35kV变电站电气部分设计.docx
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35kV变电站电气部分设计
摘要
本文根据变电站设计文件《35kV~110kV无人值班变电所设计规程》编写的。
本文以安全、可靠、经济为指导，在保证安全性的同时，尽量兼顾经济性。
本文分为三部分：
任务书、说明书、计算书。
第一部分为任务书，主要阐明了在毕业设计里应掌握的知识、技能以及应完成的成果；第二部分为说明书，是本文主要的部分之一，主接线、变压器选择及无功补偿、变电所保护都是在说明书中进行论述的；第三部分是计算书，包括短路计算和基于短路计算结果的导体及电气设备的选择计算。
首先通过所给数据，计算出有功负荷和无功负荷，根据有功负荷和无功负荷的值，计算出无功补偿的大小和变压器的容量。
比较接线方案，确定变电所电气主接线方案。
对变电所进行防雷、接地和继电保护。
其次，画出变电所电气部分简图，计算出在35kV侧和10kV侧的三相短路电流。
根据短路电流的计算结果，计算、选择、校验导体和电气设备。
确定所用电气设备的型号。
最后根据所电气设备所选型号，画出变电所主接线图，标明电气设备型号，整体完成毕业设计。
关键词：
变电站设计；负荷计算；短路电流计算；电气设备选择
Abstract
Thispaperisbasedonsubstationdesigndocument"35kV~110kVunattendedsubstationdesignrules"prepared.Thisarticleissafe,reliable,economicalasaguide,whileensuringsafety,whiletakingintoaccounttheeconomy.Thisarticleisdividedintothreeparts:
taskbook,manual,calculationbook.Thesecondpartisthemanual,whichisoneofthemainpartsofthispaper.Themainwiring,thetransformerselection,thesubstationprotectionarethemainpartofthemainpartofthispaper.Thefirstpartisthetaskbook,whichmainlyclarifiestheknowledge,skillsandtheresultstobecompletedinthegraduationdesign.Isdiscussedinthemanual;thethirdpartisthecalculationofbooks,includingshort-circuitcalculationandshort-circuitcalculationbasedontheresultsofconductorandelectricalequipmentselectioncalculation.
Firstofall,throughthedatagiventocalculatetheactiveloadandreactiveload,accordingtotheactiveloadandreactiveloadvalue,calculatethesizeofreactivepowercompensationandtransformercapacity.Comparethewiringschemetodeterminetheelectricalmainwiringschemeofthesubstation.Lightningprotection,groundingandrelayprotectionforsubstations.
Secondly,drawaschematicdiagramoftheelectricalpartofthesubstation,calculatethe35kVsideand10kVsideofthethree-phaseshort-circuitcurrent.Calculate,select,verifyconductorsandelectricalequipmentbasedontheresultsoftheshort-circuitcurrentcalculation.Determinethetypeofelectricalequipmentused.
Finally,accordingtotheelectricalequipmentselectedmodels,drawthesubstationmainwiringdiagram,indicatingtheelectricalequipmentmodel,theoverallcompletionofgraduationdesign.
Keywords:
substationdesign;loadcalculation;short-circuitcurrentcalculation;chooseelectricaldevice
第一章任务书
1.1毕业设计的主要内容
这次毕业设计要求设计一个35kV~10kV的降压变电所。
包括任务书、说明书、和计算书。
同时还有一张主接线图附在本文最后。
待设计的变电所有两台主变，有两个电压等级，分别是35kV和10kV。
8回出线，其中有两回为二级负荷，其余为三级负荷。
本次设计中包含设计主接线方案、计算并且确定主变压器型号、计算不同点三相短路电流、导体型号确定及电气设备、继电保护的配置和变电所的防雷保护及接地保护。
并对系统设计其他相关知识做粗略的说明和阐述。
1.2毕业设计应完成的成果
说明书中包括：
主接线设计、主变压器选择、短路电流的计算结果、导体及电气设备选择、变电所继电保护的配置、防雷保护及接地装置。
计算书包括：
短路电流计算过程、导体及电气设备选择的计算过程。
在毕业设计的最后，还有附变电所电气部分主接线图纸一份。
1.3应掌握的知识与技能
1.发现问题、独立解决问题的能力
2.学习新知识并立即运用的能力
3.熟悉变电所设计的基本步骤和先后顺序、设计过程、检验标准、计算公式。
4.了解在保证变电所安全性的前提下，如何节省投资成本。
5.培养查阅高质量文献的能力。
第二章说明书
2.1概述
电能社会发展和进步的主要推动力，它已经渗透到人民生活、经济、工业等各个部门的方方面面。
可以说现代社会的根基之一就是电能。
电能的发展对推动人类整体进步，加快社会发展，加速实现和谐社会的目标具有十分积极的作用。
目前发达国家电气技术发展已经比较成熟，变电所无人值班、超高压输电、智能继电保护等是目前电网研究的基本方向。
我国的电力行业虽有了水平明显的提升，但是相比较于其他发达国家，我国电网是发展速度依旧较为落后，仍然许多不足和缺陷。
例如，我国现行的常规变电所最突出的问题是电气设备老旧，电气接线不合理，建筑占地面积多，投资成本高，损耗高，变电效率低下，尤其是在一、二次设备问题上，例如开关设备。
从发展的观点来看，这种变电所将越来越不满足我国城市和农村发展的需求。
变电所作为电能输送中的重要中转站，它和整个电气系统的安全性和可靠性紧密相连，它是发电厂和用户之间的一座桥梁，变电所为各地区用户变换和分配电能。
所以对变电所的重新设计刻不容缓。
设计优秀的变电所不仅能充分满足地区性的用电需求，而且还能节约投资成本和不必要的电气设备。
本次变电所的设计根据一般变电所的设计步骤进行设计，包括负荷统计、主变选择、主接线选择、短路电流计算、设备选择和校验，继电保护和防雷保护等几大块。
并依据相关规定和章程设计其中几个步骤，所以能满足一般变电所的要求。
按GB50052-2009《供配电系统设计规范》规定，一级负荷：
任何可能造成人身财产损失，或者巨额经济损失，或者影响重要用电单位的正常工作的情况，都定义成为一级负荷。
对一级负荷来说，突然停止供电的后果是不可想象的，例如重要生产设备损毁、重要产品大量报废，生产厂商的生产周期或生产速度被打乱，需要时间恢复等。
二级负荷：
停止对二级供电的后果虽然不如一级负荷严重，但是依旧要尽量避免对二级负荷停电。
停止对其供电会影响较重要的用电单位正常工作或是造成用电单位巨额财产损失，例如大批产品失效，工厂需要一定周期才能完全恢复生产周期，和产品减产等。
三级负荷：
一切均不属于一、二级负荷的负荷均属于三级负荷。
各级电力负荷对供电电源的要求：
一级负荷对供电电源的要求。
一级负荷要求两路独立电源供电，因为一级负荷十分重要，对其停电所造成的后果相当严重，所以应尽量保持对一级负荷的供电。
当供电的一路电源出现问题，另一正常工作的线路不会有影响，还有能力继续为一级负荷供电。
一级负荷里还有停电后果比一级负荷停电还要严重的的负荷，对于这种负荷，除了上述方法，还有一种方法保证连续供电：
线路紧急电源且禁止将应急供电线路用作他用。
二级负荷对供电电源的要求。
对二级负荷停止供电的后果也是十分严重的，所以二级负荷也需要两路进线，这一点和一级负荷类似。
供电变压器应该有两台，且两台变压器的电源进线可以出自两个不同变电所的出线。
当其中一台变压器或者线路发生故障时，二级负荷不受影响，或者即便停电，但是能在短时间内恢复正常生产。
只有当实际情况较为特殊，例如范围有限制，或者实际配电艰难时，二级负荷才可以由一条回路供电。
回路最好是架空线，这样便于检查和修复。
如果必须用敷设地下电缆的方式给二级负荷供电，则须采用两根电缆并列供电，每根电缆应能承受全部的负荷。
三级负荷对供电电源的要求。
因为三级负荷的重要性远不如一、二级负荷，所以三级负荷对供电电源无特殊要求。
电力系统原始设计资料：
l
1.系统情况
变电所向某小镇供电，其中10kV侧的居民区、学校、医院、汽车站为二级负荷，其它的为三级负荷。
2.电源情况
（1）进线：
由50km外区域变电所经两条架空线到本变电所；
（2）电压等级：
35/10kV；
（3）出线：
10kV侧8回架空线；
（4）投运后变压器35kV侧功率因数要求到达0.9。
3.本地区环境条件
最高气温39℃；最低气温-10℃；年平均气温16.4℃；最热月平均气温26℃；海拔800m以下；常年季候风。
4.远景发展
10kV侧远景（本变电所建成5年内）拟发展千回电缆出线，总负荷不超过120MW。
5.负荷情况
（1）10kV侧负荷同时率：
0.85；
（2）10kV侧最小负荷是最大负荷的50%；
（3）10kV侧最大负荷利用小时数T=4800h；
（4）10kV年负荷增长率为5%。
具体负荷情况如表2-1所示
表2-110kV负荷情况
负荷名称
额定容量/kW
额定电压/kV
功率因数
供电线路长度/m
钢材厂
800
10
0.8
200
电子厂
1200
10
0.85
200
汽车站
1200
10
0.8
400
学校
1500
10
0.85
400
居民区
1800
10
0.8
500
纺织厂
1800
10
0.85
200
医院
1800
10
0.8
500
工具厂
2500
10
0.9
200
2.2主接线设计
2.2.1概述
变电所最中心的结构是电气主接线，同时也是电网的至关重要的构成部分之一。
电气主接线对设计变电所的方方面面都有很大的影响，例如如何按照计算数据电气设备的选择，配电装置布局、继电保护、自动装置和控制方式等。
在设计电气主接线时，应该以任务书为设计依据，满足可靠性、灵活性、经济性的要求，并在5~10年内具有可扩展的空间。
因此，为了保证电气主接线的准确符合实际，必须权衡气候、水文、土壤电阻率等各个方面的因素，经过技术经济论证后才能确定。
对电气主接线的基本要求：
1.可靠性
供电的可靠性是电力产生、传输的第一要务，在设计主接线时，首先考虑的因素就是可靠性和安全性。
变电所主接线作为输配电网络的重要组成部分之一，其故障不仅会造成用户停电，还可能引发整个电网出现危机，严重时会造成系统稳定性受到威胁，这不仅会给电力系统造成巨额利润侵害，给电力系统带来不稳定的因素，也会令财产损失重大。
因此拟定主接线时首先必须满足供电可靠性这个基本要求。
衡量主接线可靠性的标志是：
（1）当检查断路器时，是否会对影响对用户的正常生活带来不便；
（2）所有发电厂或变电所停运的可能性大小；
（3）输送电线路、高压侧断路器、低压侧断路器、母线非正常运行或检修时停运回路数的多少、停运时间的长短以及可否保障对重要用户继续供电。
（4）大容量发电机组及超高压配置是不是满足可靠性要求；
2.灵活性
主接线能适应于各种工作情况和运行方式，并根据实际运行情况方便的投切电气设备。
3.经济性
主接线的拟定要以保证安全性和可靠性为标准，尽量达到投资成本最低的基本需求。
做到变电站投资节约，变电所建筑结构紧凑，电功率变换损失小。
为此，主接线应简单清晰，尽量减少开关电器数量，必要时采取限流措施，以便选用轻型电器而降低投资。
设计主接线还应考虑配电装置，以节约占地和节省框架及导线的安装费用。
2.2.2主接线方案的确定
待设计变电所为一35kV~10kV降压变电所，由50km外区域变电所经两条架空线到本变电所。
35kV侧只有两回电源进线，无出线。
10kV侧无电源，有8回架空线给各机构供电。
有关技术手册规定：
桥形接线适用于35kV~6kV的供配电系统中，且出线为两回。
单母线接线或者母线分段一般用于出线在三回及其以上。
双母线接线特别适用于出线回路相当多、连接多个电源、负荷大或污秽环境中的35kV~6kV屋外配电的情况。
所以，本变电所出线的备选方案为：
单母线分段、双母线接线、双母线分段接线、双母线带旁路接线。
1.单母线分段如图1所示
（1）当单母线任意一个分段需要停电时（例如检修或故障），此分段上所有的负荷都会停止运行，这样会使在这条分段母线上的用户无法正常生活、工作；
（2）当对某一路线上的断路器进行检查时，该路线必须暂停供电；
（3）当某一母线出线非正常运行或者需要检修时，仅需要将连接两条母线的断路器和隔离开关断开，另一半正常运行线路可以继续对用户供电；
（4）对十分核心的用户，允许两条电源进线来自不同的母线分段，一路为主线路，另一路为备用。
2.
双母线接线如图2所示
图2
（1）双母线标准运行方式通常采用固定连接的两组母线同时运行的方式，这时母联断路器闭合，两组母线等电位；
（2）由于双母线特殊的结构，可以让工作人员轮流检修母线而达到不影响供电的效果；
（3）双母线便于向外扩展而不会影响两组母线上电源和负荷的组合；
（4）但是双母线接线设备多、造价高、接线复杂、配电装置复杂容易误操作；
3.双母线分段如图3所示
图3
双母线分段融合了以上两种接线方式的优点，可以以多种方式运行，具有较高的可靠性和灵活性。
分段数目多会增加建设成本，同时给操作和运行带来不便。
4.双母线带旁路接线如图4所示
图4
以上4个方案，所需断路器和隔离开关数量见表2-2：
表2-24种方案所需断路器和隔离开关数目
方案比较
单母线分段
双母线
双母线分段
双母线带旁路
断路器数
7
7
9
8
隔离开关数
12
18
24
29
四种方案分析比较：
方案1结构简单，清晰，设备少。
然而每当母线故障或需要检修时，整个系统全部断电，断路器检修期间也需要暂停对该回路的供电，因本设计有医院、居民区、学校、汽车站4个二类负荷，所以方案1不适合本设计。
方案2与方案1相比，使用断路器数量相同，隔离开关数较多但是供电可靠性大大增强，所以方案2比方案1更加适合本设计。
方案3成本比方案1和方案2成本高，但是结合了单母线分段设计和双母线接线的优势。
虽然成本较高，但是变电所应该在保证可靠性的前提下尽量节约成本。
方案4运行操作时方便，不影响双母线正常运行，检修出线断路器可以不停电，但是这种接线增加了断路器和隔离开关，增加了投资成本和供配电设备和建筑的占地面积，同时注意到整定各回路的继电保护值时，再与旁路断路器相配合是很困难的，会使继电保护整定计算更加复杂。
所以本设计选择方案3。
最终的接线选择见图5。
图5
2.3主变压器选择
主要考虑变压器的台数，容量；变压器的型号，冷却方式等。
2.3.1变压器的容量和台数的选择
根据变电所的实际情况，应根据以下原则进行选择：
1.选择主变压器的容量时，应该考虑到变电所建成后5年到10年的规划。
2.通常在设计变电所时，按照电压网络的结构和变电所所带的负荷的性质来确定主变的容量和台数，变电所供电给重要用户时，一般装设两台变压器。
有重要用户的变电所应考虑当一台主变停运时其余变压器在一定的允许时间内，应确保对一级、二级负荷用户的供电；对于没有什么重要性的变电所，例如小区变电所，一台变压器无法正常工作时，另一台应能负荷所有负载的七成到八成。
3.同级电压的降压变压器容量的级别不宜过多，应系列化，标准化
4.对于大城市市郊的一次变电所，变电所装设两台变压器为宜。
根据所给任务书统计各线路的负荷：
钢材厂：
P1=800×0.8=640kW
Q1=800×0.6=480kvar
电子厂：
P2=1200×0.85=1020kW
Q2=1200×0.53=636kvar
汽车站：
P3=1200×0.8=960kW
Q3=1200×0.6=720kvar
学校：
P4=1500×0.85=1275kW
Q4=1500×0.53=795kvar
居民区：
P5=1800×0.8=1440kW
Q5=1800×0.6=1080kvar
纺织厂：
P6=1800×0.85=1530kW
Q6=1800×0.53=954kvar
医院：
P7=1800×0.8=1440kW
Q7=1800×0.6=1080kvar
工具厂：
P8=2500×0.9=2250kW
Q8=2500×0.43=1075kvar
数据汇总见表2-3。
表2-3各回线负荷数据汇总
负荷名称
有功功率/kW
无功功率/kvar
钢材厂
640
480
电子厂
1020
636
汽车站
960
720
学校
1275
795
居民区
1440
1080
纺织厂
1530
954
医院
1440
1080
工具厂
2250
1075
总负荷：
P=640+1020+960+1275+1440+1530+1440+2250=10555kW
Q=480+636+720+795+1080+954+1080+1075=6820kvar
由资料已知，10kV负荷同时率为0.85，取有功负荷同时系数为Kj=0.85，无功同时系数Koq=0.95.
计算负荷：
Pjs=KjP=0.85×10555=8972kW
Qjs=KoqQ=0.95×6820=6479kvar
Sjs=
=
=11067kVA
变压器中有功和无功损耗可以用以下近似公式进行计算：
ΔPB=0.02Sjs=0.02×11067=221.34kW
ΔQB=0.08Sjs=0.08×11067=885.36kvar
变电所35kV侧总负荷为：
P∑=Pjs+ΔPB=8972+221.34=9133.34kW
Q∑=Qjs+ΔQB=6479+885.36=7364.36kvar
在日常生活中，大多数用电设备都是感性负载，例如异步电机、同步电机、变压器、电抗器、电焊机等。
以上列举的负载不仅需要从电网吸收有功功率，有功功率以热能和各种其他形式的能量对物体做功，还要为了建立正常工作所必须的交变磁场而吸收无功功率。
然而在传输功率一定的情况下，无功功率比例增大，功率因数减小，将带来许多不良后果：
功率因数过小，引起会路正常工作电流增大；同时加剧了供电网络中的功率及电能损耗；增大了供电网络末端的电压降，影响负荷端的电压质量，可能会使异步电机发生故障；由于输电功率一定，无功功率增大，有功功率必然减小，这样就不能充分利用设备的容量，供电能力下降；提高发电成本，使发电机的输出能力下降，发电设备效能降低。
综上，无功功率对电源及供配电电网都有不好的影响，但是无功功率也是电气设备正常运行不可或缺的能源。
从节约电能、改善配电设备容量的利用率和提高电能质量等方面来看，减小无功功率的任务刻不容缓，所以，需要增加无功补偿设备，计算补偿电容容量的大小。
由资料可知，变电所的功率因数一般在0.9~0.95比较适宜，本文设计变电所取功率因数cosφ2=0.92，则tanφ2=0.42，系统供给的无功功率Qx：
Qx=P∑·tanφ=9133.34×0.42=3835kvar
需要补偿的无功功率QC为：
QC=Q∑—Qx=7364.36-3835=2739≈2740kvar
补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：
S=
kVA
变压器的功率损耗为：
ΔPT=0.015S=9905×0.015=148.58kW
ΔQT=0.06S=9905×0.06=594.3kvar
变压器高压侧的计算负荷为：
P9=9133+148.58=9281.5kW
Q9=3835+594.3=4429.3kvar
S=
kVA
=0.90
符合任务书要求。
变电所主变容量为：
Sj=
=
10148kVA
因为本变电所有二级、三级负荷，采用两台变压器，一台作为主变，一台作为后备电源。
若每台变压器的容量要求能带全部的70%~80%计算
Sj=0.7Sj=0.7×10148=7103.6kVA
变压器选择数据见表2-4。
表2-4变压器选择数据表
型号
额定
容量
/kVA
额定
电压/kV
损耗
/kW
阻抗
电压
/%
空载
电流
/%
连接组别
高压
低压
空载
短路
SF9-8000/35
8000
35
10
9.2
40.5
6.5
0.8
Y/d11
2.3.2变压器绕组形式的确定
运输情况不影响变压器时，一般330kV及其以下的变电所均使用三相变压器。
由于三相变压器比单相变压器制造成本低、体积小、有功和无功损耗小、配置装置结构简单。
对于超大型变压器，当变压器制造工艺水平和交通物流条件受到限制时，一般用两台或多台三相小变压器代替一台三相大容量的变压器。
对于500kV及以上的电压等级来说，选择变压器时，除了容量、
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