1、淺談10kV變電站的設計摘要:從負荷計算、無功補償、站址選擇、主接線選用、短路電流、設備選型、繼保配置、防雷接地、照明、配網自動化等方面論述了10kV變電站設計的主要內容和設計程序.關鍵詞： 10kV變電站; 設計; 負荷計算； 無功補償10kV配電網屬中壓配電網，它延伸至用電負荷的中心或居民小區內，直接面對工礦企業和居民等廣大用戶的供電需要，起著承上啟下確保用戶供電的作用，因此10kV配電網所處的地位十分重要. 在配電工程中，能否保證系統安全、經濟、可靠地運行,工程的設計質量是一個重要條件. 本文就10kV變電站的設計思路進行探討。1 負荷計算及負荷分級計算負荷是確定供電系統，選擇主變容量、

2、電氣設備、導線截面和儀表量程的依據,也是整定繼電保護的重要數據. 因此,正確進行負荷計算及負荷分類是設計的前題,也是實現供電系統安全、經濟運行的必要手段. 此階段需要的原始資料有： 供電區域的總平面圖； 供電區域逐年及最終規模的最大負荷、年耗電量、功率因數值及項目投產日期； 每回出線的名稱、負荷值、各負荷的性質及對供電可靠性或其它方面的特殊要求; 供電部門對電源電壓、供電方式、電源路數及繼電保護、自動裝置等方面的相關意見; 用戶對變電站設置方面的數量、容量、位置等的設想及資金準備情況等.計算負荷的方法多種多樣，如需用系數法、二項式法、利用系數法等. 目前多數采用需用系數法與二項式法相結合的方法

3、，部分采用利用系數法。 但是由于利用系數法其理論依據是概率論和數理統計,計算結果比較接近實際，因此也適用于各類的負荷,在以后的負荷計算工作中將占主導地位。負荷根據其對供電可靠性的要求可劃分為一、二、三級負荷。 對于一級負荷,如醫院的手術室等必須有兩個獨立的電源供電,如同時具備兩個條件的發電廠或變電所的不同母線段等，且當兩個獨立電源中任一電源失去后,另一電源能保證對全部一級負荷的不間斷供電。 對于一級負荷中的特別重要負荷,也稱保安負荷. 如用于銀行主要業務的電子計算機及其外部設備、防盜信號等必須備有應急電源,應由兩個獨立的電源點供電. 如兩個發電廠、一個發電廠和一個地區電網或一個電力系統中的兩個

4、區域性變電所等。 獨立于正常電源的發電機同樣可作為應急電源，實行先斷后通。 對于二級負荷一般需有兩個獨立電源供電,且當任一電源失去后,另一電源能保證對全部或部分的二級負荷供電。 對于三級負荷,通常只需一個電源供電。 在各類負荷中，除了保安負荷外,都不應按一個電源系統檢修或故障的同時另一電源又發生故障進行設計.2 無功補償的確定在電力系統中，存在著廣泛的、大量的感性負荷,在系統運行中消耗大量的無功功率，降低了系統的功率因數，增大了線路的電壓損失,電能損耗也增高。 因此，國家供用電規則規定：無功電力應就地平衡,用戶應在提高用電自然功率的基礎上設計和裝置無功補償設備,并做到隨其負荷和電壓變動及時投入

5、或切除，防止無功倒送。 目前廣泛采用并聯電容器作為無功補償裝置，分集中補償和分散補償兩種. 在確定無功補償方案時應注意如下問題:2。 1 補償方式問題目前無功補償的出發點還放在用戶側，只注意補償用戶的功率因數,而不是立足于降低電力網的損耗. 如為提高某電力負荷的功率因數,增設1臺補償箱，對降損有所幫助，但要實現最有效的降損，可通過計算無功潮流來確定各點的最優補償量及補償方式,使有限的資金發揮出最大的效益。2。 2 諧波問題電容器具備一定的抗諧波能力,但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響，甚至造成電容器的過早損壞，且電容器對諧波有放大作用，因此使系統的諧波干擾更嚴重. 動態無功補償的控制容易

6、受諧波干擾的影響,造成控制失靈. 因而在有較大諧波干擾的地方補償無功，還應考慮添加濾波裝置。2. 3 無功倒送問題無功倒送會增加線路及變壓器的損耗，加重線路的負擔,因此是電力系統所不允許的.2。 4 電容器容量的選擇(1） 集中補償容量( kvar) :QC = P ( tan1 tan2) . P為最大負荷月的平均有功功率， kW； tg1為補償前功率因數的正切值； tg2為補償后功率因數的正切值；（2) 單個電動機隨機補償容量( kvar) :QC = 3 I0Un。 Un 為電動機的額定電壓, kV; I 0為電動機的空載電流, A.（3) 按配電變壓器容量確定補償容量（ kvar） .

7、 在配電變壓器低壓側安裝電容器時, 應考慮在輕負荷時防止向10kV配電網倒送無功，以取得最大的節能效果。 QC = （0。 10 0. 15) Sn。 Sn 為配變容量， kVA。3 變電站位置的確定變電站位置應避開大氣污穢、鹽霧、與鄰近設施有相互影響的地區（如軍事設施、通信電臺、飛機場等) 、滑坡、滾石、明暗河塘等，靠近負荷中心出線條件好，交通運輸方便. 當前,在一些居民區變電站的建設中，有部分居民對實際情況不了解或看到一些報刊雜志上的片面宣傳資料，對配電設備的環境影響產生了誤解或恐懼心理，引發“要用電，但拒絕供電設備”的矛盾. 根據上海市輻射環境監理所對上海市內不同類型的已投運的100余座

8、10kV變電站歷時兩年多的實測和調研，結果如下：（1) 具有獨立建筑物的10kV變電站： 變電站產生的電場經過實心墻體的屏蔽,得到有效的衰減,基本無法穿出. 在距鐵門、百葉窗等非實心墻體外34米處，電場強度已衰減至環境背景值的水平。 磁感應強度對實心墻體的穿透力較強，其垂直分量大于水平分量，隨著空間距離的增長有明顯的衰減. 實際測得的最大電場與磁場強度值遠低于我國環境標準所規定的居民區電場與磁場參考限值.(2) 置于大樓內的10kV變電站： 電磁場在戶內所測得的數值相對比戶外的數值要高. 無論戶內或戶外，實際測得的最大電場與磁場強度值均比我國環境標準所規定的參考限值有較大的裕度。(3） 10k

9、V預裝式變電站: 10kV預裝式變電站附近的電場強度與上述具有獨立建筑物變電站的情況相當,磁感應強度在總體上偏小。 電場與磁場實測最大強度值均遠低于我國環境標準所規定的參考限值.在浙江省農村低壓電力設施裝置標準中也要求變電站離其它建筑物宜大于5米。 在設計中，還應考慮到變電站的噪聲對周圍環境的影響，必要時采用控制和降低噪聲的措施。4 主變壓器選擇在10kV變電站中,要選用性能優越、節能低損耗和環保型的變壓器. 變壓器的臺數及容量要根據負荷計算和負荷分級的結果并結合經濟運行進行選擇。 當有大量的一、二級負荷，或季節負荷變化較大,或集中負荷較大時，宜裝設兩臺及以上的變壓器。 當其中任一臺變壓器斷開

10、時,其余變壓器應滿足一級負荷及大部分二級負荷的用電需要. 定變壓器容量時還要綜合考慮環境溫度、通風散熱條件等相關因素。 對沖擊性較大的負荷、季節性容量較大的負荷、小區或高層建筑的消防和電梯等需備用電源的負荷等可設專用變壓器，此方法既保障了電能的質量及供電的可靠性,又結合了電費電價政策，做到經濟運行.為了使變壓器容量在三相不平衡負荷下得以充分利用,并有利于抑制3n次諧波影響,宜選用的變壓器接線組別為D， yn11。 D， yn11接線的變壓器低壓側單相接地短路時的短路電流大,也有利于低壓側單相接地故障的切除。 在改、擴建工程中，為了滿足變壓器并列運行條件,選用的變壓器接線組別與原有的保持一致,短

11、路阻抗百分比接近，容量比不超過13。 如我縣某企業,其設備的用電規格與我國不相一致,根據用戶的意見，我們將容量為630kVA的主變接線組別定為D, dn，并要求變壓器設單獨的接地系統,以此滿足用戶的供電要求. 設在高層建筑內部的變電站，主變采用干式變壓器。 設在周圍大氣環境較差的變電站，應選用密閉型或防腐型變壓器。 為了不降低配電運行的電壓, 10kV變電站的主變分接頭宜放在10. 5kV上,分接范圍油浸變為±5 ，干式變為±2 ×2. 5%.5 電氣主接線的選擇變電站的主接線對變電站內電氣設備的選擇、配電裝置的布置及運行的可靠性與經濟性等都有密切的關系,是變電站

12、設計中的重要環節. 主接線的形式多種多樣,在10kV變電站的設計中常用的有單母接線、單母分段接線、線路變壓器組接線、橋式接線等,每種接線均有各自的優缺點. 通過對幾種能滿足負荷用電要求的主接線形式在技術、經濟上的比較，選擇最合理的方案.技術指標包括: 供電的可靠性與靈活性; 供電電能質量； 運行管理、維護檢修條件； 交通運輸及施工條件； 分期建設的可能性與靈活性； 可發展性.經濟指標包括： 基建投資費用。 年運行費。我縣西部的甲乙兩企業，以前均由長廣的6kV線路供電,現都要求改為電網10kV供電。 在甲企業中,由于其預計運行的時間只有3年左右,且周圍均為10kV電網供電，經過技術及經濟比較,采

13、用了保留原有供電設備,僅增一臺特殊變比（10kV /6kV)的變壓器來滿足用電要求的方案,節省了投資，節約了時間。在乙企業中，其新增設備的額定電壓為10kV，在企業周圍還有部分采用6kV電壓等級供電的負荷，如同樣采用甲企業的方法，僅增一臺特殊變比（10kV /6kV)的變壓器，則該企業有可能成為一個新的6kV電壓等級供電點,對用電的管理及電網的運行均產生不利的影響。 經技術及經濟比較,向用戶列舉了10kV供電的諸多優點，動員用戶對原有供電設備進行了改造。 此方法對用戶、電網和用電管理部門都是一個較理想的選擇.6 短路電流計算在供電系統中危害最大的故障是短路，為了正確選擇和校驗電氣設備,須計算短

14、路電流.在10kV變電站的短路電流計算中，一般將三相短路電流作為重點。 為了簡化短路電流計算方法,在保證計算精度的情況下,可忽略一些次要因素的影響. 其規定有:（1) 所有電源的電動勢相位角相同,電流的頻率相同,短路前電力系統的電勢和電流是對稱的。（2） 認為變壓器為理想變壓器，變壓器的鐵芯始終處于不飽和狀態,即電抗值不隨電流大小發生變化。（3) 輸電線路的分布電容略去不計。(4） 每一個電壓級均采用平均額定電壓，只有電抗器采用加于電抗器端點的實際額定電壓。（5) 一般只計發電機、變壓器、電抗器、線路等元件的電抗。(6) 在簡化系統阻抗時,距短路點遠的電源與近的電源不能合并.參照以上原則，給出

15、變電站在最大運行方式下的等效電路圖，運用同一變化法或個別變化法分別得出:(1) 次暫態短路電流（ I ”) ，用來作為繼電保護的整定計算和校驗斷路器的額定斷流容量.(2） 三相短路沖擊電流（ Ish ） ，用來校驗電器和母線的動穩定。（3) 三相短路電流穩態有效值( I ) ,用來校驗電器和載流導體的熱穩定.（4) 次暫態三相短路容量（ S ”) ，用來校驗斷路器的遮斷容量和判斷母線短路容量是否超過規定值,作為選擇限流電抗器的依據.7 設備的選擇及校驗在進行電氣設備選擇時,應根據工程的實際情況，在保證安全、可靠的前題下,積極而穩妥地采用新技術，注意節約投資.7. 1 10kV開關柜的選擇容量為

16、500kVA及以上的變壓器一般均配有10kV開關柜。 10kV開關柜可分為固定式和手車式開關柜.就絕緣介質而言，目前10kV開關柜的主流產品又可分為SF6氣體絕緣和真空絕緣. SF6氣體絕緣的開關柜體積小,一般20年內免維護,但價格高，其氣體的泄露還會造成環境污染. 真空絕緣的開關柜體積適中，相對同等檔次的SF6氣體絕緣的開關柜來說價格略低,使用過程中不會造成環境污染，但每二年就需做一次試驗，增大了運行維護的工作量。 因此開關柜的選擇除按正常工作條件選擇和按短路狀態校驗外,還應考慮開關柜放置的場合和對開關柜性能的要求等條件. 如我縣某工程,其預留的10kV變電站位置在地下室，該工程在建筑上并沒

17、有考慮變電站的通風問題,且在建筑施工時設置的變電站大門只有2。 05米凈高,用電可靠性要求較高。 在這里,選用SF6氣體絕緣的開關柜顯然違背了國家電網公司電力安全工作規程中在SF6電氣設備上的工作這一節的相關條款. 但一般的真空開關柜高度均在2. 2米以上，通過對一些開關柜制造廠家的咨詢，最后采用了高度為1. 9米的非標型真空開關柜。7。 2 10kV負荷開關和熔斷器組合的選擇在10kV變電站的設計中,對主變容量在400kVA及以下的變電站，高配部分通常采用負荷開關加熔絲的組合,其接線簡單. 為提高工作效率,筆者綜合了各部門對400kVA及以下變電站建設的意見和建議,制作了一套400kVA及以

18、下變電站設計的標準圖，取得了良好的效果.在10kV負荷開關和熔斷器組合的選擇方面, 10kV負荷開關按正常工作條件選擇和按短路狀態校驗. 熔斷器的熔體額定電流按Ie = k I1。 max進行選擇，其中k為可靠系數,當不計電動機自起動時取1。 11. 3,考慮電動機自起動時取1. 52. 0； I 1. max為電力變壓器回路的最大工作電流. 熔管的額定電流熔體的額定電流. 選擇熔斷器時，還應保證前后兩級熔斷器之間(多見于美式箱變） 、熔斷器與電源側的繼電保護之間、熔斷器與負荷側的繼電保護之間的動作選擇性. 當本段保護范圍內發生短路故障時，應在最短的時間內切除故障. 當電網接有其它接地保護時,

19、回路中的最大接地電流與負荷電流之和應小于最小熔斷電流。7。 3 0. 4kV開關柜的選擇0。 4kV開關柜的主流產品目前有GGD、GCK、GCS等. 按正常工作條件選擇,按短路狀態校驗。 一般對于接線簡單、出線回路少的場合采用GGD型。 對于出線多、供電可靠性較高、供電設備較美觀的場合采用GCK或GCS型. 無論采用何種柜型,其所配置的開關都應根據負荷的用電要求及用戶的資金準備情況加以合理選擇,使其具有較高的性價比.7。 4 電力電纜的選擇（1） 首先應根據用途、敷設方式和使用條件來選擇電力電纜的類型. YJV型交聯聚乙烯電纜和VV型聚氯乙烯電纜是目前工程建設中普遍選用的兩種電纜。 YJV型電

20、纜與VV型電纜相比, YJV型電纜雖然價格略高，但具有外徑小、重量輕、載流量大、壽命長的顯著優點( YJV型電纜壽命可長達40年, VV型電纜壽命僅為20年） ，因此在工程設計中應盡量選用YJV型交聯聚乙烯電纜.(2) 電纜的額定電壓UN 所在電網的額定電壓.(3） 按長期發熱允許電流選擇電纜的截面。 但當電纜的最大負荷利用小時數Tmax > 5000h，且長度超過20米時，則應按經濟電流密度來選擇.（4) 允許電壓降的校驗. 對供電距離較遠、容量較大的電纜線路,應滿足:U = 173 ImaxL ( rcos +xsin ） / U 5 ， U、L為線路工作電壓（線電壓）和長度; co

21、s為功率因數; r、x為電纜單位長度的電阻和電抗.(5) 熱穩定的校驗電纜應滿足的條件為:所選電纜截面S Q d /C X 100 （mm2 ). Qd為短路電流的熱效應， （A2 S） ； C為熱穩定系數. 如我縣某企業的供電電源是從緊鄰的一座110kV變電所的10kV側專線接入的,由于該企業的用電負荷不是很大,若按長期發熱允許電流選擇的電纜截面,或按經濟電流密度來選擇的電纜截面均在95 mm2以下,但在熱穩定校驗時,所選電纜截面S Q d /C X 100 （mm2 ） ，電纜截面至少需在120 mm2及以上.8 繼電保護的配置當變壓器故障時,在保護的配置上一般有兩種途徑：如選用斷路器或開

22、關來開斷短路電流,則配以各類的微機保護. 如一次設備選用的是負荷開關，則選用熔斷器來保護。 兩者比較如下.(1) 斷路器或開關具備所有的保護功能與操作功能,價格較昂貴. 負荷開關只能分合額定負荷電流，不能開斷短路電流,需配合高遮斷容量后備式限流熔斷器作為保護元件來開斷短路電流，價格較便宜。（2) 在切空載變壓器時,斷路器或開關會產生截流過電壓. 負荷開關則沒有此種現象.(3) 對變壓器的保護，斷路器或開關的全開斷時間為繼保動作時間、自身動作時間、熄弧時間之和，一般會大于油浸變發生短路故障時要求切除的時間。 限流熔斷器具有速斷功能，但必須防止熔斷器單相熔斷時設備的非全相運行，應在熔斷器撞擊器的作

23、用下讓負荷開關脫扣，完成三相電路的開斷.（4） 由于高遮斷容量后備式限流熔斷器的保護范圍在最小熔斷電流到最大開斷容量之間,且限流熔斷器的時間特性曲線為反時限曲線,短路發生后,可在短時內熔斷來切除故障，所以可對其后所接設備如CT、電纜等提供保護. 使用斷路器或開關則要提高其它設備的熱穩定要求. 但就限制線性諧振過電壓方面來說，在變壓器的高壓側應避免使用熔斷器。9 防雷與接地(1) 10kV變電站在建設過程中，可利用鋼筋混凝土結構的屋頂，將其鋼筋焊接成網并接地來防護直擊雷。（2） 在變電站內的高壓側、低壓側及進線段安裝避雷器,以防護侵入雷電波、操作過電壓及暫時過電壓.（3） 10kV變電站中的接地

24、網一般由扁鋼及角鋼組成，也可利用建筑物鋼筋混凝土內的鋼筋體作接地網,但各鋼筋體之間必須連成電氣通路并保證其電氣連續性符合要求。 接地電阻值要求不大于4。 變壓器、高低壓配電裝置、墻上的設備預埋件等都需用扁鋼等與接地網作可靠焊接進行接地。 發電機的接地系統需另行設置，不得與變電站的接地網連接.（4） 低壓配電系統按接地方式的不同可分為三類:即TT、TN和IT系統。 TT方式供電系統是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統，稱作保護接地系統。 TN方式供電系統是將電氣設備的金屬外殼與工作零線相接的保護系統，稱作接零保護系統. 在TN方式供電系統中,根據其保護零線是否與工作零線分開又可分為: TN

25、 C和TN S方式供電系統. TN C方式供電系統是用工作零線兼作接零保護線,適用于三相負載基本平衡的情況。 TN S方式供電系統是把工作零線N和專用保護線PE嚴格分開，當N線斷開,如三相負荷不平衡，中性點電位升高，但外殼、PE線電位。 TN S方式供電系統安全可靠,適用于工業與民用建筑等低壓供電系統。 此外,在一些由用戶提供的圖紙中,我們還可看到TN C S方式的供電系統,此系統的前部分是TN C方式供電,系統的后部分出PE線,且與N線不再合并. TN C S供電系統是在TN C系統上的臨時變通作法,適用于工業企業。 但當負荷端裝設RCD (漏電開關） 、干線末端裝有斷零保護時也可用于住宅小

26、區的低壓供電系統. IT方式供電系統表示電源側沒有工作接地，或經過高阻抗接地，負載側電氣設備進行接地保護。 IT方式供電系統在供電距離不是很長時,供電的可靠性高、安全性好，一般用于不允許停電的場所，或者是要求嚴格的連續供電的地方。10 照明10kV變電站內的照明電源從低壓開關柜內引出,管線選用BV 500銅芯塑料線穿管后沿墻或頂暗敷，電線的管徑按規定配置，所配燈具應具有足夠的照度，在安裝位置上不應裝設在變壓器和高、低壓配電裝置上,應安裝在墻上設備的上方或周圍，要留有一定的距離來保證人身及設備的安全，同時應避免造成照明死區. 燈具安裝高度應高于視平線以避免耀眼,還要避免與電氣設備或運行人員的碰撞。11 配網自動化配電自動化是指利用現代電子技術、通信技術、計算機及網絡技術與電力設備相結合,將