電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計課程設計指導手冊

《電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計》課程設計指導手冊蘭州交通大學自動化學院電氣工程系2023-6-18電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計課程設計指導手冊電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計課程設計指導手冊學院：自動化學院 適用專業(yè)：電氣工程及其自動化課程設計名稱：電氣化鐵道供電系統(tǒng)課程設計 課程代碼：0508941學分數(shù)：1 學時數(shù)：16一、課程設計目的力量，學會使用相關的手冊及圖冊資料：1、把握牽引變壓器容量計算的根本方法能夠依據(jù)牽引負荷的大小正確計算牽引變壓器的計算容量、校核容量和安裝容量。2、把握牽引變電所110kV側主接線設計的根本方法能夠依據(jù)牽引變電所在牽引供電系統(tǒng)中的重要性110kV側主接線的設計。3、把握牽引變壓器型號選擇的根本方法能夠依據(jù)變壓器的容量和牽引網(wǎng)向電力機車的供電方式正確選擇牽引變壓器的型號。4、把握牽引變電所饋線側主接線設計的根本方法和設計。5、把握牽引變電所主接線中電氣設備選型的根本方法能夠正確對主接線中電氣設備某兩種，如：斷路器，隔離開關，電流互感器，電壓互感器，避雷器，自用電變壓器，地方負荷用變壓器等進展正確選型。二、課程設計的要求步驟是：1、分析問題及解決方案框架確定2、牽引變壓器容量計算正確進展牽引變壓器的計算容量、校核容量和安裝容量的計算。3、牽引變電所高壓側〔電源進線側〕主接線設計4、牽引變電所饋線側主接線設計5、確定電氣主結線6、*短路電流計算7、*母線〔導體〕和主要一次電氣設備選擇8、*設計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、完成課程設計報告①原始數(shù)據(jù)分析：對重大技術問題進展必要的方案比較、論證和分析②按設計內容，完成全部計算過程，并將計算結果列表1張④選擇主接線中母線和開關電氣設備中的某兩種進展選型⑤*設計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：標有“*”號的內容是選做內容。三、考核評估的力量和創(chuàng)精神。成績分優(yōu)、良、中、及格和不及格五等。考核標準包括：1、課程設計的正確性。2、學生的工作態(tài)度、動手力量、創(chuàng)精神。3、總結報告。第三項成績×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。成績單上按優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格填寫。四、課程設計實習題1、《供變電工程課程設計指導書》的牽引變電所A。2、《供變電工程課程設計指導書》的牽引變電所B。3、某牽引變電所位于大型編組站內，向兩條復線電氣化鐵路干線的四個方向供電區(qū)段供電，列車正常狀況的計算容量為10000kVA〔三相變壓器〕，并以10kV電壓給車站電力照明機務段等地區(qū)負荷供電，容量計算為3750kVA，各電壓側饋出數(shù)目及負荷狀況如下：25kV回路〔1路備〕：兩方向年貨運量與供電距離分別為QL

3260 11□ QL 3025 Mtkmq100kWh/10ktkm□ 2 2供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV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，向兩條復線電氣化鐵路干線的四個方向供電區(qū)段供電，列車正常狀況的計算容量為20230kVA〔三相變壓器〕，并以10kV電壓給車站電力照明機務段等地區(qū)負荷供電，容量計算為1000kVA，各電壓側饋出數(shù)目及負荷狀況如下：25kV回路〔2路備〕：兩方向年貨運量與供電距離分別為QL

6060 11□ QL 6025 Mtkmq150kWh/10ktkm□ 2 2供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV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，向兩條復線電氣化鐵路干線的兩個方向供電區(qū)段供電，列車正常狀況的計算容量為27000kVA〔三相變壓器〕，并以10kV電壓給車站電力照明機務段等地區(qū)負荷供電，容量計算為2700kVA，各電壓側饋出數(shù)目及負荷狀況如下：25kV回路〔1路備〕：兩方向年貨運量與供電距離分別為QL

3050 11□ QL 4030 Mtkmq120kWh/10ktkm□ 2 2供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV端，送電線距離30km，主變壓器為SCOTT接線。6、某牽引變電所位于大型編組站內，向兩條復線電氣化鐵路干線的四個方向供電區(qū)段供電，列車正常狀況的計算容量為15000kVA〔三相變壓器〕，并以10kV電壓給車站電力照明機務段等地區(qū)負荷供電，容量計算為1200kVA，各電壓側饋出數(shù)目及負荷狀況如下：25kV回路〔1路備〕：兩方向年貨運量與供電距離分別為QL

3250 11□ QL 4025 Mtkmq100kWh/10ktkm□ 2 2供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV端，送電線距離25km，主變壓器為三相V-V接線。牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A短路電流A牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流Aβ2823631023202α24031987415424.6甲20.4牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A24.6甲20.4牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A18.3α217295818148乙13.3β144218637144牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A21.9牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A21.9β238318917206丙24.7α1842661052217牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A19.4α牽引變電所供電臂km端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A19.4α142219809152丁23.2β16724897819811AT110/27.5kV，SCOTT27.5kV側電流如下表所示。牽引變電所牽引變電所供電臂端子平均電流A有效電流A短路電流A穿越電流A23.6β2062911086194戊10α95168602144121為某一負序網(wǎng)絡。圖中A、B為兩個牽引變電所，是為負序電流源，Ⅰ、Ⅱ分別為電力系統(tǒng)的負序電流和負序電壓監(jiān)視點。其運行方式如下：線路bd〕斷開。線路〕斷開。求在上述運行方式下，各監(jiān)視點Ⅰ、Ⅱ的負序電流安排系數(shù)。I11.5104kWcos=0.88%，牽1III的負序電壓是否超過允許值。BACBBACB79/1612333173161179157182169188165列車對數(shù)NNj〔對〕列車對數(shù)NNj〔對〕f追蹤間隔數(shù)n供電臂列車平均電流I 〔A〕pi供電臂列車有效電流I 〔A〕xi供電臂平均電流I (N)kp jI (N kp f〔A〕169/346235/483245/503148/306供電臂有效電流I (N)kp jI (N kp f〔A〕178/363247/507257/528155/321供電臂帶電運行時間〔min〕16.827.42324供電方向廟莊方向 崇信方向km12.34 14.25上行能耗kW688.45 1176.99下行能耗kW652.28 861.86上行帶電時分min供電方向廟莊方向 崇信方向km12.34 14.25上行能耗kW688.45 1176.99下行能耗kW652.28 861.86上行帶電時分min7.76 9.5下行帶電時分min6.44 7.25列車對數(shù)40 21非平衡力量142 152.5牽引所位置廟莊供電臂長度km11.83 28.3914、華豐牽引變電所承受直接供電方式向復線區(qū)段供電，牽引變壓器類型為110/27.5kV，三相接線，原始參數(shù)如下表所示。供電方向永豐方向靈武方向km13.7414上行能耗kW1217.06526.09下行能耗kW312.27825.69上行帶電時分min13.546.68下行帶電時分min4.4910.44列車對數(shù)1717非平衡力量142152.5牽引所位置華橋供電臂長度km28.3214五、教材與參考書使用教材：1、《電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計》李彥哲、胡彥奎等主編蘭州大學出版社主要參考書：2、《電力牽引供變電技術》賀威俊、高仕斌等主編西南交通大學出版社3、《電氣化鐵道設計手冊：牽引供電系統(tǒng)》鐵道部電氣化工程局電氣化勘測設計院編中國鐵道出版社4、《電氣化鐵道施工手冊：牽引變電所》鐵道部電氣化工程局第一工程處編中國鐵道出版社5、《溝通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)綜合補償及其應用》李群湛主編鐵道出版社7、《供變電工程課程設計指導書》學校教材科六、設計題目參考答案1、《供變電工程課程設計指導書》的牽引變電所A參考供變電工程課程設計指導書。2、《供變電工程課程設計指導書》的牽引變電所B參考供變電工程課程設計指導書。3列車正常狀況的計算容量為10000kVA〔三相變壓器〕，并以10KV電壓給車站電力照明機務段等地區(qū)負荷供電，容量計算為3750kVA，各電壓側饋出數(shù)目及負荷狀況如下：25KV回路〔1路備〕：兩方向年貨運量與供電距離分別為QL

3260 11□ QL 3025 Mtkmq100kWh/10ktkm。10kV共12回路〔□ 2 2供電電源由系統(tǒng)區(qū)域變電所以雙回路110kV間，送電線距離15km，主變壓器為三相接線。參考答案：〔1〕分析負荷及原始資料〔一級負荷、饋線數(shù)目多、影響范圍廣，應保證安全牢靠的供電。10千伏地區(qū)負荷主要為編組站自動化駝峰、荷，應有足夠牢靠性的要求。本變電所為終端變電所，一次側無通過功率?！?〕牽引變壓器臺數(shù)和容量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，器檢修時不致斷電，也應設兩臺。兩種方案：方案A:2×10000千伏安牽引變壓器+2×6300kVA110kV110千伏變壓器最小容量為6300k。方案B:2×15000千伏安的三繞組變壓器10千伏側地區(qū)負荷與總容量比值超過15%，Y0//兩臺三繞組變壓器同時為牽引負荷與地100:100:50。各種方案主接線的擬定110kV供電的需要程度選擇結線方式。對于上述方案A，因有四臺變壓器，考慮110kV母線檢修不致全部停電，承受單母線用斷路器分段的結線方式，如圖2〔由于牽引饋線斷路器數(shù)量多〔隔離開關分段〕結線方式，10kV10kV〔兩臺。對于方案B，共用兩臺三繞組主變壓器、兩回路110kV進線，線路太長，但應有〔b。牽引10千伏母線結線與方案〔A〕的結線一樣。電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計課程設計指導手冊電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計課程設計指導手冊110kV110kV3B6300kVA1B1000kVA4B6300kVA2B1000kVA10kV 25kV方案〔A〕主接線110kV1B 2B2×16000kVA10kV 25kV方案〔B〕主接線2各方案主接線圖技術經(jīng)濟比較壓不對稱系數(shù)。然后進展兩種方案的經(jīng)濟比較。I電壓不對稱系數(shù)的計算a〕由牽引負荷容量，25kV側額定電流I 及每饋電區(qū)電流I 、I ，見圖32e 2a 2c，分別為：325I 100003252e

〔1〕cos2=0.8 〔2〕I2aI2c=0.655I2e=138A〔k=0.655〕〔3〕△形繞組中電流安排每相牽引負荷電流與電壓向量圖3三相牽引變壓器各繞組中電流安排及相位關系兩饋電區(qū)電流在△形繞組中安排后，每相繞組電流為I 2abI 2bcI 2ca

2I 3 2a2I 3 2c1I 3 2a

1I 121.7ej(17.8)A3 2c1I 121.7ej184A3 2a1I 46.0ej83.1A3 2c

〔4〕〔5〕〔6〕電流與電壓的相量關系如圖3〔b〕其中以U 為基準相。2ab10千伏電壓側為三相對稱負荷設cos =0.9則其額定電流I 和△形繞組中3 3e每相電流分別為：37503310.53e

206A

〔7〕.. I ..3e3I3e3

ej(330)119ej4.2安(以U

3ab

為基準)

〔8〕同理.I3bc..I3ca.

119ej244.2A119ej124.2A

〔9〕〔10〕110kV高壓繞組中的電流，不計勵磁電流時，即為負荷電流歸算到高壓側的值。對于方案〔A〕僅考慮牽引負荷..I I2ab1a K..12II 2bc1b K12

121.7ej17.8 52.7ej17.8 2.3152.7ej184A

〔11〕〔12〕I 2ca19.9ej83.11c K12

〔13〕對于方案B，應為牽引負荷與地區(qū)負荷電流相量和，其值為：I1a

I2abK

I3abK

〔14〕12 13I II1b

2bcK12I

3bcK13I

64.7ej199.3A

〔15〕I1c

2caK12

3ca37.0ej103.6AK13

〔16〕其中電壓變換系數(shù)K12

110 325 12110 3

110 310.5110 3

6.05。b〕110千伏繞組中的阻抗壓降，參數(shù)為：三繞組16000千伏安變壓器 P”M

=106kW，Ud1

%=10.5；雙繞組10000千伏安變壓器 PM

=63kW，Ud

%=10.5。按式(16)和(17)分別求得高壓繞組的電阻及電抗為：PR

U2103e

(U

=110kV)

〔17〕1 2S2 eU%U2X d1

eSe

〔18〕電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計課程設計指導手冊電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設計課程設計指導手冊三繞組變壓器雙繞組變壓器

R”=2.51Ω1R=3.81Ω1

X”=79.47Ω1X=127.1Ω1高壓各相繞組阻抗壓降，由各相阻抗壓降三角形可知：對于三繞組變壓器，UIRjX5.66ej76.30kVb 1b 1UIRjX5.14ej287.50kVa 1a 1UIRjX2.94ej191.80kVc 1c 1對于雙繞組變壓器，U I RjX6.70ej70.50kVa 1a 1 1

〔19〕〔20〕〔21〕〔22〕Ub

I R1b 1

jX1

6.70ej272.30

〔23〕U I RjX2.53ej171.40kVc 1c 1 1c〕高壓110kV繞組感應電勢〔E〕及不對稱系數(shù)K ，按下式計算1u. . . . 110

〔24〕3E =U31a 1a

-Ua

；其中：U 1a

0kV

〔25〕..E =U..1b ..E =U..1c 1c

--.

； U.b 1b..； U.c

1103= 240kV31103= 120kV3

〔26〕〔27〕. 1 . . .正序重量

E1a(1)

= 〔E3

+aE1b

+a2

E 〕kV1c. 1 . . .負序重量

E1a(2)

= 〔E3

+a2

E +aE1b

〕kV電壓〔勢〕不對稱系數(shù)K1u

E=1a(2)E1a(1)

100%1所示。方案單位〔kV〕百分值方案單位〔kV〕百分值1a1b1c1a11a2KuA61.ej5.8062.ej5.0058.0ej236.5062.0ej118.2060.ej3.7061.ej3.702.5ej68.01.5ej69.04.2%B60.2ej236.4062.0ej117.402.54%從上述比較可知，在保證電壓質量方面，方案〔A〕和方案〔B〕的K 值在允許范圍1u以內。變壓器與配電裝置的一次投資與折舊修理費方案A：2×10000+2×6300kVA110kV斷路器四組，按SW-110少3油斷路器計算，共需〔以萬元計〕2×80+2×50+4×〔11+1.9+2×0.95〕=274.8萬元 〔28〕〔11211萬元、1.92×0.95萬元〕B：2×16000+2×6300kVA2臺，另增加變壓器前面和跨條隔離開關〔110kV〕4組共需〔以萬元計〕2×96+4×0.95=195.8萬元 〔29〕各方案的年電能損耗1

-QY-10000／1102×SF7-6300／110牽引變壓器

P=21P=76I%=3.5，U

%=10.5；c m 0 d地區(qū)變壓器

P=15P=55I%=2.5，U

%=10.5。c m 0 d按條件，可求牽引負荷的最大功率損耗時間為： 1.2(320060300025)1004000hq 100000.8

〔30〕地區(qū)負荷Tmax

=4500小時，cos=0.9，用插入法得，d

〔地區(qū)負荷〕=2750牽引變壓器和地區(qū)變壓器的年能量損耗⊿AQ

Ad

分別由式3 I23x2A Q

KQj

)T1n(Pm

KQj

)1 2eA n(Pd

K Qj

)T1n(Pm

K j m S

)2求得〔取無功經(jīng)濟當量Kj

e=0.：A

3 )8760 (63 0.110.5 )1

I2x24000Q 100 2 100 3I2e2其中I e2

10000 121.2I327.5

各值已在前面求出；x21

I22ab

I22bc

I22ca

2121.72462

31737.8A2故 AQ

=446760+241985.6=688745.6千瓦時 (31)b〕B2×SFS7-16000／110型三項三繞組變壓器，其參數(shù)為：各繞組容量比100：100：50Pc

=28kW，I0

%=1.1，⊿Pm

=106千瓦，各繞組短路電壓U %=10.5，U %=6.5，U %=0。則依下式：d1 d2 d3An(PK

)T[11P S2

S2(3(311 S2

2 n

m S2 1 S2 e e S2

S2 3eK〔Q 1n j m1 1 e

Q 2m2 2 e

Q m3 3

2)]S2e可求得年電能損耗為：)1 A2(280.11.1160008760[11106()1

S2100 2 2 S2 e

S2 e

S2 3e1

S2

S2 S2 0.10.1 e

e

0)]1S2e其中

100

2S2100e1160003160003110

x2 x3 1a 1b 1cS23I2e1

3( )2

21157；S22

3

2)2x2

31341Se3

=8000千伏安； S2 3 ( )2e2 325

112837。 = =4000小時， = =2750小時，則2 Q 3 d 10000275037503659小時1 100003750代入上述各值后，得：A1098549千瓦時 (32)c〕由技術經(jīng)濟全面比較說明，在保證同樣牢靠性的前提下，方案B對地區(qū)負荷供電電壓質量較好，且投資和年運營費用都較低，又節(jié)約占地面積，故推舉