第6章 无功补偿
无功补偿概述
电力系统中有许多根据电磁感应原理工作的电气设备，如变压器、电动机、感应炉等。都是依靠磁场来传送和转换电能的电感性负载，在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上。电力系统中的无功功率很大，必须有足够的无功电源，才能维持一定的电压水平，满足系统安全稳定运行的要求。
电力系统中的无功电源由三部分组成：1、发电机可能发出的无功功率（一般为有功功率的40%-50%）；2、无功功率补偿装置（并联电容器和同步调相机）输出无功功率；3、110kV 及以上电压线路的充电功率。电力系统中如无功功率小，将引起供电电网的电压降低。电压低于额定电压值时，将使发电、送电、变电设备均不能达到正常的出力，电网的电能损失增大，并容易导致电网震荡而解列，造成大面积停电，产生严重的经济损失和政治影响。电压下降到额定电压值的60%~70%时，用户的电动机将不能启动甚至造成烧毁。所以进行无功补偿是非常有必要的。
无功补偿的计算
补偿前cos 1?=，求补偿后达到。因此可以如下计算：设需要补偿XMva 的无功
则 cos 2?=∑∑''S P =2250.751276.851276
.8）（X -+= (6-1)
解得 X=
无功补偿装置
无功补偿装置分为串联补偿装置和并联补偿装置两大类。并联补偿装置又可分为同期调相机、并联电容补偿装置、静补装置等几大类。
同期调相机相当于空载运行的同步电动机在过励磁时运行，它向系统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。在我国经常在枢纽变电所安装同步调相机，以便平滑调节电压和提高系统稳定性。
静止补偿器有电力电容器与可调电抗并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，根据电压需要，向电网提供快速无级连续调节的容性和感性的无功，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，降低工频过电压的功能。其运行维护简单，功耗小，能做到分相补偿，对冲击负荷也有较强的适应性，因此在电力系统中得到越来越广泛的应用。但设备造价太高，本设计中不宜采用。
电力电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。既可集中安装，又可分散装设来接地供应无功功率，运行时功率损耗亦较小。
综合比较以上三种无功补偿装置后，选择并联电容器作为无功补偿装置，并且采用集中补偿的方式。
并联电容器装置的分组
分组原则
（1）对于单独补偿的某台设备，例如电动机、小容量变压器等用的并联电容器装置，不必分组，可直接与该设备相连接，并与该设备同时投切。
（2）配电所装设的并联电容器装置的主要目的是为了改善电网的功率因数。此时，为保证一定的功率因数，各组应能随负荷的变化实行自动投切。负荷变化不大时，可按主变压器台数分组，手动投切。
（3）终端变电所的并联电容器装置，主要是为了提高电压和补偿主变压器的无功损耗。此时，各组应能随电压波动实行自动投切。投切任一组电容器时引起的电压波动不应超过%。
分组方式
并联电容器的分组方式主要有等容量分组、等差级数容量分组、带总断路器的等容量分组、带总断路器的等差级数容量分组。这几种方式中等容量分组方式，分组断路器不仅要满足频繁切合并联电容器的要求，而且还要满足开断短路的要求，这种分组方式应用较多，因此采用等容量分组方式。
并联电容器装置的接线
并联电容器装置的接线基本形式有星形和三角形两种。经常采用的还有由星形派生出的双星形，在某种场合下，也有采用由三角形派生出的双三角形。
从《电力工程电气设计手册》（一次部分）502页表9-17可比较得出，应采用Y 形接线，因为这种接线适用于6kV及以上的并联电容器组，并且容易布置，布置清晰。
并联电容器组装设在变电所低压侧，主要是补偿主变和负荷的无功功率，为了在发生单相接地故障时不产生零序电流，所以采用中性点不接地方式。
选用BFM11—500—3型号的高压并联电容器7台。额定电压11kV。额定容量500kV ar。
第7章总平面布置设计及配电装置的选择
总平面布置设计概述
电气总平面布置是一项综合性的工作，在设计时应首先满足本专业的要求, 还需考虑系统、线路甚至是土建等各专业的多方面要求。但首先应从工艺的角度出发, 而且作为工艺专业应积极主动对各专业所遇到的矛盾及问题进行协调解决。变电电气专业是变电站设计中的工艺专业, 而配电装置布置是实现电气生产工艺流程的核心内容。电气总平面应从配电装置人手, 全面了解各级电压各型配电装置的布置特点, 并将其作为解决好各专业之间问题及矛盾的重要手段。配电装置均要采用较为紧凑的布置, 要充分考虑到站址周围环境的实际情况, 做到了因地制宜, 统筹安排, 合理紧凑, 节约用地和基建投资。
站址的选择需兼顾城市规划、环保、军事设施、国土资源、航空、文物等诸多因素, 开展工作的难度较大。设计方案在满足规程规范及功能性要求下，应优化变电站的布置，尽量减少占地面积，从而为电力建设的顺利开展打下基础。变电站的地址选择、设计以及建设工作都应当本着节约资源与保护土地的基本原则进行。还应当尽量做到远近相结合,并且能够考虑远期规划的规模。变电站施工前期的布置设计应当有科学性、合理性,缓解地区供电负荷的压力外,为地方的经济发展贡献一份力量,努力为我国的社会主义经济建设添砖加瓦。
总平面布置设计
电气总平面布置的要求：1、充分利用地形，方便运输、运行、监视和巡视等；2、出线布局合理、布置力求紧凑，尽量缩短设备之间的连线；3、符合外部条件，安全距离要符合要求。
变电站地址选择
变电站的选址工作是决定变电站建设能够顺利完成的基础。它除了要求自然地形略有起伏、地势较高并且地形相对平坦的区域、不受洪水的影响、并且雨水排散条件良好的地域、进出交通便利等自然因素外,还应当兼顾城市规划、环境保护、军事设施、国土资源保护以及地方文物保护等社会因素。所以,变电站的选址应当经过长期的论证
以及现场勘探,结合当地实际,才能够最终确定。
变电站的进出道路
为保证施工期间大件工程设施的运输方便和日后维修便利,变电站的选址交通条件应当较好。依据当地的地形和交通网,考虑到主变压器主要是由大货车运输,所以在考虑自然因素以及社会因素外,最适合建变电站的应当连接主要公路要道。可以方便变电站建设工作的顺利进行的同时,也能够改善当地的交通。
变电站总平面的布置设计
变电站的总平面布置设计应当符合站区的总体性规划和工艺要求。在满足了自然条件以及工程特点外,还必须考虑变电站的安全设施、周边卫生环境、运行和检修等各方面的因素。龙兴35kV变电站设计:变电站的总平面设计可在站区A点方向作为北方向。在站区的南边,由南出线,布置35kV的配电装置。于站区北面,向东西两个方向出线,布置10kV的配电装置。站区中间再布置主变以及两边配置10kV的无功补偿装置(也可以将继电器小室布置在站区中间)。站区南面的中部设置为站前区,站区大门设置在向南方向。而在站区前可集中对主控制建筑以及污水处理装置等进行设置。
之所以把主控制建筑设置于站区南面的中间,除了主控制楼连接各处的配电装置地区的电缆可大大缩短,有利于对全站设备运行状况进行观测外,还使得站外的引水能够便利地进入主控制建筑、处理好的污水可以方便排出站区。而且,主控制建筑与进站大门相近,有利于对出入站内的车辆进行管理。主控制建筑面向南方,通风与采光条件极佳,保障站内工作人员的生活质量。
变电站的站前区可进行通道式的广场布置,在其背面布置为变电站的主控制建筑,南面则可设计成主要运输道路。同时为了美化变电站的环境,对施工后的主变区域较杂乱的场所进行掩盖,通过人工处理、绿化等措施进行施工。在变电站的大门进口处,布置绿化带,重点处理。并且在站前区域的围墙内侧种一些灌木,起到衬托变电站的建筑群,起到美化环境的效果。同时,根据实际需求,在靠近各个配电装置区域和站内交通要到布置若干保护小室、主变无功的电源小室和站用的配电室,以保证变电站的安全无患。
变电站的竖向布置设计
变电站区域的竖向布置设计,首先应当结合该区域的地形特征,对变电站工程的施工、所需设施的运输以及日后的检修等方面进行综合的考虑、研究后方可确定。应当最大化地避免场地的平整土方以及边坡等的工程量。所以,在对变电站的方案特征以及工艺的布置综合研讨后,应当把工作的重心放在竖向的布置形式设计、坡度测量以及坡向的定位、变电站的土方平衡点的设置上。变电站的站址选择一般为山前坡脚,此处地形通常会略有起伏,且地势会较为宽阔,所需占用农田面积较少。综合考虑了变电站区域的总平面布置、建筑群地基处理、区域地形特点等因素,同时也对以往变电站的工程实践经验进行参考后,可规划变电站区域的竖向布置设计方案,并且对其进行土方计算。因为变电站的占地面积比较大,地形的高低差也较大,所以变电站的站址在方位上的变化会对土方计算工作造成极大的影响。对变电站竖向的布置设计应当从其线路的通畅、便捷等角度进行考虑,同时也要结合考虑变电站站址的地形特征,最终确定在变电站区域的长方向、与地形的等高线平行进行布置。由于竖向的地形高低相差较大,自然底面的坡度也相应的较高,所以变电站的竖向布置的排水系统通常会用道路的人工设施排水系统和自然地形的排水两者结合在一起的方案。
变电站的竖向坡度应当依据工艺设计要求进行设备的运行以及安装。结合实际的地形条件,主要确定35kV的配电装置和10kV配电装置区域的坡度、坡向布置设计方案,同时进行相应的土方量的计算。35kV的配电装置设置为悬吊形的管形母线,它的设置方向定位变电站的B点方向。由于管形母线均平行,因此B点的方向坡度不宜过大。为了考虑到变电站区域内的地形同地面的连贯性,因此,35kV的配电装置坡度为0,在B点方向。由于35kV的连线均是软线,所以受设备运转和安装的影响偏小,所以其坡度可设置较大,一般定在%～%之间。其坡向应当和自然地形坡向相同,形成北高南低;10kV的配电装置根据实际需求设置为悬吊式的管形母线,管形与连续的5跨架构平行于A点的方向。因为考虑到10kV的设备安装及其运转,底面坡度设计于A点方向是高低不可太大。所以控制连续跨构架、管形母线在A点方向垂直于管形母线的方向,形成东高西低,坡度设计为%左右。
变电站站址区域内若土质是粉土、石方混合,土质的分布应当分布连贯并且具有自重的中等湿陷性。综合了地质和变电站的总平面与竖向布置设计情况,通常要对变电站区域中的填方区地基进行相应的强夯处理,以保证变电站站址区域内的土方平衡。
配电装置概述
配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分，它是根据主接线的联结方式，由开关电器、保护和测量电器，母线和必要的辅助设备组建而成，用来接受和分配电能的装置。配电装置按电器装设地点不同，可分为屋内和屋外配电装置。
配电装置特点
屋内配电装置的特点：1、由于允许安全净距小和可以分层布置而使占地面积较小；
2、维修、巡视和操作在室内进行，不受气候影响；
3、外界污秽空气对电器影响较小，可减少维护工作量；
4、房屋建筑投资较大。
屋外配电装置的特点：1、土建工作量和费用较少，建设周期短；2、扩建比较方便；3、相邻设备之间距离大，便于带电作业；4、占地面积大；5、受外界环境影响，设备运行条件差，须加强绝缘；6、不良气候对设备维修和操作有影响。
配电装置类型及应用
配电装置按电压等级的不同，可分为高压配电装置和低压配电装置；按安装地点的不同，可分为屋内配电装置、屋外配电装置；按其结构形式，又可分为装配式配电装置和成套配电装置。
根据电气设备和母线布置的高度，屋外配电装置可以分为中型、半高型和高型等。
1、中型配电装置：中型配电装置的所有电器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的高度，以便工作人员能在地面安全地活动，中型配电装置母线所在的水平面稍高于电器所在的水平面。这种布置特点是：布置比较清晰，不易误操作，运行可靠，施工和维修都比较方便，构架高度较低，抗震性能较好，所用钢材较少，造价低，但占地面积大，此种配电装置用在非高产农田地区及不占良田和土石方工程量不大的地方，并宜在地震烈度较高地区建用。这种布置是我国屋外配电装置普遍采用的一种方式，而且运行方面和安装枪修方面积累了比较丰富的经验。
2、半高型配电装置：半高行配电装置是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。半高型配电装置介于高型和中型之间。具有以下优点：1.占地面积约在中型布置减少30%；2.节省了用地，减少高层检修工作量；3.
旁路母线与主母线采用不等高布置实理进出线均带旁路很方便。缺点：上层隔离开关下方未设置检修平台，检修不够方便。
3、高型配电装置，它是将母线和隔离开关上下布置，母线下面没有电气设备。该型配电装置的断路器为双列布置，两个回路合用一个间隔，因此可大大缩小占地面积，约为普通中型的5%，但其耗钢多，安装检修及运行条件均较差，一般适用下列情况：1.配电装置设在高产农田或地少人多的地区；2.原有配电装置需要扩速，而场地受到限制；3.场地狭窄或需要大量开挖。
配电装置的确定
本变电所两个电压等级：即35kV、10kV。根据《电力工程电气设计手册》规定，110kV及以上多为屋外配电装置，35kV及以下的配电装置多采用屋内配电装置，故本所采用屋内配电装置。
表7-1 屋内配电装置的安全净距
第8章 变电所的防雷接地设计
变电所防雷设计
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。
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：
1单支避雷针的保护；2两针避雷针的保护；3多支避雷针的保护。
本次设计采用3支避雷针进行防直击雷的保护。
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r x 可按下式计算，即
p h h r x x )(-= ，当h h x 5.0≥时； (8-1)
p h h r x x )25.1(-=，当h h x 5.0<时。 (8-2)
式中 h —避雷针高度，单位m ；
h x —被保护物的高度，单位m ；
p —高度影响因数，当m h 30≤时，p=1；当m h 30≥时，h p 5
.5=。
这次选择装设3支避雷针，安装在变电所塔顶，塔顶高度为23m ，针高12m ，取35m 作为计算高度。
表8-1 避雷针保护范围计算表
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。
35kV 侧避雷器的选择
（1）按额定电压选择 35kV 系统最高电压，相对地电压为3=，避雷器相对地电压为=?，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,选择氧化锌避雷器持续运行电压，此值大于。
（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5A 。
（4）雷电冲击残压的选择 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
kV K BIL U c ble 1434
.1200=== (8-3) 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 35kV 变压器类设备的内绝缘截断雷电冲击耐受电压为220kV ，计算陡坡冲击电流下的残压为
kV K BIL U c ble 1574
.1220''
=== 选择陡坡冲击电流下残压（峰值）为154kV 。
（6）操作冲击电流下的残压 35kV 变压器线端操作波试验电压为170kV ，计算变压器35kV 侧操作冲击电流下的残压为 KV K SIL U c s 14815
.1170=== (8-4) 选择操作冲击电流下峰值残压为114kV 。
（7）根据上述计算和校核，选择Y5WZ —53/134型氧化锌避雷器能满足35kV 侧变压器的过电压保护要求。
10kV 侧避雷器的选择
具体计算过程与上类似，选用Y5WS5—17/50L 型氧化锌避雷器。
表8-2 Y5WS5—17/50L 型氧化锌避雷器计算结果表
变电所接地设计
随着电力事业的快速发展，电力系统中对接地装置的要求越来越严格，变电所接地系统直接关系到变电所的正常运行，更涉及到人身与设备的安全。然而由于接地网设计考虑不全面、施工不精细、测试不准确等原因，近年来，发生了多起地网引起的事故，有的不仅烧毁了一次设备，而且还通过二次控制电缆窜入主控室，造成了事故扩大，故接地网对电力系统的安全稳定运行起到非常重要的作用。
电气设备根据接地装置的作用和目的可分：1.工作接地：电力系统正常运行需要将网络的某一点接地，稳定电网对地电位，使对地绝缘降低及有利于实现继电保护措施；2.保护接地：为了人身安全将高压电气设备的金属外壳接地，保护人员的安全；
3.防雷接地：是为了减小电流通过接地装置时电位升高。
接地设计的原则
按接地装置内、外发生接地故障时，经接地装置流入地中的最大短路电流所造成的接地电位升高及地面的电位分布不致于危及人员和设备的安全，将变电站范围的接触电位差和跨步电位差限制在安全值之内的原则，进行本变电站接地装置的设计。
1、由于变电站各级电压母线接地故障电流越来越大，在接地设计中要满足电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中R≤2000/I是非常困难的。现行标准与原接地规程有一个很明显的区别是对接地电阻值不再规定要达到Ω，而是允许放宽到5Ω，但这不是说一般情况下，接地电阻都可以采用5Ω，接地电阻放宽是有附加条件的，即：防止转移电位引起的危害，应采取各种隔离措施;考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，3-10kV避雷器不应动作或动作后不应损坏;应采取均压措施，并验算接触电位差和跨步电位差是否满足要求,施工后还应进行测量和绘制电位分布曲线。
2、在接地故障电流较大的情况下，为了满足以上要求，还是得把接地电阻值尽量减小。接地电阻的合格值既不是Ω，也不是5Ω，而应根据工程的具体条件，在满足附加条件要求的情况下，不超过5Ω都是合格的。
接地网型式选择及优劣分析
220kv及以下变电站地网网格布置采用长孔网或方孔网，接地带布置按经验设计，水平接地带间距通常为5m～8m。除了在避雷针（线）和避雷器需加强分流处装设垂直接地极外，在地网周边和水平接地带交叉点设置～3m的垂直接地极，进所大门口设帽檐式均压带，接地网结构是水平地网与垂直接地极相结合的复合式地网。
长孔与方孔地网网格布置尺寸按经验确定，没有辅助的计算程序和对计算结果进行分析，设计简单而粗略。因为接地网边缘部分的导体散流大约是中心部分的3～4倍，因此，地网边缘部分的电场强度比中心部分高，电位梯度较大，整个地网的电位分布不均匀。接地钢材用量多，经济性差。在220kV及以下的变电工程中采用长孔网或方孔网，因为入地故障电流相对较小，地网面积不大，缺点不太突出。而在500kV变电
站采用，上述缺点的表现会十分明显，建议500kV 变电站不采用长孔或方孔地网。
接地部分及接地装置计算
接地部分：
（1）变压器、电器、照明设备的底座和外壳,电气设备传动装置；
（2）互感器的二次绕组，但继电保护方面另有规定者除外；
（3）配电屏与控制台框架；
（4）屋外配电装置的金属和钢筋混凝土架构以及带电部分的金属遮拦
接地装置计算。
35KV 为中性点不接地系统，其接地电阻要求只可根据单相接地电容电流来确定。架空线路长度 Lj =25kM
jd I =
3501Lj U e ? (8-5) 式中 Lj ——架空线路的长度
jd I =350
2535?= 故接地电阻为：
R 1jd jd I 120≤=5
.2120=48Ω (8-6) 10kV 为中性点不接地，其线路长度。
j L =15+20+16=51kM (8-7)
jd I =3501j
e L U ?=48.1350
5110=? A (8-8) 故接地电阻为：
R 2jd 08.8148
.1120120==≤jd I Ω 所用变380/220中性点接地，接地电阻要求值为4Ω，其共用接地装置的接地电阻应小于4Ω。
1、计算人工接地电阻rw R
人工接地网与自然接地体是并联的，并联后总电阻应达到R =4Ω，所以人工接地电
阻为rw R 2045204
z z R R R R ??===Ω--(自然接地体的接地电阻Ω=20z R ) 由于共用一个接地装置，故应取rw R =4Ω
2、计算单根垂直接地体的接地电阻c R
土壤电阻率ψ?=0ρρ，由查表得5.1=ψ，则m ?Ω=?=1355.190ρ。由于土壤电阻率不高，故人工接地装置以垂直接地体为主，上端用规格为4×10mm 扁钢连接，构成环路式接地装置。钢管上端埋入土中深度为垂直接地采用长L =，直径d =60×10-3m 的钢管。单根接地体的接地电阻为
c R =l πρ2㏑
d l 4=5.22135?π㏑310
605.24-??=Ω (8-9) 3、计算接地体的根数n 接地体的根数n 假设钢管之间的距离a=
则 3=l
a ，根据99.10497.43==rw c R R 初选n =11根 在查表得 0η=则
n =09.0ηrw R R C =74
.0497.439.0??=≈14根 (8-10) 决定选15根钢管，验算人工接地电阻，查表得0η=
则 rw R =09.0ηn R c =67
.01597.439.0??=Ω 满足人工接地电阻rw R =4Ω的要求。
校验接地线的热稳定 S t I d 61070?≥=110
7025006?=㎜2 (8-11) 它小于采用4×10=40㎜2的扁钢，所以采用其接地满足要求。
4、35kV 配电区每隔9m 加设一条均压带以便电位分布均匀。均压带采用截面不小于24mm 2的扁钢，其埋深为。由于接地电阻的计算引入不少假设条件，所以在现场敷设接地装置以后，必须对接地电阻加以实际测量和核算。如果不满足要求，必须补埋接地体，达到设计要求。
变电所侵入波的保护
输电线路上出现的大气过电压有两种，一种是雷击于线路上引起的为直击雷过电压，另一种是雷直击线路附近地面，由于电磁感应引起的称为感应过电压。利用阀型
避雷器以及与阀型避雷器相配合的进线保护段作为配电装置时侵入雷电波的保护。
进线保护段的作用在于利用本身的阻抗来限制雷电流幅值和利用本身的电晕衰耗来降低雷电波陡度，并通过进线段上管型避雷器的作用，使之不超过绝缘配合所要求的数值。因此，配电装置对侵入雷电波的保护设计除了考虑在配电装置内装设阀型避雷器的适当地点外，还必须对线路进线段保护措施提出要求。
对于装设避雷线的35kV架空电力线路，在变电所的进线段1～2km长度内，进行侵入雷电波保护。
图变电所侵入波保护接线图