110KV35KV6.3KV变电所初步设计

湖 南 科 技 大 学

毕 业 设 计（ 论 文 ）

题作学专学

目 110-35-6.3KV变电所设计 者

院 信息与电气工程学院 业 电气工程及自动化 号

指导教师

二〇一三年 五 月 二十四 日

湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）任务书

信息与电气工程学 院 电气工程及其自动化 系（教研室） 系（教研室）主任: （签名） 年 月 日 学生姓名 学号: 专业:

1 设计（论文）题目及专题： 110/35/6.3kV变电所设计 2 学生设计（论文）时间：自 2013 年 2 月 28 日开始至 2013 年 5 月 24 日止 3 设计（论文）所用资源和参考资料：

电源和用户资料，供电技术，计算机在厂矿供电中的应用，电气工程设计手册，工厂供电。

4 设计（论文）应完成的主要内容：

（1）变电所概况说明；（2）负荷计算与功率因数补偿；（3）变压器选择；（4）供电系统主接线方案选择（5）短路电流计算；（6）供电线路选择；（7）主要电气设备选择；（8）继电保护方案设计；（9）防雷设计；（10）接地及其他。

5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：

1） 论文，严格按照《湖南科技大学本科生毕业设计（论文）工作规范》的有关要求打印装订。

2） 主接线原来图。

6 发题时间： 2013 年 2 月 28 日

指导教师： （签名）

学 生： （签名）

湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）指导人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]

指导人： （签名）

年 月 日

指导人评定成绩：

湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）评阅人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]

评阅人： （签名）

年 月 日

评阅人评定成绩：

湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）答辩记录

日期：

学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：

1 设计（论文）说明书 共 2 设计（论文）图 纸 共 3 指导人、评阅人评语 共

毕业设计（论文）答辩委员会评语：

[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]

页 页 页

答辩委员会主任： （签名）

委员： （签名）

（签名） （签名） （签名）

答辩成绩：

总评成绩：

摘 要

变电所是一个电源汇集、电力分配和电压升降的场所，直接影响着整个的电力系统经济和安全运行，成为联系用户与发电厂的中间重要环节，其作用是分配与变换电能吃。

本设计是根据所给任务书上系统和线路与所有负荷以110kV降压的变电所作为设计主体。在此分析原始资料来选择10kV、35kV、110kV变电所用电主接线类型，运用供配电技术设计方面的基本理论知识，由负荷计算来确定主变压器型号、台数和容量。进行短路计算，根据计算结果选择与校验变电所一次设备，除此外也是做好配电装置布置、防雷保护和接地装置的设计的依据。

关键词: 变电所电气主接线；短路电流计算；一次设备；防雷保护

ABSTRACT

Collection is a power substation, power distribution and voltage fluctuation, a direct impact on the entire economic and safe operation of power system, as users and power plants in the middle of the important link, its function is the electrical power distribution and transformation.

In this design is according to the given task system and wiring and all load in a 110 kv step-down substation as the main design. In the analysis of original data to select 10 kv, 35 kv, 110 kv substation main electrical wiring type, using the technical design of power supply and distribution aspects of the basic theory knowledge, the load calculation to determine the main transformer model, sets and capacity. Selection and check for short circuit calculation, according to the results of calculation a substation equipment, in addition is also ready for distribution equipment layout, the basis for the design of the lightning protection and grounding device.

KeyWords：substation electrical main wiring ；short-circuit current calculation ；

one-time equipment ；mine-protection

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目 录

目 录 .......................................................................................................... I 第一章 变电所概况 ..................................................................................... 1

1.1 概述 ................................................................................................................................ 1

1.1.1 变电所的位置与作用 ..........................................................................................................1 1.1.1电源的基本情况 ...................................................................................................................1 1.1.3 用户的基本情况 ..................................................................................................................1 1.2 本变电所的设计原则 ..................................................................................................... 2

第二章 负荷计算与无功功率补偿 ............................................................... 3

2.1 负荷计算目的 ................................................................................................................ 3

2.1.1 负荷计算 ..............................................................................................................................3 2.1.2 35KV的负荷计算 .................................................................................................................4

2.2 变压器的选择 ................................................................................................................ 5

2.2.1 变压器台数 ..........................................................................................................................5 2.2.2 变压器容量的选择 ..............................................................................................................5 2.2.3 绕组数的选择 ......................................................................................................................6 2.2.4 主变调压方式的选择 ..........................................................................................................6 2.2.5 连接组别的选择 ..................................................................................................................6 2.2.6 容量比以及冷却方式的选择 ..............................................................................................6 2.2.7 变压器的型号 ......................................................................................................................7

2.3 无功功率的补偿 ............................................................................................................ 7

2.3.1无功功率补偿的目的 ...........................................................................................................7 2.3.2无功功率补偿的计算 ...........................................................................................................7

第三章 电气主接线设计 ................................................................................ 9

3.1 主接线设计依据 ............................................................................................................ 9 3.2 主接线接线方式 ............................................................................................................ 9

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3.3 电气主接线的选择 ...................................................................................................... 10

3.3.1 110kV电气主接线 .................................................................................................. 10 3.2.3 6.3kV电气主接线 .................................................................................................. 11

第四章 短路电流计算 .................................................................................. 12

4.3.4 当电源2取最大短路容量时的短路计算 ....................................................................... 18 4.3.5 当电源2取最小短路容量时的短路计算 ....................................................................... 20

4.4 短路电流计算结果表 .................................................................................................. 21

第五章 供电系统主要电气设备选择 ........................................................... 23

5.3 隔离开关的选择 ........................................................................................................ 30

5.3.1 110kv隔离开关选择 ...................................................................................................... 30 5.3.2 35kv侧隔离开关选择 .................................................................................................... 32 5.3.3 6.3kv侧隔离开关选择 .................................................................................................. 33

5.4 电流互感器的选择 .................................................................................................... 34

5.4.1 电流互感器的选择要求 ................................................................................................... 35 5.4.2 110kV电流互感器选择 .................................................................................................. 35 5.4.3 35kV侧电流互感器 ........................................................................................................ 36 5.4.4 6.3kV侧电流互感器 ...................................................................................................... 38

5.5 电压互感器的选择 .................................................................................................... 39

5.5.1 电压互感器的选择要求 ................................................................................................... 39 5.5.2 电压互感器选择 ............................................................................................................... 40

5.6 母线系统的选择 ........................................................................................................ 41

5.6.1 硬母线的选择 ................................................................................................................... 41 5.6.2 母线的选择计算 ............................................................................................................... 41

5.6.3 引接线的选择计算 ............................................................................................... 43

第六章 继电保护的设计 ............................................................................ 46

6.1 110kV侧保护配置 ..................................................................................................... 46 6.2 35-6.3kv侧保护配置 ............................................................................................... 46

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6.3 变压器保护的配置 ...................................................................................................... 46 6.4 母线保护 ...................................................................................................................... 47 6.5 断路器失灵保护 .......................................................................................................... 47

第七章 防雷与接地保护 .............................................................................. 48

7.1 变电所的防直雷保护 .................................................................................................. 48 7.2 雷电侵入波保护 .......................................................................................................... 49 7.3 接地装置的设计 .......................................................................................................... 49

结束语 .......................................................................................................... 50 参 考 文 献 ................................................................................................. 51 致谢 .............................................................................................................. 52

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第一章 变电所概况

1.1 概述

1.1.1 变电所的位置，作用

变电所作为交换电能和变换电压的场所，由配电装置与电力变压器组成。合理的去选择变电所的位置,对企业、工厂的资金投资入、系统的供电可靠性和质量、电缆线路损耗以及合理去布局供电系统等都有着直接的影响。其位置从企业、工厂的实际条件出发,加上变电站位置选择原则,对各种因素进行充分考虑、斟酌,譬如电厂的地理及工作坏境、安全因素等，进行适当调整,选择出最佳的变电所位置，并且对于变电所还应留有以后发展和扩建的余地。

变电所的作用是对电流和电压进行分配、变换及集中的场所。为电力系统中重要的组成部分，也是本设计的核心。电力系统经济、安全的运行直接受到变电所的影响。变电所为电力的转换站，来提高、降低电压及分配用电量。

1.1．2 电源的基本情况 1．电源分析

与本所相连接的电源有两个110KV，具体情况如下：

1） 电源1：来自地区变电所110KV母线，发电机容量可视为无线大，地区变电所110KV母线最大短路容量2700MVA，最小短路容量2300MVA，距离本所35KM。 2） 电源2：来自另一地区的变电所为110KV母线，发电机的容量可视作无限大，地区变电所110KV母线最大短路容量2400MVA，最小短路容量2100MVA，距本所30KM。 1.1．3 用户的基本情况

1）6.3KV负荷参数表 负载名称 1车间 2车间 3车间 4车间 5车间 6车间

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统计容量 850 1450 1400 1700 1900 1200 负荷性质 1类 2类 1类 1类 2类 1类 需要系数 自然功率因数 供电距离 0.38 0.50 0.47 0.50 0.51 0.40 0.62 0.6 0.6 0.6 0.6 0.62 0.7 0.7 0.3 1.1 0.4 0.7 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

2）35KV负荷参数

负载名称 用户1 用户2 用户3 用户4

统计容量 3000 4000 4500 2500 需用系数 0.6 0.6 0.6 0.6 自然功率因数 供电距离 0.6 0.6 0.6 0.6 0.9 0.9 0.9 0.9 1.2本变电所的设计原则

按供电技术要求，要确定并设计优化一个110KV的变电站，应按照运行可靠性、检修、维护方便的要求来设计。考虑变电所总发展规划，慎重严谨地去选择经过了鉴定达到要求的新设备和新技术加入设计，同时确保变电所安全可靠，经济运行。此变电站有三个电压等级，即110KV/35KV/6.3KV。

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第二章 负荷计算与无功功率补偿

2.1 负荷计算目的

选择主变压器容量，来计算变压器各出线侧的最大的持续工作电流。首先必须要计算各侧的负荷，包括站用电负荷6.3KV负荷、35KV负荷。

1、计算负荷即最大的负荷。它为一个假想性的持续性负载。它在同一时段内实际的变动负荷产生最大热效应和它产生的热效应是一样的。而设计时，经常会选取一段时间内最大的平均负荷像30分钟来选择。

2、尖峰电流是指单、多台用电设备工作持续大约1秒钟最大负荷的电流。我们通常选取启动的电流周期分量来作为计算电压的波动、损失、下降，选择电器件及保护元件的主要依据。在校验瞬时，启动电流的非周期分量也应该考虑。

3、平均负荷是一段时间中用电设备消耗电能与时间的比值。它是用来计算最大负荷、电能消耗量的。 2.1.1 负荷计算

负荷计算的主要方法有：二项式法、需要系数法、利用系数法、单位面积运算法等

[1]

。本设计中采用的是需要系数法确定[1]。 1)各组负荷计算公式： 1、有功功率

P＝Kx×∑Pei (2.1)

2、无功功率

Q=P×tgΦ (2.2)

3、视在功率

S=P2?Q2 (2.3)

式中：∑Pei:每组设备容量之和，KW； Kx:需用系数； CosΦ :功率因数 2) 总负荷的计算： 1、有功功率

P∑=Kt×∑P (2.4)

2、无功功率

Q∑=Kt×∑Q (2.5)

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3、视在功率

2 S∑=P?2?Q? (2.6)

4、自然功率因数

COSΦ1 = P∑/ S∑ (2.7)

式中：Kt:组间同时系数，这里取0.9 3)变压器高压侧计算负荷 1、有功功率

P∑1=Kt×∑P+Pt (2.8)

2、无功功率

Q∑1=Kt×∑Q+Qt (2.9)

3、视在功率

2 S∑1=P?2?Q? (2.10)

Pt Qt 为损耗，这里分别按∑P ∑Q的10%来取 4）考虑变电所未来5~10年的远期负荷

Sn =S总×1.455 (2.11) 2.1.2 35KV的负荷计算

6.3KV负荷统计计算表 负荷性负载名称 装机容量 质（类别） 1 车间 2 车间 3 车间 4 车间 5 车间 6 车间 全厂总负荷 考虑同时系数总负荷 按年递增2.5%，15年内不扩建 850 1450 1400 1700 1900 1200 8500 7650 1类 1类 1类 2类 2类 1类 -- -- 0.38 0.5 0.47 0.51 0.51 0.4 -- -- 需用系数 功率因数 0.62 0.6 0.6 0.6 0.6 0.62 -- -- 实际容量 供电距 P(kW) Q(kvar） S（kVA） 离（km）323 725 658 867 969 480 4022 3620 409 967 877 1156 1292 607 5308 4777 521 1209 1096 1445 1615 774 6660 5994 0.7 0.8 0.3 1.1 0.4 0.7 11131 -- -- -- 5267 6950 8721

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表2.2 3.5KV负荷计算结果

35KV负荷统计计算表 负荷性负载名称 装机容量 3000 4000 4500 2500 14000 质 （类别） 用户1 用户2 用户3 用户4 全厂总负荷 按年递增2.5%，15年内不扩建 20370 -- -- -- 12222 16296 21621 -- 一类 一类 一类 一类 -- 0.6 0.6 0.6 0.6 -- 0.6 0.6 0.6 0.6 -- 需要系数 功率因数 P(kW) 1800 2400 2700 1500 8400 实际容量 供电距离 Q(kvar） S（kVA） （km） 2400 3200 3600 2000 11200 3000 4000 4500 3360 14860 0.9 0.9 0.9 0.9 -- 2.2 变压器的选择

电力系统变电所的电气部分设备选择要依据电力系统5年至10年的发展设计、线回路数、要求输送功率的大小、电压的三个等级等因素来合理选择设备和综合分析。 2.2.1 变压器台数

因为负载中有Ⅰ类负荷，要是停电便会对它的生产造成重大的影响。所以我们在选择主变的台数时，必须考虑电力系统供电可靠性，以免因为一台主压变器发生了故障或者需要检修便影响了整个变电所的供电使用。此设计中采用两台主变压器工作，相互间作为备用，保证系统可靠性。

2.2.2 变压器容量的选择

变电所主变压器的容量选择与带负荷的性质及电网的结构有关。若变电站有重要负荷，则应考虑其可靠性，当其中一台主变压器停运时，剩下变压器的容量是否过负荷能力允许的时间内，要保障用户一级、二级负荷。通常在变压器故障或停止工作同时，两台中剩下的变压器的容量能满足所有负载的60～70%。

即

ST??0.6~0.7?SN (2.12)

而SN=11.131+20.370=31.501MVA因为上述条件的限制，所以两台主变压器各承担15.7505MVA。如果一台停运，另一台便承担它的60%，18.9006MVA。

因此选两台20MVA主变压器便可以满足需求。

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2.2.3 绕组数的选择

此变电站的电压有110KV、35KV、6.3KV三种等级，当低压侧没有负荷，但在变电所内须装设无功功率补偿设备，或是主变压器各侧绕组的功率全部达到变压器容量的15%以上的时候，由于一台三绕组的变压器在价格、辅助设备和所用的控制电器上，都比对应的两台双绕组的较少，又考虑到设备操作及运行维护工作量的大小，和所需占地面积等因素，因此主变压器可采用三绕组变压器。

普通的三绕组变压器调试灵活、安装便利，他的价格也处于分裂变压器与自耦变压器间，不仅满足各继电保护要求，它又分成无激磁调压、有载调压，这样它既满足系统中电压波动，又使供电可靠性高。

综上分析，本次的设计选择普通的三绕组变压器。 2.2.4 主变调压方式的选择

变压器调压是用分解开关转变分接头。切换方式有两种：一种不带电切换的为无激磁调压，电压调整的范围一般在±5%间；一种是带负载切换的为有载调压，调整的范围可以达到30%左右。对于110KV的变压器，这里选择变电所有载调压的方式。

2.2.5 连接组别的选择

变压器绕组连接的方式一定要和系统的电压相位保持一样。电力系统用有Y和△两张绕组方式。我国对于110KV或以上电压的，变压器绕组全采用Y型连接；35KV也有采用Y型连接的，它的中性点一般是由消弧线圈接地；对于35KV以下的电压，绕组用△型连接。

全星形接线的优点有：其零序阻抗大，有利于限制单相短路电流；并网时相位保持一致；便于消弧线圈的接入。缺点：全星形变压器的三次谐波没有通路，从而会导致正弦波电压畸变，干扰通讯设备，并将影响对继电保护整定的灵敏度与准确度,然而△型接线能够消除三次谐波产生的不利影响。

本次设计的变电所的三个电压等级分别为110KV、35KV和6.3KV，所以选用主变的接线组别为YN,yn0,d11接线方式。

2.2.6 容量比以及冷却方式的选择

根据原始资料计算可知，35KV和6.3KV侧负荷容量都比较大。

在主变压器冷却方式选择中，对于小的容量变压器我们通常是选择自然风冷却,而对于大的容量变压器我们通常是选择强迫油循环风冷却。

如果在水比较多的条件下，为了减少变电所的规模大小，对大的容量变压器也可以选择强迫油循环水冷却方式的。强迫油循环水冷却方式的优点是：散热效率比较好，减少设备所用材料，大大缩小了变压器本身的体积大小。他的缺点:强迫油循环水冷却方

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式需要密闭性高的冷却器；除了一套水冷却系统还需要与之对应的一套相关附件；以后的维护繁琐，工作量大。

此变电所处在郊区，最具优势的特点是他对占地大小的的选择规定不是高，因此强迫油循环风冷却是合适的选择。

2.2.7变压器的型号

此设计可选择主变型号为SSFPZ10－20000/110变压器。具体如下：

S FP S Z 10－20000/110

高压额定电压110KV 额定容量20000KVA

10型 （变压器性能水平代号） 有“载”调压 三绕组

强迫油循环风冷却 三相

表2.3 SSZ10-20000/110 变压器参数

电压组合及分接范围 阻抗电压 型号 高压 中压 低压 高中 SSZ10-20000/110

110 35 6.3 10.5 17-18 6.5 高低 中低 损耗KW 空载空载 负载 电流 连接组 YN，42.3 148 1．4 yn0, d11 2.3 无功功率的补偿

2.3.1无功功率补偿的目的

功率因数低降低了发电机和变压器的出力，增加了输电的损耗和电压损失。电力系统中要求用户功率因数不能够小于0.9，因此，必须采取措施提高功率因数。

2.3.2无功功率补偿的计算 1）、计算补偿电容器的容量：

Qc=a P∑×(tgΦ1-tgΦ2) (2.13)

式中：a这里取0.75

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将由COSΦ从0.6提高到0.95所需要的补偿容量为：

tgΦ1 =1.333

tgΦ2=0.329

Qc=K1P∑×(tgΦ1-tgΦ2) = 0.75×（8400+4022）×（1.333-0.329）=9354kvar

2）、计算补偿电容器的个数

Nc=Qc/qc=9354/200=47 (2.14)

式中： qc：单个电容器的容量

按照3的整数倍取定补偿器的个数Nc.s，然后计算出实际的补偿容量

Qc.s=Nc.s×qc (2.15) 3）采用BGF10.5—200—1W型苯甲基硅油纸、薄膜复合并联电容器如下表2.4。

表2.4 电容器参数

用户名称 电容器 型号规格 电压 kv 6.3KV 取定的功率因数 每台电容器的容量 r 电容器台 数 47 总补偿 容量 9354 补偿后功率因数 0.95 全 BGF—210.5所 00—1W

0.6 200kva

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第三章 电气主接线设计

电气主接线是变电所电气设计中的关键所在，同样是电力构成的重要环节。他根据变电所性质及其最高电压等级，选择出跟变电站在电力系统中所占的作用与地位相匹配的接线方式。

3.1 主接线设计依据

1）变电所主接线必须看他在电力系统处于什么的地位、设备的特征、负载的性质和出线回路数多少等因素来决定。并要满足运行灵活操作、检修便利、供电可靠、便于扩建、节约投资等的要求。

2) 当运行要求满足时，变电所的高压侧应该采用断路器较少或者不用的接线。 3）35－110kV线路不大于两回时，适合采用线路或挢形变压器组。当超过两回时，适合采用扩大挢形、单母线接线。35－63kV线路为8回或以上时，应用双母线接线。110kV线路为6回或以上时，我们应采用双母线接线。

3.2 主接线接线方式

1、单母线接线：

适用于6-10KV配电装置的出线回路数目一般不会超过5回；35-63KV配电装置出线回路数目一般不会超过3回；110-220KV配电装置的出线回路数目一般不会超过2回。

2、单母线分段接线：

用于6-10KV回路数为大于6的；35KV的出线回路数目一般会是4-8回；110-220KV的出线回路数目一般会是3-4回。

3、桥型接线：

① 内桥形接线，一般适合在容量较小的发电厂或者变电所；电力系统线路较长，同时出现故障率比较高；变压器不需要去经常切换的情况下采用。②外桥形接线，一般适合在容量较小的发电厂或者变电所；电力系统线路比较短，同时出现故障率比较少；变压器要求较频繁地切换的情况下采用。

4、双母线接线：

适用于110-220KV的配电装置且出线的回路数是5回或以上；或者110-220KV的配电装置在系统中占有关键的地位且出线的回路数是4回或以上；35KV的配电装置，在出线的回路数高于8回时；连接负荷较大、电源较多时；6-10KV的配电装置，在短路电流比较大，然而出线需电抗器时。

5、双母线分段接线：

适用于连接进出线的回路数在11回或者以下时。

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3.3 电气主接线的选择

3.3.1 110kV电气主接线

根据资料显示，由于110KV没有2回出线只有2回进线，主接线如果是采用双母线，必然供电可靠性较高，但投资大、占地大、操作容易出现差错，因此不予以考虑此方法。外桥接线方法需要的配电装置不多，但是他的线路不存在跨越功率，也不好倒闸操作，此方法同样不采用。现可以初步选择以下两种方案进行比较：即内桥接线、单母线分段，分析表如下。

表 3.1 内桥接线、单母线分段 可靠内桥接线 长时间停电，影响线路供电 2、运行方式改变，对桥开关的继电3、可靠性不高 灵活性 经济性 检修

通过比较这两种方案同时具有接线较简单这一优点。虽然内桥接线经济性优于单母分段，但可靠性、灵活性均不如单母线分段。根据所给资料，采用分段单母线接线其供电可靠性差不多能达到条件，同时达到了良好的经济性，特别是考虑其长期发展，及可靠性。

本变电所回路不多，且电源侧为双回路供电，不用增设旁路母线。

变压器停电检修时，需要线路投入，主变检修时，只要断开刀闸，线路操作麻烦 不会受影响 1、灵活性好 随着发生改变 1、使用断路器少 2、占地面积较小 1、任一台开关的故障检修，操作简行不会受到不影响 2、扩建裕度大，容易扩建 投资小、设备不多 2、可扩建，扩建后的接线型式也会单，并且操作时其它出线仍正常运单母线分段 2、继电保护简化，动作可靠性高 1、当出线开关检修时，线路需要较1、当出线开关检修，该回路停电 性 保护整定不利 - 10 -

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QS1QS3QS10QS12QF1QF2QF5QF6QS2QS4QS11QS13QF3QS6QS8QF4QS5QS7QS9

图3.1 单母线分段接线

3.2.2 35kV电气主接线

由资料的数据显示,35KV的出线是4回并且一类负荷比较多。可供选择的方式有：单母分段式或者双母线接线。若采用双母线接线的话，设备多，所需投入高，并且继电保护比较复杂，倒闸操作的时候很容易出现误操作。单母线分段经济性好，电压不高，且单母线分段都达到设计条件，故直接采取所需投资不多的方案—单母线分段。

3.2.3 6.3kV电气主接线

根据课题要求,由于6.3KV的出线数是6，存在I负载，先选择单母线分段与双母线方案。

1、单母分段带旁母且分段断路器兼作旁路断路器。 6～10kV线回路数目大于6时，若存在I负载的时候可以选择单母线分段带旁路接线方式。

2、双母接线。通常适合在系统电源、引出线比较多；输送的功率较大；要求操作灵活、可靠性高的场合采用。

通过分析单母线分段带旁母在经济性上比双母线占优势，同时可保证供电系统可靠性，由设计中变电站的要求,采用前者。

QS1QF1QS2QF2QS3QS4QF4QF3QS5QS6QS7QS8QS9QS11QS10QS12QS14QS13QS15QS16

图3.2 双母线接线

- 11 -

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第四章 短路电流计算

4.1 短路电流的基本概念

4.1.1 产生短路电流原因

供电系统发生短路主要原因是由于电气设备因老化绝缘损坏。或电气设备受机械损伤而使绝缘破坏，或因过压而使电气设备的绝缘击穿等所造成，另外由于误操作、鸟兽在裸露的导体上跨越以及风雪等自然现象也能引起短路。

4.1.2 短路的种类

在实际运行中，发生单相接地短路的概率最高；然而三相短路的概率最低，一旦发生产生影响最大。

4.1.3 短路的危害

发生短路故障时，由于短路回路中的阻抗大大减少，电流增大很大。突然变大的电流远远高于设备额定电压，而损坏设备。短路点产生的电弧也有可能使设备烧坏。短路点附近的电压将明显降低，使设备的正常工作受到影响，甚至还可能会使供电被迫中断。不对称接地短路产生的零序电流严重时危及设备和人生安全。

4.1.4 短路电流计算的主要目的 （1）电气主接线的比较与选择。

（2）选择相对应的断路器等设备，对这些电气设备提出必要的技术要求。 （3）为继电保护的设计及调剂提供依据。

（4）分析并选择出网络方案，设计出限制短路电流的有效措施。

（5）计算送电线路会对电气设备产生的影响。

4.2 短路计算一般规定 4.2.1计算的基本情况

（1）电力系统中所有电源要均在额定负载下运行。 （2）短路发生在短路电流最大的瞬间。 （3）系统中两个电源电动势的相位角必须一致。

（4）计算中要包括会对短路电流产生扰动的全部元器件，但是短路点的电弧电阻没必要算入。对异步电动机的作用，仅当在切换过程中可能并列运行的接线方式。

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4.2.2接线方式

计算短路电流所用接线方式，应是最大运行方式。 4.2.3短路计算方法

一般采用实用计算法，即没必要选择微分方程去求解电路电路的完整表达式，而是在假定情况下把短路电流的各个数据计算出。

4.3 短路计算的过程

4.3.1 各元件的参数标幺值计算 选择基准值

ＳB＝100MVA ＵB＝Ｕav ISBB?3UB电流的基准值

ISBj?3U B电源短路电流周期分量的标幺值

I''*?SS B电源电抗的标幺值

X*?E''I'' *导线电抗的标幺值

X*L?l?XSBl?U2 B变压器电抗的标幺值

X*?UT%T100?SBS N短路点短路电流周期分量的标幺值 I//?IjX* k

- 13 -

(4.1）

4.2） 4.3） 4.4） 4.5）

4.6） 4.7） （ （

（

（ （ （湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

冲击电流

iimp?2.25I//(kA) （4.8）

短路全电流最大有效值

Iimp?1.5I// （4.9） 短路容量算法

Sk1?3UBI??

（4.10）

Ij110?100100100?4.499(kA) ?0.502(kA) Ij35??1.56(kA) Ij10?3?6.33?1153?37(1) 电源1：由资料可知可将变电所视为无限大电源所以取E''?1，因为两个电源有最大短路容量和最小短路容量，所以分步计算 当取最大短路容量时：

I''*maxS1max2700E''1*???27(A) X1max?''??0.037(?) SB100I*max27当取最小短路容量时：

I''*minE''1S1min2300*???23(A) X1min?''??0.043(?) SB100I*min23 （2） 电源2当取最大短路容量时：

I''*maxS2max2400E''1*?0.042(?) ???24(A) X2max?''?I*max24SB100当取最小短路容量时：

I''*minE''1S2min2100*???21(A) X2min?''??0.048(?) SB100I*min21(3) 由资料可知电源1距离本所35kM 取Xl?0.4?/kM

*XL?l?Xl?1SBUB2?35?0.4?100?0.106(?) 2115(4) 电源2距离本所30kM

*XL?l?Xl?2SBUB2?30?0.4?100?0.091(?) 1152- 14 -

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（5） 由变压器参数可知短路电压百分值为：

UT12%?17% UT31%?10.5% UT23%?6.5%

11UT1%?（UT12%?UT31%?UT23%）?（10.5?17?6.5）?10.5

2211UT2%?（UT12%?UT23%?UT13%）?（10.5?6.5?17）?0

2211UT3%?（UT23%?UT31%?UT12%）?（17?6.5?10.5）?6.5

22*XT?1UT1%SB10.5100????0.525(?) 100SN10020?UT20?SB0100???0??? SN10020X*T2*XT?3UT3%SB6.5100????0.325??? 100SN100204.3.2 当电源1取最大短路容量时的短路计算

（1）当在k1处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标幺值为

**Xk?X1*max?XL?0.037?0.106?0.143??? 11短路电流周期分量的标幺值为

I//?Ij1100.502??3.51(kA) *Xk0.1431冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?3.51?7.90(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.5I//?1.5?3.51?5.265(kA)

短路容量算法

Sk1?3UBI???3?110?3.51?668.745(MVA)

(2) 当在k2处发生三相短路时 电源至短路点的总电抗的标幺值为：

*****Xk?X?X?0.5(X?X)?0.037?0.106?0.5?(0.525?0.325)?0.568??? 1maxLTT2112- 15 -

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短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij351.56??2.746(kA) *Xk20.568冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?2.746?6.179(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?2.746?4.174(kA)

短路容量算法

Sk2?3UBI???3?35?2.746?166.467(MVA)

该变电所的两台型号规格一样所以另一个变压器的阻抗相同。

C G G

U*=1 σ*=

SDmax=2000MVA SDmIN=1800MVA

T T 35KM 30KM 110kv d1(3) 110kV 35kV d2

(3)

6.3kV d3(3) 图4.1 短路点选择示意图

- 16 -

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(3) 当在k3处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标幺值为：

*****Xk?X?X?0.5(X?X)?0.037?0.106?0.5?(0.525?0)?0.406??? 1maxLTT3113短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij109.164??22.571(kA) *Xk30.406 冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?22.571?50.785(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?22.571?34.308(kA)

短路容量算法

Sk3?3UBI???3?6.3?22.571?246.293(MVA)

4.3.3 当电源1取最小短路容量时的短路计算 (1) 当在k1处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标幺值为

***Xk?X?X?0.043?0.106?0.149??? 1minL11短路电流周期分量的标幺值为

I//?Ij1100.502??3.369(kA) *Xk10.149冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?3.369?7.58(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?3.369?5.121(kA)

短路容量算法

Sk1?3UBI???3?110?3.369?641.881(MVA)

(2) 当在k2处发生三相短路时：

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电源至短路点的总电抗的标幺值为：

*****Xk?X?X?0.5(X?X)?0.043?0.106?0.5?(0.525?0.325)?0.574??? 1minLTT2112短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij351.56??2.718(kA) *0.574Xk2冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?2.718?6.116(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?2.718?4.131(kA)

短路容量算法

Sk2?3UBI???3?35?2.718?164.77(MVA)

(3) 当在k3处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标幺值为：

*****Xk?X?X?0.5(X?X)?0.043?0.106?0.5?(0.525?0)?0.412??? 1minLTT3113短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij109.164??22.243(kA) *Xk30.412冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?22.243?50.047(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?22.243?33.809(kA)

短路容量算法

Sk3?3UBI???3?6.3?22.243?242.714(MVA)

4.3.4 当电源2取最大短路容量时的短路计算 （1）当在k1处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标么值为

***Xk?X2max?XL2?0.042?0.091?0.133??? 1- 18 -

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短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij1100.502??3.77(kA) *Xk10.133冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?3.77?8.483(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?3.77?5.73(kA)

短路容量算法

Sk1?3UBI???3?110?3.77?718.281(MVA)

(2) 当在k2处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标么值为

*****Xk?X?X?0.5(X?X)?0.042?0.091?0.5?(0.525?0.325)?0.558??? 2maxLTT2212短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij351.56??2.8(kA) *Xk20.558冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?2.8?6.3(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?2.8?4.256(kA)

短路容量算法

Sk2?3UBI???3?35?2.8?169.741(MVA)

(3) 当在k3处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标么值为

*****Xk?X2max?XL2?0.5(XT1?XT3)?0.042?0.091?0.5?(0.525?0)?0.396??? 3短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij109.164??23.141(kA) *Xk0.3963- 19 -

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冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?23.141?52.067(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?23.141?35.174(kA)

短路容量算法

Sk3?3UBI???3?6.3?23.141?252.513(MVA)

4.3.5 当电源2取最小短路容量时的短路计算 (1) 当在k1处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标么值为

***Xk?X?X?0.048?0.091?0.139??? 2minL12短路电流周期分量的标幺值为

I//?Ij1100.502??3.612(kA) *Xk10.139冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?3.612?8.127(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?3.612?5.49(kA)

短路容量算法

Sk1?3UBI???3?110?3.612?688.178(MVA)

(2) 当在k2处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标么值为：

*****Xk?X?X?0.5(X?X)?0.048?0.091?0.5?(0.525?0.325)?0.564??? 2minLTT2212短路电流周期分量的标幺值

I//?冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?2.766?6.224(kA)

- 20 -

Ij351.56(kA) ??2.766*Xk20.564

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短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?2.766?4.204(kA)

短路容量算法

Sk2?3UBI???3?35?2.766?167.68(MVA)

(3) 当在k3处发生三相短路时： 电源至短路点的总电抗的标么值为：

*****Xk?X?X?0.5(X?X)?0.048?0.091?0.5?(0.525?0)?0.402??? 2minLTT3213短路电流周期分量的标幺值

I//?Ij109.164??22.796(kA) *Xk30.402冲击电流

iimp?2.25I//?2.25?22.796?51.291(kA)

短路全电流最大有效值

Iimp?1.52I//?1.52?22.796?34.650(kA)

短路容量算法

Sk3?3UBI???3?6.3?22.796?248.748(MVA)

4.4 短路电流计算结果表

表4.1 电源1取最大短路容量

短路电流周期短路点 分量标幺值冲击电流iimp（kA） 全电流Iimp（kA） 短路容量（SMVA） I//（kA） k1 k2 3.510 2.746 7.9 5.335 4.174 668.745 166.467 6.179 k3

22.571 50.785 34.308 246.293 - 21 -

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表4.2 电源1取最小短路容量表

短路电流周期短路点 分量标幺值冲击电流iimp（kA） 全电流Iimp（kA） 短路容量（SMVA） I//（kA） k1 k2 3.369 2.718 22.243 7.58 6.116 50.047 5.121 4.131 33.809 641.881 164.77 242.714 k3

表4.3 电源2取最大短路容量表

短路电流周期短路点 分量标幺值冲击电流iimp（kA） 全电流Iimp（kA） 短路容量（SMVA） I//（kA） k1 k2 3.77 2.8 23.141 8.483 6.3 52.067 5.73 4.256 35.174 718.281 169.741 252.513 k3

表4.4 电源2取最小短路容量表

短路电流周期短路点 分量标幺值冲击电流iimp（kA） 全电流Iimp（kA） 短路容量（SMVA） I//（kA） k1 k2 3.612 2.766 22.796 8.127 6.224 51.291 5.49 4.204 34.650 688.178 167.68 248.748 k3

由上述四表比较可以得出，电源2的短路电流比电源1的短路电流要大。所以，在后面的设备选择中，应该用电源2最大短路容量的短路电流进行校验。

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第五章 供电系统主要电气设备选择

5.1 电气设备选择的选择原则

5.1.1电气设备选择的一般要求

（1）须满足各种短路、运行、检修、过电压情况的运行条件，同时还需考虑其前景的发展。

（2）考虑当地的环境条件校核。 （3）追求经济合理，技术先进。

（4）与整个的工程建设标准保持协调一致。

（5）同类的设备应该尽量去减少品种及方便运行、管理。

（6）选择的新产品要均有可靠实验数据，并且经过正式的签定合格。

5.1.2电气设备选择的一般原则 1、按正常工作条件选择 1）类型和型式的选择

根据设备的安装地点、使用条件等因素，确定是选用户内还是户外型；选用普通型还是还是防污型；使用装配式还是成套式；选择适合满足有无人值班要求。

2）额定电压

按电气设备和载流导体的额定电压UN不得小于装置地点的电网额定电压UNS 选择, 即

UNS?UN （5.1）

3）额定电流

电气设备额定电流Ie应大于载流导体长期允许电流Igmax，即

Igmax?Ie （5.2） 当安装地点的坏境 温度高于+40℃而低于60℃时每增高1℃，建议额定电流减少1.8%；当低于+40℃时，每降低1℃ ，建议额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20℃。

2、按短路情况校验

当电气设备通过短路电流时，会产生点动力和发热两种效应。容易导致设备的绝缘体损坏。为此必须进行电动力和发热计算，以验算动、热稳定。 1）热稳定校验式为

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It2t?QK (5.3)

上式中：Qk——短路电流的热效应（kA2S）

It——t秒时间段内设备可允许通过热稳定电流的有效值（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

ies?ish或Ies?Ish (5.4)

上式中: Ies ，ies——短路冲击电流有效值和其幅值

Ish ，ish——厂家规定的动稳定电流的有效值和幅

5.2 高压断路器的选择

5.2.1 高压断路器选择要求

（1）型式。除了要符合系统环境条件和要求达到的技术条件外，配电装置的安装调试及后面的维护方便性也是应该要考虑的。

（2）额定电压的选择为

UNS?UN (5.5)

（3）额定电流的选择为

Ie?Igma (5.6) x Igma=2xI e（4）额定开断电流的检验条件为

INbr?I'' (5.7)

（5）热稳定效应应满足

It2t?QK (5.8)

（6）动稳定效应应满足

ies?im (5.9)

5.2.2 110kV进线侧断路器选择

（1）型式。一般6-35kv选用真空断路器，35-500kv选用SF6断路器。 （2）额定电压的选择为

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UNS?UN UN=110kV

（3）额定电流的选择为

Igmax?Ie?Igmax Igma=2xI e（4）额定开断电流的检验条件为

INbr?I''?3.77(kA)

2?20?0.21(kA)

3?110（5）按短路关合电流选择

iNcl?iimp?8.483(kA)

根据以上数据可以初步选择LW11－110型SF6断路器其参数如下表5.1。

表5.1 110kV断路器参数表

额定 型 号 额定 电压 Ue(kV) 最高工作电压 额定 开断 电流 电流 Ie(A) (kA) (kA) LW11－110 110 126 1600 30.5 80 (kA) 80 值 电流 流峰 关合 定电 短路 动稳 额定 热稳定 电流 (kA) 4s 固有 全开分闸 时间 (ms) 断时间 (ms) 31.5 0.04 0.07 （6）热稳定效应应满足

It2t?QK

取后备保护为1.5s,全开断时间0.07s

tk =tpr + tbr=1.5+0.07=1.57s

QK?I''tk?22.314(kA2·s)

2×3=2976.75 (kA2·s) It2t=31.52

（7）动稳定效应应满足

ies?im

故选择户外LW11－110型SF6断路器能满足要求

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表5.2 110kV断路器计算结果表

设备 项目 LW11－110型 产品数据 110kV 1600A 80kA 30.5kA 80kA 2976.75 kA2·s 计算数据 110kV 210A 8.483kA 3.77kA 8.483A 22.314kA2·s UN?UNS Ie?Igmax ies?iimp INbr?I\ iNcl?iimp It2t?QK

5.2.3 35kV断路器选择

1）额定电压选择

UN?UNS UN=35kV

2）额定电流选择

Ie?Igmax

即

Igmax?3）按开断电流选择

1.05?20?0.346(kA) 3?35INbr?I\?2.8(kA) 即INbr?2.8(kA)

4）按短路关合电流选择

iNcl?iimp=6.3(kA) 即iNcl?6.3(kA)

根据以上数据可以初步选择LW8－35型SF6断路器其参数如下表5.3。

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表5.3 35kV断路器参数表

型 号 额定 电压 Ue(kV) 最高工作电压 额定 电流 Ie(A) 额定 开断 电流 (kA) 动稳 定电 流峰 值 (kA) LW8－35 35kV 40.5 1600 25 63 额定 短路 关合 电流 (kA) 63 热稳定 电流 (kA) 4s 25 0.04 0.06 固有 分闸 全开时间 (ms) (ms) 断时间 6）校验热稳定 It2t?QK 取后备保护为1.5S,全开断时间为0.06s

tk =tpr + tbr=1.5+0.06=1.56s

QK?I''tk?12.23(kA2·s) It2t=252×4=2500(kA2·s)

2即

It2t?QK

满足要求。

7) 检验动稳定

ies?iim p

ies=63kA>6.3kA

满足要求。

由以上计算表明选择户外LW8－35型断路器能满足要求。

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表5.4 35kV断路器计算结果表

设备 项目 产品数据 35kV 1600A 63kA 30.5kA 63kA 2500kA2·s LW8－35型 计算数据 35kV 346A 6.3kA 2.8kA 6.3kA 12.23kA2·s UN?UNS Ie?Igmax ies?iimp INbr?I\ iNcl?iimp It2t?QK 5.2.4 6.3kV断路器选择

1）额定电压选择

UN?UNS UN=10kV

2）额定电流选择

Ie?Igmax

即

Igmax?3）按开断电流选择

1.05?20?1.925(kA) 3?6.3INbr?I\?23.141(kA)

4）按短路关合电流选择

iNcl?iimp=52.063(kA)

5）校验热稳定: It2t?QK，取后备保护为1.5S,固有分闸时间为0.05s,取灭弧时间为0.04s。

tk =tpr + tbr = 1.5+0.09=1.59s

QK?I''tk?851.454(kA2·s)

2×2=1984.5(kA2·s) It2t=31.52

即

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It2t?QK

满足要求。

根据以上数据可以初步选择ZN-10/1600-31.5型真空断路器其参数如表5.5。

表5.5 10kV断路器参数表

型号 额定电压Ue(kV) 额定开断电流Iekd(kA) 额定短路关合电流(kA) 热稳定电流(kA) 2s 10 11.5 1600 31.5 80 80 31.5 固有分闸时间(ms) 合闸时间(ms) 最高工作额定电流动稳定电流峰值(kA) 电压 Ie(A) ZN-10/1600-31.5 ?0.05 <0.1

6）校验动稳定

ies?iimp

ies=80kA>52.063kA

满足要求。

故选择户内ZN-10/1600-31.5型真空断路器能满足要求，由上述计算可列下表如表 5.6。

表5.6 6.3kV断路器计算结果表

设备 项目 产品数据 10kV 1250A 80kA 31.5kA 80kA 1984.5kA2·s 计算数据 6.3kV 1925A 52.063kA 23.141kA 52.063A 851.454kA2·s ZN-10/1600-31.5型 UN?UNS Ie?Igmax ies?iimp INbr?I\ iNcl?iimp It2t?QK - 29 -

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5.3 隔离开关的选择

隔离开关的型式应该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后确定。其选择的具体方法与上面断路器的选择相同。

5.3.1 110kv隔离开关选择

为了维护及操作方便，同理110kV、35kV都选同类型 1、110kV进线侧隔离开关 1）额定电压选择

UN?UNS UNS=110kV

2）考虑到电源进线发生故障，所以相应回路的Igmax=2Ie,即 Igmax?2?20?0.21(kA)

3?110根据以上数据，可以初步选择户外GW5-110Ⅱ型，隔离开关，其参数如5.7。

表5.7 110kV隔离开关参数表

型 号 额定 电压 UN(kV) 最高工作电压 额定 电流 Ie(A) 动稳定电 流峰值 (kA) 热稳定 电流 (kA) 4s GW5-110Ⅱ 110kV 115 630 100 20 3）校验热稳定：同断路器校验相同

It2t?QK

QK?I''tk?22.314(kA2·s) It2t=202×4=1600(kA2·s)

2It2t?QK

满足要求。

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