内容摘要
本论文主要是针对某企业的35kv变电站的设计，概述了变电站设计的基本过程和基本方法。首先介绍了变电站设计应注意的地方；其次根据煤矿的原始资料进行负荷计算和主变压器及其容量的选择，确定主变压器容量和型号；接着进行电气主接线的设计，电气主接线是变电站电气设计的主体，与变电站运行的可靠性、经济性要求等密切相关；接着对35kV变电站做了短路电流计算和电器设备的选择，短路电流是为后面设备的选型提供了依据并根据短路电流可以进行设备的整定和校验；最后针对短路电流进行继电保护和变电站的防雷设施和接地装置等。
随着国民经济和科学技术的发展，企业用电的需求量越来越大，这就对变电站的主接线形式和配套设备提出了更高的要求，同时也要求发变电站做到可靠、经济、合理地运行，满足人们对电能的基本需求。
关键词：变电站主接线主变压器短路电流计算
Abstract
This paper is mainly directed against coal a corporation 35/10 kV substation design, outlined the basic design of the substation process and basic methods. First introduced substation design should pay attention to the areas under coal mine corporation followed by the original data load calculation and capacity of the main transformer and its choice to determine the main transformer capacity and models; followed by the main electrical wiring design, electrical wiring is the main electrical substation The main design and operation of the substation reliability, economic requirements, and more closely related to the 35 kV substation and then do a short-circuit current calculation and electrical equipment choice, short-circuit current is behind the selection of equipment and provides a basis under the current can short-circuit The whole set equipment and calibration; last for a short-circuit current protection and substation facilities and the mine grounding devices.
As the national economy and scientific and technological development, rural and near the town of growing demand for electricity, which substation on the main form of wiring and ancillary equipment a higher demand, it also requires the substation to reliable , The economy, a reasonable operation, meet the basic needs of electricity. Key words: substation main wiring main transformer substation
short-circuit current calculation
目录
前言 (5)
1 负荷计算及变压器的选择 (6)
1.1 负荷计算 (6)
1.2 功率补偿 (7)
1.3 变压器的容量和台数的选择 (8)
2 变电所的主接线 (9)
2.1 变电所主接线的要求 (9)
2.2 35KV主接线的选择 (9)
2.3 10KV主接线的选择 (12)
2.4 变电站的用电接线 (14)
3 短路电流计算 (15)
3.1 短路原因和种类 (15)
3.2 短路的危害和研究短路的目的 (15)
3.3 进行短路计算的基本假设 (15)
3.4 短路计算 (16)
4电气设备的选择 (21)
4.1电气设备选择的一般原则 (21)
4.2 各电气元件的选择 (22)
5 变电所继电保护和整定 (34)
5.1继电保护的基础 (34)
5.2 变电所继电保护的配置 (35)
6 变电所的防雷措施及接地装置 (42)
6.1 35kv和10kv线路的防雷 (42)
6.2 变电所直击雷保护 (42)
6.3 接地装置 (43)
结束语 (44)
致谢 (45)
参考文献 (45)
前言
目前，在我国经济飞速上升之中，占国民经济生产重要地位的工业在此中起了中流砥柱的作用，我国要进行工业现代化，必然离不开对电能的需求，电能在工业中越来越来显示其作用的巨大，变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个工业的安全与经济运行，是联系发电厂和企业的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
35kv变电站其实就是一个转换电压的枢纽，主要是实现把高的电压转化成低的电压，达到转换电压传输电压的目的，基本上电厂发出来的电要经过线路传输、变电站、线路传输到目的地，一般发电厂发出来的电都是可以直接给用户的，但是因为地理位置的原因，就是距离太远的关系，所以沿途输送要把电压升高进行送电，然后经过进行降压输送给用户，这就是变电所的主要作用，降了电压给用户用电。因此，分析设计和发展变电站是一项很重要的任务。
通过对本课题的研究，在遵循电力系统设计基本原则前提下，应用所学知识完成负荷分析并求出计算负荷﹑电容器补偿容量，确定总降变压器容量﹑数量，完成电气主接线的设计，计算短路电流以及对部分主要设备进行选型，继电保护设计与计算整定，进线导线截面选择等。通过本次设计，熟练掌握AutoCAD绘制图纸。
1 负荷计算及变压器的选择
1.1 负荷计算
1.1.1负荷计算的意义及目的
计算负荷是根据已知的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假想负荷。它是设计时作为选择电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的重要依据。电力设备设计部门对机械设备进行电力配套设计时总有一定的裕度，即使电动机功率完全符合机械计算的配套要求，在使用的情况不同，也会影响到电力负荷的大小，如不同的材料，不同的熟练程度，不同的时期，电气负荷都是有差别的，他的变化与很多随机因素有关。但是这种电气计算负荷还必须认真地确定，因为它的标准程度直接影响到整个供电设计地质量。如计算过高将增加供电设备地容量浪费有色金属，增加初投资。计算过低则可能使供电元件过热，加速其绝缘损坏，增大电能损耗，影响供电系统的正常还会给工程扩建带来很大的困难。更有甚者，以不合理的用户计算负荷为基础的国家电力系统的建设，将会国民经济带来很大的浪费和危害，浪费了大量开关设备和电缆、导线，积压了物资和资金，而且使电力系统的建设和运行质量受到影响，给国民经济带来很大的损失。
负荷计算的目的是为了掌握用电情况，合理选择配电系统的设备和元件，如导线、电缆、变压器、开关等。负荷计算过小，则依次选用的设备和载流部分有过热的危险，轻者使线路和配电设备寿命降低，重者影响供电系统的安全运行。负荷计算偏大，则造成设备的浪费和投资的增大。为此，正确进行负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
1.1.2 负荷统计及计算
1）待建35kV变电站从相距17km外的电力系统相连。
2）气象条件：本地区多雷地区，多年平均雷暴日45日/年，本地区最高日平均气温34C0。所址海拨高度220M。
3）负荷：本所出线12回，单回最大负荷为2MW，cosφ=0。76，最大输送距离为2.5KM,负荷类别为Ⅱ、Ⅲ类。
1.2 功率补偿
1 补偿前的功率因数
cos ?=0.91
tan φ==?
?cos cos 12-=0.40
2 补偿后的功率因数
一般情况下10kV 母线上的功率因数一般应≥0.95，设计中可控制在0.95-0.97之间，所以在设计中对10kV 母线上功率因数补偿后为0.96，即
2cos ?=0.96，则可得到2tan ?=0.29。
已知补偿前10kV 母线上功率因数为1cos ?=0.91，可得到1tan ?=0.40。 则依据公式得到：
10ca av av P K P ==0.75×7200=5400kW
)tan (tan 21??-=av c P Q =5400×（0.40－0.29）=594kvar
其中 av K —平均负荷系数，取为0.75（一般为0.65—0.85）；
10ca P —该变电所10kV 母线上补偿前的计算负荷。 c Q —补偿容量；
1?—补偿前功率因数角；
2?—补偿后功率因数角。
10kV 侧将采用单母分段的接线方式，所以所选用的电容柜应分成两组分别装在两段母线上，并且平均分配，所以电容柜的数量应为偶数。 则实际补偿容量为：s c Q .=j N ×e q =600kvar ，
折合的计算容量为：js c Q .=s c Q ./av K =600/0.75=800kvar 。
1.3 变压器的容量和台数的选择
1）变压器的台数和容量应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量、运行方式和企业发展等因数综合考虑确定。
2）一般采用三相变压器，其容量可按投入运行后5到10年的预期负荷选择，至少留有15%到25%的裕量。
3）有一、二级负荷的变电所中应装设两台主变压器。当在技术经济上比较合理时，可装设两台以上的主变压器。此设计中有一、二级负荷，所以应装2台变压器。
4）装有两台以上主变压器的变电所中，当断开一台时，其余主变压器的容量应保证用户的一、二负荷，且不应小于60%的全部负荷。
5）变压器过载能力应满足运行方式。
6）负荷：本所出线12回，单回最大负荷为2MW
当断开一台时，其余主变压器的容量应保证用户的一、二级负荷，且不应小于60%的全部负荷。可知S=2MV A。所以主变压器的容量选择90000V A，型号为SFPSZ8---90000/220，接线组别为Yd11,电压比为35/10.5kv，阻抗电压为U 。设两台所用变压器，额定容量均为50kVA。#1所用变压器布置于屋
7.5%
k
内，选用35KV三相式油浸变压器，型号为SFPSZ8---90000/220，为与#2所用变压器低压相位一致，接线组别采用D，yn11;#2所用变压器设置于开关柜内，选用10KV三相式变压器，型号为SFPSZ8---90000/220，接线组别Yyn0,d11。
2 变电所的主接线
2.1 变电所主接线的要求
1）安全性必须保证在任何可能的运行方式及检修状态下运行人员及设备的安全。
2）可靠性主接线的可靠性要求由自由用电负荷的等级确定。要保证主接线的可靠性的可靠性可以采用多种措施。如系统中某一元件故障时，可以由保护装置自动把故障元件迅速切除，使之不影响系统其他部分的继续运行。因此，在主接线中就要考虑是否方便电气元件的投切操作。
3）灵活性应能适应各种可能的运行方式的要求。主接线的电路关系是可以改变的，在系统运行中，这种主接线电路关系的改变叫做运行方式的改变。运行方式的改变通常是通过对主接线中某些电气元件的投入和切除来实现的，因此，主接线应考虑是否方便电气元件的投切操作。从而适应各个时段能源供电能力与负荷变化的要求，适应元件检修的要求，要求各个不正常运行方式下系统仍能达到足够的供电质量。
4）经济性应满足最少的投资与年运行费用的要求，使得总经济效益为最佳。
如简化接线、减少电压层次等。
5）应具有扩建的可能性由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快。因此，在选择主接线时还要考虑到具有扩建的可能。
变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。
2.2 35KV主接线的选择
35kV电压级线路回路数2回，采用单母、单母分段或桥形接线，以保证其供电的可靠性和灵活性。桥式结线根据跨接桥横联位置的不同，可分为内桥、外桥、全桥三种。所以一共有5种方案，但由于全桥接线需设备多，投资大，占地面积
大，所以不考虑。故现在四种可供选择的接线就是单母接线、单母分段接线、内桥接线、外桥接线。
方案1 采用单母线接线如图3-1
35kV
10kV
图3-1 单母接线
优点：接线简单清晰、设备少、操作方便、占地少、便于扩建和采用成套配电装置。
缺点：不够灵活可靠，任一元件故障或检修时，均需要整个配电装置停电。
适用范围：单母线接线只适用于容量小、线路少和对二、三级负荷供电的变电所。
方案2 采用单母线分段接线如图3-2
35kV
10kV
图3-2 单母分段接线
优点：接线简单清晰、设备较少、操作方便、占地少和便于扩建采用成套配电装置。当一段母线发生故障，可保证正常母线不间断供电，不致使重要负荷停电。
缺点：当一段母线或母线隔离开关发生永久性故障或检修时，则连接在该段母线上的回路在检修期间停电。
适用范围：具有两回电源线路，一、二回路转送线路和两台变压器的变压器的变电所。
方案3 采用内桥接线如图3-3
35kV
10kV
图3-3 内桥接线
优点：高压断路器数量少，占地少，四个回路只需3个高压断路器。
缺点：
1变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运。
2 桥连断路器检修时，两个回路需解列运行。
3 线路断路器检修时，需较长时间中断线路的供电。为避免此缺点，可在线路断路器的外侧增设带两组隔离开关的跨条。桥连断路器检修时，也可利用此跨条。
适用范围：适用于较小容量的发电厂，对一、二级负荷供电，并且变压器不经常切换或线路较长，故障率较高的变电所。
方案4 采用外桥接线如图3-4
35kV
10kV
图3-4 外桥接线
优点：高压断路器数量少，占地少，四个回路只需3个高压断路器。
缺点：
1变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运。
2 桥连断路器检修时，两个回路需解列运行。
3线路断路器检修时，变压器需较长时间停运。为避免此缺点，可加装正常断开运行的跨条。桥连断路器检修时，也可利用此跨条。
适用范围：适用于较小容量的发电厂，对一、二级负荷供电，并且变压器经常切换或线路较短，故障率较少的变电所。
这4种接线方式都能适应运行方式的变化，也能保证供电可靠，所以现在要考虑经济性，能明显看出，内桥接线只用了3台断路器，比具有4条回路的单母线接线节省了1台断路器，并且没有母线，投资省，所用设备少，运行操作方便，配电装置简单，保护配置也相对简单，所以选用内桥接线。
2.3 10KV主接线的选择
6～10kV配电装置出线回路数为6回及以上时，可采用单母线分段接线。而双母线接线一般用于引出线和电源较多，输送和穿越功率较大，要求可靠性和灵活性较高的场合。
方案1 采用单母线分段接线如图3-5
10kV
图3-5
单母分段接线
方案2 采用双母线接线如图3-6
图3-6 双母接线
主接线方案比较如下表
表3-1 主接线方案比较
方案1 方案2
单母分段接线双母接线
技术： 1不会造成全所停电 1供电可靠
2 调度灵活 2调度灵活
3保证对重要用户的供电 3扩建方便
4任一断路器检修， 4便于实验
该回路必须停止工作 5易误操作
经济：占地少、设备少设备多、配电装置复杂投资和占地面少
经过综合比较方案Ⅰ在经济性上比方案Ⅱ好，且调度灵活也可保证供电的可
靠性。所以选用方案Ⅰ。
2.4 变电站的用电接线
一般站用电接线选用接线简单且投资小的接线方式。故提出单母线分段接线和单母线接线两种方案。
表3-2 主接线方案比较
方案1 方案2
单母分段接线单母接线
技术 1不会造成全所停电 1简单清晰、操作方便、易于发展
2 调度灵活 2可靠性差、灵活性差
3保证对重要用户的供电
4任一断路器检修，
该回路必须停止工作
5扩展时需向两个地方均衡发展
经济占地少、设备少设备少、投资小
经比较两种方案经济性相差不大，所以选用可靠性和灵活性较高的方案Ⅰ。
3短路电流计算
3.1 短路原因和种类
产生短路的主要原因是电气设备载流部分绝缘损坏所致。绝缘损坏是由于绝缘老化、过电压、机械损伤等造成。其他如操作人员带负荷拉闸或者检修后未拆除接地线就送电等误操作而引起的短路；鸟兽在裸露的载流部分上跨越以及风雪等自然现象也能引起短路。在三相供电中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。第一种短路称为对称短路，后三种通称为不对称短路。一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都可以归纳为对称短路的计算。在供电系统中，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。
3.2 短路的危害和研究短路的目的
发生短路时，因短路回路的总阻抗非常小，故短路电流可能达到很大的数值。强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到损害，短路点的电弧可能烧毁电气设备，短路点附近的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫为了限制短路的危害和缩小故障影响的范围，在变电所和供电系统的设计和运行中，必须用短路电流计算，以解决下列技术问题：
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机械强度。
2）选择和整定继电保护装置，使之能正确得切除短路故障。
3）确定限流措施，当短路电流过大在造成设备选择困难或不够经济时，可采取限制短路电流的措施。
4）确定合理的主接线方案和主要运行方式。
3.3 进行短路计算的基本假设
供电系统短路的物理过程是很复杂的，影响因数很多，为了简化分析和计算，采取一些合理的假设以满足工程计算的要求。通常采取以下基本假设
1）忽略磁路的饱和与磁滞现象，认为系统中的个元件参数为恒定。 2）忽略各元件的电阻。高压电网的各种电气元件，其电阻一般都比电抗小得多。在计算短路电流时，即便R=1/3 X ，忽略电阻所求得的短路电流仅增大5%，这在工程上是允许的。但电缆线路或小截面架空线路当R>1/3 X 时，电阻不能忽略。此外，在计算暂态过程的时间常数时，电阻不能忽略。
3）忽略短路点的过度电阻。过度电阻是指相与相之间短接所经过的电阻，如被外来物体短接时，外来物体的电阻、接地短路的接地电阻，电弧短路点电弧电阻等，一般情况下，都以金属性短路对待，只是在某些地方继电保护的计算中才考虑过渡电阻。
4）除不对称故障处出现局部不对称外，实际的电力系统通常都可以当做三相对称的。
对于以上各点假设，必须注意他们的适用条件，要具体问题具体分析。
3.4 短路计算 3.
4.1短路计算的步骤
1）设定基准容量d S 和基准电压d U ，计算短路点基准电流d I 2）计算短路回路中各主要元件的电抗标幺值
3）绘制短路回路的等效电路，按阻抗串并联求等效阻抗的方法，化简电路，计算短路回路的总电抗标幺值
3.4.2 计算各基准点
根据原始设计资料，取： 基准容量：d S =100MV A ；
35kV 母线基准电压：35d U =35kV ；则35Id =
353d d U S =
3
35100=1.65kA ；
10kV 母线基准电压：10d U =10kV ；则10d I =
10
3d d U S =
3
10100=5.77kA ；
最大运行方式下系统标么电抗：m in .*s X =0.16； 最小运行方式下系统标么电抗：m ax .*s X =0.25。
3.4.3 计算各元件的标幺电抗
1）35kV 架空进线线路相对电抗
两回进线的距离均为6km ，取架空线路的0x =0.35km /Ω，l =6km ，则：
*351
l X -=0x l d S /235d U =0.35×6×100/235=0.17 2）变压器相对电抗
变压器的主要参数为： 1T S =10000kV A ，%k U =7.5，
则：*1T X =*
2T X =
1100%T d k S S U =10
100100
5.7??=0.75
3) 10kV 架空线路
取一出线，距离为5km ，0x =0.35km /Ω，则：
*10X =0x l d S /210d U =0.35×5×100/210=1.75
4) 计算阻抗图如图3-1
图4-1 阻抗图
3.4.4短路电流的计算
1）k1点短路
（1）最大运行方式 系统总相对电抗
m X .35*=*351l X -+m in .*
s X =0.17+0.16=0.33
短路电流相对值
m k I .1*=m
X .351
*=1/0.33=3.03
实际短路参数
m k I .1)3(=m k I .1*35Id =3.03*1.65=5.00kA 1i s h =2.55m k I .1)3(=2.55*5.00=12.75KA （2）最小运行方式 系统总相对电抗
n X .35*=*351l X -+m ax .*s X =0.17+0.25=0.42
短路电流相对值
n k I .1*=n
X .351
*=1/0.42=2.38
实际短路参数
n k I .1)3(=n k I .1*35Id =2.38*1.65=3.93kA n k I .1)2(=0.866n k I .1)3(=0.866*3.93=3.40kA
2）k2点短路
（1）最大运行方式 系统总相对电抗
m X .6*=m X .35*+275.0=0.33+0.375=0.705
短路电流相对值
m k I .2*=m
X .61
*=1.42
m k I .2)3(=m k I .2*10d I =1.42*5.77=8.19kA
1ish =2.55m k I .2)3(=2.55*8.19=20.88KA
（2）最小运行方式 系统总相对电抗
n X .6*=n X .35*+275.0=0.42+0.375=0.795 短路电流相对值
n k I .2*=n
X .61
*=1/0.795=1.26KA
n k I .2)3(=n k I .2*10d I =1.26*5.77=7.27kA
实际短路参数
n k I .2)2(=0.866n k I .2)3(=0.866*7.27=6.30kA
3）k3点短路
（1）最大运行方式 系统总相对电抗
m X *=m X .6*+*
10
X =0.705+1.75=2.455 短路电流相对值
m k I .3*=m
X *
1
=0.41
实际短路参数
m k I .3)3(=m k I .3*10d I =0.41*5.77=2.37kA
3ish =2.55m k I .3)3(=2.55*2.37=6.03kA
（2）最小运行方式 系统总相对电抗
n X *=n X .6*+*
10
X =0.795+1.75=2.545 短路电流相对值
n k I .3*=n
X *1
=1/2.545=0.39kA
n k I .3)3(=n k I .3*10d I =0.39*5.77=2.25kA
n k I .3)2(=0.866n k I .3)3(=0.866*2.25=1.95kA 短路电流计算结果如下表
表4-1 短路电流计算结果
短路点 短路点 最大运行 短路点平 稳态短路 短路电流 位置 编号 方式 均工作电 电流有效 冲击值 压U （Kv ） 值I （kA ） i （kA ） 35kV 1K 最大 37 5.00 12.75 母线 最小 37 3.40
10Kv 2K 最大 10.5 8.19 20.88 母线 最小 10.5 6.30
10kV 3K 最大 10.5 2.37 6.03 架空线 最小 10.5 1.95