变电所电气部分设计毕业论文
35kV变电所电气部分设计
目录
摘要： (1)
1 引言 (2)
2 原始资料 (3)
2.1电力系统接线图 (3)
2.2系统情况 (3)
2.3 10kV负荷情况 (3)
2.4 本地区气象条件 (4)
3 负荷统计和无功补偿的计算 (4)
3.1 负荷分析 (4)
3.2 负荷计算 (5)
3.3 无功补偿 (5)
3.3.1 无功补偿概述 (5)
3.3.2 无功补偿的计算 (6)
3.3.3 无功补偿装置 (6)
3.3.4 并联电容器装置的分组 (7)
3.3.5 并联电容器装置的接线 (8)
4 主变压器的选择 (8)
4.1 规程中的有关变电所主变压器选择的规定 (8)
4.2 主变台数的确定 (9)
4.3 主变容量的确定 (9)
4.4 主变形式的选择 (10)
5 电气主接线设计 (11)
5.1 电气主接线概述 (11)
5.2 主接线的设计原则 (11)
5.3 主接线设计的基本要求 (11)
5.4 主接线设计 (11)
5.4.1 35kV侧主接线设计 (12)
5.4.2 10kV侧主接线设计 (12)
5.4.3主接线方案的比较选择 (12)
6 短路电流计算 (14)
6.1 概述 (14)
6.1.1 产生短路的原因和短路的定义 (14)
6.1.2 短路的种类 (14)
6.1.3 短路电流计算的目的 (14)
6.2 短路电流计算的方法和条件 (15)
6.2.1 短路电流计算方法 (15)
6.2.2 短路电流计算条件 (15)
6.3 短路电流的计算 (17)
6.3.1 10kV侧短路电流的计算 (17)
6.3.2 35kV侧短路电流的计算 (18)
6.3.3 三相短路电流计算结果表 (19)
7 电气设备的选择 (19)
7.1 电气设备选择的一般条件 (19)
7.1.1 电气设备选择的一般原则 (19)
7.1.2 电气设备选择的技术条件 (20)
7.1.3 环境条件 (22)
7.2 断路器隔离开关的选择 (23)
7.2.1 35kV侧进线断路器、隔离开关的选择 (23)
7.2.2 35kV主变压器侧断路器、隔离开关的选择 (24)
7.2.3 10kV侧断路器、隔离开关的选择 (25)
7.2.4 选择的断路器、隔离开关型号表 (26)
7.3 母线的选择及校验 (26)
7.3.1 母线导体选择的一般要求 (26)
7.3.2 35kV母线的选择 (27)
7.3.3 10kV母线的选择 (29)
7.3.4 母线选择结果 (29)
7.4 互感器的选择 (29)
7.4.1 电流互感器的选择 (29)
7.4.2 电压互感器的选择 (31)
7.5 熔断器的选择 (32)
7.5.1 熔断器概述 (32)
7.5.2 35kV侧熔断器的选择 (32)
7.5.3 10kV侧熔断器的选择 (32)
7.6 配电装置的选择 (33)
7.6.1 配电装置概述 (33)
7.6.2 35kV屋外配电装置 (33)
7.6.3 10kV高压开关柜 (33)
8 继电保护的设置 (35)
8.1 电力变压器保护 (35)
8.1.1 电力变压器保护概述 (35)
8.1.2 电力变压器纵差保护接线 (35)
8.1.3 纵差动保护的整定计算 (36)
8.1.4 变压器瓦斯保护 (37)
8.1.5 过电流保护 (37)
8.2 母线保护 (38)
9 变电所的防雷保护 (38)
9.1 变电所防雷概述 (38)
9.2 避雷针的选择 (39)
9.3 避雷器的选择 (39)
结论 (42)
致谢 (44)
参考文献 (43)
摘要：随着电力行业的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供稳固性、可靠性和持续性。然而电网的稳固性、可靠性和持续性往往取决于变电
所的合理设计和配置。一个典型的变电站要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。出于这几方面的考虑，本论文设计了一个35kV降压
变电站,此变电站有两个电压等级，一个是35kV，一个是10kV。同时对于变
电站内的主设备进行合理的选型。本设计选择选择两台主变压器，其他设备
如断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器，无功补偿装置和继电保护
装置等等也按照具体要求进行选型、设计和配置，力求做到运行可靠，操作
简单、方便，经济合理，具有扩建的可能性和改变运行方式时的灵活性。使
其更加贴合实际，更具现实意义。
关键词 35kV 变电所设计
1 引言
电能是发展国民经济的基础，是一种无形的、不能大量储存的二次能源。电能的发、变、送、配和用电，几乎是在同一瞬间完成的，须随时保持功率平衡。要满足国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界电力工业发展规律，因此，做好电力规划，加强电网建设，就尤为重要。
变电所作为变电站作为电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。对其进行设计势在必行，合理的变电所不仅能充分地满足当地的供电需求，还能有效地减少投资和资源浪费。
本次设计根据一般变电所设计的步骤进行设计，包括负荷统计，主变选择，主接线选择，短路电流计算，设备选择和校验，继电保护，防雷措施等几大块。并依据相关规定和章程设计其中个个步骤，所以能满足一般变电所的需求。
根据我国变电所目前现有电气设备状况以及今后发展趋势，应选用新型号、低损耗、低噪声的电力变压器及性能好、时间长、免维护的SF6断路器及高压开关柜。为此新的设备选择也在设计中得以体现。由于时间仓促和自身知识的局限，导致在设计中难免有遗漏和错误之处，望读者予以批评指正。
2 原始资料
2.1电力系统接线图
待设计变电所进线如图1所示：
A变电所B变电所
图2.1 变电所进线示意图
2.2系统情况
待设计变电所通过一条架空线路由正西方向5km处的一座110kV变电所A送电，回路最大传输功率不大于11.7MW，A变电所系统容量为3000MW。西北方向20km处一座35kV变电所B通过一条架空出线与待设计变电所联系，平时本所与B变电所有少量功率交换。本所投运后功率因数要求到达0.9。
2.3 10kV负荷情况
10kV负荷情况如表1所示
表2.1 10kV负荷分布情况
10kV 侧负荷同时率：0.85；10kV 侧最小负荷是最大负荷的45％；
10kV 侧最大负荷利用小时数m ax T =4800H ；待设计变电所年负荷增长率为5%。
2.4 本地区气象条件
最高气温C ?+=41max θ；最低气温C ?-=12m in θ；年平均气温C avy ?+=4.16θ；最热月平均最高温度C avm ?+=26θ。
3 负荷统计和无功补偿的计算
3.1 负荷分析
根据用电的重要性和突然中断供电造成的损失程度可以将负荷分为以下三类： 1一类负荷
一类负荷，又称为一级负荷，是指突然中断供电将造成人身伤亡或引起对周围环境的严重污染，造成经济上的巨大损失。如重要大型设备损失、重要产品或重要原料生产的产品大量报废、连续生产过程被打乱且需要长时间才能恢复、造成社会秩序严重混乱或产生政治上的重大影响、重要的交通和通讯枢纽中断、国际社交场
所没有照明等。
2 二类负荷
二类负荷，又称为二级负荷，是指突然中断供电会造成经济上的较大损失。如生产的主要设备损坏、产品大量报废或减产、连续生产过程需要较长时间才能恢复、造成社会秩序混乱、在政治上产生较大影响、交通和通讯枢纽以及城市供水中断、广播电视、商贸中心被迫停止运营等。
3 三类负荷
三类负荷，又称为三级负荷，是指不属于以上一类和二类负荷的其他用电负荷。对于这类负荷，供电所所造成的损失不大或不会直接造成损失。
用电负荷的分类，其主要目的是确定供电工程设计和建设的标准，保证建成投入运行工程供电的可靠性，能满足生产或社会安定的需要。对于一级负荷的用电设备，应有两个及以上的独立电源供电，并辅之一其他必要的非电保安设施。二级负荷应由两回线供电，但当两回线路有困难时（如边远地区），允许有一回专用架空线路供电。三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，可用单回线路供电。这次设计的变电所所带的负荷均为三级负荷，因此可以用单回线路供电。
3.2 负荷计算
10kV 侧的负荷计算
∑=P 1.5+0.8+0.8+1+1.5+1.2=6.8MW
∑=Q 1.5*0.62+0.8*0.62+0.8*0.75+1*0.62+1.5*0.48+1.2*0.62=4.11MVar ∑=S ∑∑+2
2
)()(Q P （3-1）
=2211.48.6+=7.95MVA 功率因数cos ?=0.86
3.3 无功补偿
3.3.1 无功补偿概述
电力系统中有许多根据电磁感应原理工作的电气设备，如变压器、电动机、感
应炉等。都是依靠磁场来传送和转换电能的电感性负载，在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上。电力系统中的无功功率很大，必须有足够的无功电源，才能维持一定的电压水平，满足系统安全稳定运行的要求。
电力系统中的无功电源由三部分组成：
1 发电机可能发出的无功功率（一般为有功功率的40%~50%）。
2 无功功率补偿装置（并联电容器和同步调相机）输出无功功率。
3 110kV 及以上电压线路的充电功率。
电力系统中如无功功率小，将引起供电电网的电压降低。电压低于额定电压值时，将使发电、送电、变电设备均不能达到正常的出力，电网的电能损失增大，并容易导致电网震荡而解列，造成大面积停电，产生严重的经济损失和政治影响。电压下降到额定电压值的60%~70%时，用户的电动机将不能启动甚至造成烧毁。所以进行无功补偿是非常有必要的。
3.3.2 无功补偿的计算
补偿前cos 1?=0.86，求补偿后达到0.9。因此可以如下计算： 设需要补偿XMva 的无功 则 cos 2
?=∑
∑''S P （3-2）
=
2
2
11.48.68.6）
（X -+=0.9
解得 X=0.82MVar 3.3.3 无功补偿装置
无功补偿装置分为串联补偿装置和并联补偿装置两大类。并联补偿装置又可分为同期调相机、并联电容补偿装置、静补装置等几大类。
同期调相机相当于空载运行的同步电动机在过励磁时运行，它向系统提供可无级连续调节的容性和感性无功，维持电网电压，并可以强励补偿容性无功，提高电网的稳定性。在我国经常在枢纽变电所安装同步调相机，以便平滑调节电压和提高
系统稳定性。
静止补偿器有电力电容器与可调电抗并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，根据电压需要，向电网提供快速无级连续调节的容性和感性的无功，降低电压波动和波形畸变率，全面提高电压质量，并兼有减少有功损耗，提高系统稳定性，降低工频过电压的功能。其运行维护简单，功耗小，能做到分相补偿，对冲击负荷也有较强的适应性，因此在电力系统中得到越来越广泛的应用。但设备造价太高，本设计中不宜采用。
电力电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。既可集中安装，又可分散装设来接地供应无功功率，运行时功率损耗亦较小。
综合比较以上三种无功补偿装置后，选择并联电容器作为无功补偿装置，并且采用集中补偿的方式。
3.3.4 并联电容器装置的分组
1分组原则
（1）对于单独补偿的某台设备，例如电动机、小容量变压器等用的并联电容器装置，不必分组，可直接与该设备相连接，并与该设备同时投切。
（2）配电所装设的并联电容器装置的主要目的是为了改善电网的功率因数。此时，为保证一定的功率因数，各组应能随负荷的变化实行自动投切。负荷变化不大时，可按主变压器台数分组，手动投切。
（3）终端变电所的并联电容器装置，主要是为了提高电压和补偿主变压器的无功损耗。此时，各组应能随电压波动实行自动投切。投切任一组电容器时引起的电压波动不应超过2.5%。
2分组方式
并联电容器的分组方式主要有等容量分组、等差级数容量分组、带总断路器的等容量分组、带总断路器的等差级数容量分组。这几种方式中等容量分组方式，分组断路器不仅要满足频繁切合并联电容器的要求，而且还要满足开断短路的要求，这种分组方式应用较多，因此采用等容量分组方式。
3.3.5 并联电容器装置的接线
并联电容器装置的接线基本形式有星形和三角形两种。经常采用的还有由星形派生出的双星形，在某种场合下，也有采用由三角形派生出的双三角形。
从《电力工程电气设计手册》（一次部分）502页表9—17可比较得出，应采用Y形接线，因为这种接线适用于6kV及以上的并联电容器组，并且容易布置，布置清晰。
并联电容器组装设在变电所低压侧，主要是补偿主变和负荷的无功功率，为了在发生单相接地故障时不产生零序电流，所以采用中性点不接地方式。
选用BFM11—500—3型号的高压并联电容器2台。额定电压11kV。额定容量500 kVar。
4 主变压器的选择
4.1 规程中的有关变电所主变压器选择的规定
1主变容量和台数的选择，应根据《电力系统设计技术规程》SDJ161—85有关规定和审批的电力规划设计决定进行。凡有两台及以上主变的变电所，其中一台事故停运后，其余主变的容量应保证供应该所全部负荷的70%，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷。若变电所所有其他能源可保证在主变停运后用户的一级负荷，则可装设一台主变压器。
2与电力系统连接的220~330kV变压器，若不受运输条件限制，应选用三相变压器。
3根据电力负荷的发展及潮流的变化，结合系统短路电流、系统稳定、系统继电保护、对通信线路的影响、调压和设备制造等条件允许时，应采用自耦变压器。
4在220~330kV具有三种电压的变电所中，若通过主变各侧绕组的功率均达到该变压器额定容量的15%以上，或者第三绕组需要装设无功补偿设备时，均宜采用三绕组变压器。
5主变调压方式的选择，应符合《电力系统设计技术规程》SDJ161的有关规定。
4.2 主变台数的确定
为保证供电的可靠性，变电所一般应装设两台主变，但一般不超过两台主变。当
只有一个电源或变电所的一级负荷另有备用电源保证供电时，可装设一台主变。对大型枢纽变电所，根据工程的具体情况，应安装2~4台主变。
本次设计的变电所没有一级负荷，所以采用两台主变。
4.3 主变容量的确定
主变容量的确定应根据电力系统5~10年发展规划进行。当变电所装设两台及以上主变时，每台容量的选择应按照其中任一台停运时，其余容量至少能保证所供一级负荷或为变电所全部负荷的60~75%。
由3.2的负荷计算得知10kV 侧的负荷总量为7.95MV A 。
考虑=ω5%的年负荷增长率，5年规划年限内计算负荷可表示为：
i
i i i S S n
n ++++-+=1)1()1(]1)1[(1
c ωω （4-1）
式中1S —第一年的负荷； ω—年负荷增长率； n —规划年数； i —年利率。
带入i=0.1，n=5，ω=5%，1S =7.95MV A 得c S =11.98MV A 。 再考虑同时系数时，可按下式算：
c S K S
0'
=∑ （4-2）
式中0K —负荷同时系数
带入0K =0.85得∑'S =10.18MV A 。
对于两台变压器的变电所，其变压器的额定容量可按下式确定：
e S =0.7∑'S =0.7*10.18=7.13MV A
总安装容量为2*（0.7∑'S ）=1.4∑'S
如此当一台变压器停运，考虑变压器的过负荷能力为40%，则可保证98的负荷
供电。
所以应选容量为7500kV A的变压器。
4.4 主变形式的选择
主变一般采用三相变压器，若因制造和运输条件限制，在220kV的变电所中，可采用单相变压器组。当今社会科技日新月异，制造运输以不成问题，因此采用三相变压器。
在关于绕组上，只有220~330kV具有三种电压的变电所中，若通过主变各侧绕组的功率均达到该变压器额定容量的15%以上，或者第三绕组需要装设无功补偿设备时，均宜采用三绕组变压器。此次设计的变电所只有35kV和10kV两个电压等级，所以采用双绕组变压器。
我国110kV及以上电压，变压器绕组都采用Y0连接；35kV亦采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地。35kV及以下电压，变压器绕组都采用△连接。因此35kV 侧采用Y连接，10kV侧采用△接线。
根据上述的讨论选用35kV铝线双绕组电力变压器，该变压器的型号为SJL
1—7500/35.具体技术数据如下表：
5 电气主接线设计
5.1 电气主接线概述
发电厂和变电所中的一次设备、按一定要求和顺序连接成的电路，称为电气主接线，也成主电路。它把各电源送来的电能汇集起来，并分给各用户。它表明各种一次设备的数量和作用，设备间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。所以电气主接线是电力系统接线组成中的一个重要组成部分。主接线的确定，对电力系统得安全、稳定、灵活、经济运行以及变电所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方法的拟定将会长生直接的影响。.
5.2 主接线的设计原则
1发电厂、变电所在电力系统中的地位和作用；
2发电厂、变电所的分期和最终建设规模；
3负荷大小和重要性；
4系统备用容量大小；
5系统专业对电气主接线提供的具体资料。
5.3 主接线设计的基本要求
根据我国能源部关于《220~500kV变电所设计技术规程》SDJ 2-88规定：“变电所的电气主接线应根据该变电所在电力系统中地位，变电所的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。”因此对主接线的设计要求可以归纳为以下三点。
1可靠性；2灵活性；3经济性。
5.4 主接线设计
电气主接线的基本形式就是主要电气设备常用的几种连接方式，它以电源和出
线为主体。大致分为有汇流母线和无汇流母线两大类。其中有汇流母线的接线形式可概括地分为单母线接线和双母线接线两大类；无汇流母线的接线形式主要有桥形接线、角形接线和单元接线。
5.4.1 35kV侧主接线设计
35kV侧进线一回，由于使用两台变压器并且还和另一座变电所联络，所以出线三回。
由《电力工程电气设计手册》第二章关于单母线接线的规定：“35~63kV配电装置的出线回数不超过3回”。故35kV侧应采用单母线接线。
5.4.2 10kV侧主接线设计
10kV侧出线6回，终期出线8回。
由《电力工程电气设计手册》第二章规定：6~10kV配电装置出线回路数为6回及以上时采用单母线分段接线，当短路电流过大、出线需要带电抗器时，也可采用双母线接线。
5.4.3主接线方案的比较选择
由上可知，此变电所主接线的接线有两种方案。
方案一图：
图5.1 电气主接线方案一图
方案一35kV侧采用的单母线接线，接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。10kV采用单母线分段连线，对重要用户可从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常母线供电不间断，所以此方案同时兼顾了可靠性，灵活性，经济性的要求。
方案二图：
图5.2 电器主接线方案二图
方案二10kV侧通过双母线虽然可以使供电更可靠，调度更加灵活，，但每增加一组母线就使每回路需要增加一组母线隔离开关，当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。并且，带设计边变电所的负荷均每什么一类、二类负荷，没必要增加投资选择双母线接线。综合考虑：
方案一：35kV侧采用单母线接线，10kV侧采用单母线分段。
方案二：35kV侧采用单母线接线，10kV侧采用双母线接线。
通过比较可以得知还是选方案一比较合适，即35kV侧采用单母线接线，10kV 侧采用单母线分段。
6 短路电流计算
6.1 概述
6.1.1 产生短路的原因和短路的定义
产生短路的主要原因是电器设备载流部分的绝缘损坏。绝缘损坏的原因多因设备过电压、直接遭受雷击、绝缘材料陈旧、绝缘缺陷未及时发现和消除。此外，如输电线路断线、线路倒杆也能造成短路事故。所谓短路时指相与相之间通过电弧或其它较小阻抗的一种非正常连接，在中性点直接接地系统中或三相四线制系统中，还指单相和多相接地。
6.1.2 短路的种类
三相系统中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相接地短路、和两相接地短路。三相短路时对称短路，此时三相电流和电压同正常情况一样，即仍然是对称的。只是线路中电流增大、电压降低而已。除了三相短路之外，其它类型的短路皆系不对称短路，此时三相所处的情况不同，各相电流、电压数值不等，其间相角也不同。
运行经验表明：在中性点直接接地的系统中，最常见的短路是单相短路，约占短路故障的65~70%，两相短路约占10~15%，两相接地短路约占10~20%，三相短路约占5%
6.1.3 短路电流计算的目的
1电气主接线比选；2选择导体和电器；3确定中性点接地方式；4计算软导体的短路摇摆；5确定分裂导线间隔棒的间距；6验算接地装置的接触电压和跨步电压；7选择继电保护装置和进行整定计算。
6.2 短路电流计算的方法和条件
6.2.1 短路电流计算方法
电力系统供电的工业企业内部发生短路时，由于工业企业内所装置的元件，其容量比较小，而其阻抗较系统阻抗大得多，当这些元件遇到短路情况时，系统母线上的电压变动很小，可以认为电压维持不变，即系统容量为无穷大。所谓无限容量系统是指容量为无限大的电力系统，在该系统中，当发生短路时，母线电业维持不变，短路电流的周期分量不衰减。当然，容量所以们
在这里进行短路电流计算方法，以无穷大容量电力系统供电作为前提计算的，其步骤如下：
1对各等值网络进行化简，求出计算电抗；
2求出短路电流的标么值；
3归算到各电压等级求出有名值。
6.2.2 短路电流计算条件
1短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：
（1）正常工作时，三相系统对称运行；
（2）所有电源的电动势相位角相同；
（3）系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响，转子结构完全对称，定子三相绕组空间位置相差120度电气角度；
（4）电力系统中的各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；
（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；
（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
（7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；
（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的都略去
不计；
（10）元件的计算参数均取为额定值，不考虑参数的误差和调整范围；
（11）输电线路的电容略去不计；
（12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。
2接线方式
计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不能用仅在切换过程中可能并联运行的接线方式。
3计算容量
应按本工程设计的规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。
4短路点的种类
一般按三相短路计算，若发电机的两相短路时，中性点有接地系统的以及自耦变压器的回路中发生单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况的时候进行计算。
5短路点位置的选择
短路电流的计算，为选择电气设备提供依据，使所选的电气设备能在各种情况下正常运行，因此短路点的选择应考虑到电器可能通过的最大短路电流。为了保证选择的合理性和经济性，不考虑极其稀有的运行方式。取最严重的短路情况分别在10kV侧的母线和35kV侧的母线上发生短路情况（点a和点b发生短路）。则选择这两处做短路计算。
图6.1 短路点选择图
6.3 短路电流的计算
6.3.1 10kV 侧短路电流的计算
图中a 点短路，由于A,B 系统短路容量都很大，可以近似都看作为无穷大系统电源系统。
取S j =100MW ，U j1=37kV ，U j2=10.5kV 。由公式
I=
U
S 3 （6-1）
求的I j1=1.56kA ，I j2=5.50kA 。 线路等效图如下图所示：
图6.2 10kV 侧短路等效图
线路1 X 1=
2
1B
B
L U S L X （6-2） =0.4*5*100/372=0.1461
线路2 X 2=
2
2B
B
L U S L X