交通工程设计理论与方法 第7章 供电系统设计.ppt

第7章供电系统设计 学习要点供电系统设计要求及供电方式供配电方案设计电缆敷设方法电磁干扰的抑制措施及其在高速公路机电系统中的应用 学习目标了解供电系统设计要求及供电方式分析用电负荷等级并选择供配电方案了解电缆敷设方法了解电磁干扰的抑制措施分析高速公路机电系统中的电磁兼容措施 7 1概述 7 1 1供电系统设计要求 1 运行安全性供电系统应具有自身的安全防护能力 同时有关的工程技术人员必须掌握安全用电的基本知识 2 运行可靠性首先 供电系统应保证一定的备用容量 其次 电源布局和电网结构必须合理 设备元件必须安全可靠 另外 还要提高系统运行的稳定性 3 保证供电质量供电系统必须提供优质 稳定的电能 以保证大型电子设备系统正常 安全的运行 4 运行的经济性在进行供电系统设计时 应处理好局部与全局 当前与长远的关系 既要满足当前负荷的要求 又要为将来的发展留有余地 7 1 2供电方式及系统构成1 高速公路供电方式分散供电是指沿线设施所需电源都来自附近城乡的农业电或民用电 集中供电 是指沿线设施与生活用电都是由相对独立的供电系统提供 供电电源一般来自附近的高压供电干线网 公路太阳能供电系统一般由太阳能电池 蓄能装置 控制稳压电路等组成 对于道班 小型收费站等 需要交流供电的场所还应配备逆变器等装置 2 供电系统组成供电系统一般由高压线路 变电所 包括配电所 低压配电线路 用电设备和电磁兼容设备组成 采取有效的电磁兼容措施 接地 搭接 屏蔽 滤波 防雷保护等 7 2供电系统设计 7 2 1供电系统设计原则 1 遵循国标 认真执行国家的技术经济政策 2 处理好近期建设与远期发展的关系 做到远近结合 留有余地 3 从全局出发 统筹兼顾 按负荷的性质 用电容量 工程特点和地区供电条件 合理设计供电方案 4 供电系统应满足负荷对供电可靠性和电能质量的要求 同时应注意接线简单 操作安全 同时应考虑设备检修的需要 5 单相用电设备应适当配置 力求三相平衡 6 结合我国国情 有选择地采用国外先进技术 选取技术上先进 经济上合理的方案 不仅要满足用户的使用要求 而且要做到安全用电 7 与当地供电局和其它有关单位协调一致 7 2 2供配电方案选择1 负荷分类 1 一级负荷 中断供电将造成人身伤亡 重大社会影响及重大经济损失或秩序严重混乱 2 二级负荷 中断供电将造成较大社会 经济影响及公共场所秩序混乱 3 三级负荷 其他负荷 该类负荷对供电没有特殊要求 道路沿线设施供配电主要是管理机构 养护设施 服务 休息 设施的办公和生活用电 其中 用于交通工程管理的监控设备 通信设备 收费设备及计算机网络设备等用电负荷原则上按一级用电等级配电 其它用电负荷可按二级用电等级配电 重点区域的照明包括收费广场 服务区 停车区和互通立交的照明 这些电力负荷原则上按二级用电等级配电 但隧道内的照明 通风等电力负荷按一级用电等级配电 2 供电方案实际工程中常用的供电方案有以下几种 1 为保证高速公路特有的重要一 二级负荷的供电 由附近的电力部门不同的变电站提供两路相互独立的主电源 为了提高整个系统的可靠性 建议采用1台柴油发电机组作后备电源 当两路主电源同时发生故障时 所有一级和二级负荷均由柴油发电机组供电 2 整个供电系统由1路主电源提供 为提高可靠性应另备一台柴油发电机组供停电时使用 当考虑成本问题或当电力部门不能提供两路主电源时 可采用此方案 3 对于道路照明和监控系统的外场设备来说 由于分散设置在道路沿线 有些甚至远离变电站 因此只能在临近收费站接取主电源 通过增加导线截面积向2 3km距离范围内供电 或者经过高压开关柜及高压电缆往其它各变电站输电 然后经变压器及低压开关柜进行配电 4 中压供电系统 适合长距离大范围供电工程 关键设备从国外引进 其原理类同有载调压变压器的先升压后降压方式 所不同的是它所调整的电压等级为5 5KV或6KV 3 配电方案一般情况下用电负荷多数集中在互通立交附近 隧道 服务区及养护工区等处 可在这些地方设置有匝道收费站 通信站和监控外场设备 配电系统采用本地集中供电方式 设备的用电可从临近的变配电站引出 如果用电设备距离变电站10 20km左右 可从最近的变电站引出一条高压输电线路至用电设备处 然后经过变压器及低压开关设备进行配电 当用电设备距离变电站3 5km左右时 可采用在变电站相应低压回路增设调压器方案 既能达到使用要求 又降低了成本造价 对于用电设备数量多 设置相对集中情况 如特大桥 有必要采用中压供电系统 即从主变电站引出一条5 6kv中压供电线路沿线供电 根据具体情况在全线设置若干个厢式变电站将中压变成低压系统 然后再为每个用电设备配电 4 紧急供电系统方案按允许中断供电时间不同 紧急供电电源可分为不中断 短时中断和长时中断等几种类型应急电源 1 不中断应急电源UPSUPS供电可适用于容量不大又允许停电时间为毫秒级的交流电源 当电力发生故障时 UPS的供电电源将自动转接至紧急发电机供电系统 以确保一级负荷电源不间断 2 短时中断应急电源对于带有自动投入装置的专用馈电线路 考虑自投装置的动作时间一般不超过1 5s 可作为允许中断供电时间为1 5s的短时中断应急电源 3 长时中断应急电源允许中断供电时间为1 5s以上的供电 则可选用快速自动启动发电机组供电 因快速自启动发电机组一般自启动时间为10s左右 7 2 3配电线路设计1 电缆路径的选择选择架空电缆的路径时 应考虑以下原则 1 路径要短 转角要少 2 便于施工架设和维护 3 尽量避开雨水冲刷地带及易撞场所 4 不应引起交通困难 5 避免穿过起重机频繁活动地区 6 尽可能减少同其他设施的交叉和跨越建筑物 2 主要元件的选择1 电杆电杆根据材料的不同有木杆 钢杆 钢筋混凝土杆 水泥杆 三种 电杆的高度应根据杆型 路径特点 跨越情况及电杆埋设深度等因素确定 电杆埋设深度按表7 1确定 电杆的埋设深度 m 表7 12 导线常用导线有铜导线 TJ 铝绞线 LJ 钢芯铝绞线 LGJ 和各种绝缘导线 3 绝缘子 1 针式绝缘子 2 悬式绝缘子 3 蝶式绝缘子 4 瓷横担4 架空线路的档距 弧垂和线间距离架空线路的档距 又叫跨距 是同一线路上相邻两根电杆之间的水平距离 一般档距为50m 导线的弧垂 又叫驰垂 是架空线路最低处与档距两端电杆上的导线悬挂点间的垂直距离 架空配电线路导线对地面和跨越物的最小允许距离见表7 2 架空配电线路导线对地面和跨越物的最小允许距离 m 表7 2架空配电线路导线的线间距离 一般按电压等级和线路档距大小而定 但不应小于表7 3所列数值 架空配电线路导线最小线间距离 m 表7 3 7 3线缆敷设设计 7 3 1直埋电缆的敷设设计1 直埋电缆的净距直埋电缆与其它建筑设施平行或交越时 其间的净距不小于表7 4的要求 直埋电缆与其它建筑设施的净距表7 4 2 直埋电缆的埋深电缆的埋深要依据不同土质和环境来确定 直埋式电缆的埋深见表7 5 直埋式电缆的埋深表7 53 直埋电缆的敷设方式直埋电缆的敷设可分别采用人工敷设 机械敷设或其它一些因地制宜的敷设方式 人工敷设是指利用人工挖沟 人工抬放和人工回填土的方法敷设直埋电缆 机械敷设设备经常采用的有梨刀式电缆敷设机和链齿式敷设机两种 7 3 2管道电缆敷设设计1 管道电缆敷设的净距电缆管道与其他管线的最小净距表7 62 管道电缆的埋深一般管道埋深要求为0 8m左右 除采取特殊技术措施外 其最小允许埋设深度的极限值不应低于表7 7要求的数值 电缆管道的埋深表7 73 管道敷设方法管道敷设方法有 人力牵引法 机械牵引法和气吹法 人力牵引法是利用人工拉力将电缆敷设于管道中 分为井内传递和井外传递两种 机械牵引法是利用牵引车 普通卡车 或卷扬机等将管道中的电缆牵引出 气吹法是一种比较先进的施工方法 它的整体施工经验仍处于摸索阶段 是由气吹产生的高速压缩气流使线缆悬浮在管道内前进 前进的推力从管道内沿着整个电缆的长度均匀分布 7 3 3光缆敷设设计敷设时对以下几个问题需特别注意 1 光缆的抗拉强度 抗压强度和抗弯能力都要比电缆弱 敷设时切勿强拉硬弯 同时要注意减少残余应力 2 光缆线路与电缆线路不一样 对光缆线路不能忽略接头损耗 因此应当尽量加大制造长度 以便减少光纤的接头 3 直埋时的埋深不能太浅 必要时还要增设机械保护措施 并尽量远离其他地下管线等 4 对不同的周围环境要采取不同的对策 例如在电力线附近并行敷设 对具有金属线和构件的光缆 要注意工作人员和设备的安全和影响 7 4电磁兼容设计 7 4 1电磁干扰的机理电磁干扰的三要素 电磁干扰源 传播途径 电磁敏感设备 1 电磁干扰源的分类按照抑制干扰的可能性 电磁干扰源可分为自然干扰源和人为干扰源两种 1 自然干扰源自然干扰源包括雷电放电产生的大气干扰和从太阳 月亮 恒星 行星等星系发出的宇宙干扰 2 人为干扰源人为干扰源是由机电设备或其它人造装置产生的电磁干扰 2 电磁干扰的传输途径由干扰源所产生的电磁干扰必须经过耦合通道才能到达受感器 典型的电磁干扰传播途径如图7 1所示 它包括传导干扰和辐射干扰两大类 图7 1电磁干扰的传播途径 传导干扰是沿电源线或信号线传输的电磁干扰 有直接耦合和共阻抗耦合两种模式 辐射干扰是通过空间传播的电磁干扰 有电容耦合和电感耦合两种模式 3 受感器 电磁敏感设备 电磁兼容性对受感器的研究主要是设备对干扰的响应及抗干扰能力 国际上通用的系统电磁敏感性规范的技术指标为电磁干扰安全系数 EMISM 即电磁干扰安全系数 敏感度门限值 现在最大干扰值或者用分贝表示 7 1 式中 m 系统电磁干扰安全系数 dB P0 系统的敏感度门限值 dB P 系统所在环境最大干扰值 dB 7 4 2电磁干扰的抑制措施1 接地1 接地的概念 1 功能性接地 工作接地 逻辑接地 屏蔽接地 信号接地 2 保护性接地 防电击接地 防雷接地 防静电接地 防电蚀接地2 接地方式接地方式包括 单点接地 多点接地和混合接地 3 地回路干扰常用的可以减少地回路干扰的有效方法有 浮地 信号电路中使用隔离变压器 使用中和变压器传输信号 在数据线路中使用光电耦合器和光纤 电路单元间使用同轴电缆传输信号等 2 搭接1 搭接的概念搭接是指在两个金属表面间建立低阻抗的通路 搭接的目的在于为电流的流动安排一个电气上连续的结构面 以避免在相互连接的金属之间形成电位差 进而产生电磁干扰 通过搭接可保证系统电气性能的稳定 有效地防止由雷电 静电放电和电冲击造成的危害 可以说搭接使屏蔽 滤波等设计目标得以实现 2 搭接的方法搭接有两种基本方法 即直接搭接与间接搭接 3 屏蔽1 屏蔽的概念如果两个电磁场分界面上存在有物体 如果因该物体的存在而能将这两个电磁场看成是相互独立存在的 那么这两个相互界面就被称为屏蔽 而对分界面上所存在的物体 就被称为屏蔽体 2 屏蔽的目的屏蔽有两个目的 一是限制内部辐射的电磁能量泄漏 二是防止外来辐射干扰进入某一区域 3 屏蔽的分类根据屏蔽的对象不同 可将屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽两类 根据工作原理 可将屏蔽分为三大类 静电屏蔽 磁屏蔽和电磁屏蔽 4 滤波1 滤波的概念在系统或设备运行时 有时需要对一些非工作的干扰信号 往往具有某一频率特性 进行抑制或衰减 而同时又希望工作信号 具有另一频率特性 能正常通过 这时可选用一种对特定频率具有选择性的网络来达到上述目的 这就是滤波的概念 2 滤波器的分类按滤波频率特性 滤波器可分为低通滤波器 LPF 高通滤波器 HPF 带通滤波器 BPF 和带阻滤波器 BRF 等形式 按滤波机理 滤波器可分为反射型滤波器和吸收型滤波器 按滤波器的形式来分 则有T型 型 C型和L型四种 它们都属于反射型滤波器 5 雷电防护1 雷电破坏作用及方式雷电破坏作用及方式包括 雷电流热效应破坏作用 雷电冲击波的破坏作用 雷电流电动力效应的破坏作用 雷电的静电感应和电磁感应的破坏作用和雷电波入侵 2 雷电的防护措施雷电危害有两个方面 即雷电的直击和雷电电磁脉冲对建筑物 人和设备的袭击 前者主要靠建筑物的避雷装置防止 后者涉及的防雷范围 措施要广泛和复杂得多 而且与前者有不可分分割的联系 一个完整的防雷系统包括接闪器 引下线和接地体 接闪器有避雷针 避雷线 避雷网 避雷带等 7 4 3高速公路机电系统的电磁兼容措施1 变电所1 接地接地网的埋设深度宜采用0 6m 在冻土地区宜敷设于冻土层以下 接地网外缘应闭合 外缘各角做成圆弧形 并在环状装置内加设相互平行的均压带 接地体与建筑物的基础间应保持不小于1 5m的水平距离 在建筑物出入口处采用高绝缘路面或加装帽檐式均压带 以使电位均匀 2 屏蔽措施一次设备与自动化系统输入 输出的连接采用带有金属外皮 屏蔽层 的控制电缆 电缆的屏蔽层两端接地 二次设备内 综合自动化系统中的测量和微机保护或自控装置所采用的各类中间互感器的一 二次绕组之间加设屏蔽层 机箱或机柜的输入端子上对地接一耐高压的小电容 变电站综合自动化系统的机柜和机箱采用铁质材料 3 滤波措施滤波措施是将滤波电容器与非线性的电阻元件并联组成浪涌吸收器 以抑制共模和差模干扰 不同的非线性元件具有不同的特性 设计时可根据具体需要选用 4 防雷保护在变电所 对直击雷和雷电侵入波均需进行保护 对直击雷的保护是采用避雷针或避雷线 对侵入波则采用阀型避雷器和进线保护 2 主控机房和通信机房1 接地用低阻抗的导体将设备 电路或系统与大地牢固连接 为高频干扰电压造成低阻抗通路 用地线把数字区与模拟区隔离 数字地与模拟地要分离 必须采用一点接地方式 通信站各类通信设备的工作接地 保护接地以及建筑防雷接地共同合用一组接地体的接地方式称为联合接地方式 2 屏蔽措施把干扰源 载扰线路 易受干扰的设备或线路 用金属板或金属网包围起来 机壳用铁质材料做成 线路屏蔽多采用铜丝编织的屏蔽层或金属管 并作良好的接地 对进出机房的模拟量输入电缆及开关量电缆都应使用屏蔽电缆 且两端屏蔽层要可靠接地 3 滤波措施滤波的作用是滤去电磁波中的干扰部分 开关电源防御外来干扰的能力较差 高频时尤为明显 4 防雷保护在机房的屋顶上应安装避雷器 在房顶和沿房顶四周敷设闭合均匀带和均匀网 在机房外围绕机房敷设水平闭合接地带 在机房内围绕机房敷设环形接地母线 环形接地母线 闭合接地带和房顶闭合均压间采用多个对称布置连接线互连 形成联合接地体 3 计算机1 接地计算机接地系统可分为 单点接地系统 混合接地 悬浮接地 交直流分开系统 2 屏蔽措施计算机系统屏蔽包括机房屏蔽 整机屏蔽 元部件之间的屏蔽和隔离 电源的进线及传输线输入及输出线也应屏蔽接地 3 滤波措施在导线上使用信号滤波器 必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器 在屏蔽体的出入口或导线的适当位