110kv变电站二次设计部分

目 录

摘要 ................................................................................................................... Ⅰ 绪论 .................................................................................................................... 1 第1章 变电站的分析与设计 .............................................................................. 3

1.1变电站的总体分析 ................................................................................................................................ 3 1.2 变电站的负荷分析 ............................................................................................................................... 4

第2章 主变压器的选择及主接线选择 ................................................................ 7

2.1 主变压器的选择 ................................................................................................................................... 7 2.2 电气主接线设计 ................................................................................................................................. 11

第3章 短路电流的计算 .................................................................................. 19

3.1 短路的概念及路电流的种类 ............................................................................................................. 19 3.2 短路电流的计算 ................................................................................................................................. 20 3.3 在最大运行方式下的短路电流 ......................................................................................................... 23 3.4 短路电流计算结果 ............................................................................................................................. 30

第4章 线路保护 .............................................................................................. 31

4.1 电力系统继电保护的作用 ................................................................................................................. 31 4.2 输配电线保护 ..................................................................................................................................... 34 4.3 线路末端短路电流 ............................................................................................................................. 34 4.4 线路保护整定 ..................................................................................................................................... 35

第5章 变压器的保护 ....................................................................................... 37

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5.1 变压器装设的保护 ............................................................................................................................. 37 5.2 变压器保护的整定方法 ..................................................................................................................... 38 5.3 变压器差动保护整定计算 ................................................................................................................. 40 5.4 变压器最大运行方式下10kv侧的短路电流 ................................................................................... 41 5.5 纵差保护的整定计算 ......................................................................................................................... 45 5.6 变压器过流保护整定计算 ................................................................................................................. 46

第6章 母线保护 .............................................................................................. 50

6.1 简介 ..................................................................................................................................................... 50 6.2 母线的保护方式 ................................................................................................................................. 50 6.3 双母线同时运行时母线保护 ............................................................................................................. 51

第7章 防雷保护和接地设计 ............................................................................ 52

7.1 直击雷保护 ......................................................................................................................................... 52 7.2 雷电侵入波保护 ................................................................................................................................. 53

总结 .................................................................................................................. 55 致谢 .................................................................................................................. 56 参考文献 ........................................................................................................... 57 附录Ⅰ电气主接线图 附录Ⅱ变压器保护原理图 附录Ⅲ 线路电流保护

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摘要

本次设计任务旨在体现对本专业各科知识的掌握程度，同时检验本专业的学习结果。首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势。从负荷增长方面阐明了建站的必要性，然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了110kV，35kV，10kV以及站用电的主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，做出线路保护，变压器保护，母线保护，防雷保护。从而完成了110kV电气二次部分的设计。 关键词：电力系统，短路电流，继电保护。

ABSTRACT

Design the task this time is aim at intensity of mastering of every subject knowledge of this speciality reflecting, and of test this speciality’s study result. first, analyze the tend of load department according to all parameter of load about system and circuit on task book. It expounds the necessity to this situation from the rspect of increasing load. Then through to the generalization of planning to build the transformer substation and the analysis of the load materials, safe, economy and dependability are considered, has confirmed the mainly wiring form of 110kV, 35kV, 10kV. Calculated and supplied power in the range and confirmed TV station's number of the main voltage transformer

through load finally, capacity and type, capacity and type of using the voltage transformer stand surely at the same time, finally, the result of calculation of calculating that and short out according to the electric current of largest lasting job, make the circuit to protect, the voltage transformer is protected, the bus bar is protected, prevent the thunder from protecting. Thus finished electric designs of the part two times of 110kV.

Key Words：Power system；short out in the electric current；relay protection.

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绪论

电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。

由于电能在工业及国民经济的重要性，电能的输送和分配是电能应用于这些领域不可缺少的组成部分。所以输送和分配电能是十分重要的一环。变电站使电厂或上级电站经过调整后的电能书送给下级负荷，是电能输送的核心部分。其功能运行情况、容量大小直接影响下级负荷的供电，进而影响工业生产及生活用电。若变电站系统中某一环节发生故障，系统保护环节将动作。可能造成停电等事故，给生产生活带来很大不利。因此，变电站在整个电力系统中对于保护供电的可靠性、灵敏性等指标十分重要。

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。这就要求变电所的一次部分经济合理，二次部分安全可靠，只有这样变电所才能正常的运行工作，为国民经济服务。

变电站是汇集电源、升降电压和分配电力场所，是联系发电厂和用户的中间环节。变电站有升压变电站和降压变电站两大类。升压变电站通常是发电厂升压站部分，紧靠发电厂。将压变电站通常远离发电厂而靠近负荷中心。这里所设计得就是110KV降压变电站。它通常有高压配电室、变压器室、低压配电室等组成。

变电站内的高压配电室、变压器室、低压配电室等都装设有各种保护装置，这些保护装置是根据下级负荷地短路、最大负荷等情况来整定配置的，因此，在发生类似故障是可根据具体情况由系统自动做出判断应跳闸保护，并且，现在的跳闸保护整定时间已经很短，在故障解除后，系统内的自动重合闸装置会迅速和闸恢复供电。这对于保护下级各负荷是十分有利的。这样不仅保护了各负荷设备的安全利于延长是使用寿命，降低设备投资，而且提高了供电的可靠性，这对于提高工农业生产效率是十分有效的。工业产品的效率提高也就意味着产品成本的降低，市场竞争力增大，进而可以使企业效益提高，为国民经济的发展做出更大的贡献。生活用电等领域的供电可靠性，可以提高人民生活质量，改善生活条件等。可见，变电站的设计是工业效率提高及国民经济发展的必然条件。

由于本地区经济发展的需要电力供不应求的情况下，为了适应本地区经济的发展要在本地区建设110kV变电站。

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具体要求如下：

本电力系统应包括变电，配电以及相应的通信、安全自动、继电保护、调度自动化等设施。在国家发展计划的统筹规划下，合理的开发资源，用最少的资金为国民经济各部门及人民生活提供充足、可靠、合格的电能。

本次设计的变电站为110KV变电站，其下级负荷为35KV级乡镇企业、农业和10KV级工业及其它负荷。这些负荷不仅包括水泥厂、开关厂等工业部门，也有政府、市区等非工业部门。他们对供电的要求不同。依照先行的原则，依据远期负荷发展本设计该变电所，本变电站主要任务是把110KV变成35kV和10kV电压供周边城乡使用。尤其对本地区大用户进行供电，改善提高供电水平，提高了本地供电质量和可靠性。

现在，随着大电网系统的建设，输电的电压等级越来越高，这一方面使降低损耗的需要，另一方面也是工业生产等负荷发展的需要。我国目前广泛采用的输电等级有110KV、220KV等级别，还有500KV级的输电线路也在迅速发展，所以110KV级的变电站在电力系统中的应用也十分广泛。并且伴随电力系统中所用电气元件产品诸如断路器、继电器、隔离开关等性能指标的提高，变电站的功能也会越来越完善，可靠性也会得到很大的提高。

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第1章 变电站的分析与设计

1.1变电站的总体分析

电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。

随着社会的发展，电能被日益广泛的应用于工农业生产以及人民的日常生活中。电能可以方便的转化为期他形式的能源，例：机械能、热能、光能、磁能等，并且电能的输送和分配易于实现，可以输送到需要它的人和工作场所和生活场所。电能的应用规模也很灵活以电能作为动力，可以促进工农业的机械化和自动化。保证产品质量大幅度提高劳动生产率。同时提高电气化程度以电能代替其它形式的能源，是节约能源消耗的一个重要的途径。 为了满足市区生产和生活的供电要求，决定要在YB市新建一所110KV降压变电站。变电站的站址选择靠近公路，有良好的交通运输条件，同时也为变电站职工的生活提供了方便。变电站所处区域地势平坦、土质为黏土，海拔200米，地势平坦，为非强地震区，输电线路走廊宽阔，有利于线路架设和电气设备的安装，全线为黄土层带。地耐力为2.4kg，天然容重r＝2gcm2cm3，内擦角?＝230，

土壤电阻率为小于400欧·米，变电所保护地下水位低，水质良好，无腐蚀性。有利于变电站的经济运行，另外，也降低对防雷保护装置的要求。

气象条件：年最高气温＋400c，年最低气温－300c，年平均气温＋200c，最热月平均最高气温＋300c，当地雷暴日：40日／年，属于我国第六标准气象区。变电站选址避开了大气严重污秽和严重盐雾地区及冬季主导风向的影响，即避开了工业电力负荷，如化肥厂、纺织厂、水泥厂、柴油机厂等污染企业的影响。此外，这些电力负荷位于变电站的北部和南部，变电站设在污染源的下风口（冬季主导风向为西北风），受到轻微污染，影响电力系统的运行性能。变电站东部没有重要的电力负荷，这为进出线提供了广阔的线路走廊，还有利于变电站的扩建 ，另外，变电站选址还考虑了变电站与附近设施的影响。因此，若变电站选址不当，必将影响企业供电系统的主接线方式，电网的损失及投资的大小，还可能引起电力倒流，甚至产生更严重的后果。

根据电力系统规划，本变电所的规模如下: 电压等级：110/35/10KV

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线路回数：110KV 侧 2回（架空线）。 35KV侧 6回（架空线）。 10KV侧 12回（其中电缆6回）。

该变电所位于YB市郊东南郊，交通便利，变电所的西边为10KV负荷密集区，主要有棉纺厂、食品厂、印染厂、针织厂、柴油机厂、毛纺厂及部分市区用电。变电所以东主要有35KV的水泥厂、化肥厂及市郊其它用电。

图1－1 系统接线简图

1.2 变电站的负荷分析

根据负荷允许停电程度的不同，可以将负荷分为三个等级，即一级负荷、二级负荷、三级负荷。等级不同，对电力系统供电可靠性与稳定性的要求也不同。如果停电，一级负荷将造成人身伤亡或引起对周围环境严重污染对工厂将造成经济上的巨大损失，如重要的大型的 设备损坏，重要产品或用重要原料生产的产品大量报废，还可能引起社会秩序混乱或严重的政治影响。二级负荷会造成较大的经济损失，如生产的主要设备损坏、产品大量报废或减产；还可能引起社会秩序混乱或较严重的政治影响。三级负荷造成的损失不大或不会造成直接经济损失。由此可知，供电的稳定性直接影响经济的发展，负荷等级不同，对供电的要求也不相同：对于一级负荷，必须有二个独立电源供电，且任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。对特别重要的一级负荷应该由二个独立电源点供电。对于二级负荷，一般要有两个独立电源供电，且任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷供电。对于三级负荷，一般只需一个电源供电。

对于110KV侧，有市甲线、市系线，通过甲变电站、乙变电站和SI、SII相连，构成了电力系统环网。如果有任何一条线路发生故障，会直接影响电力系统环网运行的稳定性。由于各条线路的最大穿越功率不同，对电力系统造成的破坏程度也有所不同。但是，它们都会影响变电站的稳定运行，电能质量下降，导致变电 站变压器容量在三相不平衡负荷下运行，产生谐波电流，造成严重的后果。

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表1—1 35kv负荷分析

电压 等级 负荷 名称 郊一 郊二 35 kv 郊三 水泥厂1 水泥厂2 水泥厂3 最大负荷（MW） 负荷组成(﹪) 近期 4.8 6 6 3.6 3.6 3.6 远景 7.2 8.4 8.2 4.8 4.8 4.8 一 5 5 5 15 15 15 自然 Tmax线长 (KM) 12 16 16 20 20 20 功率 (H) 二 30 30 30 30 30 30 0.85 6500 0.85 6500 0.85 6500 0.85 6500 0.85 6500 0.85 6500 1.2.1 Ⅰ、Ⅱ类负荷分析

P郊一?P郊二?P水泥厂一?P水泥厂二cos?S35kv?(1?5%)kt

＝

7.2?8.4?8.2?4.8?4.8?4.8?1.05?0.92

0.85＝27.048MVA

SI、??(S郊一??S郊二??S水泥厂一??S水泥厂二?)?1.05?kt ＝（2.8＋3.27＋2.4＋2.4+2.8+2.4）?1.05?0.92

＝10.5MVA

S?、?10.5＝38.8％ ?％＝

S35kv27.048在35KV负荷中一、二类负荷比较大，发生断电时，会造成生产机械的寿命缩短产品质量下降和一定的经济损失.因此要尽可能保证其供电可靠性。

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表1-2 10KV负荷分析

电压 等级 负荷 名称 最大负荷(MW) 近期 4.8 4.8 3.6 3.6 2.4 2.4 2.4 3.6 3.6 3.6 远景 6 6 9.6 4.8 4.8 3.6 3.6 4.8 4.8 4.8 3.6. 3.6 负荷组成 (﹪) Tmax 线长 自然功率 (H) (KM) 一 二 20 20 30 30 20 20 30 20 20 20 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 3.5 3.5 4.5 4.5 2.5 1.5 3 2 2 2 10kv 棉纺厂1 棉纺厂2 印染厂1 印染厂2 毛纺厂 针织厂 橡胶厂 市区1 市区2 市区3 备用1 备用2 在10KV负荷中，印染、毛纺厂、针织厂、棉纺厂、橡胶厂、市区一、二、三类负荷比较大；若发生停电对企业造成出现次品，机器损坏，甚至出现事故，对市区医院则造成不良政治和社会影响，严重时造成重大经济损失和人员伤亡，必须保证其供电可靠性。

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第2章 主变压器的选择及主接线选择

2.1 主变压器的选择 2.1.1 主变容台数的选择

（1）对大城市郊区的一次变，在中、低压侧构成环网情况下，装两台主变为宜。

（2）对地区性孤立的一次变或大型的工业专用变电所，设计时应考虑装三台的可能性。

（3）对规划只装两台主变的变电所，其主变基础宜大于变压器容量的1-2级设计，以便负荷发展时更换主变。

变压器的容量、台数直接影响到变电站的电气主接线形式和配电装置的结构。它的确定除了依据传递容量基本原始资料外，还要根据电力系统5—10年的远景发展计划，输送功率的大小、馈线回路数、电压等级以及接入电力系统中的紧密程度等因素，进行综合分析与合理的选择。 2.1.2 主变容量选择

根据“35～110KV变电所设计规范”主要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的15％以上，主要变压器宜采用三线圈变压器。

由于我国电力不足、缺电严重、电网电压波动较大。变压器的有载调压是改善电压质量、减少电压波动的有效手段。对电力系统，一般要求110KV及以下变电所至少采用一级有载调压变压器，因此城网变电所采用有载调压变压器的较多。 2.1.3 主变容量选择原则

（1）主变容量选择一般应按变电所建成后5-10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期几年发展，对城郊变电所，主变容量应与城市规划相结合。

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（2）根据变电所带负荷性质和电网结构来确定主变容量，对有重要负荷的变电站应考虑一台主变压器停运时，其余主变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一、二级负荷；对一般性变电站，当一台主变停运时，其余主变压器应能保证全部负荷的60％。

(3)同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化，标准化。（主要考虑备用品，备件及维修方便） 2.1.4 主变台数的选择原则 （1）对大城市郊区的一次变，在中、低压侧构成环网情况下，装两台主变为宜。

（2）对地区性孤立的一次变或大型的工业专用变电所，设计时应考虑装三台的可能性。

（3）对规划只装两台主变的变电所，其主变基础宜大于变压器容量的1-2级设计，以便负荷发展时更换主变。

（4）在有一级，二级负荷的变电站中，应该装设两台主变电压器。当技术经济比较合理时主变压器的台数也可以多于两台。如果变电站可由中、低压侧电力网中取得足够能量的备用电源时，可以装设一台主变压器。

（5）装设两台及其以上主变压器的变电站中，当断开一台时，其余主变压器的容量应保证用户一级负荷和部分二级负荷（一般不应小于主变压器容量的60%）。具有三种电压等级的变电站中，如果通过主变压器各侧绕组的功率均达到主变压器容量的15%时，主变电压器宜采用三绕组变压器。 2.1.5 主变容量和台数选择计算

（1）35KV中压侧： 其出线回路数为6回，Kt情况分析表1－1知：

S35kv?P郊一?P郊二?P水泥厂一?P水泥厂二cos?(1?5%)kt

?0.85,结合“1. 2变电站的负荷分析”35kv负荷

＝

7.2?8.4?4.8?4.8?1.05?0.85

0.85 ＝27.048MVA （2）10KV低压侧：

由于其出线回路数共12回，故可取Kt=0.85,结合10kv负荷情况分析可知：

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S10kv?kt?(1?5%)(P棉纺1cos?cos?cos?cos?cos?P市区一P市区二P备用一P备用二 ＋＋＋＋)cos?cos?cos?cos??P棉纺2?P印染1?P印染2＋P毛纺＋P针织cos?＋P橡胶cos?

664.84.84.83.63.64.8???????0.750.750.780.780.750.750.720.8＝0.85?1.05?（

4.83.63.6???)0.80.780.78＝0.85?1.05?（8＋8＋6.15＋6.15＋6.4＋4.8+5+6+6+4.615+4.615） ＝58.664MVA

则三绕组变压器的计算容量：

2Sjs总?Kt?Sjsi?0.85?(27.048?58.664)?72.86MVAi?1

因此，选择两台50MVA的变压器。 校验：（1）

（2-1）S选＝50>S总?0.6＝43.716MVA 满足一台停运时另一台不小于全部容量的60％。

S10kv?、??kt?(1?5%)(P棉纺1cos?cos?cos?cos?cos?PPPP ＋针织?＋橡胶?＋市区一?＋市区二?)cos?cos?cos?cos?P棉纺2P印染1P印染2P毛纺???????＋?

664.84.8?0.6??0.6??0.7??0.70.750.750.780.78

4.83.63.64.84.8??0.6??0.6??0.7??0.6??0.6)0.750.750.720.80.8?0.85?1.05?(＝31.8MVA （2）

（2-1）S选＝50>S35kv?、??S10kv?、?＝42.3MVA

也满足一台停运时另一台满足全部一、二类负荷。 综上所述，最终确定为SFSZ7—50000/110型变压器。

2.1.6 绕组数和绕组连接方式的选择

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参考《电力工程电气设计手册》和相应的规程中指出：在具有三种电压的变电所中，如果通过主变各绕组的功率达到该变压器容量的15％以上，或在低压侧虽没有负荷，但是在变电所的实际情况，由主变容量选择部分的计算数据，明显满足上述情况。故YB市郊变电所主变选择三绕组变压器。

参考《电力工程电气设计手册》和相应规程指出：变压器绕组的连接方式必须和系统电压一致，否则不能并列运行。电力系统中变压器绕组采用的连接方式有Y和△型两种，而且为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组是△型的，我国110KV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中型点，所以都需要选择Y0的连接方式。对于110KV变电所的35KV侧也采用Y0的连接方式，而6-10KV侧采用△型的连接方式。

故YB市郊变电所主变应采用的绕组连接方式为：YN..yn0.d11。

2.1.7 全绝缘、半绝缘、绕组材料等问题的解决

在110KV及以上的中性点直接接地系统中，为了减小单相接地时的短路电流，有一部分变压器的中性点采用不接地的方式，因而需要考虑中性点绝缘的保护问题。110KV侧采用分级绝缘的经济效益比较显著，并且选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护。35KV及10KV侧为中性点不直接接地系统中的变压器，其中性点都采用全绝缘。 2.1.8 主变压器的冷却方式

根据主变压器的型号有：自然风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式、强迫导向油循环式等。然而自然风冷却适用于7.5MVA以下小容量变压器。容量大于10MVA的变压器采用人工风冷。从经济上考虑，结合本站选用50MVA的变压器，应选用强迫空气冷却。

表2-1 SFSZ7-50000/110系列电力变压器主要技术参数 额定 型号 容量（KVA） 额定电压（KV） 高 压 中 压 低 压 连接组阻抗电压（%） 空载高高 中 中低 电流（%） 损耗 （KW） 空 载 负载 别 低 13

110±8×38.5±2 YN SFSZ7-50000/110 50000 10.5 yn0 18 10.5 6.5 1.3 d11 71.2 250 1.25% × 2.5% 1Us1%?(Us12%?Us31%?Us23%)=11

21 Us2%?(Us12%?Us23%?Us31%)=-0.5

21Us3%?(Us23%?Us31%?Us12%)=7

22US1%UN11?(110)2XT1???26.62? 100SN100?(50) XT2XT322US2%UN?0.5?(110)????1.2?1（记为0?） 100SN10?0(50)2US3%UN7?(110)2???16.94? 100SN100?(50)2.2 电气主接线设计 2.2.1 电气主接线的设计要求

变电所主接线设计是电力系统总体设计的组成部份。变电所主接线形式应根据变电所在电力系统中的地位、作用、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且应满足运行可靠、简单灵活、操作方便和节约投资等要求。主接线设计的基本要求为：

(1)供电可靠性。主接线的设计首先应满足这一要求；当系统发生故障时，要求停电范围小，恢复供电快。

(2)适应性和灵活性。能适应一定时期内没有预计到的负荷水平变化；改变运行方式时操作方便，便于变电所的扩建。

(3)经济性。在确保供电可靠、满足电能质量的前提下，要尽量节省建设投资和运行费用，减少用地面积。

(4)简化主接线。配网自动化、变电所无人化是现代电网发展必然趋势，简化主接线为这一技术全面实施，创造更为有利的条件。

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(5)设计标准化。同类型变电所采用相同的主接线形式，可使主接线规范化、标准化，有利于系统运行和设备检修。

参考《35～110KV变电所设计规范》第3.2.1条：

变电所的主接线应根据变电所所在电网中的地位、出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求。 2.2.2 主接线选择原则

电气主接线是指发电厂或变电站中的一次设备按照设计要求连接起来表示生产、汇集和分配电能的电路,也称为主电路.主接线形式于电力系统原始资料,发电厂,变电站本身运行的可靠性,灵活性和经济性的要求等密切相关,并且对电气设备的选择,配电装置布置,继电保护和控制方式的拟定都有较大的影响。

电气主接线是由高压电器通过主接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，组成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。主接线代表了发电厂或变电所电气部分主体结构，是电力系统的重要组成部分。它直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。因此，主接线的正确、合理设计，必须综合处理各方面的因素，经过技术、经济论证比较后方可确定。

对电气主接线的基本要求，概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三个方面。

安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。停电不仅使发电厂造成损失，而且对国民经济各部门带来的损失将更加严重，往往比少发电能的价值大几十倍，至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失和政治影响，更是难以估量。因此，主接线的接线形式必须保证供电可靠。因事故被迫中断供电的机会越少，影响范围越小，停电时间越短，主接线的可靠程度就越高。

电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且在系统故障或电气设备检修及故障时，也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地转换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。因此，电气主接线必须满足调度灵活、操作方便的基本要求，既能灵活地投、切某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，又能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行，即具有灵活性。

在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线可

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靠、灵活，必然要选用高质量的设备和现化的自动装置，从而导致投资费用的增加。因此，主接线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。一般应当从以下几方面考虑：

（1）投资省

主接线应简单清晰，以节省开关电器数量，降低投资；要适当采用限制短路电流的措施，以便选用价廉的电器或轻型电器；二次控制与保护方式不应过于复杂，以利于和节约二次设备及电缆的投资。

（2）占地面积少

主接线设计要为配电布置创造节约土地的条件，尽可能使占地面积减少。同时应注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。对大容量发电厂或变电所，在可能和允许条件下，应采取一次设计，分期投资、投建，尽快发挥经济效益。

（3）电能损耗少

在发电厂或变电所中，正常运行时，电能损耗主要来自变压器，应经济合理地选择变压器的型式、容量、和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。 2.2.3 电气主接线形式的确定

目前变电所常用的主接线形式有：单母线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分我们在比较各种电气主接线的优劣时，主要考虑其安全可靠性、灵活性、经济性三个方面。首先，在比较主接线可靠性的时候，应从以下几个方面考虑：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或隔离开关检修时，停运出线回路数的多少和停电时间的长短，以及能否保证对Ⅰ、Ⅱ类用户的供电；③变电站全部停电的可能性；④大型机组突然停电时，对电力系统稳定性的影响与后果因素。其次，电气主接线应该能够适应各种运行状态，并且能够灵活地进行运行方式的切换。不仅正常时能安全可靠的供电，而且在电力系统故障或电气设备检修时，也能够适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地切换运行方式，使停电的时间最短，影响的范围为最小。再次，在设计变电站电气主接线时，电气主接线的优劣往往发生在可靠性与经济性之间，欲使电气主接线可靠、灵活，必然要选用高质量的电气设备和现代化的自动化装置，从而导致投资的增加。因此，电气主接线在满足可靠性与灵活性的前提下做到经济合理就可以了。

参考《35～110KV变电所设计规范》

第3.2.3条：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单母分段的接线形式，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回及以上时，

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宜采用双母线接线。

第3.2.4条：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，可以设置旁路设施。

当有旁路母线时，首先宜采用分段断路器或母联断路器兼做旁路断路器的接线，当110KV线路为6回及以上，35～63KV线路为8回及以上时，可装设专用的旁路断路器，主变压器35～110KV回路中的断路器，有条件时，亦可接入旁路母线，采用SF6断路器的主接线不宜设旁路设施。 第3.2.5条：当变电站装有两台主变时，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。

综合以上规程规定，结合本变电站的实际情况，110KV侧有4回出线（近期2回，远景发展2回），35KV侧有4回出线，10KV侧有11回出线（近期9回，远景发展2回）。故可对各电压等级侧主接线设计方案作以下处理：

（1）110kv侧：

110kv侧是本站的进线段，它对本站的可靠性有很大影响。下面拟定两种接线方案。

图2-1

单母分段的适用范围：

(1)6～10kv配电装置出线回路数为6回及以上时。 (2)35～66kv配电装置出线回路数为6～8回时。 (3)110kv～220kV配电装置出线回路数为3～4回时。 双母接线的适用范围

当母线回路数或母线上电源较多、输送和穿越功率较大、母线故障后要求迅速恢复供电、母线或母线设备检修时不允许影响对用户的供电、系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用，各级电压采用的具体条件如下：

(1)6～10kv配电装置，当短路电流较大、出线需要带电抗器时。

(2)35～66kV配电装置，当出线回路数超过8回时，或连接的电源较多、负荷较大时。

(3)110～220kv配电装置出线回路数为5回及以上时，或当110kv～220kv配电装置，在系统中后重要地位，出线回路数为4回及以上时。

表2-2 单母分段与双母接线比较

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方案 项目 方案I 单母分段 方案II 双母接线 供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中用断路器把母线分段后,对重断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修可靠性 要用户可从不同段引出两个回路,任一回路的母线隔离开关时，只需断开此隔离保证不间断供电，可靠。 开关所属的一条回路和与此隔离开关相连的该组母线，其它回路均可通过另外一组母线继续运行。 当一回线路故障时,分段断路灵活性 器自动将故障段隔离,保证正常段母线不间断供电,不致使重要用户停电。 调度灵活，各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。 综合本站实际情况，110kv级是本站的进线侧，而且不需要经常倒线操作，它对本站的供电可靠性至关重要。因此选择方案Ⅰ，即单母分段接线。 （2）35kv侧：

35kv侧是本站的一个出线电压等级，它向郊区一、郊区二、水泥厂一、水泥厂二供电。这里?、?级所占比重比较高。对35kv侧的主接线设计了两种方案：

表2-3 单母分段与单母接线比较

方案 项目 可 方案I 单母分段 用断路器把母线分段后,对重灵活性和可靠性差，当母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开它所连接 的电源，与之相连的所有电力装置在整个检修期间均需停止工作。此外，在出线断路器检修期间，必须停止该回路的供电。 方案II 单母接线 靠 要用户可从不同段引出两个回路,性 保证不间断供电，可靠。 灵 活 性 当一回线路故障时,分段断路器自动将故障段隔离,保证正常段母线不间断供电,不致使重要用户停电。

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图2-2 单母线接线的适用范围：

一般适用于一台主变压器的以下三种情况： (1)6～10kv配电装置的出线回路数不超过5回。 (2)35～66kv配电装置的出线回路数不超过3回。 (3)110kv～220kv配电装置的出线回路数不超过2回。

根据本站实际情况，在35KV负荷中一、二类负荷比较大，发生断电时，会造成生产机械的寿命缩短产品质量下降和一定的经济损失.因此要尽可能保证其供电可靠性。因此选择方案Ⅰ，即单母分段接线。

（3）10kv侧：

对10kv侧的主接线拟定了两种方案：

图2-3

单母线分段接线的优缺点：

优点：①用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；②当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使大面积停电。

缺点：①当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的问路都要在检修期间内停电；②当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；②扩建时密向两个方向均衡扩建。

双母线接线的伏缺点：

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优点：

（1）供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任一回路的母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条回路和与此隔离开关相连的该组母线，其它回路均可通过另外一组母线继续运行，但其操作步骤必须正确。例如：欲检修工作母线，可把全部电源和线路倒换到备用母线上。其步骤是：先合上母联断路器两例的隔离开关，再合母联断路器QF，向备用母线充电，这时，两组母线等电位，为保证不中断供电，按“先通后断”原则进行操作，即先接通备用母线上的隔离开关，再断开工作母线上的隔离开关。完成转换后，再断开母联QF及其两侧的隔离开关，即可使原工作母线退出运行进行检修。

（2）调度灵活。各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。通过倒闸操作可以组成各种运行方式。例如：当母联断路器闭合，进出线分别接在两组母线上，即相当于单母线分段运行；当母联断路器断开，一组母线运行，另一组母线备用．全部进出线均接在运行母线上，即相当于单母线运行，两组母线同时工作，并且通过母联断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上，即称之为固定连接方式运行。这也是目前生产中最常用的运行方式，它的母线继电保护相对比较简单。

根据系统调度的需要，双母线还可以完成一些特殊功能。例如：用母联与系统进行同期或解列操作；当个别回路需要单独进行试验时(如线路检修后需要试验)，可将该回路单独接到备用母线上运行；当线路利用短路方式熔冰时，亦可用一组备用母线作为熔冰母线，不致影响其它回路工作。

（3）扩建方便。向双母线左右任何方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工中也不会造成原有回路停电。当有双回架空线路时，可以顺序布置，以致连接不同的母线段时，不会如单母线分段那样导致出线交叉跨越。

（4）便于试验。当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开。 缺点：

（1）增加了电气设备的投资。

（2）当母线故障或检修时，隔离开关作为倒闸操作电器需在隔离开关和断路器之间装设闭锁装置。

（3）当馈出线断路器或线路侧隔离开关故障时停止对用户供电。

根据本站实际情况，在10KV负荷中，印染、毛纺厂、针织厂、棉纺厂、橡胶厂、市区一、二类负荷比较大。若发生停电对企业造成出现次品，机器损坏，甚至出现事故，对市区医院则造成不良社会影响，严重时造成重大经济损失和人员

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伤亡，必须保证其供电可靠性。且此电压等级出线回数多，需经常倒换。因此选择方案Ⅱ双母接线。

表2—4 主接线方案表

110kv 35kv 10kv 单母分段接线 单母分段 双母接线

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第3章 短路电流的计算

3.1 短路的概念及路电流的种类 3.1.1 短路的概念

电力系统不可避免会发生短路事故。短路事故威胁着电网的正常运行中，并有可能损坏电气设备。因此，在电力系统的设计和运行中，都要对供电网络进行短路电流计算，以便正确地选用和调整继电保护装置，正确地选择电气设备，确保电力系统的安全、可靠运行。

短路的种类有以下几种： （1）三相短路。 （2）两相短路。 （3）两相短路接地。 （4）单相短路（接地）。

三相短路是对称短路，此时三相电流和三相电压仍然是对称的，只是三相电流特大。除三相短路外的其他短路都是不对称性短路，每相电流和电压数值不相等，相角也不同。

3.1.2 短路电流的暂态过程和短路电流种类

1．短路电流的暂态过程

当电力系统发生三相短路时，由于短路回路存在着电感，电流不能突变，因此有一个暂态过程。短路电流随时间变化，最后达到稳定值。

短路全电流id由对称的周期分量iz和不对成的非周期分量if两部分合成，即

id?iz?if。周期分量iz先开始衰减，然后逐渐增加到稳态值i?。非周期分量按指

数规律衰减，其衰减时间常数为0.05-0.2。

2．计算各短路电流的目的

（1） 短路冲击电流ich：用来校验电气设备和母线的动稳定。

（2） 短路全电流最大有效值Ich（第一周期短路全电流有效值）：用来校验电气设备和母线的动稳定。

（3）超瞬变短路电流有效值I′：用来作继电保护的整定计算和校验断路器的短流量。

（4） 短路后0.2秒后的短路电流周期分量有效值I0.2：用来校验断路器的断

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流量。

（5）稳态短路电流有效值I?：用来校验电气设备和载流部分的热稳定。

（6） 短路后0.2S后的短路容量s0.2：用来校验断路器的遮断容量。 3.2 短路电流的计算

一、为了简化短路电流的计算方法，在保证计算精度的情况下，忽略次要因素的影响，做出一下规定：

（1） 所有的电源电动势相位角均相等，电流的频率相同，短路前，电力系统的电势和电流是对称的。

（2） 认为变压器是理想变压器，变压器的铁心始终处于不饱和状态，即电抗值不随电流的变化而变化。 （3） 输电线路的分布电容略去不计。

（4） 每一个电压级采用平均电压，这个规定在计算短路电流时，所造成的误差很小。因为电抗器的阻抗通常比其他元件阻抗大的多。

（5） 计算高压系统短路电流时，一般只计及发电机、变压器、电抗器、线路等元件的电抗，因为这些元件X/3>R时，可以略去电阻的影响。

（6） 短路点离同步调相机和同步电动机较近时，应该考虑对短路电流值的影响。有关感应电动机对电力系统三相短路冲击电流的影响：在母线附近的大容量电动机正在运行时，在母线上发生三相短路，短路点的电压立即降低。此时，电动机将变为发电机运行状态，母线上电压低于电动机的反电势。

（7） 在简化系统阻抗时，距短路点远的电源与近的电源不能合并,两个容量相差很大的电源不能够合并。

（8） 以供电电源为基准的电抗标幺值>3.5,可以认为电源容量为无限大容量的系统,短路电流的周期分量在短路全过程中保持不变。

二、短路电流的标幺值计算法

短路电流计算,根据电力系统的实际情况,可以采用标幺值或有名值计算,那种方法方便就采用那种方法.在高压系统中通常采用标幺值计算.

所谓标幺值,是实际值与基准值之比. 标幺值没有单位.设所选顶\\定的基准值电压,基准电流,基准容量及基准电抗分别为Uj,Ij,Sj,Xj,则这一元件的各已知量的标幺值分别为

U?j?3UjIUS?I,S?J?,I?J? IJSjUjSj 23

X?j?3IjX3IjXSjX???X2 XjUj/3IjUjUj式中：

S、U、I、X------以有名单位表示的容量(MVA)、电压(KV)、电流(KA) 、

电抗???；

Sj、Uj、Ij、Xj-----以基准量表示的容量(KVA)、电压(KV)、电流(KA)、电抗???。

工程计算上通常先选定基准容量Sj和基准电压Uj，与其相应的基准电流Ij和基准电抗Xj,均可由这两个基准值导出。

基准容量可采用电源容量或一固定容量，为了计算一致，通常采用Sj=100MVA为基准容量；基准电压一般采用短路点所在级的网路平均额定电压，即Uj=Up。

表3—1电力系统各元件阻抗值的计算公式

序号 元件名称 给定参数 额定容量Se 超瞬变电抗百 电抗平均值 通用式 发电机（或电动机） 计算公式 Sj=100MVA 1 ??d?X???% 分数Xd额定容量Up 阻抗电压百分比Ud% 平均电压Up 每千米电抗X0 线路长度L 平均电压Up 每千米电抗X0 线路长度L 平均电压Up 每千米电抗X0 线路长度L 0.425?/KM 0.4?/KM 0.08?/KM ??%SjXd? 100SeUd%SjX 100SeSj2Up??d?Xd??%X*1 Se1 Se2 变压器 X?b?X*b?Ud%3 10（6）KV电缆 X??X0L X*?8L 2Up40L 2Up4 10（6）KV 架空线路 X??X0LSj2Up X??5 35KV 架空线路 X??X0LSj2Up X??42.5L 2Up 24

6 电抗器 额定电压Ue 额定电流Ie 电抗百分数 X?kX%UeIj??? 100IeUp X0% 三、短路电流的有名值计算法

在有名值计算法中，每个电气元件的单位是有名的，而不是相对值。在比较简单的网路低电压电网，常采用有名值计算法计算短路电流。采用此方法计算，须将各电压等级的电气元件参数都归算到同一电压等级上来。凡涉及发电机、变压器、电动机、电抗器等元件的百分数电抗值（铭牌上一般有标出）均应换算成有名值来计算。

电力系统各元件阻抗有名值的计算公式如下： （1）发电机（电动机）

X??%U???d?p Xd100Se2式中：

??------发电机的超瞬变电抗值???； Xd??%-----发电机以额定值为基准的超瞬变电抗的百分数； XdSe------发电机额定容量（MVA）；

（2）变压器：

当电阻值允许忽略不计时，

2Ud%UPXb??

SeSe Rb?2PdUpS2e?10?3

Xb?Zb2?Rb2 Ud%UpZb??

100Se2式中：

Rb、Xb、Zb------变压器的电阻、电抗、阻抗；

Ud%------变压器以额定值为基准的阻抗电压百分数； Pd-------变压器短路损耗（KW）

（3）电抗器

25

2UpXk%Xk?? 1003IeUe式中：

Xk%-----电抗器以额定值为基准的电抗百分数；

； Ie?Ue-----电抗器的额定电流和额定电压（KV、KA）

（4）线路

?Up?R?r0L??

U?e??Up?X?x0L??

?Ue?22式中：

r0、x0-----线路单位长度的电阻和电抗（?/KM）；

Ue-----线路运行的额定电压（KV）； 3.3 在最大运行方式下的短路电流

图3-1系统接线简图

将有名值转换成标幺值：

1.选择基准容量 SB=100MA 基准电压为各级电压的平均额定电压。 线路电抗取X=0.4?KM

线路L1:

XL1?XL1?0.4?80?32?

线路L2:

26

XL2?XL2?0.4?10?4?

线路L3:

XL3?XL3?0.4?60?24?

* XL1?XL1SB100?32??0.24 2UB(115)2SB100?4??0.03 22UB(115)* XL2?XL2* XL3?XL3SB100?24??0.18 2UB(115)2* XT1?XT1SB100?26.62??0.20 2UB(115)2SB100?16.94??0.128 22UB(115) XT3?XT3*110kv侧简化网络图：

图3-2

先将它化成星形：

图3-3

******将X3、X4、X5化成X13、X14、X15。

**X3X40.03?0.24X?*??0.016 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*13**X3X50.24?0.18X?*??0.096 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*15*****将X2、X13合并成X23；将X1*、X15合并成X25：

27

***X23?X2?X13?0.4?0.016?0.416 **X25?X1*?X15?0.5?0.096?0.596

计算各电源点到短路点的转移电抗，化成△：

图3-4 **X23X140.416?0.012X?X?X??0.416?0.012??0.44 *X250.596*33*23*14X*34**X14X250.012?0.596?X?X??0.012?0.596??0.63 *X230.416*14*25**X33为S2到短路点的转移电抗，X34是S1到短路点的转移电抗。它们分别应

的计算抗：

*X33js?0.44?2201450*?0.968 X34?0.63??9.135 js1001001X*34js*又由于X34js>3.5，故直接由If.t34??0.109

查0秒曲线得110kv侧短路电流：

I?f??0.109?1450220?1.09??0.8?1.2?2(KA)

3?1153?1151450220?0.9?8?3?115?3115查0.2秒曲线得110kv侧短路电流：

9 If0.2?0.10?0.?81.?08KA1. 16()查4秒曲线得110kv侧短路电流：

If??0.109?1450220?1.18??0.8?1.3?2.1(KA)

3?1153?115冲击电流： Ish?2KMI???2?1.8?2?5.09(KA) (KM取1.8)

35kv侧简化网络图：

28

图3-5

图3-6

*XT0.20 X?1?22*6先将它化成星形：

图3-7

**X3X40.03?0.24X?*??0.016 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*13**X4X50.03?0.18X?*??0.012 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*14**X3X50.24?0.18X?*??0.096 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*15********将X2、X13合并成X23；将X6、X14合并成X24：将X1*、X15合并成X25：

***X23?X2?X13?0.4?0.016?0.416 ***X24?X6?X14?0.012?0.1?0.112

29

**X25?X1*?X15?0.5?0.096?0.596

计算各电源点到短路点的转移电抗，化成△：

图3-4

**X23X240.416?0.112X?X?X??0.416?0.112??0.606 *X250.596*33*23*24X*34**X24X250.112?0.596?X?X??0.112?0.596??0.87 *X230.416*24*25**X33为S2到短路点的转移电抗，X34是S1到短路点的转移电抗。它们分别对

应的计算电抗： *X33js?0.606?2201450*?1.33 X34?0.87??12.62 js1001001X*34js又由于X34js>3.5，故直接由If.t34?*?0.08

查0秒曲线得35kv侧短路电流：

I?f??0.08?1450220?0.77??1.8?2.65?4.45(KA) 3?373?371450220?0.71??1.8?2.44?4.24(KA) 3?373?371450220?0.8??0.8?2.75?4.55(KA) 3?373?37查0.2秒曲线得35kv侧短路电流：

If0.2?0.08?查4秒曲线得35kv侧短路电流：

If??0.08?冲击电流： Ish?2KMI???2?1.8?4.45?11.33(KA) (KM取1.8) 10kv侧简化网络图：

30

图3-8

**XT0.20?0.1281?XT3X???0.164

22*6

图3-6

将它化成星形：

图3-7

**X3X40.03?0.24X?*??0.016 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*13**X4X50.03?0.18X?*??0.012 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*14**X3X50.24?0.18X?*??0.096 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*15********将X2、X13合并成X23；将X6、X14合并成X24：将X1*、X15合并成X25：

***X23?X2?X13?0.4?0.016?0.416 ***X24?X6?X14?0.012?0.164?0.176

31

**X25?X1*?X15?0.5?0.096?0.596

计算各电源点到短路点的转移电抗，化成△：

图3-4 **X23X240.416?0.176X?X?X??0.416?0.176??0.67 *X250.596*33*23*24X*34**X24X250.176?0.596?X?X??0.176?0.596??1.024 *X230.416*24*25**X33为S2到短路点的转移电抗，X34是S1到短路点的转移电抗。它们分别对

应的计算电抗：

*X33js?0.67?2201450*?1.474 X34?1.024??14.85 js1001001X*34js*又由于X34js>3.5，故直接由If.t34??0.067

查0秒曲线得10kv侧短路电流：

I?f??0.067?1450220?0.72??5.34?8.7?14.04(KA)

3?10.53?10.51450220?0.66??5.34?8.0?13.34(KA)

3?10.53?10.51450220?0.73??5.34?8.8?14.14(KA)

3?10.53?10.5查0.2秒曲线得10kv侧短路电流：

If0.2?0.067?查4秒曲线得10kv侧短路电流：

If??0.067?冲击电流：

Ish?2KMI???2?1.8?14.04?35.74(KA) (KM取1.8)

3.4 短路电流计算结果

表3-1 短路电流计算结果表

32

I\（KA） 2 4.45 14.04 I0.2(KA） 1.16 4.24 13.34 I?（KA） 2.1 4.55 14.14 Ish（KA） 5.09 11.33 35.74 110kv 35Kkv 10Kkv 33

第4章 线路保护

4.1 电力系统继电保护的作用

电力系统在运行中，可能出现各种故障和不正常运行状态，员常见同时也是员危险的故障是发生各种形式的短路。在发生短路时可能产生以下的后果：

（1）通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。 （2）短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。

（3）电力系统中部分地区的电压大大降低．破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。

（4）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。 故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之儿秒，实践证明只有在每个电气元件上装设一种具有“继电特性”的自动装置才有可能满足这个要求。

所谓继电保护装置，就是指能反映电力系统中电气元件发生故障d6不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：

（1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部公迅速恢复正常运行。

（2）反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件(例如有无经常值班人员)。而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。

电网继电保护和安全自动装置是电力系统的重要组成部分。继电保护的装设应符合可靠性与安全性、选择性、速动形四个基本要求。设计应满足《继电保护和安全自动装置技术规程》（SDJ6—83），但针对该区域变电站其自身的特点，因此应根据电缆系统的特点制定合理的保护方案，力求做到可靠、简单、经济并适当考虑电网的发展。

电路系统的电气设备和线路应有主保护和后备保护以及必要的辅助保护。 主保护——能快速并有选择地切除被保护区域内的故障。

后备保护——在主保护或短路器拒动时，切除故障。后备保护有分为近后备保护和远后备保护两种形式：

远后备保护是指当主保护或断路器拒动作时，由相邻设备或线路的保护实现

34

后备。

近后备指当主保护拒动作时，由本设备或线路的另一套保护实现后备，当断路器拒动作时由断路器失灵保护实现后备。

辅助保护——当需要另还切除线路故障或消除方向功率死区时可采用由电流速断保护构成的辅助保护。

保护装置的装设原则：

1.当被保护元件发生短路或是破坏系统正常运行的情况，保护装置应动作于跳闸，当发生不正常动作时，保护装置应动作于信号。

2.为保障系统非故障部分的正常供电，保护装置应以足够小的动作时限去切除故障

3.系统故障时保护装置应有选择性地动作于跳闸，在必须加速时，可无选择性地跳闸而由自动重合闸装置来纠正保护的无选择性动作。

4.满足要求上述第二条原则或用作后备保护时，保护装置容许带有一定的时限切除故障。

5.保护装置所用的继电器越少越好，并使其接线简单可靠。

6.保护装置电压回路断线时，如可能造成保护装置的误动作则应装设电压回路断线监视或闭锁装置。

7.在表示保护装置动作的出口上应装设信号继电器。以利于运行人员分析和统计保护的动作情况。

8.主保护装置除了完成主保护任务外，如有可能还应作为相邻元件的后备保护。

9.当保护装置因动作原理不能起相邻元件的后备保护作用时，应在所有和部分断路器上装设单独的后备保护。

10.为了起到相邻元件的后备保护的作用而使保护装置复杂化，或不能达到完全的后备保护作用时，允许缩短后备范围。

11.在实际可能出现最不利的运行方式和故障类型下，保护装置应有足够的灵敏系数；

对反应电气量上升的保护装置：

灵敏系数?保护范围内发生金属性短路故障参数的最小计算值

保护装置的动作参数保护装置的动作参数

保护范围内发生金属性短路故障参数的最大计算值对反应电气量下降的保护装置：

灵敏系数?各种保护装置的灵敏系数应满足电力系统《继电保护和安全自动装置技术规程》（SDJ—83）的规定。

35

12.保护装置的灵敏性还应该与相邻设备或线路配合。

13.保护装置所用电流互感器在最不利的条件下其误差应小于10%。 4.1.1 电力系统继电保护的基本任务

它的基本任务是：

1.当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求(如保持电力系统的暂态稳定性等)。

2.反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人员)发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。 4.1.2 对继电保护的基本要求

1.可靠性是指保护该动体时应可靠动作。不该动作时应可靠不动作。可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。

2.选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件）的选择性，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合。

3.灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数，各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。继电保护的可靠性主要由配置合理、质量和技术性能优良的继电保护装置以及正常的运行维护和管理来保证。任何电力设备(线路、母线、变压器等)都不允许在无继电保护的状态下运行。220KV及以上电网的所有运行设备都必须由两套交、直流输入、输出回路相互独立，并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护。当任一套继电保护装置或任一组断路器拒绝动作时，能由另一套继电保护装置操作另一组断路器切除故障。在所有情况下，要求这套继电保护装置和断路器所取的直流电源都经由不同的熔断器供电。

4.速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源

36

或备用设备自动投入的效果等。一般从装设速动保护(如高频保护、差动保护)、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保护的作用、减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性。 4.2 输配电线保护

设计的线路保护应满足《继电保护和全自动装置技术规程》SDJ6-83等有关专业技术规程的要求。

输电线路的主保护以动作时间上划分为全线瞬时动作及按阶梯时限特性动作两类。当要求对线路全线任何地点的任何故障均能瞬时具有选择性切除时爱用全线瞬时动作的保护作为主保护，例如各种反线路两侧电气量变化从而实现全线有选择性动作的纵联差动保护。当电网允许线路一侧以保护第二段时限切除故障时，也可采用具有阶梯时限特性的保护作为主保护，如距离保护，电流保护等。送电线路的后备保护分为远后备和近后备两类，一般采用远后备。 4.3 线路末端短路电流

35kv侧线路短路电流：（选择水泥厂1的线路保护）

图4-1

(3)IK.max?ES37??2670(A) XL3?0.4?203ES337???2312.5(A) 2XL23?0.4?20(2) IK.min?10kv侧线路短路电流：（选择棉纺厂1的线路保护）

37

图4-2

(3)IK.max?ES10.5??4330(A) XL3?0.4?3.53ES310.5????3750(A) 2XL23?0.4?3.5(2) IK.min?表4-1

35kv 最大运行 2670A 最小运行 2312.5A 10kv 最大运行 4330A 最小运行 3750A 4.4 线路保护整定

4.4.1 35kv侧线路保护整定 瞬时电流速断保护（Ⅰ段保护）：

?(3)Iop?KrelIK.max?1.2?2670?3204(A)

校验： Lmin?

13ES1337???????14.44km X2Iop0.423.204?3Lmin14.44?100%??100%?72.2% (满足要求) L20P4.8?103???92.61(A)

3?0.95?cos??ES3?0.95?0.9?35定时限过电流保护（Ⅲ段保护）：

IL.max 38

IIIIop?KrelKSS1.2?1.3IL.max??92.61?170(A) Kre0.85Krel——可靠系数，取1.2 Kest——自起动系数，取1.3 Kre——返回系数，取0.85

校验：

KsenI(2)2312.5.min?KIII??13.6﹥1.5 (符合要求) 170Iop4.4.2 10kv侧线路保护整定 瞬时电流速断保护（Ⅰ段保护）：

?(3)Iop?KrelIK.max?1.2?4330?5196(A)

校验：

Lmin?13ES1310.5???????2.53km X2Iop0.425.196?3Lmin2.53?100%??100%?72.3% （满足要求） L3.5定时限过电流保护（Ⅲ段保护）：

IL.maxIIIIop?P6?103???486.2(A)

3?0.95?cos??ES3?0.95?0.75?10KrelKSS1.2?1.3IL.max??486.2?892.32(A) Kre0.85校验：

Ksen(2)IK3750?.min??4.2﹥1.5 (符合要求) IIIIop892.32

39

第5章 变压器的保护

5.1 变压器装设的保护 5.1.1 变压器装设的保护种类

因变压器的故障和不正常运行状态等一系列问题，故变压器一般装设下列继电保护装置：

变压器油箱内部故障和油面下降的瓦斯保护。容量为800KVA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时作用于信号；当产生大量的瓦斯时，瓦斯保护应动作于断开变压器各电源侧断路器。容量为400KVA及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。

1.瓦斯保护整定：

(1) 一般气体继电器气体容积整定范围为250-300立方厘米，变压器容积在1000KVA以上时，一般正常整定为250立方厘米，气体容积整定值是利用调节重锤的位置来改变的。

(2) 重瓦斯保护油流速度的整定

重瓦斯保护动作的油流速度整定范围为0.6-1.5m/s，再整定流速均以导油管中的流速为准，而不依据继电器处的流速。

根据运行经验管中油流速整定为0.6-1.5m/s时，保护反映内部故障是相当灵敏的。但是，在变压器外部故障时，由于穿越性故障电流的影响，在导油管中油流速度约为0.4-0.5m/s。因此，为了防止穿越性故障时瓦斯保护误动作，故对本站的主变的瓦斯保护可将油流速度整定在1m/s左右。

2.纵联差动保护 ：反映变压器绕组和引出线相间短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护。

(1) 容量为6300KVA以下的变压器，可装设电流速断保护作为变压器相间短路保护的主保护。

(2) 容量为6300KVA以上的变压器，应装设纵联差动保护作为变压器的主保护而以过电流保护作为其后备保护。

(3) 后备保护。

过电流保护，用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑短路时可能出现的过负荷。

复合电压（包括负序电压及线电压）启动的过电流保护。

负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护，用于6300KVA及以上的升

40

压变压器。

当选择以上保护灵敏性、选择性不能满足要求时，可选择阻抗保护作后备保护。

3.接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护。110KV及以上中性直接接地电网中，如果变压器中性点接地运行，应装设反映外部接地短路的变压器零序电流保护。

4.过负荷保护。反映变压器过负荷的过负荷保护。 5.2 变压器保护的整定方法 5.2.1 变压器电流速断保护

对于2000-10000KVA及以下较小容量的变压器，可采用电流速断保护作变压器的主保护。电流速断保护装设在变压器的电源侧，当电网为中性点不直接接地系统时，电流速断保护按两相式接线；否则按三相式接线。为了提高保护对变压器高压侧因出线接地故障的灵敏系数，可采用两相三继电器式接线。 5.2.2 变压器纵联差动保护

变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，使差动继电器中有不平衡电流流过，且这些不平衡电流远比发电机及线路差动保护的大。因此，减小或消除不平衡电流对差动保护的影响是变压器差动保护中很重要的问题之一。

规程中规定：对于6.3KVA及以上厂用工作变和并行运行的变压器10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器应装设纵联差动保护，对于高压侧电压为330KV及以上变压器，可装设双重的纵联差动保护。

纵联差动保护应符合下列要求：

1.应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流； 2.应在变压器过励磁时不误动作；

3.差动保护范围应包括变压器套管及引出线，如不能包括引出线时，应采取快速切除故障的辅助措施。

变压器纵差保护与发电机纵差保护一样也可以采用比率制动或标记制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。但变压器的纵差保护需考虑以下问题：

1.变压器各侧额定电压和额定电流各不相同。因此，各测电流互感器的型号、

41

变比各不相同，所以各测电流的相位可能不一致，这样使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器的纵差保护的最大制动系数比发电机的最大灵敏度相对较低。

2.变压器高压绕组常有调压分接头，有的甚至还要求带负荷调压，使变压器的纵差保护已调整的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相对增大。

3.对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全无作用。变压器绕组各侧的匝间短路，通过变压器的铁心耦合，改变了各测电流的大小和相位，使变压器的纵差保护对匝间短路有作用（匝间短路可视为变压器的一个新绕组发生端口短路）。

4.无论变压器绕组还是发电机定子绕组开路故障，纵差保护均不能动作。变压器依靠瓦斯或压力保护来反应。变压器因为励磁电流存在，增大纵差保护的不平衡电流特别是在变压器空载投入时，励磁电流急剧增加至数十倍的额度电流，如不特别考虑将会造成纵差保护误动作。 5.2.3 变压器后备保护

相间后备保护配置是为了防止变压器外部故障引起的过电流及作为变压器主保护的后备，变压器应装设后备保护。保护采用带低电压或不带低电压闭锁的过电流保护。如果灵敏度不够，可采用带复合电压闭锁的过电流保护。

1.对于单侧电源的变压器。后备保护装设于电源侧，作为差动保护、瓦斯保护的后备或相邻元件的后备。

2.对于多侧电源的变压器，变压器各侧均应装设后备保护； 作为变压器差动保护的后备，要求它动作后启动总出口继电器。

作为各电压侧母线和线路的后备保护，要求它动作后跳开本侧的断路器，作为变压器断路器与其电流互感器之间死区故障的后备保护。 5.2.4 变压器过负荷保护

为了防止变压器在超过允许负载能力下运行，需要装设过负荷保护装置。由于变压器的过负荷一般是三相对称的，因此，过负荷保护只需接入一项电流，各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器延时发出信号。

保护的安装地点应能够反应变压器所有绕组的过负荷情况，对于双绕组升压变压器，过负荷保护通常装设在低压侧。对于双绕组降压变压器，过负荷保护装设在高压侧。

（1）动作电流的整定。按躲过变压器的额定电流来整定

42

Idzj=（1.2～1.25）

Iebn1

Idzj-------过负荷保护装置动作电流整定值（A）；

Ieb-------变压器额定电流（A）; n1--------电流互感器变比。

（2）动作时限的整定：动作时限为10～15s，一般用于信号。 5.2.5 变压器过电流保护

为了防止变压器外部短路，并作为内部故障的后备保护，一般变压器上应装设过电流保护。对单侧电源的变压器，保护装置的电流互感器安装在电源侧，以便在发生变压器内部故障而瓦斯或差动保护拒动时，由过电流保护经整定时限动作后，作用于变压器两侧断路器跳闸。

（1）动作电流的整定。按躲过变压器的最大负荷电流来整定。

Idzj?KKKjxKghIebKhn1

Kgh------过负荷系数，一般取2～3，当无自启动电动机时，取1.3～1.5；

（2） （3）

动作时限的整定。动作时限比由变压器供电的线路保护装置的最大灵敏度校验

(2)m时限大一时限阶段，一般取0.5～0.7s。

(3)Id2.min?1.5 Idz K式中：

?KmxdKmxd------相对灵敏系数；

(3)Id2.min-------最小运行方式下变压器低压侧三相短路稳态电流(A)；

Idz--------保护装置一次动作电流（A）。

5.3 变压器差动保护整定计算

计算变压器各侧的一次及二次电流值，并选择电流互感器的变比，如表所示。

表5-1 变压器和互感器各侧电流值

名称： 额定电压： 110KV 各侧数值 38.5KV 10KV 43

额定电流Ie(A) CT接线方式： CT一次电流计算（A）： 选用CT变比： 50000?262.44 3?110D 50000?750 3?38.5d 50000?2749 3?10y 2749 3?262.44?455 3?750?1299 455?91 5100 1299?260 5300 2749?550 5600 标准变比 CT二次额定电流Ie2(A) 455?4.55 1001299＝4.33 3002749＝4.58 600所以选定10kv侧为基本侧。

5.4 变压器最大运行方式下10kv侧的短路电流

10kv侧简化网络图：

图3-8

**XT?X0.20?0.128T3X?1??0.164

22*6

图3-6

44

将它化成星形：

图3-7

**X3X40.03?0.24X?*??0.016 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*13**X4X50.03?0.18X?*??0.012 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*14**X3X50.24?0.18X?*??0.096 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*15********将X2、X13合并成X23；将X6、X14合并成X24：将X1*、X15合并成X25：

***X23?X2?X13?0.4?0.016?0.416 ***X24?X6?X14?0.012?0.164?0.176 **X25?X1*?X15?0.5?0.096?0.596

计算各电源点到短路点的转移电抗，化成△：

图3-4

**X23X240.416?0.176X?X?X??0.416?0.176??0.67 *X250.596*33*23*24X*34**X24X250.176?0.596?X?X??0.176?0.596??1.024 *X230.416*24*25**X33为S2到短路点的转移电抗，X34是S1到短路点的转移电抗。它们分别对

应的计算电抗：

*X33js?0.67?2201450*?1.474 X34?1.024??14.85 js10010045

*又由于X34js>3.5，故直接由If.t34?1X*34js?0.067

查4秒曲线得10kv侧短路电流：

If??0.067?1450220?0.73??5.34?8.8?14.14(KA)3?10.53?10.5变压器最小运行方式下10kv侧的短路电流：

10kv侧简化网络图：

图3-8 **XT0.20?0.1281?XT3X???0.164

22*6将它化成星形：

图5-1

**X3X40.03?0.24X?*??0.016 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*13**X4X50.03?0.18X?*??0.012 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*14**X3X50.24?0.18X?*??0.096 **X3?X4?X50.03?0.24?0.18*15********将X2、X13合并成X23；将X6、X14合并成X24：将X1*、X15合并成X25：

***X23?X2?X13?0.7?0.016?0.716 ***X24?X6?X14?0.012?0.164?0.176 **X25?X1*?X15?0.8?0.096?0.896

46

计算各电源点到短路点的转移电抗，化成△：

图3-4

**X23X240.716?0.176X?X?X??0.716?0.176??1.03 *X250.896*33*23*24X*34**X24X250.176?0.896?X?X??0.176?0.896??1.3 *X230.716*24*25**X33为S2到短路点的转移电抗，X34是S1到短路点的转移电抗。它们分别对

应的计算电抗：

*X33js?1.03?2201450*?2.266 X34?1.3??18.85 js1001001X*34js*又由于X34js>3.5，故直接由If.t34??0.053

查4秒曲线得10kv侧短路电流：

If??0.053?1450220?0.46??4.23?5.56?9.79(KA)

3?10.53?10.5 47

5.5 纵差保护的整定计算

（1）躲过变压器励磁涌流：

Iop.cal?KrelKuIN?1.3?1?2749?3573.7(A)

Krel---可靠系数，取1.3；

IN--励磁涌流最大倍数，取4～8。在采用加强速饱和变流器差动保护Ku取1。 IN--基本侧的变压器额定电流。

（2）躲开电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷电流：

Iop.cal?KrelIL.max IL.max?P10kv3U10kvcos? IL.max---变压器基本侧的最大负荷电流，当无法确定时，可用基本侧的额定电

流。

Iop.cal6?1036?103?1.3??1.3??600.6(A) 3U10kvcos?3?10?0.75（3）躲开外部短路时的最大不平衡电流： Iop.cal?Krel(?fer??Uh??Um?ferKumpKst)IK.max IK.max最大外部短路电流；

Krel---可靠系数，取1.3

fer---电流互感器允许最大相对误差，取0.1；

?Uh、?Um——变压器高中压侧分接头改变而引起的误差，一般取调整范围的

一半；

Kts----电流互感器的同型系数；

Kumb----非周期分量系数，取1.5～2；当采用速饱和变流器时，可取1。

Iop.cal?1.3?(0.058?0.05?0.025?0.1?1?1)?14140?4283(A)

（4）确定基本侧工作线圈匝数： 继电器的动作电流：

Iopr.cal?KconIop.calnTA?4283?7.14(A) 600基本侧工作线圈匝数：

Ww.cal?AWo100??14t Iopr.cal7.14Wd,set?Ww.cal，故选择14匝。

重新计算继电器动作电流和保护的动作电流：

48

Ww.cal?AWo100??7(A) Iopr.cal147?600?4200(A) 1保护一次实际动作电流为：

Iop?Iopr.calnTAKcon?确定非基本侧工作线圈匝数和平衡线圈匝数：

Wnb.cal.38.5?Wnb.cal.110?IN2.b?IN2.n38.54.58?4.33??0.058(t)

IN2.n38.54.33IN2.b?IN2.n1104.58?4.55??0.0066(t)

IN2.n1104.55所以选：

Wnb.cal.38.5?Wnb.cal.110?1(t) Ww.set?Wd.set?Wb.set?1?14?15(t) 整定匝数与计算匝数不等而产生的误差： ?fer.38.5??fer.110?Wnb.cal?Wnb.set0.058?1???0.0628﹤0.05

Wnb.cal?Wd.set0.058?15Wnb.cal?Wnb.set0.0066?1???0.0662﹤0.05

Wnb.cal?Wd.set0.0066?15灵敏系数校验：

KconIk.min?Iop.b1?3?97902?2.02?2 4200 Ksen?由以上计算可得：DCD-2型差动继电器的插头位置在A2-B1时满足要求。

5.6 变压器过流保护整定计算

图5-2 变压器过流保护单相接线原理图

过流保护采用三相式接线，且保护应装在电源侧。保护的的动作电流应按躲

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过变压器可能出现的最大负荷电流IL.max来整定，即：

Iop?KrelIL.max KreKrel-----可靠系数，一般取1.2 ～1.3； Kre------返回系数，一般取0.8～0.9。

确定IL.max时，应考虑下列两种情况：

（1） 对并列运行的变压器，应考虑切除一台变压器以后所产生的过负荷。

若变压器容量相等，则 IL.max?mIN m?1m------并列运行的变压器台数； IN------变压器的额定电流； （2） 对降压变压器，应考虑负荷中电动机自起动的最大电流，则 / IL.max?KssIL.max Kss------自起动系数。对110kv降压变电站，6～10kv侧取

1.5～2.5；35kv侧取1.5～2.0。

/IL.max------正常运行时最大负荷电流。

保护的灵敏度为： Ksen?IK.min Iop在被保护变压器受电侧母线上短路时，Ksen＝1.5～2；在后备保护范围末端短路时，Ksen＝1.2。 整定计算

IN?SN3UN?50000?262.44(A)

3?110由于选用的是两台变压器并列运行，所以：

IL.max?mIN?2?262.44?524.88(A) m?1 50

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