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电气自动化毕业论文docx
湖北水利水电职业技术学院
课程设计报告书
08级电气自动化专业
科目：
电力电子技术
题目：
单相相控整流电路的应用
班级：
电气4班
学号：
0801030406
学生姓名：
谢武
指导教师：
毛晓英
日期：
2011年04月10日
标题、摘要、关键词2
前言3
第一章原始资料分析4
1.1本所设计电压等级4
1.2电源负荷4
第二章电气主接线设计6
2.1主接线接线方式6
2.2电气主接线的选择8
第三章所用电的设计10
3.1所用电接线一般原则10
3.2所用电接线方式确定10
3.3备用电源自动投入装置10
第四章短路电流计算12
4.1短路计算的目的12
4.2短路计算过程12
第五章继电保护配置20
5.1变电所母线保护配置20
5.2变电所主变保护的配置20
第六章防雷接地22
6.1避雷器的选择22
6.2变电所的进线段保护23
6.3接地装置的设计23
致谢27
参考文献28
电气自动化110-35kv变电所设计
摘要
变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
这次设计以110kV降压变电所为主要设计对象，分析变电站的原始资料确定变电所的主接线；通过负荷计算确定主变压器台数、容量及型号。
根据短路计算的结果，对变电所的一次设备进行了选择和校验。
同时完成防雷保护及接地装置方案的设计。
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
本次设计题目为110KV变电所一次系统设计。
此设计任务旨在体现对本专业各科知识的掌握程度，培养对本专业各科知识进行综合运用的能力，同时检验本专业学习三年以来的学习结果。
此次设计首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势。
通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了110kV主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，在根据最大持续工作电流及短路计算结果，对设备进行了选型校验，同时考虑到系统发生故障时，必须有相应的保护装置，因此对继电保护做了简要说明。
对于来自外部的雷电过电压，则进行了防雷保护和接地装置的设计，最后对整体进行规划布置，从而完成110kV变电所一次系统的设计。
第一章原始资料分析
1.1本所设计电压等级
根据设计任务本次设计的电压等级为：
110/35KV
1.2电源负荷地理位置情况
1、电源分析
与本所连接的系统电源共有3个，其中110KV两个，35KV一个。
具体情况如下：
1）110KV系统变电所
该所电源容量（即110KV系统装机总容量）为200MVA以火电为主）。
在该所等电压母线上的短路容量为650MVA该所与本所的距离为9KM以一回路与本所连接。
2）110KV火电厂
该厂距离本所12KM装有3台机组和两台主变，以一回线路与本所连接，该厂主接线简图如图1.1:
图1.1110KV火电厂接线图
3）35KV系统变电所
该所距本所7.5KM.以一回线路相连接，在该所高压母线上的短路容量为250MVA.
以上3个电源，在正常运行时，主要是由两个110KV级电源来供电给本所。
35KV变电所与本所相连的线路传输功率较小，为联络用。
当3个电源中的某一电源出故障，不能供电给本所时，系统通过调整运行方式，基本是能满足本所重要负荷的用电，此时35KV变点所可以按合理输送容量供电给本所。
2、负荷资料分析
1）35KV负荷
表1.135KV负荷参数表
用户名称
容量（MW
距离（KM
备注
化工厂
3.5
15
I类负荷
铝厂
4.3
13
I类负荷
水厂
1.8
5
I类负荷
注：
35KV用户中，化工厂，铝厂有自备电源
2）10KV远期最大负荷
3）本变电所自用负荷约为60KVA
4）一些负荷参数的取值：
负荷功率因数均取cos©=0.85，负荷同期率Kt=0.9c，年最大负荷利用小时数TmaQ4800小时/年，表中所列负荷不包括网损在内，故计算时因考虑网损，此处计算一律取网损率为5%各电压等级的出线回路数在设计中根据实际需要来决定。
各电压等级是否预备用线路请自行考虑决定。
第2章电气主接线设计
电气主接线是变电所电气设计的首要核心部分，也是电力构成的重要环节。
电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出某种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。
2.1主接线接线方式
2.1.1单母线接线
优点：
接线简单清晰，设备少，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。
缺点：
不够灵活可靠，任一元件（母线或母线隔离开关等）故障时检修，均需使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障母线的供电。
适用范围：
35-63KV配电装置出线回路数不超过3回；110-220KV配电装置的出线回路数不超过2回。
2.1.2单母线分段接线
优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。
当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越。
扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
35KV配电装置出线回路数为4-8回时；110-220KV配电装置出线回路数为3-4回时。
2.2.3单母分段带旁路母线
这种接线方式在进出线不多，容量不大的中小型电压等级为
35-110KV的变电所较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。
2.2.4桥型接线
1、内桥形接线
优点：
高压断器数量少，四个回路只需三台断路器。
缺点：
变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运；桥连断路器检修时，两个回路需解列运行；出线断路器检修时，线路需较长时期停运。
适用范围：
适用于较小容量的发电厂，变电所并且变压器不经常切换或线路较长，故障率较高的情况。
2、外桥形接线优点：
高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。
缺点：
线路的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运。
高压侧断路器检修时，变压器较长时期停运。
适用范围：
适用于较小容量的发电厂，变电所并且变压器的切换较频繁或线路较短，故障率较少的情况。
2.2.5双母线接线
优点：
1）供电可靠,可以轮流检修一组母线而不致使供电中断；一组母线故障时，能迅速恢复供电；检修任一回路的母线隔离开关，只停该回路。
2）调度灵活。
各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。
3）扩建方便。
向双母线的左右任何的一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。
4）便于试验。
当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。
缺点：
1）增加一组母线和使每回线路需要增加一组母线隔离开关。
2）当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。
为了避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。
适用范围：
6-10KV配电装置，当短路电流较大，出线需要带电抗器时；35KV配电装置，当出线回路数超过8回时，或连接的电源较多、负荷较大时；110-220KV配电装置，出线回路数为5回及以上时，或110-220KV配电装置在系统中占重要地位，出线回路数为4回及以上时。
226双母线分段接线
双母线分段可以分段运行，系统构成方式的自由度大，两个元件可完全分别接到不同的母线上，对大容量且相互联系的系统是有利的。
由于这种母线接线方式是常用传统技术的一种延伸，因此在继电保护方式和操作运行方面都不会发生问题，而较容易实现分阶段的扩建优点。
但容易受到母线故障的影响，断路器检修时需要停运线路。
占地面积较大。
一般当连接的进出线回路数在11回及以下时，母线不分段。
2.3电气主接线的选择
2.3.135kV电气主接线
根据资料显示，由于35KV的出线为4回，一类负荷较多，可以初步选择以下两种方案：
1）单母分段带旁母接线且分段断路器兼作旁路断路器，电压等级为35kV〜60kV，出线为4〜8回，可采用单母线分段接线，也可采用双母线接线。
2）双母接线接线
表2.235KV主接线方案比较
方案项目
方案I单母分段带旁母
方案U双母接线
技术
①单清晰、操作方便、
①供电可靠
易于发展
②调度灵活
②可靠性、灵活性差
③扩建方便
③旁路断路器还可以
④便于试验
代替出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要用户供电
④扩建时需向两个方向均衡扩建
⑤易误操作
经济
①设备少、投资小
①设备多、配电装置
②用母线分段断路器兼
复杂
作旁路断路器节省投资
②投资和占地面大
虽然方案I可靠性、灵活性不如方案但其具有良好的经济性。
鉴于此电压等级不高，可选用投资小的方案I。
232110kV电气主接线
根据资料显示，由于110KV没有出线只有2回进线，可以初步选择以下两种方案：
1）桥行接线，根据资料分析此处应选择内桥接线。
2）单母接线。
表2.3110KV主接线方案比较
方案项目
方案I内桥接线
方案H单母分段
技术
②线清晰简单
②调度灵活，可靠性不咼
1简单清晰、操作方便、易于发展
2可靠性、灵活性差
经济
1占地少
2使用的断路器少
①备少、投资小
经比较两种方案都具有接线简单这一特性。
虽然方案I可靠性、灵活
性不如方案但其具有良好的经济性。
可选用投资小的方案I
第3章所用电的设计
变电所的所用电是变电所的重要负荷，因此，在所用电设计时应
按照运行可靠、检修和维护方便的要求，考虑变电所发展规划，妥善解决因建设引起的问题，积极慎重地采用经过鉴定的新技术和新设备，使设计达到经济合理，技术先进，保证变电所安全，经济的运行。
3.1所用电接线一般原则
1）满足正常运行时的安全，可靠,灵活,经济和检修，维护方便等一般要求。
2）尽量缩小所用电系统的故障影响范围，并尽量避免引起全所停电事故。
3）充分考虑变电所正常，事故,检修,起动等运行下的供电要求，切换操作简便。
3.2所用变容量型式的确定
站用变压器的容量应满足经常的负荷需要，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台所变压器停运时，其另一台变压器容量就能保证全部负荷的60〜70%由于S站=60KVA且由于上述条件所限制。
所以，两台所变压器应各自承担30KVA当一台停运时，另一台则承担70%为42KVA
故选两台50KVA的主变压器就可满足负荷需求。
考虑到目前我国配电变压器生产厂家的情况和实现电力设备逐步向无油化过渡的目标，可选用干式变压器。
表3.1S9-50/10变压器参数表
型号
电压组合
连接组标号
空载损耗
负载损耗
空载电流
阻抗电压
高压
高压分接范围
低压
S9-50/
10±5%
10;6.3;
0.4
Y,yn
0.1
0.8
2.8
4
10
6
0
7
7
3.3所用电接线方式确定
所用电的接线方式，在主接线设计中，选用为单母分段接线选两台所用变压器互为备用，每台变压器容量及型号相同，并且分别接在不同的母线上
3.4备用电源自动投入装置
3.4.1备用电源自动投入装置作用
备用电源自动投入装置目标：
为消除或减少损失，保证用户不间断供电。
BZT定义：
当工作电源因故障被断开以后，能迅速自动的将备用电源投入或将用电设备自动切换到备用电源上去，使用户不至于停电的一种自动装置简称备自投或BZT装置。
3.4.2适用情况以及优点
1）发电厂的厂用电和变电所的所用电。
2）有双电源供电的变电所和配电所，其中一个电源经常断开作为备用。
3）降压变电所内装有备用变压器和互为备用的母线段。
4）生产过程中某些重要的备用机组
采用BZT的优点：
提高供电的可靠性节省建设投资，简化继电保护装置，限制短路电流，提高母线残压。
3.4.3BZT的工作过程及要求[2]
BZT装置应满足的基本要求：
1）工作母线突然失压，BZT装置应能动作。
2）工作电源先切，备用电源后投。
3）判断工作电源断路器切实断开，工作母线无电压才允许备用电源合闸。
4）BZT装置只动作一次，动作是应发出信号。
5）BZT装置动作过程应使负荷中断供电的时间尽可能短。
6）备用电源无压时BZT装置不应动作。
7）正常停电时备用装置不启动。
8）备用电源或备用设备投入故障时应使其保护加速动作。
BZT装置应由低电压启动部分和自动重合闸部分组成，低电压启动部
分是监视工作母线失压和备用电源是否正常；自动重合闸部分在工作电源的断路器断开后，经过一定延时间将备用电源的断路器自动投入。
变电所BZT装置工作过程：
1）110KV侧BZT当某一条110KV母线故障导致母线失压，故障侧断路器切断工作电源，非故障侧母线与桥型母线上BZT动作，将故障侧设备自动切换到非故障侧。
2）35KV侧BZT:
当某一条35KV母线故障导致母线失压，故障侧断路器切断工作电源，BZT动作，将故障侧设备自动切换到非故障侧。
3）10KV侧、所用电BZT:
当某一条10KV母线或所用电母线故障导致母线失压，故障侧断路器断开，BZT动作，母联断路器合闸，将故障侧负荷切换到非故障侧。
第5章短路电流计算
在电力系统运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常
运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路，因
为它们会遭到破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行。
5.1短路计算的目的
1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。
4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
5.2短路计算过程
5.2.1110KV短路电流计算
1）根据资料，110KV火电厂的阻抗可归算为以下
图5.1110KV火电厂接线图
KJ
X1
图5.2110KV火电厂阻抗图
在短路计算的基本假设前提下，选取Sb=100MVAUB=UAv
0.8
各绕组等值电抗
Us（i-2）%取17%,Us（2-3）%取6%,Us（3-1）%取10.5%
1
US1%=US（1-2）%+US（3-1）%一Us（2-3）%）
1
=-（1710.5-6）=10.75
2
1
US2%=2（US（1-2）%+US（2-3）%-Us（3-i）%）
1
=-（176-10.5）=6.25
2
1
US3%=^（US（2-3）%+US（3-1）%一US（1-2）%）
1
=（610.5T7）=-0.25
2
Us1%
100
Sb==1075型=0.179
SN10060
X8=X1//X2//X3=0.144
X9=（X4+X6）//（X5+X7）=0.0875
Xe=X9+X8=0.232
即火电厂的阻抗为0.232。
2）又根据资料所得，可将变电所视为无限大电源所以取
E=1S变no=I*Sb
I：
二竝=空弋5
II
E1
SB100
X变110■k■■0.154
I*6.5
同理：
因35KU变电所的短路容量为250MVA
所以1「二亘二空^2.5KA
SB100
X变35二~”—0.4
变35I*2.5
火电厂到待设计的变电所距离—2KM阻抗为每千米0.4欧
SB—00
X=Xl=—20.42=0.032
U2——52
——0KV变电所到到待设计的变电所距离9KM阻抗为每千米0.4
欧
X=XlS2=XlS2=90.4W0.027
u2u2——52
35KV变电所到到待设计的变电所距离7.5KM,阻抗为每千米0.4
欧
X=XlS=7.50.4—00=0.2—9U37
待设计变电所中各绕组等值电抗
—
US—%=2（US（—-2）%+Us（3-—）%-US（2-3）%）
—/
=—（6.5—7-—0.5）=6.5
2—
US2%=2（Us（—-2）%+Us（2-3）%一Us（3-—）%）
—
=—（6.5—0.5-—7）=0
2—
Us3%=-（US（2-3）%+US（3-—）%-US（—-2）%）
—
=（—0.5—7-6.5）=—0.5
US—%§^=—^型=0.525
—00Sn—0020
XT2二嗨旦2型=0
—00Sn—0020
7Us3%Sb6.5100CC"
Xt3b=0.325
100SN10020
该变电所的两台型号规格一样所以另一个变压器的阻抗和
Xti,Xt2,Xt3相同。
根据主接线图可简化为以下图型
图5.4主接线阻抗简化图
当K1点发生短路时将图四可转化为以下图行
图5.5K1点短路阻抗图
X1^X1X^0.232+0.032=0.264
x14=X2x4=0.154+0.027=0.181
X15=X5〃X6=0.263
X16
=X7〃X8=0.163
X17
=X9〃X10=0
X18
-X11X12==0.219+0.4=0.619
又因为E1是有限大电源（将0.263改为0.264）
所以.=0.264谙=0.248
冲击系数取1.8
im
lim=2I；Km=、，2X5.514X1.8=14.034KA
X100=1098.3MV.A
S=（Ir*I2*I3*）SB=（4.324+5.525+1.134）
5.2.235KV侧短路计算
根据图四进行Y，厶变换
图5.6星三角形转化图
图5.7K2点短路阻抗图
=°.2640.263°.2640.1810.181O.263^!
。
0.181
X「0.910册0.910x隔皿
查计算曲线取T为OS,可得I；一1.225
I2*
I3*
If
II
E2
X20
1
1.6
0.625
X；8
=（11*
11.616
0.619
I2*丨3*）Ib=（1.225+1.6+1.616）
汽一^0^=6.930KA
.3115
Iim
陰=Xx6.93x1.8=17.638KA
第5章继电保护配置
继电保护是电力系统安全稳定运行的重要屏障，在此设计变电站继电保护结合我国目前继电保护现状突出继电保护的选择性，可靠性、快速性、灵敏性、运用微机继电保护装置及微机监控系统提高变电站综合自动化水平。
5.1变电所母线保护配置
1、110KV35KV线路保护部分：
1）距离保护2）零序过电流保护
3）自动重合闸4）过电压保护
2、10KV线路保护：
1）10kV线路保护：
采用微机保护装置，实现电流速断及过流保护、实现三相一次重合闸。
2）10kV电容器保护：
采用微机保护装置，实现电流过流保护、过压、低压保护。
3）10kV母线装设小电流接地选线装置
5.2变电所主变保护的配置电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响，而本次所设计的变电所是110kv降压变电所，如果不保证变压器的正常运行，将会导致全所停电，影响变电所供电可靠性。
5.2.1主变压器的主保护
1、瓦斯保护对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。
其中轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器。
2、差动保护
对变压器绕组和引出线上发生故障，以及发生匝间短路时，其保护瞬时动作，跳开各侧电源断路器。
5.2.2主变压器的后备保护
1、过流保护
为了反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变
压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，所以需装设过电流保护。
2、过负荷保护
变压器的过负荷电流，大多数情况下都是三相对称的，因此只需装设单相式过负荷保护，过负荷保护一般经追时动作于信号，而且三绕组变压器各侧过负荷保护均经同一个时间继电器。
3、变压器的零序过流保护
对于大接地电流的电力变压器，一般应装设零序电流保护，用作变压器主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护，一般变电所内只有部分变压器中性点接地运行，因此，每台变压器上需要装设两套零序电流保护，一套用于中性点接地运行方式，另一套用于中性点不接地运行方式
第6章防雷接地
变电所是电力系统的中心环节，是电能供应的来源，一旦发生雷击事故，将造成大面积的停电，而且电气设备的内绝缘会受到损坏，绝大多数不能自行恢复会严重影响国民经济和人民生活，因此，要采
取有效的防雷措施，保证电气设备的安全运行。
变电所的雷害来自两个方面，一是雷直击变电所，二是雷击输电线路后产生的雷电波沿线路向变电所侵入，对直击雷的保护，一般采用避雷针和避雷线，使所有设备都处于避雷针（线）的保护范围之内，此外还应采取措施，防止雷击避雷针时不致发生反击。
对侵入波防护的主要措施是变电所内装设阀型避雷器，以限制侵
入变电所的雷电波的幅值，防止设备上的过电压不超过其中击耐压值，同时在距变电所适当距离内装设可靠的进线保护。
避雷针的作用：
将雷电流吸引到其本身并安全地将雷电流引入大地，从而保护设备，避雷针必须高于被保护物体，可根据不同情况或装设在配电构架上，或独立装设，避雷线主要用于保护线路，一般不用于保护变电所。
避雷器是专门用以限制过电压的一种电气设备，它实质是一个放电器，
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