110KV变电站电气部分设计.docx

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110KV变电站电气部分设计

110KV变电站电气部分设计

二〇〇九年八月　　

目   录　　

设计任务书......................................... 4　　

第一部分   主要设计技术原则…......................5　　

第一章 主变容量、形式及台数的选择................ 6　　

第一节      主变压器台数的选择....................6　　

第二节      主变压器容量的选择....................7　　

第三节      主变压器形式的选择....................8　　

第二章 电气主接线形式的选择.....................10　　

第一节      主接线方式选择........................12　　

第三章 短路电流计算..............................13　　

第一节  短路电流计算的目的和条件..............14　　

第四章 电气设备的选择.............................15　　

第一节      导体和电气设备选择的一般条件...........15　　

第二节      断路器的选择.......................... 18　　

第三节      隔离开关的选择........................ 19　　

第四节      高压熔断器的选择...................... 20　　

第五节      互感器的选择.......................... 20　　

第六节       母线的选择............................ 24　　

第七节      限流电抗器的选择...................... 24　　

第八节      站用变压器的台数及容量的选择.......... 25　　

第九节      10kV无功补偿的选择.................... 26　　

第五章 10kV高压开关柜的选择........................26　　

第二部分   计算说明书　　

 附录一 主变压器容量的选择....................... 27　　

 附录二  短路电流计算............................. 28　　

 附录三 断路器的选择计算......................... 30　　

附录四 隔离开关选择计算......................... 32　　

附录五  电流互感器的选择......................... 34　　

附录六  电压互感器的选择......................... 35　　

附录七  母线的选择计算........................... 36　　

附录八 10kV高压开关柜的选择..................... 37　　

（含10kV电气设备的选择）　　

第三部分   相关图纸　　

一、变电站一次主结线图………………………………….42　　

二、10kV高压开关柜配置图……………………………….43　　

三、10kV线路控制、保护回路接线图……………………44　　

四、110kV接入系统路径比较图………………………….45　　

第四部分   　　

 一、参考文献..................................…46　　

 二、心得体会....................................47　　

设计任务书　　

一、设计任务：

***钢厂搬迁昌北新区，一、二期工程总负荷为24.5兆瓦，三期工程总负荷为31兆瓦,四期工程总负荷为20兆瓦;一、二、三、四期工程总负荷为75.5兆瓦,实际用电负荷34.66兆瓦,拟新建江西洪都钢厂变电所。

本厂用电负荷设施均为Ⅰ类负荷。

第一部分  主要设计技术原则　　

本次110kV变电站的设计，经过三年的专业课程学习，在已有专业知识的基础上，了解了当前我国变电站技术的发展现状及技术发展趋向，按照现代电力系统设计要求，确定设计一个110kV综合自动化变电站，采用微机监控技术及微机保护，一次设备选择增强自动化程度，减少设备运行维护工作量，突出无油化，免维护型设备，选用目前较为先进的一、二次设备。

将此变电站做为一个终端用户变电站考虑，二个电压等级，即110kV/10kV。

设计中依据《变电所总布置设计技术规程》、《交流高压断路器参数选用导则》、《交流高压断路器订货技术条件》、《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程》、《高压配电装置设计技术规程》、《110kV-330kV变电所计算机监控系统设计技术规程》及本专业各教材。

          第一章 主变容量、形式及台数的选择　　

主变压器是变电站（所）中的主要电气设备之一，它的主要作用是变换电压以利于功率的传输，电压经升压变压器升压后，可以减少线路损耗，提高了经济效益，达到远距离送电的目的。

而降压变压器则将高电压降低为用户所需要的各级使用电压，以满足用户的需要。

主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。

因此，主变的选择除依据基础资料外，还取决于输送功率的大小，与系统的紧密程度，同时兼顾负荷性质等方面，综合分析，合理选择。

第一节主变压器台数的选择　　

由原始资料可知，我们本次设计的江西洪都钢厂厂用电变电站，主要是接受由220kV双港变110kV的功率和220KV盘龙山变供110kV的功率，通过主变向10kV线路输送。

由于厂区主要为I类负荷，停电会对生产造成重大的影响。

因此选择主变台数时，要确保供电的可靠性。

为了提高供电的可靠性，防止因一台主变故障或检修时影响整个变电站的供电，变电站中一般装设两台主变压器。

互为备用，可以避免因主变故障或检修而造成对用户的停电，若变电站装设三台主变，虽然供电可靠性有所提高，但是投资较大，接线网络较复杂，增大了占地面积和配电设备及继电保护的复杂性，并带来维护和倒闸操作的许多复杂化，并且会造成短路容量过大。

考虑到两台主变同时发生故障的几率较小，适合负荷的增长和扩建的需要，而当一台主变压器故障或检修时由另一台主变压器可带动全部负荷的70%，能保证正常供电，故可选择两台主变压器。

第二节 主变压器容量的选择　　

主变压器容量一般按变电站建成后5--10年规划负荷选择，并适当考虑到远期10--20年的负荷发展，对于城郊变电站主变压器容量应与城市规划相结合，该变电站近期和远期负荷都已给定，所以，应接近期和远期总负荷来选择主变容量。

根据变电站所带负荷的性质和电网的结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电站应考虑当一台主变压器停用时，其余变压器容量在计及过负荷能力的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性变电站当一台主变压器停用时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70--80%。

该变电站的主变压器是按全部负荷的70%来选择，因此装设两台变压器后的总的容量为ΣSe=2×0.7×Pm=1.4Pm。

当一台变压器停运时，可保证对70%负荷的供电。

考虑到变压器的事故过负荷能力为30%，则可保证98%负荷供电。

因为该变电站的电源引进线是110kV侧引进，而高压侧110kV母线负荷不需要经过主变倒送，因此主变压器的容量为Se=0.7S。

（S为10kV侧的总负荷）。

1．10kV侧负荷　　

由工厂负荷预测可知，工厂一、二、三期达到规模后，负荷达25.16兆瓦，功率因素取0.8,主变容量按10kV侧总负荷的70%来选择，四期负荷为9.5兆瓦。

S三=P三/cosΦ=25.16/0.8=31.45（MVA）　　

S四=P四/cosΦ=9.5/0.8=11.875（MVA）　　

总容量达43.325MVA，　　

S总=S总×70%=43.325×70%=30.3275（MVA）　　

主变容量选择　　

因此选择2台31.5兆伏安主变可满足供电要求；　　

选择主变型号为：

SFZ11-31500/110　　

  容量比（高/低%）：

100/100　　

  电压分接头：

110±4×1.25%/10.5kV　　

  阻抗电压（高低）：

10.5%　　

  联结组别：

YN，d11　　

第三节 主变压器形式的选择　　

（1）主变相数的选择　　

主变压器采用三相或单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及远输条件等因素,特别是大型变压器尤其需要考虑其运输可能性保证运输尺寸不超过遂洞、涵洞、桥洞的允许通过限额，运输重量不超过桥梁、车辆、船舶等运输工具的允许承载能力，当不受运输条件限制时，在330kV及以下的变电站均应选用三相变压器。

   本次设计的变电站是一个江西洪都钢厂110kV变电站，位于市郊，交通便利，不受运输条件限制，故可选择三相变压器，减少了占用稻田、丘陵的面积；而选用单相变压器相对来讲投资大，占地多，运行损耗大，同时配电装置以及继电保护和二次接线比较复杂，增加了维护及倒闸操作的工作量。

（2）主变调压方式的选择　　

   变压器的电压调整是用分接开关切换变压器的分接头，从而改变变压器变比来实现的。

切换方式有两种：

不带电切换称为无激磁调压，调整范围通常在±5%以内。

另一种是带负载切换，称为有载调压，调整范围可达20%。

对于110kV的变压器，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。

所以本次设计的变电站选择有载调压方式。

（3）连接组别的选择　　

变压器绕组的连接方式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方式只有Y和Δ。

我国110kV及以上电压，变压器绕组都采用Y0连接，35kV变压器采用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Δ连接。

全星形接线虽然有利于并网时相位一致的优点，而且零序阻抗较大，对限制单相短路电流皆有利，同时也便于接入消弧线圈，但是由于全星形变压器三次谐波无通路，因此将引起正弦波电压的畸变，并对通讯设备发生干扰，同时对继电保护整定的准确度和灵敏度均有影响。

如果影响较大，还必须综合考虑系统发展才能选用。

采用Δ接线可以消除三次谐波的影响。

本次设计的变电站的两个电压等级分别为：

110kV、10kV，所以选用主变的接线级别为YN，d11接线方式。

（4）容量比的选择　　

根据原始资料可知，110kV侧负荷容量与10kV侧负荷容量一样大，所以容量比选择为100/100。

（5）主变冷却方式的选择　　

主变压器一般采用冷却方式有自然风冷却（小容量变压器）、强迫油循环风冷却（大容量变压器）、强迫油循环水冷却、强迫导向油循环冷却。

在水源充足，为了压缩占地面积的情况下，大容量变压器也有采用强迫油循环水冷却方式的。

强迫油循环水冷却方式散热效率高，节约材料，减少变压器本身尺寸，其缺点是这样的冷却方式要在一套水冷却系统和有关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量大。

而本次设计的变电所位于郊区，对占地要求不是十分严格，所以应采用强迫油循环风冷却方式。

因此选择2台31.5兆伏安主变可满足供电要求；　　

故选择主变型号为：

SFZ11-31500/110　　

   容量比（高/低%）：

100/100　　

电压分接头：

110±4×1.25%/10.5kV　　

   阻抗电压（高低）：

10.5%　　

   联结组别：

YN，d11　　

第二章 电气主接线形式的选择　　

电气主接线是变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。

主接线的确定对电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择，配电装置布置，继电保护和控制方式的拟订有较大影响。

因此必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响，通过技术经济比较，合理确定主接线。

在选择电气主接线时，应以下各点作为设计依据：

变电所在电力系统中的地位和作用，负荷大小和重要性等条件确定，并且满足可靠性、灵活性和经济性等多项基本要求。

（1）运行的可靠性。

断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时，停电数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。

（2）具有一定的灵活性。

主接线正常运行时可以根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快地退出设备。

切除故障停电时间最短、影响范围最小，并且再检修在检修时可以保证检修人员的安全。

（3）操作应尽可能简单、方便。

主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。

复杂的接线不仅不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。

但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便或造成不必要的停电。

（4）经济上合理。

主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上，还应使投资和年运行费用小，占地面积最少，使其尽地发挥经济效益。

（5）应具有扩建的可能性。

由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快。

因此，在选择主接线时还要考虑到具有扩建的可能性。

变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。

第一节 主接线方式选择　　

电气主接线是根据电力系统和变电站具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线较多时（一般超出4回），为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。

本次所设计的变电所110kV进出线有2回，10kV出线有20回，本期10kV线10回，所以采用有母线的连接。

现在分别对110kV、10kV侧接线方式进行选择。

一、110kV侧。

110kV侧进线2回，选用以下几种接线方案：

（1） 单母线分段接线。

母线分段后重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，一段母线故障，另一段母线仍可正常供电。

（2） 带旁路母线的单母线分段接线。

母线分段后提高了供电可靠性，加上设有旁路母线，当任一出线断路器故障或检修时，可用旁路断路器代替，不使该回路停电。

（3）双母线接线。

采用双母线接线后，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断，检修任一回路的母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条电路和与隔离开关相连的该组母线，其它电路均可通过另一组母线继续运行。

采用单母线分段接线投资较少，但可靠性相对较低，当一组母线故障时，该组母线上的进出线都要停电；采用双母线接线方式，增加了一组母线，投资相对也就增加，且当任一线路断路故障或检修时，该回路不需停电；采用单母线分段带旁路母线接线方式，任一回路断路器故障检修时，该回路都不需停电，供电可靠性比单母线分段接线强。

在本站设计中，由于110kV侧达到“两线两变”要求，同时出现故障的概率很低，能够保证高压侧的供电可靠性。

而且从操作简便性和投资节约性的角度来考虑，宜采用单母线分段接线运行方式。

二、10kV侧。

10kV侧出线20回，大部分为Ⅰ类负荷，选用以下几种接线方案：

（1）单母线分段接线，它投资少，在10kV配电装置中它基本可以满足可靠性要求。

（2）单母线分段带旁路母线，这种接线方式虽然提高了供电可靠性，但增大了投资。

采用单母线分段接线亦可满足供电可靠性的要求，且节约了投资。

因此，10kV侧采用单母线分段接线。

第三章 短路电流计算　　

在电力系统中运行的电气设备，在其运行中都必须考虑到发生的各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路。

因为它们会破坏对用户正常供电和电气设备的正常运行，使电气设备受到破坏。

短路是电力系统的严重故障。

所谓短路是指一切不属于正常运行的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地系统）发生通路的情况。

在三相系统中，可能发生的有对称的三相短路和不对称的两相短路、两相接地短路和单相接地短路。

在各种类型的短路中，单相短路占多数，三相短路几率最小，但其后果最为严重。

因此，我们采用三相短路（对称短路）来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

第一节 短路电流计算的目的和条件　　

一、短路电流计算的目的　　

在发电厂和变电站的设计中，短路计算是其中的一个重要环节。

其计算的目的主要有以下几个方面：

（1）电气主接线的比较。

（2）选择导体和电器。

 （3）在设计屋外高型配电装置时，需要按短路条件校验软导线的相间和相对的安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

（5）接地装置的设计，也需要用短路电流。

二、短路电流计算条件　　

1、基本假定　　

（1）正常工作时，三相系统对称运行；　　

（2）所有电源的电动势相位相角相同；　　

（3）电力系统中的所有电源都在额定负荷下运行；　　

（4）短路发生在短跑电流为最大值的瞬间；　　

（5）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；　　

（6）除去短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；　　

   （7）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；　　

（8）输电线路的电容忽略不计。

2、一般规定　　

（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流挪用的短路电流，应根据本工程设计规划容量计算，并考虑远景的发展计划；　　

（2）选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响；　　

（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点；　　

（4）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。

第四章 电气设备的选择　　

第一节 导体和电气设备选择的一般条件　　

正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。

在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。

尽管电力系统中电气设备的作用和条件不一样，具体选择方法也不相同，但对它们的具体要求是一样的。

电气设备要能可靠的工作，必须按正常工作条件选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

一、一般原则　　

1、应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要；　　

2、 应按当地环境条件校验；　　

3、 应力求技术先进和经济合理；　　

4、 选择导体时应尽量减少品种；　　

5、 扩建工程应尽量使新老电器型号一致；　　

6、 选用的新产品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。

二、技术条件　　

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。

1．长期工作条件　　

（1）电压　　

选用电器允许最高工作电压Uymax不得低于该回路的最高运行电压Ugmax，即：

Uymax≥Ugmax　　

（2）电流　　

选用的电器额定电流Ie不得低于所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig,即：

Ie≥Ig　　

由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的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。

高压电器没有明确的过载能力，所以在选择额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。

2．短路稳定条件　　

（1）校验的一般原则　　

①、电气设备在选定后按最大可能通过的短路电流进行动、热稳        定校验，校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流。

②、用熔断器保护的电器可不验算热稳定。

③、短路的热稳定条件　　

Qr≥Qd或I2rt≥I2∞tdz　　

式中Qd--在计算时间tjs秒内，短路电流的热效应（k2A•s）　　

Ir--t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（kA）　　

t--设备允许通过的热稳定电流时间（s）　　

校验短路热稳定所用的计算时间tjs按下式计算：

tjs=tb+td　　

式中tb--继电保护装置后备保护动作时间（s）　　

td--断路器全分闸时间（s）　　

④、短路动稳定条件　　

ich≤idf　　

Ich≤Idf　　

式中ich--短路冲击电流峰值（kA）　　

idf--短路全电流有效值（kA）　　

Ich--电器允许的极限通过电流有效值（kA）　　

3．绝缘水平　　

在工作电压和过电压的作用下，电器内、外绝缘保证必要的可靠性。

电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。

当所选电器的绝缘水平低于国家规定的标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用适当的过电压保护设备。

三、环境条件　　

环境条件主要有温度、日照、风速、冰雪、温度、污秽、海拔、地震。

由于设计时间仓促，所以在设计中主要考虑温度条件。

按照规程规定，普通高压电器在环境最高温度为+40℃时，允许按照额定电流长期工作。

当电器安装点的环境温度高于+40℃时，每增加1℃建议额定电流减少1.8%；当低于+40℃时，每降低1℃，建议额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。

第二节 断路器的选择　　

电力系统中，断路器具有完善的灭弧性能，正常情况下，用来接通和开断负荷电流，在某些电器主接线中，还担任改变主接线的运行方式的任务，故障时，断路器还常在继电保护的配合使用下，断开短路电流，切断故障部分，保证非故障部分的正常运行。

由于SF6断路器灭弧性能可靠，维护工作量小，故110kV一般采用SF6短路器。

1.按开断电流选择。

高压断路器的额定开断电流Iekd≥Iz（高压断路器触头实际开断瞬间的短路电流周期分量有效值）。

2.短路关合电流的选择。

断路器的额定关合电流ieg应不小于短路电流最大冲击值iej。

即ieg≥icj　　

3.开关合闸时间的选择。

开关合分闸时间,对于110kV以上的电网,当电力系统稳定要求快速切除故障，分闸时间不宜大于0.04--0.06s。

[计算过程见计算说明书附录3]　　

第三节 隔离开关的选择　　

隔离开关配置在主接线上，保证了线路及设备检修时形成明显的断开点与带电部分隔离，由于隔离开关没有灭弧装置及开断能力低，所以操作隔离开关时，必须遵守倒闸操作顺序，即送电时，首先合上母线侧隔离开关，其次合上线路侧隔离开关，最后合上断路器，停电顺序则与上述相反。

隔离开关的配置：

1．断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时形成明显的断口与电源隔离。

2．中性点直接接地的普通变压器，均应通过隔离开关接地。

3．在母线上的避雷器和电压互感器，宜合用一组隔离开关，为了保     证电器和母线的检修安全，每段母线上宜装设1--2组接地刀闸。

4．接在变压器引出线或中性点的避雷器可不装设隔离开关。

5．当馈电线路的用户侧没有电源时，断路器通往用户的那一侧可以不