110KV變電所畢業(yè)設(shè)計(jì)

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摘   要

XF 110KV變電所是地區(qū)重要變電所，是電力系統(tǒng)110KV電壓等級的重要部分。其設(shè)計(jì)分為電氣一次部分和電氣二次部分設(shè)計(jì)。

一次部分由說明書，計(jì)算書與電氣工程圖組成，說明書和計(jì)算書包括變電所總體分析;負(fù)荷分析與主變選擇;電氣主接線設(shè)計(jì);短路電流計(jì)算;電氣設(shè)備選擇;配電裝置選擇;變電所總平設(shè)計(jì)及防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。

二次部分由說明書，計(jì)算書與電氣工程圖組成。說明書和計(jì)算書包括整體概述;線路保護(hù)的整定計(jì)算;主變壓器的保護(hù)整定計(jì)算;電容器的保護(hù)整定計(jì)算;母線保護(hù)和所用變保護(hù)設(shè)計(jì)。

計(jì)算書和電氣工程圖為附錄部分。其中一次部分電氣AutoCAD制圖六張；二次部分為四張手工制圖。

本變電所設(shè)計(jì)為畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，以鞏固大學(xué)所學(xué)知識。通過本次設(shè)計(jì)，使我對電氣工程及其自動化專業(yè)的主干課程有一個較為全面，系統(tǒng)的掌握，增強(qiáng)了理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高了工程意識，鍛煉了我獨(dú)立分析和解決電力工程設(shè)計(jì)問題的能力，為未來的實(shí)際工作奠定了必要的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞: Ⅰ、變電所     Ⅱ、變壓器     Ⅲ、繼電保護(hù)

變壓器
1. 介紹
要從遠(yuǎn)端發(fā)電廠送出電能，必須應(yīng)用高壓輸電。因?yàn)樽罱K的負(fù)荷，在一些點(diǎn)高電壓必須降低。變壓器能使電力系統(tǒng)各個部分運(yùn)行在電壓不同的等級。本文我們討論的原則和電力變壓器的應(yīng)用。

2. 雙繞組變壓器
變壓器的最簡單形式包括兩個磁通相互耦合的固定線圈。兩個線圈之所以相互耦合，是因?yàn)樗鼈冞B接著共同的磁通。
在電力應(yīng)用中，使用層式鐵芯變壓器(本文中提到的)。變壓器是高效率的，因?yàn)樗鼪]有旋轉(zhuǎn)損失，因此在電壓等級轉(zhuǎn)換的過程中，能量損失比較少。典型的效率范圍在92到99%，上限值適用于大功率變壓器。
從交流電源流入電流的一側(cè)被稱為變壓器的一次側(cè)繞組或者是原邊。它在鐵圈中建立了磁通φ，它的幅值和方向都會發(fā)生周期性的變化。磁通連接的第二個繞組被稱為變壓器的二次側(cè)繞組或者是副邊。磁通是變化的；因此依據(jù)楞次定律，電磁感應(yīng)在二次側(cè)產(chǎn)生了電壓。變壓器在原邊接收電能的同時也在向副邊所帶的負(fù)荷輸送電能。這就是變壓器的作用。

3. 變壓器的工作原理
當(dāng)二次側(cè)電路開路是，即使原邊被施以正弦電壓Vp，也是沒有能量轉(zhuǎn)移的。外加電壓在一次側(cè)繞組中產(chǎn)生一個小電流Iθ。這個空載電流有兩項(xiàng)功能：（1）在鐵芯中產(chǎn)生電磁通，該磁通在零和 φm之間做正弦變化，φm是鐵芯磁通的最大值；（2）它的一個分量說明了鐵芯中的渦流和磁滯損耗。這兩種相關(guān)的損耗被稱為鐵芯損耗。
變壓器空載電流Iθ一般大約只有滿載電流的2%—5%。因?yàn)樵诳蛰d時，原邊繞組中的鐵芯相當(dāng)于一個很大的電抗，空載電流的相位大約將滯后于原邊電壓相位90º。顯然可見電流分量Im= I0sinθ0，被稱做勵磁電流，它在相位上滯后于原邊電壓VP 90º。就是這個分量在鐵芯中建立了磁通；因此磁通φ與Im同相。
第二個分量Ie=I0sinθ0，與原邊電壓同相。這個電流分量向鐵芯提供用于損耗的電流。兩個相量的分量和代表空載電流，即
I0 = Im+ Ie
應(yīng)注意的是空載電流是畸變和非正弦形的。這種情況是非線性鐵芯材料造成的。
如果假定變壓器中沒有其他的電能損耗一次側(cè)的感應(yīng)電動勢Ep和二次側(cè)的感應(yīng)電壓Es可以表示出來。因?yàn)橐淮蝹?cè)繞組中的磁通會通過二次繞組，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，二次側(cè)繞組中將產(chǎn)生一個電動勢E，即E=NΔφ/Δt。相同的磁通會通過原邊自身，產(chǎn)生一個電動勢Ep。正如前文中討論到的，所產(chǎn)生的電壓必定滯后于磁通90º，因此，它于施加的電壓有180º的相位差。因?yàn)闆]有電流流過二次側(cè)繞組，Es=Vs。一次側(cè)空載電流很小，僅為滿載電流的百分之幾。因此原邊電壓很小，并且Vp的值近乎等于Ep。原邊的電壓和它產(chǎn)生的磁通波形是正弦形的；因此產(chǎn)生電動勢Ep和Es的值是做正弦變化的。產(chǎn)生電壓的平均值如下
Eavg = turns×
即是法拉第定律在瞬時時間里的應(yīng)用。它遵循
Eavg = N  = 4fNφm
其中N是指線圈的匝數(shù)。從交流電原理可知，有效值是一個正弦波，其值為平均電壓的1.11倍；因此
E = 4.44fNφm
因?yàn)橐淮蝹?cè)繞組和二次側(cè)繞組的磁通相等，所以繞組中每匝的電壓也相同。因此
Ep = 4.44fNpφm
并且
Es = 4.44fNsφm
其中Np和Es是一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組的匝數(shù)。一次側(cè)和二次側(cè)電壓增長的比率稱做變比。用字母a來表示這個比率，如下式
a =   = 
假設(shè)變壓器輸出電能等于其輸入電能——這個假設(shè)適用于高效率的變壓器。實(shí)際上我們是考慮一臺理想狀態(tài)下的變壓器；這意味著它沒有任何損耗。因此
Pm = Pout
或者
VpIp × primary PF = VsIs × secondary PF
這里PF代表功率因素。在上面公式中一次側(cè)和二次側(cè)的功率因素是相等的；因此
VpIp = VsIs
從上式我們可以得知
  =   ≌   ≌ a
它表明端電壓比等于匝數(shù)比，換句話說，一次側(cè)和二次側(cè)電流比與匝數(shù)比成反比。匝數(shù)比可以衡量二次側(cè)電壓相對于一次惻電壓是升高或者是降低。為了計(jì)算電壓，我們需要更多數(shù)據(jù)。
    終端電壓的比率變化有些根據(jù)負(fù)載和它的功率因素。實(shí)際上, 變比從標(biāo)識牌數(shù)據(jù)獲得, 列出在滿載情況下原邊和副邊電壓。
    當(dāng)副邊電壓Vs相對于原邊電壓減小時，這個變壓器就叫做降壓變壓器。如果這個電壓是升高的，它就是一個升壓變壓器。在一個降壓變壓器中傳輸變比a遠(yuǎn)大于1(a>1.0)，同樣的，一個升壓變壓器的變比小于1(a<1.0)。當(dāng)a=1時，變壓器的二次側(cè)電壓就等于起一次側(cè)電壓。這是一種特殊類型的變壓器，可被應(yīng)用于當(dāng)一次側(cè)和二次側(cè)需要相互絕緣以維持相同的電壓等級的狀況下。因此，我們把這種類型的變壓器稱為絕緣型變壓器。
顯然，鐵芯中的電磁通形成了連接原邊和副邊的回路。在第四部分我們會了解到當(dāng)變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行時一次側(cè)繞組電流是如何隨著二次側(cè)負(fù)荷電流變化而變化的。
從電源側(cè)來看變壓器，其阻抗可認(rèn)為等于Vp / Ip。從等式   =   ≌   ≌ a中我們可知Vp = aVs并且Ip = Is/a。根據(jù)Vs和Is，可得Vp和Ip的比例是
  =   = 
但是Vs / Is 負(fù)荷阻抗ZL，因此我們可以這樣表示
Zm (primary) = a2ZL
這個等式表明二次側(cè)連接的阻抗折算到電源側(cè)，其值為原來的a2倍。我們把這種折算方式稱為負(fù)載阻抗向一次側(cè)的折算。這個公式應(yīng)用于變壓器的阻抗匹配。

4. 有載情況下的變壓器
一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓有著相同的極性，一般習(xí)慣上用點(diǎn)記號表示。如果點(diǎn)號同在線圈的上端，就意味著它們的極性相同。因此當(dāng)二次側(cè)連接著一個負(fù)載時，在瞬間就有一個負(fù)荷電流沿著這個方向產(chǎn)生。換句話說，極性的標(biāo)注可以表明當(dāng)電流流過兩側(cè)的線圈時，線圈中的磁動勢會增加。
因?yàn)槎蝹?cè)電壓的大小取決于鐵芯磁通大小φ0，所以很顯然當(dāng)正常情況下負(fù)載電勢Es沒有變化時，二次側(cè)電壓也不會有明顯的變化。當(dāng)變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行時，將有電流Is流過二次側(cè)，因?yàn)镋s產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相當(dāng)于一個電壓源。二次側(cè)電流產(chǎn)生的磁動勢NsIs會產(chǎn)生一個勵磁。這個磁通的方向在任何一個時刻都和主磁通反向。當(dāng)然，這是楞次定律的體現(xiàn)。因此，NsIs所產(chǎn)生的磁動勢會使主磁通φ0減小。這意味著一次側(cè)線圈中的磁通減少，因而它的電壓Ep將會增大。感應(yīng)電壓的減小將使外施電壓和感應(yīng)電動勢之間的差值更大，它將使初級線圈中流過更大的電流。初級線圈中的電流Ip的增大，意味著前面所說明的兩個條件都滿足：（1）輸出功率將隨著輸出功率的增加而增加（2）初級線圈中的磁動勢將增加，以此來抵消二次側(cè)中的磁動勢減小磁通的趨勢。
總的來說，變壓器為了保持磁通是常數(shù)，對磁通變化的響應(yīng)是瞬時的。更重要的是，在空載和滿載時，主磁通φ0的降落是很少的（一般在）1至3%。其需要的條件是E降落很多來使電流Ip增加。
在一次側(cè)，電流Ip’在一次側(cè)流過以平衡Is產(chǎn)生的影響。它的磁動勢NpIp’只停留在一次側(cè)。因?yàn)殍F芯的磁通φ0保持不變，變壓器空載時空載電流I0必定會為其提供能量。故一次側(cè)電流Ip是電流Ip’與I0’的和。
因?yàn)榭蛰d電流相對較小，那么一次側(cè)的安匝數(shù)與二次側(cè)的安匝數(shù)相等的假設(shè)是成立的。因?yàn)樵谶@種狀況下鐵芯的磁通是恒定的。因此我們?nèi)耘f可以認(rèn)定空載電流I0相對于滿載電流是極其小的。
當(dāng)一個電流流過二次側(cè)繞組，它的磁動勢（NsIs）將產(chǎn)生一個磁通，于空載電流I0產(chǎn)生的磁通φ0不同，它只停留在二次側(cè)繞組中。因?yàn)檫@個磁通不流過一次側(cè)繞組，所以它不是一個公共磁通。
另外，流過一次側(cè)繞組的負(fù)載電流只在一次側(cè)繞組中產(chǎn)生磁通，這個磁通被稱為一次側(cè)的漏磁。二次側(cè)漏磁將使電壓增大以保持兩側(cè)電壓的平衡。一次側(cè)漏磁也一樣。因此，這兩個增大的電壓具有電壓降的性質(zhì)，總稱為漏電抗電壓降。另外，兩側(cè)繞組同樣具有阻抗，這也將產(chǎn)生一個電阻壓降。把這些附加的電壓降也考慮在內(nèi)，這樣一個實(shí)際的變壓器的等值電路圖就完成了。由于分支勵磁體現(xiàn)在電流里，為了分析我們可以將它忽略。這就符我們前面計(jì)算中可以忽略空載電流的假設(shè)。這證明了它對我們分析變壓器時所產(chǎn)生的影響微乎其微。因?yàn)殡妷航蹬c負(fù)載電流成比例關(guān)系，這就意味著空載情況下一次側(cè)和二次側(cè)繞組的電壓降都為零。