炼钢厂110kV降压变电所电气一次部分初步设计

专业：供用电技术 学号：xxx 姓名：xxx

指导教师:xxx

摘 要：依据设计任务书，进行全厂负荷计算，根据计算结果进行主变和车间变压器的选择，确定无功补偿的方案，在厂总平面图的基础上，设计总降压变电所的所址、布置形式和车间变电所的类型及布置方案，在厂区高压配电接线方式确定后，提出两种电气主接线方案，进行技术经济比较后，选择最优方案，对防雷接地的设计也进行了分析和论证，最后进行总降压变电所的短路分析，设计了基于MATLAB/SIMULINK的短路分析模型，并对短路电流波形进行了分析。 关键字：负荷计算;变压器;主接线;MATLAB/SIMULINK

1 负荷计算和无功补偿的计算

工厂供电系统负荷计算的目的是确定工厂最大负荷，作为按允许发热条件选择供电变压器、输电线路导线及开关电器等电气设备的依据。

电力负荷计算的方法主要有需要系数法和二项式法。需要系数法是国际上通用的确定计算负荷的方法简单实用，对任何性质的企业都适用，特别适用长期工作制用电设备占主要负荷的车间，计算结果基本符合实际。二项式法的应用局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支干线的负荷计算时比需要系数法要准确而且计算也更简便，计算结果偏大。本次设计采用需要系数法。

在供电系统中，由于绝大多数用电设备如变压器、感应电动机等都属于感性负荷，使得系统的自然功率因数偏低，功率因数低将会使电网的功率损耗增大，电压损失增大，还会使供电设备的供电能力降低，因此必须采取人工的补偿措施，提高系统的功率因数。 1.1 负荷统计

依据设计任务书，各车间负荷统计情况如表1所示，负荷性质分析如表2所示。

表1 全厂各车间负荷统计情况

序号

电压（kV）

车间名称

设备容

需要系数、功率因数

负荷类

量（kW）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10 10 10 10 10 10 10 10 380/220 380/220

高炉炼钢车间 高炉炼铁车间 初轧车间 大型车间 中型车间 中板车间 管材车间 机修车间 锅炉房 化验室，办公室

4530 4580 4550 4580 3320 3400 3250 3360 151 50

Kd 0.3 0.7 0.6 0.5 0.4 0.45 0.75 0.3 0.75 0.6

tan

0.65 0.65 0.7 0.5 0.5 0.6 0.75 0.5 0.8 0.6

cos

0.84 0.84 0.82 0.89 0.89 0.86 0.8 0.89 0.78 0.86

别 一 一 一 一 一 一 一 二 二 二

表2 负荷性质分析结果表

负荷类别 一 二

负荷值（KW）

28210 3561

占总负荷百分比（%）

88.8 11.2

由表1和表2可以看出，该厂88.8%的负荷为一级负荷，对供电的可靠性要求很高，另外，1到8号车间的进线电压为10kV高压，9和10号车间为小于0.4kV的低压配电。 1.2 车间负荷计算

各车间高压侧负荷计算所依据的公式如下：

计算有功功率 PcKdPe 计算无功功率 QcPctan 计算视在功率 ScPc2Qc2 计算电流

IcSc 3UN下面以1号车间即高炉炼钢车间10kV进线侧的负荷计算为例，其计算的过程如下：

由车间原始负荷数据得，设备总容量Pe=4530kW，需要系数 Kd=0.3，

cos=0.84，tan=0.65，因此，可得计算负荷： 计算有功功率 PcKdPe=0.3×4530=1359（kW） 计算无功功率 QcPctan=1359×0.65=883.35(kvar)

计算视在功率 ScPc2Qc213592883.3521620.86（kV·A）

其他车间的高压侧负荷计算采用天正电气绘图软件进行计算，计算界面见图1。

图1 天正电气软件负荷计算界面

从图1可知，采用天正电气软件计算的结果和笔者手算的结果一致，采用需要系数法计算后，各车间计算负荷统计表如表3所示。 1.3总降压变电所10kV母线侧计算负荷（补偿前）。 计算依据的公式为:

有功功率PcKpPci 无功功率QcKqQci

视在功率ScPc2Qc2自然功率因数cos1Q1avcavPc2

表3 各车间计算负荷表（按需要系数法计算）

电压

序号

(kV)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10 10 10 10 10 10 10 10 380/220

高炉炼钢车间 高炉炼铁车间 初轧车间 大型车间 中型车间 中板车间 管材车间 机修车间 锅炉房 车间名称

（kW） 4530 4580 4550 4580 3320 3400 3250 3360 151 50 设备容量

计算负荷

负荷

Pc(kW)

1359 3206 2730 2290 1328 1530 2437.5 1008 113.25 30

Qc(kvar)

883.36 2083.93 1911.01 1145.05 664.03 918.01 1828.12 504.02 90.6 18

Sc(kV·A) 类别

1620.87 3823.77 3332.4 2560.32 1484.76 1784.28 3046.87 1126.99 145.03 34.99

一 一 一 一 一 一 一 二 二 二

380/220 化验室、办公室

式中 Kp——有功负荷同时系数，取0.85～0.95；

Kq——无功负荷同时系数，取0.9～0.97；

av——年平均无功负荷系数，取0.76～0.82； av——年平均有功负荷系数，取0.7～0.75； 本次设计中取Kp=0.95，Kq=0.97，av=0.75，av=0.8

故 PcKpPci=0.95×(1359+3206+2730+2290+1328+1530+2437.5+1008

+113.25+30)=15230.1(kW)

QcKqQci=0.97×(883.36+2083.93+1911.01+1145.05+664.03+918.01

+1828.12+504.02+90.6+18)=9744.7(kvar)

ScPc2Qc215230.129744.7218080.8(kV·A) cos1Q1avcavPc210.89744.710.7515230.120.83

1.4总降压变电所110kV转供负荷计算

本设计中转供负荷的计算采用了和车间负荷一样的计算方式，即按需要系数法进行计算，计算过程同样采用了天正电气软件，转供负荷统计情况见表4，转供负荷计算界面如图2。

表4 转供负荷统计情况 设备容量

序号 1 2

工厂名称

（kW）

石油机械制造厂

橡胶厂

3500 4000

Kd 0.45 0.5 需要系数

cos 0.87 0.78

Pc 1575.00 2000.00

计算负荷

Qc 892.59 1604.56

Sc 1810.34 2564.10

图2 转供负荷计算界面

1.5总降压变电所10kV母线侧补偿容量的计

按供电部门提出的技术要求，工厂最大负荷时功率因数不得低于0.9，未补偿前，厂供电系统的自然功率因数为0.85，本设计中选择在总降压变电所的10kV母线侧进行集中补偿，考虑到变压器的无功功率损耗QT远大于有功功率损耗

PT,一般QT=（4~5）PT,因此在主变压器低压侧补偿时，低压侧补偿后的功率

因数应略高于0.9，这里设定补偿后的功率因数为0.95。补偿容量计算公式为

QCbPc(tan1tan2)

式中 tan1——对应于原来的功率因数cos的正切值；

tan2——需要补偿到的功率因数正切值；

具体的计算由天正电气软件来实现，计算界面见图3。

图3 无功补偿和电容器台数计算

可见设定补偿后功率因数为0.95时，需要补偿的容量为4041.3(kvar)。 1.6 补偿装置及台数的选择

目前常用的补偿装置有并联电容器、同步调相机、静止补偿器等。在工厂中普遍采用并联电容器，本设计中选择单只容量为50kvar的并联电容器，具体型号为BWF10.5-50-1W型单相并联电容器，台数选择81台，3的倍数，以便于三相均衡分配，全部投入补偿时，补偿容量为4050kvar，可参见图1-3，同时，GB50053-1994规定：电容器组应装设放电装置。由于本设计采用高压集中补偿的无功补偿方式，因此宜选择电压互感器作为放电装置。

2 变压器的选择

2.1 变压器的选择原则

对于二、三级负荷，变电所只设置一台变压器，其容量应比对应的计算负荷大15%，从其他车间变电所低压母线上取得备用电源；对于一级负荷车间，采用两回独立进线，设置两台变压器，其容量选择应满足一台故障检修时，其余变压器能保证对一级负荷的供电。两台以上变压器工作方式有明备用和暗备用两种，

明备用是指一台工作另一台备用，暗备用是指两台变压器同时工作，各承担50%计算负荷，均按70%~80%计算负荷选择变压器容量，则变压器的负荷率。另外车间=50%/70%=0.7 接近于经济负荷率（变压器的经济负荷率为50%）变压器单台容量不宜超过2000kV·A，主要受开关电器断流容量限制。 2.2总降压变电所主变压器的选择

全厂一级负荷所占比重超过了70%，因此应选择2台主变压器，暗备用方式运行。容量按计算负荷的80%计算，即80%×16259.9≈13008( kV·A)，因全厂88.8%的车间为一级负荷，所以变压器的调压方式选择有载调压，有载调压相比无励磁调压，具有在不停电的条件下调压的优点，供电的可靠性强，另外由于总降压变电所需提供的电压等级为110kV和10kV两个等级，所以选择双绕组的变压器即可。由于总降压变电所的电压等级为110kV，为中性点不接地系统，主变压器的连接组别采用YD11，这种连接方式可以有效的削弱一次侧空载电流中的三次谐波及主磁通中的三次谐波分量，使空载电流、主磁通及其感应的电动势均接近于正弦波。

综合以上几个参考条件，可以选择2台SFZ11-12500/110型三相双绕组有载调压电力变压器，每台负荷率=16259.9/(2×12500) ≈65%， 基本满足了变压器经济运行的要求。主变压器详细参数见表5。

表5 主变压器详细参数 额定电压

台

型号 数

SFZ11- 2

12500/110

12500

×1.25%

11

kV·A

(kV) 110±8

(kV) 10.5

YD11

13.4

59.9

0.74

10.5

65

容量

高压

低压

组别

空载

负载

%

%

连接

电流

电压

损耗(kW)

空载

阻抗

负荷率

%

2.3 车间变电所变压器的选择

1号车间(高炉炼钢车间)Sc=1620.87 (kV·A)，该车间属于一级负荷，为确保供电可靠性，选用两台变压器，单台容量按80%的计算负荷选择，即80%×

1620.87≈1297(kV·A) ，可选用两台S9-1250/10/0.4型低损耗电力变压器，每台负荷率=1620.87/(2×1250)≈64.8%， 基本满足了变压器经济运行的要求。

2号车间(高炉炼铁车间)Sc=3823.77 (kV·A)，该车间属于一级负荷，为确保供电可靠性，选用两台变压器，单台容量按80%的计算负荷选择，即80%×3823.77≈3059(kV·A)，可选用两台S9-2500/10/0.4型低损耗电力变压器，S9-3150/10型的不满足电压等级要求，每台负荷率=3823.77/(2×2500)≈76.5% 基本满足了变压器经济运行的要求。

3号车间(初轧车间)Sc=3332.4(kV·A)，该车间属于一级负荷，为确保供电可靠性，选用两台变压器，单台容量按80%的计算负荷选择，即80%×3332.4≈2665.92(kV·A)，可选用两台S9-2500/10/0.4型低损耗电力变压器，每台负荷率=2665.92/(2×2500)≈53.3%，也基本满足了变压器的经济运行要求，一般只有当≤30%时，需要更换变压器。

4号车间(大型车间)Sc=2560.32(kV·A)，该车间属于一级负荷，为确保供电可靠性，选用两台变压器，单台容量按80%的计算负荷选择，即80%×2560.32≈2048(kV·A)，可选用两台S9-2000/10/0.4型低损耗电力变压器，每台负荷率

=2560.32/(2×2000)≈64%，满足了变压器的经济运行要求。

5号车间(中型车间)Sc=1484.76 (kV·A)，该车间属于一级负荷，为确保供电可靠性，选用两台变压器，单台容量按80%的计算负荷选择，即80%×1484.76≈1188(kV·A)，可选用两台S9-1000/10/0.4型低损耗电力变压器，每台负荷率

=1484.76/(2×1000)≈74.2%，满足了变压器的经济运行要求。

6号车间(中板车间)Sc=1784.28 (kV·A)，该车间属于一级负荷，为确保供电可靠性，选用两台变压器，单台容量按80%的计算负荷选择，即80%×1784.28≈1427(kV·A)，有两种型号S9-1250/10/0.4型和S9-1600/10/0.4型可供选择，S9-1250/10型负荷率=1784.28/(2×1250)≈71.4%，S9-1600/10型负荷率

=1784.28/(2×1600)≈55.8%，两者都满足经济运行要求，且成本上单台

S9-1600/10型(参考价151800￥)比S9-1250/10型(参考价124000￥)贵近3万元，因此，初步确定选用两台S9-1250/10/0.4型的电力变压器。

7号车间(管材车间)Sc=3046.87 (kV·A)，该车间属于一级负荷，为确保供电可靠性，选用两台变压器，单台容量按80%的计算负荷选择，即80%×3046.87≈2437(kV·A)，可选用两台S9-2500/10/0.4型低损耗电力变压器，每台负荷率

=3046.87/(2×2500)≈60.9%，满足了变压器的经济运行要求。

8号车间(机修车间)Sc=1126.99 (kV·A)，该车间属于二级负荷，可设一台变压器，从其他车间取得备用电源，保证供电可靠性，容量按80%的负荷率进行选择，即1126.99/80%≈1409(kV·A)，可选用一台S9-1600/10/0.4型低损耗电力变压器，实际负荷率=1126.99/1600≈70.4%，满足了变压器的经济运行要求。

9号车间(锅炉房)Sc=145.03 (kV·A)，该车间属于二级负荷，由于车间计算负荷较小，且所需电压等级为380/220V的低压，因此，可不设变压器，只设低压配电屏即可，可从相邻车间取得2回独立电源，保证供电可靠性。

10号车间(化验室、办公室)Sc=34.99(kV·A)，该车间属于二级负荷，由于车间计算负荷较小，且所需电压等级为380/220V的低压，因此，可不设变压器，只设低压配电屏即可，可从相邻车间取得2回独立电源，保证供电可靠性。

以上是全厂各个车间变压器的初步选择情况，变压器的容量选用了国家标准GB1094.1~1094.5—1996~2003《电力变压器》所确定的容量系列，本设计采用普遍使用的R10容量系列，同时选择被推广的低损耗电力变压器S9系列，此处采用10kV级的S9系列变压器，各车间变压器选择情况见表6。

表6 各车间变压器选择情况（10kV级S9系列）

序

电压(kV) 号 1 2 3

10 10 10

高炉炼钢车间 高炉炼铁车间 初轧车间 车间名称

Sc

变压器台数、容量、负荷率

负荷

单台容量(kV·A) 1250 2500 2500

64.8 76.5 53.3

一 一 一

单台(%)

类别

(kV·A) 台数(个) 1620.87 3823.77 3332.4

2 2 2

4 5 6 7 8 9 10

10 10 10 10 10 380/220 380/220

大型车间 中型车间 中板车间 管材车间 机修车间 锅炉房 化验室、办公室

2560.32 1484.76 1784.28 3046.87 1126.99 145.03 34.99

2 2 2 2 1 0 0

2000 1000 1250 2500 1600 0 0

64 74.2 71.4 60.9 70.4 0 0

一 一 一 一 二 二 二

3 变电所的类型及所址选择

3.1 变配电所所址选择的一般原则

变配电所位置的选择必须适应电力系统发展规划和布局的要求，尽可能的接近主要用户，靠近负荷中心。这样，必然就会减少输电线路的投资和电能的损耗，既经济又节省能源。因此变配电所位置的确定遵循以下原则：

①接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量。 ②进出线方便。要有足够的进出线走廊，提供给架空进线、电缆沟或电缆隧道。 ③靠近电源侧。变电所应靠近电源进线侧布置，以免过大的功率倒送，产生不必要的电能损耗和电压损失。

④满足供电半径的要求。由于电压等级决定了线路最大的输送功率和输送距离，供电半径过大导致线路上电压损失太大，使末端用电设备处的电压不能满足要求。因此变电所的位置应保证所有用电负荷均处于该站的有效供电半径内，否则应增加变电所或采取其他措施。 ⑤运输设备方便。

⑥避免设在有剧烈震动和高温的场所。 ⑦避免设在多尘或有腐蚀性气体的场所。 ⑧避免设在潮湿或易积水场所。 3.2 总降压变电所的所址及布置形式

工厂总降压变电所根据厂区范围大小，负荷分布情况，全厂可以设一个或几个，一般只设一个。工厂总降压变电所一般采用独立式，单独设在工厂某个地区，

同时应接近负荷中心，以减少供电半径。

从本厂的总平面图（见图4）可以看出，全厂负荷及110kV高压转供负荷的分布较为集中，且总容量不是特别大，因此，全厂只设一个总降压变电所，采用独立式，由于设计所依据的原始资料中，只是给出了各个车间的平面布置方位关系，没有给出具体的尺寸，故此处的所址选择只是初步的选择，总降压变电所的位置初步确定在图3-1中1、3、5和IJ1车间所围成的空地中。

图4 工厂总平面图（原始资料）

变电所的布置形式有室内、室外和混合式三种。室内变电所一般由变压器室、低压配电室、电容器室、控制室和值班室等构成。本设计中总降压变电所的进线电压为110kV，宜采用混合式布置，需人员值班，应设立值班室，卫生间，两个主变压器采用室外安装形式，同时还应有110kV高压配电室。图5所示为总降压变电所布置方案。

图5 110kV变电所布置方案

3.3 车间变电所的类型及布置形式

10kV变电所大多为室内型或组合式成套变电所。室内变电所按其位置主要有以下几种类型：

①车间变电所。整个变电所位于车间内，可最大程度的靠近负荷中心，如图6中5所示。

②车间附设变电所。变电所的一面或数面墙与建筑物共用，节约建筑费用，主要用于负荷较大的车间，内附式如图6中1、2，外附式如图6中3、4。

③独立变电所。变电所为一独立建筑物，独立变电所建筑费用高，主要用于负荷小而分散的工业企业，如图6中7所示。

④地下变电所。在高层民用建筑中应用较多，如图6中9所示。 ⑤楼上变电所。通常用在高层建筑中，如图6中10所示。

⑥露天变电所。变压器安装在室外抬高的地面上，如图6中6所示。 ⑦杆上变电所。整个变电所设在室外电杆上面，如图6中8所示。

图6 车间变电所类型

本次车间变电所类型和布置的设计主要考虑了各车间的变压器台数和容量情况，以及各车间的环境因素，主要是振动和高温的因素，在以上条件的基础上，

以节约成本，经济性为原则进行了设计。其中1、2、3、4、5、6号车间变电所的设计基本一致，这些车间的振动或者车间内温度相对较大，采用了外附设式，变电所的布置采用10kV两台主变压器变电所的典型布置方案，见图7。7、8号车间变电所采用内附式，满足技术要求又经济，7号车间变电所布置与6号相同，8号车间属二级负荷且只设了一台变压器，其变电所的布置中，没有设值班室，见图38。9、10号车间属二级负荷，容量小，无变压器，故只设了低压电压配电室，见图9。

图7 3车间变电所类型及布置方案

图8 8车间变电所类型及布置方案 图9 10车间变电所布置方案

4 厂区高压配电系统设计

4.1 厂区配电电压的选择

本厂双回电源进线侧电压是110kV，总降压变电所高压配电室接有110kV的

高压转供负荷，厂内10个车间中除9、10号车间的配电电压小于0.4kV外，其余的车间配电电压均为10kV，且9和10车间的总计算负荷不足200kV·A，因此，厂区配电电压只设10kV一个电压等级，为了减少厂供电网络的复杂性和建设成本，属二级负荷的车间，如8、9、10号车间，不单独从总降压变电所的10kV高压配电室引线，8号车间由相邻车间的高压配电室转供，9、10号车间也选择

从相邻车间的低压配电室取得工作电源和备用电源。 4.2 厂区高压配电系统接线方案的选择

在确定了厂区配电电压、变电所的位置和布置形式后，便需要进一步确定厂区的高压配电系统接线方式。厂区高压配电接线方式有放射式、树干式和环式，以及由上述三种形式派生出来的其他形式。设计时，主要根据负荷的可靠性要求、厂区负荷分布情况及运行维护情况来选择使用。

放射式：高压放射式接线是指从总变电所高压母线上引出的一条回路直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，沿线不接其它负荷。放射式接线主要有单回路放射式、双回路放射式和有公共干线放射式，如图10所示。

（a）具有公共备用线路放射式

（b）双电源双回路放射式 （c）具有低压联络线的单回放射式

图10 放射式接线

单回路放射式接线特点是线路敷设容易，操作维护方便、保护简单和便于实现自动化。缺点是出线多，需要的高压开关柜数量多，投资大，当一条线路或开关柜故障时，由该线路供电的车间负荷要停电，故供电可靠性差，一般只适用于

三级负荷。双电源双回路接线方式，其中一条线路发生故障或检修时另一条回路继续运行，因此，这种接线方式供电可靠性较高，适用于一级负荷。具有公共备用线的放射式接线方式，任一回路发生故障式检修，可将其负荷切换到公共备用线，其供电可靠性也较高，可用于各级负荷。

树干式：高压树干式接线是指由变电所高压母线上引出的每路高压配电干线上，沿线接了几个车间变电所或用电设备的接线方式，如图11所示。

图11 直接树干式接线

直接树干式接线，这种接线方式使变电所出线数量减少，高压开关柜相应减少，可节约有色金属消耗量，但其供电可靠性较差，干线故障或检修引起干线上全部用户停电。所以一般只适用于三级负荷或二级负荷。为提高供电可靠性，可采用增加备用线的方法。

环式接线：环式接线是树干式接线的改进，特点是运行灵活，供电可靠性高，缺点是线路要承担全部车间的负荷，导线截面较大，有色金属消耗量多，现在推行采用带负荷开关的环网柜。环形供电接线适用于二、三级负荷。如图12所示。

图12 环形接线

以上介绍的高压供电网络中三种接线方式各有优缺点，实际高压线路接线往往是几种接线方式的组合，究竟采用什么接线方式应根据工厂负荷的等级、容量

大小和分布情况作具体分析。

本次厂高压配电网络接线方式设计中，首先考虑的是各车间的供电可靠性，这也符合本厂各车间的负荷特征，超过88%的车间属一级负荷，大部分用电设备均属于长期连续工作制，要求不间断供电，停电2min将造成产品报废，停电超过30min主要设备的池和炉将会损坏。全厂停电将造成严重后果。因此总降压变电所10kV母线侧到1、2、3、4、5、6、7号车间高压配电室采用供电可靠性最高的双电源双回路放射式，8号车间采用临近车间转供，同时设备用线，确保供电可靠性，9、10号车间采用有备用干线的树干式接线。

5 电气主接线的设计

5.1电气主接线的概述

变（配）电所的电气主接线是由高压电气设备通过连接线组成接受和分配电能的主电路，又称为一次接线或一次回路。用规定的设备文字和图形符号，按其作用依次连接的单线接线图称之为主接线图，一般将三相电路图绘制成单线图，对局部（如电流互感器）可用三线表示。主接线只表达电器设备之间的电气连接关系，与其具体安装地点无关。

主接线是否合理，对变电所设备选择和布置，运行的灵活性、安全性、可靠性和经济性，以及继电保护和控制方式都有密切关系。它是供电设计中的重要环节。在图上所有电器均以新的国家标准图形符号表示，按它们的正常状态画出。所谓正常状态，就是电器所处的电路中既无电压，也无外力作用的状态。对于图中的断路器和隔离开关，是画出它们的断开位置。在图上高压设备均以标准图形符号代表，一般在主接线路图上只标出设备的图形符号，在主接线的施工图上，除画出代表设备的图形符号外，还应在图形符号旁边写明设备的型号与规范。从主接线图上我们可了解变电所设备的电压、电流的流向、设备的型号和数量、变电所的规模及设备间的连接方式等，因此，主接线图是变电所最主要的图纸之一。 5.2电气主接线的设计原则

①考虑变电所在电力系统的地位和作用。变电所在电力系统的地位和作用是决定主接线的主要因素。变电所不管是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于它们在电力系统中的地位和作用不同，对主接

线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。

②考虑近期和远期的发展规模。变电所主接线设计应根据五到十年电力系统发展规划进行。应根据负荷的大小及分布负荷增长速度和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。

③考虑用电负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响。对一级用电负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级用电负荷不间断供电；对二级用电负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级用电负荷供电，三级用电负荷一般只需一个电源供电。

④考虑主变台数对主接线的影响。变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将会产生直接的影响。通常对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性的要求低。

⑤考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响。发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增、设备检修、故障停运情况下的应急要求。电气主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同，例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时否允切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。 5.2电气主接线设计的基本要求

变电所的电气主接线应根据该变电所在电力系统中的地位，变电所的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接总数、设备特点等条件确定。并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。

（1）可靠实用。所为可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电。衡量可靠性的客观标准是运行实践。经过长期运行实践的考验，对以往所采用的主接线经过优选，现今采用主接线的类型并不多。主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次部分在运行中可靠性的综合。因此，不仅要考虑一次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。同时，可靠性不是绝对的，而是相对的。一种主接线对某些变电所是可靠的，而对另一些变电所可能是不可靠的。

（2）运行灵活。主接线运行方式灵活，利用最少的切换操作，达到不同的

供电方式。根据用电负荷大小，应作到灵活的投入和切除变压器。检修时，可以方便的停运变压器、断路器、母线等电气设备，不影响工厂重要负荷的用电。

（3）简单经济。在满足供电可靠性的前提下，尽量选用简单的接线。接线简单，既节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备，使节点少、事故和检修机率少；又要考虑单位的经济能力。经济合理地选用主变压器型号、容量、数量，减少二次降压用电，达到减少电能损失之目的。

（4）操作方便。主接线操作简便与否，视主接线各回路是否按一条回路配置一台断路器的原则，符合这一原则，不仅操作简便、二次接线简单、扩建也方便，而且一条回路发生故障时不影响非故障回路供电。

（5）便于发展。设计主接线时，要为布置配电装置提供条件，尽量减少占地面积。但是还应考虑工厂企业的发展，有的用户第一期工程往往只上一台变压器，经3~5年后，需建设第二台主变压器，变电所布局、基建一般都是根据主接线的规模确定的。因此，选择主接线方案时，应留有发展余地。扩建时可以很容易地从初期接线过度到最终接线。 5.3 主接线的方案与分析 5.3.1 单母线接线

图13所示为单母线主接线，有一路电源进线，4路出线，每路进线或出线都装有隔离开关和断路器，断路器是用来接通或切断电路，隔离开关用来隔离带电部分，如馈出线两侧都有电源，则断路器两侧都要装设隔离开关，如馈线用户一侧无电源，这一侧可不设隔离开关。但有时防止雷电过电压可以装设隔离开关。单回路进线只有一种运行方式，进线简单使用开关设备少，但可靠性较差，一旦电源和母线故障都会造成停电。只适用于三级负荷。为提高供电可靠性可以采用两路电源进线，可采用双电源并列运行或一用一备运行，但若母线故障仍会使所有负荷都停电，但母线故障率很低，故可向二级三级负荷供电。 5.3.2 单母线分段主接线

图14所示为单母线分段主接线。母线用隔离开关或分段断路器分成两段或多段，通常用于两路或多路电源进线情况，可采用双电源并列运行或一用一备的运行方式，当一段母线故障分段断路器断开可保证非故障段母线负荷继续供电，两段母线同时故障的几率很小，可以不予考虑，当一回路电源故障，另一回路电

源可保证所有负荷不中断供电。由此可见，提高了供电可靠性。

WL1WL2WB1WB2QSQFQS

图13 单母线接线 图14单母线分段主接线

5.3.3 桥式接线

图15所示为桥式接线。在工厂总降压变电所中，有两个电源进线和两台变压器时一般采用桥式接线。桥式接线分为内桥和外桥两种，共同特点是在两台变压器一次侧进线处用一桥接断路器QF3将两回进线相连，桥路连在进线断路器之下靠近变压器侧称为内桥，连在进线断路器之上靠近电源线路侧则称为外桥。两种桥式接线都能实现电源线路与变压器的充分利用，若变压器T1故障可将T1切除，由电源1和2并列给T2供电，以减少电源线路中电能损耗和电压损失；若电源1故障，则可将电源1切除，由电源2同时给T1和T2供电，以充分利用变压器并减少变压器的电能损耗。桥式接线简单，使用设备少（4个回路只用三个断路器），节约投资，可靠性高，但是一种无母线的接线方式，适用于35～110kV变电所使用。 5.3.4 双母线接线

图15所示为双母线接线。上述几种接线中如果母线本身发生故障则该段母线将中断供电，该段母线上出线也将中断供电。为克服这一缺点，可采用双母线主接线。双母线主接线多采用双母线单断路器接线方式，这种接线每一回线经一台断路器和两组隔离开关分别与两组母线连接，一组是工作母线WB1，这组母线上的隔离开关接通，另一组是备用母线WB2，这组母线上的隔离开关断开，两组母线通过联络断路器连接。

双母线接线使运行的可靠性和灵活性大为提高。缺点是设备多、操作繁琐、造价高，只适用于有大量一、二级负荷的大型变电所。

（1）检修任一母线，不会停止对用户供电。如检修工作母线可将全部电源

盒线路倒换到备用母线上。

（2）如检修任一组母线隔离开关，只需要断开此隔离开关所需一回电路和与此隔离开关相连的该组母线，其它电路均可通过另一组母线继续供电。

（3）运行调度灵活，通过倒闸操作可以形成不同运行方式。

（4）线路断路器检修可用母联断路器临时代替，保证该线路不停电。

图15 桥式接线 图16 双母线接线

5.4 总降压变电所电气主接线方案的确定

分析原始资料知，本厂总降压变电所110kV高压配电室的母线上共有6回出线，其中2回电源进线，一用一备，另4回供重要一级负荷，可见高压配电室对供电的可靠性要求很高，10kV母线侧共有16回出线，其中7对主要供本厂的一级负荷车间，剩余两回作为备用线。

通过查阅《电力工程电气设计手册》，结合本厂实际情况知，电压等级为110kV，有6条出线并带有重要负荷，一般采用单母线分段或双母线供电，也可以采用双母线带旁路；电压等级为10kV，出线回路在6回以上时，宜采用单母线分段接线。

由以上分析，初步确定了两个总降压变电所的电气主接线方案，方案1：110kV侧采用双母线接线，10kV侧采用单母线分段接线，简图如图17所示；方案2:110kV侧采用单母线分段接线，10kV侧采用单母线分段接线，简图如图18所示。

图17 电气主接线方案1简图

图18 电气主接线方案2简图

方案1和方案2各有特点，需通过技术经济比较之后才能最终确定，由于两

种方案10kV侧的接线方式相同，都为单母线分段接线，因此只比较110kV侧的接线方式，其对比情况详见表7。

表7 电气主接线方案对比

方案 项目 可靠性

110kV侧采用双母线接线，即使母线本身发生故障，也不会中断供电，供电可靠性很高。

110kV侧采用单母线分段接线，虽比单母线供电可靠性高，但若一段母线发生故障，该母线上的出线也将中断供电。

灵活性

双母线接线的操作繁琐，但供电的灵活性高，可形成不同的运行方式，检修母线及其高压设备不会造成停电。

经济性

双母线接线，高压电气设备多，造价高，适用于有大量一二级负荷的变电所。

单母线分段接线相对设备少一些，初期投资小。

方案2优于方案1

单母线分段接线的操作较为简单，但供电灵活性稍差，检修任一母线，该母线出线都将中断供电。

方案1略优于方案2 方案1明显优于方案

2

方案1 方案2 对比结果 在技术上（可靠性、灵活性）第1种方案明显合理，在经济上则方案2占优势。鉴于此变电所为本厂总降压变电所，厂内一级负荷所占比例超过了80%，且有110kV高压转供负荷（石油机械制造厂和橡胶厂），应具有较高的可靠性和灵活性。经综合分析，决定选方案1为本次设计的最终方案。

6 防雷接地

6.1防雷保护

6.1.1 直击雷保护

直击雷过电压。雷电直接击中电气线路、设备或建筑物而引起的过电压，又称直击雷。在雷电的主放电过程中，其传播速度极快（约为光速的50%-10%），雷电压幅值达10-100MV，雷电流幅值达数百千安，伴以强烈的光、热、机械效应和危险的电磁效应以及强烈的闪络放电，具有强烈的破坏性和对人员的杀伤性。

110KV配电装置、主变压器为户外布置、采用在构架上设置2支避雷针，及其余设备均为户内布置，采用配电楼屋顶设避雷带，和避雷针联合作为防直击雷保护，确保户外主变压器、110KV配电装置在其联合保护范围内。 6.1.2 侵入波保护

雷电波入侵(高电位侵入)。架空线路遭受雷击或感应雷的影响，在线路上形成沿线路传播的高电压行波。此种电压波入侵到建筑物内或进入电气设备造成过电压。据统计城市中雷击事故的50%-70%是由于这种雷电波侵入造成的。因此，在工厂中应予以重视，对其危害给予足够的防护。为防止线路侵入雷电波的过电压，在110KV进线，10KV母线桥及10KV每段母线上分别安装避雷器。为保护主变压器中性点绝缘，在主变110KV侧中性点装设避雷器。10KV并联电容器根据规定装设避雷器保护。 6.1.3 变配电所的防雷措施

（1）装设避雷针。室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。 （2）高压侧装设避雷器。这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最关键设备。为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。避雷器的接地端应与主变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起接地。

（3）低压侧装设避雷器。这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。

（4）进线防雷要求。35kV及以上变电所进线段防雷保护接线，要求在进线1~2km段内装设避雷线，使该段线路免遭受直接雷击。为使避雷线保护段外线路遭受雷击时侵入变电所内的过电压限制雷电流幅值不超过5kA，而且必须保证来波陡度a不超过一定允许值，一般在避雷线两端装设管型避雷器。

6.2本设计的防雷保护方案

本场总降压变电所是重要的电力枢纽，一旦发生雷击事故，就会造成大面积停电，而且还会损坏重要的电气设备，如变压器。变电所的雷害事故来自两个方面：一是雷直击变电所；二是雷击引起输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电所。

由于直击雷防护设计需要知道本厂平面布置图的具体尺寸，以便计算防雷保护范围，而原始资料中，未给出本厂的占地面积及各车间相对位置的具体尺寸、车间大小，因此直击雷防护的设计只是限于一些原则性的分析，前面已有描述。

本次设计主要针对感应雷的防护，主要从110kV进行侧、主接线母线、主变压器及10kV馈线出线四个方面来进行初步设计。依据的是变电所防雷措施中防止雷电入侵波的原则，以下是所做的几点设计。

（1）在110kV电源进线侧，装设2km的避雷线，以限制雷电流幅值，避雷线两侧装有管型避雷器，如图19中（a）所示。

（2）在变压器高压侧装设阀型避雷器，保护变压器，如图19中（b）所示。 （3）在10kV馈线侧装设阀型避雷器，防止雷电波从低压线路侵入。如图19中（c）所示。

（4）在110kV和10kV母线侧装设阀型避雷器，保护母线。

（a） （b） （c）

（a）110kV进线设避雷线；（b）变压器防雷保护；（c）10kV馈线设避雷器

图19 防雷保护设计

6.3 接地保护的设计

接地保护的设计，主要是基于安全检修的考虑。采取的措施是装设接地开关。接地开关的作用：主要是用于设备的检修，为了防止检修过程中突然来电，必须将检修设备的两端都接地，高压配电柜的接地开关，一般为输出负荷侧接地，当我们检修高压配电柜负荷侧时（如：紧固螺栓、拆装电缆等），就要分断开关，同时合上配电柜的接地开关，这样可以防止突然来电引起触电事故，另外可以放

尽剩余电荷，有利于检修安全。接地开关的装设原则：（1）110kV馈线断路器的两侧装设接地开关；（2）110kV、10kV母线装设接地开关，10kV母线联络断路器两侧也装设接地开关；（3）10kV馈线可以设接地开关，也可以不设，视具体情况而定。

本设计中接地保护的设计就是依据接地开关的装设原则进行的，在110kV馈线断路器两侧及110kV、10kV母线侧都装设了接地开关，在10kV馈线侧没有装设。

7 短路仿真分析

在供电系统的设计和运行时，必须考虑到发生故障和不正常运行情况。运行经验表明，故障大多数是由于短路引起的，短路是指供电系统中不同电位的导电部分之间发生低阻抗性短接。产生短路的主要原因是电气设备载流导体部分的绝缘损坏。

短路计算的目的是为了正确选择和校验电气设备及继电保护装置，三相短路危害最严重，因此，用系统最大运行下三相短路电流作为选择和校验电器和导体的基本依据，用系统最小运行方式下两相短路电流作为效验保护装置灵敏系数的依据。

7.1 短路仿真电路图的绘制

计算电路图是根据短路电流计算目的从电气主接线上取得部分简化单线图。本次短路仿真设计的计算电路图如图20。

110kV115kV10kVSk600MV•AX00.4/kml8kmSN•T12500kV•AUk%10.5转供(3575j2497.15)kV•A 图20 计算电路图

依据设计任务书，总降压变电所从距厂8km处的区域变电所取得110kV电源，

（3）（3）该电源三相短路容量最大值Sk•max600MV•A,最小值Sk•min280MV•A，要求

总降压变电所的过电流保护整定时间不大于1.3s。总降压变电所110kV侧接有转供负荷和本厂的两台主变压器，仿真短路故障设置在10kV母线侧，通过仿真分析，可观察短路电流的周期分量和冲击电流的大小。 7.2 仿真模型构建

本设计的短路仿真采用MATLAB/SIMULINK的电力系统分析工具箱SimPowerSystems,它是一个基于图形编程的电力系统仿真工具箱，功能强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真。

为了研究本次设计的总降压变电所二次母线短路的情况，所搭建的模型最大限度的再现了从电源侧到二次母线侧的所有电力负荷及电力设备的参数实际情况。由于采用的是模块库中的模块搭建的模型，也不可避免的对一些环节做了一定的理想化，对有些元件的参数做了一定的取舍与简化。图21是所构建的短路仿真模型。

T1AB110kVCAAAAaaAcab10kVAIabcaBbCcCthree-phase 115kV CL=8kmx=0.40hm/kmCCccCB1B1ABCT22*12500kV.ACABScope1ABCthree phase faultBBBBbbBabcB2Three-Phase Breaker3MultimeterScope3575+j2497kV.A 图21 短路仿真模型

如上图所示，从左到右各模块的含义是三相电源模块、输电线路等效模块、断路器模块、110kV总线、转供负荷模块、主变T1、T2、10kV总线、三相短路故障模块，各模块的参数设置均依据本次厂供电设计的实际数据进行。 7.3 仿真结果分析

将仿真时间设置为0到1.2s，在0.1到1s时，“three phase fault”三相短路模块动作，及A、B、C三相接地，B1母线短路，此时观察到的三相短路电流波形如图22所示。

图22 三相短路电流波形

从上到下依次表示A、B、C三相的短路电流波形，由图可知，在稳态时，由于三相短路故障发生器断开，故各相得短路故障电流为0，在0.1s时，发生短路故障各相都出现了短路电流，其中A相和C相还出现了冲击电流，其电流波形由周期分量和按指数规律衰减的非周期分量组成，符合短路电流的一般特征，B相的短路电流只含有周期分量，在1s时，短路故障切除，各相短路电流恢复为0。

8 结束语

依据设计任务书，最终完成了炼钢厂110kV总降压变电所电气一次部分初步设计，作为毕业设计，本次设计，耗时长，内容多，且课外延伸的知识很多。我经过了收集资料、设计、绘图、仿真建模四个过程，期间充实又紧张。

在设计期间，我动手查阅了大量的资料，一方面，充分地检验了自己的自学能力和创新能力；另一方面，我体会到搞设计或科研需要具备严谨求实、一丝不苟和勇于献身的精神。这次的设计，我最大的收获就是学到了变电站的设计步骤与

方法，还学会了如何使用资料。

设计虽然完成了，但我只是掌握了变电站设计中很少的一部分知识，还有很多深奥的专业知识等着我去挖掘、去探索、去学习。我也将会在今后的工作学习中不断充实自己，不断完善自己的专业知识，为自身的发展打下坚实的基础。由于所学知识和时间有限，加上缺乏实践经验，在设计过程中难免出现错误，敬请各位专家和老师批评指正。

参考文献：

[1] 刘介才．工厂供电设计指导[M]．北京：机械工业出版社，1999．

[2] 刘涳．电气及自动化专业毕业设计宝典[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2008． [3] 刘学军．工厂供电[M]．北京：中国电力出版社，2007． [4] 刘学军. 工厂供电设计指导[M]．北京：中国电力出版社，2008．

[5] 刘健. 电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，

2008.

[6] 祝淑萍．工业企业电力网及变电设备[M]．北京：冶金工业出版社，2003． [7] 卓乐友．电力工程电气设计200例[M]．北京：中国电力出版社，2004． [8] 史承逵．城网110kV变电所设计思路[J]．电网技术，2009，24(9)：46-48． [9] 张亚瑾，傅江．兴鑫铁合金厂供电方案探讨[J]．宁夏电力，2000，3：47-49． [10] 蒋从伟．蚌埠110kV长征变电所设计实例[J]．安徽电力职工大学学报，2000, 5(3)：

49-52．

[11] 刘涤尘．电气工程基础［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社，2002．

[12] 王枫.基于MATLAB的工厂供电系统仿真[J].西安科技大学学报，2007,27(2):304-307. [13] 刘军. Matlab/Simulink在《工厂供电》中的应用[J]. 电力学报，2009，24(3):236-238.

致谢：

本设计是在XXX老师直接指导下完成的，在设计的选题及其设计过程中康老师多次给予我指导。在设计期间，XXX老师给了我悉心指导，帮我解决了很多技术困难，使我能顺利完成设计任务，圆满结束四年的大学学习生活，在此表示衷心的感谢！

在设计的整理、资料的收集、图文的处理等方面，得到了班上同学的积极帮助，占用了他们许多宝贵时间，在此也向他们表示由衷的感谢。

在设计即将付印之时，对以上导师、同学给予我真诚的帮助再次表示万分的感谢。