西南交大电气学院一次系统课程设计.doc

课程设计（实训）报告课程设计（实训）报告 题题 目目一次系统课程设计一次系统课程设计 专专 业业电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级级电气电气 2012-022012-02 班班 学学 号号 2012133420121334 姓姓 名名 指导教师指导教师 电气工程学院电气工程学院 二二一五年十月一五年十月 至至 二二一五年十二月一五年十二月 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名学生学号学生学号 2012133420121334 学生专业学生专业电气工程及其自动化电气工程及其自动化学生班级学生班级电气电气 2012-022012-02 班班 发题日期发题日期 20152015 年年 1010 月月 2626 日日完成日期完成日期 20152015 年年 1212 月月 1717 日日 课程名称课程名称一次系统课程设计一次系统课程设计指导教师指导教师 设计题目设计题目某变电所防雷接地及绝缘配合方案设计某变电所防雷接地及绝缘配合方案设计 课程设计主要目的：课程设计主要目的： 变电所是供电系统的枢纽，为了保证变电所的正常运行，以及发生异常情况时变电所的 人员与设备的安全，在进行高压设备布局设计前，需要确定其高压绝缘配合标准，并根据长 期发展规划要求进行地网设计，同时为了避免雷电对变电所的危害，需要给出避雷针的布置 方案，确定避雷针的防雷保护范围。本课程设计通过模拟某变电所的防雷接地与绝缘配合方 案设计，掌握电力系统接地及过电压防护的相关规程，以及绝缘配合及防雷接地设计流程， 并掌握一些重要参数的计算方法。 课程设计任务要求：课程设计任务要求：（包括原始数据、技术参数、设计条件、设计要求等）（包括原始数据、技术参数、设计条件、设计要求等） 原始数据：原始数据： 土壤勘测数据如下表所示，测量时间为秋季，季节系数建议取 1.2 深度深度 m m 0.03-0.061.39-1.74 （1.60-2.00） 1.45-1.82 （1.60-2.00） 大气中等污染地区，权盐碱和炉烟污秽地区，离 海岸盐场 3-10km 地区，在污闪季节中潮湿多雾 （含毛毛雨）但雨量较少时 0.06-0.101.74-2.17 （2.00-2.50） 1.82-2.27 （2.00-2.50） 大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海 岸盐场 1-3km 地区，工业与人口密度较大地区， 离化学污源和炉烟污秽 300-1500m 的较严重污秽 地区 0.10-0.252.17-2.78 （2.50-3.20） 2.27-2.91 （2.50-3.20） 大气特别严重污秽地区，离海岸盐场 1km 以内， 离化学污源和炉烟污秽 300m 以内的地区 0.25-0.352.78-3.30 （3.20-3.80） 2.91-3.45 （3.20-3.80） 表 b 普通型悬式瓷绝缘子技术参数表 产品型 号 工频耐 受电压 kv 无线电干扰电压 gb/t7 25 3-1987 公 称 结 构 高 度 h mm 公 称 盘 径 d mm 公 称 爬 电 距 离 l mm 连 接 型 式 标 记 额定 机电 破坏 负荷 kn 逐个 拉伸 负荷 kn 打击 破坏 负荷 ncm干湿 雷电 冲击 干耐 受电 压 kv 工频 击穿 电压 kv对地 试验 电压 kv 1mhz 最 大无线电 干扰电压 uv 重 量 kg xp-7014625529516b7035565704010011010504.8 xp3-7014625531016b7035565704010011010504.9 xp-10014625529516b10050678704010011010505.8 xp-12014625529516b12060678704010011010506.1 摘要摘要 本课程设计模拟了某变电所的防雷接地与绝缘配合方案设计，通过电力系统接 地及过电压防护的相关规程，以及绝缘配合及防雷接地设计流程，完成了计算书， 平面布置图和安全校验书组成的设计方案。 本次课程设计先是选取了自己任务对应的数据再通过相关计算计算出对应的配 置方案的相关系数和对应参数，对避雷针、接地网和绝缘子串进行了设计，再对应 配置方案进行方案的检验和校验，合乎要求后再画出了避雷针的保护范围和 76 接 地网的参数的设计和画图，最终完成了本此课程设计 关键词：计算书 校验书 避雷针保护范围 接地装置 目录目录 第一章 保护简述.7 1.1 设计背景7 1.2 原始数据及参数的选取 7 第二章 计算书.2 2.1 避雷针的设计 2 2.1.1 避雷针高度和位置的计算8 2.1.2 避雷针设计方案验算9 2.2 接地网系统的设计.10 2.2.1 土壤电阻率的计算.10 2.2.2 地网导体的选择10 2.2.3 接地网面积和接地电阻的计算 .11 2.2.4 接触电压和跨步电压的计算 .12 2.3 绝缘子串的选择.16 第三章 安全校验书18 3.1 避雷针设计方案校验 .18 3.2 接地电阻的校验.18 3.3 跨步电压和接触电压的校验.19 3.4 绝缘子串的校验.19 第四章 平面布置图20 4.1 避雷针保护范围 .20 4.2 接地装置图 .21 第一章 保护简述 1.1 设计背景 变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所,是联系发电厂 与电力用户的纽带,担负着电压变换和电能分配的重要任务。如果变电所发生雷击事故,会给 国家和人民造成巨大的损失，因此变电所的防雷是不可忽视的问题。 变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。随着电力系统规 模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保 护接地。工作接地即为电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地；保护接地即为电气装 置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人 身和设备的安全而设的接地；雷电保护接地即为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。 变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接 触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。 近几年来, 由于污秽等原因, 线路的跳闸率居高不下。所以，根据特定的环境条件和气 象条件，设计适合当地情况的绝缘配合方案，线路绝缘的加强, 可以提高线路安全运行的可 靠性, 选择合适的绝缘子串、改变线路绝缘后对变电站绝缘配合的影响, 并提出防治措施, 对 保证系统的安全稳定运行具有重大的经济和社会效益。 1.2 原始数据及参数的选取 土壤勘测数据如下表所示，测量时间为秋季，季节系数建议取 1.2 深度 m 1.21.2-1010-2020-50 土壤电阻率 m 100270250147 技术参数：技术参数： 条件 1 变电所面积及布置情况： 面积为 120*100m2，门形构架最高 20 米, 条件 2 线路等级及污秽等级： 电压等级 220kv，环境污秽等级 iv 级，绝缘子型号为 xp-70 条件 3 最大接地短路电流（保护动作时间为 0.5s） imax=4700a 第二章 计算书 2.12.1 避雷针的设计避雷针的设计 2.1.12.1.1 避雷针高度和位置的计算避雷针高度和位置的计算 对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对于面积较大的变电所，为将防雷范围覆盖 整个变电所，一般采用多支避雷针共同作用的方式进行防雷设计，由已知变电所的基本条件， 设计四支等高避雷针，摆放位置如下： 避雷针位置图 由已知条件可得： ， 1234 120ddm 2314 100ddm 22 max 120100156.2dm 被保护变电所高度即变电所门型架构高度： 0 20hm 避雷针高度计算： 0 7 d hh p 其中： 两根避雷线间的水平距离d 高度修正系数p 假设 将已知数据代入式（3-1）中，其中取，算得结301hmp， max 156.2ddm 果：与假设相反，故，代入式（1）中，可得避雷针高42.3hm30120mhm 5.5 p h 度： 47.98hm 2.1.22.1.2 避雷针设计方案验算避雷针设计方案验算 对四支等高的避雷针系统进行验算时，可以将其分解成两个三角形区域（1、2、3 和 1、4、3） ，对每个区域包含三个避雷针看成整体进行单独验算，首先，对避雷针 1、2、3 进 行验算 其保护高度为： 0 7 d hh p 1、2 避雷针之间的高度： 012 120 47.9826.3918 5.5 7 47.98 hm 2、3 避雷针之间的高度： 012 100 47.9829.9818 5.5 7 47.98 hm 1、3 避雷针之间的高度： 012 156.2 47.9819.88 5.5 7 47.98 h 故高度上都满足保护高度门型架构的要求，所以这三个避雷针组成的区域保护高度满足18m 题目要求 对避雷针的保护宽度满足公式： 0 1.5() xx bhh 故 1、2 号避雷针保护宽度： 12 1.5 (26.39 18)12.590 x bm 2、3 号避雷针保护宽度： 23 1.5 (29.98 18)17.970 x bm 1、3 号避雷针保护宽度： 13 1.88 x bm 由上述计算可得三个避雷针组成的区域保护高度满足题目要求， 由于避雷针 1，4,3 形成的保护区域与 1,2,3 相类似，同理经过计算可得该四支避雷针形成的 避雷保护区域满足题目所给的保护范围，能够保护到整个变电所区域。 2.22.2 接地网系统的设计接地网系统的设计 2.2.12.2.1 土壤电阻率的计算土壤电阻率的计算 土壤电阻率是接地工程的一个常用参数，直接影响接地装置接地电阻的大小、地网地面 电位分布、跨步电压利设备接触电压。 查阅资料可得，对 n 层土壤的平均土壤电阻率 满足以下公式： 1 1 n i i n i i i h h 其中 hi第 i 层土壤层的厚度 i第 i 曾土壤层的电阻率 由设计参数中已知土壤原始数据： 土壤勘测数据如下表所示，测量时间为秋季，季节系数建议取 1.2 深度 m 1.21.2-1010-2020-50 土壤电阻率 m 100270250147 将该原始数据代入上式，可得该地土壤平均电阻率： 1 1 50 1.2207.8 1.28.81030 100270250147 n i i n i i i h m h a 2.2.22.2.2 地网导体的选择地网导体的选择 导体选择首先考虑最小截面必需能满足热稳定性的要求，在此基础上考虑长期运行性能。 我国接地网设计使用寿命为 50 年，设计时要求经过 50 年的腐蚀后，其剩余截面能满足导体 的热稳定性要求。 （1）热稳定性 根据实用电力接地技术中，根据热稳定性条件，未考虑腐蚀时，接地体的最小截面应该 符合： 1 g st c 其中： 2 g s 接地体的最小界面积，m m ia流经接地装置的入地短路电流， ts短路的等效持续时间， c接地材料热稳定系数 本文选取接地网导体为圆钢材料，其热稳定系数，又从已知条件可得短路时间为70c ，则最小截面：0.5ts 2 12250 0.522.73 70 g stmm c （1）土壤腐蚀影响 考虑土壤腐蚀的影响，根据实测得到的土壤对导体的年腐蚀速度（mm/a）以及预期的地 网运行寿命，就能容易地得出导体的最小截面，查阅相关资料，可知土壤对圆钢的腐蚀率约 为 0.065mm/a，按照 50 年的规划计算，可以得到圆钢直径： 4 0.065 508.63 g s dmm 根据计算，取圆钢直径为 10mm。 2.2.32.2.3 接地网面积和接地电阻的计算接地网面积和接地电阻的计算 (1)入地电流的计算 发电厂与变电站的内部或外部发生接地短路时，流经接地装置的电流可按下式计算： max1 ()(1) ne iiik 其中：入地短路电流，a；i 接地短路时最大接地短路电流，a； max i 厂站内部或外部短路时，避雷线的分流系数。 1e k 发生最大接地短路电流时，流经发电厂变电站中性点的最大接地短路电流， n i a； 将，代入上式，可以得入地短路电流： max 4700ia0 n i 1 0.5 e k 4700 0.52350ia （2）接地网面积 在计算接地网面积时，需要满足变电站接地网对接地电阻的允许值的要求，发电厂、变 电所中的接地网是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置。按照工作接地 要求，我国规程中给出的复合地网接地电阻允许值为： 2000 r i 式中：r考虑到季节变化的最大接地电阻（） i计算用的流经接地装置的入地短路电流（a） 按照我国规程给出的复合地网接地电阻计算简化公式： 0.5 t r a 代入前式中，可以得到 2 2350 0.5 207.814904.13 2000 t a 通过上述计算，得到接地网面积取值范围，在此基础上，我们可取接地网面积为 ，令接地网长为，宽。 2 24000 t amm200am120bm （2）接地电阻 将接地网面积代入式（3-2）中，可得接地电阻大小为： 2 24000 t amm 207.8 0.50.50.671 24000 t r a 2.2.42.2.4 接触电压和跨步电压的计算接触电压和跨步电压的计算 （1）接地装置电位 在我国交流电气设备接地规程中，根据继电保护装置与二次设备的耐压水平，规定变电站地 网电位升不得超过 2000v，接地装置的电位可按下式计算： 23500.671 1576.85 g uirv 其中：入地短路电流（a）i 接地电阻（）r （2）接触电压 接地短路（故障）电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地面上离设备水平距离 为 0.8 米处与设备外壳，架构或墙壁离地面的垂直距离 1.8 米处两点间的电位差，称为接触 电压差；接地网孔中心对接地网接地极的最大电位差，称为最大接触电位差。 可以按照我国电力行业标准dl/t 621-1997 交流电气装置的接地的附录 b 中给出了非 均匀布置中接触电压与跨步电压的计算方法，其中接触电压计算公式为： maxmaxtgt uu k 其中：接地装置电位（v） g u 最大接触电压系数 maxt k 对于均匀土壤中非等距分布接地网，附录给出的计算公式如下： maxt k （3-3） maxmaxttdthtlttnts kk k k kk k 其中：、分别为等效直径、埋深、形状、网孔数和根数的影响 td k th k tl k tn k ts k 系数，计算公式如下： （2- tl2121 32 tmax 6 td 5 th tn212121 6 ts 0.1680.002(/)() 2.83724 0.401 0.522/ 0.2570.095 0.021 0.217/0.132(/ 0. )() 0.0540.410 021/ t kd kh knnnn kllll kt nn ka 4） 式中：沿长方向布置的均压带根数； 1 n 沿宽方向布置的均压带根数； 2 n 接地网网孔数， t 12; tnn 水平接地网埋深，；hm 、接地网的长度和宽度，； 1 l 2 lm 均压带等效直径，；dm （3）网孔数确定 根据式（3-3）可得网孔数计算公式如下： （2-5） 3 2 max 240.021 () 2.837 tdthtltnts ttdthtltnts k k k k k t kk k k k k 此时、可按照下式计算 1 n 2 n 12; tnn 1 1 2 l nt l 当为整数时 2 1 1 l n l 2 21 1 l nn l 当为不整数，为了确保地网的安全，采用收尾发的到的的表达式为： 2 1 1 l n l 2 n 2 21 1 ()1 l nn l 根据 3.2.2 中的接地网导体的选择结果，地网导体等效直径，埋藏深度0.02dm ，结合已知条件继电保护装置动作时间，按照电力行业标准 dl/t 621-0.8hm0.5ts 1997 的推荐公式计算可得最大允许跨步电压和最大允许接触电压分别为： s u t u (1740.7) /(1740.7207.8) /0.5451.78 (1740.17) /(1740.17207.8) /0.5296.03 sf tf utv utv （3-6） 其中： 接触电位差，v； t u 跨步电位差，v； s u 人脚站立处地表面的土壤电阻率，m； f 最大接触电压系数可以通过下式得到 maxt k max 296.03 0.188 1576.85 t t g u k u 将各参数代入式（3-3） 、 （3-4） 、 （3-5）中，可得到地网的网孔总数 42t 1 7n 2 6n （3）跨步电压计算 接地短路（故障）电流流过接地装置时，地面上水平距离为 0.8 米的两点间的电位差， 称为跨步电压差；接地网外的地面上水平距离 0.8 米处对接地网边缘接地极的电位差，称为 最大跨步电位差 跨步电压计算可按照下列公式： maxmaxsgs uu k 其中：最大跨步电压系数 maxs k 对于均匀土壤中非等距分布接地网，计算公式如下： maxs k maxmaxssdshslssnss kk k k kk k 式中各系数分别为等效直径、埋深、形状、网孔数和根数的影响系数，计算公式如下： 3 sd 2.789 th 12 tn2121 max 2121 ts 0.5740.64/ 383.864 0.8490.234/() 0.056 1.072/ 0.741 0.011(/)() 0.07 1.08 t tl t kd keh knnnn kt kllll ka 其中：沿长方向布置的均压带根数； 1 n 沿宽方向布置的均压带根数； 2 n 接地网网孔数， t 12; tnn 水平接地网埋深，；hm 、接地网的长度和宽度，； 1 l 2 lm 均压带等效直径，；dm 将计算得到的地网的网孔总数， 代入上式，可算得实际跨步电压42t 1 7n 2 6n 为： 453.78 s uv 因为在工程中对地网进行设计和优化时，首先要考虑的是地网的网孔数，而决定网孔数 的指标为接触电压和跨步电压满足安全要求（如式 3-6） ，通常情况下接触电压满足安全要求 时，跨步电压一般满足要求，且前文中由（5）中计算出来的网孔数已经能够满足接触t 电压的安全要求，所以我们可以认为，该地网设计也已经满足跨步电压的安全要求。 2.32.3 绝缘子串的选择绝缘子串的选择 除了某些 500kv 线路采用简化统计法作绝缘配合外，其余线路至今大多采用确定性法进 行绝缘配合。因此，现以确定性法作架空输电线路的绝缘配合。 以确定性法作架空输电线路的绝缘配合，主要是线路绝缘子串的选择与线路上各空气间 隙的极间距离（空气间距）的确定。 首先，按工作电压要求，为防止绝缘子串在工作电压下发生污闪事故，绝缘子串应具有 足够的沿面爬电距离。 根据爬电比距 的定义确定为避免污闪事故所需要的绝缘子片数为： （3-7） 1 0 m e u n k l 式中 绝缘子片数； 1 n 系统最高工作（线）电压有效值，kv； m u 绝缘子爬电距离有效系数； e k 每片绝缘子的几何爬电距离，cm。 0 l 由 1.2 中设计参数中可以得线路等级，污秽等级 iv 级时集合爬电比距220 m ukv 离取，所选绝缘子 xp-70 的集合爬电。将以3.20/cm kv1 e k 0 29.5lcm 上数据代入式（3-7）中，确定防止工作电压下污闪的绝缘子个数： 1 0 23.924 m e u n k l 其次，按操作过电压要求，绝缘子串在操作过电压的作用下，也不应发生湿闪。 由于没有完整的绝缘子在操作过电压下的湿闪电压数据，近似地以绝缘子串的工频湿闪 电压代替其在操作过电压下的湿闪电压。对于常用的 xp-70 型绝缘子来说，其工频湿闪电压 幅值为： w u （3-8） 2 6014() w unkv 变电所操作过电压要求的变电所绝缘子串正极性操作冲击电压波 50%放电电压 u，应符 合下式要求且不得低于变电所电气设备中隔离开关、支柱绝缘子的相应值 （3- 4,1p uk u 9） 其中： 对范围 i（3.6kvum252kv）代之以计算用最大操作过电压，kv ,1p u 变电所绝缘子串操作过电压配合系数，取 1.18 4 k 最大操作过电压满足： ,1 /33 2203381.05 pby uk ukv 其中： 为 220kv 电压等级相对地计算用最大操作过电压标幺值，取 3.0 by k 电压等级（线电压）u 代入式（3-8）中得： 449.64ukv 故在操作过电压不发生湿闪的情况所需的绝缘子子串课根据式（3-8）得： 2 14 7.3 60 u n 根据我国规定的零值绝缘子片数（如表 2-1）考虑需要增加的零值绝缘子片数 0 n 表表 2-1 额定电压（额定电压（kv）35220330500 绝缘子类型悬垂串耐张串悬垂串耐张串 0 n1223 最后得出操作过电压所要求的片数为： 202 17.38.3nnn 故最终所得到的满足操作过电压要求片数： 2 9n 最后，按雷电过电压要求取和中较大的片数，故确定绝缘子串片数： 2 9n 1 24n 1 24nn 由此计算出绝缘子串几何爬电总距离： 0 =24 295=7080ln lmma 总 第三章 安全校验书 3.13.1 避雷针设计方案校验避雷针设计方案校验 由题意可有： 0 7 d hh p 1、2 避雷针之间的高度： 012 120 47.9826.3918 5.5 7 47.98 hm 2、3 避雷针之间的高度： 012 100 47.9829.9818 5.5 7 47.98 hm 1、3 避雷针之间的高度： 012 156.2 47.9819.88 5.5 7 47.98 h 故高度上都满足保护高度门型架构的要求，所以这三个避雷针组成的区域保护高度满足18m 题目要求 0 1.5() xx bhh 故 1、2 号避雷针保护宽度： 12 1.5 (26.59 18)12.890 x bm 2、3 号避雷针保护宽度： 23 1.5 (24.88 18)10.320 x bm 1、3 号避雷针保护宽度： 13 0 x b 由上述计算可得三个避雷针组成的区域保护高度满足题目要求， 由于避雷针 1，4,3 形成的保护区域与 1,2,3 相类似，同理经过计算可得该四支避雷针形成的 避雷保护区域满足题目所给的保护范围，能够保护到整个变电所区域。 3.23.2 接地电阻的校验接地电阻的校验 由 3.3 中（2）关于接地电阻的计算可以估算得接地电阻，对该结果进行检验，应该r 满足规程中给出的复合地网接地电阻允许值为： 2000 r i 将入地短路电流代入上式，可以得到：i 2000 0.6070.85 2350 r 故接地电阻取值满足古河接地网电阻的允许值。 3.33.3 跨步电压和接触电压的校验跨步电压和接触电压的校验 （1）跨步电压校验 在发生接地短路时，接地网外的地表面的最大跨步电位差 )(83.451)(81.7541.183204 . 0 ku kmaxk vvug （66） 对该结果进行检验，按照电力行业标准 dl/t 621-1997 的推荐公式计算可得最大允许跨步电 压由 3.2.5 中式（3-6）得到 ： s u ss uu 所以实际跨步电压满足规程所给要求。 （2）接触电压校验 由文中 3.2.5 中（2）根据实际算出的参数计算得到了实际接地网接触电压为： ）（v04.2965 . 0/ )85.20717 . 0 174(ut 对该结果进行检验，按照电力行业标准 dl/t 621-1997 的推荐公式计算可得最大允许跨步电 压由 3.2.5 中式（3-6）得到 ： s u tt uu 所以实际接地网接触电压满足规程所给要求。 3.43.4 绝缘子串的校验绝缘子串的校验 通过文中 3.3 的计算，最终设计的绝缘子串数为，由于没有完整绝缘子操作过电24n 压的湿闪电压数据，代入式（3-8）可得绝缘子串近似的操作过电压： 60 24 141454 w ukv 结合式（3-9）所算得的变电所电气设备中隔离开关、支柱绝缘子的相应值进行比较： 4,1 449.64 wp uk ukv 经验算可得，该绝缘子串耐雷水平能够满足变电所操作过电压的要求。 经检验，设计中避雷针的保护高度、接地电阻阻值、跨步电压与接触电压、绝缘子实际 爬距均已满足要求的指标，符合我国变电站绝缘配合设计的要求。 第四章 平面布置图 4.14.1 避雷针保护范围避雷针保护范围 在保护范围内被保护物不致遭受雷击。由于放电的路径受很多偶然因素影响，因此要保 证被保护物绝对不受雷击是非常困难的，一般采用 0.1% 的雷击概率即可。避雷针(线)的保 护范围是用模拟试验及运行经验确定的。 本设计中，由于待保护对象为的变电所，故采用四根等高避雷针的防护方案， 2 120*100m 原理图如图 1 四根避雷针保护范围，图二为单根等高避雷针保护范围，图三为两根等高避雷 针保护范围。 图 1 四根避雷针保护范围 图 2 单根等高避雷