110KV10KV保税区变电站一次系统设计.docx
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110KV10KV保税区变电站一次系统设计
发电厂电气部分课程设计
题目：
110KV10KV保税区变电站一次系统设计
学院：
自动化工程学院
专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
姓名：
2011年9月8日
第一章任务书
一、设计要求
（1）建立工程设计的正确观点，掌握电力系统设计基本原则和方法。
（2）培养独立思考、解决问题的能力。
（3）学习使用工程设计手册和其他参考书的能力，学习撰写工程设计说明书。
二、原始资料
（1）110KV进线2回。
分别从岛开甲线和岛开乙线上引接；10KV出线16回;
（2）工程建设规模：
主变压器2台，容量均为40MVA，年最大负荷利用小时数均为6000h电压等级110KV/10KV;
（3）系统短路容量（根据市局计划处调度所的资料）：
两台变压器分裂运行时110KV母线三相最大短路容量为500MVA,10KV母线最大短路容量为385MVA。
三、设计任务
（1）为该变电所设计出电气主接线图；（包括电压互感器和电流互感器的配置，站用变压器的引接也要有所体现）
（2）选择主变压器的型号；
（3）选择主变压器出口断路器和隔离开关（110KV侧）；
（4）利用经济电流密度选择变压器出口母线；
（5）选择10KV出线的断路器和隔离开关；
（6）选择电压互感器和电流互感器的型号。
（各选一个即可）
第二章主接线设计方案
第一节主接线的设计原则
一．主接线的设计依据
A.负荷大小的重要性。
B.系统备用容量大小。
（1）运行备用容量不宜少于8-10%，以适应负荷突变，机组检修和事故停运等
情况的调频需要。
（2）装有两台及以上的变压器的变电所，当其中一台事故断开时，其余主变压
器的容量应保证该变电所60%~70%的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证车间的一、二级负荷供电。
二．主接线的基本要求
电气主接线应满足可靠性、灵活性、经济性三项基本要求，其具体要求如下：
A、可靠性
安全可靠是电力生产和分配的首要要求,保证供电的可靠性是电气主接线最基本的要求。
主接线可靠性的基本要求通常包括以下几个方面：
（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电；
（2）线路、断路器、母线故障时，尽量减少停电回路数和停电时间；
（3）母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停电回路数和停电时间；
（4）保证对全部的I类负荷和大部分II类负荷的供电；
（5）尽量避免发电厂或变电所全部停电的可能性；
（6）大型机组突然停运时，不应危及电力系统稳定运行。
B、灵活性
电气主接线能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。
灵活性主要包括以下几个方面：
（1）调度时，应可以灵活地投入和切除电源、变压器和线路，调配电源和负荷，满
足系统在事故运行方式，检修运行方式以及特殊运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。
（2）检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而
致影响电力网的运行和对车间的供电。
（3）扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。
在不影响连续供电或停运时
间最短的情况下，投入新装机组，变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和
二次部分的改建工作最少。
C、经济性
主接线满足可靠，灵活性要求的前提下做到经济合理。
（1）节省一次投资。
主接线应力求简单，经节省断路器、隔离开关、电流和电压互
感器、避雷器等一次设备；要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二
次设备和控制电缆。
要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电
器；如能满足系统的安全运行及继电保护要求，35kV及其以下终端或分支变电
所可采用简易电器。
（2）占地面积少：
主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少。
（3）电能损失少：
经济合理地选择主变压器的种类（双绕组、三绕组或自耦变压器）、
容量、数量，要避免因两次变压而增加的电能损失。
第二节主接线的设计和论证
依据变电站的性质可选择单母线接线、单母线分段接线、双母线接线、双母线分段接线等四种主接线方案，下面逐一论证其接线的优缺点。
一：
单母线接线
A：
单母线接线
特点就是整个配电装置只有一组母线，每个电源和引出线都经过开关电器接到同一组母线上，如下图：
其优点为接线简单、清晰、采用的电气设备少，比较经济，操作简单方便，便于扩建，缺点是母线和隔离开关检修或发生故障时，必须断开全部电源，是整个配电装置停电。
B：
单母线分段
优点：
（1）具有单母线接线简单、清晰、方便、经济、安全等优点。
（2）与不分段的单母线相比供电可靠性高，母线或母线隔离开关检修或故障时
的停电范围缩小了一半。
与用隔离开关分段的单母线接线相比，母线或母线隔离开关短路时，非故障母线段可以实现完全不停电，而后者则需短时停电。
（3）运行比较灵活。
分段断路器可以接通运行，也可断开运行。
（4）可采用双回线路对重要用户供电。
方法是将双回路分别接引在不同分段母线上。
缺点：
（1）任一分段母线或母线隔离开关检修或故障时，连接在该分段母线上的所有进出回路都要停止工作，这对于容量大、出线回路数较多的配电装置仍是严重的缺点。
（2）检修任一电源或出线断路器时，该回路必须停电。
这对于电压等级高的配电装置也是严要缺点。
因为电压等级高的断路器检修时间较长，对用户影响甚大。
单母线分段数目取决于电源数量和容量。
段数多，故障时停电范围小，但是分段断路器数量多投资大；通常取2~3段为宜。
单母线分段接线适用范围：
6~10kV小容量发电厂或者变电所
C、单母线分段带旁路母线的接线
为了在检修线路断路器时，不中断对该线路的供电，可以增设旁路设施，包括旁路开关电器和旁路母线。
这种接线不宜用于进出线回路多的情况下使用。
旁路断路器的设置方式：
方案1：
设置专门的旁路断路器
方案2:
分段断路器兼作旁路断路器
方案3:
旁路断路器兼作分段断路器
图三：
设置专门的旁路断路器图四：
分段断路器兼旁路断路器图五：
旁路断路器兼作分段断路器
旁路母线的设置原则：
（1）35~60KV配电装置采用单母线分段接线时，且断路器无条件停电检修时，可设置不带专用旁路断路器的旁路母线。
（用分段断路器兼作旁路断路器）
（2）35~60KV配电装置采用双母线接线时，不宜设置旁路母线，有条件时，可以设置旁路隔离开关，检修时，用母联断路器代替待检修的断路器。
三、双母线接线
为了克服单母线分段接线的缺点，发展了双母线接线。
按每一回路所连接的断路器数目不同，双母线接线有双母线接线、双母线分段接线、双母线带旁路母线接线、一台半断路器接线（因两个回路共用三台断路器，又称二分之三接线）等接线形式。
A、双母线接线：
图六：
双母线接线
有两组母线W1与W2可以互为备用，每一回路（进线或出线）装有一台断路器，两组母线通过母线联络断路器QFC相联系。
双母线接线器是双母线接线中最基本的接线形式。
它具有两组结构相同的母线，每一回路都经一台断路器、两组隔离开关分别连接到两组母线上，两组母线之间通过母联断路器来实现联络。
双母线接线有三种运行方式：
第一种运行方式是一组母线工作，一组母线备用，母联断路器在正常运行时是断开的；第二种运行方式是两组母线同时工作，母联断路器在正常运行时是接通的，这时每一回路都固定连接于某一组母线上运行，故亦称“固定连接运行方式”。
第三种为了系统的需要，亦可将母联断路器断开（处于热备用状态），两组母线同时运行。
前两种运行方式在供电可靠性方面有所差异，当母线短路时，前者将短时全部停电；后者母线继电保护动作，只断开故障母线上电源回路的断路器和母联断路器，并不会使另一组母线中断工作。
双母线接线的优点：
（1）双母线接线有更高的可靠性，表现在以下几方面:
a、检修任一母线，不中断供电，通过母线隔离开关的倒闸操作实现；
b、工作母线故障，可迅速恢复供电；
c、检修任一母线隔离开关，只需断开此隔离开关所属的一条线路和与此隔离开关相连的一条母线，其他线路均可通过另一根母线继续正常运行。
（2）灵活性高。
具体体现在以下几个方面：
a、各个电源和各个负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活的适应电力系统中各种运行方式的调度和潮流变化的需要。
b、母联断路器QFC可以实现系统的同期或者解列
c、个别回路（发电机或者线路）单独试验时，可以将其接在备用母线上运行
d、备用母线可以作为融冰母线（利用短路方式融冰）
（3）扩建的方便性：
向双母线左右方向任一方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷的自由组合分配，便于扩建。
双母线接线的缺点：
（1）接线较复杂，且在倒母线过程中把隔离开关当作操作电器使用，容易发生误操作事故。
（2）工作母线短路时，在切换母线的过程中仍要短时停电。
（3）检修线路断路器时要中断对用户的供电，这对重要用户来说是不允许的。
（4）于单母线接线相比，双母线接线的母线长，隔离开关数目倍增，这将使配电装置结构复杂，占地面积增大，投资明显增加。
双母线接线的使用范围：
6~10kV出线带电抗器的配电装置;35~60kV出线数超过8回，连接电源较大，负荷较大的情况;110kV~220kV出线数为5回以上的情况。
双母线接线比单母线分段接线的供电可靠性高、运行灵活，但投资也明显增大，因此，只有当进出线回路数较多、母线上电源较多、输送和穿越功率较大、母线故障后要求尽快恢复送电、母线和母线隔离开关检修时不允许影响对用户的供电、系统运行调度对接线的灵活性有一定要求等情况下，才采用双母线接线方式。
B、双母线分段接线
图七：
双母线分段接线
工作母线通过QFD（分段断路器）分为两段WⅠ，WⅡ。
每段工作母线WⅠ，WⅡ分别通过各自的母联断路器QFC1，QFC2与备用母线W2相连，每回均匀的分布在两段工作母线上。
双母线分段接线的优点是:
（1）缩小了母线故障的停电范围；
（2）双母线分段接线比双母线接线的可靠性更高；
双母线接线的主要缺点是投入使用的断路器数目比双母线接线时多，设备投资大，配电装置占地面积和维护工作量都相应地增大了许多，故在220KV及以下配电装置中很少采用。
适用范围及分段数确定：
中小电厂的发电机电压配电装置及变电站6~10kV配电装置中当进线数或母线上电源较多时，常采用双母线3分段或者4分段。
另外双母线分段接线常用于220kV配电装置中,当进出线为10~14回时，采用三分段（且仅一组母线分段）；15回以上时，采用4分段（两组母线均分段）。
330kV~500kV大容量配电装置中，出线为6回以上时，一般也采用双母线分段接线。
四、结论
通过分析比较，四种接线方式中采用双母线接线作为110KV侧接线方式较好，由于本次设计为110KV/10KV变电站，考虑到供电可靠性和负荷增长的需要，在10kV侧采用单母线分段带旁路母线（分段断路器兼作旁路断路器）接线方式。
第三章变电站一次设备的选择
一、主变台数和容量的选择
根据原始资料中的工程建设规模：
主变压器两台，容量均为40MVA，年最大负荷利用小时数均为6000h电压等级110KV/10KV;选择主变压器依据如下：
A.相数的选择：
容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和300kV及以下的电力系统中，一般选用三相变压器。
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。
B.绕组联结组号：
在变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，主变压器联机组号一般选用YNd11常规接线。
C.冷却方式：
容量在31.5MV·A及以上的大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却。
D.主变压器型号：
容量为40MVA，年最大负荷利用小时数为6000h，电压等级110kv/10kv，所以，满足要求的型号为：
SZ10-50/110。
发电厂和变电站中一般考虑，系统和机组的同步并联要求以及限制三次谐波对电源的影响等因素。
主变压器联结组标号为YNd11
二、110KV侧断路器和隔离开关的选择
根据原始资料中的110KV母线最大短路容量为500MVA,则短路电流2.6KA。
1、断路器的选择
根据原始资料中的110KV母线三相最大短路容量为500MVA,短路电流2.6KA，选择断路器的型号如下：
型号：
SW4-110/1000
额定电压（KV）：
110
额定电流（A）：
1000
开断容量（MVA）：
3500
额定开断电流（KA）：
18.4
极限峰值电流（KA）：
55
通过电流的有效值（KA）：
32
极限热稳定电流（KA，5s）：
21
固有分闸时间（s）：
0.06
合闸时间（s）：
0.25
2、隔离开关的选择
根据原始资料中短路电流2.6KA，选择断路器的型号如下：
型号：
GW5-35G/1000-83
额定电压（KV）：
35
额定电流（A）：
1000
热稳定电流（KA）：
25
极限峰值电流（KA）：
83
操作机构型号：
CS-17
三、10KV侧断路器和隔离开关的选择
根据原始资料中的10KV母线三相最大短路容量为261.78MVA,短路电流14.39KA，选择断路器的型号如下：
型号：
SW2-10/5000
额定电压（KV）：
10
额定电流（A）：
5000
开断容量（MVA）：
1500
额定开断电流（KA）：
24.8
极限峰值电流（KA）：
63.4
通过电流的有效值（KA）：
39.2
极限热稳定电流（KA，4s）：
24.8
固有分闸时间（s）：
0.06
合闸时间（s）：
0.4
2、隔离开关的选择
根据原始资料中短路电流14.39KA，选择断路器的型号如下：
型号：
GW5-10G/5000-83
额定电压（KV）：
10
额定电流（A）：
5000
热稳定电流（KA）：
25
极限峰值电流（KA）：
83
四、选择电压互感器和电流互感器的型号
选择变压器高压侧（35KV侧）的电压互感器和电流互感器的型号
根据原始资料中的35KV母线三相最大短路容量为915.18MVA,短路电流15.07KA。
选择电压互感器的型号如下：
型号：
JDJ-35
额定电压（kV）：
35/0.1
最大容量（VA）：
1200
型号：
JDJJ-35
额定电压（kV）：
35/0.1/（0.1/3）
最大容量（VA）：
1200）
选择电流互感器的型号如下：
型号：
LCW2-220W
额定电流比：
（2×200）～（2×600）/5
五、利用经济电流密度选择变压器出口母线
1、利用经济电流密度选择变压器35KV侧母线
额定工作电流：
母线选用钢芯铝铰线，由年最大负荷利用小时数均为6000h，查表得J=0.94A/mm2，考虑一定的裕量，经济截面积为：
选用母线为：
LGJ-1000
2、利用经济电流密度选择变压器10KV侧母线
额定工作电流：
母线选用钢芯铝铰线，由年最大负荷利用小时数均为6000h，查表得J=0.94A/mm2，考虑一定的裕量，经济截面积为：
选用母线为：
LGJ-3500
六、断路器和隔离开关的稳定性校验
1、35KV侧断路器和隔离开关的稳定性校验
（1）热稳定校验
（2）动稳定校验
取冲击系数为：
K=1.9，则
短路最大电流的有效值：
Ish=1.62×15.07=24.4KA
最大冲击电流：
断路器SW2-35/1000：
ies=63.4KA>ish
Ies=39.2KA>Ish
所选用的断路器符合动稳定的要求。
隔离开关GW5-35G/1000-83：
ies=83KA>ish
Ies=58.7KA>Ish
所选用的隔离开关符合动稳定的要求。
2、10KV侧断路器和隔离开关的稳定性校验
（1）热稳定校验
（2）动稳定校验
取冲击系数为：
K=1.9，则
短路最大电流的有效值：
Ish=1.62×14.39=23.3KA
最大冲击电流：
断路器LW6-220/3150：
ies=125KA>ish
Ies=88.4KA>Ish
所选用的断路器符合动稳定的要求。
隔离开关GW6-220D/1000-50：
ies=50KA>ish
Ies=35.4KA>Ish
所选用的隔离开关符合动稳定的要求。
第四章电气主接线图
根据所选变电站高低压侧的母线接线形式以及所选的各种一次设备的型号，画出该变电站的主接线图如下:
参考文献
[1]《发电厂电气部分》熊信银，朱永利..4版中国电力出版社
[2]《配电系统及其自动化技术》陈堂赵祖康中国电力出版社
[3]《电机学》李发海朱东启科学出版社
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