青农大 35KV变电所课程设计

1、组别：第八组 课程设计书 设计题目：设计题目：35kv35kv 变电所设计变电所设计 学生姓名：八组同学学生姓名：八组同学 专业班级：电自化专业班级：电自化 学学 院：院：电气工程学院电气工程学院 指导教师：指导教师： 于艳于艳 目 录 目录 .I 1.1 符合分析.4 1.2 负荷计算.4 1.2.1 负荷计算方法的选择.4 1.2.2 负荷计算过程.5 1.3 无功功率补偿.7 1.3.1 功率因数的计算.7 第 2 章 主变容量及选择.8 2.1 变压器台数的选择.8 2.2 变压器的选择计算.8 第 3 章 主接线的设计.9 3.1 电气主接线的设计原则.9 3.2 变电所电气主接线的

2、形式.9 3.3 本变电所主接线的设计方案.9 第 4 章 短路电流的计算.11 4.1 短路的原因.11 4.2 短路的种类.11 4.3 短路电流的计算.11 4.3.1 短路回路中各元件阻抗的计算.11 4.3.2 等效短路电流计算.12 4.4 短路电流的计算.13 第 5 章 电气设备的选择及检验.14 5.1 电气设备的概况.14 5.2 选择电气设备原则.14 5.3 电气设备的选择及检验.14 5.3.1 35KV 母线的选择.14 5.3.2 10KV 母线的选择.15 5.3.3 断路器的选择.15 5.3.4 隔离开关的选择.16 第 6 章 继电保护 .17 6.1 继

3、电保护的基本原理.17 6.2 对继电保护的基本要求.17 6.3 继电保护的配置.18 6.3.1 输电线路的保护.18 6.3.1 主变压器的保护及配置.18 第 7 章 防雷及接地的设计.19 7.1 防雷保护剂设计.19 7.1.1 直击雷的保护措施.19 7.1.2 雷电侵入波的防护措施.20 7.2 接地保护及设计.20 参考文献.20 一 负荷统计 1.1 负荷分析 负荷分析：根据负荷的用电程度不同将电力负荷分为三级：一级负荷、二 级负荷、三级负荷。 一级负荷：中断供电将造成人身的伤亡，在政治上造成重大的经济损失如： 重大的交通枢纽、通讯枢纽，经常于国际活动的大量人员集中的公共场

4、所还使 用设备损坏，产品报废重要负荷中断将发生爆炸，火灾和中毒等给人民的生活 带来影响。 二级负荷：中断供电在政治上经济上造成较大损失使连续的生产过程被打 乱，需要长时间才能够恢复，使企业减产影响重要单位的正常工作使公共场所 秩序混乱。 三级负荷：中断供电后无重大的影响。 1.对于一级负荷必须有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能 保证对全部一级负荷不间断供电。 2.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， 能保证全部或大部分二级负荷的供电。 3.对于三级负荷，一般只需一个电源供电。 1.2 负荷计算 1.2.1 负荷计算方法的选择 目前，负荷计算常用需用系数法（

5、公约法） 、利用系数法和二项式法。二项 式系数法的应用局限性较大，主要适用于设备台数较少而容量差别悬殊较大的 场合。利用系数法以平均负荷作为计算的依据，其理论基础是概率论和数理统 计，因而计算结果更接近实际情况，但因这种方法目前积累的实用数据不多， 且计算比较繁琐，因此在工程设计中未得到普遍的应用。需用系数法是用设备 功率乘以需用系数和同时系数，直接求出计算负荷。这种方法比较简便，应用 广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。需用系数法的特点是计算简单方便， 对于任何性质的企业负荷均适用，且计算结果基本上符合实际，尤其对各用电 设备容量相差较小且用电设备数量较多的用电设备组，因此，这种方法是世界

6、 各国普遍采用的确定计算负荷的基本方法。本设计采用公约法进行负荷计算。 1.2.2 负荷计算过程 1、用电设备分组，并确定各组用电设备的总额定容量。 2、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要系数相近的一些设备合并成的一组用电 设备。在一个车间中可根据具体情况将用电设备分为若干组，在分别计算各用 电设备组的计算负荷。其计算公式为: （2-1） edP KP30 （2-2） tan 3030 PQ （2-3） /COSPS3030 （2-4） )3( 3030N USI 、该用电设备组的有功（KW） 、无功(Kvar)、视在功率计 30 P 30 Q 30 S 算负荷（KVA

7、） ； 该用电设备组的设备总额定容量； e P 功率因数角的正切值； tan 额定电压； N U 该用电设备组的计算负荷电流； 30 I 需要系数，根据资料查得。 dK 3、多组用电设备组的计算负荷 在配电干线上或车间变电所低压母线上，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车间变电 所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数 K。具体计算如下： （ i1、2、3，m ） （2-5） m i PKP 1 30 30 （2-6） m i QKQ 1 30 30 （2-7） 2 30 2 3030 QPS （2-8） )3( 3030N USI

8、式中 P、Q、S为配电干线式变电站低压母线的有功、无功、视在计算 负荷； 同时系数,一般取 0.85-0.95； K 该干线变电站低压母线上的计算负荷电流; 30 I 该干线或低压母线上的额定电压; N U m该配电干线或变电站低压母线上所接用电设备组总数； 用电设备组的需要系数、功率因数角正切值、总设备容 id PK 30 tan 、 量； 现只考虑一组用电设备现只考虑一组用电设备 例八号公寓： 22 1 cos1 0.8 tan0.75 cos0.8 =0.9*1500=1350kw (K d一般取值 0.85-0.9) edP KP30 =1350*0.75=1012kvar tan 3

9、030 PQ =1350/0.8=1687.5 /COSPS3030 同理计算得到其他计算结果. 经统计及计算得表经统计及计算得表 1.11.1 表 1.1 负荷统计表 负荷名称 额 定 容 量 N P （kW ） 额定 电压 （kV ） 负 荷 特 性 cos tan 供电线 路长度 (m) P (kW) Q (kVar ) S (kvA) 负荷 等级 8 号公寓 1500100.80.751000m135010121687.51 工程楼 1200100.850.621000m1020632.412003 海都餐厅 500100.80.751000m425318.853.1251 主楼 20

10、00100.850.621500m1700105420003 文经楼 1200100.90.48500m1020489.61133.32 所用电 200100.80.75100m170127.5212.52 1.31.3 无功功率补偿无功功率补偿 1.3.1 无功补偿原因 在工业企业供电系统中，由于绝大多数用电设备均属于感性负荷，这些 用电设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以产生正常工 作所必须的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，将 带来一下许多不良的后果： 1)引起线路的总电流增大，使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大。 2)使供电网络的电压损耗增大，

11、影响负荷端的电压质量 3)使供配电设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。 4)使发电机的输出能力下降，发电设备效率降低，发电成本提高。 综上所述，无功功率对电源及工业企业内部供配电系统都有不良影响。从 节约电能、改善变配电设备的利用情况和提高电能质量等方面考虑若功率因数 偏低，在保证供用电设备的有功功率不便的前提下，电流将增大。这样电能损 耗和导线截面增加，提高了电网初期投资的运行费用。电流增大同样会引起电 压损失的增大。为了减少电能转化的损耗，降低投资，一般采用电力电容器进 行补偿。优点是操作方便、可靠、运行经济，投资少以及有功损耗少。 1.3.11.3.1 功率因数的计算功率因数的计

12、算 在供电设计中考虑无功功率补偿时，应按最大负荷时的功率因数来计算， 最大负荷时的功率因数是指在负荷计算中按有功计算负荷和视在计算负荷 30 P 计算而得的功率因数，即 30 S =/ cos 30 P 30 S 根据本变电所负荷统计结果可知： 根据变压器损耗公式： P=0.02P10kv Q=0.1Q10kv 则有: P=163.88(KW) Q=460(KVar) 35KV 侧的计算负荷=8194+163.88=8357.88(KW)，其自然功率因数为 35KV P =/=0.855。现利用电容器补偿，假设补偿后的功率因数为 cos 35KV P 35KV S 0.9，根据安装电容器容量公

13、式： 12(tantan)CavQPKVar 变电所计算负荷； avP 自然功率因数的正切值； 1tan 补偿后的正切值。 2tan 因此电容器补偿的无功功率为： =8357.88(tanarccos0.855tanarccos0.9=1022(KVar) C Q 则全所总无功计算负荷为： =50601022=4038（KVar） 35KV Q 二二 主变容量及选择主变容量及选择 2.12.1 变压器台数的选择变压器台数的选择 变电所主变压器台数的选择应根据负荷大小、负荷对供电可靠性的要求、 经济性及用电发展规划等因素综合考虑确定。变压器台数越多，供电可靠性越 高，但设备投资大，运行费用高。因

14、此，在满足供电可靠性的前提下，变压器 台数越少越好。为了保证供电可靠性，一般应装两台主变压器。若只有一条电 源进线，或变电所可由低压侧电网取得备用电源时，可装一台主变压器。本变 电所采用两台主变，平时只用一台，一台备用。 2.22.2 变压器的选择计算变压器的选择计算 考虑变压器损耗后全变电所计算负荷，即 35KV 母线处计算负荷： =8194+163.88=8357.88(KW) 35KV P =4600+460=5060(Kvar) 35KV Q =9770.25(KVA) 35KV S 则母线视在负荷=9770.25(KVA) N.T S 35KV S 因为变电所要求预留部分主变容量，所

15、以每台主变压器的容量应选 10000 KVA 。故经过以上的验证，选用两台 35/10kv，额定容量为 10000KVA 的 SF710000/35 变器。 表表 2-22-2 SF7-10000/35SF7-10000/35 型电力变压器技术数据型电力变压器技术数据 容量 kVA 高压额 定值 kV 低压额 定值 kV 阻抗 电压 空载 电流 空载损耗 kW 负载 损耗 kW 1000035107.50.813.653 三三 主接线的设计主接线的设计 3.13.1 电气主接线的设计原则和要求电气主接线的设计原则和要求 3.1.13.1.1 电气主接线的设计原则包括： (1)考虑变电所在电力系

16、统的地位和作用 (2)考虑近期和远期的发展规模 (3)考虑用电负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响 (4)考虑主变台数对主接线的影响 (5)考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响 3.1.23.1.2 电气主接线设计的基本要求： (1)可靠实用； (2)运行灵活； (3)简单经济； (4)操作方便； (5)便于发展。 3.23.2 变电所电气主接线的形式变电所电气主接线的形式 变电所电气主接线基本形式有四种，分别为线路-变压器组接线、桥式接线、 单母线分段式接线、双母线接线。 3.33.3 本变电所主接线设计方案本变电所主接线设计方案 方案一：单母线不分段接线如图 3.3.1 所 上图

17、为单母线不分段接线，它的主要特点是电源和引出线都接在一组母线 上，为便于每回路的投入和切除，在每条引线上均装有断路器和隔离开关。它 的优点是接线简单，使用设备少，操作方便，投资少，便于扩建。缺点是当母 线及母线隔离开关故障或检修时，必须断开全部电源，造成整个配电装置停电； 当检修一回路时，该回路要停电。因此它的可靠性和灵活性均较差，一般只适 用于三级负荷或者备用电源的二级负荷。 方案二：单母线分段接线如图 3.3.2 所示。 当出线回路数较多且有两路电源进线时，可采用断路器或隔离开关将母线 分段，成为单母线分段接线。分段后可进行分段检修，对重要用户可以从不同 段引出两回馈电线路，如本变电所有一

18、类负荷采用双回路供电。由两个电源供 电。单母线分段接线既保留了单母线接线简单、经济、方便等优点，又在一定 程度上提高了供电的可靠性，因此这种接线得到广泛应用。 方案项目 方案 1 单母线不分段接线方案 2 单母分段接线 可靠性 较差 较高 灵活性 较差 较高 经济性 投资少 投资少 综合考虑：方案一较方案二灵活性、可靠性较差，本变电所选择方案二电气主 接线。 四四 短路电流的计算短路电流的计算 4.14.1 短路的原因短路的原因 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。 4.24.

19、2 短路的种类短路的种类 三相系统中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相短路（单相接地短 路）和两相接地短路。 4.34.3 短路电流计算短路电流计算 4.3.1 短路回路中各元件阻抗的计算 表表 4-14-1 电气设备阻抗计算公式电气设备阻抗计算公式 序 号 元件 名称 标幺值有名值（）短路功率（MVA） 1 发电 机 （或 电动 机） = dg X* NG d dg S S X * NG NG G S U X 2 % 100 G NT K X S S 2 变压 器 NT dK dT S SU X 100 % * 100 K dT U X NT NR S U RT= 2 2 NR NR

20、 S PU XT= NR NRK S UU 100 % 2 % 100 K NT K U S S 3 电抗 器 NR av av NRR R I I U UX X 100 % * NR NRR R I UX X 3100 % NRR avNR K UX UI S % 3100 4 线路 (1) 2 * av d OLdL U S XX OL av K X U S 2 4.3.24.3.2 等效短路电流计算等效短路电流计算 选取选基准容量取=100MVA 系统电抗为 X*s d S 计算点，选取=37kV 1 K 1d U 则kA 56 . 1 373 100 1 d I 计算点及其其它短路点时

21、，选取=10kv 2 K 2d U 则Id2=5.77kA 10 1 3 100 主变压器电抗= =0.075100/10 =0.75 1T X 2T X . 1 %/ KdN T USS 35KV 架空线路电抗=350.4100/372=1.023 2 1 / LO dd XLX SU 八号公寓线路电抗X*3=10.4100/102 =4 工程楼线路电抗 X*4=10.8100/102 =8 海都餐厅线路电抗X*5=10.4100/102 =4 主楼线路电抗X*6=1.50.08100/102 =0.12 文经楼线路电抗X*7=0.50.4100/102 =0.2 所用电线路电抗X*8=0.

22、10.4100/102 =0.04 4.44.4 短路电流的计算短路电流的计算 一般选取各线路始、末端为短路计算点，线路时段的最大三相短路电流常 用来校验电气设备的动、热稳定性，并作为上一级继电保护的整定参数之一， 线路末端的最小两相短路电流常用来校验相关继电保护的灵敏度。在接下来的 计算中可选 35KV 母线、10KV 母线和各 10KV 母线末端为短路计算点. 4.4.14.4.1 由短路电流的简化计算公式由短路电流的简化计算公式 简化公式： 6KV6KV，9.29.2除电抗；除电抗；10KV10KV，5.55.5除电抗除电抗; ; 35KV35KV，1.61.6除电抗除电抗; ; 110

23、KV110KV，0.50.5除电抗。除电抗。0.4KV0.4KV，150150除电抗。除电抗。 所以 K3 点的短路电流：Id3=5.5/0.23+0.117+4=1.265 kA K4 点的短路电流：Id4=5.5/0.23+0.117+8=0.659 KA K5 点的短路电流：Id5=5.5/0.23+0.117+4=1.265 KA K6 点的短路电流：Id6=5.5/0.23+0.117+0.12= 11.78 KA K7 点的短路电流：Id7=5.5/0.23+0.117+0.2= 10.05 KA K8 点的短路电流：Id8=5.5/0.23+0.117+0.04= 14.21 K

24、A 五五 电气设备的选择及检验电气设备的选择及检验 5.15.1 电气设备概述电气设备概述 电力系统按其作用不同可分为一次系统和二次系统。其中担负电能输送和 分配任务的系统，称为一次系统，一次系统中的所有电气设备，称为一次设备； 对一次系统进行监视、控制、测量和保护的系统，称为二次系统，二次系统中 的所有电气设备，称为二次设备。 5.25.2 选择电气设备应遵守以下几项共同原则选择电气设备应遵守以下几项共同原则： 按正常工作条件选择额定电压和额定电流 （1）电气设备的额定电压应符合电器装设点的电网额定电压，并且大于 N U 或等于正常时最大工作电压，即：。 maxgU N U maxgU 电气

25、设备的额定电流应大于或等于正常时最大的工作电流，即： N I maxgI N I maxgI (2)按短路情况来校正电气设备的动稳定和热稳定。 动稳定应满足下式： ， sh ii eses I sh I 式中，制造厂规定的电气设备额定动稳定电流的峰值和有效值 es i es I （KA） ，按三相短路计算所得的短路冲击电流峰值及其有效值（KA） sh i sh I 热稳定性应满足下式： I2t， 2t It sh ii es 式中制造厂规定的电气设备在时间 t 秒内的热稳定电流； t I t短路稳态电流假相时间 5.35.3 电气设备的选择及检验电气设备的选择及检验 5.3.15.3.1 35

26、kv35kv 母线的选择母线的选择 选取 LGJ-150 型钢芯铝绞线，因本变电所总负荷电流：=1.05/ max1 I NT S 3 =1.0510000/35=173A，而 LGJ-150 型钢芯铝绞线载流量约为 1N U 3 500A。所以可选择 LGJ-150 型钢芯铝绞线。 5.3.25.3.2 10kv10kv 母线的选择母线的选择 已知 10KV 侧最大长时负荷电流(k 为分配系数取 0.8) =1.05/=1.0510000/10=606.2A max2 I NT S 3 2N U 3 =k=0.8606.2A=484.99A .lo m I max2 I 查得铝母线 LMY1

27、008 平放在 40，其最大允许载流量为 1210A, N I 所选型号满足要求。 N I .lo m I 5.3.35.3.3 断路器的选择断路器的选择 35kv 侧初步选用高压断路器为户内式真空断路器，型号为 ZN12-35 型，额 定电压为 35KV，额定电流为 1250KA。其技术参数如下表。 表表 5-15-1 断路器断路器 ZN12-35ZN12-35 技术参数技术参数 型号额定电压额定电流 额定开 断电流 动稳定 电流 额定关 合电流 4S 热稳 定电流 ZN12-3535KV1250A25KA63KA63KA25KA 校验: (1) ZN12-35 断路器额定电压为 35kV,

28、符合条件。 (2) ZN12-35 断路器额定电流为 1250A,35KV 侧变压器回路中最大长时负荷 电流为 =1.05/=1.0510000/35=173A max1 I NT S 3 1N U 3 即，因此符合技术条件。 N I max1 I （3）断路器开断电流25kA，4.50kA， 符合技术条件。 br I I br II （4）63kA，11.46kA max i sh i 满足动稳定校验。 maxsh ii 10kv 侧初步选用断路器的型号为 ZN12-10/1250。参数如下表 5-2。 表表 5-25-2 断路器断路器 ZN12-10/1250ZN12-10/1250 技术

29、参数技术参数 型号 额定 电压 额定 电流 额定开 断电流 动稳定 电流 额定关 合电流 4S 热稳 定电流 ZN12-10/125010KV1250A20KA50KA50KA20KA (1)ZN12-10/1250 断路器额定电压为 10kV,符合条件。 (2)ZN12-10/1250 断路器额定电流为 1250A,10KV 侧变压器回路中最大长时 负荷电流为 =1.05/=10000/10=606.2A max2 I NT S 3 2N U 3 即Imax2，因此符合技术条件。 N I （3）断路器开断电流20kA，8.35kA，符合技术条件。 br I Ibr I I （4）63kA，2

30、1.30kA max i sh i max i sh i 满足动稳定校验。 max i sh i (5) 热稳定电流=8.35=1.6(KA)=1.56KA es i sh i 符合要求。 10KV 侧选用 GN6-10/600 型隔离开关其技术参数如下表 5-4。 表表 5-45-4 GN6-10/600GN6-10/600 型隔离开关技术参数型隔离开关技术参数 型号 额定 电压 额定 电流 极限通过 电流峰值 5s 热稳 定电流 GN6-10/60010KV600A50A20KA 经过动热稳定校验符合要求。 六六 继电保护继电保护 所谓继电保护装置，是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不

31、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、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使其损坏程度尽可 能减少并最大限度地保护非故障部分迅速恢复正常运行。 2、 能对电气元件的不正常运行状态做出反应，并根据运行维护的具体条件和 设备的承受能力，发出警报信号、减负荷或延时跳闸。 6.16.1 继电保护的基本原理继电保护的基本原理 电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低、电流与电压之间的 相位角改变、线路始端测量阻抗减小以及出现负序分量和零序分量等现象。因 此，利用故障时这些电气量的变化特征，可以构成各种不同原理的继电保护装 置。 以上各种原理

32、的保护，可以由一个或若干个继电器连接在一起组成继电保 护装置来实现。继电保护装置一般由测量部分、逻辑部分和执行部分组成，框 图如图 6.1 所示。 图 6.1 继电保护装置组成框图 6.26.2 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求 对作用于断路器跳闸的继电保护装置，在技术性能上必须满足一下四个基 本要求。 1. 选择性 选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除， 使停电范围尽量缩小，最大限度地保护系统中的非故障部分继续运行。 2. 速动性 速动性是指继电保护装置应以尽可能快的速度将故障元件从电网中 切除。 3. 灵敏性 灵敏性是指保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态

33、的 反应能力。 4. 可靠性 可靠性是指在保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故 障时，它不应该拒绝动作；而在其他任何情况下发生了该保护装置不应该动作 的故障时，则不应该错误动作。 6.36.3 继电保护的配置继电保护的配置 6.3.16.3.1 输电线路的保护输电线路的保护 待设计变电站 35KV 和 10KV 侧的线路相间短路保护应配置三段式电流保护； 单相接地保护应配置绝缘监视信号装置。 输电线路保护配置结果表： 35KV35KV 进线进线10KV10KV 出线出线 相间短路保护三段式电流保护三段式电流保护 单相接地保护绝缘监视信号装置绝缘监视信号装置 6.3.26.3.2 主变压

34、器的保护及配置主变压器的保护及配置 待设计变电站主变压器的保护配置如下： 主保护：瓦斯保护和纵联差动保护 相间后备保护：过电流保护和复合电压启动的过流保护 接地短路保护：零序电流保护 其他保护：过负荷保护 所用变的保护配置与主变压器基本相同。由于所用变的容量较小，其住保护为 瓦斯保护和电流速断保护。 变压器的保护配置结果表： 主变所用变 主保护瓦斯、纵联差动瓦斯、电流速断保护 相间后备保护复合电压启动过电流复合电压过电流 接地后备保护零序过电流、电压零序过电流、电压 其他保护过负荷、过励磁保护过负荷保护 七七 防雷及接地的设计防雷及接地的设计 7.17.1 防雷保护及设计防雷保护及设计 由于电

35、力系统的导线或电气设备受到直接雷击或雷电感应而引起的过电压。 雷电过电压所形成的雷电流及其冲击波可高达几十万安和上亿伏。因此，对电 力系统的破坏性极大，必须加以防护。 7.1.17.1.1 直击雷的防护措施直击雷的防护措施 雷电直接击中电气设备、线路、建筑物等物体时，其过电压引起的强大雷 电流通过这些物体放电入地，从而产生破坏性很大的热效应和机械效应。为了 避免直击雷的危害应装设避雷针，本设计采用两支等高避雷针，两支等高避雷 针联合的保护范围要比两针各自保护范围的叠加还要大。两针联合保护范围如 图 7.1 所示。两针外侧的保护范围按单针的方法确定。两针之间的保护范围由 通过 1、0、2 三点的圆弧画出，O 点的高度 h0 按下式计算： (7-1) 0 7 D hh P 式中 D两针之间的距离 m； P高度影响系数。 水平面上保护范围的截面 x h 在OO截面上高度为的水平保护宽度为 2, 由下式计算 x h x b x b 0 1.5() xx bhh 1.5hPD x b x b rx h/2 O O h0 D/7P rx h hx ha H a 图 7.1 两等高避雷针的保护范围 当0 时，两针联合