网络教育毕业设计110kV变电站设计.docx

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网络教育毕业设计110kV变电站设计

毕业设计（论文）

题目110kV变电站设计

摘要

随着高新技术的发展和应用，对电能质量和供电可靠提出了新的要求，高压、超高压变电站的设计和运行系统必须适应这种新形势，因此，改善电网结构，提高供电能力与可靠性以及综合自动化程度，以满足日益增长的社会需求是电力企业的首要目标。

变电站是联系发电厂和用户的中间环节，一般安装有变压器及其控制和保护装置，起着变换和分配电能的作用。

为了保证在送变电过程中的供电可靠性，首先要满足的就是变电所的设计规X。

进入21世纪后，我国电力仍将以较高的速度和更大的规模发展，电源和电网建设的任务仍很重。

作为发电厂和用户的中间环节，变换和分配电能的重要组成部分，将面临电力体制改革和技术创新能力的双重挑战，如何合理的设计一个变电站，使之在技术上、管理上适应电力市场化体制和竞争需要，促使电网互联X围的不断扩大，是这次设计的主要目的。

关键词：

110KV变电站设计

1.电气主接线设计

发电厂和变电所的电气主接线是指由发动机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线和电缆等电气设备，按一定顺序连接的，用以表示生产、汇集和分配电能的电路，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。

1.1电气主接线设计概述

1.1.1、对电气主接线的基本要求

现代电力系统是一个巨大的、严密的整体，各个发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电、变电和配电的任务。

其主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电站和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民日常生活。

因此，发电厂、变电站主接线必须满足一下基本要求。

（1）运行的可靠

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，能尽快的推出设备。

切除故障停电时间短，影响X围就最小，并且再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。

复杂的接线不但不便于操作，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者不必要的停电。

（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，使其尽可能的发挥经济效益。

（5）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，在选择主接线时还应考虑到具有扩建的可能性。

变电站电气主接线的选择，主要取决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。

1.1.2变电站电气主接线的设计原则

电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行和维护的方便，尽可能地节省投资，就进取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主体。

他与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大影响。

因此，主接线设计，必须结合电力系统和发电厂或变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理他们之间的关系，合理的选择主接线方案。

在工程设计中，经上级主管部门批准的设计任务书或委托书是必不可少的，设计的主接线应满足供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展的余地。

（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%。

1.1.3电气主接线设计步骤

（1）分析原始资料

1.本工程情况

包括变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。

2.电力系统状况

包括电力系统近期及远景规划（5—10年），变电站在电力系统中的位置（地理位置和容量位置）和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。

主变压器中性点接地方式是一个综合问题，他与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器的运行安全以及对通信线路的干扰等。

我国一般对35kv及以下电压电力系统采用中性点非直接接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地），又称小电流接地系统，对110kv就以上高压系统，皆采用中性点直接接地系统，有称大电流接地系统。

3.负荷情况

包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。

电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，电力负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基础。

对电力负荷的预测不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测，对电力负荷预测的准确性，直接关系着发电厂和变电站电气主接线设计成果的质量，一个优良的设计，应能经受当前及较长远时间（5—10年）的检验。

4.环境条件

包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、水文、地质、海拔高度及地震等因素，对主接线中电气设备的选择和配电装置的实施均有影响，特别是我国土地辽阔，各地气象、地理条件相差较大，应予以重视。

5.设备制造情况

这往往是设计能否成立的重要前提，为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、价格等质量汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可靠性。

（2）主接线方案的拟定与选择

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等不同的考虑，可拟定出若干个主接线方案（近期和远景）。

依据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2—3个技术上相当，有能满足任务书要求的方案，再进行经济比较，结合最新技术，最终确定出在技术上合理、经济山可行的最终方案。

（3）短路电流计算和主要电气设备选择

对选定的电气主接线进行短路电流计算，并选择合理的电气设备。

（4）绘制电气主接线

对最终确定的电气主接线，按照要求，绘图。

1.2电气主接线的基本形式

主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种接线方式，它以电源和出线为主体。

由于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源回路数不同。

且各回馈线中所传输的容量也不一样，因而为便于电能的汇集和分配，再进出线较多（一般超过4回），采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。

而与有母线的接线相比，无汇流母线的接线使用电气设备较少，配电装置占地面积较小，通常用于进出线回路少，不再扩建和发展的发电厂和变电站。

有汇流母线的接线方式可概括为单母线接线和双母线接线两大类，无汇流母线的接线形式主要有桥形接线、角形接线和单元接线。

1.3电气主接线选择

依据原始资料，经过分析，根据可靠性和灵活性经济性的要求，高压侧有4回出线，其中两回备用，宜采用双母线接线或单母线分段接线，中压侧有6回出线，其中两回备用，可以采用双母线接线、单母线分段接线方式，低压侧有11回出线，其中两回备用，可以采用单母线分段、单母线分段带旁路母线的接线方式，经过分析、综合、组合和比较，提出三种方案：

方案一：

110kv侧采用双母线接线方式，35kv侧采用双母线接线方式，10kv侧采用单母线分段接线方式。

110kv侧采用双母线接线方式，优点是运行方式灵活，检修母线时不中断供电，任一组母线故障时仅短时停电，可靠性高。

缺点是，操作复杂，容易出现误操作，检修任一回路断路器时，该回路仍需停电或短时停电，任一母线故障仍会短时停电，结构复杂，占地面积大，投资大。

10kv侧采用单母线分段接线方式，供给市区工业与生活用电，由于一级负荷占25%左右，二级负荷占30%左右，一级和二级负荷占55%左右，采用单母线分段接线方式，优点是接线简单清晰，操作方便，造价低，扩展性好，缺点是可靠性灵活性差。

方案一主接线图如下：

方案一主接线图如下：

图1-1方案一主接线图

方案二：

110kv侧采用双母线接线方式，35kv侧采用单母线分段带旁路母线接线方式，10kv侧采用单母线分段接线方式

35kv侧采用单母线分段带旁路母线接线方式，优点是，检修任一进出线断路器时，不中断对该回路的供电，和单母线分段接线方式相比，可靠性提高，灵活性增加，缺点是，增设旁路母线后，配电装置占地面积增大，增加了断路器和隔离开关的数目，接线复杂，投资增大。

方案二的主接线图如下：

图1-2方案二主接线图

方案三：

110kv侧采用双母线接线方式，35kv侧采用单母线分段带旁路母线接线方式，10kv侧采用单母线分段带旁路母线接线方式

方案三的主接线图如下：

图1-3方案三主接线图

对于上述三种方案综合考虑：

变电站选定的站址条件较好，土地较为平整、充裕，地震裂度6度以下，为轻微地震区，年最高气温+40.4℃，年最低气温-2.1℃，最高日平均温度+33.5，年平均雷电日90天,属于我国第V标准气象区。

因此110kv侧采用单母线分段接线方式就能满足可靠性和灵活性及经济性要求，对于35kv及10kv侧，采用单母线分段接线方式。

综合各种因素，宜采用第三种方案。

2.变电站主变压器选择

主变压器的选择：

再各级电压等级的变电站中，变压器是主要的电气设备之一。

其担负着变换网络电压进行电力传输的重要任务，确定合理的变压器台数、容量和型号是变电站可靠供电和网络经济运行的保证。

特别是我国当前的能源政策是开发、利用、节约并重，近期以节约为主。

因此，在确保安全可靠供电的基础上，确定变压器的台数、容量和型号，提高网络的经济运行将具有明显的经济效益。

2.1主变压器的选择

2.1.1主变压器台数的选择

在变电站设计过程中，一般需要装设两台主变压器，防止其中一台出现故障或检修时中断对用户的供电。

对110kv及以下的终端或分支变电站，如果只有一个电源，或变电所的重要负荷有中、低压侧电网取得备用电源时，可只装设一台主变压器，对大型超高压枢纽变电站，可根据具体情况装设2—4台主变压器，以便减小单台容量。

因此，在本次设计中装设两台主变压器。

2.1.2主变压器容量的选择

1、主变容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展。

对于城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。

2、根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。

对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余主变压器的容量一般应满足60%（220kV及以上电压等级的变电所应满足70%）的全部最大综合计算负荷，以及满足全部

类负荷

和大部分

类负荷

（220kV及以上电压等级的变电所，在计及过负荷能力后的允许时间内，应满足全部

类负荷

和

类负荷

），即

（4-1）

最大综合计算负荷的计算：

（4-2）

式中，

—各出线的远景最大负荷；

m—出线回路数；

—各出线的自然功率因数；

—同时系数，其大小由出线回路数决定，出线回路数越多其值越小，一般在0.8～0.95之间；

—线损率，取5%。

因此，由原始材料可得：

35kv侧：

10kv侧：

则总的负荷为：

取

=0.85，则：

则，

因此主变容量为：

2.1.3主变压器型号的选择

1.相数选择

变压器有单相变压器组和三相变压器组。

在330kv及以下的发电厂和变电站中，一般选择三相变压器。

单相变压器组由三个单相的变压器组成，造价高、占地多、运行费用高。

只有受变压器的制造和运输条件的限制时，才考虑采用单相变压器组，因此在本次设计中采用三相变压器组。

2.绕组数选择：

在具有三种电压等级的变电所中，如果通过主变各绕组的功率达到该

变压器容量的15%以上，或在低压侧虽没有负荷，但是在变电所内需要装无功补偿设备时，主变压器宜选用三绕组变压器。

3.绕组连接方式的选择：

变压器绕组的联结方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

电力系统中变压器绕组采用的联结方式有星形和三角形两种。

高压绕组为星形联结时，用符号Y表示，如果将中性点引出则用ＹＮ表示，对于中＼低压绕组则用ｙ及ｙｎ表示；高压绕组为三角形联结时，用符号Ｄ表示，低压绕组用ｄ表示。

三角形联结的绕组可以消除三次谐波的影响，而采用全星形的变压器用于中性点不直接接地系统时，三次谐波没有通路，将引起正弦波电压畸变，使电压的峰值增大，危害变压器的绝缘，还会对通信设备产生干扰，并对继电保护整定的准确性和灵敏度有影响。

2.2主变压器选择结果

根据以上计算和分析结果，查《发电厂电气主系统》可得，选择的主变压器型号为：

SFSZ9-25000/110。

主要技术参数如下：

额定容量：

25000kVA

额定电压：

高压—110±8×1.25%（kv）；中压—38.5±2×2.5%（kv）；低压—10.5（kv）

连接组别：

YN/yn0/d11

空载损耗：

21.8（kw）

短路损耗：

112.5kw

空载电流：

0.53%

阻抗电压（%）：

高中:

；中低

；高低

，因此选择SFSZ9-25000/110型变压器两台。

3.短路电流计算

3.1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。

3.2短路电流计算的目的

在变电站的设计中，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一个方面：

（1）电气主接线的比较

（2）选择、检验导体和设备

（3）在设计屋外髙型配电装置时，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。

3.3短路电流计算方法

在三相系统中，可能发生三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。

电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小，但一般三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重。

为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠工作，因此作为选择检验电气设备的短路计算中，以三相短路计算为主。

三相短路用文字符号k表示。

在计算电路图上，将短路所考虑的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点，短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。

在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，由于将电力系统当做有限大容量电源，短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串并联的方法即可将电路化简，求出求等效总阻抗，在换算成计算电抗，根据计算曲线查出短路电流标幺值，在换算成有名值。

4电气设备的选择

在电力系统中，虽然各种电气设备的功能不同，工作条件各异，具体选择方法和校验项目也不尽相同，但对它们的基本要求却是一致的。

电气设备要可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路条件来校验动、热稳定性。

本设计中，电气设备的选择包括：

导线的选择，高压断路器和隔离开关的选择，电流、电压互感器的选择，避雷器的选择。

4.1导体的选择和校验

裸导体应根据具体情况，按导体截面，电晕（对110kV及以上电压的母线），动稳定性和机械强度，热稳定性来选择和校验，同时也应注意环境条件，如温度、日照、海拔等。

一般来说，母线系统包括截面导体和支撑绝缘两部分，载流导体构成硬母线和软母线，软母线是钢芯铝绞线，有单根、双分和组合导体等形式，因其机械强度决定支撑悬挂的绝缘子，所以不必校验其机械强度。

导体的选择校验条件如下：

一、导体截面的选择：

1、按导体的长期发热允许电流选择

（6-1）

当实际环境温度

不同于导体的额定环境温度

时，其长期允许电流应该用下式修正

（6-2）

式中

—综合修正系数。

不计日照时，裸导体和电缆的综合修正系数为

（6-3）

式中,

—导体的长期发热最高允许温度，裸导体一般为

；

—导体的额定环境温度，裸导体一般为

。

由载流量

可得，正常运行时导体温度

为

（6-4）

必须小于导体的长期发热最高允许温度

2、按经济电流密度选择

按经济电流密度选择导体截面可以使年计算费用最小。

除配电装置的汇流母线外，对于年负荷利用小时数大，传输容量大，长度在20米以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。

经济截面积用下式计算：

式中，

—正常运行方式下导体的最大持续工作电流，计算式不考虑过负荷和事故时转移过来的负荷；

—经济电流密度，常用导体的

值，可根据最大负荷利用时数

，由经济电流密度曲线中查出来。

按经济电流密度选择的导体截面应尽量接近上式计算出的经济截面积。

二、导体的校验：

1、电晕电压校验

220kV采用了不小于LGJ-300或110kV采用了不小于LGJ-70钢芯铝绞线，或220kV采用了外径不小于

30型或110kV采用了外径不小于

20型的管形导体时，可不进行电晕电压校验。

2、热稳定校验

按最小截面积进行校验

（6-5）

当所选导体截面积

时，即满足热稳定性要求。

4.2断路器和隔离开关的选择及校验

高压断路器的选择，除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑到要便于安装调试和运行维护，并且经过经济技术方面都比较厚才能确定。

根据目前我国高压断路器的生产情况，电压等级在10Kv～220kV的电网一般选用少油断路器，而当少油断路器不能满足要求时，可以选用

断路器。

高压断路器选择的技术条件如下：

1、额定电压选择：

（6-6）

2、额定电流选择：

（6-7）

3、额定开断电流选择：

（6-8）

4、额定关合电流选择：

（6-9）

5、热稳定校验：

（6-10）

6、动稳定校验：

（6-11）

隔离开关的选择，由于隔离开关没有灭弧装置，不能用来开断和接通负荷电流及短路电流，故没有开断电流和关合电流的校验，隔离开关的额定电压、额定电流选择和热稳定、动稳定校验项目与断路器相同。

4.3电压互感器和电流互感器的选择

4.3.1电流互感器的选择

（1）额定电压的选择：

电流互感器的额定电压

不得低于其安装回路的电网额定电压

，即

（6-12）

（2）额定电流的选择：

电流互感器的额定电流

不得低于其所在回路的最大持续工作电流

，即

（6-13）

为了保证电流互感器的准确级，

应尽可能接近

4.3.2电压互感器的选择

1．一次电压

：

2．二次电压

：

3．准确等级：

1级

5继电保护的配置

5.1继电保护的基本知识

在变电所的设计和运行中，当电力系统发生故障和不正常运行的可能性，如设备的相间短路、对地短路及过负荷等故障。

为了保证用户的可靠供电，防止电气设备的损坏及事故扩大，应尽快地将故障切除。

这个任务靠运行人员进行手动操作控制是无法实现的，必须由继电保护装置自动地、迅速地、有选择性地将故障设备切除，而当不正常运行情况时，要自动地发出信号以便及时处理，这就是继电保护的任务。

5.2110kv线路的继电保护配置

距离保护是根据故障点距离保护装置处的距离来确定其动作电流的，较少受运行方式的影响，在110—220kV电网中得到广泛的应用。

故在本设计中，采用三段式阶梯时限特性的距离保护。

距离保护的第一段保护X围为本线路长度的80％--85％，TⅠ约为0.1S，第二段的保护X围为本线路全长并延伸至下一线路的一部分，TⅡ约为0.5—0.6S，距离第一段和第二段构成线路的主保护。

距离保护的第三段作为相邻线路保护和断路器拒动的远后备保护，和本线路第一段和第二断保护的近后备。

5.3变压器的继电保护

变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来研总的影响。

同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。

变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障，油箱内部故障包括相间短路，绕组的匝数短路和单相接地短路，外部故障包括引线及套管处会产生各相间短路和接地故障。

变压器的不正常工作状态主要是由外部短路或过负荷引起的过电流油面降低和过励磁等。

对于上述故障和不正当工作状态，根据DL400--91《继电器保护和安全起动装置技术规程》的规定，变压器应装设以下保护：

1、瓦斯保护

为了反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的保护。

它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。

其中轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器。

2、纵差动保护

为了反应变压器绕组和引出线的相间短路以及中性点直接接地电网侧绕组和引线的接地短路及绕组匝间短路，应装设纵差保护或电流速动保护。

纵差动保护适用于并列运行的变压器，容量为6300KVA以上时；单独运行的变压器，容量为10000KVA以上时；发电厂常用工作变压器和工业企业中的重要变压器，容量为6300KVA以上时。

3、复合电压启动的过电流保护

为了反映外部短路引起的变压器过电流和作为变压器主保护的后备保护，根据变压器容量的不同和系统短路电流的不同，须装设不同的过电流保护。

三绕组变压器在外部故障时，应尽量减小停电X围，因此在外部发生短路时，要求仅断开故障侧的断路器，而使另外两侧继续运行。

而当内部发生故障时，保护应起到后备作用。

复合电压启动的过电流保护，既能反应不对称短路的故障，也能反应对称短路的故障；并且其灵敏度也较高。

5.4母线保护

（1）母线保护的要求

必须快速有选择性地切除故障母线；应能可靠、方便地适应母线运行方式的变化；接线尽量简化。

母线保护的接线方式，对于中性点直接接地系统，为反映相间短路和单相接地短路，须采用三相式接线；对于中性点非直接接地系统只需反映相间短路，可采用两相式接线。

母线保护大多采用差动保护原理，动作后跳开连接在该母线上的所有断路器。

母线是电力系统汇集和分配电能的重要元件，母线发生故障，将使连接在母线上