（农业电气化与自动化专业论文）哈尔滨上坞无人值班变电所电气系统研究与设计.pdf

摘要 针对太阳岛地区改造工程，为提高太阳岛及其周围冰雪大世界、松北镇等地区的供 电能力，市郊农电局计划在松北镇新建一座6 6 k v 无人值守变电所，要高质量、高标准 地建设好该变电所，设计工作尤显重要。笔者作为该变电所的主要设计人，以其设计为 实例，综合国内外同类变电所的现状和国情，就该新型无人值守变电所的设计模式进行 了研究。 无人值班变电所是指无固定值班人员在当地进行e t 常监视与操作的变电所。对变电 所的操作和监视是由远方调度( 控制) 中心来完成。为实现无人值班，应做好一次系统 设计和设备选型工作。主接线设计简单灵活、操作方便，一次设备状况良好，性能可靠 才利于远方监控的实现。在该无人值班变电所的设计中，以小型化模式为基础，简化主 接线：6 6 k v 侧采用双t 接线方式，正常时双线双变压器分列运行：1 0 k v 侧由于馈电线 路较多，负荷较为重要，因此采用单母线分段带旁路接线方式。设备选型工作中采用检 修周期长、可靠性更高的真空断路器及国内先进的铠装手车式高压开关柜。 此外，在无人值班的情况f 必须提高变电所的基础自动化水平。本变电所的二次系 统设计中采用分层分布式系统结构，利用南瑞继保电气公司的微机型继电保护装置及 d f l 7 0 0 分布式电站自动化系统，经过功能组合和优化设计，对变电所执行自动监视、 测量、控制和协调。它们的运用为变电所无人值班提供了强有力的现场数据采集及监控 支持，在其基础上可实现高水平的无人值班变电所的管理。 最后，通过经济技术分析说明，本文设计的无人值班变电所，占地面积小、投资省、 建设工期短、解放了变电值班人员，同时其运行和管理费用低，具有显著的经济效益。 此新型无人值守变电所的设计已被采用，现已进入实施阶段，相信该6 6 k v 无人值班变 电所模式的研究，可为今后我省推广无人值班变电所积累经验，并提供良好的借鉴。 关键词无人值守：变电所综合自动化；分层分布式 ，! ：。一! 童些查些鏊堡堡圭耋堡篓i ：一一。一。，：，：，。 r e s e a r c ha n dd e s i g nf o rs u b s t a t i o nw i t h o u t w a t c h k e e p e re l e c t r i c a ls y s t e mo fh a r b i ns h a n gw u a b s t r a c t i no r d e rt oa d a p tf o rs u nl a n d sr e b u i l d i n g ，a n di m p r o v et h ea b i l i t yo fp o w e rs u p p l yi n t h ei c ea n ds n o ww o r l da n ds o n gb e it o w n ，s u b u r bp o w e rs u p p l yb u r e a ud e c i d e dt ob u i l da n e w6 6 k vr u r a ls u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h - k e e p e ri ns o n gb e it o w n d e s i g n i n gi sv e r y i m p o r t a n ti no r d e rt oa c c o m p l i s ht h ew o r kw i t ha d e q u a t eq u a l i t ya n dh i g hs t a n d a r d t h ep a p e r r e s e a r c h e st h en e wr u r a ls u b s t a t i o n ss c h e m ec o m b i n i n ga u t h o r se x p e r i e n c ew i t hp r a c t i c a l s i t u a t i o n t h es u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h k e e p e rm e a n st h a tf l op e r s o nk e e pw a t c ha n do p e r a t eo n d u t yi nt h es u b s t a t i o n ，a l lw o r k sw e r ed o n eb yt h er e m o t ec o n u o lc e n t e r i no r d e rt or e a l i z et h e o b j e c t , d e s i g n i n ge l e c t r i c a ls y s t e ma n ds e l e c t i n ge q u i p m e n ts h o u l db ed o n ew e l lf i r s t l y i tw i l l b eb e n e f i c i a lt or e m o t ec o n t r o lt h a tm a i nw i r i n gi sb r i e fa n dh a n d l i n gf a c i l i t y , e l e c t r i c a l e q u i p m e n ti s h e a l t h f u la n ds t a b l e f u r t h e r m o r e ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt h a ti m p r o v et h e a u t o i m m u n i z a t i o no fs u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h k e e p e r i nt h ed e s i g no f s u b s t a t i o n w e p r e d i g e s tm a i nw i r i n gw i t ham i n i t y p eb a s ea n da d o p ts i m p l ew i r e c o n n e c t i o n ：d u l ett y p ei s u s e di n6 6 k vs i d e ，s e g m e n t e ds i n g l eb u s - b a rw i t hh o s p i t a lb u s b a ri su s e di n1 0 k vf o rm a j o r l o a d v a c u u mb r e a k e rw i t ha d e q u a t eq u a i l t ya n dl o n gm a i n t e n a n c ei n t e r v a l sa r es e l c c t e d f u r t h e rm o r e ，i n t e g r a t i v ea u t o m a t i o no fs u b s t a t i o ni st h ek e yf a c t o ri ns u b s t a t i o nw i t h o u t w a t c h - k e e p e r i nt h es e c o n d a r yd e s i g n , w ea d o p tl a y e r e da n dd i s t r i b u t e dc o n f i g u r a t i o n ，i n s t a l l r e l a ye q u i p m e n tw i t hm i c r o c o m p u t e r , d f l 7 0 0i n t e l l i g e n tr e m o t ec o n t r o le q u i p m e n ta n do t h e r a u t o m a t i ce q u i p m e n t , a n dr e a l i z ei n t e g r a t i v ea u t o m a t i o no fs u b s t a t i o n u s i n gt h i st e c h n o l o g y w i l ls u p p o r td a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o ro nt h es p o tf o r t h es u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h k e e p e r , a n dr e a l i z ee f f e c t u a lm a n a g e m e n t a tl a s t , c o s t - e f i e c t i v e n e s sa n a l y s i sv a l i d a t e st h a tt h es u b s t a t i o ni ss m a l l e rs p a c e ，l o w e r i n t e r e s ta n dm a n a g e m e n tc o s t ，s h o r t e rb u i l d i n gt i m et h a no t h e r st h ep l a no fs u b s t a t i o nh a s b e e nc o n s t r u c t e d w eb e l i e v et h a tt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nw i l la c c u m u l a t ee x p e r i e n c ei n p r o m o t i n gs u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h - k e e p e r c a n d i d a t e ：h a ny i n g - y i m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oy u - l i n y u eh o n g - b i n k e y w o r ds u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h - k e e p e ri n t e g r a t i v ea u t o m a t i o no f s u b s t a t i o n l a y e r e da n dd i s t r i b u t e dc o n f i g u r a t i o n v i 1 前言 1 1 研究的目的与意义 近年来，随着“两网”改造的深入和电网运行水平的提高，大量采用远方集中控制、 操作等自动化技术的变电站投入运行，既提高了劳动生产率，又减少了人为误操作的可 能。采用变电站综合自动化技术是变电站计算机应用的方向，也是电网发展的趋势，值 得人力推广。因此，认真研究农村变电所的先进设计方案和综合自动化技术方案是一项 十分重要工作( 段传宗，1 9 9 8 ) 。 中国农网变电所的建设设计经历了一个逐步改进提高的过程。由6 0 年代的简易化变 电所到7 0 年代的工业化模式所，都未发挥理想的性能。在总结以上两种模式的基础上， 8 0 年代以来，根据“小容量、密布点、短半径”的建设原则，全国建成农村小型化变电 所上千座。进入9 0 年代以来，农村变电所义在小型化模式基础上开始朝无人化模式发展。 目前，我省还没有无人值守变电所，本课题就是结合我省的负荷特点及自然状况而提出 的，其目的就是通过本课题的研究建设一座省城郊区的无人值班变电所模式，为今后我 省推广无人值班变电所积累经验。 无人值班变电所是一种先进的运行管理模式，它是以提高变电所设备可靠性和基础 自身化为前提，并借助微机远动技术，由远方值班员取代现场值班员实施对变电所设备 运行的有效控。 无论新建或是将常规变电所改造成无人值班变电所，均具有显著的经济效益( 四j i 省电力t 业局，1 9 9 8 ) ： ( 1 ) 运行和管理费用低。由于采用新型高压设备及完全户外式设备布置，运行费用仅为 常规变电所的1 l o 。 ( 2 ) 供电可靠一l 生和自动化程度的提高。一方面，变电所设备可靠性和基础自动化的提高， 可极大地缩短事故停电时间和缩小事故停电范嗣，另一方面，遥控的实现使调度值 班员能直接对变电所各出线的负荷进行实时监测和控制，因而能进一步加强负荷管 理。 ( 3 ) 能在不新增投资的条件下多供电。新型无人值班变电所提高了负荷率( 一般都在1 0 以上) ，使电网在不增加新的投资条件下多供电。而且，自动化程度提高后，维 修停电和事故处理等时间大大缩短，因而也能多供电。 ( 4 ) 提高安全运行水平。由于变电所有较高的自动化水平，因而可减少人员误触电事故 和误操作事故。 ( 5 ) 供电质量得到进一步提高。由于有载调压的主变压器及无功补偿装置实现遥控，因 而母线电压能维持在较为理想的水平，电压合格率在常规变电所基础上至少提高5 。 可以预见农村无人值班变电所必将在全国蓬勃发展。 一，! 一一。一：些奎塑蛰些圣。一，。，一一：，： 1 2 国内外研究现状 据报道，在西欧、北美及日本等发达国家，绝大多数交电所( 包括5 0 0 、3 8 0 k v 及 以f 电压等级变电所) 都已是无人值班，且管理人员很少，管理水平、自动化程度及供 电可靠性很高。美国田纳西流域管理局( t a v ) 负责管理1 6 1 5 0 0 k v 电压等级的电网和部 分6 9 、4 6 k v 电网，供电区域面积为8 0 0 0 0 平方英里，电网最高负荷为2 6 0 0 0 m w ，最低 负荷为1 2 0 0 0 m w ，平均负荷在1 6 0 0 ( k - - 1 7 0 0 0 m w 之间，其变电系统自动化程度和供电 可靠性相当高。1 9 9 5 年t a v 用户的平均停屯时间仅为7 m i n ，供电可靠率达到9 99 9 9 ， 其变电系统全部实行“四遥”。 与我国相比，美国农村变电所有如卜- 主要特点： ( 1 ) 占地面积小。为节约占地，有的变电所采用立体多层设备布置 ( 2 ) 房屋建筑面积小。主控制室多采用组装式，不用实体砖砌围墙而多用铁丝网栅 ( 3 ) 一次设备质量好且检修周期长。 ( 4 ) 主接线简单，主变压器一般为双绕组，其高压侧多采用熔断器保护。 ( 5 ) 几乎全是无人值班，且远动终端设备体积小、性能优蘸可靠。 美国农业部农村电气化管理局编印的农村变电所设计导则( d e s i g ng u i d e f o rr u r a ls u b s t a t i o n s ) - - j 为向数量日益增加的变电所提供设计指导。下面摘引 其有关的要点。 ( 1 ) 大多数变电所设计成连续运行而无需值班员。为使系统和系统的各部分都由 个中心枢纽控制，需要提供远距离指示、控制、测量和通信手段。 ( 2 ) 近年来，系统电压趋向丁- 上升。取消中间传输变电所而将输送电压直接降至 次配电电压水平的做法越来越普遍。 ( 3 ) 一个配电变电所是开关、控制和降压设备的集合体。它将输送电压降低成一次 配电电压以向居民、农场、商业和工业负荷输送电能。许多农树变电所对电能容量的要 求是从l 台1 5 m v a 到3 台5 m v a 变压器范围变化并以辐射方式供电。 ( 4 ) 图1 1 是一个基本配电变电所单线条示意图。主变压器高压侧保护装置有跃开 式熔断器、断路器等可供选择。主变压器容量小于1 2 m v a 和高压低于1 3 8 k v 时，高压 侧的保护采用熔断器是经济合理的。 图1 1基本配电变电所示意图 f i g1 1f i g u r eo f d i s t r i b u t i n gt r a n s f o r m e rs u b s t m i o n 一2 - ( 5 ) 为保持电压在一个规范的水平，农村变电所需装设电压调整设备。母线电压的 控制可用带有载调压的主变压器来实现，或在配电网中加装调压器或开关电容器组。 无人值班变电所是指无i 刮定值班人员在当地进行日常监视与操作的变电所。对变电 所的操作和监视是由远方调度( 控制) 中心来完成。在无人值班的情况r 必须提高变电所 的基础自动化水平。变电所自动化系统是无人值班变电所可靠的技术支撑和物质基础。 无人值班变电所相对有人值班变电所而言其自动化系统有它自身的特点和要求，而且， 自动化系统可以通过多种不同的模式来构成。不同模式实现的无人值班变电所在设计方 法、硬件配置、变电所保护、控制测量以及远动等方面的协调配合都存在较大差异( b u r g e r j ，1 9 9 4 石树平，2 0 0 2 ) 。目前，我国无人值班变电所自动化系统，从整体上划分有以下 三种模式： 1 集控台模式 集控台是在我国农网变电所小型化模式方案试点_ l 程中应运而生并发展起来的。集 控台大多具有“四合一”功能，即集控制、信号、测量、保护于一体。它采用弱电选线 技术实现对强电的控制。集控台经历了由低级向高级逐步发展的历程。形成了目前多 型式、多档次产品并存的局面。 ( 1 ) 电磁型或晶体管型集控台。这种产品自动化程度很低，属过渡型产品，它的存在 仅依赖于电磁式继电保护技术的普及和传统观念的影响。 f 2 ) 一位微机与c m o s 集成电路结合方式。由于推广较早，运行经验较多以及价格 便宜等原因，这种产品在一些自动化程度要求不高的变电所仍有市场。 f 3 ) j r 位微机与c m o s 集成电路结合方式。这种产品设计比较成熟，运行可靠性较 好，同时也具备较高的技术先进性，为目前国内采用集控台的1 1 0 k v 变电所及3 5 k v 变 电所二次设备的主导产品。 ( 4 ) 十六位微机方式。它采用十六位工控机完成单元回路的控制、保护和测量功能， 4 8 6 系统机完成全站管理和远程通信，在速度、精度、功能等方面部以较高的冗余设计 而满足运行要求同时采取了一系列抗干扰措施，但还有待于获得更多的运行经验。 集控台的主要特点是体积小、功耗低，具有独立性和初步自动化功能，是变屯所自 动化的过渡模式。 2 r t u 模式 r t u ( r e m o t et e r m m a lu n i t ) e l i 远方终端装置，它是以微机为核心的智能化远动装置。 随着微机技术的b 速发展，r t u 功能越来越完善，采用r t u 模式来实现变电所自动化 的性能价格比也越来越高。除了基本的四遥功能( 即遥测、遥信、遥控和遥调) 之外， 新产品r t u 还具备较完善的当地功能( 屏幕显示、打印制表等) 及转发信息功能、装置 内部功能、内存数据功能和事故顺序记录功能等。 因为r t u 从一开始就是调度自动化的组成部分，因而r t u 是变电所自动化的主流 模式。该模式具有可靠、方便、实用、经济、见效快等突出特点。从国内外有关无人值 班变电所资料的统计表明，无人值班变电所自动化系统大多数都采用远动r t u 模式，这 在欧、美、日等也非常普遍。由于机电一体化高压设备不断涌现，它们不需另加保护装 置，而且，从职责分工和维护管理的方便性方面考虑，保护与远动分开更好：微机技术 ，。，一。，。! 一至! ! 查些i 塞薹三堡些圭耋耋耋鎏! ! ，一，。，一： 比弱电选线技术可靠性更高，因而采用r t u 模式实现变电所自动化比集控台模式更合 适。 3 分层分布式微机网络模式 该模式的主要特征是把分层管理( 般分为变电所层和间隔层) 的分布式微机采用 先进的计算机网络技术联系起来成为一个所内通信网，共同完成对变电所所有设备的保 护、监控、信息处理和智能化管理。围这种模式涉及到变电所的控制、保护、测量、信 号的综合管理，因而也叫变电所综合自动化。这种模式起步较晚、功能完善、技术先进、 规模容量大。目前，该模式以开始引入农网变电所。 1 3 课题来源与实现方法 哈尔滨市市郊农村电气化局成立于1 9 7 7 年，担负着哈市郊区及呼兰、剐城、烈城、 肇东、宾县5 个邻县部分地区的供用电服务任务。近年来，随着全社会环保意识的不断 增强，许多【“业企业逐渐由市区向郊区迁移，这给哈市市郊农电局创造了全新的发展空 间。近年来，哈尔滨更以其神奇的冰雪艺术吸引了无数中外游客。目前，哈市市郊农电 局针对太阳岛地区改造工程，为提高太阳岛及其周围冰雪大世界、江北开发区、市政府 等地区的供电能力，计划在松北镇新建一座6 6 k v 无人值班变电所，要高质量、高标准 地建设好该变电所，设计工作尤显重要。笔者作为该变电所的主要设计人，以其设计为 实例，综合国内外同类变电所的现状和国情，就该新型无人值班变电所的设计进行了研 究。 无人值班变电所设计研究的指导思想为：以小型化模式为基础，简化主接线，采用 检修周艄民、可靠性更高的新型一次设备：装设以微机为核心的继电保护装置、智能化 远动装置r t u 和其他自动化设备，实现变电所综合自动化；大胆采用新技术、新设备、 新工艺，使变电所工程具有一定的先进性；同时，也本着实事求是、积极慎重的态度， 不片面追求高指标、高档次，而是从安全经济运行和检修的实际要求出发，合理制订布 置方案和选用设备，使设计做到运行可靠、维护方便、技术先进和经济合理。 一4 2 变电所电气部分设计 2 1 主变压器容量和台数的确定 当变电所的所址及容量确定之后，需考虑主变压器的容量与台数。一般而言，农村 变电所可装设一台或两台主变压器，这是因为变压器台数过多，将使主接线复杂化，既 增加土建和设备投资，又不会给经济可靠运行带来多大好处，而且，变压器的效率随其 容量的增大而提高，故一般都希望增大容量而减少台数( 王建兴，2 0 0 1 ) 。 变电所的主变压器的容量应根据5 1 0 a 的发展规划确定，并报据当前3 5a 的负 荷发展来确定近期单台变压器容量。若按负荷变化性质来确定变压器容量，以农业用电 为主时，变电站可配置不同容量的变压器各一台。如果采用并联运行，容量比不宜超过3 ： l 。以t 业用电为主的变电站应用采相同的容量( 何嘉健，2 0 0 1 ) 。 上坞变电所位于哈尔滨市松花江北岸松北新区斗沟子屯。电源由江北一次变配山 6 6 k v 北前甲乙线供电，八条1 0 k v 出线，预留八条。承担市政府、电视台、江北开发区 一类负荷的供电任务，其主要负荷统计如下： 表1 负荷统计表 t 曲1s t a t i s t i c so fl o a d 用户的计算负荷采用需用系数法进行计算，第一期考虑5 年的负荷增氏率5 情况 变电所最大计算负荷为： 三 = kr s p ( 1 + x ) i = 1 其中：丘同时系数，一般取o 8 5 0 9 。 x 线损率，高低压网络的综合线损率在8 - 1 2 。 氐。第i 条线路的计算负荷。 通过计算，本期主变安装容量为2 + 2 0 m v a 。考虑l o 年的负荷增长率5 的情况 预留了更换2 3 1 5 m v a 安装条件。主变压器采用有载调压、低损耗三相电力变乐器 并能自动手动调压，也可实现远方或就地调压。 2 2 电气主接线设计 电气主接线是变电所由高压电气设备通过连线组成的接收和分配电能的电路。电气 主接线根据变电所在电力系统中的地位、回路数，设备特点及负荷性质等条件确定，并 应满足运行可靠、简单灵活、操作方便、易于维护检修、利于远方监控和：符约投资等要 求。 在电气主接线设计时，综合考虑以f 方面： ( j ) 保证必要的供宅可靠性和电能质量 安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本的要 求。在设计时，除对主接线的接线形式予以定性评价外，对于比较重要的变电所需进行 定量分析和计算。我们讨论的虽属农村电网变电所，但由于担负许多郊区1 ：厂企业、风 景名胜、及农业抗早排涝等供电任务，因而必须满足必要的供电可靠性。 农网规模容量的不断发展，自动化装置和先进技术的使用，都有利于提高主接线的 可靠性，但不等于设备和元件用得越多、越新、接线越复杂就越可靠。相反，不必要的 多朋设备，使接线复杂，运行不便，将会导致可靠性降低。 ( 2 ) 具有一定的灵活性和方便性，并能适应远方监控的要求 主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行方式的转换。不仅正常运行时能安 全可靠地供电，而且无论在系统正常运行还是故障或设备检修时都能适应远方监控的要 求，并能灵活、简单、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。显然， 复杂的接线不会保证操作方便，反而使误操作机率增加。但是过于简单的接线，则不一 定能满足运行方式的要求，给运行造成不便甚至增加不必要的停电次数和停电时间。 ( 3 ) 具有经济性 在主接线设计时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。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，尽量使设备投资费用和运行费用为最少。 ( 4 ) 具有发展和扩建的可能性 随着经济建设的高速发展，己投产的变电所往往需要扩建，从主变压器的容拦、数 量到馈电线路数均有扩建的可能，有的甚至需要升压，所以在设计主接线时应留有发展 余地，不仅耍考虑最终接线的实现，同时还耍兼顾到分期过渡接线的可能和施t 的方便。 由于该变电所担负许多工厂企业、政府机关等一类负荷的供电任务，因而必须满足 必要的供屯可靠性。同时为运行灵活方便，主接线在满足功能要求的条件下简化设计， 如图2 1 所示。 6 6 k v 由2 回输电线的分支线接入变电所，采用双t 接线，采用双线路双变压器组 接线方式，正常时双线，双变压器分列运行。同时，在双变6 6 k v 母线上设联络高压负 荷隔离开芙，一同线检修时可由另一回线带以变运行。变电所1 0k v 侧本期出线8 同， 预留8 同，全部为电缆出线。由丁馈电线路较多，负荷较为重要，因此采用单母线分段 - 6 带旁路接线方式。单母线分段带旁母接线的可靠性和灵活性高于单母线系列其他接线方 式t 检修出线断路器可不中断供电( 王世新，1 9 9 3 ) 。本设计中，若没有一类负荷，也可 采用单电源进线，高压侧单母线、低压侧单母线分段不带旁路的主接线方式。 图2 - 1 主接线示意图 f i g 2 1f i g u r eo f m a i nw i r ec o n n e c t i o n 2 3 高压电气设备的选择 变电所高压电气设备分为以f4 种： ( 1 ) 变换电能的设备，如主变压器、所用变压器、补偿电容器等。 ( 2 ) 接通或断开电路的开关设备，如断路器、白动重合器、隔离开关等。 ( 3 ) 艘制短路电流或过电压的设备，如电抗器、避雷器等 ( 4 ) 测量和监察设备，如电流互感器、电压互感器等。 2 3 1 电气设备的选择方法与校验 ( 1 ) 按正常丁作条件选择( 王世新，1 9 9 3 ) 1 ) 额定电压。所选电气设备的最高允许工作电压，不得低于装设同路的展高运行电 压。 7 2 ) 额定电流。所选电气设备的额定电流厶，不得小于装设回路的最大持续工作电流 厶。即满足厶厶。计算回路的最大持续工作电流厶。时，应考虑该同路在各种运行 方式f 的持续工作电流，选用其最大者。对于断路器、隔离开关、电抗器等，由于没有 连续过载能力，在它们各部分的最高允许发热温度不超过规定值的情况f ，当这些设备 使用在环境温度高于+ 4 0 。c ，低于+ 6 04 0 时，环境温度每增加1 ，额定电流减少1 8 。 当使用在环境温度低于+ 4 0 c 时，环境温度每降低l ，额定电流增加0 5 但其最大 负荷不得超过额定电流的1 2 0 。 ( 2 ) 按短路状态校验 1 ) 热稳定校验。当短路电流通过被选择的电气设备时，其热效应不应超过允许值， 即满足 g 幽，或g a 。r 式中g 一短路电流的热效应： q k 一屯气设备允许的热效应； 如一设备给定的t s 内允许的热稳定电流( 有效值) 。 短路电流持续时间f ，应为继电保护动作时间k 与断路器全分闸时间之平， 即 f = 钿+ f 。( 其中“为断路器固有分闸时间与灭弧时间之和) 。 校验电气设备热稳定时，其短路持续时间一般采用后备保护动作时间加断路器全分 闸时间。 2 ) 动稳定校验。被选择的电气设备通过可能产生的最大短路电流时，不应因短路电 流的电动力效应而造成变形或损坏，即应满足f 。或厶厶( 和厶分别为三相短 路冲击电流的幅值和有效值) 。 用熔断器保护的电气设备可不校验热稳定。 2 3 2 短路电流计算 校验电气设备的短路动稳定和热稳定时，所用的短路电流电源容量应按具体工程的 设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。计算短路电流时短路计算点的选 择，应使所选择的电气设备通过可能产生的最大短路电流。 本变电所与上级变电所电气连接图如图2 - 2 所示， 等值网络的计算过程如f ： 选取s b = i o o m v av b = v 。计算各元件参数的标么值 系统： 上级变压器j = 0 0 4 5 上级线路x m = 0 0 1 7 4 7 妪器= 等= 斋器一o ：s s ， 并列运行下：z = 2 , 2 8 5 7 2 = o 1 4 2 8 5 图2 - 2 系统接线示意图 f i g 2 - 1f i g u r eo f s y s t e mw i r ec o n n e c t i o n 进线路：x * = x l 西s = 0 4 x 2 0 x 。1 。0 ；0 = 。1 8 3 6 并列运行f ：# _ b = 0 1 8 3 6 2 = 0 0 9 1 8 z z2 x ，诱s j = 0 4 x5x 1 1 。0 5 0 ：2 l 8 1 4 出线路：h = x ，西s j j = 0 , 4 x 8 x 1 1 。0 5 0 。= 2 9 。2 r = 5 k m ) r = 8 k m ) z * = z ，诱s j = 0 4 x l o x l 。1 0 5 0 ：2 36 2 8 ( l = l 。删) 本研究中系统的等值阻抗图如图2 - 3 ，线路及变压器标么阻抗如图中所示。 对于无限容量系统，三相短n n n # n 的计算过程如下： x 正 ，z2 ，_ z ，5 k 】点短路f ，双线分列运行的合成阻抗为： z = 0 0 1 7 4 7 + 00 4 5 + o 18 3 6 = 0 2 4 6 9 图2 3 等值阻抗图 f i g 2 - 3f i g u r eo f e q u i v a l e n ti m p e d a n c e 短路电流的有效值为： ，：旦坐：3 , 7 2 。0 2 4 6 取线并列运行的合成阻抗为： y x = o 0 1 7 4 7 + o0 4 5 + o0 9 1 8 = 015 4 短路电流的有效值为： ，：旦些：5 9 5 9 01 5 4 k 2 点短路下，双线分列运行的合成阻抗为： y x 。= o 0 1 7 4 7 + o 0 4 5 + 0 18 3 6 + o 2 8 5 7 = o5 3 2 短路电流的有效值为 ，：皇旦：1 0 4 0 5 3 2 双线并列运行的合成阻抗为： z 。= 0 0 1 7 4 7 + 00 4 5 + 0 0 9 1 8 + 0 1 4 2 8 5 = 0 2 9 7 1 1 0 短路电流的有效值为： i z2 0 5 2 9 5 0 7 1 51 8 5 1 k 3 点短路下，双线分列运行的台成阻抗为 x ，= 0 5 3 2 + 1 8 1 4 = 2 3 4 6 短路电流的有效值为： ，：三旦：23 4 4 23 4 6 取线并列运行的合成阻抗为： x 。= o2 9 7 + 18 1 4 = 21 1 l 短路电流的有效值为： ，：竺：26 0 5 一般系统冲击电流的瞬时值如= 2 5 5 i z 计算结果如表2 - 2 表2 - 2 计算结果 t a b2 - 2r e s u l to f c a l c u l a t i o n 靳方式合成阻抗“群h ：嚣 k 1 点 6 6 k v 母线 k 2 点 1 0 k v 母线 k 3 ( k 5 、k 7 ) 点 5 k m 线路末端 k 4 ( k 6 、k 8 、k 1 0 ) 点8 k m 线路末端 k 9 点 l o k m 线路末端 双线分列 双线并列 主变分列 主变并列 主变分列 主变并列 主变分列 主变并列 主变分列 主变并列 0 2 4 6 0 ，l5 4 0 5 3 2 0 2 9 7 23 4 6 2 1 1 l 3 4 3 4 3 1 9 9 4 1 6 0 39 2 5 3 7 2 5 ，9 5 1 04 0 1 8 5 1 2 3 4 4 2 6 0 5 1 6 0 2 1 7 1 9 1 3 2 2 1 4 0 1 94 8 1 5 】7 2 6 5 2 4 7 2 0 5 9 7 7 6 6 4 3 4 0 8 5 4 3 8 3 3 3 7 l 3 5 7 3 东北农业大学工程硕士学位论文 2 3 3 电气设备的选择 2 3 3 1 新型高压电器 高压电器传统的绝缘、灭弧介质是绝缘油。由于油具有好的绝缘和灭弧性能，来源 j “泛，价格便宜，易于处理，因此充油高压电器在电力系统长期占居主导地位。油的最 大弱点是可燃性。一旦发生绝缘损坏或开断容量过载，电弧不能熄灭时，即可造成喷油 爆炸事故。这样不但会造成停电而且危及人身和财产的安全。这种事故在国内夕 屡见 不鲜。因此，7 0 年代，发达国家开始提出高压电器的无油化问题。 目前，高压开关的主要特点是高可靠性、免维护、智能化、无油化等。高压开关中 的主要产品为断路器：封闭式组合电器( g i s ) ，因其体积小、占地少、不受环境影响、 少维护、可靠性高的特点，成为城市电网改造的热门产品，电压等级为1 2 6 k v 一5 5 0 k v ； s f 6 断路器，是替代油断路器的无油化产品，还具有维修周期长的优点，在1 l o k v 级以 上断路器中占有绝对优势；真空断路器是高压开关行业中量大面广的产品，也具有无油 化和维修周期长的特点，电压等级1 2 k v 和4 0 5 k v 。在1 2 k v 等级，真空断路器发展很 快。 在一般无人值守变电所的设计中，7 2 4 05 k v 电压等级多选用真空断路器，7 25 k v 及以上电压等级以s f 6 断路器为主，考虑选用s f 6 开关设备应配备必要的气体检测和处 理设备，而近年来，我国在中压等级的真空断路器设计及制造上的飞跃，因此在本次设 计中采用了国产7 2 5 k v 真空断路器。 2 3 3 2 断路器的选择 断路器、隔离开关的选择，应满足长期工作电压、最大长期工作电流和故障情况r 的动、热稳定要求。 6 6 k v 侧断路器的选择如下： ( 1 ) 按正常工作条件选择： u 。26 6 k v ，。，。：1 0 5 s e 瓦( 1 - + 6 0 ) ；4 6 7 3 5 v j u 。 i 。“2 im = 1 b s l k a 选择z w ，7 2 5 型户外高压真空断路器，其参数如下 1 2 变电所电气部分设计 ( 2 ) 校验热稳定、动稳定 ，2 r = ( 3 1 5 ) 2 4 = 3 9 6 9 圮0 ：= ( 1 8 5 1 ) 2 1 8 = 6 1 6 7 2 。，2 f er j 2 满足热稳定校验 ，= 8 0 k a i _ = 4 72 0 k a 满足动稳定校验 变压器1 0 k v 侧断路器的选择如f ： 1 正常i 作条件选择： u 。1 0k v ，。z ，。= ! 塑铲= 。爿 i 。w 2 i _ = 18 5 、k a 选择z w 2 8 1 2 型高压真空断路器，其参数如下 2 校验热稳定、动稳定 ，2 t = ( 3 1 5 ) 2 4 = 3 9 6 9 圪0 2 = ( 5 9 5 ) 2 1 8 = 6 3 7 2 。， 2 。满足热稳定校验 i ，= 8 0 k a i 女= 1 5 1 7 k a 满足动稳定校验 1 0 k v 侧分段断路器的选择与变压器低压侧断路器的选择方法相同，出线断路器以负 荷最大的一条支路进行选择，步骤同上。 变电所高、低压侧隔离开关的选择步骤与上面相同，这里不再赘述。 2 3 3 3 电压互感器的选择 电压互感器是二次回路中供测量和保护用的电压源，通过它能正确反映系统电压的 运行状况。其作用有二，一是将一次侧的高电压改变成二次侧的低电压，使测量仪表和 保护装置标准化、小型化，井便于监视、安装和维护，二是使低压二次同路与高压一次 系统隔离，保证了j f ：作人员的安全。 电压互感器根据电气二次测量、计量、保护要求及准确级选择，其中计量选择0 2 级，测量及保护选择l 。3 级。按照满足二次设备消耗的功率选择伏安数。电压互感器不 需要校验动、热稳定。 本设计中作为电力部门收费的依据，在每台主变压器的高压侧及每条1 0 k v 山线均 装设了双向多功能电度表，可同时计量正、反向有功电度，正、反向无功电度。根据计 量需要，高低压侧均选择准确度等级为o 2 级的电压互感器。 ( 1 ) 6 6 k v 侧电压互感器的选择： 1 ) 按额定电压选择 u 。6 6 k v 选择j d c f 一6 3 w 型电压互感器，其参数如下 2 ) 二次设备消耗校验电压互感器 变电所二次测量采用r c s 9 6 0 1 测控装置，采用三表法测量，可获得频率；有功功 率：无功功率：功率因素；电压；电流；有功电度值：无功电度等值。电压功耗 o 5 v a 相。保护采用r c s 一9 0 0 0 系列保护装置，其电压功耗同样满足 o 5 v a 相。因此所选电压 互感器完全满足要求。 ( 2 ) 1 0 k v 侧电压互感器的选择如下 1 ) 按额定电压选择 u 。1 0k v 选抒j d z j 1 0 型电压互感器，其参数如f 1 4 - 2 ) 按二次设备消耗校验电压互感器 变电所二次测量采用r c s 。9 6 0 1 测控装置，采用两表法测量，可获得频率；有功功 率；无功功率：功率因素；电压：电流；有功电度值；无功电度等值。电压功耗 i “= 1 51 7 k a 满足动稳定校验 ( 2 ) 低压侧电流互感器的选择： 1 按正常工作条件选择： ，一。一! 。一。：。垒型堕耋三堑鎏些堡篁耋，。! 一 一。一一： u 。1 0k v ，。，。= 1 9 4 0 a 选择l z z b j 9 】0 型电流互感器，二次侧2 个线圈，其中保护线圈准确级为1 0 p ，测 量线圈准确级为0 2 ，其参数如下其参数如f ： 2 校验热稳定、动稳定 i r z t ；( 3 1 5 ) 。4 = 3 9 6 9 圮f d 2 = ( 59 5 ) l 8 = 6 37 2 i rz t ，三屯2 满足热稳定校验 i ? = 8 0 k a t 。h = 1 5 1 7 k a 满足动稳定校验 分段母线处电流互感器的选择同低压侧电流互感器，出线路电流互感器的选择按最 大负荷线路进行，步骤同上。 2 33 5 母线的选择 高压侧母线的选择与校验如f ： 1 按经济电流密度选则： 由于最大利用负荷小时数大于5 0 0 0 经济电流密度j = l ，0 a r a m 2 ，母线最大长期 i ：作电流为，= 4 6 73 5 a ，则经济截面积为： ， s = 二l = 4 6 73 5 r a m 2 。 j 所以选择母线截面积为s = 1 5 0 m m 2 的钢芯铝绞线，最大允许持续电流为5 1 5 a ( 2 5 ) 。哈尔滨地区年最热月平均最高气温为3 0 ( 2 ，母线长期允许电流为 = s 陬v 互7 0 - 至2 5 堋s s 。一 2 校验母线热稳定： 按上述条件选择的母线截面s ，还必须按短路条件校验其热稳定，其方法通常采朋 最小截面法，即 s 2s 。= 鼍面 一1 6 - 其中s 选择的母线截面， s 二最小允许截面， 一 c 母线材料的热稳定系数 短路发热的等值时间 墨集肤效应系数 母线正常运行时的最高温升为： 巩= q 卅( 等 硼+ ( 7 0 - 3 0 ) l 面4 6 7 3 5 j 、2 瑚 查表得c = 9 1 x 1 0 6( 取6 0 。c ) 短路时间t = t b + t t - = 0 1 + o 0 9 = 0 1 9s 由于t = 01 9 1 因此铲o 0 5 p ”= 0 0 5s 查表的= 0 2s 所以f 女= 如+ t z _ 0 2 5 s - _ s ：15 0 s ，些瓜丽：3 2 6 9 m m 2 。 9 l 1 0 。 校验热稳定满足要求。 低压侧下作母线同样采用经济电流密度方法进行选择，一般工程中，旁母与1 + 作母 线选择相同的方案，这样做方便施工，但提高了工程成本。本设计中，根据旁母的工作 特点，采用最大发热条件选择，与经济电流密度法比较面积偏小，满足可靠性的同时节 省成本，步骤与上面相同，这里不再赘述。 根据计算结果，低压侧采t j 的成套开关设备选择哈尔滨市振华电器制造公司生产的 铠装手车式x g n 2 系列高压开关柜，其