1、摘 要變電站是電力系統的重要組成部分，是聯系發電廠和用戶的中間環節，起著變換和分配電能的作用，它直接影響整個電力系統、廠礦企業生產的安全與經濟運行。變配電所是由電器設備及配電網絡按一定的接線方式所構成，他從電力系統取得電能，通過其變換、分配、輸送與保護等功能，然后將電能安全、可靠、經濟的輸送到每一個用電設備的轉設場所。變電所涉及方面很多，需要考慮的問題多，分析變電所擔負的任務及用戶負荷等情況，選擇所址，利用用戶數據進行負荷計算，確定用戶無功功率補償裝置。同時進行各種變壓器的選擇，從而確定變電站的接線方式，再進行短路電流計算，選擇送配電網絡及導線，進行短路電流計算。選擇變電所高低壓電氣設備，為變

2、電所平面及剖面圖提供依據。本變電所的初步設計包括了：（1）確定車間變電所變壓器的臺數和容量；（2）電氣主接線圖的設計；（3）確定短路計算點，計算三相短路電流；（4）主要電氣設備選擇與校驗；（5）繼電保護配置。關鍵詞：10kV變電站；變壓器；電氣主接線；電氣設備；配電系統1 負荷計算及主變壓器的選擇1.1負荷計算的目的和內容1.1.1 負荷計算的目的計算負荷確定供電系統、選擇變壓器容量、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。計算負荷確定得是否正確合理，直接影響到電器和導線的選擇是否經濟合理。如計算負荷確定過大，將使電器和導線截面選擇過大，造成投資和有色金屬的浪費；如計算

3、負荷確定過小，又將使電器和導線運行時增加電能損耗，并產生過熱，引起絕緣提早老化，甚至燒毀，以致發生事故，同樣給國家造成損失。為此，正確進行負荷計算是供電設計的前提，也是實現供電系統安全、經濟運行的必要手段。因此，供配電設計的第一步，需要計算全廠和各車間的實際負荷。1.1.2 負荷計算方法負荷計算的方法有需用系數法、二項式系數法、利用系數方法等等。需用系數法是將用電設備的設備功率乘以需用系數和同時系數直接求出負荷。需用系數法比較簡單，因而廣泛使用。并且適用于計算變、配電所的負荷。所以本次設計采用需用系數法，其計算方法1如下：1. 有功計算負荷的計算公式： P30=KdPe （1-1）Pe用電設備

4、組總的設備容量（不含備用設備容量，單位為kW）。Kd用電設備組的需要系數。2. 無功計算負荷的計算公式： Q30=P30 （1-2）3視在計算負荷的計算公式： S30=P30/ （1-3）4計算電流的計算公式： I30=S30/UN （1-4）1.1.3 負荷計算的內容1.鑄造車間 Pe=875 Kd=0.5 =0.7 =1.02 P30=8750.5=437.5kW Q30=437.51.02=446.25kvar S30=437.5/0.7=625kVA I30=625/*0.38=0.95kA其他車間負荷計算同上總的視在負荷計算：P30（1）=994+582+455.2=2031.2kW

5、Q30（1）=1151.795+585.71+487.642=2866.505kvarS30= S30=3513.21kVA表1.1 各車間低壓負荷統計表序號車間名稱設備容量/kW需要系數Kd計算負荷變壓器臺數和容量/kW/kvar/ kVA/kA1鑄造車間8750.50.71.02437.5446.256250.952*2500（kVA）鍛壓車間7600.650.61.33494658.67823.31.251倉庫1250.50.80.7562.546.87578.1250.119小計 9941151.7951526.4252.322 機加車間3700.70.80.75259194.2532

6、3.750.492工具車間4000.50.61.33200266333.330.506模具車間2050.60.71.02123125.46175.710.267小計 582585.71832.791.2653 表面處理間2750.60.651.17165193.05253.840.386動力車間2180.70.651.17152.6178.54234.760.357總裝車間1500.60.80.759067.5112.50.171試驗站680.70.71.0247.648.552680.1小計 455.2487.642699.11.0141.1.4 無功負荷補償6 無功負荷補償的目的：由于用戶

7、的大量負荷如感應電動機、電焊機、氣體放電燈等，都是感性負荷，使得功率因數偏低，因此需要采用無功補償措施來提高功率因數。電力系統要求用戶的功率因數不低于0.9，按照實際情況本次設計要求功率因數為0.92以上，因此，必須采取措施提高系統功率因數。目前提高功率因數的常用的辦法是裝設無功自動補償并聯電容器裝置。要使功率因數提高，通常需裝設人工補償裝置。最大負荷時的無功補償容量QNC應為： QNC=Q30-Q30=P30(-） （1-5）按此公式計算出的無功補償容量為最大負荷時所需的容量，當負荷減小時，補償容量也應相應減小，以免造成過補償。因此，無功補償裝置通常裝設無功功率自動補償控制器，針對預先設定的

8、功率因數目標值，根據負荷的變化相應投切電容器組數，使瞬時功率因數滿足要求。 低壓無功自動補償裝置通常與低壓配電屏配套制造安裝，根據負荷變化相應循環投切的電容器組數一般有4、6、8、10、12組等。用上式確定了總的補償容量后，就可根據選定的單相并聯電容器容量qNC來確定電容器組數： （1-6）在用戶供電系統中，無功補償裝置位置一般有三種安裝方式：(1)高壓集中補償 補償效果不如后兩種補償方式，但初投資較少，便于集中運行維護，而且能對企業高壓側的無功功率進行有效補償，以滿足企業總功率因數的要求，所以在一些大中型企業中應用。(2)低壓集中補償 補償效果較高壓集中補償方式好，特別是它能減少變壓器的視在

9、功率，從而可使主變壓器的容量選的較小，因而在實際工程中應用相當普遍。(3)低壓分散補償 補償效果最好，應優先采用。但這種補償方式總的投資較大，且電容器組在被補償的設備停止運用時，它也將一并被切除，因此其利用率較低。 具體計算有功功率 Pc=K pP30 （1-7）無功功率 Qc= KqQ30 （1-8）視在功率 S30= （1-9）式中：對于干線，可取K p ，Kq。對于低壓母線，由用電設備計算負荷直接相加來計算時，可取K p ，Kq。由干線負荷直接相加來計算時，可取K p ，Kq。Pc=K pP30=0.952031.2=1929.64kWQc= KqQ30=0.932866.505=266

10、5.85kvarSc=3455.5kVA本次設計采用低壓集中補償方式。PC QC S30取自低壓母線側的計算負荷，提高至0.92=0.55QNC=PC（-）=1929.64*tan(arccos0.55)-tan(arccos0.92)=2103 kvar選擇BSMJ0.4-25-3型并聯電容器，qNC=25kvar=2103kvar/25kvar=84 補償后的視在計算負荷SC=2010kVA= =0.960.91.2 變電所位置的選擇1.2.1 變電所位置的選擇要求變電所位置的選擇，應根據下列要求經濟技術、經濟比較確定。 (1) 接近電源； (2) 進出線方便； (3) 設備運輸方便； (

11、4) 盡量接近負荷中心； (5) 不應設在有劇烈振動或高溫的場所； (6) 不宜設在多塵或有腐蝕性氣體的場所； (7) 不應設在廁所、浴室或其他經常有水場所的正下發，且不宜與上述場所相貼近； (8) 不應設在有爆炸危險的正方或正下方，且不宜設在有火危險環境的正上方或正下方。1.2.2 變電所的布置變電所的總體布置，應滿足以下要求。 (1) 便于運行維護和檢修； (2) 保證運行安全； (3) 便于進出線； (4) 節約土地和建筑費用； (5) 適應發展要求。1.2.3 本變電所位置的選擇依據上述原則和要求以及本廠的具體情況，有利于交通運輸，并且靠近于電源側，正在幾個大型的負荷中心。遠離了劇烈震

12、動、高溫、多塵、腐蝕性氣體及常積水的場所來確定本變電所的位置，如圖1.1所示。1.3 變壓器的選擇1.3.1 變壓器臺數的選擇變電所主變壓器臺數選擇原則（1）為了保證供電可靠，在變電所中一般應裝設備用電源時，可裝設兩臺主變壓器。如果有一個電源進線或變電所可由低壓側電力網取得備用電源時，可裝設一臺主變壓器。（2）當工廠絕大部分負荷屬于三級負荷，其少量一、二級負荷可由鄰壓電網(10kv)取得備用電源時，可裝設一臺主變壓器。（3）裝有兩臺及以上主變電器的變電所，當斷開一臺時，其余主變壓器容量不應小于60%-70%的全部負荷，并應保證用戶一、二級負荷。 變壓器容量的確定變壓器容量裝有兩臺變壓器的變電站

13、，采用暗備用方式，當其中一臺主變因事故斷開，另一臺主變的容量應滿足全部負荷的70%，考慮變壓器的事故過負荷能力為40%，則可保證80%負荷供電。1.3.3 本廠變壓器容量的確定變壓器的容量計算：SNT=（0.60.7）S30 （1-10）SNT=0.63513.21=2283.59kVA即可選定兩臺容量為2500kVA的變壓器。本廠負荷較大，經過整定計算后可的S30=3513.21kVA，要求選擇兩臺變壓器，根據公式SNT=(0.60.7)S30計算，可選用兩臺容量為2500KVA的變壓器。變壓器型號為S92500/10的變壓器。表1.2 變壓器S92500/10的技術參數額定容量（KVA）額

14、定電壓損 耗短路阻抗連接一次二次空載負荷6.5%組標號250010.50.4320020700Y,Yd11降壓變電所兩臺主變壓器圖1.1 廠總平面圖2 主接線方案的選擇2.1 主接線的基本要求主接線是指由各種開關電器、電力變壓器、互感器、母線、電力電纜、并聯電容器等電氣設備按一定次序連接的接受和分配電能的電路。它是電氣設備選擇及確定配電裝置安裝方式的依據，也是運行人員進行各種倒閘操作和事故處理的重要依據。概括地說，對一次接線的基本要求包括安全、可靠、靈活和經濟四個方面。2.1.1 安全性安全包括設備安全及人身安全。一次接線應符合國家標準有關技術規范的要求，正確選擇電氣設備及其監視、保護系統，考

15、慮各種安全技術措施。2.1.2 可靠性不僅和一次接線的形式有關，還和電氣設備的技術性能、運行管理的自動化程度因素有關。2.1.3 靈活性用最少的切換來適應各種不同的運行方式，適應負荷發展。2.1.4 經濟性在滿足上述技術要求的前提下，主接線方案應力求接線簡化、投資省、占地少、運行費用低。采用的設備少，且應選用技術先進、經濟適用的節能產品。2.2 主接線的案例與分析主接線的基本形式有單母線接線、雙母線接線、橋式接線等多種。在此主要介紹單母線接線。2.2.1 單母線接線這種接線的優點是接線簡單清晰、設備少、操作方便、便于擴建和采用成套配電裝置。缺點：不夠靈活可靠，任一元件（母線及母線隔離開關等）故

16、障檢修，均需要使整個配電裝置停電，單母線可用隔離開關分段，但當一段母線故障時，全部回路仍需短時停電，在用隔離開關將故障的母線段分開后才能恢復非故障段的供電。適用范圍：適應于容量較小、對供電可靠性要求不高的場合，出線回路少的小型變配電所，一般供三級負荷，兩路電源進線的單母線可供二級負荷。圖2.1 單母線不分段主接線2.2.2 單母線分段主接線當出線回路數增多且有兩路電源進線時，可用斷路器將母線分段，成為單母線分段接線。母線分段后，可提高供電的可靠性和靈活性。在正常工作時，分段斷路器可接通也可斷開運行。兩路電源進線一用一備時，分段斷路器接同運行，此時，任一段母線出現故障，分段斷路器與故障段進線斷路

17、器都會在繼電保護裝置作用下自動斷開，將故障段母線切除后，非故障段母線便可繼續工作，而當兩路電源同時工作互為備用時，分段斷路器則斷開運行，此時若任一電源出現故障，電源進線斷路器自動斷開，分段斷路器可自動投入，保證給全部出線或重要負荷繼續供電。圖2.2 單母線分段主接線單母線分段接線保留了單母線接線的優點，又在一定程度上克服了它的缺點，如縮小了母線故障的影響范圍、分別從兩段母線上引出兩路出線可保證對一級負荷的供電等。本次主接線的設計我們采用的10kV側采用單母接線，0.4kV側采用單母分段（具體圖見附錄一）。3 短路電流計算3.1 短路電流及其計算方法供電系統應該正常的不間斷地可靠供電，以保證生產

18、和生活的正常進行。但是供電系統的正常運行常常因為發生短路故障而遭到破壞。造成短路的主要原因是電氣設備載流部分的絕緣損壞、誤動作、雷擊或過電壓擊穿等。短路電流數值通常是正常工作電流值的十幾倍或幾十倍。當它通過電氣設備時，設備的載流部分變形或損壞，選用設備時要考慮它們對短路電流的穩定。短路電流在線路上產生很大的壓降，離短路點越近的母線，電壓下降越厲害，從而影響與母線連接的電動機或其它設備的正常運行。計算方法采用標幺值法計算。進行計算的物理量，不是用具體單位的值，而是用其相對值表示，這種計算方法叫做標幺值法。標幺值的概念是：某量的標幺值= 所謂基準值是衡量某個物理量的標準或尺度，用標幺值表示的物理量

19、是沒有單位的。供電系統中的元件包括電源、輸電線路、變壓器、電抗器和用戶電力線路，為了求出電源至短路點電抗標幺值，需要逐一地求出這些元件的電抗標幺值。3.2 三相短路計算電源取自距本變電所8km外的35kV變電站，用10kV雙回架空線路向本變電所供電，出口處的短路容量為500MVA。圖3.1 短路計算示意圖求10kV母線上K-1點短路和380V低壓母線上K-2點短路電流和短路容量。電源側短路容量定為Sk=500MVA確定基準值：取 Sd=100MVA Uc1=10.5kV Uc2=0.4kV Id1= =100MVA/（*10.5kV）=5.50kA （3-1）Id2= =100MVA/（*0.

20、4kV）=144.34kA （3-2）計算： 電力系統 X1*= Sd/Sk=100MVA/500MVA=0.2 （3-3） 架空線路（架空線路電抗查表的0.35）6 X2*=X0LSd/Uc2=0.35/km*8km*=2.54 （3-4） 電力變壓器（UK%取6.5） X3*=Uk%Sd/100SNT=2.6 （3-5）求K-1點的短路電路總阻抗標幺值及三相短路電流和短路容量： 總電抗標幺值X*(k-1) =X1*+X2*=0.2+2.54=2.74 （3-6） 三相短路電流周期分量有效值Ik-1(3) = Id1/X*(k-1) =5.50kA/2.74=2kA （3-7） 其他三相短路

21、電流 在10/0.4KV變壓器一次側低壓母線發生三相短路時，可取ksh=1.9，因此： Ik-1(3) =Ik-1 (3) = Ik-1(3) =2kA （3-8） ish (3) =2.55*2kA=5.1kA （3-9） Ish(3) =1.51*2kA=3.02kA （3-10） 三相短路容量 Sk-1(3) = Sd/X*(k-1) =100MVA/2.74=36.5 MVA （3-11）求K-2點的短路電路總阻抗標幺值及三相短路電流和短路容量：兩臺變壓器并列運行： 總電抗標幺值 X*(k-2) =0.2+2.54+2.6/2=4.04 三相短路電流周期分量有效值Ik-2(3) = I

22、d2/X*(k-2) =144.34kA/4.04=35.72kA （3-13） 其他三相短路電流在10/0.4KV變壓器二次側低壓母線發生三相短路時，R1.5；對電纜線SP1.25。采用此種保護，靈敏度較高。 變壓器的過負荷保護變壓器的過負荷保護一般只對并列運行的變壓器或工作中有可能過負荷（如作為其他負荷的備用電源）的變壓器才裝設。由于過負荷電流在大多數情況下是三相對稱的，因此過負荷保護只需采用一個電流繼電器裝于一相電流中，保護裝置作用于信號。為了防止變壓器外部短路時，變壓器過負荷保護發出錯誤信號，以及在出現持續幾秒鐘的尖峰負荷時不致發出信號，通常過負荷動作時限為10-15s。變壓器過負荷保

23、護的動作電流可按下式計算： 瓦斯保護 瓦斯保護又稱氣體繼電保護，是保護油浸式電力變壓器內部故障的一種基本保護裝置。按規定，800kVA及以上的一般油浸式變壓器和400kVA及以上的車間內油浸式變壓器，均應裝設瓦斯保護。 瓦斯保護的主要元件是氣體繼電器。它裝設在變壓器油箱與油枕之間的連通管上，利用油浸式電力變壓器內部故障時產生的氣體進行工作。瓦斯動作的主要優點是動作快，靈敏度高，結構簡單，能反映變壓器油箱內的各種故障，可靠性比較高，安裝簡單，其缺點是不能反映油箱以外故障（如變壓器套管以及引出線上的故障），因此瓦斯保護不能取代變壓器的其他保護。表5.1 繼電保護裝置選擇的一般要求序號一次系統情況繼

24、電保護裝置選擇要求16-10kV高壓線路高壓斷路器采用手動或彈簧操作機構相間短路保護采用去分流跳閘的反時限過電流保護，兩相兩繼電器式接地，繼電器本身兼具有電流速斷保護2高壓斷路器采用電磁操動機構或彈簧操作機構采用定時限或反時限過電流保護，兩相兩繼電器式接地，當動作時限大于0.5-0.7s時，加電流速斷保護3在電纜線路較多時單相接地保護46-10/0.4kV電力變壓器高壓斷路器采用手動或彈簧操動機構相間短路保護同序號15高壓斷路器采用電磁操動機構或彈簧操動機構同序號26低壓側為含中性線的三相系統高壓側開關為斷路器低壓側單相短路保護變壓器低壓側中性線上裝零序電流保護7高壓側過電流保護改用兩相三繼電

25、器式接線8高壓側開關不限低壓側裝三相帶過電流脫扣器的低壓斷路器9低壓側三相裝熔斷器保護10高壓側開關為斷路器過負荷保護11高壓側開關為斷路器氣體繼電器保護（瓦斯保護）6 差動保護6.1 差動保護簡介差動保護是保護兩端電流互感器之間的故障（即保護范圍在輸入的兩端CT之間的設備上），正常情況流進的電流和流出的電流在保護內大小相等，方向相反，相位相同，兩者剛好抵消，差動電流等于零；故障時兩端電流向故障點流，在保護內電流疊加，差動電流大于零。驅動保護出口繼電器動作，跳開兩側的斷路器，使故障設備斷開電源。 6.2 縱聯差動保護原理6.2.1 縱聯差動保護的構成縱聯差動保護是按比較被保護元件（1號主變）始

26、端和末端電流的大小和相位的原理而工作的。為了實現這種比較，在被保護元件的兩側各設置一組電流互感器TA1、TA2，其二次側按環流法接線，即若兩端的電流互感器的正極性端子均置于靠近母線一側，則將他們二次的同極性端子相連，再將差動繼電器的線圈并入，構成差動保護。其中差動繼電器線圈回路稱為差動回路，而兩側的回路稱為差動保護的兩個臂。6.2.2 縱聯差動保護的工作原理根據基爾霍夫第一定律，；式中表示變壓器各側電流的向量和，其物理意義是：變壓器正常運行或外部故障時，若忽略勵磁電流損耗及其他損耗，則流入變壓器的電流等于流出變壓器的電流。因此，縱差保護不應動作。當變壓器內部故障時，若忽略負荷電流不計，則只有流

27、進變壓器的電流而沒有流出變壓器的電流，其縱差保護動作，切除變壓器。見變壓器縱差保護原理接線。圖6.1 差動保護原理接線圖（1）正常運行和區外故障時，被保護元件兩端的電流和 （a）所示，則流入繼電器的電流為繼電器不動作。（2）區內故障時，被保護元件兩端的電流和的方向如圖1.5.5（b）所示，則流入繼電器的電流為此時為兩側電源提供的短路電流之和，電流很大，故繼電器動作，跳開兩側的斷路器。由上分析可知，縱聯差動保護的范圍就是兩側電流互感器所包圍的全部區域，即被保護元件的全部，而在保護范圍外故障時，保護不動作。因此，縱聯差動保護不需要與相鄰元件的保護在動作時間和動作值上進行配合，是全線快速保護，且具有

28、不反應過負荷與系統震蕩及靈敏度高等優點。6.2.3 微機變壓器縱差保護的主要元件介紹主要元件有：1）比率差動保護元件，2）勵磁涌流閉鎖元件，3）TA飽和閉鎖元件，4）TA斷線閉鎖（告警）元件，5）差動速斷元件，6）過勵磁閉鎖元件6.2.4 下面對各個元件的功能和原理作個簡要的介紹：(1)比率差動保護元件：變壓器在正常負荷狀態下，差動回路中的不平衡電流很小，但當發生區外短路故障時，由于電流互感器可能飽和等等因素，會使不平衡電流增大，當不平衡電流超過了保護動作電流時，差動保護就會誤動。比率差動保護就是用來區分差流是由內部故障還是不平衡輸出（特別是外部故障）引起的，它引入了外部短路電流作為制動電流，

29、當外部短路電流增大時，制動電流隨之增大，使得繼電器的動作電流也相應增大，這樣就可以有效的躲過不平衡電流，避免誤動的出現。比率差動元件采用初始帶制動的變斜率比率制動特性，由低值比率差動（靈敏）和高值比率差動（不靈敏）兩個元件構成。為了保證區內故障的快速切除，只有低值比率差動元件（靈敏）設有TA飽和判據，高值比率差動元件（不靈敏）不設TA飽和判據。三折線比率差動保護的動作特性及比率差動動作方程如圖5.1所示。 圖6.2比率差動保護動作特性圖式中：為變壓器額定電流；分別為變壓器各側電流；為穩態比率差動起動電流；為差動電流；為制動電流；為比率制動系數整定值（）。比率差動保護按相判別，滿足以上條件時動作

30、。但是保護出口必須還要經過TA的飽和判別，TA斷線判別（可選），勵磁涌流判別。由圖可以看出，具有比率制動特性差動元件的動作特性主要由起動電流，拐點電流，比率制動系數（即特性曲線的斜率）決定，而動作特性又決定了差動元件的動作靈敏度和躲區外故障的能力，當這三個量中的兩個固定以后，比率制動系數越小，或拐點電流越大，或初始動作電流越小，差動元件的動作靈敏度越高，而此時躲區外故障的能力越差。（2） TA飽和閉鎖元件：區外短路故障時，若一側電流互感器出現飽和，則差動回路中的不平衡電流將會增大，容易導致縱差保護誤動作，為了解決TA飽和對差動保護的影響，首先設置一個高定值比率差動動作區，它是不需要經過TA的飽

31、和判別的，即圖中的陰影部分，其保護判據如下：，的定義與上文相同。當，確定的工作點落入該區域時，縱差動保護可以經TA斷線判別（可選），勵磁涌流判別后快速動作。如果工作點沒有在高定值比率差動動作區時，通常利用二次電流中的二次和三次諧波含量來判別TA是否飽和，其判據如下：式中：分別為電流中的基波、二次和三次諧波；為比例常數。當與某相差動電流有關的電流滿足上式時即認為此相差流是由TA飽和引起的，此時閉鎖穩態比率差動保護。（3）TA斷線閉鎖（告警）元件：變壓器帶有一定的負荷時，若電流互感器二次回路斷線，則會造成縱差動保護的起動元件、差動元件動作，從而導致縱差動保護誤動作，即使變壓器負荷電流很小甚至空載情況下，當電流互感器二次回路斷線時，縱差保護雖然不動作，但當區外故障時，必然會造成縱差保護的誤動作。所以應設置TA二次斷線閉鎖。TA二次斷線判據分未引起差動保護起動和引起差動保護起動兩種情況。起動元件未動作時，滿足就判為TA二次斷線：任一相差流大于設定值且 （=15%20%）,判斷線后延時10秒發報警信號，但不閉鎖縱差保護。起動元件動作后，以下條件沒有一條滿足的也判為TA二次斷線：1）任一側負序相電壓大于6V；2）起動后任一側任一相電流比起動前增加；3）起動后最大相電流大于1.1倍額定電流；4）任一側任一相間工頻