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东北电力大学级电气工程及自动化毕业论文

东北电力大学

成人高等教育

毕业设计

题目：

35kV箱式变电站设计

********

专业：

电气工程及其自动化

完成时间：

2012年4月20日

摘要

箱式变电站又称户外成套变电站，即将高压受电、变压器降压、低压配电等功能有机地组合在一起，安装在一个防潮、防锈、防尘、防鼠、防火、防盗、隔热、全封闭、可移动的钢结构箱体内，机电一体化，全封闭运行，特别适用于矿山、住宅小区等城市公用设施，用户可根据不同的使用条件、负荷等级选择箱式变电站。

箱式变电站发展于20世纪60年代至70年代欧美等西方发达国家推出的一种户外成套变电所的新型变电设备，进入20世纪90年代中期，国内开始出现简易箱式变电站，并得到了迅速发展。

随着中国城市现代化建设的飞速发展，城市配电网的不断更新改造，必将得到广泛的应用。

本课题的主要内容包括箱式变电站的发展应用，箱式变电站的结构分类，以及箱式变电站一次系统设计极其设备选型以及二次系统设计。

35kV箱式变电站的设计高压侧额定电压为35kV，低压侧额定电压为10kV，主变压器容量为5000kVA。

主接线采用单母线分段接线。

关键词：

箱式变电站；结构，一次系统，二次系统

摘要Ⅰ

目录Ⅰ

第一章引言1

第二章箱式变电站的类型、结构与技术特点2

2.1箱式变电站的类型2

2.2箱式变电站的技术特点2

2.3箱式变电站的箱体要求3

第三章35kV箱式变电站的总体结构设计5

3.1箱式变电站对主接线的基本要求5

3.2主接线的选择5

3.3高压接线方式6

3.4箱式变电站箱体的确定6

3.5变压器的散热处理6

3.6箱式变电站总体布置7

第四章35KV箱式变电站一次系统设计与设备选型8

4.1一次系统设计8

4.2箱式变电站设备选型应注意的方面8

4.3设备选型的基本原理8

4.4高压一次设备的选型8

4.5低压一次设备选型9

4.6高压熔断器的选择13

4.7开关柜的选型13

第五章35kV箱式变电站二次系统设计13

5.1二次系统的定义及分类14

5.2电气测量仪表及测量回路14

5.3二次系统设计15

5.4断路器控制与信号回路15

5.5控制回路设计23

结论27

参考文献28

致谢29

第一章引言

随着矿山机电的发展，要求高压直接进入负荷中心，形成高压受电---变压器降压---低压配电的供电格局，所以供配电要向节地、节电、紧凑型、小型化的方向发展，箱式变电站（简称箱变）正是具有这些特点的最佳产品，因而在矿山电网中得到广泛应用。

箱式变电站外壳采用钢板或者合金板，配有双层顶盖，隔热性好。

外壳及骨架全部经过防腐处理，具有长期户外使有的条件。

外形及色彩可与环境相互协调一致。

安装方便。

箱变高压侧采用负荷开关加限流熔断器保护。

发生一相熔断器熔断时，用熔断器的撞针使负荷开关三相同时分闸，避免缺相运行。

低压侧采用负荷开关加限流熔断器保护，自动空气开关欠电压保护或过电流保护就会动作，低压运行不会发生。

第二章箱式变电站的类型、结构与技术特点

2.1箱式变电站的类型

箱式变电站有美式箱式变电站和欧式箱式变电站。

美式预装式变电站在我国叫做“预装式变电站”或“美式箱变”，它将变压器器身、高压负荷开关、熔断器及高低连线置于一个共同的封闭油箱内，构成一体式布置。

用变压器油作为带电部分相间及对地的绝缘介质。

同时，安装有齐全的运行检视仪器仪表，如压力计，压力释放阀，油位计，油温表等。

欧式预装式变电站以前在我国习惯称为“组合式变电站”，它是将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置布置在三个不同的隔室内，通过电缆或母线来实现电气连接。

2.2箱式变电站的技术特点

箱式变电站的高压室一般是由高压负荷开关、高压熔断器和避雷器等组成的，可以进行停送电操作并且有过负荷和短路保护。

低压室由低压空气开关、电流互感器、电流表、电压表等组成的。

箱式变中的电器设备元件，均选用定型产品，元器件的技术性能均满足相应的标准要求。

各电器元件之间采用了机械联锁，各电器元件都安装在有足够强度和刚度的结构上，以便于导线的连接。

操作采用电动方式，不需另配电源，由TV引出即可。

另外箱式变还都具有电能检测、显示、计量的功能，并能实现相应的保护功能，还设有专用的接地导件，并有明显的接地标志。

此外为适应户外工作环境，箱式变电站的壳顶一般都采用隔层结构，内装有隔热材料，箱体底部和各室之间都有冷却进出风口，采用自然风冷和自动控制的强迫风冷等多种形式，以保证电气设备的正常散热，具有防雨、防尘、防止小动物进入等措施。

目前，国内生产的箱式变的电压等级：

高压侧为3～35kV、低压侧为0.4～10kV。

箱式变电站有如下特点：

（1）技术先进安全可靠

箱体部分采用目前国内领先技术及工艺，外壳一般采用镀铝锌钢板，框架采用标准集装箱材料及制作工艺，有良好的防腐性能，保证20年不锈蚀，内封板采用铝合金扣板，夹层采用防火保温材料，箱体内安装空调及除湿装置，设备运行不受自然气候环境及外界污染影响，可保证在－40℃～＋40℃的恶劣环境下正常运行。

箱体内一次设备采用单元真空开关柜、干式变压器、干式互感器、真空断路器（弹簧操作机构）等国内技术领先设备，产品无裸露带电部分，为全绝缘结构，完全能达到零触电事故，全站可实现无油化运行，安全性高，二次采用微机综合自动化系统，可实现无人值守。

（2）工厂预制化

设计时，只要设计人员根据变电站的实际要求，作出一次主接线图和箱外设备的设计，就可以选择由厂家提供的箱变规格和型号，所有设备在工厂一次安装、调试合格，真正实现变电所建设工厂化，缩短了设计制造周期；现场安装仅需箱体定位、箱体间电缆联络、出线电缆连接、保护定值校验、传动试验及其它需调试的工作，整个变电站从安装到投运大约只需5～8天的时间，大大缩短了建设工期。

。

（3）组合方式灵活

箱式变电站由于结构比较紧凑，每个箱体均构成一个独立系统，这就使得组合方式灵活多变。

（4）占地面积小。

（5）投资省、见效快

箱式变电站较同规模综自变电站减少投资40％～50％。

2.3箱式变电站的箱体要求

（1）箱体内照明、通风、防沙、散热应满足正常运行、维护要求，并应加装温度、湿度测量表计、凝露器、烟雾报警装置，并将温度、湿度、凝露、烟雾报警探头信号接入综合自动化系统，要考虑安装通讯设备的位置。

（2）箱顶应考虑自然排水功能。

（3）要抗紫外线辐射，抗暴晒性能好，不易导热可避免因外部温度过高而引起箱体温度升高。

（4）防潮性能好，不会因冷热突变而产生凝露。

（5）防腐、防裂、阻燃、防冻性能好。

（6）要机械强度高，耐压抗张，抗冲击。

（7）对环境有良好的协调性，能美化环境，可适应各种气候条件，外形美观，结构紧凑，箱体占地面积少，节约土地。

第三章35kV箱式变电站的总体结构设计

3.1箱式变电站对主接线的基本要求

概况地说，对主接线的基本要求包括安全、可靠、灵活、经济四个方面

安全包括设备安全及人身安全。

要满足这一点，必须按照国家标准和规范的规定，正确选择电气设备及正常情况下的监视系统和故障情况下的保护系统，考虑各种人身安全的技术措施。

可靠就是主接线应满足对不同负荷的不中断供电，且保护装置在正常运行时不误动、发生事故时不拒动，能尽可能的缩下停电范围。

为了满足可靠性要求，主接线应力求简单清晰。

电器是电力系统中最薄弱的元件，所以不应当不适当地增加电器的数目，以免发生事故。

灵活是用最少的切换，能适应不同的运行方式，适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使发生故障时停电时间最短，影响范围最小。

因此，电气主接线必须满足调度灵活、操作方便的基本要求。

经济是指在满足了以上要求的条件下，保证需要的设计投资最少。

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。

欲使主接线灵活、可靠，必须要选用高质量的设备和现代化的自动装置，从而导致投资费用的增加。

因此，主接线的设计应满足可靠性和灵活性的前提下，做到经济合理。

主要应从投资声、占地面积少、电能损耗小等几个方面综合考虑。

3.2主接线的选择

主接线采用单母线分段接线，单母线分段接线是采用断路器（或隔离开关）将母线分段，通常是分成两段。

母线分段后可进行分段检修，对于重要用户，可以从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器在继电保护作用下自动将故障段迅速切除，从而保证了正常母线不间断供电和不致使重要用户停电。

两段母线自动同时故障的机遇很小，可以不予考虑。

在供电可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一段母线发生故障时，将造成两断母线同时停电，在判断故障后，拉开分段隔离开关，完好段即可恢复供电。

3.3高压接线方式

高压侧，采用负荷开关+限流熔断器作为就压器的主保护，一般有环网、双电源和终端三种供电方式，有两组插入式熔断器和后备保护熔断器串联进行分段范围保护。

限流熔断器一相熔断时必须能联动跳开三相负荷开关，不发生缺相运行。

3.4箱式变电站箱体的确定

箱体的底座和骨架一般采用槽钢和角钢焊接而成，顶盖和四壁采用金属板内衬阻燃材料压制而成，能起到隔热的作用。

根据当地实际情况，可在订货时对主体结构提出相应的要求。

我县地处盐碱地带，对设备的抗腐蚀性能要求较高，因此除主体框架采取了防腐工艺加工外，箱体的整体外层衬板采用了0.5mm厚的不锈钢板。

箱体的密封和防尘是一个重要方面，特别是保护装置对防尘等指标要求较高，应引起重视。

箱体的底板下面，一般作为电缆室，在考虑箱体基础的设计时，应顾及到电缆的安装和维护方便，应考虑人员出入、通风以及照明等方面的要求。

3.5变压器的散热处理

变压器设置有二种方式：

一种将变压器外露，另一种将就压器安装在封闭隔室内。

35kV箱式变电站变压器采用第二种接线方式，将变压器安装在封闭的变压器隔室内。

为了通风，变压器室的箱体上设置百叶窗。

百叶窗结构，使气流能进去，而灰尘被分离。

有为防止灰尘对绝缘的影响，在变压器连接处加上绝缘防护罩。

3.6箱式变电站总体布置

35kV箱式变电站高压室额定电压35kV，低压室额定电压10kV。

在结构设计上具有防压、防雨和防小动物等措施及占地面积小、操作方便，安全可靠、可以移动等特点。

箱式变电站主要包括4部分，分别为框架、高压室、低压室、变压器室。

（1）框架：

基本结构是由槽钢、角钢和钢板焊接而成，门和顶盖用钢板制作。

（2）高压室：

装备真空断路器。

（3）低压室：

装备固定式低压配电屏、包括主开关柜、计量柜等。

（4）变压器室：

配备5000kVA油浸式变压器。

第四章35KV箱式变电站一次系统设计与设备选型

4.1一次系统设计

35kV母线采用单母线接线，10kV侧母线采用单母线分段接线。

箱体采用了双层密封，双层铁板间充入高强度聚胺脂，具有隔温、防潮等特点。

外层采用不锈钢体，底盘钢架采用金属喷锌技术,有良好的防腐性能。

内层采用铝合金扣板箱体内安装空调及除湿装置，从而是设备运行不受自然环境及外界污染的影响。

可保证设备在-40～+40℃之间运行。

4.2箱式变电站设备选型应注意的方面

（1）箱变内的一次设备，应以无油、免维护或少维护设备为宜。

断路器可采用真空断路器，电流互感器、电压互感器和站用变应选用干式设备。

（2）因箱变内空间狭小，实际运行中挂、拆接地线很不方便，所以许多箱变在开关柜单元装设了接地开关，但受空间限制，一些箱变厂家将接地开关与隔离开关采用了连动的形式，拉开隔离开关，则接地开关闭合；合上隔离开关，则接地开关拉开。

（3）箱变内的开关柜应留有适当的观察窗，以便于观察运行设备的状况。

4.3设备选型的基本原理

电器选择是发电厂和变配电所电气设计的主要内容之一。

正确的选择电器是使用电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。

在进行电器选择时应根据工程实际情况，按照有关设计规范，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。

电器的种类和型式是电器选择的重要内容之一。

选择时，可根据安装地点，使用条件、配电装置的型式、运行和检修经验以及人们使用习惯等多种因素综合确定。

电器设备选择要考虑电器装置的环境条件和电气要求。

环境条件是指电器装置所处的位置特征；电器要求是指电器装置对设备的电压、电流、频率等方面的要求；对一些断路电器如开关、熔断器等，还应考虑起断流能力。

（1）考虑所选设备的工作环境。

如户内、户外、防腐、防暴、防尘、放火等要求，以及沿海或湿热地域的特点。

（2）所选设备的额定电压应不低于安装地点电网电压

4.4高压一次设备的选型

高压一次设备的选择，必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求，同时设备应安全可靠的运行，运行维护方便，投资经济合理。

4.5低压一次设备选型

低压一次设备的选择，与高压一次设备的选择一样，必须考虑安装地点并满足在正常条件下和短路故障条件下工作的要求；同时设备工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。

.1电动机及配电回路柜：

采用塑壳断路器+交流接触器+马达控制器（电动机回路）或塑壳断路器（配电回路）。

3.2配电回路配置：

速断保护（或短路短延），过流保护（过负荷保护），接地保护或漏电框架断路器保护。

3.3电动机回路配置：

速断保护（短路瞬动），过流保护（过负荷保护）、断相或相不平衡，接地保护。

3.4其他配电回路配置：

速断保护，过流保护，接地保护（容量为50kVA及以上）。

3.5需指明所配置的保护装置或脱扣器的型号。

3.6对低压元件的要求及选用原则

开关柜内主要电气一次元、器件选用具有CCC认证和成熟运行经验。

所有元件的短路动、热稳定水平及开断能力应不小于所附回路附图的要求，相同型号和额定值的元件应能互换。

3.7塑壳断路器

塑壳断路器选用施耐德的NS系列或同等档次的中外合资或国外专业制造厂生产的性能优良产品；

在脱扣器整定电流≥80A的回路选用电子式脱扣器，其余回路选用热磁脱扣器。

塑壳断路器使用分断能力Ics为不低于75%的极限分断能力Icu。

塑壳断路器可配有分励脱扣器以方便远方跳闸。

塑壳式断路器可同时提供状态和故障指示接点。

包括断路器触头位置指示接点4付（2常开,2常闭,且无公共端），脱扣报警接点1付。

要求塑壳式断路器二次回路与一次回路完全隔离,附件可在现场安装。

水平安装的塑壳断路器不降容;反向配电回路亦不能降容。

塑壳断路器具有可靠的隔离功能,保证触头指示系统的机械可靠性符合相关标准。

电动机保护回路采用电动机保护型断路器,保护断路器与接触器和马达控制器为C类配合。

为了保证运行维护的安全性,元器件达到规定绝缘水平。

3.8马达控制器

马达控制器采用国产具有成熟运行经验产品，功能不低于ST500型，并带有操作显示面板，具体如下：

1）控制器辅助电源采用交流220V或直流110V，电源波动范围在80%~110%额定电压内能正常工作；

2）马达控制器提供完善的电动机保护、控制、测量和通讯功能；马达控制器提供电机的热保护、堵转保护、断相保护、不平衡保护、低电压保护、接地故障保护。

其中接地故障保护单独出口跳塑壳开关，出口接点容量为AC380，0.5A。

提供保护动作、装置故障、装置失电及其他必要的无源信号输出接点，接点容量DC220V，1A。

3）提供八个光隔外部信号输入接口。

4）马达控制器具有三相电流、电压、功率和电度测量功能。

并提供4~20mA的模拟量输出供DCS或程控使用。

5）马达控制器应提供操作显示模块，此模块可以安装于抽屉面板上，可显示马达控制器测量的各种电气和其他量。

并能在此面板上进行操作。

6）马达控制器提供通讯口，上位机能通过此接口监视回路和设备的运行状态，并对其进行控制。

7）马达控制器应提供就地接口，便于用户通过便携式计算机或调试工具对马达控制器进行现场设置和就地编程。

8）马达控制器可提供电机的起动、停止控制。

包括起动、正反转起动、星三角起动和双速起动等的控制逻辑。

具有就地操作模块操作和外部接点命令两种方式，可在两种方式之间切换，并留有采用通讯口操作的接口。

3.9接触器：

选用施耐德的LC1系列或同等档次的中外合资或国外专业制造厂生产的性能优良产品。

典型回路一、二次元件主要配置

回路名称

一次配置

二次配置

PC电源进线

框架开关

2MCB+2ZJ+H（T）A+CK+ST1+LK

PC分段开关

框架开关

2MCB+2ZJ+3LJ+2SJ+2XJ+HJ+H（T）A+CK+ST1+LK

PCPT回路

PT

3MCB+ST1+3Vf+4ZJ+3SJ+4YJ

PC-MCC配电回路

框架开关

2MCB+2ZJ+H（T）A+CK+ST1+LK

90kW以上电动机

框架开关

2MCB+2ZJ+H（T）A+ST1

90kW及以下电动机

塑壳开关+马达控

制器+接触器

MC+MCB+4RD+H（T）A+3ZJ+CK

MCC双电源进线开关

（I类负荷）

框架负荷开关

2MCB+2ZJ+H（T）A+CK+ST2+LK

MCCPT（I类负荷）

3MCB+ST2

90kW及以下正反转电动机

塑壳开关+马达控

制器+2个接触器

MC+MCB+4RD+2HA+TA+4ZJ+CK

符号说明：

MCB-小空气开关；HA（TA）-合（跳）闸带灯按钮（发光二极管）

CK-转换开关；ZJ-中间继电器

LJ-电流继电器；SJ-时间继电器

XJ-信号继电器；HJ-合闸中间继电器（大容量）

3V-三线电压表（3只表）；3Vf-组合式三线电压变送器

YJ-电压继电器；MC-马达控制器（ST500+ST522+ST-7）

RD-熔断器；ST1-智能仪表（ST400III+ST524）

LK-联锁开关ST2-智能仪表（ST400III+ST523）

4.6高压熔断器的选择

熔断器额定电流的选择，除了根据环境条件确定采用户内或户外，还包括熔管的额定电流和熔体的额定电流选择。

4.7开关柜的选型

制造厂生产各种不同电路的开关柜、配电屏或标准元件，品种很多。

设计时可按照主接线选择相应电路的柜、屏或元件，组成一套配电装置。

高压开关柜和低压配电屏的选择，应满足变配电所一次电路图的各要求并经几个方案的技术经济比较后，优选出柜、屏的型式及其一次线路方案编号，同时确定其中所有一、二次设备的型号和规格。

向开关电器厂订购高压开关柜时应向厂家提供一、二次电路的图纸及有关技术资料。

第五章35kV箱式变电站二次系统设计

5.1二次系统的定义及分类

箱式变电站的设备通常可分为一次设备和二次设备两大类。

主接线所连接的都是一次设备，而二次设备是指测量表计、控制及信号设备、继电保护设备、自动装置和运动装置等。

根据测量、控制、保护和信号显示的要求，表示二次设备相互连接关系的电路，称为二次接线或二次回路。

按二次接线电源性质分，有交流回路，按二次接线的用途来分，有操作电源回路、测量表计回路、断路器控制和信号回路、中央信号回路、继电保护和自动装置回路等。

5.2电气测量仪表及测量回路

为了保证供电系统的安全运行和用户的安全用电，使一次设备安全、可靠、经济地运行，必须在变（配）电站中装设电气测量仪表，以监视其运行状况。

测量与监察回路由各种电气测量仪表、监测装置、切换开关及其网络构成。

其作用是指示或记录主要电气设备和输电线路的运行参数，作为生产调度和值班人员掌握主系统的运行情况，进行经济核算和故障处理的主要依据。

为电气测量仪表，要保证其测量范围和准确度满足变配电设备运行监视和计量的要求，并力求外形美观，便于观测，经济耐用等。

具体要求如下；

（1）准确度高，误差小。

其数值应符合所属等级准确度的要求；

（2）误差不应随时间、温度、湿度和外磁场等外界条件的影响而变化；

（3）仪表本身消耗的功率应越小越好；

（4）仪表应有足够的绝缘强度、耐压和短时过载能力，以保证安全运行；

（5）应有良好的读书装置；

（6）构造坚固，使用维护都要方便。

5.3二次系统设计

全站智能化设计，保护系统采用变电站微机自动化保护装置，该系统做为分层、分布式多CPU的综合自动化系统，包括了变电站所需的各种继电保护如变压器保护、35kV/10kV线路保护、电容器保护等，具有变电站的测量、实时数据采集、运行工况监视、控制操作、自动控制与调节及全部远动功能。

系统采用分布式控制系统，配置、扩展、组态灵活、控制管理集中、功能分散，数据处理实时性强，传输安全可靠，操作灵活方便。

对于变电站的整个保护系统主要采用以下几个装置，它们都具有以下特点：

（1）装置有抗系统谐波的能力；

（2）装置有自检功能，自检出错报警及闭锁保护；

（3）装置出口及动作回路可设投切压板；

（4）装置保护动作出口与监控动作出口各自独立；

（5）装置集测量、计量、保护、控制功能于一体。

5.4断路器控制与信号回路

断路器控制按控制地点可分为集中控制与就地控制。

所谓集中控制就是集中在控制室内进行控制；就地控制就是在断路器安装地点进行控制。

在控制室内对配电装置中的断路器进行控制称为距离控制。

这种控制主要由控制开关、控制电缆和操作机构等组成。

在箱式变电站运行的各种电气设备，随时都可能发生不正常运行的工作状态。

中央信号，主要用来示警和显示电气设备的工作状态，以便于运行人员及时了解、采取措施。

断路器控制回路的基本要求有：

（1）能进行手动跳闸、合闸，也能完成自动跳闸，断路器跳闸（合闸）过程完成后，能自动切断跳闸（合闸）线圈回路电流，防止线圈长时间通电而烧毁；

（2）有防止断路器连续多次跳闸或合闸操作的位置信号；

（3）有反映断路器完成跳闸或合闸的防跳回路；

（4）有断路器自动跳闸或合闸的位置信号；

（5）有控制回路完好性监视信号；

（6）在满足要求的前提下，力求简单可靠。

中央控制信号装置按形式分有灯光信号和音响信号。

灯光信号表明不正常工作状态的性质地点，而音响信号在于引起运行人员的注意。

灯光信号通过装设在个控制屏上的信号灯光和光字牌，表明各种电气设备的情况，音响信号则通过蜂鸣器和警铃的声响来实现，设置在控制室内。

由全所共用的音响信号，称为中央音响信号装置。

中央信号装置按用途分有：

事故信号，预告信号和位置信号。

断路器的合、跳闸操作由运行人员旋转控制开关控制。

根据操作要求，使控制开关的触点选择接通断路器合闸或跳闸线圈所在电路，分别起动断路器的操动机构执行断路器合、跳闸操作。

根据控制电压的高低可分为强电控制与弱电控制。

强电控制回路控制电压一般为直流220V（现已被110V代替），弱电控制回路控制电压一般为直流48V；根据断路器的控制方式可分为一对一控制方式与选线控制，一对一控制为一个控制开关只控制一组断路器（一台三相断路器或三台单相断路器组），选线控制为一个控制开关可以控制多组断路器，选线指定某一组断路器。

本节只介绍断路器的强电一对一控制回路。

强电控制根据不同特点一般有以下三种分类方法：

1.根据控制地点分为距离控制与就地控制；

2.根据合、跳闸回路监视方式分为灯光监视和音响监视；

3.根据断路器操动机构的动作方式可分为三相断路器的（联动）控制与分相操作断路器的控制。

一、对控制回路的一般要求

断路器控制回路必须完整、可靠，此外还应满足下面一些基本要求：

1.断路器的合、跳闸线圈是按短时通过操作电流设计的，合、跳闸操作完成后，应迅速自动地断开合闸或跳闸回路或降低操作电流