35kV变电站毕业设计

原始资料

35kV南山所址位于直罗采油厂覆盖油区南山井区一块纵深森林区山峁地上，所址四周为典型的陕北森林土质山地区。由两回架空线路与2×13km的110kV变电站相连。 一、出线规模

35kV南山变35kV出线：本期1回，远期最终规模2回。 35kV南山变10kV出线：本期12回，远期最终规模16回。 二、主变规模

主变最终规模2×10MVA，本期上一台有载调压变压器。主变两侧抽头电压为：35±4×2.5%/10.5kV。 三、无功补偿容量安排

35kV南山变10kV侧进行无功补偿。

四、以系统情况：南山变电站由110kV张家湾变电站接入系统，系统短路阻抗（Sj＝100MVA）折算至35kV母线系统阻抗标幺值（不包括本站主变）： X1*=0.561。 五、设计任务：

1、进行负荷分析及变电所主变压器容量、台数和型号的选择。 2、进行电气主接线的技术经济比较，确定主接线的最佳方案。 3、计算短路电流，列出短路电流计算结果。 4、主要电气设备的选择。

5、绘制变电所电气平面布置图，断面图、对35kV户外配电装置及10kV户内配电装置进行配置。

6、本期变电站按综合自动化及有人值守无人值班变设计，全所控制、信号、测量采用计算机监控方式。所有元件保护均采用微机保护，保护信息都以通讯方式接入计算机监控系统。 7、变电站防雷布置的说明。

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

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，特别是供电的稳固性、可靠性和持续性。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。出于这几方面的考虑，本论文设计了一个35kV降压变电站,此变电站有两个电压等级，一个是35kV，一个是10kV。同时对于变电站内的主设备进行合理的选型。本设计选择选择一台主变压器，其他设备如断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器，无功补偿装置和继电保护装置等等也按照具体要求进行选型、设计和配置。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。

在设计的过程中，得到了学校老师、同学的耐心指导和大量帮助，在此对他们表示衷心的感谢和崇高的敬意。

关键词 35kV 变电所 设计

2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

Abstract：

With the continuous development of power industry，people have become increasingly demanding power supply，in particular, the stability of supply, reliability and sustainability. However, grid stability, reliability and sustainability often depend on the rational design and configuration of substation. Typical substation equipment required to run reliable, flexible, economical, easy expansion. For these considerations, in the paper, a 35kV step-down substation was designed, and the substation has two voltage levels, one is 35kV，another is 10kV .The design choice to choose a main transformer, other equipment such as circuit breakers, isolation switch, current transformer, voltage transformers, reactive power compensation devices and protection equipment, etc. Selection according to specific requirements, design and configuration，tried to be reliable, simple, convenient, economical .With expansion possibilities and the flexibility of changing the operation mode.

In the design process, by the school teachers and classmates, a lot of patience, guidance and help, here I say thanks and highest respect to them by my heart.

Keywords：35kV Substation Design

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目 录

摘 要 .............................................................. 1

Abstract： ...................................................... 3 绪论 ............................................................... 1 第一章 电气主接线及其设计 .......................................... 2

第一节 电气主接线的概念及其重要性 .............................. 2 第二节 电气主接线的设计原则和要求 .............................. 2

一、 电气主接线的设计原则： ................................. 2 二、 电气主接线的主要要求： ................................. 3 第三节 电气主接线的方式种类和一般适用范围 ...................... 4

一、 普通单母线接线 ......................................... 4 二、 单母线分段接线 ......................................... 4 三、 普通双母线接线 ......................................... 5 四、 双母线分段接线 ......................................... 5 五、 其它接线方式 ........................................... 6 第四节 原始资料分析 ............................................ 6 第五节 电气主接线的拟定 ........................................ 6 第二章 变压器的选择 ............................................... 11

第一节 变电站变压器台数的选择原则 ............................. 11 第二节 变电站主变压器容量的确定原则 ........................... 11 第三节 主变压器绕组数的确定 ................................... 12 第四节 主变压器相数的确定 ..................................... 12 第五节 主变压器调压方式的确定 ................................. 12 第六节 主变压器绕组连接组别的确定 ............................. 13 第七节 主变压器冷却方式的选择 ................................. 13 第八节 主变压器的选择结果 ..................................... 14 第三章 短路电流的计算 ............................................. 15

第一节 短路的基本知识 ......................................... 15 第二节 计算短路电流的目的 ..................................... 15 第三节 短路电流实用计算的基本假设 ............................. 16 第四节 短路电流的计算 ......................................... 17 第四章 电气设备的选择与校验 ....................................... 20

第一节 电气设备选择的一般条件 ................................. 20

一、按正常工作条件选择 ..................................... 20 二、按短路条件效验设备的动稳定和热稳定 ..................... 22 第二节 高压断路器的选择及校验 ................................. 23

一、对高压断路器的基本要求 ................................. 23

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二、高压断路器的选择结果及校验 ............................. 24 第三节 隔离开关的选择及校验 ................................... 26

一、隔离开关 ............................................... 26 二、隔离开关用途 ........................................... 26 三、隔离开关的选择 ......................................... 26 第四节 电流互感器的选择及效验 ................................. 28

一、电流互感器介绍 ......................................... 28 二、电流互感器的选择 ....................................... 28 三、电流互感器的选择结果及效验 ............................. 30 第五节 电压互感器的选择及效验 ................................. 32

一、电压互感器介绍 ......................................... 32 二、电压互感器的选择 ....................................... 32 三、电压互感器的选择结果 ................................... 33 第六节 母线的选择及效验 ....................................... 33

一、母线型号的选择 ......................................... 34 二、母线截面尺寸的选择 ..................................... 34 三、母线截面尺寸的短路稳定性效验 ........................... 35 四、母线的选择结果 ......................................... 36 第七节 高压开关柜的选择 ........................................ 37

一、概述 ................................................... 37 二、柜型的选择 ............................................. 37 三、按工作电压选择 ......................................... 37 四、按工作电流选择 ......................................... 38 五、高压开关柜的选择结果 ................................... 38

第五章 无功补偿 ................................................... 40

第一节 补偿装置的种类和作用 ................................... 40 第二节 无功补偿的基本要求 ..................................... 41 第三节 无功功率平衡与补偿 ..................................... 42 第四节 无功补偿装置的选用 ..................................... 43 第五节 变压器的无功功率损耗 .................................. 43

一、Q0 ................................................... 44 二、

QN ................................................... 44

三、变压器的无功功率损耗公式 ............................... 44

四、变压器功率损耗计算 ..................................... 45

第六章 配电装置 .................................................. 46

第一节 配电装置概述 ........................................... 46

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一、对配电装置的基本要求 ................................... 46 二、配电装置的安全净距 ..................................... 46 三、配电装置的类型及应用 ................................... 49 四、配电装置的应用选择 ..................................... 50 五、配电装置的设计原则及步骤 ............................... 51 第二节 屋内配电装置 ........................................... 52 一、屋内配电装置的分类及其特点 ................................. 52

二、屋外配电装置的分类及其特点 ............................. 53

第七章 主变微机保护及其整定计算 ................................... 55

第一节 保护配置方案 ........................................... 55

一、35kv主变微机保护配置原则 ............................... 55 二、待设计变电站主变保护的配置 ............................. 55 第二节 二次回路图及其讲解 ...................................... 56 一、变压器瓦斯保护的构成及动作过程 ............................. 56

二、双绕组变压器纵差保护原理及动作过程 ..................... 57 三、复合电压启动的过电流保护的构成及动作过程 ............... 58 第三节 差动保护整定 ........................................... 59

一、比率自动特性的变压器纵差保护 ........................... 59 二、主变差动保护整定计算步骤 ............................... 60 第四节 主变微机保护整定计算 .................................... 65

第五节 主变微机保护设备的选择 .................................. 67 一、WBH-821微机变压器保护装置的特点 ........................ 67

二、WBH-821微机变压器保护装置的主要技术数据： .............. 68 三、微机保护装置的功能配置 ................................. 69

第八章 变电所的防雷保护 ........................................... 71

第一节 变电所防雷概述 .......................................... 71 第二节 避雷针的选择 ........................................... 71 第三节 避雷器的选择 ............................................ 72

一、35kV避雷器的选择 ....................................... 72 二、10kV避雷器的选择 ....................................... 74 三、避雷器的选择结果表 ..................................... 75

致 谢 ............................................................. 77

参考文献： ................................................. 78

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绪论

电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的一些部门快速、稳定的发展提供了动力、其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。

电能的输送和分配是电能应用不可缺少的组成部分，所以输送和分配电能是十分重要的一环。变电站用电厂或上级电站经过调整的电能输送给下级负荷，是电能输送的核心部分。其运行情况、容量大小直接影响下级负荷的供电，进而影响工业生产及生活用电。若变电站系统中某一环节发生故障，系统保护环节将起动，可能造成停电等事故，给生产生活带来很大不利。随着电力系统的发展，电网结构越来越复杂，各级调度中心需要获得更多的信息，以准确掌握电网和变电站的运行状况，同时提高电力系统的可控性，要求更多的采用远方集中监视和控制，并逐步采用无人值班管理模式。因此，变电站在整个电力系统中对于保护供电的可靠性、灵敏性等指标十分重要。

变电站是电力网中线路的连接点，作用是变换电压、交换功率和汇集、分配电能。变电站中的电气部分通常被分为一次部分和二次部分。本次变电站设计主要是对电气一次和变压器保护的设计。主要包括变电站总体分析，电力系统分析，主接线选择，主变选择，无功补偿设备，短路电流的计算，电气设备的选择，配电装置设计，变压器的微机保护，防雷设计等。

传统变电站一般都采用常规设备。各个断路器的控制与信号回路、各事故信号和预告信号均采用独自的信息传输通道，主要是从被监控的一次设备到主控室。信号传送距离长，使电压互感器和电流互感器的测量精度降低，并且电缆用量巨大，无自动电压调节功能。所以，常规装置结构复

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杂，可靠性低，维护工作量大。因此，实现变电站综合自动化是全面提高变电站的技术水平和管理水平的重要目标。

第一章 电气主接线及其设计

第一节 电气主接线的概念及其重要性

在发电厂和变电所中，发电机、变压器、断路器、隔离开关、电抗器、电容器、互感器、避雷器等高压电气设备，以及将他们连接在一起的高压电缆和母线，构成了电能生产、汇集和分配的电气主回路。这个电气主回路被称为电气一次系统，又称为电气主接线。

发电厂、变电所的电气主接线可以有多种形式。选择何种电气主接线，是发电厂、变电所电气部分设计中的最重要问题，对各种电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定等都有决定性的影响，并长期地影响电力系统运行的可靠性、灵活性和经济性。

第二节 电气主接线的设计原则和要求

发电厂和变电所的电气主接线是保证电网安全可靠、经济运行的关键，是电气设备布置、选择、自动化水平和二次回路设计的原则和基础。

一、电气主接线的设计原则：

应根据发电厂和变电所所在电力系统的地位和作用。首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求，根据规则容量，本期建设规模、输送电压等级、

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进出线回路数、供电负荷的重要性，保证供需平衡，电力系统线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规则与要求等条件确定，应满足可靠性、灵活性和经济型的要求。

二、 电气主接线的主要要求：

（1）可靠性：可靠性的客观衡量标准时运行实践主接线的可靠性是其组合元件 （包括一次部分和二次部分）在运行中可靠性的综合，因此要考虑一次设备和二次部分的故障及其对供电的影响，衡量电气主接线运行可靠性的一般准则是：

① 断路器检修时，是否影响供电、停电的范围和时间

② 线路、断路器或母线故障以及母线检修时，停电出线回路数的多少和停电时间长短，能否保证对重要用户的不间断供电。

③ 发电厂、变电所全部停电的可能性。、

④ 灵活性：投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便，调度灵活，电气主接线的灵活性要求有以下几方面：

⑤ 调度灵活、操作方便，应能灵活地投切某些元件，调配电源和负荷能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调整要求。

⑥ 检修安全，应能容易地从初期过渡到最终接线，并在扩建过渡时使一次和二次设备等所需的改造最少。

⑦ 控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资，要适当限制经济型：通过优化比选，应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗少，在满足技术要求的前提下，要做到经济合理。

⑧ 投资省，电气主接线应简单清晰，以节省断路器、隔离开关等一次设备投资，要使短路电流，一边选择价格合理的电气设备。

⑨ 占地面积小，电气主接线的设计要为配电装置的布置创造条件，

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以便节约地和节省架构、导线、绝缘小及安装费用，在运输调节许可的地方都应采用三相变压器。

⑩ 电能损耗少，经济合理的选择变压器的型式、容量和台数，避免因两次变压而增加投资。

第三节 电气主接线的方式种类和一般适用范围

一、普通单母线接线

这种接线最简单，只有一组（指A、B、C三相）母线，所有进、出线回路均连接到这组母线上。

普通单母线不能作为唯一电源供电给一级负荷，在此前提下可用于以下情形普通单母线接线的适用范围：

①6～10kV配电装置的出线不超过5回时。 ②35～60kV配电装置的出线不超过3回时。 ③110～220kV配电装置的出线不超过2回时。

二、单母线分段接线

与一般单母线接线相比，单母线分段接线增加了一台母线分段断路器QF以及两侧的隔离开关QS1、QS2。当负荷量较大且出线回路很多时，还可以用几台分段断路器将母线分为多段。

单母线分段接线在中、小型发电厂和变电所中被广泛应用，具体应用范围如下：

①6～10kV配电装置总出线回路数为6回及其以上时，每一分段上所接的总容量，不宜超过25MW。

②35～60kV配电装置总出线回路数为4～8回时。

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③110～220kV配电装置总出线回路数为3～4回时。

三、普通双母线接线

普通双母线接线具有两组母线，两组母线通过母联断路器QF（简称母联）连接。每一回路都经过线路隔离开关、断路器和两组母线隔离开关分别与两组母线连接。

在以下情形可考虑采用双母线接线：

①6～10kV配电装置，当短路电流较大，出线需带电抗器时；或当变电站有两台主变压器，6～10kV线路为12回及以上时。

②35kV配电装置，当出线回路超过8回，或连接的电源较多、负荷较大时。

③110～220kV配电装置，出线回路为5回及以上，或者出线回路为4回但在系统中地位重要时。

四、双母线分段接线

这种接线将双母线接线的工作母线分为两段，可看作是单母线分段和双母线相结合的一种形式，它增加了一台分段断路器和一台母联断路器。

双母线分段的适用范围：

①广泛应用于中、小型发电厂的6～10kV发电机电压母线。 ②220kV配电装置进出线回路总数为10～14回时，可在一组母线上分段（双母线三分段），进、出线回路总数为15回及以上时，两组母线均可分段（双母线四分段）；对可靠性要求很高的330～550kV超高压配电装置，当进出线总数为6回以上时，也可以采用双母线3分段或双母线4分段。

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五、其它接线方式

单母线分段带旁路母线接线，双母线带旁路母线接线，3/2断路器双母线接线，无母线接线（单元接线，桥形接线，角形接线）等，由于这些接线方式，本次变电站设计中基本没有采用到，故不作多余介绍，想了解的请查阅相关图书资料。

第四节 原始资料分析

待设计35kV南山变电站所址位于直罗采油厂覆盖油区南山井区一块纵深森林区山峁地上，所址四周为典型的陕北森林土质山地区。由两回架空线路与2×13km的110kV变电站相连。所处地海拔较高，后面选择设备的时候要注意设备的适用情况。主变最终规模2×10MVA，本期上一台有载调压变压器，主变两侧抽头电压为：354×2.5%/10.5kV。电压等级相对较小，容量也不大，故可靠性要求不是很高。35kV侧本期1回出线，远期最终规模2回，10kV侧本期12回，远期最终规模16回。可知负荷情况较小，远期规模增长不大，配电装置的实施比较好配置。

第五节 电气主接线的拟定

待设计变电站为一座35kv的降压变电站，由两回架空线路与110kv变电站相连。35kv出线：本期1回，远期最终规模2回，由两回架空线路与2×13km的110kV变电站相连；10kv出线：本期12回，远期最终规模16回。主变最终规模2×10MVA，本期上一台有载调压变压器。该变电站的电气主接线形式初步拟定以下几种，如下图所示：

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方案一： 方案二：

方案三和方案四：

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对拟定方案的接线方式进行比较： 接线方式 优点 缺点 可靠性不高，不够灵活，断路器检修时，该回路需要停电，母线或隔离开关故障检修时，则需全部停电。 当一段母线隔离开关故障或检修时，改段母线上的所有回路都需要长时间停电，所以其连接的回路一般比单母线增加一倍。 接线简单清晰，设备少、投资低，单母操作方便，便于扩建，也便于采用成套配电装置。另外，隔离开关仅仅用线接于检修，不作为操作电器，因此不容线 易发生误操作。 除具有简单、经济和方便的优点，可靠性又有一定程度的提高，当任一段母线或某一台母线隔离开关故障或检修时，自动或手动跳开分段断路器QF，仅有一半线路停电，另一段母线上的各回路仍可正常运行，重要负荷分别从两段母线上各引出一条供电线路，就保证了足够的供电可靠性。 可轮换检修母线或母线隔离开8

单母分段接线 双母

造价高，每一回路增加2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

检修任一回路的线接关而不致供电中断。母线或隔离开关时，只停该回路。母线 线故障后，能迅速恢复供电，各电源和回路的负荷可任意分配到某一组母线上，便于母线左右任意一个方向扩建。 了一组母线及其隔离开关，使配电装置构架数量、构架高度及其占地面积增加了许多。当母线故障或检修时，隔离开关作为操作电器，在倒换操作时，容易误操作。 可看作是单母线分段和双母线设备较多，投资巨大，相结合的一种形式，它增加了一台分配电装置较为复杂，占地空双母段断路器和一台母联断路器，具有单间也大。 任何分段母线分段和双母线两者的特点，一段母线故障或检修时，仍可保持双接线 母线并列运行，有较高的可靠性和灵活性。 分析确定最终方案：

综合考虑，35kV侧因为本期只有一回出线，远期2回，毫无疑问选择单母线接线是最合适的，经济又简单。而10kV侧由于出线回路较多，所以考虑单母分段或双母线接线以及双母分段接线。若不考虑经济投资以及场地占用的情况，毫无疑问会选择双母分段接线，可靠性、灵活性是最高的，但是，投资太大，设备多，配电装置也复杂，占用场地也大，对于待设计35kV变电站有点大材小用的感觉。所以我决定10kV侧选用投资低，可靠性也较高的单母分段接线。而方案二满足我们的要求，所以最终确定方案二作为选定的电气主接线方案。

选定方案二：

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第二章 变压器的选择

第一节 变电站变压器台数的选择原则

(1)对于只供给二类、三类负荷的变电站，原则上只装设一台变压器。 （2）对于供电负荷较大的城市变电站或有一类负荷的重要变电站，应选用两台两台相同容量的主变压器，每台变压器的容量应满足一台变压器停运后，另一台变压器能供给全部一类负荷；在无法确定一类负荷所占比重时，每台变压器的容量可按计算负荷的70%～80%选择。

（3）与系统联系较弱的中、小型电厂和低压侧电压为6～10kv的变电所或与系统联系只是备用性质时，可只装一台主变压器。

（4）与系统有强联系的大、中型发电厂和枢纽变电所，在一种电压等级下，主变压器应不小于2台。

（5）对大城市郊区的一次变电站，如果中、低压侧已构成环网的情况下，变电站以装设两台为宜；对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电所，在设计时应考虑装设三台主变的可能性；对于规划只装两台主变的变电站，其变压器的基础宜按大于变压器容量的1～2级设计。

第二节 变电站主变压器容量的确定原则

（1）按变电所建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展，对城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。

（2）对重要变电所，应考虑一台主要变压器停运后，其余变压器在计算过负荷能力及允许时间内，满足Ⅰ、Ⅱ类负荷的供电；对一般性变电所，

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一台主变压器停运后，其余变压器应能满足全部供电负荷的70%以上。

第三节 主变压器绕组数的确定

（1）具有3种电压的变电所中，如通过主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，但在变电所内需装设无功补偿设备时，主变压器宜采用三绕组变压器，当中性点接地方式允许时应采用自耦变压器。

（2）对深入引进负荷中心、具有直接从高压降为低压供电条件的变电所，为简化电压等级或减少重复降压容量，可采用双绕组变压器。

第四节 主变压器相数的确定

在330KV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。因为单相变压器组相对来说投资大、占地多、运行规模也较大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量，待设计变电所谓35KV降压变电所，在满足供电可靠性的前提下，为减少投资，故选用三项变压器。

第五节 主变压器调压方式的确定

为了确保变电所供电量，电压必须维持在允许范围内，通过变压器的分接头开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：不带电切换，称为无励磁调压，调整范围通常在22.5%以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30%，但其结构较复杂，价格较贵，由于待设计变电所要求对10kv侧进行无功补偿，而且任务书也有所要求和规定，故选用有载调压变压器。

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第六节 主变压器绕组连接组别的确定

变压器的连接组别必须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星形和三角形两种，因此对于三相双绕组变压器的高压侧，110KV及以上电压等级，三相绕组都采用“YN”连接，35KV及以下采用“Y”连接；对于三相双绕组变压器的低压侧，三相绕组采用“d”连接，若低电压侧电压等级为380/220V，则三相绕组采用“YN”连接，在变电所中，为了限制三次谐波，我们选用“Ynd11”常规连接的变压器连接组别。

第七节 主变压器冷却方式的选择

电力变压器的冷却方式，随其型号和容量不同而异，一般有以下几种类型：

① 自然风冷却：一般适用于7500KVA以下小容量变压器 ② 强迫油循环水冷却

③ 强迫空气冷却：又简称风冷式。容量大于等于8000KVA的变压器，在绝缘允许的油箱尺寸下，即使有辐射器的散热装置仍达不到要求时，常采用人工风冷。在辐射器管间加装数台电动风扇，用风吹冷却器，使油迅速冷却，加速热量散出，风扇的启停可以自动控制，亦可人工操作。

④ 强迫油循环导向风冷却 ⑤ 强迫油循环风冷却 ⑥ 水内冷变压器

待设计变电所主变的容量为10000KVA,为使主变的冷却方式既能达到预期的冷却效果，有简单、经济，我们选用强迫空气冷却，简称风冷却。

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第八节 主变压器的选择结果

综上得该变电所的主变型号及相关参数如下表所示：

额定电压变压器型号 额定量KVA （KV） 高压 低压 连 接组 标号 损耗（KW） 阻抗电压空载电流空载 负载 （％） （％） 50.58 SZ9-10000/35 10000 35 10.5 Ynd11 11.6 8.0 0.8 14

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第三章 短路电流的计算

第一节 短路的基本知识

电力系统正常运行方式的破坏多数是由于短路故障引起的，系统中将出现比正常运行时的额定电流大许多倍的短路电流，其数值可达几万甚至几十万安。因此，在变电所设计中必须全面地考虑短路故障各种影响。

变电所中各种电器设备必须能承受短路电流的作用，不致因过热或电动力的影响而损坏。例如，断路器必须能断开可能通过的最大短路电流；电流互感器应有足够的过电流倍数；母线效验短路时要承受最大应力；接地装置的选择也与短路电流的大小有关等。

短路电流的大小也是比较主接线方案、分析运行方式时必须考虑的因素。系统短路时还会出现电压降低，靠近短路点处尤为严重，这将直接危害用户供电的安全性及可靠性。为限制故障范围，保护设备安全，继电保护装置必须整定在主回路通过短路电流的准确动作。

由于上述原因，短路电流计算称谓变电所电气部分设计的基础。选择电气设备时通常用三相短路电流，效验继电保护动作灵敏度时用两相短路、单相短路电流或单相接地电流。工程设计主要计算三相短路电流。

第二节 计算短路电流的目的

短路故障对电力系统的正常运行影响很大，所造成的后果也十分严重，因此在系统的设计，设备的选择以及系统运行中，都应该着眼于防止短路故障的发生，以及在短路故障发生后腰尽量限制所影响的范围。短路的问

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

题一直是电力技术的基本问题之一，无论从设计、制造、安装、运行和维护检修等各方面来说，都必须了解短路电流的产生和变化规律，掌握分析计算短路电流的方法。

短路电流计算具体目的是；

1．选择电气设备。电气设备，如隔离开关、母线、断路器、电缆等，必须具有充分的电动力稳定性和热稳定性，而电气设备的电动力稳定性和热稳定性的效验是以短路电流计算结果为依据的。

2．继电保护的配置和整定。系统中影配置哪些继电保护以及继电保护装置的参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算和分析，而且不仅要计算短路点的短路电流，还要计算短路电流在网络各支路中的分布，并要作多种运行方式的短路计算。

3．电气主接线方案的比较和选择。在发电厂和变电所的主接线设计中，往往遇到这样的情况：有的接线方案由于短路电流太大以致要选用贵重的电气设备，使该方案的投资太高而不合理，但如果适当改变接线或采取限制短路电流的措施就可能得到即可靠又经济的方案，因此，在比较和评价方案时，短路电流计算是必不可少的内容。

4．短路电流计算还有很多其他目的，如确定中性点的接地方式，验算接地装置的接触电压和跨步电压，计算软导线的短路摇摆，输电线路分裂导线间隔棒所承受的向心压力等。

第三节 短路电流实用计算的基本假设

考虑到现代电力系统的实际情况，要进行准确的短路计算是相当复杂的，同时对解决大部分实际问题，并不要求十分精确的计算结果。例如，选择效验电气设备时，一般只需近似计算通过该设备的最大可能的三相短路电流值。为简化计算，实用中多采用近似计算方法。这种近似计算法在

16

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电力工程中被称为短路电流实用计算。它是建立在一系列的假设基础上的，其计算结果稍偏大。

第四节 短路电流的计算

一、画出等值电路图

二、计算阻抗标幺值

UK%SdX100STN公式：

TXT （3-1）

----------变压器绕组电抗标幺值 --------短路阻抗

UK%Sd----------基准容量（一般取100MVA） ---------变压器容量

STN（1）计算K1 侧及35KV侧阻抗标幺值X1*

由原始资料知待设计变电站用两回架空线路110KV张家湾变电站接入系统，系统短路阻抗（

Sj100MVA17

）折算至35kV母线系统阻抗标幺

艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

值

X10.561，故不用计算，直接使用即可。 由于有两条2x13km的架空线路，所以有：

X1S1100L 2X0lBU20.41320.19av237

（2）计算K2侧及10KV侧阻抗标幺值

由公式（3-1）得：

X*UK%Sd2100S8.0100100.8TN100

（3）计算短路电流

① 对K1点短路时，做出等值电路图，如左下图所示:

简

化

为

右

下

图

对无穷大系统次暂态（0S）短路电流标幺值：

I1k1XX11.3321L0.5610.19

次暂态和4S短路电流相等 有名值为:

IISd4Ik13Uav1.3321003372.079

18

：

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短路冲击电流：

ish1.82I5.291

② 对K2点短路时，做出等值电路图，如左下图所示：

简化为右下图：

对无穷大系统次暂态（0S）短路电流标幺值：

112Ik0.645X1X2XL0.5610.80.19

次暂态和4S短路电流相等 有名值为：

2II4Ik

短路冲击电流：

Sd1000.6453.5473Uav310.5

9.028i1.82Ish

短路电流计算结果表 短路点 K1

有名值（0-4S） 冲击电流KA 额定电压KV 2.079 5.291 19

额定电流A 164.962 35 艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

K2 3.547 9.028 10 577.367 IN注：额定电流

SN3UN

第四章 电气设备的选择与校验

第一节 电气设备选择的一般条件

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。

尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是相同的。电气设备要能可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验其热稳定和动稳定。

一、按正常工作条件选择

（一）按使用环境选择设备

1、温度和湿度

一般高压电气设备可在环境温度为－30～+40℃的长期正常运行。当使用环境温度低于－30℃时，应选用适合高寒地区的产品；若使用环境温度超过+40℃时，应选用型号后带“TA”字样的感热带型产品。

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一般高压电气设备可在温度为+20℃，相对湿度为90%的环境下长期正常运行。当环境的相对湿度超过标准时，应选用型号后带有“TH”字样的湿热带型产品。

2、污染情况

安装在污染严重，有腐蚀性物质、烟气、粉尘等恶劣环境中的电气设备，应选用防污型产品或将设备布置在室内。

3、海拔高度

一般电气设备的使用条件为不超过1000m。当用在高原地区时，由于气压较低，设备的外绝缘水平将相应下降。因此，设备应选用高原型产品或外绝缘提高一级的产品。现行电压等级为110kV及以下的设备，其外绝缘都有一定的裕度，实际上均可使用在海拔超过2000m的地区。

4、安装地点

配电装置为室内布置时，设备应选户内式；配电装置为室外布置时，设备则选户外式。此外，还应考虑地形、地质条件以及地震影响等。

（二）按正常工作电压选择设备额定电压

所选电气设备的最高允许电压，必须高于或等于所在电网的最高运行电压。

设备允许长期承受的最高工作电压，厂家一般规定为相应电网额定电1.1～1.15倍，而电网实际运行的最高工作电压也在此范围，故选择时只要满足下式即可：

UNUNS

式中

UNS--------设备所在电网的额定电压，kV。

UN--------设备的额定电压，kV。

（三）按工作电流选择设备额定电流

所选设备的额定电流，应大于或等于所在回路的最大长期工作电流：

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INImax

二、按短路条件效验设备的动稳定和热稳定

1、短路动稳定效验

如果电气设备不够坚固，巨大的短路电流产生的巨大电动力可能要损坏许多昂贵的电气设备。因此，必须效验所选电气设备承受短路电动力的能力。

制造厂一般直接给出定型设备允许的动稳定峰值电流件为：

imax，动稳定条

imaxish

i式中 sh----------------所在回路的冲击电流，kA；

i max-------------设备允许的动稳定电流（峰值），kA。

2、短路热稳定效验

如果电气设备散热能力不够，巨大的短路电流产生的巨大能量可能要损坏许多昂贵的电气设备。因此，必须效验所选电气设备承受短路发热的能力。

I通常制造厂直接给出设备的热稳定电流（有效值）t及允许持续时间

t。热稳定条件为：

式中

It2tQk

2QkIteq

It2t-------设备允许承受的热效应，KA2·s

Qk-------所在回路的短路电流热效应，KA2·s

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2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

第二节 高压断路器的选择及校验

高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它既可以在正常情况下接通或断开电路，又可以在系统发生短路故障时迅速地自动断开电路。断开电路时会在断口处产生电弧，为此断路器设有专门的灭弧装置。灭弧能力是断路器的核心性能。

一、对高压断路器的基本要求

断路器在电路中担负特别重要的任务，必须满足一下基本要求： （1）工作可靠。断路器应能在规定的运行条件下长期可靠地工作，并能在正常和故障情况下准确无误的完成关合和开断电路的指令，其拒动或误动都将造成严重的后果。

（2）具有足够的开断能力。断路器的开断能力是指能够安全切断最大短路电流的能力，它主要决定于断路器的灭弧性能，并保证具有足够的热稳定和动稳定。开断能力的不足可能发生触头跳开后电弧长期的续燃，导致断路器本身爆炸飞狐，引起事故扩大的严重后果。

（3）动作快速。在电路发生故障时，快速的切除故障电路，不仅能缩短电力网的故障时间和减轻巨大短路电流对电气设备的损害，而且能增加电力系统的稳定性，提高系统的供电可靠性。

（4）具有自动重合闸性能、输电线路的短路故障大多都是临时性的。为了提高电力系统运行的稳定性和供电可靠性，线路保护多采用自动重合闸方式，即在发生短路故障时，继电保护动作使断路器跳闸，切除故障点的短路电流，经很短时间后断路器又自动重合闸，恢复正常供电。若故障仍存在，则断路器必须立即跳闸，再次切断短路电流，这要求断路器在第一次大电流灭弧后很快恢复灭弧能力，完成后续次的灭弧。

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（5）结构简单，经济合理。在满足安全、可靠的同时，还应考虑到经济性，故要求断路器的结构力求简单、尺寸小、重量轻、价格合理。

二、高压断路器的选择结果及校验

（一）根据设备的额定电压、电流值查表得35KV侧断路器： 型号 DW6-35 额定电压 35 KV 最高工作电压 40.5 KV 额定电流 400A 额定开断电流 6.6 KA 热稳定电流 6.6KA（4s） 固有脱扣时间 0.1s 额定合闸时间 ≤0.27s 操动备注 机构 CD10 华通开关厂 1) 校核开断能力

校核条件为：

IbrI

Ibr-------额定开断电流

I-------短路初瞬得次暂态短路电流有效值

6.6KA>2.1KA 合格 2) 校核动稳定

动稳定条件：

i maximaxishish

--------设备允许的动稳定电流（峰值），KA

------所在回路的短路冲击电流，KA 未知

imax3) 校核热稳定

热稳定条件为:

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It2tQk

2QkIteq

It--------制造厂给出设备的热稳定电流（有效值）

t---------允许持续时间

It2t-------设备允许承受的热效应，KA2·s

teq--------短路电流存在的等效时间，s

174.2KA>17.6KA 合格

（二）根据设备的额定电压、电流值查表得10KV侧断路器： 型号 额定电压 最高工作电压 12 KV 额定电流 1250 A 额定开断电流 40 KA 热稳定电流 43.5 KA（3s） 动稳定电流 32-100KA 合闸时间 0.06S 额定关合电流（峰值） 100 KA HB10 10 KV 备注：本断路器是华通引自原BBC公司的SF6产品，户内。由于考虑到后面要对10KV侧进行无功补偿，为方便无功补偿电容器的控制保护，故选用SF6断路器。 1）校核开断能力

校核条件为:

40KA>3.5KA 合格 2）校核动稳定

动稳定条件：

IbrI

i max

ish

32KA>9.0KA 合格

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3）校核热稳定

热稳定条件为：

k

5676KA>50.3KA 合格

ItQ2t2QkIteq

第三节 隔离开关的选择及校验 一、隔离开关

隔离开关（俗称刀闸）没有灭弧装置。它既不能断开正常负荷电流，更不能断开短路电流，否则即发生“带负荷拉刀闸”的严重事故。此时产生的电弧不能熄灭，甚至造成飞弧（相间或相对地经电弧短路），会严重损坏设备并危及人生安全。

二、隔离开关用途

隔离开关的用途有以下几方面：

（1）隔离电压。在检修电气设备时，将隔离开关打开，形成明显可见的断点，使带点部分与被检修部分隔开，以确保检修安全。

（2）可接通或断开很小的电流。如电压互感器回路，励磁电流不超过2A的空载变压器回路及电容电流不超过5A的空载线路等。 （3）可与断路器配合或单独完成倒闸操作。

三、隔离开关的选择

隔离开关的选择方法可参考断路器，其内容包括：选择型式、选择额定电压、选择额定电流、效验热稳定、效验动稳定。

26

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隔离开关的选择结果

（一）35KV侧隔离开关的选择结果：

型号 GW5-35/630 1）效验动稳定

动稳定条件：

额定电压 35KV 额定电流 630A 极限通过电流 50KA 热稳定电流 热稳定电流 20A(5s) 31.5KA(4s) i max2）校核热稳定

热稳定条件为：

ish

50KA>5.3KA 合格

2It2tQkQkIteq

3969KA>17.6KA 合格 （二）10KV侧隔离开关的选择结果：

型号 额定电压 额定电流 极限通过电流 52KA 热稳定电流 GN6-10T/600 1)效验动稳定

10KV 600A 20KA（5s） 动稳定条件：

sh max52KA>9.0KA 合格

ii2)校核热稳定

热稳定条件为：

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It2tQk

2QkIt

1000KA>50.3KA 合格

第四节 电流互感器的选择及效验 一、电流互感器介绍

电流互感器TA（又称CT）是将一次系统大电流转变为二次系统小电流的设备。它具有以下特点：

（1）一次绕组线径较粗而匝数很少；二次绕组径较细而匝数较多。 （2）一次绕组串联接入一次电路，通过一次绕组的电流，只取决于一次回路负载的多少与性质，而与二次侧负载无关；而其二次电流在理想情况下取决于一次电流。

（3）电流互感器的额定电流比（一、二次额定电流之比）近似等于二次与一次匝数之比。为便于生产，电流互感器的一次额定电流已标准化，二次侧额定电流也规定为5A（1A或0.5A），所以电流互感器的额定电流比已标准化。

（4）电流互感器二次绕组所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，均为串联关系，正常工作时，电流互感器二次侧接近于短路状态。

二、电流互感器的选择

选择电流互感器时，首先要根据装设地点、用途等具体条件确定互感器的结构类型、准确等级、额定电流比KL，最后效验其动稳定和热稳定。 （一）结构类型和准确度的确定

根据配电装置的类型，相应选择户内或户外式电流互感器。一般情况

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下，35KV以下为户内式，而35KV及以上为户外式或装入式。电流互感器准确级的确定，取决于二次负荷的性质。一般用于继电保护装置的电流互感器，可选5P或10P级（在旧型号中，则为B、C、D级）。 （二）按额定电压选择

电流互感器的额定电压不小于装设电流互感器回路所在电网的额定电压。

（三）按额定电流选择

电流互感器的一次额定电流不小于装设回路的最大持续电流。电流互感器的二次额定电流，可根据二次负荷的要求分别选择5A或1A等。为了保证测量仪表的最佳工作状态，并且在过负荷时使仪表有适当的指示，当TA勇于测量时，其一次额定电流应尽量选择的比回路中正常工作电流大1/3左右。

（四）热稳定效验

电流互感器的热稳定效验，应满足下列条件： 式中

流与

一次线圈额定电流的比值。 （五）动稳定效验（指的是内部动稳定效验）

电流互感器的动稳定效验，应满足下列条件： 式中

(I1NKt)2Qk

Qk-----------短路电流在短路作用时间内的热效应，kA2·s；

Kt------------电流互感器热稳定倍数，即电流互感器1s热稳定电

2I1NKdish

Kd-----电流互感器动稳定倍数。

29

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ish------通过电流互感器一次绕组的最大冲击电流。

三、电流互感器的选择结果及效验

(一)35KV侧电流互感器的选择结果

二次负荷 额定电流比 级次组合 准确级次 0.5 3 000.0.2 5 VA 欧 2 4 1 1s热5110%3 稳P 0P 倍定数 倍V·A 数 2 64 5 28 5 型号 动稳定倍数 LCW-35 15-1000/5 0.5/3 100 ①校核热稳定 热稳定条件为: 式中：

(I1NKt)2Qk

QkKt------------短路电流在短路作用时间内的热效应，KA2·S -------------电流互感器热稳定倍数

-------------电流互感器一次绕组的额定电流I1N已标准化，

应选择比一次回路最大长期电流Imax略大一点的标准值.当I1N确定之后，电流互感器的额定电流比也随之确定，即为KL=I1N/5.

I1N 169KA＞17.6KA 合格 ②校核动稳定 动稳定条件为：

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式中：

2I1NKdish

Kd--------电流互感器动稳定倍数

28.3KA＞5.3KA 合格

(2)10KV侧电流互感器的选择结果：

准确级次 0.5 1 D 型号 额定电流比（A） 级次组合 二次负荷 0.5级 1 1级 1 3级 D级 1s热稳定倍数 10%倍数 动稳定倍数 LBJ-10

600-800/5 0.5/D及1/D、D/D 50 2.4 ＜10 ＜10 ≥15 90 ①校核热稳定 热稳定条件为：

(I1NKt)2Qk

900KA＞50.3KA 合格 ②校核动稳定 动稳定条件为：

1Nd

76.4KA＞9.0KA 合格

2IKish

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第五节 电压互感器的选择及效验 一、电压互感器介绍

电流互感器TV（又称PT）是将高电压变成低电压的设备，分为电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器两种，它具有以下特点：

电容分压式电压互感器由分压电容器和一个小型电磁式电压互感器组合而成。

电磁式电压互感器原理与变压器相同：

（1）电磁式电压互感器就是一台小容量的降压变压器。一次绕组匝数很多，而二次绕组匝数较少。

（2）电压互感器一次绕组并接与一次系统，二次侧各仪表相互亦为并联关系。

（3）电压互感器二次绕组所接负荷均为高阻抗的电压表及电压继电器电压线圈，故正常运行时电压互感器二次绕组接近于空载状态（开路）。

二、电压互感器的选择

（一）型式的选择

根据电压互感器安装的场所和使用条件，选择电压互感器的绝缘结构和安装方式。

① 一般6～20kV户内配电装置中多采用油浸或树脂浇注绝缘的电磁式电压互感器；35kV配电装置中宜选用电磁式电压互感器；110kV及其以上的配电装置中尽可能选用电容式电压互感器。

② 在型式选择时，还应根据接线和用途的不同，确定单相式、三相式、三相五柱式、一个或多个副绕组等不同型式的电压互感器。

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2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

③ 接在110kV及以上线路侧的电压互感器，当线路上装有载波通信时，应尽量与耦合电容器结合，统一选用电容时电压互感器。

④ 为了节省投资，如有些220kV线路不设电压互感器，利用220kV电流互感器绝缘套管末屏抽取电压。

（二）按额定电压选择

为保证测量准确性，电压互感器一次额定电压应在所安装电网额定电压的90%～110%之间。

电压互感器二次额定电压应满足测量、继电保护和自动装置的要求。通常，一次绕组接于电网线电压时，二次绕组额定电压选为100V；一次绕组接于电网相电压时，二次绕组额定电压选为1003V。当电网为中性点

3V。

直接接地系统时，互感器辅助副绕组额定电压选为100三、电压互感器的选择结果

35KV侧和10KV侧电压互感器的选择结果：

额定电压（V） 型号 一次绕二次绕辅助绕组 JDZJ-35 JSJW-10 组 组 0.13 二次额定容量（VA） 最大容0.5级 1级 3级 量（VA） 35103 3 0.13 0.13 150 120 250 200 500 480 1000 960 0.13 第六节 母线的选择及效验

在发电厂和变电站中，将发电机、变压器与各种电器连接起来的导体称为母线，如发电机出口母线，10kV汇流母线，220kV汇流母线等。母线

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

是电气主接线各级电压配电装置中的重要环节，它的作用是用来汇集、传送和分配电能。母线选择的项目一般包括材料、型式、敷设方式和截面选择，并应进行短路热稳定、动稳定效验。

一、母线型号的选择

1、矩形铝母线

220kV及以下的配电装置中，35kV及以下的配电装置一般都是选用矩形的铝母线。铝母线的允许载流量较铜母线小，但价格较便宜，安装、检修简单，连接方便。因此，在35kV及以下的配电装置中，首先应选用矩形铝母线。

2、矩形铜母线

在化工厂附近的屋外配电装置中，或持续工作电流较大时，可选用铜母线，但铜母线的价格较贵。

3、管形母线

在110kV、220kV的配电装置中，可选用铝锰合金的管形母线，由于母线跨距和短路容量较大，管形母线截面除应满足载流量和机械强度的要求外。其形状应有利于提高电晕起始电压和避免微风震动。户外配电装置使用管形母线，具有占地面积小、构架简明、布置清晰等优点。

二、母线截面尺寸的选择

1、按最大工作电流选择母线

配电装置的汇流母线，一律按最大工作电流来选择。因为流经其中各段的电流数值是变化不定的，根本无法计算其经济性。

配电装置汇流母线可能出现的最大工作电流，总小于汇入母线的全部电源电流的总和。具体数值应分析主接线图中电源和负荷接入母线的位置

34

2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

确定。

2、按经济电流密度选择母线

对于传输容量大，年负荷利用小时数高，长度在20m以上的到导体，例如发电机出口母线，其截面应按经济电流密度选择。

三、母线截面尺寸的短路稳定性效验

1、母线截面尺寸的短路热稳定效验

在母线出口处发生三相短路时，必须按下式效验母线的热稳定，即：

式中 为

SminIKCI(3)ta10ta103C

3Smin-----所需要的最小截面，即所选截面必须不小于Smin单位

2 mm；

I(3)来

IK-------短路电流稳态值，现在近似以三相短路电流有效值

计算，单位为kA

t a--------短路电流假想时间，一般为0.2～0.3s；

C---------母线常数，热稳定系数，C值与导体材料及工作温度有关，

参见书中表格。 2、母线截面尺寸的短路动稳定效验

i软母线不需要进行动稳定效验。硬母线要计算出承受短路冲击电流sh

35

艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

时出现的最大应力

max，只有此值小于母线材料的允许应力（例如铝为

70106Pa）才是动稳定的。

最大应力

max的计算公式为：

maxMfL2W10W （Pa）

12f0.173isha

式中 M----弯矩，N·m；

W----抗弯矩，又称母线的截面系数，m，矩形母线的截面系数查表

可得。

3i f----作用在母线1m长度上的电动力，与短路冲击电流sh平方

成正

比，Nm；

L----跨距，支撑母线的两个相邻绝缘子间的距离，m； a----母线的相间距离，m。

四、母线的选择结果

35kV主母线选LWB—60×10型矩形铝母线 10kV主母线选LWB-100×10型矩形铝母线

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第七节 高压开关柜的选择 一、概述

高压开关柜时以断路器、开关等为主要元件组成的成套配电装置，它用于配电系统，作接受与分配电能之用。这类装置的各组成元件，按主接线的要求，以一定顺序布置在一个或几个金属柜内，具有占地少，安装，使用方便，适用于大量生产等特点，应用广泛。因此，合理选择开关柜十分重要。

二、柜型的选择

开关柜有固定式和移开式两种。目前电网变电所的35kV配电装置中，一般都选用固定式开关柜，因为电网变电所倒闸操作比较频繁，而固定式开关柜运行操作比较方便，但断路器检修时，停电时间较长。移开式开关柜倒闸操作比较麻烦，但断路器检修时，可及时更断路器，因此，停电时间少。

由于真空断路器的大量应用，作为金属封闭铠装移开式开关柜，得到了很快发展。这种金属封闭铠装移开式开关柜是全封闭结构，各功能小室相互隔开，正常操作性能和防误操作功能更加完善和合理，运行安全可靠，检修维护方便。

目前电网中新建或技术改造的10kV、35kV配电装置中，开关柜一般都选用真空断路器和SF6断路器，油断路器有被淘汰的趋势。

三、按工作电压选择

选择的高压开关柜额定电压应等于或大于所在回路系统的标称额定电

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压，开关柜的最高工作电压应大于系统的最高工作电压。

电力系统标称额定电压为10kV时，应选用12kV电压等级的开关柜。开关柜所在回路额定电压为35kV时，应选用额定电压为40.5kV的开关柜。

四、按工作电流选择

选择的高压开关柜的额定电流不应小于该路的工作电流。常用的10kV电压等级的开关柜额定电流为100、200、400、600、800、1000、1600、2000、2500、3000A。35kV电压等级的开关柜额定电流一般为1600、2000、2500A。

五、高压开关柜的选择结果

经分析决定对本变电站10kV侧的户内配置采用高压开关柜，选择的高压开关柜为KYN

-12型移开式开关柜。此开关柜采用许多国外先进技术

生产的设备，具有开断性能好、可靠性高、机械和电气寿命长、免维护的优点。此外，它还具有以下特点：

① 采用进口敷铝锌复合钢板组装的高精度柜体，不必涂漆且永不生锈。

② 完全金属铠装，各单元功能彻底分隔。 ③ 简单且有效的“五防”闭锁，防止误操作。

④ 空间非常充裕的电缆室，使维护简单，电缆安装方便。 ⑤ 独特的锁门结构，使关门开门操作更加方便。 ⑥ 快速接地开关用于接地及回路短接。

⑦ 可选用具有数据通信的只能型组合式微机继电保护监控装置，实现配电

自动化。满足GB 3906、DL 404及IEC298标准，并通过全面的型式

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和内部故障电弧试验。

此KYN-12型移开式开关柜的主要技术参数如下：

开关柜主要技术参数

序号 1 2 3 名称 额定电压 额定电流 1min工频耐受电压 雷电冲击耐受电压（峰值） 相见及相对地 断口间 相见及相对地 断口间 单位 kV A kV kV kV kV s kV 参数 12 400,630,1000,1600,2000,3150 42 48 75 84 16,20,31,5 16,20,31,5 3 40,50,80 4 5 6 7 8

额定短路开断电流 额定短时耐受电流 额定短路电流耐受时间 额定峰值耐受电流 39

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第五章 无功补偿

无功平衡是保证电力系统电压质量的基础。合理的无功补偿和有效的电压控制，不仅可保证电压质量，而且能提高电力系统运行的经济性、安全性和稳定性。无功补偿设备包括：并联电容器，串联电容器，并联电抗器，同步调相机以及静止无功补偿装置等。

第一节 补偿装置的种类和作用

补偿装置可分串联补偿装置和并联补偿装置两类 1、串联补偿装置

对110 kV及以下电网中串联电容补偿装置，主要用于减少线路电压降，降低受端电压波动，提高供电水平和质量。而在闭合电网中，则主要用于改善潮流分布，减少有功损耗。用于110 kV及以下电网，当线路没有分支线时，装在线路末端的变电所；当线路上有多个负荷分支线时，将串联补偿装置设在线路总压降约一半的附近变电所内。

2、并联补偿装置

并联补偿装置分并联电容补偿装置、静补装置、并联电抗补偿装置和超高压并联电抗器和调相机等。

(1) 并联电容装置又可分断路器投切和晶闸管投切的并联补偿装置。它们向电网提供可阶梯调节的容性无功，以补偿多余的感性无功，减少电网有功损耗和提高电网电压。同时还设交流滤波装置，在向电网提供可阶梯调节的容性无功时，给电网的滤波电流提供一个阻抗近似为零的通路，以降低母线谐波电压正选波形畸变率，进一步提高电压质量和抗干扰能力。当装设电容补偿装置引起的高次谐波含量超过允许值时，应在回路中设置

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串联电抗器，也可兼做限制涌流电抗器，需要限制短路电流时，还可兼做限流电抗器。串联电抗器宜选用干式空心电抗器。

（2）静补偿是采用晶体管器件构成的高效静补装置，它向电网提供可快速无级连续调节的容性和感性无功，降低电压波动和波形畸变率，全面提高电压质量，并兼有减少有功损耗，提高系统稳定性和降低工频过电压的功能。调相机是以往用得较多的补偿装置向电网提供可无级连续调节的容性和感性无功，维持电网电压，并可以强励补偿容性无功，提高电网的稳定性。

调相机克为专用的也可由同容量的汽轮发电机改造为调相运行机组，因它是旋转机械，运行管理维护工作量大，建筑物也较大，故目前已经很少采用。

（3）并联电抗补偿装置。它向电网提供可阶梯调节的感性无功，补偿电网的剩余容性无功，保证电压稳定在允许范围内。它一般连接在大型发电厂或变电所的35 kV及以下的电压母线上，在发电厂中它常接在联络变压器的低压侧。在变电所中它常接在主变压器的低压侧。

第二节 无功补偿的基本要求

电力系统的无功电源与无功负荷，在各种正常运行以及事故运行时，都应实行分层分区、就地平衡的原则，并且无功电源应具有灵活的调节能力，和一定的检修备用及事故备用容量。

在正常运行方式时，突然失去一台最大的无功电源设备，系统应能迅速调出无功事故备用容量，保持系统电压稳定和正常供电，避免出现电压崩溃；而在正常检修运行方式下，若发生上述事故，应采取切除部分负荷或切除并联电抗器等必要措施，以维持电压稳定。

无功补偿设备的配置与设备类型的选择，应进行技术经济比较。可分

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组投切的并联电容器及可调节的并联的并联电抗器，通常为主要无功补偿设备。

第三节 无功功率平衡与补偿

对于不同电压等级的电网，无功功率平衡与补偿形式有所不同。 220kV及以下电网无功补偿装置的配置：

（1）在此类变电所配置的无功补偿容量，通常为主变压器容量的10%～30%。在最大负荷时，35～220kV变电所二次侧功率因数应达到下表所列的规定值。

表格 变电所二次侧功率因数规定值 变电所电压等级（kV） 二次侧功率因数 无功功率/有功功率 220 0.95～1 0.33～0 35～110 0.90～1 0.48～0 靠近发电厂的变电所二次侧功率因数取低值，以允许发电机就近多供无功；远离发电厂的变电所二次侧功率因数取高值，限制发电机远距离多送无功。

（2）在10kV(6kV)配电线路上，并联电容器的安装容量不要过大，一般应为线路配电变压器总容量的5%～10%。在深夜线路负荷最小时，为不致向变电所倒送无功，应有防止倒送无功的措施。并联电容器可装设在配电变压器的高压侧（10kV）,也可以装设在低压侧（380V）。

（3）电力用户应进行无功补偿，使其功率因数达到下列规定值： ①高压供电的工业用户和装有载调压装置的用户，功率因数应在0.90以上；

②其他100kVA(kW)及以上用户和大中型电灌站，功率因数应在0.85以上；

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③农业用电，功率因数应在0.80以上。

并联电容器组应能频繁分组投切，并装设自动控制装置，以经常保持变电所二次侧母线电压在规定范围之内。用户为提高功率因数，所需装设的并联电容器容量，可参考表2-4《电力工程类专题课程设计与毕业设计指导教程》。

（4）在轻负荷时（如深夜），电缆回路数较多的110kV及以下电压等级变电所，可能在切除并联电容器组后，仍出现电压过高并向系统倒送无功的情况，此时，应在变电所的中压或低压母线上装设并联电抗器；

第四节 无功补偿装置的选用

（1）并联电容器和并联电抗器时无功补偿的主要常用设备，应予优先选用。

（2）在远距离超高压送点线路上可选用串联补偿电容器，以减少电抗。其补偿度（容性无功补偿容量与最大有功负荷之比）一般不小于50%。

（3）为防止系统电压崩溃，提高系统电压稳定性，经技术经济比较，可在线路中点附近或多处安装静止无功补偿器；对于冲击性负荷、波动性负荷、严重不平衡负荷，也应采取静止补偿器，以减小对系统及其他用户的影响。

第五节 变压器的无功功率损耗

变压器的功率损耗包括有功损耗和无功损耗两大部分，其中变压器的无功功率损耗也由两部分组成。

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一、Q0

用来产生主磁通的一部分无功功率，用Q0表示。它只与绕组电压有关，与负荷无关。Q0与励磁电流（或近似地与空载电流）成正比，即：

Q0I0%SN 100式中 I0%--------变压器空载电流占额定电流的百分值。

二、QN

额定负荷下消耗在变压器绕组电抗上的无功功率，用变压器绕组的电抗远大于电阻，因此成正比，即：

QNQN表示。由于

QN近似地与短路电压（即阻抗电压）

UK%SN 100式中 UK%-------变压器的短路电压占额定电压的百分值。

三、变压器的无功功率损耗公式

变压器的无功功率损耗为：

QTQ0QN( 或 QTSN[S302I%U%S)SN[0K(30)2] SN100100SNI0%UK%2] 100100 44

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四、变压器功率损耗计算

已知：主变容量1x10MVA，空载损耗P011.60kw,负载损耗Pk50.58kw，空载电流I0%0.8，短路阻抗UK%8.0

变压器额定负荷时的功率损耗为：

Q0SNI0%0.81010380kvar 100100U%8.0QkSNK10103800kvar

100100变压器的无功功率损耗为：

QTQ0QN( SN[S302I%U%S)SN[0K(30)2] SN100100SNI0%UK%2] 1001000.88103 1010[()2]

10010010 880kvar

综合分析知进行无功补偿的补偿功率即为880kvar,在10kV侧安装无功补偿装置，一般达到总容量的90~95%，补偿装置选择大众化的并联电容器，所以在10kV两侧分别安装一台并联电容器。所选择的电容器规格参数如下：

型号：BBF-11-200-1 额定电压：11kV 质量：70kg 额定电容：5.246uf 相数:1 额定容量：200kvar 外形尺寸：385x185x943mm 生产厂商：西安电力电容器厂

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第六章 配电装置

第一节 配电装置概述 一、对配电装置的基本要求

（1）符合国家技术经济政策，满足有关规程要求。

（2）保证运行可靠。设备选择合理，布置整齐、清晰，保证有足够的安全

距离。

（3）偏于操作巡视和检修方便。 （4）保证工作人员的安全

（5）力求提高经济性。布置紧凑，节约用地，降低造价。 （6）具有扩建的可能性。

二、配电装置的安全净距

1、配电装置安全净距的概念

配电装置的整个结构尺寸，是由多种因素决定的。在配电装置的各种间隔距离中，最基本的是带电部分对接地部分之间和不同相的带电部分之间的空间最小安全净距，即所谓的A1H和A2值。最小安全净距，是指在此距离下，无论是处于最高工作电压之下，或处于内外过电压下，空气间隔均不致被击穿。

A值的确定是根据过电压与绝缘配合计算，并根据空气间隙放电试验

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曲线来取定的，空气间隙在耐受不同形式的电压时，具有不同的电气强度，即A值不同。A值与电极的形状、冲击电压波形、过电压及其保护水平、环境条件以及绝缘配合等因素有关。220kV以下的配电装置，大气过电压（雷击或雷电感应引起的过电压）起主要作用；330kV及以上的配电装置，内部过电压（开关操作、故障、谐振等引起的过电压）起主要作用。另外，空气的绝缘强度随海拔的升高而下降，当海拔超过1000m时，按每升高100m，绝缘强度增加1%来增加A值。

配电装置中，电气设备的栅状遮拦高度不应低于1200mm,栅状遮拦至地面的净距以及栅条间的净距应不大于200mm；

配电装置中，电气设备的网状遮拦高度不应低1700mm，网状遮拦网孔不应大于40mm×40mm；

位于地面（或楼面）上面的裸导体导电部分，如其尺寸受空间限制不能保证C值时，应采用网状遮拦隔离。网状这拦下通行部分的高度不小于1900mm。

图-屋内配电装置安全净距效验图

在A值的基础之上，屋内、外配电装置中个部分的相互距离尺寸被分

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为A、B、C、D、E五项

（1）A值：分为两项A1和A2

A1----带电部分至接地部分之间的最小空间净距离。 A2----不同相的带电部分之间的最小空气距离。 （2）B值：分为三项，B1、B2、B3

B1----带电体对栅栏和带电梯对运行设备间的距离。 B2----带电部分至网状遮拦的净距。B2=A1+30+70（mm） B3----指带电部分至无孔遮拦的净距，仅对屋内配电装置采用。 B3= A1 +30（mm） （3）C值:裸导体(架空线路)距地面的高度； 屋外： C=A1+2500（mm） 屋内： C=A1+2300（mm）

（4）D值:配电装置检修时人与裸导体之间的距离； 屋外：D=A1+1800+200(mm) 屋内：D=A1+1800（mm）

（5）E值:为屋内配电装置通向屋外的出线套管中心至屋外通道路面的净

距为E值

35kV以下，E=4000 mm 60kV及以上，E=A1+3500mm 2、屋内配电装置的安全净距表

额定电压（kV） 符号 适用范围 1.带电部分至接地部分之间； 2.网状和板状遮拦向上延伸线距地2.5m处，与这栏上方带电部分之间 1.不同相的带电部分之间； 48

10 125 125 35 300 300 A1 A2

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B1 B2 C D E

2.断路器和隔离开关的断口两侧带电部分之间 1.栅状遮拦至带电部分之间； 2.交叉的不同时停电检修的无遮拦带电部分之间 网状遮拦至带电部分之间 无遮拦裸导体至地（楼）面之间 平行的不同时停电检修的无遮拦裸导体之间 通向屋外的出线套管至屋外通道的路面 875 225 2425 1925 4000 1050 400 2600 2100 4000 3、屋外配电装置的安全净距效验图

屋外配电装置安全净距效验图

三、配电装置的类型及应用

1、配电装置的分类

按电压等级的不同，分为高压配电装置和低压配电装置； 按安装地点的不同，分为屋内配电装置、屋外配电装置； 按其结构组装形式，分为装配式配电装置和成套配电装置。 （1）屋内配电装置特点（屋内配电装置通常多用在6kV、10Kv、35kV） ①由于允许安全净距小和可以分层布置，占地面积小； ②维修、操作、巡视比较方便，不受气候影响。

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③外界污秽不会影响电气设备，减轻了维护工作量。

④房屋建筑投资较大，但又可采用价格较低的户内型电器设备,以减少总投资。

（2）屋外屋外配电装置的特点 （屋外配电装置用在35kV及以上） ①土建工程量较少，建设周期短。 ②扩建比较方便。 ③占地面积大。

④相邻设备之间的距离较大，便于带电作业。 ⑤受外界污秽影响较大，设备运行条件较差。 ⑥外界气象变化使对设备维护和操作不便。 (3)成套设备的特点

①电气设备布置在封闭或半封闭的金属框架中，相间和对地距离可以缩小，结构紧凑，占地面积小；

②所有电气设备已在工厂组装成一体，便于安装、扩建和搬迁，建设周期短。

③运行可靠性高，维护方便； ④耗材较多，造价较高。

四、配电装置的应用选择

在发电厂和变电站中，35kV及以下的配电装置多采用屋内配电装置，其中3-10kV的多采用成套设备；110kV及以上的配电装置大多采用屋外配电装置；110kV-220kV配电装置有特殊要求时（如沿海边、或化工厂），也可以采用屋内配电装置。成套配电装置布置在屋内，我国生产的3-35kV的各种成套设备。110kV-500k的全封闭组合电器也已得到应用。

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五、配电装置的设计原则及步骤

1、配电装置的设计原则

配电装置的设计必须贯彻国家的技术经济政策，遵循有关规程、规范及技术规定，并根据电力系统、自然环境特点和运行、检修、施工方面的要求，合理制定布置方案和选用设备，积极慎重地采用新布置、新设备、新材料、新结构，使配电装置设计不断创新，做到技术先进、经济合理、运行可靠和维护方便。

在确定配电装置型式时，必须满足： ①节约用地；

②运行安全和操作巡视方便； ③便于检修和安装； ④节约材料，降低造价。 2、配电装置的设计要求 （1）满足安全净距的要求； （2）施工、运行和检修的要求； （3）噪声的允许标准及限制措施;

配电装置中的噪声源主要是变压器、电抗器、及电晕放电. 措施: a、选用低噪音的设备；

b、主变压器远离主控室、通信楼、办公室，尽量避免平行相对

布置。

（4）静电感应的场强水平和限制措施

措施：a、不要在电气设备上部设置带电导体；

b、对水平跨导线的相序排列要避免同相布置，减少同相导

线交叉及同相转角布置，以免场强直接叠加。

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c、可适当提高电器及引线安装高度，这样既降低了电场强

度，又满足检修机械与带电设备的安全净距；

d、控制箱和操作设备布置在场强较低区，必要时可增设屏

蔽线或设备的屏蔽环。

（5）电晕无线电干扰和控制

带电设备、母线和连接导线，由于电晕产生的电晕直流具有高次

谐波，形成向空间辐射的高频电磁波，从而对无线电通信、广播和电视产生干扰。 3、配电装置设计的步骤

(1)选择配电装置的形式。选择时应考虑配电装置的电压等级、电气设备的型式、出线多少和方式、有无电抗器、地形、环境条件等因素。 (2)拟定配电装置的配置图。

(3)设计绘制配电装置平面图和断面图。遵照配电装置设计有关技术规程，并参考各种配电装置的设计手册来完成。

第二节 屋内配电装置

一、屋内配电装置的分类及其特点

1、屋内配电装置的分类

发电厂和变电站的屋内配电装置，按其布置形式不同，一般可分为单层式、二层式和三层式。

单层式是将所有电气设备布置在一层建筑中，适用于线路无电抗器的情况。单层式占地面积较大，如容量不太大，通常采用成套开关柜，以减少占地面积。

二层式是将母线、母线隔离开关等较轻设备放在第二层，将电抗器、

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断路器等较重设备布置在底层，与单层式相比占地面积小，造价较高。

三层式是将所有电气设备依其轻重分别布置在三层建筑物中，具有安全可靠性高、占地面积小等特点，但结构复杂，施工时间长，造价较高，检修和运行不大方便。

2、平面图和间隔的概念 （1）间隔

所谓间隔，是指为了将设备故障的影响限制在最小的范围内，以免波及相邻的电气回路，以及在检修电器时避免检修人员与邻近回路的电器接触，而用砖或用石棉板等做成的墙体。 （2)平面图

平面图是按比例画出房屋及其间隔、走廊和出口等处的平面布置轮廓，平面图上的间隔只是为了确定间隔数及排列，故可不表示所装电器。

3、断面图和配置图的概念 （1）断面图

断面图是表明所取断面间隔中各设备之间的连接及其具体布置的结构图，断面图也按比例绘制。 （2）配置图

通常用一种示意图来分析配电装置的布置方案和统计所用的主要设备，将这种示意图称为配置图。配置图中把进出线、断路器、互感器、避雷器等合理分配于各层间隔中，并表示出导线和电器在各间隔中的轮廓。

屋内配电装置间隔，按回路用途为：发电机、变压器、线路、母联(或分段)断路器、电压互感器和避雷器等间隔。

二、屋外配电装置的分类及其特点

屋外配电装置是将所有电气设备和母线都装设在露天的基础、支架或

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构架上。

根据电气设备和母线布置的高度，屋外配电装置可分为中型、半高型和高型等三类。

1、中型配电装置：将所有电气设备都安装在同一水平面内，并装在一定高度的基础上，使带电部分对地保持必要高度，以便工作人员能在地面上安全活动；母线所在的水平面稍高于电气设备所在的水平面，母线和电气设备均不能上、下重叠布置。

优点：布置清晰，不易误操作，运行可靠，施工和维护方便，造价省， 运行经验丰富。 缺点：占地面积大。

2、高型配电装置：将一组母线及隔离开关与另一组母线及隔离开关上下重叠布置。

优点：节省占地面积

缺点：耗用钢材较多，造价高，操作和维护条件差。

高型配电装置按其结构的不同，又分为：单框架双列式、双框架单列式、

三框架双列式。

3、半高型配电装置：介于中型和高型之间，将母线置于高一层的水平面上，与断路器、电流互感器、隔离开关上下重叠布置，占地面积比中型少。运行维护较方便。高型和半高型配电装置可以节省占地面积，故而得到广泛应用。

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第七章 主变微机保护及其整定计算

随着现代技术的进步，综自变电站逐步替代了常规变电站，微机保护也显现出了自身的技术优势。本次变电站变压器保护我们决定采用先进的微机保护。

第一节 保护配置方案

一、35kv主变微机保护配置原则

按GB50062—1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》中规定，应装设以下保护。

（1）反映油面降低或内部故障的瓦斯保护。

（2）反映匝间短路、相间短路故障的差动保护或电流速断保护。

（3）反映外部相间短路、内部短路故障的过电流保护(或复合电压闭锁

的过电流保护)。

（4）为防止变压器对称超铭牌容量运行的过负荷保护(发信号)。

二、待设计变电站主变保护的配置

(1)主保护配置：瓦斯保护和比率制动特性的变压器纵差保护 (2)后备保护

变压器小电流接地（经消弧电圈接地）侧的后备保护配置： 1）两段式复合电压闭锁过流保护； 2）过负载保护；

3）冷却系统故障及变压器过温保护（跳闸或报警）。

注：对于单电源的双绕组变压器，后备保护一般只配置一套，装设于降压变压器的高压侧。因为变压器都装有差动保护和本体保护，有一套主电源侧的后备保护足够了。

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第二节 二次回路图及其讲解

一、变压器瓦斯保护的构成及动作过程

变压器瓦斯保护的主要元件就是瓦斯继电器，它安装在油箱与油枕之间的连接管中。当变压器发生内部故障时，因油的膨胀和所产生的瓦斯气体沿连接管经瓦斯继电器向油枕中流动。若流动的速度达到一定值时，瓦斯继电器内部的挡板被冲动，并向一方倾斜，使瓦斯继电器的触点闭合，接通跳闸回路或发出信号，如图所示。图中：瓦斯继电器KG的上触点接至信号，为轻瓦斯保护；下触点为重瓦斯保护，经信号继电器KS、连接片XE起动出口中间继电器KOM，KOM的两对触点闭合后，分别使断路器QF1、QF2、跳闸线圈励磁。跳开变压器两侧断路器，即

直流+ KG KS XE KOM 直流-， 起动KOM。 直流+ KOM QF1 YT 直流-，跳开断路器QF1。 直流+ KOM QF2 YT 直流-，跳开断路器QF2。

再有，连接片XE也可接至电阻R，使重瓦斯保护不投跳闸而只发信号。

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二、双绕组变压器纵差保护原理及动作过程

变压器纵差保护是按循环电流原理构成的，它能正确区分变压器内、外故障，并能瞬时切除保护区内的故障，图中表示双绕组变压器纵差保护的单线原理图。变压器两侧分别装设电流互感器TA1和TA2，并按图中所示极性关系进行连接。正常运行或外部（如图a中d1点）故障时，差动继电器KD中的电流等于两侧电流互感器二次电流之差，要使这种情况下流过差动继电器的电流为零，应恰当选择两侧电流互感器的变比。由于二次额定电流一般为5A，所以电流互感器的变比为：一次额定电流/二次额定电流，UN/5。忽略变压器的励磁电流，则在正常运行或外部故障时，流入差动继电器的电流为零。当变压器内部，如图b中d2点故障时，流入差动继电器的电流为变压器两侧流向短路点的短路电流（二次值）之和。实际上，由于变压器的励磁涌流、接线方式和电流互感器的误差等因素的影响，差动继电器中会流过不平衡电流，不平衡电流越大，继电器的动作电流越大，

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

致使纵差保护的灵敏度降低。因此纵差保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避免不平衡电流的影响，在保证选择性的条件下，还要保证内部故障时有足够的灵敏性和速动性。

三、复合电压启动的过电流保护的构成及动作过程

当保护区内发生不对称故障，系统出现负序电压，负序过滤器13有电压输出使继电器7常闭触点打开，欠压继电器8失压，常闭触点闭合，接通中间继电器9，若电流继电器4、5、6任何一个动作，则启动时间继电器10，经过整定时限后，跳开两侧断路器。在对称短路情况下，电压继电器7不启动，但欠压继电器8因电压降低，常闭触点接通，保护启动。负序电压整定值，可取额定电压的6%；电流整定值，可取大于变压器额定电流，但不必大于最大电流（例如并联运行的变压器断开一台时）。

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第三节 差动保护整定

一、比率自动特性的变压器纵差保护

由于微机差动保护中后备保护整定计算与常规保护没有本质的区别，这里主要对变压器差动保护进行分析。

对变压器常规保护，由于变压器各侧绕组的接线组别通常都是不同的，因此差动保护接线中，需要调整电流互感器二次电流相位，即星形侧的电流互感器二次侧接成三角形，而三角形侧电流互感器二次侧接成星形，以实现各侧二次电流的平衡，尽可能减小进入差回路的不平衡电流。

微机保护中，差动保护各侧电流平衡补偿由软件完成，中低压侧电流平衡均以高压侧为基准。变压器各侧TA二次电流相位也由软件自动校正，即变压器各侧TA二次回路都应接程Y型，这样简化了TA二次接线，增加了可靠性，易于实现TA二次断线的准确可靠判别，同时对减小电流互感器的二次负荷和改善电流互感器的工作性能有很大好处。微机变压器保护二次电流接线见左下图。

比率差动保护的动作特性如右上图所示，比率制动特性差动保护能可

靠躲过外部故障时的不平衡电流，在内部故障时有很高的灵敏度。图中为动作电流，

IopIres 为制动电流，Iset.min为差动电流最小启动值，

S1 、S2为比率制动特性曲线的斜率。如图为三段折线式比率制动差动保护，在短路电流较小时，电流互感器不饱和或饱和程度较轻，相应不平衡电流较小，斜率可取最小值；随着外部短路电流增大，电流互感器饱和严重，差动回路不平衡电流显著增加，第三段折线取较大斜率。若取S1S2，即为两段折线比率制动性，此时可近似取斜率等于制动系数K，动作特性用动作方

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

程来描述时，动作区的表示式如下。

两段折线时动作方程：

IopIset.min （当

IresIt1

时） 当

IopIset.minK(IresIt1)(IresIt1时

)

三段折线时动作方程为：

IopIset.min （

IresIt1）

IopIset.minS1(IresIt1)

(It2IresIt1)

IopIset.minS1(It2It1)S2(IresIt2)

(IresIt2)制动特性上方为动作区，下方为不动作区（也称制动区），图中，It1、

It2为制动特性的拐点电流。

对比率制动特性，当制动电流很大时，保护动作电流将迅速增加；在变压器内部严重故障时，由于电流互感器的饱和等可能延长故障切除时间。设置差动电流速断可以在差电流超过一定值后

(Iqb.set)保护直接动作，保

证在变压器内部发生严重故障时快速切除故障变压器。

二、主变差动保护整定计算步骤

（1）选择差动保护接线方式（根据各厂家产品说明确定）。

60

2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

I（2）计算一次额定电流1N.i

I1N.i 式中

STN3UN.i

STN------------变压器额定容量；

I1N.i------------变压器对应电压侧额定电流；

UN.i-----------变压器对应计算侧的额定电压。

选择各侧电流互感器变比，计算二次额定电流

I2N.i

I2N.i 式中

I1N.inTA.inTA.i----------------变压器对应侧的电流互感器变比。

Kb.i

（4）计算电流平衡系数

以高压侧额定二次电流为基准

Kb.i 式中

I2N.hUN.inTA.iKcon.iKcon.iI2N.iUN.hnTA.h

UN.i，UN.h----------分别为计算侧和高压侧额定电压；

nTA.i，nTA.h----------分别为计算侧和高压侧电流互感器变

化；

Kcon.i----------对应侧接线系数。若保护内部对高、

(IaIb),幅值在内部相应扩大3中压侧（Y侧）电流二次接线进行了调整

倍，因此低压侧相对应，在确定平衡系数时乘以接线系数3，中压侧直接

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

取1.若产品注明内部通过软件进行幅值的平衡，即仅进行角度移相，各式可直接取1或不考虑接线系数。

（5）计算差动电流速断保护定值

差动电流速断保护的动作电流应躲过变压器空载投入时的励磁涌流和外部故障的最大不平衡电流。

式中 验取

3～12，变压器容量越大，系统阻抗越小时，K相应取较

小值；

Iqb.setKI2N.h

Iqb.setKrelIunb.maxK---------动作电流倍数，根据变压器容量确定，根据实际经

I2N.h-----变压器高压侧额定二次电流； Krel----可靠系数，取Krel

=1.3～1.5；

Iunb.max-----变压器外部故障的最大不平衡电流。

取上述两式中较大值为整定值。 双绕组变压器最大不平衡电流的计算可按下式

Iunb.max(KunpKstfTUfca) 式中

Ik.maxnTA.h

Ik.max-----归算到高压侧的最大外部短路电流周期分量；

fT-------电流互感器相对误差，取fT0.1；

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KunpKst

--------非周期分量系数；

---------电流互感器同型系数 ---------发高压侧电流互感器变化。

nTA.h关于三绕组变压器的不平衡电流计算，由于我选用的是双绕组变压器，故不再详细说明。

（6）制动特性整定 1）最小动作电流

即使没有制动特性时的继电器最小动作电流。 式中 1.2～

1.3；对三绕组变压器取1.4～1.5. 2）制动特性拐点电流

Iset.minKrelIunb.r

Iunb.rKrel-------变压器正常运行时差回路的不平衡电流；

--------可靠系数，取

Krel=1.2～1.5，对双绕组变压器取

It1(0.51)I2N.h

具体可根据变压器的容量以及厂家说明书确定。

I1N.h(0.51)nTA.hI1N.hnTA.h

It2(0.53)I2N.h(0.53) 两段折线时，

It1It2II,即t1、t2整定为同一点。

3）最大制动系数

最大制动系数可按下式计算：

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式中

Kres.setKrel(KunpKstfTUfca)

Krel-------可靠系数，取1.3～1.5；

Kst-------同型系数；

Kunp-------非周期分量系数；

fT---------电流互感器10%误差；

U---------变压器调压范围，取可调范围的一半； 回路

电流误差，与常规保护相同，可去0.05进行计算。 （7）确定谐波制动比

为可靠防止励磁涌流时保护误动，根据经验，当任一相二次谐波与基波电流之比15%～20%时，三相差动保护备闭锁，可根据经验调整比例系数。

二次谐波制动采用或们制动方式，即A、B、C三相中由一相满足制动条件，则闭锁差动保护出口。 （8）差动灵敏度计算

1）比率制动部分灵敏度计算

在最小运行方式下，计算保护区两相金属性短路时的最小短路电流和相应的制动电流（规算至基本侧），根据制动电流大小求得实际的动作电流。

fca---------微机保护中电流平衡调整不连续性造成的二次差

Ksen 要求

Ik.minIset

Ksen2。

2）差动电流速断保护灵敏度

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在正常运行方式下，保护区内两相金属性短路时的短路电流和差动电流速断保护整定值之比，电流规算至基本侧。

Ksen

（9）后备保护整定计算

Ik.minIqb.set

微机保护中各侧均可采用复合电压闭锁过流保护，即由接于相间电压上的低电压继电器和接于负序电压上的负序电压继电器组成的电压闭锁元件，与电流元件构成与们输出，由于装设有负序继电器，故在后备保护范围内发生不对称短路时，负序电压元件的灵敏度不受变压器接线方式的影响，装设于相间电压上的低电压继电器主要反映三相短路时的母线残压。实际应用中可通过软件设置只采用过电流元件。

后备保护整定计算略。

第四节 主变微机保护整定计算

已知变压器参数如下：额定容量为10MVA；变压器电压比35±4x2.5%/10.5kV;高压侧TA比200/5，低压侧TA比600/5，变压器接线形式：YNd11，TA接线均为星形。对其差动保护进行整定。

（1）计算一次额定电流（高、低压两侧一次额定电流值）

I1N.h

STN3UN.hSTN3UN.l10103164.96(A)335

10103577.37(A)310

I1N.l

（2）根据给定电流互感器变比，计算各侧电流互感器二次电流额定值

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I2N.h

I1N.h164.964.124(A)nTA.h40 I1N.l577.374.811(A)nTA.l120

I2N.l

（3）计算电流平衡系数

Kb.i（以高压侧为基准）

I2N.h4.124Kcon.l31.484I2N.l4.811

Kb.l 低压侧：

（4）计算差动电流速断保护定值

根据经验，容量越大倍数相应越小，40MV.A不超过7，31.5MV.A不

超过8；20MV.A以下取10. （5）制动特性整定

1）最小动作电流（即没有制动特性时的继电器最小动作电流）

Iqb.setKI2N.h104.12441.24(A)Iset.minKrelIunb.rKrel(KunpKstfTUfca)I2N.h

1.2(0.10.10.05)4.124

1.237(A)

2）制动特性拐点电流

It1(0.51)I2N.h(0.51)4.1242.0624.124

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2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

具体值可根据变压器的容量以及厂家说明书确定

It2(0.53)I2N.h(0.53)4.1242.06212.372两段折线时，

It1It2IIt1 即、t2整定为同一点。

3）最大制动系数

Kres.setKrel(KunpKstfTUfca)

1.2(0.10.10.05)

0.3

（6）二次谐波制动系数的确定

K20.17 厂家给定的范围一般为0.15～0.20，可根据运行经验选择。

第五节 主变微机保护设备的选择

主变微机保护采用许继电气股份有限公司生产的WBH-820系列微机变压器保护测控装置。其中WBH-821为变压器主保护的综合保护测控和主变调压控制，WBH-822为变压器后备保护的综合保护测控和非电量保护。

一、WBH-821微机变压器保护装置的特点

WBH-820系列微机变压器保护测控装置主要适用于66kV及以下电压等级的两圈变压器成套保护及测控。主要特点如下:

（1）实时多任务操作系统，模块化编程；实时性好, 可靠性高。 （2）8套保护定值，定值区切换安全方便。

（3）标准通信规约，方便与微机监控或保护管理机联网通讯。

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（4）完整的断路器操作回路，设置断路器及分接头遥控功能。 （5）保护与测控一体化，单台装置主要功能。

二、WBH-821微机变压器保护装置的主要技术数据：

1、额定数据

（1）额定直流电压: 220V或110V或AC220V（订货说明） （2）额定交流电压：相电压1003V

（3）额定交流电流：5A或1A(订货注明) （4）额定频率：50Hz （5）热稳定性

交流电压回路：长期运行 1.2Un 10s 1.4Un 交流电流回路：长期运行 2In 1s 40In （6）半周波 100In 2、装置功耗

（1）交流电压回路: 每相不大于1VA;

（2）交流电流回路: In=5A时每相不大于1VA,In=1A时每相不大于0.5VA;

（3）零序电流回路: 不大于0.5VA；

（4）保护电源回路: 正常工作时,不大于12W；保护动作时,不大于15W。 3、环境条件 （1）环境温度

工作： -25℃～+55℃

储存： -25℃～+70℃，相对湿度不大于80%

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2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

（2）大气压力：80kPa～110kPa（相对海拔高度2km以下） 4、抗干扰性能

（1）辐射电磁场干扰试验：能承受GB/T14598.9－1995第四章规定的

严酷等级为Ⅲ级的辐射电磁场干扰试验。

（2）静电放电试验：能承受GB/T14598.14-1998中4.1规定的严酷等级

为Ⅲ级的静电放电试验。

（3）电磁发射试验：能承受GB/T14598.16－2002中4.1规定的传导发

射限值及4.2规定的辐射发射限值的电磁发射试验。

（4）工频磁场抗扰度试验：能承受GB/T17626.8－1998第5章规定的严

酷等级为Ⅳ级的工频磁场抗扰度试验。

（5）阻尼振荡磁场抗扰度试验：能承受GB/T17626.10－1998第5章规

定的严酷等级为Ⅳ级的阻尼振荡磁场抗扰度试验。 5、保护定值整定范围及误差 （1）定值整定范围 交流电压：4V～100V 交流电流：0.1In～20In （2）定值误差 电流：< ±2.5% 电压：< ±2.5%

三、微机保护装置的功能配置

保护功能 功能名称 比率差动保护（二次谐波涌流识别,TA断线闭锁） 差流速断保护 差流越限告警 零序电压保护（自产） 复合电压（TV断线闭锁） 69 WBH-821 √ √ √ √ √ WBH-822 √ √ 艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

两段高压侧过流（复压开放,各两时限） 两段低压侧过流（复压开放,各两时限） 一段低压侧过流(定)反时限（三种标准反时限曲线） 负序过流保护 过负荷保护 闭锁调压 起动通风 非电量保护 TV断线告警 TA断线告警 控制回路异常告警 手车位置异常告警（当主接线为手车时） 8路遥信开入采集、装置遥信变位、事故遥信 测控功正常断路器遥控分合 遥控变压器档位 P、Q、IA、IB、IC、Uab、Ubc、Uca、f等模拟量的遥测 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 能 故障录波 4路脉冲输入 70

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第八章 变电所的防雷保护

第一节 变电所防雷概述

雷电引起的大气过电压将会对电器设备和变电所的建筑物产生严重的危害，因此，在变电所和高压输电线路中，必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安全。运行经验表明，当前变电所中采用的防雷保护措施是可靠的，但是雷电参数和电器设备的冲击放电特性具有统计性，故防雷措施也是相对的，而不是绝对的。

变电所的雷电危害主要来自两个方面：一个是直接雷击变电所的建筑物、构筑物或装设在露天的设备，强大的雷电冲击电流通过被击物泄放入地时，引起机械力破坏和热破坏；另外一个是雷电感应产生的高电压波沿输电线路侵入变电所内，使主要电气设备对地绝缘击穿或烧毁。所以对于直接雷击破坏，变电所一般采用安装避雷针或者避雷线保护，对于沿线路侵入变电所的雷电侵入波的防护，主要靠在变电所内合理地配置避雷器。

第二节 避雷针的选择

防直击雷最常用的措施是装设避雷针，它是由金属制成，比被保护设备高并具有良好的接地装置，其作用是将雷吸引到自己身上并安全导入地中，从而保护了附近比它矮的设备、建筑免受雷击。 避雷针的设计一般有以下几种类型：

一是单支避雷针的保护； 二是两针避雷针的保护； 三是多支避雷针的保护。

本次设计采用单支避雷针进行防直击雷的保护。

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

避雷针的保护范围是指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击而言。单支避雷针的保护范围是一个旋转的圆锥体。避雷针的保护半径rx可按下式计算，即

rxhhxp

，当

hx0.5h时； 时；

rx1.5h2hxp，当

hx0.5h式中 h—避雷针高度，单位m； hx—被保护物的高度，单位m；

p—高度影响因数，当h30m时，p=1；当h30m时，

p5.5h。

这次选择在距变电所西边中间的地方分别装设单支避雷针，避雷针高度要按照实际高度计算。

第三节 避雷器的选择

目前在新建或技术改造的变电所中，一般都选用氧化锌避雷器，作为

电力变压器等电气设备的大气过电压、操作过电压及事故过电压的保护设备。氧化锌避雷器与阀型避雷器相比，具有残压低、无续流、通流容量大、性能稳定和动作迅速等优点。

一、35kV避雷器的选择

（1）按额定电压选择

35kV系统最高电压为40.5kV，相对地电压为40.5323.4kV。查表

(《变电设备合理选择及运14-10)》计算避雷器相对地电压为

1.25Um1.2540.5kV50.6kV，取避雷器额定电压为53kV。

（2）按持续运行电压选择 35kV系统相电压为40.5

323.4kV，选择氧化锌避雷器持续运行电压

72

2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

40.5kV,此值大于23.4kV.

（3）标称放电电流的选择

35kV氧化锌避雷器标称放电电流选择5kA。 （4）雷电冲击残压的选择

查表（《变电设备合理选择及运行3-14》）得变压器35kV额定雷电冲击外绝缘峰值耐受电压为185kV,内绝缘耐受电压为200kV.计算避雷器标称放电电流引起的雷电冲击残压为：

UbleBIL185kV132kV （185是额定雷电冲击外绝缘耐受电压峰值Kc1.4/kV）

UbleBIL200kV （200是额定雷电冲击内绝缘耐受电压峰值/kV） KC1.4选择氧化锌避雷器雷电冲击电流下残压（峰值）为134kV。 （5）校核陡坡冲击电流下的残压

查表（《变电设备合理选择及运行3-14》）得35kV变压器类设备的内绝缘截断雷电冲击耐受电压（峰值）为220kV,计算陡坡冲击电流下的残压为：

UbleBIL220kV157kV KC1.4选择陡坡冲击电流下的残压（峰值）为154kV。 （6）操作冲击电流下残压的选择

查表（《变电设备合理选择及运行3-17》）得35kV变压器线端操作波试验电压为170kV，计算变压器35kV侧错做冲击电流下残压为：

USSIL170kV147 KC1.15选择35kV氧化锌避雷器操作冲击电流下峰值残压为114kV。

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艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

（7）根据上述计算与校核，查表（《变电设备合理选择及运行14-2》）选择Y5WZ-53/134型氧化锌避雷器能满足变压器35kV侧的过电压保护要求。

二、10kV避雷器的选择

（1）按额定电压选择 10kV

系统最高电压为

11.5kV，相对地电压为

Um《变电设备合理选择及运行14-10》）311.5kV/36.6kV，根据表（

选择氧化锌避雷器的额定电压为1.38Um1.3811.5kV15.87kV，故选择10kV氧化锌避雷器的额定电压为17kV，满足要求。 （2）按持续运行电压选择

10kV系统相对地最高电压为6.6kV,故选择氧化锌避雷器的持续运行额定电压8.6kV，满足避雷器持续运行电压的要求。 （3）标称放电电流的选择

10kV氧化锌避雷器标称放电电流选5kA。 （4）雷电冲击残压的选择

查表（《变电设备合理选择及运行3-14》）得变压器10kV额定雷电冲击外绝缘峰值耐受电压为75kV, 计算避雷器标称放电电流引起的雷电冲击残压为：

UbleBIL75kV53kV KC1.410kV氧化锌避雷器雷电冲击电流下残压选择50kV，满足要求。 （5）校核陡坡冲击电流下的残压

查表（《变电设备合理选择及运行3-14》）得10kV变压器类设备的内绝缘截断雷电冲击耐受电压（峰值）为85kV,计算陡坡冲击电流下的残压为：

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2011届电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文

UbleBIL85kV60.7kV KC1.4选择10kV氧化锌避雷器陡坡冲击电流下的残压为57.3kV，故选择的氧化锌避雷器满足陡坡冲击电流的要求。 （6）操作冲击电流下残压的选择

查表（《变电设备合理选择及运行3-17》）得10kV变压器线端操作波试验电压为60kV，计算变压器10kV侧错做冲击电流下残压为：

USSIL60kV52.17kV KC1.15选择10kV氧化锌避雷器操作冲击电流下峰值残压为42.5kV，故满足要求。

（7）根据上述计算与校核，查表（《变电设备合理选择及运行14-4》）选择Y5WS5-17/50L型氧化锌避雷器能满足变压器35kV侧的过电压保护要求。

三、避雷器的选择结果表

1、35kV侧避雷器的选择结果:

系统额定电压/kV 避雷器额定电压/kV 持续运行参考电压/kV 直流1mA参考电压（不小于）/kV 76 工频1mA参考电压（不小于）/kV 53 标称放电电流下残压（不大于）/kV 134 陡坡冲击残压（不大于）/kV 154 方波冲击耐受电流（2ms）/A 型号 Y5WZ-53/134 35 53 41 400 2、35kV侧避雷器的选择结果:

75

艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

型号 系统额定电压（有效值）/kV 避雷器额定电压（有效值）/kV 陡坡冲击电流下残压（峰值）不大于/kV 57.5 雷电冲击电流下残压（峰值）不大于/kV 50 操作冲击电流下残压（峰值）不大于/kV 42.5 直流1mA参考电压（不小于）/kV 避雷产品器持质量续运/kg 行电压（有效值）/kV 8.6 3.9 Y5WS5-17/50L

10 17 25 76

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致 谢

为期三个月的《南山变电站及其变压器的保护》毕业设计已接近尾声了，我的四年大学生涯也即将圈上一个句号。在此，我感谢我的父母，感谢他们给我提供求学的经济和精神支柱，再次是感谢我的老师和同学们，谢谢你们给与我学习上的帮助和关怀！

三个月的毕业设计，让我从新整理零碎的知识，温习三年半里所学的知识，在伍老师、姚老师的指导下，我的知识得以这一次升华，把三年半的知识都串联起来，把课本的东西变成自己的东西。伍老师，每次都不会忘记到教室给我们指导设计，而且还很耐心的帮助同学解答心中的疑问。我们的指导老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。因此，在设计中，有什么不懂的问题就请教身边的同学，寻求帮助，尽量把设计做到更好！

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

77

艾涛：南山变电站一次及其变压器保护设计

参考文献：

（1）陈跃.电气工程专业毕业设计指南电力系统分册（第二版）[M].

北京：中国水利水电出版社.2008年9月第八次印刷。

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