35千伏变电站设计

摘要

变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。

本次设计建设一座35KV降压变电站，首先，根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求选择各个电压等级的接线方式，在技术方面和经济方面进行比较，选取灵活的最优接线方式。

其次进行短路电流计算，根据各短路点计算出各点短路稳态电流和短路冲击电流，从三相短路计算中得到当短路发生在各电压等级的工作母线时，其短路稳态电流和冲击电流的值。

最后，根据各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行设备选择，然后进行校验并对二次改造部分进行概预算编制。

关键词：变电站 变压器 雷击防护

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目录

1 绪论 ............................................................ 3 1.1我国的电力及变电站发展概述 ................................... 3 1.2变电站情况简介 ............................................... 3 1.2.1变电站建设的必要性 ........................................ 3 1.2.2 变电站原始资料及其分析 ................................... 4 1.3本设计的目的和意义 ........................................... 5 2 负荷计算与变压器选择 ............................................ 6 2.1负荷计算的必要性 ............................................. 6 2.2负荷计算方法 ................................................. 6 2.2.1需用系数法 ................................................ 6 2.3主变压器的选择 ............................................... 9 2.4功率因数补偿与电容器柜选择 .................................. 10 2.4.1考虑功率因数的必要性 ..................................... 10 2.4.2功率因数定义 ............................................. 11 3 电气主接线方案的确定 ............................................ 14 3.1电气主接线方案确定的必要性 .................................. 14 3.2电气主接线方案设计的基本要求及原则 .......................... 14 3.2.1设计的基本要求 ........................................... 14 3.2.2设计主接线的原则 ......................................... 14 3.2.3方案的比较 ............................................... 15 4 短路电流计算 ................................................... 18 4.1 计算短路电流的必要性 ........................................ 18 4.2 短路电流计算方法 ............................................ 18 4.2.1 有名制法 .................................................. 18 4.2.2 标么制法 ................................................ 19 4.2各主要元件的标幺值计算 ...................................... 20 4.2.1 三相短路 .................................................. 21 4.2.2 两相短路 .................................................. 22 5 变电站电气设备选择 ............................................. 25 5.1 高压电气设备选择的目的及原则 ................................ 25 5.1.1电气设备选择的目的 ....................................... 25 5.1.2电气设备选择的一般原则 ................................... 25 5.2 35KV电气设备选择 ............................................ 27

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5.3 10KV电气设备选择 ............................................ 31 5.4 35KV输电线及母线的选择 ..................................... 35 5.4.1 35kV输电线选择 .......................................... 35 5.4.2 35kV母线选择 ........................................... 36 5.5 10KV母线的选择 ............................................. 37 6 变电站的防雷与接地设计 .......................................... 38 6.1直击雷的过电压保护 .......................................... 38 6.2 雷电侵入波的过电压保护 ...................................... 38 6.3 避雷器的配置 ................................................ 39 6.4 避雷线的配置 ................................................ 39 参 考 文 献 ....................................................... 40 致 谢 ............................................ 错误！未定义书签。 附录 .............................................. 错误！未定义书签。

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1 绪论

1.1我国的电力及变电站发展概述

电力是国民经济发展的动力，国民经济的持续、快速、稳定发展需要有足够

的电力能源作保障。进入新世纪以来，我国经济进入新的高速增长时期，电力工业的发展面临着空前的机遇。随着电力改革的不断深化和多元投资主体的形成，从今年到2012年，每年投产装机容量都将达到5000万千瓦左右，继今年全国发电装机容量突破4亿千瓦和水电装机容量1亿千瓦之后，电力工业将很快实现新的跨越，预计到2015年全国发电装机将达到6.5亿千瓦，到2020年达到9.5亿到10亿千瓦。因而，越来越多变电站的新建及运行就迫在眉睫。

变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。这就要求变电站的一次部分经济合理，二次部分安全可靠，只有这样变电所才能正常的运行工作，为国民经济服务。

1.2变电站情况简介

1.2.1变电站建设的必要性

随着国民经济的持续发展，近些年来焦作市区的经济情况也得到了极大地提高，这当然得益于很多企业的蓬勃发展。能源是国家前进的灵魂与动力，其中电能又是企业与人们生活中不可或缺的一种能源，经济与人们物质生活水平的提高使得对电能的需要达到了前所未有的高度，这样以来为了保证各大企业的及家庭生活的可靠，安全用电，地区近年来新建成了很多变电站，而地区岁一所新型35kV变电站的需要也是刻不容缓。

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1.2.2 变电站原始资料及其分析

表1-1 全所负荷统计表

设 备 名 称

负电 线电 最大 工 荷压 路机 单机 作 等kV 类型 容量 设 级

工作 需 功 离变 设备 用

率

电所

总容 系 因 的距 量 kW

数

Kd

型 式 kW 备 台 数

数 离

cos km

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2 3 4 5 6 7 125 88 100 78

8 9 10 11

2 10 C X 2 10 C Y 1 10 C Y 3 10 K X 2 10 C X 2

10 K X

1000 0.70 0.78 0.5 800 0.72 0.80 0.3

155 108 1300 0.80 0.82 0.4 55 40 55 75 40 30 30 40 30

96 92

830 0.72 0.75 0.8 780 0.85 0.85 所内

158 1600 0.75 0.85 1.0 65 40 34 35 42 32

750 0.82 0.85 1.2 350 0.78 0.82 0.4 320 0.75 0.84 0.65 325 0.80 0.81 1.3 380 0.78 0.80 0.9 290 0.80 0.83 1.8

2 10 K X 3 10 C X 3 10 K X 3 10 K X 3 10 K X 3 10 K X

注1：线路类型：C——电缆线路；K——架空线

注2：最大容量电机型式：Y—绕线异步；X—鼠笼异步；T—同步

35kV变电所是一城区变电所，主要针对城区南部的供电而设计，电所的进线是双回路35kV架空电源线。变电所所在地土质为黑土，风向为西北风，最大

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风级8级，冻土厚度0.35m。最热月室外最高气温月平均：mw44C最热月室内最高气温月平均：mn30C。最热月土壤最高气温月平均：t27C

1.3本设计的目的和意义

本次设计是在掌握变电站生产过程的基础上完成的。通过它我不仅复习巩固了专业课程的有关内容，而且拓宽了知识面，增强了工程观念，培养了变电站设计的能力。同时对能源、发电、变电和输电的电气部分有个详细的概念，能熟练的运用有些知识，如短路计算的基本理论和方法、主接线的设计、导体电气设备的选择以及变压器的运行等。

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2 负荷计算与变压器选择

2.1负荷计算的必要性

为一个企业或用户供电，首先要解决的是企业要用多少度电，或选用多大容量变压器等问题，这就需要进行负荷的统计和计算，为正确地选择变压器容量与无功补偿装置，选择电气设备与导线、以及继电器保护的整定等提供技术参数。

2.2负荷计算方法

供电设计常采用的电力负荷计算方法有需用系数法、二项系数法、利用系

数法和单位产品电耗法等。需用系数法计算简便，对于任何性质的企业负荷均适用，且计算结果基本上符合实际，尤其对各用电设备容量相差较小且用电设备数量较多的用电设备组，因此，这种计算方法采用最广泛。二项系数法主要适用于各用电设备容量相差大的场合，如机械加工企业，煤矿井下综合机械化采煤工作面等。利用系数法以平均负荷作为计算的依据，利用概率论分析出最大负荷与平均负荷的关系，这种计算方法目前积累的实用数据不多，且计算步骤较为繁琐，故工程应用较少。单位产品电耗法常用于方案设计。鉴于以上几种方法的介绍，本次设计采用需用系数法。

2.2.1需用系数法

对于用电户或一组用电设备，当在大负荷运行时，所安装的所有用电设备（不包括备用）不可能全部同时运行，也不可能全部以额定负荷运行，再加之线路在输送电力时必有一定的损耗，而用电设备本身也有损耗，故不能将所有设备的额定容量简单相加来作为用电户或设备组的最大负荷，必须要对相加所得到的总额定容量PN打一定的折扣。

所谓需用系数法就是利用需用系数来确定用电户或用电设备组计算负荷的方法。其实质是用一个小于1的需用系数Kd对用电设备组的总额定容量PN打一定的折扣，使确定的计算负荷Pca比较接近该组设备从电网中取用的最大半小

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时平均负荷Pmax。其基本计算公式为

PcaKdPN

需用系数的含义：一个用电设备组的需用系数可表示为

KdKsiKloavl

式中Ksi—设备同时系数；

Klo—设备加权平均负荷系数；

av—设备组的各用电设备的加权平均效率；

l—供电线路的平均效率。

下面根据负荷统计表进行负荷计算： （1）

PcaKdPN0.701000700kW

QcaPNtan10000.80800kvar

22 ScaPcaQca700280021063kVA

31061.4A

IcaSca3UN1063（2）

PcaKdPN0.72800576kW

QcaPNtan8000.75600kvar

22ScaPcaQca60025762832kVA

IcaSca3UN48.1A

（3）

PcaKdPN0.8013001040kW

QcaPNtan13000.70910kvar

22ScaPcaQca1040291021382kVA

IcaSca3UN138231079.9A

（4）

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PcaKdPN0.72830598kW

QcaPNtan8300.88730kvar

22ScaPcaQca58727302944kVA

IcaSca3UN.6A

（5）

PcaKdPN0.85780663kW

QcaPNtan7800.62484kvar

22ScaPcaQca66324842821kVA

IcaSca3UN47.5A

（6） 理工大学

PcaKdPN0.7516001200kW

QcaPNtan16000.62992kvar

22ScaPcaQca1200299221556kVA

IcaSca3UN90.0A

（7）

PcaKdPN0.82750615kW

QcaPNtan7500.62465kvar

22ScaPcaQca61524652771kVA

IcaSca3UN44.6A

（8）

PcaKdPN0.78350273kW

QcaPNtan3500.70245kvar

22ScaPcaQca 27322452367kVA

IcaSca3UN21.2A

（9）

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PcaKdPN0.75320240kW

QcaPNtan3200.205kvar ScaIcaSca22 PcaQca24022052316kVA

3UN18.2A

（10）

PcaKdPN0.80325260kW

QcaPNtan3250.72234kvar

22 ScaPcaQca26022342350kVA

IcaSca3UN20.2A

（11）

PcaKdPN0.78380296kW

QcaPNtan3800.75285kvar ScaIcaSca22 PcaQca29622852411kVA

3UN23.8A

（12）

PcaKdPN0.80290232kW

QcaPNtan2900.67194kvar

22 ScaPcaQca23221942303kVA

IcaSca3UN17.5A

2.3主变压器的选择

计算10kV母线上补偿前的总负荷并初选变压器，因为根据表一中计算所得的

负荷可知Pca=6693kW查表得Ksi=0.85，变电站10kV母线补偿前的总负荷为： Pca.10=KsiPca=0.856693=56（kW） Qca.10=KsiQca=0.854693=39 (kvar)

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Sca=Pca2Qca26948 (kVA)

补偿前因数为： cosφ=

Pca0.82 Sca根据该变电站供应的用电户等级有较多一、二级用户，则可初选两台主变压器，由于固定费用按最高负荷收费，故可采用两台同时分列运行的方式，当一台因故停运时，另一台亦能保证全部的一、二级负荷的供电，并留有一定的发展余地。

变压器容量型号经查表可选为SF7-8000，35/10.5kV,如表2-3所示

表2-3 主变压器参数表

型 号 规 格

电压（kV） 高压 35 损 耗（kW）

低压 10.5

连 接 组 别

阻抗电压 Uk% 7.5

S7-8000 Yd11

空载电流 I0% 0.8

重量（T） 外 型 尺 寸

长宽高

空载 11.5

短路 45

16.5

3.4×2.8×3.7

2.4功率因数补偿与电容器柜选择 2.4.1考虑功率因数的必要性

功率因数是用电户的一项重要电气指标。提高负荷的功率因数可以使发、变电设备和输电线路的供电能力得到充分的发挥并能降低各级线路和供电变压器的供电损失和电压损失，因而具有重要的意义。目前用户高压配电网主要采用并

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联电力电容器组来提高负荷功率因数，即所谓集中补偿法，部分用户已采用自动投切电容补偿装置。低压电网，已推广应用功率因数自动补偿装置。对于大中型绕线式异步电动机，利用自励式进相机进行的单机就地补偿来提高功率因数，节电效果显著。

2.4.2功率因数定义

在交流电路中，有功功率与视在功率的比值称为功率因数，用cosφ表示。交流电路中由于存在电感和电容，故建立电感的磁场和电容的电场都需要电源多供给一部分不作机械功的电流，这部分电流叫做无功电流。无功电流的大小与有功负荷即机械负荷无关，相位与有功电流相差90° 三相交流电路功率因数的数学表达式为 cosPSPPQ22P3UI

式中 P—有功功率，kW; Q—无功功率，kvar; S—视在功率，kVA U—线电压有效值，kV; I—线电流有效值，A。

随着电路的性质不同，cosφ的数值在0-1之间变化，其大小取决于电路中

电感、电容及有功负荷的大小。当cosφ=1时，表示电源发出的视在功率全为有功功率，即S=P，Q=0；当cosφ=0时，则P=0，表示电源发出的功率全为无功功率，即S=Q。所以符合的功率因数越接近1越好。

实际运行时需要将35kV侧的平均功率因数控制在0.9以上，但补偿电容器是装设连接在10kV母线上，而10kV母线上的总计算负荷并不包括主变压器的功率损耗，这里需要解决的问题是，10kV母线上的功率因数应补偿到何值才能使35kV侧的平均功率因数为0.9以上。

分析解决此问题的思路如下：先计算无偿时主变压器的最大功率损耗，由于无功损耗与负荷率的平方成正比，故出现变压器最大功率损耗的运行方式为一台使用，一台因故停运的情况，据此计算35kV侧的补偿前负荷及功率因数，并求出当功率因数提至0.9时所需要的补偿容量，该该数值就可以作为10kV母线上应补偿的容量。

1）

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无偿时主变压器的损耗计算。按一台运行、一台因故停运计算，则

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负荷率为

ScaSN.T694880000.87

PTP0 2PK11.50.8724536kW

QTSN.T[I0%/100(UK%/100)2]518kvar

以上个参数均由查表所得。

2）35kV侧补偿前的负荷与功率因数为

Pca.35Pca.10PT56365725kW Qca.35Qca.10QT395184507kvar

Sca.35P2ca.35Q2ca.3557252450727286kVA cos35Pca.35/Qca.355725/72860.79

1cos235tan350.78

cos353)计算选择电容器柜与实际补偿容量。设补偿后功率因数提高到

cos'350.9，则tan'350.48，取平均负荷系数Klo=0.8，则可得：

QcKloPca.35(tan35-tan'35)1374kvar

由表查得选用GR-1C-08型，电压为10kV容量qc=270kvar的电容器柜，则柜数

N=Qc/qc=1374/270=5.1 取偶数得Nf=6

实际补偿容量：Qc.f=Nfqc=6270=1620 kvar 折算到计算补偿容量为

QC。caQC.f/Klo1620/0.82025 kvar 4）补偿后10kv侧的计算负荷与功率因数为

Q'ca。10Qca.10-Qc.ca39-202519 kvar

因补偿前后有功计算负荷不变，故有

S'ca.105621926018kVA

cos'10Pca.10/S'ca.1056/60180.95

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5)补偿后主变压器最大损耗计算。补偿后一台运行的负荷率略有减小

'S'ca。10/SN.T6018/80000.75

P'TP0'2PK11.50.7524537kW

Q'TSN.T[I0%/100(UK%/100)'2]8000（0.0080.0750.75）402kvar2

6）补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验

P'ca.35Pca.10P'T56375726 kWQ'ca.35Qca.10Q'T194022366kvar

S'ca.35P'2ca.35Q'2ca.356196kVA

cos'35p'ca.35/S'ca.355726/6196

0.920.9 合乎要求。

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3 电气主接线方案的确定

3.1电气主接线方案确定的必要性

电气主接线的确定对电力系统整体及发电厂，变电所本身运行的可靠性、灵

活性和经济性密切相关，并且对电气设备的选择配电装置选择，继电保护和控制方式的拟定有较大影响，因此，必须正确外理为各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案。

3.2电气主接线方案设计的基本要求及原则 3.2.1设计的基本要求

1、满足对用户供电必要的可靠性和保证电能质量。

2、接线应简单，清晰且操作方便。

3、运行上要具有一定的灵活性和检修方便。 4、具有经济性，投资少，运行维护费用低。 5、具有扩建和可能性。

3.2.2设计主接线的原则

35-10kV配电装置中，一般不设旁路母线，因为重要用户多是双回路供电，

且断路器检修时间短，平均每年约2-3天。如线路断路器不允许停电检修时，可设置其它旁路设施。6—10KV配电装置，可不设旁路母线，对于出线回路数多或多数线路向用户单独供电，以及不允许停电的单母线，分段单母线的配电装置，可设置旁路母线，采用双母线6—10KV配电装置多不设旁路母线。对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥形接线等。若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。

拟定可行的主接线方案2—3 种，内容包括主变的形式，台数以及各级电压配电装置的接线方式等，并依据对主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰差的方案，保留一种较好的方案。

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3.2.3方案的比较

为了保证供电的可靠性，以及考虑变电站所处位置的重要性，35kV电源进线回路应该引自两个不同的地方，这样可也大大提高供电电源的可靠性。故该变电所对负荷采用有备用的双回路供电，即35KV进线为两路架空线进线。

在35kV侧的母线考虑到供电可靠性，变电站的两台变压器通常采用桥式主接线。桥式主接线分为外桥、内桥和全桥三种，如图3-1。

（a）外桥接线（图3-1a）。对变压器的切换方便，比内桥少两组隔离开关，继电保护简单易于过渡到全桥单母线分段的接线，投资少。缺点是倒换线路是操作不凡便，变电站一侧无保护。这种接线适用于进线段倒闸次数少的变电站，或变压器才去经济运行需要经常切换的终端变电站，以及可能发展为有穿越负荷的变电站。

（b）内桥接线（图3-1b）。内桥接线一次侧可设线路保护，倒换线路时方

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（a）外侨接线

（b）内桥接线

（c）全桥接线

便，设备投资与占地面积均比外桥大。缺点是操作变压器和扩建成全桥不方便，所以适用于进线距离较长，变压器切换少的终端变电站。

（c）全桥接线（图3-1c）。在三种接法中全桥接线的适应性强，对线路、变压器的操作均方便，运行灵活，且易于扩建成单母线分段式的中间变电所，其缺点就是设备多、投资大。

根据以上综合考虑，由于该变电站可靠性要求更高，且易于各种保护的设置，所以本变电站的两台主变压器采用全桥接线方式，这样可以保证变压器一台使用一台备用的方式。

对二次侧10KV供电系统的接线方式，考虑到该变电站的电源回路有两回，配合两台主变压器的全桥式接线，更能保证供电的可靠性，如图3-2所示。

采用单母分段（图3-2a），分段开关采用断路器，当某回受电线路或变压器因故障及检修停止运行时，可通过母线分段断路器的联络，继续保证对两段母线上的重要变电所供电。所以多用于一，二级负荷，且进线较多的变电所。

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图3-2 单母分段接线

单母分段使用断路器，可实现自动切换以提高供电的可靠性，并且单母分段比双母分段所用的设备少，系统简单、经济，操作安全。对主要用户，采用双回路或环形供电，对一般回路可采用单回路供电或干线式供电。这样运行灵活，可实现自动切换。

而双母接线（图3-2b）两组母线之间用断路器联络，每一回线路都通多一台断路器和两台隔离开关分别接到两组母线上。因此，不论哪一回线路与哪一组母线同时发生故障，都不影响对用户的供电，可靠性比较高。不过，不过双母线接线所需用的设备投资多，接线复杂，操作安全性较差。

综上所述，从焦南变电站对供电可靠性，操作的方便简单等方面，以及从经济方面考虑，此变电站10kV采用单母分段的接线方式。

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4 短路电流计算

4.1 计算短路电流的必要性

短路电流是供电系统中比较常见，而且危害较大的严重故障。它是指供电系统中不等电位的导电部分在电气上被短路接时的总称。进行短流计算可以为确定系统主接线及运行方式，检验电气设备、继电保护整定，采取限流措施等提供主要数据。

计算短路电流的目的，可归纳为以下几点：

1 作为系统主接线方案比较的项目之一，以便判断哪种主接线方式更能保障供电的安全，可靠，然后再决定系统的主要运行方式。

2 作为校验电气设备的依据，以便确定所选的设备，在发生断路故障时是否会被破坏。

3 确定选择和校验继电保护装置所需的各项参数。 4 根据故障的实际情况，进行故障分析，找出事故的原因。

4.2 短路电流计算方法

无限大容量系统发生三相短路时，只要求出短路电流周期分量有效值，就可计算有关短路的所有物理量。而短路电流周期分量可由电源电压及短路回路的等值阻抗按欧姆定律计算。短路电流的计算方法主要采用有名制法和标幺制法。

4.2.1 有名制法

在企业供电系统中发生三相短路时，如短路回路的阻抗为Rk、Xk，则三相短路电流周期分量的有效值为

IK(3)Uav3RkXk22

式中 Uav— 短路点所在线路的平均额定电压，kV。

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Rk、Xk— 短路点以前的总电阻和总电抗，均已归算到短路点所在处电压等级，Ω。

对于高压供电系统，因回路中各元件的电抗占主要成分，短路回路的电阻可忽略不计，则上式变为

IK(3)Uav 3Xk4.2.2 标么制法

计算具有许多个电压等级供电系统的短路电流是，若采用有名制法计算，必须将所有元件的阻抗都归算到同一电压下才能求出短路回路的总阻抗，从而计算出短路电流，计算过程繁琐并容易出错，这种情况采用标么制法较为简便。

用相对值表示元件的物理量，称为标么制。标么值是指任意一个物理量的有名值与基准值的比值，即

标么值=物理量的有名值/物理量的基准值

标么值是一个相对值，没有单位。在标么制中，容量、电压、电流阻抗（电抗）的标么值分别为

SdSUIX，Ud*，Id*，Xd* SdUdIdXd基准容量（Sd）、基准电压（Ud）、基准电流（Id）和基准阻抗（Xd）亦符合功率方程Sd3UdId和电压方程Ud3IdXk。因此，4个基准值中只有两

个是的，通常选定基准容量和基准电压为给定值，再按计算式求出基准电流和基准电抗，即

IdSd3Ud

Ud2 Xd

Sd基准值的选取时任意的，但是为了计算方便，通常取100MVA为基准容量，取线路平均额定电压为基准电压为给定值，即Sd=100MVA，Ud=Uav=1.05UN。线路的额定电压和基准电压对照值如书上表中所示。

在标么制计算中，取各级基准电压都等于对应电压等级下的平均额定电压，所以各级电压的标么值等于1。即U=Uav和Ud=Uav，U*=1。因此，多电压等级供电

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系统中不同电压级的标么电压都等于1，多有变压器的变比的标么值为1，所以短路回路总标么电抗可直接由各元件标么电抗相加求出，避免了多级电压系统中电抗的换算。这就是标么制法计算简单、结果清晰的特点。

本变电所的短路电流计算采取简单的方法，全部只按照其正常运行情况（也就是全运行，35kV和10kV母线的联络开关断开。）计算短路电流，。不考虑故障时的并列运行情况下的短路。

系统短路电流计算先要画出系统的等效简图，以确定电抗的大小，和确定短路点，其简图如下

图4-1 系统短路等值电抗图

4.2各主要元件的标幺值计算

线路单位长度电抗取值：架空线0.4km，电缆0.08km 最大运行方式系统阻抗：X*s.max =0.12 最小运行方式系统阻抗：X*s.min =0.22 取Sd100MVA

L2线路段基准电压： Ud2Uav10.5kV L1线路段基准电压： Ud1Uav37kV

Sd 变压器阻抗： X *TUk%1.4

SN.T线路L1：X*1X1Sd2.61000.19U2d372实用大全

X16.50.42.6

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L2段各支路阻抗标幺值：

表4-1 各供电对象阻抗标幺值 序阻抗标幺值 序号 1 0.036 2 0.022 3 0.029 4 0.290 5 6 0.360

号 7 8 9 10 11 12

0.435 0.029 0.236 0.470 0.326 0.65 阻抗标幺值

4.2.1 三相短路

三相短路是对称短路。是在最大运行方式下的短路。为求各段电路电流标幺值，先要求出各段电流的基准值。

Id1Sd3Ud1Sd3Ud21000003371.56kA

Id2100000310.55.50kA

（1）K1点短路

Xk1*Xs.min*Xl10.120.190.31

11 Ik1*3.23

Xk1*0.31I(3)kIk1*Id3.231.565.04kA

ish12.555.0412.85kA

Sk11003.23323MVA

（2）K2点短路

Xk2*Xk1*XT0.311.41.71

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Ik2*110.58 Xk*1.71I(3)k2Ik2*Id0.585.503.19kA

ish22.553.198.13kA Sk21000.5858MVA （3）K3点短路

：

 Xk31*Xk2*Xl21*1.710.0361.746

1Ik31*0.57

1.746I(3)k31*Ik31Id25.500.573.14kA

ish312.553.148.01kA Sk311000.5757MVA Xk32*Xk2*Xl22*1.710.0221.732

1Ik32*0.58

1.732I(3)k32Ik32*Id25.500.583.19kA

ish322.553.198.13kA Sk321000.5858MVA

以下计算过程同上，计算结果如表4-2中

4.2.2 两相短路

两相短路为不对称短路。在最小运行方式下的短路。

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图4-2 两相短路的复合序网图

其计算公式如下： I(2)a1

E1E1E1X1X22X12X2下标为1表示正序网络的参数，2表示负序网络参数，下标a1表示a、b、c三相电路中的a相正序网络的参数

（1）K1点短路

E11 (2)*I1.222X10.412I(2)k13I(2)a1*Id11.731.221.563.29kA （2）K2点短路

E11(2) I a1*0.282X11.812I(2)k23I(2)a1*Id21.730.285.52.kA （3）K3点短路 1） I(2)a1(1)*E1*10.2712X11.8462I(2)k3(1)3I(2)a1(1)*Id21.730.2715.5

下标为1表示正序网络的参数，2表示负序网络参数，下标a1表示a、b、c三相电路中的a相正序网络的参数

以下计算二项短路电流过程如上，其结果列于表4-2中

表4-2 短路参数汇总表

三 相 短 三 相 短 路 三 相 短 两 相 短 路电 流 冲 击电 流 路 容 （kA）

5.04 3.19

(kA) 12.85 8.13 3.14 3.19

8.01 8.13

量(MVA)

323 58

57 58

路 电 流

(kA) 3.29 2.

2.59 2.59

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实用大全各 3.19 8.13 58 2.59 企 2.75 7.01 50 2.26 业 3.19 8.13 58 2. 进 2. 6.73 48 2.2 线 2.59 6.60 47 2.15 端

3.19 8.13 58 2.59 k3

2.81 7.17 51 2.31 点

2.53 6.45 46 2.09 2.70 6. 49 2.20 2.31 5. 42 1.93

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5 变电站电气设备选择

5.1 高压电气设备选择的目的及原则 5.1.1电气设备选择的目的

电气设备选择是供电系统设计的主要内容之一，选择是否合理将直接影响整

个供电系统的可靠运行。

5.1.2电气设备选择的一般原则

对各种电气设备的基本要求是正常运行时安全可靠，短时通过短路电流时不致损坏，因此，电气设备必须按正常工作条件进行选择，按短路条件进行校验。

（1） 按正常条件选择 1）环境条件

电气设备在制造上分户内和户外两大类。户外设备的工作条件较为恶劣，各方面要求较高，成本也高。户内设备不能用于户外，户外设备虽可用于户内，但不经济。此外，选择电气设备时，还应根据实际环境条件考虑防水、防火、防腐、防 尘、防爆以及高海拔地区或湿热带地区等方面的要求。

2） 按电网额定电压选择电气设备的额定电压

高压电器设备最高允许运行的电压为（1.1~1.15）%UN，电网最高允许运行的电压为1.1%UNS，即

UNUNS

我国普通电器额定电压标准是按海拔1000m设计的。如果使用在高海拔地区，应选用高海拔设备或采取某些必要的措施增强电器的外绝缘，方可应用。 3） 按最大长时负荷电流选择电气设备的额定电流

电气设备的额定电流IN应不小于通过它的最大长时负荷电流Ilo.m(或计算电流Ica)，即

INIlom

电器设备的额定电流是指规定环境温度为+40℃时，长期允许通过的最

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大电流。如果电器周围环境温度与额定环境温度不符时，应对额定电流值进行修正。当高于+40℃是，每增高1℃，额定电流减小1.8%。当低于+40℃时，每降低1℃，额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。

若已知电气设备的最高允许工作温度，当环境最高温度高于40℃，但不超过60℃时，额定电流按下式修正

al0 INININKal'0

式中al — 设备允许最高工作温度，℃；

'0 — 实际环境年最高空气温度，℃；

0 — 额定环境空气温度，电器设备为40℃，导体为25℃；

al'0K= K — 环境温度修正系数，;

al'0 IN — 实际环境温度下电气设备允许通过的额定电流。

选电气设备时，应使修正后的额定电流IN不小于所在回路的最大长时负荷电流Ilom，即

KINIlom

(2) 按短路情况校验

按正常选择条件选择的电器设备，当短路电流通过时应保证各部分发热温度和所受电动力不超过允许值，因此必须按短路情况进行校验。

1）

热稳定校验

短路电流通过电器设备时，电器的各部件温度（或发热效应）应不超过短时允许发热温度。即

QtsQk

或

或

I tsII2tsttsI2ti

titts式中 Qts—电器设备允许通过的短时热效应，kA2s;

Qk—短路电流产生的热效应，kA2s；

Its—电器设备的额定热稳定电流，kA； tts—电器设备热稳定时间，s；

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I—稳态短路电流，kA； ti—假想时间，s； 2）

动稳定性校验

短路电流通过电器设备时，电器设备各部件应能承受短路电流多产生的机械力效应，不发生变性损坏，即 iesish 或

IesIsh

式中 ies、Ies—电器设备额定动稳定电流峰值及其有效值，kA；

ish、Ish—短路冲击电流峰值及其有效值，kA。

5.2 35kV电气设备选择

(1)高压开关柜的选择

35kV电器设备选择主要是成套高压开关柜的选择。 1)额定电压： UNS35kV

2)额定电流选择：IN >待设计变电站最大长期工作电流Imax。 即IN> Imax =(2×SN )/(3×UN)=(2×5000)/(3×35)=1.96A 3)根据有关资料选用GBC—35型手车式高压开关柜。

GBC—35型手车式高压开关柜用在三相交流50Hz、35kV桥式与单母系统。开关柜由柜体和可拉出手车两部分组成，柜前上部是继电器室、中部为手车室、柜后下部为下隔离开关静触头室，上、下隔离开关的动触头装于手车后部，手车推入柜体，隔离开关便合闸。其技术参数如表5-1

下面对GBC—35型手车式高压开关柜进行校验： 其额定电压为35kV,最高工作电压40.5kV满足要求。

以下校验其主要电气部件：SN10-35型少油断路器、JDJ2-35型电压互感器、LCZ-35电流互感器。

(1) SN10-35型少油断路器

SN10-35型断路器主要技术参数如下：

额定电压：35kV 额定电流：1000A

表5-1 GBC—35技术参数表

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名 称 型号规格 额定电压 最高工作电压 额定电流

参 数 GBC-35 35kV 40.5kV 600A

名 称 固有分闸时间 固有合闸时间 重量 外

型

尺

宽深高

参 数

0.06S 0.12S 1600kg

寸 181820502900（mm）

断流容量 1000MVA 电动操作机构 配电流互感器

CD10型 LCZ-35型

极限通过电流40kVA 峰值

4S热稳定电流

16kA

生产厂家 天津开关厂等

额定开断电流：16kA 额定断流容量：1000MVA 动稳定电流峰值：40kA 4s热稳定电流峰值：16kA

35kV短路容量：Sd3U35Id33512.85=305MVA <10000MVA 合格。

我们从上章短路电流计算汇总表可以看到，各企业短路容量最大为58MVA<305MVA，断路器的短路容量满足要求。

Q最大的imax＝40kA＞ish＝12.85kA

(3)动稳定校验合格。

短路电流假想时间的确定：10kV侧出线过流保护动做时间初定为1.5S，从参数表知其固有分闸时间为0.07S，燃弧时间大约为0.02S，所以假想tj应为1.59S

所以断路器的热稳定电流：

tj1.59 ItsQIk15.043.18kA16kAttsQ4

所以即使保护动作时间更长也能满足要求。

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其热稳定符合要求。 (2)JDJ2-35型电压互感器

JDJ2-35型电压互感器主要技术参数如下：

额定一次电压：35kV 额定二次电压：100V 准确等级：0.5级 额定容量：150VA

最大容量：1000VA

(3)LCZ-35电流互感器

LCZ-35电流互感器主要技术参数如下：

额定一次电流：800A 额定二次电流：5A 准确等级：0.5级

额定二次负荷：50VA（0.5级） 一秒热稳定电流：65 KA 动稳定电流(峰值)：141KA

额定电流：IN> Imax =(2×SN )/(3×UN)=(2×5000)/(3×35)=1.96A 热稳定校验： ItsQIk1tj1.595.043.18kA65kA ttsQ4 满足要求。

校验动稳定：Ish12.85kAImax141kA

符合要求。

GBC-35型手车式高压开关柜内包含了许多设备，列出其简表5-2。

表5-2 GBC—35型手车式高压开关柜内装主要电器元件表

一次编号

07

15

77

101 203

1个 1个 3个

SN10-35型少油断路器 CD-10型电磁操作机构 LCZ-35电流互感器 JDJ2-35型电压互感器 RN2-35型熔断器

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1个

1个 1个 3个 6个

2个 2个

3个

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HY5WZ-35型避雷器 JS-8型放电记录器

3个 3个

S6-50/35型所用变压器 1个

架空进线柜：07； 主变压器柜：15； 电压互感器：77； 避雷器柜：； 所用变压器柜：101；左右联络柜：203

图5-1 一次线路方案

其一次接线图如图5-1

根据供电系统图确定所需的用电柜列表如下：

表5-3 35kV所用到的GBC-35柜

GBC-35 名 称

一次线路方案

架空主变电压避雷所用左右进线压器互感器柜变压联络柜07 柜15 器柜

77

数 量 2

2

2

器柜柜101 2

203 1

避雷器和电压互感器装在同一柜里。 （2）35kV避雷器选择。

选择阀型避雷器安装在35kV架空进线的架空地线两端。主要是保护架空进

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线。其技术参数见表5-4。

表5-4 35kV避雷器参数表

名称 型号规格 系统电压 工频放电电压

参 数

名 称

参 数 134kV 18

HY5WZ-42 最大冲击残压 35kV

伞裙数

直径高

80kV

外型尺寸 150700

mm 20kg

额定电压 42kV 单相重量

5.3 10kV电气设备选择

(1)高压开关柜选择。 1)额定电压：UNS10kV

2)额定电流选择：IN >待设变电所最大长期工作电流Imax。 即IN> Imax =(2×SN )/(3×UN)=(2×5000)/(3×10)=577.37A 3)根据有关资料选用GBC—35型手车式高压开关柜。

这里我们选择JYN4-10型手车式开关柜，其组成与GBC—35型手车式高压

表5-5 JYN4-10技术参数表

型号规格 额定电压 最高工作电压 额定电流

参 数 JYN4-10 10kV 12kV 2000A

固有分闸时间 固有合闸时间 重量 外型尺寸

宽深高

参数

0.07S 0.2S 1600kg

100022002200（mm） CD10型 LAJ-10W1型 沈阳开关厂等

开断电流 31.5kA 电动操作机构 配电流互感器 生产厂家

极限通过电流峰值 130kA 4S热稳定电流

40kA

开关柜一样。区别在于所用电压等级不同，设备不同。其技术参数如表5-5 下面对JYN4-10型手车式高压开关柜进行校验： 其额定电压为10kV,最高工作电压12kV满足要求。

以下校验其主要电气部件：SN10-10型少油断路器、LAJ-10电流互感器、

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JSJW-10型电压互感器。

(1)SN10-35型少油断路器

SN10-10型断路器主要技术参数如下：

额定电压：10kV 额定电流：1000A 额定开断电流：16kA 额定断流容量：1000MVA 动稳定电流峰值：40kA 2s热稳定电流峰值：16kA 固有分闸时间：0.07S

其短路容量：Sd3U10I(3)d31016277MVA

我们从上章短路电流计算汇总表可以看到，各企业短路容量最大为58MVA<277MVA，断路器的短路容量满足要求。

最大的imax＝40kA＞ish＝8.13kA

动稳定校验合格。

短路电流假想时间的确定：10kV侧出线过流保护动做时间初定为1.5S，从参数表知其固有分闸时间为0.07S，燃弧时间大约为0.02S，所以假想tj应为1.59S

所以断路器的热稳定电流：

tj1.59 ItsQI(3)k23,192.01kA16kAttsQ4所以即使保护动作时间更长也能满足要求。热稳定符合要求 (2)JSJW-10型电压互感器

JSJW-10型电压互感器主要技术参数如下：

额定一次电压：10kV 额定二次电压：100V 准确等级：0.5级 额定容量：120VA 最大容量：960VA

(3)LAJ-10电流互感器

LAJ-10电流互感器主要技术参数如下：

额定一次电流：800A

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额定二次电流：5A 准确等级：0.5级

额定二次负荷： 50VA（0.5级） 一秒热稳定电流：50 KA 动稳定电流(峰值)：90KA

额定电流：IN> Imax =(2×SN )/(3×UN)=(2×5000)/(3×10)=577.37A 热稳定校验：ItsQIk2 满足要求

校验动稳定：Ish8.13kAImax90kA 符合要求

JYN4-10型手车式高压开关柜内包含了其他电气设备，下面列出其简表5-6。

表5-6 JYN4-10型手车式高压开关柜内装主要电器元件表

tjttsQ3.191.592.0150kA 4一次编号

07

05

12

13

16

SN10-10型少油断路器 1个 1个 1个 1个 1个 CD-10型电磁操作机构 1个 1个 1个 1个 1个 LAJ-10电流互感器

2个 3个 2个 3个 2个

1个 3个 3个 3个

JSJW-10型电压互感器 RN2-10型熔断器 HY5WZ-10型避雷器 JS-8型放电记录器 其一次接线如图5-2

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电缆出线柜：02；左右联络柜：05（向左）、07（向右）；架空出线柜：12；架空进线柜：13；电容器柜：16； 电压互感器柜：。

图5-2 一次接线方案

（2）10kV避雷器选择。

选择阀型避雷器安装在10kV架空出线处，主要是保护架空出线。其技术参数见下表5-7。

表5-7 35kV避雷器参数表

名称 型号规格 系统电压 工频放电电压

参 数

名 称

参 数 50kV 5

HY5WZ-12.7 最大冲击残压 10kV

伞裙数 外型尺寸

直径高

26.5kV

150200

mm 5kg

额定电压 12.7kV 单相重量

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5.4 35kV输电线及母线的选择

当变电所是室外布置时，35kV输电线和母线一般选同样型号的架空线即可。而

室内布置则以选矩型铝母线为多。摘

35kV变电所是一城区变电所，且长时负荷电流也不大，所以这里选用矩型铝母线即可。而输电线则选架空线，考虑其机械强度和其他因数，选LGJ（钢芯铝绞线）。

5.4.1 35kV输电线选择

35kV变电所供电对象以两班制的企业为主。有少部分的农村用电，其一般作为一班制。所以最大负荷利用小时数应为：30005000小时。在确定最大负荷利用小时数后，可以查电工手册，得出经济电流密度，初步选择架空线的截面。

35kV进线是双回路进线。在计算时，我们是按照双回路运行，每回承担一半负荷来考虑经济电流密度的。当初选后，再按一路停运一路运行来校验其允许电流、电压损失和机械强度。所以其最大利用小时数应看作是3000小时以下来查经济电流密度。

（1）按经济电流密度选择导线截面 从电工手册上查得Jec1.65A/mm2

SecImax104.563.3mm2 Jec1.652初选其截面为70mm。型号为LGS70 （2）按长时允许电流校验

由电工手册查得其载流量约为275A，远大于35kV进线的长期负荷电流104.5A。不再进行温度等其他的修正。

长时允许电流满足要求。 （3）按允许电压损失校验

一般允许的电压损失占总的5%。对于35kV来说，即损失的电压小于1750V合格。r0和x0均由电工手册查得。

U实用大全

l6500(59070.43222740.382)(Pr0Qx0)635V 3UN3510标准文档

允许电压损失合格。 （4）按机械强度校验。

对于6～35kV架空线路在居民区截面不小于25mm即合格。 所以机械强度校验合格。

25.4.2 35kV母线选择

母线采用平放动稳定性好，散热条件较差。本章前面已选好母线为矩型铝母线。下面具体选择其型号。

（1） 按长时工作电流选择截面

35kV长时负荷电流不大，但其短路电流稳定值和冲击值都挺高，考虑到热稳定性和动稳定性，初选母线的截面应偏大。这里选 LMY 404。其长时允许电流约为480A，远大于104.5A。不再进行温度等修正。

（2） 母线动稳定校验

母线的中心距a25cm，柜宽1818mm, 柜间距18mm。 所以母线所受的最大电动力:

L1.836F0.712i2sh0.17212.582209N

a0.25母线所受的最大弯距：

FL 10FL2091.836M38Nm

1010M母线计算应力：

jMM3862236106Nm2 Wbh/6100.004铝材料允许应力y动稳定合格。

68.6106N/m2，yj。

（3） 母线热稳定校验

母线截面只要大于其最小热稳定截面，即合格。

热稳定系数C约为95 ，上一级过流保护动做时间为2.5S。断路器分闸时间0.06S，燃弧时间约为0.02S

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SminI(3)k1tjC50402.5885mm2

95S160mm285mm2

热稳定合格

5.5 10kV母线的选择

10kV母线一般选用矩型铝母线。电缆的长时允许电流与电缆的敷设方式及根数有关。一般选用油浸纸绝缘高压电缆。10kV一般选铝绞线。在本章前面有提到：是双回路架空线进线的，在计算时，按照双回路运行，每回承担一半负荷来考虑经济电流密度的。

按长时工作电流选择截面

初选 LMY505，其长时负荷电流632A。由给出的资料知，最热月室内最高气温月平均mn30C。进行温度修正：

Iy707030632632594A

70257025 Ica366AIy 符合要求。 母线动稳定校验 母线的中心距a25cm，柜宽1000mm, 柜间距18mm。

所以母线所受的最大电动力:

L1.018 F0.712i2sh0.7128.13246Na0.25母线所受的最大弯距：

FL461.018M4.68Nm1010母线计算应力：

MM4.68622j22.2510N/m

Wbh60.0520.005实用大全

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铝材料允许应力y动稳定合格。

68.6106N/m2，yj。

母线热稳定校验

热稳定系数C约为95 ，考虑最坏情况，过流保护动作才切断其短路电流，过流保护动做时间为1.5S。断路器分闸时间0.07S，燃弧时间约为0.02S

tj31901.59 SminI(3)k242mm2C95S250mm242mm2 热稳定合格

6 变电站的防雷与接地设计

变电所是电力系统的中心环节，是电能供应的来源，一旦发生雷击事故，将造成大面积的停电，而且电气设备的内绝缘会受到损坏，绝大多数不能自行恢复并严重影响国民经济和人民生活，因此，要采取有效的防雷措施，保证电气设备的安全运行。

避雷针、避雷器是变电所屋外配电装置和所区电工建筑物防护直击雷过电压的主要措施。变电所借助屋外配电装置架构上的避雷针和避雷针共同组成的保护网来实现，主控制室和屋内配电要采用屋顶上的避雷带。

6.1直击雷的过电压保护

装设避雷针，为防止雷直击变电设备及其架构、电工建筑物，其冲击接地电阻不宜超过10欧，为防止避雷针落雷引起的反击事故，避雷针与配电装置架构之间的空气中的距离SK不宜小于5m，避雷针的接地装置与接地网之间的地中距离Sd应大于3m。

35kV、ll0kV配电装置：在架构上装设避雷针，将架构支柱主钢筋作引下线接地。

主变压器装设避雷针

各电压等级母线桥：装设避雷针。

主控制楼：屋内配电装置钢筋焊接组成接地网，并可靠接地。

6.2 雷电侵入波的过电压保护

对入侵波防护的主要措施：

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变电所内必须装设避雷器以雷电波入侵时的过电压，在35kV靠近变电所l-2kM的进线上架设避雷线，其耐雷水平分别不应低于30kA和75kA保护角在25°和30°范围内，冲击接地电阻在l0Ω左右，以保证大多数雷电波只在此线段外出现，即设置进线段保护。对于三绕组变压器，应在低压侧任一相绕组对地加装一个避雷器，对于变压器中性点保护，因中性点为直接接地，变压器为分级绝缘。其绝缘水平为35kV等级，需在中性点上装避雷器。

6.3 避雷器的配置

(1)进出线设备外侧； (2)所有母线上；

(3)变压器高压侧，尽量靠近变压器； (4)变压器低压侧为Δ时，只装在B相； (5)主变压器中性点，按其绝缘水平等级选设；

6.4 避雷线的配置

(1)35kV雷电日较高应全长架设避雷线；

(2)10-35kV，一般设1-2kM的进线段保护，以降低雷电波的陡度。

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参 考 文 献

[1] 陈珩.《电力系统稳态分析》（第三版）. 中国电力出版社 [2] 夏道止.《电力系统分析》.中国电力出版社

[3] 李光琦.《电力系统暂态分析》（第三版）.中国电力出版社 [4] 孟祥萍.《电力系统分析》.高等教育出版社

[5] 水利水电部 电力工程电气设计手册 水利水电出版社 1987 [6] 阎治安.《电机学》.西安交通大学出版社

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