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毕业论文展示:电气工程及自动化函授本科
作者: xzh 时间: 2023-08-23 浏览:

地铁降压变电所设计-—电气工程及自动化函授本科专业毕业设计

1.1研究背景
    变电所是供电电力环网中线路的连接点,它的作用是变换电压、交换功率和汇集、分配电能,担负着运行一切电能的供应和传输,它可以影响整个供电系统的安全运行和经济效益。变电所中的电气设备部分通常被分为一次电气设备电路和二次电气设备电路。
本次设计内容是0.4kV变电所的初步设计,主要设计方向为电气一次设备。是我在学习许多相关专业课程和请教电气专业指导老师后,并且对各种类型的变电所进行了解、观察、分析后设计的。可以让我在进入电气类的相关岗位前对变电所设备有一定的基础知识,还有运作方式,设计原理的了解。
综上所述就是我学习的理论知识的体现,更重要的是能在设计过程中把自己学习到的知识用来解决问题,在设计中必须立足于运用所学的理论和专业知识,在经过严谨细致地分析和试验后,才能实事求是地运用新理论、新技术去解决问题,这样可以方便以后适应工作的需要。
我的毕业设计查阅相关资料,其中应用到的不少,而资料的获取必须以实际为准,不能擅自更改内容。作为一名初次设计者,我在此次毕业设计开始前就已经在构思研究方向、设计理念、基础知识、设备用途,以及其他所需要的实验大数据和设施构造。但是由于我不是从业人员缺乏相关专业经验,知识体系不够完善,没有深入学习研究电气电子技术等各种原因,本次设计结果仅适用于估算。在估算的过程中,得到的理论结果只要与实际数据偏差不大,那么对整个供电系统就不会产生重大的影响。
变电所作为电能传输与控制的枢纽站,电能的传输和分配上要简捷、便宜,还要方便快捷的控制、调节、测量。所以变电所综合自动化以及智能化的发展就是未来变电所发展的主导方向,它不但可以节省人力、物力、财力、时间,而且能更大程度上保证供电质量,提高供电可靠性。
 2.变电所简介
 2.1变电所的组成结构
目前国内轨道交通降压变电所普遍采用等级为交流35 kV直接降压为交流400 V的越级供电方式和交流35 kV先变交流10 kV再变交流400 V分级供电方式,从供电网络构成分为大环网和小环网[]。以宁波轨道交通为例,采用的就是前一种供电方式。
2.1.1外部电源
分散式供电采用各地散落的区域变电站就近为轨道交通供电系统提供电源,宁波轨道交通就采取这一种供电方式。他的好处在于缩小事故范围和便于检修,不会因为上级变电站故障导致大面积停电事故,还可以利用其它变电站对故障变电站的馈线端进行支援供电,保障供电质量。混合式供电就是前面两种方式的混合。
2.1.2 主变电所
2.1.3 牵引供电系统
宁波轨道交通1、2、3号线回流网则是利用走行轨兼作回流轨让电流流回变电所负极;4号线单独设置回流轨用于电流回路,走行轨仅用作列车通行。
2.1.4 动力照明供电系统
动力照明系统就是将交流35kV或10kV降压变成220/380V三相交流电压,为车站运营所需要的各种机电设备提供电源。站内设备一般分为三类负荷,一级负荷中断供电会造成设备停运影响运营,导致乘客恐慌,服务质量受到影响。所以要求两路电源供电,停电时备用电源自动投入运行。二级负荷中断供电会引起生产过程扰乱,影响列车运行。一般以一个回路电源供电,但是地铁内的变电所为保证运营质量,都是采用两段母排分段供电,拥有有两路电源,就可以采用环形供电方式由两路电源供电。三级负荷是除一级、二级负荷外的其他设备,不会影响列车运行和服务乘客。
2.1.5杂散电流腐蚀防护系统
因为在理想情况下牵引电流从走行轨流回变电所负极,但走行轨是金属部件存在电阻从而产生电压降,并且走行轨对地的绝缘性能每一处都不尽相同存在电位差,会有一定的泄漏电流沿着地下物体介质来到负极回馈点附近流回负极。
2.1.6 电力监控系统
执行供电系统的运行方式,制定事故情况下的供电运行方式。OCC可以通过SCADA电力监控系统对设备进行操作管理,对供电系统的电压调整、继电保护、安全自动装置设备进行运行管理。

2.2 地铁供电的内容及重要性

网压等级、负载负荷、列车车次频率、车站位置大小,导致了自动化系统的实现功能也与大铁路的高压电网变电站的功能截然不同。
电力系统是城市轨道交通中最为重要的基础设施,它的作用就是使轨道交通中的各种设备设施提供供电电源,保证了轨道交通列车和信号、机电、牵引、照明、通讯设备的正常运行。以宁波轨道交通的电力系统为例,采用分散式供电方式,包涵了国家电网区域变电站和轨道交通主变电所之间的输电电缆线路、轨道交通电力系统内部降压输配电环网网络、牵引供电系统、动力照明配电系统、SCADA电力监控系统、接触网、杂散电流防护和接地系统、静调柜车间及组成[]。宁波轨道交通供电系统的主要功能如下:
分配电能:主变电所的主变将交流110kV高压换成交流35kV,交流35kV通过电力环网将电能分配到每一车站和车辆段内的牵引变电所和降压变电所。并且100KV受电线路、线路接地隔离开关为电业局管辖。主变100KV中性点接地刀闸、35KV母联开关为电业局许可设备。主变压器、110KV侧隔离开关、110KV断路器、所用变压器、35KV设备、接地电阻等为宁波轨道交通电力调度员管辖。
牵引电能:牵引变电所将35kV交流电降压整流成1500V直流电,1500V直流电通过钢轨上方的架空接触网(宁波轨道交通均采用架空式接触网)不间断地为运行中的列车供电,保证列车的安全运行。
动力配电:降压变电所将交流35kV降压为400V的低压电,通过各个设备所属的配电箱后变成220/380的三相交流电向车站的各种设备供电。保证车站各种设备的正常运行,保障列车信号无异常。
供电系统各级供电电压网络具备正常的控制、测量、监视、和计量功能,供电频率允许偏差正负不超过0.5HZ,35KV电压不能超过5%。正常运行方式和事故处置时的安全操作闭锁功能,故障运行情况下,电力设备具有故障自行切除功能,自我保护跳闸功能。
 
3.降压变电所电气主接线

3.1 电气主接线的重要性

在设计时必须谨慎,根据馈出线数量、负载容量、支援供电形式、远期规划等,再选择相应的设备容量及连接方式。以便他人查阅时详细明白,一目了然不需要再去思考未标明的设备是什么,是否有设备设施缺失。
    并且要能反映正常运行和事故处理时的供电情况。

3.2 电气主接线的基本要求

(1)、要满足供电系统的受电用户对供电可靠性和电能质量的要求:衡量可靠性可以从这几个方面考虑:
1) 断路器故障、检修时是否影响供电质量,对下游设备的影响有多严重;
2) 高压开关、线路故障或检修时,停电线路影响的范围还有需要停电的时间,并且是否保证对主要设备能够持续供电;
3) 有没有会导致变电站全部失电从而无法正常工作的可能性。
(2)使电力系统安全、经济的运行。而且在发生各种失电故障和设备检修时,立即断开高压开关、切除故障点,缩短停电时间、尽量减小失电的影响范围,还要保护现场人员的生命安全。
(3)、操作简单方便:主接线连接要顶要简单清晰、操作方便。繁琐的连接方式不利于操作顺序,还可能造成误操作设备从而发生众多事故:但接线方式太简单,会给设备运行带来诸多不利因素或造成过大的停电影响范围,不方便其他设备运行状态。
(4)、经济上要合理:在保证设计上的各项措施安全可靠、操作灵活的基础上,主接线应尽可能的便宜,用来节约基础投资,通过规章制度或技术创新可以减少每年的设备运行费用。
(5)、未来发展趋势和扩建的可能:满足上述技术、经济、设施条件要求外,还要考虑未来发展方向和满足以后负荷增长需求扩建的可能性,要适应工业化、现代化的不断发展。

3.3 电气主接线的种类

3.4 电气主接线的选择方案
一般用在小负荷或者不重要的设备设施的上级。有汇流母线的接线形式主要有:单母线接线和双母线接线。

(1)、单母线接线
只能在断开断路器后确认设备停运无误,再拉开隔离开关确保断开电路,保证可以观察到和带电部分有明显的断开点,起到隔绝带电设备,保护检修人员安全的作用。因此在一个回路中对断路器可能出现电源端的一侧或者两侧都要设置隔离开关,便于在检修断路器时能够隔离电源,使检修作业可以顺利的进行。如果负荷端的用户侧没有可能来电来源时,断路器连接用户侧选择考虑装设线路隔离开关。同一个回路中连接的隔离开关和断路器,在操作开关时,必须按照下列操作顺序进行:
对馈线送电时,要先合上隔离开关QS2和QS3,再合上断路器QF2; 
 图3-1 单母线接线 
 图3-2 单母线分段接线
现在供电系统中比较多的接线形式有两种:单母线接线和单母线分段接线,现实中要根据实际情况,通过对单母线接线和单母线分段接线各自利弊的比较,结合自身需求实际情况还要从经济性、可靠性、灵活性三个基础方面仔细的对比各种数据进行选择。宁波轨道交通由于用电需求量大,供电可靠性要高,故障时选择缩小事故范围,动作快速灵敏,因此选择单母线分段接线方式。
 4.短路计算
 4.1短路概述
 4.2造成短路原因
电力设备会发生短路的原因有电气设备载流部分的绝缘部分破坏殆尽。绝缘破坏很多都是因为没有及时发现和整改设备的故障,还有由于厂家设计原理、制造工艺、安装方式和运行不当导致的。比如设备长时间运行后,绝缘部件肯定会自然老化或者设备的绝缘强度降低了被正常电压击穿;设备绝缘正常但是因为工作人员违反操作说明书进行操作,错误操作造成了短路。电力系统的其他设备故障也会导致开关短路。还有外部因素,飞禽以及小动物一部分触碰到裸露的导体,另一部分接触大地或者其他带电设备,老鼠、蟑螂咬坏设备、导线的绝缘层都有可能发生短路。
4.3短路危害
(1)、例如6—10kV的大容量电能装置,短路电流可能会达到几万甚至几十万安之多。
(2)、选择的电气设备要有足够的热稳定性。
(3)、短路电流通过导体时,会使导体承受到很强大的电磁力、产生巨大的电磁力使导体发生变形,甚至破损。所以电气装置中安装的电气设备还要有足够的机械强度。
(4)、短路会造成大面积停电,短路点越接近电源侧,失电影响范围就越大、需要调整、倒闸操作设备越多,可能会在惊慌失措中错误操作,扩大失电范围。
(5)、短路会引起系统谐振导致网压降低.越是靠近短路点处下降得越多,短路点的电压为零,就会导致对非故障失电范围的用户的供电质量造成影响。如果电压降低到额定值的80%左右时,电磁开关有可能断开,导致设备失电;当电压下降到30%一40%。并持续1s以上时,电动机就会停止转动。由此可见,短路的代价是十分严重的,并且短路故障引起的危害大小,跟短路故障的地点、类型、持续时间有关。所以为了保证电气设备正常的、安全的、可靠的运行,减免受到短路的影响,除了想尽办法消减可能引起短路的一切因素外,只要发生短路,就要立即切除故障部分,使电力系统的网压在尽可能短的时间内恢复到正常值[]。因此需要进行短路电流计算,才能使我们正确地选择具备足够的动稳定性和热稳定性的电气设备,保证在将来可能发生最大短路电流时不会导致设备损坏。
 4.4短路计算
在本次设计过程中,我想便于电气设备的选择和计算,选取的短接点为10kv侧还有0.4kV侧,如图4-1所示。(短路容量,,,电力系统,架空线路,变压器 
图4-1 短路计算电路图
确定基准值取  ,,,而
计算得出短路回路中元器件的电抗标值
电力系统
根据有关资料[],,则
架空线路
由资料可知[]:,则
变压器
有资料得:,则
画出等值电路图并简化电路后,求出点及其点短路回路阻抗标值,根据计算电路图及其回路中个主要元件的电抗标值做出等值电路图。
求出点三相短路电流和短路容量
如图所示4-2 点供电系统的等值电路图的短路回路。 
图4-2 点供电系统的等值电路图的短路回路
求出点三相短路电流和短路容量
如图4-3 点供电系统的等值电路图的短路回路 
在工程设计中,往往还要列短路计算表,如下4-1表所示。
 5.电气设备的选择 
变压器就是升高电压和降低电压的电气设备。
5.1.1变压器容量
5.1.2主变压器台数和型号
主变压器确定:
变电所的主变压器型号为环氧树脂浇注型,其技术参数如表5-1所示。
表5-1 SCB9-1000/10变压器技术参数
型号 额定容量(KVA) 额定电压(kV) 空载损耗(W) 负载损耗(W) 短路阻抗(%) 空载
电流
(%)
变压器连接组别
高压 低压
SCB9-1000/10 1000 10.5 0.4 1660 8550 6 1.0  
 5.1.3并联运行 
图5-1 0.4kV侧主接线图
 5.2隔离开关选择与计算
5.2.1隔离开关原理与类型
如下表所示5-2为GN30-10D/630的技术数据。
表5-2 GN30-10D/630技术数据
型号 型式 序号 额定电压KV 额定电流A 结构标志
GN30-10D/630 户内 30 10 630 带接地刀闸
 
5.2.2隔离开关运行与维护
5.2.3隔离开关的计算
根据型号拟选GN30-10D/630
短路电流的冲击值:
短路容量:
短路电流假想时间:
校验情况如下
表5-3 GN30-10D/630校验数据
计算数据 GN30-10D/630
工作电压(KV) 10
最大工作电流(A) 57.73
短路电流 (KA) 2.76 ——
短路冲击电流(KA) 7.038
热稳定性校验
 
根据以上数据可得满足热稳定校验条件
 5.3互感器选择与计算
5.3.1互感器应用
5.3.2电流互感器原理与结构
5.3.3电流互感器计算
其动、热稳定度应按下式校验。动稳定倍数:
则动稳定校验的条件为:
拟定型号为:LZZBJ9-10型电流互感器,查表得,
热稳定倍数:,则热稳定度校验条件为:
一般为1S热稳定倍数,即电流互感器试验时间t=1s,因此上式可改写为:

通过计算结果可知满足热稳定校验。
5.3.4电压互感器原理
为了保证电压互感器的安全运行和在规定的准确级下运行,电压互感器一次绕组所接电网电压互感器应满足下列条件:
其中式中 为电网电压;
为电压互感器一次绕组额定电压;
其电压互感器参数如下表所示。
表5-4 电压互感器参数
型号 额定电压(KV) 一次绕组额定容量(VA) 二次绕组额定容量(VA) 最大容量(VA)
JDZ18-10 一次 二次 0.5 1 3 3P 6P 400
10 0.1 50 80 200
综合公式:
校验后满足要求。
 
5.4断路器选择与计算
5.4.1断路器的选择
5.4.2断路器的计算
根据图5-4断路器的QF的型号规格。在短路计算中我们得知10kV侧母线上短路电流为5.3kA,控制QF的线路继电保护装置实际最大的动作时间为1.0s
变压器高压侧实际最大工作电流按变压器额定电流计算。线路首端短路时,流过短路电流最大,而线路首端()点短路和母线()点短路,其短路电流相等,即:
短路电流冲击值:
短路容量:
拟定选用高压真空断路器,断路时间:
短路假想时间:
根据拟定条件和相关数据,选用ZN12-10I型高压真空断路器。 
5.5母线选择与校验
5.5.1母线的选择
5.5.2母线校验
根据负荷计算电流:
折算到10kV  
得到高压侧电流:
根据变压器SCB9-1000/10型空载电流为0.8%,其有名值:
空载电流:
根据实际情况:,电流经济密度
10kV侧:
0.4kV侧:
故选用10kV侧:TMY-3
0.4kV侧:
6.变电所防雷保护设计 
6.1雷电过电压
6.2雷电的危害 
6.3防雷保护装置 
6.4防雷设计
6.5防雷保护计算
变电所占地面积,高57.3m,采用4根避雷针保护,为避免反击,避雷针距离变电所5m。
相邻两根距离