毕业设计（论文）60KV二次降压变电所电气工程（部分）初步设计.doc

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1、摘 要本次毕业设计是60KV二次降压变电所电气工程（部分）初步设计。 本次设计除了摘要、毕业设计书之外，还详细的说明了各种设备选择的最基本的要求和原则依据。 根据毕业设计任务书的要求，设计过程中完成了主变选择、电气主接线的拟定、短路计算、电气设备选择、配电装置的规划、继电保护和自动装置的规划和防雷保护的规划等主要工作。变压器的选择包括：主变压器的台数、容量、型号等主要技术数据的确定；电气主接线主要介绍了电气主接线的重要性、设计依据、基本要求、各种接线形式的优缺点以及主接线的比较选择，并制定了适合本所要求的主接线。变电所用接线包括：变电所接线的总要求以及变电所母线接线设计。短路电流计算是最重要的

2、环节，因为它是变电所许多重要电气设备选择校验的重要依据。本论文详细的介绍了短路电流计算的目的、一般规定、元件参数的计算、网络变换、以及各短路点的计算等知识。高压电气设备的选择包括母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器的选择原则和要求，并对这些设备进行校验和产品相关介绍 。在被此设计中，我们对主变压器和10KV母线进行了继电保护设计。根据本论文所介绍的高压配电装置的设计原则、要求和60KV的配电装置，决定此次设计对本厂采用普通中型布置。变电所的防雷保护则主要针对避雷针和避雷器的设计。关键词 电气主接线，主变压器，电气设备选择，继电保护AbstactThis graduate desi

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12、t an electric shock a design for defending thunder protecting then primarily aiming at lightning rod with lightning arrester. Key Words substation，Short circuit calculation ,the choice of the equipment，relay protectio第一部分 说明书1 变电所设计原则（1） 待设计的变电所应根据变电所设计技术规程中有关条例来进行设计，以保证待设计变电所可以安全供电。（2） 变电所的设计必须贯彻执行

13、党的有关方针、政策。设计中不断总结实践经验，在保证安全运行、经济合理的条件下，力求接线简化、布置紧凑和逐步提高自动化水平，并积极慎重地采用新技术。（3） 本规程使用于电压为35330千伏，每台变压器容量为5000千伏安及以上新建变电所的设计，扩建工程的设计可参照执行。电压为35千伏，每台变压器容量为16004000千伏安新建变电所的设计，可参照本规程的有关规定，但应予以适当简化。（4） 变电所应根据510年电力系统发展规划进行设计。枢纽变电所连接的电源数和回路数，还应根据电力系统运行的安全和经济等条件确定。（5） 变电所的所址应符合下列要求：1） 接近负荷中心；2） 不占或少占农田；3） 便于

14、各级电压线路的引入和引出。架空线路走廊应与所址同时确定；4） 交通运输方便；5） 具有适宜的地质条件（例如避开断层、滑坡、塌陷区、溶洞地带等）；如所址是有矿藏的地区，应征得有关部门的同意，避开有危岩和易发生滚石的场所；6） 尽量不设在空气污秽地区，否则应采取防污措施或设在污源的上逢侧；7） 110330千伏变电所的所址标高宜在百年一遇的高水位之上，35KV变电所的所址标高宜在50年一遇的高水位之上，否则应有防护措施；8） 所址不应为积水淹沁，山区变电所的防洪措施应满足泄洪要求；9） 具有生产和生活用水的可靠水源；10） 适当考虑职工生活上的方便；11） 确定所址时，应考虑对邻近设施的影响。（6

15、） 所区内建筑物、构筑物的布置应紧凑合理，充分利用地形，并应考虑便于扩建。为了减少所区内占地面积或当所区面积受限制时，配电装置中应尽量采用减少占地的电器，或在布置上采用高型或半高型方式等。（7） 所区的竖向布置，应符合下列要求：1） 尽量利用原有自然地形，减少土石方量，且不致减少扩建时填、挖土石的困难；2） 建筑物的标高，基础埋深、路基和管线埋深，应互相配合建筑物的屋内地面一般高出屋外地面150300毫米，并根据地质条件考虑沉降量；3） 所区应有排水措施，各地段的设计坡度不应小于0.5%；4） 所区地面坡度不应超过8%；如土质易受冲刷，不宜超过5%，必要时可采用其他措施，如阶梯形布置等，但应便

16、于所内运输。（8） 在装有同步调相机的变电所中，冷却塔或喷水池与主变压器、屋外配电装置 和建筑物间的距离不应小于规定的数值。冷却塔或喷水池应尽量布置在主变压器、屋外配电装置和建筑物的冬季主导风的下风侧。（9） 地下管线一般与道路平行布置。如地下管线和道路交叉，其交叉长度应为最短。（10） 各种底下管线之间和地下管线与建筑物、构筑物道路之间的最小净距，应根据敷设和检修的要求、建筑物基础的构造，管线的埋设深度、检修井的位置及当地其他条件确定。（11） 地下管线一般采用直埋敷设。110330千伏变电所一般设在给、排水管；所区内建有水井的35千伏变电所，一般不设给水管道，但变电所附近已有公用给水管道者

17、除外。（12） 变电所应有道路与外部公路连接，其路面宽度一般不小于3.5米。变电所内应设置环行道路或回车道，环行道路面宽度一般为3 米。由变电所大门至主变压器的道路可适当加宽。所区内、外道路一般采用中级路面或次高级路面。（13） 变电所没应设巡视小道，并可利用电缆、沟盖板作为部分巡视道。2 10kV线路导线的选择2.1 10kV线路导线的选择除配电装置的汇流母线及较短导体（20m以下）按最大长期工作电流选择截面外，其余导体的截面一般按经济密度选择。本变电所采用经济密度选择12回出线架空线的方法。2.1.1 最大长期工作电流选择的计算母线所在回路的最大长期工作电流，应不大于导体长期发热的允许电流

18、，即 （2.1）式中 相对于母线允许温度和标准环境下导体长期允许电流；K综合修正系数。2.1.2 截面积的选择按经济电流密度选择母线截面可使年计算费用最低，年计算费用包括电流通过导体所产生的年电能损耗费，导体投资和折旧费，利息等。综合这些因素，使年计算费用最小时所对应的导体截面称为导体的经济截面，对应的电流密度称为经济电流密度。由于年电能损耗费与年最大负荷利用小时，经济电流密度J与有关。导体的经济截面，对应的电流密度称为经济电流密度。由于年电能损耗费与年最大负荷利用小时数有关，经济电流密度J与有关。给出了的关系，在给定的的情况下在图中可查到J值。导体的经济截面可由下式决定： （2.2）式中 正

19、常工作时的最大长期工作电流； J经济电流密度，A/。在选择导线截面时，应该尽量接近按式计算所得到的截面，当无合适规格的导体时，为节约投资，允许选择小于经济截面的导体。修正系数k值计算式为： （2.3）式 所在地区的最高温度，；裸导体的额定环境温度，；导体或电气设备正常发热允许最高温度，一般取，；导体80的载流量，A。此设计10KV侧负荷表提供了各负荷的最大负荷利用小时数，同时从经济角度考虑，此设计采用经济电流密度选择导体。负荷供电分单回路和双回路，与其所对应的计算式为：单回路： （2.4） 双回路： （2.5） 2.2 导线校验2.2.1 电阻的修正根据所选导线截面积可以查取相应的20时的电阻

20、值，但在计算过程中我们所用的是25时的电阻值，因此在进行校验前应先对电阻进行修正，其计算公式为： （2.6）式中 30时的电阻值；20时的电阻值；导线电阻温度系数，对铜、铝、钢芯铝线，=0.0036。2.2.2 导体长期允许载流量校验在选择电器时，还要考虑电器安装地点的环境条件。周围环境温度不等时，其长期允许电流可按照下式进行修正： （2.7）我国生产的裸导体的额定环境温度，如环境温度高于时，其允许电流一般可按照每增高一度，额定电流减少1.8。进行修正；当环境底于时，环境温度每降低，额定电流可增加0.5%，但增加幅度最多不的超过原额定电流的20%。2.2.3 电压损耗的校验输电线路首端和末端电

21、压的绝对值之差称为“电压损失”。电压损耗有两部分组成，即，式中第一部分与有功功率和电阻有关，第二部分与无功功率和电抗有关，而这些因素对电压损耗的影响程度是有电网的特性决定的。此设计要求所有用户10kV线路入口处电压不超过8，负荷单回路、双回路供电时，电压损耗的计算式分别如下: 单回路： （2.8） 双回路： （2.9）2.2.4 长期发热校验出线的载流量在不同温度下有不同的值，因此在进行长期发热校验时应先进行温度修正，使其满足在最高温度下的载流量大于等于最大长期工作电流。 （2.10）2.2.5 有功损耗及无功损耗在正常的工作条件下，导线必然有一定的有功损耗和无功损耗，这就要求我们在计算时要考

22、虑这部分损耗，同时在进行无功补偿时也要计算这部分损耗，其计算公式如下： （2.11） （2.12）根据以上条件，本所12条出线架空线选择情况如下表：表1-1 10KV导线参数列表序号负荷名称导线型号导线阻抗(A)r(/km)X(/km)1冷饮厂LGJ-70/100.42170.492.172972水泥厂LGJ-120/70.24220.4122.224173鞋帽厂LGJ-120/200.24960.4149.694154汽车厂LGJ-95/150.30580.4116.683655粮食加工厂LGJ-95/150.30580.4113.673656针织厂LGJ-95/150.30580.492.

23、13657高压设备厂LGJ-120/70.24220.4127.234173 主变压器台数的确定3.1 主变压器台数的确定从10kV侧的负荷表中可以看出，每个负荷出线为单回路和双回路，负荷可以按双回路进行分配。主变压器在满足用户负荷容量的条件下，还应考虑检修、故障情况下的容量备用。为了保证供电的可靠性，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。因此，本次设计的变电所采用两台主变压器。3.2 主变压器的选择原则 为了保证供电的可靠性，变电所一般应装设两台主变。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

24、设一台主变。根据电力系统设计技术规程SKJ16185有关规定：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。根据供配电设计手册P50页规定，选择主变压器台数时应考虑下列原则：（1） 应满足供电的可靠性要求。对供有在量一、二级负荷的变电所，宜采用两台变压器，当一台故障或检修时，另一台能对一、二级负荷继续供电。（2） 对季节负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所，也可采用两台变压器。（3） 对于集中负荷较大的情况，虽为三级负荷，也应采用两台及以上的变压器。（4） 在确定变电所主变

25、压器参数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。（5） 综上所述，本变电所设计的主变压器台数应装设两台。3.3 主变压器的选择对一般性变电所，当一台变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%80%，所以主变的容量可按(式4.1)选择： （4.1）式中 所有厂的计算负荷。设计时，是总降低压变电所低压侧母线上的计算负荷。 （4.2） （4.3） （4.4）式中 有功同时系数;无功同时系数。经计算，根据变压器选择原则，确定选择两台SF9-12500/60的主变，其技术参数如下表：表4.1 变压器参数型号额定容量(kV.A)电压组合联接组别空载损耗(W)负载损耗(W)空载电流(%)阻抗电压

26、(%)尺寸(mm)轨距(mm)高压(kV)分接范围低压(kV)长宽高SF9-12500/601250060+81.25%10.5YN，d1116800598501.095400373047201475SF9-12500/60其型号含义：风冷式，设计序号为9，高压绕组电压60Kv，额定容量为12500kV.A三相电力变压器3.4 校验高压侧功率因数确定主变容量后，还需要校验高压侧的功率因数是否满足要求。为了求得所有最大负荷的功率因数校验，所有厂的总计算负荷应为降压变电所低压侧母线上的计算负荷与主变压器的功率损耗之和。变压器的有功损耗： （4.5）变压器的无功损耗： （4.6） （4.7） （4.

27、8） （4.9）式中 三相绕组变压器总有功功率损耗； 三相绕组变压器总无功功率损耗。补偿后总平均功率因数 （4.10）式中 所有负荷补偿后的视在平均计算负荷，kV.A。若补偿后总平均功率因数不满足要求，还需要进行无功补偿，补偿后需再次确定变压器容量，重新计算功率因数直到满足需求，则最终选择的变压器容量作为设计结果。若考虑在变压器的二次侧加电容器进行补偿，则在选定变压器前应减掉补偿的无功功率，加电容器后应再次经过计算保证变电所的功率因数达到0.9以上。 （3.3）4 静电电容器的选择工业企业电力用户中，绝大部分用电设备都具有电感性，需要从电力系统吸取无功功率，用电设备功率降低之后，在有功功率需要

28、量保持不变情况下，无功功率需要量便增加，这样将带来许多不良后果。（1） 增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗；（2） 使电力系统内的电器设备容量不能充分利用；（3） 功率因数过底还将使线路的电压损耗增大，负荷端的电压就要下降，甚至低于允许偏移值。4.1 补偿前功率因数的计算方法供电局用有功电能和无功电能计算的均权功率因数来确定功率因数，用平均有功功率和平均无功功率计算的平均功率因数和一致，因此用总平均功率来确定工业企业功率因数。补偿前总平均功率因数计算公式如下： （3.1）式中 ，全企业的有功平均计算负荷、无功平均计算负荷，kW、 kV.A；有功，无功的月平均负荷系数；企业补偿前的视

29、在平均计算负荷kV.A；,总降压变电所10kv出线上的计算负荷分别相加后，乘以各自最大负荷的同时系数Kp或Kq。 4.2 静电电容器容量和个数的确定4.2.1 计算功率因数根据设计要求，变电所的平均功率因数应达到0.9以上，则需计算出补偿前的变电所平均功率因数，若低于0.9，则还需在低压母线上装设无功功率补偿装置，以提高变电所的平均功率因数。本设计采用静电电容集中补偿的补偿方式，用静电电容器作为无功补偿以及提高功率因数的用户，其电力电容器的补偿容量可用下式确定。 （3.2） 式中 tan,tan补偿前后均权功率因数角的正切值。 4.2.2 选择电容器因为，本所低压母线采用单母分段接线，所以电力

30、电容器的个数应为6的倍数，且采用三角型连接，因为电容器集中补偿在降压变电所二次侧且主变压器一般为两台，为了使两台变压器补偿均匀分布，此外电容器台数不易过多。本所选用24台容量为200kV.A的电容器，电容器型号为BWF11/-200-1W型，其技术参数如下表：表3.1 BWF11/-200-1W电容器的技术参数型号规格额定电压（kV）标称容量（kV.Ar）标称电容（F）相数外形尺寸长*宽*高（mm）重量(kg)BWF10.52001W10.52005.771700*174*1010120BWF11/2001W电容器型号含义：烷基苯浸复合介质，额定电压10.5kV，额定电容200kV.A，单相，

31、户外并联电容器。4.2.3 补偿后低压母线上的平均功率因数实际补偿容量为计算补偿后的功率因数是，应减去补偿容量，则，补偿后的功率因数为。 （3.3）5 变电所电气主接线选择5.1 主接线的设计原则5.1.1 考虑变电所在电力系统中的地位和作用变电所在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素。变电所是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于它们在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。5.1.2 考虑近期和远期的发展规模变电所主接线设计应根据510年电力系统发展规划进行。应根据负荷的大小和分布、负荷增长速度以及地区网络情况和潮流分布

32、，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回路数。5.1.3 考虑主变台数对主接线的影响变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。通常对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性要求低。本变电所为保证可靠性和灵活性，主接线采用高压侧内桥接线，低压侧单母分段接线。5.2 主接线设计的基本要求5.2.1 可靠性所谓可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电。衡量可靠性的客观标准是运行实践。评价主接线可靠性的标准是：（1） 断路器检修时

33、是否影响供电；（2） 线路、断路器或母线故障和检修时，停运线路的回路数和停运时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。（3） 变电所全部停运的可能性。（4） 有些国家以每年用户不停电时间的百分比来表示供电可靠性，先进的指标都在99.9%以上。5.2.2 灵活性主接线的灵活性有以下几方面要求：（1） 调度要求。可以灵活的投入和切除变压器、线路，调配电源和负荷；能够满足系统在事故运行方式下，检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。（2） 检修要求。可以方便地停运断路器、母线及继电保护设备进行安全检修，且不致影响对用户的供电。（3） 扩建的要求。可以容易的从补期过渡到终期接线，使在扩建时，无论一次和

34、二次设备改造量最小。5.2.3 经济性经济性主要是指投资省，占地面积小和能量损失小。5.3 电气主接线的选择5.3.1 主接线的预定方案根据主接线设计必须满足供电可靠性、保证电能质量、满足灵活性和方便性、保证经济性的原则，高压侧预选良两种方案，低压侧预选两种方案，初步拟定四种主接线方案（1） 低压侧有两种预选方案第一方案：单母线接线，接线方式如图(5.1a)所示。在图中，所有的电源和引出线都经过断路器QF和隔离开关QS接在母线上。断路器QF用来接通和切断电路。隔离开关QS则在停电检修断路器时，形成一个明显的断口以保证与带电部分隔离。这种接线的优点是：接线简单清晰，操作方便，设备少，投资小，隔离

35、开关仅用于检修，不作为操作电器，不容易发生误操作；缺点：母线和母线隔离开关检修或故障时将造成全部回路停电，出线断路器检修时，该回路将停电，由于这种接线的可靠性和灵活性较差，所以它主要用于小容量的发电厂和变电所中。第二方案：单母分段接线，接线方式如图(5.1b)所示。这种接线有两组母线用分段断路器连接，电源和出线分别接在两母线侧且要分配平均。单母线分段接线两种运行方式。第一种：正常运行时分段断路器DQF是段开的，在DQF上安装有备用电源自动投入装置，当一任电源失电,电源断路器段开后， DQF自动接通,保证全部线路的继续供电；第二种：正常运行时, DQF是接通的，任一母线故障, DQF段开，保证非

36、故障段母线可以正常工作。图5.1 低压侧主接线方案图（a）单母接线；（b）单母分段接线 结论经两种接线方式的比较，单母线分段比单母线运行可靠性和灵活性有较大的提高，为了运行的可靠性和灵活性低压侧采用的是单母线分段的接线方式。（2） 高压侧有两种预选方案当只有两台变压器和两条线路时，可以采用桥型接线。桥型接线有工作可靠、灵活，使用的电器少，装置简单清晰和建设费用低等优点，并且它特别容易发展为单母线分段或双母线接线。因此广泛使用在220及以下的变电所中，具有二路电源的工厂企业变电所也普遍采用，还可以作为建设初期的过渡接线。第一方案：60kV侧采用内桥接线，接线方式如图(5.1a)所示。这种接线连接

37、桥断路器接在线路断路器的内侧。内桥接线的特点：线路的投入和切除比较方便。当线路发生故障时，仅线路断路器断开，不影响其他回路运行。但当变压器发生故障时，与该台变压器相连的两台断路器都断开，从而影响了一回未发生故障线路的运行。由于变压器是少故障元件，一般不经常切换，因此，系统中应用内桥接线较多，以利于线路的运行操作。所以内桥接线适用于较长的线路和变压器不需要经常切换的场合。第二方案：60kV侧采用外桥接线, 接线方式如图(5.2b)所示。这种接线连接桥断路器接在线路断路器的外侧。外侨接线的特点：线路较短和变压器需要经常切换的场合。当线路发生故障时，需动作与之连接的两台断路器，从而影响一台未发生故障

38、的变压器运行。此外,当两条线路间穿越功率时，也应采用外侨接线，因为这时的穿越功率仅通过桥断路器。如果采用内桥接线，则穿越功率不仅要通过桥断路器，而且还通过二组线路断路器，其中任意一台断路器检修或故障时，都将影响穿越功率的传送。结论本变电所选用两台变压器，高压侧采用内桥接线，方便线路的投切。图5.2 高压侧主接线方案图（a）内桥接线；（b）外桥接线QF桥短路断器5.3.2 主接线方案的确定本设计采用变电所供电给重要用户时，一般装设两台变压器。当高压侧有两回电源线路时，可采用桥型接线，低压侧为单母线分段接线。由此从预选方案中低压侧选单母线分段，高压侧选内桥接线。接线5.3所示。图5.3 电气主接线

39、方案图5.4 电气主接线图为了保证变电所的正常运行，需要加装许多装置。（1） 在连接桥上加装电压互感器，在桥断路器上加装电流互感器。（2） 在母线侧加装电压互感器，在分段断路器上加装电流互感器。（3） 在母线上还要加装电容器组以保证功率因数值。（4） 变压器还要加装避雷器，保护变压器。电气主接线图见附图A-1所示。6 短路电流的计算6.1短路电流计算的目的（1） 电气主接线的比选；（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。结论本设计计算短路电

40、流的目的是选择导体和电器设备。6.2 短路计算条件和原则（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） 系统中同步异步电动机均为理想电机，不考虑电机磁饱和磁滞涡流及导体肌肤效应等影响,转子结构完全对称，定子三相绕组空间位置差120电角。（4） 电气系统中各元件的磁路不饱和，即铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。（5） 电气系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷在高压母线，50%负荷在系统侧。（6） 同步发电机具有自动调整励磁装置。（7） 短路发生在短路电流为最大瞬间。（8） 不考虑短路点电弧阻抗和变压器的励磁电流。（9） 除计算短路电流衰减时间和

41、低压网络的短路电流外,元件的阻抗略去不计。（10） 元件的计算参数都取其额定值。（11） 输电线路的电容略去。（12） 用概率统计法制定短路电流运算曲线。6.3 短路计算的一般规定（1） 验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开关电流所用的短路电流，确定短路电流时，应按可能发生短路电流的正常接线方式，而不应该按照仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。（2） 选择导体和电器用的短路电流,在电气连接的网络中,应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响。（3） 在选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算，计算短路点应选择在正常方式时短路电流为最大的地点。（4） 导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一

42、般按三相短路验算。6.4 短路计算步骤6.4.1 短路电流计算的基准值短路电流的计算通常采用标幺值进行近似计算。若取基准容量、各级基准电压为其平均额定电压，则各电压等级的基准电流和基准电抗可以计算出，变电所60kV侧基准电压，10kV侧基准电压。计算短路电流时所用的网络模型为简化模型，即，忽略负荷电流不计个元件电阻，也不计送电线路的电纳及变压器的导纳。6.4.2 三相短路电流电抗标么值变换双绕组变压器： （6.1）电力线路L的电抗计算公式： （6.2）式中 UK（%）变压器阻抗电压百分值；X 输电线路单位长度阻抗值，一般取x=0.4；L 输电线路长度；UN、IN、SN额定电压、额定电流、额定功率；SB 假设基准容量，一般取SB=100MVA；线路的平均额定电压。短路计算简化图（详见计算书-短路计算部分）6.4.3 三相短路冲击电流和最大有效值电流计算 短路电流周期分量有效值 （6.3） （6.4）三相短路时，冲击电流： （6.5） 式中 冲击系数，(1) 冲击电流的有效值