
额定开断
电流
(kA)
额定电流
(A)
动稳定
电流
(kA)
4s稳定
电流
(kA)
固有分闸
时间
（s）
SW2-35/1000
35
24.8
1500
63.4
24.8
0.06

均满足条件，所以选择该型号断路器。

6.3　隔离开关的选取
6.3.1110kV侧隔离开关选择
110kV侧隔离开关选用GW4-110DW型户外隔离开关，其技术数据见下表6-3：
表6-3 110kV侧隔离开关技术数据表
型号
额定电压(kV)
额定电流
(A)
动稳定电流
(kA)
4s热稳定电流
(kA)
GW4-110DW
110
1250
80
31.5

均满足条件，所以选择该型户外隔离开关。
6.3.227.5kV侧隔离开关选择
27.5kV侧隔离开关选用GW4-35DW型户外隔离开关，其技术数据见表7-4：
表7-4 27.5kV侧隔离开关技术数据表
型号
额定电压(kV)
额定电流
(A)
动稳定电流(kA)
4s热稳定电流
(kA)
GW4-27.5DW
27.5
1250
80
31.5

均满足条件，所以选择该型户外隔离开关。

6.4　互感器的选取
6.4.1110kV侧电流互感器选择
110kV侧电流互感器选用LCWD2-110型电流互感器，其技术数据见表6-5：
表6-5 110kV侧电流互感器技术数据表
型号
额定电压(kV)
额定电流比(A)
动稳定系数
1s热稳定电流
(kA)
LCWD2-110
110
2×600/5
2.5×35
35

均满足条件，所以选择该型号电流互感器。
6.4.227.5kV侧电流互感器选择
27.5kV侧电流互感器选用LCWD1-35型电流互感器，其技术数据见表6-6：
表6-6 27.5kV侧电流互感器技术数据表
型号
额定电压(kV)
额定电流比(A)
动稳定系数
1s热稳定电流
(kA)
LCWD1-35
35
1000/5
2.5×45
45

均满足条件，所以选择该型号电流互感器。
7.并联无功补偿
7.1并联电容补偿的作用
(1)提高功率因数。
(2)吸收滤波电流，具有滤波作用。
(3)改善电力系统电压质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压。
(4)减少电力系统电能损失。
7.2并联电容补偿计算
(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

8.继电保护
继电保护是电力系统的重要组成部分，是保证电力系统安全可靠运行的必不可少的技术措施之一。继电保护装置是指能反应电力系统中电器元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：
(1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。
(2)反应电器元件的不正常运行状态，并动作与断路器跳闸、发出信号或减负荷。
由此可见继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全连续供电。
继电保护利用电力系统正常运行状态和不正常运行或故障时各物理量的差别来判断故障和异常，并通过断路器跳闸将故障切除或发出信号。
继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。
该牵引变电所的设计采用了牵引变压器保护和馈线的保护。
牵引变压器的保护包括差动保护，低电压启动的过电流保护，过负荷保护，瓦斯保护。
馈线的保护包括阻抗保护，电流速断保护，自动重合闸。
9.防雷接地保护
雷是一种大气中的放电现象，常常损坏有线电视设备。雷击主要有两种：直击雷和感应 雷。直击雷是带电云层和大地之间放电造成的，可使用避雷针、避雷线和避雷网防避。感应雷是由静电感应和雷电流产生的电磁感应两种原因引起的。感应雷约占雷击率的90%，危害范围甚广。
9.1雷电危害
雷电是自然界存在的物理现象，打雷是指带正负电荷的雷云之间或是带电荷的雷云对大地快速放电而产生的声和光。雷云之间正负电荷放电现象，就是我们平时看到天空闪光和随之而来的巨大隆隆声。天空打雷对现代微电子的电气设备有伤害，但对自然界生物和净化空气十分有好处。但是天空中带电荷的雷云对大地放电。这种强烈直击雷，不仅产生刺眼闪光和巨大雷声，而且打雷产生的强大雷电流，猛烈冲击波，对打雷附近的人畜生命安全造成严重威胁，使建筑房屋损坏，森林着火，石油、电力、气象、通信、航空航天建筑设施造成严重破坏。沿着雷电流流动方向，使周围数公里空间造成强大剧变电磁场，静电场和强烈电磁辐射等物理效应。把感应出来雷电压、雷电流通过供电线路、信号线路和各种金属管线传到各家各户造成人员伤亡，特别对微电子设备造成严重破坏，导致重大经济损失。
9.2防雷措施
牵引变电所是重要的电力枢纽,一旦发生雷击事故,就会造成大面积停电。一些重要设备如变压器等,多半不是自恢复绝缘,其内部绝缘如故发生闪络,就会损坏设备。
变电所的雷害事故来自两个方面:一是雷直击变电所;二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电所。
对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对雷电侵入波的防护的主要措施是阀式避雷器限制过电压幅值,同时辅之以相应措施,以限制流过阀式避雷器的雷电流和降低侵入波的陡度，避雷器应与被保护设备并联，且安装在被保护设备的电源侧。
(1)避雷针的选择
根据本次设计的平面布置图，按设计要求应当设计4座避雷针，一单支避雷针考虑，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=35m,，=30在高度6m按照下面公式计算保护半径

在地面的保护半径为

因此，安装四座避雷针足以保护牵引变电所免受直击雷的影响。
(2)避雷器的选择
能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。为了有效地保护主变压器，阀式避雷器应尽量靠近主变压器安装。综上，采用Y10W5—100/195 ZnO避雷器满足要求。
10.设计结论
通过本次对牵引变电所的设计和研究，使我更加明白了牵引供电在电气化铁路上的重要性。本次设计通过计算对变压器进行了计算与选择，确定了该牵引变所高压侧和低压侧的电气主接线形式分别为内桥接线和100%备用形式，变压器的接线形式为三相YNd11接线，该牵引变电所变压器安装容量为2×40000KVA，型号为SFY-40000。通过短路计算对进线、断路器、隔离开关、互感器进行了选择和校验。为了更加节省能源还进行了并联电容补偿，并对并联的电容进行了计算和校验。最后还对设计进行了防雷计算。
通过这次的牵引供电小学期，我感慨良多。首先，明白了供电系统每一环节的严谨性，每一步都关系的下一步的设计。其次，我总结设计切记要按实际出发，不能脱离实际，最好做到有理有据。

参考文献
[1]谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统（第三版）.西南交通大学出版社，2009
[2]马永翔.电力系统继电保护.北京大学出版社，2006
[3]刘介才.工厂供电（第四版）.机械工业出版社，2009
[4]牟道槐.发电厂变电站电气部分[M].重庆大学出版社，1996.4
[5]丁毓山.中小型变电所实用设计手册[M].中国水利电力出版，2000.6
目 录
第一章 总 论 4
1.1 项目概况 4
1.2 编制依据 5
1.3 项目建设内容及规模 5
1.4 项目投资概算及资金筹措 14
1.5 产品方案 15
1.6 原材料及动力 16
1.7 主要技术经济指标 17
1.8 项目实施进度 18
1.9 研究结论 18
第二章 项目建设背景和必要性 19
2.1 项目建设背景 19
2.2 项目建设必要性 20
第三章 市场分析和预测 22
3.1 市场现状 22
3.2 **县市场 23
3.3 全国市场 23
3.4 鸡肉市场分析 24
3.5 鸡蛋市场分析 24
3.6 有机肥市场分析 24
3.7 销售预测 25
第四章 项目区概况 26
4.1 项目区基本情况 26
4.2 项目区畜牧业生产现状 27
4.3 水、电、路、通讯、技术等条件 27
第五章 项目建设方案 29
5.1 项目建设原则 29
5.2 项目设计依据的规范与规程 29
5.3 项目设计方案 30
5.4 工程设计标准 33
5.5 技术标准 36
5.6 设备选型 53
第六章 消防安全 57
6.1 消防依据 57
6.2 消防工作程序 57
6.3 消防安全流程 59
第七章 节水与节能 60
7.1 节水工程与科技措施 60
7.2 养殖节能措施 61
7.3 饲料加工节能措施 61
7.4 电气节能措施 62
7.5 减排 62
第八章 环境影响和保护措施 63
8.1 环境保护依据 63
8.2 项目区环境现状 63
8.3 环境影响评价 64
8.4 工程环境保护措施 64
8.5 “三废”处理措施 65
8.6 环境影响综合评价 65
第九章 项目组织管理 67
9.1 基本思路 67
9.2 组织管理 67
9.3 施工组织及质量管理 68
9.4 建设及运作方式 69
第十章 招投标方案 70
10.1 项目招标执行文件及标准 70
10.2 项目招标范围、组织形式及方式 70
10.3 招投标组织 71
第十一章 建设实施进度安排 73
11.1 项目建设期 73
11.2 项目建设进度安排 73
第十二章 投资估算和资金筹措 74
12.1投资概算 74
12.2 资金筹措方案 86
第十三章 财务分析评价 87
13.1 财务评价依据 87
13.2 经营收入、税金及附加估算 87
13.3 利润估算 90
13.4 财务现金流量分析 90
13.5 盈亏平衡分析 90
13.6 敏感性分析 91
13.7 评价小结 91
第十四章 效益分析 93
14.1 经济效益 93
14.2 社会效益 94
14.3 生态效益 95
第十五章 风险分析及保障措施 96
15.1 项目主要风险因素分析 96
15.2 保障措施 97
第十六章 结论与建议 101
16.1 可行性研究结论 101
16.2 问题与建议 101

17