牵引变压器课程设计

牵引供电课程设计1第1章课程设计目的和任务要求1.1设计目的牵引变电所是电气化铁道的心脏，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。因此,变压器的容量计算是极其必要的,要根据实际运营情况进行仔细运算,从而确定选择安装容量。同时，对牵引变压器的继电保护也是必不可少的，合理的保护可以使变压器安全稳定的运行，根据这两方便综合进而完成牵引变电所的设计。1.2任务要求(1)确定该牵引变电所高压侧的电气主接线的形式，并分析其正常运行的四种运行方式。(2)确定牵引变压器的容量、台数及接线形式。(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)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。(6)用CAD画出整个牵引变电所的电气主接线图。1.3设计依据区域电网以双回路110kV输送电能，电力系统容量为3000MVA，选取基准容量为JS为1000MVA，在最大允许方式下，电力系统的电抗标幺值分别为0.24；在最小运行方式下，电力系统的标幺值为0.30。某牵引变电所A采用直接供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相平衡接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表1-1所示。表1-1两供电臂电流归算到27.5kV侧的电流牵引变电所供电臂长度km端子平均电流A有效电流A短路电流A穿越电流AA24.6β282363102320220.4α240319874154牵引供电课程设计21.4设计思路本设计要求采用斯科特变压器。现将斯科特变压器原理简要介绍如下：斯科特结线变压器实际上是由两台单相变压器按规定连接而成。一台变压器的原边绕组两端引出，分别接到三相电力系统的两相，称为M座变压器；另一台单相变压器原边绕组一端引出，接到三相电力系统的另一相，另一端接到M座变压器原边绕组的中点O，称为T座变压器。这种结线型式把对称三相电压变换成相位差为2的对称两相电压，用两相中的一相供应一边供电臂，另一相供应另一边供电臂。图1-2中M座变压器原边绕组匝数、电压分别用1、M1U表示，两端分别接入电力系统的B、C相；副边绕组匝数、电压分别用2、M2U表示，向左边供电臂供电。T座变压器原边绕组匝数、电压分别为231、T1U，一端接到M座变压器原边绕组的中点O，另一端接到电力系统的A相；副边绕组匝数、电压分别为2、T2U，向右边供电臂供电。原、副边电流如图中标示。由图可知，T座和M座副边匝数相同，都是2；但原边匝数不相同，T座原边匝数是M座的23倍。实际中，通常把两台单相变压器绕组装配在一个铁芯上，安装在一个油箱里。图1-1斯科特变压器原理电路图由于该牵引变电所采用直接供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5KV，SCOTT接线。因此，其动力变压器及其自用电变压器可采用逆斯科特变压器，逆斯科特变压器接线如图1-2所示。牵引供电课程设计3图1-2逆斯科特接线第2章主接线设计2.1110KV侧主接线牵引变电所高压侧（电源进线侧）的主接线设计可以分为三类：母线型接线、桥式接线、双T接线。对于大型变电所来说，母线型接线是中心牵引变电所110kV电源侧电气主接线的核心；通过式牵引变电所110kV电源侧一般采用桥式接线；分接式牵引变电所110kV电源侧采用双T接线。根据题目要求及分析已知条件可知：待设计变电所为一中等容量的通过式牵引变电所。所以我们选取结构比较简单且经济性能高的桥式接线。桥式接线又分为内桥和外桥两种接线形式。图2-1内桥接线图2-2外侨接线牵引供电课程设计4图2-1内桥接线，连接在靠近变压器侧，其特点是适用于线路长，线路故障高，而变压器不需要频繁操作的场合，这种接线形式可以很方便地切换或投入线路。图2-2为外桥接线，本设计采用的是外桥接线，连接在靠近线路侧，其特点是适用于输电距离较短，线路故障较少，而变压器需要经常操作的场合，这种接线方式便于变压器的投入以及切除。为了配合牵引变电所在出现主变压器故障时备用变压器的自动投入，选择采用外桥接线便于备用变压器的投入以及故障主变压器的切除。2.2倒闸操作正常运行时，图2-1中QS7，QF,QS8其他断路器隔离开关均断开，变压器T1通过L1得电，使得变压器向27.5kV侧输送电能。当需要检修时，假如仍然需要在L1得电，先断开QF1，然后断开QS3和QS5，再闭合QS4，然后合QS6。最后闭合QF，即可满足检修时供电需要。检修结束时，先断开QF2，然后断开QS4和QS6，再断QF,后闭合QS3和QS5，最后闭合QF1，即可恢复正常供电。当L1线路故障需要由L2线路供电时，先闭合QS2，闭合QF，故障线路QF1跳闸，再断开QS1，最后QF2闭合即可满足L1故障时的供电。如L1线路恢复正常，可以先断开QF2、QF，再断开QS2，闭合QS1，最后闭合QF1即可恢复正常供电。由此可以看出采用外桥型接线对于线路发生故障时比较有利，可以在停电瞬间通过互感器自动检测跳开故障线路断路器，然后闭合备用线路断路器，保证线路故障时自动转换开关使牵引变压器继续运行，有利于系统供电的可靠性和安全性。2.3馈线侧主接线设计题目要求牵引变电所采直接供电方式向双线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5KV，SCOTT接线。直接供电方式的馈电线包括接触网（T）和正馈线（F）两根线，断路器和隔离开关均为双线；另外有中线馈出，不设断路器和隔离开关。当牵引变压器（SCOTT接线变压器）副边线圈无中点抽头时，在变电所内还应另设自耦变压器。一般将自耦变压器设在馈电线外侧，当相邻变电所越区供电时，可作为末端的自耦变压器使用。双线铁路一般为四回馈电线，每两回同相馈电线设一组备用断路器，如图2-3所示。牵引供电课程设计5图2-4双线区段斯科特变压器直接供电方式馈电线主接线该方式是%50备用的接线方式，这种接线方便于工作，当工作断路器需检修时，可有各自的备用断路器来代替其工作，断路器的转换操作较方便，供电可靠性高。2.4绘制电气主接线图综合电源侧主接线图、变压器主接线图、馈线侧主接线图可得牵引变电所电气主结线图。电气主结线图见附图。图中高压侧采用外桥接线形式，这种接线形式所用电气设备少，接线相对简单，可靠性高。两台主变压器均为斯科特接线变压器，正常时一台工作，一台备用。当工作电源失压或工作变压器故障时，在主断路器跳闸后，由自动切换装置使备用的斯科特变压器投入工作，从而保证了不间断供电。两回110KV电源进线各挂有一组电容式电压互感器（TV）。由于主变压器二次侧为对称的的两相27.5KV，故每相（两条线）所使用的断路器、隔离开关均为双极联动的。并联电容补偿装置跨接于每相的两条线上。两台自用电变压器分别接于两台主变压器的二次侧，并采取二相——三相的斯科特反变换获得三相电源。这种供电方式的牵引馈电线，每路始端均跨接有自耦变压器直接。直接两端分别与牵引网的接触导线（或接触网T）及正馈导线（F）相连，中点与钢轨（R）及保护线（PW）相连，并通过火花间隙（放电器）接地。该主接线中的馈线断路器采用的备用方式。主接线图见附图1。牵引供电课程设计6第3章牵引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。3.2变压器计算容量斯科特结线变压器两副边绕组是相互独立的，故副边绕组的有效电流为eTeII1eMeII2式中，TeI和MeI分别为T座、M座绕组有效值；eI1和eI2为对应于T座与M座的供电臂1、2的有效电流。则其计算容量为'122)3(TeTeMeIIIUS（3-2）式中，由于是用于直接供电系统，则27.5UkV，21eTeII、22eMeII。由条件知1363202565eIA，2319154473eIA，282.5TeIA，236.5MeIA，则由式（3-2）可得计算容量为282.51.19236.5TeMeInI（3-1）牵引供电课程设计7'222111.190.9111111.191.1933nnn22'221(3)27.5(236.5282.53282.5)0.9120235.6MeTeTeSUIIIkVA3.3变压器校核容量'2max2max2maxmax)3(IIIUSTTMb（3-3）式中U为牵引侧电压，为27.5kV；maxTI、maxMI分别为M座、T座二次绕组最大电流，AIT504max，AIM344max，maxI、maxI分别为与、对应的供电臂最大电流。则由式（3-3）可得变压器的最大容量为47.1344504maxmax'MTIIn89.047.147.131147.1131112'2'''2nnn'2222maxmaxmaxmax2(3)27.5(344504/3504)0.8948684MTTbUkVASIII校核容量JS为kVAKSSbJ24342248684max（3-4）3.4备用方式选择已知KVASb48684max，故选用的固定备用或移动备用方式下的安装容量是合适的。在采用移动备用方式的情况下，考虑到当两台并联运行的牵引变压器一台发生故障停电后，由另一台单独运行，允许超载%30，并持续4小时，为使其单独运行而不影响铁路正常运输，且考虑到负荷的增长率为%40~%10，由MVAMVASb6.304.1218825.323.125max所以容量选用kVA250002变压器作为移动备用。如果选用移动备用，当牵引变压器发生故障时，移动变压器的调运和投入约牵引供电课程设计8需数小时。此外，靠一台牵引变压器供电往往不能保证铁路正常运输，即使这种影响在单线区段或运量小的双线区段可以很快恢复正常，但考虑到本牵引变电所设在沿线有公路条件的大运量的双线区段，为确保供电的可靠性应当采用固定备用方式。采用固定备用方式，为使其单独运行而不影响铁路正常运输，且考虑到负荷的增长率为%40~%10，由MVAMVASb4.454.13245680240max所以安装容量选用kVA400002变压器，一台运行一台固定备用。采用固定备用方式的优点是：其投入快速方便，可以确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用线岔，可使牵引变电所选址方便、灵活，场地面积较小，土方量少，电气主接线较简单。综上所述，采用kVA400002容量的斯科特变压器，采用固定备用方式，变压器型号为53025TSCOTT。表3-153025TSCOTT变压器的技术参数额定容量(KVA)额定电压(KV)额定电流(A)损耗(KV)阻抗电压(%)空载电流(%)高压低压高压低压空载短路4000011027.56031021545.252.5第4章短路计算4.1短路计算的目的（1）在选择电气设备时，为保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这需要全面的短路计算。（2）在设计屋外高压配电装置时，需按短路计算条件检验软导线的相间和对地的安全距离。（3）在选择几点保护方式和进行整定计算时，需要短路计算提供依据。4.2短路点的选取因短路计算的主要计算式短路电流，所以对一次侧设备的选取一般选取牵引供电课程设计9110kV高压侧母线短路点作为短路计算点；对二次侧设备和牵引馈线侧断路器的选择一般选取27.5kV低压母线侧短路点作为短路计算点。4.3短路计算由于采用的是完全备用方式，主变压器单台运行，牵引变压器高压侧三相