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kV变电站课程设计

广西大学

课程设计论文

课题110kV变电站

电气一次部分初步设计

学院广西大学行健文理学院

专业年级电气工程及其自动化X级X班

学号103817XXXX

姓名FM

指导教师

完成时间2018年12月30日

目录

一、引言 -2-

1.1 变电站的作用 -2-

1.2 变电站设计的主要原则和分类 -3-

二、设计相关资料-4-

2.1、本站与系统互联的情况-4-

2.2、相关负荷情况-4-

三、电气主接线设计及主变压器的选择-5-

3.1 变电站电气主接线的设计原则-5-

3.2主变压器的选择-6-

3.3 电气主接线选择 -8-

四、短路电流计算-11-

4.1 短路的危害 -11-

4.2 本变电站短路电流计算-11-

五、主要电气设备的选择-15-

5.1断路器及校验-15-

5.2隔离开关-18-

5.3母线选择与校验-20-

5.410KV电缆的选择与校验-22-

5.5电压互感器选择-23-

5.6电流互感器选择-23-

六、主要参考文献、资料：

-24-

七、110KV降压变电站电气主接线-25-

一、引言 

1.1 变电站的作用 

一、变电站在电力系统中的地位 

电力系统是由变压器、输电线路、用电设备组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。

电力系统中的这些互联元件可以分为两类，一类是电力元件，它们对电能进行生产<发电机）、变换<变压器、整流器、逆变器）、输送和分配<电力传输线、配电网），消费<负荷）；另一类是控制元件，它们改变系统的运行状态，如同步发电机的励磁调节器，调速器以及继电器等。

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。

变电所根据它在系统中的地位，可分为下列几类：

<1）枢纽变电站；位于电力系统的枢纽点，连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个电源，电压为330—500kv的变电站，成为枢纽，全所停电后，将引起系统解列，甚至出项瘫痪。

<2）中间变电站：

高压侧以交换潮流为主，其系统变换功的作用。

或使长距离输电线路分段，一般汇聚2—3个电源，电压为220—330kv，同时又降压供当地供电，这样的变电站起中间环节的作用，所以叫中间变电站。

全所停电后，将引起区域电网解列。

<3）地区变电站：

高压侧一般为110—220kv，向地区用户供电为主的变电站，这是一个地区或城市的主要变电站。

全所停电后，仅使该地区中断供电。

<4）终端变电站：

在输电线路的终端，接近负荷点，高压侧的电压为110kv，经降压后直接向用户供电的变电站，即为终端变电站。

全所停电后，只是用户受到损失。

二、电力系统供电要求 

<1）保证可靠的持续供电：

供电的中断将使生产停顿，生活混乱，甚至危及人身和设备的安全，形成十分严重的后果。

停电给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失。

因此，电力系统运行首先足可靠、持续供电的要求。

<2）保证良好的电能质量：

电能质量包括电压质量，频率质量和波形质量这三个方面，电压质量和频率质量均以偏移是否超过给定的数来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定电压的正负5%，给定的允许频率偏移为正负0.2—0.5%HZ等，波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。

所有这些质量指标，都必须采取一切手段来予以保证。

<3）保证系统运行的经济性：

电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗占的比重约为1/3 ，而且在电能变换，输送，分配时的损耗绝对值也相当可观。

因此，降低每生产一度电能损耗的能源和降低变换，输送，分配时的损耗，又极其重要的意义。

1.2 变电站设计的主要原则和分类 

变电站设计的原则是：

安全可靠、技术先进、投资合理、标准统一、运行高效、，努力做到统一性与可靠性、先进性、经济性、适应性、灵活性、时效性和和谐性的协调统一。

1. 统一性：

建设标准统一，基建和生产标准统一，外部形象提醒公司企业的文化特征。

2. 可靠性：

主接线方案安全可靠。

3. 经济性，按照利益最大化原则，综合考虑工程初期投资与长期运行费用，追求设备寿命期内最佳经济效益。

4. 先进性：

设备选型先进合理，占地面积小，注重环保，各项技术经济可比指标先进。

5. 适应性：

综合考虑不同地区的实际情况，要在系统中具有广泛的适应性，并能在一定时间内对不同规模，不同形式，不同外部条件均能适应。

6. 灵活性：

规模划分合理，接口灵活，组合方案多样，规模增减方便，能够运行于不同的情况环境下。

7. 时效性：

建立滚动修改机制，随着电网的发展和技术的进步，不断更新、补充和完善设计。

8. 和谐性：

变电站的整体状况与变电站周边人文地理环境相协调 。

变电站设计的分类按照变电站标准方式、配电装置型式和变电站规模3个层次进行划分。

（1）按照变电站布置方式分类。

110kv变电站分为户外变电站、户内变电站和半地下变电站3类。

在变电站设计中，户外变电站是指最高电压等级的配电装置、主变布置在户外的变电站；户内变电站是指配电装置布置在户内，主变布置在户内、户外或者户内的变电站。

半地下变电站是指主变布置在地上，其它主要电气设备布置在地下建筑内的变电站；地下变电站是指主变及其他主要电气设备布置在地下建筑内的变电站。

（2）按配电装置型式分类。

110kv配电装置可再分为常规敞开式开关设备和全封闭式组合电气2类进行设计。

（3）按变电站规模进行分类。

例如户外AIS变电站，可按最高电压等级的出线回路数和主变台数、容量等不同规模分为终端变电站、中间变电站和枢纽变电站。

二、设计相关资料

2.1、本站与系统互联的情况

该变电站通过双回110kV线路与100公里以外的系统相连接，系统容量为1250MVA，系统最小电抗<即系统的最大运行方式）为0.2<以系统容量为基准），系统最大电抗<即系统的最小运行方式）为0.3。

2.2、相关负荷情况

<1）10kV部分的最大负荷

电压等级

负荷名称

容量

负荷性质

线路类型

距离

10kV

901线

2.8

1

架空线

1.5

902线

3.2

2

电缆

1.1

903线

2.4

2

架空线

2.2

糖厂

1.3

2

架空线

1.8

机械厂

0.9

3

架空线

2

市政

1.1

3

架空线

1.6

<2）35kV部分的最大负荷

电压等级

负荷名称

容量

负荷性质

距离

35kV

301线

9.2

1、2

10

302线

10.3

1、2

9.5

303线

7.5

3

11

304线

8

3

8.5

三、电气主接线设计及主变压器的选择

电气主接线又称为一次接线或电气主系统，代表了发电厂和变电站电气部分的主体结构，直接影响着配电装置的布置、继电保护装置、自动装置和控制方式的选择，对运行的可靠性、灵活性和经济性起决定性的作用。

3.1 变电站电气主接线的设计原则

1、接线方式：

对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能采用断路器较少的或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥型接线等。

若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。

在110—220kV配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥型接线，当出线不超过4回时，一般采用单母线接线，在枢纽变电站中，当110—220kV出线在4回及以上时，一般采用双母线接线。

在大容量变电站中，为了限制6—10kV出线上的短路电流，一般可采用下列措施：

1）变压器分列运行。

2）在变压器回路中装置分裂电抗器。

3）采用低压侧为分裂绕组的变压器。

4） 出线上装设电抗器。

2、断路器的设置：

根据电气接线方式，每回线路均应设有相应数量的断路器，用以完成切、合电路任务。

3、为正确选择接线和设备，必须进行逐年各级电压最大最小有功和无功电力负荷的平衡。

当缺乏足够 的资料时，可采取下列数据：

1） 最小负荷为最大负荷的60—70%，如主要农业负荷时则取20—30%；

2）负荷同时率取0.85—0.9；

当馈线在三回以下且其中有特大负荷时，可取0.95—1；

3）功率因数 一般取0.8；

4）线损平均取5%。

3.2主变压器的选择

主变容量一般按变电站建成近期负荷5～10年规划选择，并适当考虑远期10～15年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，从长远利益考虑，根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合确定。

在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。

装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。

1） 相数 

容量为300MW及以下机组单元接线的变压器和330kV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。

因为单相变压器组相对投资大，占地多，运行损耗也较大。

同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。

2）绕组数与结构 

电力变压器按每相的绕组数为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。

在发电厂或变电站中采用三绕组变压器一般不多于3台，以免由于增加了中压侧引线的构架，造成布置的复杂和困难。

3）绕组接线组别 

变压器三绕组的接线组别必须和系统电压相位一致。

否则，不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接有星形“Y”和三角形“D”。

在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列以要求限制3次谐波对电源等因素。

根据以上原则，主变一般是Y，D11常规接线。

4）调压方式 

为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内，通过主变的分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数。

从而改变其变比，实现电压调整。

切换方式有两种：

一种是不带电切换，称为无激磁调压。

另一种是带负荷切换，称为有载调压。

通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压。

因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220kV及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况时使用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况定。

5）冷却方式 

电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。

根据以上变压器选择原则，结合原始资料提供的信息，分析后决定本变电站用2台三相三绕组的变压器，并采用YN，yn0,d11接线。

由原始资料可知，P10=11.7MW，S35=35MVA

设负荷同时率系数K1取0.85，线损平均取5%，即K2=1.05，功率因数cosφ取0.8。

则10kV和35kV的综合最大负荷分别为：

S10MAX=K1K2P10/cosφ=0.85×1.05×11.7÷0.8=13.05

S35MAX=K1K2S35=0.85×1.05×35=31.24

每台变压器额定容量为：

SN=0.6SM=0.6

由此查询变电站设计参考资料选得的变压器参数如下表：

型号及容量KVA

额定电压高/中/低kV

损耗

阻抗电压<%）

空载电流<%）

综合投资<万元）

空载

短路

高-中

高-低

中-低

高-中

高-低

中-低

SFSL7-31500/110

121/38.5/11

46

207

207

165

18

10.5

6.5

1

32.86

检验：

当一台主变不能正常工作时，只有一台主变工作且满载则，S1=31500KVA,占总负荷的百分比为31.5/44.24=71.20%，且还未计及变压器事故过负荷40%的能力，所以所选变压器满足要求。

则本变电站基础框架如下图：

3.3 电气主接线选择 

依据原始资料，经过分析，根据可靠性、灵活性和经济性的要求，得到以下方案：

高压侧<110kV侧）有2回进线，采用单母线分段接线方式；

中压侧<35kV侧）有4个负荷，其中2个为一类负荷，初期设计需6回出线，最终可拓展2回备用，共8回出线，可以采用双母线接线方式、单母线分段接线方式；

低压侧<10kV侧）有6个负荷，其中1个为一类负荷，初期设计需7回出线，最终可拓展3回出现，共10回出线，可以采用单母线分段接线方式。

如下图，现对35kV侧的2种接线方案进行比较：

方案一：

方案二：

方案一：

双母线接线方式

优点：

供电的可靠性高，调度灵活，扩建方便，便于检修和实验。

缺点：

使用设备器件多，特别是隔离开关，接线也较复杂，配电装臵复杂，投资较多，经济性较差，且操作复杂，运行人员在操作中容易发生误操作。

适用范围：

出线带电抗器的6～10kV出线；35～60kV出线超过8回或连接电源较多，负荷较大时；110～220kV出线超过5回时。

方案二：

单母线分段接线方式

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、当一段母线故障时，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电，故障时停电范围小，供电的可靠性提高。

3、扩建时需向两个方面均衡扩建。

4、接线简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，为以后的发展和扩建奠定了基础。

缺点：

1、当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时，该母线的回路都要在检修期间停电。

2、当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越。

适用范围：

适用于6～10kV线路出线16回及以下，每段母线所接容量不宜超过25MW；35～60kV线路出线4～8回；110～220kV线路出线少于4回时。

分析：

本次设计中35KV侧有2个一类负荷，出线需要为双回路才能保证其可靠性，用方案二会使架空线路出现交叉跨越，总共设计出现才8回，若用方案一不仅经济性差，而且占地广，加上该电压测负荷量不是很大，共35MVA，所以综合考虑用方案二，即35kV线路用单母线分段接线方式。

最终各电压侧接线方式确定方案如下表：

电压等级

负荷名称

负荷性质

接线方式

进/出线回数

110kV

系统电源

单母线分段

进2回

2回

35kV

301线

1、2

单母线分段

出2回

8回

302线

1、2

出2回

303线

3

出1回

304线

3

出1回

备用

出2回

10kV

901线

1

单母线分段

出2回

10回

902线

2

出1回

903线

2

出1回

糖厂

2

出1回

机械厂

3

出1回

市政

3

出1回

备用

出3回

在设计电气主接线时，将35kV、10kV系统用户负荷比较均衡的分配给I、II段母线，并将其I类负荷用户分接于两段母线上，以减少事故对重要用户的影响。

本变电站最终确定接线方式如图：

四、短路电流计算

4.1 短路的危害 

<1）通过故障点的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。

<2）短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起他们的损坏或缩短他们的使用寿命。

<3）电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。

<4）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至整个系统瓦解。

4.2 本变电站短路电流计算

用标幺值进行计算，基准容量SB=100MVA，线路每相每公里电抗值X0=0.4Ω/km基准电压UB取各级的平均电压，平均电压为1.05额定电压：

额定电压

110

35

10

平均电压

115

37

10.5

由于本变电站所用三绕组变压器为降压变压器，所以其各电压侧阻抗电压正好与变压器铭牌标示的相反，即：

阻抗电压%

Ud1-2%

Ud1-3%

Ud2-3%

10.5

18

6.5

系统等值网络图如下：

其中，三绕组变压器电抗标幺值：

UT11%=UT21%=1/2

UT12%=UT22%=1/2

UT13%=UT23%=1/2

则：

XT11*=XT21*=UT11%/100·SB/SN=11÷100×100÷31.5＝0.3492

XT12*=XT22*=0

XT13*=XT23*=UT13%/100·SB/SN=7÷100×100÷31.5＝0.2222

线路的电抗标幺值：

XL1*=XL2*=X0·l·SB/UB2=0.4×100×100÷1152=0.3025

系统电抗标幺值，由于要求三相短路电流，所以用最大运行方式下的系统电抗：

XS*=XSmin·SB/SS=0.2×100÷1250=0.016

由此得到含短路点的等值网络简化图如下：

1）110kV侧

等值网络图如下：

此时短路点总电抗标幺值为：

X∑110*=XS*+XL*=0.016+0.3025÷2=0.16725

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS110=X∑110*·SS/SB=0.16725×1250÷100=2.09

通过查“水轮发电机运算曲线数字表”得：

I（0>“*=0.509I（1>“*=0.525I（2>“*=0.525I（4>“*=0.525

110kV侧的基准电流为：

IB110=SS/√3UB110=1250÷√3÷115=6.28

短路电流有名值为：

I（0>“=I（0>“*·IB110=0.509×6.28=3.20

I（1>“=I（1>“*·IB110=0.525×6.28=3.30

I（2>“=I（2>“*·IB110=0.525×6.28=3.30

I（4>“=I（4>“*·IB110=0.525×6.28=3.30

冲击电流为：

icj=2.55·I（0>“=2.55×3.20=8.16

2）35kV侧

等值网络图如下：

此时短路点总电抗标幺值为：

X∑35*=XS*+XL*+XT1*+XT2*=0.016+0.3025÷2+（0.3492+0>÷2=0.34185

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS35=X∑35*·SS/SB=0.34185×1250÷100=4.27>3.45

当XBS>3.45时，求短路电流不用查表法，用倒数法：

I“*=I∞*=1/XBS35=1÷4.27=0.2342

35kV侧的基准电流为：

IB35=SS/√3UB35=1250÷√3÷37=19.51

短路电流有名值为：

I“=I“*·IB35=0.2342×19.51=4.57

冲击电流为：

icj=2.55·I“=2.55×4.57=11.65

2）10kV侧

等值网络图如下：

此时短路点总电抗标幺值为：

X∑10*=XS*+XL*+XT1*+XT3*=0.016+0.3025÷2+（0.3492+0.2222>÷2=0.45295

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS10=X∑10*·SS/SB=0.45295×1250÷100=5.66>3.45

当XBS>3.45时，求短路电流不用查表法，用倒数法：

I“*=I∞*=1/XBS10=1÷5.66=0.1767

10kV侧的基准电流为：

IB10=SS/√3UB10=1250÷√3÷10.5=68.73

短路电流有名值为：

I“=I“*·IB10=0.1767×68.73=12.14

冲击电流为：

icj=2.55·I“=2.55×12.14=30.96

最终本变电站短路电流计算结果如下表：

短路点

系统最大运行方式下的三相短路电流

0s短路电流

1s短路电流

2s短路电流

4s短路电流

稳态短路电流

冲击电流

K1<110KV）

3.20

3.30

3.30

3.30

8.16

K2<35KV）

4.57

11.65

K3<10KV）

12.14

30.96

五、主要电气设备的选择

5.1断路器及校验

目前，使用得最多的是少油断路器，六氟化硫断路器和空气断路器。

1、110KV断路器选择：

1）电压Ug<电网工作电压）≤UN<断路器额定电流）；

UN≥110kV

2）电流IgMAX<最大工作电流）≤IN<断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/√3UN=44.29MVA÷√3÷110kV=232.49A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥3.20kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥8.16kA

由以上条件查“35~500kV高压断路器技术数据表”选出断路器如下：

型号

额定电压

额定电流

开断容量

额定开端电流

极限通过电流

热稳态电流

固有分闸时间

合闸时间

峰值

4s

SW3-110G/1200

110

1200

3000

15.8

41

15.8

0.07

0.4

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由上表，断路器分闸时间为0.07s，设过流保护动作时间2s，则t=0.07+2=2.07

β=I“/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

则：

I∞2tdZ=3.302×1.67=18.19，It2t=15.82×4=998.56＞18.19

所以所选择的断路器满足要求。

2、35kV断路器选择：

1）电压Ug<电网工作电压）≤UN<断路器额定电流）；

UN≥35kV

2）电流IgMAX<最大工作电流）≤IN<断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/√3UN=31.24MVA÷√3÷35kV=515.33A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥4.57kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥11.65kA

由以上条件查“35~500kV高压断路器技术数据表”选出断路器如下：

型号

额定电压

额定电流

开断容量

额定开端电流

极限通过电流

热稳态电流

固有分闸时间

合闸时间

峰值

有效值

4s

SW2-35/600

35

600

400

6.6

17

9.8

6.6

0.06

0.12

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由