skd煤矿35kv变电所设计

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绪 论

XXXX矿是XXX矿业集团下属一个子矿，位于XXXXXX。其设计生产能力、入洗能力均达90万吨/年。矿井位于煤田东部，井田面积22.3平方公里，现在部分设备正处于更新中，其属于厚砾石层覆盖区，比较突出的采煤技术是单体支柱放顶煤开采，井深约在400米左右，由于其地下水丰富，该矿总共配有12台大型潜水泵，由于大型潜水泵的使用，其年耗电量大大增加。按其采煤量计算耗电总耗电时间是4000h/年。

XXXX矿供电系统由三条35kv进线供电。其矿内变配电所占地约2200平方米，三条进线分别到所内室外三个35/6kv主变压器，平常起用一台主变，地下水丰富的夏季一般开两台主变，室外部四脚分别设置四个15米高的避雷器。采用单母分段的主接线形式，主母线分为三段，每段母线间以断路器隔开．使用高压六氟化硫断路器，稳定性及灭弧能力较高。

2 负荷计算与变压器选择

2.1负荷分级与负荷曲线

2.1.1 供电负荷分级及其对供电的要求

根据用电设备在工艺生产中的作用，以及供电中断对人身和设备安全的影响，电力负荷通常可分为三个等级：

一级负荷：为中断供电将造成人身伤亡，或重大设备损坏难以修复带来极大的政治经济损失者。一级负荷要求有两个独立电源供电。XXXX矿属于国有能源部门，其中断供电将有可能造成人员伤亡及重大经济损失，属于一级负荷。

二级负荷：为中断供电将造成设备局部破坏或生产流程紊乱且需较长时间才能恢复或大量产品报废，重要产品大量减产造成较大经济损失者。二级负荷应由两回线路供电，但当两回线路有困难时（如边远地区）允许由一回架空线路供电。

三级负荷：不属于一级和二级负荷的一般电力负荷，三级负荷对供电无特殊要求，允许长时间停电，可用单回线路供电。

XXXX矿属于比较重要的工业部门，其供配电采用三条进线，下设三个35kv的电力变压器，平常用一台主变，当地下水丰富的春夏季一般采用两台运行，一台备用。

1

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2.1.2 负荷曲线

年最大负荷：就是指一年中典型日负荷曲线（全年至少出现3次的最大工作班负荷曲线）中的最大负荷，即30min内消耗电能最大时的平均负荷。并分别用符号Pmax、

Qmax、Smax表示年有功、无功和视在最大负荷。

年最大负荷小时是这样一个假想时间，电力负荷按照年最大负荷Pmax持续运行Tmax时间所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗电能。如图2-2所示，年最大负荷

Pmax延伸到Tmax的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，既全年实际消耗的电能Ap。因此年最大负荷利用小时：

TmaxdefApPmax ， h （2-1） 式中

Ap——全年消耗的有功电能，kw·h 。

而一般计算矿用最大负荷利用小时可以用公式近似计算：

T

max5?1504W （2-2）

2.2 矿井用电负荷计算

2.2.1 设备容量确定

将不同工作制的铭牌功率换算为统一的功率。

2

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电动机

1）长期工作制（连续运转时间在2小时以上者）的电动机，按电动机的额定容量。 2）短时工作制（连续运转时间在10分钟至2小时范围内）的电动机按电动机的额定容量确定。如此类电动机正常不使用（事故或检修时用）支线上的负荷按额定容量确定；干线上的负荷可不考虑。

3）反复短时工作制（运转时为反复周期地工作，每周期内的接电时间不超过10分钟者）的电动机，按电动机暂载率为25%时的额定容量确定，当电动机铭牌上的额定容量不是25%的暂载率时，应按下式换算：

Pn?Pe?e?2Pe?e (2-3) ?25式中 Pn——换算的额定容量，千瓦；

Pe——与某一暂载率相应的电动机铭牌功率，千瓦； ?e——与Pe相对应的暂载率； ?25——换算的暂载率，既25%。

2.2.2 需用系数的含义

以一组用电设备来分析需用系数Kd值的含义。设该组用电设备有n台电动机，其额定总容量为PNe（kw）。则当此用电设备组满载运行时需从电网接用容量

PPNe?Ne ； KW （2-4）

?式中 PNe——用电设备从电网吸收容量，KW； ? ——n台电动机的加权平均效率，

??PN1?1?PN2?2?......?PNn?n?Pi?1n （2-5）

ni然而n台电动机同时运行的可能性很小。我们可以定义同时运行系数Ksi

Ksi?在最大负荷期间投入运行的电动机的额定容量的总和全部电动机的总额定容量

本次设计所需用席数按照参考质料均已记入表中

3

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2.2.3 需用系数法计算电力负荷

在确定了容量后可以按需用系数法计算负荷 1）用电设备组计算负荷的确定

用电设备组是由工艺性质相同、需用系数相近的一些设备合并成的一组用电设备。在一个车间中，可以根据具体情况将用电设备分为若干组，再分别计算各用电设备组的计算负荷。其计算公式为：

Pca?KdPn? KW

Qca?Pn?ta?n KVA

22?Qca Sca?Pca KVA

Ica?Sca(3Un)

式中

A （2－6）

Pca、Qca、Sca——该用电设备组的有功、无功、视在功率计算负荷；

Pn?——该用电设备组的设备总额定容量，KW Un——额定电压，V

tan?——功率因数角的正切值

Ica——该用电设备组的计算负荷电流，A Kd——需用系数

2）多个用电设备组的计算负荷

在配电干线上或矿井变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，但是各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此在求配电干线或矿井变电所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数Ksi。具体计算公式如下：

Pca?Ksi?(KdiPn?i) i=1，2，3…….m

i?1m Qca?Ksi?(Ki?1mdiPn?itan?i)

22?Qca Sca?Pca

Ica?Sca(3Un) (2-7)

式中Pca、Qca、Sca——为配电干线或变电站低压母线有功、无功、视在功率计

4

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算负荷；

Ksi——同时系数

m ——为配电干线或变电站低压母线上所接用电设备总数; Un——该干线或低压母线上的额定电压，V

Ica——该干线变电站低压母线上的计算负荷电流，A Kd——需用系数

Kd、tan?i、Pn?i——分别对应于某一用电设备组的需用系数、功率因数角的正切值、总设备容量。

根据要求及需用系数负荷计算公式，分别计算矿用负荷 1）主井提升机(公式<2-6>)

Pe=1400kw Kd=0.87 cosφ=0.84

tanφ=tan(artcosφ)=0.64

P10=Kd·Pe=0.87×1400=1218kw

Q10=P10·tanφ=1218×0.64=779.52kva

22?Q10S10=P10／cosφ=P10 =1176/0.84=1450kva

I10=S10/3UN=1450kva/1.732×6000=139.5a 2) 副井提升机

Pe=1000kw Kd=0.85 cosφ=0.82

tanφ=tan(artcosφ)=0.6980

P20=Kd·Pe=0.85×1000=850kw

Q20=P20·tanφ=850×0.698=593kva

22?Q20S20=P20／cosφ=P20 =850/0.82=1036kva

I20=S20/3UN=1036/1.732×6000=99a 3) 扇风机1

Pe=800kw Kd=0.87 cosφ=0.82

tanφ=tan(artcosφ)=0.6980

P30=Kd·Pe=0.87×800=696kw

Q30=P30·tanφ=696×0.698=485kva

22?Q30S30=P30／cosφ=P30 =696/0.82=848kva

5

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I30=S30/3UN=848/1.732×6000=81a 4) 扇风机2

Pe=800kw Kd=0.87 cosφ=0.82

tanφ=tan(artcosφ)=0.6980

P40=Kd·Pe=0.87×800=696kw

Q40=P40·tanφ=696×0.698=485kva

22?Q40S40=P40／cosφ=P40 =696/0.82=848kva

I20=S20/3UN=1060/1.732×6000=81a 5)压风机

Pe=300kw Kd=0.86 cosφ=0.82 n=3

?Pe=3×300=900kw

tanφ=tan(artcosφ)=0.6980

P50=Kd·Pe=0.86×900=774kw

Q50=P50·tanφ=774×0.698=540kva

22?Q50S50=P50／cosφ=P50 =774/0.82=943kva

I50=S50/3UN=943/1.732×6000=90a 6）排水泵

Pe=680kw Kd=0.86 cosφ=0.86 n=4

?Pe=4×680=2720kw tanφ=tan(artcosφ)=0.5933

P60=Kd·Pe=0.86×2720=2339kw

Q50=P60·tanφ=2339×0.5933=1388kva

22?Q60S60=P60／cosφ=P60 =2399/0.86=2789kva

I60=S60/3UN=2789/1.732×6000=268a

这样井下6kv低压母线上（不包括排水泵）低压母线有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流如下：

Pca?Ksi?(KdiPn?i)＝1176＋850＋696＋696＋774=3538kw

i?1m 6

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Qca?Ksi?(KdiPn?itan?i)=779.52+593+485+485+540=2882kva

i?122Sca?Pca?Qca=4563kva

mIca?Sca(3Un)=4563/1.732×6000＝439a

同理可得380v线上各负荷的有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流以及（表2－1）380v线上的有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流：

Pca?Ksi?(KdiPn?i)＝1026＋270＋336＋360＋912=2904kw

i?1mmQca?Ksi?(KdiPn?itan?i)=716+243+270+270+731=2230kva

i?122Sca?Pca?Qca=3661kva

这样可求得变电所变电所总的有功功率为11493KW，无功功率为8118KVar。考虑同时需用系数Ks，有功功率取0.8，无功功率取0.9，得：总的有功功率为9194KW，总的无功功率为7306 KVar。计算可得功率因数约为0.79，需用电容器补偿。

2.3 功率因数的改变

经计算全矿功率因数cosΦ＝9194/11743=0.783<0.95

需要电容器的容量： Qc＝Pz（tgΦ1－tgΦ2） (2-8) 式中 Qc——补偿电容器的容量，单位：千乏

Pz——总有功功率， 单位：千瓦 tgΦ1——补偿前的功率因数， tgΦ2——补偿后的功率因数,

cos?1?0.789cos?2?0.95

计算可知，tgΦ1＝0.776, tgΦ2=0.329 Qc＝9194×(0.776-0.329) =4109

选择GR-1C-08型电容柜，容量为270千法。需用电容柜的数量：

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N=4109÷270=15.2 取16个柜

利用电力电容补偿容量为Qc＝270×16＝4320千法 补偿后变电所总无功功率：Qz＝7306-4320=2986千法 补偿后的功率因数：cos?＝0.951 满足要求。

2.4 主变压器的选择

2.4.1 变电站主变压器容量的确定

主变压器容量的确定

（1）主变压器容量一般按变电站建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展。对于城郊变电站，主变压器容量应与城市规划相结合。 （2）根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。

（3）同级电网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。

2.4.2 主变压器台数的确定

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

(2)对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，在设计时应考虑装设三台主变压器的可能性。

(3)对于规划只装设两台主变压器的变电站，其变压器基础宜按大于变压器容量的1～2级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。

2.4.3 主变压器损失计算

补偿后的6千伏母线计算负荷即主变压器应输出的电力负荷，此时计算主变压器损失，在未选型之前可用（2.2 负荷计算中的）公式计算负荷按下式近似计算如下：

?PT?0.02S?ca?0.02?11407?228kw ?QT?0.08QZ?0.08?7281?582kvar

变电所35千伏母线总负荷：

PZ?P?ca??PT?9160?228?9388kW QZ?Qz??QT?7281?582?7863kvar

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SZ?PZ?QZ?12245kVA

222.4.4 主变压器选型

为了保证煤矿供电，主变压器应选用一主一备，在一台主变压器故障或者检修时，另一台变压器必须保证煤矿的安全生产用电的原则。根据《煤矿电工手册》取事故负荷保证系数Ksb?0.85 则每台变压器为：

ST?Ksb?PZcos??0.85?9388?8399kVA

0.95考虑到本矿区的发展情况，矿井不断延伸，负荷不断增加，选用SF7－10000/35型电力变压器两台，作为主变压器。SF-10000/35型电力变压器技术数据如下：

矿井变电所主变压器两台采样分列同时运行，所以主变压器损耗计算如下：

??ST?2Sn8399?0.419

2?10000有功损耗：

?PT?2P0?2?2?Pk

?2?13.6?2?53?133.2kW 无功损耗：

?QT?2?Q0?2?2Qk

?I0%?2Uk%? ?2??100?100??Sn?292.23kvar

??由以上计算，则35千伏母线总负荷为： PZj?P?ca??PT?9160?133?9293kW QZj?Qz??QT?7863?292.23?8155kvar SZj?PZ?QZ?12363kVA

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3 供电系统的确定与短路计算

3.1 短路电流的分类与计算目的

短路点的设置见图3.1，等值电路图见图3.2。

图3.1 短路点的设置

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3.1.1 短路的原因

主要原因是电气设备载流部分绝缘所致。其他如操作人员带负荷拉闸或者检修后未拆除地线就送电等误操作；鸟兽在裸露的载流部分上跨越以及风雪等现象也能引起短路。

3.1.2 短路的种类

在三相供电系统中可能发生的短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。第一种是对称短路，后两种是不对称短路。一切不对称短路在采用对称分量法后，都可以归纳为对称短路的计算。

3.1.3 短路的危害

发生短路时，由于系统中总阻抗大大减小，因此短路电流可能达到很大的数值。强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能烧坏电气设备；短路点的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行破裂，引起严重后果。不对称短路所造成的零序电流，会在邻近的通讯线路内产生感应电势，干扰通讯，亦可能危及人身和设备安全。

3.1.4 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，均需要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。

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（3）在设计户外高压配电装置时，需按短路条件效验软导线的相间和相对地的安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。 （5）接地装置需根据短路电流进行设计。

3.2 短路电流计算

3.2.1 计算各元件的电抗标幺值

选取基准容量：Sd＝100MVA

选取短路点所在母线的平均电压为基准电压，即： 计算K1点，选取Ud＝37kV，Id1?1003?37?1.56kA

1003?6.3计算K2点及其其它短路点时，选取Ud＝6.3kV，Id2??9.16kA

37kV母线最大运行方式时系统阻抗xsmin＝0.28，小运行方式时系统阻抗为ssmax＝0.37。

主变压器：x2?x3?电缆线路： x5?xLLUk%Sd7.43100????0.92875 100ST?N?1008Sd100?0.08?0.25??0.0504 2Ud6.32Sd100?0.08?2.2??0.443 22Ud6.3Sd100?0.08?0.4??0.084 2Ud6.32x6?xLL x7?xLLx8?xLLSd100?0.08?0.4??0.084 22Ud6.3Sd100?0.08?0.30??0.0606 2Ud6.32 x9?xLL 12

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x10?xLLSd100?0.08?2.4??0.483 22Ud6.3Sd100?0.08?0.5??0.1007 22Ud6.3Sd100?0.08?0.2??0.0464 22Ud6.3Sd100?0.08?0.5??0.1008 2Ud6.32Sd100?0.08?0.8??0.1612 22Ud6.3 x11?xLL x12?xLL x13?xLL x14?xLL架空线路： x4?xLLSd100?0.04?2.5??0.251 22Ud6.3Sd100?0.4?4.00??4.0312 22Ud6.3x15?xLL3.2.2 短路电流计算

K1点短路：

（1）最大运行方式：

x?min?0.28 ????1?I0.2?I??IK?Id1? IK11x?min?Id1

?1?1.56?5.571kA 0.28??1?S0.2?S?? SK1x?min?Sd

?1?100?357MVA 0.28??1?2.55?5.571?14.2kA ish1?2.55IK??1?1.52?5.571?8.46kA Ish1?1.52IK

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（2）最小运行方式：

x?max?0.37 ???1? IK1x?max?Id1?1?1.56?4.21kA 0.37?2???1?0.866?4.21?3.65kA IK?0.866IK1K2点短路

（1）最大运行方式：

x?min?X1?X3?0.27?0.92875?1.1985

???2?I0.2?I?? IK1x?min?Id2

?1?9.16?7.64kA 1.1985??2?S0.2?S??SK1x?Sd

?min1?100?83.43MVA 1.1985（2）最小运行方式：

?x?max?X1?X3?0.37?0.92875?1.298 ???2?IK1x?max?Id2?1?9.16?7.05kA 1.298?2???2?0.866?7.05?6.11kA IK?0.866IK2K15点短路： （1）最大运行方式：

x?min?X1?X3?0.28?0.92875?1.208 ???15?I0.2?I?? IK1x?min?Id2

?1?9.16?7.58kA 1.208??15?S0.2?S?? SK1x?Sd

?min14

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?11.208?100?82.78MVA

??15?2.55?7.58?19.32kA ish15?2.55IK??15?1.52?7.58?11.52kA Ish15?1.52IK（2）最小运行方式：

x?max?0.37?0.92875?1.298

???2? IK1x?max?Id2?1?9.16?7.05 kA 1.298?2???2?0.866?7.05?6.1kA IK?0.866IK2K3点短路：

（1）最大运行方式：(下井电缆两并行运行) x?min?X1?X3?X42

? ?0.37?0.92875?0.2512?1.4245

??3?I0.2?I?? IK1x?min?Id2

?1?9.16?6.43kA 1.4245??3?S0.2?S?? SK1x?min?Sd

?1?100?70.2MVA 1.4245??13?2.55?6.43?16.39kA ish3?2.55IK??3?1.52?6.43?9.77kA Ish13?1.52IK（2）最小运行方式：

x?max?X1?X3?X4

??0.37?0.92875?0.251?1.55??3?IK1x?max?Id2?1?9.16?5.9kA 1.55?2???3?0.866?5.9?5.117kA IK?0.866IK3

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以上只对短路点K1，K2，K15，K3进行了计算，其它的短路点计算结果，列表4-1给出，不再列出详细的计算过程。

3.2.3 短路电流的限制及限流电抗器的选择

由短路计算井下短路容量：

??3Sd?6.43?100?64.3MVA St?IK按规定6kV当断流容量在100MVA时，应折半使用，仅为50MVA，St>50MVA，因此需选择限流电抗器。

3.2.4 电抗器的选择

下面我们由井下负荷计算下井总负荷电流。井下负荷为：

Pca?2016kW Qca?1617kvar cos??0.78

则下井总负荷电流： IZ?Pca2016??248.71A

3Uncos?3?6?0.78下井电缆根数Cn按下式确定：

Cn?(Pp?1.02)2?(Qp?1.08Qd)2360?6.33?1 （取偶数）

式中

Pp ,Qp——井下主排水泵计算有功、无功负荷，kW、kVar;

Pd, Qd——井下低压总的计算有功、无功负荷，kW、kVar;

360——下井电缆150mm2经45度修正后的安全载流量，若矿井负荷较少可据此原理选用120mm2，95 mm2等；

1——规程规定所必须的备用电缆。

井下计算负荷为2016kW，工作电流为248.7A ,经计算与方案比较，决定选用四根YJV42—6000 3×95交联聚乙烯绝缘电力电缆作为下井电缆。下井电缆的具体参数见表下井电缆为四根，如果其中一根发生故障，其余三根要负担全矿井下负荷电流，此时，每根电缆通过的电流为：

Igmax?IZ3?248.73?82.92A

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为限制井下短路电流，按规程规定则系统总阻抗为：XZ?SdS?10050?2 因下井电缆为四根，分裂运行，每两根并联，故应串入的电抗为：

*Xk?2XZ?X*?2??2?1.56??0.88

**??式中X*为系统在最大运行方式电抗前的最大阻抗。

母线电压为6kV，由以上计算的负荷电流，及一条电缆损坏时，其余三条供电的条件，可选用UNL?6kV，INL?200A的水泥电抗器四台，每台电抗器计算如下：

XIU0.88?0.2?6.3XL%?kNLd??100?2.1%Id2UNL9.16?6

由计算，我们可选用型号为NKL－6-200-3的水泥电抗器，此电抗器百分值为XL%＝3％

*3.3 井花沟矿供电系统简图

3.3.1 主接线形式

变电站的主接线是由各种电气设备（变压器、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，用以接受和分配电能，是供电系统的组成部分，它与电源回路数、电压和负荷的大小、级别以及变压器的台数容量等因素有关。

3.3.2 单元接线

发电机与变压器直接连接成一个单元，组成发电机—变压器组，称为单元接线。它具有接线简单，开关设备少，操作简便，以及因不设发电机电压级母线，使得在发电机和变压器低压侧短路时，短路电流相对而言于具有母线时，有所减小等特点；这种单元接线，避免了由于额定电流或短路电流过大，使得选择出口断路器时，受到制造条件或价格甚高等原因造成的困难。

3.3.3 桥形接线

当只有两台变压器和两条输电线路时，多采用桥形接线，使用断路器数目最少；桥形接线可分为内桥式和外桥式；内桥式桥连断路器设置在变压器侧，外桥式桥连断路器则设置在线路侧。桥连断路器正常运行时处于闭合状态。当输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需经常切除时，用用内桥式接线比较合适；外桥式接线则在出线较短，且变压器随经济运行的需要需经常切换，或系统有穿越功率流经本厂时，就更为适宜。

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外桥接线对变压器的切换方便，比内桥少两组隔离开关，继电保护简单，易于过渡到全桥或单母分段接线，且投资少，占地面积小，缺点是倒换线路时操作不方便，变电所一侧无线路保护，适用于进线短而倒闸次数少的变电所或变压器经常驻需要切换以及可能发展为有穿越负荷的变电所。

内桥结线一次侧可设线路保护，倒换线路时操作方便，设备投资与占地面积无较全桥少，缺点是操作变压器和扩建成全桥或单母分段不如外桥方便，适用于进线距离行，变压器切换少的终端变电所。

桥型接线见图3.3所示

3.3.4 单母线分段式接线

有穿越负荷的两回电源进线的中间变电所，其受、配电母线以及桥式接线变电所主变二交侧的配电母线，多采用单母分段，多用于具有一二级负荷，且进出线较多的变电所，不足之处是当其中任一段母线需要检修或发生故障时，接于该母线的全部进出线均应停止运行。

W1 W2 QF

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图3.4 单母线分段式接线

方案比较：

单元接线当其中一元件发生故障时整个单元都要停电检修，不能满足该矿供电的要求。

单母线分段接线一般用于进出线回路较多的中间变电所。

我们在35千伏侧选用全桥型接线，全桥型接线灵活可靠，也可扩展成为单母线分段接线。而6千伏侧我们则选用单母线分段接线。

综合比较井花沟矿的35kv侧采取外桥形式的主接线，而其6kv线路上采取单母分段，共分三段，每段之间用断路器，隔离开关连接。

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图3.5 井花沟矿供电系统简图

4 设备选型

4.1 35kv设备选型

4.1.1 35kv架空线、母线的选择

变电所中各种电压配电装置的母线,以及电器间的连接大都采用铜、铝或钢的矩形、圆形、管形裸导线或多芯绞线。

铜的导电性好，抵制化学侵蚀性强，因此在大电流装置中或在由化学侵蚀的地区宜采用铜导线。铝导线比重小，比较经济，在屋内外配电装置中都广泛采用铝母线。

母线的截面形状，35KV及以下的屋内配电装置中，都采用矩形截面。因为它的冷却条件好，对交流肌肤效应的影响小。

35KV室外高压架空线、母线一般选用钢芯铝绞线，导线截面应按经济电流密度选择，按长时允许电流进行校验，并应校验其电压损失是否合乎要求。高压线路的电压损失不允许超过5%，此外架空线路的导线应有足够的机械强度，不应由于机械强度不够而发生事故。

a. 按经济电流密度计算： A=Inm/J（mm） 式中 A—导线经济截面积，mm； J—经济电流密度， A/ mm； Inm—最大工作电流，A； Inm=Pmax1.05Sn/UN=182A

式中 UN—线路额定电压，千伏； Pmax—最大负荷，千瓦； cosφ—功率因数；

由最大负荷利用小时数为4000，得J=1.15

2223cosφ

=10000×1.05/3×35×0.95

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A=182/1.15=158 mm,选A=185 mm，其型号为钢芯铝绞线LGJ—185

b. 按长时允许电流校验，查得LGI—170的屋外载流量为515A(25℃),钢芯铝绞线最高温升不超过+70℃，假设导线长期工作温度为40℃，

则40℃时的载流量为：I40=515×(70?40)/40=446A＞182符合要求

c. 三相架空线路损失校验按下式计算 ΔU%=

22R0?X0?tan?PL210UN

式中R0—线路单位长度电阻，?/km；取0.163 X0—线路单位长度电抗，?/km；取0.365

设线间几何间距为2m，已知P=9160、L=6km、tan?=0.25

0.163?0.365?0.25?9160?6=1.14<5 校验合格 210?35d. 母线按短路热稳定进行校验

ΔU%=

A?IkCtfKsk 已知tf=3s IK=5.571kA,

2式中A—所选导线截面，mm； C—材料热稳定系数，C=95； KSK—集肤效应系数，取1； IK—短路稳定的最大有效值； Amin=

5571223=102mm<185 mm 校验合格 95所以35KV母线和架空线，均选用LGJ—185型钢芯铝绞线

4.1.2 电压互感器、熔断器的选择

本设计为终端变电所，不进行绝缘检测，只需测量线路电压，可选两台双圈油浸互感器，其型号为JDJJ2—35，属户外式电压互感器，采用V型接法分别接在35KV两段母线上，配用二个RN2—35型限流熔断器，该产品仅作为电压互感器短路保护之用，其最大切断电流为17KA，最大切断容量1000MVA。

另外选用3个RW5—35/200~800户外跌落式熔断器，配合3台变压器。 电压互感器地选择： ue=35kV，根据产品手册选用JDJJ2-35型电压互感器。其技术参数如表4.1所示。

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电压互感的校验

按准确等级与二次负荷校验。矿井变电所35千伏主接线为全桥接线，各计费及考核有功电度表五块。共计十块。按35千伏设备分段运行，每段互感器承担的负荷为五块。查《电力工程设计手册》表34－10得每相电度表电压线圈消耗为1.5va 电度表总消耗功率为p＝5×3×1.5＝12.99<150 符合要求。

4.1.3 电流互感器的选择

电流互感器选用LCW—35型户外支持式、多匝油浸瓷绝缘的高压电压互感器，单独装设，利用一次线圈的串并联，可得到不同的变比，选用额定电流变比为15~1000/5，准确级次0.5，1S热稳定倍数65，动稳定倍数100。

4.1.4 35kv避雷器选择

一般选用变电站避雷器FZ-35型，选两组分放在35KV两段母线上，与电压互感器供用一个间隔。

4.1.5 带接地刀闸的隔离开关选型

表4.2 GW5-35GD/600型隔离开关 项目 电压 电流 动稳定 热稳定 I?实际需要值 35kv In=1.05SN/3UN=182.2A ikr=5.571KA 35kv 600A 50KA GW5-35GD/600 tft2.311.255/5=1.16KA It?5s=14KA 从上表计算中可知，该电器的额定值都大于实际值，选用该设备符合要求，其操作机构配套选用CS—G型。

4.1.6 隔离开关的选择

初步拟定选用隔离开关型号为GN2-35/1000,校验:

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(1) GN2-35/1000的额定电压为35kV, 而UNW＝35kV，UN＝UNW 满足要求。

(2) GN2-35/1000的额定电流为1000A

IWMAX?SNT3UN

10000?164.962=3?35

IN?IWMAX

符合要求。

(3)imax=70kA,ish=5.571kA

imax?ish满足动稳定校验。 (4)热稳定校验

I=25KA T=3S

TI2TT?T252*3?18752KAS

2Q?233KAS

I满足热稳定校验。

2TT?QT

4.1.7 35kv断路器的选择

①额定电压选择

断路器的额定电压UN应大于或等于所在电网的工作电压UNW,即 UN?UNW ②额定电流选择

断路器的额定电流IN应大于或等于它的最大长期工作电流IWMAX，即

IN?IWMAX

由于高压断路器没有连续过载的能力，在选择其额定电流时，应满足各种可能的运行方式下电路持续工作电流的要求，即取最大长期工作电流IWMAX ③开断电流选择

在给定的电网电压下，断路器的开断电流Ibr不应小于实际瞬间的短路电流周期分量Isct，即

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Ibr?Isct

当断路器的Ibr较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流I进行

\选择，即

Ibr?I\

④动稳定校验

若断路器的极限通过电流峰值imax，大于三相短路时通过断路器的冲击电流ish，则其动稳定便满足要求，即

imax?ish

⑤热稳定校验 可表示为

It2t?Qt

初步拟定选用断路器的型号为高压六氟化硫断路器（LW-35/1600） 校验:

(1) 高压六氟化硫断路器（LW-35/1600）额定电压为35kV, UNW=35kV, UN＝UNW,符合条件。

(2) 高压六氟化硫断路器（LW-35/1600）额定电流为1600A,最大长期工作电流为

Iwmax?S3UNT?N150003*35?247A

IN=1600A

即IN?IWMAX，因此负荷技术条件。

\（3）断路器开断电流Ibr＝16kA，I＝5.571kA， Ibr?I\符合技术条件。 （4）imax＝63kA，ish＝14.56kA

imax?ish满足动稳定校验。 （5）It=63kA,t=4秒

I2t×t=632×4=15876 kA2S

22IQt=124.147 kAS,tt?Qt满足热稳定校验。

4.2 6kv电气设备的选择

4.2.1 母线的选择

6KV母线一般选用矩形铝母线，其截面按长时允许电流选，按动、热稳定性进行校

24

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验。

(1) 按长时允许电流选

已知长时允许电流算得In=1011A，查得铝母线LMY——100×8平放在40℃，其最大允许载流量为1210A〉In=1011A ，所选型号满足要求。

(2) 按动稳定性校验

单条母线三相位于同一平面布置时，产生的最大应力为：

?max=1.76（L2aw?3）i2 10（kg/cm） kr2其中L——跨距，cm ； a——母线相间的距离,cm； ikr——短路冲击电流，KA； w——母线抗弯矩，cm；

查得电缆LMY——100×8的抗弯矩w=13.4 cm、L=120cm a=25cm、ikr=7.64KA 。

1202?max代入得=1.76

7.642?10?3= 4.41kg/cm<700 kg/cm

223325?13.4满足要求

(1)按热稳定校验 A?IkCtfKsk

已知 tf=0.75s IK=7.64KA 查得C=95 KSK=1 Amin=

7.64?1000220.75?1=69.65mm<800 mm满足要求。

954.2.2 母线瓷瓶及穿墙套管

35KV室外母线瓷瓶，选用悬式绝缘子组成绝缘串，作为母线绝缘瓷瓶。室内6KV选用母线支持瓷瓶，在穿墙的地方选用穿墙套管。

a.高压穿墙套管按电压、电流选用CWLB——10/600型室外穿墙套管。 b.热稳定校验IKti3=7.64=5.91KA<12KA 满足要求 t5 25

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c.动稳定校验 查得穿墙套管受力公式P=F

F=1.76L ikr10?7kg

a2已知 L1=120cm， a=25cm ikr=7.64KA

?P=1.7612019.48210?2

25=32.05kg<450kg 满足要求

4.3.3 断路器选择

表4.4 断路器选择

项目 电压 电流 断路容量 断流量 动稳定 热稳定 I?实际需要值 Un=6.3kv In=ZN28—10/1600 UN=10kv IN=1600A Srn=80MVA IrN=45KA ilim=75KA It?4s=25.8KA 1.05SN3UN=1011A S''=57MVA I=7.64KA ikr=19.48KA ''tft=7.640.75=3.30KA 4上述数据表明所选断路器符合要求，选用CD2—40G电磁操作机构，电动操作。

4.2.4 隔离开关选择

其所选型号有GN19—10c、GN19—10c/630、GN19—10/630、GN10—10、GN19—10c/400等，其操动机构配套选用手动CS6—1T型。

表4.5 6kv隔离开关的选择

项目 电压 实际需要值 6.3KV GN19—10c/400 UN=10kv GN19—10/630 UN=10kv 26

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电流 动稳定 热稳定

对上述两种最小额定值的隔离开关校验符合要求，故都符合要求。

1011A ikr=19.48KA 11.61KA IN=400A ilim=75KA It?4s=25.8KA IN=600A ilim=75KA It?4s=15.9KA 4.2.5 电流互感器的选择

电流互感器确定选用LMJC——10，变比为50/5、100/5、150/5、600/5、1000/5、6000/5等级为0.5/C型，其型号含义是母线式磁绝缘接地保护。还有LQJ——10，变比为5~100/5，等级为0.5/3，型号含义为环氧树脂浇注式电流互感器。 LQJC——10，变比为150~400/5，等级为0.5/C，型号含义为环氧树脂浇注式瓷绝缘接地保护的电流互感器。

经过动、热稳定性校验，都大于实际值，这三种型号的电流互感器能满足要求。

4.2.6 下井电缆型号及截面的选择

电缆芯线截面应按经济电流密度选，按长时允许电流最小热稳定截面校验，下井电缆为4根，由于受工作环境与条件的限制，必须用耐拉的电缆，本设计中选用粗钢丝铠装铅包钢芯电缆。 (1)下井电缆选择计算 负荷电流为： Ig?1Sca14192???101A

43U43?6则 Sj?IgJj?1012

?44.89mm 2.25选ZQD5-6-3?70型号电缆。 (2)允许电压损失校验

允许电压损失为：?UY?6000?5%?300V 实际电压损失为：?U?PL2855?600??33.99V

SUND56?6?150 27

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因为?UY??U，符合条件。 (3) 热稳定性校验

Smin?I?热稳定符合条件。

tjC?4192?0.7522

?38.21mm<70mm 95下井电缆选用ZQD5-6-3?70型号电缆。

4.2.7 电压互感器的选择

电压互感器选用JDZJ系列，为单相三卷浇注绝缘户内。供中性点不接地系统，做电流、电能测量及单相接地保护用。用三台JDJZ型可取代JSJW型电压互感器，产品能在1.1倍额定电压下长期运行，并能在八小时内无损伤地承受2倍额定电压。选择型号为JDZJ—10，额定电压原线圈6/3,副线圈0.1/3,辅助线圈0.1/3，选用0.5级额定容量为30MVA。

5 继电保护方案及调整

短路故障往往造成严重后果，并伴随着强烈的电弧、发热和电动力，使回路内的电气设备遭受损坏。

为了保证安全可靠地供电，供电系统的主要电气设备及线路都要装设继电保护装置。

为了使继电保护装置能准确地及时完成上述保护任务，在设计和选择继电保护装置时，一般应满足以下四个基本要求。

（1）选择性

选择性是指当系统发生故障时，继电保护装置应该使离故障点最近的断路器首先跳闸，切除故障点的电源，使停电范围尽量缩小，从而保证非故障部分继续运行。

（2）快速性

快速切除故障可以减轻故障的危害程度，加速系统电压的恢复，为电动机自起动创造条件。

（3）灵敏性

灵敏性是指保护装置对保护范围内故障的反应能力，一般用灵敏系数Ks衡量，灵敏系数是以被保护设备或线路发生故障时，其故障参数和保护装置整定值来确定。

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（4）可靠性

可靠性是指在保护范围内发生故障时，保护装置应正确动作，不应拒动；在不该动作时，不应误动。保护装置动作的可靠性是非常重要的，任何时候拒动都将使事故扩大，造成严重的后果。

供电系统继电保护配置情况

以下对矿区变电所继电保护装置情况做一下总体的介绍。

（1）变电所进线侧断路器设定时限过流保护；

（2）主变压器设置瓦斯保护、温度保护、差动保护、过流保护、过负荷保护等5种保护；

（3）6kV母联保护由变压器的后备保护来实现，设置限时速断保护，作为配出线过流保护的后备，采用电流速断为配出线电流速断保护的后备；

（4）6kV出线，对于井下、变电所附近的低压变压器以及较长的线路设置速断保护和过流保护，过流保护的动作时间为3s；对出线较短的线路和电容器一般只设无时限的过流保护。

（5）电容器的继电保护，对电容器组和断路器之间连接线的短路，装设瞬时速断和定时限过流保护；内部故障采用熔断器保护，另外还有过电压保护和低电压保护。

5.4 35kv进线保护

35KV进线设置限时速断和过流保护。

5.4.1 限时速断保护的整定计算

（1）动作电流

由第四章的表4-1可知,6KV母线上的最大三相短路电流为7.64kA,则一次动作电流

6.3)??=1.27.64=1.561 KA Iop?kcoIk(3max37限时速断保护的接线方式采用V型接线, 接线系数kwc=1, 电流继电器选用电磁型继电器,返回系数kre=0.85，但限时速断无须考虑返回系数，井花沟矿进线开关的CT变比为200/5，则二次动作电流：

Iop.r=

kwc1?1561=39A Iop=40kTA29

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由计算，选用电磁式电流继电器DL-20，电流整定范围为12.5－50A。 （2）灵敏度检验

查表3-1 可知，35KV母线上的最小二相短路电流为4.21KA,则

(2)Id4.21=2.69>1.5 符合要求 Klm=?min=

??1.561Idz（3）动作时限 top?0.5s

5.4.2 过流保护的整定计算

（1）动作电流

该站的总负荷为10000KVA，则

进线的最大长时负荷电流为

If?max?一次动作电流

I///dzSca3UN?100003?35?164A

?Kk///KzqKh?Ifmax?1.2?1.5?164?347.3A 0.85过流保护的接线方式是选用二相三继电器接线（可以提高远后备保护的灵敏度），接线系数kwc=1, 选用电磁型电流继电器, 返回系数kre=0.85，CT变比为200/5，则二次动作电流：

Iop.r=

kwc1?347.3=8.68A Iop=40kTA由计算，选用DL-19电流继电器，电流整定范围为5－20A （2）灵敏度检验

a.近后备灵敏度检验

查表3-1 可知，35KV母线上的最小二相短路电流为4.21KA,则

Klm(进）?Id?min?本末///Idz?4210?12.1>1.5 合格 347.3b.远后备灵敏度检验

查表3-1 可知，6KV母线上的最小二相短路电流为6.11KA, 则 ks?2?6.3?I?2?kmin??347.3?21?1.2 合格 3?37? 30

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（3）动作时间 top?2s

5.4.3 35kv母线开关保护

35kV母联开关设置速断保护。其与35kV进线的限时速断一样，故用电磁式电流继电器DL－20，电流整定范围为12.5－50A。灵敏度校验也同35kV进线限时速断校验一样，校验合格。

5.5主变器保护

主变压器设置瓦斯保护、温度保护、差动保护、过流保护、过负荷保护等保护。 瓦斯保护按常规保护，即重瓦斯0.8m/s时动作于调闸，轻瓦斯300cm2时动作于信号。

温度保护550C时启动风冷，850C时动作于信号。

5.5.1 主变差动保护

矿区35kV变电所主变压器是三台ＳＦＬ１—１００００／３５ 变压器，连接组为Y/?－11，采用DCD－2型差动继电器保护。

网络参数：35kV母线归算至平均电压为37kV的最大运行方式三相短路电流为5.571kA，最小运行方式下的两相短路电流为4.21kA；6kV母线归算至平均电压为6.3kV的最大运行方式三相短路电流为7.64kA, 最小运行方式下的两相短路电流为6.11kA。把6kV侧短路参数归算到35kV侧后，最大运行方式三相短路电流为7.64?6.337＝1.3kA，最小运行方式两相短路电流为6.11?6.337?1.04kA。下面对差动保护进行整定计算。

（1）计算变压器各侧一次额定电流，选出电流互感器变比，并计算各侧电流互感器二次回路额定电流，计算结果如下表。

各侧数值 名称 35kV侧 各侧额定电流A 接线方式 计算变比 选择变比 6kV侧 INT1?100003?35?164 INT2?10000? ???3?6.3??916 Y ?3*164?5?2845 3005?60 31

9165 10005?200

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二次回路电流A Iw1?28460?4.7 Iw2?916200?4.58 首先确定基本侧，基本侧是指继电器中差动线圈的首端（正极性）。由上表可以看出，35kV侧电流互感器二次回路电流电流大于6kV侧，因此确定35kV侧为基本侧。 （2）计算保护装置基本侧一次动作电流，按躲过穿越性故障时的最大不平衡电流（Idz1）、躲过变压器空载投入或故障切除后电压恢复时的励磁涌流（Idz2）、躲过二次回路断线电流（Idz3）三个条件计算，取其最大者为基本侧一次动作电流。以下进行计算。

Idz1?kk?ktk?I??U??fwc%?Ik3max

?1.3??1?0.1?0.05?0.05??1300?337.96 Idz2?1.3INT1?1.3?164?213A Idz3?1.3Ifmax?1.3?164?213A

由以上计算，应按躲过外部故障不平衡电流的条件，选用35kV侧一次动作电流，

Idz1?337.96A

（3）确定差动线圈（基本侧）匝数

平衡线圈I、II分别接于35kV侧及6kV侧。计算基本侧（35kV）继电器动作电流： Idz?j?jb??kjxIdz?jb?ntA?35kV侧工作匝数

?3?337.9660?9.76A

?Wd??609.76?6.15匝 取Wd?＝6匝

35kV侧继电器实际动作电流为Idz?j?jb?6?10A。 （4）确定6kV侧平衡线圈的匝数

??WbIIIW1?IW24.7?4.58?＝0匝 Wd??7?0.18匝 取WbIIIW?4.586kV侧继电器的实际动作电流为I?606?10A （5）计算由于实用匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 ?f?Wb???Wb?0.18?0??0.029

?Wb??Wd0.18?6?f<0.05且相差很小，故不用核算动作电流。

（6）初步确定短路线圈抽头

选取“c-c”抽头，所选抽头是否合适，应在保护装置投入运行时，变压器空载投入试验确定。 （7）校验最小灵敏度

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按最小运行方式下，6kV侧两相短路校验 Kmin?Idmin1561?360??4.5?2 合格 Idz10（8）差动保护计算结果

有以上计算，主变压器选用差动保护，短路线圈“c－c”、差动线圈6匝； 6kV接线方式侧Y形，变比1000/5；35kV接线方式侧?，变比300/5；

5.5.2 主变过流保护

一次动作电流为： Iop?kco1.2ILmax??1.3?164?300.98A kre0.85300.98300.98??5.016A kTA3005继电器动作电流为：

Iop?选用继电器 DL－18，2.5-10A 灵敏度校验：

?Ik?2 ks?.min?1248300.98?4.16?1.5 符合要求。

Iop1248A为变压器二次侧最小运行方式下的两相短路电流折算到变压器一次侧的电流值。动作时限整定为3s。

5.5.3 主变过负荷保护

一次动作电流为： Iop.ol?继电器动作电流： Iop?kcoINT1.05?164??202.58A kre0.85Iop.olkTA?202.58?3.38A 3005动作时限整定为10s，选用继电器DL－17，1.5-6A。

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5.6 6kv母联保护

6kV母联保护设置限时速断保护。 一次动作电流：

?2? Iop?Ik.min1.5?6.111.5?4073A

二次动作电流（6kV母联开关CTkTA＝600/5，kwc?1）： Iop.r?kwc1Iop??4073?33.94A kTA120选用电磁式电流继电器DL－20，电流调节范围12.5－50A。

5.7 各6kv出线保护

以主井提升机为例，对6kV出线保护进行说明。主井提升机设置速断保护和过流保护，具体选型和校验如下。 （1）设置速断保护：

一次动作电流Iop?Ik?25.73.min???3.82kA 1.51.5继电器动作保护电流 Iop?3.82?47.75A 4005由计算，选用继电器DL－20，12.5-50A 。 （2）过流保护：

一次动作电流 Iop?kcokol1.2?3?233Ica??986A kre0.85986?12.33A 4005继电器动作电流 Iop?动作时限整定为1.5s，选用继电器DL－19，5-20A。 （3）灵敏度校验

?Ik?25.73?103.min ks???5.81?1.5 所选符合条件。

Iop986 34

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图6.1变电所室内外布置简图

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图6.2 变电所断面布置图

7.1.4 变电所的防雷设计

防止雷电直击的主要设备是避雷针，避雷针由接闪器和引下线、接地装置等组成。 避雷针位置的确定，是变电所防雷设计的关键步骤。首先应根据变电所设备平面布置图的情况而确定，避雷针的初步选定安装位置与设备的电气距离应符合各种规程规范的要求，初步确定避雷针的安装位置后，再根据下列公式进行计算，校验是否在保护范围之中。

露天的变电所建筑和电气设备通常用避雷针或避雷线防止直击雷，用避雷器防止由线路侵入的雷电波对变电所内的电气设备造成破坏。

（1）避雷针

避雷针的组成要素：接闪器、引下线、接地体。

避雷针的保护范围以它对直击雷所保护的空间来表示。单支避雷针的保护范围如图1所示。图中：

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图 7-1 h－避雷针高度 hx－被保护物高度；

hα－避雷针的有效高度, hα＝h－hx； rx－对应hα的避雷针有效保护半径。 rx的计算方法：

当hx≥h/2时， rx?(h?hx)p?h?p当hx＜h/2时， rx?(1.5h?2hx)p式中, h－避雷针高度；

hα－避雷针的有效高度；

p－高度影响系数，h≤30m时为1，30＜h≤120m时为5.5/h。 两支或两支以上避雷针的保护范围计算方法可以参考相关设计手册。

本次《供电技术课程设计》要求在总降压变电站根据户内外配电装置和建筑的面积和高度，设计3支避雷针以防御直击雷。一支为25m独立避雷针，另外两支为置于户内配电装置建筑物边缘的15m高的附设式避雷针。要求保护整个变电所不受直接雷击。

（2）避雷线

单根避雷线的保护范围如图7-2所示。

(m)

(m) （7－1）

图7-2 单根避雷线的保护范围

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其保护范围rx为：

当hx≥h/2时， rx?0.47(h?hx)p当hx＜h/2时， rx?(h?1.53hx)p式中各参数意义见式（7－1）。 （3）避雷器 常用的避雷器有： ? 管型避雷器 ? 阀型避雷器 ? 氧化锌避雷器

避雷器用于限制由线路侵入的雷电波对变电所内的电气设备造成过电压，其一般装设在各段母线与架空线的进出口处。避雷器与被保护设备的距离愈近愈好，并装在冲击波侵入方向。必要时用下式计算允许的最大保护距离。 Lmax?(Ujef?Uchf)v2?(m) （7－3） (m)

(m) （7－2）

式中, Lmax－避雷器与被保护设备的最大保护距离，m；

α－冲击波波头陡度，对6~35kV系统取150~300kV/?s； v－雷电冲击传播速度，300m/?s； Uchf－避雷器冲击放电电压，kV；

Ujcf－被保护设备的绝缘冲击耐压值，kV。如缺乏相关数据，可按5倍额定电压计算。

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图7-3 单体避雷器的保护面积为572m

本变电站有三根避雷针，高度都为25米，其中每两根之间的保护范围外测，可按两根时计算。

1＃－2＃ 距离 47 米 2＃－3＃ 距离 32 米

3＃－1＃ 距离 33 米 保护物的高度为hx=12米

当hx＜h/2时， rx?(1.5h?2hx)p?13.5m

2三只避雷针的保护范围见图7-3所示。

7.2 变电所的接地设计

7.2.2 简单接地设计

接地设计一般可分为方格地网、不等间距地网或者通过降低接地电阻措施来达到接地目的，作为本设计中35kv供电系统，可做简单的接地设计，一般采用方格网接地。

方格地网

方格地网的设计简单，但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，方格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220 kV及以下的变电工程中，缺点不太突出。在500 kV变电所采用方格网，上述缺点的表现十分明显，建议500 kV变电所的接地网不采用方格地网。

参考文献

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[6] 孙国凯等编著. 电力系统继电保护原理 中国水利水电出版社 2002

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