10kv变电所电气一次初步设计-毕业论文.doc

10kV变电所电气一次初步设计
10kV变电所电气一次初步设计 1
1 引言 4
2 原始资料 5
2.1电力系统接线图 5
2.2负荷情况 5
3 负荷统计和无功补偿的计算 5
3.1 负荷分析 5
3.2 负荷计算 6
3.3 无功补偿 8
3.3.1 无功补偿概述 8
3.3.2 无功补偿的计算 9
3.3.3 无功补偿方法 11
3.3.4 并联电容器的装设与控制 12
4 主变压器的选择 13
4.1 概述 13
4.2 主变台数的确定 13
4.3 主变容量和型号的确定 13
5 电气主接线设计 14
5.1 电气主接线概述 15
5.2 主接线的设计原则 15
5.3 主接线设计的基本要求 15
5.4 主接线设计 15
6 短路电流计算 15
6.1 概述 15
6.1.1产生短路的原因 16
6.1.2短路的种类 16
6.1.3短路电流计算的目的 17
6.2 短路电流计算的方法和短路点的选择 17
6.2.1 短路电流计算方法 17
6.2.2短路点的选择 18
7 电气设备的选择 23
7.1 电气设备选择的一般条件 23
7.1.1 电气设备选择的一般原则 23
7.1.2 电气设备选择的技术条件 23
7.2 断路器隔离开关的选择 24
7.2.2低压刀开关的选择 24
7.2.3低压断路器的选择 25
7.3 母线、柱子和穿墙套管的选择及校验 27
7.3.1母线 27
7.3.2支柱绝缘子 29
7.33穿墙套管 29
7.4 互感器的选择 30
7.4.1电压互感器： 30
7.4.2电流互感器。 30
7.6 配电装置的选择 31
9 变电所的防雷保护 31
9.1 变电所防雷概述 31
9.2 避雷针的选择 31
9.3 避雷器的选择 31

摘要：随着电力行业的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供稳固性、可靠性和持续性。然而电网的稳固性、可靠性和持续性往往取决于变电所的合理设计和配置。一个典型的变电站要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。本项目设计了一个10kv变电所电气一次初步设计，此变电站有两路进线，一路采用架空线进线，一路采用电缆进线，力求做到运行可靠，操作简单、方便，经济合理，具有扩建的可能性和改变运行方式时的灵活性。使其更加贴合实际，更具现实意义。
关键词 10kV 变电所 设计

1 引言
电能是发展国民经济的基础，是一种无形的、不能大量储存的二次能源。电能的发、变、送、配和用电，几乎是在同一瞬间完成的，须随时保持功率平衡。要满足国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界电力工业发展规律，因此，做好电力规划，加强电网建设，就尤为重要。
变电所作为变电站作为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。对其进行设计势在必行，合理的变电所不仅能充分地满足当地的供电需求，还能有效地减少投资和资源浪费。
本次设计根据一般变电所设计的步骤进行设计，采用两路电源供电，一路采用架空进线Ⅰ，一路采用电缆进线Ⅱ（进线端共计2千米）。两台变压器并列运行，低压侧要有联络；变配电所要有防雷保护；要方便对变配电所中的变压器或低压断路器等重要设备进行安全检修；低压母线的每一路配出线要能分别控制，并在配电屏上显示其输出电压与电流；每一路总的电源进线柜内要设置总的有功电度表，显示其耗电量，且有电压、电流输出显示。

2 原始资料
2.1电力系统接线图

2.2负荷情况
负荷分别为30+j40KVA(三级负荷)、75+j90KVA(一级负荷) 、100+j120KVA（二级负荷）；Ⅱ路所带负荷也分3条支路，负荷分别为：35+j45KVA（三级负荷）、90+j100KVA(二级负荷)、80+j90KVA(一级负荷)。
3 负荷统计和无功补偿的计算
3.1 负荷分析
根据用电的重要性和突然中断供电造成的损失程度可以将负荷分为以下三类：
1. 一级负荷
一级负荷为中断供电将造成人身伤害的负荷，中断供电将在经济上造成重大损失的负荷，如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、生产企业的连续性生产过程被打乱而需要长时间恢复等；中断供电将影响重要用电单位正常工作的负荷，如重要的交通枢纽、重要的通信枢纽、重要宾馆、大型体育馆、大型银行营业厅的照明、一般银行的防盗系统、大型博物馆、展览馆的防盗信号电源等。
2.二级负荷
二级负荷为中断供电将在经济上造成较大损失的负荷，如主要设备损坏、大量产品报废，连续性生产过程被打乱需较长时间才能恢复，重点企业大量减产等；中断供电系统将影响较重要用电单位正常工作的负荷，如交通枢纽，通信枢纽等用电单位中的重要负荷、大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要公共场所等。
3.三级负荷
三级负荷应为不属于一级和二级的负荷。对一些非连续性的生产的中小型企业，停电仅影响产量或造成少量产品报废的用电设备，以及一般民用建筑的用电负荷等均属三级负荷。
3.2 负荷计算

负荷情况

1. 毎路变压器低压侧的计算负荷：取同时系数

Ⅰ路：

Ⅱ路：

2. 变压器损耗
Ⅰ路

Ⅱ路

3. 变压器高压侧计算负荷
Ⅰ路

Ⅱ路

4. 每路低压侧的功率因数

Ⅰ路：

Ⅱ路:

5. 每路高压侧功率因数
Ⅰ路：

Ⅱ路:

负荷名称

计算负荷

回路数
供电方式
有功（kW）
无功（kvar)
1#出线
75
90
1
电缆
2#出线
100
120
1
电缆
3#出线
30
40
1
电缆
4#出线
80
90
1
电缆
5#出线
90
100
1
电缆
6#出线
35
45
1
电缆
电容器回路
-
2

3.3 无功补偿
3.3.1 无功补偿概述
功率因数是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标。用户中绝大多数用电设备，如感应电动机、电力变压器、电焊机及交流接触器等，他们都要从电网吸收大量无功电流来产生交变磁场，其功率因数均小于1，需要进行无功功率补偿，以提高功率因数。
感性用电设备都需要从供配电系统中吸收无功功率，从而降低功率因数。功率因数太低将会给供配电系统带来电能损耗增加、电压损失增大和供电设备利用率降低等不良影响。所以要求电力用户功率因数必须达到一定值，低于某一定值时就要进行补偿。国家标准GB/T 3485-1998《评价企业合理用电导则》中规定：“在企业最大负荷时的功率因数应不低于0.9，凡功率因数未达到上述规定的，应在负荷侧合理装置集中与就地无功补偿设备”。为鼓励提高功率因数，供电部门规定，功率因数低于规定值予以罚款，相反，规律因数高于规定值予以奖励，
即实行“高奖低罚”的原则。
3.3.2 无功补偿的计算
1. 确定每路补偿容量
现要求高压侧功率因数不低于0.9，补偿低压侧，考虑到变压器有损耗，可设低压侧补偿后的功率因数为0.92来计算。
Ⅰ路：

参照《供配电技术（第三版）唐志平主编》P309附录表A-2并联电容器的技术参数。
选取BIMJ0.4-14-3型电容器，需要数量

Ⅱ路:
实际补偿：
Ⅱ路：
参照《供配电技术（第三版）唐志平主编》P309附录表A-2并联电容器的技术参数。
选取BZMJ 0.4-10-3 型电容器，需要数量

实际补偿：
补偿后每路计算负荷与功率因数
Ⅰ路：低压侧：

高压侧：

Ⅰ路 >0.9 符合要求
Ⅱ路：低压侧：

高压侧：

Ⅱ路
若有一路变压器发生故障， 则要闭合低压联络，使一台变压器带两路的所有负荷；
低压侧：

符合要求
高压侧：

符合要求

3.3.3 无功补偿方法
功率因数不满足要求时，首先应提高自然功率因数，然后进行人工补偿。
（1）提高自然功率因数
自然功率因数是指未装设任何补偿装置的实际功率因数。提高自然功率因数，就是不添置任何补偿设备，采用科学措施减少用电设备的无功功率的需要量，使供配电系统总功率因数提高。
1. 合理选择电动机的规格、型号。
2. 防止电动机长时间空载运行。
3. 保证电动机的检修质量。
4. 合理选择变压器的容量。
5. 交流接触器的节电运行。
（2）人工补偿功率因数
用户的功率因数仅靠提高自然功率因数一般是不能满足要求的，因此，还必
1. 并联电容器补偿。是目前用户、企业内广泛采用的一种补偿装置。具有下列优点：
#有功损耗小，为0.25%-0.5%，而同步调相机为1.5%-3%；
#无旋转部分，运行维护方便；
#可按系统需要，增加或减少补偿容量；
#个别电容器损坏不影响整个装置运行。
2. 同步电动机补偿。
3. 动态无功功率补偿。
3.3.4 并联电容器的装设与控制
1.并联电容器的接线
并联补偿的电力电容器大多采用△接线，低压（0.5kv以下）并联电容器，厂商已做成三相，其内部已接成△形，少数大容量高压电容器采用Y形接线。
2. 并联电容器的装设地点
#高压集中补偿
高压集中补偿是指将高压电容器组集中装设在总降压变电所的6-10KV母线上 。
#低压集中补偿
低压集中补偿是指将低压电容器集中装设在车间变电所或建筑物变电所的低压母线上。
#单独就地补偿
单独就地补偿是指在个别功率因数较低的设备旁边装设补偿电容器组。
我们设计的是10千伏变电所所以应该采用高压集中补偿。
3. 并联电容器的控制方式
两并联电容器的控制方式是控制并联电容器的投切，有固定控制方式和自动控制方式两种。固定控制方式是并联电容器不随负荷的变化而投入或切除。自动控制方式是并联电容器的投切随着负荷的变化而变化，且按某个参量进行分组投切控制，包括：
#按功率因数进行控制
#按负荷电流进行控制
#按受电端的无功功率进行控制
电容器的分组采用循环投切（先投先切，后投后切）或编码投切的工作方式。
4 主变压器的选择
4.1 概述
变压器是变电所中关键的一次设备，其主要功能是升高或降低电压，以利于电能的合理输送、分配和使用。
变压器的分类方法比较多，按功能分有升压变压器和降压变压器；按相数分有单相和三相变压器；按绕组导体的材质分有铜绕组和铝绕组变压器；按冷却方式和绕组绝缘分有油浸式、干式两大类，其中油浸式变压器又有油浸自冷式、油浸风冷式和强迫油循环冷却式等，而干式变压器又有浇注式、开启式、充气式等；按用途分又可分为普通变压器和特种变压器；按调压分有无载调压变压器和有载调压变压器。安装在总变压变电所的变压器通常称为主变压器，6-10（20）kv变电所的变压器常被叫做配电变压器。
4.2 主变台数的确定
1.应满足用电负荷对可靠性的要求。在有一、二级负荷的变电所中，选择两台主变压器，当在技术、经济上比较合理时，主变压器选择也可多于两台。
2.对季节性负荷或昼夜负荷变化较大的宜采用经济运行方式的变电所，技术经济合理时可选择两台主变压器。
3.三级负荷一般选择一台主变压器，负荷较大时，也可选择两台主变压器。
根据设计要求，采用两路电源供电，一路采用架空进线Ⅰ，一路采用电缆进线Ⅱ；两台变压器并列运行，低压侧要有联络。所以需要采用两台变压器。
4.3 主变容量和型号的确定
装有两台变压器时
①任一台主变压器单独运行时，应满足总计算负荷的60%~70%的要求，即

②任一台主变压器单独运行时，应能满足全部一、二级负荷的需要，即

综上，再考虑到未来负荷的发展，参见《供配电技术（第三版）》表A-3-1，选择S11-M500/10 型电力变压器，Dynll 联结组别
由于当联络闭合时，可能会存在两变压器并联运行，要满足以下条件：
1.所有并列变压器的电压比必须相同
即额定一次电压和额定二次电压必须对应相等，容许差值不得超过±5%。否则将在变压器的二次绕组内产生环流，即二次电压高的绕组将向二次电压较低的绕组供给电流，引起电能损耗，导致绕组过热甚至烧毁。
2.所有并列变压器的连接组别必须相同
连接组别不同，将使绕组的二次侧电压出现300的相位差，这一△U也将在两台变压器的二次侧产生很大的环流，可能导致变压器绕组烧坏。
3.并列变压器的短路电压（阻抗电压）必须相等或接近相等
并列变压器的短路电压须相等或接近相等，容许差值不得超过±10%。因并列运行的变压器的实际负载分配和他们的阻抗电压值成反比，可能导致阻抗电压小的变压器发生过负荷现象。
4.并列变压器的容量应尽量相同或相近
其最大容量和最小容量之比不宜超过3:1.否则可能导致变压器间的环流增加，很容易造成小容量的变压器发生过负荷情况。
5 电气主接线设计

5.1 电气主接线概述
供配电系统中为实现电能输送和分配的一种电气接线；对应的接线图叫主接线图，或主电路图，又称一次电路图、一次接线图。
5.2 主接线的设计原则
1发电厂、变电所在电力系统中的地位和作用；
2发电厂、变电所的分期和最终建设规模；
3负荷大小和重要性；
4系统备用容量大小；
5系统专业对电气主接线提供的具体资料。
5.3 主接线设计的基本要求
①安全：充分保证人身和设备的安全。
②可靠：满足不同等级负荷对供电的 要求。
③灵活：能适应各种不同的运行方式，并能灵活地转换，使之便于操作、检修和适应负荷的发展。
④经济：力求接线简单、投资少、运行管理费用低，节约有色金属。

5.4 主接线设计

6 短路电流计算
6.1 概述
在供配电系统的设计和运行和运行中，不仅要考虑系统的正常运行状态，还要考虑系统的异常状态和故障情况。供配电系统的故障有多种类型，如短路、断线或它们的组合，最严重的故障是短路故障。短路是指不同相之间，相对中线或地线之间的之间的直接金属性连接或经小阻抗连接短路计算的目的主要是供母线、电缆、设备等选择和继电保护鉴定计算之用。
6.1.1产生短路的原因
绝缘损坏；误操作及误接；飞禽跨接裸导线；短线、倒杆、碰线或人为破坏等等。
6.1.2短路的种类

1.三相短路

2两相短路
3单项短路

4单相接中性点短路
6.1.3短路电流计算的目的
1电气主接线比选；2选择导体和电器；3确定中性点接地方式；4计算软导体的短路摇摆；5确定分裂导线间隔棒的间距；6验算接地装置的接触电压和跨步电压；7选择继电保护装置和进行整定计算。
6.2 短路电流计算的方法和短路点的选择
6.2.1 短路电流计算方法
1.根据短路计算要求画出短路电流计算系统图，该系统图应包含所有与短路计算有关的元件，并标出各元件的参数和短路点。
2.画出计算短路电流的等效电路图。
3.选取基准容量和基准电压，计算各元件的阻抗标幺值，再将等效电路求出短路回路的总阻抗的标幺值。
4.根据计算公式，由短路回路总阻抗标幺值计算短路电流标幺值，再计算短路各量。
6.2.2短路点的选择
短路电流的计算，为选择电气设备提供依据，使所选的电气设备能在各种情况下正常运行，因此短路点的选择应考虑到电器可能通过的最大短路电流。为了保证选择的合理性和经济性，不考虑极其稀有的运行方式。取最严重的短路情况别在0.4kv侧的母线和10kV侧的母线上发生短路情况（点k1.k2点k3k4发生短路）。则选择这两处做短路计算。
6.3 短路电流的计算
（1） .Ka点短路
已知电力系统出口断路器断流容量，取基准容量，基准电流分别为、
则各电路抗标幺值：
I路：
参见《供配电技术（第三版）》表3-2知10kv架空线单位长度的电抗平均值

Ka点三相短路时总阻抗标幺值：

Ka所在电压级的基准电流

Ⅱ路：
参见《供配电技术（第三版）》表3-2 10kv 电缆线单位长度的电抗平均值：

Ka点三相短路时总阻抗标幺值：

Ka点短路电流：

（2）Kb点短路
参见《供配电技术（第三版）》表3-2知 0.4kv电缆线 ，

Kb点三相短路时总阻抗标幺值：

Kb点短路电流
I路：

Ⅱ路：

（3）短路时：
变压器低压侧最大计算电流为

则变压器低压侧电气开关设备预选额定电流为1KA

如上表知，对应共接触电阻电抗忽略
与3WL线路类似的还有六条
计算电流分别为

在六条线路中，按其中最大的计算电流来预选每条线路上的刀开关与低压断路器额定电流为400A，对应刀开关接触电阻为0.2mΩ，

如上表知，低压断路器接触电阻为0.4mΩ，过电流线圈电阻与阻抗分别为0.15mΩ，0.1mΩ。
出线电缆根据载流量预选截面为的铜导体，参见《供配电技术（第三版）》表A-15-3知其单位长度阻值与阻抗分别为，
线路电阻
线路阻抗
变压器的阻抗（）

则有低压侧到短路点部分

三相短路电流

7 电气设备的选择
7.1 电气设备选择的一般条件
7.1.1 电气设备选择的一般原则

（1）按工作要求和环境条件选择电气设备的型号
（2）按正常工作条件选择电气设备的额定电压和额定电流
（3）按短路条件校验电气设备的动稳定度和热稳定度
（4）开关电器断流能力校验

7.1.2 电气设备选择的技术条件
（1）按工作电压选择电气设备的额定电压。电气设备的额定电压Un应不低于设备所在的系统标称电压Uns,即
Un>=Uns
（2）按最大负荷电流选择电气设备的额定电流。电气设备的额定电流应不小于实际通过的最大负荷电流Imax（或计算电流Ic），即
In>=Imax
或In>=Ic

7.2 断路器隔离开关的选择
7.2.1.高压断路器的选择
两路电源进线，按最大短路电流选择断路器即按联络闭合时选择断路器，按两路在Ka点短路时二者的最大短路电流校验，即按Ⅱ路短路来校验高压侧最大计算电流
参见《供配电技术 （第3版）》表A-4选择ZN48A-12/1600型真空断路器
ZN48A-12/1600型真空断路器的校验
序号
ZN48A-12
选择要求
电气条件
结论
项目
数据
项目
数据
1

12kV
≥

10kV
合格
2

1600A
≥

25.04A
合格
3

31.5kA
≥

22kA
合格
4

80kA
≥

56.1kA
合格
5

≥

合格
所以1QF、2QF、14QF、15QF均选择ZN48A-12/1600型真空断路器。
7.2.2低压刀开关的选择
在短路电流计算时得变压器低压侧最大计算电流为且短路计算时预选额定电流为1KA，参考低压刀开关全型号表示和含义：

，选择HD13BX-1000/31
六条出线最大计算电流为,则1QK、2QK、3QK、7QK、8QK、12QF、13QK、14QK均选择HD13BX-1000/31。
7.2.3低压断路器的选择
（1）变压器低压侧最大计算电流为,参见《供配电技术 （第3版）》表A-9-5,选择CW2-1600型低压断路器，
CW2-1600型低压断路器的校验
序号
CW2-1600
选择要求
电气条件
结论
项目
数据
项目
数据
1

400V
≥

400V
合格
2

1600A
≥

630A
合格
3

800A
≥

603.72A
合格
4

50kA
≥

合格
长延时过电流脱扣器动作电流的整定：
参见《供配电技术 （第3版）》表A-9-6，动作电流整定为;
参见《供配电技术 （第3版）》表A-9-8，瞬时过电流脱扣器动作电流整定为,满足要求。
（2）各出线中计算电流最大的是,装在出线上做线路保护用的低压短路，参见《供配电技术 （第3版）》表A-9-1，选择CM2-400L型
CM2-400L型低压断路器的校验
序号
CM2-400L
选择要求
电气条件
结论
项目
数据
项目
数据
1

400V
≥

400V
合格
2

400A
≥

350A
合格
3

250A
≥

225.46A
合格
4

50kA
≥

合格
长延时过电流脱扣器动作电流的整定：
.
参见《供配电技术 （第3版）》表A-9-1，动作电流整定为.
参见《供配电技术 （第3版）》表A-9-1，瞬时过电流脱扣器动作电流整定为。
线路脱扣器的配合：
出线允许载流量符合要求。

（3）为了保证前后级断路器选择性要求，在动作电流选择配合时，前一级动作电流大于后一级动作电流的1.2倍，即

由于低压断路器保护特性时间误差为±20%~±30%，为防止误动作，应把前一级动作时间计入负误差（提前动作），后一级动作时间计入正误差（滞后动作）。在这种情况下，仍要保证前一级动作时间大于后一级动作时间，才能保证前后级断路器选择性配合。

符合要求

（4） 灵敏校验

符合要求

该设计中，高压侧的隔离开关仅用来检修时闭合接地，工作在非正常工作状态，通过的电流很小，可按安装地点电压级直接选择，JN15-10型号的高压隔离开关。
7.3 母线、柱子和穿墙套管的选择及校验
7.3.1母线
高压侧的计算电流 低压侧的计算电流
参见《供配电技术（第三版）》表A-11-2，高压侧选择TMY-40×5的母线，低压侧选择TMY-63×6.3的母线

参见《供配电技术（第三版）》表A-11-2，中性母线的选择LMY-40×5.

动稳定与热稳定校验：
高压侧母线跨距l=0.8m 中心距 a=0.3m，母线，。
查图3-12，形状系数K5≈1.05
三相短路最大电动力

最长的母线横跨了三个开关柜，则母线挡数为3，K=10

计算应力

满足动稳定要求
热稳定最小允许截面：
满足热稳定要求

低压侧：
母线跨距L=1m 中心距a=0.2m
母线b=63mm h=6.3mm

查图3-12 形状系数
三相最大短路电动力：

最长的母线横跨了三个开关柜，则母线档数为3，k=10
计算应力
满足动稳定要求。
热稳定最小允许截面：
母线实际截面：
满足热稳定要求。
7.3.2支柱绝缘子
①高压侧：按工作电压选择，参见《供配电技术 （第3版）》P112表5-5选择ZA-10型支柱绝缘子。
校验动稳定：,支柱绝缘子用来支撑母线，则,按弯曲破坏负荷计算时K=0.6，,符合要求。
②低压侧：按工作电压选择，参见《实用电子电工手册》表10-30选择ZA10-6Y型支柱绝缘子。
校验动稳定：,支柱绝缘装设地点短路在电动力为,按弯
曲破坏负荷计算时K=0.6，符合要求
7.33穿墙套管

按工作电压和计算电流，参见《供配电技术（第三版）》表5-6选择CWL-60/600型穿墙套管
动稳定校验：

满足动稳定条件。
热稳定校验：

7.4 互感器的选择
7.4.1电压互感器：
低压侧电压较小，可用电压表直接测量，而高压侧需装设电压互感器来测量电压
参见《供配电技术（第三版）》表A-8 选择JDZJ-10型电压互感器。参见《供配电技术（第三版）》表A-6-2选择XRNP1-12型高压熔断器做电压互感器。
7.4.2电流互感器。
①高压侧：电流互感器装设地点电压级为，计算电流，参见《供配电技术（第三版）》表A-7，选择LZZBJ9-12（40/5）型电流互感器。
动稳定校验：
根据装设地点：
不符合要求，参见《供配电技术（第三版）》表A-7重新选择LZZBJ6-10(150/5),其参数： 。该型满足了装设地点额定电压，变比，动稳定要求
热稳定校验：

满足热稳定条件，所以选择LZZBJ6-10(150/5)。
②低压侧：变压器低压端装设条件为
六条出线中最大计算电流为
则出线处装设条件为
按以上装设条件查《供配电技术 江文。许慧中主编》分别选择LMZJ1-0.5（800/5）和 LMZJ-0.5（400/5）型号的电流互感器。

7.6 配电装置的选择

9 变电所的防雷保护
9.1 变电所防雷概述
9.2 避雷针的选择
9.3 避雷器的选择
高压侧避雷器均选择YH5WZ1-17/45
10心得体会

名称
型号
规格
数量
序号
变压器

断路器

隔离开关

母线

架空线

电缆

避雷器

电压互感器

电流互感器

支柱绝缘子

穿墙套管