某总降压变电所二次系统的设计

摘要本设计是关于某总降压变电所二次系统的设计。首先通过对原始资料进行综合的分析，草拟两种主接线方案，对这两种主接线方案进行经济技术的比拟，从中选择出一种较优的方案。设计的思路是依据国家标准标准要求和老师给的任务上的要求，确定全厂计算负荷，拟定供配电方案，确定变压器台数及容量，选择其规格型号。画出主接线图，规划变电所的二次接线及继电保护，选择主变压器及线路的保护方式，完成主变继电保护整定计算和继电保护配置，确定无功补偿。在该设计中，依据给定的系统情况，电力线路上装设相间短路保护、单相接地保护和过负荷保护；对变电所主变压器装设过流保护、纵联差动保护和瓦斯保护。此外，高、低压两侧各母线上分别装设避雷器。变压器由断路器控制，并在断路器的两侧设置隔离开关，以保证断路器的检修和平安。关键词：继电保护，保护方式，负荷计算，接线图，整定计算ABSTRACTThisdesignisthedesignofatotalstep-downsubstationtwosystem.Designisbasedonthenationalstandardspecifications,determinethecomputationalload,intendedfordistributionscheme,determinethenumberandcapacityoftransformers,selectitsspecifications.Drawthemainwiringdiagram,planningofsubstationsecondarywiringoftwoandrelayprotection,protectionofmaintransformerandthechoiceofthemainline,relayprotectionsettingcalculationandrelayprotection,thereactivepowercompensationisdetermined.Inthisdesign,accordingtothesituationgiven,powerlinesarearrangedontheinterphaseshortcircuitprotection,single-phasegroundingprotectionandoverloadprotection;onthemaintransformersubstationinstallover-currentprotection,longitudinaldifferentialprotectionandgasprotection.Inaddition,high,lowpressureonbothsidesofthebusarerespectivelyprovidedwithalightningarrester.Transformeriscontrolledbythecircuitbreakerandisolatingswitch,circuitbreakerisarrangedonbothsides,inordertoguaranteethecircuitbreakermaintenanceandsafety.Keywords:RelayProtection,Protectedmode,WiringDiagram,Settingcalculation第1章负荷的计算及无功功率的补偿1.1负荷的计算〔1〕公式Pe—设备容量〔KW〕；Kx—设备组的需要系数；—用电设备的功率因数角；cos—功率因数；U—线电压〔V〕；Ie—计算电流〔A〕;有功计算负荷P30=KxPe无功计算负荷Q30=Pctg视在计算负荷S30=或S30=计算电流I30=其中，tanarccos0.6≈1.333tanarccos0.65≈1.169tanarccos0.7≈1.02tanarccos0.8≈0.75例：铸造车间：Pc=875×0.5=437.5〔KW〕又∵cosφ=0.7,∴φ=arccos0.7,∴tanarccos0.7≈1.02∴Qc=437.5×tanarccos0.7=446.342(Kvar)Sc=≈625.002(Kva)计算目的：用于选择各组配电干线及其上的开关设备。全厂的负荷总表见表1.1。表1.1负荷总表序号车间名称设备容量〔KW〕需要系数功率因数〔cosφ〕Tanφ计算负荷Pc(KW)Qc(Kvar)Sc(Kva)Ic(A)1铸造车间8750.50.71.02437.5446.342625.00236.086锻压车间7600.650.61.3334941013.081266.6773.13仓库1250.50.80.7562.5937.5156.259.022机加车间3700.70.80.75259277.5462.526.7工具车间4000.50.61.333200533.2666.66738.49模具车间2050.60.71.02123209.143292.85716.913外表处理车间2750.60.651.169165321.48423.07724.43动力车间2180.70.651.169152.6254.842335.38519.36总装车间1500.60.80.7590112.5187.510.83试验站680.70.71.0247.669.3797.1435.61〔2〕公式：、--各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和；--最大负荷时的同时系数。考虑各用电设备组的最大计算负荷不会同时出现而引入的系数。总有功计算负荷：=总无功计算负荷：=总视在计算负荷:本设计中，有功无功时均取同时系数为=0.9，所以总计算负荷为:=0.9×〔437.5+494+62.5+259+(200+123+165+152.6+90+47.6〕=0.9×2031.2=1828.08〔KW〕=0.9×(446.342+1013.08+937.5+277.5+533.2+209.143+321.48+254.842+112.5+69.37)=0.9×4174.957=3757.4613(KW)=4178.5632(KVA)计算目的：用于选择车间配电干线及其上的开关设备，或者用于低压母线的选择及车间变电所电力变压器容量的选择。全厂的负荷总计见表1.2。表1.2负荷总计表负荷总计=0.9〔KW〕2031.2〔KW〕4174.957(KW)1828.08(Kvar)3757.4613〔Kva〕4178.56321.2无功功率的补偿及其计算〔1〕进行的原因实际负载,一般都是混合性负载,这样电流在通过它们的时候,就有局部电能不做功,就是无功功率,此时的功率因数小于1,为了提高电能的利用率,故进行无功补偿。〔2〕主要效益①用户的功率因数提高,使电工设备的利用率提高;②减少电力网络的有功损耗；③合理控制无功功率流动，使电力系统的电压水平得到提高，使电能的质量得到提高，提高了电力系统的抗干扰能力；〔3〕无功功率补偿的计算由负荷计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为：=4178.5632〔KVA〕这时低压侧的功率因数为：因为电业部门对功率因素要求值，为使高压侧的功率因数≥0.9，那么低压侧补偿后的功率因数应高于0.9，取：cosφ=0.9。要使低压侧的功率因数由0.44提高到0.9，那么低压侧需装设的并联电容器容量为：Qc=1828.08×(tanarccos0.44-tanarccos0.9)=2845.589(KVAR)取：Qc=2900KVAR，那么补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：变压器的功率损耗为：变电所高压侧的计算负荷为：补偿后的功率因数为满足〔大于等于0.9〕的要求。第2章主接线选择及短路计算2.1电气主接线2.1.1电气主接线的根本接线形式发电厂和变电站中电气主接线的根本接线形式，可分为有汇流母线和无汇流母线两大类。有汇流母线的接线形式有：单母线、单母线分段，双母线，双母线分段；无汇流母线的接线形式有：单元接线、桥形接线和角形接线。2.1.2主接线的选择变电所的接线应从平安、可靠、灵活、经济出发。本设计中的10KV降压变电所，尽量保证供电的可靠性，但是作为总降压变电所来说，且是三级负荷，从经济性来考虑主接线不主张过于复杂。只装有一台主变压器的总降变电所主接线通常采用一次侧无母线、二次侧为单母线的主接线。一次侧采用断路器为主开关。只适用于三级负荷。(2)一次侧为内桥式接线的总降压变电所主接线一次侧为外桥式接线的总降压变电所主接线一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主接线可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的情况。一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主接线35KV侧出线超过两回时，宜采用单母线分段接线；8回及以上时，亦可采用双母线接线。综上所述，变电所出线超过2回，故考虑了两种方案：方案1采用35KV和10KV都是单母分段。这种接线方式可对各母线段进行轮换检修。单母线分段接线用户供电不间断，并且其接线形式简单、经济又方便，保证了供电的可靠性。方案2采用35KV和10KV均为单母线接线。优点是简单清晰设备少。在本设计中，作为10KV出线有10回，属于三级负荷，所以采用方案2，35KV和10KV均为单母线接线。供配电系统图如图3.1，主接线图如图3.2。图2.1供配电系统图图2.2变电所主接线图2.2三相短路电流〔1〕定义电力系统中最常见和最严重的一种故障。在发生短路3～5S这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。〔2〕主要原因①电气设备、元件的损坏。设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终开展成短路等。

②自然的原因。如：气候恶劣，致使架空线倒杆断线；遭受雷电原因等。

③人为事故。〔3〕具体表现为①短路电流的热效应②短路电流的热效应③影响电气设备的正常运行④破坏系统的稳定性⑤造成电磁干扰〔4〕目的计算短路电流的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。2.3三相短路冲击电流、稳态电流三相短路冲击电流：短路电流峰值或短路全电流瞬时最大值，用ish表示。公式：ishKshIp式中，Ip为短路电流周期分量的有效值；Ksh为短路电流冲击系数。在工程计算中，当高压电网短路时，取Ksh=1.8；在发电机端部发生短路时，取ksh=1.9；在低压电网中短路时，取ksh=1.3。当Ksh=1.9时，ish=2.69Ip当Ksh=1.8时，ish=2.55Ip当Ksh=1.7时，ish=1.84IpI∝为短路电流非周期分量衰减完后的短路全电流的有效值。Ik为在无限大容量系统中，短路后任何时刻的短路电流周期分量的有效值。I″为暂态短路电流或是超瞬变短路电流，是短路瞬时三相短路电流周期分量的有效值。因为它们是始终不变的，所以有I″=I∝=Ip=Ik2.4短路计算图2.3系统等效电路图确定基准值：计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值：电力线路每相的单位长度电抗平均值线路结构线路电压35KV及以上6--10KV及以上220/380V架空线路0.400.350.32电缆线路0.120.080.066根据上表，本设计35KV侧出线的单位长度电抗平均值线路电抗标幺值=1\*GB2⑴在最大运行方式下〔〕：=1\*GB3①当K1点短路：=2\*GB3②当K2点短路：=2\*GB2⑵在最小运行方式下〔〕：=1\*GB3①当K1点短路：=2\*GB3②当K2点短路：表2.1短路电流结果汇总表系统运行方式短路点三相短路电流/KA最大运行K14.2827.734.28K21.7111.7最小运行K16.9517.76.95K21.3891.38最大运行方式的短路电流值用来校验所选的开关电器的稳定性。最小运行方式的短路电流值用来校验机电保护装置的灵敏度。第3章变电所中变压器台数与容量的选择3.1车间变电所变压器台数与容量的选择〔1〕原那么：=1\*GB3①对于一般生产车间，尽量装设一台变压器，其额定容量应大于用电设备的总计算负荷，且应有适当富裕容量。[1]邱方，江颖．《容量费对变压器容量选择的影响》．南昌高专学报,2002.[1]邱方，江颖．《容量费对变压器容量选择的影响》．南昌高专学报,2002.=2\*GB3②对于有一、二级负荷的车间，要求两个电源供电时，应选用两台变压器，每台变压器容量应能承当全部一、二级负荷的供电。如果与相邻车间有联络线时，当车间变电所出现故障时，其一、二级负荷可通过联络线保证继续供电，亦可只选用一台变压器。[2]张凡．《索普醋酸装置电气系统改造方案选择分析》.硕博学位论文,2006.[2]张凡．《索普醋酸装置电气系统改造方案选择分析》.硕博学位论文,2006.=3\*GB3③对于随季节变动较大的负荷，为了使运行经济，减少变压器空载损耗，也宜采两台变压器，以便在低谷负荷时，切除一台。=4\*GB3④凡选用两台变压器的变电所，任一台变压器单独投入运行时，必须能满足变电所总计算负荷70%的需要和一、二级负荷的需要。〔2〕确定总降压变电所主变压器型式在选择变压器时，应选用低损耗节能型变压器，如S9系列或S10系列。高损耗变压器已被淘汰，不再采用。在多尘或有腐蚀性气体严重影响变压器平安的场所，应选择密闭型变压器或防腐型变压器；供电系统中没有特殊要求和民用建筑独立变电所常采用三相油浸自冷电力变压器〔S9、S10-M、S11、S11-M等〕；本设计选择S9系列三相油浸自冷电力变压器，型号S9-3150/35。〔3〕选择主变压器台数按其负荷性质要求=1\*GB3①本厂大局部车间为两班工作制，年最大有功负荷利用小时数5500h，属三级负荷。=2\*GB3②本厂变电所从35KV变电站取得10KV高压电源引入本厂，该变电站距本厂10km。=3\*GB3③根据以上情况，工厂总降压变电所的主变压器考虑装设一台主电力变压器的方案。〔4〕主变压器容量的选择装设一台时，应满足：主变压器容量QUOTE应不小于总计算负荷QUOTE,即QUOTE3.2变压器的经济运行当变压器在功率损耗最小的情况下的运行方式时，使电能损耗最小，运行费用最低，故此为变压器的经济运行。第4章上下压电气设备选择和校验4.1变电所进出线的种类=1\*GB3①如为专用线路，应选专用线路的全长。=2\*GB3②如从公共干线引至变配电所，那么仅选从公共干线到变配电所的一段引入线。=3\*GB3③对于靠墙安装的高压开关柜，柜下进线时一般需经电缆引入，因此架空线进线至变配电所高压侧，往往需选一段引入电缆。4.2变电所进出线的方式的选择=1\*GB3①架空线路的选择：1)一般采用铝绞线。2〕当档距或交叉档距较长、电杆较高时，宜采用钢心铝绞线。3〕沿海地区或有腐蚀性介质的场所，宜采用铝绞线或防腐铝绞线。=2\*GB3②架空线的敷设原那么：1〕在施工和竣工验收中必须遵循有关规定，以保证施工质量和线路平安运行。[3]《[工学]工厂供电课件52-综合课件-道客巴巴》[3]《[工学]工厂供电课件52-综合课件-道客巴巴》2〕合理选择路径，做到路径短，转角小，交通运输方便，并与建筑物保持一定的平安距离。[4]李霞．《浅谈电气设备选择》.科技风,2008．[4]李霞．《浅谈电气设备选择》.科技风,2008．3〕按有关规程要求，必须保证架空线路与地及其他设施在平安距离内。4〕电杆尺寸应满足要求。综上本设计中电源进线采用架空线路——钢心铝绞线。4.3高压配电线路的选择常用的接线方式有:放射式、树干、环式三种。4.4电气设备选择与校验条件为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备与校验的一般条件有：按正常工作条件包括电压、电流、频率、开端电流等选择，表5.1；按短路条件包括动稳定、热稳定校验，表5.2；按环境工作条件如温度、适度、海拔等选择。4.4.1按正常工作条件选择电气设备=1\*GB2⑴电气设备的额定电压：不得低于所接电网的最高运行电压。=2\*GB2⑵电气设备的额定电流：不小于该回路的最大持续工作电流或计算电流。[4]李霞．《浅谈电气设备选择》.科技风,2008．[4]李霞．《浅谈电气设备选择》.科技风,2008．QUOTE〔一般温度每升高1℃，额定电流减少1.8%；温度每降低1℃，额定电流增加0.5%〕=3\*GB2⑶选择电气设备时还应考虑设备的安装地点、环境及工作条件，合理地选择设备的类型，如户内户外、海拔高度、环境温度及防尘、防腐、防爆等。=4\*GB2⑷按各类设备的不同特点和要求进行选择。表4.1设备选择校验的工程及满足的条件序号设备名称电压〔KV〕电流〔KA〕断流能力短路稳定度校验动稳定热稳定1高压断路器√√√√√2高压隔离开关√√-√√3熔断器√√√--4电流互感器√√√√√5电压互感器√---6母线-√-√√7电缆√√--√应满足的条件设备的额定电压应≥装置地点的额定电压设备的额定电流应≥通过设备的计算电流设备的额定开端电流≥它可能开端的最大电流按三相短路冲击电流校验按三相短路稳态电流校验备注√校验-不校验△一般不校验表4.2电气设备的动稳定和热稳定校验计算公式序号设备名称校验工程校验公式符号含义1高压断路器高压隔离开关动稳定热稳定2电流互感器动稳定热稳定3母线动稳定热稳定假想时间确实定由表5.1热稳定校验公式可知，惊醒热稳定校验需要知道假想时间。假想时间等于周期分量假想时间和非周期分量假想时间之和。其中，可根据查供电系统假想时间周期分量的变化曲线得到，非周期分量假想时间可以忽略不计〔因短路时间均大于1秒〕，因此假想时间就等于周期分量假想时间。[5]《电力工程根底》P109页，机械工程出版社.孙丽华。不同地点的假想时间如表5.3所示。[5]《电力工程根底》P109页，机械工程出版社.孙丽华。表4.3假想时间的大小地点周期分量假想时间假想时间主变35KV侧13.13.135KV母线分段12.72.735KV出线12.12.1主变10KV侧12.82.810KV母线分段12.22.24.4.3高压电气设备的选择与校验根据表4.1设备选择校验的工程及满足的条件，根据表4.2设备选择短路稳定度校验公式以及根据表4.3选择假想时间的大小。主变10KV侧：因为变压器S9-3150/35，所以主变10KV侧的计算电流为I30==165A,故断路器选SW2-35/1000型，隔离开关选用GW10-10T/1000型，电流互感器选用LAJ-10型，电压互感器选用JDJJ-35型，避雷器选用FZ-35型。相关参数见表4.4。表4.410KV侧电气设备安装地点电气条件设备型号规格工程数据校验工程SN10-1011/1000断路器GW10-10T/1000隔离开关LAJ-10电流互感器JDZJ-10电压互感器FZ-10避雷器10≤10101010165≤100010001500/54.28≤31.527.73≤8075×90×1.5=191×2.8=51≤×2=1985×5=4500×1=5625第5章线路的继电保护5.1继电保护的作用继电保护装置就是能反响电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。[6]5.2继电保护根本原理图5.1继电保护的原理框图5.3继电保护的根本要求〔1〕选择性〔2〕速动性即快速切除故障。快速切除故障的优点：1、提高系统稳定性；2、减少用户在低电压下的动作时间；〔3〕灵敏性继电保护的灵敏性通常用灵敏度KS来衡量：〔4〕可靠性5.4继电保护装置的接线方式(1)两相两继电器接线此接线方式主要用于小接地电流系统作时间短路保护用。图5.2两相两继电器式接线方式图两相一继电器式接线这种接线常用作相间短路保护之用。图5.3两相一电器是接线方式图上述分析可知，两相一继电器式接线少用一个继电器，较为经济简单，但是保护灵敏度随相间短路形式不同而不同，有的甚至相差一倍。为了保证线路继电保护的快速性可靠性，本设计线路继电保护装置使用两相两继电器接线方式。5.5瞬时电流速断保护瞬时电流速断保护的单相原理接线图，如下列图6.4所示。图5.4瞬时电流速断保护的原理接线图5.6输电线路的电流保护的原理及其整定计算=1\*GB2⑴无时限电流速断保护〔=1\*ROMANI段〕：∴等效电源的阻抗最大值为〔对应该等效电源系统最小运行方式〕：等效电源的阻抗最小值为〔对应该等效电源系统最小运行方式〕：又∵故障点至保护安装处的距离为10KM，设每公里的线路电抗为X1，∵线路电抗标幺值：∴线路实际电抗：那么∴，故不满足灵敏度要求。应考虑采用无时限电流电压联锁速断保护。该处电流保护第I段的动作时间为。图5.5无时限电流速断保护整定计算示意图=2\*GB2⑵带时限电流速断保护〔=2\*ROMANII段〕：根据式中，=；为断路器1QF处带时限电流速断保护的动作时间，称为电流保护低II端的可靠系数，一般取1.1-1.2，本设计中取1.2；为时限阶段，它与断路器的动作时间，被保护线路的动作时间误差和相邻保护动作时间误差和相邻保护动作时间误差等因素有关，一般取0.3-0.6s,在我国通常取0.5s;为分支系数的最小值。又∵==，∴电流保护II的动作电流为：又∵根据短路电流中K2点的=1.38KA,∴∴灵敏度为，满足灵敏度要求。这时，该处电流保护第II段的动作时间为=