1概述 (3)

2负荷计算 (5)

2.1负荷分级 (5)

2.2矿井负荷计算 (5)

2.3功率补偿 (10)

3 主变器的选择 (12)

3.1变压器台数的选择 (12)

3.2 变压器选择计算 (12)

4 电⽓主接线的设计 (14)

4.1 电⽓主接线的设计原则和要求 (14)

4.1.1电⽓主接线的设计原则 (14)

4.1.2电⽓主接线设计的基本要求 (15)

4.2变电所的主结线⽅式 (15)

4.3本所主接线⽅案 (17)

4.3.1⽅案⽐较： (17)

5 短路电流计算 (19)

5.1 短路电流计算的⼀般概述 (19)

5.2 短路回路参数的计算 (20)

5.2.1标么值 (20)

5.2.2短路回路中各元件阻抗的计算 (21)

5.3短路电流的计算过程 (23)

6 电⽓设备的选择和校验 (26)

6.1⾼压电器选择的⼀般原则 (26)

6.2母线的选择 (27)

6.2.1 35KV母线的选择 (27)

6.2.2 6KV母线的选择 (28)

6.3电⽓设备的选择 (28)

6.3.1断路器的选择 (28)

6.3.2⾼压隔离开关的选择 (30)

6.3.3电流互感器的选择 (31)

6.3.4电压互感器的选择 (33)

6.2.5⾼压熔断器的选择 (33)

6.2.6开关柜的选择 (34)7 变电所的平⾯布置 (36)

7.1变电所位置确定原则 (36)

7.2 配电室建筑要求 (36)

7.3 控制室布置 (37)

8 变电所的防雷保护及接地装置 (38)

8.1直击雷过电压保护 (38)

8.2 本设计中避雷针的选择 (39)

8.3雷电侵⼊波的过电压保护 (39)

8.4防雷接地 (40)

9 继电保护 (42)

9.1 概述 (42)

9.1.1 变压器的⽡斯保护 (42)

9.1.2变压器的过电流保护 (42)

9.1.3变压器的差动保护 (43)

结束语 (44)

致谢 (45)

参考书⽬ (46)

1概述

随着现代⼯业的发展，电能在⼯业中越来越显⽰其作⽤的巨⼤，⽽作为接受和分配电能的变电站所更是在⼯业企业占据⼗分重要的位置，因此，设计、分析和发展变电所是⼀项很重要的任务。

⼤型电⼒⽤户的供电系统，采⽤电源电压等级为35KV，经主变电所和车间变电所两级变压。主变电所将35KV电压变为6—10KV电压，然后经配电线路引⾄各个车间变电所，车间变电所再将6—10KV电压变为220V/380V/660V的低电压供⽤电设备使⽤。

某些矿区环境和设备条件许可的⼤型电⼒⽤户也有采⽤所谓“⾼压深⼊负荷中⼼”的供电⽅式，即35KV的进线电压直接⼀次降为220V/380V/660V的的低压配电电压。

国民经济的不断发展对电⼒能源的需求也不断增⼤，致使变电所数量增加，电压等级提⾼，供电范围扩⼤及输配电容量增⼤，采⽤传统的变电站⼀次及⼆次设备已经越来越难以满⾜变电站安全及经济运⾏，少⼈值班或者⽆⼈值班的要求。随着变电所综合⾃动化技术的不断发展与进步，变电站综合⾃动化系统取代或更新传统的变电所⼆次系统，继⽽实现“⽆⼈值班”变电所已成为电⼒系统新的发展⽅向和趋势。

本矿供电系统由两条35kv进线供电。两条进线分别到室外两个35/6kv 主变压器，平常只⽤⼀台主变，另外⼀台备⽤。

矿井年产量：90万吨服务年限：80年

两回35kV架空电源线路长度：1l=2l=4km；

本所35KV电源母线最⼤运⾏⽅式下的系统电抗:

Xx=0.23 (Sj=100MVA)；

min

本所35KV电源母线最⼩运⾏⽅式下的系统电抗:

Xx=0.31 (Sj=100MVA)；

max本所6KV母线上补偿后功率因数要求值：COS =0.9。

⾃然条件

本矿位于平原地区

1、年最热⽉平均温度为40℃。

2、冻⼟层厚度为0.55m，变电所⼟质为沙质粘⼟。

3、本矿主导风向为西北⽅向，最⼤风速为26m/s。

2负荷计算

2.1负荷分级

根据⽤电设备在⼯艺⽣产中的作⽤，以及供电中断对⼈⾝和设备安全的影响，电⼒负荷通常可分为三个等级：

⼀级负荷：为中断供电将造成⼈⾝伤亡，或重⼤设备损坏难以修复带来极⼤的政治经济损失者。⼀级负荷要求有两个独⽴电源供电。本矿属于国有能源部门，其中断供电将有可能造成⼈员伤亡及重⼤经济损失，属于⼀级负荷。

⼆级负荷：为中断供电将造成设备局部破坏或⽣产流程紊乱且需较长时间才能恢复或⼤量产品报废，重要产品⼤量减产造成较⼤经济损失者。⼆级负荷应由两回线路供电，但当两回线路有困难时（如边远地区）允许由⼀回架空线路供电。

三级负荷：不属于⼀级和⼆级负荷的⼀般电⼒负荷，三级负荷对供电⽆特殊要求，允许长时间停电，可⽤单回线路供电。

本矿属于⽐较重要的⼯业部门，其供配电采⽤两条进线，下设两个35kv 的电⼒变压器。

2.2矿井负荷计算

⽬前，负荷计算常⽤需⽤系数法、利⽤系数法和⼆项式法。本设计采⽤需⽤系数法进⾏负荷计算，步骤如下：

需⽤系数法：⽤设备功率乘以需⽤系数和同时系数，直接求出计算负荷。这种⽅法⽐较简便，应⽤⼴泛，尤其适⽤于配、变电所的负荷计算。

(1)⽤电设备分组，并确定各组⽤电设备的总额定容量。 (2)⽤电设备组计算负荷的确定。

⽤电设备组是由⼯艺性质相同需要系数相近的⼀些设备合并成的⼀组⽤电设备。在⼀个车间中可根据具体情况将⽤电设备分为若⼲组，在分别计算各⽤电设备组的计算负荷。其计算公式为:

∑=N x ca P K P （2-1）

tan ca ca P Q = （2-2）

2

2ca ca ca Q P S += （2-3）

)3(n ca ca U S I = （2-4）

ca P 、ca Q 、ca S ——该⽤电设备组的有功、⽆功、视在功率计算负荷； ∑N P ——该⽤电设备组的设备总额定容量；

tan ——功率因数⾓的正切值；

n

U ——额定电压； ca I ——该⽤电设备组的计算负荷电流； x K ——需要系数，根据资料查得。

(3)多组⽤电设备组的计算负荷

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，但是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∑K

。具体计算如下：

∑=∑∑=mi i N xi ca P K K P 1

)(i ＝1、2、3…，m （2-5）

∑=∑∑=m i i N xi ca P K K Q 1

)tan (?

（2-6） 2

2ca ca

ca Q P S += （2-7）

)ca ca n I S = （2-8）

式中P 、Q 、S ——为配电⼲线式变电站低压母线的有功、⽆功、视在计算负荷；

∑K ——同时系数；

ca

I ——该⼲线变电站低压母线上的计算负荷电流; n

U ——该⼲线或低压母线上的额定电压;

m ——该配电⼲线或变电站低压母线上所接⽤电设备组总数；

i N x P K ∑、、?tan ——⽤电设备组的需要系数、功率因数⾓正切值、总设备容

量；

(4)负荷计算过程

采⽤需⽤系数法确定计算负荷，⽅法简便，使⽤⼴泛，为⽬前确定变

电所负荷的主要⽅法。需⽤系数法负荷计算的步骤从负荷开始逐级上推，到电源进线为⽌。

表2-1本矿变电所⽤电负荷

从表2-1中知本矿变电所的最⼤连续负荷为90KW ，⽆功负荷为4842KVar. 计算有功负荷时的x K 值相应取0.85，计算⽆功负荷时的x K 值相应取0.95。即6KV 母线计算负荷：6KV P =90x0.85=8194（KW ），

6KV Q =4842x0.95=4600（Kvar ）。

(1)提升机计算负荷

e P =1200kw X K =0. cos ?=0.83

tan ?=tan(art cos ?)=0.67

10P =X K ·e P =0.×1200=1068kw 10Q =10P ·tan ?=1068×0.67=715.56kva

10S =10P ／cos ?=

=1068/0.83=1287kva

10I =10S N U =1287kva/1.732×6000=123.8A

(2)抽风机计算负荷

e P =800kw X K =0.90 cos ?=0.87tan ?=tan(art cos ?)=0.57

20P =X K ·e P =0.90×800=720kw 20Q =20P ·tan ?=720×0.57=410kva

20S =20P ／cos ?=

20I =20S N U =828/1.732×6000=80A

(3)压风机计算负荷

e P =600kw X K =0.88 cos ?=0.86

tan ?=tan(art cos ?)=0.59

30P =X K ·e P =0.88×600=528kw 30Q =30P ·tan ?=528×0.59=311.52kva

30S =30P ／cos ?=

30I =30S N U =614/1.732×6000=59A

(4)机修⼚计算负荷

e P =350kw X K =0.60 cos ?=0.72

tan ?=tan(art cos ?)=0.96

40P =X K ·e P =0.60×350=210kw 40Q =40P ·tan ?=210×0.96=201.6kva

40S =40P ／cos ?

40I =40S N U =292/1.732×6000=28A

(5)地⾯低压计算负荷

e P =480kw X K =0.72 cos ?=0.76

tan ?=tan(art cos ?)=0.86

50P =X K ·e P =0.72×480=345.6kw 50Q =50P ·tan ?=345.6×0.86=297.2kva 50S =50P ／cos ?

50I =50S N U =455/1.732×6000=43.8A

(6)洗煤⼚计算负荷

e P =1500kw X K =0.75 cos ?=0.83

tan ?=tan(art cos ?)=0.67

60P =X K ·e P =0.75×1500=1125kw 60Q =60P ·tan ?=1125×0.67=753.75kva 60S =60P ／cos ?

60I =60S N U =1355/1.732×6000=130.4A

(7)⼯⼈村计算负荷

e P =420kw X K =0.75 cos ?=0.85

tan ?=tan(art cos ?)=0.62

70P =X K ·e P =0.75×420=315kw 70Q =70P ·tan ?=315×0.62=195.3kva

70S =70P ／cos ?

70I =70S N U =370.6/1.732×6000=35.7A

(8)排⽔泵计算负荷

e P =2240kw X K =0. cos ?=0.85

tan ?=tan(art cos ?)=0.62

80P =X K ·e P =0.×2240=1993.6kw 80Q = 80P ·tan ?=1993.6×0.62=1236kva

80S = 80P ／cos ?

80I = 80S N U =2345.4/1.732×6000=225.7A

(9)井下低压计算负荷

e P =1250kw X K =0.74 cos ?=0.79

tan ?=tan(art cos ?)=0.78

90P =X K ·e P =0.74×1250=925kw 90Q =90P ·tan ?=925×0.78=721.5kva

90S =90P ／cos ?

90I =90S N U =1170.9/1.732×6000=112.7A

根据变压器损耗公式：

△P=0.026KV P △Q=0.16KV Q

则有:

△P=163.88(KW) △Q=460(KVar)

考虑变压器损耗后全变电所计算负荷，即35KV 母线处计算负荷：

35KV P =8194+163.88=8357.88(KW) 35KV Q =4600+460=5060(Kva) 35KV S =9770.25(Kva)则⾃然功率因数：COS α=8357.88/9770.25=0.855

2.3功率补偿

在⼯业企业供电系统中，由于绝⼤多数⽤电设备均属于感性负荷，这些⽤电设备在运⾏时除了从供电系统取⽤有功功率P 外，还取⽤相当数量的⽆功功率Q 。有些⽣产设备在⽣产过程中还经常出现⽆功冲击负荷，这种冲击负荷⽐正常取⽤的⽆功功率可能增⼤5—6倍。

若功率因数偏低，在保证供⽤电设备的有功功率不便的前提下，电流将增⼤。这样电能损耗和导线截⾯增加，提⾼了电⽹初期投资的运⾏费⽤。电流增⼤同样会引起电压损失的增⼤。为了减少电能转化的损耗，降低投资，⼀般采⽤电⼒电容器进⾏补偿。优点是操作⽅便、可靠、运⾏经济，投资少以及有功损耗少。 (1)功率补偿因数计算

根据本矿变电所负荷统计的结果可知：35KV 侧的计算负荷

35KV S =8357.88+5060j ，其⾃然功率因数为0.855，现利⽤电容器补偿，

假设补偿后的功率因数为0.9，根据矿井安装电容器容量公式：

12(tan tan )C av Q P KVar αα=-

av P —矿井计算负荷；

1tan α—⾃然功率因数的正切值； 2tan α—补偿后的正切值。因此补偿的⽆功功率为：

C Q ?=8357.88×(tanarccos0.855—tanarccos0.9=1022(KVar)

则全所总⽆功计算负荷为：

Q=5060—1022=4038（KVar）

35KV

(2)选择电容器

选择电容器及个数

选择GR-1C-08型电容柜，容量为270千法。需⽤电容柜的数量：N=1022÷270=3.8 取4个柜。

表2-2 GR-1C-08型电容柜参数

实际补偿补偿后的功率因数：COS =0.903满⾜要求。

3 主变器的选择

3.1变压器台数的选择

(1)对⼤城市郊区的⼀次变电站，在中、低压侧已构成环⽹的情况下，变电站以装设两台主变压器为宜。

(2)对地区性孤⽴的⼀次变电站或⼤型⼯业专⽤变电站，在设计时应考虑装设三台主变压器的可能性。

(3)对于规划只装设两台主变压器的变电站，其变压器基础宜按⼤于变压器容量的1～2级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。

(4)本矿采⽤两台主变，平时只⽤⼀台，⼀台备⽤。

3.2 变压器选择计算

装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量N.T S 应同时满⾜以下两个条件：

(1)任⼀台单独运⾏时,应能满⾜不⼩于总计算负荷60%的需要。 (2)任⼀台单独运⾏时，应能满⾜全部⼀、⼆级负荷的需要。由于35KV S =9770.25(KVA)所以按条件选变压器。

N.T S ≥35KV S =9770.25(KVA)

因此每台主变压器的容量应选10000 KVA 。

故经过以上的验证，选⽤两台35/6.3kv ，额定容量为10000KVA 的SF7－10000/35变压器，地⾯低压变压器选⽤S9-

500,6/0.4KV,所⽤变压器选⽤S9-50/35。

表3-1 SF7-10000/35型电⼒变压器技术数据

表3-2 S9-500,6/0.4KV 型电⼒变压器技术数据

表3-3 S9-50/35型电⼒变压器技术数据

4 电⽓主接线的设计

4.1 电⽓主接线的设计原则和要求

4.1.1电⽓主接线的设计原则

(1)考虑变电所在电⼒系统的地位和作⽤

变电所在电⼒系统的地位和作⽤是决定主接线的主要因素。变电所不管是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分⽀变电所，由于它们在电⼒系统中的地位和作⽤不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。

(2)考虑近期和远期的发展规模

变电所主接线设计应根据五到⼗年电⼒系统发展规划进⾏。应根据负荷的⼤⼩及分布负荷增长速度和潮流分布，并分析各种可能的运⾏⽅式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。

(3)考虑⽤电负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响

对⼀级⽤电负荷，必须有两个独⽴电源供电，且当⼀个电源失去后，应保证全部⼀级⽤电负荷不间断供电；对⼆级⽤电负荷，⼀般要有两个

电源供电，且当⼀个电源失去后，能保证⼤部分⼆级⽤电负荷供电，三

级⽤电负荷⼀般只需⼀个电源供电。

(4)考虑主变台数对主接线的影响

变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将会产⽣直接的

影响。通常对⼤型变电所，由于其传输容量⼤，对供电可靠性要求⾼，

因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也⾼。⽽容量⼩的变电所，

其传输容量⼩，对主接线的可靠性、灵活性的要求低。

(5)考虑备⽤容量的有⽆和⼤⼩对主接线的影响

发、送、变的备⽤容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增、设备检修、故障停运情况下的应急要求。电⽓主接线的设计要根据备⽤容量的有⽆⽽有所不同，例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时允许切除线路、变压器的数量等，都直接影

响主接线的形式。

4.1.2电⽓主接线设计的基本要求

变电所的电⽓主接线应根据该变电所在电⼒系统中的地位，变电所

的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接总数、设备特点等条件确定。并应综合考虑供电可靠、运⾏灵活、操作检修⽅便、投资节约和便于过

渡或扩建等要求。可以简单概括为以下五点：

(1)可靠实⽤；

(2)运⾏灵活；

(3)简单经济；

(4)操作⽅便；(5)便于发展。

4.2变电所的主结线⽅式

变电所的主接线是由各种电⽓设备及其连接线组成，⽤以接受和分配电能，是供电系统的组成部分。它与电源回路数、电压和负荷的⼤⼩、级别以及变压器的台数、容量等因素有关，所以变电所的主接线有多种形式。确定变电所的主接线对变电所电⽓设备的选择、配电装置的配置及运⾏的可靠性等都有密切的关系，是变电所设计的重要任务之⼀。

（1）线路-变压器组接线

发电机与变压器直接连接成⼀个单元，组成发电机—变压器组，称为单元接线。它具有接线简单，开关设备少，操作简便，以及因不设发电机电压级母线，使得在发电机和变压器低压侧短路时，短路电流相对⽽⾔于具有母线时，有所减⼩等特点；这种单元接线，避免了由于额定电流或短路电流过⼤，使得选择出⼝断路器时，受到制造条件或价格甚⾼等原因造成的困难。

（2）桥式接线

为了保证对⼀、⼆级负荷进⾏可靠供电，在企业变电所中⼴泛采⽤有两回路电源受电和装设两台变压器的桥式主接线。桥式接线分为内桥、外

桥和全桥三种，其接线如图4-1所⽰：

图4-1桥式接线

图中WL

1和WL

2

为两回电源线路，经过断路器QF

1

和QF

2

分别接⾄变压

器T

1和T

2

的⾼压侧，向变电所送电。断路器QF

3

犹如桥⼀样将两回线路联

在⼀起，由于断路器QF

3可能位于线路断路器QF

1

、QF

2

的内侧或外侧，故

⼜分为内桥和外桥接线。

（3）单母线分段式结线有穿越负荷的两回电源进线的中间变电所，其受、配电母线以及桥式接线变电所主变⼆交侧的配电母线，多采⽤单母分段，多⽤于具有⼀⼆级负荷，且进出线较多的变电所，不⾜之处是当其中任⼀段母线需要检修或发⽣故障时，接于该母线的全部进出线均应停⽌运⾏。

（4）双母线接线

这种接线⽅式有两组母线，两组母线之间⽤断路器QF联络，每⼀回线路都通过⼀台断路器和两台隔离开关分别接到两组母线上。因此，不论哪⼀回线路电源与哪⼀组母线同时发⽣故障，都不影响对⽤户的供电，故可靠性⾼、运⾏灵活。双母线接线的缺点是设备投资多、接线复杂、操作安全性较差。这种接线主要⽤于负荷容量⼤，可靠性要求⾼，进、出线回路多的重要变电所。

4.3本所主接线⽅案

4.3.1电⽓主接线⽅案⽐较：

⽅案⼀单母线不分段接线如图4-2所⽰。

图4-2 电⽓主接线⽅案⼀

⽅案⼆单母线分段接线如图4-3所⽰。

图4-3电⽓主接线⽅案⼆

⽅案⼀种采⽤单母线不分段接线，虽然简单，但其可靠性不⾼。当母线需要检修或者发⽣故障时，会导致所有⽤电设备停电。且变电所的负荷⼤部分均为Ⅰ类、Ⅱ类负荷，因此⽅案⼀中的单母线不分段接线不能满⾜Ⅰ类、Ⅱ类负荷供电可靠性的要求。⽅案⼆中采⽤单母线分段接线的两段母线可看成是两个独⽴的电源，提⾼了供电的可靠性。可以保证当任⼀母线发⽣故障或检修时，都不会中断对Ⅰ类负荷的供电。综合⽐较本矿的35kv侧采取全桥形式的主接线，全桥型接线灵活可靠。6千伏侧则选⽤单母线分段接线。

5 短路电流计算

5.1 短路电流计算的⼀般概述

电⽓设备或导体发⽣短路故障时通过的电流为短路电流。在⼯业企业供电系统的设计和运⾏中，不仅要考虑到正常⼯作状态，⽽且还要考虑到发⽣故障所造成的不正常状态。根据电⼒系统多年的实际运⾏经验，破坏供电系统正常运⾏的故障⼀般最常见的是各种短路。所谓短路是指相与相之间的短接，或在中性点接地系统中⼀相或⼏相与⼤地相接（接地），以及三相四线制系统中相线与中线短接。当发⽣短路时，短路回路的阻抗很⼩，于是在短路回路中将流通很⼤的短路电流（⼏千甚⾄⼏⼗万安），电源的电压完全降落在短路回路中。

（1）短路的原因

主要原因是电⽓设备载流部分绝缘所致。其他如操作⼈员带负荷拉闸或者检修后未拆除地线就送电等误操作；鸟兽在裸露的载流部分上跨越以及风雪等现象也能引起短路。

（2）短路的种类

三相系统中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相短路（单相接地短路）和两相接地短路。除了上述各种短路以外，变压器或电机还可能发⽣⼀相绕组匝间或层间短路等。根据运⾏经验统计，最常见的是单相接地短路，约占故障总数的60%，两相短路约占15%，两相接地短路约占20%，三相短路约占5%。三相短路虽少，但不能不考虑，因为它毕竟有发⽣的可能，并且对系统的稳定运⾏有着⼗分不利的影响。单相短路虽然机会多短路电流也⼤，但可以⼈为的减⼩单相短路电流数值，使单相短路电流最⼤可能值不超过三相短路电流的最⼤值。这就使全部电⽓设备可以只根据三相或两相短路电流来选择，况且三相短路⼜是不对称短路的计算基础，尤其是⼯业企业供电系统中⼤接地电流系统⼜很少，因此应该掌握交流三相短路电流的计算。

（3）短路的危害下载本文