貨運鐵路牽引變電所的電氣系統設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ??????????????????????38致謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????39附錄 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40附錄 A　外文資料 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40附錄 B　系統圖 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52石家莊鐵道大學四方學院畢業設計1第 1 章　緒 論　課題研究的背景牽引供電系統的構成簡化圖如圖 11 所示。相對牽引變電所而言，通常把為其供電的電力系統稱為外部電源或一次系統。牽引供電系統由牽引變電所和牽引網組成。圖 11　牽引供電系統的構成簡圖電力系統與輸電線：它們為電氣化鐵路提供高壓電源，其電壓為 110kV 或220kV。電氣化鐵路的牽引負荷是一級負荷，故要求電源有足夠的容量和較高的可靠度。牽引變電所：牽引變電所的作用是將電力系統供應的電能轉變為是核電力牽引供電方式的電能，其中的核心元件是牽引變壓器，并設有備用。與地方變電所相比，牽引變電所絕大多數情況下是用于提供牽引用電作為區別，而稱為牽引變電所。牽引網：由饋(電) 線、接觸網、軌(地) 、回流線等組成，是牽引供電網(回路)，完成對電力機車的送電任務。　電氣化鐵路的國內外現狀電氣化鐵路對于實現我國鐵路重載、高速起到了至關重要的作用。至 2022石家莊鐵道大學四方學院畢業設計2年底，我國的電氣化鐵路營業里程已達到了 ，占我國鐵路總營業里程的 %，各大干線都已實現了電氣化。近年來，我國變電所自動化的技術特點是新老交替、新老結合、新老并存，既有以常規遠動裝置為核心派生的老站改造模式，又有局部或完全分散的新站設計模式，更有保護監控儀表錄波防誤操作等功能，并且很多變電所都實現了自動化。現代電力牽引都以公用電網配電，實質上是取用經變換的單相電。在我國，礦山電力牽引、城市電車和地下鐵道或輕軌交通都采用直流制，電壓從45V 到 3000V 不等；電氣化鐵路都采用工頻(50Hz)，額定電壓為 或2 的單相交流制。 本設計研究的主要內容本設計主要是貨運鐵路牽引變電所電氣設計。根據步驟進行設計，通過對牽引與電氣計算，確定變壓器容量、臺數、接線方式和備用方式，根據原始資料及技術要求確定變壓器主接線形式，短路計算，再根據短路計算結果進行一次設備的選型與校驗最后是牽引變電所防雷保護與接地裝置的設計。供變電系統及裝置的設計，不僅要滿足正常運行方式下的各種工作狀態及運行條件的要求，而且還應考慮在故障條件下如何縮小或限制故障的范圍及影響，并保證電氣設備在故障狀態下可靠的工作。石家莊鐵道大學四方學院畢業設計3第 2 章　變壓器的選擇　牽引變壓器作用及類型　牽引變壓器作用(或55kV)的單相交流電能供電力機車使用，在牽引變電所中起到降壓分相的作用。目前，我國牽引供電系統中采用的牽引變壓器主要有：單相變壓器、三相星形三角形接法變壓器、三相三繞組十字交叉接線變壓器、斯科特接線變壓器、三相星形延邊三角形接法變壓器和三相星形曲折延邊三角形接線變壓器。　牽引變壓器的類型按牽引變壓器的聯接方式分為單相聯結；Vv 聯結；和三相 YNd11 聯結；Scott 聯結等。(1)單相牽引變電所的優點：牽引變壓器的容量利用率可達 100%；主結線簡單，設備少，占地面積小，投資省等。缺點：不能供應地區和牽引變電所三相負荷用電；對電力系統的負序影響最大；對接觸網的供電不能實現兩邊供電。這種聯結只適用于電力系統容量較大，電力網比較發達，三相負荷用電能夠可靠地由地方電網得到供應的場合。圖 21　單相聯接原理圖(2)Vv 聯結牽引變電所不但保持了單相 V，v 聯結牽引變電所的主要優點，而且完全克服了單相 V，v 聯結牽引變電所的缺點。最可取的是解決了單相V，v 聯結牽引變電所不便于采用固定備用即其自動投入的問題。同時，三相V，v 聯結牽引變壓器有兩臺獨立的鐵芯和對應繞組通過電磁感應進行變換和傳遞；兩臺的容量可以相等，也可以不相等；兩臺的二次側電壓可以相同，也可石家莊鐵道大學四方學院畢業設計4以不相同，有利于實現分相有載或無載調壓。為牽引變壓器的選型提供了一種新的連接形式。圖 22　Vv 聯接原理圖(3)三相聯結牽引變電所，這種牽引變電所中裝設兩臺三相 YNd11 聯結牽引變壓器，可以兩臺并聯運行；也可以一臺運行，另一臺固定備用。三相 YNd11 聯結牽引變電所的優點是：①牽引變壓器低壓側保持三相，有利于供應牽引變電所自用電和地區三相電力；②能很好的適應當一個供電臂出現很大牽引負荷時，另一供電臂卻沒有或只有很小牽引負荷的不均衡運行情況；③三相 YNd11 聯結變壓器在我國采用的時間長，有比較多的經驗，制造相對簡單，價格也較便宜；④一次側 YN 聯結中性點可以引出接地，一次繞組可按分級絕緣設計制造，與電力系統匹配方便。對接觸網的供電可實現兩邊供電。缺點主要是牽引變壓器容量利用率不高。當重負荷相線圈電流達到額定值時，牽引變壓器的輸出容量只能達到其額定容量的 %，引入溫度系數也只能達到 84%。圖 23　YNd11 聯接原理圖石家莊鐵道大學四方學院畢業設計5　牽引變壓器臺數和容量的選擇　牽引變壓器選擇原則(1)為保證供電的可靠性，在變電所中，一般裝設兩臺主變壓器；(2)為滿足運行的靈敏性和可靠性，如有重要負荷的變電 所，應選擇兩臺三繞組變壓器，選用三繞組變壓器占地面積小，運行及維護工作量少，價格低于四臺雙繞組變壓器，因此三繞組變壓器的選擇大大優于四臺雙繞組變壓器；(3)裝有兩臺主變壓器的變電所，其中一臺事故后其余主變壓器的容量應保證該所全部負荷的 70%以上，并保證用戶的一級和二級全部負荷的供電。　牽引變壓器的選擇三相牽引變壓器的計算容量是由牽引供電計算求出的。本變電所考慮為固定備用方式，按故障檢修時的需要，應設兩臺牽引用主變壓器。計算容量公式：(21) tcaNKIUS????23其中( ) ,?NtUK 全日平均電流 A???左左g?..8KI?右右g 22g ????????左左右右 ???Ica計算容量： ????tcaNKIUS?牽引變電所的并聯補償分為并聯電容補償和并聯無功補償兩種，可以與牽引網的并聯電容補償聯合運用，也可以單獨使用。考慮到投資效益比，電氣化鐵路多單獨使用。根據本設計基礎資料的要求，因此需要進行并聯無功補償(PRC)，考慮到變壓所的高壓側的 無功損耗大于有功損耗，故取 進行補償，?? ??然后計算。石家莊鐵道大學四方學院畢業設計6 ????SP補償后： .. ?緊密運行下的計算容量： ???左左g??右右g 22g ????????左左右右 ???Ica緊密運行下的計算容量： ????tcaNKIUS?由于牽引負荷功率因數為 。 ???SP補償后： ?校核容量： (22)KSmax?校其中 K= ??補校中期變壓器計算：中期牽引負荷增長 30%: . ???長緊密運行方式下： ..1??長校核容量： ??長校根據計算的容量,選用 SF10QY63000/110 型牽引變壓器兩臺。空載損耗石家莊鐵道大學四方學院畢業設計7，負載損耗 246，空載電流 %,阻抗電壓 %。同時根據要求，10KV 側選用 SF111000/ 型電力變壓器。空載損耗，負載損耗 ，空載電流 %,阻抗電壓 %。石家莊鐵道大學四方學院畢業設計8第 3 章　牽引變電所主接線設計　電氣主接線的基本要求電氣主接線是變電所電氣設計的首要部分，也是構成電力系統的首要環節。對電氣主接線的基本要求概括地說應包括電力系統整體及變電所本身運行的可靠性、靈活性和經濟性。(1)可靠性保證對牽引負荷和地區負荷的供電可靠性和電能質量。牽引負荷和部分地區負荷均為一級負荷，必須保證供電的安全可靠性，為此要保證牽引變電所電源引入可靠，選擇主接線時要考慮在電路的轉換、設備的檢修和事故處理時供電的可靠性和連續性。為了滿足電能質量的要求，主接線應在變壓器接線方式、諧波補償和調壓方式方面注意改善電能質量。(2)操作方便主接線應力求簡單、清晰、操作方便。由于接觸網事故較多，檢修頻繁，牽引變電所倒閘作業較多，主接線越簡單清晰，程序操作越少，操作越方便。(3)靈活性應能適應必要的各種運行方式，便于切換操作和檢修，且適應負荷的發展。(4)經濟性在滿足上述要求的前提下，盡量使主接線簡單，投資少，運行費用低，并節約電能和有色金屬消耗量。(5)發展擴建性的可能性主接線應考慮將來的發展和擴建的方便。設計主接線要考慮倒遠景規劃，在需要的時候可以很方便地改造和擴建。　牽引變電所一次側主接線的基本形式電氣主接線主要有以下幾種形式：(1)橋型接線當牽引變電所只有兩條電源進線和兩臺主變壓器，且有系統功率穿越時采用橋式接線，通過式牽引變電所一次側常采用橋型接線。石家莊鐵道大學四方學院畢業設計9①內橋接線內橋接線的連接橋斷路器設置在內側。其余兩臺斷路器接在線路上。因此線路的切除和投入比較方便，而且當線路發生短路故障時，僅故障線路的斷路器斷開，不影響其它回路運行。此外，變壓器切除和投入的操作比較復雜，需切除和投入與該變壓器連接的兩臺斷路器，也影響了一回未故障線路的運行。連接橋斷路器檢修時，兩個回路需解列運行。當輸電線路較長，故障幾率較多，而變壓器又不需經常切除時，采用內橋接線比較合適，如圖 31 所示。圖 31　內橋接線 圖 32　外橋接線②外橋接線外橋接線的特點與內橋接線正好相反。聯結橋斷路器設置在外側，其它兩臺斷路器接在變壓器回路中，線路故障和進行切除以及投入操作時，需動過與之相得兩臺斷路器并影響一臺未故障變壓器的運行。但變壓器的切除和投入時，不影響其它回路運行。當出線較短，且變壓器隨經濟運行的要求需經常切換時，采用外橋接線的方式比較合適，如圖 32 所示。(2)單母線接線單母線接線的特點是整個配電裝置只有一組母線，每個電源線和引出線都經過開關電器接到同一組母線上。優點：接線簡單清晰、設備少、操作方便、便于擴建和采用成套配電裝置。缺點：不夠靈活可靠，任意元件故障或檢修，均須使整個配電裝置停電。單母線可用隔離開關分段，但當一段母線故障時，全部母線仍需短時停電，在用隔離開關將故障的母線段分開后才能恢復非故障段的供電。(3)單母線分段接線石家莊鐵道大學四方學院畢業設計10優點：用斷路器把母線分段后，對重要用戶可以從不同斷引出兩個回路由兩個電源供電；當一段母線發生故障，分開母聯斷路器，自動將故障隔離，保證正常段母線不間斷供電和不致使重要用戶停電。缺點：當一段母線或母線隔離開關故障或檢修時，該段母線的回路都要在檢修期間內停電；當出現為雙回路時，常使架空線路出現交叉跨越；擴建時需向兩個方向均衡擴建。(4)雙母線接線優點：供電可靠；調度靈活；擴建方便；便于試驗。缺點：增加一組母線時每回路就需要增加一組母線隔離開關；當母線故障或檢修時，隔離開關作為倒換操作電器，容易誤操作。為了避免隔離開關誤操作，需在隔離開關和斷路器之間裝設連鎖裝置 [4]。　牽引變電所饋線側主接線基本形式由于 饋線斷路器的跳閘次數較多，為了提高供電的可靠性，按饋線斷路器備用方式不同，牽引 變電所 側饋線 的接線方式一般有下列三種：(1)饋線斷路器 100% 備用的接線此種接線用于單線區段，牽引母線不同相的場合。這種接線當工作斷路器需檢修時，即由備用斷路器代替。斷路器的轉換操作方便，供電可靠性高，但一次投資較大。饋線斷路器100%備用的接線圖如圖33所示。(2)饋線斷路器50% 備用的接線饋線斷路器50%備用的接線圖如圖34所示。50%備用的接線，此種接線用于單線區段，牽引母線同相的場合和復線區段，每相母線只有兩條饋線的場合。這種接線每兩條饋線設一臺備用斷路器，通過隔離開關的轉換，備用斷路器可代替其中任一臺斷路器工作。牽引母線用兩臺隔離開關分段是為了便于兩段母線輪流檢修。當每相母線的饋出線數目較多時，一般很少采用此種法方法。此外該接法雖然在經濟上比100%備用的接線優越，但可靠性相對來說較低。在只考慮可靠性時，應偏向于選擇饋線斷路器50%備用，只從經濟性方面考慮的話，卻應該偏向于選擇饋線斷路器100%備用。但實際生活中，往往從兩方面同時考慮而選擇備用方式。石家莊鐵道大學四方