10kV箱式变电站设计书.docx
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10kV箱式变电站设计书
10kV箱式变电站设计
毕
业
设
计
设计人：
张鑫
2013年7月23日
摘要
箱式变电站又称户外成套变电站，也有称做组合式变电站，它是发展于20世纪60年代至70年代欧美等西方发达国家推出的一种户外成套变电所的新型变电设备，由于它具有组合灵活，便于运输、迁移、安装方便，施工周期短、运行费用低、无污染、免维护等优点，受到世界各国电力工作者的重视。
进入20世纪90年代中期，国内开始出现简易箱式变电站，并得到了迅速发展。
现代工业的连续生产和人民生活水平的日益提高，人们对供电质量尤其是供电的可靠性要求越来越高，箱式变电站以其成套性强、投资见效快，体积小、占地少，可深入负荷中心、提高末端电能质量，安装使用方便，易与周围环境相协调等优点获得了快速的发展和广泛的应用。
其次，随着社会发展和城市化进程的加快，负荷密度越来越高，城市用地越来越紧张，城市配电网逐步由架空向电缆过渡，架杆方式安装的配电变压器越来越不适应人们的要求。
箱式变电站适用于住宅小区、城市公用变、繁华闹市、施工电源等，用户可根据不同的使用条件、负荷等级选择箱式变。
箱式变电站发展极为迅速，在欧洲发达国家已占配电变压器的70%，美国已占90%。
中国城市现代化建设的飞速发展，城市配电网的不断更新改造，必将得到广泛的应用。
同时要求具有“四遥”（遥测、遥信、遥调、遥控）的智能化功能。
这种智能箱式变电站（简称智能箱变）环网供电时，在特定自主软件配合下，能完成故障区段自动定位、故障切除、负荷转带、网络重构等功能，从而保证在一分钟左右恢复送电。
本课题的主要内容包括箱式变电站的发展应用，箱式变电站的结构分类，以及箱式变电站一次系统设计及其设备选型，二次系统设计，以及箱式变电站的智能监控系统。
10kV箱式变电站的设计高压侧额定电压为10kV，低压侧额定电压为0.4KV，主变压器容量为1600kVA。
主接线采用单母线分段接线。
关键词：
箱式变电站结构一次系统二次系统
第一章箱式变电站简介
1.1供配电技术的发展
随着市场经济的发展，国家在城乡电网建设和改造中，要求高压直接进入负荷中心，形成高压受电—变压器降压—低压配电的供电格局，所以供配电要向节地、节电、紧凑型、小型化、安全、无人值守的方向发展，箱式变电站（简称箱变）正是具有这些特点的最佳产品，因而在城乡电网中得到广泛应用。
我现在在新疆石河子市天富热电股份有限责任公司实习，在这里我学到了在学校没有的知识，让我感触很深，与此同时，由于信息化、网络化和智能化住宅小区发展，因此不仅要求箱变安全可靠，同时要求具有“四遥”（遥测、遥讯、遥调、遥控）的智能化功能。
这种智能箱式变电站（简称智能箱变）环网供电时，在特定自主软件配合下，能完成故障区段自动定位、故障切除、负荷转带、网络重构等功能，从而保证在一分钟左右恢复供电。
1.2箱式变电站的类型、结构与技术特点
1.2.1箱式变电站的类型
1.2.1.1、 箱变按外观及外壳材质分可分为：
（1）、 木条式
抗晒性能强，不易导热，降低了内部设备的运行温度。
抗冻性，耐腐蚀，不生锈，不需要维修，寿命长。
有较好的防潮性能，不会因冷热变化而产生凝露。
（2）、 石材式
有较好的阻燃性能，防火性能好，可根据周围环境选择外型和颜色，同时起到美化环境的作用。
（3） 、普通铁壳式箱变
有较好的阻燃性能，防火性能好。
有较好的机械性能，耐冲击性好
（4） 、按用户要求的外观式箱变
可根据周围环境选择外型和颜色，同时起到美化环境的作用。
1.2.1.2、 按照结构形式分为：
（是否还分卧式箱变，卧式箱变综合了欧式和美式）
（1）、 组合式变电站（简称美式箱变）
按照油箱结构分为共箱式和分箱式两种。
优点：
体积小占地面积小、便于安放、便于伪装，容易与小区的环境相协调。
可以缩短低压电缆的长度，降低线路损耗，还可以降低供电配套的造价。
缺点：
供电可靠性低；无电动机构，无法增设配电自动化装置；无电容器装置，对降低线损不利（到底有无电容装置）；由于不同容量箱变的土建基础不同，使箱变的增容不便；当箱变过载后或用户增容时，土建要重建，会有一个较长的停电时间，增加工程的难度。
由于负荷开关，熔断器与变压器铁心、线圈均在一个箱体内，以变压器作为它们的共同绝缘和冷却介质，而负荷开关的开断、熔断器遇短路电流而熔断的过程，将不可避免的产生电弧，使变压器油碳化、游离，导致变压器油加速老化，使绝缘降低。
其次，美式箱变由于其结构特点，使输出路数的增加，受到一定程度的限制。
应用：
美式箱变适用于对供电要求相对较低的多层住宅和其他不重要的建筑物的用电。
根据我们的实际使用情况看，美式箱变配上小型的环网开关站后，完全适用多层住宅的供电需求。
因为就是箱变发生故障，对居民的影响不大，但不适应于小高层和高层。
（2）、预装式变电站（简称欧式箱变）
按照油箱结构分为共箱式和分箱式两种。
优点：
辐射较美式箱变要低，因为欧式箱变的变压器是放在金属的箱体内起到屏蔽的作用；可以设置配电自动化，而且还有美式箱变的主要优点。
缺点：
体积较大，不利于安装，对小区的环境布置有一定的影响。
应用：
欧式箱变适用于多层住宅。
欧式预装式变电站的总体结构包括三个主要部分：
高压开关柜、变压器及低压配套装置，其总体结构主要有两种形式：
一种为组合式；另一种为一体式。
组合式布置是高压开关设备、变压器和低压配电装置三部分个为一室，即由高压室、变压器室和低压室三个隔室组成，可按“目字型”或“品字型”布置，如图1所示。
“目字型”布置与“品字型”布置相比，“目字型”接线较为方便，故大多采用“目字型”布置。
但“品字型”布置结构较为紧凑，特别是当变压器室排布多台变压器时，“品字型”布置较为有利。
图1欧式预装式变电站的整体布置形式
HV—高压室；LV—低压室；TM—变压器室；ZL—操作走廊
1.2.3箱式变电站与常规变电站的对比分析
目前，国内生产的箱变的电压等级：
高压侧为3～35kV、低压侧为0.4～10kV。
变压器的容量：
当额定电压比为35/10、6、0.4kV时可从几百kVA～上万kVA、当额定电压比为10、6/0.4kV时可从几十kVA～几千kVA。
箱式变电站（在IEC及欧洲称为高压/低压预装式变电站）是一种集成化程度高，工厂预安装、节能、节地的发展中设备与常规变电站相比，占地为1/20，工期为1/7，投资为1/2。
在国外应用极度为广泛，在西欧占变电站总数的70%以上，美国为90%。
在我国应用为10%，是一种方兴未艾的装备。
预装式变电站是输变电设备发展方向，由前所述，我国应用仅10%左右，而国外已达到的70-90%，所以预装式变电站其社会效益显著，适用范围更广。
箱式变电站与常规变电站性能比较见表1。
表1箱式变电站与常规变电站性能对比表
序号
对比项目
常规变站
组合式（箱变）变电站
1
设计工作
需要土建、电气二方面设计、工作量较大
土建工作仅一个安装基础，箱变本身有典型设计，只须根据用户要求，作一些调整，设计工作也大为减少。
2
基建时间
6个月以上
预先基础做好以后，只需4-6小时就可以安装完毕送电。
3
占地面积（10kV800K为例）
≥100
一般箱变12m2
ZBW174m2
4
安装地点和负荷中心距离
不能十分接近负荷中心，供电线路半径较长，电压降落及电能损失较高。
能贴近负荷中心，甚至直接置于建筑物处，供电线路半径可以很短电压降落及电能损失较少，提高了供电质量。
5
生产方式
土建施工后，现场装配。
大规模、工作化生产，质量容量得到保证。
6
生产周期
7：
1
7
投资费用
2：
1
8
和环境协调性
和环境不协调
和环境协调一致/ZBW17高度1.6米,不挡视线,美化环境。
1.3箱式变电站的技术要求与设计规范
设计严格按照国家标准《高压/低压预装式变电站》（GB/T12467-1998），以及适合的工艺流程。
1.4本设计的主要任务
（1）熟悉题目要求，查阅相关科技文献
（2）方案设计（包括方案论证与确定，技术经济分析等内容）
（3）硬件和软件设计
（4）撰写设计说明书，绘制图纸
第二章10kV箱式变电站的总体结构设计
2.1电气主接线的确定
2.1.1主接线的基本形式
主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种连接方式，概括为有母线的接线形式和无母线的接线形式两大类。
概况地说，对主接线的基本要求包括安全、可靠、灵活、经济四个方面
安全包括设备安全及人身安全。
要满足这一点，必须按照国家标准和规范的规定，正确选择电气设备及正常情况下的监视系统和故障情况下的保护系统，考虑各种人身安全的技术措施。
可靠就是主接线应满足对不同负荷的不中断供电，且保护装置在正常运行时不误动、发生事故时不拒动，能尽可能的缩小停电范围。
为了满足可靠性要求，主接线应力求简单清晰。
灵活是用最少的切换，能适应不同的运行方式，适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使发生故障时停电时间最短，影响范围最小。
经济是指在满足了以上要求的条件下，保证需要的设计投资最少。
因此，主接线的设计应满足可靠性和灵活性的前提下，做到经济合理。
主要应从投资声、占地面积少、电能损耗小等几个方面综合考虑。
2.1.2主接线的比较与选择
单母线接线是一种原始、最简单的接线，所有电源及出线均接在同一母线上，其优点是简单明显，采用设备少，操作简便，便于扩建，造价低。
缺点是供电可靠性低。
母线及母线隔离开关等任一元件发生故障或检修时，均需使整个配电装置停电。
因此，单母线接线方式一般只在发电厂或变电所建设初期无重要用户或出线回路数不多的单电源小容量的厂中采用。
接线方式如图2。
图2单母线接线
a）一路电源进线b）两路电源接线
在主接线中，断路器是电力系统的主开关；隔离开关的功能主要是隔离高压电源以保证其他设备和线路的安全检修。
例如，固定式开关柜中的断路器工作一段时间需要检修时，在断路器断开电路的情况下，拉开隔离开关；恢复供电时，应先合隔离开关，然后和断路器。
这就是隔离开关与断路器配合操作的原则。
由于隔离开关无灭弧装置，断流能力差，所以不能带负荷操作。
单母线分段接线是采用断路器（或隔离开关）将母线分段，通常是分成两段。
母线分段后可进行分段检修，对于重要用户，可以从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器在继电保护作用下自动将故障段迅速切除，从而保证了正常母线不间断供电和不致使重要用户停电。
两段母线自动同时故障的机遇很小，可以不予考虑。
在供电可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一段母线发生故障时，将造成两断母线同时停电，在判断故障后，拉开分段隔离开关，完好段即可恢复供电。
单母线分段接线既具有单母线接线简单明显、方便经济的优点，又在一定程度上提高了供电可靠性。
但它的缺点是当一段母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上的所有回路到要长时间停电。
单母线分段接线连接的回路数一般可比单母线增加一倍。
接线方式如图3。
图3单母线
分段接线
双母线分段接线有如下优点：
可轮换检修母线或母线隔离开关而不致供电中断；检修任一回路的母线隔离开关时，只停该回路；母线发生故障后，能迅速恢复供电；各电源和回路的负荷可任意分配到某一组母线上，可灵活调度以适应系统各种运行方式和潮流变化；便于向母线左右任意一个方向顺延扩建。
但双母线也有如下的缺点：
造价高；当母线发生故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误动作。
但可加装断路器的连锁装置或防误操作装置加以克服。
接线方式如图4所示。
图4双母线接线
当进线回路数或母线上电源较多时，输送和穿越功率较大，母线发生事故后要求尽快恢复供电，母线和母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用双母线接线。
综上可知，单母线接线造价低而供电稳定性低，双母线供电稳定性高但其造价高且接线线路复杂，而单母线分段接线一方面线路简单，造价低，另一方面其供电稳定性也能在一定程度上能够得以保证。
所以10kV母线选用单母线接线方式，0.4kV采用单母线分段接线。
2.1.3高压接线方式
高压侧，采用负荷开关+限流熔断器作为就压器的主保护，一般有环网、双电源和终端三种供电方式，有两组插入式熔断器和后备保护熔断器串联进行分段范围保护。
限流熔断器一相熔断时必须能联动跳开三相负荷开关，不发生缺相运行。
线路侧负荷开关必须配有直流电源电动操作机构，可实现无外来交流电源状态下自启动。
环网回路必需配置检测故障电流用的电流互感器或传感器。
高压开关选用可靠性高和具有自动化装置及智能化接口的先进的产品：
SF6负荷开关、压气式负荷开关、真空负荷开关等。
环网供电单元一般至少由三个间隔组成，即二个环缆进出间隔和一个变压器回路间隔。
其中，负荷开关QLA和QLB在隔离故障线段时，能及时恢复回路的连续供电；同负荷开关QLC相连的熔断器Ｆ在中压/低压变器发生内部故障时起保护作用；QLC对溶断器和变压器还起隔离和接地作用。
2.2变压器
2.2.1变压器容量、接线组别的确定
箱变用变压器为降压变压器，一般将10KV降至380V/220V变压器容量一般为160～1600KVA，最常用的容量为315～630KVA。
其器身为三相三柱或三相五柱结构、Dyn11或Yyn0联结，熔断器连接在“△”外部。
三相五柱式Dyn11变压器的优点是带三相不对称负荷能力强，不会因三相负载不对称造成中性点电压偏移，负载电压质量可得到保证，这种变压器具有很好的耐雷特性。
对于Dyn11联结变压器来说，其3n次（n为整数）谐波励磁电流在其三角形结构的一次绕组内形成环流，不注入公共的高压电网中去，这较之一次绕组接成星型接线的Yyn0联结变压器更利于抑制高次谐波电流；Dyn11联结变压器的零序阻抗较之Yyn0联结变压器的小得多，从而更有利于低压单相接地短路故障的保护和切除；当接用单相不平负荷时，由于Yyn0联结变压器要求中性线电流不超过二次绕组额定电流的25%，因而严重影响了接用单相负荷的容量，影响设备能力的发挥。
因此国家规定在TT和TN系统中，推广Dyn11联结变压器。
但是Yyn0联结变压器一次绕组的绝缘要求稍低于Dyn11，从而制造成本稍低于Dyn11联结的变压器。
变压器联结方式如图5。
图5变压器的Yyn0联结和Dyn11联结
综合考虑10kV箱式变电站变压器的容量确定为1600kVA，因为三相五拄Dyn11连接变压器带三相不对称负载能力强，不会因三相负载不对称造成中性点电压偏移，负载电压质量可得到保证；此外，这种变压器还具有很好的耐雷特性。
因此变压器的连接组别为三相五柱Dyn11，阻抗电压为
=7.0%，采用油浸式变压器。
由于三相五拄Dyn11联结，如果熔断器一相熔断后，会造成低压侧两相电压不正常，为额定电压的1/2，会使负载欠压运行。
因此将熔断器连接在“△”内部。
因为这样如果熔断器一相熔断后不会造成低压侧两相电压不正常，熔断器所对应的低压侧相电压几乎为零，其它两相电压正常。
而站用变压器容量确定为50kVA，连接组别采用Dyn11，接在10kV母线上将10kV电压降低为0.2kV供箱式变电站本身使用。
2.2.2变压器的散热处理
变压器设置有二种方式：
一种将变压器外露，另一种将就压器安装在封闭隔室内。
10kV箱式变电站变压器采用第二种接线方式，将变压器安装在封闭的变压器隔室内。
为防日照辐射使室温升高，采用四周壁添加隔热材料、双层夹板结构，顶盖设计成带空气垫或隔热材料的气楼结构，内设通风道，装有自动强迫排气通风装置（轴流风机或幅面风机）。
装置的开启和停止，由变压器室的温度监控装置自控，其温度的整定值按允许温度的80%～90%设定；室内正常温度下，靠自然通风来散热。
有为防止灰尘对绝缘的影响，在变压器连接处加上绝缘防护罩。
室内温度不正常的情况下采用机械强迫通风，以变压器油温不超过95℃作为动作整定值。
2.2.3采用负荷开关—熔断器组合电器保护变压器
负荷开关是用来开、合负载电流的开关装置，它一般具有关合短路电流能力，但是它不能开断短路电流。
负荷开关可以单独使用在远离电源中心、且容量较小的终端变电站，用于投切无功补偿回路、并联电抗器及电动机等。
熔断器结构简单、价格便宜、维护方便，仍然具有发展前途。
熔断体是熔断器的主要元件，当熔断体通过的电流超过一定值时，熔断体本身产生的焦耳热，使本身温度升高，在达到熔断体熔点时，熔断体自行熔断切断过载电流或短路电流。
限流熔断器切断短路电流的电流波形如图6所示
1
a
2
时间
0b
燃弧时间
图6限流熔断器切断短路电流时电流波形
1—切断前电流波形2—切断过程中电流波形
—截止电流；
—动作时间
负荷开关—熔断器组合电器中使用限流型高压熔断器，这种熔断器是依靠填充在熔体周围的石英砂冷却电弧，达到有效熄灭电弧，用于在强力冷却熄弧过程中建立起高于工作电压的电弧电压，因而具有很强限流能力。
由曲线可见到，短路开始后电流上升，熔体发热，温度上升，电流升到a点，熔体熔化，由于熔断器的限流作用，电流上升停止，开始沿ab线段下降，在b点电流下降到零，此时完成熄弧。
这种熔断器的整个动作过程发生在密封的瓷管中，在熄灭电弧时，巨大气流不会冲出管外。
负荷开关与熔断器配合使用于箱变可替代断路器，作为变压器的保护开关设备。
当变压器内部发生故障，为使油箱不爆炸，故障切除时间必须限在20ms内。
采用断路器保护的话，断路器最快全开断时间（继电保护动作时间+断路器固有动作时间+燃弧时间）一般需要2～3个周波（40ms～60ms）左右，而限流熔断器则可保证在10ms以内切除故障。
由于同电压等级负荷开关的价格大约是断路器的价格的1/4～1/5，而负荷开关+熔断器的价格仅仅是断路器的价格的1/3，因此采用负荷开关+熔断器有较大经济性。
由于断路器是用于开断短路故障电流、大负荷电流、容性电流等通用的开关设备，因此体积大、笨重，结构也复杂。
相比之下负荷开关体积小，简单易开发。
2.3箱式变电站总体布置
10kV箱式变电站高压室额定电压10kV，低压室额定电压0.4kV。
主变压器额定容量为1600kVA，接在10kV母线上。
采用电缆或架空进、出线。
在结构设计上具有防压、防雨和防小动物等措施及占地面积小、操作方便，安全可靠、可以移动等特点。
箱式变电站主要包括4部分，分别为框架、高压室、低压室、变压器室。
（1）框架：
基本结构是由槽钢、角钢和钢板焊接而成，外股、门和顶盖用新材料色彩钢板制作。
（2）高压室：
装备真空断路器。
包括三工位负荷开关、熔断器、互感器、避雷器等。
（3）低压室：
装备全国统一设计的GGD型固定式低压配电屏、包括主开关柜、计量柜、多路出线柜、耦合电容器。
（4）变压器室：
配备1600kVA油浸式变压器。
室顶装有温度监控仪启动的轴流风扇。
第三章10KV箱式变电站一次系统设计与设备选型
3.110kV箱式变电站一次系统设计
10kV母线采用单母线接线，0.4kV侧母线采用单母线分段接线。
箱体采用了双层密封，双层铁板间充入高强度聚胺脂，具有隔温、防潮等特点。
外层采用不锈钢体，底盘钢架采用金属喷锌技术,有良好的防腐性能。
内层采用铝合金扣板箱体内安装空调及除湿装置，从而是设备运行不受自然环境及外界污染的影响。
可保证设备在-40～+40℃之间运行。
内部一次系统采用单元真空开关柜结构。
开关柜内设有上下隔离刀闸，ZN23-10型真空断路器，选用干式高精度的电流互感器和电压互感器，电容器采用高质量并联电容器，并装有放电PT，站变选用SC9型干式站变，站内装有多组氧化锌避雷器。
一次系统连接采用封闭母线结构，在每个单元柜装有"五防锁"，保证了人身与设备的安全。
3.2设备选型
电器设备选择的一般条件如下：
（1）按正常条件选择
电器设备按正常条件选择，就要考虑电器装置的环境条件和电气要求。
环境条件是指电器装置所处的位置特征；电器要求是指电器装置对设备的电压、电流、频率（一般为50HZ）等方面的要求；对一些断路电器如开关、熔断器等，还应考虑起断流能力。
1）考虑所选设备的工作环境。
如户内、户外、防腐、防暴、防尘、放火等要求，以及沿海或湿热地域的特点。
2）所选设备的额定电压
应不低于安装地点电网电压
即
≥
（1）
一般电器设备的电压设计值满足1.1
应而可在应1.1
下安全工作。
3）电器的额定电流
是指在额定周围环境温度θ0下，电器的长期允许电流
应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续的工作电流
，即
（2）
由式可以推算，当电器的环境温度θ高于40℃（但不高于60℃）时，环境温度每升高1℃，应减少允许电流1.8%；当使用环境低于40℃时，每降低1℃，允许电流增加0.5%。
（2）按短路条件校验
1）动稳定校验
动稳定（电动力稳定）是指导体和电器承受短路电流机械效力的能力。
满足稳定的条件
（3）
或
（4）
式中
、
—设备安装地点短路冲击电流的峰值及其有效值（kA）
、
—设备允许通过电流的峰值及其有效值（kA）
对于下列情况可不校验动稳定或热稳定。
a用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故不校验热稳定。
b电压互感器及其所在回路的裸导体和电器可不校验动、热稳定，因为短路电流很小。
c电缆一般均有足够的机械强度，可不校验动稳定。
2）热稳定校验
短路电流通过时，电器各部件温度不应超过短时发热最高允许值，即
t≥
（5）
式中
—设备安装地点稳态三相短路电流；
—短路电流假想时间；
—t秒内允许通过的短路电流值或称t秒热稳定电流（kA）；
t—厂家给出的热稳定计算时间，一般为4s、5s、1s等。
3.2.1高低压电器设备选择的要求
（1）高压一次设备的选型
高压一次设备的选择，必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求，同时设备应安全可靠的运行，运行维护方便，投资经济合理。
高压电器的选择和校验可按表3所列各项条件进行。
现仅对选择的特殊条件或简要步骤予以介绍。
表3高压电器选择与校验条件
项目
设备
额定电压
额定电流
开断电流
动稳定
热稳定
高压断路器
≥
≥
≥
≥
≥
隔离开关
—
负荷开关
≥
高压熔断器
≥
或
（2）低压一次设备选型
低压一次设备的选择，与高压一次设备的选择一样，必须考虑安装地点并满足在正常条件下和短路故障条件下工作的要求；同时设备工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。
低压一次设备的选择校验项目如表4所列。
表4低压一次设备的选择校验项目
设备名称
电压（V）
电流（A）
断流能力
（kA）
短流电流校验
动稳定度
热稳定度
低压熔断器
√
√
√
—
—
低压刀开关
√
√
√
√
√
低压负荷开关
√
√
√
√
√
低压断路器
√
√
√
√
√
3.2.2断路器的选型
断路器型式的选择应综合考虑安装地点环境的条件、使用的技术条件和安装调试与维护护方便等因素。
先对几种类型短路器的技术性能和运行维护方面的特点简要介绍如下。
少油断路器开断电流大，对35kV以下可采用加并联以提高额定电流；10kV以上为积木结构。
该断路器全开断时间短。
增加压油活塞装置加强机械油吹后，可开断空载长线。
少油断路器使用较早，运行经验丰富，易
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