毕业设计（论文）GIS组合电器在牵引变电所的应用 .doc

《毕业设计（论文）GIS组合电器在牵引变电所的应用 .doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）GIS组合电器在牵引变电所的应用 .doc（30页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、题 目：GIS组合电器在牵引变电所的应用专 业：电气工程及其自动化学 号：姓 名：指导教师： 学习中心：北京 西 南 交 通 大 学 网 络 教 育 学 院2010年 11月 25 日院系 西南交通大学网络教育学院 专 业 电气工程及其自动化 年级 二 学 号 姓 名 学习中心 指导教师 题目 GIS组合电器在牵引变电所的应用 指导教师评 语 是否同意答辩 过程分(满分20) 指导教师 (签章) 评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩组组长 (签章) 年 月 日 毕 业 论 文 书班 级 学生姓名 学 号 开题日期：2010年 09 月 20 日 完成日期： 2010 年 11 月

2、 25 日题 目 GIS组合电器在牵引变电所的应用 题目类型：工程设计 技术专题研究 理论研究 软硬件产品开发一、 设计任务及要求1、随着我国电气化铁路迅速发展,牵引供电设备技术性能要求越来越高,尤其是新土地法实施后,征地成本不断提高，在路网密集的大城市，建造大型牵引变电所用地非常紧张。在新线路不断建设的前提下,受环境影响小、高可靠性、集成度高、占地和占空间少及免维护的新型牵引供电设备的需求日益迫切。加之27.5 kV敞开式户内、外布置设备的诸多缺陷,严重阻碍了牵引供电系统远动设备的投入和电气化铁道现代化的进程。 2、本论文要求针对我国铁路现在的牵引变电所的现状，研究在牵引变电所中采用GIS组

3、合电器这种新技术新设备。 3、充分考虑我国铁路的现状和未来的发展，立足应用，立足运行和维护。 二、 应完成的硬件或软件实验 牵引变电所的各项参数实验 三、 应交出的设计文件及实物（包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等） 毕业论文 四、 指导教师提供的设计资料 朱芬菲.六氟化硫气体分析技术M.北京:兵器工业出版社,1998 五、 要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域）1. 罗学琛.SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)M.北京:中国电力出版社,1999 2电子稿件和电子图书 六、 设计进度安排第一部分 熟练课题，收集、整理课题相关资料 （ 1 周）第二部分 系统分析与总体设计

4、 （ 2 周）第三部分 详细设计 （ 2 周）第四部分 毕业设计论文文档编写整理 （ 2 周）评阅及答辩 （ 1 周）指导教师： 年 月 日学院审查意见：审 批 人： 年 月 日诚信承诺一、 本设计是本人独立完成；二、 本设计没有任何抄袭行为；三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩（评阅）资格。承诺人（钢笔填写）：年月日目 录摘 要IAbstract II第1章 绪论11.1现有27.5kV敞开式设备缺陷11.2 GIS产品的独特优点21.3电气行业GIS的发展状况3第2章 全封闭组合电器52.1 气体的电气特性52.2GIS的组成元件6第3章 110kV GIS牵引变电所设计原则1

5、13.1 主接线设计原则113.2 GIS配电装置的布置方式113.3 GIS设备的外壳保护123.4 外壳接地方式12第4章 GIS牵引变电所的运行管理144.1GIS设备的巡查与检修内容144.1.1日常巡视项目144.1.2临时性检查项目154.1.3GIS设备小修项目154.1.4 GIS设备大修项目154.2 GIS设备的备品、备件管理16第5章 GIS变电所故障与安全措施175.1 GIS变电所的故障及处理185.2减少GIS设备故障的措施195.3 GIS设备的安全措施195.3.1 气体分解物对人类的危害性195.3.2 防止 气体分解物危害人体的措施20第6章 总结20致谢2

6、1参考文献22摘 要随着我国电气化铁路的迅速发展,牵引供电设备技术性能的要求也越来越高。现有27.5kV敞开式牵引变电所存在故障率高，占地、占空间多,受环境影响大,不符合环保要求等缺点。GIS组合电器有故障率低，节约土地资源，减少环境污染，提高操作安全性，符合环保要求等优点。GIS组合电器将成为未来变电所发展的主流。GIS是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件等单元，以及控制、测量、保护等装置和内部连接件、绝缘支持件和辅助件固定联接后，封闭安装在一个或几个接地的金属封闭外壳内的成套配电装置。金属封闭外壳内部充有一定压力并有优异灭弧和绝缘能力的气体。GIS组合电器的设计和运

7、行管理也有别于常规的牵引变电所，通过科学的设计施工和正确的运行管理，才能保证可靠供电，保证铁路运输畅通。关键字：GIS组合电器 牵引变电所 气体 运行管理AbstractWith the rapid development of Chinas electrified railway, traction power supply equipment, technical performance requirements are increasing. Existing open-type substation there 27.5KV high failure rate, land, accou

8、nting for more space, by the environmental impact of large defects do not meet environmental requirements. GIS Switchgear with low failure rate, save land resources, reduces pollution; improve operational safety, environmental compliance and so on. GIS Switchgear Substation will become the mainstrea

9、m of the development. GIS is a circuit breaker, disconnecting switch, earthling switch, transformer, lightning arrester, bus, connectors and other modules, and control, measurement, protection equipment and internal fittings, insulation components and auxiliary parts to support fixed connection, the

10、 closure installed one or more grounded metal enclosure of the complete power distribution device. Metal enclosure filled with a certain internal pressure and has excellent insulation capacity of arc and gas. GIS Switchgear design and operation management are different from the conventional substati

11、on, through the science of design and construction and correct operation and management, to ensure reliable power supply to ensure the smooth flow of rail transport. Keywords: GIS Switchgear Substation Operation and Management第1章 绪论随着我国电气化铁路迅速发展,牵引供电设备技术性能要求越来越高,尤其是新土地法实施后,征地成本不断提高，在路网密集的大城市，建造大型牵引变

12、电所用地非常紧张。在新线路不断建设的前提下,受环境影响小、高可靠性、集成度高、占地和占空间少及免维护的新型牵引供电设备的需求日益迫切。加之27.5 kV敞开式户内、外布置设备的诸多缺陷,严重阻碍了牵引供电系统远动设备的投入和电气化铁道现代化的进程。1.1 现有27.5kV敞开式设备缺陷（1）占地、占空间多。27.5 kV敞开式设备如真空断路器、隔离开关、自用变压器、电流互感器、电压互感器、避雷器及母线等,均以环境空气为外部对地主绝缘。隔离开关不但对地以环境空气为主绝缘,还以环境空气为断口间分断主绝缘和小电流熄弧介质,要求空气间隙大,造成设备间距大,占地、占空间多。一般牵引变电所27.5 kV侧

13、设备占地约为250300 建筑面积(高压室净空4 800mm);户外500600 设备区用地。合计占地约750900。（2）受环境影响大。各类27.5 kV设备对地绝缘点多、面广,主绝缘多裸露布置,对防止小动物侵入有电区短接设备主绝缘极为不利,且历史上事故发生频繁,造成极大损失。尤其户外布置隔离开关断口裸露,受风沙影响动作可靠性低,强度及防尘设计工艺成本高。（3）设备采暖困难。27.5 kV敞开式布置的设备因占地空间大,高压室净空要求高,不易采暖。许多设备如隔离开关电动机构等采暖不得不采用内设加热棒的方法。设置点多,设计困难(机构箱本身内空间小),安全隐患大,效果差。（4）噪声大。4.8m高净

14、空、大开间高压室内,断路器分、合闸(弹簧机构)等设备动作声音经回声反复叠加,噪声很大。（5）照明设置困难。高压室墙上及顶部布置有大量27.5 kV高压设备,采光设计及照明、事故照明设备设置困难,投资大。除专设的部分电缆之外,照明低压线路及设备在高压室内与27.5 kV高压线路、设备混合、交叉布置,安全设计复杂,隐患多,安装维修不便。（6）高压室净空高、空间大,不但排风换气困难而且房屋因电气设备沿墙体布置,需用实心砖砌实体墙才能满足要求。设计复杂,造价高,与电气工艺配合困难。高压室设有大量与室外电缆沟相通的室内电缆沟。投资大,维护困难,防小动物入侵困难,安全隐患多，并且一旦建成无法变动,可调整空

15、间有限,不利于设备及运行方式变更,灵活性差,更难以满足扩能及复线新增设备设置要求。上述诸多缺陷,客观上要求110 kV及以上电压等级六氟化硫全金属封闭组合电器（GIS）及相关技术的进一步发展和在27.5kV电气化铁道牵引变电所应用的进一步研究。1.2 GIS产品的独特优点（1）节约土地资源。目前城市的土地资源是非常宝贵的，而GIS产品与敞开式开关设备相比，占地面积小(一般220 kV GIS设备的占地面积为常规设备的37%；110 kV GIS设备占地面积为常规设备的46%左右)，节约了土地资源，也使变电站与城市的建筑更加协调。（2）减少污染，提高设备运行的可靠性。与敞开式开关设备相比，把断路

16、器、隔离/接地开关、CT、PT、避雷器、母线等高压设备放在封闭的空间里，使高压设备免受到各种环境和气候条件的作用，如：风吹、雨淋、日晒和冰雪、霜露、湿热的影响，加上沙尘、烟雾、污秽和鸟虫等的侵害，减少了受污染的机会，运行可靠性得以大幅度提高。设备的寿命周期成本逐步减低，经济效益大幅度提升。（3）采用新工艺，提高设备绝缘水平。GIS采用新型全六氟化硫密封隔离/接地开关，这种新型全密封组合隔离开关完全解决了户外高压隔离开关经常出现的四大问题：瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热及锈蚀。为提高绝缘强度，设计上通常考虑使绝缘子附近的电极表面尽可能做到光滑平顺，避免电场集中，减少自由带电离子形成的可能性。G

17、IS设计上充分利用了聚芳酰胺玻璃布管机械和绝缘强度都很高的优点，很好地解决了动热稳定性和绝缘方面的问题。在工艺上，采用高压铝铸件技术制造壳体，使得年漏气率大为降低。高压开关设备内气体中的水分含量如果超过一定数值将会对设备产生危害。GIS采取了多方面的措施来控制设备内气体的水分含量。第一，所有零部件装配前进行干燥清洁处理，使材料本身含水量减少到最低程度，并且装配环境符合相关要求；第二，开关内部放置吸附剂（吸附材料主要有活性氧化铝和合成沸石），吸附气体中的水分和分解物；第三，对成品进行充氮气、抽真空处理；第四，整体模块出厂现场安装，避免了在户外解体时受大气的影响；第五，良好的气密性能，阻止了外部大

18、气中的水分通道。由于GIS采用气体作为绝缘介质，大幅度地缩小了绝缘距离。（4）提高操作的安全性。第一，多功位的隔离开关从设计结构上本身就带有防止误操作的功能，并且操作简单，功耗小；且GIS设计了隔离开关的观察窗，使得现场实现了隔离开关的明显断开点。第二，GIS的出线套管厂家一般考虑两种形式：硅橡胶和陶瓷。由于考虑到设备的免维护，套管的爬距较大，一般采用都超过国家标准的最大爬距。第三，在低温地区一般使用和的混合气体，而不采用通常国内使用的混合和加热器的形式。第四，汇控箱使用不锈钢壳体，表面喷涂工艺，内部的继电器通常使用进口继电器来延长使用寿命。（5）施工工期短，方便安装维护。GIS的一次部分是在

19、工厂的净化车间完成的，二次控制线是通过航空插头连接的，整体设备是在工厂内进行调试的。一次设备现场不需要净化处理和抽真空等工艺过程，安装现场只需要简单的整体组装和固定；二次部分使用的航空插头是一一对应的，不需要重新进行二次电缆的拨线、对线、做电缆头等工作，也不会发生插错的问题；一般来说，现场安装由厂家负责，145kV和252kV的设备一天即可安装完成。现场安装的工作量比常规设备减少了80%左右。GIS基本属于免维护的设备，厂家一般仅要求57年进行一次预防性实验。断路器和隔离开关的操作机构以及CT、汇控柜都可以进行整体更换，一次设备可分项整体更换。上述元件如果发生损坏问题，一般是退回厂家整体更换，

20、不需要现场处理。（6）符合环保要求。GIS设备的导电部分外壳屏蔽，接地良好，导电体产生的辐射、电场干扰、断路器开断的噪音均被外壳屏蔽了，减少了电磁污染。GIS设备具有优良的耐震性能，尤其适合在城市中心或居民区使用，且它的操作机构和汇控箱等的密封、防腐等级都比较高。由于支架表面使用热镀锌工艺并在支架上进行喷涂以防止光线污染，美化了环境。1.3电气行业GIS的发展状况高压电气行业中，气体具有优异的绝缘性能和灭弧性能。50年代，高压电器的绝缘介质就用气体代替了空气;60年代中期，美国制造了第一套GIS设备，使高压电器发生了质的飞跃，也给配电装置带来了一次革命，它具有占地面积少、元件全部密封、不受环境

21、干扰、可靠性高、运行费用低等优点，引起世界电力部门的普遍重视。30年来，GIS设备发展很快，欧洲、美洲、中东的电力公司都规定配电装置要用GIS设备，在亚洲、非洲、澳洲的发达国家也基本上规定要用GIS设备，在南非有800kV GIS设备投入运行。国际大电网会议在1992年统计，各国已投入运行的GIS变电站近2000所。我国的GIS设备的研制工作起步于年代，与世界其他国家基本同步，年我国首次试制成功设备，并投入运行。自改革开放以来，我国大型的核电站、火电站、水电站、变电站先后都选用了GIS设备。例如：大亚湾、秦山核电站，广东抽水蓄能电站，四川二滩水电站，浙江北仑港、上海石洞口、广东沙角等火电厂，广

22、东江门、云南草铺等变电站，三峡水电站的升压电站。自80年代开始，国产变电站的330kV GIS设备、上海杨树电厂的220kV GIS设备等。2004年，电气化铁道专用气体绝缘全金属封闭组合电器(GIS)通过了国家定点的西安高压电器研究所高压成套型式试验验证,并于2004年4月28日在襄渝线六里坪牵引变电所正式投入运行。第2章 全封闭组合电器全封闭组合电器体积小、技术性能优良、是年代初期出现的一种先进的高压电气配电装置，国际上叫这种设备为Gas Insulated Switchgear，简称GIS。GIS是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件等单元，以及控制、测量、保护等装

23、置和内部连接件、绝缘支持件和辅助件固定联接后，封闭安装在一个或几个接地的金属封闭外壳内的成套配电装置。金属封闭外壳内部充有一定压力并有优异灭弧和绝缘能力的气体，其绝缘性能、灭弧性能都比空气好很多。GIS设备具有优良的技术性能和占地面积少的特点，特别适合于我国国情。现在全世界的电力系统都在使用。图2-1为现实中的GIS变电所。图2-1 现实中的GIS变电所2.1 气体的电气特性(1) 分子很容易吸附自由电子，形成负离子，具有较强的电负性。但在一定电场下，这些离子很难积累足够的能量导致气体电离。同时因为气体中的自由电子减少，还降低了这些电子容易使气体被击穿的危害。因此，气体具有良好的绝缘性能，在均

24、匀电场中的绝缘强度比空气大23倍，在0.3Mpa压力下，绝缘强度超过变压器油。但在不均匀电场中，其绝缘强度会下降，因此六氟化硫断路器的部件多呈同心圆状，以使电场均匀。 (2) 分子具有较强的电负性，使具有强大的灭弧能力。因为分子吸附自由电子后变为负离子，负离子容易和正离子复合形成中性分子，使电弧空间的导电性能很快消失。特别在电弧电流接近零值时，这种作用更加显著。如果例用气体吹弧，使大量新鲜的分子不断和电弧接触则灭弧更加迅速。由于气体灭弧能力强，从导电电弧向绝缘体变化速度特别快，所以断路器的开断电流大，开断时间短。在同一电压等级，同一开断电流和其它条件相同的条件下，断路器的串联断口较少。（3）气

25、体是多原子的分子气体，在电弧高温下分解和电离的情况非常复杂。气体中弧心部分导热率低，温度高，电导率大，其外焰部分导热率高，温度低，电导率小，所以电弧电流几乎集中在弧心部分。因此，在气体中，可以看到很细、很亮的电弧，几乎看不到外焰部位。这也是气体灭弧时间短的原因之一。当电弧电流减小趋近于零值时，分子此时电负性显著，从而使电流保持连续，可使细小的弧心一直存在到极小的电流范围。电弧的这种特点，使断路器开断小电流时，也不会由于截流作用而产生操作过电压。2.2 GIS的组成元件(1) 断路器。断路器是GIS的主要元件。这种断路器有水平断口和垂直断口两种类型。选用不同断口的断路器,也就决定了组合电器内其他

26、元件的布置方式，组合电器的宽度、高度及断口检查的难易程度。下面以ZF11-252型GIS的断路器为例具体介绍。ZF11-252型GIS的断路器是GIS的一个组成元件，它能关合与开断正常情况下的各种负载电路（包括空载变压器，空载输电线路等），也能在线路中出现短路故障时关合与开断短路电流，而且还能实现自动重合闸的要求。该断路器为单断口，三相分装立式布置。液压机构置于本体的下部。所有的液压机构元件均装在机构箱内，并采用集成块式简化机构，以减少漏油环节，提高断路器的运行可靠性。ZF11-252型GIS的断路器的本体是由完全相同的三个单极组成，每极由金属壳体，底架，灭弧室，绝缘构件（包括盘式绝缘子、绝缘

27、支座和绝缘拉杆）以及密度继电器，吸附剂等附件组成。该元件为独立气室，内充0.6MPa 气体，其出线方式有两种，一种是两侧出线，另一种是同侧出线，一般视总体布置而定。ZF11-252型GIS的断路器的灭弧室采用变开距双喷管形式。断路器分闸时，主触头先分离，弧触头后分离，电弧在弧触头间和喷管内产生，不会烧伤主触指。气压缸内的气体被压缩后经喷管与动触头之间环形截面吹入烧弧区域，然后向上，下两个方向吹拂电弧。向上吹拂的热气流离开静触座后，进入导气均压罩内。在结构上，动静触头用绝缘子联结成为一个整体，降低了灭弧室的高度。特别是在开断过程中，可以使热气流远离断口，并使冷热气体充分混合，因而气流场得到了大大

28、的改善。再加上良好的速度特性配合，使断路器既具有开断短燃弧的能力，又具有良好开断长燃弧的能力。采用最佳方案的喷口，加强了触头分离后弧隙的去游离作用，并提高了短路电流过零后触头间的绝缘介质恢复强度。断口电场的优化设计，给断路器的绝缘试验和开断试验提供了有力保证。该断路器燃弧时间短，超行程大，弧触头允许烧蚀量大，弧触头和喷管烧蚀性能好，可以保证较长的电寿命。ZF11-252型GIS的断路器的操作方式为分相操作，也可通过电气联动对断路器的三极同时进行分、合闸及重合闸操作。三极分别配有相同的液压机构。液压机构采用集成块式，并且用油箱包容大部分液压阀和液压元件，使油箱外的管路大大减少，大大降低了渗漏的可

29、能性。 (2)隔离开关隔离开关是GIS的标准元件之一。其主要作用是用来隔离电压,视动触头运动方式的不同,有转动式和直动两大类,无论采用什么形式,都希望能开断小电容电流及环流。按功能分为普通隔离开关和快速隔离开关两种。普通隔离开关主要用于在线路无电流时切合和隔离电路，配电动操作机构，通过三极传动，实现三极联动操作。快速隔离开关除具有普通隔离开关的特性外，还具有切合感应电流、小电磁电流及切合双母线环流的能力，其切环流为1600A（20V），配弹簧操作机构操作。普通隔离开关和快速隔离开关本体结构是相同的，其三极结构也完全相同，相间靠三极传动联动。每极壳体上都装有气路连通、密度继电器、充放气接头等附件

30、，在动静触头断口位置设有观察窗，可方便直观的看到壳体内部触头的分合情况。底座上装有明显的分合指示牌，内充0.45MPa 气体。隔离开关通过精确的电场计算，优化断口结构，使隔离开关具有断口距离小，耐压性能高等特点。降低了运动质量，也相应的降低了对操作功的需求。采用了高通流能力的电联接，大大提高了各自的通流能力。传动机构简单可靠，通用性强。图2-2为隔离开关的内外部结构。 图2-2 隔离开关的内外部结构(3)接地开关接地开关也是GIS标准元件之一，按功能分为工作接地和快速接地两种。工作接地开关主要用于工作维护接地，合闸后使不带电的主回路可靠接地，确保主回路的人身安全，配电动操作机构，实现三极联动操

31、作。快速接地开关除具有普通接地开关的特性外，主要用于变电站的进线端，具有关合线路短路电流和切合线路感应电流的能力。保护GIS免受烧损。配弹簧操作机构，实现三极联动操作。接地开关通过精确的电场计算，优化断口结构，使隔离开关具有断口距离小，耐压性能高等特点。降低了运动质量，也相应的降低了对操作功的需求。采用了高通流能力的电联接，大大提高了各自的通流能力。传动机构简单可靠，通用性强。 (4)电流互感器GIS中的电流互感器有两种结构,一种是以为主绝缘的装在金属壳内的穿心式,它既可用于断路器侧,又可用于母线侧;另一种是开口式电缆结构,只能用于母线侧。图2-3用的是穿心式结构,每相有一个测量和三个保护线圈

32、。图2-3 穿心式结构电流互感器(5)电压互感器电压互感器按其原理可分为电磁式和电容式两大类,电磁式主要用于110kV及以下电力系统中,而电容式电压互感器主要用于220kV及以上的电路中。 (6)避雷器保护GIS用的避雷器主要有三种典型结构:一是常规带间隙的避雷器,一般装在组合电器的入口处;二是无间隙的氧化锌避雷器或金属封闭的绝缘的避雷器;三是上述两种方式的混合使用。 (7)母线和封闭连接线母线的结构有分相式和三相共筒式两种,前者的导电部分装在接地的金属园筒中间,用盆式绝缘子支持,可避免相间故障;后者的三相导电部分均匀地布置在一个共同的接地的金属园筒内,各相导体对元筒分别用支持绝缘子支持,相间

33、绝缘主要由担任,园筒壳体上发热效应低。图1中封闭连接线为一金属壳内装有铝管导体,以作为绝缘。(8)引线的套管与电缆终端引线套管主要有充气套管和油纸电容套管两种,前者为空心塔形套管内装导电杆并充有气体如图1所示;后者它的尾部放在封闭电器的壳体中,并使气体与套管的油隔离。全封闭组合电器选用电缆进出线时,就要采用封闭式电缆终端,与变压器或架空线相连接时,可以采用套管。图2-4 GIS组合电器的内部结构图2-4为部分GIS器件的内部结构图。图中数字对应如下：1自能式灭弧断路器；2弹簧操动机构；3母线隔离开关与母线组合；4母线隔离开关与母线组合；5出线隔离开关/接地开关组合；6快速接地开关(出线侧)；7

34、电流互感器；8插接式电压互感器；9插接式高压电缆头；10就地控制柜。 第3章 110kV GIS牵引变电所设计原则3.1 主接线设计原则GIS设备的主接线设计原则与常规设备相同，按照国家标准进行，它的基本要求有下列几点。（1）主接线的可靠性。可靠供电是电力生产的首要任务。主接线首先要做到运行。由于电能不可能蓄存，发、供、用是在一起完成的，任何一个环节故障都将造成停电，都会对国家造成经济损失。人民生活提高之后，对电的要求更严格了，衣食住行都要靠电。我国停电一次所造成的经济损失为电价的1535倍。此外，由于发电厂、变电站的局部故障造成系统解列，系统失稳，造成大片地区停电 ，扩大了经济损失。因此要保证发、供电的可靠性是最重要的设计原则之一。（2）主接线的灵活性。主接线要有高度的灵活性。它要满足下列要求。调度的灵活性。当电力系统进行调度时任何一个发电厂和变电站的主接线 都能做到随时投入或切除，不致影响整个系统的安全，并满足在检修时的运行方式 和特殊的运行方式。检修时的灵活性，当发电厂和变电站进行检修时，其主接线 应满足可以灵活地操作断路器、隔离开关、母线和继电保护装置，而不至影响用户供电。（3）主接线的经济性。主接线应当满足投资省，占地面积小，电