111KV牵引变电所防雷设计设计
2009届继续教育学院
专业电气自动化技术
学号 C3009130399
学生姓名陈晨
指导教师
完成日期：2011年11月23日
毕业设计评语及成绩
毕业设计任务书
毕业设计开题报告
摘要
变电所是电力系统重要组成部分，因此，它是防雷的重要保护部位。如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必须十分可靠。
变电所是电力系统重要组成部分，因此，它是防雷的重要保护部位。如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必须十分可靠。
关键词：变电所；防雷保护；接地装置
Abstract
Substation is an important part of power system, therefore, it is important to protect parts of the mine. If the substation lightning accidents, power outages will result in a large area, to the social production and people's lives inconvenient, requiring lightning protection measures must be very reliable.
Substation is an important part of power system, therefore, it is important to protect parts of the mine. If the substation lightning accidents, power outages will result in a large area, to the social production and people's lives inconvenient, requiring lightning protection measures must be very reliable.
Keywords: substation; lightning protection; grounding device
目录
绪论............................................................................................................... 错误！未定义书签。第一章、电气主接线的设计. (5)
第一节.电气主接线概述 (5)
第二节.110KV侧主接线的设计 (5)
第三节.35KV侧主接线的设计 (6)
第四节.10KV侧主接线的设计 (6)
第五节.主接线方案的比较选择 (6)
第六节.主接线中的设备配置 (7)
第二章、主要电气设备的选择 (10)
第一节.电气设备选择概述 (10)
第二节.110KV侧断路器隔离开关的选择 (11)
第三节.35KV侧断路器隔离开关的选择 (12)
第四节.10KV侧限流电抗器、断路器隔离开关的选择 (14)
第五节.电流互感器的选择 (17)
第六节.电压互感器的选择 (19)
第七节.母线的选择 (20)
第三章、主变保护配置 (25)
第一节.设置保护的目的 (25)
第二节.定时限过电流保护 (25)
第三节.电流速断保护 (26)
第四节.瓦斯保护 (26)
第四章、防雷保护和接地装置 (27)
第一节.变电所的保护对象 (27)
第二节.电工装置的防雷措施 (27)
第三节.本设计的防雷保护方案 (29)
第四节.接地装置 (31)
总结 (32)
致谢 (33)
参考文献 (34)
附录 (35)
绪论
第一节.环境条件
⑴变电站地处坡地
⑵土壤电阻率ρ=1.79*10000Ω/cm2
⑶温度最高平均气温+33℃，年最高气温40℃，土壤温度+15℃
⑷海拔1500m
⑸污染程度：轻级
⑹年雷暴日数：40日/年
第二节.电力系统情况
⑴系统供电到110kv母线上，35，10kv侧无电源，系统阻抗归算到110kv侧母线上U B=U av S B=110MV A系统110kv侧参数X110max=0.0765 X110min=0.162
⑵110kv最终两回进线四回出线，每回负荷为45MVA，本期工程两回进线，两回出线。
⑶35kv侧最终四回出线，全部本期完成，其中两回为双回路供杆输电
T max=4500h，负荷同时率为0.85
⑷10kv出线最终10回，本期8回T max=4500 h，负荷同时率0.85，最小负荷为最大负荷的70%，备用回路3 MW，6 MW，cosφ=0.85计算
⑸负荷增长率为2%
第三节.设计任务
⑴变电站电气主接线的设计
⑵主要电气设备选择
⑶主变保护配置
⑷防雷保护和接地装置
第一章、电气主接线的设计
第一节.电气主接线概述
发电厂和变电所中的一次设备、按一定要求和顺序连接成的电路，称为电气主接线，也成主电路。它把各电源送来的电能汇集起来，并分给各用户。它表明各种一次设备的数量和作用，设备间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。所以电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，对发电厂和变电所以及电力系统的安全、可靠、经济运行起着重要作用，并对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。
1. 在选择电气主接线时的设计依据
⑴发电厂、变电所所在电力系统中的地位和作用
⑵发电厂、变电所的分期和最终建设规模
⑶负荷大小和重要性
⑷系统备用容量大小
⑸系统专业对电气主接线提供的具体资料
2. 主接线设计的基本要求
⑴可靠性⑵灵活性⑶经济性
3.6-220KV高压配电装置的基本接线
有汇流母线的连线：单母线、单母线分段、双母线、双母分段、增设旁母线或旁路隔离开关等。
无汇流母线的接线：变压器-线路单元接线、桥形接线、角形接线等。
6-220KV高压配电装置的接线方式，决定于电压等级及出线回路数。
第二节.110KV侧主接线的设计
由《电力工程电气设计手册》第二章第二节中的规定可知：
110KV侧配电装置宜采用单母线分段的接线方式。
110KV侧采用单母线分段的接线方式，有下列优点：
⑴供电可靠性：当一组母线停电或故障时，不影响另一组母线供电；
⑵调度灵活，任一电源消失时，可用另一电源带两段母线：
⑶扩建方便；
⑷在保证可靠性和灵活性的基础上，较经济。
故110KV侧采用单母分段的连接方式。
第三节.35KV侧主接线的设计
由《电力工程电气设计手册》第二章第二节中的规定可知：
当35—63KV配电装置出线回路数为4—8回，采用单母分段连接，当连接的电源较多，负荷较大时也可采用双母线接线。
故35KV可采用单母分段连接也可采用双母线连接。
第四节.10KV侧主接线的设计
10KV侧出线回路数本期为8回，最终10回
由《电力工程电气设计手册》第二章第二节中的规定可知：
当6—10KV配电装置出线回路数为6回及以上时采用单母分段连接
故10KV采用单母分段连接
第五节.主接线方案的比较选择
由以上可知，此变电站的主接线有两种方案
方案一：110KV侧采用单母分段的连接方式，35KV侧采用单母分段连接，10KV 侧采用单母分段连接。
方案二：110KV侧采用单母分段的连接方式，35KV侧采用双母
线连接，10KV侧采用单母分段连接。
此两种方案的比较
方案一110KV侧采用单母分段的连接方式，供电可靠、调度灵活、扩建方便，35KV、10KV采用单母分段连线，对重要用户可从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常母线供电不间断，所以此方案同时兼顾了可靠性，灵活性，经济性的要求。
方案二虽供电更可靠，调度更灵活，但与方案一相比较，设备增多，配电装置布置复杂，投资和占地面增大，而且，当母线故障或检修时，隔离开关作为操作电器使用，容易误操作。
由以上可知，在本设计中采用第一种接线，即110KV侧采用单母分段的连接方式，35KV侧采用单母分段连线，10KV侧采用单母分段连接。
方案一图:
110KV
10KV
35KV
方案二图：
10KV
110KV
35KV
第六节.主接线中的设备配置
1. 隔离开关的配置
⑴中小型发电机出口一般应装设隔离开关：容量为220MW及以上大机组与双绕组变压器为单元连接时，其出口不装设隔离开关，但应有可拆连接点。
⑵在出线上装设电抗器的6—10KV配电装置中，当向不同用户供电的两回线共用一台断路器和一组电抗器时，每回线上应各装设一组出线隔离开关。
⑶接在发电机、变压器因出线或中性点上的避雷器不可装设隔离开关。
⑷中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；自耦变压器的中性点则不必装设隔离开关。
2. 接地刀闸或接地器的配置
⑴为保证电器和母线的检修安全，35KV及以上每段母线根据长度宜装设1—2组接地刀闸或接地器，每两接地刀闸间的距离应尽量保持适中。母线的接地刀闸宜装设在母线电压互感器的隔离开关和母联隔离开关上，也可装于其他回路母线隔离开关的基座上。必要时可设置独立式母线接地器。
⑵63KV及以上配电装置的断路器两侧隔离开关和线路隔离开关的线路宜配置接地刀闸。
3. 电压互感器的配置
⑴电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足测量、保护、同期和自动装置的要求。电压互感器的配置应能保证在运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点的两侧都能提取到电压。
⑵旁路母线上是否需要装设电压互感器，应视各回出线外侧装设电压互感器的情况和需要确定。
⑶当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。
⑷当需要在330KV及以下主变压器回路中提取电压时，可尽量利用变压器电容式套管上的电压抽取装置。
⑸发电机出口一般装设两组电压互感器，供测量、保护和自动电压调整装置需要。当发电机配有双套自动电压调整装置，且采用零序电压式匝间保护时，可再增设一组电压互感器。
4.电流互感器的配置
⑴凡装有断路器的回路均应装设电流互感器其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。
⑵在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器：发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口、桥形接线的跨条上等。
⑶对直接接地系统，一般按三相配置。对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相配置。
⑷一台半断路器接线中，线路—线路串可装设四组电流互感器，在能满足保护和测量要求的条件下也可装设三组电流互感器。线路—变压器串，当变压器的套管电流互感器可以利用时，可装设三组电流互感器。
5.避雷器的装置
⑴配电装置的每组母线上，应装设避雷器，但进出线装设避雷器时除外。
⑵旁路母线上是否需要装设避雷器，应视在旁路母线投入运行时，避雷器到被保护设备的电气距离是否满足要求而定。
⑶220KV及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。
⑷三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器。
⑸下列情况的变压器中性点应装设避雷器
①直接接地系统中，变压器中性点为分级绝缘且装有隔离开关时。
②直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时。
③接地和经消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点上。
④发电厂变电所35KV及以上电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设避雷器。
⑤SF6全封闭电器的架空线路侧必须装设避雷器。
⑥110—220KV线路侧一般不装设避雷器。
第二章、主要电气设备的选择
第一节.电气设备选择概述
1.选择的原则
⑴应满足正常运行、检修、短路、和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。
⑵应按当地环境条件校核。
⑶应力求技术先进和经济合理
⑷与整个工程的建设标准应协调一致。
⑸同类设备应尽量减少种类。
⑹选用的新产品均应具有可靠的实验数据。
⑺设备的选择和校验。
2.电气设备和载流导体选择的一般条件
⑴按正常工作条件选择
①额定电压：所选电气设备和电缆的最高允许工作电压，不得低于装设回路
的最高运行电压U N≥U Ns
②额定电流：所选电气设备的额定电流I N，或载流导体的长期允许电流I y，
不得低于装设回路的最大持续工作电流I max 。计算回路的最大持续工作电流I max 时，应考虑回路在各种运行方式下的持续工作电流，选用最大者。
⑵按短路状态校验
①热稳定校验：
当短路电流通过被选择的电气设备和载流导体时，其热效应不应超过允许值，
I t2t> Q k，t k=t in+t a，校验电气设备及电缆（3～6KV厂用馈线电缆除外）热稳定时，
短路持续时间一般采用后备保护动作时间加断路器全分闸时间。
②动稳定校验：
i es＞i sh，用熔断器保护的电气设备和载流导体，可不校验热稳定；电缆不校验动稳定；
⑶短路校验时短路电流的计算条件：
所用短路电流其容量应按具体工程的设计规划容量计算，并应考虑电力系统的远景发展规划；计算电路应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列的接线方式；短路的种类一般按三相短路校验；对于发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统、自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路更严重时，应按严重情况校验。
第二节.110KV侧断路器隔离开关的选择
1. 进线侧断路器、母联断路器的选择
流过断路器的最大持续工作电流
I max=(2×S N )/(3×U N)=(2×63000)/(3×110)=661.33 (A) （式2-1）
额定电压选择：U N≥U Ns=110KV
额定电流选择：I N>I max=661.33A
开断电流选择：I Nbr>I”=7.22KA (d1 点短路电流)
在本设计中110KV侧断路器采用SF6高压断路器，因为与传统的断路器相比SF6高压断路器具有安全可靠，开断性能好，结构简单，尺寸小，质量轻，操作噪音小，检修维护方便等优点，已在电力系统的各电压等级得到广泛的应用。
110KV的配电装置是户外式，所以断路器也采用户外式。
从《电气工程电器设备手册》（上册）中比较各种110KVSF6高压断路器的应采用LW11-110II型号的断路器。
热稳定校验：I t2t> Q k （式2-2）
I t2t=402 ×3=4800[（KA）2S] （式2-3）
电弧持续时间取0.04S，热稳定时间为：t k =0.15+0.03+0.04=0.22<1 S
因此需要计入短路电流的非周期分量，查表得非周期分量的等效时间
T=0.05S
Q np =TI”=0.05×7.222 =2.61[（KA）2S] （式2-4）
Q p =
=0.22(7.222+10×7.222 +7.222 )/12=11.47[（KA）2S]
Q k= Q np+Q p=2.61+11.47=14.08[（KA）2S]
所以I t2t> Q k 满足热稳定校验
动稳定校验：
i es=100KA>i sh =18.41KA
满足动稳定校验，因此所选断路器合适。
2. 主变压器侧断路器的选择由（式2-1）
I max=(1.05×S N )/(3×U N)=(1.05×63000)/(3×110)=347.20 (A)
额定电压选择：U N≥U Ns=110KV
额定电流选择：I N>I max=347.20A
开断电流选择：I Nbr>I”=7.22KA (d4 点短路电流)
由上表可知LW11-110II同样满足主变侧断路器的选择
其动稳定、热稳定计算与母联侧相同
3. 进线侧隔离开关、母联断路器隔离开关的选择
额定电压选择：U N≥U Ns=110KV
额定电流选择：I N>I max=661.33A
极限通过电流选择：i es>i sh=18.41KA(d1 点短路电流)
选用GW4-110D型隔离开关。
热稳定校验：I t2t>Q k 由（式2-2）
I t2t=252×4=2500> Q k =14.08[（KA）2S] 由（式2-3）
动稳定校验：
i es=62.5KA>i sh =18.41KA
满足动稳定和热稳定要求
4. 主变压器侧隔离开关的选择
额定电压选择：U N≥U Ns=110KV
额定电流选择：I N>I max=347.20A
极限通过电流选择：i es>i sh=18.41KA(d4 点短路电流)
由上表可知GW4-110D同样满足主变侧隔离开关的选择。
其动稳定、热稳定计算与母联侧相同。
第三节.35KV侧断路器隔离开关的选择
1. 出线侧断路器、母联断路器的选择
流过断路器的最大持续工作电流由（式2-1）
I max=(2×S N )/(3×U N)=(2×63000)/(3×35)=2078.46(A)
额定电压选择：U N≥U Ns=35KV
额定电流选择：I N>I max=2078.46A
开断电流选择：I Nbr>I”=7.64KA (d2 点短路电流)
选用SW4-35I型断路器。
热稳定校验：I t2t> Q k
I t2t=162×4=1024[（KA）2S]
电弧持续时间取0.04S，热稳定时间为：t k =0.15+0.08+0.06=0.29<1 S 因此需要计入短路电流的非周期分量，查表得非周期分量的等效时间
T=0.05S
Q np =TI”=0.05×7.642 =2.92[（KA）2S]
Q p =0.22(7.642+10×7.642 +7.642)/12=16.93[（KA）2S]
Q k= Q np+Q p=2.92+16.93=19.85[（KA）2S]
所以I t2t> Q k 满足热稳定校验
动稳定校验：
i es=40KA>i sh =19.48KA
满足动稳定校验，因此所选断路器合适。
2. 主变压器侧断路器的选择由式（2-1）
I max
=(1.05×S N )/(3×U N)=(1.05×63000)/(3×35)=1091.19(A)
额定电压选择：U N≥U Ns=35KV
额定电流选择：I N>I max=1091.19A
开断电流选择：I Nbr>I”=6.12KA (d5 点短路电流)
由上表可知SW4-35I同样满足主变侧断路器的选择。
其动稳定、热稳定计算与母联侧相同。
3. 出线侧隔离开关、母联断路器隔离开关的选择由式（2-1）
I max=(2×S N )/(3×U N)=(2×63000)/(3×35)= 2078.46 (A)
额定电压选择：U N≥U Ns=35KV
额定电流选择：I N>I max=2078.46A
极限通过电流选择：i es>i sh=19.48KA (d2 点短路电流)
选用GW4-35DW型隔离开关。
热稳定校验：I t2t> Q k
I t2t=31.52×4=3969> Q k=19.85[（KA）2S]
动稳定校验：
i es=63KA>i sh =19.48KA
满足动稳定和热稳定要求
4. 主变压器侧隔离开关的选择由式（2-1）
I max
=(1.05×S N )/(3×U N)=(1.05×63000)/(3×35)=1091.19(A)
额定电压选择：U N≥U Ns=35KV
额定电流选择：I N>I max=1091.19A
极限通过电流选择：i es>i sh=15.61KA(d5 点短路电流)
由上表可知GW4-35DW同样满足主变侧隔离开关的选择。
其动稳定、热稳定计算与母联侧相同。
第四节.10KV侧限流电抗器、断路器隔离开关的选择
1. 限流电抗器的选择
由于短路电流过大需要装设限流电抗器
额定电压选择：U N≥U Ns=10KV
额定电流选择：I N>I max=1.553KA
I max=(ΣS2×70%)/(3×U N)=( 38420×70%)/(3×10)=1.553KA
设将电抗器后的短路电流限制到I″=20KA
将短路电流限制到要求值，此时所必须的电抗器的电抗百分值X L%按下式计算：
式（2-4）
I B=6.048KA
=0.0765+0.183//0.183=0.0765+0.0915=0.168
S B=110MVA
S”=3U B I”=3×10.5×20=363.72MVA
选用XKK-10-4000-12型电抗器。
电压损失和残压校验
当所选电抗值大于计算值时，应重算电抗器后短路电流，以供残压校验。
式（2-5）
=(0.12×1.553) ×0.6/4=2.80%<5%
=0.12×35.99/0.6=719.8%>60%~70%
热稳定校验：I t2t> Q k
电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为：t k =2+0.17+0.06=2.23<1 S
因此需要计入短路电流的非周期分量，查表得非周期分量的等效时间
T=0.05S
Q np =TI”=0.05×35.992 =64.76[（KA）2S] 式
（2-6）
Q p =2.23(35.992+10×35.992 +35.992)/12=2888.47[（KA）2S]
Q k= Q np+Q p=64.76+2888.47=2953.23[（KA）2S]
I t2t=802×4=25600[（KA）2S]，满足热稳定要求
i es=204KA>i sh =91.77KA，满足动稳定要求
根据以上校验，所选电抗器满足要求
具体参数如下表：
表（2-1）
2.出线侧断路器、母联断路器的选择
限流后I”=20KA，i sh =2.55×20=51KA
流过断路器的最大工作电流为：由式（2-1）
I max=(2×ΣS2)/(3×U N)=(2×38420)/(3×10)=4436.36(A)
额定电压选择：U N≥U Ns=10KV
额定电流选择：I N>I max=4436.36A
开断电流选择：I Nbr>I”=20KA (加装限流电抗器后d3 点短路电流)
选择SN4—10G/5000型断路器。
热稳定校验
I t2t=1202×4=57600 [（KA）2S] 式（2-7）
设后备保护时间为2S，灭弧时间为0.06S
t k =2+0.15+0.06=2.21S>1S，因此不计短路电流的非周期分量
式（2-8）
=2.21×(12×202)/12=884 [（KA）2S]
I t2t> Q k ，因此所选断路器满足热稳定要求
动稳定校验：
i es =300KA>i sh=51 KA，满足动稳定要求
因此，所选断路器合适
具体参数如下：
表2-2
3. 主变压器侧断路器的选择
I max
=(1.05×ΣS2)/(3×U N)=(1.05×38420)/(3×10)=2329.09(A)
额定电压选择：U N≥U Ns=10KV
额定电流选择：I N>I max=2329.09A
开断电流选择：I Nbr>I”=29.82KA (d6点短路电流)
由上表可知SW4-10G/5000同样满足主变侧断路器的选择。
其动稳定、热稳定计算与母联侧相同。
4. 出线侧隔离开关、母联断路器隔离开关的选择
I max=(2×ΣS2)/(3×U N)=(2×38420)/(3×10)= 4436.36 (A)
额定电压选择：U N≥U Ns=10KV
额定电流选择：I N>I max=4436.36A
极限通过电流选择：i es>i sh=91.77KA (加装限流电抗器后d3 点短路电流)
选用GN10—10T/5000—200型隔离开关。
热稳定校验：I t2t> Q k
I t2t=1002×5=50000[（KA）2s]
所以，I t2t> Q k=884 [（KA）2s]，满足热稳校验
动稳定校验：
i es=200kA＞i sh=51kA，满足校验要求
因此，所选隔离开关合适