電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)(自動(dòng)化學(xué)院)

1、電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系2009-6-18電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院 適用專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)名稱：電氣化鐵道供電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 課程代碼 ：0508941學(xué)分?jǐn)?shù)：1 學(xué)時(shí)數(shù)：16一、課程設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在學(xué)完電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)課程之后、進(jìn)行的一個(gè)綜合性的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過本課程設(shè)計(jì)一方面使學(xué)生獲得綜合運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行牽引變電所主接線設(shè)計(jì)和電氣設(shè)備選型的基本能力，另一方面能鞏固與擴(kuò)大學(xué)生的電氣綜合設(shè)計(jì)知識(shí)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及今后從事科學(xué)研究、工程技術(shù)工作打下較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過本課

2、程設(shè)計(jì)，學(xué)生能運(yùn)用電氣基礎(chǔ)課程中的基本理論和實(shí)踐知識(shí)，正確地解決牽引變電所的電氣主接線設(shè)計(jì)等問題。通過牽引變電所的電氣主接線設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，提高電氣設(shè)計(jì)能力，學(xué)會(huì)使用相關(guān)的手冊(cè)及圖冊(cè)資料：1、掌握牽引變壓器容量計(jì)算的基本方法能夠根據(jù)牽引負(fù)荷的大小正確計(jì)算牽引變壓器的計(jì)算容量、校核容量和安裝容量。2、掌握牽引變電所110kV側(cè)主接線設(shè)計(jì)的基本方法能夠根據(jù)牽引變電所在牽引供電系統(tǒng)中的重要性，正確在電氣主接線的四種接線形式中進(jìn)行選擇，做出110kV側(cè)主接線的設(shè)計(jì)。3、掌握牽引變壓器型號(hào)選擇的基本方法能夠根據(jù)變壓器的容量和牽引網(wǎng)向電力機(jī)車的供電方式正確選擇牽引變壓器的型號(hào)。4、掌握牽引變電所饋線側(cè)主接線設(shè)

3、計(jì)的基本方法能夠根據(jù)牽引變電所向接觸網(wǎng)的供電方式，正確進(jìn)行饋線數(shù)目、備用方式和接線形式的和設(shè)計(jì)。5、掌握牽引變電所主接線中電氣設(shè)備選型的基本方法能夠正確對(duì)主接線中電氣設(shè)備某兩種，如：斷路器，隔離開關(guān)，電流互感器，電壓互感器，避雷器，自用電變壓器，地方負(fù)荷用變壓器等進(jìn)行正確選型。二、課程設(shè)計(jì)的要求學(xué)生要按照課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的要求，根據(jù)題目所給原始參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本課程設(shè)計(jì)的基本步驟是：1、分析問題及解決方案框架確定2、牽引變壓器容量計(jì)算正確進(jìn)行牽引變壓器的計(jì)算容量、校核容量和安裝容量的計(jì)算。3、牽引變電所110kV側(cè)主接線設(shè)計(jì)4、牽引變電所饋線側(cè)主接線設(shè)計(jì)5、確定電氣主結(jié)線6、*短路電流計(jì)算7、*母

4、線（導(dǎo)體）和主要一次電氣設(shè)備選擇8、*設(shè)計(jì)并繪制高壓配電裝置典型配電間隔（單元）的平面布置與斷面圖9、完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告 原始數(shù)據(jù)分析：對(duì)重大技術(shù)問題進(jìn)行必要的方案比較、論證和分析 按設(shè)計(jì)內(nèi)容，完成全部計(jì)算過程，并將計(jì)算結(jié)果列表 繪制電氣主結(jié)線圖1張 選擇主接線中母線和開關(guān)電氣設(shè)備中的某兩種進(jìn)行選型*設(shè)計(jì)并繪制高壓配電裝置典型配電間隔（單元）的平面布置與斷面圖注：標(biāo)有“*”號(hào)的內(nèi)容是選做內(nèi)容。三、考核評(píng)估 通過計(jì)算、總結(jié)報(bào)告和學(xué)習(xí)態(tài)度綜合考評(píng)，并結(jié)合學(xué)生的動(dòng)手能力，獨(dú)立分析解決問題的能力和創(chuàng)新精神。成績(jī)分優(yōu)、良、中、及格和不及格五等?？己藰?biāo)準(zhǔn)包括：1、課程設(shè)計(jì)的正確性。2、學(xué)生的工作態(tài)度、動(dòng)手能

5、力、創(chuàng)新精神。3、總結(jié)報(bào)告。總成績(jī)?cè)u(píng)定：滿分為100分，總分=第一項(xiàng)成績(jī)×50%+第二項(xiàng)成績(jī)×20%+第三項(xiàng)成績(jī)×30%90-100分為優(yōu)秀，80-89分為良好，70-79分為中等，60-69分為及格，60分以下為不及格。成績(jī)單上按優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格填寫。四、課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)題1、供變電工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的牽引變電所A。2、供變電工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的牽引變電所B。3、某牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，向兩條復(fù)線電氣化鐵路干線的四個(gè)方向供電區(qū)段供電，已知列車正常情況的計(jì)算容量為10000 kVA（三相變壓器），并以10kV電壓給車站電力照明機(jī)務(wù)段等地區(qū)負(fù)荷供電，

6、容量計(jì)算為3750 kVA，各電壓側(cè)饋出數(shù)目及負(fù)荷情況如下：25kV回路（1路備）：兩方向年貨運(yùn)量與供電距離分別為，。10kV共12回路（2路備）。供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的中間，送電線距離15km，主變壓器為三相接線。4、某牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，向兩條復(fù)線電氣化鐵路干線的四個(gè)方向供電區(qū)段供電，已知列車正常情況的計(jì)算容量為20000 kVA（三相變壓器），并以10kV電壓給車站電力照明機(jī)務(wù)段等地區(qū)負(fù)荷供電，容量計(jì)算為1000 kVA，各電壓側(cè)饋出數(shù)目及負(fù)荷情況如下：25kV回路（2路備）：兩方向年貨運(yùn)量與供電距離分別為，。10kV共6回

7、路（4路備）。供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的中間，送電線距離20km，主變壓器為三相接線。5、某牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，向兩條復(fù)線電氣化鐵路干線的兩個(gè)方向供電區(qū)段供電，已知列車正常情況的計(jì)算容量為27000 kVA（三相變壓器），并以10kV電壓給車站電力照明機(jī)務(wù)段等地區(qū)負(fù)荷供電，容量計(jì)算為2700 kVA，各電壓側(cè)饋出數(shù)目及負(fù)荷情況如下：25kV回路（1路備）：兩方向年貨運(yùn)量與供電距離分別為，。10kV共4回路（2路備）。供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的首端，送電線距離30km，主變壓器為SCO

8、TT接線。6、某牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，向兩條復(fù)線電氣化鐵路干線的四個(gè)方向供電區(qū)段供電，已知列車正常情況的計(jì)算容量為15000kVA（三相變壓器），并以10kV電壓給車站電力照明機(jī)務(wù)段等地區(qū)負(fù)荷供電，容量計(jì)算為1200kVA，各電壓側(cè)饋出數(shù)目及負(fù)荷情況如下：25kV回路（1路備）：兩方向年貨運(yùn)量與供電距離分別為，。10kV共4回路（2路備）。供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的終端，送電線距離25km，主變壓器為三相V-V接線。7、某牽引變電所甲采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，三相平衡接線，兩供電臂電流歸算到2

9、7.5kV側(cè)電流如下表所示。牽引變電所供電臂長(zhǎng)度km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A甲24.6282363102320220.42403198741548、某牽引變電所乙采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，三相接線，兩供電臂電流歸算到27.5kV側(cè)電流如下表所示。牽引變電所供電臂長(zhǎng)度km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A乙18.321729581814813.31442186371449、某牽引變電所丙采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，三相V-V接線，兩供電臂電流歸算到27.5kV側(cè)電流如下表所示。牽引

10、變電所供電臂長(zhǎng)度km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A丙21.923831891720624.7184266105221710、某牽引變電所丁采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，單相V-V接線，兩供電臂電流歸算到27.5kV側(cè)電流如下表所示。牽引變電所供電臂長(zhǎng)度km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A丁19.414221980915223.216724897819811、某牽引變電所戊采用AT供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，SCOTT接線，兩供電臂電流歸算到27.5kV側(cè)電流如下表所示。牽引變電所供電臂長(zhǎng)度km端

11、子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A戊23.62062911086194109516860214412、圖1為某一負(fù)序網(wǎng)絡(luò)。圖中A、B為兩個(gè)牽引變電所，是為負(fù)序電流源，、分別為電力系統(tǒng)的負(fù)序電流和負(fù)序電壓監(jiān)視點(diǎn)。其運(yùn)行方式如下：（1） 線路（b）、（d）斷開。（2） 線路（a）、（c）斷開。求在上述運(yùn)行方式下，各監(jiān)視點(diǎn)、的負(fù)序電流分配系數(shù)。設(shè)監(jiān)視點(diǎn)I的發(fā)電機(jī)容量為11.5´104kW，=0.8，允許承受持續(xù)負(fù)序電流8%，牽引供電系統(tǒng)提供的參數(shù)如圖1所示。試求監(jiān)視點(diǎn)I的負(fù)序電流和監(jiān)視點(diǎn)II的負(fù)序電壓是否超過允許值。列車對(duì)數(shù)（對(duì)）79/161追蹤間隔數(shù)n2333供電臂列車平均電流（

12、A）173161179157供電臂列車有效電流（A）182169188165供電臂平均電流（A）169/346235/483245/503148/306供電臂有效電流（A）178/363247/507257/528155/321供電臂帶電運(yùn)行時(shí)間（min）16.827.42324圖1 牽引供電系統(tǒng)的參數(shù)13、教師自定綜合設(shè)計(jì)題目：要求：結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，難度不低于綜合設(shè)計(jì)題目推薦樣題（1-12）的難度。五、教材與參考書使用教材：1、電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì) 李彥哲、胡彥奎等主編 蘭州大學(xué)出版社主要參考書：2、電力牽引供變電技術(shù) 賀威俊、高仕斌等主編 西南交通大學(xué)出版社3、電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)：牽引供

13、電系統(tǒng) 鐵道部電氣化工程局電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)院編 中國(guó)鐵道出版社4、電氣化鐵道施工手冊(cè)：牽引變電所 鐵道部電氣化工程局第一工程處編 中國(guó)鐵道出版社5、交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)譚秀炳、劉向陽等主編 西南交大出版社6、電氣化鐵道并聯(lián)綜合補(bǔ)償及其應(yīng)用李群湛主編 鐵道出版社7、供變電工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書學(xué)校教材科六、設(shè)計(jì)題目參考答案1、供變電工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的牽引變電所A參考供變電工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書。2、供變電工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的牽引變電所B參考供變電工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書。3、某牽引變電所位于大型編組站內(nèi)，向兩條復(fù)線電氣化鐵路干線的四個(gè)方向供電區(qū)段供電，已知列車正常情況的計(jì)算容量為10000kVA（三相變

14、壓器），并以10KV電壓給車站電力照明機(jī)務(wù)段等地區(qū)負(fù)荷供電，容量計(jì)算為3750kVA，各電壓側(cè)饋出數(shù)目及負(fù)荷情況如下：25KV回路（1路備）：兩方向年貨運(yùn)量與供電距離分別為，。10kV共12回路（2路備）。供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV輸送線供電。本變電所位于電氣化鐵路的中間，送電線距離15km，主變壓器為三相接線。參考答案：（1）分析負(fù)荷及原始資料由上述資料可知，本牽引變電所擔(dān)負(fù)著重要的牽引負(fù)荷供電任務(wù)（一級(jí)負(fù)荷）、饋線數(shù)目多、影響范圍廣，應(yīng)保證安全可靠的供電。10千伏地區(qū)負(fù)荷主要為編組站自動(dòng)化駝峰、信號(hào)自動(dòng)閉塞、照明及其它自動(dòng)裝置等一部分為一級(jí)負(fù)荷、其他包括機(jī)務(wù)段在內(nèi)均為二級(jí)負(fù)

15、荷，應(yīng)有足夠可靠性的要求。本變電所為終端變電所，一次側(cè)無通過功率。（2）牽引變壓器臺(tái)數(shù)和容量的選擇三相牽引變壓器的計(jì)算容量是由牽引供電計(jì)算求出的。本變電所考慮為固定備用方式，按故障檢修時(shí)的需要，應(yīng)設(shè)兩臺(tái)牽引用主變壓器，地區(qū)電力負(fù)荷因有一級(jí)負(fù)荷，為保證變壓器檢修時(shí)不致斷電，也應(yīng)設(shè)兩臺(tái)。根據(jù)原始資料和各種負(fù)荷對(duì)供電可靠性要求，主變壓器容量與臺(tái)數(shù)的選擇，可能有以下兩種方案：方案A:2×10000千伏安牽引變壓器+2×6300 kVA地區(qū)變壓器，一次側(cè)同時(shí)接于110 kV母線，（110千伏變壓器最小容量為6300 kVA）。方案B:2×15000千伏安的三繞組變壓器，因1

16、0千伏側(cè)地區(qū)負(fù)荷與總?cè)萘勘戎党^15%，采用電壓為11027.510.5 kVA，結(jié)線為兩臺(tái)三繞組變壓器同時(shí)為牽引負(fù)荷與地區(qū)電力負(fù)荷供電。各繞組容量比為100:100:50。(3)各種方案主接線的擬定按110 kV進(jìn)線和終端變電所的地位，考慮變壓器數(shù)量，以及各種電壓級(jí)饋線數(shù)目、可靠供電的需要程度選擇結(jié)線方式。（1）對(duì)于上述方案A，因有四臺(tái)變壓器，考慮110 kV母線檢修不致全部停電，采用單母線用斷路器分段的結(jié)線方式，如圖2（a），每段母線連接一臺(tái)牽引變壓器和地區(qū)變壓器。由于牽引饋線斷路器數(shù)量多，且檢修頻繁，牽引負(fù)荷母線采用帶旁路母線放入單母線分段（隔離開關(guān)分段）結(jié)線方式，10 kV地區(qū)負(fù)荷母線

17、同樣采用斷路器分段的單母線結(jié)線系統(tǒng)。自用電變壓器分別接于10 kV兩段母線上（兩臺(tái)）。（2）對(duì)于方案B，共用兩臺(tái)三繞組主變壓器、兩回路110 kV進(jìn)線，線路太長(zhǎng)，但應(yīng)有線路繼電保護(hù)設(shè)備，故以采用節(jié)省斷路器數(shù)量的內(nèi)橋結(jié)線較為經(jīng)濟(jì)合理，如圖2（b）。牽引負(fù)荷母線結(jié)線和10千伏母線結(jié)線與方案（A）的結(jié)線相同。（a）方案（A）主接線（b）方案（B）主接線圖2各方案主接線圖(4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較因地區(qū)負(fù)荷占比例較大，且有部分為一級(jí)負(fù)荷，應(yīng)保證必要的電壓質(zhì)量，主要應(yīng)檢驗(yàn)電壓不對(duì)稱系數(shù)。然后進(jìn)行兩種方案的經(jīng)濟(jì)比較。I電壓不對(duì)稱系數(shù)的計(jì)算a）由已知牽引負(fù)荷容量，25kV側(cè)額定電流及每饋電區(qū)電流、，見圖3（a），分

18、別為：（1）cos=0.8（2）=0.655=138 A（因電流不對(duì)稱引入的系數(shù)k=0.655）（3）(a)形繞組中電流分配（b）每相牽引負(fù)荷電流與電壓向量圖圖3 三相牽引變壓器各繞組中電流分配及相位關(guān)系兩饋電區(qū)電流在形繞組中分配后，每相繞組電流為A（4）A（5）A（6）電流與電壓的相量關(guān)系如圖3（b）其中以為基準(zhǔn)相。10千伏電壓側(cè)為三相對(duì)稱負(fù)荷，設(shè)cos=0.9則其額定電流和形繞組中每相電流分別為：A（7）（8）同理A（9）A（10）110kV高壓繞組中的電流，不計(jì)勵(lì)磁電流時(shí)，即為負(fù)荷電流歸算到高壓側(cè)的值。對(duì)于方案（A）僅考慮牽引負(fù)荷A（11）A（12）A（13）對(duì)于方案（B），應(yīng)為牽引負(fù)荷

19、與地區(qū)負(fù)荷電流相量和，其值為：A（14）A（15）A（16）其中電壓變換系數(shù)，。b）高壓110千伏繞組中的阻抗壓降，已知參數(shù)為：三繞組16000千伏安變壓器=106 kW，%=10.5；雙繞組10000千伏安變壓器=63 kW，%=10.5。按式(16)和(17)分別求得高壓繞組的電阻及電抗為：(=110 kV)（17）（18）三繞組變壓器=2.51=79.47雙繞組變壓器=3.81=127.1高壓各相繞組阻抗壓降，由各相阻抗壓降三角形可知：對(duì)于三繞組變壓器，kV（19）kV（20）kV（21）對(duì)于雙繞組變壓器，kV（22）kV（23）kV（24）c）高壓110 kV繞組感應(yīng)電勢(shì)（E）及不對(duì)稱

20、系數(shù)，按下式計(jì)算=-；其中：=kV（25）=-； =kV（26）=-； =kV（27）正序分量=（+a+）kV負(fù)序分量=（+a）kV電壓（勢(shì)）不對(duì)稱系數(shù)=100%將各方案計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1 各主接線方案技術(shù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果方案單位（kV）百分值A(chǔ)4.2%B2.54%從上述比較可知，在保證電壓質(zhì)量方面，方案（A）和方案（B）的值在允許范圍以內(nèi)。II變壓器與配電裝置的一次投資與折舊維修費(fèi)方案A：2×10000+2×6300kVA變壓器四臺(tái)，多增加110kV斷路器四組，按SW3-110少油斷路器計(jì)算，共需（以萬元計(jì)）2×80+2×50+4×（11+

21、1.9+2×0.95）=274.8萬元（28）（每組斷路器包括斷路器及機(jī)構(gòu)1臺(tái)、電流互感器1臺(tái)，及兩側(cè)隔離開關(guān)2臺(tái)，分別為11萬元、1.9萬元和2×0.95萬元）方案B：2×16000+2×6300kVA三繞組變壓器2臺(tái)，另增加變壓器前面和跨條隔離開關(guān)（110kV）4組共需（以萬元計(jì)）2×96+4×0.95=195.8萬元（29）III各方案的年電能損耗a）方案A采用2×SF1-QY-10000110型和2×SF7-6300110型三相變壓器，其參數(shù)為：牽引變壓器 =21千瓦，=76千瓦，%=3.5，%=10.5；

22、地區(qū)變壓器 =15千瓦，=55千瓦，%=2.5，%=10.5。按已知條件，可求牽引負(fù)荷的最大功率損耗時(shí)間為：h（30）地區(qū)負(fù)荷=4500小時(shí)，cos=0.9，用插入法得，（地區(qū)負(fù)荷）=2750小時(shí)。牽引變壓器和地區(qū)變壓器的年能量損耗和分別由式求得（取無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量=0.1）：其中=安；各值已在前面求出；A2故=446760+241985.6=688745.6千瓦時(shí)(31)b）方案B采用2×SFS7-16000110型三項(xiàng)三繞組變壓器，其參數(shù)為：各繞組容量比100：100：50；=28kW，%=1.1，=106千瓦，各繞組短路電壓%=10.5，%=6.5，%=0。則依下式：可求得年電能損

23、耗為：其中；=8000千伏安；。已知=4000小時(shí)，=2750小時(shí)，則代入上述各值后，得：千瓦時(shí)(32)c）由技術(shù)經(jīng)濟(jì)全面比較表明，在保證同樣可靠性的前提下，方案B對(duì)地區(qū)負(fù)荷供電電壓質(zhì)量較好，且投資和年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用都較低，又節(jié)省占地面積，故推薦方案B。圖4方案A 電氣主接線圖5 方案B 電氣主接線4、4-6題答案參考第3題。5、某牽引變電所乙采用直接供電方式向復(fù)線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5KV，三相接線，兩供電臂電流歸算到27.5kV側(cè)電流如下表所示。牽引變電所供電臂長(zhǎng)度km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A乙18.321729581814813.3144218637144參考答案：（1）首先計(jì)算牽引變壓器的容量主變壓器選定了三相YN,d