110KV野三关变电所设计实践.doc

i 摘摘 要要 设计的课题是 110kv 野三关变电所。通过本次课题设计，对大学四年的学 习进行了全面的总结，达到了巩固专业知识的目的。 变电所为城区及周边城市供电和电厂的上网起到了城区枢纽作用。变电所 首先要保证供电可靠，保证对用户不间断供电；其次要求操作灵活，维护方便， 接线简单，布置清晰，经济合理。 根据以上变电所设计的要求，设计的 110kv 变电所的主要内容有：电气主 接线的设计；短路电流计算；电器设备的选择；避雷器的选择；户外配电装置 的设计；10kv 户内配电装置布置；变电所防雷保护设计；主变压器继电保护 设计；110kv 线路；35kv 线路及 10kv 线路保护设计。 变电所有 110kv 出线 1 回，35kv 出线 8 回，10kv 出线 10 回，2 台 10mva 变压器，变电所所起到了接受电能、分配电能并变换电压的作用，为国 民经济的发展和人民生活提供了可靠的有力保证。 关键词：关键词：110kv 变电所，短路计算，线路保护，配电装置，主接线，变压器 ii abstract this paper aims at the design of the 110kv yesanguan transformer substation. it comments the knowledge that the author has learned in the past four years and improves the authors major learning. the substations function is pivotal to the power-supply in downtown and around areas and the power stations join to the electric net. the substation should be sure that it can supply power to user continually first. meanwhile, it need to be quick to be operated, convenient to be maintained, simple to be ,clear to be arranged ,and reasonable to be run. according to the requirement above, the design includes important aspects as following. the design of the main currency circuit, short circuit calculation, selection of the electrical equipment, selection of blz, the design of outdoor power-supply equipment, arrangement of 10kv indoor power-supply equipment, the design of prevention from the under, the design of protection to the continual power-supply, the design of protection to 110kv, 35kv and 10kv circuit. the substation has a set of 110kv output circuit,8 sets of 35kv output circuit,10 sets of 10kv output circuit, and 2 sets of 10mva transformers. it can receive currency, arrange electric power and transform electric voltage. moreover, it ensures to improve the economical development and peoples living. key words: 110kv transformer substation, short circuit calculation, line protection, distribution equipment, main electrical scheme, transformer. iii 目目 录录 摘 要.i abstract ii 1 绪言.1 1.1 课题背景1 1.2 课题研究的目的和意义1 1.3 国内外概况 1 2 电气主接线的设计.2 2.1 概述2 2.1.1 主接线的定义.2 2.1.2 主接线的作用2 2.1.3 主接线的表示法.2 2.1.4 对主接线的要求.2 2.2 主接线的基本形式 3 2.2.1 主接线的环节3 2.2.2 主接线的分类3 2.3 主接线的设计 6 2.3.1 110kv 配电装置接线.6 2.3.2 35kv 配电装置接线.7 2.3.3 10 kv 配电装置接线7 2.3.4 400v 配电装置接线7 2.4 主接线的选择 7 2.4.1 母线的选择7 2.5 母线的型号 8 3 短路电流计算.9 3.1 短路的定义9 3.2 短路的原因及后果 9 3.2.1 短路的原因主要有以下几种.9 3.2.2 短路故障.9 3.3 短路的类型9 3.4 短路计算的目的和简化假设9 3.4.1 计算短路电流的主要目的.9 3.4.2 在实际短路计算中的简化计算假设.10 3.5 短路电流的计算 10 3.5.1 概述10 3.5.2 110kv 母线三相短路时,短路电流计算10 3.5.3 10kv 母线三相短路时,短路电流计算11 4 电气设备选择.12 4.1 电气设备选择的重要性12 iv 4.1.1 主变压器的选择.12 4.2 断路器的选择12 4.3 隔离开关的选择12 4.4 互感器的选择13 4.4.1 电压互感器.13 4.4.2 电流互感器.13 4.4.3 消弧线圈.13 5 避雷器的选择.14 5.1 避雷器的作用及类型14 5.2 zno 除了有较理想的非线性伏安特性外的主要优点15 5.3 变压器中性点避雷器的选择 15 5.4 10kv 及 35kv 母线避雷器的选择15 5.5 10kv 母线及出线避雷器的选择15 6 户外配电装置.16 6.1 户外配电装置16 6.2 中型屋外配电装置的选型16 6.2.1 普通中型屋外配电装置.16 6.2.2 分相中型配电装置.16 6.3 屋外配电装置的一般问题.16 6.3.1 母线和架构.16 6.3.2 电力变压器.16 6.3.3 电器的布置.16 6.3.4 电缆沟和通道.16 7 10kv 户内配电装置布置17 7.1 概述17 7.2 屋内配电装置的分类17 7.3 对配电装置的安全技术要求17 7.4 成套配电装置17 7.5 对户内配电装置各部距离的要求17 7.6 户内配电装置各种通道的最小宽度（净距） （m）.17 8 110 kv 变电所防雷设计.18 8.1 概述18 8.2 防直击雷保护18 8.3 避雷针的距离及高度分析 18 8.3.1 独立避雷针离配电构架的距离18 8.3.2 架空地线的保护范围18 8.3.3 母线防雷保护18 9 主变压器继电保护设计.19 9.1 概述 19 9.2 瓦斯保护 19 v 9.2.1 接地保护19 9.2.2 瓦斯保护的整定19 9.3 纵联差动保护 19 9.3.1 基本原理19 9.3.2 纵联差动保护的整定计算20 9.4 变压器的后备保护 21 9.4.1 低电压起动过电流保护21 9.4.2 过负荷保护21 9.5 变压器的接地保护 21 10 110/10kv 线路保护23 10.1 概述 23 10.2 方向横差保护 23 10.2.1 整定计算23 10.2.2 灵敏度计算23 10.3 距离保护 24 10.4 全线速动保护 25 11 变电所的基础建设.26 11.1 概述26 11.2 变电所的选址26 11.2.1 规划选所26 11.2.2 工程选所26 11.2.3 变电所的所址选择一般要求26 11.3 火灾报警系统27 11.4 抗干扰措施27 11.5 遥视警戒系统27 11.6 给排水及消防 27 11.6.1 供水27 11.6.2 排水27 11.6.3 消防27 11.7 采暖通风措施 28 11.7.1 室外气象参数28 11.7.2 采暖通风措施.28 总结与展望29 参考文献30 附 录 i.32 1 1 绪言绪言 1.1 课题背景课题背景 现代电力系统是一个由电力生产、输送、分配及电能变换等环节组成的能 量平衡系统。它主要由生产电能的发电厂、输电配电线路、各种变压器以及具 有不同特性及运行要求的电力负荷所构成。正常运行着的电力系统，电能的生 产和消耗都是相等的。电力工业是国民经济的一项基础工业，其发展速度必须 超前于国民经济发展的速度，否则其他各项工业将要受到制约。电能又具有不 可存储性。为此，解决用电难，缺电和电厂上网难的实际现状，设计修建变电 所势在必行。 1.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 给出了用电难和缺电的实际解决办法，设计修建 110kv 变电所成为重要 任务，山区特殊地理位置决定了设计的特殊性，恩施的电供过于求，每年在线 路上要损耗 3 亿度电，多余的电送不出去，一方面要设计修建 500kv 变电所， 把电输送出去，另一方面，在用电难和缺电的地方设计修建 220kv 和 110kv 变电所，解决用电难和缺电的问题。 根据当地的用电负荷和在未来 5 年中预测最大负荷，设计了这个城区枢纽 变电所，该变电所为城区供电和电厂上网作出了有力的保证，保证了供电质量 和供电可靠性，为城区及周边经济发展和人民生活起到了重要作用。 1.3 国内外概况国内外概况 全国水能资源的蕴藏量为 6.8 亿 kw，其中可开发利用的约 3.7 亿 kw，居 世界首位。旧中国的电力工业极端落后，发电厂大部分集中在东北和沿海的几 个大城市。旧中国全国装机容量仅 185kw，年发电量 43 亿 kwh，110kv 及 以上电压等级的电力系统仅在东北三省有两个，总容量为 12 万 kw，电力设备 陈旧，效率低，类型庞杂，各个系统的频率也不统一。 新中国成立后，改变了电力工业极端落后的面貌。到 1995 年，全国总装机 容量达到 2.1 亿 kw，完成发电量 1000 亿 kw，年发电量达到 9278 亿 kwh， 居世界第三。 “八五”期间，发电设备装机容量以年均 1500 万 kw 的速度增长。 电网建设和运行也取得了很大的发展和进步，220kv 及以上输电线路达到 11.4 万 km，变电容量大于 3 亿 kva。大电网已覆盖我国全部城市和大部分农 村。 在国外，水电事业发展很快，有 750kv 超高压直流输电线路，设备很先进 生产运行方法很前沿，有许多地方值得学习和借鉴。但也有很多地方存在缺电 和少电，以及用电难的问题。 2 2 电气主接线的设计电气主接线的设计 2.1 概述概述 2.1.1 主接线的定义主接线的定义 所谓主接线就是表示在发电厂和变电所中发电机、变电器、断路器、隔离 开关、母线、电流互感器、电压互感器和线路等相互之间的连接的电路1。 2.1.2 主接线的作用主接线的作用 主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，在发电厂和变电所中发电机、 变压器、断路器、隔离开关、母线、电流互感器、电压互感器和线路等相互之 间的连接，必须满足一定的要求，以保证电能的生产、变换和输送。连接的方 式对供电可靠性、运行灵活、检修方便以及经济合理等起着决定性的作用1。 主接线对发电厂和变电所的建设投资、安全经济运行有着重大影响，直接关系 到发电厂和变电所的技术经济指标。 2.1.3 主接线的表示法主接线的表示法 主接线图一般都用单线来表示三相三线，这样可使接线图简单清楚，图中 各种电气设备用国家规定的图形符号来表示2。 2.1.4 对主接线的要求对主接线的要求 变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位及作用、线路数目、设 备特点及负荷性质等条件确定，并应满足运行可靠、简单灵活、操作方便和节 约投资抢救无效要求。主接线的型式和复杂程度与发电厂、变电所的电压等级、 容量及其在系统中的地位有关3。 发电厂和变电所的电气主接线应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。 （1）主接线的可靠性 供电可靠性是电能生产和分配的首要任务，主接线应该满足这个要求。为 了保证供电的可靠性，主接线应考虑到在事故或检修的情况下，尽可能减少对 用户供电的中断。特别重要的负荷，还应考虑设置备用供电电源。这样一来， 在满足上述可靠性要求的情况下，就必然要增加设备和线路，使接线复杂。显 而易见，提高可靠性是以增大投资为代价的。由于接线复杂，会导致较复杂的 操作、切换程序，有可能引起事故，反而降低了可靠性。因此，要综合考虑多 种因素来对提高可靠性的措施作出合理选择1。 （2）主接线的灵活性 主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。调度时，可以灵活地投入 和切除发电机、变压器和线路、调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式， 检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。检修时，可以方便地停运 断路器、母线及其继电保护设备，而不致影响电力网的运行和对用户的供电。 扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。在不影响连接供电或停电时 间最短的情况下，投入新机组、变压器或线路，并对一次和二次部分的改建工 作量最少1。 （3）主接线的经济性 主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。主接线应力求 简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器以及避雷器等一次设备； 要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆；必要时， 要能限制短路电流，以便选择价廉的电气设备或轻型电器等。主接线设计要为 3 配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少。年运行费用包括年电能损耗和 设备的维修费用等。应经济合理选择变压器的容量和台数，要避免因两次变压 而增加电能损耗1。 2.2 主接线的基本形式主接线的基本形式 2.2.1 主接线的环节主接线的环节 发电厂和变电所的主接线的基本环节是电源（发电机或变压器）和引出线。 母线（又称汇流母线）是中间环节，它起着汇总和分配电能的作用。由于多数 情况下引出线数目要比电源数目多好几倍，故在二者之间采用母线连接既有利 于电能交换，还可使接线简单明了和运行方便，也便于扩建4。 2.2.2 主接线的分类主接线的分类 发电厂和变电所的电气主接线，按照有无汇流母线分为两类。 有汇流母线的主接线：单母线、单母线分段、双母线、双母线分段、增设 旁路母线等； 无汇流母线的主接线：桥形接线、多角形接线以及发电机、一变压器单元 和扩大单元接线等1。 （1）单母线接线 不分段单母线接线极为简单，只有一组母线的接线称为单母线接线，其特 点是电源和供电线路都连在同一母线上5。为了便于投入或切除任何一条进、 出线，在每条引出线上都装有可以切除负荷电流和故障电流的断路器，当需要 检修断路器而又要保证其他线路正常供电时，则应使被检修的断路器和电源隔 离，为此，又在每个断路器的两侧装有隔离开关，其作用只是保证检修断路器 时使其和电源隔离，而不能用来断开电路。图见图 2.1 所示： wl qs4 qs3 qs2 qf1 qs1 t2 t1 电源 母线 线路 图 2.1 单母线接线 t1，t2变压器，qs 隔离开关，qf 断路器 单母线接线的主要优点是：接线简单、清晰，采用设备少、投资省，操作 方便，便于扩建和采用成套配电装置。单母线接线一般只适用于一台发电机或 一台变压器的以下三种情况： 610kv 配电装置的出线回路数不超过 5 回； 3563kv 配电装置的出线回路数不超过 3 回； 110220kv 配电装置的出线回路数不超过 2 回； 单母线接线的主要缺点：不够灵活可靠，当母线或母线隔离开关发生故障 或检修时，均需断开电源，造成整个厂、站停电6。 （2）单母线分段接线 为了克服单母线接线的缺点，提高供电可靠性，采用断路器将单母线分段。 4 这样对重要用户可以由分别接于两段母线上的两条线路供电，当任一段母线故 障时，能保证重要用户不停电。同时，对两段母线可以分别进行检修而不致对 用户停电7。单母线分段接线见图 2.2 所示： w2 qs6 qf3 qs5 w1 t2t1 图 2.2 单母线分段接线 单母线分段接线的优点：简单、经济、方便，在一定程度上克服了单母线 接线的缺点，故这种接线目前被广泛使用。单母线分段接线适用范围： 610kv 配电装置的出线回路数为 6 回及以上时； 3563kv 配电装置的出线回路数为 48 回时； 610kv 配电装置的出线回路数为 34 回。 单母线分段接线的缺点：当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时， 该段母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电。显然，对于大容量发电厂 和枢纽变电所来说，这都是不能容许的。因此，还需要加以改进1。 （3）双母线接线 见图 2.3 所示单断路器的双母线接线的基本形式。双母线接线有两组母线， 即母线 1 和母线 2。两组母线之间用母线联络断路器 qfw连接起来，每一个回 路都通过一只断路器和两只隔离开关接到两组母线上。当母联断路器 qfw断开 时，一组母线带电，另一组母线不带电。带电的母线称为工作母线，不带电的 母线称为备用母线。正常运行时，接至工作母线上的隔离开关接通，接到备用 母线上的隔离开关断开7。 qfw 1 2 电源1 电源2 图 2.3 双母线接线 双母线接线的特点： 正常计划检修时，不会中断对用户的供电； 当修理任一回路的母线隔离开关时，只需断开该回响； 工作母线故障时，可将全部回路转移到备用母线上，从而对用户迅速恢 5 复供电； 可用母联断路器代替任一回路需要检修的断路器，在这种情况下，只需 短时停电； 在个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分出来，并单独接至备用 母线上。双母线接线的主要优点：不影响供电的情况下对母线系统进行检修。 双母线接线的缺点：接线较复杂；当工作母线故障时，在切换母线的过程 中仍要短时停电1。 （4）双母线分段接线 双母线分段接线是单母线分段和双母线结合起来的一种形式，采用分段断路 qfc 1 2 电源1 电源2 qf2 qf1 w1w2 图 2.4 双母线分段接线 器 qfc将工作母线 1 分段，而每段则分别用母联 qf1和 qf2与备用母线 2 相连。 见图 2.4 所示。 双母线分段接线的主要优点：任何一段母线故障或检修时仍可保持双母线 并列运行。缺点：增加了设备，增大了投资和占地面积8。 （5）双母线带旁路接线 双母线带旁路接线见图 2.5 图中母线 3 为旁路母线，断路器 qf1为接到旁 路母线的断路器，正常运行时它处于断开位置，当需要检修任何一个线路断路 器时，可用 qf1来代替而不致停电。 1 2 3 wl qs4 qs3 qf1qf2 qs2 图 2.5 双母线带旁路接线 （6）双母线三分段（或四分段）带旁路接线 对于可靠性要求高的 330500kv 超高压配电装置的接线，为限制故张障 范围，当进出线为 6 回及以上时，一般采用双母线三分段（或四分段）带旁路 接线。电源和负荷均匀分配在各段母线上，当一段母线故障或连接在母线上的 进出线的短路器故障时，停电范围不超过整个母线的四分之一；当一段母线故 6 障合并分段短路器或母线短路器拒动时，停电范围不超过整个母线的二分之一。 双母线三分段（或四分段）带旁路接线的优点是：供电可靠性高。其缺点：分 段后母线保护比较复杂8。 （7）单元及扩大单元接线 几个元件直接单独连接，其间没有母线联系，这不仅减少了电器的数目， 简化了配电装置的结构和降低了造价，同时大大减少了故障的可能性。这种接 线分为发电-变压器-线路单元接线、桥形接线。其中桥形接线分为内桥式和外 桥式，优点是高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。 （8）多角形接线 将各断路器互相连接构成闭合的环形，因而又得名单环形接线，又称为多 角形接线。多角形接线具有双断路器类型接线的优点。多角形接线图见 2.6 所 示。 多角形接线的缺点：任一台断路器检修时都要开环运行；每一进出线回路 都连接着两台断路器，每一台断路器又连接着两个回路，这给电器选择带来困 难，继电保护的整定复杂化；扩建不太方便1。 wl1 wl2 qf1 qf2 qf3 t1 t2 wl1 wl2 qf1qf2 t1 t2 qf3 图 2.6 桥形接线 2.3 主接线的设计主接线的设计 110kv 野三关变电所,配电装置构架及母线接线，110kv 配电装置采用单 母分段接线、母联兼旁母接线；35kv 配电装置采用单母线两三分段接线； 10kv 配电装置采用单母线分段接线；400v 配电装置采用单母分段接线。 2.3.1 110kv 配电装置接线配电装置接线 采用单母线分段接线，母联兼旁母接线。克服单母线接线不够灵活，当母 线或母线隔离开关发生故障或检修时，均需断开电源，造成整个厂、站停电的 缺点，故采用单母线分段接线。又克服了当一段母线或母线隔离开关发生故障 或检修时，造成该母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电的缺点，采用 母联兼旁路接线。1#、2#母线为 110kv 单母线分段母线，3#母线为 110kv 旁 路母线，断路器 15 为 1#母线与 3#旁路母线联接的母联断路器，断路器 16 为 2#母线与 3#旁路母线的母联断路器。隔离开关 131 为 110kv 单母线分段联接 的隔离开关，为了节省总投资，减少占地面积，在这时减少了一台断路器和一 台隔离开关的安装9。 110kv 配电装置采用单母线分段接线，母联兼旁母接线的优点：接线简单、 经济、方便。当 1#、2#3#母线任一段母线或分段隔离开关 131，发生故障或检 修时，不致造成停电，可靠性较高，同时避免了母线带旁路母线接线的设备多、 投资大、占地面积广的缺点。总之，110kv 配电装置采用单母分段接线，母联 7 兼旁路接线具有高度可靠性、运行调度灵活、操作检修方便、经济合理的优点。 110kv 出线 1 回泉野线。泉野线接 1#母线。 2.3.2 35kv 配电装置接线配电装置接线 采用单母三分段接线。即 4#母线与 5#母线。单母线三分段接线避免了接线 不够灵活可靠的缺点，同时，当母线或母线隔离开关发生故障或检修时，不需 断开电源，不会导致重要用户停电。 单母线三分段接线提高了可靠性。正常运行时，分段隔离开关 361、362 处 于闭合状态。 35kv 系统有 8 回出线间隔，分别为野 31 间隔（35kv 野泉线） 、野 32 间隔 （铁路 i 回线） 、野 34 间隔（野大线） 、野 35 间隔（铁路 2 回线） 、野 37 间隔 （高速公路支井河线） 、野 38 间隔（野清线） 、野 40 间隔（野水线） 、野 41 间 隔（高速公路八字岭线） 。 2.3.3 10 kv 配电装置接线配电装置接线 10kv 配电装置采用单母分段接线。10kv 母联断路器 110 连接 6#母线和 7#母线。 10kv 系统有 10 回出线间隔，分别为野 102 间隔（柳家山尚水河线） 、野 103 间隔（天生桥电站） 、野 104 间隔（堰塘线） 、野 105 间隔（鱼泉河电站） 、 野 106 间隔（邮电专线） 、野 112 间隔（泗渡河电站） 、野 113 间隔（凤台永久 线） 、野 114 间隔（高路办线） 、野 115 间隔（野三关集镇线） 、野 107 间隔为 1#厂变线。 2.3.4 400v 配电装置接线配电装置接线 400v 配电装置采用单母线分段接线。400v 系统为野三关 110kv 变电站用 电提供了重要保障。 2.4 主接线的选择主接线的选择 2.4.1 母线的选择母线的选择 母线的材料、类型和布置方式 配电装置的母线主要用铜和铝组成。铜的电阻率低，机械强度大，抗腐蚀 性强，是很好的母线材料。但由于铜价格较贵，故铜母线很少采用。根据“以 铝代铜”的方针，母线的材料主要使用铝10。 屋外配电装置采用软母线或硬母线。绝大多数屋外配电装置采用钢芯铝绞 线作为母线。落地式布置的屋外配电装置中，可采用管形截面的硬母线。常用 的硬母线截面有矩形、槽形、管形和菱形，矩形母线一般只用于 35kv 及以下， 电流为 4000a 以下的配电装置中11。槽形母线机械强度较好，载流线较大，集 肤效应也较小，一般用于 4000-8000a 的配电装置中。管形母线集肤效应小，机 械强度高，管内可以通水和通风，可用作 8000a 以上的大电流母线。此外，由 于管形母线表面圆且光滑，电晕放电电压高，可用作 110kv 以上配电装置母线。 母线的散热条件和机械强度与母线的布置方式有关，三相母线水平布置时， 母线条立放方式比平放方式散热条件好，载流量大，但机械强度较低，而平放 方式母线的机械强度较高。因此，我选择三相母线水平布置，母线条平放方式。 母线截面的选择 8 按经济电流密度选择，对于全年负荷利用小时数较高，母线较长（长度超 过 20m） ，传输容量较大的回路，均应按经济电流密度选择母线截11。母线的 经济截面： sj=iwmax/j （2.1） 式中，iwmax-通过该母线的最大长期工作电流（a） ； j-经济电流密度； 会电晕电压校验。 产生电晕损耗、无线电干扰、噪声和金属腐蚀等许多不利现象，对于 110kv 裸导线，可按晴天不发生全面电晕条件进行校验，临界电压应小于最高 工作电压 ucr =smin （2.3） 按短路条件校验母线动稳定 母线通常安装在支持绝缘子上,冲击短路电流通过母线所产生的电动力有可 能使固定在支持绝缘子上的载流母线弯曲变形。故母线的动稳定校验主要是检 验其在短路时所受的弯曲应力12。 母线共振校验 当母线自振频率与电动力交变频率一致或接近时，将会产生共振现象，增 加母线的应力，因此，对于重要回路（如发电机、变压器及汇流母线等）的母 线必须进行共振校验。 2.5 母线的型号母线的型号 通过分析和计算，110kv 母线型号采用 lf21y-110/100 绝缘子型号 zs2-110/8；35kv 母线型号为 lmy-10010，绝缘子型号为 zs-35/4k；10kv 母 线型号为 lgj 型钢芯铅绞线，额定截面 185 平方毫米。为了节约投资，减少占 地面积 10kv 系统采用室内成套开关柜。 主接线的见附录 1 图 2.7 所示。 9 3 短路电流计算短路电流计算 3.1 短路的定义短路的定义 电力系统中一切不正常的相与相之间或相与地(指中性点直接接地系统)之 间发生通路的情况叫短路1。 3.2 短路的原因及后果短路的原因及后果 3.2.1 短路的原因主要有以下几种短路的原因主要有以下几种 （1）电气设备及载流导体因绝缘老化，或遭受机械损伤，或因雷击，过电 压引起绝缘损坏； （2）架空线路因大风或导体覆冰引起电杆倒塌等，或因鸟兽跨接裸露导体 等； （3）电气设备因设计、安装及维护不良所致的设备缺陷引发的短路； （4）运行人员违反安全操作规程而误操作，如运行人员带负荷拉隔离开关， 线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等1,3-5。 3.2.2 短路故障短路故障 由于网络总阻抗大为减少，将在系统中产生几倍甚至几十倍于正常工作电 流的短路电流。强大的短路电流将造成严重的后果，主要有下列几个方面： （1）强大的短路电流通过电路设备使发热急剧增加，短路持续时间较长时， 足以使设备因过热而损坏甚至烧毁； （2）巨大的短路电流将在电气设备的导体间产生很大的电动力，可能使导 体变形、扭曲或损坏； （3）短路将引起系统电压的突然大幅度下降，系统中主要负荷异步电动机 将因转矩下降而减速或停转，造成产品报废甚至设备损坏； （4）短路将引起系统中功率分布的突然变化，可能导致并列运行牟发电厂 失去同步，破坏系统的稳定性，造成大面积停电。这是短路所导致的最严重后 果； （5）巨大的短路电流将在周围空间产生很强的电磁场，尤其是不对称短路 时，不平衡电流所产生的不平衡交变磁场，对周围的通信网络、信号系统、晶 闸管触发系统及自动控制系统产生干扰1。 3.3 短路的类型短路的类型 三相短路、两相短路、单相接地短路及两相接地短路。 三相短路时，由于被短路的三相阻抗相等，因此，三相电流和电压仍是对 称的，又称为对称短路。其余几种类型的短路，因系统的三相对称结构遭到破 坏，网络中的三相电压，电流不再对称，故称为不对称短路。 3.4 短路计算的目的和简化假设短路计算的目的和简化假设 3.4.1 计算短路电流的主要目的计算短路电流的主要目的 （1）为选择和校验各种电气设备的机械稳定性提供依据，为此，计算短路 10 中冲击电流以校验设备的机械稳定性，计算短路电流的周期分量以校验设备的 热稳定性； （2）为设计和选择变电所电气主接线提供必要的数据； （3）为合理配置电力系统中各种继电保护和自动装置并正确整定其参数提 供可靠的依据12。 3.4.2 在实际短路计算中的简化计算假设在实际短路计算中的简化计算假设 （1）负荷用恒定电抗表示或略去不计； （2）认为系统中各元件参数恒定，在高压网络中不计元件的电阻和导纳， 即各元件均用纯电抗表示。并认为系统中各发电机的电势同相位，从而避免了 复数的运算； （3）系统除不对称故障处出现局部不对称外，其余部分是三相对称的。上 述简化，事实上带来的计算误差一般仍在工程计算的允许范围之内。 3.5 短路电流的计算短路电流的计算 3.5.1 概述概述 进行 110kv 和 10kv 三相短路电流计算。在设计计算中，当电源内阻抗不 超过短路回路总阻抗的 5%10%时，认为系统为无限大功率电源供电，其容量 为无限大，内阻抗为零。对这种电源，由其外电路发生短路而引起的功率变化 对它影响甚微，又因内阻抗为零而不存在内部电压降，所以，电源的端电压保 持恒定。 在电力系统短路电流计算中，其主要任务是计算短路电流的周期分量1。对内 阻抗 x=0，端电压 u=c（常数）的无限大功率系统，它所提供的短路电流周期分 量的幅值且不随时间而变。在三相短路电流计算中，取能够产生最大冲击电流 的点作为短路点进行分析计算13。 3.5.2 110kv 母线三相短路时母线三相短路时,短路电流计算短路电流计算 取 sd=100mva ；ud=110kv ；线路长 50km，线路电抗: xl*=xl(sd/uav) =0.450(100/110) =0.165 (3.1) 变压器电抗: xt*= uk(%)/100 sd/sd(n) =(10.5/100) (100/10) =1.05 (3.2) 电源至短路点的总电抗为: x*= xl*+ xt*=0.165+1.05=1.215 (3.3) 短路电流周期分量的有名值为: ip=id/x* =(1/x*)(sd/ud)3 =(1/1.215) 100/(4.18)ka3 =11.378ka (3.4) 冲击电流为: ish=kshipm =kship2 11 =1.811.378ka2 =28.9592 ka (3.5) 短路功率为: s=sd/x* =(100/1.215)mva =80.3045mva (3.6) 3.5.3 10kv 母线三相短路时母线三相短路时,短路电流计算短路电流计算 取 sd=100mva；ud=10kv；电缆线长 5km，线路电抗: xl*= xl(sd/uav) =0.45(100/10) =2 (3.7) 变压器电抗: xt*= uk(%)/100 sd/sd(n) =(10.5/100) (100/10) =1.05 (3.8) 电源至短路点的总电抗为: x*= xl*+ xt* =2+1.05 =3.05 (3.9) 短路电流周期分量的有名值为: ip=id/x*=(1/x*)(sd/ud)3 =(1/3.05) 100/(1.5125)ka3 =12.5151ka (3.10) 冲击电流为: ish=kshipm =kship2 =1.812.5151ka2 =28.9592 ka (3.11) 短路功率为: s=sd/x* =(100/3.05)mva =32.78mva (3.12) 以上短路电流的计算为以后电气设备的选择和保护设计打下了基础。 12 4 电气设备选择电气设备选择 4.1 电气设备选择的重要性电气设备选择的重要性 电气设备的选择是变电所设计的主要内容之一,正确地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。选择时，应根据工程实际， 在安全、可靠运行的前提下，采用新技术13。 4.1.1 主变压器的选择主变压器的选择 主变压器 2 台，型号：sfsz9-10000/110；额定容量：10000kva；联结组 标号：yn yno d11；相数：三相三绕组；短路损耗：19.0178kva；额定电流： 47.715/149.96/524.86；额定电压：121/38.5/11kv；短路阻抗：10.5%；空载损 耗：14.633kva。 主变压器的参数见表 4.1： 4.2 断路器的选择断路器的选择 断路器 11、15、16 选型号为 lw6b-126w 断路器，电流 3.15ka，电压 126kv，额定开断电流 40ka，极限通过电流 100ka，合闸时间0.3 rch (8.6) 同样，假设土壤冲击放电电压为 500kv/m，一般情况下 sk不应小于 5m，sd不应小于 3m。 19 避雷针的配电构架应装设辅助接地装置，此接地装置与变电所连接地网的 连接点之间的距离不应小于 15m，其目的是使雷击避雷针时，在避雷针上产生 的高电位沿接地网，向变压器接地点的传播过程中逐渐衰减，在到达变压器接 地点时，不会造成变压器反击事故14。 8.3.2 架空地线的保护范围架空地线的保护范围 对 110kv 的降压变电所，在靠近变压器的一段进线上，装设避雷线，即变 电所进线的保护段，其长度取 2km。 8.3.3 母线防雷保护母线防雷保护 变电所母线上必须装设阀型避雷器,以限制雷电波入侵时的过电压，这是变 电所防雷的基本措施之一8。 9 主变压器继电保护设计主变压器继电保护设计 9.1 概述概述 变压器是变电所中十分重要的设备，它的故障将对供电可靠性和系统的正 常运行带来产生影响，因此，主变压器的继电保护尤其重要。 根据变压器的容量和重要程度设置瓦斯保护，纵差动保护、后备保护、接 地保护等1。 9.2 瓦斯保护瓦斯保护 瓦斯保护用来反应变压器油箱内部故障及油位降低。其中，轻瓦斯动作于 信号，重瓦斯保护动作于跳开变压器各侧断路器。 瓦斯断电器是利用安装在变压器油箱与油枕之间的瓦斯继电器来实现。瓦 斯继电器是一种机械式非电量动作的继电器，本设计采用档板式。当变压器内 部发生故障时，电弧使变压器油及绝缘物分解并产生气体。轻微故障时，气体 缓慢地产生并聚集在瓦斯继电器中，使油面下降，瓦斯继电器的接点闭合作用 于信号；严重故障时，油箱内气体形成强烈油流，冲击瓦斯继电器使其接点闭 合作用于跳闸，断开变压器两侧断路器24。 9.2.1 接地保护接地保护 对两台变压器并联运行的变电所,引进如图9.1的接地保护装置。 t2 t1 k 图9.1并联运行变压器装置接地保护图 图9.1并联运行变压器装置接地保护图一般采用一台变压器中性点接地运行（如 t1），另一台中性点不接地运行（如t2）的方式 ，这时若在高压母线上单相 接地短路。t1跳闸后，t2仍带故障运行，则将产生危险的过电压，t2的绝缘将受 到破坏。因此，这种变电所的零序保护应该首先断开中性点不接地运行的变压 器，以防止过电压造成的危害，然后再跳开中性点接地运行变压器。 9.2.2 瓦斯保护的整定瓦斯保护的整定 一般瓦斯继电器气体容积整定为 250300cm,所设计变电所容量为 210mva，正常整定值为 250 cm，气体容积整定值是利用调节重锤的位置来改 20 变的。 重瓦斯保护动作的油流速度整定范围为 0.61.5m/s，而不依据继电器处 的流速。根据运行经验，管中油流速度整定为 0.61m/s 时，保护反映变压器 内部故障是相当灵敏的。但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 0.40.5m/s19。因此，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 1m/s 左右。 9.3 纵联差动保护纵联差动保护 纵联差动保护用来反应变压器引出线，套管及油箱内部的线圈短路故障。 保护动作后跳开变压器多侧断路器13。 9.3.1 基本原理基本原理 变压器纵差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电 器的电流为 0，但实际上由于变压器的励磁电流，接线方式和差动电流互感器 误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流比较大。因此，变压器差动保护需 要解决的主要问题之一是采用各种措施避开不平衡电流的影响。 9.3.2 纵联差动保护的整定计算纵联差动保护的整定计算 表 9.1 纵联差动保护的整定计算 名称各电压侧的计算数值 额定电压（kv）11010 额定电流（a） 10000/（110）=52310000/（10）=5773 电流互感器接线方式 y 电流互感器一次电流值 52=903 577 选用电流互感器变比200/5=401000/5=200 电流互感器二次电流值90/40=2.25577/200=2.89 可见，10kv 侧电流互感器二次电流比 110kv 侧大，故 10kv 侧为基准侧 (1)躲过电流互感器二次回路断线： idz=kkifmax=1.5577=865.5a (9.1) (2)躲过变压器空载投入或外部短路切除后电压恢复时的励磁三角流。 idz=kkieb=1.3577=750.1a (9.2) (3)躲过外部短路时的最大不平衡电流： idz=kkibp = kk(kf+f) i(3)dz.max (9.3) 式中 kk可靠系数取 1.3; k 电流互感器同型系数,当两侧电流互感器的型号不同时 k=1,型 号相同时, k=0.5; f 电流互感器的最大允许误差,一般不超过 10%,取 f=0.1; 变压器调压,两侧电流值也随之而复,产生不平衡电流,由调 压引起的相对误差,一般不超过 5%; f速饱和变流器平衡线圈实用匝数与计算匝数不等而引起的相 对误差,一般也不超过 5%; i(3)dz.max在系统最大运行方式下变压器二次侧母线三相短路时的次 暂态短路电流。 idz=1.3(0.1+0.05+0.05) i(3)dz.max =0.26510 =1300a 所以取 idz=1386a,则继电器动作电流为 idz=1386/200=6.93a 21 (4)确定差动线圈 wcd wcd=80/6.93=11.54 匝 式中整定匝数 wcd=12 匝，继电器动作电流 idz-j=80/11=6.7a，保护的一次动作 电流: idz=6.7200=1340 a (5)确定 110kv 侧平衡线圈的匝数 wcd(i2- i2“)=wph i2“ wph.js= wcd.zd(i2/ i2“)- wcd.zd =11(4.62/1.56)-11 =2.92 (9.7) 选取为 3 匝 (6)计算 f f=|(wph.jswph.zd)/(wph.js+wcd.zd)| =|(2.92-3)/(2.92+11)| =|-0.005|2,故满足要求。 9.4 变压器的后备保护变压器的后备保护 后备保护采用低压起动的过电流保护和过负荷保护。 9.4.1 低电压起动过电流保护低电压起动过电流保护 过电流保护的整定动作电流很大，不能满足作为后备保护的要求，因此， 采用低电压起动过电流保护9。 idz= (kk/kh) ieb =(1.3/0.85) (101000000)/( 11010)3 =80.28a 根据运行经验: udz=0.7ueb =0.7110 =77kv 取 t=10s。 设计的变电所是单侧电源，过电流保护的电流互感器安装于电源侧，可使 变压器也在保护范围之内，保护动作时切除变压器两侧的开关。 22 9.4.2 过负荷保护过负荷保护 变压器的过负