35kV_110kV变电站电气主接线设计

110kV/35kV变电站电气主接线设计

摘 要

本文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。设计首先查阅了有关资料，收集与研究课题大量的资料，并翻译了相关的外文资料，然后对负荷分析进行了精确的计算与分析，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与35kV两个电压等级，用拟定方法进行比较从而确定主接线的连接方式，对主接线系统的做了设计，110KV侧选择了单母线分段接线方式，35KV单母线分段带旁路母线接线方式，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，确定了变压器用两台，容量为31500KVA,型号为SSZ9—31500/110，对无功功率补偿做了明确的计算，然后采用标幺值法对短路计算进行了分析与处理。根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压熔断器，隔离开关，母线和电压互感器，电流互感器进行了选型。对主变压器进行整定计算与分析，对防雷部分进行了计算和分析，确定了防雷的方法,并做出了相应的原理图。从而完成了110kV/35KV变电站电气部分的设计。

关键词：变电站；变压器；电气主接线 Abstract

In this design, on the basis of the mandate given by the system and the load line and all the parameters, load analysis of trends. Design First check the relevant information collection and research topic a lot of information and foreign-language translation of the relevant information and then load analysis of the precise calculation and analysis, load growth from the establishment of the need to clarify, and then passed on The proposed substation and the general direction of Chuxian to consider and, through the load data analysis, security, economic and reliability considerations, identified 110 kV and 35kV two voltage levels, compared with developed methods to determine the main wiring connections , The main wiring system to do the design, 110 KV side of the single-choice sub-bus connection mode, 35 KV sub-bus with bypass bus connection mode, and then through the load calculation and determine the scope of the main electricity transformer Number, capacity and Models, identified by two transformers, the capacity for 31500 KVA, the model SSZ9-31500/110, the reactive power compensation to a clear, and per-unit value method used to calculate a short-circuit analysis and treatment. According to the most sustained work and short-circuit current calculation of the results, the high-voltage fuse, isolating switch, bus and voltage transformers, current transformers for the selection. The main transformer for setting calculation and analysis, part of the mine were calculated and analyzed to determine the mine's method, using AUTOCAD and make the corresponding schematic. Thus completing the 110 kV/35KV electrical substation part of the design.

Key words：converting station；transformer substation；electrical wiring

目录

第1章 绪论... 1

1.1 变电站的背景和地址情况... 1 1.1.1 变电站的背景... 1 1.1.2 变电站地址概况... 1 1.2 变电站的意义... 1 1.3 本文研究内容... 2 第2章 负荷分析计算... 3 2.1 电力负荷的概述... 3 2.1.1 电力负荷分类方法... 3 2.1.2 各主要电用户的用电特点... 3 2.1.3 电力系统负荷的确定... 3 2.2 无功功率补偿... 4

2.2.1 无功补偿的概念及重要性... 4 2.2.2 无功补偿装置类型的选择... 5 2.3 主变压器的选择... 8 2.3.1 负荷分析与计算... 8 2.3.2 主变压器选择... 10 第3章 电气主接线设计... 12

3.1 变电站主接线的要求及设计原则... 12 3.1.1 变电站主接线基本要求... 12 3.1.2 变电站主接线设计原则... 13 3.2 110 kV侧主接线方案选取... 13 3.3 35kV侧主接线方案选取... 16

第4章 短路计算... 18

4.1 短路计算的原因与目的... 18 4.2 短路计算的计算条件... 18 4.3 最大最小运行方式分析... 19 4.4 短路计算... 20

第5章 开关设备的选择与校验... 23 5.1 电气设备选择的概述... 23 5.2 110kV侧断路器的选择... 25 5.3 35KV侧断路器的选择... 26 5.4 110kV隔离开关的选择... 27 5.5 35KV隔离开关的选择... 28 5.6 互感器的选择... 28 5.7 高压侧熔断器的选择... 30 5.8 母线选择及校验... 30 第6章 变电站的继电保护... 33 6.1 继电保护的任务与要求... 33

6.2 继电保护的接线方式与操作方式... 33 6.3 主变压器保护规划与整定... 35 第7章 防雷保护计算... 43 7.1 防雷保护... 43

7.2 防雷的装置与防雷计算... 44 第8章 结论... 46 参考文献... 47 致谢... 48

附 录Ⅰ... 49 英文文献... 49 附 录Ⅱ... 61

第1章 绪论

1.1 变电站的背景和地址情况

1.1.1 变电站的背景

随着时代的进步，电力系统与人类的关系越来越密切，人们的生产，生活都离不开电的应用，如何控制电能，使它更好的为人们服务，就需要对电力进行控制，避免电能的损耗和浪费，需要对变电站的电能进行降压，从而满足人们对电的需求，控制电能的损耗。提高电能的应用效率。变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。依据远期负荷发展，决定在兴建1中型110kV/35 kV变电站。该变电站建成后，主要对本区用户供电为主，尤其对本地区大用户进行供电。改善提高供电水平。同时和其他地区变电站联成环网，提高了本地供电质量和可靠性。

1.1.2 变电站地址概况

(1)当地年最高温度为40℃, 年最低温度为-5℃； (2)当海拔高度为800 米；当地雷暴日数为55 日/年；

(3)本变电站处于“薄土层石灰岩”地区，土壤电阻率高达1000Ω．

1.2 变电站的意义

从我国电网实际运行的情况出发，根据现有电网的特点，结合地区电力负荷的发展，城市发展态势及负荷预测的分析对我国一些地区电网电压等级选择进行技术经济分析，有110KV和35KV电网的共同发展,现阶段降压变电站及其电网主要用在负荷密度较高的地区。就电网建设，造价分析，运行情况等方面进行，有针对性地研究了其负荷特性，高峰时期的避峰措施，注意到中高压配电网络的电压等级，网络规划的优化，与周边电网的协调配合等问题，从我国现状及发展趋势出发，对选择电网结构及配电电压进行了经济技术比较及可行性分析，提高城乡电压等级是必然趋势。

1.3 本文研究内容

本文主要完成“110kV/35kV降压变电站”电气部分设计。 本文研究的具体内容：

1）负荷分析、变压器的选择、功率补偿 2）主接线设计 3）短路计算

4）各种开关设备的选择 5）变压器继电保护设计 6）防雷接地设计

在设计的同时要求独立完成“110kV/35kV降压变电站”电气部分设计，绘制主接线图、继电保护图、防雷接地图。本设计要求参考各类相关资料，按照有关的技术规程和工程实例进行。

第2章 负荷分析计算

2.1 电力负荷的概述

2.1.1 电力负荷分类方法

1) 按用电的部门属性的划分：工业用电，农业，交通

2) 按使用电力目的划分：动力用电，照明用电，电热用电，各种电气设备仪器的操作控制用电及通信用电

3) 按用电用户的重要性划分：一类负荷，二类负荷和三类负荷 4) 按负荷的大小划分：最大负荷，平均负荷，最小负荷

2.1.2 各主要电用户的用电特点

1) 工业用电特点分析

用电量大 ，占全社会用电量的75%左右。用电比较稳定。

=3900kvar =5840kvar = =7156kvA = =9904kvA / =118A / =163A 3） 4） = 可知 = 可知 =5000kw =7000kw = ×tan(cos )可知 = ×tan(cos )可知 =5000 tan(cos )=3750kvar =7000 tan(cos ) =3750kvar =4900kvar = =6250kvA = =8545kvA / =103A / =140A 5）

= 可知 =5000kw = ×tan(cos )可知 =5000 tan(cos )=3500kvar = =6103kvA / =100A 表2.2负荷分配情况

负荷名称 水泥厂 火电厂 中方变 水电厂 造纸厂 P(kw) 6000 8000 5000 7000 5000 Q(kvar) 3900 5840 3750 4900 3500 S(kvA) 7156 9904 6250 8545 6103 I(A) 118 163 103 140 100 同时系数的确定：确定

配电所母线的最大负荷时，所采用的有功负荷同时系数：计算负荷小于5000 千瓦。 0.9~1.0 计算负荷为5000~10000 千瓦。 0.85计算负荷超过10000 千瓦 0.8。 此次设计K为0.85。

由计算公式：

=K 0.85×（6000+8000+5000+7000+7000+5000）=32300(kw) 0.85×（3900+5840+3750+4900+4900+3500）=22516(kvar) =39373(kvA) / =650(A)

2.3.2 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。

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。为了担负更多的负荷取70%。则 70% =24522(kvA).。

由负荷计算，装设两台主变压器，每台变压器额定容量按下式选择，故可选择两台型号为SZ9—31500/110 的变压器。

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。 表2.3主变压器参数技术参数

额定电压 一次 分接范围(KV) 110 (%) 空载电流 (%) 0.7 型号 额定容量 (kVA) 31500 空载损耗 负载损耗 (KW) 0.134 二次 (KV) (KW) 短路阻抗 连接组标号 (%) 10.5 YNd11 SZ9- 2×2.5 6.3(6.6) 0.03 31500/110 10.5 (11) 括号里电压为降压变压器用电压

第3章 电气主接线设计

3.1 变电站主接线的要求及设计原则

现代电力系统是一个巨大的、严密的整体。各类发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电、变电和配电的任务。其主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电站和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民日常生活。因此，发电厂、变电站主接线必须满足以下基本要求。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。主接线方案的确定对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，并对电器设备选择、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，确定变电站主接线的最佳方案。

3.1.1 变电站主接线基本要求

1、运行的可靠性

断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时，停电数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。

2、具有一定的灵活性

主接线正常运行时可以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，能尽快地退出设备。切除故障停电时间最短、影响范围最小，并且再检修在检修时可以保证检修人员的安全。

3、操作应尽可能简单、方便

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、经济上的合理性

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小，占地面积最少，使其尽地发挥经济效益。

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，在选择主接线时还要考虑到具有扩建的可能性。

变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。

3.1.2 变电站主接线设计原则

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界线。

2、在35-60kV 配电装置中，当线路为3 回及以上时，一般采用单母线或单母线分段接线，若连接电源较多、出线较多、负荷较大或处于污秽地区，可采用双母线接线。

3、6-10kV 配电装置中，线路回路数不超过5 回时，一般采用单母线接线方式，线路在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，功率较大时，可采用双母线接线。

4、110-220kV 配电装置中，线路在4 回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，以有关技术规范、规程为标准，结合具体工作的特点，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。

3.2 110 kV侧主接线方案选取

据任务书要求，每回最大负荷60000 kVA.本设计提出两种方案进行经济和技术比较。根据《110 kV-35KV变电站设计规范》规定：110 kV线路为六回及以上时，宜采用双母线接线，在采用单母线，分段单母线或双母线的110 kV-35KV主接线中，当不容许停电检修断路器时，可设置旁路母线和旁路隔离开关。 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。故预选方案为：双母线接线和单母线分段接线。

方案一、双母线接线 1、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

检修一组导线而不致使供电中断，一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路母线隔离开关，只停该回路。

2）、调度灵活，各个电源和各个回路负荷可任意切换，分配到任意母线上工作，能够灵活地适应系统中各种运行方式调度和系统潮流变化的需要。

3）、扩建方便，向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响,两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。当有双回架空线路时，可以顺序布置，以致连接不同的母线时，不会如单母线分

段那样导致出线交叉跨越。

4）、便于实验，当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。 2、缺点：

1）、增加一组母线和每回路就需增加一组母线隔离开关。

2）、当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。为了避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。

3、适用范围：

1）、6-10KV,配电装置，当短路电流较大，需要加装电抗器。

2）、35-63KV,回路总数超过8回，或连接电源较多，回路负荷较大时。 3）、110-220KV,出线回路在5回及以上时；或当110-220 KV 配电装置，在系统中居重要地位，出线回路数为4 回及以上时。

图3.1 双母线接线 方案二、单母线分段接线： 1、优点：

1）、用断路器把母线分段后，对重要负荷可以从不同段引出两个回路，提供双回路供电。 2）、安全性，可靠性高。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常母线不间断供电和不致使重要用户停电。

2、缺点：

1）、当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回 路都要在检修期间停电。

2）、扩建时需要向两个方向均衡扩建，以保证负荷分配的均匀。 3）、当出线回路为双回路时，常使母线出线交叉跨越。 3、适用范围：

1）、6-10KV配电装置出线回路数为6回及以上时。 2）、35-63KV配电装置出线回路数为4-8回时。 3）、110-220KV配电装置出线回路数为3-4回时。

图3.2 单母线分段接线 方案比较：

方案一相对方案二调度灵活。各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，所以当该母线或母线隔离开关故障或检修时，该母线上的回路不需要停电，保证正常母线不间断供电和不致使重要用户停电。通过对以上两种方案比较，结合现代科学进步，新型断路器的停电检修周期延长，没有必要考虑停电检修断路器，结合经济建设的需要，在满足要求的前提下，尽可能节约设备的投资故待设计的变电站110 kV接线选取方案二，单母线接线，即能满足要求。在技术上和经济上第二种方案明显合理，鉴于此站为地区变电站应具有较高的可靠性和灵活性。经综合分析，决定选第二种方案为设计的最终方案。

结论：110 kV侧采用单母线分段接线

3.3 35kV侧主接线方案选取

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。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。单母线分段带旁路母线接线。

图3.3 双母线接线

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。

图3.4 单母线分段带旁路母线接线

第4章 短路计算

4.1 短路计算的原因与目的

电力系统由于设备绝缘破坏，架空线路的线间或对地面导电物短接，或雷击大气过电压以及工作人员的误操作，都可能造成相与相、相与地之间导电部分短接，短路电流高达几万安、几十万安培。这样大的电流所产生的热效应及机械效应，会使电气设备损坏，人身安全受到威胁，由于短路时系统电压骤降，设备不能运行。单相接地在中性点直接接地系统中，对邻近通信设备将产生严重的干扰和危险影响，所以电力系统必须进行短路故障计算。另外，对于电气设备的规格选择，继电保护的调整整定，对载流导体发热和电动力的核算，都需要对系统短路故障进行计算。

短路计算选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备。为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。在设计和选择发电厂 电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线时，确定是否需要采用限制短路电流的措施等，都需要进行必要的短路电流计算。计算电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有短路计算的内容。在确定输电线路对通讯的干扰，对已经发生的故障进行分析，都必须进行短路计算。

4.2 短路计算的计算条件

一、基本条件：

短路计算中采用以下假设条件和原则： 1、正常工作时，三相系统对称运行。 2、所有电源的电动势相位角相同。

3、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、短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

5、不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

6、除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。 7、元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。 8、输电线路的电容略去不计。 二、一般规定：

1、验算导体和电器的动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统5—l0 年的远景发展规划。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的按线方式。

2、选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿放电电流的影响。

3、选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流为最大的点；对带电抗器6—l0kV 出线，选择母线到母线隔离开之间的引线、套管时，短路计算点应取在电抗器之前、其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后。

4、电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路电流计算。若中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短严重时，则应按严重的计算。

4.3 最大最小运行方式分析

在选择保护方式分析时，对大多数保护都必须认真分析与考虑哪种运行方式来作为计算的依据，一般而言所选用的保护方式，应在系统的各种故障参数增加而动作的保护，如电流保护，通常应根据系统最大运行方式来确定保护的定值，以保证选择性，因为只要在最大运行方式下能保证选择性。那么，在其他运行方式下，必然能保证选择性；而对灵敏性校验，则应根据最小运行方式来进行，因为只要在最小运行方式下，灵敏性合格，那么在其他运行方式下的灵敏性就会更好，对反映鼓掌参数减小而动作的欠量保护。如低压保护，刚刚好相反，此时应根据最小运行方式来整定，而根据最大运行方式来校验灵敏性。

最大运行方式

根据系统最大负荷的要求，电力系统中的所有可以投入的发电设备都投入运行（全部或绝大部分投入运行），以及所有线路和规定的中性点全部投入运行的方式称为系统最大运行方式即QF1、QF2都在闭合的状态。对继电保护而言，则是指在系统最大运行方式下短路时，通过该保护的短路电流为最大时的系统连接方式。本设计题目中，本变电站的最大运行方式为两台31500KVA的变压器并联运行，以及所有负荷投入时的运行方式。但由于纵联差动保护，由于其保护范围外故障时，保护不应动作。为了方便变压器纵联差动的整定计算，在变压器高压侧和低压侧的短路点的电流应为支路电流。所以变压器高压侧的短路点电流为变电站高压侧投入的，断路器闭合时，流过变压器高压侧的短路电流。变压器低压侧的短路电流为系统并联运行桥短路器连接，变压器单台投入时流入变压器低压侧的短路电流。

最小运行方式

根据系统负荷为最小，投入与之相适应的系统连接且系统中性点只有少部分接地的运行方式称为系统的最小运行方式。本设计题目中，变电站的最小运行方式为，变压器单台投入时的运行方式即QF1、QF2都在打开状态。

4.4 短路计算

图4.1电力系统短路图及其简化图 （1）确定基准值 取 而

（2）各主要元件电抗标幺值 取

架空线电抗标幺值 电力变压器的电抗标幺值

（3）求 点短路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量。 总电抗标幺值 =

三相短路电流周期分量的有效值 其他三相短路电流为

短路冲击电流与短路冲击电流的有效值为 三相短路容量

（4）求 点短路电流的总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量。 总电抗在不同的运行方式标幺值 = =

三相短路电流周期分量的有效值

在不同运行方式下的其他三相短路电流为 短路冲击电流与短路冲击电流的有效值为 三相短路容量 110KV侧主变进线 35KV侧主变进线

对于35KV侧出线，有8回出线，并且每回出线上的负载都相同，只对其中一点做出了短路计算即可。

第5章 开关设备的选择与校验

5.1 电气设备选择的概述

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、选择的原则

1）、应满足正常运行、检修、短路、和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。 2）、应按当地环境条件校核。 3）、应力求技术先进和经济合理

4）、与整个工程的建设标准应协调一致。 5）、同类设备应尽量减少种类。

6）、选用的新产品均应具有可靠的实验数据。 2、设备的选择和校验。 (1)按正常工作条件选择电器

两相一继电器式接线能反应各种相间短路故障，灵敏度有所不同，有的甚至相差一倍，因此不如两相两继电器式接线。但是它少用一个继电器，较为简单经济。

3.三相三继电器式接线

三相三继电器式接线方式是将3只电流继电器分别与3只电流互感器相连接，，它能反映各种短路故障，流入继电器的电流和电流互感器二次绕组的电流相等，其接线系数在任何短路情况下均等于1。这种接线方式主要用于高压大接地电流系统，保护相间短路和单相短路。

继电保护装置的操作电源，有直流操作电源和交流操作电源两大类由于交流操作电源具有投资少、运行维护方便及二次回路简单可靠等优点，因此它在中小工厂中应用广泛。

交流操作电源供电的继电保护装置主要有以下两种操作方式： 1、直接动作式

利用断路器手动操作机构内的过流脱扣器（跳闸线圈）YR作为直动式过流继电器，接成两相一继电器式或两相两继电器式。正常运行时，YR通过的电流远小于其动作电流，因此不动作。而在一次电路发生相间短路时，YR动作，使断路器QF跳闸。这种操作方式简单经济，但保护灵敏度低，实际上较少应用。

2、“去分流跳闸”的操作方式

正常运行时，电流继电器KA的常闭触点将跳闸线圈 YR短路分流，YR无电流通过，所以断路器 QF不会跳闸。当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA动作，其常闭触点断开，使跳闸线圈YR的短路分流支路被去掉（即所谓“去分流”)，从而使电流互感器的二次电流全部通过YR，致使断路器QF跳闸，即所谓“去分流跳闸”。这种操作方式的接线也比较简单，且灵敏可靠，但要求电流继电器KA触点的分断能力足够大才行。现在生产的 GL-15、16、25、26等型电流继电器，其触点容量相当大，短时分断电流可达150A，完全能满足短路时“去分流跳闸”的要求。因此这种去分流跳闸的操作方式现在在工厂供电系统中应用相当广泛。

6.3 主变压器保护规划与整定

现代生产的变压器，虽然结构可靠，故障机会较少，但实际运行中仍有可能发生各种类型故障和异常运行。为了保证电力系统安全连续地运行，并将故障和异常运行对电力系统的影响限制到最小范围，必须根据变压器容量的大小、电压变压器保护的配置原则。

变压器一般应装设以下保护： 1. 短路保护。 2. 后备保护。 3. 过负荷保护。

4. 变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。

5. 中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护。 变压器的过电流保护，电流速断保护和过负荷保护。

1）变压器过电流保护的组成，原理，无论是定时还是反时限均与线路过电流保护相同。变压器过电流保护的动作电流整定公式也于线路过电流保护基本相同。

其动作时间按阶梯原则整定，与线路电流保护完全相同。变压器过电流保护的灵敏度，按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路时的高压侧的穿越电流值来检验，要求 ，如果达不到要求，可采用低电压闭锁的电流保护。

2）变压器的电流速断保护。

变压器的电流速断保护，其原理，组成与线路的电流速断保护完全相同，变压器的电流速断保护动作电流的整定公式与线路电流速断保护的基本相同。

只是-其中应该取低压母线的三相短路电流周期分量有效值换算到高压侧的穿越电流值，也就是变压器电流速断保护的动作电流应按躲过低压母线三相短路电流周期分量有效值来整定。变压器电流速断保护的灵敏度，按其装设的高压侧在系统最小运行方式下发生两相短路的短路电流来检验，要求

考虑到变压器在空载投入或突然恢复电压时将出现一个冲击性的励磁涌流，为了避免电流速断保护误动作，可在速断电流整定后，将变压器空载试投若干次，以检验速断保护是否误动作。

电流速断保护带时限的过电流保护，有一个明显的缺点，就是越靠近电源的线路过电流保护，其动作时间越长，而短路电流则是越靠近电源越大，其危害也更加严重。因此，根据

GB50062—1992规定，在过电流保护动作时间超过0.5～0.75时，应装设瞬动的电流速断保护装置(current quick - break protector）。

电流速断保护的组成及速断电流的整定电流速断保护就是一种瞬时动作的过电流保护。对于采用 DL 系列电流继电器的速断保护来说，就相当于定时限过电流保护中抽去时间继电器，即在起动用的电流继电器之后，直接接信号继电器和中间继电器，最后由中间继电器触点接通断路器的跳闸回路。

电流速断保护的“死区”及其弥补

由于电流速断保护的动作电流躲过了线路末端的最大短路电流，因此靠近末端的相当长一段线路上发生的不一定是最大短路电流（例如两相短路电流）时，电流速断保护不会动作。这说明，电流速断保护不可能保护线路的全长。这种保护装置不能保护的区域，叫做“死区” ( dead band ) ，为了弥补死区得不到保护的缺陷，所以凡是装设有电流速断保护的线路，必须配备带时限的过电流保护，过电流保护的动作时间比电流速断保护至少长一个时间级差 ，而且前后的过电流保护的动作时间又要符合“阶梯原则”，以保证选择性。

在电流速断的保护区内，速断保护为主保护，过电流保护作为后备；而在电流速断保护的死区内，则过电流保护为基本保护。

电流速断保护的灵敏度

电流速断保护的灵敏度按其安装处（即线路首端）在系统最小运行方式下的两相短路电流 作为最小短路电流 来检验。因此电流速断保护的灵敏度必须满足的条件为

Sp= ≥1.5～2

按GB50062 —1992,Sp≥ 1.5 ；按JBJ6 —1996,Sp≥2。

3）变压器的过负荷保护。

变压器的过负荷保护的组成，原理与线路过负荷保护完全相同，其动作电流的整定计算公式也与线路过负荷保护基本相同。

只是应用变压器的额定一次电流，动作时间一般取 S

图6.1 定时限过电流，电流速断保护与过负荷保护的综合电路。

4）变压器的瓦斯保护

容量为800KVA级以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护，当有内部故障时产生经微瓦斯后油面下降时保护应瞬时动作于信号，当产生大量瓦斯时，瓦斯保应动作与断开变压器各电源侧断路器。

瓦斯保护装置及整定：

瓦斯继电器又称气体继电器，瓦斯继电器安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道中，油箱内的气体通过瓦斯继电器流向油枕。

目前，国内采用的瓦斯继电器有浮筒挡板式和开口杯式两种型式。在本设计中采用开口杯式。 瓦斯保护的整定：

（1）、一般瓦斯继电器气体容积整定范围为250—300m，变压器容量在10000KVA以上时，一般正常整定值为250cm，气体容积值是利用调节重锤的位置来改变。

（2）、重瓦斯保护油流速度的整定

2

重瓦斯保护动作的油流速度整定范围为0.6—1.5m/s，在整定流速时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，管中油速度整定为0.6—1.5时，保护反映变压器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—0.5。因此，本设计中，为了防止穿越性故障时瓦斯保护误动作，可将油流速度整定在1S左右。 图6.2 气体保护的原理图

5）纵联差动保护

瓦斯保护只能反应变压器油箱内部的故障，而不能反应油箱外绝缘套管及引出线的故障，因此，瓦斯保护不能作为变压器唯一的主保护，对容量较小的变压器可以在电源侧装设电流速断保护。但是电流速断保护不能保护变压器的全部，故当其灵敏度不能满足要求时，就必须采用快速动作并能保护变压器的全部绕组，绝缘套管及引出线上各种故障的纵联差动保护。

瓦斯保护职能反应变压器油箱内部的故障，而不能反应油箱外绝缘套管及引出线的故障，因此，瓦斯保护不能作为变压器唯一的主保护，对容量较小的变压器可在电源侧装设电流速断保护，但是电流速断保护不能保护变压器的全部，故当灵敏度不能满足要求时，就必须采用快速动作并能保护变压器全部绕组，绝缘套管及引出线上各种故障的纵差动保护。

为了防止外部短路引起的过电流和作为变压器差动保护、瓦斯保护的后备，变压器应装设后备保护。后备保护的方案有过电流保护、负荷电压起动的过流保护、负序过电流保护和低阻抗保护等。目前，已广泛采用复合电压起动的过流保护作为变压器的后备保护。

图6.3 纵联差动保护原理图

变压器的接地保护：

在中性点直接接地的变压器上，一般应装设反应接地短路的保护作为变压器的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。如果变压器中性点直接接地运行，其接地保护一般采用零序电流保护，保护接于中性点引出线的电流互感器上。所以在变压器的接地保护采用零序电流保护。为了

防止外部短路引起的过电流和作为变压器差动保护、瓦斯保护的后备，变压器应装设后备保护。后备保护的方案有过电流保护、负荷电压起动的过流保护、负序过电流保护和低阻抗保护等。目前，已广泛采用复合电压起动的过流保护作为变压器的后备保护。故在本设计也采用复合电压起动的过流保护。

变压器的过负荷保护：

过负荷保护反应变压器对称负荷引起的过流保护。保护用一个电流继电器接于一相电流上，经延时动作于信号。对于两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设保护。过负荷保护的动作电流按躲过变压器额定电流整定。

在本设计中，采用由BCH-2继电器起动的纵联差动保护。 主变压器整定计算

1.（1）变压器 侧与变压器 侧 变压器 侧

额定电压为110KV,额定电流为 =31500/( )=165.3KA。 的接线方式为 型，计算变比为 = = 实际变比 =200/5=40， 差动臂电流为 A 变压器 侧

额定电压为35KV,额定电流为 =31500/( )=491KA。 的接线方式为 型，计算变比为 = = 实际变比 =400/5=80， 差动臂电流为 A

由于 ，则选择35KV为基本侧，平衡线圈 放于35KV侧，平衡线圈 放于110KV侧。 （2）确定动作电流

躲过变压器的励磁涌流： =1.3 165.3=214.89A 躲开电流互感器二次断线： =1.3 546=709A =1.3 (0.1 1+0.05+0.05) 546=709.8A 所以继电器的动作电流： （3）确定线圈接法和匝数

110KV与35KV侧电流互感器分别接到平衡线圈 与 BCH-2继电器在保护时的动作安全匝数值 则有 匝

其中取差动线圈匝数为6匝，平衡绕组线圈匝数为2匝。 （4）确定非基本侧线圈匝数。 = 匝 选取整匝 匝

（5）校验相对误差： ，合格。 （6）灵敏度校验： ，合格。 2.电流继电器：

电流继电器一次动作电流按躲过变压器额定电流整定： Kk=1.2 Kh=0.85

=1.2/0.85 214.89=303.4A 3.低电压继电器

对于降压变电站低压继电器一次动作电压，应按最低工作电压整定。 3.负序电压继电器

负序电压继电器的一次动作电压，应按躲过正常运行时的不平衡电流整定取 =0.06KV =6.6KV

变压器的接地保护：

在中性点直接接地的变压器上，一般应装设反应接地短路的保护作为变压器的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。如果变压器中性点直接接地运行，其接地保护一般采用零序电流保护，保护接于中性点引出线的电流互感器上。所以在本设计中变压器的接地保护采用零序电流保护。

变压器的过负荷保护：

过负荷保护反应变压器对称负荷引起的过流保护。保护用一个电流继电器接于一相电流上，经延时动作于信号。

对于二绕组降压变压器，各侧均应装设保护。

过负荷保护的动作电流按躲过变压器额定电流整定，即 式中Kk取1.05 Kb取0.85

高压侧： =（1.05/0.85） 31500/（ 115）=195.3KA 低压侧： =（1.05/0.85） 31500/（ 35）=607.2KA

变电站的保护，变电站的所用负荷很少，主要负荷时变压器的冷却设备以及其它一些用电负荷。如：强迫油循环冷却装置的油泵，水泵风扇等，采暖通风照明及检修用电等。故一般变电所，所用变压器的容量为50—135KV，中小型变电所所用20KVA即能满足要求。变电所所用接线很简单，一般用一台所用变压器，自变电所中最低以及电压母线引接电源，副边采用380/220中性点直接接地的三相四线制系统，用单母线接线。大容量变电所，所用电较多，一般装设两台所用变压器，两台所用变压器分别接在变电所最低一级电压母线的不同分段上。

第7章 防雷保护计算

7.1 防雷保护

对直击雷的保护一般来用避雷针或避雷线。

由线路入侵的雷电波电压；其主要防护措施是在发电厂，变电所内装设阀型避雷器。以限制入侵雷电波的幅值。使设备上的过电压不超过其冲击耐压值。在变电所60KV侧和10KV侧母线分别设置阀型避雷器，其型号分别为FZ—60 ，FZ—10对于35—60KV的配电装置中，以防止雷击时引起的反击，闪络可能一般采用独立避雷针进行保护。并应满足不发生反击要求，并且使所有的电气设备都在避雷针的保护范围之内，为了防止避雷针与被保护设备之间的空气间隙被击穿，而造成反击事故。110kv 的屋外配电装置，将避雷针装在配电装置的构架上，对于10kv 和35kv 的屋内配电装置，为防止雷击时引起反击闪络的可能，采用独立的避雷针。主变压器用独立的避雷针。屋外组合导线，采用独立的避雷针。

变电站的保护范围分为三种：

1）电工装置，包括屋内外配电装置、主控制楼、组合导线和母线桥等。

2）需要采取防雷措施的建筑物和构造物，按着在发生火花时能否引起爆炸或火灾。凡是在建筑物长期保存或经常发生瓦斯、蒸汽、尘埃与空气的混合物，可能引起电火花发生爆炸，以及引起房屋破坏和人身事故者。但在因电火花发生爆炸时，不致引起巨大的破坏或人身事故者。凡遭受直击雷时，仅有火灾及机械破坏危害，且对建筑物内部的人有危害者。

3）不需专门防雷保护的建筑物。在变电站中的建筑物装设直击保护装置，诸如屋内外配电装置，主控室等。

变电站遭受雷害可能来自两个方面：雷直击于变电站，雷击线路，沿线路向变电所入侵的雷电波。

1)应该采用避雷针或避雷线对高压配电装置进行直击雷保护并采取措施防止电击。 2)应该采取措施防止或减少发电厂和变电所近区线路的雷击闪络并在厂、所内适当配置阀式避雷器以减少雷电侵入波过电压的危害。

3)按本标准要求对采用的雷电侵入波过电压保护方案校验时，校验条件为保护接线一般应该保证2km外线路导线上出现雷电侵入波过电压时，不引起发电厂和变电所电气设备绝缘损坏。雷电所引起的大气过电压将会对电器设备和变电所的建筑物产生严重的危害，因此，在变电所和高压输电线路中，必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安全。运行经验证明，当前变电所中采用的防雷保护措施是可靠的，但是雷电参数和电器设备的冲击放电特性具有统计性，故防雷措施也是相对的，而不是绝对的。

7.2 防雷的装置与防雷计算

1）配电装置的每组母线上，应装设避雷器，但进出线装设避雷器时除外。

2）旁路母线上是否需要装设避雷器，应视在旁路母线投入运行时，避雷器到被保护设备的电气距离是否满足要求而定。

3）220KV及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。

4）三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器。 5）下列情况的变压器中性点应装设避雷器

（1）直接接地系统中，变压器中性点为分级绝缘且装有隔离开关时。

（2）直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时。 （3）接地和经消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点上。 6）发电厂变电所35KV及以上进线段，在电缆与架空线的连接处应装设避雷器。 7）SF6全封闭电器的架空线路侧必须装设避雷器。 8）110—220KV线路侧一般不装设避雷器。 35KV系统最高电压为60KV

选用氧化锌避雷器相对地的电压为

选择Y10W5-50型无间隙氧化锌避雷器按额定电压为50KV

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100m，南北向宽70m，占地面积6732m2，110kV 配电装置构架高13m，35kV 终端杆高14m。避雷针保护范围计算如下：各针保护半径 由下式计算：

式中， p ——高度影响系数，当h≤30m 是，p=1；

h ——避雷针高度； ——被保护物高度； —— 高度保护半径；

p ——高度影响参数； 四针保护半径为 两针间的保护宽度为

由计算结果可知，保护宽度都大于零，所以变电站内所有被保护物都在保护范围内。

图6.4 防雷保护图及其保护范围

第8章 结论

毕业设计是在完成了理论课程和毕业实习的基础上对所学知识一次综合性的总结。通过本次毕业设计，基本掌握110kV/35kV变电站电气主接线设计的基本步骤和方法，选择符合设计的接线方式，110kV侧用单母线接线方式，35kV侧用单母线分段带旁路母线接线方式，用拟定的接线方式进行比较，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，确定了变压器用两台，容量为31500KVA,型号为SSZ9—31500/110，对无功功率补偿做了明确的计算，然后采用标幺值法对短路计算进行了分析与处理。根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压熔断器，隔离开关，母线和电压互感器，电流互感器进行了选型。在对电气设备选择设计上查阅资料，与拟定的设备进行比较，采用合理的设备，对主变压器进行了保护设计与整定计算，选用合理的方式，分析计算了防雷保护的设计，同时画出了所需的原理图。

110kV/35kV变电站电气部分设计的过程，是对所学知识进行的一次检验和实践，从而使电力专业知识得到巩固和加深，逐步提高了分析问题和解决问题的能力。在设计的过程中，我查阅了大量的文献资料，积累了丰富的材料，培养了自己分析问题、解决问题的能力，并使专业知识得到巩固和升华。通过此次设计，这使我深深感受到了我国电力系统设计的重要性，在以后的学习和工作中，我将继续发扬这种能吃苦的精神，为我国电力事业发展做出应有的贡献。但在本次设计中仍有不足与疏漏。在设计过程中，虽然有老师的耐心讲解，有大量的文献资料可供查阅，

但对于一些具体问题，仍感觉吃不透，我将在以后的工作、学习中扬长避短，发扬严谨的科学态度，使所到的知识不断升华。

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