1、1某用户 35kV 变电所及其综合自动化系统设计摘要: 35kV 变电所综合自动 化系统主要为无人值班形式，其设计应服从电网调度自动化的总体设计，其配置、功能包括 设备的布置应满足电网安全、优质、经济运行以及信息分层传输、资源共享的原则。因此,本次 设计我们将以此作为设计 指导原则展开设计工作。整个设计过程包括总降压变电所电气设计、10kV 中性点接地设计与所用电设计、微机保护及综合自动化系统设计。我们将从各种相关方案中比较确定出最佳设计方案。其中 总降压变电所采用内桥式的接线方式，10kV 中性点采用经过小电阻接地，所用电采用接地变压器兼所用变压器的形式。本设计提供一整套可用于指导施工的工程
2、 设计图纸。关键词：变电所，综合自动化，微机保护，中性点接地Design on Customer 35kV Substation And The Synthesize Automation System Abstract: The complex automatic system nobodys form on duty 35kV transformer substation mainly it designs overall design that should obey automation of dispatching of power netwoks , it dispose, inc
3、luding equipment to decorate and should meet electric wire netting safe, high-quality, economical operation and information strata transmit, principle of resource-sharing function. Design we regard this as and design guideline launch the design work this time. Whole design process including electric
4、 to design to step down transformer substation always, 10 kV neutral some earth design with power consuming design, computer protect and complex automatic system design. We will relatively determine the best plan of design from various kinds of relevant schemes . Step down transformer substation wir
5、ing way of bridge type in adopting always among them, 10 kV neutral to adopt through disappear arc coil earth a bit, adopt the earth voltage transformer and concurrently form of the voltage transformers used with the electricity. Design and offer a whole set of can with use for project design drawin
6、g constructed to guide originally.Keyword: The transformer substation, comprehensive automation, the computer protect2第一章 设计指导思想变电站及配电所在配电网中具有十分重要的地位。它既是变压器侧配电网中的负荷，又是下一级配电网的电源，其自动化程度的高低直接反映了配电自动化的水平。1995 年，国家调度中心要求现有 35kV110kV 变电站在条件具备时逐步实现无人值班变电站，新建变电站可根据调度和管理需要以及规划要求，按无人值班设计。欲实现无人值班变电站，其中变电站的综合自动
7、化程度很重要。变电站自动化系统作为电网调度自动化的一个子系统，应服从电网调度自动化的总体设计，其配置、功能包括设备的布置应满足电网安全、优质、经济运行以及信息分层传输、资源共享的原则。因此本次设计我们将以此作为设计指导原则展开设计工作。按我国的实际情况，目前变电站还不大可能完全实现无人值班，即使是无人值班，也有一个现场维护、调试和应急处理的问题，因此设计时应考虑远方与就地控制操作并存的模式。同样，保护单元亦应具有远方、就地投切和在线修改整定值的功能，以远方为主，就地为铺，并应从设计、制造上保证同一时间只允许其中一种控制方式有效。要积极而慎重地推行保护、测量、控制一体化设计，确保保护功能的相对独
8、立性和动作可靠性。保护、测量、控制原则上可合用电压互感器，对电量计费、功率总加等有精度要求的量可接量测电流互感器，供监测用的量可合用保护电流互感器。变电站自动化系统设计中应优先采用交流采样技术，减轻电流互感器和电压互感器的负载，提高测量精度。同时可取消以前经常采用的光字牌屏和中央信号屏，简化控制屏，由计算机承担信号监视功能，使任一信息做到一次采集、多次使用，提高信息的实时性、可靠性，节约占地空间，减少屏柜，二次电缆和设计、安装、维护工作量。变电站内存在强大的电磁场干扰。从抗电磁干扰角度考虑，在选择通信介质时可优先采用光纤通信方式，这一点对分散式变电站自动化系统尤为适用。例LSA678，DISA
9、2，DISA3 型等均采用了光纤通信方式。但鉴于光纤安装、维护复杂及费用相对较高，因此本次设计的变配电站宜以电缆为通信介质。 由上面的设计指导思想可以看到我们这里无人值班变电所的设计应尽量使一些现实问题得以解决，使供配电质量能进一步提高。 3第二章 总降压变电所设计2.1 负荷分级及供电要求根据负荷资料可知：由用户确定主要为一、二级负荷，根据工业与民用配电设计手册一书我们可以很清楚地看到一级负荷应由两个电源供电，这样当一个电源发生故障时，另一个电源不致同时受到损坏，以维持继续供电。一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。常用的应急电源有发电机组、干电池、蓄电池或供电网络
10、中有效地独立于正常电源的专用馈电线路。同样，我们也可以看到二级负荷也需要有两个电源供电。做到当发生电力变压器故障或电力线路常见故障时不致中断供电或中断后能迅速恢复。2.2 供电电源取得根据所给的资料可知，当地供电部门可提供两个 35kV 供电电源，分别来自距离用户4km 外的 220/35kV 地区变电所和 5.5km 外的 110/35kV 地区变电所。2.3 电压选择从用电容量、用电设备特性、供电距离、供电线路的回路数、当地电网现状等多方面的因素考虑，对于该用户的变电所设计，我们拟订 35/10kV 降压变电所一座，供电给 8 个35/10kV 车间变电所，这样我们就可以兼顾到一、二级负荷
11、的要求了。采用这中做法还有一个好处就是：使高压电源深入负荷中心，减小配电半径，降低电缆投资，提高供电质量。2.4 35kV 变配电所主接线方案确定通过阅读各类相关资料可知，为了降低电能损耗，应选用低损耗节能变压器。在电压偏差不能满足要求时，35kV 降压变电所的主变压器应首先采用有载调压变压器。35kV 变电所主接线应根据变电所在电力网中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定。并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求。变电所主接线要满足安全、可靠、灵活、经济的基本要求。其中，安全包括设备安全及人身安全；可靠应满足一次接线应符合一、二级负荷对供电可靠性的要求
12、；灵活即用最少的切换来适应各种不同的运行方式，检修时操作简便，另外，还应能适应负荷的发展，便于扩建。 ；经济尽量做到接线简化、投资省、占地少、运行费用低。在我们这组设计中 35kV 变电所主接线一般有单母线、单母线分段、双母线接线、单元接线、内桥式、外桥式方式可以考虑其可行性。具体分析如下：单母线优点是简单、清晰、设备少，但可靠性与灵活性不高。 （见下图 1、2）一般供三级负荷，两路电源进线的单母线可供二级负荷。 由于在该设计中用户不仅有二级负荷而且还有一级负荷，并且这里我们要考虑到无人值班变电所的因素，可靠性和灵活性显得尤为重要，鉴于这些方面的原因，单母线的优点显然不足以使用户满意，也有背于
13、我们设计无人值班变电所的基本思想和初衷，因此我们这里不考虑单母线的方式。单母线分段，母线分段后，可提高供电的可靠性和灵活性。两路电源一用一备时，分段断路器接通运行。任一段母线故障，分段断路器可在继电保护装置作用下自动断开。两路电源同时工作互为备用时，分段断路器则断开运行。任一电源故障，分段断路器可自动投入。4见图 2.4.1 和图 2.4.2图 a 一 路 电 源图 一 路 电 源 图 b 两 路 电 源 一 用 一 备图 两 路 电 源 一 用 一 备图 2.1 一路电源 图 2.2 两路电源一用一备图 2.3 单母线分段从上图 2.4.3 可以看出单母线分段虽然也能供给一级负荷，并且由于采
14、用分段形式，变压器一用一备，较之单母线确实也在一定程度上大大提高了供电的可靠性和灵活性，与我们的设计似乎有些相投，但我们也可以看到母线分段后带来的问题，比如母线分段后，我们需要在母线分段部位采用联络柜，这样就增加了投资经费，而且也会增加选择时的计算，并且还要考虑到和母线之间的匹配问题。因此我们再将其它几种接线方式做一翻讨论，看看有没有那一种接线方式能比单母线分段更出色，既能提高供电的可靠性和灵活性又能使投资建设经费降到最低，使变电所的接线方式尽量在最大程度上满足设计要求。WB2WB1出 线 3出 线 出 线 2QFS出 线 6供 一 级 负 荷 出 线 4出 线 5QFS电 源 电 源35双母
15、线接线方式能保证所有出线的供电可靠性，用于有大量一、二级负荷的大型变配电所。但我们也知道，我们设计的变电所并非大型变配电所，而是中小型变配电所，而且双母线在形式上多了一根母线，这样也增加了投资成本，这也是用户所不愿意看到的。因此，即使双母线能保证可靠性，并且适用于一、二级负荷，这里也不考虑采用。单元接线，当有两路电源进线和两台主变压器时，可采用双回线路变压器组单元接线，再配以变压器二次侧的单母线分段接线，则可靠性大大提高，见图 2.4.4 所示。这种接线方式同样也与单母线分段方式相同的是投资成本并不会随着没有母线的存在而减少，因此我们还有必要继续讨论桥式接线。桥式接线，分内桥式和外桥式两种：能
16、实现电源线路和变压器的充分利用，如变压器T1 故障，可以将 T1 切除，由电源 1 和电源 2 并列给 T2 供电以减少电源线路中的能耗和电压损失。 （接线方式见图 2.4.5）但我们也可以从接线图中看出两者之间的区别：内桥式，当变压器发生故障时，倒闸操作多，恢复时间长，而当线路发生故障时，倒闸操作少，恢复时间短。而外桥式的操作特点则恰恰与内桥式相反。因此内桥式接线适用于线路较长或不需要经常切换变压器的情况。由本次设计的基本思想可以看到，我们这里所要设计的是无人值班边电所，对于变压器自然不会有多次的切换操作，而且我们这里 35kV总降压变电所是由供电部门提供的，因此线路长是在所难免的，加上内桥
17、式接线是无母线制，这样可以省去母线的投资费用，在形式上，它比单母线分段又少了分段部分的联络部分，这样又可以省去联络柜，综合以上多方面的因素，我们认为内桥式接线方式基本综合了前面所述的各种接线方式的优点，满足安全、可靠、灵活、经济的基本要求，因此决定采取内桥式的接线方式。图 2 双 回 线 路 变 压 器 组 单 元 接 线图 双 回 线 路 变 压 器 组 单 元 接 线图 2.4：单元接线6a) 内 桥内 桥b) 外 桥外 桥图 2.5：桥式接线根据前面的概括，我们已经知道 35kV 变电所的主接线方式采取内桥式，那么在本章中我们将重点讨论 35kV 变电所一次系统设计的具体过程。2.5 变
18、电所结构形式选择从用户所给出的工程概况我们可以看到，所供给的车间变电所都为动力照明。变配电所所址选择根据规范我们可以得出以下结论：变配电所所址的选择应尽量满足以下条件：. 接近负荷中心或大容量用电设备处，以减小低压供电半径，降低电缆投资，节约电能损耗，提高供电质量；. 进出线方便；. 接近电源侧；. 设备运输方便；. 还应注意防尘、防腐、防火、防爆，防水等。变配电所型式选择：35kV 变配电所型式一般分为户内式和户外式两种，从规范里我们可以看出这两种方7式的优缺点。户内式运行维护方便，占地面积少。而户外式则节省土建费用，可以设置报警，散热条件好。我们也可以看出户内式的优点几乎就是户外式的缺点，
19、综合着两种方式的优缺点我们这里取一种较为折中的方式即：半户内式，仅主变压器为户外布置。35kV、10kV 配电装置均为户内式布置。这样将变压器置于户外就可以直接利用自然条件使变压器直接散热，也可以省去一笔建造变压器室的土建费用，但是考虑到安全方面的因素我们可以在变压器的周围建设围墙。这样安全、经济、运行维护方便等方面的要求基本都可以兼顾到了。变配电所的布置：根据规范可知，总体的布置应紧凑合理，便于设备的操作、搬运、检修、试验和巡视，还要考虑发展的可能性。从这里我们也可以看出 35kV 主变压器室应靠近 10kV 配电室。配电室、控制室、值班室等的地面，宜高出室外地面 150300。根据本次设计
20、的特点，我们这里的户内变电所选用双层布置，变压器室在底层。高压配电室内各种通道的宽度不应小于 200，背面离墙不应小于 502.6 主变压器选择：电力变压器型式选择是指确定变压器的相数、调压方式、绕组型式、绝缘及冷却方式、联结组别等，并应优先选用技术先进、高效节能、免维护的新产品。 联结组别： 35110/6.310.5kV 总降压变压器 Y,d11 10/0.4kV 配电变压器 Y,yno、D,yn11从用户所给资料可知，由于本次设计的负荷均为一、二级负荷，根据建筑电气设计规范，我们可以取同时系数为 K =0.9，COS_=0.9，根据需要系数法计算出该用户总的计算负荷（详细计算经过及结果见
21、附录部分） ，可以知道 SC=23489.977kVA，经过计算补偿电容容量可知，补偿之后的容量 S C=24376.17kVA。根据规范我们可以得到下列结论：对两台变压器（一般为等容量，互为备用）满足条件：SNT0.7Sc 且 SNTSc + Sc 经过计算我们可以得出变压器的容量为额定容量为 SNT=17063.32kVA。为了降低电能损耗，应选用低损耗节能变压器。在电压偏差不能满足要求时，35kV 降压变电所的主变压器应首先采用有载调压变压器。由于我们这里设计的是无人值班变电所，因此为便于变电所无人值班管理，同时兼顾到经济性，主变压器选用 35kV 低损耗双绕组户外自冷型油浸式变压器。根
22、据电网运行情况，为保证供电电压质量，35kV 侧采用有载调压开关。主变压器容量根据业主需要在1250020000kVA 选用。结合最近的样本以及各方面的因素考虑，我们这里选用型号为SZ9-20000/35，接线组别为 Y，d11，电压比为 3532.5%/10.5，阻抗电压为 UK=8%。结合现实情况考虑我们决定选用江苏常州变压器厂生产的此类产品，这种产品中溶入了东芝技术，变压器质量相对高一些。2.7 无功补偿我们也知道，供电部门对一些新建企业一般要求其月平均功率因数达到 0.9 以上。当企业的自然总功率因数较低，单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求时，应装设必要的无功功率补偿设备，以进一
23、步提高企业的功率因数。无功补偿的方式有很多中，结合实际情况我们这里采用并联电力电容器补偿的方式根据无功管理及供用电规则，我们可以得出，并联电容器装置的容量和分组按就地补偿、便于调整电压及不发生谐振的原则进行配置。设两组并联电容器装置分别接在两段10kV 母线上，每组电容器容量按 2400kvar 配置，也可以根据实际无功补偿需要配置。8补偿装置为户内式成套装置，选用难燃介质的干式银锌复合镀膜电容器，包括放电线圈、避雷器等由制造厂成套供货。考虑到 10kV 每段母线仅设单组电容器和较少有谐波污染，故不装设限制涌流和谐波分量的串联电抗器。为了减小涌流，电容器组宜在 10kV 母线分段情况下关合。参
24、考各种相关的样本，结合现实情况我们这里选用由江苏宝应开关电器集团生产的 GRJ-Z 系列的高压电容自动补偿柜。这种产品的特点是：每路电容器组设二相式电流保护，一次回路设熔断器、氧化锌避管器及电抗器保护电容组。同时设事故灯光、音响。及时进行报警。电容器组的投切采用性能优越的真空接触器。电源侧主控柜采用三相式电流保护及过电压。2.8 高压电器的选择：在我们讨论高压电器的选择之前，我们必须知道，选择高压电器的最基本的前提是短路电流计算。在三相交流系统中可能发生的短路故障主要有三相短路、两相短路和单相短路，通常，三相短路电流最大。因此，我们在讨论高压电气的选择之前重点讨论一下三相短路电流计算以及它的目
25、的及意义。短路电流计算应求出最大短路电流值，以确定电气设备容量或额定参数；求出最小短路值，作为选择熔断器、整定继电保护装置和校验电动机起动的依据。一般需要计算下列短路电流值：ich短路冲击电流（短路全电流最大瞬时值或短路电流峰值） ；Ich短路全电流最大有效值（第一周期的短路全电流有效值）Ik或 I瞬时变短路电流有效值（起始或 0s 的短路电流周期分量有效值）I0.2短路后 0.2s 的短路电流周期分量有效值；Ik稳态短路电流有效值（时间为无穷大短路电流周期分量有效值） ；S超瞬变短路容量；Sk稳态短路容量。我们这里采用表么值法计算短路电流，35kV 系统的短路电流按不大于 20kA，具体计算
26、过程及结果见附录计算短路电流部分，这里就不赘述了。下面我们详细讨论电气设备的选择。电气设备的选择，必须满足供电系统正常工作条件下和短路故障条件下工作要求，同时电气设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。根据规范以及相关书籍可以看出：为了保证高压电器的可靠运行，高压电器应按下列条件选择：（1） 按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；（2） 按短路条件包括动稳定、热稳定和持续时间校验；（3） 按环境条件如温度、湿度、海拔、介质状态等选择；下面结合本次设计涉及到的有关电力电气具体叙述： 按正常工作条件选择，就是要考虑电气设备的环境条件和电气要求。环境条件是指电气设备的使用场所、
27、环境温度，海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求，据此选择电气设备结构类型。电气要求是指电气设备在电压、电流频率等方面的要求，即所选电气设备的额定电压应不低于所在线路的额定电压、电气设备的额定电流应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流；即对一些开断电流的电器，如熔断器、断路器和负荷开关等，则还有断流能力的要求，. .NetNetcUI9即最大开断电流应不小于它可能开断的最大电流。1） 对断路器，其最大开断电流应不小于它可能开断的线路最大短路电流。即2） 对负荷开关，其最大开断电流应不小于它可能开断的线路最大负荷电流。即3）对熔断器，其最大开断电流应不小于它可能开断的线路最大
28、短路电流。即 (3).maxOCkII（对限流型熔断器）在本次设计中由于高压部分并未采用熔断器装置，因此我们在高压这部分对熔断器姑且不做讨论，计算部分也忽略。按短路故障条件校验 就是要按最大可能的短路故障时的热稳定性和热稳定性进行校验。对于一般电器，满足力稳定的条件是： 对于一般电器，满足热稳定的条件是： 对于载流导体，满足热稳定的条件是： 310jIAtC高压断路器的选择与校验：高压断路器的选择与校验，主要是按环境条件选择结构类型，按正常工作条件选择额定电压、额定电流并校验开断能力，按短路故障条件校验动稳定性和热稳定性，并同时选择其操动机构和操作电源。 鉴于各方面的考虑，我们这里决定选取由江
29、苏宝开集团有限公司生产的 ZN-35/1000A，16kA 户内高压真空断路器。这种断路器的优点是 免维护，具有结构简单，开断能力强，寿命长，操作功能齐全，无爆炸危险，维修简便的特点，变电所等配电系统的控制或保护，尤其适用于开断重要负荷及频繁操作的场所。电流互感器的选择与校验1. 电压、电流的选择 电流互感器的额定电压应不低于装设地点电路的额定电压；其额定一次电流应不小于电路的计算电流；而其额定二次电流一般为 5A。2. 按准确级要求选择 电流互感满足准确级要求的条件，是其二次负荷 S2 不得大于额定准确级所要求的额定二次负荷 S2N，即 S2N S2 对于保护用电流互感器来说，其复合误差限值
30、为 10%。通过查阅资料，得出可以选择 LDJ-35（Q）系列的产品，这种产品为环氧树脂真空浇注全封闭式结构，供户内 50-60Hz 额定电压为 35kv 及以下的电力系统中作电流、电能的测量和继电保护。通过电压、电流及准确级要求的校验可以看出这种电流互感器能够满足设计要求（详细计算过程及其结果见附录部分）。35kV 开关柜的选择开关柜是金属封闭开关设备的俗称，是按一定的电路方案将有关电气设备组装在一个封闭的金属外壳内的成套配电装置。就其结构类型可以分为铠装式、间隔式、箱式。铠装式：各室间用金属板隔离且接地，如 KYN 型和 KGN 型。这种方式能使开关柜安全(3)shII（对非限流型熔断器）
31、(3).maxOCkI.L(3)etshi2j10性提高间隔式：各室间是用一个或多个非金属板隔离，如 JYN 型。这种方式经济性好但安全性不是太理想。箱式：具有金属外壳，但间隔数目少于铠装式或间隔式，如 XGN 型另外我们也看到根据低压的电器布置形式可以分为手车式和固定式，由于固定式具有结构简单、价格便宜的特点，而手车式具有操作安全、易于检修及维护、更换故障开关容易的优点，权衡这两种布置方式各自的特点我们可以看出在这次的设计中已不能仅仅局限于结构简单、价格便宜的优点，我们这里主要考虑的还应是其安全性和可靠性，当然手车式开关柜的便于检修和维护也是我们这里考虑选用它的主要原因之一。鉴于几个方面的因
32、素，我们决定选用铠装移开式金属封闭开关设备，由江苏宝开集团有限公司生产的产品，型号为 KYN10-40.5。这种类型的开关柜设计了可靠的 “五防”闭锁系统，能保证设备的可靠运行和灵活性以及变电所无人值班的要求。第三章 10kV 中性点接地设计与所用电设计3.1 10kV 中性点接地设计低压配电系统的中性点接地型式通常有两种：中性点接地和中性点不接地两种接地形式，其中中性点接地分为中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地两种，通常我们将中性点直接接地归为大电流接地系统，而将另外两种接地方式归为小电流接地系统，在我们这里选用小电流接地系统，具体分析如下：根据文献交流电气安装的过电压保
33、护和绝缘配合中规定“310kV 钢筋混淋土或金属杆塔的架空线路当单相接地故障电容电流超过 10A， 3kV10kV 电缆线路当单相接地故障电容电流超过 30A，又需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式 ”。该标准还规定：“6kV35kV 主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式，但应考虑供电可靠性要求，故障时瞬态电压、瞬态电流对电气设备的影响、对通信的影响和继电保护技术要求以及本地的运行经验等。 ”通过查阅各类资料可知，在我国城市配电系统中，全电缆出线变电站的单相接地故障电容电流超过30A 时采用中性点经电阻接地；全架空线路出线变电站的单相
34、接地故障电容电流超过 10A时采用中性点经消弧线圈接地，但在本次设计中，我们可以由前面的叙述看出，本方案中采用的是架空线和电缆线混合线路，那么在这样的情况下我们应该采取什么样的接地方式呢？一般来说确定配电系统中性点的接地方式，应从供电可靠性、内过电压、对通信线的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。下面我们就这几个方面展开讨论。1 供电可靠性单相接地故障可分为永久性故障和非永久性故障，若在电缆与架空线混合线路电缆上发生永久性故障，一般是电缆本体或终端、中间接头击穿；若发生在架空线上，一般为绝缘子碎裂、绝缘导线断线或外物碰及裸导线等。对于永久性接地故障，都应停电排除故障后恢复供电。在中性点经消弧线圈接地时可短时（不超过 2h）带故障运行，但是小接地电流系统中确定单相接地线路的“自动选线装置”在消弧线圈补偿后往往不准，只能试拉线路确定故障线路，试拉时实际上已对很多用户（往往是数条线路上的用户）短时停电。确定某条线路为接地故障后后仍旧要停电，只是可在停电前转移负荷或通知用户，但也仅限于重要用户。在发生单相接地时，另外两相电压升高，可能会发生其他电缆的另一相接地
