变电所电气主接线设计

摘要

本设计的主要内容包括：10/0.4kV变电所主变压器选择；变电所电气主接线

设计；短路电流计算；负荷计算；无功功率补偿；电气设备选择（母线、高压断

路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置

设计；继电保护规划设计；防雷保护设计等。

根据电气主线设计应满足可靠性、灵活性、经济性的要求，本变电所电气主

接线的高压侧采用单母线接线，低压侧采用单母线分段的电气主接线形式；对低

压侧负荷的统计计算采用需要系数法；为减少无功损耗，提高电能的利用率，本

设计进行了无功功率补偿设计，使功率因数从0.69提高到0.9：短路电流的计算

包括短路点的选择及其具体数值计算；而电气设备选择采用了按额定电流选择,

按短路电流计算的结果进行校验的方法；继电保护设计主要是对变压器进行电流

速断保护和过电流保护的设计计算；配电装置采用成套配电装置；本变电所采用

避雷针防雷击。

本设计十分注重运用我国电气设计的新技术和新的设备，实用性及强，考虑

到是实际工程的应用，便以通俗易懂的语言进行阐述。

关键词：变电所设计；电气主接线；继电保护

目录

第一章绪论..........................................................1

1.1毕业设计目的..................................................1

1.2毕业设计内容..................................................1

第二章主变压器选择...................................................2

2.1变电所变压器容量、台数、型号选择.............................2

2.1.1容量....................................................2

2.1.2台数....................................................2

2.1.3型号....................................................3

2.2干式变压器的结构..............................................3

2.3干式变压器的特点.............................................4

2.4干式变压器的使用注意事项....................................5

第三章变电所电气主接线...............................................6

3.1对电气主接线的基本要求和原则................................6

3.1.1接线的基本要求..........................................6

3.2电气主接线设计程序...........................................7

3.2.1电气主接线的设计程序....................................7

3.3主接线设计...................................................9

3.3.1单母线接线...............................................9

3.3.2单母线分段接线.........................................10

第四章短路计算......................................................12

4.1短路概述.....................................................12

4.2造成短路原因.................................................12

4.3短路危害.....................................................13

4.4短路计算.....................................................13

第五章结论..........................................................15

参考文献.............................................................16

II

第一章绪论

1.1毕业设计目的

本设计是针对变电所进行的扩大初步设计，设计中涉及“发电厂电气部分”、

“电力系统分析”、“电力系统继电保护”等课程有关内容，通过设计培养学生综

合运用所学知识分析、解决本专业领域工程技术问题的能力；培养学生独立自学

能力；使学生受到工程师的基本训练，即工程设计和科学研究的初步能力；包括：

调查研究、搜集资料（含文献检索）；方案论证、技术方案的计划与实施；理论

分析、设计和计算；撰写学术论文或设计说明书等的能力。

1.2毕业设计内容

主变压器选择；变电所电气主接线设计；短路电流计算；电气设备选择（母

线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；

配电装置设计；继电保护设计；防雷保护设计；绘制电气主接线图，绘制配电装

置平面图及直击雷保护范围图。

（1）进行10kV变电所扩大初步设计；

（2）完成任务书中的全部内容；

（3）绘制变电所电气主接线图；

（4）绘制配电装置平面图及直击雷保护范围图；

（5）毕业设计说明书按统一格式打印装订成册；

（6）说明书文字在1.5万字以上，语言通顺简练，图表画法符合国家标准；

（7）完成与设计有关的英文资料翻译；

1

第二章主变压器选择

在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变

压器。在输配电系统中，变压器起到桥梁作用，变压器是借助电磁感应原理，以

相同的频率，交换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。

2.1变电所变压器容量、台数、型号选择

2.1.1容量

变压器空载运行时需用较大的无功功率，这些无功功率需由供电系统供给,

变压器容量如选的过大，不但增加投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现

“大马拉小车”现象，使空载的损耗增加，功率因数降低，网络损耗增加。若容

量选的小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。

变压器的最佳负载率在40%-70%之间，负载过高，损耗明显增加，另一方

面，由于变压器容量裕度小，负载稍有增长，便需要增容，更换大容量的变压器，

势必增加投资，且影响供电。总之选择变压器的容量，要以现有的负荷为依据，

按照5-1()年的发展计划来确定，按照辽宁工学院综合楼变电所的设计选用的变

压器容量为lOOOkVA。

2.1.2台数

变压器的台数应根据负荷的特点和经济运行进行选择，要由负荷大小，对供

电的可靠性和电能质量的要求来决定，并兼顾节约电能、降低运行造价、维护设

备等因素，确定变压器台数应综合考虑，进行认真的技术经济比较。

按负荷的等级和大小来说，对于带一、二级负荷的变电所，当一、二级负荷

较多时，应选两台或两台以上变压器，如只有少量的一、二级负荷并能从相邻的

2

变电所取得低压备用电源，可以只采用一台变压器。

对于像辽宁工学院综合楼来说主要负荷是二、三类负荷，二级负荷主要是

消防电梯、应急照明等负荷；而三级负荷主要是电力设备和普通照明，根据需要

拟装设两台变压器。

2.1.3型号

主变压器的型号选择主要考虑以下因素：1)变电所的所址选择；2)建筑物

的防火等级；3)建筑物的使用功能；4)主要用电设备对供电的要求：5)当地

供电部门对变电所的管理体制等。

设置在一类高、低压主体建筑中的变压器，应选择干式、气体绝缘或非可燃

性液体绝缘的变压器；二类高、低压主体建筑也宜如此，否则应采取相应的防火

措施。

主变压器安装在地下时，根据消防要求，不得选用可燃性油变压器，地下层

一般比较潮湿，通风条件不好，也不宜选用空气绝缘的干式变压器，而宜采用环

氧树脂浇注型或者六氟化硫型变压器，综合所述结合校的具体情况选型为

SCB9-1000/10KV变压器。

位于辽宁工学院综合楼地下变电所的主变压器型号为环氧树脂浇注型，其技

术参数如表2-1所示。

表2-1SCB9-1000/10变压播技术参数

额定额定电压(kV)空载负载短路空载

型号容量高压低压损耗损耗阻抗电流变压器连接组

(KVA)(W)(W)(%)(%)

SCB9-1000/10100010.50.41660855061.0

2.2干式变压器的结构

为了确保供电安全，迫切需要即可深入负荷中心又无燃烧危险的变压器，而

当今，随着社会进步，干式变压器得到了广泛的应用，根据国家标准《干式变压

器》定义，所谓干式变压器，就是指铁心和绕组不浸入液体中的变压器。

干式变压器的结构与油浸式变压器的差别不大，采用晶粒取向电工钢片，腕

3

和柱采用全斜接缝，心柱用钢带或自干型绝缘粘带绑扎，也有用粘结剂将铁心胶

合，铁心为防止因凝结而引起锈蚀，在铁心表面涂有耐热的防锈覆盖漆或树脂,

容量较大时，铁芯中要有气道，气道尺寸为15-20mm,而干式变压器的绕组材

料是铜箔或铝箔，有时也采用铜线绕制，而低压线圈（1000V及以下），用铜箔

（或铝箔）与预浸环氧树脂的绝缘材料紧密绕制，采用缠绕玻璃纤维加强树脂包

封，经过工艺处理后，使高低压线圈各自成为一个坚固的整体，不但具有很强的

承受短路能力，而且经过冷热循环试验，证明了线圈具有耐潮、耐裂、阻燃和自

熄功能。

由于干式变压器的适用材料不同，其绝缘等级也不同，绝缘材料等级与绝缘

材料最高允许温度见表4-2。

表2-2绝缘等级与最高允许温度

绝缘等级YAEBFHC

绝缘材料最高允许温度（°C）95105120130155180220

2.3干式变压器的特点

（1）占地面积小，不必单独建设变压器空，它可以和10kV的高压柜，

380/220V的低压配电柜装在一个室内。

（2）运行、维修量小。

（3）有耐热、防尘、耐潮的特点，适合于安装负荷中心，对系统经济运行

节电起到了一定作用。

（4）损耗小、噪声小。

（5）绝缘性好，局部放电量小，耐雷电冲击力强。

（6）机械强度高,抗温度变化，抗短路能力强。

（7）价格昂贵。

（8）寿命期后，不易回收，污染环境。

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2.4干式变压器的使用注意事项

（1）干式变压器选择不同的外壳，是由所处的环境和防护要求而定。

（2）干式变压器绕组的绝缘，很大程度影响变压器的安全和使用寿命。

（3）自然空气冷却和强迫空气冷却。

（4）干式变压器的过载能力与环境温度、载前的负荷情况、变压器的绝缘

散热情况和发热时间常数有关。

5

第三章变电所电气主接线

电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的

电路，成为传输强电流、高电压的网络，故乂称为一次接线或电气主系统。用规

定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的

全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。电气主接线是变电

所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节。对电气主接线的基本要

求概括地说应包括电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性。

3.1对电气主接线的基本要求和原则

3.1.1接线的基本要求

（1）可靠性

所谓可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电。衡量可

靠性的客观标准是运行实践。经过长期运行实践的考验，对变电所采用的主接线

经过优选，现今采用主接线的类型并不多。主接线的可靠性不仅要考虑一次设备

对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。

同时，可靠性不是绝对的，而是相对的。一种主接线对某些变电所是可靠的，而

对另一些变电所可能是不可靠的。

（2）灵活性

主接线的灵活性有以下几方面要求；

1）调度要求。可以灵活的投入和切除变压器、线路、调配电源和负荷，能够

满足系统在事故运行方式下、检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。

2）检修要求。可以方便的停运断路隅、母线及其继电保护设备，进行安全检

修，且不致影响对用户的供电。

3）扩建要求。可以容易的从初期过渡到终期接线，使在扩建时，无论一次和

6

二次设备改建量最小。

（3）经济性

经济性主要是投资省、占地面积小、能量损失小。

1）考虑变电所在电力系统中的地位和作用

变电所在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素。变电所不管是

枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于它们

在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也

不同。

2）考虑近期和远期的发展规模

变电所主接线设计应根据5-10年电力系统发展规划进行。应根据负荷的大

小和分布、负荷增长速度以及地区网络情况和潮流分布，并分析各种可能的运行

方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线网数c

3）考虑负荷的重要性分级和出线回数多少店主接线的影响

对一级负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部

一级负荷不间断供电；对二级负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去

后，能保证大部分二级负荷供电。三级负荷一般只需一个电源供电。

4）考虑主变台数对主接线的影响

变电所生变的容量和台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。通常

对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的

可靠性、灵活性的要求也高。而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可

靠性、灵活性要求低。

3.2电气主接线设计程序

3.2.1电气主接线的设计程序

电气主接线的设计伴随着变电所的整体设计，即按照工程基本建设程序，历

经可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段等四个阶段。

在各阶段中随要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计思路、

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方法和步骤相同。

(1)对原始资料进行分析，具体内容如下：

1)本工程情况。主要包括：变电所类型；设计规划容量；变压器容量及台数；

运行方式等。

2)电力系统情况。电力系统近期及远景发展规划(5—1()年)；变电所在电力

系统中的位置(地理位置和容量位置)和作用；本期工程和远景规划与电力系统连

接方式以及各级电压中性点接地方式等。

3)负荷情况。负荷的性质及地理位置、电压等级、出线回路数及输送容量等。

电力负荷在原始资料中虽已提供，但设计时应该认真地辩证地分析。因为负荷的

发展和增长速度受政治、经济、工业水平和自然条件等方面影响。如果设计时，

只依据负荷计划数字，而投产时实际负荷小了，就等于积压资金，否则电量供应

不足，就会影响其他「业的发展.

4)环境条件。当地的气温、湿度、覆冰、污啰、风向、水文、地质、海拔、

地震等因素对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。特别是我国土地

辽阔，各地气象、地理条件相差甚大，应子以重视。对重型设备的运输条件也应

充分考虑。

5)设备制造情况。为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器狗性

能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经

济性和可行性。

(2)拟定主接线方案。根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，

可拟定若干个主接线方案。因为对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、

容量以及母线结构等考虑的不同，会出现多种接线方案(近期和远期)。应依据对

主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰一些明显不合理的方案,

最终保留2—3个技术上相当，又都能满足任务书耍求的方案，再进行可靠性定

量分析计算比较，最后获得技术合理、经济可行的主接线方案。

(3)主接线经济比较。

(4)短路电流计算。对拟定的电气主接线，为了选择合理的电器，需进行

短路电流计算。

(5)电器设备的选择。

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（6）绘制电气主接线图及其他必要的图纸。

（7）工程概算。包括：主要设备器材费；安装工程费；其他费用。

3.3主接线设计

主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种形式，分为两大类：有汇

流母线的接线形式、无汇流母线的接线形式。

变电所电气主接线的基本环节是电源（变压器）、母线和出线（馈线）。各个变

电所的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输的功率也不一样。在进出线

数较多时（一般超过4回），为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间办节,

可使接线简单清晰，运行方便有利于安装和扩建。但有母线后，配电装置占地面

积较大，使用断路器等设备增多。无汇流母线的接线使用开关电器较少，占地面

积小，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的变电所。有汇流母线的接线

形式主要有：单母线接线和双母线接线。设计中仅以单母线接线为例。

3.3.1单母线接线

单母线接线的特点是整个配电装置只有一组母线，每个电源线和引出线都经

过开关电器接到同一组母线上。供电电源是变压器或高压进线回路。母线既可以

保证电源并列工作，又能使任一条出线回路都可以从电源1或2获得电能。每条

引出线回路中部装有断路器和隔离开关，靠近母线侧的隔离开关QS2称作母线

隔离开关，靠近线路侧的QS3称为线路隔离开关（在实际变电所中，通常把靠近

电源侧的隔离开关称为甲刀闸，把靠近负荷侧的隔离开关称为乙刀闸）。由于断

路器具有开合电路的专用灭弧装置，可以开断或闭合负荷电流和开断短路电流，

故用来作为接通或切断电路的控制电潜。隔离开关没有灭弧装置.其开合电流能

力极低，只能于设备停运后退出工作时断开电路，保证与带电部分隔离，起着隔

离电压的作用。所以，同一回路中在断路器可能出现电源的一侧或两侧均应配置

隔离开关，以便检修断路器时隔离电源。若馈线的用户侧没有电源时，断路器通

往用户则可以不装设线路隔离开关。但如果费用不大，为了防止过电压的侵入。

9

也可以装设。同一回路中串接的隔离开关和断路器，在运行操作时，必须严格遵

守下列操作顺序：

如对馈线送电时，须先合上隔离开关QS2和QS3,再投入断路器QF2；如

欲停止对其供电，须先断开QF2,然后再断开QS3和QS2。为了防止误操作，

除严格按照操作规程实行操作票制度外。还应在隔离开关和相应的断路港之间，

加装电磁闭锁、机械闭锁。接地开关(乂称接地刀间)QS4是在检修电路和设备时

合上，取代安全接地线的作用。当电压在UOkV及以上时，断路器两侧的隔离

开关扣线路隔离开关的线路侧均应配置接地开关。对35kV及以上的母线，在每

段母线上亦应设置1—2组接地开关或接地器，以保证电器和母线检修时的安全。

(1)单母线接线的优缺点

优点：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：灵活性和可靠性差，当母线或母线隔离开关故障或检修时，必须析开

它所连接的电源，与之相连的所有电力装置在整个检修期间均而停止工作。此外,

在出线断路器检修期间，必须停止该回路的供电。

(2)单母线接线的适用范围

一般适用于一台主变压器的以下两种情况：

1)6-10kV配电装置的出线回路数不超过5回。

2)3566kV配电装置的出线回路数不超过3回。

3.3.2单母线分段接线

为了克服•般单母线接线存在的缺点，提高它的供电可靠性和灵活性，可以

把单母线分成儿段，在每段母线之间装设一个分段断路器和两个隔离开关。每段

母线上均接有电源和出线回路，便成为单母线分段接线，如图5-2所示。

(1)单母线分段接线的优缺点

优点：①用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路,

有两个电源供电；②当一证正常段母线不间断供电和不致使大面积停电。

缺点：①当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在

检修期间内停电；②当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；③扩建时

需向两个方向均衡扩建O

10

(2)适用范围

1)6-10kV配电装置出线回路数为6回及以上时。

2)35-66kV配电装置出线回路数为4—8回时。

现阶段最常用的接线形式有两种：单母线接线和单母线分段接线，依据辽宁

工学院变电所中实际情况的了解，以及对单母线接线和单母线分段的比较，并且

从经济性、可靠性、灵活性三个方面的对比，选择单母线接线方式。

辽宁工学院变电所为终端变电所高压为10kV低压为0.4kV。这在主接线的

选择上确定了范围，根据5/0年的发展计划设计，并依据辽宁工学院的供电情

况，拟装设两台主变压器。

I)10kV主接线

根据设计要求及综合考虑，10kV侧两条铜电缆，一条运行，一条备用两条

电缆的各种参数均相同，来自供电中心的高压电经隔离开关、调相机、电流互感

器接到母线上，而后经隔离开关、计量柜进入母线接到两台变压器上，其间由隔

离开关和断路器分离。如附录II。

2)0.4kV主接线

所谓0.4kV是一种电压等级，按正常工作需用380kV,10kV高压经过变压器

降压后为().4kV等级，低压经过隔离开关、电流互感器、高压断路器接到母线上，

而后经过隔离开关、仪表通过低压母线接到降压变压器母线上，两台变压器低压

分别带有不同的负荷这是0.4kVo如附录H所示。

11

第四章短路计算

选择电气设备、整定继电保护、确定电气主接线方案、考虑限制短路电流的

措施及分析电力系统是短路计算的最终目的。所谓短路是指不同电位导电部分之

间的不正常短接，既有相与相之间导体的金属性短接或者经小阻抗的短接，也有

中性点直接接地系统或三相四线制系统中单相或多相接地（或接中性线）。

4.1短路概述

电力系统的状态有二种：正常运行状态、不正常运行状态、短路故障。在电

气设计和运行中，不仅要考虑系统正常运行状态，而且要考虑它发生故障时的情

况，最严重的故障是电路乃至系统发生短路。电力系统正常运行时，其相与相之

间，中性点接地系统的中性线与相线之间，都是通过负荷或阻抗连接的。

4.2造成短路原因

电力系统发生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘被损坏。绝缘损坏

大多是由于未及时发现和消除设备的缺陷，以及设计、制造、安装和运行不当所

致，如由于设备长期运行，绝缘自然老化或由于设备本身绝缘强度不够而被正常

电压击穿；设备绝缘正常而被内部人员违反操作规程和安全规程，造成误操作而

引发短路。电力系统的其他某些故障也可能导致短路，如输电线路断线和倒杆事

故等。此外，飞禽及小动物跨接裸导体，老鼠咬坏设备、导线的绝缘，都可能造

成短路。

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4.3短路危害

（1）电力系统发生短路时，网络总阻抗减小很多，短路回路中的短路电流

可能超过该回路的正常工作电流十几倍甚至几十倍，如6-10kV的大容量装置,

短路电流可达到几万甚至几十万安。

（2）选的各种电气设备应有足够的热稳定度。

（3）短路电流通寸导体时，同时也使导体受到很大的电动力作用、使导体

发生变形，甚至损坏。因此，电气装置中所选的各种电气设备还应有足够的电动

（机械）稳定度。

（4）短路必将造成局部停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大、给

国民经济造成的损失也越大。

由此可见。短路的后果是十分严重的，且短路所引起的危害程度，与短珞故

障的地点、类型及持续时间等因素有关。为了保证电气设备安全可靠运行，减轻

短路的影响，除应努力设法消除可能引起短路的一切因素外，一旦发生短路，应

尽快切除故障部分，使系统的电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，需要进

行短路电流计算，以便正确地选择具有足够的动稳定性和热稳定性的电气设备,

以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。

4.4短路计算

根据实际情况及图纸的要求分析辽宁工学院综合楼变电所的设计，短路计算

要恰到好处，确定短路点位高低压侧各一个，互相分析计算。

计算短路前给定电力系统馈线出口短路器2QF为2N12-10I型。计算方法采

用比较简洁常用的标幺值计算。

确定基准值

取S』二100ME4,Udl=UNav]=\0.5KVfUd2=UNav2=OAKV,而

计算短路Fl路中主要元件的电抗标幺值

电力系统

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根据有关资料，/〃.=31.5X4,则

架空线路

由资料可知:Xo=0.4C/KM,则

电力变压器

有资料得：。印％=5,则

做出等值电路图并化简电路，求出3点及其加点短路回路阻抗标幺值，根

据计算电路图及其回路中个主要元件的电抗标幺值做出等值电路图。

求出的点三相短路电流和短路容量

求出k4点三相短路电流和短路容量

在T程设计中，往往还要列短路计算表，如下表所示.

表4-1短路计算表

三相短路

三相短路电流(KV)

短路计算点