《10kv變電所的電氣部分及繼電保護設計》8400字（論文）

10kv變電所的電氣部分及繼電保護設計第一章緒論 第一章緒論1.1變電所設計背景以及要求工廠的10kV變電所供電系統(tǒng)設計是這次的設計任務，工廠沒有高頻設備、大型設備、高壓設備、和整流裝置。因工廠區(qū)域內比較緊湊，裝卸產品的起重機會很頻繁工作。所以為了保證工廠的美觀，除開向外的廠區(qū)內配電線路其他的都向地下鋪設。車間變電都是三級負荷。在低壓側一般會考慮效率性與可靠性，因此采用的布線方式為放射式和樹干式相結合的方式，然后經過負荷的計算可以把變壓器的型號確定。在完成施工設計圖的時候，需要知道供電系統(tǒng)的總計算負荷，由用電設備處逐漸地向電源進線側計算通過逐級計算法，所采用的是需要系數(shù)法。選各級的計算點，一般是各級配電箱的進、出線，變壓器低壓母線、高壓進線，變電所低壓出線處。設備分組在設計過程中是很重要的。工廠供電工作要為工業(yè)生產服務，做好節(jié)能的工作，確切保證工廠和生活用電的需要，就一定要達到下列的基本要求：（1）安全在電能的供應、配合使用過程中，不應該發(fā)生人身事故和設備事故。（2）可靠應該滿足電能用戶對供電可靠性的需求。（3）優(yōu)質應該滿足電能用戶對電壓和頻率等質量的要求。（4）運費用要低，經濟供電系統(tǒng)投資要少，并盡可能地節(jié)約電能。1.2變電所設計的原則1.要遵循國家的有關規(guī)程和標準，實行國家的有關方針政策，包含節(jié)省能源、節(jié)約有色金屬等技術經濟政策。2.要做到保障人身和裝備安全、供電可靠、電能質量合格、技術先進和經濟合理，要采取高效率、低能耗、性能較先進的電氣產品。3.根據(jù)工程特征、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃，正確的處理近期建設和遠期發(fā)展的關系，做到遠、近期相結合，以近期為主，適量思考擴建的可能性。4.從全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，根據(jù)負荷的性質、用電的容量、工程的特征和地區(qū)的供電條件等，合理確定設計方案。第二章變電所的負荷計算和無功功率補償?shù)挠嬎?.1計算負荷的統(tǒng)計2.1.1標準件廠的負荷明細表2.1.2工廠負荷性質工廠年最大的有功負荷使用小時數(shù)是3500h，工廠工作制是三班，是三級負荷。2.1.3供電電源條件（1）這個工廠的變電所從鄰近的35/10kV變電所接入10kV電源，它的架空線路長度為800m。（2）按200MVA計算工廠的10kV母線上的短路容量。（3）工廠要使最大負荷時功率因數(shù)高于0.9。2.2變電所的負荷計算2.2.1負荷計算①有功計算負荷：（1）式中：：稱為需要系數(shù)；：為該組內各設備額定功率之和，即=；：為有功功率負荷；其中：②無功計算負荷：（2）tan：用電設備組的功率因數(shù)角的正切值；③視在計算負荷：（3）cos：用電設備組的平均功率因數(shù)；④計算電流：（4）U：用電設備組的額定電壓；注意：需要系數(shù)值是在設備較多的情形下確定的，對于單臺設備，=1；即；但對于電動機，它本身損耗較大，因此當只有一臺時，。2.3無功功率補償2.3.1最大負荷時的功率因數(shù)=/=251.8/415.4≈0.62.3.2無功功率補償容量供電部門有關規(guī)定，工廠的功率因數(shù)不應小于0.9在10kV進線側最大負荷時，而這個工廠的最大負荷功率因數(shù)是0.6。這是由于主變壓器的有功損耗遠小于無功損耗，所以10kV側最大負荷的時候426.9功率因數(shù)應該稍微高于0.9，這里計算10kV側的無功功率補償容量暫時用0.92來：Qc=P30（-）=251.8×[tan(acrcos0.6)－tan(arccos0.92)]=204.4kvar2.3.3無功補償后工廠計算負荷的確定補償后變電所低壓側的視在功率(2)=(251.8^2+（330.4-204.4）^2)^(1∕2)kVA=283.5(kV·A)變壓器的功率損耗△PT≈0.015*283.5=4.3(kW)△QT≈0.06*283.5=17(kvar)變壓器高壓側的計算負荷=251.8+4.3=256.11(kW)=（330.4-204.4）+17=143（kvar)=(256.11^2+143^2)^(1／2)=284.1(kV·A)2.4變電所的主變壓器選擇變壓器容量應該先保證變壓器可以可靠持久運行在計算負荷S30下。我們通常采用等容量的變壓器對于有兩臺變壓器的變電所，每臺變壓器的容量需要同時滿足下面的兩個條件：滿足所有的一級二級負荷的需求，即≥滿足總計算負荷70%的需求，即≈0.7；條件①是考慮到如果發(fā)生了事故，一臺變壓器仍然可以滿足一級二級負荷的供電。條件②是考慮到兩臺變壓器在同時運行的時候，由兩臺變壓器各自承受總計算負荷的一半，負載率大約是0.7，這個時候的變壓器效率比較高。但發(fā)生事故的時候，一臺變壓器會承受總的計算負荷，只過載了40%，可在一段時間內持續(xù)的運行。在這個時間內，完全可以切除三級負荷，能調整生產。根據(jù)無功補償之后計算負荷：，代入數(shù)據(jù)：同時又考慮到未來五到十年的負荷發(fā)展，初步取。還需要考慮到安全和可靠，最后選用S9系列油浸式變壓器。這個變壓器的型號是S9-500/10，它的主要的技術指標見下表2-3。變電所的主接線設計主電路就是變電所的主接線。主電路它對配電裝備布置、電氣設備的選擇等有比較大的影響，是用來接收以及分配電能的電路，也是運行人員處理事故和進行種種倒閘操作的重要根據(jù)。主接線是按照一定次序把變電所中各類開關設備、母線、變壓器、電流互感器等主要的電氣設備用導線連接起來所組成的。3.1電氣主接線的基本要求（1）靈活性調度方便性，本廠所和系統(tǒng)的各種運行方式主接線都能適應；操作很方便；擴建的方便性，它有初期—終期—擴建的方便靈活性。（2）經濟性為避免兩次變壓，需合理的選擇變壓器的臺數(shù)和容量，這樣電能損耗會少；要盡快的發(fā)展經濟效益，分期投資，一次設計，使占地面積較少；設備要價格便宜而且不能多（選用輕型斷路器并且接線要簡單），這樣投資會比較省。（3）可靠性供電的連續(xù)性，要保證不中止供電能力在規(guī)定時間內和規(guī)定條件下。3.2常用的主接線3.2.1單母線的線接線如下圖3-1所示：圖3-1單母線的接線圖適用范圍：一般適用于一臺主變壓器或一臺主發(fā)電機。缺點：單母線能用隔離開關進行分段，但是整個的回路仍然需要短時的停電在一段母線出現(xiàn)故障的時候，要恢復非故障的供電得用隔離開關把故障的母線段分隔開[2]。所以不太可靠靈活，任意一個元件（母線以及母線隔離開關）有故障發(fā)生或者搶修的時候，整個配電裝置都得要停電。優(yōu)點：操作便利，裝備較少，接線簡單清晰，方便采用成套的電裝置以及對電裝置擴建。3.2.2單母線的線分段接線如下圖3-2所示：圖3-2單母線的分段接線圖適用范圍：出線回路數(shù)是3-4回的用于110kV-220kV配電裝置，出線回路數(shù)是6回及以上的用于6-10kV配電裝置，出線回路數(shù)是4-8回的用于350-63kV配電裝置。缺點：當出線是雙回路的時候，要往兩個方向均衡地擴建在擴建的時候，還經常會使架空線出線交叉跨越。母線的回路全部都要在檢修期間內停電，當一段母線或母線隔離開關發(fā)生故障或檢修時。優(yōu)點：分段斷路器會自發(fā)地將故障段斷開在一段母線出現(xiàn)故障的情況下，還要確保主要用戶不停電以及正常段的母線會不斷地供電。用斷路器將母線分隔后，對于主要的用戶可以由兩個電源進行供電，引出兩個回路從不同段。3.2.3雙母線接線如圖3-3所示：圖3-3雙母線接線圖適用范圍：當出線回路數(shù)高于8回的時候，或負荷比較大，連接的電源比較多的時候用于35-63kV的配電裝置；當110-220kV的配電裝置在系統(tǒng)中占比較重要的地位，出線回路數(shù)是4回及以上，或者當出線回路數(shù)是5回及以上的時候，適用于110-220kV的配電裝置；當出線要帶電抗器，短路電流比較大的時候用于6-10kV的配電裝置。依照橋斷路器所處的位置，當有兩條路線和兩臺變壓器的時候，可以剖析外橋和內橋。（1）外橋接線變壓器的回路中有斷路器，橋斷路器在線路側的接橋線。特點：①路線故障，不跳對應回路QF，而T故障對應回路QF也不需跳閘。②正常操作時，變壓器投切方便，而線路投切不方便。運用場合：路線中存在穿越功率接線，而這個穿越功率就是路過變電所的功率，還有輸電路線短而變壓器經常切換的接線。（2）內橋接線線路中存在斷路器，橋斷路器在變壓器側的橋接線。特點：和外橋相反。運用場合：用于變壓器不用經常切換而且輸電路線長的接線。缺點：當母線發(fā)生了故障或者需要檢修，這時候的隔離開關就成為了倒閘操作電器，很容易發(fā)生操作的失誤，得在斷路器和隔離開關兩者之間裝配連鎖裝置以避免隔離開關錯誤的操作。而且每增添一組母線的話，每個回路就需要增加一組母線隔離開關。優(yōu)點：各個回路和各電源負荷可以隨意的在某一個母線上進行分配，可以很靈活的適應潮流變化的要求和系統(tǒng)中種種運行方式的調度，所以調度靈活；把兩組母線的隔離開關進行倒換，可以不中斷供電的輪流檢修一組母線，在一組母線發(fā)生故障之后，能很快的恢復供電，在對任意一個回路的母線隔離開關進行檢驗時，可以就停這個回路，所以供電可靠；當需要進行單獨試驗對于個別的回路，能把這個回路分隔開來，單獨的接到一組母線上，所以方便試驗；當有雙回架空線路的時候，可以按照一定的順序布置，使得連接不同的母線段的時候，不會和單母分段一樣導致出線交叉跨越，而且往雙母線的左右任意一個方向進行擴建的時候，對于兩組母線的負荷和電源的均勻分配都不會有影響，不會讓原來的回路出現(xiàn)停電現(xiàn)象，所以擴建方便。3.3工廠變電所主要接線方案的選擇按照工廠的電源情況和負荷性質，有下列三種方案能用于工廠變電所的主變壓器：方案1：低壓采用單母線、高壓采用單母線分段。缺點：當電源或者是高壓母線進線進行檢修和發(fā)生了故障，變電所全都會停電。優(yōu)點：任意一個主變壓器發(fā)生了故障或進行檢修，可以很快的恢復整個的變電所供電用切換操作。方案2：高、低壓側都采用單母線分段。缺點：在出線為雙回路的時候，會經常使得架空路線出線交叉跨越；在擴建的時候需要往兩個方向均衡的進行擴建；當母線隔離開關或一段母線進行檢修的時候，這段母線各個出線都得要停電。優(yōu)點：當一段母線出現(xiàn)了故障的時候，為了保證正常段母線可以不斷供電以及讓主要用戶不會停電，分段斷路器會自動的切開故障母線；用斷路器把母線分隔開來以后，對主要的用戶能用兩個電路進行供電，從不同的母線段引伸出兩個回路。方案3：單母線分段帶旁路缺點：投資很高，經常被用在大型電的廠和變電中樞。優(yōu)點：它對用戶的供電不會中斷在斷路器進行檢修的時候，有著單母線分段的全部優(yōu)點。以上三種方案都能滿足主接線的要求，采用方案3需要很多的斷路器，接線也比較難，它的經濟性能不好；采用方案1時雖然經濟是最好的，但它的可靠性比較低；采用方案2比較經濟又可以滿足負荷供電的需求，所以這次的設計用方案2。第四章短路電流的計算4.1短路電流計算的目的短路電流計算是主要為了對繼電保護裝置進行整定計算，縮小故障的影響范圍和限制短路的危害，然后正確地選擇和校驗電氣設備。在我們進行短路電流計算的時候，第一步先要畫一張計算電路圖。然后在這張計算電路圖上，還要標出需要進行考慮的各個元件的額定參數(shù)在短路計算過程中，并且按照一定順序把各個元件編好號，然后就可以確定短路計算點，選用的短路計算點，有必要讓需要短路驗證的電氣元件有最大可能的短路電流經過[8]。再然后，繪制等效電路圖，照著之前選擇的短路計算點，還要把電路中每個主要元件的阻抗計算出來。在等效電路圖上，要把一些主要元件表示出來，這些元件是被計算的短路電流所流經過的，并且要標注它的阻抗值以及它的序號，之后就可以簡化等效電路。然而對于工廠供電系統(tǒng)來說，因為短路電路比較的簡單，而且把電力系統(tǒng)當作是無限大容量的電源，所以在一般的情況下把電路進行化簡，只要用阻抗并聯(lián)、串聯(lián)的方法就可以了，然后求它的等效阻抗，最后就可以計算出電路的短路容量和短路電流。我們通常用標幺值法和歐姆法來進行短路計算。這次設計的短路計算用的是標幺值法。4.2短路電流的計算變電所的等效電路圖如下圖4-1所示：圖4-1短路計算電路4.2.1基準量取4.2.2短路電路中的各元件電抗標幺值電力系統(tǒng)電抗標幺值為電纜線路電抗標幺值為電力變壓器的電抗標幺值，查表得變壓器的短路電壓百分值，故在圖上把各個元件序號和電抗標幺值以及短路計算點k-1與k-2標注出來，所繪制的等值電路圖如下圖4-2所示。圖4-2短路電流計算的等效電路4.2.3k1點總電抗的標幺值及三相短路電流和容量4.2.4k2點總電抗的標幺值及三相短路電流和容量PAGEPAGE40第五章電氣設備的選擇和校驗5.1電氣設備的選擇5.1.1電氣設備和載流導體選擇的一般條件（1）環(huán)境條件：安裝地點的環(huán)境條件是在選擇電器時得考慮的，我們應該采取相應的措施或者是對制造部門提出要求，當一般電器的使用條件如果不可以滿足當?shù)氐娘L速、濕度、氣溫、覆冰厚度、海拔高度、污穢程度和地震強度等環(huán)境條件時。（2）電流：在額定環(huán)境的溫度下，長時間內所允許經過的電流。在額定的周圍環(huán)境溫度下，導體（或電氣設備）的額定電流要比這個回路的最大持續(xù)工作電流高。（3）電壓：因為負荷變化或者調壓，電氣設備上的電網運行電壓可能會比電網的額定電壓要大一些，這種情況對于裸鋁、銅導體不會有什么影響，但是對電器和電纜來說，就得規(guī)定它的所接電網的最高運行電壓要比允許最高工作電壓大。5.1.2電氣設備的選擇要求（1）應該滿足合理的經濟和先進的技術；（2）盡可能用一樣型號的新老電器在進行擴建工程時；（3）要考慮長遠的發(fā)展，并且要使正常的運行、檢修、斷路和過電壓情況下的要求得到滿足；（4）盡可能用少的品種來去選擇導體；（5）選用新的產品，都要鑒定后合格，還要有可靠的實驗數(shù)據(jù)。（6）還需要按照當?shù)氐沫h(huán)境來進行校驗；5.1.3按短路條件校驗（1）動穩(wěn)定校驗：等穩(wěn)定，即電器和導體所承擔的短路電流機械效應能力。應該要滿足的動穩(wěn)定條件為式中：（2）熱穩(wěn)定校驗：當電器或導體通過短路電流的時候，各部分的溫度（或發(fā)熱效率）不能超過允許值。應該滿足熱穩(wěn)定的條件為：式中：5.2變電所一次設備的選擇校驗5.2.1高壓側電氣設備的選擇校驗5.2.1.1高壓隔離開關參數(shù)是額定電流為200A，電壓級是10kV，熱穩(wěn)定電流為10kA，動穩(wěn)定電流為25.5A，初步選用型號為GN8-10/200的隔離開關。熱穩(wěn)定校驗：最不好的情況是差動沒有用，在進線斷路器QF1的隔離開關后面，而且在斷路器QF2的前面發(fā)生短路，是靠著上一級的變電所過電流保護來消除事故的，進線的繼電保護動作時限2S應該要比繼電器動作時限應小一個時限差，這個時限差是0.5S，再把隔離開關動作的時間加上去，則一共的時間是相當于5S的熱穩(wěn)定電流為動穩(wěn)定校驗：經過校驗，選用的隔離開關滿足要求。5.2.1.2高壓熔斷器高壓熔斷器按工作環(huán)境條件、電網電壓、長時間最大負荷電流（對保護電壓互感器的熔斷器不考慮負荷電流）選擇型號外，還必須校驗熔斷器的斷流容量，即熔斷器的額定電流有兩個，即熔件和熔管的額定電流，應按下式取所選熔件應該在最大長時間負荷電流以及設備啟動電流的作用下不熔斷，在短路電流的作用下可靠熔斷：要求熔斷器的特性和上級保護裝置的動作時限相互配合（即動作得有選擇性），以避免保護裝置超級動作，造成停電規(guī)模的擴大[5]。初選RN1-10型號的熔斷器，額定電壓為10kV，額定電流為100A，熔斷電流100A,最大開斷電流有效值為11.6kA。經校驗，所選熔斷器滿足要求。5.2.1.3高壓電流互感器電流互感器除按一般條件選擇外，還應根據(jù)二次設備要求選擇電流互感器的準確級和校驗二次側額定容量，選擇互感器應滿足以下條件：(1)額定電壓大于或等于電網額定電壓；(2)額定電流大于或等于一次回路最大長時負荷電流；(3)電流互感器的準確級應不小于二次側所接儀表的準確級；(4)電流互感器的額定容量應不小于所接二次設備的容量。初步選擇LQJ-10型號的電流互感器，額定電流比為100/5，二次負載值0.5級4,1級0.4,3級0.6，1S熱穩(wěn)定倍數(shù)為90，動穩(wěn)定倍數(shù)為225。5.2.1.4高壓電壓互感器電壓互感器的選擇原則如下：（1）電壓互感器一次額定電壓不小于電網的額定電壓；（2）電壓互感器二次額定電壓按接線方式選擇；（3）電壓互感器的準確值不小于所接儀表的準確值；（4）電壓互感器的額定容量不小于二次側負荷的容量。選擇JDJ-10型號和JDZJ-10型號的電壓互感器額定表壓比系數(shù)分別為5.2.1.5高壓少油斷路器初步選用SN10-10/630高壓少油斷路器，電壓級是10kV，額定電流為630A，開斷電流為16kA，動穩(wěn)定電流為40kA，關合電流為40kA，（2S)熱穩(wěn)定電流為16kA。動穩(wěn)定校驗：熱穩(wěn)定校驗：變壓器設有差動保護，在差動保護范圍內短路時，其為臨時動作，繼電器保護動作時限為0，短路持續(xù)時間小于1S，假想時間由斷路器的全開斷時間0.1S，和零周期分量假想時間0.05S構成，則整定時間為當k1點短路時，相當于2S的熱穩(wěn)定電流為則當k2點短路時，假想時間有繼電保護何繼電器開斷時間構成相當于2S的熱穩(wěn)定電流為則經過校驗，所選高壓少油斷路器滿足要求。5.2.1.6避雷針選擇高壓避雷器型號為FS-10，額定電壓為100kV，最大工作電壓11.5kV。5.2.2低壓側電氣設備的選擇校驗5.2.2.1低壓側斷路器低壓側斷路器的選擇應分開選擇，變壓器主二次側的與車間的斷路器根據(jù)其額定電流不一樣選擇不一樣的斷路器，根據(jù)實際情況選擇的斷路器如下表5-1所示表5-1萬能斷路器主要參數(shù)表對DW15-2500型號的斷路器做效驗動穩(wěn)定校驗：380kV側電壓器總開關不做保護，則整定的總時間經校驗，所選斷路器滿足要求。同理，可校驗其他所選斷路器也同樣滿足要求。5.2.2.2低壓隔離開關變壓器二次側隔離開關選擇HP系列的隔離開關，根據(jù)計算電流選擇HP-2500隔離開關，選擇數(shù)量為3個，其數(shù)量如圖所示表5-2主二次隔離開關主要參數(shù)動穩(wěn)定校驗：熱穩(wěn)定校驗：經校驗，所選隔離開關滿足要求。表5-3低壓隔離開關主要參數(shù)5.2.2.3電流互感器低壓側所選電流互感器如表5-4所示表5-4電流互感器主要參數(shù)選擇型號為JDG-0.5，額定變壓比為380/100，容量為200MVA的電壓互感器。第六章變電所繼電保護電力變壓器是電力系統(tǒng)中使用相當普遍和十分重要的電器設備，雖然它有別于發(fā)電機，是一種靜止的電氣設備，結構比較可靠，發(fā)生故障的機會相對較少，但它一旦發(fā)生故障將會給供電的可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重的后果。為確保變壓器的安全運作，防止擴大故障，根據(jù)變壓器有可能發(fā)生的故障，設置靈敏、快速、可靠和選擇性好的保護設備是很有必要的。變壓器的繼電保護是當變壓器內外發(fā)生故障的時候，電流、電壓、油溫等會隨著一起產生變化，通過發(fā)現(xiàn)這些突然的變化，判斷變壓器的故障性質和范圍，然后做出相應的反應和處理。繼電保護具有選擇則性、速動性、可靠性及靈敏性。6.1變電所繼電保護裝置對線路的相間短路保護，主要采用帶時限的過電流保護和瞬時動作的電流速斷保護；對線路的單相接地保護采用絕緣監(jiān)視裝置，裝設在變電所高壓母線上，動作與信號。繼電保護裝置的接線方式是兩相兩繼電器式接線；繼電保護裝置的操作方式是交流操作電源供電中的“去分流跳閘”操作方式（接線簡單，靈敏可靠）；帶時限過電流保護采用反時限過電流保護裝置[10]。型號均用GL-25/10。它的優(yōu)點是：繼電器數(shù)量大大的減少，而且能同時實現(xiàn)電流速斷保護，可以用交流操作，運行簡便經濟，投資很大的降低。本次設計對變壓器設置過電流保護、速斷保護和過負荷保護裝置，在低壓側采取相關斷路器實現(xiàn)三段保護。保護裝置原理圖如下：圖6-1保護裝置原理圖6.1.1定時限過電流保護（1）動作電流的整定保護裝置的啟動電流應按照避開變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流來整定，由于變電兩臺變壓器型號及容量相同，而且是并列運行的，則最大電流此時保護裝置的啟動電流應整定為因此過電流保護動作電流整定為10A（2）過電流保護動作時間的整定因為本變電所是電力系統(tǒng)的終端變電所，所以它的過電流保護的動作時間可整定為最短的0.5S.（3）過電流保護靈敏度系數(shù)的檢驗因此其靈敏度系數(shù)為：滿足靈敏度系數(shù)的1.5的要求。6.1.2電流速斷保護（1）速斷電流的整定繼電保護動作電流（2）電流速斷保護靈敏度系數(shù)的校驗6.1.3過負荷保護一次側動作電流繼電保護動作電流取繼電器整定值為4A，則一次側實際動作電流為80A。參考文獻[1]杜伊.電力系統(tǒng)繼電保護及故障檢測方法分析[J].科學技術創(chuàng)新,2020(35):171-172.[2]蔣巍.電氣自動化變電所設計[J].黑龍江科技信息,2016(01):122.[3]孟翔龍.10（6）kV變電所電氣設計