变电站是电力系统的重要组成部分，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。电气主接线是变电站设计的首要任务，也是构成电力系统的重要环节。电气主接线的拟订直接关系着全站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。
本次设计为北郊110kV 变电站设计，分为设计说明书、设计计算书、设计图纸等三部分。本次设计属于毕业设计，是在学习了相关的专业课程（如：《电力系统分析》、《电力系统继电保护原理》等）的基础上，并且对各类变电站有所了解之后开始设计的。本次设计是为了我们在走上工作岗位前对电气工程设计有些细致的了解，并且掌握一定的工程设计方法而进行的。
本次设计主要包括电力系统总体分析、变电站总体分析、主接线的选择、主变压器的选择、站用变压器的选择、短路电流的计算、高压电器设备的选择、变电站防雷设计等。在主接线的设计时，主要从接线方式的经济性、灵活性、可靠性三个方面进行比较。主变压器选择时，首先要根据现有的负荷方面考虑，其次还要考虑变电站的过负荷能力，还有变电站的发展前景等。
本文从主接线、短路电流计算、主要电气设备选择等几方面对变电站设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图、电气总平面布置图、110KV变电站断面图、直击雷防护图等相关设计图纸。由于本人水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。
第1章 电力系统及变电站总述
1.1 系统的构成
电力系统是由发电机、变压器、输配电线路和电力用户的电器装置连接而成的整体，它完成了发电、输电、变电、配电、用电的任务。电力系统加上热力发电厂中的热能动力装置、热能用户和水电厂的水能动力装置，也就是加上锅炉、汽轮机、水库、水轮机以及原子能发电厂的反应堆等，称为动力系统。电力系统中各种电压的变电站及输配电线路组成的统一体，称为电力网。电力网的主要任务是输送和分配电能，并根据需要改变电压。
1.2 对电力系统的基本要求
一、满足用电需求
满足国民经济各部门及人民生活不断增长的用电需求，保障供给是电力部门的重要任务。电力工业的发展迅速，应超前于其他部门的发展速度，起到先行作用，应该竭力避免由于缺电而使工业企业不能充分发挥其生产能力的情况，应尽量满足用户的用电需要。
二、电力生产应遵循安全第一，预防为主的原则
电力系统中发生的事故是导致供电中断的主要原因，但是要杜绝事故的发生非常困难。由于各种用户对供电的要求不同，我们可以按负荷的重要程度将其分为三类，以此决定保证供电的顺序和接线方式。
一类负荷——中断供电将造成人身事故和重大设备损坏，且难以修复，给国民经济带来重大损失。由于一类负荷重要，在正常运行和故障情况之下，系统接线方式必须有足够的可靠性和灵活性，保证对 用户的连续供电。一类负荷要求有两个以上的电源供电，电源间应能自动切换，以便在任一电源发生故障时，对这类用户的供电不至中断。
二类负荷——中断供电将造成大量减产和废品，以至损坏设备，在经济上造成重要损失。二类负荷需要双回线路供电。但是当双回线路有困难时，允许有一回专用线路供电。
三类负荷——不属于一类、二类负荷的用户均属于三类负荷。三类负荷对供电没有特殊要求，允许长时间停电，可用单回线路供电，但是也不能随意停电。
三、保证电能质量
电能的质量指标主要是电压、频率和波形等变化不得超出允许范围。电压容许变化的范围是额定电压的±5%；频率的允许偏差为50±（0.2—0.5）Hz；波形应该是正弦波形，波形的畸变率非常小。电能质量合格，用电设备能正常并且具有最佳的技术经济效果；如果变动范围超过允许值，虽然还没有中断供电，但是已经严重影响到产品的质量和数量，甚至会造成人身和设备故障，同时对电力系统本身的运行也有危险。因此，必须通过调频及调压措施来保证频率和电压的稳定。
四、保证电力系统运行的经济性
电能产生的规模很大。在其生产、输送和分配过程中，本身消耗的能源占国民经济能源中的比例相当大，因此，最大限度的降低每1KW/h电能所消耗的能源和降低输送、分配电能过程中的损耗，是电力部门一项极其重要的任务。电能成本的降低不仅意味着能源的节省，还将降低各用电部门的成本，对整个国民经济带来很大的好处。现在最广泛的做法是实行电力系统的经济运行。按照最优化原则分配发电厂、发电机组之间的发电出力及输电和配电路径，充分利用水力资源，尽可能采取节能降耗措施，力争取得整个现在电力系统最大的、综合的经济效益。
1.3 变电站概述
在电力系统不同电压的电力网间，电压升高、降低，是通过变压器完成的。安装变压器及开关、测量、保护与控制设备的地方称为变电站。为了保持电压质量，有些变电站还安装了电力系统所需要的电力电容器、静止补偿装置或调相机等无功补偿设备。
变电站的类型按其地位和作用、电压、结构型式的不同等有不同的种类。
第2章 原始资料
2.1 建站规模
图2.1 电力系统接线图
本次设计要求是为满足工业发展的需要新建一个110KV的变电站，向变电站供电的电源：
一个为无穷大电源，距离变电站30km；
另一个为2*50MW电源，距离变电站5km；
要建变电站的一些原始数据有：
一、变电站类型：110KV变电站；
二、电压等级：110/10KV；
三、主变台数量为：2台，16000KVA;
四、出线回数和传输容量：
1.110KV出线2回
2.10KV出线10回
平原机械厂 2000KW；
开拓水泥厂ⅰ、ⅱ 各2000KW；
太行纺纱厂ⅰ、ⅱ 各3000KW；
电器设备厂 1000KW；
铸造厂 2000KW；
宾馆 1000KW；
市化肥厂ⅰ、ⅱ 1500KW。
2.2 环境条件
一、站址位于北郊，临近负荷中心，交通方便；
二、有充足的水源平均海拔180米；
三、年最高气温：+40℃；年最低气温-6℃，最热月平均最高气温35℃;年最热月平均温度为25℃。
四、最大风速: 30m/s,属于我国∨级标准气象区。
第3章主变压器的选择
在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本厂（站）使用的变压器，称为厂（站）用变压器或自用变压器。
3.1 变压器容量和台数的确定原则
主变压器容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除了依据传递容量的基本原始资料外，还应该根据电力系统5—10年发展规划、传输功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。如果变压器容量选的过大，台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了运行电能的损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选的过小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出或者会满足不了变电站负荷的需要，这在技术上是不合理的，因为每千瓦的发电设备投资远大于每千瓦变电设备的投资。
变电站主变压器的容量，一般按5—10年规划负荷来选择。根据城市规划，负荷性质，电网结构等综合考虑确定其容量。对重要变电站，应该考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足I类及II类负荷的供电；对一般性变电站，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应该能满足全部负荷的70%—80%。
一、与系统有强联系的大、中型枢纽变电站，在一种电压等级下，主变压器应不少于两台。
二、与系统联系较弱的中、小型变电站或与系统联系只作为备用的可以选用一台变压器。
三、对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站可以投入三台变压器。
主变压器容量的选择的计算：
根据相关规范规定：选择变压器容量要满足两个条件：
(1) （2）
其中为变电站最大负荷容量。为变电站的全部重要负荷容量。因此这个变电站的为炼钢厂用的变电站，负荷全部为重要负荷，上述条件，满足一个就可以。所以要选用两台主变压器，这次设计的全部负荷如下：
表3-1 变电站负荷分析
| 序号 | 用户 | Pmax(kW) | cosφ |
| 1 | 平原机械厂 | 2000 | 0.90 |
| 2 | 开拓水泥厂Ⅰ | 2000 | 0.85 |
| 3 | 开拓水泥厂Ⅱ | 2000 | 0.90 |
| 4 | 太行纺纱厂Ⅰ | 3000 | 0.85 |
| 5 | 太行纺纱厂Ⅱ | 3000 | 0.85 |
| 6 | 电器设备厂 | 1000 | 0.80 |
| 7 | 铸造厂 | 2000 | 0.80 |
| 8 | 宾馆 | 1000 | 0.85 |
| 9 | 市化肥厂Ⅰ | 1500 | 0.85 |
| 10 | 市化肥厂Ⅱ | 1500 | 0.80 |
| 合计 | 19000 |
=2000+2000+2000+3000+3000+1000+2000+1000+1500+1500＝19000（KW）
=Q1max+Q2max+Q3max+Q4max+Q5max+Q6max+Q7max+Q8max+Q9max+Q10max
=960+1240+960+1860+1860+750+1500+620+930+1125＝11805（KVar）
S10MAX===22368（KVA）
===0.85
考虑到负荷的同时率，10kV侧最大负荷应为：
=S10MAX=223680.85=19012.8(KVA)
根据《35-110kV变电所设计规范》3.1.2条规定“在有一、二级负荷的变电所宜装设两台及以上主变压器。如变电所可由中、低压侧电力网取得足够容量的备用电源时，可装设一台主变压器。”
本设计为110KV变电所，10kV侧为负荷，故考虑安装两台主变压器。
若以一个元件故障作为可靠进行统计，则两个元件及三个元件的可靠性如下：
（S表示可靠度，R表示故障率）
S =S2+2SR=S2+2S（1-S）= 2S- S2
S = S3+3S2R= S3+3S2（1-S）= 3S2- 2S3
S- S =2S- S2-（3S2- 2S3）= 2S- 4S2+2S3 = 2S(S-1)2＞0
可见当以一个元件故障作为可靠统计的话，两台变压器并联运行的可靠度要超过三台变压器并联，因此应优先考虑安装两台主变压器。
主变容量的确定：
根据《35-110kV变电所设计规范》3.1.3条规定“装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60％的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。”
故本设计满足两个条件：
1、两台总容量∑S≧
2、S≧（60－75）％
本变电所按建成后5年进行规划，预计负荷年增长率为7%，因此：
∑S＝（1+m）t=19012.8（1+0.07）5=26666(KVA)
式中t为规划年限，m为增长率
S=60%∑S＝0.626666=15999.6(KVA)
查产品目录，选择两台变压器容量一样，每台容量为16000KVA。
根据以上分析结果，最终选择型号如下：SZ9－16000/110，其型号意义及技术参数如下：
S Z 9 – 16000 / 110
高压绕组额定电压等级：110kV
额定容量：16000KVA
性能水平代号
有载调压方式
相数：三相
表3.2变压器参数
| 型 号 | 额定容量 | 电 压 组 合 （kV） | 联结组 标 号 | 阻抗电压％ | 其它参数 | |||
| SZ9－16000/110 | 16000 kVA | 高压 | 121± 2×1.25% | Yn,d11 | 10.5 | 空载电流% | 负载损耗 | 空载损耗 |
| 低压 | 10.5 | 0.9 | 95.4 | 18.5kW | ||||
第4章 变电站主接线基本形式的选择
4.1 主接线的基本要求
变电站的电气主接线是由变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线和电缆等电气设备，按一定的顺序连接的，用以表示生产和分配电能的电路。电器主接线又称为一次接线。电器主接线图则是用规定的设备文字符号和图形符号，按其实际连接顺序绘制而成的接线图，考虑到三相系统对称，为了分析清晰和方便起见，通常主接线图用单线图表示。如果三相不尽相同，则局部可以用三线图表示。在电器主接线图中不仅表示了各主要设备的规格、数量，而且反映了各设备的作用、连接方式和各回路间的相互联系，从而构成了变电站的主体。
对主接线的基本要求如下：
一、保证供电的可靠性。变电站一次接线应根据用电负荷的等级，保证在各种运行方式下提高供电的可靠性。供电因事故而被迫中断的机会越少，影响的服务越小，停电时间越短，则主接线的供电可靠性就越高。
二、具有一定的灵活性和方便性。主接线有的可以适应各种运行方式，并且可以灵活的进行方式转换，不仅在正常运行时可以安全可靠的供电，而且在系统故障或设备检修时，也能保证非故障和非检修回路的继续供电；改变运行方式简便、灵活、迅速，停电的时间最短，影响范围最小；运行中倒闸操作方便。
三、具有经济性。设计主接线的时候，可靠性和经济性之间是矛盾的。欲使主接线可靠、灵活，将导致投资增加。所以必须把技术与经济两者综合考虑，在满足供电可靠、运行灵活方便的基础上，尽量使设备的投资费用和运行费用最少。
主要从一下三个方面考虑：
1.投资省。主接线要力求简单，以节省一次设备的使用数量；继电保护和二次回路在满足技术要求的前提下，简化配置、优化控制电缆的走向、以节省二次设备和控制电缆的长度；采取措施，短路电流，得以选用价廉的轻型设备，节省开支。
2.占地面积小。主接线的选型和布置方式，直接影响到整个配电装置的占地面积。
3.电能损耗小。经济合理的选择变压器的类型（双绕组、三绕组、自耦变、有载调压等）、容量、数量和电压等级。
四、具有发展和扩建的可能性。在设计主接线时要留有发展的余地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到分期过渡接线的可能和施工方便。
4.2 主接线的形式
主接线的形式是多种多样的，其基本形式可以划分如图4.1所示。
根据国家有关规定：对110KV变电站的接线方式，出线为两回，可以用单母线方式，也可以用桥式接线；而单母线接线方式又可以分为单母线接线和单母线分段接线。桥式接线根据连接桥断路器的位置又分为内桥和外桥接线两种方式，接线形式分别简述如下。
图4.1主接线的分类
4.2.1 单母线方式接线
一、单母线接线
单母线接线是一种最原始、简单的接线,单母线接线所有电源及出线均在同一母线上。其优点是简单明显，采用的设备少，操作方便，便于扩建，造价低。缺点是供电的可靠性低。母线及母线隔离开关等任一个元件故障或者检修时，均需要整个配电装置停电。因此，单母线接线方式一般只在变电站建设初期没有重要用户时或者出线回路数不多的单电源小容量的厂（站）中采用。单母线也可以用隔离开关分段。
单母线用隔离开关分段中当母线故障时，虽然全部配电装置仍需要停电，但是可以用隔离开关将故障的母线分开后，很快恢复非故障段母线的供电。
所以，单母线和用隔离开关分段的单母线接线只适用于出线回路少的配电装置，并且，电压等级越高所接的回路数越少。6—10KV级的接线回路数不超过5回；35KV—60KV级不超过3回；110—220KV级不超过2回。
4.2.2 单母线分段接线
单母线分段接线是采用断路器将母线分段，通常是分成两段。单母线采用断路器将母线分段后可以进行轮换检修，对于重要用户，可以从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器在继电保护作用下自动将故障迅速切除，从而保证正常母线段不间断供电和重要用户不停电。
单母线分段接线既有单母线接线的简单明显，方便经济的优点，又在一定程度上提高了供电的可靠性。但是它的缺点是当一段母线隔离开关故障或者检修时，该段母线上的所有回路都要长时间停电，所以其连接的回路数一般可以比单母线增加一倍。6—10KV级的接线回路数为6回及以上；35KV—60KV级一般为4—8回；110—220KV级为4回。
4.2.3. 桥式接线方式
当有两台变压器和两条线路时，在变压器—线路接线的基础上，在其中间加一连接桥，则成为桥式接线。桥式接线按照连接桥断路器的位置，可以分为内桥和外桥接线两种接线。桥式接线中，四个回路只有三台断路器，所以用的断路器数量最少，接线也最经济。
内桥式接线的特点是连接桥断路器在变压器侧，其它两台断路器接在线路上。因此，线路的投入和切除比较方便，并且当线路发生短路故障时，仅故障线路的断路器调闸，不影响其他回路的运行。但是，当变压器故障时，则与该变压器连接的两台断路器都要调闸，从而影响了一回未发生故障线路的运行。此外，变压器的投入与切除的操作比较复杂，需要投入和切除与该变压器连接的两台断路器，也影响了一回未故障线路的运行。鉴于变压器属于可靠性高的设备，故障率远较线路小，一般不经常切换，因此系统中应用内桥接线的较为普遍。
外桥接线的特点恰好与内桥式接线相反，连接桥断路器在线路侧，其他两台断路器接在变压器的回路中。所以，当线路故障和进行投入与切除操作时，不影响其他回路运行，故外桥接线只适合于线路短，检修和倒闸操作频繁以及设备故障率较小，而变压器由于按照经济运行的要求需要经常切换的情况。此外，当电网有穿越性功率经过变电站时，也有采用外桥接线的，因为穿越性功率仅经过连接桥上的一台断路器。
为了在检修出线和变压器回路中的断路器时不中断线路和变压器的正常运行，有时再在桥行接线中附加一个正常工作时断开的带隔离开关的跨条。在跨条上装设两台隔离开关的目的是可以轮换停电检修任何一组隔离开关。
桥式接线可以展成为单母线分段或双母线接线，但是需要设计好预留今后发展时增加的间隔位置，同时扩建时继电保护和二次回路更改较多，需要在设计时采取措施。
4.2.4 110KV电压等级接线方式的确定
该变电所110kV出线回路为2回，且本所选择了两台主变压器，故考虑内、和单母线分段接线或双母线分段接线
表4.1 两种接线方案的比较
| 基本要求/方案 | 单母分段接线 | 双母线接段 |
| 可 靠 性 | 对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证重要用不间断供电，但不能满足完全供电。 | 1.具有较强的供电可靠性。选择轻型的电气设备。 2.使用的设备比较多，出现故障的几率比较高。。 |
| 灵 活 性 | 不够灵活，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段。 | 1.对重要用户可以从不同段引出两个回路运行方式相对简单，并且具有较好的灵活性。 2.易于实现自动化。 |
| 经 济 性 | 1.电气设备使用少，年运行费用也不高。 2.占地面积相对小。 | 使用的设备相对少，投资少，年运行费用高。占地面积比较大。 |
图4.2 110KV单母线分段接线
4.2.5 10KV电压等级主接线的确定
10KV 此电压级出线回路数偏中，也多为直接馈线、电压较低，而且供电负荷中含有大量的一级负荷和二级负荷，为了保证供电的可靠性及灵活性，不至于对重要的电力负荷中断供电，经过初步考虑采用单母分段主接线形式或单母分段带旁母的主接线形式；
表4.2 两种接线方案的比较
| 基本要求/方案 | 单母分段接线 | 单母分段带旁母接线 |
| 可 靠 性 | 对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线的不间断供电，不致使重要用户停电。 | 1、无论检修短路器还是隔离开关或母线，均不会造成重要的电力负荷停电。 2、由于采用了旁母增加了供电的可靠性。 |
| 灵 活 性 | 运行方式简单，具有比较好的调度灵活性，易于扩建。 | 1、电气主接线的结构简单，调度灵活性较高。 2、易于扩建和发展扩建方便 |
| 经 济 性 | 1.电气设备使用少，年运行费用也不高。 2.占地面积相对小 | 多出一条母线投资相对较高，年运行费用也高，占地面积较大 |
图4.3 10KV单母线分段接线
图4.4 变电站主接线
4.3 本章小结
通过本章的设计，我们对110KV、10KV的主接线进行了分析和比较，对其主接线进行了选择，在110KV侧采用单母线分段、10KV采用单母线的主接线形式，使我们了解和熟悉了各个设计的规程。
第5章 短路电流的计算
5.1 短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。短路电流计算的目的主要有以下几方面：
一、在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算；
二、在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定；
三、在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离；
四、在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据；
五、接地装置的设计，也需用短路电流。
5.2 短路电流计算的一般规定
一、验算导体和电器时所用的短路电流，一般有以下规定：
1.电力系统中所有电源都在额定负荷下运行；
2.同步电机都具有自动调整励磁装置(包括强行励磁)；
3.短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
4.所有电源的电动势相位角相同；
5.正常工作时，三相系统对称运行；
应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
二、接线方式
计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
三、计算容量
应按本次工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑本工程建成后5～10 年）。
四、短路种类
一般按三相短路计算。若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统以及自耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况进行校验。
五、短路计算点
在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。对于带电抗器的6～10kV 出线与厂用分支回路，在选择母线至母线隔离开关之间的引线、套管时，短路计算点应该取在电抗器前。选择其余的导体和电器时，短路计算点一般取在电抗器后。
5.3 短路电流计算的步骤
在工程设计中，短路电流的计算通常采用实用计算曲线法。其具体计算步骤如下：
图5.1 系统接线
1. 基准容量 =100MW 、Ud1=115KV 、Ud2=10.5KV
则基准电流
I d1= =0.50KA
Id2 = =KA
基准电抗
X d1 = =132.25Ω
X d2= =1.10Ω
各种线形的单位电抗统一选0.4Ω/KM
2. 各条架空线路的电抗的标幺值：
X=30×0.4=0.091
X=30×0.4=0.091
X= 50×0.4=0.151
3.系统和发电机电抗标幺值：
XD1*= XD2*=14.5%=0.0024
系统在最大、最小运行方式下对应的电抗的标幺值分别为、则
＝
＝
４．变压器的电抗标幺值：
5.短路电流计算公式
短路电流周期分量有效值：
短路冲击电流峰值：
短路全电流最大有效值：
式中为冲击系统
表5.1不同短路点的冲击系数
| 短路点 | 推荐值 | |
| 发电机端 | 1.90 | 2.69 |
| 发电厂高压侧母线及发电机电抗器后 | 1.85 | 2.62 |
| 远离发电厂的地点 | 1.80 | 2.55 |
ⅰ）当K1点短路时：
图5.2 K1点短路等效图
等效后的简图：
＝
当母线电压不变的情况下：
==5.9453
=2.55
=5.9453
三相短路后的容量：
ⅱ）当K2点短路时：
图5.3 K2点短路等效图
等效后的简图：
＝
当母线电压不变的情况下：
==5.7736
=2.55
=5.7736
三相短路后的容量：
ⅲ）当K3点短路时：
图5.4 K3点短路等效图
等效后的简图：
＝
当母线电压不变的情况下：
==6.4252
=2.55
=6.4252
三相短路后的容量：
ⅳ）当K4点短路时：
图5.5 K4点短路等效图
等效后的简图：
＝
当母线电压不变的情况下：
==6.4252
=2.55
=6.4252
三相短路后的容量：
ⅴ）由于在最大运行方式下Ｋ１、Ｋ３点查短路电流曲线的查运算曲线得：
0秒短路电流标幺值：I=７．１， =７．０
2秒短路电流标幺值：I＝２．８， =２．７
4秒短路电流标幺值：I=３．０， =３．４
K点的短路电流：
I=７．１=２．２２７（KA）；
I=2．８=０．８７８（KA）；
I=３．０=０．９４１（KA）；
K３点的短路电流
I=７．０=２４．０５６（KA）；
I=2．７=９．２７９（KA）；
I=３．４=１１．６８５（KA）；
表5.2 短路电流
| 短路电流短路点 | I"（KA） | I tk/2 （KA） | I tk（KA） |
| K1 | ２．２２７ | ０．８７８ | ０．９４１ |
| K３ | ２４．０５６ | ９．２７９ | １１．６８５ |
ⅰ）当K1点短路时：
图5.6 K1点短路等效图
等效后的简图：
当母线电压不变的情况下：
==5.6116
=2.55
=5.6116
三相短路后的容量：
ⅱ）当K2点短路时：
图5.7 K2点短路等效图
等效后的简图：
当母线电压不变的情况下：
==5.45
=2.55
=5.45
三相短路后的容量：
ⅲ）当K3点短路时：
图5.8 K3点短路等效图
当母线电压不变的情况下：
==60.7734
=2.55
=60.7734
三相短路后的容量：
ⅳ）当K4点短路时：
图5.9 K4点短路等效图
等效后的简图：
当母线电压不变的情况下：
==60.7734
=2.55
=60.7734
三相短路后的容量：
短路电流计算结果
| 短路点 | 短路电流周期分量(有效值) I (kA) | 短路冲击电流 (峰值) ich(kA) | 短路全电流最大有效值 Ich(kA) |
| 最大运行方式下 | |||
| K1 | 6.8634 | 15.1605 | 8.9774 |
| K2 | 6.6671 | 14.7228 | 8.7181 |
| K3 | 6.7449 | 16.3843 | 9.7021 |
| K4 | 6.7449 | 16.3843 | 9.7021 |
| 最小运行方式下 | |||
| K1 | 9.7309 | 14.3097 | 8.4735 |
| K2 | 9.45 | 13.9344 | 8.2513 |
| K3 | 9.5690 | 154.9723 | 91.7678 |
| K4 | 9.5690 | 154.9723 | 91.7678 |
６.1 电气设备选择的总体概述
导体的选择主要有：各电压级的汇流母线、主变引下线、出线以及各电压级的绝缘子等。电气设备包括各电压级的出线断路器、旁路断路器、分段断路器、以及相应的隔离开关、熔断器等。用于保护和测量用的电流互感器，包括穿墙套管、开关柜的选择及其一次接线的编号。
６.2 选择导体和电器的基本条件
依据《导体和电器的选择设计技术规定》: 选用的电器允许最高工作电压不得低于该回路的最高运行电压。
即： （６－１）
其中，
一般按照选择电气设备的额定电压。
对于导体：
（６－２）
对于电器：
（６－３）的计算方法：
一、汇流主母线
（一） 110KV主母线：按实际功率分布进行计算。
（二） 10kV主母线：
（６－４）
二、旁路母线回路
。
三、主变的引下线
（６－５）
四、出线
单回线：
双回线：
五、母联回路
。
六、分段回路
（６－６）
其中：K=0.5～0.8 。
七、10KV并联电容器回路
（６－７）
6.３ 导体和电器的校验条件
6.３.1 电器选择的依据
一、 断路器选择
根据规定：35KV及以下，可选用少油、真空、多油断路器等，应注意经济性。35KV—220KV可选用少油、SF6、空气断路器等。
综合考虑，尽量利用经过国家鉴定推荐使用的新产品，又110KV为检修方便，选用SF6断路器，10KV侧采用真空断路器。
二、隔离开关的选择
隔离开关的型式很多，按安装地点的不同可分为屋内式和屋外式；按绝缘支柱数目可分为单柱式和双柱式。它对配电装置的占地面积有很大影响，选型时应根据配电装置的特点和使用要求以及经济技术条件来确定。
由于本设计中均采用手车式断路器，故10KV侧不用选隔离开关。
三、电压互感器选择
电压互感器是二次回路中测量和保护用的电压源，通过它反映系统的运行状况，它的作用是将一次高压变为二次侧的低电压便于测量。
四、电流互感器选择
目前电力系统中用的广泛是电磁式电流互感器，它的原理和变压器相似，他的特点：一次绕组串联在电路中，并且很少，电流取决于被测试电路的负荷电流，而与二次侧电流的大小无关；二次侧的电流绕组阻抗很小，所以它在近于短路的状态下运行。
五、绝缘子和穿墙套管
6.４ 电气设备选择过程
６.4.1 消弧线圈的容量及型式的选择
一、消弧线圈一般选用油浸式装设在屋内相对<80%场所的消弧线圈。
二、消弧线圈的补偿容量，一般按下式计算
（６-９）
Q-补偿容量 K-过补偿系数
Ue-电网额定电压/KV Ic-电网或发电机回路的电容电流/A
三、电网的电容电流计算：
（一）架空线路的电容电流可按下式计算
（６-１０）
L-线路的长度 Ic-架空线路的电容电流
（二） 电缆线路的电容电流可按下式计算
（６-１１）
６.4.2 最大长期工作电流的计算
汇流母线的I：
110KV侧： I =1.05I=1.05=１３２A
10KV侧： I =1.05I=1.05＝１４４３Ａ
６.4.3 母线选择
一、110KV母线选择
按导体长期发热允许电流选择截面
I K I （６-１２）
式中——导体所在回路中最大持续工作电流。
——在额定环境温度时导体允许电流。
K——与实际环境温度和海拔有关的综合修正系数。
K = = =0.81
I=0.81１７０=１３８（A）>１３２A
故选择型号为LGJ-３５的钢芯铝绞线，长期允许载流量为１７０Ａ。
二、10KV母线选择
查表可选用两条125８mm矩形铝导体，单条平放允许电流为１９２０A，集肤效应系数K=1.０８，当环境温度为+40c时查附表3得修正系数K=0.81。
则： I=0.81１９２０=１５５５．２（A）>１４４３A
６.4.4 110KV出线断路器和隔离开关选择
（一） 110KV出线断路器的选择
I =132A
根据110KV出线断路器的U，I的要求，可选SW3-110G/1200型断路器
根据前面的计算部分得： I=2.227KA
I=0.878KA
I=0.941KA
计算周期分量热效应：
Q ==4.5
因t>1s,故不计算非周期分量的热效应。
所以 Q = Q =4.5
表6.1 110KV计算数据和断路器的有关参数表
| 计算数据 | SW3-110G/1200 | ||
| U | 110KA | U | 110KV |
| I | 132A | I | 1200A |
| I | 2.227KA | I | 15.8KA |
| I | 8.977KA | i | 41KA |
| Q | 4.5 | It | 499 |
由 U=110KV
I=132A
Q=4.5
I=8.977KA
可选用GW5-110型号的隔离开关。
表6.2 110KV计算数据和隔离开关的有关参数表
| 计算数据 | GW5-110/600 | ||
| U | 110KV | U | 110KV |
| I | 132A | I | 600A |
| Q | 4.5 | It | 160 |
| I | 8.977KA | i | 50KA |
一、断路器的选择
I=132A
根据断路器的U ，I的要求，可选SW3-110G/1200型少油断路器。
根据前面的计算部分得： I=2.227KA
I=0.878KA
I=0.941KA
计算周期分量热效应：
Q ==4.5
因t>1s,故不计算非周期分量的热效应。
所以 Q = Q =4.5
表6.3 110KV计算数据和断路器的有关参数表
| 计算数据 | SW3-110G/1200 | ||
| U | 110KA | U | 110KV |
| I | 132A | I | 1200A |
| I | 2.227KA | I | 15.8KA |
| I | 8.977KA | i | 41KA |
| Q | 4.5 | It | 499 |
由 U=110KV
I=132A
Q=4.5
I=8.977KA
表6.4 110KV主变下引线计算数据和隔离开关的有关参数表
| 计算数据 | GW5-110/600 | ||
| U | 110KV | U | 110KV |
| I | 132A | I | 600A |
| Q | 4.5 | It | 160 |
| I | 8.977KA | i | 50KA |
本次选择以平原机械厂为例：
ⅰ）断路器的选择
I =（1+5）=（1+5）=128.3A
根据前面的计算部分得： I=24.56KA
I=9.279KA
I=11.685KA
I=9.702KA
热稳定校验：
短路时的周期分量的热效应：
Q = =4=５２５．４
因t>1s,故不计算非周期分量的热效应。
故 Q = Q =５２５．４
表6.5 10kv出线断路器和隔离开关选择
| 计算数据 | ZN5-10/1250 | ||
| U | 10KA | U | 10KV |
| I | 128.3A | I | 1250A |
| I | 24.56KA | I | 25KA |
| I | 9.702 KA | i | 63KA |
| Q | 525.4 | It | 650 |
由 U=10KV
I=128.3A
Q=５２５．４
I=9.702KA
查表可选用GN19-10/1000-80型号的隔离开关。
表6.6 10KV出线计算数据和隔离开关的有关参数
| 计算数据 | GN19-10/1000-80 | ||
| U | 10KV | U | 10KV |
| I | 128.3A | I | 1000A |
| Q | 525.4 | It | 625 |
| I | 9.702 KA | i | 80KA |
一、断路器的选择
I=１４４３Ａ
根据断路器的U，I的要求，查表可选SN10-10Ⅲ/3000型断路器。
表6.23 10KV分段断路器计算数据和断路器的有关参数表
| 计算数据 | SN10-10Ⅲ/3000 | ||
| U | 10KA | U | 10KV |
| I | 1443A | I | 3000A |
| I | 24.56KA | I | 43.3KA |
| I I | 9.702KA | i | 130KA |
| Q | 525.4 | It | 749 |
由 U=10KV
I=1443A
Q=525.4
I=9.702KA
可选用GN22-10/2000型号的隔离开关。
| 计算数据 | GN22-10/2000 | ||
| U | 10KV | U | 10KV |
| I | 1443A | I | 2000A |
| Q | 525.4 | It | 750 |
| I | 9.702KA | i | 100KA |
一、断路器的选择
I=１４４３Ａ
根据断路器的U，I的要求，查表可选SN10-10Ⅲ/3000型断路器。根据前面的计算部分得： I=24.56KA
I=9.279KA
I=11.685KA
I=9.702KA
表6.25 10KV分段断路器计算数据和断路器的有关参数表
| 计算数据 | SN10-10Ⅲ/3000 | ||
| U | 10KA | U | 10KV |
| I | 1443A | I | 3000A |
| I | 24.56KA | I | 43.3KA |
| I I | 9.702KA | i | 130KA |
| Q | 525.4 | It | 749 |
由 U=10KV
I=1443A
Q=525.4
I=9.702KA。
| 计算数据 | GN22-10/2000 | ||
| U | 10KV | U | 10KV |
| I | 1443A | I | 2000A |
| Q | 525.4 | It | 750 |
| I | 9.702KA | i | 100KA |
一、110KV侧电压互感器的选择
根据本次设计的使用条件可选则JDR-110型式的电压互感器。
二、10KV侧电压互感器的选择
（一） 种类和型式的选择：三相五柱式油浸式电压互感器
（二） 一次额定电压和二次额定电压的选择
（三） 容量和准确级的选择
互感器的额定二次容量应不小于电压互感器的二次负荷。
6.4.10 支柱绝缘子和穿墙套管选择
一、10KV绝缘子和穿墙套管的选择
根据母线额定电压和安装地点选ZC-10F型。其抗弯破坏负荷F=12250N，绝缘子高度225mm。则：
F =F = = =113.5(N/m)
H=H+b+h/2=225+12+125/2=299.5mm
F1=0.639200=7350N
F= F H/H=113.5299.5/225=151.1N<7350N
根据工作电压和额定电流选用CMWF2-20其长度L=625mm，F=39200N
套管窗口尺寸为 220210>36000
计算跨度：
L=（l+ L）/2=(1+0.625)/2=0.8125m
套管受力 ：F1=0.639200=23520N
F===1510.3<23520N
二、110KV绝缘子选择
本次设计选用ZS-110/400普通型棒式绝缘子。
第7章 继电保护的配置
7.1继电保护
选择性：是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量减小停电范围。
速动性：是指保护快速切除故障的性能，故障切除的时间包括继电保护动作时间和断路器的跳闸时间。
灵敏性：是指在规定的保护范围内，保护对故障情况的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出来。
可靠性：是指发生了属于它该动作的故障，它能可靠动作，而在不该动作时，它能可靠不动。即不发生拒绝动作也不发生错误动作。
7.2主变压器保护配置及整定计算
7.2.1变压器保护配置
变压器的故障可以分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路以及中性点直接接地侧的接地短路。这些故障的发生会危害电力系统的安全连续供电。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。
主保护：电流差动保护、瓦斯保护
后备保护：过电流保护/低压闭锁过电流保护/复合电压闭锁过流保护/阻抗保护/零序过电流保护/零序过电压保护/过负荷保护/过激磁保护。
7.2.2纵联差动保护
===
或=
式中—高压侧电流互感器的变比；
—低压侧电流互感器的变比；
—变压器的变比（即高、低压侧额定电 压之比）。
图7.1变压器纵联差动保护
（变压器变比）
所以这时Ir=0，实际上，由于电流继电器接线方式，变压器励磁电流，变比误差等影响导致不平衡电流的产生，故Ir不等于0 ，针对不平衡电流产生的原因不同可以采取相应的措施来减小。
尽管纵联差动保护有很多其它保护不具备的优点，但当大型变压器内部产生严重漏油或匝数很少的匝间短路故障以及绕组断线故障时，纵联差动保护不能动作，这时我们还需对变压器装设另外一个主保护——瓦斯保护。
图7.2纵联差动保护原理示意图
7.2.3瓦斯保护
瓦斯保护的整定：
瓦斯保护有重瓦斯和轻瓦斯之分，它们装设于油箱与油枕之间的连接导管上。其中轻瓦斯按气体容积进行整定，整定范围为：250～300cm3,一般整定在250cm3 。重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0.6～1.5m/s,一般整定在1m/s 。瓦斯保护原理如图7.3所示。
图7.3瓦斯保护原理示意图
7.2.4保护配置的整定
对于本次设计来说，变压器的主保护有纵联差动保护和瓦斯保护，其中瓦斯保护一般不需要进行整定计算，所以仅对纵联差动保护进行整定如下：
(1)避越变压器的励磁涌流：
其中为可靠系数，取1.3，而
为变压器的额定电流。
(2)避越外部短路时的最大不平衡电流：
其中Ktx为电流互感器同型系数，型号相同时取0.5，型号不同时取1，这里为避免以后更换设备的方便故取1；为非周期分量引起的误差，取1；建议采用中间值0.05；取0.1；为变压器外部最大运行方式下的三相短路电流，由前面的计算结果知=995。
(3)躲过电流互感器二次回路断线的最大负荷电流：
而保护基本侧的动作电流取：
(4)确定差动继电器的动作电流和基本侧差动线圈的匝数：
差动继电器的动作电流：
其中为电流互感器的一次侧额定电流；
为电流互感器的二次额定电流。
差动线圈匝数：
实际整定匝数选用：
所以继电器的实际动作电流为：
保护装置的实际动作电流为：
(5) 校验保护的灵敏系数:
当系统在最小运行方式下,线路处开环运行发生两相短路时,保护装置灵敏系数最低,即:
显然灵敏度满足要求。其中是变压器差动保护范围内短路时总的最小短路电流有名值(归算到基本侧)。是保护的接线系数,这里取1 。
7.3 10kv线路保护
本设计选择10kV出线平原机械厂作为整定计算
平原机械厂 ＝2000KW，＝0.9，线路全长30公里
已知（由短路电流计算而得来）
平原机械厂线路首端在最小运行方式下＝7.3KA
平原机械厂线路末端在最大运行方式下＝0.9KA
平原机械厂线路末端在最小运行方式下＝0.6KA
根据保护配置10kV出线有电流速断和过电流配合保护
一、无时限电流速断保护
1、动作电流：
（1）按躲过线路末端最大短路来整定
（2）躲过变压器的励磁涌流
考虑到CT、继电器的误差，为保证选择性，选择一个可靠性系数,一般在1.15－1.25之间，现按1.25选择。
继电器动作电流
式中为接线系数，两相不完全星形、三相不完全星形接线其值为1
选DL－11/20继电器，其整定范围在5－20A。
2、灵敏度检验
，满足灵敏度要求。
二、定时限过电流保护
1、起动电流整定
（1）正常时保护不起动，即
（2）当外部故障后，保护应能可靠地返回，其返回电流必须大于外部故障切除后流过保护的最大自起动电流即
以上两点是过流保护起动电流必须满足的条件
式中为可靠系数，取1.2
为自起动系数，取1.3
为恢复系数，取0.9
继电器动作电流
选用DL-11/0.5，整定范围在0.5－3A
2、灵敏度校验
近后备：用本线路末端最小短路电流来校验灵敏度
，满足灵敏度要求。
3、动作时限整定
按阶梯原则与相邻过电流保护中最大的动作时限配合，取相邻保护时间为1S
选用DS－112型时间继电器整定范围0.25－3.5S
第8章 防雷保护
8.1 直击雷的保护
屋外配电装置，包括组合导线、母线廊道。
避雷针保护范围的计算公式如下：
表8.1避雷针保护范围计算公式
| 建筑物高度 | 避雷针保护半径的计算公式 |
2. 主变压器：装设避雷针，
3. 屋外组合导线：装设避雷针
4. 空间高度超出45m的钢筋混凝土结构、钢构建筑物，都应采取防侧击雷和等电位的保护措施。
8.2 雷电侵入波防护
1. 110KV，10KV每段母线上均装一组避雷器;
2. 变压器中性点装一个避雷器或在变压器低压侧的一相上设置一台避雷器，本设计在10KV侧的一相上装避雷器;
3. 110KV侧每一相上为分级绝缘且装有隔离开关，故需每相装一个避雷器;
7.2.3 变电站的防雷设计计算过程如下：
表8.2高度保护范围的计算
| 建筑物高度条件 | rx 的计算公式 |
表9.3高度保护范围的计算
| 的取值 | 高度条件 | 保护半径的计算 | 计算结果 |
| < | |||
| < |
当时：
根据计算需要采用四只避雷针，可满足保护范围使得全所不受雷电的袭击。确保变电站在雷电天气时能够正常稳定运行，保证供电的可靠性。在确定避雷针布置时，首先考虑到利用照明灯塔，同时应满足避雷针与配电装置带电部分在地中和空气中应有最小距离要求，每支避雷针够架5m以上，其接地线在地下与设备接地线相距3m以上。
总 结
本次毕业设计针对“北郊110KV变电站”设计的要求我们分别对主变的选择、主接线的确定、短路电流的计算、电气设备的以及变电所的防雷设计等做了具体分析。
随着科技的发展，社会经济的增长，人们对电力的需求日益增大对电能质量的要求不但提高。这就要求我们的电力系统有足够的可靠性，我们在建设变电站时为了保证电力系统的稳定运行，使电力系统的运行不至于受外界条件的影响，所以我们设计了全室内变电所，本变电所的优点在于它不因天气的变法而导致无法对电力系统的检修。在设计母线的运行方式时，因考虑到经济性和可靠性以及实用性，最终我们采用了单母分段的主接线形式。
雷电的袭击可使变电所处于摊贩状态，严重时可导致火灾造成重大伤亡。为了保证生命及财产的安全所以我们要足够的重视变电所的防雷设计。普通阀式避雷器它既经济性能又可靠，是中小变电所的首选。
随着社会的进步科技的发展新型电气设备的脱颖而出，而使高度自动化的变电所成为主题。利用微机和自动控制装置来监控各个电气设备，这样我们即使不到控制现场也能达到监视和控制的目的，这就是“无人值班变电站”。科技的发展社会的进步这将踌使“无人值班变电站”成为以后变电站发展的主角。
致 谢
值此论文完成之际，我衷心地感谢常文平老师及各位指导老师。在我的设计过程中常老师给予了悉心地指导和精辟的建议，使得本课题的设计任务得以顺利完成，特别是在设计的最初阶段，老师们耐心细致地给我讲解，指导我查阅资料，为我排除困扰，使我走出困境。
在我的设计过程中，常老师及各位指导老师倾注了大量的心血和汗水，他们一贯严谨的治学态度、渊博的知识水平和踏实的工作作风给我留下了深刻的印象，在此，我向常老师及各位指导老师致以最诚挚的谢意。
同时，我感谢全体老师给我提供的帮助和指导，感谢各位同学在学习、生活中给我的鼓励和帮助。感谢一些同学在设计过程中同我一起探讨遇到的问题，使我能够顺利完成设计。
衷心感谢其他所有关心我，帮助我的老师、同学和朋友们以及我的爸爸、妈妈，在我学习和生活中给于的支持。
本设计因为时间仓促，设计水平有限，本设计中难免有错误，希望老师批评指正。
参考文献
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