110kV变电站电气一次部分初步设计方案及计算书word文档

* * * 学

毕业设计(论文)

课 题 名 称 110kV 变电站电气一次部分初步设计

学 生 姓 名 * * *

学 号 02313270**

院(系)、专业 电气信息工程学院电力系统及自动化

指 导 教 师 * * * 职 称 教 授

二○○五年六月

I

内容提要

根据设计任务书的要求，本次设计为 110kV 变电站电气一次部分初步设计，并绘

制电气主接线图及其他图纸。该变电站设有两台主变压器，站内主接线分为 110kV、 35kV 和 10kV 三个电压等级。各个电压等级分别采用单母线分段接线、单母线分段带 旁母接线和单母线分段接线。

本次设计中进行了电气主接线的设计、短路电流计算、主要电气设备选择及校验 （包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线等）、各电压等级配电装 置设计、直流系统设计以及防雷保护的配置。

本设计以《35～110kV 变电所设计规范》、《供配电系统设计规范》、《35～110kV 高压配电装置设计规范》等规范规程为依据，设计的内容符合国家有关经济技术政策，

所选设备全部为国家推荐的新型产品，技术先进、运行可靠、经济合理。

SUMMARY

From the guide of engineering design assignment, we have to

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design primary power-system of 110kV substation and draw main

electrical one-line diagram and others. There are two main

transformer in the substation in which main electrical connection

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can be divided into three voltage grades: 110kV, 35kV with 10kV.It deposits sectionalized single bus bar scheme, sectionalized single

and transfer bus bar and sectionalized single bus bar scheme per

grade.

There is also a design for main electrical connection in this

engineering, the calculation for short-circuit electric current,

II

the selection of electrical device and calibration (including

circuit breaker,

isolator, current transformer, potential

transformer ,bus bar etc.) and the design for distribution installation per. voltage grade, direct current system and

lightning protection is also included.

III

目 录

前言 ……………………………………………………………………1

第一部分 110kV 变电站电气一次部分设计说明书

第 1 章 原始资料 …………………………………………………3

第 2 章 电气主接线设计 …………………………………………5

第 2.1 节 主接线的设计原则和要求……………………………5

第 2.2 节 主接线的设计步骤……………………………………8

第 2.3 节 本变电站电气主接线设计……………………………9

第 3 章 变压器选择………………………………………………13

第 3.1 节 主变压器选择 ………………………………………13

第 3.2 节 站用变压器选择 ……………………………………13

第 4 章 短路电流计算……………………………………………15

第 4.1 节 短路电流计算的目的 ………………………………15

第 4.2 节 短路电流计算的一般规定 …………………………15

第 4.3 节 短路电流计算的步骤 ………………………………16

第 5 章 直流系统设计……………………………………………20

第 4.4 节 短路电流计算结果 …………………………………18

第 5.1 节 直流系统概述 ………………………………………20

第 5.2 节 直流系统的电压等级 ………………………………21

第 5.3 节 直流系统的接线方式 ………………………………21

第 5.4 节 本变电站直流系统设计 ……………………………22

IV

第 6 章 高压电器设备选择………………………………………23

第 6.1 节 电器选择的一般条件 ………………………………23

第 6.2 节 高压断路器的选择 …………………………………25

第 6.3 节 隔离开关的选择 ……………………………………27

第 6.4 节 电流互感器的选择 …………………………………28

第 6.5 节 电压互感器的选择 …………………………………28

第 6.6 节 高压熔断器的选择 …………………………………28

第 7 章 配电装置设计……………………………………………29

第 8 章 防雷保护设计……………………………………………30

第二部分 110kV 变电站电气一次部分设计计算书

第 1 章 负荷计算…………………………………………………33

第 1.1 节 主变压器负荷计算 …………………………………33

第 1.2 节 站用变压器负荷计算 ………………………………34

第 2 章 短路电流计算……………………………………………36

第 2.1 节 三相短路电流计算 …………………………………36

第 2.2 节 站用变压器低压侧短路电流计算 …………………43

第 3 章 线路及变压器最大长期工作电流计算…………………44

第 3.1 节 线路最大长期工作电流计算 ………………………44

第 3.2 节 主变进线最大长期工作电流计算 …………………45

第 4 章 电气设备选择及校验计算………………………………46

第 4.1 节 高压断路器选择及校验 ……………………………46

第 4.2 节 隔离开关选择及校验 ………………………………48

V

第 4.3 节 电流互感器选择及校验 ……………………………49

第 4.4 节 电压互感器选择及校验 ……………………………49

第 4.5 节 熔断器选择及校验 …………………………………51

第 4.6 节 母线选择及校验 ……………………………………52

第 5 章 防雷保护计算……………………………………………55

第三部分 110kV 变电站电气一次部分设计图纸

电气主接图…………………………………………………………57

电气总平面布置图…………………………………………………58

110kV 进线间隔断面图……………………………………………59

110kV 主变、PT 间隔断面图………………………………………60

35kV 进线间隔断面图 ……………………………………………61

35 kV 主变间隔断面图……………………………………………62

站用电系统图………………………………………………………63

直流屏正面布置图…………………………………………………64

直流系统接线图……………………………………………………65

直击雷防护图………………………………………………………66

总结……………………………………………………………………67

参考文献………………………………………………………………68 致谢……………………………………………………………………69

VI

前 言

变电站是电力系统的重要组成部分，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，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。电气主接线是变电站

设计的首要任务，也是构成电力系统的重要环节。电气主接线的拟订直接关系着全站

电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分

投资大小的决定性因素。

本次设计为 110kV 变电站电气一次部分初步设计，分为设计说明书、设计计算书、 设计图纸等三部分。所设计的内容力求概念清楚，层次分明。本文是在***学电气信 息工程学院***教授的精心指导下完成的。*老师治学严谨、知识广博、善于捕捉新事 物、新的研究方向。在毕业设计期间*老师在设计的选题和设计思路上给了我很多的

指导和帮助。*老师循循善诱的教学方法、热情待人的处事方式、一丝不苟的治学态 度、对学生严格要求的敬业精神给我留下了很深的印象。在此，我对恩师表示最崇高 的敬意和最诚挚的感谢！

本文从主接线、短路电流计算、主要电气设备选择等几方面对变电站设计进行了

阐述，并绘制了电气主接线图、电气总平面布置图、站用电系统图、防雷保护配置图、

各级电压配电装置断面图、直流系统图等相关设计图纸。由于本人水平有限，错误和

不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。

1

第一部分

设计说明书

设 计：* * *

指导教师：* * *

2

110kV 变电站电气一次部分

第 1 章 原始资料

1.1 地区电网的特点

(1)本地区即使在最枯的月份，水电站发电保证出力时亦能满足地区负荷的需要， 加上小火电，基本不需要外系统支援。

(2)本系统的水电大多数是迳流式电站，除发保证出力外的月份，均有电力剩余，

特别是 4 至 7 月份。

1.2 建站规模

(1)变电站类型：110kV 变电工程

(2)主变台数：最终两台(要求第一期工程全部投入) (3)电压等级：110kV、35kV、10kV

(4)出线回数及传输容量 ①110kV 出线 6 回

本变—长泥坡 15000kW 6km LGJ—120

本变—双溪变 15000kW 42.3 km LGJ—120

本变—系统 30000kW 72km LGJ—150

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本变—芷江 8000kW 36km LGJ—120

备用两回

②35kV 出线 8 回

本变—长泥坡 8000kW 6km LGJ—95

本变—火电厂 10000kW 8km LGJ—95

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本变—中方变 5000kW 15km LGJ—95

本变—水电站 10000kW 12km LGJ—120 (两回) 本变—鸭嘴岩变 5000kW 10km LGJ—95

备用两回

③10kV 出线 10 回

本变—氮肥厂 2500kW 2km 本变—化工厂 1500kW 3km

本变—医院 1500kW 5km (两回)

3

本变—印刷厂 2000kW 4km

本变—造纸厂 2500kW 6km

本变—机械厂 2500kW 4km

备用三回

(5)无功补偿

采用电力电容两组, 容量为 2×4500kva 1.3 环境条件

(1)当地年最高温度为 40℃, 年最低温度为-5℃；

d

(2)当海拔高度为 800 米； (3)当地雷暴日数为 55 日/年；

(4)本变电站处于“薄土层石灰岩”地区，土壤电阻率高达 1000Ω．М。 1.4 电气主接线

建议 110kV、35kV、10 kV 均采用单母线分段带旁路接线，并考虑设置熔冰措施。 1.5 短路阻抗

(1)系统作无穷大电源考虑：X1∑max=0.05，X0∑max=0.04，X1∑min=0.1，X0∑min=0.05。

(2)火电厂装机容量为 3×7500kW， X ''= 0.125 , 最大运行方式下,该火电厂只

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投入二台机组,最小运行方式下,该火电厂三台机组全部投入,并满发。 (3)水电厂装机容量为 3×5000kW，X ''= 0.27 ，最大运行方式下，该水电厂三台 机组全部投入运行，并满发，最小运行方式下，该水电厂只投入一台机组。

d

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4

第 2 章 电气主接线设计

电力系统是由发电厂、变电站、线路和用户组成。变电站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。为满足生产需要，变电站中安装有各种电气

设备，并依照相应的技术要求连接起来。把变压器、断路器等按预期生产流程连成的

电路，称为电气主接线。电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接

受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主

系统。用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套

装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。

第 2.1 节 主接线的设计原则和要求

主接线代表了变电站电气部分主体结构，是电力系统接线的主要组成部分，是变

电站电气设计的首要部分。它表明了变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接

方式及可能的运行方式，从而完成变电、输配电的任务。它的设计，直接关系着全所

电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的

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安全、稳定、灵活和经济运行。由于电能生产的特点是发电、变电、输电和用电是在 同一时刻完成的，所以主接线设计的好坏，也影响到工农业生产和人民生活。因此， 主接线的设计是一个综合性的问题。必须在满足国家有关技术经济政策的前提下，正 确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，力争使其技术先进、经济合理、安

全可靠。

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2.1.1 电气主接线的设计原则

电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、

技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项 技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备

元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

(1)接线方式：对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可 能采用断路器较少或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥形接线等。若能满足 继电保护要求时，也可采用线路分支接线。在 110kV～220kV 配电装置中，当出线为

5

2 回时，一般采用桥形接线；当出线不超过 4 回时，一般采用分段单母线接线。在枢 纽变电站中，当 110～220kV 出线在 4 回及以上时，一般采用双母接线。

在大容量变电站中，为了限制 6～10kV 出线上的短路电流，一般可采用下列措施： ①变压器分列运行；

②在变压器回路中装置分裂电抗器或电抗器； ③采用低压侧为分裂绕组的变压器。 ④出线上装设电抗器。 (2)主变压器选择

①主变压器台数：为保证供电可靠性，变电站一般装设两台主变压器。当只有一 个电源或变电站可由低压侧电网取得备用电源给重要负荷供电时，可装设一台。对于 大型枢纽变电站，根据工程具体情况，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变 压器。

②主变压器容量：主变压器容量应根据 5～10 年的发展规划进行选择，并应考虑 变压器正常运行和事故时的过负荷能力。对装设两台变压器的变电站，每台变压器额 定容量一般按下式选择

S= 0.6P

n

M

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P为变电站最大负荷。这样，当一台变压器停用时，可保证对 60%负荷的供电，考 虑变压器的事故过负荷能力 40%，则可保证对 84%负荷的供电。由于一般电网变电站

M

大约有 25%的非重要负荷，因此，采用

S

n

= 0.6P，对变电站保证重要负荷来说多数

M

是可行的。对于一、二级负荷比重大的变电站，应能在一台停用时，仍能保证对一、 二级负荷的供电。

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③主变压器的型式：一般情况下采用三相式变压器。具有三种电压的变电站，如

通过主变压器各侧绕组的功率均达到 15%Sn 以上时，可采用三绕组变压器。其中，当

主网电压为 110～220kV，而中压网络为 35kV 时，由于中性点具有不同的接地形式， 应采用普通的三绕组变压器；当主网电压为 220kV 及以上，中压为 110kV 及以上时， 多采用自耦变压器，以得到较大的经济效益。

(3)断路器的设置

根据电气接线方式，每回线路均应设有相应数量的断路器，用以完成切、合电路

任务。

6

(4)为正确选择接线和设备，必须进行逐年各级电压最大最小有功和无功电力负 荷的平衡。当缺乏足够的资料时，可采用下列数据：

①最小负荷为最大负荷的 60～70%，如主要是农业负荷时则宜取 20～30%；

②负荷同时率取 0.85～0.9，当馈线在三回以下且其中有特大负荷时，可取

0.95～1；

③功率因数一般取 0.8； ④线损平均取 5%。 2.1.2 设计主接线的基本要求

在设计电气主接线时，应使其满足供电可靠，运行灵活和经济等项基本要求。

(1)可靠性：供电可靠是电力生产和分配的首要要求，电气主接线也必须满足这

个要求。在研究主接线时，应全面地看待以下几个问题：

①可靠性的客观衡量标准是运行实践，估价一个主接线的可靠性时，应充分考虑

长期积累的运行经验。我国现行设计技术规程中的各项规定，就是对运行实践经验的

总结。设计时应予遵循。

②主接线的可靠性，是由其各组成元件（包括一次设备和二次设备）的可靠性的

综合。因此主接线设计，要同时考虑一次设备和二次设备的故障率及其对供电的影响。

③可靠性并不是绝对的，同样的主接线对某所是可靠的，而对另一些所则可能还

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不够可靠。因此，评价可靠性时，不能脱离变电站在系统中的地位和作用。

通常定性分析和衡量主接线可靠性时，均从以下几方面考虑： ①断路器检修时，能否不影响供电。

②线路、断路器或母线故障时，以及母线检修时，停运出线回路数的多少和停电

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时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。

③变电站全部停运的可能性。

(2)灵活性：主接线的灵活性要求有以下几方面。

①调度灵活，操作简便：应能灵活的投入（或切除）某些变压器或线路，调配电

源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。

②检修安全：应能方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而 不影响电力网的正常运行及对用户的供电。

③扩建方便：应能容易的从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，在不影响连 续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压器或线路而不互相干扰，且一次和二

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次设备等所需的改造最少。

(3)经济性：在满足技术要求的前提下，做到经济合理。

①投资省：主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备投资；要使

控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资；要适当限制短

路电流，以选择价格合理的电器设备；在终端或分支变电站中，应推广采用直降式

（110/6～10kV）变压器，以质量可靠的简易电器代替高压断路器。

②占地面积小：电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和

节省构架、导线、绝缘子及安装费用。在运输条件许可的地方，都应采用三相变压器。

③电能损耗少：在变电站中，正常运行时，电能损耗主要来自变压器。应经济合 理的选择主变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。

第 2.2 节 主接线的设计步骤

电气主接线的具体设计步骤如下：

(1)分析原始资料

①本工程情况 变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量等。

②电力系统情况 电力系统近期及远景发展规划（5～10 年），变电站在电力系统

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中的位置和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式 等。

③负荷情况 负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量 等。

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④环境条件 当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度等 因素，对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。

⑤设备制造情况 为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性能、 制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可

行性。

(2)拟定主接线方案

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定出若干个主接线方案。

因为对出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等考虑不同，会出现 多种接线方案。应依据对主接线的基本要求，结合最新技术，确定最优的技术合理、

8

经济可行的主接线方案。

(3)短路电流计算

对拟定的主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。 (4)主要电器选择

包括高压断路器、隔离开关、母线等电器的选择。 (5)绘制电气主接线图

将最终确定的主接线，按工程要求，绘制工程图。

第 2.3 节 本变电站电气主接线设计

2.3.1 110kV 电压侧接线

《35～110kV 变电所设计规范》规定，35～110kV 线路为两回及以下时，宜采用

桥形、线路变压器组或线路分支接线。超过两回时，宜采用扩大桥形、单母线或分段

单母线的接线。35～63kV 线路为 8 回及以上时，亦可采用双母线接线。110kV 线路为

6 回其以上时，宜采用双母线接线。

在采用单母线、分段单母线或双母线的 35～110kV 主接线中，当不允许停电检修

断路器时，可设置旁路设施。

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本变电站 110kV 线路有 6 回，可选择双母线接线或单母线分段接线两种方案，如

图 2.1 所示。方案一供电可靠、运行方式灵活，但是倒闸操作复杂，容易误操作，占

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图 2.1 110kV 电压侧接线方案

地面积大，设备多，投资大。方案二简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投

资小，占地面积小，但是运行可靠性和灵活性比方案一稍差。本变电站为地区性变电

站，电网特点是水电站发电保证出力时能满足地区负荷的需要，加上小火电，基本不

9

需要外系统支援，电源主要集中在 35kV 侧，110kV 侧是为提高经济效益及系统稳定

性而倒有一回线路与华中大电网联系，采用方案二能够满足本变电站 110kV 侧对供电

可靠性的要求，故选用投资小、节省占地面积的方案一。

设置旁路设施的目的是为了减少在断路器检修时对用户供电的影响。装设 SF断

6

路器时，因断路器检修周期可长达 5～10 年甚至 20 年，可以不设旁路设施。本变电

站 110kV 侧采用 SF断路器，不设旁路母线。

6

2.3.2 35kV 电压侧接线

本变电站 35kV 线路有 8 回，可选择双母线接线或单母线分段带旁路母线接线两

种方案，根据本地区电网特点，本变电站电源主要集中在 35kV 侧，不允许停电检修

断路器，需设置旁路设施，如图 2.2 所示。方案一供电可靠、调度灵活，但是倒闸操

作复杂，容易误操作，占地面积大，设备多，配电装置复杂，投资大。方案二简单清

晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，旁路断路器可以代替出

线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要回路特别是电源回路不停电。方案

二具有良好的经济性，供电可靠性也能满足要求，故 35kV 侧接线采用方案二。

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2.3.3 10kV 电压侧接线

图 2.2 35KV 电压侧接线方案

《35～110kV 变电所设计规范》规定，当变电所装有两台主变压器时，6～10kV 侧宜采用分段单母线。线路为 12 回及以上时，亦可采用双母线。当不允许停电检修

断路器时，可设置旁路设施。

本变电站 10kV 侧线路为 10 回，可采用双母线接线或手车式高压开关柜单母线分

段接线两种方案，如图 2.3 所示。方案一一般用于出线较多，输送和穿越功率较大，

供电可靠性和灵活性要求较高的场合，设备多，投资和占地面积大，配电装置复杂，

10

易误操作。方案二简单清晰，调度灵活，不会造成全站停电，能保证对重要用户的供

电，设备少，投资和占地小。手车式断路器的出现和运行成功，断路器检修问题可不

用复杂的旁路设施来解决，而用备用的手车断路器来替代需要检修的工作的手车断路

器。采用手车式高压开关柜，可不设置旁路设施。

图 2.3 10kV 电压侧接线方案

综上所述,本变电站主接线如图 2.4 所示。

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图 2.4 电气主接线简图

变电站低压侧未采用限流措施，待计算短路电流之后，再采用相应的限流措施。

最简单的限制短路电流的方法是使变压器低压侧分列运行。变压器低压侧分列运行，

11

限流效果显著，是目前广泛采用的限流措施。在变压器回路中装设电抗器或分裂电抗

器用的很少，母线电抗器体积大、价格高且限流效果较小，出线上装电抗器，投资最

贵，且需造两层配电装置室，在变电站中应尽量少用。 2.3.4 站用变压器低压侧接线

站用电系统采用 380/220V 中性点直接接地的三相四线制，动力与照明合用一个

电源，站用变压器低压侧接线采用单母线分段接线方式，平时分裂运行，以限制故障

范围，提高供电可靠性。380V 站用电母线可采用低压断路器（即自动空气开关）或

闸刀进行分段，并以低压成套配电装置供电。站用变压器低压侧接线如图 2.5 所示。

图 2.5 站用变压器低压侧接线

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12

第 3 章 变压器选择

第 3.1 节 主变压器选择

在变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。

《35～110kV 变电所设计规范》规定，主变压器的台数和容量，应根据地区供电 条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑确定。

在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可

装设两台以上主变压器。

装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小

于 60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。

具有三种电压的变电所，如通过主变压器各侧线圈的功率均达到该变压器容量的

15%以上，主变压器宜采用三线圈变压器。

主变压器台数和容量直接影响主接线的形式和配电装置的结构。

由负荷计算（设计计算书第 1 章）可知，本变电站远景负荷为 P=32.95MVA，装

M

设两台主变压器，每台变压器额定容量按下式选择

N

32.= 19.77MVA S = 0.6 = 0.6 ×

P 95

M

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故可选择两台型号为 SSZ9—20000/110 的变压器。 20000 × 100% =

46700

61.0%

当一台主变停运时，即使不考虑变压器的事故过负荷能力，也能保证对 61.0%的 负荷供电。

筑龙网 额 定 容 量 (kVA) 额定电压(kV) 高压 中压 低压 空载 空载 电流 损耗 ( %) (kW) 主变压器参数如表 3.1 所示。 表 3.1 主变压器技术参数 型号 负载损耗(kW) 高- 高- 中- 中 低 低 阻抗电压(%) 高 - 高 - 中 低 连接组标号 中- 低

SSZ9-20000/110

20000 110 38.5 10.5 0.5

25.2 105 112 85 13

10.5 17.5 6.5 YN,yn0,d11

第 3.2 节 站用变压器选择

《35～110kV 变电所设计规范》规定，在有两台及以上主变压器的变电站中，宜

装设两台容量相同可互为备用的站用变压器，分别接到母线的不同分段上。

变电站的站用负荷，一般都比较小，其可靠性要求也不如发电厂那样高。变电站

的主要负荷是变压器冷却装置、直流系统中的充电装置和硅整流设备、油处理设备、 检修工具以及采暖、通风、照明、供水等。这些负荷容量都不太大，因此变电站的站 用电压只需 0.4kV 一级，采用动力与照明混合供电方式。380V 站用电母线可采用低

压断路器（即自动空气开关）或闸刀进行分段，并以低压成套配电装置供电。

本变电站计算站用容量为 100kVA（设计计算书第 1 章），选用两台型号为 S9— 100/10 的变压器，互为暗备用。10kV 级 S9 系列三相油浸自冷式铜线变压器，是全国 统一设计的新产品，是我国国内技术经济指标比较先进的铜线系列配电变压器。

站用变压器参数如表 3.2 所示。

表 3.2 站用变压器技术参数

型号 额定容量(kVA) 额定电压(kV) 空载电流(%) 损耗(W) 高压 低压 100 10 0.4

14

阻抗电压(%) 连接组标号 S9-100/10 WWW.ZHULONG.COM Y,yn0 筑龙网

第 4 章 短路电流计算

第 4.1 节 短路电流计算的目的

在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。短路电

流计算的目的主要有以下几方面：

(1)在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采

取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。

(2)在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠

地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。例如：计算某一

时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算

短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用

以校验设备动稳定。

(3)在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安

全距离。

(4)在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。 (5)接地装置的设计，也需用短路电流。

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第 4.2 节 短路电流计算的一般规定

验算导体和电器时所用的短路电流，一般有以下规定：

(1)计算的基本情况

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①电力系统中所有电源都在额定负荷下运行；

②同步电机都具有自动调整励磁装置(包括强行励磁)； ③短路发生在短路电流为最大值的瞬间； ④所有电源的电动势相位角相同；

⑤正常工作时，三相系统对称运行；

⑥应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。对异步 电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。

15

(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 （即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

(3)计算容量

应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑本工

程建成后 5～10 年）。

(4)短路种类

一般按三相短路计算。若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统以及自

耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情

况进行校验。

(5)短路计算点

在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。 对于带电抗器的 6～10kV 出线与厂用分支回路，在选择母线至母线隔离开关之间的引 线、套管时，短路计算点应该取在电抗器前。选择其余的导体和电器时，短路计算点 一般取在电抗器后。

第 4.3 节 短路电流计算的步骤

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在工程设计中，短路电流的计算通常采用实用计算曲线法。其具体计算步骤如下：

(1)绘制等值网络。

①选取基准功率 S和基准电压V= V；

B

B

av

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②发电机电抗用 x ，略去网络各元件的电阻、输电线路的电容和变压器的励磁 支路；

③无限大功率电源的内电抗等于零；

④略去负荷。 (2)进行网络变换。

按网络变换的原则，将网络中的电源合并成若干组，例如，共有 g 组，每组用一

个等值发电机代表。无限大功率电源（如果有的话）另成一组。求出各等值发电机对

16

短路点的转移电抗 x f i

，，…，g) 以及无限大功率电源对短路点的转移电抗 x。 (i = 1 2

fs

(3)将前面求出的转移电抗按各相应的等值发电机的容量进行归算，便得到各等

值发电机对短路点的计算电抗。

S x?i=x

js

N i f i

S

B

(i =

g 1,2,..., )

式中， Si 为第 i 台等值发电机的额定容量，即由它所代表的那部分发电机的额定容

N

量之和。

(4)由 x1 ，x2 ，…，x分别根据适当的计算曲线找出指定时刻 t 各等值发电机

js

js

jsg

提供的短路周期电流标幺值 I1* ， I2* ，…， I

pt

pt

ptg*

。

(5)网络中无限大功率电源供给的短路电流周期是不衰减的，并由下式确定

I

=

1

ps*xfs

(6)计算短路电流周期分量的有名值。

第 i 台等值发电机提供的短路电流为

I

pt ?i

= I

pt

I = I

N i

pt

S N i

无限大功率电源提供的短路电WWW.ZHULONG.COM 流为

I =

ps

S

I I

ps B *

=

B

I

ps *

短路点周期电流的有名值为

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g

pt

i=1

S N i

3V

av

pt i

+ I ps

S

B

∑ I

? *

3Vv

a

Ni

*3

V

av

式中，V应取短路处电压级的平均额定电压； I为归算到短路处电压级的第 i 台等

av

值发电机的额定电流； I为对应于所选基准功率 S在短路处电压级的基准电流。

B

B

(7)计算短路容量和短路电流冲击值。

(8)绘制短路电流计算结果表。

17

第 4.4 节 短路电流计算结果

本变电站短路电流计算结果如下（计算过程见设计计算书第 3 章）：

三相短路电流计算电路图及其等值网络如图 4.1 所示。

图 4.1 计算电路图及其等值网络

当短路发生在 f点时，分变压器低压侧并列运行和变压器低压侧分列运行两种

3

情况进行计算，变压器低压侧分列运行三相短路电流计算电路图及其等值网络如图

4.2 所示

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图 4.2 变压器低压侧分列运行计算电路图及其等值网络

三相短路电流计算结果见表 4.1。

18

表 4.1 短路电流计算结果

短 路 点 短路类型 0s 短路电 2s 短路电 4s 短路电 短 路 电 短 路 全 短 路 容 量

流 编 电 号 流 周 期 流 有 名 流 有 名 冲 击 值 流 最 大 S '' (MVA) 分 值 值 有 量 有 名 I(kA) 2值 i(kA) sh I(kA) 4I ''(kA) 1f 效 值 I(kA) sh6.93 518.21 2.54 2.54 4.13 f 2三相短路 2.72

14.36 24.96 19.81 341.29 207.84 134.58 4.50 10.5 7.03

4.46 9.79 7.19

8.55 14.88 11.81

f 3三相短路 5.63 三相短路 12.0 三相短路 7.77

' f 3

注： f3——主变低压侧并列运行；

'

f——主变低压侧分列运行。

3

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19

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第 5 章 直流系统设计

第 5.1 节 直流系统概述

在发电厂和变电所中，为了供给控制、保护、自动装置、事故照明和汽机直流油

泵等的用电，要求有可靠的直流电源，即使在发电厂或变电所完全停电的情况下也要

求能保证上述负荷的可靠供电。直流控制负荷包括电气和热工系统的控制、信号、保

护、自动装置和某些执行机构，这些都是保证发电厂和变电站正常、安全运行的极为

重要的负荷。直流控制电源，除为直流控制负荷供电外，还为一些动力负荷供电，例

如大合闸电流的电磁操作机构，事故照明装置等，可见,直流控制电源系统兼有直流

保安电源的功能，其工作的可靠性是极为重要的。

蓄电池组构成的直流控制电源系统，有很高的可靠性。整个蓄电池组故障造成停

止供电的可能性极小。因为蓄电池组的故障，总是首先在个别电池中发生，而且其发

展过程缓慢，易于及时发现和消除，不致波及整个蓄电池组。这种情况已为多年的、 大量的蓄电池组的运行经验所证明。因此，就其可靠性而言，还没有其他电源可以代 替。但是,要保证蓄电池组构成的直流控制电源系统能可靠地、不间断地供电,蓄电池

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的正确使用和系统的合理设计是个关键。因此，在设计安装和运行方面，都必须遵守 一些基本要求，概括起来有以下几点:

(1)直流系统设计要简单可靠，同时又要满足运行灵活性的要求。为此，要正确

运用经过运行实践考验的典型设计和标准设计；

(2)电池、充电器直流屏等设备，要选用可靠性高，性能良好、制造精致、符合

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各级制造标准、有运行经验或经主管部门鉴定的产品； 是否符合安全运行的要求尤为重要；

(3)直流屏的安装环境条件，一定要符合设备的要求，特别是蓄电池的环境条件 (4)对新蓄电池组，要严格按现行规范和蓄电池的技术要求进行安装及充放电工

作；

(5)运行的蓄电池组，要按规程定期检查、正确充放电，及时消除一切不正常现

象，认真进行维护。

20

第 5.2 节 直流系统的电压等级

直流系统额定电压一般采用 220V 和 110V；当采用弱电控制信号时，一般采用 48V。

电力工程中，直流系统电压等级分为 220、110、48、24V，常用的电压等级为 110V。 一些弱电系统采用 48V。具体介绍 110V、220V 直流电压如下：

(1)220V 直流电压

以往我国发电厂和变电站大多数都采用单一的 220V 电压。采用 220V 电压可以选 用较小的电缆截面积，节省有色金属、降低电缆投资。

(2)110V 直流电压

与 220V 直流系统相比，110V 直流系统具有以下特点： ①所需的电池个数少,占地面积较小，安装维护方便；

②绝缘水平低，系统中配备的中间继电器线圈线径较大，减少了线圈断线和接地 的故障机率；

③由于电压水平低，从而降低了继电器触点断开时产生的干扰电压幅值，并减小 了对电子元件构成的保护和自动装置的干扰；

④由于电压水平低，使得直流负荷电流成倍增加，从而使所需电缆截面相应增大。

应此，通常在负荷电流较小、供电距离较短的控制信号和保护用电源中才推荐采用 110V 电压。

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⑤对相同容量的负荷，110V 所需的蓄电池容量与 220V 相比，约增加一倍。

权衡利弊，直流系统额定电压宜按下列要求确定： ①控制负荷专用蓄电池组的电压采用 110V；

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②控制负荷、动力负荷和直流事故照明负荷专用蓄电池组的电压采用 220V 或 110V；

③当采用弱电控制或信号时，装设较低电压等级的专用蓄电池组。

第 5.3 节 直流系统的接线方式

(1)单母接线

①特点：接线简单、可靠。由于浮充电接在直流母线上，所以当蓄电池回路开关

被误断时，直流母线不致失电。

21

②适用范围：适用于设有一组蓄电池，两套充电装置的变电站和小型发电厂。 (2)单母分段接线

①特点：充电器和浮充电器分别接到两段母线上，蓄电池组接在一段母线上。直

流负荷双回电源分别接至不同的分段上，以提高供电可靠性。接线较单母线复杂，但

灵活性好；

②适用范围：适用于设有一组蓄电池和两套充电装置的大型变电站或机组较多的

小型发电厂。

第 5.4 节 本变电站直流系统的设计

本设计直流电源采用 220kV 电压等级单母线接线方式。选用 PZ61 直流屏。直流

系统接线图参见图 02 电力-毕业设计-9，直流屏正面布置图参见图 02 电力-毕业设计

-8。

用于完成交直流转换、电源进线馈电、自动检测、信号报警等多种功能，并将有

关直流电源操作、保护、检测等设备组装在相应屏、柜内，以实现预期功能的直流设

备的总称叫直流屏(柜)。PZ61 新型直流屏是近几年由电力规划设计总院组织电力设

计部门吸收国外技术，总结国内经验，根据我国规程和标准的要求设计制造的一种新

型直流屏。

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110kV 及以下电压的变电站，直流屏可布置在与蓄电池毗邻的房间内，也可布置

在控制室内。本站直流屏布置在控制室内。

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22

第 6 章 高压电器设备选择

第 6.1 节 电器选择的一般条件

电器选择是发电厂和变电站电气设计的主要内容之一。正确的选择电器是使电气

主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程

实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资， 选择合适的电器。

尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相 同，但对它们的基本要求却是一致的。电器要能可靠的工作，必须按正常工作条件进 行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

(1)按正常工作条件选择电器 ①额定电压和最高工作电压

在选择电器时，一般可按照电器的额定电压 U不低于装置地点电网额定电压

N

U的条件选择，即

Ns

②额定电流

N

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0

N

电器的额定电流 I是指在额定周围环境温度θ下，电器的长期允许电流。 I应

不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 I，即

max

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③按当地环境条件校核

I≥ I

N

max

在选择电器时，还应考虑电器安装地点的环境（尤其是小环境）条件当气温、风 速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件是， 应采取措施。

(2)按短路情况校验 ①短路热稳定校验

短路电流通过电器时，电器各部件温度应不超过允许值。满足热稳定的条件为

23

I2t≥ Q

t

k

式中 Q——短路电流产生的热效应；

k

I、 t ——电器允许通过的热稳定电流和时间。

t

②电动力稳定校验

电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条 件为

i≥ i

es

sh

es

sh

或 I≥ I 式中 i、 I——短路冲击电流幅值及其有效值；

sh

sh

i、 I——电器允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。

es

es

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：

1)熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热稳定。 2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备，可不校验动稳定。 3)装设在电压互感器回路中的裸导体和电器可不验算动、热稳定。 ③短路电流计算的条件

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为使电器具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发 展的需要，作验算用的短路电流应按下列条件确定：

1)容量和接线 按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一

般为本工程建成后 5～10 年）；其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，

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但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式。

2)短路种类 一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按 最严重的情况验算。

3)计算短路点 选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。

④短路计算时间

校验电器的热稳定和开断能力时，还必须合理的确定短路计算时间。验算热稳定 的计算时间 t为继电保护动作时间 t和相应断路器的全开断时间 t之和，即

k

pr

ab

t= t+ t

k

pr

ab

24

ab

in

a

而 t= t+ t 式中 t——断路器全开断时间；

ab

t——后备保护动作时间；

pr

t——断路器固有分闸时间；

in

t——断路器开断时电弧持续时间。

a

开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，故电器的开断计算时间 t应为

br

主保护时间 t1 和断路器固有分闸时间之和，即

pr

t= t

br

pr1

+

tin

第 6.2 节 高压断路器的选择

高压断路器的主要功能是：正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备或线路接

入电路或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路、 保证无故障部分正常运行，能起保护作用。高压断路器是开关电器中最为完善的一种

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设备。其最大特点是能断开电路中负荷电流和短路电流。

本变电站高压断路器选择如下（选择和校验计算见计算书第 4 章）： (1)110kV 线路侧及变压器侧：选择 LW11-110 型 SF户外断路器。

6

计算数据 NsU I max I\ i sh筑龙网 LW11-110 NU 110(kV) I N1600(A) I Nbr31.5(kA) i Ncl80(kA) Q k2.72(kA) Itt 2·3969(kA·s) 2i sh6.93(kA) 6.53(kA·s) 2

ies 25

80(kA)

6.93(kA)

(2)35kV 线路侧及变压器侧：选择 ZW7-40.5 型真空户外断路器。

计算数据 Ns ZW7-40.5 NU 35(kV) U 40.5(kV) I max346.42(A) I N1600(A) I\ i sh5.63(kA) I Nbr31.5(kA) 14.36(kA) i Ncl80(kA) 22Q k21.17(kA·s) Itt ·3969(kA·s) 2 i sh14.36(kA)

ies 80(kA) (3)10kV 线路侧：选择 KYN28A-12(Z)/1250-31.5 型高压开关柜。

计算数据 Ns KYN28A-12(Z)/1250-31.5 NU 10(kV) U 12(kV) I max189.4(A) I N1250(A) I\ i sh 12.0(kA) I Nbr31.5(kA) 24.96(kA) i Ncl80(kA) Q k111.86(kA·s) 2Itt 2·3969(kA·s) 2 sh i 24.96(kA) WWW.ZHULONG.COM 80(kA) (4)10kV 变压器侧：选择 KYN28A-12(Z)/2000-31.5 型高压开关柜。 计算数据 Ns KYN28A-12(Z)/2000-31.5 NU I max筑龙网 NU I I Nbr12(kV) 2000(A) I\ i sh12.0(kA) 31.5(kA) 80(kA) 26 24.96(kA) 111.86(kA·s) 2 i Ncl

Q k

It·t 2

sh

i 24.96(kA)

ies

3969(kA·s)

2

80(kA)

第 6.3 节 隔离开关的选择

隔离开关也是变电站中常用的电器，它需与断路器配套使用。但隔离开关无灭弧

装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。

6.3.1 隔离开关的主要用途：

(1)隔离电压 在检修电气设备时，用隔离开关将被检修的设备与电源电压隔离， 以确保检修的安全。

(2)倒闸操作 投入备用母线或旁路母线以及改变运行方式时，常用隔离开关配

合断路器，协同操作来完成。

(3)分、合小电流 因隔离开关具有一定的分、合小电感电流和电容电流的能力，

故一般可用来进行以下操作：

①分、合避雷器、电压互感器和空载母线； ②分、合励磁电流不超过 2A 的空载变压器； ③关合电容电流不超过 5A 的空载线路。 6.3.2 本变电站隔离开关的选择 (1)110kV：选择 GW5-110Ⅲ/1000-80

计算数据 NsGW5-110Ⅲ/1000-80 U I max110(kV) 206.7(A) WWW.ZHULONG.COM I N110(kV) 1000(A) 22Q k6.53(kA·s) Itt ·2311(kA·s) 2 i sh6.93(kA) 筑龙网 ies 80(kA) U Ns(2)35kV：选择 GW4-35D/1000-83 GW4-35D/1000-83 NN 计算数据 U 12(kV) 1000(A) I max Q k35(kV) 346.42(A) I Itt 2·2500(kA·s) 2 i sh21.17(kA·s) 2ies 27

83(kA)

14.36(kA)

第 6.4 节 电流互感器的选择

互感器（包括电流互感器 TA 和电压互感器 TV）是一次系统和二次系统间的联络

元件，用以分别向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，正确反映电气设备

的正常运行和故障情况。

互感器的作用是：将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压

(100V)和小电流(5A 或 1A)，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构小

巧、价格便宜和便于屏内安装。使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，

从而保证了设备和人身的安全。

本变电站电流互感器选择：

110kV 线路侧及变压器侧选用 LCWB6-110 型瓷绝缘户外电流互感器，校验合格。

35kV 线路侧选用 LZZB8-35 型支柱式、LRD-35、LR-35 型装入式电流互感器，校 验合格，配置位置参见主接线图；35kV 变压器侧选用 LRD-35、LR-35 型装入式电流 互感器，校验合格，配置位置参见主接线图。

10kV 线路侧及变压器侧选用 LA-10 型穿墙式电流互感器，校验合格。

第 6.5 节 电压互感器的选择

110kV 出线选用 TYD110/ 3

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110kV 母线选用 JDCF-110 型单相瓷绝缘电压互感器，校验合格。

35kV 母线选用 JDZXW-35 型单相环氧浇注绝缘电压互感器，校验合格。 10kV 母线选用 JSZX1-10F 型三相环氧浇注绝缘电压互感器，校验合格。

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第 6.6 节 高压熔断器的选择

熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害。

35kV 母线电压互感器选用 RXW-35/0.5 型户外跌落式高压熔断器保护，校验合格。

10kV 母线电压互感器选用 RN2-10/0.5 型户内限流式高压熔断器保护，校验合格。

28

第 7 章 配电装置设计

配电装置是变电站的重要组成部分。它是根据主接线的连接方式，由开关设备、

保护和测量电路、母线和必要的辅助设备组建而成，用来接受和分配电能的装置。

配电装置应满足以下基本要求：

(1)配电装置的设计必须贯彻执行国家基本建设方针和技术经济政策。 (2)保证运行可靠。按照系统和自然条件，合理选用设备，在布置上力求整齐、 清晰，保证具有足够的安全距离。

(3)便于检修、巡视和操作。

(4)在保证安全的前提下，布置紧凑，力求节约材料和降低造价。 (5)安装和扩建方便。

配电装置设计的基本步骤：

(1)根据配电装置的电压等级、电器的型式、出线多少和方式、有无电抗器、地 形、环境条件等因素选择配电装置的型式；

(2)拟定配电装置的配置图；

(3)按照所选设备的外形尺寸、运输方法、检修及巡视的安全和方便等要求，遵

WWW.ZHULONG.COM

照《配电装置设计技术规程》的有关规定，并参考各种配电装置的典型设计和手册， 设计绘制配电装置的平、断面图。

普通中型配电装置，我国有丰富的经验，施工、检修和运行都比较方便，抗震能

力好，造价比较低，缺点是占地面积较大；半高型配电装置占地面积为普通中型的

47%，而总投资为普通中型的 98.2%，同时，该型布置在运行检修方面除设备上方有

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带电母线外，其余布置情形与中型布置相似，能适应运行检修人员的习惯与需要。高 型一般适用于 220kV 及以上电压等级。

本变电站有三个电压等级，110kV 主接线不带旁路母线，配电装置采用屋外中型 单列布置；35kV 主接线带旁路母线，配电装置采用屋外半高型布置；10kV 配电装置

采用屋内成套高压开关柜布置。各电压等级配电装置断面图见设计图纸 02 电力-毕业

设计-3～6。

29

第 8 章 防雷保护设计

8.1.1 变电站的防雷保护具有以下特点：

(1)变电站属于“集中型”设计，直接雷击防护以避雷针为主。

(2)变电站设备与架空输电线相联接，输电线上的过电压波会运动至变电站，对 电气设备过程威胁。因此变电站要对侵入波过电压进行防护，主要手段是避雷器。

(3)变电站内都安装有贵重的电气设备，如变压器等，这些电气设备一旦受损，

一方面会对人民的生活和生产带来巨大损失，造成严重后果；另一方面，这些设备的

修复困难，需要花费很长时间和大量金钱，给电力系统本身带来重大经济损失。所以

变电站要采取周密的过电压防护措施。

(4)为了充分发挥防雷设备的保护作用，变电站应有良好的接地系统。

8.1.2 变电站直击雷防护：

户外配电装置一般都采用避雷针做为直击雷保护，本变电站直击雷防护采用避雷

针，变电站围墙四角各布置 1 支避雷针，共布置 4 支避雷针，每支避雷针高 30m。本

站东西向长 99m，南北向宽 68m，占地面积 6732m，110kV 配电装置构架高 12.5m，35kV

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终端杆高 13.5m。屋内配电装置钢筋焊接组成接地网，并可靠接地。本站避雷针设置

如图 02 电力-毕业设计-10 所示。 8.1.3 侵入波过电压防护：

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已在输电线上形成的雷闪过电压，会沿输电线路运动至变电站的母线上，并对与

母线有联接的电气设备构成威胁。在母线上装设避雷器是限制雷电侵入波过电压的主

要措施。

8.1.4 进线段保护：

所谓进线段保护是指临近变电站 1～2km 一段线路上的加强型防雷保护措施。当

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线路无避雷线时，这段线路必须架设避雷线；当沿线路全长架设避雷线时，则这段线

路应有更高的耐雷水平，以减少进线段内绕击和反击的概率。

8.1.5 三绕组变压器和变压器中性点的防雷保护：

三绕组变压器只要在低压任一相绕组直接出口处装一个避雷器即可。110kV 中性

点有效接地系统，若变压器不是采用全绝缘，则应在中性点加装一台避雷器。

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