某住宅小区供电系统的设计毕业论文

摘要本次所设计的课题是某住宅小区供电系统的设计，该供电系统是有两个配电室和一个开闭所组成的住宅小区专用的降压变电系统，具有 10kV和380V两个电压等级，10kV一侧接与110kV变电站的10kV母线，380V主要用于小区用户的用电。本次所设计的供电系统是非常重要的，如果系统出故障了，将影响整个住宅小区的供电，所以可靠性要求很高。所以这次设计必须考虑到供电系统的安全性、可靠性及经济性。本说明书通过对变电站的主接线设计，短路电流计算，主要电气设备型号和参数的确定，电气设备的动热稳定校验，备用电源的自动投入设计，无功补偿设计，防雷和过电压保护装置的设计较为详细地完成了电力系统中变电站的设计。本次设计论文是以我国现行的各有关规范规程等技术标准为依据，所设计是一次初步设计，根据任务书提供原始资料，参照有关资料及书籍，对各种方案进行比较而得出。关键词 配电室；短路计算；无功补偿 ；备用电源投入IAbstractThedesignofthisresidentialareaisthesubjectofthepreliminarydesignof10kVpowersupplysystem,thepowerdistributionsystem,therearetworoomsandanopeningandclosingaresidentialareaconsistingofadedicatedstep-downtransformersystemwith10kVand380V2avoltage,10kVand110kVsubstationsideoftheaccessbus10kV,380Velectricitymainlyforresidentialusers.Thepowersupplysystemdesignedisveryimportant,ifthesystemisbroken,theentireresidentialareawillaffectthepowersupply,sothehighreliabilityrequirements.Therefore,thedesignmusttakeintoaccountthepowersystemsecurity,reliabilityandeconomy.Thismanualwiringthroughthemainsubstationdesign,shortcircuitcurrentcalculation,themainelectricalequipmenttodeterminethemodelandparameters,electricalequipment,thedynamicthermalstabilitytest,automaticbackuppowersupplydesign,reactivepowercompensationdesign,lightningprotectionandovervoltageprotectionDevicecompletedindetailthedesignofsubstationsinpowersystem.Thisdesignthesisisbasedonourcurrentnormsoforderandotherrelevanttechnicalstandardsasthebasis,thedesignisapreliminarydesign,accordingtomandateoftheoriginalbooktoprovideinformation,referenceinformationandbooks,tocomparethevariousprogramswhichhavecome.Keywords Distribution room;Short-circuit calculation; Reactivepowercompensation;BackupPowerInputII目录IIIIII11.1课题背景..............................................................................................................................11.2设计的目的和基本要求.......................................................................................................11.3论文研究的主要内容...........................................................................................................22.1负荷计算..............................................................................................................................32.1.1计算负荷的意义及计算目的...................................................................................32.1.2电力负荷的分级及其对供电的要求.......................................................................32.1.3确定计算负荷系数....................................................................................................42.1.4求计算负荷的方法....................................................................................................42.15负荷资料......................................................................................................................52.2.1主变压器的选择原则...............................................................................................62.2.2主变台数的确定.......................................................................................................62.2.3主变压器容量的确定...............................................................................................72.2.4主变压器型号的确定...............................................................................................73电气主接线的设计..........................................................................................................................93.1电气主接线设计...................................................................................................................93.1.1电气主接线设计的重要性.......................................................................................93.1.2电气主接线设计的步骤...........................................................................................93.2开闭所及配电室位置和数量的设计.................................................................................103.2.1电气主接线的基本形式.........................................................................................103.2.2各接线的适用范围.................................................................................................103.3供电系统主接线方案的设计.............................................................................................123.3.1配电室主接线的设计.............................................................................................124短路电流计算................................................................................................................................134.1短路计算概述.....................................................................................................................134.1.1短路电流计算的目的.............................................................................................144.1.2短路电流计算的一般规定.....................................................................................144.1.3短路电流的计算步骤.............................................................................................154.2短路电流的计算.................................................................................................................154.2.1短路计算..................................................................................................................154.2.1短路电流的计算......................................................................................................165电气设备的选择与校验.................................................................................................................205.1电气设备选择的一般条件.................................................................................................205.1.1按正常工作条件选择.............................................................................................205.1.2按短路条件进行校验.............................................................................................215.2各电气设备选择的原则.....................................................................................................22III5.2.1断路器的选择原则.................................................................................................225.2.2隔离开关的选择原则.............................................................................................235.2.3避雷器的配置原则.................................................................................................245.2.4电流互感器的选择原则.........................................................................................245.2.5电压互感器的选择.................................................................................................265.310kV侧设备的选择............................................................................................................275.4380V侧设备的选择............................................................................................................296防雷与接地....................................................................................................................................316.1变电所的防雷保护...........................................................................................................316.2变电所的接地......................................................................................................................326.2.1接地装置的设计计算..............................................................................................326.2.2变电所公共接地装置的具体计算.......................................................................337备用电源自动投入........................................................................................................................357.1自动投入装置.....................................................................................................................357.2自动投入装置的运行..........................................................................................................3537参考文献............................................................................................................................................38附录配电室接线图..........................................................................................................................3941IV绪论1.1 课题背景随着经济的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求日益提高。国家提出了加快城网和农网建设及改造，拉动内需的发展计划，城网和农网变电所的建设迅猛发展。在城市人口集中、高楼大厦林立、用地十分紧张的情况下，城市的高低压线路走廊受到限制，给城市高低压网络的发展和变电所建设带来一定困难。农村自身的特点也给农网和变电所建设带来一定困难。如何设计城网和农网变电所，是城网和农网建设、改造中需要研究和解决的一个重要课题。变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所，是电力系统中电能传输必不可少的环节，起着桥梁的作用。变电所是电力配送的重要环节，也是电网建设的关键环节。变电所设计质量的好坏，直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。为满足城镇负荷日益增长的需要，提高对用户供电的可靠性和电能质量，就需要做到变电所整体的稳定、可靠并采取相应的措施提高供电可靠性和提高电能质量。变电所结构的改进、新型建材的采用、施工装备的更新、施工方法的改进、代管理的运用、队伍素质的提高、使火电厂土建施工技术及施工组织水平也相应地随之不断提高。变电站是电网建设和电网络改造中非常重要技术环节，所以做好变电站的设计是我国电网建设的重要环节。现在根据电力系统和城市住宅小区的发展规划，拟在某地区新建 10kV的变电站。1.2 设计的目的和基本要求随着社会的发展，电能被日益广泛的应用于工农业生产以及人民的日常工作中。因为电能可以方便的转化为其他形式的能源，例如：机械能、热能、光能、磁能等等；并且电能的输送和分配易于实现，可以输送到需要它的任何工作场所和生活场所；电能的应用规模也很灵活。以电作为动力，可以促进工农业生产的机械化和自动化，保证产品质量，大幅提高劳动生产率。同时提高电气化程度，以电能代替其他形式的能源，是节约能源消耗的一个重要的途径。在电力系统设计中，应贯彻国家个项方针政策，遵照有关的设计技术规定。从整体出发，深入论证电源布置的合理性，论证其安全可靠性和经济性，并对此进行必要的计算。尚需注意近期与远期的关系，发电、输电、变电工程的协调，并为电力系统继电保护、安全自动装置及以下一级电压的系统设计创造条件。11.3 论文研究的主要内容供电系统的设计是根据电力用户所处地理环境、地区供电条件、工艺和公用工程设计所提用电负荷资料等进行的。供电设计一般分为两个阶段，初步设计阶段和施工图设计阶段。初步设计阶段主要落实供电电源及供电方式，确定供电系统方案；施工图设计阶段则依据初步设计方案具体绘制施工图，选定电气设备并编制概算。供电设计的主要内容有：（1）按照工艺和公用工程设计所提供的用电设备资料，求计算负荷；（2）根据负荷等级和计算负荷，选定供电电源、电压等级和供电方式；（3）确定功率因数及补偿措施；（4）根据环境和计算负荷，选择变电所位置、变压器数量和容量；（5）确定变配电所主接线和户外高压配电方案；（6）选择并校验电气设备及配电网路载流导体截面；（7）继电保护系统设计和参数整定计算；（8）确定高压变配电所的的控制和调度方式；（9）防雷设计和接地设计；（10）绘制供电系统施工图；（11）核算建设所需器材与总投资。供电设计是一项综合性技术工作，涉及内容广泛，要求设计人员不仅精通供电的基本原理和计算方法，熟悉高低压电气设备，还必须具备工艺、建筑、公用工程等方面的基本知识。本论文主要以电力用户供电系统的设计为主线，着重介绍供用电的基本原理工程计算方法、主要电气设备选择、供电设计方法。2负荷计算及主变压器的选择2.1 负荷计算计算负荷是供电系统设计计算的基础。对于各种类型的用户，由于其供电系统设计的基本原理和方法都是相同的，所以在工程实践中根据不同的计算目的针对不同类型的负荷，总结出的各种负荷的计算方法具有普遍的意义。2.1.1 计算负荷的意义及计算目的计算负荷是根据已知的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假想负荷。这个负荷是设计是作为选择电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数依据，所以非常重要。根据原始资料正确估计住宅小区所需的电力和电量是一个非常重要的问题。估算的准确程度，影响电力设计的的质量，如果估算过高，将增加供电设备的容量，使小区电网复杂，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量。但如果估算过低，又会使小区投入使用后，使供电系统的线路及电气设备由于承担不了实际负荷电流而过热，加速其绝缘的老化速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。负荷计算主要包括：求计算负荷(也称需用负荷)。目的是为了合理地选择供电网络变压器容量和电器设备型号等。算出尖峰电流。用与计算电压波动、电压损失，选择熔断器和保护元件等。算出平均负荷。用来计算电能需要量、电能损耗和选择无功补偿装置等。2.1.2 电力负荷的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。（1）一级负荷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，属于一级负荷：一级负荷要求有两个独立电源供电。（2）二级负荷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，属于二级负荷；二级负3荷应由两回线供电。但当两回线路有困难时 (如边远地区)，允许由一回专用架空线路供电。（3）三级负荷不属于—级和二级的一般电力负荷即为三级负荷。三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电．可用单回线路供电。2.1.3确定计算负荷系数需要系数Kd需要系数Kd定义为KdPc/PN(2-1)式中 Pc—计算负荷的有功功率；PN—该用电设备的总额定容量。该系数反映的是计算负荷与设备组的额定容量关系。因此它与用电设备中设备的负荷率、设备的平均效率、设备的同时利用系数以及供电线路的效率等因素有关。利用系数利用系数定义为KxPav/PN（2-2）式中 Pav—用电设备在最大负荷工作班消耗的平均功率；PN—该用电设备的总额定容量。形状系数Kz形状系数定义为Kz=Pe/Pav（2-3）式中 Pe—负荷的有效值。2.1.4求计算负荷的方法常用的计算方法有需用系数法、二项式法、利用系数法、用 ABC法单位产品耗电量法和单位面积功率法等。在实际工程供配电设计中，广泛采用需用系数法。因此种方法计算简便，多用于方案估算、初步设计和全厂、大型车间变电所的施工设计。二项式法考虑了用电设备数量和大容量设备对计算负荷的影响，因而一般用于低压配电线、机械加工业的施工设计。利用系数法、 ABC法，虽从理论分析来看，计算结果更接近实际，但目前累积的实用数据不多，在工程设计中仍未得到普遍采用。最后的两种方法常用于方案估算。4需要系数是把设备功率乘以需要系数和同时系数，直接来计算负荷。这种方法比较简便，因而广泛使用。当用电设备少而功率相差悬殊时，这种方法的计算结果往往偏小，所以不适用于低压配电线路的计算，常用于计算变、配电所的负荷。二项式法指计算负荷包括用电设备组的平均功率，同时考虑数台大功率设备工作对负荷影响的附加功率。这种方法也比较简便但计算结果往往偏大，一般用于低压配电支干线和配电箱的负荷计算。利用系数法是采用利用系数求出最大负荷班的平均负荷，在考虑设备台数和功率差异的心的影响，乘以与有效台数有关的最大系数得出计算负荷，这种方法的理论根据是概率论和数理统计，因而计算结果比较接近实际，适用于各种范围的负荷计算，但计算过程繁琐，工程设计中仍不普遍采用。除以上方法外，还有单位产品电量法、单位面积功率法、负荷密度法、ABC法、变量需要系数法等。这些方法有的只适用某些工业，有的使用数据不多，有的尚未推广。2.15负荷资料结合城镇住宅小区建设的现状和近期发展来看，没有高层建筑，无须设置电梯，没有中央空调或供热设施，公共设施一般只考虑路灯的用电。小区商场可考虑安装专用的变压器，利于用电管理。所以城镇小区用电负荷预测较为简单，主要考虑住宅用电即可。单位面积法计算：综合城镇建设实际，近几年小区内的住宅面积可分为 3类：100m2以下为小户型，100～130m2为中户型，130m2以上为大户型(天地楼或楼中楼)。据有关资料介绍，新建住宅内居民按建筑面积 50W/m2负荷密度计算，则小型住户计算负荷为 5kW，中型住户计算负荷为 6kW，大型住户计算负荷为10kW。用需要系数法计算：居民用电的最大负荷出现在夏季 19～23时时间段用电负荷是用电设备容量的45％，所以小型住宅的计算负荷取5kW，中型用户计算负荷取6kW，大型住户计算负荷取10kW，与单位面积法基本吻合。负荷功率因数：cos =0.92，则tan 0.42。本设计小区共有十二栋居民楼。每栋楼三个单元，楼高六层，每层两户，共432户，根据相关资料，每户负荷按10kW计算。三栋楼为一个整体，则三栋楼的总负荷为Pe=10×36×3kW=1080kW查阅相关资料得知住宅小区的需要系数 Kd取0.60~0.80本设计取Kd=0.65,计算负荷小于5000kW的同期系数取0.9~1.0。此设计取同期系数为 0.9。5所以三栋楼Pc KdK Pe1=0.65×0.9×1080kW=631.8kWQc Pc×tan =631.8×0.42kvar=265.4kvarSC Pc2 Qc2 631.82 265.42kV A 685.2kV A2.2.1 主变压器的选择原则小区变压器位置选择（1）要考虑设在负荷中心。这样可减小低压线路的供电半径，降低线损，节约有色金属等。要考虑设备运输、安装方便，及进出线的安装位置，可使施工方便，利于维护。配电房或箱变应为独立建筑，最好不设在住宅楼内。以免变压器噪音影响住户，且运行安全，维护方便主变容量的选择（1）一般按变电所建成后5—10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10—20年的负荷发展。2）根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。对于有重要负荷的变电所，应考虑一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，保证用户的Ⅰ级和Ⅱ级负荷，对于一般变电所，当一台主变停运时，其他变压器容量应能保证全部负荷的60%-80%。（3）为了保证供电可靠性，变电所一般装设两台主变，有条件的应考虑设三台主变的可能性。2.2.2 主变台数的确定根据原始资料，本变电室为住宅小区专用变电室，出线多，负荷轻，所以考虑每处配电所配置两台主变压器， 总共需要四台主变压器。可保证供电的可靠性，避免一处配电室或一台变压器故障或检修时影响对用户的供电。一至三号楼和四到六号楼采用两台变压器互为备用，七至九号楼和十至十二号楼采用两台变压器互为备用。62.2.3 主变压器容量的确定随着人们生活水平的提高，住宅面积逐渐增加，家用电器的普及并增多，特别是这几年随着空调、电热水器、微波炉、电磁炉等大功率电器的普及，家庭用电量大大增加。由负荷计算可知：每三栋楼的总负荷为SC Pc2 Qc2 631.82 265.42kV A 685.2kV A考虑到互为备用，任一台变压器单独运行时，应满足总计算负荷的60%~70%的需要，即SNT (0.6~0.7)SCSNT 0.7 (685.2 685.2) 822.4kVA所以选择容量为 1000kVA的电力变压器。2.2.4 主变压器型号的确定1.相数的确定变压器的相数形式有单相和三相，主变压器是采用三相还是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。规程上规定，当不受运输条件限制时，容量为 300MW及以下机组单元连接主变压器和 330kV及以下的发电厂用变电站，一般选用三相变压器。因为单相变压器组相对来讲投资大、占地多、运行损耗也较大，而不作考虑。2.绕组数的确定绕组的形式主要有双绕组、三绕组或更多绕组等型式。根据本变电所的条件，主要是把10kV电压变为380V。所以选择双绕组变压器。3.绕组接线组别的确定变压器的三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致，否则，不能并列运行。对于10kV变电所，主变压器一般采用 常规接线。4.调压方式的确定为了保证变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内。通过变压器的分接头开关切换，改变变压器高压部分绕组匝数，从而改变变压器高压部分绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：不带电切换，称无励磁调压，调整范围通常在 2 2.5%以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30%。其结构复杂，价格较贵，主要适用接于出力变化大的发电厂的主7变压器和接于时而为送端，时而为受端，要求母线电压恒定时。本变电站选用有载调压。冷却方式电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。自然风冷却及强迫风冷却适用于中、小型变压器；大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却。在水源充足的条件下，为压缩占地面积，也可采用强迫油循环水冷却方式。根据上述对变压器选择的分析，在每个配电室中装设两台主变压器，采用常规接线。由于此配电室为住宅小区的配电室，故当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的70%，选择变压器为：SL7-1000/10，参数如表2.1。表2.1变压器参数额定容额定电压阻抗短路损空载电连接组型号量kV空载损电压耗（W）流（%）高压低压耗（W）别（%）S91000 1000 10 0.4 4.5 1700 10300 0.7 Yyn08河南城建学院本科毕业设计（论文） 3电气主接线的设计电气主接线的设计3.1 电气主接线设计设计主接线应因地制宜地综合分析各站的容量，负荷性质以及在系统中的地位等条件，依据国家有关政策及技术规范，正确确定主接线的形式，合理选择变压器的容量，和结构形式。在设计过程中，对原始资料进行详尽分析，关注电力市场化改革，对草拟的主接线方案进行比较时，始终围绕着可靠性和经济性之间的协调，使主接线方案保证供电可靠和技术先进，且最终又尽可能的满足经济原则。3.1.1 电气主接线设计的重要性电气主接线是电力系统接线的主要组成部分。它表明了发电机、变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输配电的任务。它的设计，直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。3.1.2 电气主接线设计的步骤根据下达的设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，并依据主接线的设计原则从技术上论证各方案的优、缺点，选出2－3各较佳的方案。对拟订的2－3个方案进行技术、经济比较，选出最好的方案。各主接线方案都应该满足系统和用户对供电可靠性的要求，最后确定何种方案，要通过经济比较，选年运行费用最小的作为最终方案，当然，还要兼顾到今后的扩容和发展。对电气主接线设计的基本要求主接线应满足可靠性、灵活性、经济性等要求。（1）可靠性：为了向用户供应持续、优质的电力，主接线首先必须满足这一可靠性的要求。主接线的可靠性的衡量标准是运行实践，要充分地做好调研工作，力求避免决策失误，鉴于进行可靠的定量计算分析的基础数据尚不完善的情况，充分做好调查研究工作显的尤为重要。9河南城建学院本科毕业设计（论文） 3 电气主接线设计为了提高主接线的可靠性，选用运行可靠性高的设备是条捷径，这就要兼顾可靠性和经济性两方面，作出切合实际的决定。2）灵活性：电气主接线的设计，应当在运行、热备用、冷备用和检修等各种方式下的运行要求。在调度时，可以灵活地投入或切除发电机、变压器和线路等元件，合理调配电源和负荷。在检修时，可以方便地停运断路器、母线及二次设备，并方便设备的安全措施，不影响电网正常运行和对其他用户的供电。3）经济性：方案的经济性体现在以下三个方面。采用简单的接线方式，少用设备，节省设备上的投资。在投资初期回路数较少时，更有条件采用设备用量较少的简化接线。能缓装的设备，不提前采购装设；在设备型式和额定参数的选择上，要结合工程情况恰到好处，避免以大代小，以高代低；在选择接线方式时，要考虑到设备布置的占地面积大小，要力求减少占地，节省配电装置的征地费用。3.2 开闭所及配电室位置和数量的设计根据原始资料及小区的地理位置，确定设计两个配电室分布在小区的东西两侧。考虑到电缆的长短会对经济利益造成影响，决定设计一处开闭所。这样可保证供电的可靠性，安全性，经济性。3.2.1 电气主接线的基本形式有汇流母线的主接线形式包括单母线和双母线接线。单母线又分为单母线接线、单母线分段、单母线分段带旁路母线等形式；双母线又分为双母线接线、双母线分段、带旁路母线的双母线和二分之三接线的形式。无汇流母线主要有单元接线、扩大单元接线、桥形接线、角形接线。3.2.2 各接线的适用范围单母线制适用范围：一般只适用于只有一回进线的情况单母线制的可靠性和灵活性都较低，母线或连接于母线上的任一隔离开关发生事故或检修时，都将影响全部负荷用电。单母线制如图3-1所示。单母线分段制：适用范围：10河南城建学院本科毕业设计（论文） 3 电气主接线设计在两回电源进线的情况下，宜采用单母线分段制，母线分段开关可采用分离开关或断路器，当分段开关需要带负荷操作或继电保护和自动装置有要求时，应采用断路器，否则可仅装设隔离开关。当双回路同时供电时，母线分段开关通常是打开的，一条回路故障或一段母线故障将不影响另一段母线的正常供电。此外，检修亦可采用分段检修方式，不致使全部负荷供电中断。单母线分段制中，正常情况下，母线是“合”或是“分”，应根据技术经济比较而定。在用户系统中，一般采用“分”的方式。单母线分段的缺点是：（1）某分段的母线、母线分段开关发生故障或检修时，电源只能通过一回进线供电，供电率较低，从而使部分用户停电。 （2）分段上进行检修时，该段重要用户失去备用。单母线分段制如图 3-2所示。图3-1 单母线制(a) (b)图3-2单母线分段制a）用隔离开关分段；（b）用断路器分段双母线制11河南城建学院本科毕业设计（论文） 3 电气主接线设计适用范围：对于特别重要的负荷，当采用单母线分段制，可靠性仍不能满足要求时，可考虑采用双母线制。图 3-3为双母线制接线图，B1为工作母线，B2为备用母线，每一进出线路经一个断路器和两个隔离开关接于双母线上。双母线制的优点有：（1）轮流检修母线而不致引起供电中断。 （2）检修任一母线隔离开关仅使本回路断开。（3）在工作母线发生故障时，通过备用母线能迅速恢复供电。双母线的缺点有：开关数目增多，连锁机构复杂，切换操作繁琐，造价高。图3-3 双母线制3.3 供电系统主接线方案的设计3.3.1 配电室主接线的设计1#配电室主接线的设计方案：10kV侧母线采用单母线分段接线形式。 10kV母线I段接110kV变电站10kV母线I段，10kV母线II段接110kV变电站10kV母线II段。380V侧母线采用单母线分段接线形式。回路：1#变压器的回路数：18条，2#变压器的回路数：条。2#配电室主接线的设计方案：10kV侧母线采用单母线分段接线形式。 10kV母线I段接开闭所 10kV母线I段，10kV母线II 段接开闭所10kV母线II 段。380V侧母线采用单母线分段接线形式。回路： 1#变压器的回路数：18条2#变压器的回路数：18条。12河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 短路电流计算短路电流计算本章介绍短路电流的计算目的及计算的一般规定，并介绍工程设计中常采用的运算曲线法计算短路电流的一般步骤。分别选取各母线上为短路点，计算各电源提供的短路电流，并以此考虑在各个短路情况下流过各断路器的短路电流，并以流过的最大的短路电流来校验各个短路器，看是否满足动热稳定校验。若不满足，则应提高设备档次或加限流电抗器。4.1 短路计算概述供电系统应该正常地不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、运行人员误操作、雷击或过电压击穿等。很大的短路电流通过电力线路时，在线路上会产生很大的电压降，使系统的电压水平骤降，影响电动机及照明负荷的正常工作，甚至可能导致大量产品报废、生产中断、设备损坏等严重后果。严重的短路故障有可能使电力系统运行的稳定性遭到破坏，使并列运行的发电机组失去同步，进而导致电力系统解裂，甚至“崩溃”，引起大面积的停电，这是短路故障最严重的后果。供电系统中短路的类型与其电源的中性点是否接地有关。短路的基本类型分三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。其中三相短路为对称短路，其他为不对称短路。在电力系统的设计和运行中，都必须考虑到可能发生的故障和不正常的运行情况，因为它们会破坏对用户的供电和电气设备的正常工作。从电力系统的实际运行情况看，这些故障多数是由短路引起的，因此除了对电力系统的短路故障有一较深刻的认识外，还必须熟练掌握电力系统的短路计算。按照传统的计算方法有标么值法和有名值法等。采用标么值法计算时，需要把不同电压等级中元件的阻抗，根据同一基准值进行换算，继而得出短路回路总的等值阻抗，再计算短路电流等。这种计算方法虽结果比较精确。13河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 短路电流计算4.1.1 短路电流计算的目的在发电厂和变电所的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。其计算的目的主要有以下几个方面：校验电气设备和载流导体时需要计算三相短路电流整定供电系统的继电保护装置需要计算三相短路电流在校验继电保护装置的灵敏度时计算不对称短路的短路电流值校验电气设备及载流导体的力稳定和热稳定就要用到短路冲击电流、稳态短路电流、短路容量接地装置的设计，也需用短路电流。4.1.2 短路电流计算的一般规定计算的基本情况1）电力系统中所有电源均在额定负荷下运行；2）所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；3）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；4）所有电源的电动势相位角相同；5）应考虑对短路电流值有影响的所有的元件，但不考虑短路点的电弧电阻。对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大安全电流有效值时才予以考虑。接线方式：计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。计算容量：按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为本工程建设后5～10年）短路种类：一般按三相短路计算。若发电机出口的两相短路，或直接接地系统以及自耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况进行校验。短路计算点：在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。14河南城建学院本科毕业设计（论文） 4短路电流计算4.1.3 短路电流的计算步骤在工程设计中，短路电流的计算通常采用使用曲线法。步骤如下：选择计算短路点画等值网络（次暂态网络）图1）首先去掉系统中的所有负荷分支、线路电容、各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗。2）选取基准容量和基准电压（一般取各级的平均电压）。3）将各元件电抗换算为同一基准值的标幺电抗。4）绘出等值网络图，并将各元件电抗统一编号。化简等值网络：为计算不同短路点的短路电流值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗。求计算电抗。(将各转移阻抗按各发电机额定功率归算)查运算曲线查出各供给的短路电流周期分量标幺值。计算无限大容量的电源供给的短路电流周期分量。计算短路电流周期分量有名值。4.2 短路电流的计算4.2.1短路计算1.电力系统的阻抗电力系统的电阻相对于电抗来说很小，可以不计。其电抗可有变电所馈线出口断路器的断流容量SOC来估算，将断路器的断流容量看做是系统的极限短路容量SK，则电力系统的电抗为UC2（4-1）XSSOC式中UC为电力系统馈电线的短路计算电压，为了便于计算短路回路的总阻抗，免去阻抗换算的麻烦，此式中的UC可直接采用短路点的短路计算电压；SOC为系统出口断路器的断流容量，其值可以查阅相关手册，产品样本等。如果只有断路器的开断电流IOC的数据，其断流容量 SOC= 3IOCUN，UN为断路器的额定电压。电力变压器的阻抗（1）变压器的电阻RT。RT可由变压器的短路损耗 PK来近似计算，即15河南城建学院本科毕业设计（论文）4短路电流计算2RTPKUC（4-2）SN式中，UC为短路点的短路计算电压；SN为变压器的额定容量；PK为变压器的短路损耗。（2）变压器的电抗XT。XT可由变压器的短路电压 UK%来近似计算，即XTUK%UC2100（4-3）SN式中，UK%为变压器的短路电压百分值，（3）电力线路的阻抗：线路的电阻RWL。RWL可由导线或电缆的单位长度电阻R0值求得，即RWL R0L （4-4）式中，R0为导线或电缆的单位长度电阻， L为线路长度。线路的电抗XWL。XWL可由导线或电缆的单位长度电抗 X0值求得，即XWL=X0L （4-5）式中，X0为导体或电缆的单位长度电抗。 X0可按表4.1取平均值。表4.1电力线路每相的单位长度电抗平均值线路电压线路结构35kV及35kV以上6至10kV220/380V架空线路0.400.350.32电缆线路0.120.080.066电抗器的阻抗，由于电抗器的电阻很小，因此只需计算其电抗值，即XR%UN（4-6）XR3IN100式中，XR%为电抗器的电抗百分值；UN为电抗器的额定电压；IN为电抗器的额定电流。4.2.1短路电流的计算110kV变电站出口断路器的断流容量为 300MV A。短路计算电路如图 4-1所示。（1）求k—1点的三相短路电流和短路容量（UC110.5kV）。16河南城建学院本科毕业设计（论文） 4短路电流计算计算短路回路中各元件的电抗和总电抗。电力系统的电抗：UC210.52X10.3675SOC300查表4-1得X00.08/km，可得电缆线路的电抗为X2X0L0.0840.32画出k—1点的等效电路图，如图 4-2所示。图4-1 短路计算电路图图4-2 k—1点的等效电路图其短路回路的总阻抗为X X1 X2 0.6875(k1)计算k—1点的三相短路电流和短路容量。三相短路电流周期分量的有效值为Ik(3)UC110.5kV8.82kA3X(k1)30.6875三相短路次暂态电流和稳态电流为Ik''(3) I(3) Ik(3) 8.82kA三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值为ish(3)2.55I"(3)2.558.8222.49kA17河南城建学院本科毕业设计（论文）4短路电流计算Ish(3)1.51I"(3)1.518.8213.32kA三相短路容量为Sk(3) 3UC1Ik(3) 310.5kV 8.82kA 160.40MV A2）求k—2点的三相短路电流和短路容量（UC2380V）。计算短路回路中各元件的电抗及总电抗。电力系统的电抗为'UC22(0.4kV)2104X1SOC300MV5.33A电缆线路的电抗为22X2'X0LUC20.0840.44.64104UC110.5电力变压器的电抗，由表2-1可查出该变压器的Uk%4.5，所以电力变压器的电抗为X3X4Uk%UC224.5(0.4kV)27.2103100SN1001000kVA画出k—2点的等效电路图，如图4-3所示。图4-3k—2点的等效电路图其短路回路总电抗为X(k2)X1'X2'X3//X45.331044.641047.21034.591032计算k—2点的三相短路电流和短路容量。18河南城建学院本科毕业设计（论文） 4短路电流计算三相短路电流周期分量的有效值为Ik(3) U3X

C20.4kV50.32kA34.59103(k2)三相电流次暂态电流和稳态电流为I''(3)I(3)Ik350.32kA三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值为ish(3)1.84I"(3)1.8450.32kA92.59kAIsh(3)1.09I"(3)1.0950.3254.85kA三相短路容量为Sk(3)3UC1Ik(3)30.4kV50.32kA34.86MVA短路计算表如表4.2所示。表4.2短路计算表三相短路容量短路计三相短路电流/kA/MVA算点(3)I''(3)I(3)(3)(3)(3)IkishIshSkk18.828.828.8222.4913.32160.40k250.3250.3250.3292.5954.8534.8619河南城建学院本科毕业设计（论文 5 电气设备的选择与校验电气设备的选择与校验电气设备的选择条件包含了两大部分：一是电气设备所必须满足的基本条件，即正常工作条件（最高工作电压和最大持续工作电流）选择，并按短路状态来校验动、热稳定；二是根据不同的电气设备的特点而提出的选择和校验项目。5.1 电气设备选择的一般条件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确是一致的。电气设备要可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验动、热稳定性。5.1.1 按正常工作条件选择额定电压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选的电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的 1.1-1.15 倍，一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即UN UNs额定电流电气设备的额定电流 IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 Imax，即I N Imax由于发电机、调相机和变压器在电压降低 5%时，出力保持不变，故其相应回路的Imax应为发电机、调相机和变压器的额定电流的 1.05倍；若变压器有可能过负荷运行时，Imax应按过负荷确定（1.3-2倍变压器额定电流）；母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的 Imax；母线分段电抗器 Imax应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50%-80%；出线回路的Imax除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。按当地环境校验当电气设备安装地点的环境条件如温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。本设计着重考虑温20河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验度对电气设备的影响。5.1.2 按短路条件进行校验当短路电流通过电气设备时，将产生热效应及点动力效应，因此，必须对电气设备进行热稳定和动稳定校验。1, 、热稳定校验校验电气设备的热稳定性，就是校验设备的载流部分在短路电流的作用下，其金属导电部分的温度不应超过最高允许值。如果满足这一条件，则选出的电气设备符合热稳定的要求。作热稳定校验时，以通过电气设备的三相短路电流为依据，工程计算中常用下式校验所选的电气设备是否满足热稳定的要求，即I2teq Ith2t式中，I—三相短路电流周期分量的稳定值；teq—等值时间；Ith—制造厂规定的在 t秒内电器的热稳定电流； t为与Ith相对应的时间2、动稳定校验电动力稳定是电气承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。当电气设备中有短路电流通过时，将产生很大的电动力，可能对电气设备产生严重的破坏作用。因此各制造厂所生产的电器，都用最大允许电流的幅值 imax或最大有效值Imax表示其电动力稳定的程度，它表明电器通过上述电流时，不致因为电动力的作用而损坏。满足动稳定的条件为ish imax 或 Ish Imax式中，ish—三相短路时冲击电流幅值；Ish—三相短路时的最大有效值电流。下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：1）用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断器时间保证，故可不验算热稳定；2）采用有限流电阻的熔断器保护的设备，可不校验动稳定；3）装设在电压互感器回路的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定。短路计算条件作校验用的短路电流应按下列条件确定。（1）容量及接线；（2）短路类型；21河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验（3）短路计算点。短路计算时间校验短路热稳定的短路计算时间tK应为继电保护动作时间top和相应断器的全开断时间toc之和，即tK= top+ toctop一般取保护装置的后备保护动作时间，这是考虑到主保护有死区或拒动， toc是指对断路器的分闸脉冲传送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后的电弧完全熄灭为止的时间段。显然，toc包括两个部分，即toc=tinta式中，tin-------断路器固有分闸时间；ta--------断路器开断电弧持续时间，对少油断路器为0.04-0.06s,对SF6和压缩空气断路器为0.02-0.04s，真空断路器为0.015s。5.2 各电气设备选择的原则正确地选择电气设备的目的是为了使道题和电器无论在正常情况或故障情况下，均能安全、经济合理地运行。在进行设备选择时，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，并注意节约投资，选择合适的电气设备。5.2.1 断路器的选择原则高压断路器是重要的电气设备之一，它的主要功能是：正常运行倒换运行方式，把设备或线路接入电网或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路，保证无故障部分正常运行，起保护作用。高压断路器应根据断路器安装地点，环境和使用技术条件等要求选择其种类及型式，由于真空断路器、SF6断路器比少油断路器，可靠性更好，维护工作量更少，灭弧性能更高，目前得到普遍推广，故35～220kV一般采用SF6断路器。真空断路器只适应于10kV电压等级，10kV采用真空断路器。选择高压断路器的主要技术条件如下：1. 额定电压断路器的额定电压 UN应大于或等于所在电网的工作电压 Uw，即UN Uw2.额定电流断路器的额定电流应大于或等于它的最大长期工作电流 Iwmax，即22河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验I N Iwmax3.开断电流在给定的电网电压下，断路器的开断电流 Ibr不应小于断路器的灭弧触头分开瞬间电路中短路电流有效值 Isct，即Ibr Isct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(3)，则其动稳定便满足要求，即imax ish(3)热稳定校验制造厂给出了断路器 t秒内的热稳定电流 Ith，即在给定的时间内，电流 Ith通过断路器时，其各部分的发热温度不会超过最高短时允许发热温度。因此，制造厂规定的短时允许发热量应大于短路期间短路电流发出的热量，则此断路器满足热稳定要求，可表示为Ith2t I2teq式中，I—通过断路器的稳态短路电流；teq—短路电流等值时间。5.2.2 隔离开关的选择原则隔离开关也是发电厂和变电站中常用的开关电器。它需要与断路器配套使用。它的主要功用为：隔离电压。倒闸操作。分、合小电流隔离开关型式的选择，应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合的技术经济比较然后确定。隔离开关与断路器相比，额定电压、额定电流的选择及短路动、热稳定效验的项目相同。但是由于隔离开关不用来接通和切除短路电流，故无需进行开断电流和短路关合电流的效验。额定电压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选的电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的 1.1-1.15 倍，一般23河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即UN UNs额定电流电气设备的额定电流 IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 Imax，即I N Imax3.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(3)，则其动稳定便满足要求，即imaxish(3)4.热稳定校验制造厂给出了断路器 t秒内的热稳定电流 Ith，即在给定的时间内，电流 Ith通过断路器时，其各部分的发热温度不会超过最高短时允许发热温度。因此，制造厂规定的短时允许发热量应大于短路期间短路电流发出的热量，则此断路器满足热稳定要求，可表示为Ith2t I2teq式中，I—通过断路器的稳态短路电流；tcq—短路电流等值时间。5.2.3 避雷器的配置原则常用的防近形波过电压的装置是避雷器。避雷器与被保护设备并联，其作用是释放过电压的能量，将过电压限制在一定水平，从而保护设备的绝缘。1、配电装置的每组母线上，应装设避雷器，但进出线都装设避雷器时除外。2、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。3、三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器。5.2.4 电流互感器的选择原则互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。它的作用是将高电压、大电流按比例变成低电压和小电流。互感器在主接线中的配置与测量仪表、同步点的选择、保护和自动装置的要求以及主接线的形式有关。24河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验电流互感器设置在发电机、变压器、出线、母线分段及母联断路器、旁路断路器等回路中，为了满足测量和保护的需要。电压互感器一般装置在母线、线路、发电机和变压器中，保证在运行方式改变时，保护装置不失压、同级点两侧都能方便地取压。型式电流互感器按绝缘结构可分为：浇注式、瓷绝缘式、油侵式等；按安装方式可分为：互内式、户外式、装入式、穿墙式；按结构型式可分为：多匝式、单匝式、母线式；按测量特性（用途）可分为：测量用、保护用、计量用等。 6-20kv屋内配电装置的电流互感器，应根据安装使用条件及产品情况，采用瓷绝缘构成或树脂浇注绝缘结构。35kv及以上配电装置的电流互感器，宜采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立电流互感器，有条件时，应采用套管式电流互感器。准确等级为了保证测量仪表的准确度，互感器的准确等级不应低于所供测量仪表的准确等级。额定电压和额定电流电流互感器一次回路的额定电压和额定电流必须满足UN UNWI1N IWmax式中，UN和I1N—电流互感器一次侧的额定电压和额定电流；I1N—互感器所在电网的额定电压； I1NIWmax；IWmax—互感器一次回路的最大工作电流。二次负荷为了保证互感器的准确等级，其二次侧所接负荷量S2应等于或小于该准确等级所规定的额定容量SN，即SN S2 I22NZ2式中，I2N—互感器二次侧的额定电流。热稳定校验(I1NKth)2 I2teq式中，I1N—互感器一次侧的额定电流；Kth—t 1s的热稳定电流倍数。动稳定校验（1）内部动稳定。通常以动稳定倍数Kes来表示电流互感器内部动稳定的能力，可按下式校验2I1NKes ish(3)25河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验外部稳定。对于瓷绝缘型电流互感器，应校验瓷套管的机械强度。瓷套上的作用力可按电动力公式计算，因此外部稳定应满足Fp0.51.73ish2L107Na式中，Fp—作用于电流互感器瓷帽端部或接地端的允许应力；—互感器出线端部至最近一个母线支持绝缘子之间的距离；—相间距离；系数0.5—互感器瓷套端部承受该跨距上电动力的一半。对于瓷绝缘的母线型电流互感器，其动稳定取决于短路时产生的电动力作用在互感器端部瓷帽处的应力，可按如给出互感器端部瓷帽处的允许应力 Fp，故动稳定可按下式校验Fp1.73ish2L107Na5.2.5 电压互感器的选择型式根据电压互感器的安装场所和使用条件，选择电压互感器的绝缘结构和安装方式。1）一般6-20kv屋内配电装置多采用油侵或树脂浇注绝缘结构的电磁式电压互感器。2）35kv配电装置，宜采用电磁式电压互感器。（3）110kv及以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，宜采用电容式电压互感器。4）SF6全封闭组合电器的电压互感器应采用电磁式。5）接在110kv及以上线路侧的电压互感器，当线路声装有载波通讯时，应尽量与耦合电容器结合，统一选用电容式电压互感器。6）电磁式电压互感器可以兼作并联电容器组的泄能设备，但此电压互感器与电容器之间，不应有开断点。准确等级电压互感器准确等级的选择与电流互感器相同。一次回路额定电压为保证测量的准确性，电压互感器一次额定电压应在所安装电网额定电压的90%--110%之间。26河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验二次回路额定电压电压互感器二次侧额定电压应满足测量、继电保护和自动装置的要求。通常，一次绕组接于电网电压时，二次绕组额定电压选为100V；一次绕组接于电网相电压时，二次绕组额定电压选为100/3。二次负荷应预先算出互感器二次侧的负荷，并与互感器的额定容量相比较，需满足S2 SN电压互感器与电网并联，当系统发生短路时，电压互感器本身不遭受短路电流作用，因此不校验热稳定和动稳定。5.310kV侧设备的选择1.断路器的选择（1）额定电压：UN UNW 10kV（2）额定电流：按负荷最大考虑S10最大2160Iwmax124.7A3UN3103）查资料选择断路器型号及参数如表4.1所示表4.1真空断路器额定电 额定 开断 动稳定电 热稳定类别 型号 压 电流 电流 流峰值 电流/kV /A /kA /kA /kA真空户内 ZN4-10/1000 10 1000 17.3 44 17.3（4s)（4）校验：①UN UNW 10kV②IN 1000A Iwmax 124.7A③额定开断电流校验：10kV母线三相稳态短路电流 Ik(3)=8.82KAZN4-10/1000 断路器的额定开断电流为 17.3KA符合要求。④动稳定校验 ：imax 44kAish(3)=22.49kAimax ish(3)，满足要求。27河南城建学院本科毕业设计（论文） 5电气设备的选择与校验⑤热稳定校验：I2teq(4s)=8.8224311.17（kA2s）Ith2t17.3241197.16（kA2s）2≥2teq(4)，满足要求。IthtIs⑥温度校验：ZN4-10/1000断路器允许使用环境温度： -40℃～40℃本变电站地区气温：-10℃～40℃，所以符合要求。通过以上校验可知，主变 10kV侧断路器的选择符合要求。2.隔离开关的选择（1）额定电压：UN UNW 10kV（2）额定电流：按负荷最大考虑S10最大2160Iwmax124.7A3UN310（3）查资料选择隔离开关的型号及参数如表 4.2所示。表4.2隔离开关极限通过电流型号额定电压/kV额定电流/A/kA峰值有效值GN86-101020025.514.7T/200校验：①UNUNW10kV②IN1000AIwmax124.7A③动稳定校验：imax25.5kAish(3)=22.49kAimax