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课程设计

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摘要

随着社会现代化建设的飞速发展,近年来城市电网建设力度亦随之加大,各地区不同电压等级变电所的建设已成为电力行业中非常重要的一项建设发挥着重要的作用。

本毕业设计论文是东郊二次变电所电气工程（部分）初步设计。

全论文除了摘要、毕业设计书之外，还详细说明了各种设备选择的最基本的要求和原则依据。

变压器的选择包括：

主变压器的台数、容量、型号等主要技术数据的确定；电气主接线主要介绍了电气主接线的重要性、设计依据、基本要求、各种接线形式的优缺点以及主接线的比较选择，并制定了适合要求的主接线；短路电流计算是最重要的环节，本论文详细的介绍了短路电流计算的目的、假定条件、一般规定、元件参数的计算、网络变换、以及各短路点的计算等知识；高压电气设备的选择包括母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器的选择原则和要求，并对这些设备进行校验和产品相关介绍。

根据本论文所介绍的60kV高压配电装置的设计原则、要求，此次设计本所60kV配电装置采用三相中型布置。

继电保护和自动装置的规划，包括总则、自动装置、一般规定主变压器、母线等设备的保护，而变电所的防雷保护则主要针对避雷针和避雷器的设计。

此外，在论文适当的位置还附加了图纸（主接线、平面图、断面图、防雷保护等）及表格以方便阅读、理解和应用。

本次设计是通过本人的精心设计论证完成的。

整个设计过程中，全面细致的考虑工程设计的可靠性、经济性、灵活性等诸多因素，最终完成本设计方案。

通过完成此毕业设计论文，进一步领会我国电力工业建设的政策观念和经济观点，培养对工程技术、经济进行较全面的综合分析能力。

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第一篇说明书

第一章原始资料分析

一、设计题目

设计题目：

东郊二次变电所电气工程（部分）设计二、设计的原始资料

１、待设计变电所为造纸厂专变电所，电压等级为60/10kv，60kv侧有两回进线，两回转供线，转供功率为15MVA，10kv侧有配出线16回。

２、所处地区地势平坦，海拔高度为100m，交通方便，周围空气无污染，最高气温

40℃，最低气温-25℃，年平均气温10℃。

３、系统网络如图所示：

４、10kv侧负荷表：

5、其他条件

１）线损率取5%。

２）荷的同时系数取0.9。

３）有负荷率取0.75；无功负荷率取0.8

４）要求变电所的平均功率因数补偿到0.9以上。

第二章主变压器台数、容量的选择

一、主变压器台数、容量的确定

主变压器容量一般按变电所建成后5—10年规划负荷选择，该变电站近期和远期负荷都已给定，所以，应接近近期和远期总负荷来选择主变容量。

根据变电站所带负荷的性质和电网的结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电站应考虑当一台主变压器停用时，其余变压器容量在计及过负荷能力的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性变电站当一台主变压器停用时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70—80%。

该变电所的主变压器是按全部负荷的70%来选择，因此装设两台变压器后的总的容量Se=2×0.7×Pm=1.4Pm。

当一台变压器停运时,可保证对70%负荷的供电。

考虑到变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证98%负荷供电。

该区域小水电电力经变电站35kV和10KV侧进线引进，经高压侧110kV母线外送至主网，因此，主变压器的容量为Se=0.7（S35+S10-S近区负荷）。

（S35+S10为考虑了上网同时率后３５kＶ、１０kＶ侧的总的上网变电容量，S近区负荷为近区用电负荷与计算容载比的积）

2、主变压器台数的确定

选择变电所主变压器台数时需遵守下列原则。

（1）对接有大量一、二级负荷的变电所，宜采用两台变压器，可保证一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。

（2）对只有二级负荷的变电所，如果低压侧有与其他变电所相连的联络线作为备用电源，也可采用一台变压器。

（3）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大的变电所，可采用两台变压器，实行经济运行方式。

（4）对负荷集中而容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可采用两台或两台以上变压器，以降低单台变压器容量。

（5）除上述情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。

另外在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑未来5—10年负荷的增长。

二、主变压器型式的选择

1、主变压器相数的选择

主变压器采用三相或单相，主要考虑变压器的制造条件，可靠性要求及运输条件等因素，尤其是大型变压器需要考虑其运输可能性，确保运输尺寸不超过隧洞、涵洞、桥洞的允许通过限额，运输重量不超过桥梁、车辆、船舶等运输工具的允许承载能力，当不受运输条件限制时，在330KV及以下的变电所均应选用三相变压器。

本次设计变电站是一个60KV降压变电站，交通便利，不受运输条件限制，故可选三相变压器。

选三相变压器相对于单相变压器而言，不仅减少了土地占用面积，而且投资小，占地少，运行损耗小，同时配电装置以及继电保护和二次接线比较简单，减少了维护及倒闸操作的工作量。

2、主变压器绕组数量和连接方式的选择

在具有三种电压等级的变电站中，如通过变压器各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但在变电站内需装设无功补偿设备时，主变压器采用三绕组变压器，因为一台三绕组变压器的价格及所用的控制电器和辅助设备，比相对应的两台双绕组变压器的少。

本次设计的变电站具有三种电压等级，中、低压侧上网容量均为主变压器的15%以上，考虑到运行维护和操作的工作量，及占地面积等因素，因此，选择三相三绕组变压器。

在生产及制造中三绕组变压器有自耦变压器、分裂变压器以及普通三绕组变压器。

自耦变压器与同容量的普通变压器相比具有很多优点，阻抗小，对改善系统稳定性有一定作用，但也存在一些缺点。

由于自耦变压器公共绕组的容量最大只能等于电磁容量，因此在某此运行方式下，自耦变压器的传输容量不能充分利用，而在另外一些运行方式下，又会发现过负荷，由于自耦变压器高、中压绕组的自耦联系，其阻抗比普通变压器小，它的中性点要直接接地，所以使单相和三相短路电流急剧增加，有时单相短路电流会超过三相短路电流，造成选择高压电气设备的困难和对通讯线路的危险干扰。

同时，自耦变压器零序保护的装设与普通变压器不同。

自耦变压器的高、中压两侧的零序电流保护，应接于各侧套管电流互感器组成的零序电流过流器上，并根据选择性的要求装设方向元件。

自耦变压器中的冲击过电压比普通变压器要严重得多，其原因是高、中压绕组有电的联系，高压侧出现的过电压波能直接传到中压侧。

另一个原因是从高压侧绕组上进入的冲击波加在自耦变压器的串联绕组上，而串联绕组的匝数通常比公共绕组的匝数少得多，因此在公共绕组中感应出来的过电压大大超过侵入波幅值普通变压器，当一次电压波动时，为了得到稳定的二次电压，一次绕组匝数作相应调整，以维持每匝电势不变，以及维护铁芯磁通密度不变，如高压侧电压升高则应增加高压绕组，而中性点调压的自耦变压器则要减少匝数，亦维持二次电压不变，这就导致每匝电势增加，亦即导致铁芯更加饱和。

当中、低压侧负荷都较大时，不宜采用自耦变压器。

分裂变压器约比同容量的普通变压器贵20%。

分裂变压器虽然它的短路阻抗较大，当低压侧绕组产生接地故障时，很大的电流向一侧绕组流去，铁芯中失去磁势平衡，在轴向上产生巨大的短路机械应力，在分裂变压器中对两端低压母线供电时，如果两端负荷不相等，两端母线上的电压也不相等，损耗也应增大。

普通三绕组变压器价格在自耦变压器和分裂变压器之间，安装以及调试灵活，满足各种继电保护的要求，又能满足调度的灵活性，它还分为无激磁调压和有载调压两种，这样它能满足各个系统中的电压波动，它的供电可靠性也高。

综上分析，本次设计的变电所选择普通三绕组变压器。

变压器绕组的连接方式和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接方式只有Y和Δ。

我国110KV及以上电压，变压器绕组都采用Y连接，35KV电压采用Y连接，其中中性点多通过消弧线圈接地。

10KV电压如采用Y连接，虽有利于并网时相位一致，而且零序阻抗较大，对限制单相短路电流有利，也便于接入消弧线圈，但是由于Y连接三次谐波无通路，因此将引起正弦波电压的畸变，并对通讯设备产生干扰，继电保护整定的准确度和灵敏度均受影响。

如果影响较大，还必须综合考虑系统发展才能选用。

采用Δ接线可以消除三次谐波的影响。

故本次变电站设计的电压等级60kv，所以选用主变的接线组别为yn0

第三章电气主接线选择

一次接线图又称为电气主接线图或一次系统图，是由各种主要的电气设备（包括变压器、开关电器、互感器及连接线路等）按一定顺序连接而成的接受和分配电能的总电路图。

一、主接线的设计原则

1、主接线的设计依据

电气主接线是变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。

主接线的确定对电力系统整体及变电站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择，配电装置布置，继电保护和控制方式的拟订有较大影响。

因此，必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响，通过技术经济比较，合理确定主接线。

2、主接线设计的基本要求、

在选择电气主接线时，应以下列各点作为设计依据：

变电所在电力系统中的地位和作用，负荷大小和重要性等条件确定，并且满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。

一、可靠性是电力生产和分配的首要要求。

主接线首先应满足这个要求。

主接线可靠性的具体要求：

（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电。

（2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部或部分二级负荷的供电。

（3）尽量避免发电厂，变电所全部停运。

二、灵活性。

主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。

（１）调度时，应可以灵活地投入和切除变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。

（２）检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电。

（３）扩建时，可以容易地从初期接线过度到最终接线，在不影响连续供电或停电时间最短的情况下投入新设备并且对一次和二次部分的改建工作量最少。

三、经济性

主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下，做到经济合理。

１）投资省

（1）主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备。

（2）要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备控制电缆。

（3）要能限制短路电流、以便于选择价廉的电气设备或轻型电缆。

（4）如能满足系统安全运行及继电保护要求，110KV及以下终端或分支变电所可采用简单电器。

２）占地面积小，主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少。

３）电能损失少，经济合理地选择主变压器的种类（比如绕组、三绕组、自耦变压器），容量、数量，要避免两次变压而增加电能损失。

二、电气主接线的选择

1、60kV侧接线方式的选择与论证

60KV侧，规程上讲，对于变电所的电气主接线，当满足运行要求时，其高压侧应尽量采用桥形线路。

待设变电所一次进线为两回，故拟定以下两种方案。

综合以上比较及所设计变电所的特点，故选用内桥式接线方式。

远期最大负荷运行小时为5000h，故查手册得经济电流密度Je=1.06A/mm2

则经济截面为：

在《电气工程设计手册1》中查得，应选的母线为LGJ-185

K实际环境温度和海拔有关的综合修正系数K2=（80-10）/（80-25）

为了使导线统一和购进材料得方便，60KV侧的所有母线均选用LGJ-185型母线。

2、10kV侧接线方式的选择与论证

规程上讲，当变电所装有两台主变压器时，6-10KV侧宜采用分段单母线，线路为12回及以上时亦可采用双母线，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。

待设变电所10KV侧有13回出线，可行性的方案有单母线分段、单母分段带旁路、双母线。

以下

对两种方案进行比较：

分析：

单母线分段较单母线分段带旁路和双母线简单、经济性好，但供电可靠性和灵活性较差，但通过对待设变电所所带负荷进行分析，待设变电所所带重要负荷均为两回线，我们可以对重要负荷从不同段引出两个回路，有两个电源供电，提高了供电的可靠性，完全可以弥补单母线分段接线供电可靠性不高的缺陷。

因此，综合各方面因素，二次侧宜采用单母分段，其接线图如下：

由于10KV侧的母线承受着较大的负荷电流，传输容量也较大，根据规定应按经济电流密度选择。

远期最大负荷运行小时为5000h，故查手册得经济电流密度Je=0.96A/mm2，

则经济截面为：

查手册选LMY-2（80×8）=1280mm2的母线,按最大长期工作电流校验，水平放置、环境温度为40℃时，允许流量为

第四章短路电流计算

在电力系统中运行的电气设备，在其运行中都必须考虑到发生的各种故障和不正常运行状态，最常见也是最危险的故障是各种形式的短路。

短路是电力系统的严重故障，所谓短路是指一切不属于正常运行的相与相之间或相与地之间（对于大接地系统）发生金属性连接的情况。

在三相系统中，可能发生的有对称的三相短路和不对称的两相短路、两相接地短路和单相接地短路。

在各种类型的短路中，单相短路占多数，三相短路几率最小，但其后果最严重。

因此，我们采取三相短路（对称短路）来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

一、短路电流计算的目的

在发电厂和变电站的设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节，其计算的目的有以下几个方面：

（1）电气主接线的比较。

（2）选择导体和电器。

（3）在设计户外高压配电装置时，需要按短路条件校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，需以各种短路电流为依据。

（5）接地装置的设计，也需要用短路电流。

二、短路电流计算的条件

1、基本假定

基本假定：

（1）正常工作时，三相系统对称运行。

（2）所有电源的电动势相位相角相同。

（3）电力系统中的所有电源都在额定负荷下运行。

（4）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

（5）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的激磁电流。

（6）除去短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。

（7）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。

（8）输电线路的电容忽略不计。

2、一般规定

（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流沿用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑远景的发展计划。

（2）选择导体和电器用的短路电流，在电气连接网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

（4）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。

3、短路电流的有关参数

（1）短路电流周期分量

式中I”——为短路次暂态电流的有效值，它是短路后第一个周期的短路电流

I”m——为短路电流周期分量的幅值。

（2）短路电流非周期分量

（3）短路全电流

（4）短路冲击电流在高压电路中发生三相短路时，一般可取

，所以有

（5）短路稳态电流

在无限大容量系统中，短路电流周期分量有效值在短路全过程中始终是恒定不变的，所以有

第五章高压电器选择

一、电器选择的一般要求

正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。

在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。

1、一般原则

（1）应满足正常运行机制、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要。

（2）应按当地环境条件校核。

（3）选择导体时应尽量减少品种。

（4）扩建工程应尽量使新老电器型号一致。

（5）选用的新产品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。

2、技术条件

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。

各种高压电器的一般技术条件如表4-1所示。

1）长期工作条件

（1）电压

选用电器允许最高工作电压Umax不得低于该回路的最高运行电压Ug，即Umax≥Ug式4-1

（2）电流

选用的电器额定电流Ie不得低于所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig，即Ie≥Ig式4-2

由于变压器短时过载能力很大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。

高压电器没有明确的过载能力，所以在选择额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。

2）短路稳定条件

（1）校验的一般原则

电器在选定后按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流。

用熔断器保护的电器可不验算热稳定。

短路的热稳定条I2tjs≥Qdt式4-3

式中：

Qdt——在计算时间tjs秒内，短路电流的热效应（kA2•S）I——tjs秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（KA）

tjs——设备允许通过的热稳定电流时间（s）校验短路热稳定所用的计时间按下式计算：

tjs=tb+td式4-4

式中：

tb——继电保护装置后备保护动作时间（s）

td——断路器全分闸时间（s）

（2）短路动稳定条件ich≤idf式4-5

Ich≤Idf式4-6

式中：

ich、Ich——短路冲击电流幅值、有效值（KA）

idf、Idf——允许通过稳定电流的幅值、有效值（KA）

绝缘水平在工作电压和过电压的作用下，电器内、外绝缘保证必要的可靠性。

电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。

当所选电器的绝缘水平低于国家规定的标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用适当的过电压保护设备。

3、环境条件

环境条件主要有温度、日照、风速、冰雪、温度、污秽、海拔、地震。

由于设计时间仓促，所以在设计中主要考虑温度条件。

按照规程上的规定，普通高压电器在环境最高温度为+40℃时，允许按照额定电流长期工作。

当电器安装点的环境温度高于+40℃时，每增加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%。

二、高压断路器的选择

1、参数选择

1）高压熔断器的选择应满足以下条件：

（1）类型选择熔断器的类型应符合安装要求及被保护设备的技术要求。

即必须与装配场合的环境条件、被保护对象等相一致，户内还是户外，被保护对象是线路、变压器、电动机还是电压互感器。

如户外高压熔断器用RW型，户内则用RN型；保护变压器的户内高压熔断器选用RN1型，而保护高压互感器的则要选用RN2型。

（2）额定电压

熔断器的额定电压

应不低于其所保护的装置处的额定电压UN，即

。

①额定电流

熔断器额定电流

应不小于它所安装的熔体额定电流

，即

³.

②按断流能力进行校验。

③熔断器应满足保护灵敏度的要求，以保证在保护区内发生短路故障时能可靠地熔断。

2、型式选择

高压断路器可分为：

油断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、真空断路器、磁吹断路器等。

断路器的校验

（1）动稳定校验

（4-1）

式中

——电气设备允许通过的最大电流有效值和峰值；

——最大三相短路电流的有效值和峰值，根据短路校验点

计算所得。

（2）热稳定校验

（4-2）