35kV变电所的设计
摘要
电力是现代煤炭工业的主要动力，在煤炭生产中占有十分重要的地位。在煤炭企业中，矿山的电气化是煤炭生产自动化及最新科学技术成就在煤矿推广应用的技术基础。企业变电站对设计的要求在不断地提高，使电网和电力系统安全、经济、稳定的运行，才能保证工业生产和人身的安全。本设计是35kV变电所的设计，属于中压变电站，因此，它的设计应根据具体用户用电情况即负荷种类和性质来具体分析设计。通过分析设计原始资料，统计全厂负荷，利用无功补偿改善功率因数，选择合适的电缆，计算相应的损耗，确定主变压器的台数和容量，从而确定出具体的电气主接线，再对其进行短路电流计算，然后参考电气设计手册进行高压设备、线路的选型与校验，最后做出符合要求的变电所防雷保护。
关键词：企业变电站；无功补偿；主变压器；选型与校验；防雷保护
ABSTRACT
Electricity is the main driving force of modern coal industry, in coal production occupies a very important position. In the coal companies, Coal production automation and the latest achievements of science and technology popularization and application of technology in coal mines based coal electrification. coal mine automation and electrification of the latest achievements of science and technology popularization and application of technology in the coal base. Enterprise transformer substation design is constantly improving, so that power and power system security, economic and stable operation, to ensure the safety of industrial production and personal. This design is the design of 35kV transformer substation, medium voltage transformer substation is, and therefore, its design should be based on the specific type of user load and electricity consumption that is the nature of the specific analysis and design. By analyzing the design of the original data, statistics, the plant load, the use of reactive power compensation to improve the power factor, select the appropriate cable, calculating the corresponding loss of the main transformer station to determine the number and capacity, to determine a specific main electrical connection, then its short-circuit current calculation, and then refer to the Design Manual for High Voltage electrical equipment, line selection and validations, and finally made to meet the requirements of the substation lightning protection.
Key words: Enterprise transformer substation, Reactive power compensation, Main transformer, Selection and validation, Lightning Protection
目录
1 绪论 (1)
1.1 变电站概述 (1)
1.2 变电站的发展趋势 (2)
1.3 变电站设计的主要任务 (3)
1.4 变电站设计原则 (4)
1.5 论文总体结构概述 (4)
2 矿山供电系统 (6)
2.1矿山供电系统 (6)
2.2 矿山变电站的类型 (7)
2.3 变电站设计的原始资料 (8)
2.4 矿山供电的要求 (8)
3 负荷计算与主变压器的选择 (10)
3.1 负荷计算 (10)
3.2 主变压器的选择 (10)
3.3 功率因数的改善 (11)
4 电气主接线 (14)
4.1 电气主接线类型 (14)
4.2 电气主接线的设计原则 (19)
4.3 电气主接线方案比较 (21)
5 短路电流计算 (24)
5.1电力系统短路概述 (24)
5.2 短路电流的计算 (26)
6 电气设备 (28)
6.2 变电站选择电气设备的原则 (30)
7变电站防雷保护 (32)
7.1 概述 (32)
7.2 避雷针 (32)
计算部分 (34)
1变电站负荷计算 (34)
1.1 全矿总负荷计算 (34)
1.2 线路功率损失 (35)
1.3 全矿总负荷 (37)
1.4 留有10%裕度后的容量 (38)
1.5 主变的选择 (38)
1.6 功率因数的改善 (40)
2 短路电流计算 (41)
2.1 绘制短路计算电路图 (41)
2.2 绘制短路等值电路图 (41)
2.3 基准值的选取 (42)
2.4 计算各元件相对基准电抗 (42)
2.5 短路参数的计算 (43)
3 电气设备的选择 (46)
3.1 断路器的选择 (46)
3.2 隔离开关的选择 (50)
3.3 电流互感器的选择 (53)
3.4 电流互感器的选择 (56)
3.6 电缆校验 (59)
4防雷保护 (61)
4.1 35kV进线的避雷线保护 (61)
4.2 避雷器的选择 (62)
4.2 避雷针的选择 (63)
致谢 (64)
参考文献 (65)
附录一负荷统计表 (66)
附录二英文文献与翻译 (67)
1 绪论
1.1 变电站概述
众所周知，电能是现代工农业生产和国民经济生活的重要能源和动力。由于电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用，电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。因此必须有可靠的、稳定的、高质量的输配电系统来保证电能的高效传输和利用。发电厂是所有电能的来源，而变电站又是输配电系统中一个非常重要的环节，所以变电站供电的质量好坏直接影响到工农业生产和国民经济生活的顺利进行。
电力系统是国民经济的重要能源部门，而变电站的设计是电力工业建设中必不可少的一个项目。由于变电站设计的内容多，范围广，逻辑性强，不同电压等级、不同类型、不同性质负荷的变电所设计时所侧重的方面是大相径庭的。因此在设计中要针对负荷大小和负荷等级，做到具体问题具体分析。变电站是把一些设备组装起来，用以切断或接通、改变或者调整电压的综合设施，在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点。变电站在电力系统中起着变换电压、接受和分配电能、控制电能的流向和调整电压的功能。我国电力工业技术水平和管理水平正在逐步提高，对变电站的设计提出了更高的要求，输变电系统的设计也越来越全面、越来越系统。居民与工业用电量迅速增长，对电能的质量、供电的可靠性的要求日益提高，因此对变电站的设计也有了更高、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与经济性方面，它和企业的经济效益、设备人身安全是密切相关的。
结合我国电力现状和大型企业工厂的电力需要，给各行各业提供充足、可靠、优质、廉价的电能，优化设计变电站，提高供电电能质量，并根据企业规模和未来的发展，结合当地的地理环境，使设计出来的35kV变电站应充分体现出供电的可靠性、安全性、经济性。
1.2 变电站的发展趋势
我国电力建设经过多年的发展，系统容量越来越大，短路电流不断增大，对电气设备、系统内大量信息的实时性等要求越来越高;而随着科学技术的高速发展，制造、材料行业，尤其是计算机及网络技术的迅速发展，电力系统的变电技术也有了新的飞跃，我国变电站设计出现了一些新的趋势。
1.变电站接线方案趋于简单
随着制造厂生产的电气设备质量的提高以及电网可靠性的增加，变电站接线简化趋于可能。为了提高经济效益，经过专家反复论证，我国少数变电站设计已逐渐采用一些新的更为简单的接线方案。简化接线方案集中在这些方面：我国500kV、330kV电压等级的接线较多采用3/2断路器接线，但现在有些设计院提出，根据工程情况，可采用3/2断路器变压器-母线组接线，可靠性与3/2断路器接线基本相同，却可以降低投资。近期国内新建的许多变电站220kV及110kV电压等级的接线采用双母线而不带旁路母线。采用GIS的情况下，优先采用单母线分段接线。
2.大量采用新型电气一次设备
近年来电气一次设备制造有了较大发展，大量高性能、新型设备不断出现，设备趋于无油化，采用SF6气体绝缘的设备价格不断下降，伴随着国产GIS向高电压、大容量、三相共箱体方面发展，性能不断完善，应用面不断扩大，许多城网建设工程、用户工程都考虑采用GIS配电装置。变
电站设计的电气设备档次不断提高，配电装置也从传统的形式走向无油化、真空开关、SF6开关和机、电组合一体化的小型设备发展。
3.变电站占地及建筑面积减少
变电站接线方案的简化，组合电器、管母线及钢支架等的采用，使变电站布置更为简单，取消站前区和优化布置使变电站占地大幅度下降。
配合我国经济建设的迅速发展，搞好电网建设尤为重要。其中，变电站设计是电网建设的一个重要环节。研究和分析国内外变电站技术的发展，把握其趋势，对变电站设计是很有必要的。
1.3 变电站设计的主要任务
本次设计是以工程实际为设计对象，要完成变电所主接线方案确定，主变压器型号选择、容量及台数选择，短路电流计算，高、低压电气设备选择，变电站防雷保护等工作。由于是真正的实际工程，因此要求设计时要严肃认真，用一丝不苟的态度对待这次设计。通过这个环节的学习，提高我们在变电所工程设计、计算机绘图等方面的能力，提高分析问题、解决问题的实际工作能力。
本次变电站设计的主要任务是：
1.根据对原始资料对变电站进行总体分析，进行负荷统计。
2.根据负荷统计的相关情况和有关规程合理选择主变压器的台数、容量、型号。
3.选择2个不同的电气主接线方案，进行技术、经济方面的比较，选择最佳方案完成变电站电气主接线的设计。
4.根据电气设备选择、校验和继电保护的需要，确定主接线上的短路计算点，分别按系统最大运行方式和最小运行方式，计算各短路点短路电流值。要求：有完整的计算电路图；有详细的计算过程；有完整的计算结果
汇总表。
5.根据各设备的工作环境、正常运行时的工作电压及负荷大小，选择有关设备的型号及额定参数。并应根据故障时的短路电流及其作用时间，校验各设备的动、热稳定性。这些设备主要包括：断路器、隔离开关、电压和电流互感器、电缆、母线、等电气设备的选择与校验。
6.对变电站进行防雷保护，根据实际情况确定变电站的大小并计算出所用避雷针的根数和选用的型号。
1.4 变电站设计原则
变电站设计一般应遵循以下原则：
1.遵守规程、执行政策：必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。
2.安全可靠、先进合理：应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质最合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。
3.近期为土，考虑发展：应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。
4.全局出发，统筹兼顾：按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。变电站供电设计是整个矿山设计中的重要组成部分。变电站设计的质量直接影响到煤矿的生产及发展。
1.5 论文总体结构概述
本文研究的内容是大型企业变电站的设计，包括对变电站的负荷进行统计计算、主变压器选型、损耗计算、短路电流计算、电气设备选型与校
验、防雷保护等内容。由于将理论部分与计算部分分离开来有助于行文，而且这样写使论文结构清晰、条例清晰，故本论文包括理论论述与工程计算两大部分。
理论论述部分包括如下章节：
第一章主要介绍了变电站的相关知识及其发展趋势、变电站的设计任务与设计原则等内容；
第二章主要介绍了矿山供电系统的基本知识及其供电要求，同时将本次变电站设计的原始资料进行了论述；
第三章主要介绍了如何进行负荷计算与如何进行主变的选择，最后介绍了如何改善电网的功率因数；
第四章主要介绍了电气主接线的类型与其设计原则，最后进行电气主接线方案的优缺点比较并确定本次设计的最终方案；
第五章主要介绍了短路电流的起因及危害，然后介绍了短路电流常用的计算方法；
第六章主要介绍了电气设备的相关知识与在变电站设计中选择电气设备的一般性原则；
第七章主要介绍了变电站的防雷保护与避雷针的基本知识。
工程计算部分包括如下章节：第一章为变电站的负荷计算，第二章为短路电流的计算，第三章为电气设备的选型与校验，第四章为变电站的防雷保护计算。
2 矿山供电系统
2.1矿山供电系统
矿山供电电压为6～110kV，视矿山井型及所在地区的电力系统的电压而定，一般为变电站受电电压为35~110kV，变电站为双电源供电。经总降压站降压后电压为3~10kV，经架空线或电缆向车间、井下变电所及高压用电设备等配电，组成煤矿的高压供电系统。经车间和井下变电所再次降压为380、660、1140V或更高电压后，向低压用电设备配电，又组成了矿山低压供电系统。
矿山供电系统的接线应保证供电可靠，接线力求简单，操作方便，运行安全灵活，经济合理。
1.供电可靠性
供电可靠性是指供电系统不间断供电的可靠程度。应根据负荷等级来保证其不同的可靠性，不可片面强调供电可靠性而造成不应有的浪费。在设计时，不考虑双重事故。
2.操作方便，运行安全灵活
供电系统的接线应保证工作人员在正常运行和发生事故时，便于操作和检修，以及运行维护安全可靠。为此，应简化接线，减少供电层次和操作程序。
3.经济合理
接线方式在满足生产要求和保证供电质量的前提下应力求简单，以减少设备投资和运行费用，以及提高供电安全性。提高经济性的有效措施之一就是高压线路尽量深入负荷中心。
4.具有发展的可能性
接线方式应保证便于将来发展，同时能满足分期建设的需要。
2.2 矿山变电站的类型
煤矿企业中有以下几种不同类型的变电站（所）。
1.地面降压变电站
地面降压变电所是矿山供电的枢纽，它担负着接受电能、向井上、井下分配电能的任务。本次设计要求的就是设计地面降压变电站，它是整个矿山供电系统的核心。
2.井下中央变电所
井下中央变电所是全矿井下供电中心，接受从地面变电站送来的高压电能后，分别向采区变电所及主排水泵等高压设备转供电能，并通过变电所内的矿用变压器降压后，再向井底车场附近的低压动力和照明供电。
3.采区变电所
采区变电所是采区供电中心，其任务是将中央变电所送来的高压电能变为低压电能，并将电能配送到采掘工作面配电点或用电设备。采区变电所的电器主接线应根据电源进线回路数、负荷大小、变压器台数等因素确定。
4.移动变电站
对于机械化程度较高的采区，特别是，它单机容量和设备的总容量都很大，采区范围广、回采速度快，若仍采用固定变电所既不经济，又不易保证供电质量，因此必须采用移动变电站。以缩短低压供电距离，使高压深入负荷中心，以利于保证供电的经济性和供电质量。
2.3 变电站设计的原始资料
本矿山变电站采用两回独立的线路供电，一回路是直接从上级线路引入，长度为10km；另一回路是经中间变电所引入的，上级线路到中间变电所的距离为8.5km，中间变电所到本变电所的距离为3.5km，上级的35kV 母线的最大及最小短路容量分别为1200MV?A和800MV?A，线路选的型号为LGJ-95型。35kV系统为无限大系统，该地区海拔<1000m，地震级<5级，最低温度-20℃，最高温度40℃，雷电日<30天/年，年降水量<1000mm/年。负荷及其参数见附录，矿山变电站大部分是重要负荷，设计时应着重考虑供电的可靠性和经济性。
2.4 矿山供电的要求
对矿山企业进行可靠、安全、经济、合理地供电，对提高经济效益及保证安全生产等方面都有十分重要的意义。
1.供电可靠
供电可靠就是要求不间断的供电。供电中断不仅会影响企业生产，而且可能损坏设备，甚至发生人身事故，严重时会造成矿井的破坏。矿井井下含有瓦斯等有害气体，并有水不断涌出，一旦中断供电，可能使工作人员窒息死亡和引起瓦斯爆炸，矿井也有被水淹没的危险。因此，对工矿企业中的这类负荷，供电应绝对可靠。为了保证对矿山供电的可靠性，供电电源应采用两回独立电源线路，也可以来自不同的变电站（或发电厂）或同一变电站的不同母线。因此，本设计的变电站采用了两回独立的电源线路，且电源线路上没有分接任何负荷，这样在任何一回路电源发生故障的情况下，仍能保证对生产用户的供电。
2.供电安全
供电安全就是在电能的分配，供应和使用过程中，不应发生人身触电和设备损坏事故，也不致引起火灾和爆炸事故。尤其是煤矿井下，生产环境复杂，自然条件恶劣，供电设备易受损坏，特别容易发生上述事故。因此供电系统的布置和操作必须严格按照《煤矿安全规程》的有关规定执行，确保供电安全。
3.供电质量
所有的用电设备都是按照一定的电压和频率设计制造的，用电设备在额定值下运行性能最好。因此要求供电质量方面有稳定的频率和电压，电压和频率是衡量电能质量的重要指标。
保证频率和电压符合要求是发电部门的工作任务和职责。交流电的频率对交流电动机的性能有着直接影响，频率的变动直接影响交流电动机的转速。对于额定频率为50Hz的工业用交流电，其偏差在±0.2～±0.5Hz 的上下波动。对于供电电压，送到用电设备的端电压与额定值总有一些偏差，此偏差值称为电压偏移，它是衡量供电质量的重要指标。各种用电设备都能够适应一定范围内的电压偏移，但是如果电压偏移超过允许的范围，电气设备的运行情况将显著恶化，甚至损坏电气设备。
4.供电经济
矿山供电的经济性要从下述三个方面着手：尽量降低企业变电所与电网的基本建设投资；尽可能降低设备，材料及有色金属的消耗量；注意降低供电系统的电能损耗及维护费用。
山东科技大学学士学位论文负荷计算和主变压器的选择
3 负荷计算与主变压器的选择
3.1 负荷计算
为了确定供电系统中各用户电力负荷的大小，以便为正确地选择主变压器的容量和台数、选择电气设备和导线截面积、确定测量仪表的量程、选择继电保护装置等提供重要的计算依据。由于各用电设备在运行中的负荷是随时间变化的且不应超过其额定容量，又由于用电设备一般不同时出现，所以各用电设备的实际负荷之和，总比它们铭牌值直接相加的数值低。所以负荷计算准确与否直接影响着供电设计的质量。但是，由于影响负荷变化的因素很多，很难准确地计算负荷的大小，因此负荷计算只能力求符合实际。
目前我国设计部门在进行工矿企业供电设计时，常用需用系数法和二项式系数法。其中需用系数法计算简便，适用于任何性质的工矿企业，其计算结果能满足工程上的要求，所以应用最为广泛。
在本设计中我们采用的是需用系数法。
3.2 主变压器的选择
工矿企业变电所的主变压器向整个企业的所有用电设备供电，正确选择主变压器的台数和容量对供电的可靠性和经济性都有着重要的意义。主变压器根据负荷的类别、总计算负荷选择其台数和容量，并应考虑留有一定的发展余地。
1. 主变压器台数的确定
（1）具有一类负荷的变电所