35KV变电所一次系统电气主接线的设计

课程设计目的、设计原始资料及分析、设计任务及要求 (3)

主接线方案论证 (5)

变压器台数及容量选择 (7)

短路电流计算 (9)

无功补偿分析 (10)

设计小结 (12)

参考文献 (12)

A.课程设计目的、设计原始资料及分析、设计任务及要求

(一)设计目的

本课程设计是高校工科电气类相关专业的一门专业实践课。其目的是：

1．巩固和扩大所学的专业理论知识，并在课程设计的实践中得到灵活应用；

2．学习和掌握发电厂、变电所电气部分设计的基本方法，树立正确的设计思想；3．培养独立分析和解决问题的工作能力及解决实际工程设计的基本技能；

4．学习查阅有关设计手册、规范及其他参考资料的技能。

(二)设计条件（原始资料）

1、某企业为保证供电需要，要求设计一座35KV降压变电所，以10KV电缆给各车

间供电，一次设计并建成。

2、距该变电所65KM处有一系统变电所，用35KV双回架空线路向待设计的变电所

供电。在最大运行方式下，待设计变电所高压母线上的短路功率为1000MV A。3、待设计变电所10KV侧无电源，考虑以后装设两组电容器，提高功率因数，故要

求预留两个间隔。

4、35KV出线7回，最大负荷10000KV A，cos∮＝0.8，T max＝4000h；10KV出线10

回，最大负荷3600KV A，cos∮＝0.8，T max＝3000h。

5、本变电所10KV母线到各车间均用电缆供电，其中一车间和二车间为Ⅰ

级负荷，其余为Ⅱ级负荷。各馈线负荷如表1所示。

表1 各馈线负荷

6、所用电的主要负荷见表2。

表2 所用电的主要负荷

7、环境条件：当地海拔高度507.4m，年雷电日36.9个，空气质量优良，无污染，历

年平均最高气温29.9℃，土壤电阻率ρ≤500Ω?m。

(三)原始资料分析

1. 本站经2回35KV线路与系统相连，分别用35KV和10KV向本地用户供电。

2. 环境参数：海拔<1000米，地震级<5级，最低温度0℃，最高温度35℃，雷暴20日/年。

3. 系统参数：110KV系统为无穷大系统，距离本站65KM，线路阻抗按0.4欧/KM计算。

4. 35KV出线7回，最大负荷10000KVA，cos∮＝0.8，T max＝4000h；10KV 出线10回，最大负荷3600KVA，cos∮＝0.8，T max＝3000h，均为一般用户。

5. 站用电为160KVA。根据本站为2回110KV线路进线，35KV、10KV最大负荷时间分别为4000h、3000h，可以判断本站为重要变电站，在进行设计时，应该侧重于供电的可靠性和灵活性。

(四)设计任务

1、电气主接线方案论证及制图；

2、主变压器容量、型式及台数的选择；

3、所用变压器容量、台数的选择；

4、短路电流计算；

5、导体及主要电气设备的选择（选做）；

6、无功补偿分析。

(五)设计要求

1、主接线方案论证：

《变电所设计技术规程》规定：35KV配电装置中，当进线为2回时，一般采用桥行接线；当出线为2回以上时，一般采用单母线分段或单母线接线。

应考虑几个方案，进行经济和技术比较并选择最终方案。这里给出单母线接线、单母分段接线、内桥接线、外桥接线四个方案。

2、主变压器容量的选择：

一般选用两台以上主变压器，每台主变压器的容量要求能带全部负荷的70%~80%。

3、所用变压器容量的选择：

所用变压器一般选用两台以上，每台容量S ≥ K1·∑P1＋∑P2 .

式中 K1=0.85，∑P1——所用动力负荷之和；∑P2——电热及照明负荷之和。

4、短路电流计算：

（1）做出系统网络图。选定两个短路点K1、K2（主变高压侧、10KV母线上）；

（2）变压器参数计算；

（3）计算短路电流周期分量i ch、短路电流最大有效值I ch。

5、导体与电气设备的选择：（选做，不作硬性要求）

包括35KV输电线路、10KV电缆；35KV断路器及隔离开关、10KV断路器及隔离开关；电流互感器、电压互感器的配置；避雷器的配置。

6、无功补偿：

这里仅要求阐述无功补偿的意义和补偿方式，并对各种补偿方式的优缺点进行分析，不作具体计算。

B.主接线方案论证

方案一：单母线接线

各电源和出线都接在同一条公共母线上，其电源在发电厂是发电机或变压器，在变电所是变压器或高压进线回路。

1. 单母线接线的优点

简单、清晰、设备少、投资小、运行操作方便，有利于扩建和采用成套配电装置。

2. 单母线接线的主要缺点

母线或母线隔离开关检修时，连接在母线上的所有回路都将停止工作；当母线或母线隔离开关上发生短路故障或断路器靠母线侧绝缘套管损坏时，所有断路器都将自动断开，造成全部停电；检修任一电源或出线断路器时，该回路必须停电。

3. 单母线接线对出线的要求

单母线接线方式，10kV出线一般不超过5回，35出线不超

过5回，110～220出险不超过2回。

方案二单母线分段接线

出线回路数增多时，可用断路器或隔离开关将母线分段，成为单母线分段接线，如图8-3所示。根据电源的数目和功率，母线可分为2～3段。

1. 单母线分段接线的优点

该接线方式由双电源供电，故供电可靠性高，同时具有接线简单、操作方便、投资少等优点。当一段母线发生故障时，分段断路器或隔离开关将故障切除，保证正常母线不间

断供电，不致使重要的用户停电，提高了供电的可靠性。

2. 单母线分段接线的缺点

当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开接在该分段上的全部电源和出线，这样就减少了系统的发电量，并使该段单回路供电的用户停电；任一出线断路器检修

时，该回路必须停止工作。

方案三内桥接线

内桥接线如图8-15（a）所示，桥臂置于线路断路器的内侧。其特点如下：

（1）线路发生故障时，仅故障线路的断路器跳闸，其余三条支路可继续工作，并保持相互间的联系。

（2）变压器故障时，联络断路器及与故障变压器同侧的线路断路器均自动跳闸，使未故障线路的供电受到影响，需经倒闸操作后，方可恢复对该线路的供电。

（3）线路运行时变压器操作复杂。

内桥接线适用于输电线路较长、线路故障率较高、穿越功率少和变压器不需要经常改变运行方式的场合。

方案四外桥接线

外桥接线如图8-15（b）所示，桥臂置于线路断路器的外侧。其特点如下：

（1）变压器发生故障时，仅跳故障变压器支路的断路器,其余支路可继续工作，并保持相互间的联系。

（2）线路发生故障时，联络断路器及与故障线路同侧的变压器支路的断路器均自动跳闸，需经倒闸操作后，方可恢复被切除变压器的工作。

（3）线路投入与切除时，操作复杂，影响变压器的运行。

这种接线适用于线路较短、故障率较低、主变压器需按经济运行要求经常投切以及电力系统有较大的穿越功率通过桥臂回路的场合。

综上分析，变电所负荷均为一、二级负荷，要安全可靠性高，因此，35KV进线采用内桥接线方式最优，母线采用单母线分段接线方式最优。

C.变压器台数及容量选择

一、变电站主变压器台数及容量选择

(一)变电所主变压器台数的选择

选择主变压器台数应考虑下列原则:

1）应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一，二级负荷的变电所，应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另外一台变压器能对一，二级

负荷继续供电。

2）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜采用经济运行方式的变电所，也可以考虑采用两台变压器。

综上，选取两台主变压器。

（二）变电所主变压器容量选择。每台变压器的容量应同时满足以下两个条件：

任一台变压器单独运行时，宜满足：

T .N S 7.0~6.0S ）（=

任一台变压器单独运行时，应满足：）（II I 30N.T S S +≥，即满足全部一、二级负荷需求。为满足以后扩建的需要，还应同时满足：

≥

N.T S 3600 KV A ×8

%61）

（+ ＝5737.85 KV A 所以选取两台S9-6300/35型号变压器。

二、站用变压器台数及容量的选择

站

用变容量的计算：S=20/0.88+4.5/0.85+2.7/0.88+2*1.2/0.79+2*15.5/0.5+13/0.8+0.96/0.69+18/0.8+14/0.8

=153.77KV A

根据上述计算结果，可以直接选用两台S9-160/35型号变压器（其中，一台备用）。所选变压器技术参数如下表所示： N T

D.短路电流的计算

一、确定基准值

S d =100MV ·A U c1=35KV+35×5%KV=36.75KV U c2=10KV+10×5%KV=10.5KV

I d1=

√3Uc1 =

6√3×36.75×103V

=1.57KA I d2=

√3×Uc2 =

6√3×10.5×103V

= 5.5KA

二、计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 1). 电力系统电抗标幺值： S oc =1000MV ﹒A

X 1?=

100MVA

1000MVA

=0.1

2). 架空线路的电抗标幺值： X 0=0.4 Ω/Km

X 2

?=0.4×65×100×106(36.75×10)=1.93

3). 电力变压器的电抗标幺值：

X 3

X 4

?= X T ?=Uk%Sd 100S N

7.5×100×103

KVA 100×6300KVA

≈1.19

绘短路等效电路图如下图所示：

三、计算k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 1）. 总电抗标幺值

由于是采用两回进线，所以

X ∑(k?1)?=(X 1?+X 2?)∕?(X 1?+X 2?)=(0.1+1.93)÷2=1.015

2). 三相短路电流周期分量有效值： I k?1

(3)

I d1

X ∑(k?1)?=

1.57KA 1.015

=1.55KA

3）. 其他三相短路电流 I "(3)

=I ∞(3)

=I k?1(3)

=1.55KA i sh (3)

=2.55×1.55KA =3.95KA

I sh (3)

=1.51×1.55KA =2.34KA

4). 三相短路容量 S k?1

(3)

S d

X ∑(k?1)

100MV?A 1.015

=98.5MV ?A

四、计算k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 1）. 总电抗标幺值： X ∑(k?2)

=X ∑(k?1)?+X 3?‖X 4?=1.015+1.19/2=1.61 2). 三相短路电流周期分量有效值： I k?2

(3)=

I d2

X ∑(k?2)?=5.5KA 1.61

=3.42KA

3). 其他三相短路电流： I "(3)

=I ∞(3)

=I k?2(3)

=3.42KA i sh (3)

=1.84×3.42KA =6.29KA

I sh (3)

=1.09×3.42KA =3.73KA

4). 三相短路容量： S k?2

(3)

S d

X ∑(k?2)

100MV?A 1.61

=62.11MV ?A

E.无功补偿分析

一、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,利用这些能作功,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作功的必备条件,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.电流在电感元件中作功时,电流超前于电压90℃.而电流在电容元件中作功时,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,从而提高电能作功的能力,这就是无功补偿的道理. 二、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cosΦ=0.8增加到cos Φ‘=0.95时,装1Kvar 电容器可节省设备容量0.52KW;反之,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.充分考虑无功补偿,可以减少设计容量,减少投资.

(3)降低线损,由公式△P%=(1-cosΦ/cosΦ’)×100%得出其中cosΦ’为补偿后的功率因数,cosΦ为补偿前的功率因数则 cosΦ‘>cosΦ,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.

三、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；调压与降损相结合，以降损为主的原则.

四、无功补偿的方式

无功补偿的主要方式有五种：变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。变电站补偿：针对电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡电网的无功功率，改善电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，缺点是这种补偿方式对10kV配电网的降损不起作用。配电线路补偿：线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。线路补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。线路补偿方式主要提供线路和公用变压器需要的无功，该种方式具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。缺点是存在适应能力差，重载情况下补偿不足等问题。随机补偿：随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上，因此，搞好电动机的无功补偿，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高电动机的出力。随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿装置投入；用电设备停运时，补偿装置退出。更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低的特点。适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，可较好的限制配电网无功峰荷。年运行小时数在1000h以上的电动机采用随机补偿较其他补偿方式更经济。随器补偿：随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配电变压器空载无功是农网无功负荷的主要部分.随器补偿的优点是接线简单，维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功网损，提高用户的功率因数，改善用户的电压质量，具有较高的经济性，是目前无功补偿最有效的手段之一。缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工作的投资比较大，运行维护工作量大。跟踪补偿：是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在用户配电变压器低压侧的补偿方式。这种补偿方式，部分相当于随器补偿的作用，主要适用与100kV A及以上的专用配电变压器用户。跟踪补偿的优点是可较好地跟踪无功负荷的变化，运行方式灵活，补偿效果好，但是费用高，且自动投切装置较随机或随器补偿的控制保护装置复杂，如有任一元件损坏，则可导致电容器不能投切。其主要适于大容量大负荷的配

变。

F.设计小结

在这次课程设计中，开始的时候遇到了很多难题。看着任务书和PPT课件说明，对于主变压器的选择考虑了很久，不知道该怎样着手，要不要考虑110KV的接线等等，有很多疑惑。

自己也通过各方面查找资料，了解相关的知识，尤其是后来通过项老师的答疑，解开了所有的疑惑，这才对这次的课程设计任务清晰了起来。

通过这次的课程设计，我感觉到了自己在很多方面的欠缺，尤其是对课本知识的掌握程度不够；其次，也认识到学工电，不仅是掌握书本的知识就够了，还有更多的课本之外的知识应了解和掌握。

另外，在这次的课程设计中，也让我认识到自己对office,CAD等常用及专业相关的软件掌握程度不够。

经过这次课程设计，培养了我独立解决问题的能力，加深了我对课本《工厂供电》知识的理解及掌握程度，也使自己进一步熟练了office软件的应用，提高了我对画图工具CAD的应用熟练程度。

总之，这次的课程设计让我学到了很多。

G.参考文献

【1】刘介才《工厂供电》第四版北京：机械工业出版社2009年

【2】马誌溪《供配电工程》北京：清华大学出版社 2009年【3】《电气主接线和自用电》PPT 资料

【4】《发电厂变电所的一次接线》PPT 资料