（电气工程专业论文）面向对象的图示化牵引变电绘图软件包开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前的牵引变电所设计过程，是以供电专业提供的资料作为设计依据， 完全以工程技术人员操作计算机，运用a u t o c a d 的初级绘图人机对话功能逐 步完成设计。劳动效率低、统计工作量大，是对入力资源的极大浪费，而且 容易产生差错漏洞，同时抑制了人员与硬件的优势的发挥。 国外一些发达国家的计算机应用水平高，对于a u t o c a d 进行二次开发来 提高劳动生产率的方式在工程技术设计中应用相当普遍。目前国内各设计系 统中，通过二次开发a u t o c a o 展开变电所设计的方式尚未形成。随着减员增 效的深入进行，对设计人员提高劳动生产率、降低错误率的要求越来越高。 如何充分开发a u t o c a d 来完成标准化图纸的绘制，是摆在设计人员面前的一 个需要解决的难题。因此，目前迫切需要独立或联合开发一套专门用于此目 地的绘图软件。 本文在综合分析我国牵引变电c a d 设计分析软件存在的绘图与计算分 离缺陷的基础上，针对制约我国牵引变电所c a d 技术发展的智能建模及变配 电所辅助设计一体化技术开展研究，采用最新的面向对象技术、图示化技术 和智能专家系统相结合，提出并建立了供配电一次系统计算机辅助设计的数 据、图形和分析计算一体化智能模型。 在智能模型的基础上，开发完成了图示化供配电一次c a d 系统，系统基 于w i n d o w s 操作平台，以a c c e s s 数据库为核心，并利用v c + + 6 0 二次开 发a u t o c a d ，将短路计算、设备选型、拉力计算、安全距离检查、跨步电压 计算、轨地回流计算、防雷及接地设计、设备材料统计联系，使之成为一个 有机的整体。 本文所设计的系统兼有辅助设计和自动绘图功能，较同类软件有了较大的 提高。同时，该项目的技术成果为开发高水平高质量的应用软件奠定了基础， 为全面系统地设计牵引变电所提出了许多高效的方法。 关键词：牵引变电所，计算机辅助设计，一次系统设计，计算与绘图， 工程量统计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t r a c t i o ns u b s t a t i o n sd e s i g nt a k e d a t ap r o v i d e db ys o m ec a r e e r m e n a sd e s i g nt h e r e u n d e r , t h r o u g he n g i n e e rm a n i p u l a t ec o m p u t e ra n du s ea u t o c a dt o c o m p l e t ed e s i g n t h i sd e s i g nw a yh a sa l o ww o r k i n ge f f i c i e n c y , n o to n l yw a s t ea l o to fm a n p o w e r , b u ta l s oc a r lm a k el o t so fe r r o r , r e s t r a i ne n g i n e e rt oe x e r tt h e i r e x c e l l e n c e o v e r s e a s ，u s i n ga u t o c a d f o rs e c o n d a r ys t u d yt oi m p r o v ew o r k i n ge f f i c i e n c y i sv e r yr i f e n e s si ne n g i n e e r i n gd e s i g n , b u tt h i sw a yh a sn o tf o r m e di nd e s i g n s y s t e m f o rs u b s t a t i o n s d e s i g nd o m e s t i c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e d u c i n g e m p l o y e ea n di n c r e a s ee f f i c i e n c y , i tr e q u i r ee n g i n e e rh a v i n gah i g he f f i c i e n c ya n d al o we r r o r h o wt os t u d ya u t o c a dt od r a wn o r m a t i v ed r a w i n gi sap r o b l e mt ob e s o l v e d s oas o f t w a r eu s e df o rt h i sp u r p o s ei su r g e n ts t u d i e da tp r e s e n t t h et r a c t i o ns u b s t a t i o nd e s i g ns o f t w a r e sd i s a d v a n t a g eh a sb e e na n a l y z e da n d t h ea p t i t u d em o d e l i n ga n ds u b s t a t i o na s s i s t a n td e s i g nt e c h n o l o g yh a v eb e e n s t u d i e di nt h i sp a p e r c o m b i n i n go b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y , v i s u a lt e c h n o l o g ya n d e x p e r ts y s t e m ，t h ep r i m a r ys y s t e m sd e s i g nd a t aa n da 科h d em o d e l i n gh a v eb e e n f o u n d o nt h eb a s eo fa p t i t u d em o d e l i n g ，av i s u a ld i s t r i b u t i o nd e s i g ns y s t e mh a s b e e ne m p o l d e r e d t h i ss y s t e ma sa c c e s sd a t ab a s ef o rc o r e ，c a nr u n n i n go n w i n d o w ss y s t e m u s i n gv c 十怕0t oe m p o l d e ra u t o c a d m a k es h o r tc i r c u i t c a l c u l a t i o n , e q u i p m e n t sc h o o s e n , p u l l i n gc a l c u l a t i o n , s a f ed i s t a n c e c h e c k ，s t e p v o l t a g ec a l c u l a t i o n , o r b i t e a r t hc u r r e n tc a l c u l a t i o n , l i g h t i n gp r o t e c ta n de a r t h i n g d e s i g na n dm a t e r i a la sa w h o l e t h i sp a p e r ss y s t e mh a v et h ef o u n d a t i o no fa i d e dd e s i g na n dd r a wa u t o m a t i c d r a w i n g ，i th a sag r e a ti m p r o v e m e n ti no t h e rs o f t w a r e t h i st e c h n o l o g yl a ya f o u n d a t i o nf o rs t u d yo t h e rh i 曲l e v e ls o f t w a r e ，i ta l s op u tf o r w a r ds o m ee f f i c i e n t m e t h o dt od e s i g nt r a c t i o ns u b s t a t i o n k e yw o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n ，c a d ，p r i m a r ys y s t e md e s i g n , c a l c u l a t i o na n d d r a w i n g ，p r o je c tm a g n i t u d e ss t a t i s t i c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于： l 、保密口，在年解密后适用于本授权书； 2 、不保密团，使用本授权书。 学位论文作者签名： 8 1 1 f 刚 伽产伪厂日 指导老师签名： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其它或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文在综合分析我国牵引变电c a d 设计分析软件存在的绘图与计算分 离缺陷的基础上，针对制约我国牵引变电所c a d 技术发展的智能建模及变配 电所辅助设计一体化技术开展研究，采用最新的面向对象技术、图示化技术 和智能专家系统相结合，提出并建立了供配电一次系统计算机辅助设计的数 据、图形和分析计算一体化智能模型。在智能模型的基础上，开发完成了图 示化供配电一次c a d 系统，该项研究成果为开发高水平高质量的应用软件奠 定了基础，为全面系统地设计牵引变电所提出了许多高效的方法。 学位论文作者签名：捌压倒 指导老师签名： 卟妇y 日 矽。弋舭月髟日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1c a d 技术的发展现状和发展历史 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n , c a d ) 1 1 技术是- - f - 多学科综 合应用的技术，是近年来计算机应用中发展最快的技术领域之一。它将计算 机快速准确的处理能力以及设计者的创造力、判断力有机结合，具有提高质 量、减轻劳动强度、缩短规划设计周期、产生巨大收益的优点。 2 0 世纪6 0 年代初，美国麻省理工学院林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 发 表了关于“s t e t c h p a d 人机通讯的图形系统的博士论文，首次提出了计算机图 形学、交互技术、分层存储的数据结构等新思想及c a d 的概念，为c a d 技 术的发展打下了基础，打开了图形处理和辅助设计的大门。 1 9 5 8 年，美国c a l c o m p 公司研制出了滚筒式绘图仪，g e r b e r 公司研制出 了平板绘图仪，并开始了交互图形学的研究。 2 0 世纪6 0 年代是交互式计算机图形学蓬勃发展的时期。 7 0 年代，c a d 专家的理论研究和程序设计方法的发展给c a d 技术的软 件发展提供了理论基础。1 9 7 0 年，美国a p p l i c o n 公司推出了第一个完整的 c a d 系统。超大规模集成电路和光栅图形显示器、光笔、图形输入板的出现 使计算机成本大幅下降，给c a d 的发展带来了动力。 8 0 年代，微型机和图形工作站的大量涌现为c a d 推广应用开辟了广阔 的前景，并在工业发达国家得到广泛应用。日本有8 0 公司不同程度应用了 c a d 技术。 1 9 8 9 年，美国国家工程科学院将c a d 技术评为当代十项杰出的工程技 术成就之一。 1 2 电力系统供配电c a d 的特点 电力系统供配电c a d 技术是辅助电气方面的工作者高效高质量地完成 电气工程设计的有效工具，其以计算机和电力系统相关的分析软件对电气工 程进行分析、规划、仿真计算，并把所得的数据由计算机通过一定命令自动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 绘成所需图形完成文档制作的现代设计技术【2 】。随着经济的发展，随着供电 系统的日益复杂化，进行准确合理的设计电气工程对于生产的安全性和可靠 性至关重要。 牵引变电c a d 系统的主要特点是结构关系复杂、电气元件的分类多、 变电所一次系统设计的对象很大，设计牵引变电专业范围内规划设计分析的 内容繁多，具体涉及到以下内容： ( 1 ) 供配电规划设计、负荷预测与计算仿真、电源规划分析，防雷接 地方案规划分析。 ( 2 ) 现有系统的扩建和改造设计。 ( 3 ) 设备的增容扩建规划。 基于以上的内容，要求c a d 软件开发系统应具有完备的数据库、程序库 人机对话功能和交互式图形系统等，其中数据库是电力系统供配电c a d 的 核心。 牵引变电所设计涉及到变电所断面、房屋布置，计算项目较多，要综合 对设备材料进行分析，模块复杂，这与其它领域的c a d 有显著差别。新型的 图形化的电气c a d 要求系统图形随着运行方式的变化自动改变其拓扑结 构，实现电气元件与数据库的同步互联。 1 3 牵引变电所c a d 软件开发的意义 我国电气化铁路采用单相5 0 i - i z 、2 5 ( 或2 x 2 5 ) k v 牵引供电系统。由于 从外部( 一次) 供电系统的高压线路供给电化铁路的电力参数为三相5 0 h z 1 1 0k v ( 2 2 0k v ) ，故需要在电化铁路沿线布设牵引变电所，以完成供电参数 的转换。 牵引变电所的作用是将电力系统供应的电能转变为适用于电力牵引及 其供电方式的电能，以其三相，1 1 0k v ( 2 2 0k v ) 受电设备引入外部送电线路的 高压电并控制通断，再经牵引变压器将引入的三相电转换为2 7 5 ( 或2 x 2 7 5 ) k v 单相电，然后以单相馈电设备将电能分配、馈送至牵引网【3 1 。 目前的牵引变电所设计过程，是以供电专业提供的资料作为设计依据， 完全以工程技术人员操作计算机，运用a u t o c a d 的初级绘图人机对话功能逐 步完成设计。劳动效率低、统计工作量大，而且容易产生差错漏洞，同时抑 制了人员与硬件的优势的发挥。 国外一些发达国家的计算机应用水平高，对于a u t o c a d 进行二次开发 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 来提高劳动生产率的方式在工程技术设计中应用相当普遍1 4 - 9 。目前国内各设 计系统中，通过二次开发a u t o c a d 展开变电所设计的方式尚未形成。随着减 员增效的深入进行，对设计人员提高劳动生产率、降低错误率的要求越来越 高。如何充分开发a u t o c a d 来完成标准化图纸的绘制，是摆在变电所专业面 前的一个噬待解决的难题。因此，目前迫切需要独立或联合开发一套专门用 于此目地的绘图软件【1 们。 牵引变电专业是以设备为核心的一个电气化专业，大量标准化成套设计 和工程数量材料的统计工作是简单的重复性劳动，但要求设计者、复核者付 出大量的时间和精力反复清点校核，是对人力资源的极大浪费。同时，对于 a u t o c a d 绘图软件而言，本身又提供了进行二次开发的多种方式和手段，对 把设计者从简单重复劳动中解放出来是完全有可能和必要的。 1 4 本文主要内容和研究工作 本文在分析牵引变电c a d 技术现状的基础上，以北京博超时代软件公 司现有的电气工程软件e e s 和电力工程设计软件p o w e r 为蓝本进行二次开 发，创建实现分析计算、绘图、数据处理一体化的牵引变电绘图软件系统的 结构框架。 一体化软件是集图形、计算分析和文档管理于一体的综合系统。软件以 微软的v c + + 6 0 为开发工具，通过o d b c ( o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开 放数据库互连) 与a c c e s s 数据库建立连接，利用s q l 语言对数据库进行 查询，并通过o b j e c ta r x 接e l 与a u t o c a d 之间进行数据访问【1 1 1 。系统以 数据库为核，1 1 , ，可进行元件参数、短路电流、设备选择、接地电阻、避雷针 保护范围、主接线经济比较等计算；能生成电气主接线、变电所总平面布置 及防雷接地等图形，运用面向对象设计方法和可视化编程技术，使系统具有 很好的可扩张性和通用性，人机界面好，交互性强，操作简单。 本文所做的主要研究工作如下： 1 完成牵引变电所负荷计算、牵引变压器容量选型、主接线形式、平面 布置、防雷接地设计并对电气一次设计部分进行智能化改造。 2 在智能化改造基础上使其具有一定的三维设计功能( 集中防雷接地设 计方面) ，并针对铁路牵引电气系统进行设备选型计算的功能扩充，同时增加 材料表统计和方案扩充功能。 3 建立牵引变电所一次图形库及组成电气元件图库，完成面向对象的牵 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 引变电所分析和系统建模。 4 通过a m o c a d 的二次开发实现牵引变电所主接线图、平面布置图、 断面图、开关柜布置图等图形的生成和显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章牵引变电所系统设计原则 2 1 牵引供电系统基本概念 现代电力牵引都以公用电网配电，实质上是取用经变换的单相电。在我 国，矿山电力牵引、城市电车和地下铁道或轻轨交通都采用直流制，电压从 4 5 0v 到3 0 0 0v 不等；电气化铁路都采用工频( 5 0h z ) ，额定电压为2 7 5k v 或2 2 7 5k v 的单相交流制。 牵引供电系统的构成简化成如图2 1 所示。相对牵引变电所而言，通常 把为其供电的电力系统称为外部电源。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网 组成f 1 2 】。 1 i i i r - i l l l 图2 - 1 牵引供电系统简化图 电力系统与输电线： 为电气化铁道提供高压电源，其电压为1 1 0 k v 或2 2 0 k v 。电气化铁道 的牵引负荷是一级负荷，故要求电源有足够的容量和较高的可靠度。 牵引变电所： 将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能，其核 心元件是牵引变压器，并设有备用。 牵引网： 由馈( 电) 线、接触网、轨( 地) 、回流线等组成，牵引供电网( 回路) 完成对电力机车的送电任务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 牵引网组成： 馈线：接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，即将电能由牵引 变电所引向电气化铁路； 接触网：是一种悬挂在轨道上方，沿轨道敷设的、和铁路轨顶保持一定 距离的输电网。通过电动车组的受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能就由 接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机使列车运行。 轨道：在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除仍 具有导轨功能外，还需要完成导电回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需 要具有良好的导电性能。 回流线：是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨道中的回路 电流导入牵引变电所的主变压器。 电力机车：将通过牵引电机及其变换和控制机构，将电能转化为可用机 械能，牵引列车运行。 供电分区：正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的供电线路， 也称为供电臂。 分相绝缘器( 电分相) ：串接在接触网中，目的是将两相不同的供电区 分开，并使机车光滑过渡，平稳的由一相供电转到另一相供电，主要用在牵 引变电所出口处和分区处。 分段绝缘器( 电分段) ：分为纵向电分段和横向电分段，前者用在线路 接触网上，后者用于站场各条接触网之间。通过其上的隔离开关将有关接触 网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围以及 便于检修等。 2 2 外部电源的供电方式 一次系统的供电方式是指电力系统与牵引供电系统的供电网( 输电线) 的联结方式，它取决于牵引负荷的用电等级和电力系统的情况。 电力牵引为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电；当任一路故障时， 另一路应能正常供电。其中两路电源可来自不同的地区变电所或同一地区变 电所的不同母线或母线分段。 原则：供电可靠性、电源容量及经济性。 外部电源的供电方式主要有以下几种： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 1 环形供电 牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。 优点：供电可靠性好，能适应负荷的剧烈变化 要求：铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所且其间有电力网互联 ( 受系统结构限制) 牵引变电所 牵引变电所 图2 - 2 环形供电 2 2 2 双侧供电( 两边供电) 电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电线是联络这两 个地区变电所的通路。 优点：同环形供电 要求：牵引变电所两侧都有电源 牵引变电所牵引变电所 图2 - 3 双侧供电 路输电线 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 3 单侧供电( 一边供电) 单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所供电，为保证供电可靠 性，应采用双路( 或双回) 输电线。 单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环形供电方式要差，而投 资不会比环形供电方式和双侧供电方式少。 要求：必须有两回路输电线供电，且有各自的杆塔和走线 牵引变电所牵引变电所 图2 - 4 单侧供电 2 2 4 散射供电( 辐射线供电) 双路输电线 当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边供电更经济时，可采用 散射供电方式。 缺点：可靠性差 要求：相邻几个牵引变电所布置成弧形，且地区变电所和发电厂的距离 较近时，必须两回路输电。 牵引变电所 地区变电所或发电厂 图2 - 5 散射供电 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 牵引变电所系统规划设计 2 3 1 规划设计的主要内容 牵引变电所系统规划设计的主要内容可分为以下几个方面。 1 牵引供电方式。 2 变电所个数。 3 主变压器接线方式。 4 主接线类型。 5 主变容量及安装容量( 变量) 。 6 并联电容补偿装置形式。 7 电容器、电抗器容量( 变量) 。 8 馈电臂电流( 瞬时最大、短时最大、平均值、有效值) ( 变量) 。 9 防雷接地设计。 l o 断面图、房屋图系列等。 2 3 2 牵引供电方式 我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相一两相制式，即其原边 取自电力系统的1 1 0 k v 或2 2 0 k v 三相电压，次边向两个单相供电臂馈电，其 母线额定电压为2 7 5 k v 或5 5 k v 。 对于三相y n ，d 1 1 或v v 接线的牵引变电所，次边两相电压的相别是原 边三个相( 或线) 电压相别三中取二的某种组合；而对于平衡变压器，经变 压器的变换，次边形成大小相等而相位相互垂直的两相电压。 ( 1 ) 三相y n d l l 接线牵引变电所 目前在三相牵引变电所中采用的是1 1 0 k v 油浸风冷式变压器，该牵引变 压器的接线采用标准联结组，即y n d l1 ，必要时原边中性点可大电流接地。 备用方式有移动备用和固定备用两种，实用中大多采用固定备用。对于 直接供电或b t 供电方式，变压器次边输出电压为2 7 5 k v ，比牵引网标准网 压( 2 5 k v ) 高1 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 牵引变电所 地区变电所或发电厂 图2 - 6 原理电路图 为分析的直观与方便，更常见使用y n d l l 接线牵引变压器的展开图。 画展开图有如下约定： ( 1 ) 为施工和运行安全起见，统一规定次边绕组的( c ) 端子接钢轨和地； ( 2 ) 次边( a ) 端子置于左侧； ( 3 ) 原、次边对应绕组相互平行，同名端放在同一侧； 图2 - 7 牵引变压器展开图 ( 2 ) 单相牵引变电所 单相牵引变压器包括i i ( 纯单相) 接线牵引变压器和v v 接线牵引变压器。 现在普遍采用v v 接线牵引变压器。 v v 接线牵引变压器的内部接线类似两台i ，i 接线变压器的组合。 v v 接线牵引变压器原边接入系统两个线电压( a b 、b c 、c a 间线电压 中的两个) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 以接入a b 和b c 间线电压为例 a b c 供电臂供电臂 图2 - 8 单相牵引变电所原理图 ( 3 ) 平衡接线牵引变电所 电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引变压器不会在电力系统中产 生零序分量，但通常造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡 而不对称的。 平衡变压器通常是指那种具有变压和换相功能的三相两相变压器， 目的是消除或削弱负序。 s c o t t 接线变压器接线图： a b c l z 菇b 心c | | 堕璺一，征 ib 0 上 7 l 一 图2 - 9s c o t t 接线变压器接线图 2 3 3 牵引变压器容量计算 牵引变压器容量计算可分三个步骤： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 ) 根据铁道部任务书中规定的年运量大小和行车组织的要求确定计 算容量，这是为供应牵引负荷所必需的容量。 ( 2 ) 根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的 过载能力，计算校核容量，为确保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，并按实际变压器系 列产品的规格选定变压器的数量和容量称为安装容量。 2 3 4 牵引变电所变压器的选择规则 ( 1 ) 应考虑近期，远期运量 ( 2 ) 满足正常运行和紧密运行( 过载3 0 ，持续2 小时) ( 3 ) 对于并列运行变电所，当一台主变退出工作时，另一台主变应能 维持正常运行2 小时以上。 ( 4 ) 对于并列运行变电所，需校验单台变压器能否满足正常运行( 连续 4 小时) 。 2 3 5 防雷与接地装置设计 发电厂及变电所设计过程中必须考虑直接雷击、雷电反击和感应雷电过 电压对电气装置的危害。应该采用避雷针或避雷线对高压配电装置进行直击 雷保护及采取措施防止反击。 2 3 5 1 避雷针( 线) 的结构 架设避雷针( 线) 的作用是使雷电直接击在避雷针( 线) 上，避免导线 遭受直接雷击。同时，它还对雷电流有分流作用，减少流入杆塔的雷电流， 使杆顶电位降低。 避雷针( 线) 的接闪器部分装于构架上端，避雷针接闪器一般用长l 一2 米的一段直径1 2 毫米以上的镀锌圆钢或直径3 8 毫米左右的镀锌钢管制成 ( 壁厚不小于2 7 5 毫米) 。避雷线的接闪器用截面不小于3 5 平方毫米的镀 锌钢绞线。 支持接闪器的避雷针( 线) 构架高度在2 0 米以下时，多采用水泥电杆， 较高时宜采用钢结构支架。但变压器用的门阀构架上严禁安装避雷针。也严 禁将架空照明线路，通讯线路及无线电天线等架在避雷针( 线) 的构架上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 5 2 避雷针保护范围计算原理 ( 1 ) 单支避雷针的保护范围( h 3 0 m 时，0 = 4 5 。，图2 1 0 ) 图2 1 0 单支避雷针的保护范围图 避雷针在地面上的保护半径，应按下式计算：r = 1 5 h p ，式中r 为保护半 径，h 为避雷针的高度，p 为高度影响系数，h 3 0 m ，p = i ；3 0 m o 5 h 时d 【= ( 1 1 - h x ) v = h a v 式中：r x 为避雷针在h ) ( 水平面上的保护半径，l 】) 【为被保护物的高度， h a 为避雷针的有效高度。 当 1 ) ( r x 时，取b x - - r x 。求得b x 后，可按图3 绘出两针间的保护范围。两针间距离与针 高之比d h 不宜大于5 。 卜0 。二。 惫念k o ；i 釜黜哆 忑s 饕嚣蟊一 r j 陵蕊划了 嚏： 。坛s 避蔑瓤 nk 1 l2摹矗口 t ， a ，z 矽矗m i = o - 。7 ： l i ) d a ，= 5 - 7 图2 1 2 最小宽度曲线图 2 3 5 3 避雷器的接地装置 供配电系统用变压器的中性点直接接地，以及电器设备在正常工作情况 下不带电的金属部分与接地体之间做良好的金属连接都称为接地。前者为工 作接地，后者为保护接地。接地设计是电气化铁道供变电工程设计的重要组 成部分，牵引变电所和接触网相关接地工程的好坏，直接影响电气化铁道的 安全运行，良好的接地也是防雷中至关重要的一环。工程上通常采用消弧线 圈接地的方式，这可使绝大多数单相雷击闪络的接地故障电流能被消弧线圈 所熄弧，从而使得故障自动被切除。 避雷器接地装置是用来引泄雷电电流的，因此接地装置中的冲击接地电 阻越小，则过电压越小。工程上拿工频接地电阻作为衡量接地电阻值的标准， 对于不同防雷设备允许最大的工频电阻值如下表所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 表2 1不同防雷设备允许最大的工频电阻值 接地电阻 序号防雷设备名称 ( 欧) 1保护变电所的室外独立避雷针2 5 2装设在变电所架空线路进线上的避雷线2 5 装设在变电所与母线连接的架空进线上的 31 0 管形避雷器，与旋转电机无联系 装设在变电所与母线连接的架空进线上的 45 管形避雷器，与旋转电机有联系 装设在2 0 k v 以上的架空线路交叉处跨距 51 5 电杆上的管形避雷器 装设在2 0 k v 以上的架空线路交叉处跨距 61 5 电杆上的管形避雷器 装设在3 5 1l o k v 架空线路中以及在绝缘 72 5 较弱处木质电杆上的管形避雷器 2 3 6 电气设备的选择设计 2 3 6 1 发热计算 任何载流导体或电器自身存在有功损耗，其有功损耗将变成热能，使导 体温度升高。 1 高温升对电气设备的影响 ( 1 ) 影响电气设备的绝缘寿命 ( 2 ) 影响导体的接触部分的导电性能 ( 3 ) 降低导体的机械强度 2 导体和电气设备载流量的确定 导体和电气设备在正常运行时，流过的电流是负荷电流，其电流在导体 中产生的欧姆发热与向周围环境散发的热量经过一段时间后，达到动态平衡， 其温度不再升高。我们只要校验正常运行时的发热温度，不超过允许值。 3 短路时的发热校验 电力系统中发生短路，就会有比正常的负荷电流大许多倍的短路电流流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 过导体或设备，这时，导体的温度就会急剧地上升，由于电力系统都装设了 继电保护装置，在短时内把短路电流切除，因而发热的时间很短，因此称为 短时发热。 通常以下面几种方法来校验短时发热： ( 1 ) 对导体，我们用最小热稳定截面s m i n 与实际导体的截面s 对比， 如果实际导体的截面不小于最小热稳定截面( 即s s m 缸) ，说明能满足热稳 定的条件；相反，如果s s m 访就得采用截面积更大的导体。 ( 2 ) 对设备的热稳定校验来讲，由于设备的结构等均已固定，通常用 短路电流通过其内部产生的热效应q 与其允许的热效应q v 相比较，如果 q k q 。则合格。 ( 3 ) 在短路时的发热效应计算中，关键是计算短路电流的热效应q ， 工程中一般采用实用计算法。 2 3 6 2 电气设备的选择原则 电气装置中的载流导体和电气设备的选择设计，必须执行国家的有关技 术经济政策，并做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和为今后的 发展扩建留有一定的余地。各种电气设备选择的一般程序是：先按正常工作 条件选择出设备，然后按短路条件校验其动热稳定。 1 电气设备选择的一般要求 ( 1 ) 应满足各种运行、检修、短路和过电压情况的运行要求，并考虑 远景发展。 ( 2 ) 应力求技术先进和经济合理。 ( 3 ) 应按当地环境条件( 如海拔、大气污染程度和环境温度等) 校核。 ( 4 ) 同类设备应尽量减少品种，以减少备品备件，方便运行管理。 ( 5 ) 与整个工程的建设标准应协调一致。 ( 6 ) 选用的新产品均应有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。在特 殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经上级批准。 2 电气设备选择的一般原则 ( 1 ) 按正常工作条件选择。 ( 2 ) 按短路状态进行校验。 ( 3 ) 按环境条件进行校核。 2 3 6 3 牵引变电所母线系统设计 一般来说，母线系统包括载流导体和支撑绝缘两部分。载流导体可构成 硬母线和软母线。软母线是钢芯铝绞线( 有单根、双分裂和组合导线等形式) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l7 页 因其机械强度决定于支撑悬挂的绝缘子，所以不必校验其机械强度。 ( 1 ) 母线的选择 型式。一般采用铝材，只有当持续工作电流较大且位置特别狭窄的场 所，或者腐蚀严重的场所，才选用铜材。 按最大持续工作电流选择。导体截面应满足：1 v i m 瓠 式中，导体的长期允许载流量，a 。 按经济电流密度选择。在选择导体截面时，除配电装置的汇流母线外， 长度在2 0 m 以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择： 一= 等( m m 2 ) ，为经济电流密度，m ： ( 2 - 1 ) 热稳定校验应满足： 。：粤( m m 2 ) 式中，c _ 线的热稳定系 数； q 短路电流的热效应，枷2 占； 满足热稳定的最小截面，m m 2 。 动稳定校验应满足：仃m 舣仃。 式中，q 母线材料的允许应力； 母线材料所受的最大应力。 牵引变电所中屋外配电装置汇集和分配电流的载流导体目前主要用软 导线，而屋内配电装置中的此种载流导体主要用硬母线( 汇流排) 。软母线和 硬母线分别将室外和室内的、按主接线图以一定次序分别装于各间隔中的高 压配电设备彼此联接起来。 通常，架设于室外的软母线由绞线、悬式绝缘子、金具及其支持结构构 成，而装设于室内的硬母线由矩形扁母排，支柱绝缘子、穿墙套管等构装而 成。 在牵引变电所的牵引侧，还常装有工厂已制作好的高压开关柜，采用这 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 种将开关电器、辅助设备和载流导体集成装于柜中的成套配电装置，可无需 再建混凝土结构或砖结构间隔，并减少硬母线安装工作量。 2 3 7 接地系统设计计算 接地系统设计计算的目地和任务是选择、计算接地体电阻，设计接地装 置结构形式，并校验接触电压和跨步电压值。接地计算的方法： 2 3 7 1 各种形式接地体的接地电阻计算 在土壤电阻率p 为定值下，接地电阻主要取决于接地体金属与土壤的接 触面，该处的电流密度最大，也即与接地体的形状、埋设方式以及接地网结 构等因素有关。常用的不同形式接地体。接地网接地电阻计算式和示意图如 下所利1 3 】： 表2 2 接地体、接地网接地电阻计算式 接地体形式计算公式符号意义示意图 垂直埋设式 = 旦2 n h 1 竺d p 为土壤电阻 ( 单支) n 支率，q m ； 垂直埋设式 艺2 焉( q ) j 为接地体长 十di 么2 卜， 接地体度，m ； 匕一 d 为接地体直径 或等效直径： 刁为多支接地 体时散流利用 系数( r 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 不同形状水 r = 丽p ( 1 聆两l 2 l 水平接地体总 平埋设式接长度，m ； + a )( q ) 地体h 为接地体埋设 深度，m ； a 为接地体形 状系数 2 3 7 2 接地线热稳定校验计算 接地短路电流流经接地装置时，应校验计算接地线的热稳定，此时钢接 地线的温度不得超过4 0 酽c ，而其截面曩，应满足以下要求： & 鲁石聊聊2 ( 2 2 ) 式中：，。为流过接地线的电流，a ；t 为短路持续时间，即主保护动作 及断路器跳闸时间，s 2 3 7 3 冲击接地电阻计算 对于避雷针、避雷器和避雷线等防雷设备的接地装置，有很大的冲击波 电流通过接地体在地中散流，导致附近土壤产生火花击穿而变为良导体，其 效果相当于增大接地体的几何尺寸，有利于泄流。但当波前陡度很大的冲击 电流流入接地体时，在接地体上将产生很大感应电压降，限制冲击电流流向 接地体深部，这种效应使其接地电阻增高。 综合考虑，冲击接地电阻尺船可用以下关系式求得，即尺廊= 口r ，d ，式 中r ，。为工频接地电阻，口为冲击系数； 防雷装置的避雷针或避雷器，都应独立安设接地装置，其冲击接地电阻 值不大于l of t 2 ，并应使此接地体在泄流时不得对其它电气设备发生反击。一 定条件下，独立冲击接地装置也可与变电所复合接地网连接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章基于面向对象的牵引变电所c a d 系统设 3 1 面向对象技术 计 面向对象技术f l 7 1 ( o o t - - o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ) 被广泛应用到计 算机软件开发技术的研究和应用领域。其基本思想是从现实世界中客观存在 的事物出发来构造系统，并在构造系统的过程中尽可能模拟人类的自然思维 方式，将现实世界中的实物按其所具有的共同特性进行一定的抽象，并描述 相关的思维和行为。在理论上主要包括三部分内容：面向对象分析( o o a o b j e c t o r i e n t e da n a l y s i s ) ，面向对象设计( o o d - - o b j e c t o r i e n t e dd e s i g n ) 和 面向对象编程( o o p - - o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 。 面向对象技术的基本概念包括：对象、类、消息、抽象、封装、继承和 多态性等1 1 8 1 。 类用于表示具有相同或相似性质的一组对象，也就是对象的数据类型。 消息是对象间相互传递的信息。在面向对象方法中，对象必须根据其所 接受到的消息执行相应的操作。 抽象指的是强调事物的主要方面，忽略其次要方面。抽象的结果是建立 一系列对象、类和子类。合理使用抽象，可以避免过早考虑细节，便于编程 人员进行抽象思维。 封装指的是对象的各种外部性质同其具体的内部实现相互分离。利用消 息传递和封装机制，编程人员在进行软件设计时只需要知道该对象有哪些外 部性质( 即接口) ，无需了解其内部细节，从而有助于编程人员将精力集中于 所要求解的问题。 继承是派生新类的方法。通过继承，新类不仅具有旧类的属性和方法， 而且还具有自己独有的属性和方法。在软件设计中，继承的使用有助于提高 该软件的可维护性、可扩充性和可重用性。 多态性是指在一组具有继承关系的类层次中，同一个消息发给该类及其 该类的子类对象时，这些对象会做出不同的响应( 即一个消息，多种行为) 。 多态性的使用不仅有助于编程人员进行抽象思维，而且还为该软件的扩充提 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 供了极大的灵活性。 3 2 牵引变电所一次电气元件图形库的建立以及系统建模 智能建模不仅涵盖常规元件模型，而且可以描述不同种类元件模型之间 的影响和关联关系，同时可以揭示系统中各元件对象的图形结构及其布局。 在牵引变电绘图软件包中，必然需要要求有完善的图形智能生成和交互修改 功能。为减轻用户负担，应事先将元件图和块图规范化，建立完整的图元库。 智能建模运用面向对象技术，将现实存在的电气设备抽象为模型对象， 用类之间的继承关系描述具体各对象之间的关联，以此封装电气设备的相关 属性，同时可以描述电气设备的技术参数，类的方法主要是保存和删除。建 立图元实体与后台数据间的智能关联，通过图形对象能透视到对应电气元件 的电气特性、技术参数等属性。由此打开牵引变电工程图形与电气分析模型 数据间联系的通道。使牵引变电c a d 更形象，直观，同时操作更加快捷。 电气c a d 智能模型具体研究内容为： ( 1 ) 电气c a d 的特点及模型层次、各层次模型的组成原理及基本元 件，各层次的结构及数学描述，基本元件定义及表示方法，电气工程元件图 形对象描述技术，元件及标志图元的物理及结构属性分类、组成及联接关系。 ( 2 ) 研究电气工程组成元件如电源、变压器、线路、负荷及保护控制 装置等的物理属性数据的组织和管理以及相应的图形结构数据及图元、图块、 属性参数的组织形式，图形符号归类编码，建立规范化图形元件库。设计电 气图的适用格式及与标准图形格式间的转换方法，研究各类电气图形：电气 结线图、平面布置图、二次展开图、安装施工图等的自动生成技术。 ( 3 ) 研究电气元件的图形与属性参数、包括电气元件与图元实体、物 理属性与图元结构属性间的自动联接、双向映射、关系识别技术及人机交互 过程中的同步联动技术，探求联动响应的新方法，实现在输入输出、数据处 理、干预修改等操作行为中的动态同步。在此基础上，实现供配电c a d 系 统的全面图示化技术。 3 2 1 建立基本图元库 在牵引变电所设计中起着很重要的作用，把电气图中经常出现的图形符 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 号集合在一起就构成了基本电气图元库。基本电气图元库可以分为开关类、 高压器件类、保护控制类、线缆类、绕组类等，以高压器件类为例，基本电 气图元库如下图所示 必白二、。 8鼯o 吐w如i 扣 巾_ 每坤 名1 #撇 鞋l 蓬 图3 - 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