110kV变电所设计-毕业设计

110KV变电站的设计

摘 要：随着经济的发展和现代工业建设的迅速崛起，供电系统的设计越来越全面、系统，农村用电量迅速增长，对电能质量、技术经济状况、供电的可靠性指标也日益提高，因此对供电设计也有了更高、更完善的要求。设计是否合理，不仅直接影响基建投资、运行费用和有色金属的消耗量，也会反映在供电的可靠性和安全生产方面，它和企业的经济效益、设备人身安全密切相关。

变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。作为电能传输与控制的枢纽，变电站必须改变传统的设计和控制模式，才能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。随着计算机技术、现代通讯和网络技术的发展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。

110KV变电站属于高压网络，该地区变电所所涉及方面多，考虑问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，选择变电站高低压电气设备，为变电站平面及剖面图提供依据。本变电所的初步设计包括了：（1）总体方案的确定（2）负荷分析（3）短路电流的计算（4）高低压配电系统设计与系统接线方案选择（5）继电保护的选择与整定（6）防雷与接地保护等内容。

随着电力技术高新化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电到供电的所有领域中，通过新技术的使用，都在不断的发生变化。变电所作为电力系统中一个关键的环节也同样在新技术领域得到了充分的发展。

关键词 :变电站、负荷、输电系统、配电系统、高压网络、补偿装置

前言

随着社会主义市场经济的逐步建立和国民经济的迅速发展，人民的生活水平相应提高，家用电器的增多和工业技术的革新，决定了电力系统在生活与生产中的主导地位。为了满足人们的需要，电力网必须保证随时供给安全、可靠的电源，电力科学技术要随着科技的发展不断进步。

变电站是电力系统的一个重要组成部分，它具有将电压变化与调整、变换电力、集中与分配电力、控制电力潮流、保护系统等多种作用的功能。因此，随着社会与科学的发展，要满足更大的电力需求量，就要建立适应发展变化的新变电站。相对于老旧变电站来说，新变电站的建立要以电力工业发展的客观规律为依据，努力服务于电力生产现代化，力求经济、实用和先进。

本次设计的变电站为一座110kV降压变电站，以10kV给各农网供电，距离本变电站7.8km和6km处各有一个系统变电所，由这两个变电所用110kV双回架空线路向待设计的变电站供电，在最大运行方式下，待设计的变电站高压母线上的短路功率为1000MVA。

本变电站有8回10kV架空出线，每回架空线路的最大输送功率为2000kVA；其中#1出线和#2出线为Ⅰ类负荷，其余为Ⅱ类负荷及Ⅲ类负荷，Tmax=4000h,cosφ=0.85。

环境条件：年最高温度42℃；年最低温度-5℃；年平均气温25℃；海拔高度150m；土质为粘土；雷暴日数为30日/年.

本变电站在建设的过程中，采用了比较先进的技术和设备。在110KV侧和

10KV侧都采用了开关柜，这样不仅降低了成本，还使整个变电站的占地面积变小，便于管理和检修。为变电站的可靠运行提供了非常有力的条件。随着大量新技术和新设备的使用，本变电站建设完成后将为周围提供更加可靠，稳定的电能，为周围地区的发展特别是农村经济的发展起到非常重要的作用。相信随着本变电站的建设完成，周围地区将彻底的结束经常断电的局面。

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第1章 变电站负荷的计算及无功功率的补偿

1.1 电力负荷的分级

电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成的影响的程度进行分级。一般划分为一级、二级和三级负荷。

1.1.1 一级负荷

1：中断供电造成人身伤亡者：如井下采掘企业，铁矿、硫矿、有色金属矿井等，中断供电可能引起瓦斯爆炸，或者积水淹没、矿壁倒塌等造成人员伤亡。

2：中断供电将在政治上或者经济上造成重大损失者。如大量设备损坏、重大产品报废，用重要原料生产的产品大量报废，国民经济中重点企业的连续性生产被打断而需要长时间才能恢复等。例如炼焦炉停电以后煤气从炉缝中溢出，遇火星要爆炸，烧碱厂停电以后，氯气和氢气从电解槽溢出，容易发生爆炸等。

3：中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作的负荷，如重要交通枢纽，重要通讯枢纽，重要宾馆，大型体育场，经常要用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位的重要负荷。在一级负荷中特别重要的负荷是指当中断供电会发生爆炸、中毒和火灾等情况的负荷。一级特别重要场所内不允许中断供电的负荷，如正常电源中断时处理安全停产所必需的事故照明、通信系统、火灾报警设备、保证安全停产的自动控制装置、执行机构和配套装置等负荷。

一级负荷对供电电源的要求：一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。在一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必需增设应急电源，为保证对特别重要的负荷供电，严禁将其他负荷接入应急系统。

1.1.2 二级负荷

（1）中断供电将在政治、经济上造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废、连续性生产被较长时间被打断,重点企业大量解产。譬如水泥厂的旋转大窑，停电将停止旋转，使旋转窑二次侧受热不均匀，时间拖长，使回转窑弯曲；化纤厂停电，多数长因为管道给浆粕堵塞，包括白金喷丝头，需大量拆换修理等。

1

2：中断供电将影响重要单位正常工作的负荷。如交通枢纽，通讯枢纽等用单位的重要负荷。

3：中断供电将造成大型影剧院，大型商场等较多人员集中的公共场所秩序混乱者。

二级负荷对供电的要求：二级负荷应有两个电源供电，既应由两回路线供电，供电变压器应有两台（两台变压器不一定在同一变电所）。做到当发生电力变压器事故或电力线路常见故障时，不致中断供电或中断后能很快恢复，在负荷较小或者地区供电条件不足商议，可由一回10KV及以上专用架空线供电；当采用电缆线路时，应采用两根电缆组成的电缆供电，每根电缆应能承受100%的耳机负荷；为解决线路和配电设备的检修以及突然停电后，身被能安全停产问题，可设备用小容量柴油发电机组，其容量由实际需要决定。

1.1.3 三级负荷

不属于一级负荷和二级负荷者。对一些非连续性生产的中小型企业，停电仅影响产量或导致少量产品报废的用电设备，以及一般民用建筑的用电负荷等均属于三级负荷。

对供电电源无特殊要求，一般按用电负荷容量，选择电网各级电压供电。

1.2负荷计算的意义和目的

负荷的计算就是要算出在正常时通过设备和导线的最大电流，根据这个条件就可以选择多大截面的导线和设备。所以负荷计算很重要，要考虑很多因素，只有这样，才能计算出比较准确的结果。如果计算的结果偏大，就会浪费大量的有色金属，增加成本。如果计算的结果偏小，就会使导线和设备过载运行，大大减少导线和设备的寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。这在经济上也是不合理的。

1.3无功补偿的计算、设备选择

1.3.1 无功补偿的意义和计算

电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率。电力系统中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡。 有功功率、无功功率、视在功率之间的关系如图1所示

2

 S?P2?Q2

式中

S——视在功率，kVA P——有功功率，kW Q——无功功率，kvar

φ角为功率因数角，它的余弦(cosφ)是有功功率与视在功率之比即cosφ＝P/S称作功率因数。

由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数cosφ越小，则所需的无功功率越大。如果无功功率不是由电容器提供，则必须由输电系统供给，为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量需增大。这样，不仅增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。为此，国家供用电规则规定：无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送。还规定用户的功率因数应达到相应的标准，否则供电部门可以拒绝供电。因此，无论对供电部门还是用电部门，对无功功率进行自动补偿以提高功率因数，防止无功倒送，从而节约电能，提高运行质量都具有非常重要的意义。无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。

当前，国内外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。 采用并联电容器进行无功补偿的主要作用：

1.3.2 提高功率因数

如图2所示 图中

P——有功功率 S1——补偿前的视在功率 S2——补偿后的视在功率 Q1——补偿前的无功功率

3

Q2——补偿后的无功功率 φ1——补偿前的功率因数角 φ2——补偿后的功率因数角

由图示可以看出，在有功功率P一定的前提下，无功功率补偿以后(补偿量Qc＝Q1-Q2)，功率因数角由φ1减小到φ2，则cosφ2＞cosφ1提高了功率因数。

1.3.3 降低输电线路及变压器的损耗

三相电路中，功率损耗ΔP的计算公式为

P2?P?32(KW)2U(COS?) 式中

P——有功功率，kW； U——额定电压，kV； R——线路总电阻，Ω。

由此可见，当功率因数cosφ提高以后，线路中功率损耗大大下降。

1.3.4 改善电压质量

线路中电压损失ΔU的计算公式 

P.R?Q.XL?U?3(KV)U

式中

P——有功功率，KW； Q——无功功率，Kvar； U——额定电压，KV； R——线路总电阻，Ω XL——线路感抗，Ω。

由上式可见，当线路中，无功功率Q减小以后，电压损失ΔU也就减小了。

1.3.5 提高设备出力

如图3所示，由于有功功率P＝S·cosφ，当供电设备的视在功率S一定时，如果功率因数cosφ提高，即功率因数角由φ1到φ2，则设备可以提供的有功功率P也随之增大到P+ΔP，可见，设备的有功出力提高了。

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在本课题中，由前面的负荷计算可知低压侧的计算很大，但功率因数普遍很小。从表中可知，该厂10KV侧最大负荷时的功率因数只有0.85。而提供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷时功率因数不应低于0.90。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功功率损耗，因此在变压器低压侧补偿时，低压侧补偿后的功率因数应稍微高些，取0.95。 相关的无功功率补偿公式如下：

无功功率补偿装置容量:

QC=P3（tanΦ-tanΦ`） （1.6）

式中: P30 —工厂的有功计算负荷(单位:KW)

tanΦ—对应原来功率因数COSΦ的正切; tanΦ`—对应需补偿到功率因数的COSΦ`正切;

补偿后总的视在负荷：

S`30=〔 P302+(Q30-QC)2〕0.5 （1.7）

变压器有功损耗:

△PT=△Pkβ2+△P0 （1.8）

式中: △P0—变压器的空载损耗;

△Pk—变压器的短路损耗;

β—变压器的负荷率, β= S30 / SN, 对于10KV低损耗配电变压器,有攻损耗可按下列简化公式计算:

△PT=0.015S30 （1.9） 变压器无功损耗：

△QT=（I0%/100+UK%/100β2）SN （1.10） 式中： I0 —变压器的空载电流百分比

UK—变压器的短路电压百分比

对于10KV低损耗配电变压器,有攻损耗可按下列简化公式计算:

△QT=0.06S`30 （1.11）

变压器高压侧有功功率：

P=P30+△PT （1.12） 变压器高压侧无功功率：

Q=Q30+△QT （1.13）

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补偿后的有功功率：

S=〔 P2+Q2〕0.5

1.4 在本设计中的负荷计算

1.4.1 所要补偿的容量

本变电所有8回10kV架空线，每回架空线的最大输送功率为2000KVA，则总的负荷为2000乘以8等以16000KVA,设同时率为Kd=0.9,则补偿前的变压器 的总的容量为16000乘以0.9等以14400KVA。由于变电所高压侧功率因数cosφ要大以0.9，考虑到变压器的无功功率损耗远大以有功功率损耗，一般为4倍。因此，变压器低压侧补偿后的功率因数应高于0.9，这里取0.95 。要使低压侧功率因数cosφ从0.85提高到0.95，由公式可求出低压侧需要装设的并联电容器的容量：

QC=P3（tanΦ-tanΦ`）==14400×0.85×「tan(arccos0.85)－tan(arccos0.95)」 =14400×0.85×[0.62－0.32] =3572KVA

采用2组1800KVA的并联电容器对变电所进行无功补偿：

2×1800=3600KVA

无功补偿后变压器的容量为：

S`30=〔 P302+(Q30-QC)2〕0.5

=

122402?(7586?3600)2?122402?39862?12872

由于在本设计中有一级负荷，二级负荷，三级负荷，需要安装二台主变压器互为备用，每台主变压器应满足下列两个条件：

任何一台变压器单独运行时，应满足所有一级负荷，二级负荷的需要。 任何一台变压器单独运行时，要满足总的容量的百分之七十到百分之八十。即12872乘以0.7等于9010KVA。

根据上面的计算可知，要选择两台容量为10000KVA的主变压器。型号为SFL-10000\\110,已知它的短路电压（%）为7.5

由于本设计的年平均气温为25度，高于20度，所以要乘于一个修正值，即：

St=[1-(25-20)\\100]Snt=9500KVA

9500KVA大于9010KVA ,所有选择的变压器能满足要求。假设一级负荷，二级负荷为6000KVA，即St为9500KVA大于6000KVA，所以也能满足要求。

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1.4.2 计算各出线回路的电流

在变电站低压侧有8回10KV架空出线，每回架空线的最大输送功率为2000KVA，即每一回的计算电流为：

I=S\\1.732U=2000\\1.732×10.5=110A

选择LGJ-110型的架空导线，已知它在屋外的载流量为170A，所以能满足要求。 在本设计中，距离本变电站7.8Km和6Km处各有一个系统变电所，这由两个变电所向待设计的变电站供电，因为这两个电源互为备用，所以当一个系统变电站向本变电站供电时，另一个系统变电站处于备用状态。那本变电站高压侧的计算电流为：

变压器的有功功率损耗为0.015S等于12872×0.015=194KW 变压器的无功功率损耗为0.06S等于12872×0.06=772Kvar

则无功补偿后高压侧的负荷为12240加上194的和的平方再加上3986加772的和的平方，然后在开方，结果为13313KVA。

当两台变压器并列运行时 I=S\\1.732×U=13313\\1.732×37=207A 选择LGJ-70的导线，它的屋外载流量为275A。

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第二章 主接线方案设计

2.1 变电所主接线的定义及组成

变电所主接线是指用电单位接受和分配电能的路径。在供配电系统中，需要将这些电气设备在变电所中按一定的要求连接起来，完成电能分配，满足运行安全、可靠、经济的要求。满足这些功能的电气设备接线图称为变电所的主接线。

变电所的主接线通常包含电力变压器、接通和断开电路的开关设备（断路器、负荷开关、隔离开关等）、限制电流或防止过电压的设备（电抗器、避雷器等）、一次和二次系统之间的联络设备（电压互感器，电流互感器等）、母线、电力电缆、绝缘子等。与一次接线对应，这些电气设备称为一次设备，承担直接生产和输配电能的功能。

为了满足运行安全和管理要求，变电所还需要具备对一次设备进行监测、控制与保护的辅助设备，例如实现主接线过流保护的继电保护装置，对主接线进行计量和监视的仪器、仪表对主接线开关设备操作需要的直流与交流电源，控制与信号设备、电缆等。这些设备称为二次设备。

2.1.1 变电所在系统中所处的位置和作用

电力系统中的枢纽变电所，汇聚多个大电源，进行系统功率交换，电压高、容量大，地位重要；地区性重要变电所，一般也有较高电压（220KV以上），处于多个一般变电所的配电中心，地位也比较重要；终端变电所和分支变电所，电压大部分在110KV以下，这类变电所多直接向用户供电，没有功率交换的任务。

2.1.2 负荷大小和重要性

⑴ 对于一级负荷必需有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部一级负荷不间断供电。

⑵ 对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部一级负荷不间断供电。

⑶ 对于三级负荷一般只需要一个电源供电。

2.1.3 系统专业对电气主接线提供的具体资料

⑴ 出线的电压等级、回路数、出线方向、每回路输送容量和导线截面等。

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峰值为63KA，热稳定电流为25（4s）KA.

校验：1、所选设备的额定电压UN.et 应不低于安装地点电网电压UN，即UN.et?UN。

本设计中电网的电压UN为110KV，所选的断路器的额定电压也是110KV，所以能满足要求。

2、电路的额定电流IN.et是按在额定周围环境温度?下，电器的长期允许电流。IN.et应不小于该回路在各种合理的运行方式下的最大持续工作电流Imax,即IN.et

?Imax。

我国目前生产的电器设备的额定环境温度?=40度，如果电器安装地点的环境温度?不同于额定环境温度时，其长期允许电流Ial应按正常发热条件给予修正，即当电器的环境温度?高于40度但不高于60度时，环境温度每增加1度，应减少允许电流百分之一点八；当使用环境低于40度时，每降低一度时，允许电流增加百分之零点五。

已知本设计中的年环境温度为42度，所以修正后该断路器在42度时实际能允许通过的电流量为：

Ial=IN.et【1-1.8%（42-40）】=1542A

由前面的负荷计算可知通过该回路的最大电流为207A，即Ial?Imax=207A。 3、按动稳定校验：

动稳定性是指导体和电器承受短路电流机械效应的能力，满足稳定的条件为：

iet?ish

本设计中Iet为63KA，而Ish为14.46KA，63KA大于14.46KA，所以满足要求。 式中Iet为设备允许通过电流的有效值（KA）, Ish为设备安装地点短路冲击电流的有效值（KA）。

4、按热稳定校验：

短路电流通过时，电器各部件温度不应超过短时发热最高允许值，即It2t?I?2ttima

由于It为25KA，I?为5.67KA,t为4s,设ttima为1.2s. 则25×4>5.67×1.2. 满足要求。

根据前面的负荷计算与短路计算可知，从高压侧母线到变压器这一段选高压

2

2

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开关柜GBC-110-15.由于本开关柜的断路器与GBC-110-13(改)的断路器一样，所以该断路器不用校验，就知道满足要求了。

3.3.3 10KV的低压开关柜的选择

由前面的计算可知，低压母线的8回架空线每回通过的最大工作电流为110A，则总的电流为880A。当一台变压器检修时，通过该段的工作电流最大，为总的电流的70%，考虑到同时率的问题（其同时率为0.9），则该段断路器通过的最大工作电流为：880×0.7×0.9=555A。

所以选择XGN2-10-24T（改）的开关柜，开关柜里面有一个ZN28-10型号的断路器。它的额定电流为2000A，开断电流为31.5A，动稳定性开断电流为的峰值为80KA，热稳定电流为31.5（4s）KA.

校验：1、所选设备的额定电压UN.et 应不低于安装地点电网电压UN，即UN.et?UN。 本设计中电网的电压UN为10KV，所选的断路器的额定电压也是10KV，所以能满足要求。

2、所选设备的额定电流为2000A，而通过该断路器的最大工作电流为555A，所以能满足要求。

3、按动稳定校验，要满足的稳定条件是：

iet?ish

已知iet为80KA，ish为21.57KA，所以满足要求。

4、按热稳定校验，要满足的稳定条件是：

It2t?I?2ttima

即31.5×4>21.57×1所以能满足要求。

10KV侧出线低压开关柜的选择：

由于本开关柜的选择跟上面的低压开关柜的选择的原理是一样的，所以这里就不详细介绍，选择XGN2-10-11T型号的开关柜。经校验，它能满足要求。

2

2

3.3.4 高压侧母线的选择

由前面的负荷计算和短路计算可知流过该母线的最大负荷电流为207A，故可以选择LMY-40×5母线。

1、按持续性工作电流选择，要求：Ixu?Ig

式中：Ixu为相应于某一周围的环境温度与母线放置方式（如矩形母线的竖放或者平放）下，长期的容许的电流值。查表可知LMY-40×5母线在40度时平放的载流量为418A，大于该母线最大负荷电流207A，所以能满足要求。

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(3)2t/C=56702/97=59mm 2、按短路热稳定校验，S=I?2

式中C为与导线材料及发热温度有关的系数，查表可知铝母线材料的C为97。因为40×5mm大于59mm，所以能满足要求。

2

2

3.3.5 低压侧母线的选择

由前面的负荷计算可知流过低压母线的最大负荷电流为：

110×8×0.9=792A

1、按经济密度选择：

S=Ig/Jn=792/1.15=689mm

所以查表可以选择LMY-100×8的母线。 2、按持续性工作电流选择：

查表可知Ixu在40度时平放的载流量为1210A，大于它的最大负荷电流792A，所以能满足要求。 3、按短路热电流稳定性校验：

(3)2t/C=84602/97=87mm S=I?2

2

因为100×8mm大于87mm，所以能满足要求。 4、按动稳定校验：

(3)2三相短路电动力FC(3)=3ish22

l×10?7 a=1.732×21.572?106?10?7?=295.4N

弯曲力矩按大于2档计算，即：

M=FC(3)/10=

2

1.1 0.3295.4?1.1=32.5Nm 10W=bh/6=

0.1?0.1?0.008=1.33×105

6?C=

M32.5=×105=2.44×106=2.44Mpa W1.33?al=70Mpa>?C

所以能满足要求。

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第四章： 防雷与接地的设计

4.1 防雷的必要性

雷电是十分常见的自然现象，地球上任何时侯都有雷电在活动。由于造成雷电发生的雷云具有很高的电场强度，可击穿空气，出现很大的放电电流；雷电放电电流可能会对地面的建筑、设备等造成直接的电击，雷电流可能电击地面上的人、动物导致死亡；雷电流会沿着建筑的金属管道进入建筑内部，沿着配电电线进入变电所与建筑的末端用户设备，造成变电所设备以及用户设备损坏；雷电流还会引起雷电过电压、引起电气线路和配电设备的绝缘损坏，使电网无法正常运行，造成大面积停电，造成巨大的经济损失。

4.2 本变电所的防雷设计

本变电站采用一只40m高的避雷针对本站进行保护，并且知道本变电站被保护物的高度为hx(m)为11m。 避雷针的防雷计算公式为：

当hx?h/2时，rx=（h-hx）p 当hx?h/2时, rx=(1.5h-2hx)p

式中h为避雷针的高度；p为高度修正系数，当h?30m时，p=1;当30m

由上面提供的数据可计算：

rx?(1.5?40?2?11)?5.5/35?34

4.3 防止雷电反击

独立避雷针受雷击时，在接闪器，引下线和接地体上都将产生很高的电位。如果避雷针与附近设施的距离太近，它们之间便会产生放电现象，这种情况称为“反击”。“反击”可能引起电气设备的绝缘破坏，为了防止“反击”，必须使避雷针和附近金属导体间有一定的距离，从而使绝缘介质的闪络电压大于反击电压。

我国标准推进用下面两个公式校验独立避雷针的空气间隙Sk和地中距离

Sd.

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Sk?0.2Rsh?0.1h Sd?0.3Rsh

式中Rsh为独立避雷器的冲击接地电阻（?） h为相邻配电装置构架的高度（m）

在一般情况下：Sk不应小于5m,Sd不应小于3m。

4.4 本变电所的接地计算

10-110KV为中性点不接地系统，接地电阻阻值R要求小于10?,低压设备要求不大于4?，选择两者中较小的值。由本设计提供的原始数据可知，接地的土质为粘土，查表可知?为0.6?104??cm.

由于土壤电阻率在一年中是变化不定的，设计中采用的计算值：

????0=1.5?0.6?104?0.9?104

式中：?0为实测土壤电阻率；

?为季节系数，这里取1.5

由于该地区?值不高，故人工接地装置采用以棒形垂直接地体为主（采用?50铜管，每根长2.5米）。其间以20?4扁钢连接成环形，管子上端埋深0.8米。为了简化计算不单独算连接扁钢的散流电阻，采用公式直接求出钢管根数：

0.9RCn?,式中RC=??,查表可知??32.6?10?4，

Ry?CRC?32.6?10?4?0.9?104?29.34?.

?假定管距??7.5m，l?7.5?32.5，n=15根。

0.9?29.34?9根。这里决定采用15根，

4?0.78查表可知，?C?0.78，代入公式得n?再次验算接地电阻：

0.9?29.34Rr??2.26?15?0.78

因为Rr?4?，所以能满足要求。

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第五章： 继电保护整定计算

5.1 继电保护装置的基本要求

1、可靠性：指保护装置在该动作时工作，不该动作时不动作。前者为稳定性，后者为安全性。为此，继电保护要简单可靠，运行维护方便。

2、选择性：指继电保护装置动作时，只将故障元件从系统中切除。当故障设备或线路本身保护拒动时，则应有相邻近设备或线路的保护切除故障。为此，相邻设备或线路有配合要求的保护前后两级之间的灵敏度和动作时间应相互配合。

3、速动性：指保护装置应能尽快的切除短路故障，提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏。

4、灵敏型：灵敏性是指保护装置对在其保护范围内发生的故障和不正常运行状态的反应能力。要求保护装置对保护范围内发生的故障，无论是系统运行方式是最大还是最小，也无论故障点位置、故障类型如何以及故障点过渡电阻的大小，都能灵敏地反应，即具有足够的灵敏度。灵敏度常用灵敏系数来校验。

5.2 继电保护的基本原理

继电保护的种类很多，但是就一般情况来说，它是由测量部分、逻辑部分、执行部分组成的，其原理图如下：

输入信号 输出信号

测量部分 逻辑部分 执行部分 图4 继电保护装置的原理框图

测量部分从被保护对象输入有关信号，再与给定的整定值相比较，决定保护是否动作。根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定保护应有的动作行为。由执行部分立即或延时发出报警信号或跳闸信号。

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5.3 变电站主要的一些保护方式

5.3.1 过电流保护

当流过被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时就使断路器跳闸或给出报警信号的装置称为过电流保护装置，它有定时限和反时限两种。 反时限：接线简单、经济，广泛应用于10KV以下的中小型工厂供电系统，可同时实现电流速断保护，动作时间较麻烦，误差较大。

定时限：接线复杂，动作时间简单，应用于110KV以上的供电系统。 过电流保护装置的整定计算：

过电流保护装置动作电流计算一般包括动作电流的计算，动作时限的整定和灵敏度的校检。

(1)过电流保护装置动作电流计算

过电流保护的最小起动电流必须按二个条件整定：一是必须躲过正常工作电流的最大负荷电流Imax，二是躲过外部故障切断后各电动机的自起动电流。过电流保护装置的一次侧起动电流可按下式计算

Idz?KkKzqImax Kf式中 Kk——可靠系数，DL型继电器取1.2；GL型继电器取1.3； Kf——返回系数，DL型取0.8，GL型取0.85；

Kzq——电动机自起动系数。由实验或实际运行数据来确定，当可

查时，可考虑将Idz?KkKzqImax取3 ~ 4。 Kf电流继电器的动作电流为：Idzj?式中Kjx——接线系数；

KjxKiIdz?KjxKkKzqImax

KiKfKi——电流互感器。

（2）过电流保护的灵敏系数

规程要求中性点不接地系统在最小运行方式时，保护区末端发生两相短路时，可考虑系数不应小于1.25～1.5，即:

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Klm?Id?2?minIdz?1.25~1.5

5.3.2 电流速断保护

过电流保护装置为了保证有选择性,其整定时限必须逐级增加△t秒，越靠近电源，短路电流越大，而保护装置动作时限也越长，这对设备安全运行非常不利，为弥补此缺点，可以采用瞬时动作的电流速断保护装置配合使用。

电流速断保护电路的优点是动作迅速，能缩短故障切除时间，其缺点是存在死区，不能保护整个线段，其保护范围可由本线段短路电流分布曲线确定。电流速断保护装置不能单独使用，必须与过电流保护配合。速断保护装置的动作电流应按本线路末端在最大运行方式下发生短路的短路电流来整定。

5.3.3 纵联差动保护

带有阶梯式时限的过电流，在靠近电源端发生故障后不能瞬时切断，而电流速断保护因为有死区，它仅保证瞬时断开被保护绕组的一部分。为了使作为重要设备的变压器发生故障后能全部瞬时切断，可采用纵联差动保护装置。

差动保护是反映被保护元件两侧电流的差额而动作的保护装置。差动保护范围包括变压器绕组、两侧套管和引出线所能出现的各种短路故障。

Idql?m?ktxfweIk?w??mkTA

Idql——不平衡电流

Ik?w??m——外界短路时的最大短路电流

ktx——同型系数，差动保护中采用两种互感器，当它们型号相同时，=0.5；当它们型号不同时，取 =1；

fwe——互感器的误差，取最大值10%。

为了防止误动作，必须使差动保护的动作电流大于最大不平衡电流。为了提高差动保护的灵敏度，又必须设法减少不平衡电流。

5.3.4 瓦斯保护

瓦斯保护又称气体继电保护，是保护油浸式电力变压器内部故障的一种基本的保护装置。按GB50062-92规定，800kVA及以上的一般油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。

瓦斯保护的主要元件是气体继电器。它装设在变压器的油箱与油枕之间的联

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通管上，利用油浸式电力变压器内部故障时产生的气体进行工作。它有两个触点：一个是“轻瓦斯触点”，另一个是“重瓦斯触点”。在变压器正常运行时，气体继电器两对触点都是断开的。当变压器油箱内部发生轻微故障时，“轻瓦斯触点”接通。当变压器油箱内部发生严重故障时，“重瓦斯触点”接通。如果变压器油箱漏油，“轻瓦斯触点” 与“重瓦斯触点”会先后接通。重瓦斯的动作值是按油流速度来整定的，对油浸自冷变压器通常整定在0.6-1.0米／秒。对于强迫油循环的变压器整定为1.1-1.2米／秒。

瓦斯动作的主要优点是动作快，灵敏度高，结构简单，能反映变压器油箱内的各种故障，可靠性比较高，安装简单，其缺点是不能反映油箱以外故障（如变压器套管以及引出线上的故障），因此瓦斯保护不能取代变压器的其他保护。

规范还规定容量在1000kVA及以上的油浸式变压器应装设温度保护。通常采用一个温度继电器安装在变压器的油箱壁上来测量油箱温度，当油箱温度超过允许值时，温度继电器的触点接通，去触发信号装置发出预告信号。

5.4 本设计的继电保护计算

5.4.1 速断计算

根据本设计的主接线图（见后面的附录图），本设计的两回进线架空线段采用电流速断保护和过电流保护。已知速断保护装置的本段动作电流应躲过本段末

(3)II(3)端的最大短路电流Imax，即Iop??I?A 1re1max?1.3?5.67?7.371(3)I?re1取1.3，Imax等于5.67KA（由前面的短路计算知道）

继电器动作电流为：

IIop1.r??COMI1IOP1??7.371?103?92.14A ?TA400\\5电流速断保护灵敏性用其保护范围长度来衡量：

Ilp,min?13Eph(?Xs,max) IX2IOP11337/3(??0.1) 0.427.371=

=6Km

Im=lp,min%?lIp,minlAB?6?100%?15%,合格。 622

5.4.2 过电流计算

本段过电流的整定计算，由前面的负荷计算可知，IL,max?207A.

III保护装置一次侧动作电流Iop1为：

III?re1.2?1.51?SS=IL,max??207?438A

?re0.85IIIIop1继电器的动作电流为：

IIIIop1,r??om1III?Iop??4.38?5.475A 1?TA400/5取过电流保护继电器的动作电流为6A，过电流保护装置的灵敏系数为：

Ksm?32?5.67?103?10.27>1.2

80?6/1所以能满足要求。

5.4.3 对于本变压器采用差动保护

（1）确定基本侧：

变压器一次额定电流110KV侧：IN,Y?10003?35100003?10?165(A)

10KV侧：INT,d??577(A)

110KV侧计算电流互感器变比及选用变比：

kTAd?ITN,Y53?3?165285? 55选择电流互感器标准变比：kTAd?300 510KV侧计算电流互感器变比及选用变比：

KTAY?ITN,d5?577 5所以选用标准变比为600/5的电流互感器。 110KV侧电流互感器二次连接臂电流:I1?ITN,YKTA,d3?1653?4.763

300/5 23

10KV侧电流互感器二次连接臂电流：I2=

577?4.810 600/5因为I2大于I1,所以选其中较大者10.5侧为基本侧。

（2）计算差动保护基本侧的动作电流，在决定一次动作电流时应满足下列三个条件：

躲过变压器磁涌的条件：Iop1?krelTTN,d?1.3?577?750A 躲过电流互感器二次断线不应误动作的条件：

IOP1?krelILmax?1.3?555?725.5A

躲过外部短路最大不平衡电流：

''(3)IOPl?krelIunb,max?krel(kstkerr??U??fs)Ik?2

=1.3(1?0.1?0.05?0.05)×8460 =2199A

选择上述条件计算值中取最大的作为基本侧的一次动作电流，即Iopl取2199A. 差动继电器基本侧的动作电流为：

Iop,r?Iop1KcomKTAY?2199?1?18.33A

600\\5式中KTAY,Kcom为基本侧的电流互感器变比与其接线系数。

5.5 本设计10KV侧的继电保护

从10KV侧低压母线引出的8回线路的继电保护。第一为过电流保护：由

III前面的负荷计算可知，IL,max?110A.则保护装置一次侧动作电流Iop1为:

IIIIop1?KrelKss1.2?1.5IL,max??110?233A Kre0.85III继电器的动作电流为：Iop1,r?kcom1III?Iop??233?2.91A 1KTA400\\5

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第六章： 变电站二次回路方案的确定

6.1 二次回路的定义和分类

二次设备是指测量表计、控制及信号设备、继电保护装置、自动装置和运动装置等。根据测量、控制、保护和信号显示的要求，表示二次设备互相连接关系的电路，称为二次接线或二次回路。

按二次接线的性质来分，有交流回路和直流回路，按二次接线的用途来分，有操作电源回路、测量表计回路、断路器控制和信号回路、中央信号回路、继电保护和自动装置回路等。

6.2 二次回路的操作电源

操作电源：操作电源主要指供指示信号、继电保护和自动装置工作以及断路器跳合闸的操作电源。

继电保护装置的操作电源要求非常的可靠，以期在故障情况下，装置能可靠的动作。工厂供电系统中所采用的操作电源有三种：由蓄电池供电的直流电源，整流电源和交流电源。

交流电源可以从所用变压器或仪用互感器取得： （1）由所用变压器取得 （2）用仪用互感器作交流操作电源

直流系统：全站设一套直流系统，用于站内一、二次设备、通信及自动化系统的供电直流系统电压为110V，容量为50Ah（两台主变），全所事故停电按2小时考虑。直流系统采用单母线分段接线，设分段开关，每段母线各带一套充电装置和一组蓄电池组，充电装置采用高频开关电源，蓄电池采用阀控式密封铅酸电池，放置方式采用蓄电池屏。每套系统设一套微机型绝缘监控装置和蓄电池容量检测仪，直流系统应具有智能化功能并能与站内自动化系统通信。

直流系统采用混合式供电方式。110KV部分采用放射型供电。10KV母线则按分段情况设置。

6.3 二次回路的接线要求

继电保护装置即各种不同类型的继电器，以一定的方式连结与组合，在系统发生故障时，继电保护动作，作用于断路器脱扣线圈或给出报警信号，以达到对

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系统进行保护的目的。继电保护应满足以下的要求：

1. 选择性：当供电系统发生故障时，要求只离故障点最近的保护装置动作，切除故障，而供电系统的其它部分仍然正常运行。满足这一要求的动作，称为“选择性动作”。如果供电系统发生故障时，靠近故障点的保护装置不动作(拒动作)，而离故障点远的前一级保护装置动作(越级动作)，这就叫“失去选择性”。

2.速动性：为了防止故障扩大，减轻其危害程度，并提高电力系统运行的稳定性，因此在系统发生故障时，保护装置应尽快动作，切除故障。

3.可靠性：保护装置在应该动作时，就应该可靠动作，不应拒动作，而在不应该动作时就不应该误动作。保护装置的可靠程度，与保护装置的元件质量、结线方案以及安装、整定和运行维护等多种因素有关。

4.灵敏性：表征保护装置对其保护区内故障和不正常工作状态反应能力的一个参数，如果保护装置对其保护区内故障轻微的故障能力都能及时地反应动作，就说明保护装置的灵敏度高。灵敏度用保护装置的保护区内在电力系统最小运行方式时的最小短路电流与保护装置一次动作电流的比值来表示，这一比值就称为保护装置的灵敏系数或灵敏度。

6.4 电气测量仪表及测量回路

（1）电气测量的任务与要求

为了监视供电系统的运行状态和计量一次系统消耗的电能，保证供电系统安全、可靠、优质和经济合理地运行，在变配电装置中必须装设一定数量的电气测量仪表。对电气测量仪表，要保证其测量范围和准确度满足变配电设备运行监视和计量的要求，并力求外形美观，便于观测，经济耐用等。具体要求可参照GBJ63-90《电力装置的电测量仪表装置设计规范》。

为了安全和标准化小型化，电气测量仪表一般通过电流互感器和电压互感器接入一次系统中，因此，其测量范围和准确度还需和互感器相配套。互感器的准确度等级应比测量仪表高一级，如1.0级的测量仪表应配置不低于0.5级的互感器，0.5级的专用计量电能表应配置不低于0.2级的互感器。电流互感器变比的选择，宜满足装置回路最大负荷运行时，仪表的指示在满量程的的70％～100％处。

（2）电气测量仪表的配置

供电系统变配电装置中各部分仪表的配置要求如下：

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1）110/10.5kV电力变压器，应装设电流表、有功功率表、无功功率表、有功电能表和无功电能表各1只，装在变压器哪一侧视具体情况而定。

2）10kV进线，应装设1只电流表。由树干式线路供电的或由公用电网供电的变电所，还应再装设有功电能表和无功电能表各一只。供电部门计费用的电能表装设在专用的计量柜中。

3）10kV母线（每段母线）上，必须装设1只电压表测量线电压。在中性点非有效接地的系统中，10kV配电所的每段母线上还应装设绝缘监视装置，并装设 3只电压表测量相对地电压以判断哪一相发生接地。

4）10kV母线联络柜上，应装设1只电流表。

5）10/0.4kV配电变压器，应装设电流表、有功电能表各1只，如为单独经济核算单位的变压器，还应再装设1只无功电能表。

6）10kV出线，应装设电流表、有功电能表各1只，如为单独经济核算单位的线路，还应再装设1只无功电能表。

(3) 电气原理图可参考附录表三

6.5断路器的控制和信号回路

高压断路器的控制回路是指用控制开关或遥控命令操作断路器跳、合闸的回

路，它主要取决于断路器操动机构的型式和操作电源的类别。电磁操动机构和新近采用的永磁操动机构只能采用直流操作电源，弹簧操动机构可交直流两用。断路器的控制方式有开关柜就地控制和在控制室远方控制两种方式。

信号回路是用来指示一次系统设备运行状态的二次回路。信号按用途分，有位置信号、事故信号和预告信号等。

断路器位置信号用来显示断路器正常工作的位置状态，一般红灯亮，表示断路器处于合闸位置；绿灯亮，表示断路器处于跳闸位置。

事故信号用来显示断路器在事故情况下的工作状态。一般红灯闪光，表示断路器自动合闸；绿灯闪光，表示断路器自动跳闸。此外，还有事故音响信号和光字牌等。

预告信号是在系统出现不正常状态时或在故障初期发出的报警信号。例如，变压器超温或系统接地时，就发出预告音响信号，同时光字牌亮，指示故障的性质和地点，运行人员可根据预告信号及时处理。 对断路器的控制和信号回路主要有下列基本要求：

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1）应能监视控制回路保护装置及其跳、合闸回路的完好性。通常小型变配电所采用灯光监视方案，中大型变配电所采用音响监视方案或微机远方监视。

2）合闸或跳闸动作完成后，应能使命令脉冲解除，即能切断合闸或跳闸回路。断路器操动机构中的维持机构（即机械锁扣）能使断路器保持在合闸或跳闸状态，因此，跳、合闸线圈是按短时工作设计的，长时间通电会烧毁。

3）应能指示断路器正常合闸和跳闸的位置信号以及断路器自动合闸和跳闸的指示信号。如前所述，可分别用红、绿灯的平光以及闪光来表示。一般在小型变配电所和采用微机远方控制的变配电所，闪光信号也可以取消，而通过其它信号如音响信号来指示。

4）应有防止断路器连续多次跳、合闸的防跳回路。各种型号的操动机构本身不具备机械防跳性能，应加装电气防跳回路。当采用整体结构的真空断路器时，若其机构内配有防跳继电器，在保护动作跳闸的同时可切断合闸回路，实现电气防跳，则不加装电气防跳回路。

6.6 自动装置

变配电所中，一般由两路电源进线，故障大多数能自行消失，设置自动投

入装置和自动重合闸装置是很有必要的，用以提高供电可靠性，保证重要负荷的供电持续性。

备用电源自动投入装置（APD）：在具有两个独立电源供电的变（配）电所中装上备用自动投入装置后，若其中一个正在工作的电源不论何种原因失去电压时，备用电源自投装置能将失去电压的电源切断，随即将另一备用自动投入以恢复供电，因而能保证一类负荷或重要的二类负荷不间断供电，提高供电的可靠性。 安装方式，明备用：APD装在备用进线的QF上。暗备用：APD装在母线的分断断路器上（QFB）。

自动重合闸装置ARD：ARD也是一种反事故装置。它主要装设在有架空线路出线的断路器上。自动重合闸分一次重合、二次重合和三次重合，据统计：一次重合的成功率达80%左右，二次、三次重合成功率很小，故大多数工厂采用一次重合。

6.7 绝缘监视装置

这种装置利用接地后出现的零序电压给出信号。在变压器电源母线上装接一

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致 谢

三年的函授专科生活即将结束,在将要完成函授本科毕业论文的最后时刻，掩卷而思，不禁感慨万千。回首几年来所经过的学习历程，无一不是各位尊敬的老师、同学和朋友们的亲切关怀，精心呵护和悉心照料下度过的。在这里，我要写下对所有关心、爱护和帮助过我的人的万分感激之情。

本设计是在我的指导老师精心指导下完成的。在做此设计期间,我遇到了很多困难，但指导老师总是很耐心的指导我们。值此论文完成之际，谨向我的导师致以最衷心的感谢。导师严谨求实的治学作风、扎实勤勉的工作态度和诲人不倦的高尚品德，时刻激励着我刻苦学习、认真完成毕业设计；我的指导老师对科学事业孜孜以求、废寝忘食的崇高奉献精神，将时刻鞭策着我在未来的人生旅途中不断努力、积极进取。

在整个大学学习过程中，我有幸得到了各任课老师的精心指导和热情帮助，在此，也向他们表示诚挚的谢意。特别要感谢电力工程系全体老师的悉心教导与培养。他们不但教给我扎实的专业知识，还教我做人、做事等方面的道理。

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