货运铁路牵引变电所的电气系统设计Word下载.doc
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表1牵引变电所基本设计数据
项目
A牵引变电所
左臂负荷全日有效值（A）
560
右臂负荷全日有效值（A）
780
左臂短时最大负荷（A）[注]
860
右臂短时最大负荷（A）
1080
续表1
牵引负荷功率因数
0.85（感性）
10kV地区负荷容量（kVA）
2×
1000
10kV地区负荷功率因数
0.86（感性）
牵引变压器接线型式
自选
牵引变压器110kV接线型式
左供电臂27.5kV馈线数目
2
右供电臂27.5kV馈线数目
10kV地区负荷馈线数
2回路工作，1回路备用
预计中期牵引负荷增长
30％
[注]：
供电臂短时最大负荷即为线路处于紧密运行状态下的供电臂负荷。
3.根据需要，可自行补充其它资料。
四、应收集的资料及参考文献
1.李彦哲,胡彦奎,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.
2.贺威俊,简克良.电气化铁道供变电工程[M].北京:
铁道出版社,1983.
3.刘国亭.电力工程CAD[M].北京:
中国水利水电出版社,2006.
4.曾成碧,赵莉华.电机学[M],北京:
机械工业出版社,2005.
5.张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:
中国电力出版社,2005.
6.谭秀炳,交流电.气化铁道牵引供电系统[M].西南交通大学出版社.2009.
7.李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析[M].西南交大出版社2010.
五、进度计划
1.第1-3周：
调研、收集材料，完成外文翻译、开题报告；
2.第4周：
分析、确定方案；
3.第5-7周：
设计、计算、绘图；
4.第8周：
中期检查；
5.第9-11周：
撰写论文；
6.第12-14周：
论文审核定稿；
7.第15-16周：
答辩。
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计开题报告
题目
一、研究背景
牵引变电所（tractionsubstation）向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引等提供电能和变换、分配电能的电气装置与设施。
其功能是将电力系统的三相交流电经降压、整流或变频后，供电力机车和动车组使用。
牵引变电所把区域电力系统输送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别输送到铁路沿线上架设的接触网，为电力机车或动车组供电，因此牵引变电所是电气化铁路的“心脏”。
牵引变电所能否安全运行，直接关系到电气化铁路的运行情况。
因此，牵引变电所的研究对电气化铁路的发展以及安全运行都有着很重要的意义，对国民经济的发展也有直接或间接的影响。
二、国内外研究现状
我国电气化铁道牵引变电所二次设备技术水平的发展，牵引变电所综合自动化系统被广泛应用。
武广高速铁路牵引变电所采用的综合自动化系统技术为牵引供电可靠性及供电质量提供了保障。
在对既有经验与技术总结的同时，进一步探索变电所数字化设计的可行性是十分必要的。
目前，我国交、直流牵引变电所技术装备产生了重大变化，主设备向高可靠性、小型化和免维修方面发展；
变电所主接线和辅助设施逐步趋于简化和典型化；
远动监控、故障录波和微机保护与自动装置得到广泛的推广应用，最终将实现高度自动化的减员值班和无人值班的牵引变电所的目标。
国外牵引变电所一般采用提高供电方式，以增大系统短路容量，来减小对系统和用户的影响。
如：
欧洲一些发达国家和日本都采用这种方法。
并且国外的牵引变电所在运营模式上已经做到无人值守。
三、研究方案
根据已经给出的电力系统的容量，参照铁道部电气化铁路牵引变电所设计规范，按照设计任务书要求首先进行参数计算，选择确定牵引变电所主变压器的安装容量和接线形式以及确定主变压器的备用方式。
然后提出牵引变电所高压侧和馈线侧的几种接线方案、通过比较确定高压侧和馈线侧的最优接线方案。
接着对牵引变电所进行短路计算，根据计算的结果选择确定各高压设备的型号并对所选设备进行动稳定性和热稳定性校验。
再接着对牵引变电所进行二次系统设计，确定变压器和馈线的继电保护。
然后参照电气化铁路牵引变电所设计规范根据计算结果选择确定防雷和接地设施。
并且使用AutoCAD绘制出一次侧的主接线图。
四、预期达到的结果
通过对牵引变压器正常负荷和紧密运行状态下的容量进行计算以及对中远期运量进行估计，对主变压器进行初步选型，确定出主变压器的安装容量和接线形式以及备用方式以及；
确定出高压侧和馈线侧分别采用何种接线方式；
分别对牵引变压器高压侧和低压侧进行短路计算,正确选择出110kV侧和27.5kV侧的进线、母线、高压断路器、高压熔断器、隔离开关、电流互感器、电压互感器和绝缘子等设备并完成校验；
确定出牵引变压器和馈线的继电保护方式，选择出合适的防雷和接地装置；
最后用AutoCAD软件绘制出牵引变电所一次设备的主接线图。
指导教师签字
年月日
摘 要
货运铁路牵引变电所是铁路系统的重要组成部分，起着变换和分配电能的作用,它直接影响整个铁路系统的安全与经济运行。
本设计主要针对牵引供电系统进行设计和研究。
主要包括牵引负荷的计算、主变压器接线方式的分析比较、主变压器型号和台数的选择、牵引变电所进线和馈线方式的选择、短路计算、高压设备的选取和校验、继电保护的拟定与计算、牵引变电所防雷与接地装置的设置。
其中电气主接线是变电所设计的主要环节，直接关系着整个变电所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，并且是牵引变电所电气部分投资大小的决定性因素。
短路电流计算是本次设计的关键部分，通过计算对断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、熔断器等进行选择校验和进行继电保护的拟定计算。
本次毕业设计实现了任务书要求的全部内容，选择出牵引变压器，高压侧、低压侧的电气设备，确定了主接线方式。
并且用AutoCAD绘出了系统的主接线图。
关键词:
主接线 主变压器 电气设备
Abstract
Freightrailwaytractionsubstationisanimportantpartoftherailwaysystem,playingaroleintransformationanddistributionofelectricenergy,whichdirectlyaffectsthesecurityandeconomicoperationofthewholerailwaysystem.
Thedesignismainlyfortractionpowersupplysystemandsubstationengineering.includingtractionloadcalculation,themaintransformerwiringanalysisandcomparison,themaintransformermodelandthechoiceofthenumberofunits,tractionlineandsubstationfeedermodechoice,shortcircuitcalculations,high-voltageequipmentselectionandvalidation,formulationandcalculationofrelayprotection,tractionsubstationlightningprotectionandgroundingdevicesettings.Substationmainelectricalwiringwhichisthemainpartofthedesignisdirectlyrelatedtothechoiceoftheentiresubstationelectricalequipment,distributionequipmentlayout,relayprotectionandautomaticdevicetodetermine,andispartoftheinvestmentsizeelectrictractionsubstationthedecisivefactor.Short-circuitcurrentcalculationisacriticalpartofthisdesign,bycalculationcircuitbreakers,disconnectors,voltagetransformers,currenttransformers,fuses,etc.Selecttheintendedprotectionchecksumcalculation.
Thegraduationprojecthassuccessfullyachievedtheentirecontentsofthemissionstatement.Theprojecthaspickedouttheappropttractiontransformers,high-side（low-side）electricalequipment,andhasdeterminedthemainwiring,aswellasusingAutoCADtoplotmainwiringdiagram.
Keywords:
Mainconnection Themaintransformer Electricalequipment
目录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 电气化铁路的国内外现状 1
1.3本设计研究的主要内容 2
第2章 变压器的选择 3
2.1 牵引变压器作用及类型 3
2.1.1 牵引变压器作用 3
2.1.2 牵引变压器的类型 3
2.2 牵引变压器台数和容量的选择 5
2.2.1 牵引变压器选择原则 5
2.2.2 牵引变压器的选择 5
第3章 牵引变电所主接线设计 8
3.1 电气主接线的基本要求 8
3.2 牵引变电所一次侧主接线的基本形式 8
3.3 牵引变电所馈线侧主接线基本形式 10
3.4 电气主接线方案的确定 12
第4章 短路电流计算 13
4.1 短路点的确定 13
4.2 110kV短路电流计算 13
4.3 27.5kV短路电流计算 15
4.4 10kV侧短路电流计算 16
第5章 电气设备选型 19
5.1 断路器的选型及校验 19
5.2 高压隔离开关的选型及校验 20
5.3 电流互感器的选择与校验 21
5.4 电压互感器的选择 22
5.5 避雷器的选择 22
5.6 熔断器的选择 23
5.7 导线选择及校验 23
5.7.1 导线的选择依据 23
5.7.2 导线选型及校验 25
5.7.3 母线选型及校验 26
5.8 支持绝缘子 26
5.8.1 支持绝缘子选型及校验 27
5.8.2 穿墙套管选型及校验 27
第6章 继电保护的配置与整定 29
6.1 继电保护的任务和要求 29
6.1.1 继电保护的任务 29
6.1.2 继电保护基本要求 29
6.2 牵引变压器的保护 30
6.2.1 纵联差动保护 30
6.2.2 瓦斯保护 31
6.2.3 过电流保护 32
6.2.4 接地保护 32
6.3 馈线的保护 32
第7章 变电所的防雷保护与接地装置的设计 34
7.1 变电所的防雷保护 34
7.1.1 直击雷防护 34
7.1.2 雷电波侵入的防护 34
7.2 接地装置 35
7.2.1 接地与接地装置的定义 35
7.2.2 接地装置的设计 36
第8章 结论 37
参考文献 38
致谢 39
附录 40
附录A 外文资料 40
附录B 系统图 52
II
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景
牵引供电系统的构成简化图如图1-1所示。
相对牵引变电所而言，通常把为其供电的电力系统称为外部电源或一次系统。
牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成。
图1-1 牵引供电系统的构成简图
电力系统与输电线：
它们为电气化铁路提供高压电源，其电压为110kV或220kV。
电气化铁路的牵引负荷是一级负荷，故要求电源有足够的容量和较高的可靠度。
牵引变电所：
牵引变电所的作用是将电力系统供应的电能转变为是核电力牵引供电方式的电能，其中的核心元件是牵引变压器，并设有备用。
与地方变电所相比，牵引变电所绝大多数情况下是用于提供牵引用电作为区别，而称为牵引变电所。
牵引网：
由馈（电）线、接触网、轨（地）、回流线等组成，是牵引供电网（回路），完成对电力机车的送电任务。
1.2 电气化铁路的国内外现状
电气化铁路对于实现我国铁路重载、高速起到了至关重要的作用。
至2007年底，我国的电气化铁路营业里程已达到了24046.6km，占我国铁路总营业里程的37.8%，各大干线都已实现了电气化。
近年来，我国变电所自动化的技术特点是新老交替、新老结合、新老并存，既有以常规远动装置为核心派生的老站改造模式，又有局部或完全分散的新站设计模式，更有保护监控仪表录波防误操作等功能，并且很多变电所都实现了自动化。
现代电力牵引都以公用电网配电，实质上是取用经变换的单相电。
在我国，矿山电力牵引、城市电车和地下铁道或轻轨交通都采用直流制，电压从45V到3000V不等；
电气化铁路都采用工频（50Hz），额定电压为27.5kV或2×
27.5kV的单相交流制。
1.3本设计研究的主要内容
本设计主要是货运铁路牵引变电所电气设计。
根据步骤进行设计，通过对牵引与电气计算，确定变压器容量、台数、接线方式和备用方式，根据原始资料及技术要求确定变压器主接线形式，短路计算，再根据短路计算结果进行一次设备的选型与校验最后是牵引变电所防雷保护与接地装置的设计。
供变电系统及装置的设计，不仅要满足正常运行方式下的各种工作状态及运行条件的要求，而且还应考虑在故障条件下如何缩小或限制故障的范围及影响，并保证电气设备在故障状态下可靠的工作。
第2章 变压器的选择
2.1 牵引变压器作用及类型
2.1.1 牵引变压器作用
牵引变压器的作用是将110kV或220kV三相交流电能变换成27.5kV（或55kV）的单相交流电能供电力机车使用，在牵引变电所中起到降压分相的作用。
目前，我国牵引供电系统中采用的牵引变压器主要有：
单相变压器、三相星形三角形接法变压器、三相三绕组十字交叉接线变压器、斯科特接线变压器、三相星形延边三角形接法变压器和三相星形曲折延边三角形接线变压器。
2.1.2 牵引变压器的类型
按牵引变压器的联接方式分为单相联结；
Vv联结；
和三相YNd11联结；
Scott联结等。
（1）单相牵引变电所的优点：
牵引变压器的容量利用率可达100%；
主结线简单，设备少，占地面积小，投资省等。
缺点：
不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；
对电力系统的负序影响最大；
对接触网的供电不能实现两边供电。
这种联结只适用于电力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。
图2-1 单相联接原理图
（2）Vv联结牵引变电所不但保持了单相V，v联结牵引变电所的主要优点，而且完全克服了单相V，v联结牵引变电所的缺点。
最可取的是解决了单相V，v联结牵引变电所不便于采用固定备用即其自动投入的问题。
同时，三相V，v联结牵引变压器有两台独立的铁芯和对应绕组通过电磁感应进行变换和传递；
两台的容量可以相等，也可以不相等；
两台的二次侧电压可以相同，也可以不相同，有利于实现分相有载或无载调压。
为牵引变压器的选型提供了一种新的连接形式。
图2-2 Vv联接原理图
（3）三相联结牵引变电所，这种牵引变电所中装设两台三相YNd11联结牵引变压器，可以两台并联运行；
也可以一台运行，另一台固定备用。
三相YNd11联结牵引变电所的优点是：
①牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力；
②能很好的适应当一个供电臂出现很大牵引负荷时，另一供电臂却没有或只有很小牵引负荷的不均衡运行情况；
③三相YNd11联结变压器在我国采用的时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格也较便宜；
④一次侧YN联结中性点可以引出接地，一次绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便。
对接触网的供电可实现两边供电。
缺点主要是牵引变压器容量利用率不高。
当重负荷相线圈电流达到额定值时，牵引变压器的输出容量只能达到其额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%。
图2-3 YNd11联接原理图
2.2 牵引变压器台数和容量的选择
2.2.1 牵引变压器选择原则
（1）为保证供电的可靠性，在变电所中，一般装设两台主变压器；
（2）为满足运行的灵敏性和可靠性，如有重要负荷的变电所，应选择两台三绕组变压器，选用三绕组变压器占地面积小，运行及维护工作量少，价格低于四台双绕组变压器，因此三绕组变压器的选择大大优于四台双绕组变压器；
（3）装有两台主变压器的变电所，其中一台事故后其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的70%以上，并保证用户的一级和二级全部负荷的供电。
2.2.2 牵引变压器的选择
三相牵引变压器的计算容量是由牵引供电计算求出的。
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。
计算容量公式：
（2-1）
其中（）
全日平均电流
计算容量：
牵引变电所的并联补偿分为并联电容补偿和并联无功补偿两种，可以与牵引网的并联电容补偿联合运用，也可以单独使用。
考虑到投资效益比，电气化铁路多单独使用。
根据本设计基础资料的要求，因此需要进行并联无功补偿（PRC），考虑到变压所的高压侧的无功损耗大于有功损耗，故取进行补偿，
然后计算。
补偿后：
紧密运行下的计算容量：
由于牵引负荷功率因数为0.85。
校核容量：
（2-2）
其中K=1.5
中期变压器计算：
中期牵引负荷增长30%:
紧密运行方式下：
根据计算的容量,选用SF10-QY-63000/110型牵引变压器两台。
空载损耗44.6，负载损耗246，空载电流0.2%,阻抗电压10.5%。
同时根据要求，10KV侧选用SF11-1000/27.5型电力变压器。
空载损耗1.65，负载损耗13.5，空载电流1.0%,阻抗电压6.5%。
第3章 牵引变电所主接线设计
3.1 电气主接线的基本要求
电气主接线是变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节。
对电气主接线的基本要求概括地说应包括电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性。
（1）可靠性
保证对牵引负荷和地区负荷的供电可靠性和电能质量。
牵引负荷和部分地区负荷均为一级负荷，必须保证供电的安全可靠性，为此要保证牵引变电所电源引入可靠，选择主接线时要考虑在电路的转换、设备的检修和事故处理时供电的可靠性和连续性。
为了满足电能质量的要求，主接线应在变压器接线方式、谐波补偿和调压方式方面注意改善电能质量。
（2）操作方便
主接线应力求简单、清晰、操作方便。
由于接触网事故较多，检修频繁，牵引变电所倒闸作业较多，主接线越简单清晰，程序操作越少，操作越方便。
（3）灵活性
应能适应必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。
（4）经济性
在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。
（5）发展扩建性的可能性
主接线应考虑将来的发展和扩建的方便。
设计主接线要考虑倒远景规划，在需要的时候可以很方便地改造和扩建。
3.2 牵引变电所一次侧主接线的基本形式
电气主接线主要有以下几种形式：
（1）桥型接线
当牵引变电所只有两条电源进线和两台主变压器，且有系统功率穿越时采用桥式接线，通过式牵引变电所一次侧常采用桥型接线。
①内桥接线
内桥接线的连接桥断路器设置在内侧。
其余两台断路器接在线路上。
因此线路的切除和投入比较方便，而且当线路发生短路故障时，仅故障线路的断路器断开，不影响其它回路运行。
此外，变压器切除和投入的操作比较复杂，需切除和投入与该变压器连接的两台断路器，也影响了一回未故障线路的运行。
连接桥断路器检修时，两个回路需解列运行。
当输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需经常切除时，采用内桥接线比较合适，如图3-1所示。
图3-1 内桥接线图3-2 外桥接线
②外桥接线
外桥接线的特点与内桥接线正好相反。
联结桥断路器设置在外侧，其它两台断路器接在变压器回路中，线路故障和进行切除以及投入操作时，需动过与之相得两台断路器并影响一台未故障变压器的运行。
但变压器的切除和投入时，不影响其它回路运行。
当出线较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换时，采用外桥接线的方式比较合适，如图3-2所示。
（2）单母线接线
单母线接
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