35kV10kV降压变电所电气部分初步设计

长沙电力职业技术学院****届毕业设计

课题名称：35kV/10kV降压变电所电气部分初步设计

专业：供用电技术

学生姓名：****

学号： **************

班级： *******

指导教师：*******

2011年11月

随着多年来全国城乡供配电的建设和发展、城乡居民住宅的不断兴建，专变客户供电的规划、设计、安装和运行维护显得越来越重要了，再加上配电设备越来越多、越来越新，分布越来越广，技术要求越来越高，以及供配电工程的设计和安装标准非常高，要严格实行质量第一、精心设计。为此，编者根据《电力工程电力设计手册》、《工厂供配电技术》、《高电压技术》、《10KV配电工程设计手册》、《供用电网络及设备》、《供配电技术》等要求来精心写的毕业设计。

本设计共有五部分，第一部分为复荷计算，其中包括：计算负荷的概念、负荷分级、求计算负荷的方法、民用电气设备的需用系数及功率因数表；第二部分为无功补偿，其中包括：无功补偿的原来及意义、无功补偿装置的选择、补偿装置的确定、无功补偿的计算；第三部分为高低压电气设备的选择，其中包括：选择设备的一般原则和基本要求、高压断路器的选择、电流互感器选择、电压互感器选择计算、各级电压母线的选择；第四部分为继电保护和运行维护，其中包括：继电保护设计的基本原则、保护方式配置、备用电源自动投入装置、配电装置的运行维护、电力电缆的运行维护；第五部分为防雷接地，其中包括：避雷器的配置原则、变电所的进线段保护、避雷针的配置、接地装置的设计。

在编写的过程中，还得到了老师以及许多同学的大力支持和帮助，在此深表感谢。由于编者水平有限，书中难免有错误和不足之处，恳请广大读者批评指正。

前言

摘要 (5)

第1章负荷计算 (6)

1.1 计算负荷的概念 (6)

1.2负荷分级 (6)

1.3求负荷计算的方法 (6)

第2章无功补偿 .......................... 错误！未定义书签。

2.1无功补偿的原理及意义 (10)

2.2无功补偿装置的选择 (11)

2.3补偿装置的确定 (12)

2.4无功补偿的计算 (12)

第3章高低压设备的选择 (14)

3.1 选择设备的一般原则和基本要求 (14)

3.2 高压断路器的选择 (15)

3.3 电流互感器选择 (16)

3.4电压互感器选择计算 (18)

3.5 各级电压母线的选择 (19)

第4章继电保护和运行维护 (20)

4.1继电保护设计的基本原则 (21)

4.2 保护方式配置 (21)

4.3 备用电源自动投入装置 (21)

4.4 配电装置的运行维护 (22)

4.5 电力电缆的运行维护 (23)

第5章防雷接地 (23)

5.1 避雷器的选择 (24)

5.2变电所的进线段保护 (25)

5.3 避雷针的配置 (26)

5.4接地装置的设计 (26)

后记 (30)

参考文献 (31)

摘要

随着工业时代的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供电的稳固性、可靠性和持续性。然而电网的稳固性、可靠性和持续性往往取决于变电站的合理设计和配置。一个典型的变电所要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。出于这几方面的考虑，本论文设计了一个降压变电所,此变电所有三个电压等级：高压侧电压为110kv,有二回线路；中压侧电压为35kv。本设计选择选择两台SFSZL-31500/110主变压器，其他设备如站用变，断路器，隔离开关，电流互感器，高压熔断器，电压互感器，无功补偿装置和继电保护装置等等也按照具体要求进行选型、设计和配置，力求做到运行可靠，操作简单、方便，经济合理，具有扩建的可能性和改变运行方式时的灵活性。使其更加贴合实际，更具现实意义。

【关键字】：降压变电所；电气；设计

第1章负荷计算

1.1 计算负荷的概念

负荷计曲线通常是根据每隔半小时的平均负荷值绘制的。实际表明，导体通过电流达到稳定温升的时间大约经30min后达到稳定温升值。而时间很短的尖峰负荷未等到导体升高之前。这个尖峰电流就已经消失了。由此可见，只有持续时间在半小时以上的负荷值，才有可能构成导体的最大温升。计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷P30是基本相当的，所以把根据半小时平均负荷的负荷曲线中的最大值称为计算负荷。

1.2负荷分级

电力负荷分级及供电要求可划分为三个等级：

(1)一级负荷。突然停电将造成人身伤亡或重大设备损坏，且难以修复者，或在经济上造成重大损失者。如炼铁高炉的泥炮机、开口机、热风炉助燃风机、鼓风机站、水泵站；炼钢转炉吹氧管升降机构、烟罩升降机构、炉体倾动机构；大型连续轧钢机；铝电解装置；焦炉推焦车、消火车、拦焦车、煤气加压站和氧气站等的电力负荷。

(2)二级负荷。突然停电将产生大量废品、引起大量减产、企业内运输停顿等，在经济上造成较大损失者。如高炉上料系统、转炉上料系统、电炉电极升降机构、倾动机构、电磁搅拌机、连铸机、轧钢机和金属制品生产系统等的电力负荷。

(3)三级负荷。所有不属于一级和二级的电力负荷。如机械修理设施、电气修理设施等的电力负荷。

各级电力负荷的供电要求，一般不低于以下所列：1)一级负荷由两个独立电源供电，对特殊重要的一级负荷应由两个独立电源点供电(见供电电源)2)二级负荷由两回线路供电，该两回线路应尽可能引自不同的变压器和母线段。3)三级负荷按实际需要容量供电。

1.3求负荷计算的方法

求计算负荷的方法有：需用系数法和二项式法。

(1)需要系数法。

用电设备按类型分组后的多个用电设备组均连接在配电干线或变电所的低压母线上，考虑到各个用电设备组并不同时都以最大负荷运行，配电干线或变电所的计算负荷应等于各个用电设备组的计算负荷求和以后，再乘以一个同时系数，即配电干线或变电所低压母线上的计算负荷为：

1）有功计算负荷

(1.1)

2）无功计算负荷

(1.2)

3）视在计算负荷

（1.3）

4）计算电流

（1.4）

式中 ——有功功率和无功功率的同时系数，一般取为0.8～0.9

和0.93～0.97；

——各用电设备组有功计算负荷之和（kW ）；

——各用电设备组无功计算负荷之和（kvar ）；

U ——用电设备额定线电压（V ）。

应该注意，因为各用电设备组类型不同，其功率因数也不尽相同。所以，一般情况下，总的视在计算负荷不能按?cos /∑

=∑P C

P S

来计算，总的视在计算

负荷或计算电流也不能取为各组用电设备的现在计算负荷之和或计算电流之和。

5）需要系数的选取

需要系数是在一定的条件下，根据统计方法得出的，它与用电设备的工作性

质、设备效率、设备数量、线路效率以及生产组织和工艺设计等诸多因素有关。将这些因素综合为一个用于计算的系数，即需要系数，有时也称为需用系数。显然，在不同地区、不同类型的建筑物内，对于不同的用电设备组，用电负荷的需要系数也不相同。表12-l和表12-2分别列出了旅游宾馆的主要用电设备和部分建筑物照明用电设备的需要系数的推荐值，可作为供配电设计中进行负荷计算的参考。

在实际工程中应根据具体情况从表中选取一个恰当的值进行负荷计算。一般而言，当用电设备组内的设备数量较多时，需要系数应取较小值；反之，则应取较大值。设备使用率较高时，需要系数应取较大值；反之，则应取较小值。

(2)二项式法。此法适合于反复短时工作制用电设备占多数的情况下计算负荷之用。

同类工作制的单组用电设备按下式计算：

（1.5）

（1.6）

不同工作制的多组用电设备的计算公式为：

（1.7）式中为用电设备组中 (长期工作制的为5台，反复短时工作制和短时工作制的为3台)台最大用电设备的设备容量之和，kW；c、b为二项式系数；为从各用电设备组中选出的最大值，kW；为与相应的功率因数角的正切函数。

(3)单位产品耗电量法。此法适合于初步设计及前期阶段计算负荷之用。

（1.8）

式中Km为最大系数，是最大负荷与最大负荷班平均负荷之比；n为年电能利用率，是年平均负荷与最大负荷班的平均负荷之比；ω为单位产品耗电量，；M为产品年产量，t；为年工作小时数，h。

求得各车间负荷后，企业的总负荷按下式求得：

（1.11）

式中为企业各车间计算负荷有功功率的总和，kW；。为企业平均功率因数的正切函数，按补偿后的功率因数=0．9～0．92考虑；为最大负荷同时系数，取0．9～0．95。

(4)根据任务书提供的资料，主变容量的计算如下：

∑P1=1046+735+808+1000+920+1350+737+931=7527（KW）

∑Q1=471+487+572+491+276+297+496+675=3765（）

=7330（）

=80%S=5863.89()

(5)根据任务书提供的资料，站用变压器的计算如下:

P2=20+4.5+2.7+2*11+10.5+13+0.96+14+10=97.76（KW）

S=20/0.88+4.5/0.85+2.7/0.88+2.11/0.79+10.5/0.5+13/0.8+0.96/0.69+ 14+10=121.58（KVA）

SN=80%S=97.26(KVA)

第2章无功补偿

2.1 无功补偿的原理及意义

(1)无功补偿的原理

电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能做功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够做功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中做功时,电流超前于电压90℃.而电流在电容元件中做功时,电流滞后电压90℃.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180℃.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小,从而提高电能做功的能力,这就是无功补偿的道理.

(2)无功补偿的意义

1）补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数

2）减少发,供电设备的设计容量,减少投资,例如当功率因数增加到时,装1Kvar 电容器可节省设备容量0.52KW;反则,增加0.52KW.对原

有设备而言,相当于增大了发,供电设备容量.因此,对新建,改建工程.应充分考虑无功补偿,便可以减少设计容量,从而减少投资.

3）降低线损,由公式得出其中为补偿后的功率因数为补偿前的功率因数则>,所以提高功率因数后,线损率也下降了.减少设计容量,减少投资,增加电网中有功功率的输送比例,以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益.所以,功率因数是考核经济效益的重要指标,规划、实施无功补偿势在必行.

(3)无功补偿的原则

提高用电单位的自然功率因数,无功补偿分为集中补偿,分散补偿和随机随器补偿,应该遵循：全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡；集中补偿与分散补偿相结合,以分散补偿主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主；调压与降相结合，以降损为主的原则.

(4)无功补偿装置的组合元件

1）无功功率自动补偿控制器

根据电网无功功率是否达到无功设定值来控制电力电容器的投入和切除,并且有过,欠电压保护功能

2）无触点可控硅模块或智能复合开关

3）电容器(内带放电电阻)

4）熔断器

5）电流互感器

6）避雷器

7）开关

8）电抗器(对无触点开关起到过电流保护作用;对防止电容器过电流也起到抑制作用)另外,还装配监视用的电压表,电流表,功率因数表和信号指示灯等

2.2无功补偿装置的选择

(1)无功电源和有功电源一样是保证系统电能质量和安全供电不可缺少的。据统计，电力系统用户所消耗的无功功率大约是它们所消耗有功功率的50-100%.另外电力系统中得无功功率损耗也很大，在变压器内和输电线路上所消耗掉的总无功功率可达用户消耗的总无功功率的75%和25%。因此，需要由系统中各类无功电源供给的无功功率为总有功功率的1-2倍。

由无功功率的静态特性可知，无功功率与电压的关系较有功功率与电压的关系更为密切，从根本上说，要维持整个系统的电压水平就必须有足够的无功电源。无功电源不足会使系统电压降低发送变电设备达不到正常出力，电网电能损失增大，故需要无功补偿。

有功功率必须由发电厂送至负荷点，而无功功率则不宜有输电线路远距离输送，这有以下原因：

1）电压降增加，使电压控制复杂化；

2）由于加大电流而增加损失，使输电费用增加；

3）由于加大电流，使变压器架空线路和电缆等电气设备和导体的热容量不能充分利用。

所以，现代电力系统的无功电源和无功负荷都在各级电压电网中的变电所和用户处逐级补偿，就地平衡，我国现行规程规定，以35千伏及以上电压等级直

接供电的工业负荷，功率因数不得低于0.90.

2.3补偿装置的确定

1）同步调相机：同步调相机在额定电压±5%的范围，可发额定容量，在过励磁运行时，它向系统供给感性的无功功率起无功电源的作用，能提高系统电压，在欠励磁运行时，它从系统吸收感性的无功功率起无功负荷作用，可降低系统电压。

装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出无功功率，进行电压调节，但是调相机的造价高，损耗大，维修麻烦，施工期长。

1）串联电容补偿装置：在长距离超高压输电线路中，电容组串入输电线路，利用电容器的容抗抵消输电线路的一部分感抗，可以缩短输电线的电气距离，提高静稳定和动稳定度。但对负荷功率因数高或导线截面小的线路，由于PR/V分量的比重大，串联补偿的调压效果就很小。故串联电容器调压一般用在供电电压为35KV或10KV，负荷波动大而频繁，功率因数又很低的配电线路上。

2）静态补偿器补偿装置：它由静电电容与电抗器并联组成电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出无功功率的静止补偿器，与同步相机相比较，运行维修简单，功率损耗小，但相对串联电容及并联电容补偿装置，其造价高维修复杂，一般用于以较高的电压等级500KV变电所中。

3）并联电容补偿装置：并联电容器是无功负荷的主要电源之一。它具有投资省，装设地点不受自然条件限制，运行简便可靠等优点，故一般首先考虑装设并联电容器。由于它没有旋转部件，维修方便，为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连成若干组。根据负荷变化，分组投入或切除。

2.4无功补偿的计算

供配电系统要求10KV的电能用户的功率因数应达到0.90以上。

时，

时,

需补偿的电容量为:

供配电系统要求0.38kv的电能用户的功率因数应达到0.85以上。=P2/S2=97.76/121.58=0.804时， =0.74

=0.85时=0.62

需补偿的电容量为；

=

第3章高低压设备的选择

导体和设备的选择是变电所设计的主要内容之一，正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济的重要条件。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。

3.1 选择设备的一般原则和基本要求

1、基本要求

1）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要；

2）应按当地环境条件校核；

3）应力求技术先进和经济合理；

4）选择导体时应尽量减少品种；

5）扩建工程应尽量使新老设备的型号一致；

6）选用的新品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。

2、按正常工作条件选择导体和电气设备

1）电压：

所选电器和电缆允许最高工作电压不得低于回路所接电网的最高运行电压即 (3.1)

一般电缆和电器允许的最高工作电压，当额定电压在220KV及以下时为，而实际电网运行的一般不超过。

2）电流

下，导体和电器的长期导体和电器的额定电流是指在额定周围环境温度Q

I应不小于该回路的最大持续工作电流即

允许电流

e

(3.2)

由于变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的=

1.05（（为为电器额定电流）。

3、按短路情况校验

设备在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，一般校验取三相短路时的短路电流，如用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定，用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定动稳定.

1）热稳定校验式为 (3.3)

上式中：——短路电流的热效应（KA2S）

——t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（KA2S）

t——设备允许通过的热稳定电流时间（s）

2）动稳定校验式为 (3.4)

上式中:

——短路冲击电流幅值及其有效值

----厂家给出的动稳定电流的幅值和有效值

3.2 高压断路器的选择

高压断路器在高压回路中起着控制和保护的作用，是高压电路中最重要的电器设备。

3.2.1 断路器选择的具体技术条件

1）电压选择同式

2）电流选择同式

由于高压开断器没有连续过载的能力，在选择其额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求，及取最大持续工作电流。。

3)开断电流选择

高压断路器的额定开断电流，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量

即 (3.5)

I "I进行选择，

当断路器的较系统短路电流大很多时，简化计算可用

Nbr

"I为短路电流值。

4)短路关合电流的选择

为了保证断路器在关合短路电流时的安全，断路器的额定关合电流不

应小于短路电流最大冲击电流值

即 (3.6)

5)热稳定校验式同

6)动稳定校验式同

3.3 电流互感器选择

互感器包括电压互感器和电流互感器，是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障情况。

3.3.1 电流互感器的选择技术条件

1)电流互感器由于本身存在励磁损耗和磁饱和的影响，使一次电流在数值和相位上都有差异，即测量结果有误差，所以选择电流互感器应根据测量时误差的大小和准确度来选择。

2)电流互感器10%误差曲线：

是对保护级电流互感器的要求与测量级电流互感器有所不同。对测量级电流互感器的要求是在正常工作范围内有较高的准确级，而当其通过故障电流时则希望早已饱和，以便保护仪表不受短路电流的损害，保护级电流互感器主要在系统短路时工作，因此准确级要求不高，在可能出现短路电流范围内误差限制不超过-10%。电流互感器的10%误差曲线就是在保证电流互感器误差不超过

f关系-10%的条件下，一次电流的倍数入与电流互感器允许最大二次负载阻抗Z

2

曲线。

3)额定容量

为保证互感器的准确级，它的二次侧所接负荷应不大于该准确级所规定的额定容量。

(3.7)

（Ω） (3.8)

式中：—测量仪表电流线圈电阻

—继电器电阻

—连接导线电阻

—接触电阻一般取0.1Ω

4)按一次回路额定电压和电流选择

电流互感器用于测量时，其一次额定电流应尽量选择得比回路中正常工作电流大1/3左右以保证测量仪表的最佳工作电流互感器的一次额定电压和电流选择必须满足：，，为了确保所供仪表的准确度，互感器的

一次工作电流应尽量接近额定电流

5)种类和型式的选择

选择电流互感器种类和形式时，应满足继电保护、自动装置和测量仪表的要求，再根据安装地点（屋内、屋外）和安装方式（穿墙、支持式、装入式等）来选择。

6)热稳定校验

的倍数Kr来表示电流互感器热稳定能力常以1s允许通过一次额定电流Ie

1

即： (3.9)

7)动稳定校验

电流互感器常以允许通过一次额定电流最大值（）的倍数—动稳定电流倍数，表示其内部动稳定能力，所以内部动稳定可用下式校验：

（3.10）

3.4电压互感器选择计算

3.4.1 电压互感器选择技术条

1、电压互感器的准确级和容量

电压互感器的准确级是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差最大值，由于电压互感器本身有励磁电流和内阻抗，导致测量结果的大小和相位有误差，而电压互感器的误差与负荷有关，所以用一台电压互感器对于不同的准确级有不同的容量，通常额定容量是指对应于最高准确级的容量。

2、按一次回路电压选择

为了保证电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电网电压应在（1.1-0.9）范围内变动，即应满足：

(3.11)

3、按二次回路电压选择

电压互感器的二次侧额定电压应满足保护和测量使用标准仪表的要求，电压互感器二次侧额定电压可按下表选择,如表3.1

表 3.1 电压互感器型号选择表

4、电压互感器及型式的选择

电压互感器的种类和型式应根据安装地点和使用条件进行选择，在6～

35KV屋内配电装置中一般采用油浸式或浇注式电压互感器。110～220KV配电装置中一般采用半级式电磁式电压互感器。220KV及以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。

5、按容量的选择

互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级），应不小于互感器的

二次负荷，即：

(3.12)

(3.13)

、—仪表的有功功率和无功功率

3.5 各级电压母线的选择

3.5.1裸导体选择的具体技术条件

1）型式：载流导体一般采用铝质材料。对于持续工作电流较大且位置特别狭窄的发电机、变压器出线端部，或采用硬铝导体穿墙套管有困难时，以及对铝有较严重的腐蚀场所，可选用铜质材料的硬导体。

回路正常工作电流在4000～8000A时，一般选用槽型导体。110KV及以上高压配电装置，一般采用软导线。

2）按长期发热允许电流选择导线截面S

(3.14)

式中：—相应于某一母线布置方式和环境温度为+25℃时的导体长期允许

载流量；

—温度修正系数；

—为导体在回路的长期持续工作电流

3）电晕电压效验

电晕放电引起电能损耗和无线电子干扰，对于110KV及以上的各种规格导体，应按晴天不出现电晕的条件效验，使导体的临界电晕电压大于最高工作电压。

(3.15)

U为临界电晕线电压有效值。

式中，

cr

4）热稳定校验：

裸导体热稳定校验公式为：（mm2） (3.16) 式中：—根据热稳定决定的导体最小允许载截面（mm2）

—热稳定系数

—短路电流的热效应（KA2S）

—集肤效应系