10kV0.4kV降压变电所设计 课程设计.doc

课程设计说明书题 目 10kV-0.4kV降压变电所设计 系 别 电气工程及其自动化 班 级 电气092班 姓 名 王黎明 学 号 093736235 答辩时间 2012 年 12 月 新疆农业大学机械交通学院任务分配表小组成员：李晨、卢锡文、赵俊杰、杨海龙、王黎明、张跃锡任务分配李晨：主接线的形式选定及分析以及主变的选择卢锡文：参数以及短路计算杨海龙、赵俊杰：元器件的校验计算张跃锡、王黎明：二次继电保护目 录摘要11 毕业设计概述21.1 课程设计题目21.2 课程设计目的21.3 毕业设计内容22 变电所电气主接线32.1 对电气主接线的基本要求和原则32.1.1 电气主接线的基本要求32.1.2 电气主接线的原则32.2 电气主接线设计程序32.3 主接线设计42.3.1 单母线接线42.3.2 单母线分段接线52.4 确定单母线接线方式53 变压器选择53.1 变电所变压器容量、台数、型号选择63.1.1 变压器容量63.1.2 主变压器台数和型号63.1.3 主变压器确定74 短路计算74.1 短路危害74.2 参数计算84.3分列高压短路电流计算94.3.1 短路点#1104.3.2 短路点#2114.4 并列高压短路电流计算134.4.1 短路点#2145 电力器件校验165.1 10KV侧汇流主母线165.1.1 10Kv侧汇流主母线正常发热校验165.1.2 10Kv侧汇流主母线热稳定性校验165.1.3 10Kv侧汇流主母线动稳定性校验175.2 0.4KV侧母线选择175.2.1 0.4Kv侧汇流主母线正常发热校验175.2.2 0.4Kv侧汇流主母线热稳定校验185.3 断路器的选择185.4 隔离开关的选择195.5 互感器的选择及校验205.5.1 电流互感器选择205.5.2 电压互感器选择215.6 绝缘子的选择及校验226 变电所二次回路方案选择及继电保护的整定226.1 二次回路的定义和分类226.2 二次回路操作电源的选择236.3 二次回路的接线要求236.4 变压器纵差保护整定计算及其校验246.4.1 差动继电器的选型246.4.2 纵差动保护的整定计算256.5 变压器过电流保护的整定计算276.5.1 DL-21CE型电流继电器276.5.2 过电流保护整定原则286.5.3 过电流保护整定的动作时限296.5.4 保护装置的灵敏校验296.5.5 过电流保护整定计算306.6 零序电流的整定计算316.7 输电线路纵联保护326.7.1 实现纵联保护的方式326.7.2 纵联保护的通信方式346.8 防雷保护设计376.8.1 雷电过电压386.8.2 雷电的危害386.8.3 防雷保护装置386.8.4 防雷设计397 总 结39谢 辞40参考文献4110kV-0.4kV降压变电所设计王黎明 指导老师：李春兰、艾海提摘要：本设计的主要内容包括：10/0.4kV变电所主变压器选择；变电所电气主接线设计；短路电流计算；负荷计算；无功功率补偿；电气设备选择（母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置设计；继电保护规划设计；防雷保护设计等。我主要负责的是继电保护设计工作，对变压器进行差动保护和过电流保护的设计计算，以及输电线路的差动保护。关键词：变电所设计；电气主接线；继电保护10kV-0.4kV Step-down Substation DesignWang Li-ming Tutor：Li Chun-lan，Ai HaitiAbstract: The main contents of this design include: 10/0.4kV substation main transformer; Electrical substation main wiring design; Short-circuit current calculation; Load calculation; Reactive power compensation; Electrical equipment ( Bus, High Voltage Circuit Breaker, Isolating Switch, Current Transformer, Voltage Transformer; Lightning Arrester and Capacitor ); Distribution equipment design; Relay planning and design; Lightning protection design. My mainly duty is designning for relay protection. Relay protection design is mainly for transformer differential protection and over current protection in design calculation, and transmission line differential protection.Keywords: Substation Design; Electrical Main Wiring; Relay Protection Abstract1 毕业设计概述1.1 课程设计题目设计一个10kV-0.4kV的变电站，向二类负荷供电，最大利用小时数TMAX(h)=6000h，输送距离5km，功率因数0.8。变电站环境条件，海拔高度为100米，土壤电阻系数2.5×104.cm，土壤地下0.8米处温度20；该地区年最高温度40，年最低温度25，最热月7月份其最高气温月平均34.0，最冷月1月份，其最低气温月平均值为17；年雷暴日数为250天。1.2 课程设计目的本设计是针对变电所进行的扩大初步设计，设计中涉及“发电厂电气部分”、“电力系统分析”、“电力系统继电保护”等课程有关内容，通过设计培养学生综合运用所学知识分析、解决本专业领域工程技术问题的能力；培养学生独立自学能力；使学生受到工程师的基本训练，即工程设计和科学研究的初步能力；包括：调查研究、搜集资料（含文献检索）；方案论证、技术方案的计划与实施；理论分析、设计和计算；撰写学术论文或设计说明书等的能力。1.3 毕业设计内容主变压器选择；变电所电气主接线设计；短路电流计算；电气设备选择（母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置设计；继电保护设计；防雷保护设计；绘制电气主接线图，绘制配电装置平面图及直击雷保护范围图。设计步骤：1）进行10kV变电所扩大初步设计；2）完成任务书中的全部内容；3）绘制变电所电气主接线图；4）绘制配电装置平面图及直击雷保护范围图；5）毕业设计说明书按统一格式打印装订成册；6）说明书语言通顺简练，图表画法符合国家标准；2 变电所电气主接线 电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。电气主接线是变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节。对电气主接线的基本要求概括地说应包括电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性。2.1 对电气主接线的基本要求和原则2.1.1 电气主接线的基本要求(1)可靠性：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。(2)灵活性：灵活性有三方面要求；调度要求；检修要求；扩建要求。(3)经济性：经济性主要是投资省、占地面积小、能量损失小。2.1.2 电气主接线的原则(1)考虑变电所在电力系统中的地位和作用(2)考虑近期和远期的发展规模(3)考虑负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响(4)考虑主变台数对主接线的影响2.2 电气主接线设计程序电气主接线的设计伴随着变电所的整体设计，即按照工程基本建设程序，历经可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段等四个阶段。在各阶段中随要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计思路、方法和步骤相同。1)对原始资料进行分析，主要包括：本工程情况；电力系统情况；负荷情况；环境条件；设备制造情况。2)拟定主接线方案。根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定若干个主接线方案。因为对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等考虑的不同，会出现多种接线方案(近期和远期)。应依据对主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰一些明显不合理的方案，最终保留23个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进行可靠性定量分析计算比较，最后获得技术合理、经济可行的主接线方案。3)主接线经济比较。4)短路电流计算。对拟定的电气主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。5)电器设备的选择。6)绘制电气主接线图及其他必要的图纸。7)工程概算。包括：主要设备器材费；安装工程费；其他费用。2.3 主接线设计主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种形式，分为两大类：有汇流母线的接线形式、无汇流母线的接线形式。变电所电气主接线的基本环节是电源(变压器)、母线和出线(馈线)。各个变电所的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输的功率也不一样。在进出线数较多时(一般超过4回)，为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便有利于安装和扩建。但有母线后，配电装置占地面积较大，使用断路器等设备增多。无汇流母线的接线使用开关电器较少，占地面积小，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的变电所。有汇流母线的接线形式主要有：单母线接线和双母线接线。设计中仅以单母线接线为例。2.3.1 单母线接线2.3.1.1 单母线接线的优缺点优点：接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。缺点：灵活性和可靠性差，当母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开它所连接的电源，与之相连的所有电力装置在整个检修期间均而停止工作。此外，在出线断路器检修期间，必须停止该回路的供电。2.3.1.2 单母线接线的适用范围一般适用于一台主变压器的以下两种情况：6-10kV配电装置的出线回路数不超过5回；35-66kV配电装置的出线回路数不超过3回。2.3.2 单母线分段接线为了克服一般单母线接线存在的缺点，提高它的供电可靠性和灵活性，可以把单母线分成几段，在每段母线之间装设一个分段断路器和两个隔离开关。每段母线上均接有电源和出线回路，便成为单母线分段接线。2.3.2.1 单母线分段接线的优缺点优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；当一证正常段母线不间断供电和不致使大面积停电。缺点：当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。2.3.2.2 单母线分段接线的适用范围（1）6一10kV配电装置出线回路数为6回及以上时；（2）3566kV配电装置出线回路数为48回时。2.4 确定单母线接线方式现阶段最常用的接线形式有两种：单母线接线和单母线分段接线，依据变电所中实际情况的了解，以及对单母线接线和单母线分段的比较，并且从经济性、可靠性、灵活性三个方面的对比，选择单母线分段接线方式。变电所为终端变电所高压为10kV低压为0.4kV。这在主接线的选择上确定了范围，根据5-10年的发展计划设计，并依据供电情况，拟装设两台主变压器。3 变压器选择在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。在输配电系统中，变压器起到桥梁作用，变压器是借助电磁感应原理，以相同的频率，交换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。3.1 变电所变压器容量、台数、型号选择3.1.1 变压器容量变压器空载运行时需用较大的无功功率，这些无功功率需由供电系统供给，变压器容量如选的过大，不但增加投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现“大马拉小车”现象，使空载的损耗增加，功率因数降低，网络损耗增加。若容量选的小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。变压器的最佳负载率在40%-70%之间，负载过高，损耗明显增加，另一方面，由于变压器容量裕度小，负载稍有增长，便需要增容，更换大容量的变压器，势必增加投资，且影响供电。总之选择变压器的容量，要以现有的负荷为依据，按照5-10年的发展计划来确定，按照变电所的设计选用的变压器容量为80000kVA。3.1.2 主变压器台数和型号3.1.2.1 主变压器台数变压器的台数应根据负荷的特点和经济运行进行选择，要由负荷大小，对供电的可靠性和电能质量的要求来决定，并兼顾节约电能、降低运行造价、维护设备等因素，确定变压器台数应综合考虑，进行认真的技术经济比较。按负荷的等级和大小来说，对于带二级负荷的变电所，当二级负荷较多时，应选两台或两台以上变压器，如只有少量的二级负荷并能从相邻的变电所取得低压备用电源，可以只采用一台变压器。3.1.2.2 主变压器型号主变压器的型号选择主要考虑以下因素：变电所的所址选择；建筑物的防火等级；建筑物的使用功能；主要用电设备对供电的要求；当地供电部门对变电所的管理体制等。设置在一类高、低压主体建筑中的变压器，应选择干式、气体绝缘或非可燃性液体绝缘的变压器；二类高、低压主体建筑也宜如此，否则应采取相应的防火措施。主变压器安装在地下时，根据消防要求，不得选用可燃性油变压器，地下层一般比较潮湿，通风条件不好，也不宜选用空气绝缘的干式变压器，而宜采用环氧树脂浇注型或者六氟化硫型变压器，综合所述结合校的具体情况选型为SC10-80/10/0.4变压器。3.1.3 主变压器确定位于室内变电所的主变压器型号为环氧树脂浇注型，其技术参数如表3-1所示。表3-1 SC10-80/10/0.4变压器技术参数型号额定容量（KVA）额定电压（kV）空载损耗（W）负载损耗（W）短路阻抗（%）空载 电流（%）变压器连接组 高压低压SC10-80/10/0.4 80000 100.4 360 1200 4 1.64 短路计算选择电气设备、整定继电保护、确定电气主接线方案、考虑限制短路电流的措施及分析电力系统是短路计算的最终目的。所谓短路是指不同电位导电部分之间的不正常短接，既有相与相之间导体的金属性短接或者经小阻抗的短接，也有中性点直接接地系统或三相四线制系统中单相或多相接地（或接中性线）。4.1 短路危害短路的后果是十分严重的，且短路所引起的危害程度，与短路故障的地点、类型及持续时间等因素有关。为了保证电气设备安全可靠运行，减轻短路的影响，除应努力设法消除可能引起短路的一切因素外，一旦发生短路，应尽快切除故障部分，使系统的电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，需要进行短路电流计算，以便正确地选择具有足够的动稳定性和热稳定性的电气设备，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。4.2 参数计算（1）电力系统电抗标幺值计算（阻抗图4-1）图4-1 系统阻抗图系统C1：基准容量： Sj = 100（MVA）系统容量：Ss'' = （MVA）2Ss''-系统容量(MVA)；Sj-基准容量(MVA)；X1-正序阻抗标幺值。（2）线路电抗标幺值计算L1：线路型号：LGJQ 500单位长度电抗：0.38线路长度：5（km）基准电压：Uj = 11.025（kV）1.56313X* - 正、负序电抗标幺值；X - 线路单位长度各序电抗值()；Uj - 线路平均电压值(kV)；L - 线路长度(km)。L2,L3,L4与L1相同。（3）双绕组变压器电抗标幺值计算主变#1：变压器容量：Se = 80（MVA）阻抗电压百分值：Ud% = 4%0.05X1 - 变压器正序电抗标幺值；X2 - 变压器负序电抗标幺值；Sj - 基准容量值(MVA)；Se - 变压器额定容量值(MVA)。主变#2与主变#1相同。4.3分列高压短路电流计算系统分列运行如图4-1所示。4.3.1 短路点#14.3.1.1 对称短路计算(三相短路)短路点平均电压Uj = 10.000 kV短路点基准电流Ij = Sj/(1.732Uj) = 5.774 kA（1）#1短路点系统C1分支分支名称：系统C1分支电抗标幺值：正序X1 = 2.3908短路电流周期分量起始值：I" = Sj/(1.732UjX1 ) = 2.415(KA)0.01秒短路电流有效值：I0.01= I" = 2.415(KA)0.06秒短路电流有效值：I0.06= I" = 2.415(KA)短路冲击电流值：ich = 1.414KchI" = 6.147(KA)短路电流全电流最大有效值：Ich = I" 1+2(Kch-1)20.5 = 3.646(KA)起始短路容量：S" = 1.732Uj×I" = 41.8(MVA)T = 4s:短路电流在T/2秒时的周期分量有效值:Izt/2 = Ig × It/2 = 2.41(kA)短路电流在T秒时的周期分量有效值:Izt = Ig × It = 2.41(kA)短路电流周期分量热效应:Qz = I"2+10Izt/22+Izt2t/12= 23.33(kA2·S)（2）#1短路点小计:#1短路点总电抗标幺值：正序X1 = 2.3908短路电流周期分量起始值：I" = 2.415 = 2.415(kA)0.01秒短路电流有效值：I0.01=2.415 = 2.415(kA)0.06秒短路电流有效值：I0.06=2.415 = 2.415(kA)短路电流全电流最大有效值：Ich = 3.646 = 3.646(kA)短路冲击电流值：ich = 6.147 = 6.147(kA)起始短路容量：S" = 41.8 = 41.8(MVA)T= 4s:短路电流在T/2秒时的周期分量有效值：Izt/2 = 2.415 = 2.415(kA)短路电流在T秒时的周期分量有效值：Izt = 2.415 = 2.415(kA)短路电流周期分量热效应：Qz = (I")2+(10×Izt/2)2+(Izt)2*t/12= 23.33(kA2·S)4.3.2 短路点#24.3.2.1 对称短路计算(三相短路)短路点平均电压Uj = 0.400 kV短路点基准电流Ij = Sj/(1.732Uj) = 144.338 kA（1）#2短路点系统C1分支分支名称：系统C1分支电抗标幺值：正序X1 = 2.4408短路电流周期分量起始值：I" = Sj/(1.732×Uj×X1 ) = 59.136(KA)0.01秒短路电流有效值：I0.01= I" = 59.136(KA)0.06秒短路电流有效值：I0.06= I" = 59.136(KA)短路冲击电流值：ich = 1.414×Kch×I" = 133.809(KA)短路电流全电流最大有效值：Ich = I" 1+2×(Kch-1)20.5= 77.556(KA)起始短路容量：S" = 1.732Uj×I" = 41.0(MVA)T= 4s:短路电流在T2/2秒时的周期分量有效值:Izt/2 = Ig ×It/2 = 59.14(kA)短路电流在T2秒时的周期分量有效值:Izt = Ig ×It = 59.14(kA)短路电流周期分量热效应:Qz = I"2+10×Izt/22+Izt2×t/12 = 13988.16(kA2·S)（2）#2短路点小计:#2短路点总电抗标幺值：正序X1 = 2.4408短路电流周期分量起始值：I" = 59.136 = 59.136(kA)0.01秒短路电流有效值：I0.01=59.136 = 59.136(kA)0.06秒短路电流有效值：I0.06=59.136 = 59.136(kA)短路电流全电流最大有效值：Ich = 77.556 = 77.556(kA)短路冲击电流值：ich = 133.809 = 133.809(kA)起始短路容量：S" = 41.0 = 41.0(MVA)T= 4s:短路电流在T/2秒时的周期分量有效值:Izt/2 = 59.136 = 59.136(kA)短路电流在T秒时的周期分量有效值:Izt = 59.136 = 59.136(kA)短路电流周期分量热效应:Qz = (I")2+(10×Izt/2)2+(Izt)2×t/12= 13988.16(kA2·S)4.4 并列高压短路电流计算 系统并列运行如图4-2所示。图4-2 系统并列图4.4.1 短路点#24.4.1.1 对称短路计算(三相短路)短路点平均电压Uj = 0.400 kV短路点基准电流Ij = Sj/(1.372Uj) = 100.000/(1.372×0.400) = 144.338 kA（1）#2短路点系统C1分支分支名称：系统C1分支电抗标幺值：正序X1 = 2.4158短路电流周期分量起始值：I" = Sj/(1372UjX1 ) = 59.748(KA)0.01秒短路电流有效值：I0.01= I" = 59.748(KA)0.06秒短路电流有效值：I0.06= I" = 59.748(KA)短路冲击电流值：ich = 1.414×Kch×I" = 135.194(KA)短路电流全电流最大有效值：Ich = I" 1+2×(Kch-1)20.5 = 78.358(KA)起始短路容量：S" = 1.732UjI" = 41.4(MVA)T = 4s:短路电流在T/2秒时的周期分量有效值:Izt/2 = Ig ×It/2 = 59.75(kA)短路电流在T秒时的周期分量有效值:Izt = Ig ×It = 59.75(kA)分量热效应:Qz = I"2+10×Izt/22+Izt2×t/12 = 14279.17(kA2·S)（2）#2短路点小计:#2短路点总电抗标幺值：正序X1 = 2.4158短路电流周期分量起始值：I" = 59.748 = 59.748(kA)0.01秒短路电流有效值：I0.01=59.748 = 59.748(kA)0.06秒短路电流有效值：I0.06=59.748 = 59.748(kA)短路电流全电流最大有效值：Ich = 78.358 = 78.358(kA)短路冲击电流值：ich = 135.194 = 135.194(kA)起始短路容量：S" = 41.4 = 41.4(MVA)T= 4s:短路电流在T/2秒时的周期分量有效值:Izt/2 = 59.748 = 59.748(kA)短路电流在T秒时的周期分量有效值:Izt = 59.748 = 59.748(kA)短路电流周期分量热效应:Qz = (I")2+(10×Izt/2)2+(Izt)2×t/12= 14279.17(kA2·S)5 电力器件校验5.1 10KV侧汇流主母线5.1.1 10Kv侧汇流主母线正常发热校验由Tmax=6000h 查得 J=0.67A/ mm2额定容量S=50MVA；Se= Imax/J =4998.7 mm2 查书后附录选择LMY-67870型号母线。 c=0.01m ; b=0.09m; h=0.2m; ri=7.55cm；Kf=1.175；Ial=6120A；又因任务书里的温度条件得；由