变配电站综合自动化系统的电气设计电气工程专业

题目 变配电站综合自动化系统的电气设计 摘要变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。所以对变配电站综合自动化系统的电气设计师非常有实际意义的。这次设计以10kv降压变电站为设计对象，分析变电站的原始资料确定变电站的主接线；通过负荷计算确定变压器台数、容量及型号。根据短路电流的计算结果，对变电站的一次设备进行了选择和校验。同时完成配电装置的布局、防雷保护及接地装置方案的设计。关键词：变配电站；短路电流计算；防雷保护I目录摘要I第1章 引言1第2章 负荷计算及主变压器的选择12.1负荷计算12.2主变压器型式的选择22.2.1主变压器台数的选择22.2.2主变压器容量的选择22.3主结线方案选择2第3章 用电设备选择43.1母线的选择43.2高压隔离开关的选择53.3高压断路器的选择53.4高压互感器的选择53.5低压电器的选择7第4章 电气主接线设计84.1电气主接线的基本形式84.1.1单母线接线84.1.2单母线分段接线84.1.3单母线分段带旁路母线84.1.4双母线接线94.1.5双母线分段接线94.1.6桥型接线94.210kv电气主接线的选择10第5章 短路电流的计算115.1短路电流及其计算115.2三相短路电流计算11第6章 主变压器继电保护的整定计算及配置136.1主变压器保护配置136.2主变压器继电保护整定146.2.1瓦斯保护146.2.2纵联差动保护14第7章 防雷接地167.1 避雷器的选择167.2防雷和接地设计计算167.2.1直击防雷保护167.2.2雷电波侵入保护177.2.3接地装置设计17第8章 10KV变配电所供电线路设计图18第9章 总结24参考文献25致谢26III第1章 引言作为电网建设和改造中非常重要的一环， 10KV变电所在建设过程中经常出现非常严重的资源浪费现象，与此同时，存在多样化环保问题及其相对较差的电能质量合格率，例如; 无线电干扰、工频电磁辐射以及各种类型的噪声等。由于这些丰富多样的环境因素，大多数高压输变电工程，在运行过程中的实际质量及其在建设过程中的实际成本，遭受了不同程度的一系列影响。故此，本篇论文，主要以10KV变电所为基础，进行相应的设计。在此过程中，必须切实保障电能质量和用电安全、节约资源、克服通信干扰和噪声污染等原则，同时还要保证后期电网改造方便和提高资源利用率。26第2章 负荷计算及主变压器的选择2.1负荷计算因为未给出10KV出线负荷的功率因数，所以按照默认cos=0.9计算，则总计算负荷为P10KV=400500125016006304=6270KVAP总=6.27MVA见表2-1：表2-1负荷计算计算表2.2主变压器的选择2.2.1主变压器数量选择为了切实保障变电站在实际运行过程中的供电可靠性，规避当主变压器发生故障时，会对变电站的整体供电情况，产生相关影响情况的发生。故此，在本篇论文中，将运用两台主变压器。2.2.2主变压器的实际容量一般情况下，假设一台主变压器发生故障，则在此状态下，另外一台主变压器必须能够承担总负荷比例的6070%。由于SN=8.99MVA，所以两台主变容量可以选择10MVA，查表，选用SFS910000/110型双绕组电力变压器，参数见表2-2：2.3主结线方案选择本次设计采用高、低压侧均采用单母线分段方案。具体见图2-1：图2-1变电所主结线图浙江大学远程教育学院本科毕业论文（设计） 第3章第3章 用电设备选择主要设备选择见表3-1：3.1母线的选择在本篇论文中，主要选择LMY型涂漆距形硬铝母线，与此同时，以经济电流密度为基础，选择相对合适的截面。通常情况下，根据工厂供电一书中的第92页，可以查询到多样化导线的实际经济密度：j=0.9 Amm2 smin=I30j=1505.110.9=1672.34 (mm2) 可选用LMY 10010铝母线。由工厂供电第二版 李友文主编 第207页，附表9可得主要技术数据：3.2高压隔离开关的选择计算电流电压： UN=Ug UNIg UN=10Kv IN=I30=1505.11 A由工厂供电第二版 李友文主编 第215页，附表21可得高压隔离开关技术数据。3.3高压断路器的选择 U1=6kv U2=0.4kv IN=I30 (1)=1505.11 A IN=I30 (2)=6551.02 A 3.4高压互感器的选择选择电流互感器：计算电流电压UN=Ng IwIin UN=6kv Iw=1505.11 A Ug=10kv Iin1505.11 A根据新电工手册一书中的第139页，可以查询到基于全国标准，1035kv电流互感器涉及到的多样化技术数据，详见下图：选择相对合理的电压互感器：并对其实际电压，进行相应的计算，具体如下：UN=Ug UN=6kv Ug=6kv根据新电工手册一书中的第139页，可以查询到基于全国标准，1035kv电压互感器涉及到的多样化技术数据，详见下图：选择相对合理的高压电缆：并对其实际截面，进行相应的计算，具体如下： S=I30J=1505.111.5433=1085.59 mm2根据工厂供电一书中的第209页，可以查询到电力电缆实际电阻值及其相应的电抗值：S=120 mm2 其实际额定电压为10kV，铝芯状态，纸绝缘发生于55电阻值如下：（-2km-1）0.29电抗值如下：（-2km-1）0.0783.5低压电器具体选择选择相对合理的低压隔离开关：并对其实际电流及其电压，进行相应的计算，具体如下： UN=Ug UNIg UN=0.4kV IN=306 A根据新电工手册一书中的第1025页，可以查询到基于全国标准，多样化系列开关涉及到的相关技术参数，具体如下：在本篇论文中，主要应用低压断路器：以多样化原始参数为基础，将“控制室空调”的实际容量，设置成176 kw，再根据Imax=p3UN计算Imax=17630.4255 A，由于实际情况的需要，应该预留20%，故此，Imax=2551.2=306 A根据工厂供电一书中的第215页，可以查询到部分万能式低压断路器的主要技术参数数据。）：浙江大学远程教育学院本科毕业论文（设计） 第4章第4章 电气主接线具体设计 电气主接线即通常所说的一次接线，其主要含义为；将多样化设备线路，基于特定的顺序，进行依次连接，从而使相关线路服从主电路的电能分配。实际上，对于变电所而言，电气主接线的实际作用，是至关重要的，不仅涉及到电气设备选择，而且涉及到配电装置布置等相关工作。除此之外，电气主接线必须具备一定的安全性能及其相对较强的灵活性。4.1电气主接线具体形式4.1.1单母线接线具体方式对于此类接线方式而言，其具备相对简洁的基本特性，并且存在相对较少的经济成本，然而，这种方式不够灵活可靠，常用于成套配电装置。具体适用范围：对于处在610kv范围内的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，不高于5回的情况下；对于处在3563kv范围内的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，不高于3回的情况下；对于处在110220kv范围内的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，不高于2回的情况下。其中，单母线接线具体示意图，详见图4-1：图4-1单母线接线具体示意图4.1.2单母线分段接线具体方式通常情况下，针对比较重要的相关用户，可以引出两个回路，假设其中一个回路，发生了多样化故障，则断路器能够实现自动切除，以免影响持续供电。基于上述特性，该种方式具备相对较高的灵活性。然而，在双回路中，有可能会出现交叉回路，在此情况下，当进行实际扩建时，将很难分清线路。具体适用范围：对于处在610kv范围内的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，不高于6回的情况下；对于35kv的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，不高于8回，且不低于4回的情况下；对于处在110220kv范围内的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，不高于4回，且不低于3回的情况下。其中，单母线分段接线具体示意图，详见图4-2：图4-2单母线分段接线具体示意图4.1.3单母线分段带旁路母线具体方式对于此类方式而言，其适用于实际容量相对较小并且进出线相对较小的处于35-110kv范围内的中小型变电所。与此同时，此类方式具备相对较强的灵活性。其中，单母线分段带旁路母线具体示意图，详见图4-3：图4-3单母线分段带旁路母线具体示意图4.1.4双母线接线具体方式对于此类接线方式而言，其具备相对较强的灵活性，能够实现良好的扩建。但由于需要增加一路母线及其隔离开关，因此经济性较差且操作复杂具体适用范围：对于处在610kv范围内的配电装置，且其实际短路电流相对较大，与此同时，在实际出线过程中，必须携带电抗器的情况下；对于35kv的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，高于8回的情况下，亦或是连接电源相对较多并且实际负荷相对较大的情况下；对于处在110220kv范围内的配电装置，并且已经完成出线的相关回路数，高于5回的情况下。图4-4双母线接线具体示意图4.1.5双母线分段接线具体方式对于此类接线方式而言，其能够实现分段运行，并且实际扩建过程相对简单，然而，这种方式容易受到多样化母线故障的影响，与此同时，其实际占地面积相对较大。通常情况下，假设其实际回路数低于11回，则将不会进行分段。4.1.6桥型接线具体方式对于此类接线方式而言，其断路器数量相对较少，然而，其实际操作相对复杂，不利于检修。具体适用范围：变电所实际容量相对较小，与此同时，变压器切换过程相对频繁，并且实际故障率相对较小的情况下。除此之外，此类接线方式可以细分为两类，其中，主要包含分内桥型接线，与此同时，包含外桥型接线。4.2 10kv电气主接线的选择由资料可知10kv出线回路数为12，所以可选择单母线分段或者双母线接线两种方案：对于处在610kv范围内的配电装置，并且相关回路数不低于6回的情况下，可以选择单母线分段接线具体方式，详见图4-5。图4-5单母线分段接线具体示意图如果引出线数量及其电源相对较多时，则实际输送功率及其穿越功率也会随之提升。在此情况下，需要确保相对较高的灵活性，主要选择双母线接线具体方式，详见4-6。图4-6双母线接线具体示意图基于上述综合比较，可以得知，从经济性上来看方案一比方案二更合适，而且既符合调度灵活又可以保证供电的可靠性，所以采取方案一。浙江大学远程教育学院本科毕业论文（设计） 第6章第5章 短路电流相关计算5.1短路电流具体计算方式通常情况下，主要基于标幺值法，完成相关计算，具体如下。某特定量的实际标幺值=该量的实际值任意单位该量的标准值与实际值同单位 （5.1）对于标幺值而言，其不存在相关单位。故此，若想针对电源至相关短路点涉及到的电抗标幺值，进行相应的求解，则必须首先针对供电系统中多样化元件涉及到的实际电抗标幺值，进行依次求解。5.2三相短路电流具体计算本篇论文，以35kV变电站为例，通过10kV双回架空线路，完成供电。在线路的出口位置，其实际短路容量大约为250MVA。图5-1短路电流计算具体示意图其实际计算结果，详见表5-1所示：表5-1三相短路电流实际计算结果细表第6章 主变压器继电保护综合计算及其相应的配置6.1主变压器具体保护配置在本系统中，继电保护具体示意图，详见图6-1所示：图6-1系统继电保护具体示意图具体规程要求：以10MVA变压器为例，应该确保下述保护配置：瓦斯保护：其中，主要包含轻瓦斯保护，与此同时，包含重瓦斯保护。纵联差动保护：如果不出现延时，其将成为主保护方式。过电流保护：其中，主要包含110kV侧复合电压启动初期形成的过电流保护，与此同时，包含10kV侧过电流保护，零序保护：主要属于后备保护类型。过负荷保护：主要将其设置于主变压器110kV侧，通常以预告信号为主。6.2主变压器继电保护相关配置6.2.1瓦斯保护配置通常情况下，对于气体继电器而言，其实际气体容积的具体整定范围，应该设定为：25300cm3。在本变电所中，其实际主变容量应该为10MVA，实际整定值应该为250cm3；与此同时，其重瓦斯保护油的实际流速整定范围，应该设置为61.5m/s,并且应该将其实际流油速度，整定为1m3/s。6.2.2纵联差动保护配置对于此类保护方式而言，其主要以BCH2型差动继电器为基础，实现构成。其实际计算结果，详见表6-1所示。基本侧设置：拟定为二次额定电流实际数值最大的110kV侧。基于下述三个具体条件，针对保护装置涉及到的动作电流，进行相应的确定：绕过变压器的实际励磁涌流，具体如下：Iop=KrelIN1.T=1.352.5A=68.25A绕过变压器存在外部短路的过程中，形成的实际最大负荷电流，具体如下： Iop=Krel(KnpKsamfi+Uh+fbII)Ik.max=504A绕过电流互感器涉及到的二次回路断线，形成的实际最大负荷电流，具体如下： Iop=KrelIN1.T=1.352.2=67.86A针对基本侧存在差动线圈的实际匝数，进行相应的确定，具体如下：将整定匝数，设定为Nd.set=5匝，在此情况下，继电器动作电流具体如下Iop.K=60/5A=12A，与此同时，保护装置存在的一次动作电流，具体如下：针对基本侧存在平衡线圈的实际匝数，进行相应的确定，具体如下：3.36(NbII.c+5)=4.555将平衡线圈的实际匝数设定为NbII.set=0，NbIII.set=1匝。浙江大学远程教育学院本科毕业论文（设计） 第7章第7章 防雷接地7.1 避雷器具体选择基于被保护电器的实际绝缘质量及其具体使用特点，可以通过表7-1，选择相对合理的避雷器形式：7.2防雷及其接地设计的相关计算7.2.1直击防雷保护计算在本变电所中，在其纵向中心轴处，设置两只同等高度的避雷针，且其彼此之间的实际间距D=98m，并且其实际高度为h=35m。已知实际出线构架为12.5m，且其最远位置，和避雷针之间的最短直线距离为11.5m；建筑物的实际高度为7m，且其最远位置，和避雷针之间的最短直线距离为18.7m。通过“滚球法”，可以针对避雷针的实际保护范围，进行相对细致的检验：在本变电所中，将实际滚球半径设置为hr=45m。由于h=35m2h(2hr-h)=235(245-35)m=87.7m，故此，避雷针在水平方向上的实际保护半径具体如下：rx=h(2hr-h)-hx(2h-hr) =35(245-35)m-12.5(245-12.5)m =12.8m，根据上述数据，可以得知，出线构架完全处于避雷针的实际保护范围。基于建筑物的实际高度，避雷针在水平方向上的实际保护半径具体如下：rx=h(2hr-h)-hx(2h-hr) =35(245-35)m-7(245-7)m =19.8m，根据上述数据，可以得知，建筑物完全处于避雷针的实际保护范围。综上所述，变电所中的全部设施避，完全处于避雷针的实际保护范围。7.2.2雷电波侵入保护配置在本变电所中，通过架设长度12km的110kV进线段，以此来构建避雷线。与此同时，在主变压器的全部侧出口，都安装相应的阀型避雷器。并且在主变压器中存在的110kV侧中性点，独立安装相应的避雷器。7.2.3接地装置设计配置根据查阅相关资料，可以得知，通常情况下，大多数电气设备的接地电阻，不得超过0.5；对于本系统而言，其实际接地电阻，不得超过10。故此，对于共用接地装置而言，其实际接地电阻，不得超过0.5。本篇论文涉及到的接地装置，主要选择实际直径50mm以及实际长度2.5m的钢管，以垂直方向进行接地，且其实际间距5为m。在此情况下，单根钢管的实际接地电阻，具体如下：RE(1)=K=32.610-41000=3.26钢管的实际数量，具体如下：n=0.9RE(1)RE=0.93.260.710.5=8.26最终，主要选择10根此类钢管，并进行环形布置。在此情况下，其实际接地电阻，具体如下：RE=0.9RE(1)n=0.93.26100.71=0.410.5浙江大学远程教育学院本科毕业论文（设计） 第8章第8章 10KV变配电所供电线路设计图总体设计图见图8-1：图8-1总体设计具体示意图在本系统中，涉及到的高压柜体，主要以KYN28恺装中置柜为基础，并且配备真空断路器及其相应的综合继电保护。根据实际需求，由于该站的特殊核心位置，在后期需要设置两台变压器，实现并联运行。其中，一次接线设计具体示意图，详见图8-2所示。图8-2高压侧一次接线具体示意图为了切实满足大多数低压用户的实际需求，在基于低压侧，进行更深层次的一次线路设计过程中，应该进行针对性配置。故此，在此系统中，主要选择CM1Z断路器,经由通讯接口，将多样化信息，传递至PM500,再通过网络，将其传递于总站。除此之外，此类断路器能够接收到来源于总站发出的相关控制信号,以此来实现合分闸动作,从而切实提高该站配电的可靠性和及时性。低压系统一次线路图如图8-3及8-4及8-5：图8-3低压侧一次接线图图8-4低压侧一次接线图图8-5低压侧一次接线图二次接线图是用来表示二次接线各元件（二次设备）的综合电气回路示意图。通过对比二次接线以及一次接线的具体构成，可以细致阐明二次设备的实际数量及其相应的连接情况。然而，由于其并不具备相对较强的精确性，故此，无法作为施工图纸。其中，二次接线具体示意图，详见图8-6以及图8-7所示：图8-6二次接线具体示意图图8-7二次接线具体示意图浙江大学远程教育学院本科毕业论文（设计） 参考文献第9章 总结通过本次课程设计，基于实践操作，本人对于供配电技术，有了良好的认识，实际上，本课题对我来说有一定困难，很多知识点学习的不够深入，导致设计过程中碰到了一些难题，但正因如此，这次设计给了我一个再次学好这门课的珍贵的机会。电能作为当今最普遍的能源，带领人类进入“电气时代”，又由于其方便转化为其他各种形式的能源，在未来也有无可替代的作用和广阔良好的发展空间。在实现生产过程自动化的过程中有着得天独厚的优势。它是一种优缺点都非常鲜明的能源，它输送和分配简单经济，生产使用又很方便和环保，同时又容易控制调节与测量。作为一名电力行业的从业者，我们肩负着让居民用上更安全、更可靠、更优质、更经济的电能的重任，无论是在设计输电线路还是变配电站的过程中，都要做到为生产服务，保障生产和生活用电的需要。参考文献1 王梅义.高压电网继电保护运行技术M北京电力工业出版社,2013:110-113.2 金午桥,洪宪平网络时代的变电站自动化,J 中国电力,2016（10）：12-15.3 唐涛.国内外变电站无人值班与综合自动化技术发展综述, J 电力系统自动化, 2016（06）：23-26.4 周榕林.变电站自动化及其网络化结构应用探讨, J 安徽电气工程职业技术学院学报,2017（05）：8-10.5 金午桥.变电站综合自动化系统发展策略,J 电力系统自动化，2016（09）：21-22.6 魏胜友.变电站自动化系统运行中的问题及解决建议, J 中小企业科技,2017（06）：6-7.7 吴磊,等综合自动化系统在变电站的应用, J 工业控制计算机,2017（11）：33-35.8 程明,金明,李建英,刘远龙无人值班变电站监控技术, M北京中国电力出版社，2016:11-15.9 王锦标,现场总线控制系统,J 微计算机信息,2016（05）：56-57.10 Ackerman William J.Substation automation and the EMSC.Proceedings ofthe IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference，2015，l：274-279浙江大学远程教育学院本科毕业论文（设计） 致谢致谢在本设计即将完成之际，谨此向我的导师徐永于老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！老师以他敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度和精益求精的工作作风给我留下了刻骨铭心的印象，这些使我受益匪浅，并将成为我终身献身科学和献身事业的动力。最后还要感谢我的同学，在我没有头绪的时候，愿意帮助我，指点我，为我提供我所需要的资料，和他们的方案也让我受到了很大的启发。他们开放与严谨的思维方式同样让我受益颇多。感谢同学在这一期间给予我的关心和帮助。