20kV变电所设计

1TAIYUAN INSTITUTE OF TECHNOLGY成人高等教育毕业设计（论文）题目：20kV变电所设计说明书二次部分设备的保护设计教学点：院直属年级专业： 2012级电气工程及自动化层次：本科学号： 12420201009姓名：指导教师：2014年11月 16 日本次毕业设计的题目是《20kV变电所设计》（二次部分）。

根据设计的要求，在设计的过程中，用到了变电所设计的基础理论和设计方案，因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养。

设计可分为几部分：原始资料的分析、负荷计算、无功补偿、短路电流计算、一次设备选择以及继电保护的配置、整定及校验的确定。

关键词：短路计算、一次设备、继电保护、自动装置引言 (1)（一）本课题的目的及研究意义 (1)1、本课题的目的 (1)2、本课题的研究意义 (1)（二）本课题的研究范围及技术要求 (1)（三）设计资料 (2)1、电源 (2)2、负荷资料 (2)3、设计内容 (2)（一）负荷计算 (3)1、负荷分析 (3)2、负荷计算的方法 (3)（二）无功补偿 (5)1、供配电系统的无功功率和功率因数 (5)2、无功补偿方法及计算 (5)（三）主变压器的选择 (7)（四）电气主接线设计 (8)1、电气主接线概述 (8)2、主接线方案设计 (9)3、主接线方式的选择 (9)（五）短路电流计算 (10)二、一次电气设备的选择 (15)（一）电气设备选择的一般原则 (15)1、电气设备选择的一般原则 (15)2、电气设备选择的技术条件 (15)3、常用电气设备的选择及校验项目 (15)（二）断路器的选择 (16)（三）10kV侧母线的选择 (17)（四）互感器的选择 (17)1、电流互感器选择的原则 (17)2、电压互感器选择的原则 (18)（五）所用变的选择 (19)（六）熔断器的选择 (19)1.20kV侧 (19)2.10kV侧 (20)（七）出线设备选择 (20)1、电流互感器 (20)2、断路器 (21)三、二次设备选择及整定 (22)（一）继电保护概述 (22)（二）变电站综合自动化系统综述 (23)（三）主变压器的继电保护 (24)1、变压器常见的故障类型与保护配置 (24)2、CSR-03F变压器纵联差动保护装置 (25)3、CSR-03H变压器后备保护测控装置 (29)4、保护原理 (29)1）I段复压闭锁过流保护（带方向闭锁） (29)5、装置保护整定方法 (30)6、后备保护启动时各断路器动作情况 (30)（四）线路的继电保护 (32)（五）断路器控制回路 (34)（六）自动重合闸装置 (36)1、自动重合闸及其作用 (36)2、自动重合闸的基本要求 (36)3、自动重合闸装置 (37)（七）备用电源自动投入装置 (37)1、备用电源自动投入概述 (37)2、保护原理 (38)四、操作电源 (41)（一）操作电源概述 (41)1、操作电源基本概念及要求 (41)2、操作系统交流部分 (41)3、操作系统直流部分 (41)4、操作系统监控部分 (42)参考文献 (43)致谢 (44)引言（一）本课题的目的及研究意义1、本课题的目的20kV变电站二次部分设备的保护设计，对一次电气部分具有监察、测量、控制、保护、调节等功能，达到安全、稳定、灵活和经济运行的目的，提供有效的操控方案，运用各方面知识的综合来解决实际问题，掌握实际工程设计的基本技能，检测自己工作成果。

2、本课题的研究意义目前10kV配电网的局限性越来越突出，20kV可以很大程度的缓解供电局限性问题。

20kV配电网的改造使供电的成本，损耗等有了大大的改善，使电网发展更加可靠。

变电站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。

这就要求变电站的一次部分、二次部分经济合理，并且安全可靠。

变电站综合自动化建立在微机技术和数字通信技术基础之上,是变电站自动化发展的趋势，其中继电保护是变电站综合自动化系统的重要组成部分。

微机保护由于其功能先进、可靠性高、整定方便、智能性强，且正在向着智能化、多元化、网络化方向发展，能够及时对变电站出现的故障采取有效的处理方式，已在电力系统中得到广泛应用，同时也在传统变电站的改造中发挥积极作用，促进了电网的技术改造和安全运行。

（二）本课题的研究范围及技术要求根据一次部分主变压器的选择和电气主接线的设计，计算短路电流，并选择主变压器、所用变、母线电缆、断路器、电流互感器、电压互感器、熔断器、补偿电容器等设备。

二次部分主要是变压器的主、后备保护设备选择及整定校验，母线的三段保护，自动重合闸装置，备自投及直流操作电源装置的选择。

微机继电保护系统还有断路器控制回路设计，自动重合闸回路以及备用电源自动投入回路设计。

同时完成一次部分的主接线图和平面布置图，二次部分的保护配置图、断路器控制回路图、备自投保护配置图及交直流系统图。

通过各种保护装置，及时反映并动作于故障，保证变电所的可靠供电。

（三）设计资料1、电源由太原市某110kV变电站出2回20kV线路供太原某企业20/10kV室内变电站用电。

20kV线路电缆长4公里，系统短路容量为Skmax=800MVA，Skmin=600MVA。

2、负荷资料表1-1所给出的10kV侧负荷资料=0.9。

10kV负荷同时系数Kd3、设计内容（1）根据给出的变电所负荷情况选择变压器容量和台数，并设计电气主接线图，设计配置相应继电保护装置。

（2）确定短路电流计算点，计算短路电流。

（3）选择主要一次回路（一次进线、变压器、母线分段开关、母线联络开关和重要引出线）电气设备，包括高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线、电缆等。

（4）设计主要一次回路继电保护装置和必要的自动装置。

（5）设计主要一次回路断路器控制回路。

（6）设计信号回路。

一、变电所一次回路（一）负荷计算1、负荷分析根据供电可靠性和突然中断供电造成的损失程度可以将负荷分为三种，其主要目的是节约投资，降低供电成本，保证电能质量。

（1）一级负荷一级负荷，是指突然中断供电将造成人身伤亡，重大设备损坏，政治经济上造成巨大损失。

因此，要有两个独立电源供电，其他的还要增设独立电源点。

（2）二级负荷二级负荷，是指突然中断供电，政治经济造成较大损失，设备局部损坏。

应由两回线供电，负荷较小时允许采用一回专用线路供电。

（3）三级负荷三级负荷，是指不属于一级和二级的负荷。

这类负荷造成的损失不大或不会直接造成损失。

其停电影响不大，可用一回线供电。

2、负荷计算的方法目前负荷计算的常用方法有需要系数法、二项式法和利用系数法。

这里我采用的是需要系数法。

（1）单台用电设备的计算负荷1）有功计算负荷：Pca•1=SN• cosφN（2-1）式中 Pca•1——有功计算负荷，kW；SN——负荷的额定视在容量，kV•A；φN——负荷的功率因数角。

2）无功计算负荷：Qca•1=Pca•1• tanφN（2-2）式中 Qca•1——无功计算负荷。

（2）用电设备组的计算负荷 1）有功负荷计算：Pca•2=Kd•∑Pe（2-3）式中 Kd——用电设备组的需要系数；∑Pe——用电设备组的设备额定容量之和。

2）无功计算负荷：Qca•2=Pca•2• tanφwm（2-4）式中φwm——用电设备的加权平均功率因数角。

3）视在计算负荷：Sca•2=22ca22ca••+QP（2-5）（3）确定变电所低压母线上的计算负荷1）总有功计算负荷：Pca•3=K∑•∑Pca•2（2-6）2）总无功计算负荷：Qca•3=K∑•∑Qca•2（2-7）3）总视在计算负荷：Sca•3=23ca23ca••+QP（2-8）式中 Pca•3、Qca•3、Sca•3——变电所低压母线上的有功、无功及视在计算负荷，kW、kvar、kV•A；∑Pca•2、∑Qca•2——各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和，kW、kvar；K∑——最大负荷时的同时系数。

根据上述方法，依据计算公式：Pca•k =Kd•∑Pe（2-9）Q ca •k =P ca •k • tan φN （2-10）P ca •∑=K ∑ • ∑P ca •k （2-11）Q ca •∑=K ∑ • ∑Q ca •k （2-12）表2-1负荷计算结果（二）无功补偿1、供配电系统的无功功率和功率因数功率因数是指有功功率在视在功率中所占的比重，即 cos φ=SP（2-13） 功率因数总是小于或等于1。

功率因数越低，对电网的损耗越大，经济效益越差。

因此，日常生活中，供电部门对功率因数较低的企业会进行罚款等惩罚措施，其目的就是为了保证电网经济有效的运行。

2、无功补偿方法及计算（1）功率因数的人工补偿本设计中通过选用并联电容器柜进行补偿，使功率因数保持在允许范围。

1）补偿容量的确定。

设某电力用户补偿前的平均负荷为Pav ；自然功率因数为cos φ1.若要求将功率因数提高到cos φ2,则需要补偿的容量Qc 为Q c =P av （tan φ1-tan φ2)=α•（tan φ1-tan φ2) （2-14） 式中 Pca ——最大有功计算负荷，kW ； α——月平均有功负荷系数； φ1、φ2——补偿前、后功率因数角； tan φ1-tan φ2——无功补偿率。

2）电容器的选择。

n=Q c /Qc 1 （2-15） 式中 Q c1——单只电容器容量； n ——并联电容器的个数。

上式计算所得的数值对三相电容应取相近偏大的整数。

（2）无功补偿的计算根据上节的有功、无功计算负荷的功率因数： cos φ=∑•∑•ca S P ca =22ca ∑•∑•∑•+ca ca Q P P =2258.557625.850725.8507+=0.836 （2-16）在《供用电规则》中规定：高压供电的工业用户和高压供电装有负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上；其他100kV •A 及以上电力用户和大、中型排灌站，功率因数为0.8以上。

因此，这里cos φ=0.836不符合要求，需要采用电容器进行无功补偿。

为使补偿后功率因数cos φ≥0.9，则根据要求，当cos φ=0.9时，'c ∑•a Q =P ca •∑ • tan 'ϕ=8507.25×0.484=4120.25 (kvar)（2-17）Q c =Q ca •∑-'c ∑•a Q =5576.58-4120.25=1456.33 (kvar) （2-18）经查阅相关文献书籍，选择4套TBBX10-450-3N 型电容器柜进行补偿，并联电容器型号BFM10.5/√3-150-1，补偿方式为集中补偿。

并联电容器组装设在变电所低压侧母线，主要是补偿主变和负荷的无功功率。