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110kV变电站设计
110kV变电站设计
摘要
随着我国经济的快速增长，生活、工作用电已经成为了影响我国经济发展的重要因素，为了满足日益增强的用电需求，我国正在不断的增设和兴建一系列的应用配电装置，而110KV变电站作为电力系统当中的重要环节，其自然也在新建的配电设备当中。
110kV变电站是人们日常生活的基础配电设备，其对于我们的正常的工作、生活有着举足轻重的作用。
本论文以11kV变电站设计为研究对象，详细论述了110kV变电站设计的原则、变电站主要器件设备的选择、变电站主线的设计方案以及变电站的接地设计，为我国城网变电站建设和改造的发展具有重要的参考意义。
关键词：
电力系统；110kV变电站；设计
Abstract
WiththerapidgrowthofChina'seconomy,thelifeandworkofelectricityhasbecomeanimportantfactoraffectingChina'seconomicdevelopment,inordertomeetthegrowingdemandforelectricity,Chinaisconstructingaseriesofcontinuouscreationandapplicationofpowerdistributionequipment,and110KVsubstationpowersystemasanimportantlinkamongwhicharenewlybuiltitsnaturaldistributionequipment.110kVsubstationonthebasisofpeople'sdailylivesanddistributionequipment,whichforournormalworkandlifehasapivotalrole.Inthisthesis,110kVsubstationdesignforthestudy,discussedindetailtheprinciplesof110kVsubstationdesign,selectsubstationmaincomponentsofequipment,substationdesignandthemainsubstationgroundingdesignforsubstationconstructionandrenovationofurbannetworkdevelopmenthasimportantreferencevalue.
Keywords:
Powersystem；110kVsubstation；Design
目录
摘要1
Abstract2
第一章变电站的设计概论4
1.1110kV变电站的分类4
1.2110KV变电站的设计原则4
1.3变电站的基本数据5
1.3.1110kV侧基本数据5
1.3.235kV侧基本数据5
1.3.3l0kV侧和站用负荷基本数据5
1.3.4系统情况5
第二章负荷计算和主变压器选择7
2.1负载计算7
2.1.1站用负荷计算7
2.1.235kV侧负荷计算7
2.1.3110kV侧负荷计算7
2.2主变压器的选择7
2.2.1选择原则7
2.2.2主变压器台数的选择8
2.2.3主变压器容量的选择9
2.2.4主变压器型式的选择9
第三章变电站电气主接线的设计10
3.1电气主接线设计的基本要求10
3.1.1可靠性10
3.1.2灵活性10
3.1.3经济性10
3.2主接线方案的选择11
3.2.1110kV侧电气主接线11
3.2.235kV侧电气主接线12
3.3.310kV侧电气主接线14
第四章主要电气设备选择15
4.1选择原则15
4.2电气设备选择的技术条件15
4.2.1按正常工作条件选择导体和电器15
4.2.2按短路情况校验16
4.3主要电气设备选择结果17
第五章变电站主变保护的配置18
5.1主变瓦斯保护18
5.2差动保护18
5.3主变压器的后备保护19
5.4过负荷保护20
5.5变压器的零序过流保护20
第八章总结22
参考文献23
致谢24
第一章变电站的设计概论
1.1110kV变电站的分类
（1）A类变电站
主变压器2或3台,主变容量50MV·A（或31.5、40MV·A）,电压等级110/10kV、110/35/10kV,110kV配电的装置及主的变压器布置在户外,35kV及10kV配电装置布置在户内,主要适用于农村或者小城市的城郊。
（2）B类变电站
主变压器2或3台，主变的容量50MV·A,电压的等级110/10kV,主的变压器的布置在户外或者户内,110kV及10kV配电装置布置在户内,主要适用于小城市城区或大、中城市城郊。
（3）C类变电站
为半地下变电站,主变压器2、3或4台,主变容量50MV·A,电压等级110/10kV,主变压器地上、其余地下。
主要适用于大中城市城区。
1.2110KV变电站的设计原则
110KV变电站的设计与其他变电站设计在原则上基本上一致，其设计原则可分为5个方面：
（1）变电容量的控制
变电站的设计与兴建是一个非常复杂的工程，所以为了保证变电站的长期应用性及符合要求，变电站的变电容量设计一定要充足。
（2）变电站的结构
目前，我国土地十分紧张，所以在进行变电站设计时，应尽量保证变电站结构的紧凑型性，选用体积及占地面积较小的设备，以达到土地资源进行充分、合理利用的目标。
（3）变电站自动化程度
为了保证变电站的可靠性，降低通信误码率，在进行变电站设计过程中，一定要尽可能提高便电闸的自动化程度。
（4）主接线的选择
在变电站设计过程中，主接线方式的选择要保证可靠、灵活、安全。
（5）主设备技术
主设备是变电站运行的关键，所以主设备的设计必须要具有可靠性高、噪音程度低、检修频率低以及高性能等优势。
1.3变电站的基本数据
1.3.1110kV侧基本数据
110kV侧出线4回,另有2回备用,同时系数取0.9,其负荷参数表1-1:
表1-1110kV侧负荷参数
负荷名称
最大负荷（MW）
功率因数
回路数
出线方式
重型的机械厂
22
0.9
2
架空线
钢铁冶炼厂
18.5
0.9
2
架空线
1.3.235kV侧基本数据
35kV侧出线8回,另有2回备用,同时系数取0.9,其负荷参数表1-2:
表1-235kV侧负荷参数
负荷名称
最大负荷（MW）
功率因数
回路数
出线方式
机床厂
9
0.9
2
架空线
化工厂
6
0.9
2
架空线
食品加工厂
5
0.9
2
架空线
造纸厂
4
0.9
1
架空线
纺织厂
2.5
0.9
1
架空线
1.3.3l0kV侧和站用负荷基本数据
l0kV侧装有电抗器和1台TT-30-6调相机;站用负荷为动力负荷和照明负荷,最大负荷为91.5kVA,同时系数为0.85,功率因数为0.85。
1.3.4系统情况
本变电站的电压等级为n0/35/10。
变电站由两个系统供电,系统S1为600MVA,容抗为0.38;系统S2为800MVA,容抗为0.45。
线路1为30KM,线路2为20KM,线路3为25KM,线路型号为LGJQ-150。
如图1-1所示。
图1-1系统结构概图
第二章负荷计算和主变压器选择
2.1负载计算
在进行110KV变电站的设计过程中，最基本的内容就是要合理选择变压器。
在选择变压器过程中，需要根据变电站所实际服务范围的用电需求来决定变压器的容量，确定变压器各出线侧的最大持续工作电流，进而做到根据实际需要来进行变电站设计。
在选择变压器前，需要先计算出变电站的实际负荷：
（2-1）
式中:
Sc——某电压等级的计算负荷
kt——同时系数
α%—一该电压等级电网的线损率,一般取5%
p、coscp——各用户的负荷和功率因数
2.1.1站用负荷计算
根据已知负荷资料,由公式2-1得:
S站=0.85×（91.5/0.85）×（1+5%）=96.075KVA≈0.096MVA
2.1.235kV侧负荷计算
根据已知负荷资料,由公式2-1得:
S35kV=0.9×[（9+6+5+4+2.5）/0.9]×（1+5%）=27.825MVA
2.1.3110kV侧负荷计算
根据己知负荷资料,由公式2-1得:
S110kV=0.9×[（22+18.5）/0.9]×（l+5%）+S站=42.525+0.096=42.621MVA
2.2主变压器的选择
2.2.1选择原则
在对主变压器进行选择的时候，需要考虑的方面有很多个方面：
相数、绕组数与结构、绕组接线组别、调压方式、冷却方式等等。
（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、自稱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）绕组接线的组别
变压器三绕组的接线组别必须和系统电压相位相同。
否则,无法并列的运行。
电力系统中采用的绕组的连接包括星形“Y”和三角形“D”。
在发电厂与变电站中,一般考虑的系统或着机组的同步的并列以要求的限制3次的谐波对电源等等的因素。
根据以上的原则,主变则一般是Y,D11常规的接线。
（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,通过主变的分接幵关切换,改变变压器高压侧绕组I?
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釆用有载调压。
囚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。
2.2.2主变压器台数的选择
变压器台数要依据以下的原则进行选择:
（1）为了满足了负荷对供电的可靠性的要求,根据负荷的等级来确定变压器的台数,对具有的大量一、二级的负荷或者只有的大量的二级的负荷,宜采用两台的及以上的变压器,当一台故障或者检修的时候,另一台仍可以正常的工作。
（2）负荷的容最大而且集中的时候,迅然的负荷只有三级的负荷,也可以采用两台及以上的变压器。
（3）对于季节的负荷或者昼夜的负荷变化比较的大时,从供电的经济性的角度来考虑;为了方便、灵活地切换变压器,也能选择两台的变压器。
2.2.3主变压器容量的选择
根据变电站的所带的负荷的性质以及电网的结构来确定了主变的容量,对于有重要负荷的变电站,应考虑当一台主变停止运行的时,其余的变压器的容量在计及过负荷的能力的允许的时间内,应保证用户的一级和二级的负荷,对一般的变电站,当一主变停止运行的时,其他的变电器的容量应能维持全部的负荷的70%-80%。
所以,这里应该选择两台的容量略小于最大的计算的负荷的变压器。
S总=S35kV+S110kV=27.825MVA+42.621MVA=70.446MVA
SN≥0.70x70.446MVA=49.312MVA
故选两台50MVA的主变压器就可满足负荷需求。
2.2.4主变压器型式的选择
具有三种电压的等级的变电站中,如通过的主的变压器各侧的绕组的功率都达到了该变压器的容量的15%以上或低压侧虽无负荷,但在变电站的内需装设的无功补偿的设备的时,主变压器则采用三绕组。
而有载的调压较容易的稳定电压,减少了电压波动所以选择有载的调压的方式,且规程上规定对电力的系统一般的要求l0kV及以下变电站采用一级存载调压变压器。
故本站主变压器选用存载三圈变压器。
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。
由以上结论可选择主变压器变参数如下:
选择型号为:
SFSZ9-50000/110
额定电压:
高压110±8×1.25%kV,中压38.5±5%kV,低压10.5kV
阻抗电压%:
高—中:
10.5%；高—低:
17%；中—低:
6.5%
连接组标号:
YN,yn0,dll
空载电流:
1.3%
第三章变电站电气主接线的设计
3.1电气主接线设计的基本要求
电气主接线设计的基本原则为:
以下达的设计任务书为依据,根据国家现行的“安全可靠、经济适用、符合国情”的电力建设与发展的方针,严格按照技术规定和标准,结合工程实际的具体特点,准确地掌握原始资料,保证设计方案的可靠性、灵活性和经济性。
3.1.1可靠性
安全和可靠是电力的生产的首要的任务,保证供电的可靠和电能的质量则是对主接线的最基本的要求,而且也是电力生产和分配的首要要求。
主接线可靠性的具体要求:
（1）断路器在检修时,不宜影响了对整个系统的供电。
（2）断路器或者母线的故障以及母线的检修时,尽量减少停运的回路数与停运时间,并要求保证对一级负荷全部以及大部分二级负荷的供电。
（3）尽量的避免了变电站的全部的停运的可靠性。
3.1.2灵活性
主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。
（1）为了调度的目的:
可以灵活地操作,投入或切除某些变压器及线路,调配电源和负荷能够满足系统在事故运行方式,检修方式以及特殊运行方式下的调度要求。
（2）为了检修的目的:
可以方便地停运断路器,母线及继电保护设备,进行安全检修,而不致影响电力网的运行或停止对用户的供电。
（3）为了扩建的目的:
可以容易地从初期过渡到其最终接线,使在扩建过渡时,无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。
3.1.3经济性
主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。
（1）投资省:
主接线应简单清晰,以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器避雷器等一次设备的投资,要能使控制保护不过复染,以利于运行并节约二次设备和控制电缆投资;要能限制短路电流,以便选择价格合理的电气设备或轻型电器;在终端或分支变电站推广采用质量可靠的简单电器。
（2）占地面积小,主接线要为配电装置布置创造条件,以节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。
在不受运输条件许可,都采用三相变压器,以简化布置。
（3）电能损失少:
经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量,避免两次变压而增加电能损失
3.2主接线方案的选择
3.2.1110kV侧电气主接线
由于此变电站是为了某地区电力系统的发展和负荷增长而拟建的。
那么其负荷为地区性负荷。
llOkV?
220kV出线数目为5回及以上或者在系统中居重要地位,出线数目为4回及以上的配电装置,在采用单母线分段或双母线接线的35kV~110kV系统中,当不允许停电检修断路器时,可设置旁路母线。
根据以上分析,110kV有4回出线,另有2回备用,并带有重要负荷保留下面两种可能接线方案,如图3-1及图3-2所示:
图3-1母线分段带旁路母线接线
图3-2双母线带旁路母线接线
对图3-1及图3-2所示方案I,II综合比较，见表3-1。
表3-1110KV主接线方案比较
项目方案
方案I
方案II
技术
（1）简单清晰、操作方便、易于发展
（2）可靠性、灵活性差
（3）旁路断路器还可以代替出出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证亚要用户供电
（1）运行可靠、运行方式灵活、便于事故处理、易扩建
（2）母联断路器可代替需检修的出线断路器工作
（3）倒闸操作复杂，容易误操作
经济
（1）设备少、投资小
（2）用母线分段断路器兼作旁路断路器节省投资
（1）占地大、设备多、
投资大
（2）母联断路器兼作旁路断路器节省投资
在技术上（可靠性、灵活性）第n种方案明显合理,在经济上则方案1占优势。
鉴于此站为地区变电站应具有较高的可靠性和灵活性,经综合分析,决定选第II种方案为设计的最终方案。
3.2.235kV侧电气主接线
电压等级为35kV~60kV,出线为4~8回,可采用单母线分段接线,也可采用双母线接线。
为保证线路检修时不中断对用户的供电,采用单母线分段接线和双母线接线时,可增设旁路母线。
但由于设置旁路母线的条件所限（35kV~60kV出线多为双回路,有可能停电检修断路器,且检修时间短,约为2~3天。
）所以,35kV~60kV采用双母线接线时,不宜设置旁路母线,有条件时可设置旁路隔离开关。
据上述分析、组合,筛选出以下两种方案。
如图3-3和3-4所示:
图3-3单母线分段带旁路母线接线
图3-4双母线接线
对图3-3及图3-4所示方案I、II综合比较。
见表3-2
表3-235kV主接线方案比较
项目方案
方案I
方案II
技术
①简单清晰、操作方便、
易于发展
②可靠性、灵活性差
③旁路断路器还可以代替
出线断路器，进行不停电
检修出线断路器，保证重
要用户供电
①供电可靠
②调度灵活
③扩建方便
④便于试验
⑤易误操作
经济
①设备少、投资小
②占地而积小
①设备多、配电装置复杂
②投资和占地而积大
经比较两种方案都具有易扩建这一特性,方案I具存良好的经济性,但其可靠性和灵活性不如方案II,鉴于35kV侧负荷较多,因此选用可靠性较高的方案II。
3.3.310kV侧电气主接线
l0kv因只用来做无功补偿装置使用,可采用单母线分段接线方式,接线形式图3-5:
图3-5中-母线分段接线
第四章主要电气设备选择
4.1选择原则
电气设备选择的一般原则是:
1）应满足导体和电器正常运行、检修、短路和过电压情况下的耍求,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的型号一致;
6）选用的新品,均应具有可靠的试验数据,并经正式鉴定合格
4.2电气设备选择的技术条件
4.2.1按正常工作条件选择导体和电器
1）电压:
所选电器和电缆允许最高工作电压Uymax不得低于回路所接电网的最高运行电压Ugmax，也就是：
Uymax≥Ugmax（4-1）
一般电缆和电器允许的最高工作电压,当额定电压在220kV及以下时为1.15Ue，而实际电网运行的Ugmax般不超过l.lUe。
2）电流:
导体和电器的额定电流是指在额定周围环境温度仏下,导体和电器的长期允许电流Iy应不小于该回路的最大持续工作电流Igmax,也就是：
Iy≥Igmax（4-2）
由于变压器在电压降低5%时,出力保持不变,故其相应冋路的Igmax=1.05Ie（Ie为电器额定电流）。
3）按当地环境条件校核:
当周围环境温度Q和导体额定环境温度Q0不等时,其长期允许电流IyQ可按下式修正:
（4-3）
其中：
Kiy为修正系数
Qy为导体或电气设备正常发热允许最高温度
我国目前生产的电气设备的额定环境温度Q0=40度,裸导体的额定环境温度为+25度。
4.2.2按短路情况校验
电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验,一般校验取三相短路时的短路电流,如用溶断器保护的电器可不验算热稳定。
当溶断器有限流作用时,可不验算动稳定,用馆断器保护的电压互感器冋路,可不验算动、热稳定。
1）短路热稳定校验
满足热稳定条件为
（4-4）
Q0l短路电流产生的热效应
Qr短路时导体和电器允许的热效应
Ir:
t秒内允许通过的短时热电流
验算热稳定所用的计算时间:
tdz=tb+t0l（4-5）
tb:
断电保护动作时间
110kV以下导体和电缆一般采用主保护时间
110kV以上导体电器和充油电缆采用后备保护动作时间
tol:
相应断路器的全幵断时间。
2）短路的动稳定校验
满足动稳定条件为:
（4-6）
ich—短路冲击直流峰值（kA）
Ich—短路冲击电流冇效值（kA）
idf、Idf—电器允许的极限通过电流峰值及有效值（kA）
4.3主要电气设备选择结果
主要电气设备的选择结果如表4-1所示:
表4-1各电气设备的选择结果汇总
设备电压等级
110kV
35kV
10kV
高压断路器
SW6—110
SW2—35
ZMD11—12/2500—40A
隔离开关
GW4—110
GN16—35/200
GN22Q
电流瓦感器
LB7—110W
LB6—35
LDZB6—10
电压互感器
JCL6—110
JDJ2—35
JSJW—10
母线
LGJ-300/100
LGJ-185
2×（400×4）mm2铝母线
主变压器
SFSZ9-50000/110
站用变压器
S9-200/10
第五章变电站主变保护的配置
5.1主变瓦斯保护
对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低,应装设瓦斯保护,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,重瓦斯动作于跳幵变压器各侧电源断路器。
如图5-1所示为瓦斯保护的原理接线图。
图5-1瓦斯保护的原理接线图
5.2差动保护
对变压器绕组和引出线上发生故障,以及发生阻间短路时,其保护瞬时动作,跳开各侧电源断路器。
如图5-2所示为变压器差动保护线路原理接线图。
图5-2变压器差动保护线路原理接线阁
5.3主变压器的后备保护
为了反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流,以及在变压器内部故障时,作为差动保护和瓦斯保护的后备,所以需装设过电流保护。
如图5-3所示为变压器过电流保护原理接线图。
图7-3变压器过电流保护原理接线阁
而本次所设计的变电站,电源侧为110kV,主要负荷在110kV侧和35kV侧,即可装设两套过电流保护,一套装在低压侧35kV侧并装设方向元件,电源侧110kV侧装设一套,并设存两个时限和t3,时限设定原侧为t3>t2+Δt,用一台变压器切除三侧全部断路器。
5.4过负荷保护
变压器的过负荷电流,大多数情况下都是三相对称的,因此只需装设单相式过负荷保护,过负荷保护一般经追时动作于信号,而且三绕组变压器各侧过负荷保护均经同一个时间继电器。
如图5-4所示为变压器过负荷保护原理接线图。
图5-4变压器过负荷保护原理接线图
5.5变压器的零序过流保护
对于大接地电流的电力变压器,一般应装设
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