某市_110kV_中心变电所电气一次部分初步设计

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

附页：110kV一次降压变电所技术设计技术参数与条件

一、给定参数

1． 设计变电所建在城西 2KM 处，建成后，除向周围地区负荷供电外，还输送部分系统的交换功率。

2．系统电源情况如下：

综合小水电：S∑=25MVA ，L1= 20KM ，35kV 双回送入变电所，丰水期满发电，枯水期只发三分之一容量，近区用电及站用电占发电容量的 10% ，最大运行方式时的综合电抗折算至 SJ=100MVA 时， XJ*=3 。

本市火电厂：发电机两台， Pe=6MW ， cosФe=0.8 ， Xd″=0.18, 经一台双绕组变压器 SL7—12500kVA ，6.3kV/35kV ，Ud%=8 ，L2= 5KM 用架空线输入变电所，其厂用电占5%，近区用电占15% 。

省电网：由西南方向经110kV ，L3= 65KM 的输电线路与变电所相连，对本市的发供电起综合平衡作用。

3．变电所最大负荷利用小时数 TMAX=6000h, 同时率取 0.9。 4． 10kV 用户负荷资料如下表所示：

序号 用户名称 1 2 3 4 5 市城区 电机厂 工业区 化纤厂 开发区 最大负荷 9MW 3MW 2.5MW 1.2MW 3MW 负荷级数 Ⅰ Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅱ 功率因数 0.95 0.90 0.90 0.85 0.85

变电所建成后第五年总负荷增加到 30.6MW ，建成后第十年总负荷增加到 49.3MW。 5． 变电所自用负荷以 2 台 100kVA 考虑。

6． 气象及地质条件：设计变电所地处半丘陵区，无污染影响，年最高温度 40 度，最热月平均温度 34 度，年最低温度 40 度，最热地下 0.8M 处土壤平均温度 30.4 度，海拔高度为 50M 。

二、变电所的地理位置图

I

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摘 要

变电所作为电力系统中的重要组成部分，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。本论文中待设计的变电所是一座降压、枢纽变电所，在系统中起着汇聚、分配和平衡电能的作用，担负着向该地区工厂、农村供电的重要任务。该变电所的建成，不仅增强了当地电网的网络结构，而且为当地的工农业生产提供了足够的电能，从而达到使本地区电网安全、可靠、经济地运行的目的。

本论文《某市 110kV 中心变电所电气一次部分初步设计》，首先通过对原始资料的分析及根据变电所的总负荷选择主变压器，同时根据主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求，选择了两种待选主接线方案进行了技术比较，淘汰较差的方案，确定了变电所电气主接线方案。

其次进行短路电流计算，从三相短路计算中得到当短路发生在各电压等级的母线时，其短路稳态电流和冲击电流的值。再根据计算结果及各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行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、电压互感器等）。

本次设计基本上满足了任务书的要求，同时也满足了变电所的设计要求，使电力系统能够安全、稳定的运行。

关键词 电气主接线设计，短路电流计算，电气设备选择，防雷装置

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目 录

第一章 绪 论 ..................................................................................................................... 1 1.1选题背景 .............................................................................................................................. 1 1.2选题意义 .............................................................................................................................. 1 1.3变电所发展概况 .................................................................................................................. 1 1.4设计原始资料 ...................................................................................................................... 1 1.4.1变电所的出线 ................................................................................................................. 1 1.4.2负荷情况 ......................................................................................................................... 2 1.5设计内容 .............................................................................................................................. 2 第二章 电气主接线的选择 ................................................................................................... 3 2.1选择原则 .............................................................................................................................. 3 2.1.1 主接线设计的基本要求及原则 .................................................................................... 3 2.1.2 变电所主接线设计原则 ................................................................................................ 3 2.1.3主接线的基本形式和特点 ............................................................................................. 4 2.1.4变电所各接线方案的确定 ............................................................................................. 4 2.2主接线的形式 ...................................................................................................................... 4 2.2.1 110kV侧主接线方案 ...................................................................................................... 4 2.2.2 35kV侧主接线方案 ........................................................................................................ 5 2.2.3 10kV侧主接线方案 ........................................................................................................ 7 2.2.4 最优方案的确定 ............................................................................................................ 7 第三章 主变压器的选择....................................................................................................... 8 3.1 变电所主变压器台数的确定 .............................................................................................. 8 3.1.1 主变台数确定的要求 .................................................................................................... 8 3.1.2 变电所主变压器容量的确定 ........................................................................................ 8 3.1.3 变电所主变压器型式的选择 ........................................................................................ 8 3.2 站用变台数、容量和型式的确定 ...................................................................................... 9 3.2.1站用变台数的确定 ......................................................................................................... 9 3.2.2 站用变容量的确定 ........................................................................................................ 9 3.2.3 站用变型式的选择 ........................................................................................................ 9 第四章 短路电流计算 ........................................................................................................ 10 4.1 短路电流计算的目的及假设 ............................................................................................ 10 4.1.1短路电流计算的目的 ................................................................................................... 10 4.1.2短路电流计算的一般规定 ........................................................................................... 10 4.1.3短路电流计算的基本假设 ........................................................................................... 10 4.2 短路电流计算的步骤 ........................................................................................................ 10 4.3 短路电流的计算 ................................................................................................................ 12 4.3.1短路点的计算 ............................................................................................................... 12 4.3.2 短路点的确定及其计算 .............................................................................................. 13 4.3.3 绘制短路电流计算结果 .............................................................................................. 16 第五章 电气设备的选择..................................................................................................... 17 5.1电气设备选择的一般原则 ................................................................................................ 17

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5.1.1电气设备选择的一般技术条件 ................................................................................... 17 5.1.2按正常工作条件选择电气设备 ................................................................................... 17 5.1.3 按短路情况校验 .......................................................................................................... 18 5.2 高压电气设备 .................................................................................................................... 19 5.2.1 断路器选择与校验 ...................................................................................................... 20 5.2.2 隔离开关的选择与校验 .............................................................................................. 22 5.2.3 电流互感器选择与校验 .............................................................................................. 23 5.2.4 电压互感器的选择及校验 .......................................................................................... 25 5.2.5 母线与电缆的选择与校验 .......................................................................................... 26 第六章 防雷和接地设计..................................................................................................... 28 6.1 防雷设计 ............................................................................................................................ 28 6.1.1 变电站的直击雷保护 .................................................................................................. 28 6.1.2 变电站的侵入雷电波保护 .......................................................................................... 29 6.1.3 变压器的防雷保护 ...................................................................................................... 30 6.1.4 内部过电压保护 .......................................................................................................... 31 6.2 接地设计 ............................................................................................................................. 31 6.2.1 接地概述 ...................................................................................................................... 31 6.2.2 接地网型式的选择 ...................................................................................................... 31 结 论 ................................................................................................................................ 32 致 谢 ................................................................................................................................ 33 附 录 ................................................................................................................................ 34 参考文献 ............................................................................................................................. 35

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第一章 绪 论

1.1选题背景

电力已成为人类历史发展的主要动力资源，要科学合理的使用及分配电力，必须从工程的设计来提高电力系统的可靠性、灵活性和经济运行效率，从而达到降低成本，提高经济效益的目的。变电所是电力系统配电传输不可缺少的重要组成部分，它直接影响整个电力网络的安全和电力运行的经济成本，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。电气主接线是发电厂变电所电气部分的主体，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置方式的确定，对电力系统的可靠、灵活、经济运行起着决定的作用。

目前，110kV、35kV常规变电所在城农网中仍占有较大的比重，其一次、二次设备都比较落后，继电保护装置多为电磁式继电器组合而成，一般只具有当地控制功能，多为有人值班运行方式。随着电网运行自动化系统的提高,变电所综合自动化系统发挥着越来越强大的作用,少人或无人值守变电所将成为今后变电运行的主流方式，对原有电站及新建电站实现无人值守势在必行。对设计人员来讲，我们只有不断提高自身素质，才能跟得上电力系统的飞速发展，为电力事业的兴盛尽一点微薄之力。

1.2选题意义

变电所是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。变电所起变换电压作用的设备是变压器，除此之外，变电所的设备还有开闭电路的开关设备，汇集电流的母线，计量和控制用互感器、仪表、继电保护装置和防雷保护装置、调度通信装置等，有的变电所还有无功补偿设备。

本设计针对变电所进行设计，设计内容包括：变压器台数和容量的选择、主接线的选择、短路电流的计算、主要电器设备的选择和校验、继电保护及变电所防雷等。通过对110kV降压变电所电气部分的设计，使我明白其目的在于使我们通过这次毕业设计，能够得到各方面的充分训练，结合毕业设计任务加深了对所学知识内在联系的理解，并能灵活的运用。

1.3变电所发展概况

随着计算机技术的飞速发展，微型计算机技术在电力系统中得到了越来越广泛的应用，它集变电所中的控制、保护、测量、中央信号、故障录波等功能于一身，替代了原常规的突出式和插件式电磁保护、晶体管保护、集成电路保护。常规控制、保护装置已逐步从电力系统中退出，取而代之的则是这种新型的微机监控方式，它运用了自动控制技术、微机及网络通信技术，经过功能的重新组合和优化设计，组成计算机的软硬件设备代替人工,利用变电所中的远动终端设备来完成对站中设备的遥信、遥测、遥调、遥控即四遥功能。这就为实现变电所无人值守提供了前提条件。变电所、所综合自动化和无人值守是当今电网调度自动化领域中热门的话题，在当今城、农网建设改造中正被广泛采用。

1.4设计原始资料

1.4.1变电所的出线

变电所的电压等级为110kV/35kV/10kV，设两台主变，变电所最终规模的进出线回路数为：

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110kV：省电网

35kV：3回（电源进线） 10kV：6回（终端用户） 1.4.2负荷情况

35kV、10kV负荷情况见下表。

表1.1 负荷情况表 电压等级 负荷级别 I III 最大负荷（MW） 合计负荷（MW） 9 3 2.5 1.2 3 0.4 0.4 MW 18.7 MW 10kV II III II 站用电 I 线路长度 110kV： 架空线，65公里 35kV： 架空线，45 公里 1.5设计内容

本次设计的题目是《某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计》。根据设计的要求，在设计的过程中，根据变电站的地理环境，容量和各回路数确定变电站电气主接线和站用电接线并选择各变压器的型号、进行参数计算、画等值网络图、并计算各电压等级侧的短路电流、列出短路电流结果表、计算回路持续工作电流、选择各种高压电气设备、并根据相关技术条件和短路电流计算结果表校验各高压设备。

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第二章 电气主接线的选择

2.1选择原则

电气主接线是变电所设计的首要任务，也是构成电力系统的重要环节。主接线案的确定与电力系统及变电所运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。并对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。因此，主接线的设计必须正确处理好各方面的关系，全面分析论证，通过技术经济比较，确定变电所主接线的最佳方案。 2.1.1 主接线设计的基本要求及原则

变电所主接线设计的基本要求有以下几点：

1.可靠性 供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，电气主接线的设计必须满足这个要求。因为电能的发送及使用必须在同一时间进行，所以电力系统中任何一个环节故障，都将影响到整体。供电可靠性的客观衡量标准是运行实践，评估某个主接线图的可靠性时，应充分考虑长期运行经验。我国现行设计规程中的各项规定，就是对运行实践经验的总结，设计时应该予以遵循。

2.灵活性 电气主接线不但在正常运行情况下能根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快的退出设备、切除故障，使停电时间最短、影响范围最小，并在检修设备时能保证检修人员的安全。

3.操作应尽可能简单、方便 电气主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。复杂的接线不仅不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便，或造成不必要的停电。

4.经济性 主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上，还应使投资和年运行费用最小，占地面积最少，使变电所尽快的发挥经济效益。

5.应具有扩建的可能性 由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快，因此，在选择主接线时，应考虑到有扩建的可能性。 2.1.2 变电所主接线设计原则

1.变电所的高压侧接线，应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线方式，在满足继电保护的要求下，也可以在地区线路上采用分支接线，但在系统主干网上不得采用分支接线。

2.在6-10kV配电装置中，出线回路数不超过5回时，一般采用单母线接线方式，出线回路数在6回及以上时，采用单母分段接线，当短路电流较大，出线回路较多，功率较大，出线需要带电抗器时，可采用双母线接线。

3.在35-66kV配电装置中，当出线回路数不超过3回时，一般采用单母线接线，当出线回路数为4～8回时，一般采用单母线分段接线，若接电源较多、出线较多、负荷较大或处于污秽地区，可采用双母线接线。

4.在110-220kV配电装置中，出线回路数不超过2回时，采用单母线接线；出线回路数为3～4回时，采用单母线分段接线；出线回路数在5回及以上，或当“0—220kV配电装置在系统中居重要地位；出线回路数在4回及以上时，一般采用双母线接线。

5.当采用SF6等性能可靠、检修周期长的断路器，以及更换迅速的手车式断路器时，均可不设旁路设施。

总之，以设计原始材料及设计要求为依据，以有关技术规程为标准，结合具体工作的

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特点，准确的基础资料，全面分析，做到既有先进技术，又要经济实用。 2.1.3主接线的基本形式和特点

主接线的基本形式可分两大类：有汇流母线的接线形式和无汇流母线的接线形式。在电厂或变电所的进出线较多时（一般超过4回），为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰、运行方便、有利于安装和扩建。缺点是有母线后配电装置占地面积较大，使断路器等设备增多。无汇流母线的接线使用开关电器少，占地面积少，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的电厂和变电所。

有汇流母线的主接线形式包括单母线和双母线接线。单母线又分为单母线无分段、单母线有分段、单母线分段带旁路母线等形式；又母线又分为双母线无分段、双母线有分段、带旁路母线的双母线和二分之三接线等方式。

无汇流母线的主接线形式主要有单元接线、扩大单元接线、桥式接线和多角形接线等。 2.1.4变电所各接线方案的确定

在对原始资料分析的基础上，结合对电气主接线的可靠性、灵活性、及经济性等基本要求，综合考虑在满足技术、经济政策的前提下，力争使其为技术先进、供电可靠安全、经济合理的主接线方案。

供电可靠性是变电所的首要问题，主接线的设计，首先应保证变电所能满足负荷的需要，同时要保证供电的可靠性。变电所主接线可靠性拟从以下几个方面考虑：

1.断路器检修时，不影响连续供电。

2.线路、断路器或母线故障及在母线检修时，造成馈线停运的回数多少和停电时间长短，能否满足重要的I、II类负荷对供电的要求。

3.变电所有无全所停电的可能性。

主接线还应具有足够的灵活性，能适应多种运行方式的变化，且在检修、事故等特殊状态下操作方便，高度灵活，检修安全，扩建发展方便。

主接线的可靠性与经济性应综合考虑，辩证统一，在满足技术要求前提下，尽可能投资省、占地面积小、电能损耗少、年费用（投资与运行）为最小。

2.2主接线的形式

2.2.1 110kV侧主接线方案 A方案：

单母线分段接线（见图2-1）

QSQFQSQSQFQSQFQSQFQSQSQF图2-1单母线分段接线

B方案：

双母线接线（见图2-2）

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QSQFQSQSQFQSQSQFQSQFQSQF图2-2 双母线接线

分析：

A方案的主要优缺点：

1.母线发生故障时，仅故障母线停止工作，另一母线仍继续工作。

2.双回路供电的重要用户，可将双回路分别接于不同母线分段上，以保证对重要用户的供电。

3.一段母线发生故障或检修时，必须断开在该段母线上的全部电源和引出线，这样减少了系统的发电量，并使该段单回线路供电的用户停电。

4.任一出线的开关检修时，该回线路必须停止工作。 5.出线为双回线路时，会使架空线出现交叉跨越。

6.110kV为高电压等级，一旦停电，影响下—级电压等级供电，其重要性较高，因此本变电所设计不宜采用单母线分段接线。

B方案的主要优、缺点：

1.检修母线时，电源和出线可以继续工作，不会中断对用户的供电。 2.检修任一母线隔离开关时，只需断开该回路。 3.工作母线发生故障后，所有回路能迅速恢复供电。 4.可利用母联开关代替出线开关。 5.便于扩建。

6.双母线接线设备较多，配电装置复杂，投资、占地面积较大，运行中需要隔离开关切断电路，容易引起误操作。

7.经济性差。 结论：

A方案一般适用于110kV出线为3、4回的装置中；B方案一般适用于110kV出线为5回及以上或者在系统中居重要位置、出线4回及以上的装置中。综合比较A、B两方案，并考虑本变电所110kV进出线共6回，且在系统中地位比较重要，所以选择B方案双母线接线为110kV侧主接线方案。 2.2.2 35kV侧主接线方案 A方案：

单母线接线（见图2-3）

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QSQFQSQSQF...QSQFQSQSQF图2-3单母线接线

B方案：

单母线分段接线 （见图2-4）

QSQFQSQSQFQSQFQSQFQSQSQF...图2-4单母线分段接线

分析：

A方案的主要优缺点：

1.接线简单、清晰、设备少、投资小、运行操作方便且利于扩建，但可靠性和灵活性较差。

2.当母线或母线隔离开关发生故障或检修时，各回路必须在检修或故障消除前的全部时间内停止工作。

3.出线开关检修时，该回路停止工作。 B方案的主要优缺点：

1.当母线发生故障时，仅故障母线停止工作，另一母线仍继续工作。

2.对双回路供电的重要用户，可将双回路分别接于不同母线分段上，以保证对重要用户的供电。

3.当一段母线发生故障或检修时，必须断开在该段母线上的全部电源和引出线，这样减少了系统的发电量，并使该段单回线路供电的用户停电。

4.任一出线的开关检修时，该回线路必须停止工作。

5.当出线为双回线时，会使架空线出现交叉跨越。 结论：

B方案一般速用于35kV出线为4-8回的装置中。综合比较A、B两方案，并考虑本变

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电所35kV出线为2回，所以选择B方案单母线分段接线为35kV侧主接线方案。 2.2.3 10kV侧主接线方案

A方案：

单母线接线（见图2-3）。 B方案：

单母线分段接线（见图2-4）。 分析：

A方案的主要优缺点：

1.接线简单、清晰、设备少、投资小、运行操作方便且利于扩建，但可靠性和灵活性较差。

2.当母线或母线隔离开关发生故障或检修时；各回路必须在检修或故障消除前的全部时间内停止工作。

3.出线开关检修时，该回路停止工作。 B方案的主要优缺点：

1.母线发生故障时，仅故障母线停止工作，另一母线仍继续工作。

2.对双回路供电的重要用户，可将双回路分别接于不同母线分段上，以保证对重要用户的供电。

3.当一段母线发生故障或检修时，必须断开在该段母线上的全部电源和引出线，样减少了系统的发电量，并使该段单回线路供电的用户停电。 4.任一出线的开关检修时，该回线路必须停止工作。 5.当出线为双回线时，会使架空线出现交叉跨越。 结论：

B方案一般适用于10kV出线为6回及以上的装置中。综合比较A、B两方案，并考虑本变电所10kV出线为6回，所以选择B方案单母线分段接线为10kV侧主接线方案。 2.2.4 最优方案的确定

通过对原始资料的分析及根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求，选择了两种待选主接线方案进行了技术比较，淘汰较差的方案，确定了变电所电气主接线方案。即确定了本次设计主接线的最优方案（主接线图见附图）。

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第三章 主变压器的选择

3.1 变电所主变压器台数的确定

3.1.1 主变台数确定的要求

1.对大城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。

2.对地区性孤立的一次变电所或大型专用变电所，在设计时应考虑装设两台以上主变压器的可能性。

考虑到该变电所为一重要中心、枢纽变电所，在系统中起着汇聚、分配和平衡电能的作用，与系统联系紧密，且在一次主接线中已考虑采用旁路带主变的方式。故选用两台主变压器，并列运行且容量相等。 3.1.2 变电所主变压器容量的确定

主变压器容量确定的要求：

1.主变压器容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考到远期10～20年的负荷发展。

2.根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。

对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在设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，对一般性变电所停运时，其余变压器容量就能保证全部负荷的60%～70%。由于变电所建成后第五年总负荷增加到30.6MW，建成十年后总负荷增加到49.3MW,故选两台40MVA的主变压器就可满足负荷需求。 3.1.3 变电所主变压器型式的选择

具有三种电压等级的变电所中，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上或低压侧虽无负荷，但在变电所内需装设无功补偿设备时，主变压器采用三饶组。而有载调压较容易稳定电压，减少电压波动所以选择有载调压方式，且规程上规定对电力系统一般要求10KV及以下变电所采用一级有载调压变压器。故本站主变压器选用有载三圈变压器。我国110kV及以上电压变压器绕组都采用Y0连接；35kV采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地。35kV以下电压变压器绕组都采用?型连接。

表3.1 主变参数表 电压组合及分接范围 型号 中压 高压 低压 阻抗电压 高-中 高-低 中-低 10.5 18 6.5 空载连接组 电流 YN， yn0,d11．3 1 SFSZ7-40000/110 110×1.25% ?10?637±5% 10.5 8

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3.2 站用变台数、容量和型式的确定

3.2.1站用变台数的确定

对大中型变电所，通常装设两台站用变压器。因站用负荷较重要，考虑到该变电所具有两台主变压器和两段10kV母线，为提高站用电的可靠性和灵活性，所以装设两台站用变压器，并采用暗备用的方式。 3.2.2 站用变容量的确定

站用变压器容量选择的要求：站用变压器的容量应满足经常的负荷需要和留有10%左右的裕度，以备加接临时负荷之用。考虑到两台站用变压器为采用暗备用方式，正常情况下为单台变压器运行。每台工作变压器在不满载状态下运行，当任意一台变压器因故障被断开后，其站用负荷则由完好的站用变压器承担。 3.2.3 站用变型式的选择

考虑到目前我国配电变压器生产厂家的情况和实现电力设备逐步向无油化过渡的目标，可选用干式变压器。

表3.2站用变参数表 电压组合 连接空载 负载空载阻抗电压型号 组标损耗 损耗电流高压分(%) 高压 低压 号 (kW) (kW) (%) 接范围 S9-100/10 10.5 ±5% 0.4 Y,yn0 0.29 1.50 1.6 4 因本站有许多无功负荷，且离发电厂较近，为了防止无功倒送也为了保证用户的电压，以及提高系统运行的稳定性、安全性和经济性，应进行合理的无功补偿。

根据设计要求，自然功率应未达到规定标准的变电所，应安装并联电容补偿装置，电容器装置应设置在主变压器的低压侧或主要负荷侧，电容器装置宜用中性点不接地的星型接线。

《电力工程电力设计手册》规定“对于35-110kV变电所，可按主变压器额定容量的10%-30%作为所有需要补偿的最大容量性无功量，地区无功或距离电源点接近的变电所，取较低者。地区无功缺额较多或距离电源点较远的变电所取较低者，地区无功缺额较多或距离电源点较远的变电所取较高者。

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第四章 短路电流计算

4.1 短路电流计算的目的及假设

4.1.1短路电流计算的目的

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。

3.在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检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.按接地装置的设计，也需用短路电流。 4.1.2短路电流计算的一般规定

1.验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5～10年）。确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应仅按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导步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

3.选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按选择在正常接线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般按三相短路验算。 4.1.3短路电流计算的基本假设

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.电力系统中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。

4.不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

5.元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响。 6.系统短路时是金属性短路。

4.2 短路电流计算的步骤

目前在电力变电所建设工程设计中，计算短路电流的方法通常是采用实用曲线法，其步骤如下：

1.选择要计算短路电流的短路点位置；

2.按选好的设计接线方式画出等值网络图；

（1）在网络图中，首选去掉系统中所有负荷之路，线路电容，各元件电阻；

(2）选取基准容量 和基准电压UB（一般取各级的平均电压）基准有四个，即基准容量（SB）、基准电流（IB）、基准电压（UB）和基准阻抗（ZB）。在此计算中，选取基准容量SB=1000MVA，基准电压UB为各电压级的平均额定电压（115kV、37kV、10.5kV）。选定基

1 0

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

准量后，基准电流和基准阻抗便已确定：

2SBUBIB?ZB?3USB ； B 基准阻抗：基准电流：

(3)将各元件电抗换算为同一基准值的标么电抗（1）系统S或发电厂G的等效电抗标幺值：

或 （5.1）

式中 SS、SG—— 系统或发电厂的容量，MVA；

XS、XG—— 系统或发电厂以其本身容量为基准的等效电抗标幺值。 （4）线路电抗标幺值：

SXL*?X0LB2UB （5.2） 式中 X0—— 线路单位长度的电抗值，其中，单根导线为0.4Ω/km，二分裂导线为

0.31Ω/km；

L—— 线路的长度，km。 （5）变压器电抗标幺值：

U%本设计中主变为三绕组，已给出了各绕组两两之间的短路电压百分数，即K(1—2)、UK(1—3）%UK(2—3）%、。则可求出高、中、低压绕组的短路电压百分数，分别为

1UK1%?(UK(1—2）%?UK(1—3）%?UK(2—3）%)2 （5.3a） 1UK2%?(UK(1—2）%?UK(2—3）%?UK(1—3）%)2 （5.3b） 1UK3%?(UK(1—3）%?UK(2—3）%?UK(1—2）%)2 （5.3c）

再按与双绕组变压器相似的计算公式求变压器高、中、低压绕组的电抗标幺值，分别为

U%SXT1??K1?B100ST （5.4a）

XS??XSSBSSXG??XGSBSGXT2??

XT3?

（6）由上面的推断绘出等值网络图；

3.对网络进行化简，把供电系统看为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标幺值，即转移电抗；

4.求其计算电抗；

5.由运算曲线查出短路电流的标么值； 6.计算有名值和短路容量； 7.计算短路电流的冲击值；

( 1）对网络进行化简，把供电系统看为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减

1 1

UK2%SB? 100ST （5.4b） U%S?K3?B100ST （5.4c）

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

求出电流对短路点的电抗标幺值，并计算短路电流标幺值、有名值。

标幺值：

IId?diIj

有名值： di (2）计算短路容量，短路电流冲击值

短路容量：

短路电流冲击值：

I?Ij*Id

S?VjI''

Icj?2.55I''8.绘制短路电流计算结果表。

4.3 短路电流的计算

4.3.1短路点的计算

基准值选取SB=100MVA,UB为各侧的平均额定电压 1.主变压器参数的计算 ：

U12％=10.5 U13％=18 U23％=6.5

1U1％=×(10.5+18-6.5)=11

21U2％=×(10.5+6.5-18)=-0.5

21U3％=×(6.5+18-10.5)=7

22.电抗标么值：

X1=U1%?SB?11?100?0.22

100X2=U2%?SB??0.5?100??0.01

100SN10050X3=U3%?SB?7?100?0.14

100SN10050SN100503.站用变压器的计算：

Ud%=4

X4=Ud4.系统等值电抗计算 110kV母线侧：

XS1=r1l1

水电厂侧:

XS2=

火电厂侧：

1 2

4100?SB???40 1000.11000.1%SB100=65×0.4×=0.197 22115UB11S100r2l2B=20×0.4×=0.295 222236.8UB某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计 Xs3= r3l3

SB100=65×0.4×=0.197 22115UB100X水=0.2×=0.67

25/0.8100X火=0.18×=1.44

10/0.84.3.2 短路点的确定及其计算

在此变电所设计中，电压等级有四个，等值网络图如图4-1所示：

图4-1等值网络图

1.短路点k1的计算见图4-2

图4-2 k1等值网络图

短路回路总电抗为：

X?=

电源总额定容量：

0.197?0.705?0.15

0.197?0.705X?=

计算电抗 ：

255?2+=42.5MVA 0.80.842.5?0.06 100 Xjs=0.15×

1 3

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计 X*=

”

1?16.7 XjsI” =16.7×0.213=3.6kA Ish=2.55×3.6=9.18kA

Ich=1.52×I”=1.52×3.6=5.5kA S”=3?3.6?110?685.9MVA

2.短路点k2的计算见图4-3

图4-3 k2点等值网络图

短路回路总电抗为：

X?=

电源总额定容量：

0.302?0.6?0.2

0.902XN?=

计算电抗 ：

255?2+=42.5MVA 0.80.842.5?0.085 1001?11.8kA

js Xjs=0.2×X”*=

INZ?X?0.66kA 3?37I” =0.66×11.8=7.8kA Ish=2.55×7.8=19.89

Ich=1.52×I”=1.52×7.8=11.86kA S”=3?7.8?35?472.85MVA

3.短路点k3的计算见图4-4

42.5 1 4

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

图4-4 k3点等值网络图

短路回路总电抗为：

X?=1.042 电源总额定容量：

XN?=

计算电抗 ：

255?2+=42.5MVA 0.80.8Xjs=0.44 X”*=1Xjs?2.3

3?10.5I =2.3×2.3=5.3kA Ish=2.55×5.3=13.5kA

Ich=1.52×I”=1.52×5.3=8.1kA S”=3?5.3?10?91.8MVA

短路点k4的计算见图4-5

”

INZ?42.5?2.3kA

1 5

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

图4-5 k4点等值网络图

短路回路总电抗为：

X=42+1.042=41

?电源总额定容量：

XN?=

计算电抗 :

255?2+=42.5MVA 0.80.842.5?17.4 100 Xjs=41×X”*=

INZ?1?0.06 Xjs42.5?61.34kA

3?0.4I” =61.34×0.06=3.7kA Ish=2.55×3.7=9.4kA

Ich=1.52×I”=1.52×3.7=5.6kA S”=3?3.7?0.4?2.6MVA

4.3.3 绘制短路电流计算结果

表4.1 短路电流计算结果 数值 各量 X”*(kA) 110kV 35kV 10kV 0.4kV

16.7 11.8 2.3 0.06 I”(kA) 3.6 7.8 5.3 3.7 Ish(kA) 9.18 19.89 13.5 9.4 Ich(kA) 5.5 11.86 8.1 5.6 S”(MVA) 685.9 472.85 91.8 2.6

1 6

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

第五章 电气设备的选择

导体和电气的选择，必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到到技术先进合理、安全可靠、运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需要。

5.1电气设备选择的一般原则

1.应满足正常运行、检修、短路和过电压状态下的要求，并考虑远景发展。 2.应力求安全使用、技术先进、质量合格和经济合理。

3.应按当地环境条件长期工作条件下选择，按短路条件下校验，保证任何过电压情况下能正常运行。

4.应与整个工程的建设标准协调一致。 5.选择同类设备的品种不宜过多。

6.选用新产品应积极慎重，新产品应具有可靠的实验数据，并经过正式鉴定合格。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。 5.1.1电气设备选择的一般技术条件

选择的导体和电气应能在正常工作的条件下和发生过电压、过电流等情况下保持可靠运行。

5.1.2按正常工作条件选择电气设备

1.额定电压

电器允许最高工作电压（Ualm）不得低于所接电网的最高运行电压（USm），即Ualm≥

USm。一般情况下，可按电器的额定电压（UN）不低于装设地点电网额定电压（UNS）的条件选择，即UN≥UNS。

2.额定电流

电气设备的额定电流（IN），即在额定周围温度（?0）下的长期允许电流，考虑实际温度后，应不小于回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流（Imax），即

KIN≥Imax或KIal≥Imax (5.1)

式中 K—— 综合校正系数。

以下列出主要回路的最大持续工作电流的计算公式： 变压器回路：

Imax?1.05ITN?1.05STN(3UTN) (5.2) 母线回路：中低压母线，取母线上最大一台主变的最大持续工作电流； 高压母线：

Imax?(nSTN?S穿越?S高压负荷)（3UN) (5.3)

出线回路： 单回线 ：

Imax?Pmax远（3UNcos?)(1??%) (5.4) 双回线 ：

Imax?0.8P??max远（3UNcos?)(1??%) (5.5)

分段回路：

1 7

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

Imax?(0.5—0.8)ITN (5.6)

母联回路：取母线上最大一台主变的最大持续工作电流。 3.按当地环境条件校验

海拔条件：海拔在1000m以下时，可不考虑海拔条件；海拔在1000m及以上时，需考虑海拔对电气设备选择的影响。

温度条件：我国电气设备使用的额定环境温度分别为+40℃和+35℃。不同安装地区有不同的实际温度，表5.1列出了电气设备环境温度的确定方法，后面数据是本所实际环境温度。

表5.1 电气设备在不同安装场所的实际环境温度 实际环境温度?0（℃） 本所对应数值（℃）30 屋外 最热月平均最高温度 裸导体 屋内 最热月平均最高温度+5 35 40 屋外 年最高温度 电器 屋内 最热月平均最高温度+5 35 其它条件：电气设备的选择中，有些设备还要考虑到日照、风速、冰雪、污秽等环境条件的影响。 电气设备 安装场所 5.1.3 按短路情况校验 1.短路热稳定校验

导体热稳定校验条件：

S≥Smin?QKKSC (5.7)

式中 S、Smin—— 导体的实际截面、允许最小截面，mm2； Qk—— 短路热效应，（kA）2·s； KS—— 导体集肤效应系数； C—— 热稳定系数。 电器热稳定校验条件：

It2?t≥QK (5.8) 式中 It—— t秒时的短路电流，kA；

2.短路动稳定校验

导体动稳定校验条件：

ies≥ish 或 Ies≥Ish (5.9) 式中 ies（Ies）—— 动稳定电流峰值（有效值），kA； ish（Ish）—— 短路冲击电流峰值（有效值），kA。 电器动稳定校验条件：

?al≥?max (5.10)

式中 ?al、?max—— 导体允许应力、最大应力，Pa。

3.短路计算时间

t 导体热稳定校验的计算时间（tK）应为主保护动作时间（pr1）和断路器全开断动作时间（tab）之和，即

tK?tpr1?tab。

1 8

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

t电器热稳定校验的计算时间（tK）为后备保护动作时间（pr2）和断路器全开断动作

t?tpr2?tab时间（tab）之和，即 K。

4.其它方面校验

除以上各方面的校验外，电器还应进行绝缘水平方面的校验，导体还应进行共振（硬导体特有）、电晕等方面的校验。

5.2 高压电气设备

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。

1.电压

选用的电器允许最高工作电压，Umax不得低于该回路的最高运行电压Ug,即，Umax>Ug 2.电流

选用的电器额定电流Ie不得低于 所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig ，即Ie>Ig

校验的一般原则：

（1）电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动热稳定校验，校验的短路电流一般取最严重情况的短路电流。

（2）用熔断器保护的电器可不校验热稳定。 3.短路的热稳定条件

2td\222?Qd Qd?Q??10td/2?IrtIIItd

Qdt——在计算时间ts内，短路电流的热效应（kA2S）

2

It——t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（kAS） T——设备允许通过的热稳定电流时间（s） 校验短路热稳定所用的计算时间Ts按下式计算

t=td+tkd式中td ——继电保护装置动作时间内（S）

tkd——断路的全分闸时间（s）

热稳定校验 I2t*t>= QK

It、t-----电器允许通过的热稳定电流和时间 QK----短路电流热稳定效应

4.动稳定校验

电动力稳定是导体和电器承受短时电流机械效应的能力，称动稳定。满足动稳定的条件是：

ich?idw Ich?Idw

?12?I ——短路冲击电流幅值及其有效值

iI ——允许通过动稳定电流的幅值和有效值

I>= I

I、I-----短路冲击电流幅值和电器允许通过的动稳定电流幅值

ch上式中 ichdwdwesessh

sh5.绝缘水平

在工作电压的作用下，电器的内外绝缘应保证必要的可靠性。接口的绝缘水平应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。

由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。

1 9

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

高压电器没有明确的过载能力，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能方式下回路持续工作电流的要求。 5.2.1 断路器选择与校验

1.断路器形式的选择

除需要满足各项技术条件和环境条件外，还考虑便于安装调试和运行，维护，并经技术经济比较后才能确定。根据我国当前制造情况，电压6—220kV的电网一般选用少油断路器，QF选择的具体技术条件如下：

（1）电压：Ug(电网工作电压)≤Un

（2）电流：Ig.max (最大工作持续电流) ≤In （3）开断电流：Idt≤Ikd

Idt—QF实际开短时间t秒的短路电流周期分量 Ikd—QF的额定开断电流 （4）动稳定： ich≤imax

ich—QF极限通过电流峰值 imax—三相短路电流冲击值

（5）热稳定： I2∞tdz≤It2t

I∞—稳态三相短路电流

tdz=tz+0.05β

,,,,

β=I/I∞和短路电流计算时间t，可从（发电厂电气部分课程设计参考资料）短路电流同期分量等值时间t从而计算tdz。 2.QF选择

根据以下条件选择QF

电压：Ug(电网工作电压) ≤Un ； 电流：Ig.max (最大工作持续电流) ≤In

各回路的Ig.max见表4.1

表5.2QF型号及参数 型号 额定电压kV 110 110 36 10 10 额定电流A 额定开断电流kA 动稳定电流kA 80 80 80 80 29.4 热稳固有分闸定电时间S 流kA 31.5 31.5 25 31.5 17.3 ≤0.03 ≤0.03 ≤0.06 ≤0.06 ≤0.05 合闸时间S ≤0.12 ≤0.12 ≤0.06 ≤0.06 ≤0.2 T110kVOFPI-110 侧 110kVOFPI-110 侧出线 35kV出HB35 线侧 T10kVLN2-10 侧 10kV出ZN4-10C 线侧 站用 DW5-400 1250 31.5 1250 31.5 1250 25 1250 31.5 600 17.3 OFPI-110号QF见熊信银主编的（发电厂电气部分） HB35号QF见熊信银主编的（发电厂电气部分）

0.4-0.38 400 2 0

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

HB-10号QF见熊信银主编的（发电厂电气部分）

ZN4-10C号QF见（电力工程电气设备手册—电气一次部分） 3.QF校验

校验110kV侧QF

开断电流：

Idt≤Ikd

Idt=3.6kA Ikd=31.5kA

Idt＜Ikd

动稳定：

ich≤imax

ich =9.18kA imax=80 kA

ich＜imax 热稳定：

I2∞tdz≤It2t

β,,=I,,/I∞=3.6/3.6=1 t=2+0.03=2.03

查《发电厂电气部分课程设计》参考资料

tz=1.65S

tdz=tz+0.05β,,=1.65+0.05=1.70S

I2∞tdz=3.62×1.7=22.032[(kA)2.S]

It2t=31.5×31.5×3=2976.7[(kA)2.S]

则I2∞tdz＜It2t经以上校验此QF满足各项要求。

4.校验变压器35kV侧QF 开断电流：

Idt≤Ikd

Idt=7.8kA Ikd=25kA

Idt＜Ikd

动稳定：

ich≤imax

ich =19.89kA imax =80kA

ich＜imax

热稳定：

I2∞tdz≤It2t

β,,=I,,/I∞=7.8/7.8=1 t=2+0.06=2.06

查熊信银主编的《发电厂电气部分》

tz=1.65S

tdz=tz+0.05β,,=1.65+0.05=1.70S

I2∞tdz=7.82×1.70=103.43[(kA)2.S] It2t=25×25×3=1875[(kA)2.S]

则I2∞tdz＜It2t经以上校验此QF满足各项要求。

5.校验10kV侧QF 开断电流：

Idt≤Ikd

Idt=5.3kA Ikd=31.5kA

Idt＜Ikd

2 1

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

动稳定：

ich≤imax

ich =13.5kA imax=80kA

ich＜imax

热稳定：

I2∞tdz≤It2t

β,,=I,,/I∞=5.3/5.3=1 t=2+0.06=2.06

查发《电厂电气部分课程设计》参考资料

tz=1.65S

tdz=tz+0.05β,,=1.65+0.05=1.70S

I2∞tdz=5.32×1.7=47.75[(kA)2.S] 22

Itt=31.5×31.5×3=2976.7[(kA).S]

则I2∞tdz＜It2t经以上校验此QF满足各项要求。 5.2.2 隔离开关的选择与校验

1.110kV侧QS校验 动稳定：

ich≤imax

ich =9.18kA imax =80kA ich＜imax 热稳定：

I2∞tdz≤It2t

由校验QF可知

I2∞tdz=3.62×1.70=22.032[(kA)2.S] It2t=14×14×5=980[(kA)2.S] 则I2∞tdz＜It2t

经以上校验此QS满足各项要求。

2.35kV侧QS校验

动稳定：

ich≤imax

ich =19.89kA imax =80kA

ich＜imax 热稳定：

I2∞tdz≤It2t

由校验QF可知 ：

I2∞tdz=7.82×1.70=103.43[(kA)2.S]

It2t=23.72×3=1875[(kA)2.S]

则I2∞tdz＜It2t

经以上校验此QF满足各项要求。 3.10kV侧的校验 动稳定：

ich≤imax

ich=13.5kA imax =34kA ich＜imax

2 2

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

热稳定：

I2∞tdz≤I2tt

由校验QF可知 ：

I2∞tdz =5.32×1.70=47.75

I2tt=5.62×5 =156.8

则 I∞2tdz﹤I2tt

经以上校验此QF满足各项要求。 5.2.3 电流互感器选择与校验

具体技术条件如下： 1.一次回路电压：

Ug≤Un

式中 Ug——电流互感器安装处一次回路工作电压 Un——电流互感器额定电压

2.一次回路电流：

Ig.max≤In

式中 Ig.max—电流互感器安装处一次回路工作电流 In——电流互感器额定电流

当电流互感器使用地点环境温度不等于±40℃时，应对In进行修正，修正的方法与断路器In的修正方法相同。

3.准确级

准确级是根据所供仪表和继电器的用途考虑，互感器的准确级不得低于所供仪表的准确级。当所供仪表要求不同准确级时，应按其中要求准确级最高的仪表来确定电流互感器的准确级。

（1）与仪表连接分流器、变速器、互感器，中间互感器不低于以下要求。与仪表相配合分流表、变压器后准确级为0.5，与仪表相配合的互感器与中间互感器的准确级为0.5。仪表的准确级为1.5时，与仪表相配合分流器、变压器的准确级0.5。与仪表相配合的互感器与中间互感器的准确级为0.5。仪表的准确级为2——5时，与仪表相配合分流器变压器的准确级0.5与仪表相配合的互感器与中间互感器的准确二级1.0。

（2）用于电能测量的互感器准确级：0.5级有功电度表配用0.2级互感器。1.0级有功电度表应配用0.5级互感器。2.0级无功电度表也应配用0.5级互感器。2.0级有功电度表及3.0级电度表，可配用1.0级互感器。

（3）一般保护用的电流互感器可选用3级，差动距离及高频保护用的电流互感器宜选D级，零序接地保护可采用专用的电流互感器。保护用电流互感器一般按10%倍数曲线进行校验计算。

4.动稳定校验 ：

Ich≤2ImKdw

式中 Ich——短路电流冲击值

Im——电流互感器原边额定电流 Kdw——电流互感器动稳定倍数

5.热稳定校验 ：

I∞2tdz≤（Imkt）2

式中 I∞——稳态三相短路电流 tdz——短路电流发热等值时间 Im——电流互感器原边额定电流

2 3

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

Kt——t秒时的热稳定倍数

6.电流互感器的选择

根据如下条件选择电流互感器： 一次回路电压：

Ug（电网工作电压）≤Un

一次回路电流：

Ig.max（最大持续工作电流）≤In

各电流互感器的选择结果见下表：

表5.3 电流互感器的型号和参数 二次负荷 额定电准确 型号 次级组合 流比 A 级次 0.5级 1级 10%倍数 二次负荷Ω 20 1s热稳定倍倍数 数 动稳定倍数 110kLBV进线—110 侧 35kVLCW出线侧 —35 变压器LBJ10kV侧 —10 10kVLA出线侧 —10 2×300/5 15—1000/5 0.5/B B/B 0.5B 0.5B 0.5 1 D 0.5 1 3 2.0 15 70 183 0.5/3 0.5/D 1/D D/D 0.5/3 1/3 2 4 2 28 65 100 1000/5 0.5 40 50 90 300/5 0.4 10 75 135 其中：LB—110型号电流互感器见熊信银主编的（发电厂电气部分） LCW—35型号电流互感器见熊信银主编的（发电厂电气部分课程设计参考资料） LB—35型号电流互感器见熊信银主编的（发电厂电气部分） LBJ—10型号电流互感器见熊信银主编的（发电厂电气部分） LA—10型号电流互感器见熊信银主编的（发电厂电气部分）

7.电流互感器的校验 110kV进线侧电流互感器

动稳定：

Ich≤2 ImKdw

Ich=9.18kA=9180A 2 Im Kdw = 2×2×300×183=155280A Ich﹤2 ImKdw

热稳定：

I∞2tdz≤（Im Kt）2

由校验断路器可知

I∞2tdz =3.62×1.70=22.032[(kA)2·s] （Im Kt）2=(2×0.3×70)2=1764[(kA)2·s] I∞2tdz＜（Im kt）2

经以上校验此电流互感器满足各项要求。

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35kV出线侧电流互感器

动稳定：

Ich≤2 ImKdw

Ich =19.89kA=19890A

2 ImKdw=2×（5～1000）=707.11～141421.16A Ich＜2 ImKdw

热稳定 ：

I∞2tdz≤（Im kt）2

由校验断路器可知

I∞2tdz=7.82×1.70=103.43[(kA)2·s] （Im kt）2=（1×65）2=4225 [(kA)2·s] I∞2tdz＜（Imkt）2

经以上校验此电流互感器满足各项要求。 变压器10kV侧的电流互感器

动稳定：

Ich≤2 ImKdw

Ich =13.5kA=13500A

2 ImKdw=2×（1000～1500）×90=（127279～190919）A Ich＜2 ImKdw

热稳定：

I∞2tdz＜（Imkt）2

由校验QF可知：

I∞2tdz =5.32×1.70=47.75[(kA)2·s]

（Imkt）2=[(1～1.5)×50]2=(2500～5625) [(kA)2·s]

I∞2tdz＜（Imkt）2

经以上校验此电流互感器满足各项要求。 10kV出线侧电流互感器

动稳定：

Ich≤2ImKdw Ich=13.5kA=13500A

2ImKdw×(300～400) ×135=(57276 ～73638)(A) Ich﹤2 ImKdw 热稳定：

I∞2tdz＜（Imkt）2

由校验断路器可知：

(I∞Kt)2=5.32 ×1.20=33.71[(kA)2.S]

I∞2tdz＜（Imkt）2

经以上校验此电流互感器满足各项要求。 5.2.4 电压互感器的选择及校验

1.电压互感器选择的具体技术条件如下： （1）一次电压u1:1.1un> u1 >9un

式中：un—电压互感器额定一次线电压，其允许波动范围为±10﹪un

（2）二次电压u2n:电压互感器二次电压，应根据使用情况，按《发电厂电气部分课程

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某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

设计》参考资料。

（3）准确等级电压互感器应在那一等级下工作需根据接入的测量仪表，继电器和自动装置等设备对准确等级的需求确定。

（4）二次负荷s2: s2≤sn 式中：s2—--二次负荷。

sn ——----对应于在测量仪表的最高准确等级下，电压互感器的额定容量。

2.电压互感器的选择：

有电压互感器的技术条件使用情况

（1）110kV侧：Un=110(kV) U2n=100/3 (V) （2）35kV侧：U2n=100(kV) U2n=100(V) （3）10kV侧：U2n=10(kV) U2n=100(V) 三次测电压等级准确等级：1级。

参考由熊信银主编，中国电力出版社出版的《发电厂电气部分》表5.4电压互感器选择如下所示：

表5.4 电压互感器型号及参数 型式 单相式 JDC6—110 JDJ2—35 JDJ—10 额定变比 (110000/3)/(100//100 35000/100 10000/100 在下列准确等级下额定容量（kVA） 0.5级 1级 3级 最大容量（VA） 2000 1000 640 3) 300 150 80 500 250 150 (500) 500 320 5.2.5 母线与电缆的选择与校验

送电线路导线截面积选择的一般方法是：先按电流初选导线标称截面积，然后进行电压损失，机械强度，电晕，发热等技术条件的校验，送电线路导线截面的选择，应根据5～10年电力系统发展的规定进行。

1.35kV母线的选择

按经济电流密度选择母线截面，35kV最大持续工作电流查表得Ig.max=259.82(A) 采用铝母线参考由熊信银主编，中国电力出版社出版的《发电厂电气部分》，图6.4查得Tmax=5600h/a经济电流密度J=0.86.(A/㎜2)则母线经济截面为：

S=Ig.max/J=692.28/0.74=935.5(㎜2)

参考由熊信银主编，中国电力出版社出版的《发电厂电气部分》表5.14选择35kV母线围殴：（80×10）型矩形母线。平方允许载流量：

IY=1411A(θ=70℃,θ = 25℃)。

因实际环境温度θ=θ0=25℃。综合修正系数K=1.00.故：

KIY=1411(A)> Ig.max=692.82(A)。

可满足长期发热要求。

2.10kV母线的选择与校验

（1）按经济电流密度选择及母线截面

10kV最大持续工作电流查表得Ig.max=454.68(kA)。采用铝母线由《发电厂电气部分》图6.4查得Tmax=5600h/a。经济电流密度，J=0.74A/㎜2则母线经济截面为：

S= Ig.max/J=1212.44/0.74=1638.4(㎜2)

参考由熊信银主编，中国电力出版社出版的《发电厂电气部分》附表2.1选用每相2

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某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

条80mm×10mm=800(㎜2)，矩形S铝导体平时IN=2.218,采用效应系数KS=1.30。因实际环境温度θ=θ0=25℃. 参考由熊信银主编，中国电力出版社出版的《发电厂电气部分》表5-17综合修正系数K=1.00,故θ=25℃，允许电流为：KY=1×2128=2128(A)> Ig.max=1212.44（A），可满足长期发热要求。

（2）热稳定校验

由短路电流周期分量θk=θp=165[(kA)2.S]。 母线正常运行最高温度为：

θw=θ+(θal－θ )( ImaxIal)2=25+(70-25)×(1212.44/2128.) 2=39.6℃.

参考《发电厂电气部分》表6.3得C=99.则母线最小截面Smin为：

Smin=QkKs/C=147.83<1600(mm2)

满足热稳定。

（3）动稳定校验

由短路电流计算结果表查得短路冲击电流为：

ich=19.89(kA)

相间距离d取0.35m

fph=1.73×10-7×(l/a)×ich2×β

=1.73×10-7×(1/0.35)×(19.89×103) ×1=246.8(N/m)

Wph=bh3/3=0.01×0.083/3=2.13×10-5(m3)

σph= fph l3/10 Wph=(246.8×1.52)/(10×2.13×10-5)=2.61×106(pa)

由b/h=10/80=0.125,(2b-b)/(b+R)=(2×10-10)/(10+80)=0.111，参考熊信银主编的《发电厂电气部分》图2.15得；K12=0.48，同相条件应为：

Fb=0.25×10-7×ich2/b×K12=0.25 ×10-7 ×(198902/0.01 )×0.48=474.7(N/m)

Ltmax=1.5/1.10=1.29,即会满足动稳定所必须的最少衬垫数为2个，实际衬垫距为：lb=L/2=1.5/2=0.75n1﹤ Ltmax满足动稳定的要求。

3.10kV出线电缆的选择及校验 （1）按额定电压：

Ug.max﹤Un

（2）按最大持续工作电流选择电缆面积S查表得Ig.max=51.96A。

参考由熊信银主编，中国电力出版社出版的《发电厂电气部分》附表2—4，附表2—6选择S=120㎜2电缆。

温度修正系数：

Kt=(θal -θ)/( θal -25)=（90-15）/（90-25）=1.15

其中θ为土壤温度，参考《发电厂电气部分》附表2—9及附表2—10得土壤热阻修正系数KS=1.0，直埋两根并列整设系数K4=0.92。允许载流量Ial=KlK3K4In=1.15×1.0×0.92×245=259.21﹤388.13(A)，满足长期发热要求。

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某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

第六章 防雷和接地设计

电气设备在运行中承受的过电压，有来自外部的雷电过电压和由于系统参数发生变化时电磁能产生振荡，积聚而引起的内部过电压两种类型。按其产生原因，它们又可分为以下几类：雷电过电压分为直击雷过电压、感应雷过电压和侵入雷电波过电压；内部过电压包括工频过电压、谐振过电压以及操作过电压（操作电容负荷过电压、操作电感负荷过电。

6.1 防雷设计

6.1.1 变电站的直击雷保护

为了避免变电站的电气设备及其它建筑物遭受直接雷击，需要装设避雷针或避雷线，使被保护物体处于避雷针或避雷线的保护范围之内；同时还要求雷击避雷针或避雷线时，不应对被保护物发生反击。

1.变电站应装设直击雷保护装置的设施

（1）屋外配电装置，包括组合导线和母线廊道；

（2）油处理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、装设油台、大型变压器修理间、易燃材料仓库等建筑物；

（3）雷电活动特殊强烈地区的主厂房、主控制室和高压屋内配电装置室。 2.直击雷保护的措施

（1）对主厂房需装设的直击雷保护，或为了保护其它设备而在主厂房上装设的避雷针，应采取如下措施：

a．加强分流：用扁钢将所有避雷针水平连接起来，并与主厂房内钢筋焊接成一体。在适当地方接引下线，一般应每隔10～20m引一根。引下线数目尽可能多些；

b．防止反击：设备的接地点尽量远离避雷针接地引下线的入地点，避雷针接地引下线尽量远离电气设备； c．装设集中接地装置：上述接地应与总接地网连接，并在连接处加装集中接地装置，其工频接地电阻应不大于10Ω。

（2）主控制室及屋内配电装置直击雷的保护措施：

a．若有金属屋顶或屋顶上有金属结构时，将金属部分接地； b．屋顶为钢筋混泥土结构，将其钢筋焊接成网接地。

综上，对变电所必须进行防雷保护的对象和措施，可见表6.1：

建筑物及构筑物名称 表6.1 变电所必须进行防雷保护的对象和措施 建筑物的结构特点 金属结构 110kV及以上配电装置 钢筋混泥土结构 金属结构 钢筋混泥土结构 钢筋混泥土结构 钢筋混泥土结构 防雷措施 在架构上装设避雷针或独立避雷针 在架构上装设避雷针或独立避雷针。当在架构上装设避雷针时，可将架构支柱主钢筋作引下线接地，作引下线的钢筋不少于2根 装设独立避雷针 装设独立避雷针；在不能装设独立避雷针时，考虑在附近主厂房屋顶装设避雷针 金属架构接地 但在雷电活动特钢筋焊接成网并接地 殊强烈地区应设独立避雷针 钢筋焊接成网并接地 钢筋焊接成网接地 屋外安装的变压器 屋外组合导线及母线桥 主控制楼（室） 屋内配电装置 变压器检修间 2 8

某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

本设计中采用110kV、35kV配电装置构架上装设避雷针，10kV屋内配电装置上装设独立避雷针进行直接保护，钢筋混泥土结构焊接成网并接地，为了防止反击，主变构架上不设置避雷针。

6.1.2 变电站的侵入雷电波保护

1.配置原则

变电站采用避雷针保护后，电气设备几乎可以免受直接雷击。而在与变电站相连的长达数十、数百公里的输电线路上，虽然有避雷线保护，但由于雷电的绕击和反击，仍然会危及变电站中的电气设备。雷击线路时无论发生绕击还是反击，都会自雷击点产生向变电站方向传播的入侵电压波，入侵电压波的最大幅值等于线路绝缘的冲击放电电压，而变电站电气设备的绝缘水平通常低于低压线路的绝缘水平，因此入侵波对变电站的电气设备会构成严重威胁。

变电站中限制雷电入侵波过电压的主要措施是装设避雷器。在母线上装设避雷器是限制雷电入侵波过电压的主要措施。对于110kV及以下的一般变电站，无论变电站的电气主接线形式如何，实际上只要保证每一段可能单独运行的母线上都装有一组避雷器，就可以使整个变电站得到保护。只有当母线或设备连接线很长的大型变电站，或靠近大跨越、高杆塔的特殊变电站，经过计算或验证证明以上布置不能满足要求时，才需要考虑是否在适当位置增设避雷器。

根据避雷器的配置原则，本设计中配电装置的每组母线上，应装设避雷器。此外，变压器中性点接地必须装设避雷器，并接在变压器和断路器之间。避雷器的类型选择为阀式避雷器。

2.避雷器的选择

（1）磁吹阀式避雷器的电气参数如下：

1）额定电压Ube：避雷器的额定电压应与其安装地点系统的额定电压等级相同。 2）灭弧电压Umi：对10kV及以下的中性点不接地系统，灭弧电压取为最高工作线电压的100%～110%；对110kV及以上的中性点直接接地系统，灭弧电压取为系统最大工作线电压的80%。

3）工频放电电压Ugf：指在工频电压作用下，避雷器发生放电的电压值。在中性点绝缘或经阻抗接地的电网中，工频放电电压一般大于最大运行相电压的3.5倍；在中性点直接接地的电网中，工频放电电压应大于最大运行相电压的3倍。工频放电电压应大于灭弧电压的1.8倍。

4）残压Ubc：按Ubc?2.35?2?Umi ( 6.1 )

计算来确定。

5）冲击放电电压Uchfs：我国生产的避雷器其冲击放电电压与5kA的残压基本相同。 （2）避雷器的选择与校验

1）110kV侧避雷器的选择和校验 ①型式的选择

根据规程及本设计，选用FCZ系列磁吹阀式避雷器。 ②额定电压的选择：

kV ( 6.7 ) Ubc?UN?net?110因此选FCZ-110避雷器，其参数如下表6.3所示。

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某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

表6.3 FCZ-110避雷器参数 灭弧电压有效值（kV） 126 工频放电电压有效值（kV） 不小于 255 不大于 290 冲击放电电峰8/20?s冲击值（1.5/20?s）残压不大于不大于（kV） （kV） 345 365 型号 额定电压（kV） 110 FCZ-110 ③灭弧电压校验： 最高工作电压： Umax?1.15UN?net?1.15?110?126（kV）

直接接地： Umi?cdUmax?0.8?126?100.8kV，满足要求。 ④工频放电电压校验：

126下限值： Ugfx?255kV?K0Uxg?3??218kV

3上限值： Ugfs?1.2Ugfx?1.2?218?261(kV)?290kV

上、下限值均满足要求。

⑤残压校验：Ubc?2.35?2?Umi?2.35?2?100.8?334＜365kV，满足要求。 （kV）⑥冲击放电电压校验：Uchfs?0.95＜345kV，满足要求。 Ubc?0.95?334?317（kV）综上，所选FCZ-110 型避雷器满足要求。 2）10kV侧避雷器的选择和校验 ①型式的选择

根据规程及本设计，选用FZ系列普通阀式避雷器。 ②额定电压的选择：

Ubc?UN?net?10kV

因此选FZ-10避雷器，其参数如下表6.4：

表6.4 FZ-10避雷器参数 额定电压（kV） 10 灭弧电压有效值（kV） 12.7 工频放电电压有效值（kV） 不小于 22 不大于 31 冲击放电电峰值（1.5/20?s）不大于（kV） 134 8/20?s冲击残压不大于（kV） 134 型号 FZ-10 ③灭弧电压校验： 最高工作电压： Umax?1.15 ( 6.8 ) UN?net?1.15?10?11.（5kV）非直接接地： Umi?cdUmax?1.0?11.5?11.5kVkV ( 6.9 ) 满足要求。

④工频放电电压校验：

下限值： Ugfx?22kV?K0Uxg?3.5?上限值： Ugfs?1.2Ugfx11.5?23.24（kV） 3?1.2?23.24?27.89(kV)?31(kV)

上、下限值均满足要求。 6.1.3 变压器的防雷保护

三绕组变压器在正常运行时，可能出现只有高、中压绕组工作而低压绕组开路的情况。这时，当高压或低压侧有雷电波作用时，因处于开路状态的低压侧对地电容较小，低压绕

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某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

组上的静电分量可达很高的数值以致危及低压绕组的绝缘。为了限制这种过电压，需在低压绕组出线端装一组避雷器，但若在低压绕组接有25m以上金属外皮电缆时，因对地电容增大，足以限制静电感应过电压，故可不必再装避雷器。

主变压器110kV、35kV侧中性点是直接接地，因而需在中性点装设雷电过电压保护装置，选用金属氧化物避雷器。10kV侧中性点是非有效接地，其中性点采用全绝缘，运行经验表明不加保护时的故障率很低，故一般不需保护。

所用变压器高、低压侧均需装设阀式避雷器。 6.1.4 内部过电压保护

内部过电压是指由于短路器操作、故障或其它原因，使系统参数发生变化，从而引起电网电磁能量的转化或积累所造成的电压升高。内部过电压可分为操作过电压和暂时过电压两类。操作过电压的持续时间一般很短（0.1s以内），采用某些限压装置和其它技术措施加以限制。 暂时过电压持续的时间一般较长，应采用相应的措施加以限制。如为了限制电弧接地过电压对设备绝缘的威胁，本设计主变压器110kV侧采用中性点直接接地的方式，这样单相接地将会造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸而切断故障，经过一段短时间歇，让故障点电弧熄灭后再自动合闸，如能成功，可立即恢复送电；如不能成功，断路器将再次跳闸，不会出现断续电弧现象，可限制电弧接地过电压。

6.2 接地设计

6.2.1 接地概述

接地就是将需要接地的部分与大地相连。根据接地目的接地可分为防雷接地、工作接地和保护接地等。而与大地的连接都是靠接地装置来实现，接地装置由埋入地中的接地体和引下线构成。变电站的接地装置除了减小接地电阻，以降低雷电流或短路电流通过时其上的电位升高的作用，而且还有均衡地面电位分布、降低接触电位差和跨电位差的作用。而变电所中防雷接地是关键，防雷设备限压功能的发挥离不开良好的接地。防雷接地是将雷电流安全导入大地进行的接地，避雷针、避雷器的接地就是防雷接地。就防雷保护而言，其接地电阻都不能超过国家有关标准规定的数值。影响接地装置接地电阻的主要因素是土壤电阻率、接地装置的形状和尺寸，接地电阻可通过相关的公式计算。

按接地装置内、外发生接地故障时，经接地装置流入地中的最大短路电流所造成的接地电位升高及地面的电位分布不致于危及人员和设备的安全，将变电站范围的接触电位差和跨步电位差限制在安全值之内的原则，进行本变电站接地装置的设计。 6.2.2 接地网型式的选择

110kV及以下变电站地网网格布置采用长孔网或方孔网，接地带布置按经验设计，水平接地带间距通常为5m～8m。除了在避雷针（线）和避雷器需加强分流处装设垂直接地极外，在地网周边和水平接地带交叉点设置2.5m～3m的垂直接地极，进所大门口设帽檐式均压带，接地网结构是水平地网与垂直接地极相结合的复合式地网。

长孔与方孔地网网格布置尺寸按经验确定，没有辅助的计算程序和对计算结果进行分析，设计简单而粗略。因为接地网边缘部分的导体散流大约是中心部分的3～4倍，因此，地网边缘部分的电场强度比中心部分高，电位梯度较大，整个地网的电位分布不均匀。接地钢材用量多，经济性差。在110kV及以下的变电工程中采用长孔网或方孔网，因为入地故障电流相对较小，地网面积不大，缺点不太突出。

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某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计

结 论

本次设计把我们所学专业的理论与实际紧密的联系起来，学习并掌握了传统的设计手段，着重培养了自己对电力系统的基本设计能力及三年来所学专业知识的综合应用能力；培养了独立分析和解决问题的能力，提高了工作能力和工程设计的基本技能，对我的专业知识有了一个新的提高。

设计题目为《某市 110kV 中心变电所电气一次部分初步设计》主要内容是电气主接线设计，变压器的选择，短路点计算，电气设备的选择与效验，防雷保护。变电所的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，对电力系统安全、稳定、灵活、经济运行及变电站电气设备的选择将会产生直接的影响，通过短路点的计算来对系统的各种故障进行分析，并以次来效验各种电气设备的选择是否符合要求。

通过设计实现了变电站的可靠性、灵活性和经济性的运行，基本上满足了本次设计任务书的要求，同时也满足变电站的设计要求。

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致 谢

本次设计有周老师指导，此外本设计在编写过程中曾得到许多同仁的热忱支持，并提供了大量的资料和有益的建议，在此一并感谢。限于编者的水平,加之时间非常的紧促,因此设计书中可能有错漏和不妥之处,请指导老师批评指正，提出宝贵意见。

在此次设计中虽充分采纳了老师和同学们的经验和意见，几经修改，但由于时间仓促，能力有限，难免有错误和不妥之处，敬请各位老师和同学批评指正。

谢谢！

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附 录

1101#主变35母线母线综合小水电接省电网2#主变本市火电厂外接10电源10母线0.4母线站用电市城区电化机肥厂厂工业区化农纤机厂厂开发区某市110kV中心变电所电气一次部分的主接线图

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参考文献

[1] 刘宝贵，杨志辉，马仕海，发电厂变电所电气部分。中国电力出版社，2008。 [2] 王士政主编，《电力工程类专题课程设计与毕业设计指导教程》中国水利电力出版社，2007 年第一版

[3]工厂常用电气设备手册，北京:中国电力出版社,1997（第二版）。 [4] 电厂及变电所设备手册

[5]水电站机电设计手册（电气一次） [6]电力工程设计手册（电气部分）

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毕业设计（论文）评语

题目 某市110kV中心变电所电气一次部分初步设计 专业 电力系统自动化技术 班级 电力09-3班 姓名

指导老师评语：（根据完成“毕业设计（论文）任务书”规定工作的情况：创新性评价、写作的规范化程度、存在的问题、是否可以提交答辩等。） 指导教师（签名） 年 月 日 答辩委员会（小组）评语：（根据学生答辩回答问题时知识面掌握、逻辑思维能力、口头表达能力、回答问题的正确性等综合填写。） 答辩委员会（小组）负责人（签名） 年 月 日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ktl3.html