牵引变电所电气主接线设计教学教材

课程设计报告书

所属课程名称供变电技术课程设计

题目牵引变电所电气主接线设计分院

专业班级

学号 20 0210470

学生姓名

指导教师

20 年月日

课程设计任务书

专业电气工程及其自动化班级姓名

一、课程设计（论文）题目牵引变电所电气主接线设计

二、课程设计（论文）工作：自20年月日起至年月

1 日止。

三、课程设计（论文）的目的及内容要求：

1.设计课题：牵引变电所电气主接线设计

2.设计目的：

①通过该设计，使学生初步掌握交流电气化铁道牵引变电所电气主接线的设计步骤和方法；

②熟悉有关设计规范和设计手册的使用；

③基本掌握变电所主接线图的绘制方法；

④锻炼学生综合运用所学知识的能力，为今后进行工程设计奠定良好的基础。

3.设计要求：

①按给定供电系统和给定条件，确定牵引变电所电气主接线。

②选择牵引变电所电气主接线中的主要设备。如：母线、绝缘子、隔离开关、熔断器、断路器、互感器等。选择时应优先考虑采用国内经鉴定的新产品、新技术。

③提交详细的课程设计说明书和牵引变电所电气主接线图。

学生签名：( )

20年月日

课程设计（论文）评阅意见

评阅人职称

20 年月日

目录

第一章牵引变电所主接线设计原则及要求 (6)

1.1 概述 (6)

1.2 电气主接线基本要求 (6)

1.3电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤 (7)

第二章牵引变电所电气主接线图设计说明 (8)

第三章短路计算 (9)

3.1短路点的选取 (9)

3.2短路计算 (9)

第四章设备及选型 (12)

4.1硬母线的选取 (12)

4.2支柱绝缘子和穿墙导管的选取 (14)

4.3高压断路器的选取 (16)

4.4高压熔断器的选取 (17)

4.5隔离开关的选取 (18)

4.6电压互感器的选取 (19)

4.7电流互感器的选取 (20)

4.8避雷器的选取 (21)

第五章参考文献 (22)

第一章牵引变电所主接线设计原则及要求

1.1 概述

牵引变电所（含开闭所、降压变电所）的电气主接线，是指由主变压器、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。用规定的设备文字符号和图形代表上述电气设备、导线，并根据他们的作用和运行操作顺序，按一定要求连接的单线或三线接线图，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，电气主结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，电气主结线及其组成的电气设备，是牵引变电所的主体部分。

1.2 电气主接线基本要求

1.安全性

主要体现在：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。

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

1.3电气主接线设计应遵循的主要原则与步骤

1.应以批准的设计任务书为依据，以国家经济建设的方针政策和有关的技术政策、技术规范和规程为准则，结合工程具体特点和实际调查掌握的各种基础资料，进行综合分析和方案研究。

2.主接线设计与整个牵引供电系统供电方案、电力系统对电力牵引供电方案密切相关，包括牵引网供电方式、变电所布点、主变压器接线方式和容量、牵引网电压水平及补偿措施、无功、谐波的综合补偿措施以及直流牵引系统电压等级选择等重大综合技术问题，应通过供电系统计算进行全面的综合技术经济比较，确定牵引变电所的主要技术参数和各种技术要求。

3.根据供电系统计算结果提供的上述各种技术参数和有关资料，结合牵引变电所高压进线及其与系统联系、进线继电保护方式、自动装置与监控二次系统类型、自用电系统，以及电气化铁路当前运量和发展规划远景等因素，并全面考虑对主接线的基本要求，做出综合分析和方案比较，以期设计合理的电气主接线。

4.新技术的应用对牵引变电所主结线结构和可靠性等方面，将产生直接影响。

第二章 牵引变电所电气主接线图设计说明

根据原始资料易知，已站对D 所正常供电时，两回110kV 线路中，一回为主供电源，另一回备用。D 所内采用两台牵引变压器固定全备用。所内不设铁路岔线。

KV 5.27侧不需设室外辅助母线，每相馈线接电容补偿装置二组，电容器室内，电抗

器室外。

低压（二次）侧需设电压互感器，高压侧同样需设电压互感器，按正常运行方式选择变压器容量。

该主接线图高压侧采用外桥接线，两回进线中，采用一回主供，一回备用。变压器采用两台三相主变压器，其绕组联结形式为YNd-11变压器，二次绕组有一相接地并与钢轨连接。由于该变电所的供电方式是单线双边供电，馈线有两条，考虑到经济性，牵引负荷母线不采用带旁路母线的单母线分段接线方式，但为了保证馈线供电的可靠性，采用100%备用断路器馈线接线方式，每回馈线接两台断路器，一台运行，另一台备用。每个分段母线都设有单相电压互感器和避雷器，以便某分段母线检修或故障停电时，它们不致中断工作。

该牵引变电所的运行方式如下： 1．一次侧

两路KV 110进线，一路工作，一路备用，变压器相同，1B 工作，2B 全备用。当

KV 110进线1发生故障时，只需合上外跨桥上的隔离开关。1B 发生故障时，若采用KV 110进线1工作，也合外跨桥上的隔离开关。设备的检修相同。

2．二次侧

当变压器发生故障或检修时，合上分段母线上相应的隔离开关，KV 5.27的馈线能继续工作。断路器及其他设备发生故障或检修相同。但馈线上的断路器采用100%的备用，所以该断路器发生故障或检修时，只需合上另外一个。

第三章 短路计算

3.1短路点的选取

因短路计算的主要内容是确定最大短路电流的大小，所以对一次侧设备的选取一般选取110KV 高压母线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线断路器的选取一般选取27.5KV 低压母线短路点作为短路计算点。

3.2短路计算

电路简化图如图 3-1，在图中，

1d 点为KV 110高压母线短路点，2d 点为KV 5.27低压母线短路点。

1

2

1b 乙7Db

图 3-1 等值电路图

取KV U MVA S j j 115,100==

453686.0115

100

4.01502

21*1=?

?=?

?=j

j U S X L X 269841.063

10017.0100%*=?=?=S S U X

j d Zb

0907372.0115

100

4.0302

27*

7=?

?=?

?=j

j U S X L X 7.015

100105.0100%*=?=?=S S U X

j d Db

1d 处短路时，即100KV 处短路：824264.0*

1*7**1*1=+++=∑

x X X X X Zb

周期分量有效值为：()

33951.108

.1*

1

*7**1*

1j x X X X j I Zb d -=+++=

()KA S I I I I j d j d d 70306.0110

3100

33951.1110

3*

*1

11=??

=??=?=

若取8.1=ch K 时，电路中最大冲击电流为

()KA I i d ch 87717.170306.067.267.211=?==

短路电流最大有效值为()KA I I d ch 13193.170306.061.161.111=?==

2d 处短路时，即27.5KV 处短路:52426.1*

1**7**1*2=++++=∑

x X X X X X b b 乙 周期分量有效值为：()

708541.008

.1*

1

**7**1*

2j x X X X X j I b b d -=++++=

乙 ()KA S I I I I j d j d d 48755.15

.273100

708541.05

.273*

2*2

2=??

=??=?=

若取7.1=ch K 时，电路中最大冲击电流为

()KA I i d ch 75513.348759.127.105.127.105.122=???=???=

短路电流最大有效值为：

()()KA I K I d ch ch 22261.2105.12122

2=-+=

对牵引变电所主变压器：

KV 110侧额定电流：()A U S I e e e 730.78110315000

311=?==

KV 5.27侧额定电流：()A U S I e e e 918.3145

.27315000

322=?==

短路计算值一览表如下表：

表3-1 短路计算表

第四章 设备及选型

4.1硬母线的选取

一、KV 110侧母线的选取：

1、按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 938.214110

331500

3.133.13.1max =??=?

== 由附录二表3查出铝母线（LMY 型）325?的允许载流量为A 251（环境温度为

C o 25时），大于最大工作电流214.938A ，故初步确定选用2

75325mm =?截面的铝

母线（单条平放）。

2.校验母线的短路热稳定性

要求短路最终温度Z θ，应先求出起始温度S θ，根据Z θ，利用曲线()A f θθ=，找出对应的S A 值，再由21

d Z S Q A A S

=-求出Z A ，再次利用曲线()A f θθ=找出对应的Z θ。

C C C C I I o o o

o o xu xu

g o s 6.54)2570()265

938.214(

25)()(

22max =-+=-+=θθθθ 短路电流计算时间

0.10.20.3js b g t t t s =+=+=

短路电流热效应d Z fi Q Q Q =+

)

(6973.43.012

2055.42055.4106121.212

)()(102222

22

2

''s KA t I I I Q d td td z z ?=?+?+=?++=

0.1b t s =Q

)(4367.0064.06121.2222

''s KA T I Q fi z fi ?=?=?=

由C o s 6.54=θ，从图中查得4

105.0?=s A

则由

21

d Z S Q A A S

=- 得：4

2

6421059.075

10)4367.06973.4(105.01?=?++?=+=d s z Q S A A 再由Z A ，查得z θ<100℃,而200XU C θ=? (见表6.1)，即：Z XU θθ<，满足热稳定性要求。所以应选择25?3=75m 2

m 截面的软铝母线。 二、KV 5.27侧母线的选取：

1、按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑

()A U S I I e e e g 727.8595.27331500

3.133.13.1max =??=?

==

由附录二，表三查出铝母线60?8的允许载流量为973A ，大于最大工作电流859.727 A ，故初步选定用60?8=4802

mm 截面的铝母线。

2.校验母线的短路热稳定性

要求短路最终温度Z θ，应先求出起始温度S θ，根据Z θ，利用曲线()A f θθ=，找出对应的S A 值，再由21

d Z S Q A A S

=-求出Z A ，再次利用曲线()A f θθ=找出对应的Z θ。

66.56)2570()1025

752.859(

25)()(

22max =-+=-+=C C C I I o o

o o xu xu

g o s θθθθ

)

(697.43.012

2055.42055.4106121.212

)()(102222

22

2

''s KA t I I I Q d td td z z ?=?+?+=?++=

℃

)(4367.0064.06121.2222

''s KA T I Q fi z fi ?=?=?=

由C o s 66.56=θ,从图中查得4

1033.0?=s A ，则由

21

d Z S Q A A S

=-得： 42

64

21033.0480

10)4367.0697.4(1033.01?=?++?=+=d s z Q S A A 再由Z A ，查同上曲线，查得C o

z 100<θ，而200XU C θ=? (见表6.1)，即：

Z XU θθ<，满足热稳定性要求，所以应选择860?的软铝母线。

3.校验母线的机械稳定性 三相短路冲击电流为：

设母线采用水平排列平放，KA i ch 0594.13= 已知：mm b mm h cm l cm a 8,60,120,40====则

27647.56

8.08

.040>=+-=+-h b b a 1=∴X K

三相短路时的相间电动力为

[][]

N a l i K F ch x 5144.881040

120

100594.1373.110.73.17237233=????=??=--

母线平放及水平排列时，其抗弯模量为：

3622108.406.0008.06

1

61m bh W -?=??==

母线的计算应力为：

()pa W F W M 66

310844.18

.410105144.8810?=??===σ

由表6.4铝母线的允许应力为Pa 6

1069?，即：XU σσ<，满足机械应力稳定性要求。

故最后确定选择截面为2

480860mm S =?=的铝母线。

4.2支柱绝缘子和穿墙导管的选取

由于牵引变压器安装在室外，而KV 110进线是直接接到牵引变压器上的，所以

不用穿墙导管，故对于KV 110侧只需选择支柱绝缘子而不需要选择穿墙导管。而

KV 5.27侧的设备既有安装在室外的也有安装在室内，所以对KV 5.27侧既需要选择

支柱绝缘子，也需要选择穿墙导管。 一、KV 110侧支柱绝缘子的选取：

1、按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器110KV 侧额定电压考虑

KV U e 110=。

由附录二表11.1查出支柱绝缘子的型号为ZS-110/3，初选破坏荷重为3的支柱绝缘子。

2、校验支柱绝缘子的机械强度

N

a i F ch 8241.2104

.01100594.1373.15.010173.15.07672

max =?????=????=-- 由附录二表11.1中查得ZS-110/3型支柱绝缘子允许的抗弯破坏荷重为3000N ，

而短路时中间相中间位置的支柱绝缘子受力为N F n 8241.2)max(=，故

()30.630001800F N

二、KV 5.27侧支柱绝缘子的选取：

1、按最大工作电压选择支柱绝缘子可按变压器KV 5.27侧额定电压考虑

KV U e 5.27=。

由附录二表11.1查出支柱绝缘子的型号，初选型号为ZA-35Y 的支柱绝缘子。 2、校验支柱绝缘子的机械强度

由附录二表11.1中查得ZA-35Y 型支柱绝缘子允许的抗弯破坏荷重为3750N ，而短路时中间相中间位置的支柱绝缘子受力为N F n 8241.2)max(=，故

N F n 225037506.0)max(=?<能满足要求。

三、27.5KV 侧穿墙导管的选取：

1、按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 752.8595

.27331500

3.133.13.1max =??=?

==

由附录二表11.1查出穿墙导管的型号，初选型号为CLB-35/600的支柱绝缘子。 2、校验穿墙导管的热稳定性

由前面选择硬母线处可得s kA Q Q Q fi z d .1337.54367.0697.42=+=+=，而

s kA Q .202=σ，所以σQ Q d <，故穿墙导管满足热稳定性。 4.3高压断路器的选取

交流牵引负荷侧由于故障跳闸频繁，操作次数多，从减少运行维修工作量考虑，本设计KV 110侧选用6SF 断路器，KV 5.27侧选用真空断路器。 一、KV 110侧6SF 断路器的选取

1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 938.214110

331500

3.133.13.1max =??=?

== KV U g 110=

由附录二表6.2查出6SF 断路器的型号为LW-110，额定电流选取1250A 。 2、短路关合电流的校验

由附录二表6.2查出LW-110型号的6SF 断路器的极限通过电流为80eg i KA =，而A i cj 9.6981=，所以eg cj i i ≥，满足要求。 3、校验短路时的热稳定性

由前面选择硬母线处可得s kA Q Q Q fi z d .1337.54367.0697.42

=+=+=，而

2

22431.543969rt Q I t KA s =?=?=?，所以4d Q Q <，故满足热稳定性。

所以6SF 断路器选取型号为LW-110，额定电流为1250A 。 二、KV 5.27侧真空断路器的选取

1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 752.8595.27331500

3.133.13.1max =??=?

== KV U g 5.27=

由附录二表6.3查出真空断路器的型号为627.5ZN -，额定电流选取1000A 。 2、短路关合电流的校验

由附录二表 6.2查出627.5ZN -型号的真空断路器的极限通过电流为

25eg i KA =，而KA i cj 0594.13=，所以eg cj i i ≥，满足要求。

3、校验短路时的热稳定性

由前面选择硬母线处可得s kA Q Q Q fi z d .1337.54367.0697.42=+=+=，而

2

224104400rt Q I t KA s =?=?=?，所以4d Q Q <，故满足热稳定性。

所以6SF 断路器选取型号为627.5ZN -，额定电流选取1000A 。

4.4高压熔断器的选取

由于在所设计的电气主结线中，只有27.5KV 侧才有高压熔断器，所以只需选择

27.5KV 侧的高压熔断器。

1、按额定电压选择

由于227.5e U KV =，而2e e U U ≥，所以选择型号为135RN -的高压熔断器。 2、熔断器开断电流的校验

3

200105714.2935

ek I A ?==，而23754.66ch I A =，即2ek ch I I >，满足要求。

3、熔断器断流容量的校验

200e S MVA =，而23754.6627.5103.253ch ch e S I U MVA =?=?=，即e ch S S >，满足要求。

由于环境为标准情况，不需要进行绝缘泄露比距校验。故选择135RN -的高压熔断器。

4.5隔离开关的选取

由于在所设计的电气主结线中，KV 110侧隔离开关在室外，而KV 5.27侧既有室内的也有室外的，所以对KV 110侧只需选择室外的，而KV 5.27侧要选择室内和室外的。

一、KV 110侧隔离开关的选取

1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 938.214110

331500

3.133.13.1max =??=?

== KV U g 110=

而max ,e g e g U U I I ≥≥，所以由附录二表9.2查出隔离开关的型号为

GW4-110/1000。

2、校验短路时的热稳定性

14er I KA =，A t t I dz 21.17105

3

.09.6981=?=∝

，所以er I I >故

满足热稳定性。

所以110KV 侧隔离开关的型号为户外GW4-110/1000。 二、27.5KV 侧隔离开关的选取

1、最大长期工作电流按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 752.8595.27331500

3.133.13.1max =??=?

== 27.5g U KV =

而max ,e g e g U U I I ≥≥，所以由附录二表9.1查出户内隔离开关的型号为

GN2-35T/1000，户外隔离开关的型号为GW2-35G/1000。

2、校验短路时的热稳定性 1）、户内隔离开关的校验

25er I KA =，A t t I dz 9.3195

3

.01306=?=∝

，所以er I I >故满足热稳

定性。

所以27.5KV 侧隔离开关的型号为户内GN2-35T/1000。 2）、户外隔离开关的校验

14er I KA =，A t t I dz 9.3195

3

.01306=?=∝

，所以er I I >故满足

热稳定性。

所以27.5KV 侧隔离开关的型号为户外GW2-35G/1000。

4.6电压互感器的选取

一、KV 110侧电压互感器的选取

KV U E 1101=

由附录二表12查出电压互感器110JCC -的原线圈额定电压为KV 110，副线圈

额定电压为，故确定选用的型号为110JCC -的电压互感器。

由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流过互感器，因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。 二、KV 5.27侧电压互感器的选取

KV U E 5.272=

由附录二表12查出电压互感器35JDJ -的原线圈额定电压为35KV ，副线圈额定电压为0.1KV ，故确定选用的型号为35JDJ -的电压互感器。

由于电压互感器是并接在主回路中，当主回路发生短路时，短路电流不会流过互感器，

因此电压互感器不需要校验短路的稳定性。

4.7电流互感器的选取

一、110KV 侧电流互感器的选取

1、最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 938.214110

331500

3.133.13.1max =??=?

==，

KV U E 1101=，

而

111max

,e E e g U U I I ≥≥，由附录二表13.2查出电流互感器LCW-110的额定电压

为KV 110，额定电流比为(300~600)/5，故初步确定选用的型号为LCW-110的电流互感器。

2、短路热稳定性校验

()

()2

2

6

130075506.2510e t I K t ??=?=? 6

610134.510)4367.06973.4(?=?+=d Q

()

2

1e t d

I K t Q ??>，故满足热稳定性。

3、短路动稳定性校验

130015063630e u K ?=?=

KA

i ch 9819.6=

1e u ch K i ?>，满足动稳定性。

二、KV 5.27侧电流互感器的选取

1、最大长期工作电流可按变压器过载1.3倍考虑

A U S I I e e e g 752.8595

.27331500

3.133.13.1max =??=?

==