10kV 变电所设计毕业设计

I摘要电能是现代工业生产的主要能源和动力。随着现代文明的发展与进步，社会生产和生活对电能供应的质量和管理提出了越来越高的要求。学校供电系统的核心部分是变电所。因此，设计和建造一个安全、经济的变电所，是极为重要的。此学校供电设计包括：负荷的计算及无功功率的补偿；变电所主变压器台数和容量、型式的确定；变电所主接线方案的选择；短路计算和开关设备的选择；防雷保护与接地装置的设计；还有电路图的绘制。本变电所设计首先对负荷进行了统计计算，无功功率的补偿；根据负荷的性质和负荷统计计算的结果进行了变压器的选择；结合各种接线方式的特点和应用范围，本次电气主接线采用单母线分段的电气主接线形式；短路电流计算部分包括短路的危害、短路点的选择、短路计算的方法及其具体数值计算；电气设备选择部分包括电气设备选择的原则以及断路器、电流互感器等的选择与校验；配电装置采用的是成套配电装置；防雷保护采用避雷带防直击雷保护。关键词：关键词：变电所；变压器；电气主接线；短路计算；设备选择；接地装置 IIAbstractElectricity is the major energy and power of modern industrial production. The social production and life put forward high requirements on the quality and management of the supply of the electrical power with the progress of modern civilization. The key part of the supply system of power of school is the substation. Therefore, it is very important to design and build a safe and economical substation. The design of power supply of the school including: load calculation and reactive power compensation; the numbers, volume and type of main transformer of substation; the choice of the wiring schemes of the substation; the choice of short circuit calculation and the switch equipment; the design of lightning-protection and grounding device and the drawing of circuit diagram.The design of the substation calculates the load firstly and makes up the reactive power. The substation chooses the right transformer according to the nature and statistical calculation of load. The main electrical wiring adopts the form of segmentation of single bus combining with the characteristics of various kinds of connection lines and the scope of application. The current calculation of short circuit includes the harm of short circuit, the choice of points of short, the method of the calculation of short and the calculation of specific numerical value. The selective part of electrical equipment contains the selective principle of electrical equipment and the choice and calibration of circuit breaker and current transformer. Power distribution equipment adopts complete equipment. Lightning-protection adopts the protection of lightning-protection with anti-lightning directly.Key word: Substation; Transformer; The main electrical wiring; Short circuit calculation; Equipment selection; The design with the earth device III目录1 绪论 .11.1 变电所的发展状况 .11.2 变电所设计的原则 .11.3 变电所设计的要求 .21.4 变电所设计的步骤 .21.5 原始资料 .32 负荷统计及变压器的选择 .42.1 负荷计算 .42.2 无功功率补偿 .62.3 变压器的选择 .82.3.1 变压器的类型 .92.3.2 变压器台数、容量及型式的选择 .92.3.3 主变压器的选择 .103 变电所主接线的设计 .123.1 主接线设计的基本要求 .123.2 主接线的选择原则 .133.3 主接线的选择 .134 短路电流计算 .174.1 短路的原因及类型 .174.2 短路的危害 .174.3 短路计算的目的及方法 .184.4 短路计算 .215 电气设备的选择及校验 .235.1 电气设备选择的原则 .235.2 配电装置 .245.2.1 高压开关柜的选择 .255.2.2 低压配电屏的选择 .255.3 开关设备的选择 .265.4 互感器的选择 .295.5 母线的选择 .31 IV6 变电所所址的选择与总体布置 .336.1 变电所所址选择的一般原则 .336.2 变电所总体布置的要求 .337 变电所的防雷 .367.1 变电所直击雷过电压保护 .367.2 雷电入侵波过电压保护 .37总结 .39致谢 .40参考文献 .41 11 绪论随着社会的不断发展，电能变得越来越重要，它是现代工业生产的主要能源和动力，也是人们日常生活中不可或缺的一部分。人们对电力供应的要求也越来越高，特别是供电的稳固性、可靠性和持续性。变电所是电力系统的重要组成部分，其供电设计的好坏不仅影响电能的质量，还会影响到整个电力系统的运行。因此，要对变电所进行合理的设计。1.1 变电所的发展状况近年来电气一次设备制造有了较大发展，大量高性能、新型设备不断出现，设备趋于无油化，采用 SF6气体绝缘的设备价格不断下降，伴随着国产 GIS 向高电压、大容量、三相共箱体方面发展，性能不断完善，应用面不断扩大，许多城网建设工程、用户工程都考虑采用 GIS 配电装置。变电所设计的电气设备档次不断提高，配电装置也从传统的形式走向无油化、真空开关、SF6开关和机、电组合一体化的小型设备发展。随着经济和城市建设的发展，市区的用电负荷增长迅速，而城市土地十分宝贵，地价越来越昂贵。新建的城市变电所必须符合城市的形象及环保等要求，追求综合经济、社会效益，所以建设形式多采用地面全户内型或地下等布置形式，占地面积有效减少。有数据统计表明全户内型一般用地仅为同类型、同规模户外型的 25%左右。1.2 变电所设计的原则按照国家标准 GB50052-95供配电系统设计规范 、GB50053-9410kv 及以下设计规范 、GB50054-95低压配电设计规范等的规定，进行学校供电设计必须遵循以下原则：（1）遵守规程、执行政策必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。（2）安全可靠、先进合理应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。（3）近期为主、考虑发展 2应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。（4）全局出发、统筹兼顾按负荷性质、用电容量、工程特点和供电条件等，合理确定设计方案。1.3 变电所设计的要求为了切实保证学校生活和教学用电的需要，并做好节能工作，该变电所设计必须达到以下基本要求：（1）安全 在电能的供应、分配和使用中，避免发生人身事故和设备事故；（2）可靠 应满足电能用户对供电可靠性的要求；（3）优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求；（4）经济 供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。1.4 变电所设计的步骤（1）负荷计算及变压器的选择为一个企业或用户供电，首先要解决的是企业要用多少度电，或选用多大容量的变压器等问题。因此，首先要进行负荷的计算，选择无功功率补偿装置。然后，参考电源进线方向，综合考虑有关因素，结合计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。（2）变电所主接线设计根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数，综合变压器台数，从各种接线形式中选择出合理的高、低压接线方式，即要安全可靠，灵活经济，又要安装容易，维修方便。（3）短路电流的计算为了限制短路的危害和缩小故障影响的范围，合理选择电气设备和载流导体，确定限流措施，确定合理的主接线方案和主要运行方式等，在供电系统的设计和运行中必须进行短路电流计算。（4）电气设备的选择及校验参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧电气设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、 、互感器等设备，并根据需要对相 3关设备进行热稳定和动稳定检验。（5）变电所所址的选择与总体布置根据气象，环境等条件选择变电所的所址，所址确定后，进行总体布置，总体布置要满足便于运行维护和检修、保证运行安全、便于进出线、节约土地和建筑费用、考虑高低压电容器的装设要求、适应发展要求等。（6）防雷和接地设计自然界的雷击，会使电器设备遭受过电压以及绝缘损坏等故障，因此，必须对设备采取防雷措施。通常将雷击过电压分为直击雷过电压及感应雷过电压两种，直击雷过电压是由于流经被击物的很大雷击电流所造成的。感应雷过电压是由于电磁场的剧烈改变而产生的。对于所设计的变电所，其电压等级是 10kV，因此必须对雷击过电压采取相应措施来保护设备的安全。1.5 原始资料在本次变电所设计中，变电所是从相距大约 1km 的建 58 电源专线和相距大约1km 的迎宾路电源专线两个电源受电的，电压等级为 10kV，该地区年最高气温为 40，年平均气温为 15.1-16，年最低气温为-10.2, 年最热月平均最高气温为 35，年最热月平均气温为 26，年平均雷暴日数为 26.4。在本次设计中，主要考虑对学校配电房附近建筑供电，主要负荷有学生宿舍、餐厅、锅炉房、学苑超市、校医院、大学生活动中心、浴室等等。 42 负荷统计及变压器的选择2.1 负荷计算负荷计算是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。负荷计算是否合理，直接影响到电器和导线的选择是否合理。如负荷计算过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费；如果负荷计算过小，又将使电器和导线运行时增加电能消耗，并产生过热危险，引起绝缘过早老化，甚至烧毁，一致发生事故，同样给国家造成损失。为此，正确进行负荷计算是供配电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。负荷计算常用的方法有需用系数法和二项式法：（1）需用系数法：需用系数法与用电设备的类别和工作状态有极大的关系，因此在计算时首先要正确判明用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。需用系数法就是利用需用系数来确定用电户或用电设备组计算负荷的方法。其实质是用一个小于1 的需用系数 Kd对用电设备组的总额定容量 Pe打一定的折扣，使确定出来的计算负荷Pca比较接近该组设备从电网中取用的最大半小时平均负荷 Pmax。在配电干线上或车间变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，而各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此在求配电干线或车间变电所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数 Ksi。这种计算方法比较简单，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。（2）二项式法：将负荷分为基本部分和附加部分，后者考虑一定数量大容量设备影响，与需用系数法相比较，由于二项系数法不仅考虑了用电设备组的平均最大负荷，而且还考虑了容量最大的少数用电设备运行时对总计算负荷的额外影响，所以，这种计算方法比较适合于确定用电设备台数较少，而其容量差别又较大的用电设备组的负荷计算。但是，二项式计算系数的值缺乏足够的理论依据，历史上积累的数据也较少，因而应用受到一定的局限。这两种方法在国内各设计单位的使用最为普遍，此外还有一些尚未推广的方法，如单位产品耗电法、单位面积功率法、变值系数法、ABC 法等。根据分析，本次负荷计算采用需用系数法。其负荷具体如下表所示： 5建筑名称用电负荷（kW）需要系数计算负荷（kW）costg无功功率（kvar）视在功率（KVA）计算电流（A）学生宿舍一1350.6810.750.8871.28108155.88学生宿舍二1350.6810.750.8871.28108155.88学生宿舍三1350.6810.750.8871.28108155.88学生宿舍四1350.6810.750.8871.28108155.88学生宿舍五1800.61080.750.8895.04144207.85学生宿舍六1800.61080.750.8895.04144207.85学生宿舍七1800.61080.750.8895.04144207.85学生宿舍八2250.61350.750.88118.8180259.81学生宿舍九2250.61350.750.88118.8180259.81学生宿舍十2250.61350.750.88118.8180259.81一号餐厅1200.91080.71.02110.16154.29222.70二号餐厅1200.91080.71.02110.16154.29222.70锅炉房500.8400.80.75305072.17学苑超市1200.8960.71.0297.92137.14197.74校医院1800.61080.750.8895.04144207.85大学生活动中心1000.6600.61.3379.8100144.34浴室500.8400.61.3353.266.6796.23 6表 2-1 负荷总表总计16131502.92 7上表中，计算负荷： 无功功率：cadepk pcaQP tg视在功率： 计算电流:/coscaSP3SIU取同时系数=0.8iK总有功计算负荷：=0.81613=1290.4kW30iPK P总总无功计算负荷：=0.81502.92=1202.34kvar30iQK Q总总视在功率计算负荷：=1763.73kVA22303030SpQ221290.41202.342.2 无功功率补偿 功率因数是用电户的一项重要电气指标。提高负荷的功率因数可以使发、变电设备和输电线路的供电能力得到充分的发挥，并能降低各级线路和供电变压器的功率损失和电压损失，因而具有重要的意义。国家与电力部门对用户的功率因数有明确的规定，要求高压供电（6kV 及以上）的工业及装有带负荷调整电压设备的用户功率因数应为 0.9 以上，要求其他电力用户的功率因数应为 0.85 以上，农业用户要求为 0.8 以上。供电部门将根据用户执行的情况，在收取电费时分别作出奖、惩处理。提高功率因数的关键是尽量减少电力系统中各个设备所需用的无功功率，特别是减少负荷从电网中取用的无功功率，使电网在输送用功功率时，少输送或不输送无功功率。提高功率因数，首先要正确选择电气设备，比如电动机、变压器的容量选择要合适，尽量避免轻载运行等；其次要使电气设备合理运行，比如合理安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行等；还可以用人工补偿的方式提高功率因数。人工补偿提高功率因数的做法是采用供应无功功率的设备来就地补偿用电设备所需要的无功功率，以减少线路中的无功输送。当用户在采用了各种“自身提高”措施后仍达不到规定的要求时，就要考虑增设人工补偿装置。人工补偿提高功率因数一般有 4 种方法。1.并联电力电容器组利用电容器产生的无功功率与电感负载产生无功功率进行交换，从而减少了负载 8向电网吸取无功功率。并联电容器补偿法具有投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小、无振动与噪声、安装地点较为灵活。电容补偿的缺点是只有有级调节而不能随负载无功功率需要量的变化进行连续平滑的自动调节。2.采用同步调相机同步调相机实际上就是一个大容量的空载运行的同步电动机，其功率大都在5000kW 以上，再过励磁时，它相当于一个无功发电机。其显著的优点是可以无级调节无功功率，但也有造价高，有功损耗大，需要专人进行维护等缺点。因而主要用于电力系统的大型枢纽变电所，来调整区域电网的功率因数。3.采用可控硅静止无功补偿器这是一种性能比较优越的动态无功补偿装置，由移相电容器、饱和电抗器、可控硅励磁调节器及滤波器等组成。其特点是将可控的饱和电抗器与移相电容器并联作用，电容器可补偿设备产生的冲击无功功率的全部或大部分。当无冲击无功功率时，则利用由饱和电抗器所构成的可调感性负荷将电容器的过剩无功吸收，从而使功率因数保持在要求的水平上。滤波器可以吸收冲击负荷产生的高次谐波，保证电压质量。这种补偿方式优点为动态补偿反应速度、损耗小、特别适合对功率因数变化剧烈的大型负荷进行单独补偿，如用于矿山提升机的大功率可控硅整流装置供电的直流电动机拖动机组等。其缺点是投资较大、设备体积大、因而占地面积也较大。4.采用进相机改善功率因数进相机也叫转子自励相位补偿机，是一种新型的感性无功功率补偿设备，只适用于对绕线式异步电动机进行单独补偿，电动机容量一般为 951000kW。其应用范围受到一定的限制。本设计中，低压侧的计算负荷：P30=1290.4kWQ30=1202.34kvarS30=1763.73kVA= P30/ S30=1290.4/1763.73=0.73cos由于低压侧要求的功率因数不得低于 0.85，但目前功率因数只有 0.73，因此需进行无功功率的人工补偿，若在低压侧装设并联电容器，考虑加上变压器与线路的功率损耗后，仍能保证在高压侧测得的功率因数在 0.9 以上，在这里使低压侧补偿后的功率因数=0.92,而补偿前低压侧的功率因数只有 0.73。由此可得低压侧并联电容器的cos容量为： 9Qc=P30（-）=1290.4（tgcos-10.73- tg cos-10.92）tgtg=1290.4（0.94- 0.43）=1290.40.51=658.10kvar补偿电容器组的接线方式：在无功补偿中，10kV 及以下线路的补偿电容器组常按三角形接线，主要原因如下：（1）三角形接线可以防止电容器容量不对称（如个别电容器的熔断器熔断）而出现的过电压，电容器对过电压是比较敏感的，若为星形接线，则由于中性点位移，使部分相欠电压而部分相过电压。更严重的是当发生单相接地时其余两相将升为线电压（中性点不接地系统） ，电容器很容易损坏。（2）三角形接线若发生一相断线，只是使各相的补偿容量有所减少，不致于严重不平衡。而星形接线若发生一相断线，就使该相失补偿，严重影响电能质量。（3）采用三角形接线可以充分发挥电容器的补偿能力，电容器的补偿容量与加在其两端的电压有关，即22/cCQUIUXwCU电容器采用三角形接法时，每相电容承受线电压，而采用星形接法时，每相电容承受相电压，所以有22.(/3)/3/3C YC AQwC UwCUQ具有相同电容量的三个单相电容器组，采用三角形接法时的补偿容量是采用星形接法的三倍。因此，在电压相符的情况下，应尽量采用三角形接法。在此选取电容器型号为：BWF0.4-25-1, 额定容量 Qr 为 25kvar。按三角形接线，需装设的电容器总数为：N=Qc/Qr=658.10/2527（个）每相电容器数为：n=N/3=27/3=9（个） 若采用单母线分段接线方式，每段线路上每相需装设的电容器数目为 5 个。2.3 变压器的选择在变电所设计过程中，最主要的设备就是变压器，变压器选择的是否合理，将会影响整个变电所的运行状况，因此要合理的选择变压器。 102.3.1 变压器的类型变压器主要有以下类型： (1)按冷却方式分类：有自然冷式、风冷式、水冷式、强迫油循环风（水）冷方式、及水内冷式等。(2)按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。(3)按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C 型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C 型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器、辐射式变压器等。(4)按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。(5)按用途分类：有电力变压器、特种变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。(6)按冷却介质分类：有干式变压器、液（油）浸变压器及充气变压器等。(7)按线圈数量分类：有自耦变压器、双绕组、三绕组、多绕组变压器等。(8)按导电材质分类：有铜线变压器、铝线变压器及半铜半铝、超导等变压器。(9)按调压方式分类：可分为无励磁调压变压器、有载调压变压器。(10)按中性点绝缘水平分类：有全绝缘变压器、半绝缘（分级绝缘）变压器。2.3.2 变压器台数、容量及型式的选择（1）变压器的台数应根据负荷特点和经济运行条件进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台以上变压器。有大量一级或二级负荷。季节性负荷变化较大。集中负荷较大。（2）装有两台及以上变压器的变电所，当其中任一台变压器断开时，其余变压器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电。（3）变电所中单台变压器的容量不宜大于 1250KVA。当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。（4）低压为 0.4kV 的变电所中单台变压器的容量不宜大于 1000KVA，当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。设置在楼层二层以上的 11三相变压器，应考虑垂直与水平运输对通道及楼板荷载的影响，如采用干式变压器时，其容量不宜大于 630KVA。（5）居住小区变电所内单台变压器的容量不宜大于 630KVA。（6）一般情况下，动力和照明宜共用变压器。当属下列情况之一时，可设专用变压器：当照明负荷较大或动力和照明采用公用变压器严重影响照明质量及灯泡寿命时，可设照明专用变压器。当季节性的负荷容量较大时（如大型居民用建筑中的空调冷冻机等负荷） ，可设专用变压器。出于功能需要的某些特殊设备宜设专用变压器。冲击性负荷较大，严重影响电能质量时，可设冲击负荷专用变压器。在电源系统不接地或经阻抗接地，电气设备外漏导体就地接地系统的低压电网中，照明负荷应设专用变压器。（7）单台单相负荷较大时，宜设单相变压器。电力变压器空载运行时，需用较大的无功功率，这些无功功率要由供电系统供给。变压器的容量若选得过大，不但增加初投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现“大马拉小车”的现象，使空载损耗的比重增大，功率因数降低，网络损耗增加；变压器的容量若选得过小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。因此，必须合理地选用变压器的额定容量，应考虑以下几点：1）变压器容量一般按变电所建成后 510 年的规划负荷选择，并适当考虑远期1020 年的负荷发展。对于城郊变电所，变压器容量应与城市规划相结合。2）额定容量应能满足全部用电负载的需要，即满足全部用电设备总计算负载的需要。就是说，不能使变压器长期处于过负载状态下运行。3）对于具有两台及以上变压器的有重要负荷的变、配电所，应考虑其中任何一台变压器故障时，其余变压器的容量应能满足、类全部负荷的需要；对一般性变电所，当一台停运时，其余变压器的容量应能保证全部负荷的 70%80%。2.3.3 主变压器的选择本设计中，总的计算负荷为：P30=1290.4kWQ30=1202.34kvar 12S30=1763.73kVA所带负荷均为三级负荷，但负荷比较集中，容量比较大，所供电的建筑物比较多，如果只选择一台变压器，当此变压器故障时，将造成长期停电，并且停电面积比较大，为了提高供电的可靠性，在此选择两台变压器，每台变压器的容量应能保证全部负荷的 70%80%。即SN.T0.7S300.7S30=0.71763.73=1234.61KVASN.T1234.61KVA选择两台 S11-1250/10 型号的电力变压器，其技术参数如下表所示：表 2-2 所选变压器参数电压组合型号额定容量（KVA）高压（kV）低压(kV)联结组标号空载损耗（W）负载损耗（W）空载电流（%）阻抗电压（%）S11-1250/101250100.4Yyn01365120000.54.5 133 变电所主接线的设计3.1 主接线设计的基本要求（1）配电所、变电所的高压及低压母线宜采用单母线或分段单母线接线，当供电连续性要求很高时，高压母线可采用分段单母线带旁路母线或双母线的接线。（2）配电所专用电源线的进线开关宜采用断路器或带熔断器的负荷开关，当无继电保护和自动装置要求，且出线回路少无需带负荷操作时，可采用隔离开关或隔离触头。（3）从总配电所以放射式向分配电所供电时，该分配电所的电源进线开关宜采用隔离开关或隔离触头；当分配电所需要带负荷操作或继电保护、自动装置有要求时，应采用断路器。（4）配电所的 10kV 或 6kV 非专用电源线的进线侧,应装设带保护的开关设备。（5）10kV 或 6kV 母线的分段处宜装设断路器,当不需带负荷操作且无继电保护和自动装置要求时,可装设隔离开关或隔离触头。（6）两配电所之间的联络线,应在供电侧的配电所装设断路器,另侧装设隔离开关或负荷开关,当两侧的供电可能性相同时,应在两侧均装设断路器。（7）配电所的引出线宜装设断路器,当满足继电保护和操作要求时,可装设带熔断器的负荷开关。（8）向频繁操作的高压用电设备供电的出线开关兼做操作开关时,应采用具有频繁操作性能的断路器。（9）10kV 或 6kV 固定式配电装置的出线侧,在架空出线回路或有反馈可能的电缆出线回路中,应装设线路隔离开关。（10）采用 10kV 或 6kV 熔断器负荷开关固定式配电装置时,应在电源侧装设隔离开关。(11)接在母线上的避雷器和电压互感器，宜合用一组隔离开关，配电所、变电所架空进、出线上的避雷器回路中，可不装设隔离开关。(12)由地区电网供电的配电所电源进线处，宜装设供计费用的专用电压，电流互感器。(13)变压器一次侧开关的装设，应符合下列规定：以树干式供电时，应装设带保护的开关设备或跌落式熔断器； 14以放射式供电时，宜装设隔离开关或负荷开关，当变压器在本配电所内时，可不装设开关；变压器二次侧电压为 10kV 或 6kV 的总开关，可采用隔离开关或隔离触头,当属下列情况之一时,应采用断路器：出线回路较多有并列运行要求有继电保护和自动装置要求。变压器低压侧电压的总开关,宜采用低压断路器或隔离开关;当有继电保护或自动切换电源要求时,低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。(14)当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时,在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧,宜装设刀开关或隔离触头。3.2 主接线的选择原则变配电所主接线的选择原则应满足：（1）安全性要符合国家标准和有关技术规范的要求，能充分保证人身和设备的安全。例如，在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的负荷侧，必须装设高压隔离开关；对低压断路器也有类似的要求；架空线路末端及配电所高压母线上，必须装设避雷器以防护过电压等。（2）可靠性要满足各级电力负荷对供电可靠性的要求。因事故被迫中断供电的机会越少、停电时间越短、影响范围越小，主接线的可靠性就越高。因此，变配电所的主接线方案，必须与其负荷级别相适应。（3）灵活性能适应系统所需要的各种运行方式，便于操作维护，并能适应负荷的发展，有扩充和改建的可能性。（4）经济性在满足以上要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属。例如选用技术先进、经济适用的节能产品等。3.3 主接线的选择由原始资料可知，本次设计的10kV变电所，为一般变电所，它的修建目的主要是 15为学校提供可靠优质电能，依据对主接线的基本要求，可供我们选择的基本主接线方式主要有：（1）单母线接线这种主接线的特点是整个配电装置只有一组母线，所有电源和出线都接在同一组母线上。如下图所示：图 3-1 单母线接线单母线接线的优点是：接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。而缺点是:可靠性差。母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行，造成全厂长期停电。调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。这种接线适用于下述配电装置中：6-10kV 配电装置出线不超过 5 回时；35-60kV 配电装置的出线回数不超过 3 回时；110-220kV 配电装置出线回数不超过 2 回时。（2）单母线分段接线当出线回路增多时，单母线供电不够可靠，需用断路器将母线分段，形成单母线分段接线。如下图所示： 16图 3-2 单母线分段接线其适用于下述配电装置中：6-10kV 配电装置的出线回路数为 6 回及以上时；35-60kV 配电装置的出线回数为 4-8 回时；110-220kV 配电装置出线回数为 4 回时。（3）双母线接线这种接线，每一回路都通过一台断路器和两组隔离开关连接到两组母线上。两组母线都是工作母线。如下图所示：图 3-3 双母线接线 17与单母线分段主接线相比，双母线具有以下优点：可以轮流检修母线而不致中断供电。只需将要检修的那一组母线上的所有元件倒闸操作到另一组母线上。检修任一回路隔离开关时，只停该回路，母线故障后，可迅速恢复供电。调度灵活，各电源和各负荷回路可以任意分配到某一组母线上。有利于扩建和便于试验。我国的各级电压配电装置采用双母线的具体条件如下：出线带电抗器的 6-10kV 配电装置；35-60kV 配电装置当出线回数超过 8 回时，或连接电源较多、负荷较大时，可采用双母线。110-220kV 配电装置当出线回数超过 5 回时，一般采用双母线。主接线的确定：本次设计中，若选用单母线接线，供电可靠性较差，母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行，造成长期停电，不能满足供电可靠性的要求；若选用双母线接线，供电可靠性虽然大大提高，但是增加了一条母线，投资增大，经济性较差，不能满足供电经济性的要求；选用单母线分段接线，供电可靠性较单母线接线大大增加，能满足其所带负荷供电可靠性的要求，它只是在单母线接线的基础上增加了一个联络断路器，又比较经济。因此，本次设计采用单母线分段接线方式。具体接线图如下： 18图 3-4 主接线图 194 短路电流计算4.1 短路的原因及类型国民经济各部门的正常生产及人民的正常生活要求供电系统保匠持续、安全、可靠地运行。但是由于各种原因，系统会经常地出现故障，使正常运行状态遭到破坏。短路是系统常见的严重故障。所谓短路，就是系统中各种类型不正常的相与相之间或相与地之间的短接。系统发生短路的原因很多，主要有：(1)电气设备、元件的损坏。如：设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常运行时被击穿短路；以及设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路等。(2)自然的原因。如：气候恶劣，由于大风、低温导线覆冰引起架空线倒杆断线；因遭受直击雷或雷电感应，设备过电压，绝缘被击穿等。(3)人为事故。如：工作人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程带接地刀闸合闸，造成金屑性短路，人为疏忽接错线造成短路或运行管理不善造成小动物进入带电设备内形成短路事故等等。短路的主要类型有三相短路，两相短路，单相短路和两相接地短路。在(3)k(2)k(1)k供电系统中，出现单相短路故障的几率最大，但由于三相短路所产生的短路电流最大，危害最严重，因而短路电流计算的重点是三相短路电流的计算。4.2 短路的危害短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，特别是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的突然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。 204.3 短路计算的目的及方法计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围。在变电所和供电系统的设计和运行中，基于如下用途必须进行短路电流的计算： （1）选择电气设备和载流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和动稳定性。 （2）选择和整定继电保护装置，使之能正确的切除短路故障。 （3）确定限流措施，当短路电流过大造成设备选择困难或不过经济时，可采取限制短路电流的措施。 （4）确定合理的主接线方案、运行方式等。 短路电流计算的方法：计算短路电流时，各电气量如电流、电压、功率和电抗等的数值，可用有名值表示，也可用标幺值表示。因此，短路电流的计算方法主要采用有名值法和标幺值法。（1）有名值法在供电系统中发生三相短路时，如短路回路的阻抗为 Rk、Xk，则三相短路电流周期分量的有效值为： (4-1)(3)22k3avkkUIRX式中 Uav短路点所在线路的平均额定电压，kV; Rk、Xk短路点以前的总电阻和总电抗，均已归算到短路点所在处电压等级，。对于高压供电系统，因回路中各元件的电抗占主要成分，短路回路的电阻可忽略不计，则式（4-1）变为： (4-2)(3)3avkkUIX系统电源电抗sX无限大电源容量供电系统的内电抗分为两种情况：一种是当不知道系统电源的短路容量时认为系统电抗等于零；另一种情况是知道系统电源在母线上的短路容量或供电系统出口断路器的断流容量。则系统电源电抗计算如下。1、已知电源母线上的短路容量和线路的额定平均电压kSavU系统电源电抗为 (4-3)2avskUXS 212、已知供电系统高压出线断路器的断流容量NbrS将断流容量看作系统短路容量，系统电源电抗为 (4-4)22avavskNbrUUXSS变压器的电抗TX由变压器的短路电压百分数的定义可知%kU (4-5).2.3%100%100%T NT NkTTT NT NISUZZUU式中，变压器的阻抗，；TZ变压器的额定容量，VA；.T NS 变压器的额定电压，V；.T NU变压器的额定电流，A；.T NI如果忽略变压器电阻以及取，则变压器电抗，有.T NavUUTTXZ (4-6)2.%100kavTT NUUXS线路的电抗LX线路的电抗可表示为LX (4-7)0LXx l式中， 导线长度，km;l线路单位长度电抗值，/km。0 x由式（4-8）式（4-11）可得短路冲击电流峰值和有效值。在高压供电系统中为： (4-8)(3)(3)2.55shKiI (4-9)(3)(3)1.52shKII在低压供电系统中为： (4-10)(3)(3)1.84shKiI (4-11)(3)(3)1.09shKII三相短路容量计算式为： (4-12)3kavkSU I（2）标幺值法计算具有多个电压等级供电系统的短路电流时，若采用有名值法计算，必须将 22所有元件的阻抗都归算到同一电压下才能求出短路回路的总阻抗，从而计算出短路电流，计算过程繁琐并易出错，这种情况采用标幺值法较为简便。用相对值表示元件的物理量，称为标幺制。标幺值是指任意一个物理量的有名值与基准值的比值，即标幺值=物理量的有名值/物理量的基准值标幺值是无名值，也就是说它是一个相对值，若采用标幺值进行计算时必须选定各电气量的基准值，如果选定基准阻抗、电流、电压、功率分别为：Zd、Id、Ud、Sd,则它们之间的关系为：3dddSI U3dddUZI从上式可知，若两个基准值已经确定，则由上式就可以求出另外的基准值。用标幺值计算时，关键是选择合适的基准值，才能简化计算。在供电系统中发生三相短路时，若不计电阻，短路回路的总标幺电抗为，*X总则三相短路电流周期分量标幺值为： (4-13)*k*1IX总三相短路电流周期分量的有效值为： (4-14)*kkdII I各元件的标幺电抗取 Ud=Uav，Sd为基准容量线路标幺电抗为 (4-15)*02dlavSXx lU变压器电抗标幺值为 (4-16)*.%100kdTT NUSXS系统标幺电抗为或 (4-17)*dskSXS*dsNbrSXS由式（4-8）式（4-11）可求得短路冲击电流峰值，有效值及短路容量。 234.4 短路计算 在正常情况下，该变电所采用分列运行方式，在变压器高压侧和低压侧各选一个短路点。假设该电力系统为无限大容量系统，采用标幺值法计算其短路电流，短路计算电路图如下：图 4-1 短路计算电路图(1)确定基准值取 Sd=100MVA,Ud1=10.5kV,Ud2=0.4kV而 Id1=Sd/(Ud1)=100/(10.5)=5.50kA33Id2=Sd/(Ud2)=100/(0.4)=144kA33(2)计算短路电路中主要元件的电抗标幺值 电源的电抗（已知 SNbr=200MVA）X1*= Sd/SNbr=100/200=0.5 电缆线路 L1的电抗（已知 L1=1km,X0=0.08/km）X2*= X0L1Sd/ Ud1=0.081100/10.5=0.07 电力变压器的电抗（Uk%=4.5）XT*= Uk%/100Sd/ST.N=4.5/100100/1.25=3.6然后绘制短路电路的等效电路图，如图 4-2，在图上标出各元件的序号以及电抗标幺值。图 4-2 短路等效电路图（1）求 K1点的短路电路总电抗标幺值以及三相短路电流和短路容量 24总电抗标幺值：Xk1*= X1*+ X2*=0.5+0.07=0.57三相短路电流周期分量有效值：I k1(3)=Id1/ Xk1*=5.50/0.57=9.65kA其它三相短路电流：ish1(3)=2.55 I k1(3)=2.559.65=24.61kAIsh1(3)=1.52 I k1(3)=1.529.65=14.67kA三相短路容量：S k1(3)=Ud1I k1(3)=10.59.65=175.5MVA33（2）求 K2点的短路电路总电抗标幺值以及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值：Xk2*= X1*+ X2*+ XT*=0.5+0.07+3.6=4.17三相短路电流周期分量有效值：I k2(3)=Id2/ Xk2*=144/4.17=34.53kA其它三相短路电流：ish2(3)=1.84 I k2(3)=1.8434.53=63.54kAIsh2(3)=1.09 I k2(3)=1.0934.53=37.64kA三相短路容量：S k2(3)=Ud2I k2(3)=0.434.53=23.92MVA33 将短路计算结果列表如下：表 4-1 短路计算表三相短路电流（kA）三相短路容量（MVA）短路计算点I k(3)I (3)ish(3)Ish(3)S k(3)K19.659.6524.6114.67175.5K234.5334.5363.5437.6423.92 255 电气设备的选择及校验电气设备选择是供电系统设计的主要内容之一，选择是否合理将直接影响整个供电系统的可靠运行。5.1 电气设备选择的原则供配电系统中的电气设备的选择，既要满足在正常工作时能安全可靠运行，同时还要满足在发生短路故障时不至产生损坏，因此，电气设备必须按正常工作条件进行选择，按短路条件进行校验。电气设备选择的一般原则主要有以下几条：（1）按工作环境及正常工作条件选择电气设备。电气设备在制造上分户内、户外两大类。户外设备的工作条件较恶劣，各方面要求较高，成本也高。户内设备不能用于户外，户外设备虽可用于户内，但不经济。此外，选择电气设备时，还应根据实际环境条件考虑防水、防火、防腐、防尘、防爆以及高海拔地区或湿热带地区等方面的要求。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应不低于其所在线路的额定电压 UW。即：UNUW。例如在 10kV 的线路中，应选择额定电压为 10kV 的电气设备，380V 系统中应选择额定电压为 380V（0.4kV）或 500V 的电气设备。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 IN应不小于实际通过它的最大负荷电流 Imax(或计算电流Ic)。即：INImax或 INIc（2）按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定。按正常选择条件选择的电气设备，当短路电流通过时应保证各部分发热温度和所受电动力不超过允许值，因此必须按短路情况进行校验。为保证电气设备在短路故障时不至损坏，按最大可能的短路电流校验电气设备的动稳定和热稳定。动稳定：电气设备在冲击短路电流所产生的电动力作用下，电气设备不至损坏。热稳定：电气设备载流导体在最大隐态短路电流作用下，其发热温度不超过载流导体短时的允许发热温度。 265.2 配电装置配电装置是由用来接收和分配电能的电气设备组合而成，主要设备有控制电器、保护电器、测量电器、母线及载流导体等。对配电装置的一般技术要求如下：（1）配电装置的布置和导体、电器、架构的选择，应满足在当地环境条件下正常安全运行的要求，其布置和安装还应满足短路及过电压时的安全要求。（2）配电装置应动作灵活，工作可靠。（3）配电装置各回路的相序应一致，并应有相色标志。（4）屋内配电装置间隔内的硬导体及接地线上，应留有接触面和连接端子。（5）成套配电装置应具有“五防”功能。（6）两路及以上电源供电时，各电源进线与联络开关之间应设置连锁装置。（7）充油电气设备的布置，应满足在带电时观察油位、油温的安全和方便的要求，并便于抽油取样。配电装置按电器装设地点不同，可分为屋内配电装置和屋外配电装置；按其组装方式，又可分为装配式和成套式。在现场将电器组装而成的称为装配配电装置；在制造厂按要求预先将开关电器、互感器等组成各种电路成套后运至现场安装使用的称为成套配电装置。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310kV 的配电装置大多采用成套配电装置，110kV 及以上的配电装置大多采用屋外配电装置。对 110220kV 配电装置有特殊要求时，如建于城市中心或处于严重污秽地区（如沿海边或化工厂区）也可以采用屋内配电装置。本设计中采用成套配电装置。成套配电装置可满足各种主接线要求，并具有占地少，安装、使用方便，适合于大量生产等特点。成套配电装置的组合，是根据电力系统供电状况及使用场合与控制对象的要求，并结合主要电气元件的特点，确定一次接线方案的。单元接线方案应分别适用于电缆进出线和架空线进出线。成套配电装置的组合，必须满足运行安全可靠、检修维护方便、经济合理、实用美观等要求。成套配电装置分为低压配电屏（或开关柜） 、高压开关柜和 SF6全封闭组合电器 3类。按安装地点不同，又分为屋内和屋外型。低压配电屏只做成屋内型；高压开关柜有屋内和屋外两种，由于屋外有防水、锈蚀问题，故目前大量使用的是屋内型；SF6全封闭组合电器也因屋外气候条件较差，大多布置在屋内。 275.2.1 高压开关柜的选择高压开关柜属于高压成套配电装置。它是由制造厂按一定的接线方式将同一回路的开关电器、母线、计量表计、保护电器及操动机构等组装在一个金属柜中，成为一套完整的配电装置，成套供应用户。从而可以节约空间、方便安装、可靠供电，在工矿企业 635kV 供电系统中，得到了广泛使用。高压开关柜按结构形式可分为固定式、移开式。固定式开关柜中主要有 KGN 和XGN 系列，移开式开关柜主要有 JYN 和 KYN 系列。移开式开关柜中没有隔离开关，因为断路器在移动后能形成断开点，故不需要隔离开关。本次设计中选用 KYN 系列手车式开关柜。KYN 系列金属铠装移开式开关柜是消化吸收国外先进技术，根据国内特点自行设计研制的新一代开关设备。KYN-10 型开关柜由手车室、母线室、电缆室、继电仪表室 4 部分组成。当设备损坏或检修时可以随时拉出手车，再推入同类型备用手车，即可恢复供电，因此具有检修方便、安全、供电可靠性高等优点。开关柜在结构设计上具有“五防”措施。所谓“五防”即防止误跳、合断路器，防止带负荷拉、合隔离开关，防止带电挂接地线，防止带接地线合隔离开关，防止人员误入带电间隔。因为有“五防”连锁，故只有当断路器处于分闸位置时，手车才能抽出或插入。手车在工作位置时，一次、二次回路都连通。手车在试验位置时，一次回路断开，二次回路仍然接通。手车在断开位置时，一次、二次回路都断开。断路器与接地开关有机械连锁，只有断路器处于跳闸位置时，手车抽出，接地开关才能合闸。当接地开关在合闸位置时，手车只能推到试验位置，有效防止带接地线合闸。5.2.2 低压配电屏的选择低压配电屏又叫开关屏或配电盘、配电柜，它是将低压电路所需的开关设备、测量仪表、保护装置和辅助设备等，按一定的接线方式安装在金属柜内构成的一种组合式电气设备，用以进行控制、保护、计算、分配和监视等。适用于发电厂、变电所、厂矿企业中作为额定电压不超过 380V 低压配电系统中的动力配电、照明配电之用。我国生产的低压配电屏可分为固定式和手车式（抽屉式）两大类，基本结构方式可分为焊接式和组合式两种。本次设计中采用 GCS 系列抽出式开关柜。GCS 抽出式开关柜适用于发电厂、变电所、石油化工部门、厂矿企业、饭店及高 28层建筑等低压配电系统的动力配电、电动机控制中心、电容补偿等的电能转换、分配与控制用。GCS 装置是根据电力工业部、广大电力用户及设计部门的要求，为满足不断发展的电力市场对增容、计算机接口、动力集中控制、方便安装维修、缩短事故处理时间等需要，本着经济合理、安全可靠原则设计的新型低压抽出式开关柜。产品具有分断、接通能力高，动稳定好，电气方案灵活，组合方便，系列性、实用性强，结构新颖，防护等级高等特点，可以作为低压抽出式开关柜的换代产品使用。主要技术参数：额定绝缘电压：交流 660（1000）V额定工作电压：主电路交流 380（600）V； 辅助电路交流 380、220V，直流 220、110V；额定频率：50（60）Hz；水平母线额定电流：4000A；垂直母线额定电流：1000A；额定峰值耐受电流：（0.1s）105、176kA；额定短时耐受电流：（1s）50、80kA。为提高主电路的动稳定能力，设计了 GCS 系列专用的 CMJ 型组合式母线夹和绝缘支撑件，采用高强度、阻燃型的合成材料热塑成型，绝缘强度高，自息性能好、结构独特，只需调整积木式间块即可适用不同规格的母线。为降低功能单元的间隔板、接插件、电缆头的温升，设计了 GCS 柜专用的转接件。5.3 开关设备的选择开关电器的选择原则具有互通性，即不仅要保证开