220kV单相牵引变所设计终稿5

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

220kV单相Vv牵引变电系统设计Design of 220kV Traction Substation System with Single Phase Vv Mode

2013 届电气工程系

专业电气工程及其自动化

学号 20096705

学生姓名陈川

指导教师崔跃华

完成日期 2013年5月27日

毕业设计成绩单

毕业设计任务书

毕业设计开题报告

摘要

如今高速电气化铁路发展迅速，牵引变电所作为电气化铁路的心脏，要提高铁路的运行可靠性，对其研究并改进技术至关重要。

根据要求本设计将采用直供带回流线供电方式给复线区段供电，牵引变压器采用单相Vv接线。本设计根据原始资料进行负荷计算，完成供电臂的平均电流计算，有效电流计算，计算正常运行时的变压器容量及非正常运行时的校核容量，然后确定变压器的安装容量，同时对主变压器的接线方式进行详细的说明。确定主接线方式，运用AutoCAD绘制出电气主接线图及平面图。对牵引变电所27.5kV侧母线及牵引网进行短路计算，并把短路电流折算到220kV侧，对变压器作纵差动保护整定计算，对牵引网作短路过电流保护整定。根据短路计算结果选择变电所中的断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等电气设备并对其校验，以及避雷和接地装置的选择和校验。最后,对牵引变电所的运行进行谐波分析和无功功率补偿分析。

本论文系统的介绍了220kV单相Vv牵引变电系统的设计方法，并选择了电气设备，符合设计规范，满足运行要求，具有较强的实用性。

关键词: 牵引变电所负荷计算短路计算主接线

Abstract

Nowadays the electrified railway develops rapidly, the core of Electrified railway is traction substation . to improve the operational reliability of the railway, it is essential to study and improve technology.

According to the requirements, this design will use the mode of direct supply to streamline to provide power for the double-track sections, with a single phase Vv wiring for traction transformer.The design includes the calculation of the load based on the original data, and the calculation of the average current supply arm, effective current, as well as the capacity of transformer under normal operation and the check capacity under non-normal operation. And then it will determine the installed capacity of the transformer, and give a detailed description of the wiring connection mode for the main transformer. After finishing the design of the mode for the main wiring, the author of this paper will use AutoCAD to draw out the diagrams of main electrical wiring and the layout diagrams. Later on, it will calculate the short-circuit current of the bus and the traction electric network on the 27.5kV side of the traction substations. And then it will convert the short-circuit current of the transformer to 220kV to make a calculation of longitudinal differential protection of the transformer and to set the short-circuit over-current protection for the traction electric network. And according to the short-circuit calculation results, this paper will select circuit breakers, dis-connectors, current transformers, voltage transformers and other electrical equipment and its calibration, and to select the lightning protection and grounding equipment and their verification. Finally, it will give a harmonic analysis and a reactive power compensation analysis.

This paper describes the system Vv traction substation 220kV single-phase system design methodology, and selected electrical equipment.，meets the specifications and operational requirements, so it is with a strong practical use.

Key words:Traction substation Load calculation Short circuit calculation

Main wiring

目录

第1章绪论 (1)

1.1课题研究的目的意义 (1)

1.2电气化铁道发展现状 (1)

1.3牵引变电所介绍 (2)

1.4本设计的主要内容 (2)

第2章牵引变电所电气主接线设计和所址的选择 (3)

2.1电气主接线介绍 (3)

2.2牵引变电所主接线设计 (3)

2.2.1电气主接线设计的基本要求 (3)

2.2.2牵引变电所主接线的设计 (4)

2.3牵引变电所所址的选择 (6)

2.4牵引网供电方案的选择 (6)

2.4.1直接供电方式 (6)

2.4.2带回流线的直接供电方式 (7)

第3章变压器的选择和容量计算 (8)

3.1牵引变压器的选择步骤 (8)

3.2牵引变压器容量计算 (8)

3.2.1计算牵引变压器的参数及资料 (8)

3.2.2供电臂1、2平均电流的计算 (9)

3.2.3供电臂1、2有效电流的计算 (10)

3.2.4变压器容量的计算 (11)

3.2.5 变压器校核容量的计算 (11)

3.2.6牵引变压器安装容量的计算 (12)

3.2.7变电所自用电变压器的选择 (13)

第4章短路计算 (14)

4.1短路的原因、后果及形式 (14)

4.1.1短路原因 (14)

4.1.2短路的后果 (14)

4.1.3短路的形式 (15)

4.2短路计算 (15)

4.2.1短路计算公式 (15)

4.2.2接触网的单位阻抗 (15)

4.2.3单相变压器的阻抗 (16)

4.2.4需供电的接触网的长度确定 (17)

I

4.2.5短路计算 (17)

第五章牵引供电系统的继电保护 (21)

5.1主变压器的保护 (21)

5.1.1变压器的纵差保护 (21)

5.1.2220kV侧变压器的过电流保护 (24)

5.1.3热过负荷保护 (25)

5.1.4油温过热保护 (25)

5.1.5瓦斯保护 (25)

5.2变压器二次侧牵引网的继电保护 (25)

5.2.1电流速断保护动作电流的整定 (25)

5.3变电所自用电系统的继电保护 (26)

第6章牵引变电所电气设备的选择及校验 (28)

6.1电气设备选择的一般原则 (28)

6.2主要设备的简介 (28)

6.2.1断路器 (28)

6.2.2高压隔离开关 (29)

6.3设备的选择条件 (29)

6.4断路器和隔离开关的选择和校验 (29)

6.4.1断路器的选择和校验 (29)

6.4.2隔离开关的选择和校验 (31)

6.5互感器的选择与校验 (32)

6.5.1电流互感器的选择与校验 (32)

6.5.2电压互感器的选择与校验 (33)

6.6避雷器的选择 (35)

6.7防雷及接地 (35)

第7章牵引变电所的谐波分析与无功功率补偿 (37)

7.1谐波产生的原因 (37)

7.2谐波的危害 (37)

7.3减少谐波影响的措施 (38)

7.4无功功率补偿 (39)

第8章结论与展望 (40)

8.1结论 (40)

8.2展望 (40)

参考文献 (41)

致谢 (42)

附录 (43)

附录A外文翻译 (43)

附录B图纸设计 (55)

II

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第1章绪论

1.1课题研究的目的意义

在电能是社会生产和生活质量中最为重要的能源和动力的今天，变电所的作用是非常重要的，对未来电力工业发展有着重要的作用。牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，它的主要任务是将电力系统输送来的三相高压电变化成适合电力机车使用的电压。

日本电气化铁路多数采用是AT供电方式，变电所间距60km，最大供电电流2000~3000A。法国同样多数采用AT供电，牵引变电所采用220kV供电，变电所变压器采用Vx接线。而在德国，铁路则有自营的专用单相16 2/3 Hz的发电厂，给牵引变电所供电。每个牵引变电所都装有2台的变压器，实行双边供电。

在中国随着津京城际、石太、京沪等客运专线的投入运营，中国电气化铁路已经有了很大的发展和长足的进步。其中石太客运专线采用的便是220kV单相Vv牵引变电所供电。

1.2电气化铁道发展现状

目前我国电力系统通常以110kV或者220kV的电压等级向牵引变电所供电，主要包括地方变电站或发电厂和交流高压输电线，由这两部分构成了牵引变压器一次侧的供电系统。牵引变电所、馈电线、接触网、钢轨和钢轨回流线等组成了牵引供电系统。其中牵引变电所是将电力系统供应的电能变为适于电力牵引及其供电方式应用的电能，其中的核心元件是牵引变压器。由于我国地域辽阔各地电网电压等级也有区别，所以牵引供电系统的供电方式及设备种类多样，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(BT)供电方式、自耦变压器(AT)供电方式。牵引变压器有单相、YNd11接线、Scott接线、伍德桥接线、阻抗匹配平衡接线十字交叉接线等形式。由于供电方式不同，接触网结构类型也较多。

而国外铁路电气化水平还是要高于我国的，单就韩国的牵引供电系统来说，牵引供电系统多数采用AT供电方式。牵引变电所、自耦所、开闭所和分区所，各所均与电力配电所合建，不设独立的所用变压器。变电所实行牵引供电与电力供电合建形式，设三绕组变压器，近期单台运行，100%备用，在相邻所故障解列情况下，可实现两台主变压器的并联运行。牵引变压器采用Scott接线，开关设备均采用室

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外高压组合电器(GIS)设备，采用无人值班方式。

1.3牵引变电所介绍

我国电气化铁路采用单相50HZ，27.5kV(或2?27.5kV)的牵引供电系统。由于从外部(一次)供电系统的高压线路供给电气化铁路的电力参数为三相50HZ,110kV 或220kV，故需在电气化铁路沿线布设牵引变电所，以完成供电参数的转换[1]。

牵引变电所的功能是以其三相110kV或220kV受电设备引入外部送电的高压电并控制通断，再经牵引变压器将引入的三相电转换为27.5kV(或2?27.5kV)的单相电，然后以单相馈电设备将电能分配，馈送至牵引网[2]。

它的类型除按升压、降压分类外，还可按设备布置的地点分为户外变电所和户内变电所及地下变电所等。若按变电所的容量和重要性又可分为枢纽变电所，中间变电所和终端变电所。

1.4本设计的主要内容

本次设计的主要任务是根据原始资料及要达到的性能指标完成该牵引变电所的设计。

(1)确定牵引供电方案。本设计采用带回流线直接供电方式，复线区段供电，单相V v接线。

(2)进行负荷计算，确定牵引主变压器容量、台数等。主变压器是牵引变电所内的核心设备，也是设计的关键一步。其担负着将电力系统供给的高压电变换成适合电力牵引用电的重要作用。主变压器的选择十分关键，选好主变压器是设计的第一步，在此之后才能进行负荷计算和短路计算。因此根据既有的数据并依据公式，首先计算出变压器的容量。

(3)进行短路计算，对变压器一次侧二次侧分别进行短路计算分析，为设备的动稳定和热稳定校验提供合理的计算数据，从而让设备运行安全可靠。由于短路计算是为了选择保护牵引变所中的变压器及牵引网的继电保护装置，所以只需对低压侧母线短路和牵引网短路进行计算，上一级发生的的故障在上个变电所中自有保护装置。一方面选择变电所中的断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等电气设备必须依据短路计算的结果；另一方面低压侧母线型号的校验，以及避雷和接地装置的选择和校验，也得依靠短路计算的数据来进行。

(4)对高压电气设备的选择和校验。

(5)进行牵引变电所的谐波的分析和无功功率补偿分析。

2

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第2章牵引变电所电气主接线设计和所址的选择

2.1电气主接线介绍

牵引变电所的电气主接线，是指由主变压器、高压电气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，并根据他们在实际运行中的联连接顺序，按一定要求联接的单线或三线结线图，称为电气主接线图。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。电气主接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等都有重大影响。此外，电气主接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，电气主接线及其组成的电气设备，是牵引变电所的主体部分[3]。

2.2牵引变电所主接线设计

2.2.1电气主接线设计的基本要求

电气主接线设计是牵引变电所设计的重要环节。牵引变电所的电气主接线是指由主变压器、断路器、隔离开关等各种高压电器和设备及其连接导线所组成的接受和分配电能的电路。它反映了牵引变电所的基本结构和功能。在设计中，主接线的确定对牵引变电所的电气设备的选择、配电装置布置以及牵引变电所的技术经济指标都具有重要的影响[4]。

牵引变电所电气主接线设计应满足以下要求：

(1)安全性

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。

3

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(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用愈多。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。

(3)经济性

它通常与可靠性方便性之间有矛盾。

(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。

2.2.2牵引变电所主接线的设计

220kV高压侧的接线方式牵引变压器作为牵引变电所的核心设备，其接线方式的选择对主接线有着非常大的影响，其接线形式有单相接线变压器、单相Vv接线变压器、三相Vv接线变压器、三相YNd11接线变压器、斯科特接线变压器等[3]。

按照课题要求，本设计采用单相Vv接线变压器，相应的变电所应为单相Vv 接线牵引变电所。

原理电路图如图2-1所示。牵引变电所装设两台单相接线牵引变压器，作Vv 连接。

单相Vv接线牵引变电所的特点：

优点：

(1)牵引变压器容量利用率可达到95%；

(2)正常运行时牵引侧保持三相可供应牵引变电所自用电和地区三相负荷；

(3)主接线较简单，设备较少，投资较省；

(4)对电力系统的负序影响比单相接线小；

(5)对接触网的供电可实现两边供电。

缺点：

(1)一台故障时，另一台必须跨相供电；

(2)不便于采用固定备用。

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图2-1 单相Vv 接线牵引变电所的原理电路图

单相Vv 结线的原理图如图2-2所示。

图2-2 单相Vv 结线

单相Vv 结线与纯单相结线的区别是两台变压器分别接不同的两个线电压，例如图中的 AC 相和BC 相，两高压绕组有公用端子C ，故构成V 接。两个低压绕组也有一个公共端子，接钢轨和地网，低压绕组的另外两个端子a 和b 分别接变电所的两个供电臂，左边供电臂的电压为Uac ，右边供电臂为Ubc ，均为27.5 kV ，构成所谓60°接线，如图2-3所示。显然当两臂功率因数相同时，两臂电流也相差 60。

图2-3 单相Vv 结线相量图

由于两臂的相位不同，故两供电臂在接触网上必须采用相分段绝缘。分相绝缘结构两端电压Uab 也为27.5 kV 。

本设计采用带跨条分段的两路进线接线方式，正常工作时用隔离开关将跨条断开。安装两组隔离开关的目的是便于它们轮流停电检修。

牵引变电所27.5kV 侧采用单母线隔离开关分段接线型式，馈线采用上、下行馈线断路器互50%备用的方式；设置两组并联电容补偿装置。

A B C a

b c

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为了实现测量、监督、继电保护作用，在变压器进线和出线上安装了电流互感器，在高压母线和低压母线上安装电压互感器和避雷器。

为了实现资源合理利用和安全供电的需要，在变电所内部安装了两台自用电变压器，一台从牵引二次母线和地引入三相电转变为自用电[3]。另一台用当地10kV

供电。

2.3牵引变电所所址的选择

根据TB10009-2005的规定，牵引变电所的所址的选择应根据供电计算确定的分布方案进行选择，并应考虑下列因素[4]：

(1)便于架空线或电缆的引入引出。

(2)不占或少占农田。

(3)当铺设铁路道岔时，应便于铁路岔线出岔及铺设，并力求道岔短捷；铺设公路时，便于与公路衔接，并力求避免跨越站场。

(4)具有适宜的地质条件及地基承载力，并避免跨越站场。

(5)尽量避开高填方、拆迁大量建筑物、隧道及高架桥处、名胜古迹以及有地下设施的地区。

(6)不宜设在有空气严重污秽的地区。

(7)牵引变电所的围墙，距最近股道的线路中心，不宜小于十米。

(8)牵引变电所的所址高程应在百年一遇的洪水位之上；其余所的所址高程应在五十年一遇的洪水位以上。

(9)确定所址时，考虑与电台、雷达站、机场、弱电线路以及地下管道、电缆、储油设施等邻近设施和周围环境的相互影响。

根据以上原则结合实际情况进行牵引变电所的选址。牵引变电所设置在露天，设置靠近负荷中心并且尽量离电源点近，这样有利于减少电源线路的损耗。

2.4牵引网供电方案的选择

牵引网向电力机车的供电方式有直接供电(DF)方式、带回流线的直接供电(DN)方式、自耦变压器供电(AT)方式、吸流变压器供电(BT)方式和同轴电力电缆供电(CC)方式等[5]。

2.4.1直接供电方式

这是一种最简单的供电方式，如图2-4所示，牵引变电所将电能通过馈电线传

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输到接触网，接触网通过受电弓连接到机车的变压器一次侧，然后通过钢轨，流回牵引变电所。这种方式结构最简，投资最小，但由于钢轨、大地承担了较大的电流，所以钢轨电位较高，对通信线的干扰最大，主要适用于通信线路（主要是明线）较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合。

图2-4 直接供电方式

2.4.2带回流线的直接供电方式

为了保留直接供电方式的优点，克服其不足，在结构上增设与轨道并联的架空回流线，就成为带回流线的直接供电方式，如图2-5所示。

图2-5带回流线的直接供电方式

增加回流线后，原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中馈线电流方向相反，架空回流线与接触网距离较近，因此相当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果。另外，钢轨电位大为降低，对通信线的干扰得到较好抑制，还能降低牵引网阻抗，牵引网电压损失减小，使供电臂延长30%以上。

带回流线的直接供电方式施工简单造价较低，在供电性能上也较高，综上原因在本设计中也采用带回流线的直接供电方式。

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第3章 变压器的选择和容量计算

3.1 牵引变压器的选择步骤

牵引变电所容量计算和选择，就是指牵引变压器容量的计算和选择。一般分为三个步骤进行。

(1)按给定的计算条件求出牵引变压器供应牵引负荷所必需的最小容量，称为计算容量。

(2)按列车紧密运行时供电臂的有效电流与充分利用牵引变压器的过负荷能力，求出所需要的容量，称为校核定量。这是为确保牵引变压器安全运行所必需的容量。

(3)根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素(如备用方式等)，最后按实际系列产品的规格选定牵引变压器的台数和容量，称为安装容量和设计容量[3]。

3.2 牵引变压器容量计算

3.2.1 计算牵引变压器的参数及资料

牵引负荷计算是确定牵引变压器安装容量的前提。

根据设计要求，牵引变电所采用双线区段上、下行并联供电，主变压器采用固定备用方式。与主变压器容量计算相关的原始资料如下：

供电臂1——n =4, N=60对/天，N 非=85对/天 供电臂2——n =4, N=60对/天，N 非=85对/天

其中，n 表示区间数，N 表示计算列车数，N 非表示最大列车数。 其余资料如表3-1所示。

表3-1 计算原始资料

供电臂 列车上行全部运行时

间

∑t /min

列车下行全部运行时

间

∑t /min

列车上行用电运行时

间

∑t /min

列车下行用电运行时

间

∑t /min

列车上行在

∑u

t 内的能耗/kVA.h

列车下行在

∑u

t 内的能

耗/kVA.h

1 17.5 17.0 12.0 11.0 213

2 2192 2

17.0

16.5

12.0

11.5

2210

2168

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3.2.2 供电臂1、2平均电流的计算

(1)计算供电臂1、2的基本参数的公式[6]。 ①双线区段上(下)行供电臂列车平均电流：

U

t A I g g g 60=

(3-1)

由上式可推导出下式：

∑∑

=上（下）

上（下）

上（下）i i .42t

A I t (3-2)

式中，∑上（下）i t ——在供电臂内上(下)行方向的运行时间(min)。

∑上（下）i A

——

在∑上（下）i t 内的能耗(kVA·h)。

用上述（3-1）公式分别求出某供电臂的上(下)行平均电流，然后求和就得到某供电臂的平均电流。也可以用下班简化计算公式计算，方法如下：

310667.160-?==

∑∑i i

av A N TU

A N I

(3-3)

②上(下)行供电臂同时存在的平均列车数，即：

T

t N m ∑=

上（下）

下上)(

(3-4)

式中，N ——的列车对数(对/日)； T ——为全日时间，即1440min 。 ③上(下)行列车运行时间与带电运行时间比：

∑∑=

（下）

上（下）

下上上u )(t

t

α (3-5)

式中，()∑下上u t ——上(下)行供电臂列车用电运行时间。 (2)供电臂参数的计算

把牵引变电所的原始资料带入给出的公式(3-2)到(3-5)可进行如下计算。 供电臂1：

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729.01440

5

.17601=?=

=

∑T t N m 上

上

708.01440

.17601=?=

=

∑T

t N m 下

下

46.112

5

.17上

u 上

1上==

=

∑∑t

t α 55.111

.17下

u 下

1下==

=

∑∑t

t α 供电臂2：

708.01440

17

602=?=

=

∑T t N m 上

上 687.01440

5

.16602=?=

=

∑T

t N m 下

下

42.112

17

上

u 2==

=

∑∑t

t 上

上α 43.15

.115

.16下

u 2==

=∑∑t

t 下

下

α 按以上计算出的基本参数，可计算供电臂1、2的平均电流。从而可得： 供电臂1：)A (3.45110)21922320(60667.110667.1331av =?+??=?=--∑A N I

供电臂2：)A (9.43710

)21682210(60667.110667.13

-3

-2av ∑

=?+??=?=A N I

3.2.3 供电臂1、2有效电流的计算

(1)供电臂有效电流的计算方法 供电臂1、2有效电流：

av e e I K I =

(3-6)

其中：

下

上m m K e +-+

=1

1.11α( ∑∑=u

t

t

α) (3-7)

(2)有效电流的计算 供电臂1的有效电流计算：

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50

.1)1112()0.175.17(∑

∑u

1=++==t t α

21.1729

.0771.01

5.11.11111.11111=+-?+=+-+

=下上m m K e α

)A (1.5463.45121.11e =?=I

供电臂2的有效电流计算：

426

.1)5.1112)5.1617(∑

∑u

2=++==t t α

193.1708

.0708.01

426.11.1111.112222=+-?+=+-+

=下上m m K e α

(A)5.5229.43719.12e =?=I

3.2.4 变压器容量的计算

本设计采用单相Vv 接线变压器，其两台单相变压器计算容量分别为：

S 1=1e K UI ve =UI 1e

(3-8)

S 2=2e K UI ve =UI 2e

(3-9)

因此：

()()MV A 0.15kV A 2.150233.5465.271==?=S ()()MV A 7.14kV A 8.143685.5225.272==?=S

3.2.5 变压器校核容量的计算

(1)对应于N 非的供电臂1列车用电平均电流为：

)

(3.63910)21922320(85667.110667.1331av A =?+??=?=--∑A N I 非

从而得出有效电流：

)(6.7733.63921.1111A =?==非非ve e e I K I