摘 要
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，它直接影响整个电力系统、厂矿企业生产的安全与经济运行。变配电所是由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。变电所涉及方面很多，需要考虑的问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。选择变电所高低压电气设备，为变电所平面及剖面图提供依据。本变电所的初步设计包括了：（1）确定车间变电所变压器的台数和容量；（2）电气主接线图的设计；（3）确定短路计算点，计算三相短路电流；（4）主要电气设备选择与校验；（5）继电保护配置。
关键词：10kV变电站；变压器；电气主接线；电气设备；配电系统
1 负荷计算及主变压器的选择
1.1负荷计算的目的和内容
1.1.1 负荷计算的目的
计算负荷确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。如计算负荷确定过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费；如计算负荷确定过小，又将使电器和导线运行时增加电能损耗，并产生过热，引起绝缘提早老化，甚至烧毁，以致发生事故，同样给国家造成损失。为此，正确进行负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
因此，供配电设计的第一步，需要计算全厂和各车间的实际负荷。 1.1.2 负荷计算方法
负荷计算的方法有需用系数法、二项式系数法、利用系数方法等等。需用系数法是将用电设备的设备功率乘以需用系数和同时系数直接求出负荷。 需用系数法比较简单，因而广泛使用。并且适用于计算变、配电所的负荷。所以本次设计采用需用系数法，其计算方法[1]如下：
1. 有功计算负荷的计算公式：
P30=KdPe （1-1）
Pe——用电设备组总的设备容量（不含备用设备容量，单位为kW）。 Kd——用电设备组的需要系数。 2. 无功计算负荷的计算公式：
Q30=P30tan （1-2） 3．视在计算负荷的计算公式：
S30=P30/cos （1-3） 4．计算电流的计算公式：
I30=S30/3UN （1-4）
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1.1.3 负荷计算的内容
1.铸造车间 Pe=875 Kd=0.5 cos=0.7 tan=1.02 P30=875×0.5=437.5kW
Q30=437.5×1.02=446.25kvar
S30=437.5/0.7=625kV·A I30=625/3*0.38=0.95kA 其他车间负荷计算同上 总的视在负荷计算：
P30（1）=994+582+455.2=2031.2kW
Q30（1）=1151.795+585.71+487.642=2866.505kvar
22S30=P30(1)Q30(1) S=3513.21kV∙A 30
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某飞机制造厂变电所及配电系统设计 表1.1 各车间低压负荷统计表
设备需要序号 /kW 铸造车间 875 Kd 0.5 0.7 0.6 0.8 车间名称 容量 系数cos tan 计算负荷 P30 /kW Q30 /kvar S30 / kV·A 625 823.3 I30 /kA 0.95 1.251 0.119 变压器台数 和容量 1.02 437.5 446.25 1.33 0.75 494 658.67 锻压车间 760 0.65 1 仓库 125 0.5 62.5 46.875 78.125 1151.791526.42小计 0.7 0.5 0.6 0.8 0.6 0.7 0.75 1.33 1.02 994 259 200 123 582 5 5 2.32 0.492 0.506 0.267 1.265 2*2500（kV·A） 机加车间 370 工具车间 400 2 模具车间 205 小计 表面处理间 194.25 323.75 266 333.33 125.46 175.71 585.71 832.79 275 0.6 0.7 0.6 0.7 0.65 0.65 0.8 0.7 1.17 165 193.05 253.84 0.386 0.357 0.171 0.1 1.014 动力车间 218 3 总装车间 150 试验站 小计 68 1.17 152.6 178.54 234.76 0.75 1.02 90 67.5 112.5 68 47.6 48.552 455.2 487.642 699.1 1.1.4 无功负荷补偿[6]
无功负荷补偿的目的：由于用户的大量负荷如感应电动机、电焊机、气体放
电灯等，都是感性负荷，使得功率因数偏低，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。电力系统要求用户的功率因数不低于0.9，按照实际情况本次设计要求功率因数为0.92以上，因此，必须采取措施提高系统功率因数。目前提高功率因数的常用的办法是装设无功自动补偿并联电容器装置。
要使功率因数提高，通常需装设人工补偿装置。最大负荷时的无功补偿容量QN·C应为：
'
QN· C=Q30-Q30=P30(tan-tan'） （1-5）
按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量，当负荷减小时，补偿
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容量也应相应减小，以免造成过补偿。因此，无功补偿装置通常装设无功功率自动补偿控制器，针对预先设定的功率因数目标值，根据负荷的变化相应投切电容器组数，使瞬时功率因数满足要求。
低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装，根据负荷变化相应循环投切的电容器组数一般有4、6、8、10、12组等。用上式确定了总的补偿容量后，就可根据选定的单相并联电容器容量qN·C来确定电容器组数：
Q nN.C （1-6）
qN.C在用户供电系统中，无功补偿装置位置一般有三种安装方式：
(1)高压集中补偿 补偿效果不如后两种补偿方式，但初投资较少，便于集中运行维护，而且能对企业高压侧的无功功率进行有效补偿，以满足企业总功率因数的要求，所以在一些大中型企业中应用。
(2)低压集中补偿 补偿效果较高压集中补偿方式好，特别是它能减少变压器的视在功率，从而可使主变压器的容量选的较小，因而在实际工程中应用相当普遍。
(3)低压分散补偿 补偿效果最好，应优先采用。但这种补偿方式总的投资较大，且电容器组在被补偿的设备停止运用时，它也将一并被切除，因此其利用率较低。 具体计算
有功功率 Pc=K∑ pΣP30 （1-7） 无功功率 Qc= K∑qΣQ30 （1-8）
22Q30视在功率 S30=P30 （1-9）
式中：对于干线，可取K∑ p =0.85-0.95，K∑q =0.90-0.97。
对于低压母线，由用电设备计算负荷直接相加来计算时，可取K∑ p =0.8-0.9， K∑q =0.85-0.95。由干线负荷直接相加来计算时，可取K∑ p =0.9-0.95，K∑q =0.93-0.97。
Pc=K∑ pΣP30=0.952031.2=1929.64kW Qc= K∑qΣQ30=0.932866.505=2665.85kvar
22QCSc=PC=3455.5kV∙A
本次设计采用低压集中补偿方式。
PC QC S30取自低压母线侧的计算负荷，cos提高至0.92
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cos=
PC1929.64==0.55 S303513.21QN·C=PC（tan-tan'）=1929.64*[tan(arccos0.55)-tan(arccos0.92)]=2103 kvar
选择BSMJ0.4-25-3型并联电容器，qN·C=25kvar
nQN.C qN.C=2103kvar/25kvar=84
补偿后的视在计算负荷
22(QCQN·SC=PCA C）=2010kV·
cos=
PC=0.96>0.9 SC1.2 变电所位置的选择
1.2.1 变电所位置的选择要求
变电所位置的选择，应根据下列要求经济技术、经济比较确定。 (1) 接近电源； (2) 进出线方便； (3) 设备运输方便； (4) 尽量接近负荷中心；
(5) 不应设在有剧烈振动或高温的场所； (6) 不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所；
(7) 不应设在厕所、浴室或其他经常有水场所的正下发，且不宜与上述场所
相贴近；
(8) 不应设在有爆炸危险的正方或正下方，且不宜设在有火危险环境的正上
方或正下方。
1.2.2 变电所的布置
变电所的总体布置，应满足以下要求。 (1) 便于运行维护和检修； (2) 保证运行安全；
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(3) 便于进出线； (4) 节约土地和建筑费用； (5) 适应发展要求。 1.2.3 本变电所位置的选择
依据上述原则和要求以及本厂的具体情况，有利于交通运输，并且靠近于电源侧，正在几个大型的负荷中心。远离了剧烈震动、高温、多尘、腐蚀性气体及常积水的场所来确定本变电所的位置，如图1.1所示。
1.3 变压器的选择
1.3.1 变压器台数的选择
变电所主变压器台数选择原则
（1）为了保证供电可靠，在变电所中一般应装设备用电源时，可装设两台主变压器。如果有一个电源进线或变电所可由低压侧电力网取得备用电源时，可装设一台主变压器。
（2）当工厂绝大部分负荷属于三级负荷，其少量一、二级负荷可由邻压电网(10kv)取得备用电源时，可装设一台主变压器。
（3）装有两台及以上主变电器的变电所，当断开一台时，其余主变压器容量不应小于60%-70%的全部负荷，并应保证用户一、二级负荷。 1.3.2 变压器容量的确定
变压器容量装有两台变压器的变电站，采用暗备用方式，当其中一台主变因事故断开，另一台主变的容量应满足全部负荷的70%，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证80%负荷供电。 1.3.3 本厂变压器容量的确定
变压器的容量计算：SNT=（0.6～0.7）S30 （1-10）
SNT=0.6×3513.21=2283.59kV·A
即可选定两台容量为2500kV·A的变压器。
本厂负荷较大，经过整定计算后可的S30=3513.21kV·A，要求选择两台变压器，根据公式SNT=(0.6～0.7)S30计算，可选用两台容量为2500KV·A的变压器。 变压器型号为S9－2500/10的变压器。
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某飞机制造厂变电所及配电系统设计 表1.2 变压器S9－2500/10的技术参数
额定容量 （KVA） 2500 额定电压 一次 10.5 二次 0.4 空载 3200 损 耗 负荷 6.5% 20700 Y,Yd11 短路阻抗 连接 组标号
降压变电所
两台主变压器
图1.1 厂总平面图
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2 主接线方案的选择
2.1 主接线的基本要求
主接线是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。它是电气设备选择及确定配电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。概括地说，对一次接线的基本要求包括安全、可靠、灵活和经济四个方面。 2.1.1 安全性
安全包括设备安全及人身安全。一次接线应符合国家标准有关技术规范的要求，正确选择电气设备及其监视、保护系统，考虑各种安全技术措施。 2.1.2 可靠性
不仅和一次接线的形式有关，还和电气设备的技术性能、运行管理的自动化程度因素有关。 2.1.3 灵活性
用最少的切换来适应各种不同的运行方式，适应负荷发展。 2.1.4 经济性
在满足上述技术要求的前提下，主接线方案应力求接线简化、投资省、占地少、运行费用低。采用的设备少，且应选用技术先进、经济适用的节能产品。
2.2 主接线的案例与分析
主接线的基本形式有单母线接线、双母线接线、桥式接线等多种。在此主要介绍单母线接线。 2.2.1 单母线接线
这种接线的优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。
缺点：不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障检修，均需要使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
适用范围：适应于容量较小、对供电可靠性要求不高的场合，出线回路少的小型变配电所，一般供三级负荷，两路电源进线的单母线可供二级负荷。
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图2.1 单母线不分段主接线
2.2.2 单母线分段主接线
当出线回路数增多且有两路电源进线时，可用断路器将母线分段，成为单母线分段接线。母线分段后，可提高供电的可靠性和灵活性。在正常工作时，分段断路器可接通也可断开运行。两路电源进线一用一备时，分段断路器接同运行，此时，任一段母线出现故障，分段断路器与故障段进线断路器都会在继电保护装置作用下自动断开，将故障段母线切除后，非故障段母线便可继续工作，而当两路电源同时工作互为备用时，分段断路器则断开运行，此时若任一电源出现故障，电源进线断路器自动断开，分段断路器可自动投入，保证给全部出线或重要负荷继续供电。
图2.2 单母线分段主接线
单母线分段接线保留了单母线接线的优点，又在一定程度上克服了它的缺点，如缩小了母线故障的影响范围、分别从两段母线上引出两路出线可保证对一级负荷的供电等。
本次主接线的设计我们采用的10kV侧采用单母接线，0.4kV侧采用单母分段（具体图见附录一）。
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3 短路电流计算
3.1 短路电流及其计算方法
供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。
造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。当它通过电气设备时，设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。
计算方法采用标幺值法计算。进行计算的物理量，不是用具体单位的值，而是用其相对值表示，这种计算方法叫做标幺值法。标幺值的概念是：
某量的标幺值=
该量的实际值任意单位
该量的标准值与实际值同单位所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度，用标幺值表示的物理量是没有单位的。供电系统中的元件包括电源、输电线路、变压器、电抗器和用户电力线路，为了求出电源至短路点电抗标幺值，需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值。
3.2 三相短路计算
电源取自距本变电所8km外的35kV变电站，用10kV双回架空线路向本变电所供电，出口处的短路容量为500MV·A。
图3.1 短路计算示意图
求10kV母线上K-1点短路和380V低压母线上K-2点短路电流和短路容量。电源侧短路容量定为Sk=500MV·A ⑴．确定基准值：
取 Sd=100MV·A Uc1=10.5kV Uc2=0.4kV
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Id1= Id2=
⑵．计算： ① 电力系统
Sd3Uc1 =100MV·A/（3*10.5kV）=5.50kA （3-1） =100MV·A/（3*0.4kV）=144.34kA （3-2）
Sd3Uc2 X1= Sd/Sk=100MV·A/500MV·A=0.2 （3-3） ② 架空线路（架空线路电抗查表的0.35） X2=X0LSd/Uc=0.35Ω/km*8km*③ 电力变压器（UK%取6.5） X3=Uk%Sd/100SNT=
**
2
[6]
*
100MV·A(10.5kV)2=2.54 （3-4）
6.5*100*1000=2.6 （3-5）
100*2500⑶．求K-1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量： ① 总电抗标幺值
X*∑(k-1) =X1*+X2*=0.2+2.54=2.74 （3-6）
② 三相短路电流周期分量有效值
Ik-1(3) = Id1/X*∑(k-1) =5.50kA/2.74=2kA （3-7）
③ 其他三相短路电流
在10/0.4KV变压器一次侧低压母线发生三相短路时，可取ksh=1.9，因此： Ik-1
\"(3)
=I∞k-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）
④ 三相短路容量 Sk-1 = Sd/X
(3)
*
A/2.74=36.5 MV·A ∑(k-1) =100MV·
（3-11）
⑷．求K-2点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量： 两台变压器并列运行：
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① 总电抗标幺值 X
*
∑(k-2) =0.2+2.54+2.6/2=4.04
② 三相短路电流周期分量有效值
Ik-2(3) = Id2/X*∑(k-2) =144.34kA/4.04=35.72kA （3-13）
③ 其他三相短路电流
在10/0.4KV变压器二次侧低压母线发生三相短路时，R∑ 1 ④ 三相短路容量 Sk-2 = Sd/X (3) * A/4.04=24.75 MV·A ∑(k-2) =100MV· （3-17） 两台变压器分列运行： ① 总电抗标幺值 X * ∑(k-2) =0.2+2.54+2.6=5.34 ② 三相短路电流周期分量有效值 Ik-2(3) = Id2/X*∑(k-2) =144.34kA/5.34=27kA ③ 其他三相短路电流 Ik-2 \"(3) =I∞k-2 (3) = Ik-2(3) =27kA ish (3) =2.26*27kA=61.02kA Ish(3) =1.31*27kA=35.37kA ④ 三相短路容量 Sk-2 = Sd/X (3) * A/5.34=18.73MV·A ∑(k-2) =100MV· 12 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 表3.1 高压短路计算结果 总电抗 三相短路电流/ kA 短路计算点 标幺值 X*∑ k-1 变压器并列运4.04 行 k-2 变压器分列运5.34 行 27 27 27 61.02 35.37 35.72 35.72 35.72 80.73 46.8 2.74 Ik (3) 2 I”(3) 2 I∞(3) 2 ish (3) 5.1 Ish(3) 3.02 三相短路 容量/MV·A Sk (3) 36.5 24.75 18.73 13 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 4 变电所一次设备的选择与校验 4.1 设备型号选择的一般条件 变电所一次设备包括高压开关柜、高压断路器、隔离开关、高压负荷开关、高压熔断器、避雷器、电压互感器、电流互感器，低压成套配电装置等。 在选择这些设备时，应保证这些设备在正常工作条件下能可靠工作，在短路故障时不被损坏，即按长期正常工作条件选择参数，按环境条件选择结构类型，按短路情况进行校验，并在保证供配电安全、可靠的前提下积极而稳妥地采用新技术，且节省投资，力争做到技术先进、经济合理。 4.1.1 按正常工作条件选择设备 所选电气设备的最高允许的工作电压，必须高于或等于所在电网的最高运行电压。设备允许长期承受的最高工作电压，一般为相应电网额定电压的1.1~1.5倍，即 UN≥UNS 4.1.2 按工作电流选择设备的额定电流 1.短路动稳定校验：直接给出定型设备允许的稳定峰值电流imax，动稳定条件为：imax≥ish或Imax≥Ish imax , Imax―设备允许通过的动稳定电流（极限电流）峰值和有效值(kA) ish, Ish―设备三相短路冲击电流的幅值和有效值 2.短路热稳定校验：用直接给出设备的热稳定电流（有效值）It及允许持续时间t，热稳定条件为：It2t≥I∞2teq It, t－设备厂家给定的通过的热稳定电流（kA）和持续时间(s)。 3. 校验断路器的开断能力。 4. 短路电流计算条件： (1)短路类型：通常为三相短路计算。 (2)系统容量和接线。 (3)短路计算点。是被选设备通过最大短路电流的短路点称为设备的短路 计算点。 4.2 高压断路器的选择 高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它及可以在正常情况下接通或 断开电路，又可以在系统发生短路故障是迅速地自动断开电路。灭弧能力是断路 14 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 器的核心性能。 主要参数： (1)额定电压UN。断路器的最高工作电压。其值为额定电压的1.15倍。 (2)额定电流IN。 (3)额定开断电流Ibr。断路器在额定电压下能可靠断开的最大电 流，表明了断路器的灭弧能力，是断路器最重要的性能参数。 (4)动稳定电流imax。是断路器允许通过的短路电流的最大瞬时值。 是反映断路器机械强度的一项指标。 (5)热稳定电流It。在规定时间内，断路器通过此短路电流时，引起的温度升高不会超过短时发热允许值。是反映断路器承受短路电流热效应能力的参数。 (6)全分闸时间。包括固有分闸时间和灭弧时间两段。 断路器的选择内容包括：①选择型式。②选择额定电压。③选择额定电流。④校 验开断能力。⑤校验动稳定。 ⑥校验热稳定。 10KV高压断路器选择VD410型真空断路器。 表4.1 高压断路器的选择校验表 序 号 1. 2. 3. 4. 5. 安装地点的电气条件 项目 UN IC Ik(3) ish(3) I∞2tima 数据 10kV 20.07A 2kA 5.1kA (2kA)2*(3.2)S=12.8 kA2·s 项目 UN.QF IN.QF Ioc imax It2t VD410型真空断路器 数据 10kV 630A 16kA 40kA (16kA)2*4S=1024kA2·合格 s 结论 合格 合格 合格 合格 4.3 高压隔离开关的选择 4.3.1 隔离开关的用途 (1)隔离电压。在检修电气设备是，将隔离开关打开，形成明显可见的开点，使带电部分与被检修部分隔开，以确保检修安全。 15 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 (2)可接通和断开很小的电流。 (3)可与断路器配合或单独完成倒闸操作。 4.3.2 形式结构 高压隔离开关一般有底座、支柱绝缘子、导电刀闸、动触头、静触头、传动机构等组成。一般配有独立的电动或手动操动机构，单相或三相操动。高压隔离开关主刀闸与接地刀闸间一般都设有机械连锁装置，确保两者之间操作顺序正确。各类高压隔离开关、接地开关根据不同的安装场所有各种不同的安装方式。 4.3.3 选择条件 海拔高度不大于1000米为普通型，海拔高度大于1000米为高原型；地震烈度不超过8度；环境温度不高于+400°C，户内产品环境温度不低于-100°C，户外产品环境温度不低于-300°C；户内产品空气相对湿度在+250°C时其日平均值不大于95%，月平均值不大于90%（有些产品要求空气相对湿度不大于85%）；户外产品的覆冰厚度分为5毫米和10毫米；户内产品周围空气不受腐蚀性或可燃气体、水蒸气的显著污秽的污染，无经常性的剧烈震动。户外产品的使用环境为普通型，用于Ⅰ级污秽区，防污型用于Ⅱ级（中污型）、Ⅲ级（重污型）污秽区。 10KV的高压隔离开关选择GN19—10C/400型 表4.2 高压隔离开关的选择校验表 序 号 1. 2. 3. 4. 5. 项目 UN IC Ik(3) ish(3) I∞2tima 安装地点的电气条件 数据 10kV 20.07A —— 5.1kA (2kA)2*(3.2)S=12.8 kA2·s 项目 UN.QF IN.QF Ioc imax It2t GN19—10C/400型隔离开关 数据 10kV 400A —— 50kA (12.5kA)2*4S=156.25kA2·s 结论 合格 合格 —— 合格 合格 4.4 电流互感器的选择 4.4.1 电流互感器的介绍[1] 电流互感器是一次电路和二次电路间的连接元件，用以分别向测量仪表和继电器的电压线圈与电流线圈供电。电流互感器的结构特点是：一次绕组匝数少（有的只有一匝，利用一次导体穿过其铁心），导体相当粗；而二次绕组匝数很多，导体较细。它接入电路的方式是：将一次绕组串联接入一次电路；而将二次绕组与仪表、继电器等的电流线圈串联，形成一个闭合回路，由于二次仪表、继电器 16 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 等的电流线圈阻抗很小，所以电流互感器工作时二次回路接近短路状态。二次绕组的额定电流一般为5A。 电流互感器在使用中要注意以下几点： ①电流互感器在工作时其二次侧不得开路，二次侧不允许串接熔断器和开关； ②电流互感器二次侧有一端必须接地，防止一次、二次绕组绝缘击穿时，一次侧的高电压窜入二次侧，危及人身和设备的安全。 4.4.2 电流互感器的选择 选择电流互感器时，首先根据装设地点、用途等具体条件确定互感器的结构类型、额定电流比KL；最后校验其动稳定和热稳定。 (1) 结构类型 根据配电装置的类型，相应选择户内式或户外式电流互感器。本厂为10KV供电，故选户内式。一般用于继电保护装置的电流互感器，可选5P或10P级。此外还应该按10%误差曲线进行校验，保证在短路时误差也不会超过-10%[6]。 (2) 额定电压的选择 电流互感器的额定电压应满足条件： UN≥UNS (3) 额定电流的选择和额定电流比的确定 电流互感器一次绕组的额定电流I1N已标准化，应选择比一次回路最大长期电流Imax略大一点的标准值。当I1N确定后，电流互感器的额定电流比也随之确定，即为KL=I1N/5(1)。 (4) 热稳定校验 电流互感器的热稳定校验，应满足下列条件： (I1NK1)2≥QK (5) 动稳定校验 电流互感器的动稳定校验包括两个方面的内容，即内部电动力稳定校验和外部电动力稳定校验。 LA10型电流互感器参数如表4.3 表4.3 LA10型电流互感器参数秒度表 型号 额定电流比 额定输出容量 0.5级 10V·A 1s热稳定电流 6.8kA 动稳定电流 12kA LA10 75(A) 517 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 LA10型电流互感器校验结果如表4.4 表4.4 LA10型电流互感器校验表 安装地点电气参数 校验项目 项目 额定电压 额定电流 动稳定 热稳定 数据 10kV 20.07A 5.1kA (2kA)2*3.2s 项目 数据 10kV 75A 12kA 6.82*1s=43.24kA 合格 合格 合格 合格 LA10型电流互感器 结果 UN UN Imax ish1 2Itima IN imax It2t 34.5 电压互感器的选择 4.5.1 电压互感器的介绍 电压互感器TV式将高电压变成低电压的设备，分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。 电压互感器在使用中要注意以下几点： ①电压互感器在工作时其二次侧不得短路。 ②电压互感器二次侧有一端必须接地，防止一次、二次绕组绝缘击穿时，一次侧的高电压窜入二次侧，危及人身和设备的安全。 4.5.2 电压互感器的选择 电压互感器的选择内容包括：根据安装地点和用途，确定变压器的结构类型，确定额定电压比。 (1) 选择结构类型 根据配电装置类型，相应的电压互感器可选择户内式或户外式。本厂为10kV，可选用油浸式结构或浇注式结构。 (2)电压互感器一次绕组的额定电压应与安装处电网额定电压相同。开口三角绕组额定电压，35kV及以下的应选择(100/3)V (3)选择容量。 计量柜中所选电压互感器应满足继电保护、自动装置和测量仪表的要求。 JDZJ10型电压互感器参数如表4.5。 18 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 表4.5 JDZJ10型电压互感器参数表 额定电压（kv） 型号 原绕组 副绕组 辅助绕组 额定输出容量 0.5级 50V·A JDZJ10 1030.13 0.1 34.6 高压熔断器 熔断器是用于保护短路和过负荷的最简单的电器。但其容量小，保护特性较差，一般仅适用于35kV及以下电压等级，主要用于电压互感器短路保护。 4.6.1 高压熔断器选择 (1)保护电压互感器的高压熔断器，一般选RN2型，其额定电压应高于或等于所在电网的额定电压，额定电流通常均为0.5A。 Ibr≥I 高压熔断器是一种过流保护元件,由熔件与熔管组成。当过载或短路时，熔件熔断，达到切断故障保护设备的目的。电流越大，熔断时间越短。在选择熔件时，除保证在正常工作条件下（包括设备的起动）熔件不熔断外，还应该符合保护选择性的要求。 (2)高压熔断器的选择：除按环境、电网电压、电源选择型号外，还必须按SNbr≥S\"校验熔断器的断流容量；选择的主要指标是选择熔件和熔管的额定电流，熔断器额定电流按INFU≥INFB 选。 所选择的熔件应在长时最大工作电流及设备起动电流的作用下不熔断，在短路电流作用下开关熔断；要求熔断器特性应与上级保护装置的动作时限相配合（即动作要有选择性）。 (3)保护一般回路的熔断器还要选择熔断体的额定电流和熔断器(壳)的额定电流。 10kV的高压熔断器选择XRNP3—10型熔断器。 表6.4 高压熔断器的选择校验表 安装地点的电气条件 序号 项目 1. 2. 3. 4. UN IC Ik(3) ish(3) 数据 10kV 20.07 5.1kA —— 项目 UN.QF IN.QF Ioc imax 数据 10kV 200A 50kA —— 结论 合格 合格 合格 —— XRNP3—10型熔断器 \" 19 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 5. I∞2tima —— It2t —— —— 5 继电保护的配置 5.1 继电保护的基本要求 在电力系统运行过程中，由于绝缘老化,外力破坏和操作维护不当等原因造成各种故障或不正常运行状态。当电力系统发生故障时继电保护装置能自动将故障切除，限制事故的范围,当出现不正常运行状态时，继电保护装置能及时发出信号或警报，通知运行值班人员进行处理,继电保护装置应满足四项基本要求，即选择性、速度性、灵敏性和可靠性。 (1)选择性 当电力系统发生故障时，使距离故障点最近的继电保护装置动作，切除故障设备或线路，从而保证无故障部分继续运行，选择性的要求是保证对用户可靠供电的基本条件之一。 (2)速动性 为了限制短路电流对电气设备的破坏程度，减少短路故障时因电压降低而对用户产生的不利影响，加快恢复电力系统正常运行的过程，防止系统瓦解，要求继电保护装置以尽可能快的速度动作来切除故障。 (3)灵敏性 在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数，灵敏系数应根据不利的正常（含正常检修）运行方式和不利的故障类型计算，但可不考虑可能性很小的情况。 (4)可靠性 投入运行的保护装置，应随时处于准备动作状态。当属于该保护范围内的故障或不正常运行状态发生时，应能可靠动作；保护范围外的故障或不正常工作状态发生时，不应误动作。 为了保证保护装置的动作的可靠性，则要求保护装置的设计原理、整定计算、安装调试应正确无误；组织保护装置的各元件质量可靠；继线保护装置接线力求简化有效，运行维护良好，以提高装置的可靠性。 5.2 10kV系统中应配置的继电保护 按照工厂企业10kV供电系统的设计规范要求，在10kV的供电线路、配电变压器和分段母线上一般应设置以下保护装置。 1.10kV线路应配置的继电保护 10kV线路一般均应装设过电流保护。当过电流保护的时限不大于0.5s～0.7s,并没有保护配合上的要求时，可不装设电流速断保护；自重要的变配电所引出的线路应装设瞬时电流速断保护。当瞬时电流速断保护不能满足选择性动作时，应装设略带时限的电流速断保护。 2. 10kV配电变压器应配置的继电保护 (1)当配电变压器容量小于400kV·A时，一般采用高压熔断器保护； (2)电变压器容量为400～630kV·A，高压侧采用断路器时，应装设过电流保护，而当过流保护时限大于0.5s时，还应装设电流速断保护。 20 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 (3)电变压器容量为800kV·A及以上时，应装设过电流保护，而当过流保护时限大于0.5s时，还应装设电流速断保护；对于油浸式配电变压器还应装设气体保护，另外尚应装设温度保护。 3. 10kV分段母线应配置的继电保护 于不并列运行的分段母线,应装设电流速断保护，但仅在断路器合闸的瞬间投入，合闸后自动解除；另外应装设过电流保护。 5.3 变压器应配置的保护 变压器的故障一般分为内部故障和外部故障，内部故障主要有绕组的相间短路、绕组匝间短路和中性点直接接地侧的单相接地短路。外部故障有引出线上绝缘套管的故障，可能导致引出线的相间短路或单相接地短路。变压器的不正常工作状态有：由于外部短路和过负荷而引起的过电流，油面的过度降低和温度升高等。 根据变压器的故障种类及不正常运行状态，变压器一般应装设下列保护装置： (1)电流速断保护或差动保护(2)过电流保护(3) 中性点直接接地侧的单相接地保护(4)过负荷保护(5)瓦斯保护(6)温度信号 ① 过电流保护与电流速断保护 变压器的过电流保护的组成、原理与线路过电流保护的组成、原理完全相同，其动作电流整定计算公式与线路过电流保护基本相同，公式 IopkrelkwIL.max kreki按规定，如果变压器过电流保护的动作时间大于0.5s，应装设电流速断保护。 变压器的电流速断保护，其组成、原理和线路的电流速断保护完全相同。变压器电流速断保护动作电流的整定计算公式也与线路电流速断保护基本相同，公式 Iqbkreklw(3)Ik ki② 变压器低压侧的单相接地保护 对于6-10kV降压变压器，其低压绕组的中性点直接接地，变压器低压侧的单相短路电流并不能完全反映到装在高压侧的保护装置中。这就使得过电流保护装置在保护变压器低压侧的单相短路故障时灵敏度较低。对Dyn11联结的变压器，由于其低压侧单相短路电流较大，可利用高压侧的过电流保护装置兼作低压侧的单相接地保护，但须校验其动作灵敏度。 21 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 零序电流保护的动作时间一般取0.5-0.7s。其保护灵敏度，按低压母线（干线）末端发生单相短路来检验。对架空线SP>1.5；对电缆线SP>1.25。采用此种保护，灵敏度较高。 ③ 变压器的过负荷保护 变压器的过负荷保护一般只对并列运行的变压器或工作中有可能过负荷（如作为其他负荷的备用电源）的变压器才装设。由于过负荷电流在大多数情况下是三相对称的，因此过负荷保护只需采用一个电流继电器装于一相电流中，保护装置作用于信号。为了防止变压器外部短路时，变压器过负荷保护发出错误信号，以及在出现持续几秒钟的尖峰负荷时不致发出信号，通常过负荷动作时限为10-15s。 变压器过负荷保护的动作电流Iop(OL)可按下式计算： Iop(OL)krelII1N.T(1.2~1.3)1N.T krekiki④ 瓦斯保护 瓦斯保护又称气体继电保护，是保护油浸式电力变压器内部故障的一种基本保护装置。按规定，800kV·A及以上的一般油浸式变压器和400kV·A及以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。 瓦斯保护的主要元件是气体继电器。它装设在变压器油箱与油枕之间的连通管上，利用油浸式电力变压器内部故障时产生的气体进行工作。 瓦斯动作的主要优点是动作快，灵敏度高，结构简单，能反映变压器油箱内的各种故障，可靠性比较高，安装简单，其缺点是不能反映油箱以外故障（如变压器套管以及引出线上的故障），因此瓦斯保护不能取代变压器的其他保护。 22 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 表5.1 继电保护装置选择的一般要求 序号 一次系统情况 相间短高压断路器采用电磁操路保护 继电保护装置选择要求 采用去分流跳闸的反时限过电流保 护，两相两继电器式接地，继电器 本身兼具有电流速断保护 采用定时限或反时限过电流保护， 两相两继电器式接地，当动作时限 大于0.5-0.7s时，加电流速断保护 单相接地保护 相间短路同序号1 1 高压断路器采用手动或6-10 kV弹簧操作机构 2 高压线路 动机构或弹簧操作机构 在电缆线路较多时 高压断路器采用手动或弹簧操动机构 高压断路器采用电磁操动机构或弹簧操动机构 6-10/0.4kV电力变压器 低压侧为含中性线的三相系统 高压侧开关不限 高压侧开关为断路器 高压侧开关为断路器 高压侧开关为断路器 3 4 5 保护 同序号2 变压器低压侧中性线上 6 低压侧单相短路保护 装零序电流保护 高压侧过电流保护改用 两相三继电器式接线 低压侧装三相带过电流 脱扣器的低压断路器 低压侧三相装熔断器保护 过负荷保护 7 8 9 10 11 气体继电器保护（瓦斯保护） 23 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 6 差动保护 6.1 差动保护简介 差动保护是保护两端电流互感器之间的故障（即保护范围在输入的两端CT之间的设备上），正常情况流进的电流和流出的电流在保护内大小相等，方向相反，相位相同，两者刚好抵消，差动电流等于零；故障时两端电流向故障点流，在保护内电流叠加，差动电流大于零。驱动保护出口继电器动作，跳开两侧的断路器，使故障设备断开电源。 6.2 纵联差动保护原理 6.2.1 纵联差动保护的构成 纵联差动保护是按比较被保护元件（1号主变）始端和末端电流的大小和相位的原理而工作的。为了实现这种比较，在被保护元件的两侧各设置一组电流互感器TA1、TA2，其二次侧按环流法接线，即若两端的电流互感器的正极性端子均置于靠近母线一侧，则将他们二次的同极性端子相连，再将差动继电器的线圈并入，构成差动保护。其中差动继电器线圈回路称为差动回路，而两侧的回路称为差动保护的两个臂。 6.2.2 纵联差动保护的工作原理 根据基尔霍夫第一定律，I0I；式中表示变压器各侧电流的向量和， 其物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，若忽略励磁电流损耗及其他损耗，则流入变压器的电流等于流出变压器的电流。因此，纵差保护不应动作。 当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流，其纵差保护动作，切除变压器。见变压器纵差保护原理接线。 图6.1 差动保护原理接线图 24 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 （1）正常运行和区外故障时，被保护元件两端的电流和的方向如图1.5.5 （a）所示，则流入继电器的电流为继电器不动作。 （2）区内故障时，被保护元件两端的电流和的方向如图1.5.5（b）所示，则流入继电器的电流为 此时为两侧电源提供的短路电流之和，电流很大，故继电器动作，跳开两侧的断路器。 由上分析可知，纵联差动保护的范围就是两侧电流互感器所包围的全部区域，即被保护元件的全部，而在保护范围外故障时，保护不动作。因此，纵联差动保护不需要与相邻元件的保护在动作时间和动作值上进行配合，是全线快速保护，且具有不反应过负荷与系统震荡及灵敏度高等优点。 6.2.3 微机变压器纵差保护的主要元件介绍 主要元件有：1）比率差动保护元件，2）励磁涌流闭锁元件，3）TA饱和闭锁元件，4）TA断线闭锁（告警）元件，5）差动速断元件，6）过励磁闭锁元件 6.2.4 下面对各个元件的功能和原理作个简要的介绍： (1)比率差动保护元件：变压器在正常负荷状态下，差动回路中的不平衡电流很小，但当发生区外短路故障时，由于电流互感器可能饱和等等因素，会使不平衡电流增大，当不平衡电流超过了保护动作电流时，差动保护就会误动。比率差动保护就是用来区分差流是由内部故障还是不平衡输出（特别是外部故障）引起的，它引入了外部短路电流作为制动电流，当外部短路电流增大时，制动电流随之增大，使得继电器的动作电流也相应增大，这样就可以有效的躲过不平衡电流，避免误动的出现。比率差动元件采用初始带制动的变斜率比率制动特性，由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件（灵敏）设有TA饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏）不设TA饱和判据。 25 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 三折线比率差动保护的动作特性及比率差动动作方程如图5.1所示。 动作电流无TA饱和判据区...........................................Ir0.5IeId0.2IrIcdqd..........................0.5IeIr6IeIdKbl[Ir0.5Ie]0.1IeIcdqd..........Ir6IeId0.75[Ir6Ie]Kbl5.5Ie0.1IeIcdqd........mIr0.5Iii1mIdIii11.2IeIcdqd0.5Ie0.8Ie6Ie制动电流 图6.2比率差动保护动作特性图 式中： Ie为变压器额定电流； IdI1~Im分别为变压器各侧电流； KblIcdqd为稳态比率 差动起动电流；（ 为差动电流；Ir为制动电流； 为比率制动系数整定值 0.2Kbl0.75）。 比率差动保护按相判别，满足以上条件时动作。但是保护出口必须还要经过TA的饱和判别，TA断线判别（可选），励磁涌流判别。 由图可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性主要由起动电流，拐点电流，比率制动系数（即特性曲线的斜率）决定，而动作特性又决定了差动元件的动作灵敏度和躲区外故障的能力，当这三个量中的两个固定以后，比率制动系数越小，或拐点电流越大，或初始动作电流越小，差动元件的动作灵敏度越高，而此时躲区外故障的能力越差。 （2） TA饱和闭锁元件：区外短路故障时，若一侧电流互感器出现饱和，则差动回路中的不平衡电流将会增大，容易导致纵差保护误动作，为了解决TA饱和对差动保护的影响，首先设置一个高定值比率差动动作区，它是不需要经过TA的饱和判别的，即图中的阴影部分，其保护判据如下： Id0.6Ir0.8Ie1.2Ie Ir0.8IeId，Ir， Ie的定义与上文相同。当 Id，Ir确定的工作点落入该区域时，纵差动 保护可以经TA断线判别（可选），励磁涌流判别后快速动作。如果工作点没有在高定值比率差动动作区时，通常利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA是否饱和，其判据如下： I2k2xb*I1 Ik*I3xb13I,I,Ik,k式中：123分别为电流中的基波、二次和三次谐波；2xb3xb为比例常数。 26 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 当与某相差动电流有关的电流满足上式时即认为此相差流是由TA饱和引起的，此时闭锁稳态比率差动保护。 （3）TA断线闭锁（告警）元件：变压器带有一定的负荷时，若电流互感器二次回路断线，则会造成纵差动保护的起动元件、差动元件动作，从而导致纵差动保护误动作，即使变压器负荷电流很小甚至空载情况下，当电流互感器二次回路断线时，纵差保护虽然不动作，但当区外故障时，必然会造成纵差保护的误动作。所以应设置TA二次断线闭锁。 TA二次断线判据分未引起差动保护起动和引起差动保护起动两种情况。起动元件未动作时，满足就判为TA二次断线：任一相差流大于设定值且 IdkIr（k=15%~20%）,判断线后延时10秒发报警信号，但不闭锁纵差保护。 起动元件动作后，以下条件没有一条满足的也判为TA二次断线：1）任一侧负序相电压大于6V；2）起动后任一侧任一相电流比起动前增加；3）起动后最大相电流大于1.1倍额定电流；4）任一侧任一相间工频变化量电压元件起动。 判TA断线后瞬时闭锁保护（通过控制字选择也可不闭锁保护仅发出报警信号，也可在额定负荷下才闭锁保护，或不闭锁保护发出报警），无论是异常报警是否引起差动保护起动，均说明差动回路存在问题，或定值存在问题，应该受到同等重视。比如当差回路断线时，在轻负荷情况下不会引起差动起动，但会引起差流报警，如果此时及时处理，就可以避免负荷增加后或者区外故障引起的差动保护误动作。 （4）差动电流速断保护元件 比率制动的差动保护能作为变压器的主保护，但在严重内部故障时，短路电流很大，TA严重饱和使交流暂态传变严重恶化，TA二次侧电流发生严重畸变，高次谐波分量增大，从而使涌流判别元件误判为励磁涌流，致使差动保护拒动或延缓动作，严重损坏变压器，所以变压器比率制动的差动保护还应配有差动速断保护。 其动作判据为：Id >Isd 其中：Id为变压器差动电流，Isd为差动电流速断保护定值，当任一相差动电流大于差动速断整定值时瞬时动作跳开变压器各侧开关。 （5）过激磁闭锁元件： 由于变压器过激磁（过激磁：铁磁性材料都有一个最大磁感强度，超过这个最大磁感强度，线圈中的电流无论再怎么增大，硅钢片中的磁感强度都不会再怎么显著地增加，所谓过激磁就是指线圈中的电流超过了某一个值，使硅钢片中的最大磁感强度达到了极限．）时，其激增的励磁电流会导致差动保护误动作，故应判断出这种情况，闭锁差动保护。由于发生过激磁时，励磁电流中的五次谐波含量大大增加，故采用差电流中五次谐波的含量作为对过激磁的判别，其判据如下： I5thk5xb*I1st ，其中 I1st,I5th分别为每相差动电流中的基波和五次谐波， 27 k5xb为 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 五次谐波制动系数。当过激磁倍数大于1.4时，不再闭锁差动保护。 主变差动保护使用：CSC-326GD 数字式变压器差动保护装置。 6.2.5装置型号说明： 图6.3 CSC-326GD 6.2.6 装置简介 CSC-326GD 为适用于110kV 及以下电压等级的变压器差动保护装置，最大支持四侧差动。装置包括两块硬件完全相同的CPU，主CPU 负责保护元件的动作出口，启动CPU 负责开放启动继电器，这种冗余设计的方法完全杜绝了因硬件原因（如A/D 转换回路损坏）所引起的保护误动；主CPU 实时与启动CPU 之间互检交流计算量，一旦发现某块CPU 的A/D 通道异常，可以给出告警信息，避免保护拒动。 装置可以配置开入开出插件（DIO），完成变压器分接头的档位采集和分接头控制。 6.3 保护程序整体结构 保护CPU 程序的总体结构包括主程序、采样中断服务程序和故障处理程序及录波处理程序。 6.3.1差动速断保护 当任一相差动电流大于差动速断整定值时，差动速断保护瞬时动作，跳开各侧开关，其动作判据为：I d > I sd（其中： I d 为变压器差动电流， I sd 为差动电流速断保护定值。） 6.3.2 比率差动保护特性 由于变压器各侧TA性能、变比有差异以及各侧绕组连接组别的不同，差动回路存在不平衡电流，采用常规三段式折线特性，能够保证区外故障不平衡电流最大时不发生误动，又能保证切除区内故障的灵敏性，动作方程如下，特性曲线见下图 28 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 其中I e 为变压器额定电流， I 1....... m 分别为变压器各侧电流， I cd 为稳态比率差动起动定值， I d 为差动电流， I r为制动电流， k 为比率制动系数整定值（ 0.2 ≤ k ≤ 0.7 ）,推荐整定为k = 0.5。 图6.4 比率制动特性曲线 程序中按相判别，任一相满足以上条件时，比率差动保护动作。比率差动保护经过励磁涌流判别、TA 断线判别(可选择)后出口。 6.3.3 励磁涌流闭锁原理 1) 二次谐波闭锁原理 采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据：I dφ2 >K xb .2 I dφ （式中， I dφ2为差动电流中的二次谐波分量， K xb.2 为二次谐波制动系数， I dφ为差动电流中的基波分量。） 采用或门闭锁方式，即三相差流中某相判为励磁涌流，闭锁整个比率差动保护。 2) 模糊识别闭锁原理 设差流导数为I (k) ，每周的采样点数是2n 点，对数列： 可认为X (k) 越小，该点所含的故障信息越多，即故障的可信度越大；反之， X (k) 越大，该点所包含的涌流的信息越多，即涌流的可信度越大。取一个隶度函数，设为A[X (k)] ，综合半周信息，对k = 0,1,2...n ，求得模糊贴进度N 为：取门槛值为K，当N>K 时，认为是故障，当N 6.4.1 整组复归判别 启动元件返回后，连续5s 内差流均不越限，则差动保护整组复归。 6.4.2 TA 断线检测 正常情况下判断TA 断线是通过检查所有相别的电流中有一相或两相无流且存在 29 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 差流（差流大于差流越限值），即判为TA 断线。 在有电流突变时，判据如下： 1) 发生突变后电流减小（而不是增大）。2) 本侧三相电流中有一相或两相无流，且对侧三相电流无变化。（满足以上条件时判为TA 二次回路断线。） TA 二次断线后，发出告警信号，并可选择闭锁或不闭锁差动保护出口。 6.4.3 差流越限告警 正常情况下，差动压板投入时，监视各相差流异常，在保护未启动的情况下，延时5 秒发出告警信号，判据如下：I dφ>0.3 I cd式中，I dφ为各相差动电流。 6.5 差动保护动作逻辑图 总之，差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的.差动保护把被保护的电气设备看成是一个节点，那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源 30 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 7 避雷器元件工作原理及设计原理 7.1放电间隙与放电管 放电间隙：所谓放电间隙是把暴露在空气中的两块相互隔离一空气间隙的金属物 作为避雷放电的装置。通常把其中一块金属接在需要防雷的导线上如电源的相线，另一块金属与地线连接。当雷电波来到的时候首先在间隙处击穿，使间隙的空气电离，形成短路，雷电流通过间隙流入大地，而此时间隙两端的电压很低，从而达到保护线路的目的。常用于高压线路的避雷防护中。 气体放电管：把一对互相隔开的冷饮电极，封装在玻璃或陶瓷管内，管内再充以 一定压力的惰性气体（如氩气），就构成了一只放电管。 优点：具有很强的浪涌吸收能力，即放电能力强、通流量大（可做到100KA以上），很高的绝缘电阻以及很小的寄生电容，漏电流小。对正常工作的设备不会带来任何有害影响。 缺点：残压高（2～4KV），反应时间长（>100ns），动作电压精度较低，有工频续流，因此在保护电路中应串联一个熔断器，使得工频续流迅速被切断。 注：由于两只放电管分别装在一个回路的两根导线上，有时回不同时放电，使两导线之间出现电位差，为了使两根导线上的放电管能接近统一时间放电，减少两线之间的电位差，又研制了三级放电管。可以看作是由两只二级放电管合并在一起构成的。三级放电管中间的一级作为公共地线，另两级分别接在回路的两条导线上。 7.2压敏电阻 当加在电阻两端的电压小于压敏电压时，压敏电阻呈高阻状态，如果并联在电路上，该阀片呈断路状态；当加在压敏电阻两端的电压大于压敏电压时，压敏电阻就会击穿，呈现低阻值，甚至接近短路状态。压敏电阻这种被击穿状态是可以恢复的，当高于压敏电压的电压被撤销以后，它又恢复高阻状态。当电离线被雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电力线上的类电压被钳制在安全范围内。 优点：同开关电压范围宽（6——1.5KV），反应速度快（25ns）,通流量大（2KA/CM2），无续流。 缺点：容易老化，动作几次后，漏电流会增大，从而导致压敏电阻过热，最终导致老化失效。 电容较大，许多情况下不在高频率信息传输中使用。该电容又与导线电容构成一个低通。该低通会造成信号的严重衰减。但在频率低于30KHZ时，这种衰减可以忽略。 31 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 7.3 抑制式二极管（TVS） 有两种形式：一是齐纳型（为单向雪崩击穿），二是双向的硅压敏电阻。性能类似开关二极管等。在规定的反向电压作用下，两端电压大于门限电压时，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流通过，并将两端电压钳制在很低的水平，从而有效地保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率，并把电压钳制在预定水平。适用于交流电路。 优点：动作时间极快，达到微微秒范围。限制电压低，击穿电压低，应用于各种电子领域。 缺点：电流负荷量小，电容相当高。 实际避雷器生产时，常常利用上述元件互相搭配，取其个元件优点，从而组成不同的电路，更好低保护设备。 气体放电管压敏电阻抑制二极管 电子信息系统所需的浪涌保护系统一般采用两级或三级组成。采用气体放电管、压敏电阻和抑制二极管，并利用各种浪涌抑制器的特点，实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端作为一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流。属于泄流型器件。二级保护器件采用压敏电阻，可在极短时间内（ns）将浪涌电压限制在较低的水平。对于高度灵敏的电子电路，可采用抑制二极管作为三级保护。在更短的时间内将浪涌电压限制在末端电子设备的绝缘水平以内。如图，当雷电等浪涌到来时，抑制二极管首先导通，把瞬间过电压精确地控制在一定的水平，如果浪涌电流较大，则压敏电阻启动并泄放一定的浪涌电流，这时压敏电阻两端的电压会有所升高，直至推动前级气体放电管放电，把大电流泄放到地。当三种器件在线路中的距离较远时，导通顺序会从气体放电管开始，依次导通。（见行波理论） 气体放电管保护设备 32 图二 图三 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 图二中，单纯用气体放电管保护后端的设备会出现下列问题：导通时间过长，残压过大，有可能超过后端设备的耐压水平。放电后，会产生工频续流。为避免上述问题，采用另外一种电路（图三）。为了解决产生工频续流的问题，同时也避免压敏电阻因漏电流过大而发热自爆或老化，我们在气体放电管上串联一个压敏电阻，这样就可避免产生工频续流，又可以防止压敏电阻因漏电流而自爆、老化。但新的问题又产生了，这样避雷器的动作时间为气体放电管的导通时间和压敏电阻导通时间的总和。假设气体放电管的导通时间为100ns，压敏电阻的导通时间为25ns，则它们总的反应时间为125ns。为了减小反应时间，在电路中并入一个压敏电阻，这样可使总的反应时间为25ns。如图四 图四 图五 如图五：当过电压出现时，抑制二极管作为动作最快的元件首先动作，线路设计为，在抑制二极管可能毁坏之前，放电电流即随着幅值的上升转换到前置的放电路径上，即充气式放电路上。 Us+△u≥Ug Us：抑制二极管上的电压 △u：去耦感应线圈上的电压 Ug：气体放电管的动作电压 如果放电电流小于该值，则充气放电管不动作。采用这种线路不仅可以在低保护水平的条件下利用放电器动作迅速的优点，同时还可以达到很高的放电电容。这样就可以消除抑制二极管过载一级熔断器在出现电源续流时频繁切断电路的缺点。 频率较高的线路也可以采用欧姆式电阻作为去耦元件，与低电容桥接线路共同使用。 市场上普通电源避雷器器件一般采用压敏电阻，用于一级、二级和三级电源。这种组合方式在距离大于5米时，导通时间从第一级开始逐级向后导通。 若第一级采用气体放电管，二级和三级采用压敏电阻，则必须满足第一级与第二级满足大于十米的距离，第二级与第三级满足大于5米的距离，这样才能保证前一级先动作。否则可能导致第一级不动作的现象，而二级和三级避雷器又没有那么大的通流量，导致避雷器无法切实保护设备。这点在工程设计中一定要引起注意。如图七 33 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 图六 图七 34 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 附录一 10kV降压变电所主接线图 GG GN19-10C/400 -1 LA-10 VD4-10 A(GN19-10C/400 F)-07 GG-1A( LA-10 GN19-10C/400 XRNP3-10 JDZJ-10 GGN19-10C/400 G-1A(F)-11LA-10 VD4-10 GN19-10C/400 LA-10 GN19-10C/400 XRNP3-10 JDZJ-10 GG-1A(VD4-10 GN19-10C/400 LA-10 GN19-10C/400 LA-10 VD4-10 GN19-10C/400 XRNP3-10 JDZJ-10 GN19-10C/400 GG-A(F) S9-2500 PGL-2-GN19-10C/400 VD4-10 LA-10 S9-2500 同左 PGL-2-GN19-10C/400 VD4-10 LA-10 35 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 附录二 10kV高压柜接线图 36 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 附录三 10kV变压器的保护原理展开图 37 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 致 谢 本次的设计时间短、内容多，几乎涵盖了大学中所学的知识。经过了从收集资料、设计、绘图的整个过程。在此期间，自己动手查阅了大量的资料，一方面，充分地检验自己的设计能力，丰富了自己在电气设计特别是变电站设计方面的知识，为自己将来从事该专业工作打下了坚实的基础；另一方面，使我体会到搞设计或科研需要具备严谨求实、一丝不苟和勇于献身的精神。这次的设计，我最大的收获就是学到了变电所的设计步骤与方法，还有学会了如何使用资料。 设计虽然完成了，但是，由于是初次进行这种具有很强实际意义的设计，经验的欠缺造成了在设计中还有很多不够完善的地方，比如：在选择一次设备的时候，对现在的主流产品知之甚少，整个变配电系统结构不够优化等。另外我只是掌握了变电所设计中很少的一部分知识，还有很多深奥的专业知识等着我去挖掘、去探索、去学习。我也将会在今后的工作学习中不断充实自己，不断完善自己的专业知识，为自身的发展打下坚实的基础。 由于上述原因，在设计过程中难免出现错误，敬请老师批评指正。 38 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 参考文献 [1] 孙丽华. 电力工程基础[M]. 北京: 机械工业出版社. [2] 刘介才. 工厂供电简明设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1993 [3] 刘介才. 工厂供电[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004 [4] 夏道止. 电力系统分析[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004 [5] 段建元. 工厂配电线路及变电所设计计算[M]. 北京: 机械工业出版社, 1982 [6] 刘介才. 工厂供电设计指导[M]. 北京: 机械工业出版社, 1999 39 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 目 录 摘 要 .............................................................. 0 1负荷计算及主变压器的选择 .......................................... 1 1.1负荷计算的目的和内容 ............................................ 1 1.1.1负荷计算的目的 ................................................ 1 1.1.2负荷计算方法 .................................................. 1 1.1.3负荷计算的内容 ................................................ 2 1.1.4无功负荷补偿[6] ................................................ 3 1.2变电所位置的选择 ................................................ 5 1.2.1变电所位置的选择要求 .......................................... 5 1.2.2变电所的布置 .................................................. 5 1.2.3本变电所位置的选择 ............................................ 6 1.3变压器的选择 .................................................... 6 1.3.1变压器台数的选择 .............................................. 6 1.3.2 变压器容量的确定 ............................................. 6 1.3.3 本厂变压器容量的确定 ......................................... 6 2 主接线方案的选择 ................................................. 8 2.1主接线的基本要求 ................................................ 8 2.1.1安全性 ........................................................ 8 2.1.2可靠性 ........................................................ 8 2.1.3灵活性 ........................................................ 8 2.1.4经济性 ........................................................ 8 2.2 主接线的案例与分析 ............................................. 8 2.2.1单母线接线 .................................................... 8 2.2.2单母线分段主接线 .............................................. 9 3短路电流计算 ..................................................... 10 3.1短路电流及其计算方法 ........................................... 10 3.2三相短路计算 ................................................... 10 4 变电所一次设备的选择与校验 ...................................... 14 4.1设备型号选择的一般条件 ......................................... 14 4.1.1 按正常工作条件选择设备 ...................................... 14 [6] 4.1.2 按工作电流选择设备的额定电流 ............................... 14 4.2 高压断路器的选择 .............................................. 14 4.3高压隔离开关的选择 ............................................. 15 4.3.1隔离开关的用途 ............................................... 15 4.3.2形式结构 ..................................................... 16 4.3.3选择条件 ..................................................... 16 4.4电流互感器的选择 ............................................... 16 4.4.1电流互感器的介绍[1] ........................................... 16 4.4.2电流互感器的选择 ............................................. 17 4.5电压互感器的选择 ............................................... 18 4.5.1电压互感器的介绍 ............................................. 18 4.5.2电压互感器的选择 ............................................. 18 4.6高压熔断器 ..................................................... 19 40 某飞机制造厂变电所及配电系统设计 4.6.1高压熔断器选择 ............................................... 19 5 继电保护的配置 .................................................. 20 5.1继电保护的基本要求 ............................................. 20 5.2 10kV系统中应配置的继电保护 .................................... 20 5.3 变压器应配置的保护 ............................................ 21 6 差动保护 ........................................................ 24 6.1 差动保护简介 .................................................. 24 6.2 纵联差动保护原理 .............................................. 24 6.2.1 纵联差动保护的构成 .......................................... 24 6.2.2 纵联差动保护的工作原理 ...................................... 24 6.2.3 微机变压器纵差保护的主要元件介绍 ............................ 25 6.2.4 下面对各个元件的功能和原理作个简要的介绍： .................. 25 6.2.5装置型号说明： ............................................... 28 6.2.6 装置简介 .................................................... 28 6.3 保护程序整体结构 .............................................. 28 6.3.1差动速断保护 ................................................. 28 6.3.2 比率差动保护特性 ............................................ 28 6.3.3 励磁涌流闭锁原理 ............................................ 29 6.4 异常检测 ...................................................... 29 6.4.1 整组复归判别 ................................................ 29 6.4.2 TA 断线检测 ................................................. 29 6.4.3 差流越限告警 ................................................ 30 6.5 差动保护动作逻辑图 ............................................ 30 7 避雷器元件工作原理及设计原理 .................................... 31 7.1放电间隙与放电管 ............................................... 31 7.2压敏电阻 ....................................................... 31 7.3 抑制式二极管（TVS） ........................................... 32 附录一 10kV降压变电所主接线图 ..................................... 35 附录二 10kV高压柜接线图 ........................................... 36 附录三 10kV变压器的保护原理展开图 ................................. 37 致 谢 .............................................................. 38 参考文献 .......................................................... 39 41 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容