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kV降压变电站系统设计

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

武钢电力系统培训班

电气课程设计

（110kV变电站电气部分设计）

学生姓名

：

郑灿

指导教师

：

罗毅

完成日期

：

2011年5月25日

1原始资料

1.1待建变电站地建设规模

①变电站类型：

110kV降压变电站

②三个电压等级：

110kV、35kV、10kV

③110kV：

近期进线2回,出线0回；远期进线0回,出线2回

35kV：

近期4回；远期4回

10kV：

近期6回；远期6回

1.2电力系统与待建变电站地连接情况

①变电站在系统中地位：

地区变电站

②变电站仅采用110kV地电压与电力系统相连,为变电站地电源

③电力系统至本变电站高压母线地标么电抗（Sd=100MVA）为：

最大运行方式时：

0.25；

最小运行方式时：

0.35；

主运行方式时：

0.3

④上级变电站后备保护动作时间为2s

1.3待建变电站负荷

①110kV出线：

负荷每回容量10000kVA,

cos＝0.9,Tmax＝5500h

②35kV负荷每回容量6000kVA,

cos＝0.85,Tmax＝5500h；

其中,一类负荷2回；二类负荷1回

③10kV负荷每回容量2000kW,cos＝0.95,Tmax＝4500h；

其中,一类负荷2回；二类负荷2回

④负荷同时率:

0.8

1.4环境条件

①当地年最高气温30℃,年最低气温-5℃,最热月平均最高气温25℃,年最低气温-5℃

②当地海拔高度：

600m

③雷暴日：

20日/年

1.5其它

①变电站地理位置：

城郊,距城区约7km

②变电站供电范围：

110kV线路：

最长80km,最短40km；35kV线路：

最长50km,最短20km；10kV低压馈线：

最长30km,最短10km；

③未尽事宜按照设计常规假设.

2设计任务

本课程设计只作电气系统地初步设计,不作施工设计和土建设计.

A.设计地最低要求是：

①通过经济技术比较,确定电气主接线；

②短路电流计算；

③主变压器选择；

④断路器和隔离开关选择；

⑤导线（母线及出线）选择；

⑥限流电抗器地选择（必要时）.

B.设计地较高要求是：

①完成上述设计地最低要求；

②选择电压互感器；

③选择电流互感器；

④选择高压熔断器（必要时）；

⑤选择支持绝缘子和穿墙套管；

⑥选择消弧线圈（必要时）；

⑦选择避雷器.

3负荷计算和主变压器选择

3.1负荷计算

①电压等级

待建变电所地电压等级为110kV/35kV/10kV.

②合计负载及类型

近期35kV侧负载

近期10kV侧负载

近期总负载

远期110kV侧负载

远期35kV侧

远期10kV侧负载

远期总负载

近、远期总负荷

其中一、二类负荷即重要负荷合计

3.2主变台数、容量和型式地确定

①主变台数确定地要求：

a.对大城市郊区地一次变电站,在中、低压侧已构成环网地情况下,变电站以装设两台主变压器为宜；

b.对地区性孤立地一次变电站或负荷密度较高地变电站,在设计时应考虑装设三台主变压器地可能性.

考虑到该变电站是本地区重要电源支撑点,含有较大份额地一、二类负载,故一期工程选用两台主变压器,并列运行且容量相等.考虑到地区经济发展较快,远期增加负载较多,负荷密度迅速增大,故二期工程增加一台主变压器.

②容量地选择

主变压器容量一般按变电站建成后5～10年地规划负荷选择,并适当考虑到远期10～20年地负荷发展.

根据变电站所带负荷地性质和电网结构来确定主变压器地容量.对于有重要负荷地变电站,应考虑当一台主变压器停运时,其余变压器容量在设计及过负荷能力后地允许时间内,应满足总计算负荷地60%～70%地要求,并能保证用户全部一、二级负荷地需要.

当一台停运时,另一台则承担17.6MVA～20.5MVA.故近期选两台25MVA地主变压器就可满足负荷需求.同时考虑到远期变电站地总负荷增加,新增加地变压器须与近期地两台并联运行,故近期选择两台25MVA地主变压器,远期增加一台25MVA地变压器.

③校验变压器地负荷

近期变压器地负荷率

远期变压器地负荷率

由负荷校验可知,该设计方案中近期主变压器利用率较高,经济性较好.同时考虑到待建变电所地负载中一、二类负载占了较大份额,这是一种合理地设计方案.

④校验事故情况下地过载能力

近期一台主变压器停运

远期一台主变压器停运

考虑到变压器有一定地过负荷能力,自然油循环地变压器过负荷不应超过50%,故该设计地过载能力满足要求.如果故障进一步扩大,如远期两台主变压器同时停运,可采取适当地减载措施,切断部分三类负载,用剩下地一台主变压器维持一、二类负载地供电.

⑤接地方式

我国110kV及以上电压变压器绕组都采用Y连接；35kV采用Y连接,其中性点多通过消弧线圈接地.35kV以下电压变压器绕组都采用∆连接.

⑥主变压器型式地确定

具有三种电压等级地变电站中,如通过主变压器各侧绕组地功率均达到该变压器容量地15%以上或低压侧虽无负荷,但在变电站内需装设无功补偿设备时,主变压器采用三绕组.而有载调压较容易稳定电压,减少电压波动所以选择有载调压方式,且规程上规定对电力系统一般要求10kV及以下变电站采用一级有载调压变压器.故本站主变压器选用有载三绕组变压器.

故选择主变压器参数型式为SFSZ9−25000/110型三相三绕组电力变压器.其容量比为100/100/50.

详细参数为：

表1所选三相三绕组电力变压器地技术数据

额定容量（kVA）

额定电压（kV）

阻抗电压（%）

空载电流（%）

连接组

高压

中压

低压

高－中

中—低

高—低

25000

110

38.5

10.5

6.5

0.6

YN,yn0,d11

3.3主接线地设计

根据国家标准《GB50059-9235～110kV变电所设计规范》,变电所地主接线,应根据变电所在电力网中地地位、出线回路数、设备特点及负载性质等条件确定.并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求.按照以上要求对主接线进行选择.

①110kV侧

根据国家标准,35～110kV线路为两回及以下时,宜采用桥型、线路变压器组或线路分支接线,超过两回时,宜采用扩大桥型接线、单母线或分段单母线接线.110kV线路为6回以上时,宜采用双母线接线.

待建变电所110kV近、远期进线共2回,出线共2回.此变电站是为了某地区电力系统地发展和负荷增长而拟建地.那么其负荷为地区性负荷,且重要负荷较多,故保留以下两种备选方案：

方案一：

单母线带分段接线

方案二：

双母线接线

表2待建变电所110kV侧主接线方案比较

方案工程

方案一

方案二

技术方面

1.简单清晰,设备较少

3.可靠性高,灵活性好

2.可靠性,灵活性较差

2.检修断路器不用停电

3.操作方便,便于扩建

3.倒闸操作复杂,容易误操作

经济方面

设备少、投资小

占地大、投资多

综合考虑,双母线接线地方案虽然在供电可靠性上显得更满足负荷地要求,但占地大,投资多.相反,待建变电所在选择主变压器时留有一定地安全余量,在负荷较小地季节尚可能退出一台主变压器,用双倍地投资换取略高地可靠性是不划算地.

综上所述,110kV侧选用单母线带分段接线.

②35kV侧

待建变电所35kV侧近、远期合计出线8回,其中一、二类负荷共3回,占总负荷地3/8,比重不大,结合国家标准,将以下两种可靠性较高地方案列为备选方案：

方案一：

单母线分段接线

方案二：

单母线分段带旁母接线

表3待建变电所35kV侧主接线方案比较

方案工程

方案一

方案二

技术方面

1.简单清晰,设备较少

1.可靠性高,灵活性好

2.可靠性,灵活性较差

2.检修断路器不用停电

3.母线分段减少了故障或检修时地停电范围

3.倒闸操作复杂,容易误操作

经济方面

设备少、投资小

占地大、投资多

综合以上分析,虽然单母线分段带旁母接线地方案具有供电更可靠,调度更灵活,但倒闸操作复杂,容易误操作,且当6～35kV配电装置采用手车式高压开关柜时,不宜设置旁路设施.参考上面110kV开关选型考虑,对供电可靠性地影响不大,在满足重要负荷供电需求地同时应考虑投资地经济性.

综上所述,35kV侧选用单母线分段接线.

③10kV侧

根据国家标准,当变电所有两台主变压器时,6～10kV侧宜采用分段单母线.线路为12回及以上时,亦可采用双母线.当不允许停电检修断路器时,可设置旁路设施.

待建变电所10kV侧近、远期合计出线12回,其中重要负载4回.故将以下两种方案作为备选方案：

方案一：

单母线分段接线

方案二：

单母线分段带旁母接线

表4待建变电所10kV侧主接线方案比较

方案工程

方案一

方案二

技术方面

1.简单清晰,设备较少

3.可靠性高,灵活性好

2.可靠性,灵活性较差

2.检修断路器不用停电

3.母线分段减少了故障或检修时地停电范围

3.倒闸操作复杂,容易误操作

经济方面

设备少、投资小

占地大、投资多

综上所述,10kV侧选用单母线分段接线.

4短路电流计算

4.1基准值地选取

高压短路电流计算一般只计及各元件（即发电机、变压器、电抗器、线路等）地电抗,采用标幺值计算.为了计算方便,通常取基准容量Sj=100MVA,基准电压用各级地平均电压,即Uj=Up=1.05Ue.

当基准容量与基准电压选定后,可根据下式确定基准电流和基准电抗：

基准电流

基准电抗

具体各电压等级地基准电压如下：

110kV侧线路Ud1=115kV

35kV侧线路Ud2=37kV

10kV侧线路Ud3=10.5kV

那么基准电流为：

110kV侧线路

35kV侧线路

10kV侧线路

4.2各元件参数标幺值地计算

主变压器各侧阻抗地百分值为

其标幺值为

4.3用于设备选择地短路电流计算

用于设备选择时,短路电流计算按变电所地最终规模考虑.系统地等值电抗图为：

图1二期工程地等值电抗图

在最大运行方式下,d1点地三相短路电流为

其他短路点地计算过程详见附录中地短路电流计算书.计算结果如下表所示：

表5系统最大运行方式下地短路电流计算结果

短路点

编号

短路电流计算值

（MVA）

110kV母线

400

5.1

35kV母线

251.89

3.93

10kV母线

204.08

11.22

28.62

5电气设备选择

5.1电气设备选择地一般条件

电气设备应能满足正常、短路、过电压和特定条件下安全可靠地而要求,

并力求技术先进和经济合理.通常电气设备选择分三步,第一按正常工作条件选择,第二按短路情况检验其热稳定性和电动力作用下地动稳定性,第三按实际条件修正.同时兼顾今后地发展,选用性能价格比高,运行经验丰富、技术成熟地设备,尽量减少选用设备类型,以减少备品备件,也有利于运行、检修等工作.

电气设备选择地一般原则为：

①应满足正常运行检修短路和过电压情况下地要求并考虑远景发展

②应满足安装地点和当地环境条件校核

③应力求技术先进和经济合理

④同类设备应尽量减少品种

⑤与整个工程地建设标准协调一致

⑥选用地新产品均应具有可靠地实验数据并经正式签订合格地特殊情况下选用未经正式鉴定地新产品应经上级批准

技术条件：

选择地高压电器,应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流地情况下保持正常运行.

①电压

选用地电器允许最高工作电压Umax不得低于该回路地最高运行电压Ug.

②电流

选用地电器额定电流Ie不得低于所在回路在各种可能运行方式下地持续工作电流Ig.

校验地一般原则：

①电器在选定后应按最大可能通过地短路电流进行动热稳定校验,校验地短路电流一般取最严重情况地短路电流.

②用熔断器保护地电器可不校验热稳定.

③短路地热稳定条件

——在计算时间ts内,短路电流地热效应（kA2s）

It——设备允许通过地热稳定电流有效值（kA）

t——设备允许通过地热稳定电流时间（s）

校验短路热稳定所用地计算时间Ts按下式计算

Tima=td+tkd

td——继电保护装置动作时间（s）

tkd——断路器地全分闸时间（s）

④动稳定校验

电动力稳定是导体和电器承受短时电流机械效应地能力,称动稳定.

满足动稳定地条件是：

Ish≤idw,Ish≤Idw

ishIsh——短路冲击电流幅值及其有效值

idwIdw——允许通过动稳定电流地幅值和有效值

⑤绝缘水平

在工作电压地作用下,电器地内外绝缘应保证必要地可靠性.断口地绝缘水平应按电网中出现地各种过电压和保护设备相应地保护水平来确定.

由于变压器短时过载能力很大,双回路出线地工作电流变化幅度也较大,故其计算工作电流应根据实际需要确定.

高压电器没有明确地过载能力,所以在选择其额定电流时,应满足各种可能方式下回路持续工作电流地要求.

5.2各回路地工作电流计算

各回路地工作电流地计算原则如下表

表7各回路最大持续工作电流地计算

回路名称

各回路最大持续工作电流地计算

发电机、调相机、三相变压器回路

如变压器允许过负载时按过载计算

母线联络断路

Imax一般为该段母线上所连接地发电机和变压器中单台容量最大设备地持续工作电流

母线分段电抗器

Imax按该母线上故障切除最大一台发电机或变压器时,可能通过电抗器地电流计算,或取最大一台发电机或变压器额定电流地（50～80）%

馈电线路

按潮流分布计算,当回路中装有电抗器时,Imax一般按电抗器IN计算,还需考虑事故时转移过来地负荷

待建变电站地主变压器地容量比为100/100/50,计算过程如下：

主变压器110kV侧

主变压器35kV侧

主变压器10kV侧

110kV出线侧

35kV出线侧

10kV出线侧

5.3断路器和隔离开关选择

高压断路器在高压回路中起着控制和保护地作用,是高压电路中最重要地电器设备.待建变电站在选择断路器地过程中,尽可能采用同一型号断路器,以减少备用件地种类,方便设备地运行和检修.

考虑到可靠性和经济性,方便运行维护和实现变电站设备地无油化目标,且由于SF6断路器已成为超高压和特高压唯一有发展前途地断路器.故在110kV侧采用SF6断路器.

真空断路器具有噪音小、无污染、可频繁操作、使用寿命和检修周期长、开距短,灭弧室小巧精确、动作快、适于开断容性负荷电流等特点,因而被大量使用于35kV及以下地电压等级中.所以,35kV侧和10kV侧采用真空断路器.

隔离开关是高压开关设备地一种,它主要是用来隔离电源,进行倒闸操作地,还可以拉、合小电流电路.

选择隔离开关时应满足以下基本要求：

①隔离开关分开后应具有明显地断开点,易于鉴别设备是否与电网隔开.

②隔离开关应具有足够地热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度.

③隔离开关在跳、合闸时地同期性要好,要有最佳地跳、合闸速度,以尽可能降低操作时地过电压.根据以上分析,各电压等级地开关器件选择如下：

一、110kV侧

断路器地选型：

流过主变110kV侧断路器和110kV侧出线断路器地短路电流与流过110kV侧进线断路器和110kV侧分段断路器地电流相差不大,故选用同一型号地断路器,以便于检修和备件更换.

选择详细介绍如下：

①型号地选择

选用国产LW6−110I型SF6断路器,具体参数如下：

表8LW6−110I型SF6断路器主要技术参数

额定电压

110kV

最高工作电压

126kV

额定电流

3150A

额定短路开断电流（单分/重合闸）

40kA

热稳定电流（3s）

40kA

动稳定电流（峰值）

100kA

短路关合电流

100kA

操动机构

液压

全开断时间（不大于）

50ms

②额定电压

UN≥UNS

选择断路器地额定电压110kV等于系统母线电压110kV.

③额定电流

IN≥Imax

根据前面计算地工作电流：

主变110kV侧：

Imax1=137.78A

110kV出线：

Imax4=52.49A

选择地断路器地额定电流有2000A,故两种情况下都满足.

④额定开断电流

INbr≥I〞

使用快速保护和高速断路器时,其开断时间小于0.1s,当电源附近短路时,短路电流中地非周期分量可能超过20%,因此需采用短路全电流检验.

选择地断路器地额定开断电流31.5kA,大于系统最大三相短路电流周期分量有效值Ik=2kA,也大于短路全电流地大小,故满足开断电流要求.

⑤短路关合电流

断路器合闸于有潜伏性故障地线路时,经历一个先合后分地操作循环,此时断路器应能可靠地开断.在电压额定时,能可靠关合、开断地最大短路电流称为额定关合电流,它是表征断路器灭弧能力、触头和操动机构性能地重要参数之一,用以下公式校验：

iNC1≥ish

选择地断路器地短路关合电流100kA远远大于短路电流地冲击值5.1kA,故满足短路关合电流地要求.

⑥合、分闸时间选择动稳定

对于110kV以上地电力网,系统稳定要求快速切除故障时,断路器地固有分闸时间不宜大于0.04s.用于电气制动回路地断路器,其合闸时间不宜大于（0.04～0.06）s.

所选地断路器地全开断时间（断路器固有分闸时间+电弧持续燃烧时间）不大于0.05s,所以满足合、分闸时间要求.

⑦动稳定校验

短路冲击电流通过电器产生地电动力,应不超过厂家地规定,即应满足动稳定要求：

ies≥ishIes≥Ish

选择地断路器地额定动稳定电流ies=100kA>ish=5.1kA,Ies=56.57kA>Ish=3.6kA满足动稳定要求.

⑧热稳定校验

所选断路器地全开断时间（断路器固有分闸时间+电弧持续燃烧时间）不大于0.05s,待建变电所110kV进线后备保护动作时间取2s,所以热效应地等效时间tk=2S+0.05S=2.05S.110kV主变侧及出线侧热效应地等效时间为tk=1.5+0.05S=1.55S.那么热稳定校验为：

402×3kA2∙S≥22×2.05kA2∙S

402×3kA2∙S≥22×1.55kA2∙S

故满足热稳定要求.

⑨额定容量

所选地断路器额定开断容量

该值大于110kV侧三相短路容量,满足要求.

⑩操动机构地选择

断路器地操动机构分为电磁式、弹簧式、液压式、液压弹簧式几种,各种类型地操动机构都有一定地优缺点.

断路器进行合闸、分闸、重合闸操作,并保持在合、分闸状态,这些功能都是由操动机构完成地.所以,操动机构是决定断路器性能地关键部件之一,其好坏直接影响到断路器地技术性能.

110kV侧断路器选择如下：

表9110kV侧主变、线路断路器

设备型号

LW6−110I型

工程

设备参数

使用条件

额定电压

110kV

额定电流

3150A

137.78A/52.49A

额定开断容量

7621MVA

400MVA

额定开断电流

40kA

2kA

热稳定

402×3kA2∙S

22×2.05kA2∙S

动稳定

100kA

5.1kA

全开断时间

0.05s

操动机构

液压式

注：

额定电流一行中,斜杠左边是110kV进线地工作电流,斜杠右边是110kV主变侧及出线侧地工作电流.热稳定校验一行中,斜杠左边是110kV进线断路器地热效应,斜杠右边是110kV主变侧及出线侧断路器地热效应.

隔离开关地选型：

隔离开关地选择与断路器地选择过程差不多,唯一地差别就是隔离开关没有开断短路电流地要求,不必校验开断电流,其他选择工程与断路器相同.

选择型号如下表所示：

表10110kV侧主变、线路隔离开关

设备型号

GW4−110W/630−50

工程

设备参数

使用条件

额定电压

110kV

额定电流

630A

137.78A/52.49A

热稳定（4S）

202×3kA2∙S

22×2.05kA2∙S

动稳定

50kA

5.1kA

操动机构

CS17-G

注：

额定电流一行中,斜杠左边是110kV进线地工作电流,斜杠右边是110kV主变侧及出线侧地工作电流.热稳定校验一行中,斜杠左边是110kV进线刀闸地热效应,斜杠右边是110kV主变侧及出线侧刀闸地热效应.

二、35kV侧

断路器地选型：

三台主变同时运行时地35kV母线短路电流用以校验35kV侧出线断路器,而一台主变退出运行时地35kV母线短路电流用以检验35kV侧进线断路器和分段兼旁路断路器.由于两种情况下地短路电流大小差别不是很大,为了检修方便,仍然选用同一种型号地断路器.

表1135kV侧主变、线路断路器

设备型号

ZN39−40.5/1250−16

工程

设备参数

使用条件

额定电压

40.5kV

35kV

额定电流

1250A

393.65A/89.98A

额定开断电流

25kA

3.93kA/3.32kA

热稳定

252×2kA2∙S

3.932×1.08kA2∙S

动稳定

40kA

10kA

全开断时间

0.08S

操动机构

CT19N

注：

额定电流一行、额定开断电流一行、热稳定一行以及动稳定一行中,斜杠左边分别是主变35kV侧地工作电流、三台主变运行时三相短路电流、热效应和短路冲击电流,斜杠右边分别是35kV出线地工作电流、一台主变退出运行时三相短路电流、热效应和短路冲击电流.

三、10kV侧

10kV侧采用高压开关柜,高压开关柜是以断路器、开关等主要元件组成地成套配电装置,它用于配电系统,作接受与分配电能之用.这类装置地各组成元件,按主接线地要求以一定地顺序布置在一个或几个金属柜内,具有占地少,安装、使用方便,适用于大量生产等特点,应用广泛.

主变10kV侧开关柜地选择：

表1210kV高压开关柜

工程

KYN28-12（Z）型高压开关柜/ZN63A-12真空断路器

设备型号

设备参数

断路器参数

使用条件

额定电压

10kV

额定电流

1250A

688.88A

开断电流

31.5kA

11.22kA

母线系统

单母线

外型尺寸

1500×2300

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