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电气系统设计
摘要
变电站是电力系统的重要组成部分，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。
电气主接线是变电站设计的首要任务，也是构成电力系统的重要环节。
电气主接线的拟订接关系着全站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。
本次设计为110kV变电站电气一次部分初步设计，分为设计说明书、设计计算书、设计图纸等三部分。
所设计的内容力求概念清楚，层次分明。
本文从主接线、短路电流计算、主要电气设备选择等几方面对变电站设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图、电气总平面布置图、站用电系统图、防雷保护配置图、各级电压配电装置断面图、直流系统图等相关设计图纸。
由于本人水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。
关键词：
110kV变电站主接线变压器选择电流、负荷计算防雷
1变电站总体分析
1.1地区电网的特点
所址地区海拔200米，地势平坦，非强地震地区。
年最高气温+40˚C，年最低气温-20˚C，年平均温度+15˚C，最热月平均最高温+32˚C。
最大覆冰厚度b=10mm。
最大风速25m/s,，属于我国第六标准气象区。
线路从系统2（S2）110KV母线出发至变电所南墙止。
全长10km。
在距离系统2北墙0.25、5、8、9.98km处转角
、
四次进入变电所。
全线为黄土层地带，地耐力2.4kg/cm２，天然容重γ=2g/
。
内摩擦角
，土壤电阻率100Ω·cm，地下水位较低，水质良好，无腐蚀性。
土壤热阻系数
=120˚C·cm/wm。
土温20˚C。
1.2建站规模
（1）变电站类型：
110kV变电工程
（2）主变台数：
最终两台（要求第一期工程全部投入）
（3）电压等级：
110kV、10kV
1.3电气主接线
建议110kV、10kV均采用单母线分段带旁路接线，并考虑设置熔冰措施。
1.5短路阻抗
（1）系统作无穷大电源考虑：
X1Σmax=0.05，X0Σmax=0.04，X1Σmin=0.1，X0Σmin=0.05。
（2）火电厂装机容量为3×7500kW，X''d=0.125dX,最大运行方式下,该火电厂只投入二台机组,最小运行方式下,该火电厂三台机组全部投入,并满发。
2电气主接线设计
电力系统是由发电厂、变电站、线路和用户组成。
变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
为满足生产需要，变电站中安装有各种电气设备，并依照相应的技术要求连接起来。
把变压器、断路器等按预期生产流程连成的电路，称为电气主接线。
电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。
用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。
2.1主接线的设计原则和要求
主接线代表了变电站电气部分主体结构，是电力系统接线的主要组成部分，是变电站电气设计的首要部分。
它表明了变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成变电、输配电的任务。
它的设计，直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
由于电能生产的特点是发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的，所以主接线设计的好坏，也影响到工农业生产和人民生活。
因此，主接线的设计是一个综合性的问题。
必须在满足国家有关技术经济政策的前提下，正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，力争使其技术先进、经济合理、安全可靠。
2.1.1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、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，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。
（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或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥形接线等。
若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。
在110kV～220kV配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥形接线；当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。
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或电抗器；
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）主变压器选择
①主变压器台数：
为保证供电可靠性，变电站一般装设两台主变压器。
当只有一个电源或变电站可由低压侧电网取得备用电源给重要负荷供电时，可装设一台。
对于大型枢纽变电站，根据工程具体情况，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。
②主变压器容量：
主变压器容量应根据5～10年的发展规划进行选择，并应考虑变压器正常运行和事故时的过负荷能力。
对装设两台变压器的变电站，每台变压器额定容量一般按下式选择
=0.6PM为变电站最大负荷。
这样，当一台变压器停用时，可保证对60%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力40%，则可保证对84%负荷的供电。
由于一般电网变电站大约有25%的非重要负荷，因此，采用
=0.6PM，PM对变电站保证重要负荷来说多数是可行的。
对于一、二级负荷比重大的变电站，应能在一台停用时，仍能保证对一、二级负荷的供电。
③主变压器的型式：
一般情况下采用三相式变压器。
具有三种电压的变电站，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到15%Sn以上时，可采用三绕组变压器。
其中，当主网电压为110～220kV，而中压网络为35kV时，由于中性点具有不同的接地形式，应采用普通的三绕组变压器；当主网电压为220kV及以上，中压为110kV及以上时，多采用自耦变压器，以得到较大的经济效益。
（3）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。
（4）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，可采用下列数据：
1如主要是农业负荷时则宜取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%。
2.1.2设计主接线的基本要求
在设计电气主接线时，应使其满足供电可靠，运行灵活和经济等项基本要求。
（1）可靠性：
供电可靠是电力生产和分配的首要要求，电气主接线也必须满足这个要求。
在研究主接线时，应全面地看待以下几个问题：
①可靠性的客观衡量标准是运行实践，估价一个主接线的可靠性时，应充分考虑长期积累的运行经验。
我国现行设计技术规程中的各项规定，就是对运行实践经验的总结。
设计时应予遵循。
②主接线的可靠性，是由其各组成元件（包括一次设备和二次设备）的可靠性的综合。
因此主接线设计，要同时考虑一次设备和二次设备的故障率及其对供电的影响。
③可靠性并不是绝对的，同样的主接线对某所是可靠的，而对另一些所则可能还不够可靠。
因此，评价可靠性时，不能脱离变电站在系统中的地位和作用。
通常定性分析和衡量主接线可靠性时，均从以下几方面考虑：
1路器检修时，能否不影响供电。
②线路、断路器或母线故障时，以及母线检修时，停运出线回路数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。
③变电站全部停运的可能性。
（2）灵活性：
主接线的灵活性要求有以下几方面。
①调度灵活，操作简便：
应能灵活的投入（或切除）某些变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。
②检修安全：
应能方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。
③扩建方便：
应能容易的从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压器或线路而不互相干扰，且一次和二次设备等所需的改造最少。
（3）经济性：
在满足技术要求的前提下，做到经济合理。
①投资省：
主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备投资；要使控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资；要适当限制短路电流，以选择价格合理的电器设备；在终端或分支变电站中，应推广采用直降式（110/6～10kV）变压器，以质量可靠的简易电器代替高压断路器。
②占地面积小：
电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。
在运输条件许可的地方，都应采用三相变压器。
③电能损耗少：
在变电站中，正常运行时，电能损耗主要来自变压器。
应经济合理的选择主变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。
2.2主接线的设计步骤
电气主接线的具体设计步骤如下：
（1）分析原始资料
①本工程情况变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量等。
②电力系统情况电力系统近期及远景发展规划（5～10年），变电站在电力系统中的位置和作用，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。
③负荷情况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。
④环境条件当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度等因素，对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。
⑤设备制造情况为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。
（2）拟定主接线方案
根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定出若干个主接线方案。
因为对出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等考虑不同，会出现多种接线方案。
应依据对主接线的基本要求，结合最新技术，确定最优的技术合理、经济可行的主接线方案。
（3）短路电流计算
对拟定的主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。
（4）主要电器选择
包括高压断路器、隔离开关、母线等电器的选择。
（5）绘制电气主接线图
将最终确定的主接线，按工程要求，绘制工程图。
2.3本变电站电气主接线设计
2.3.1110kV电压侧接线
《35～110kV变电所设计规范》规定，35～110kV线路为两回及以下时，宜采用桥形、线路变压器组或线路分支接线。
超过两回时，宜采用扩大桥形、单母线或分段单母线的接线。
35～63kV线路为8回及以上时，亦可采用双母线接线。
110kV线路为6回其以上时，宜采用双母线接线。
在采用单母线、分段单母线或双母线的35～110kV主接线中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。
本变电站110kV线路有4回，可选择双母线接线或单母线分段接线两种方案，如图2-1所示。
方案一供电可靠、运行方式灵活，但是倒闸操作复杂，容易误操作，占地面积大，设备多，投资大。
方案二简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，但是运行可靠性和灵活性比方案一稍差。
本变电站为地区性变电站，电网特点是水电站发电保证出力时能满足地区负荷的需要，加上小火电，基本不需要外系统支援，电源主要集中在10kV侧，110kV侧是为提高经济效益及系统稳定性而倒有一回线路与华中大电网联系，采用方案二能够满足本变电站110kV侧对供电可靠性的要求，故选用投资小、节省占地面积的方案一。
设置旁路设施的目的是为了减少在断路器检修时对用户供电的影响。
装设SF6断路器时，因断路器检修周期可长达5～10年甚至20年，可以不设旁路设施。
本变电站110kV侧采用SF6断路器，不设旁路母线。
图2-1110kV电压侧接线方案
2.3.210kV电压侧接线
《35～110kV变电所设计规范》规定，当变电所装有两台主变压器时，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。
本变电站10kV侧线路为10回，可采用双母线接线或手车式高压开关柜单母线分段接线两种方案，如图2-2所示。
方案一一般用于出线较多，输送和穿越功率较大，供电可靠性和灵活性要求较高的场合，设备多，投资和占地面积大，配电装置复杂,易误操作。
方案二简单清晰，调度灵活，不会造成全站停电，能保证对重要用户的供电，设备少，投资和占地小。
手车式断路器的出现和运行成功，断路器检修问题可不用复杂的旁路设施来解决，而用备用的手车断路器来替代需要检修的工作的手车断路器。
采用手车式高压开关柜，可不设置旁路设施。
图2-210kV电压侧接线方案
变电站低压侧未采用限流措施，待计算短路电流之后，再采用相应的限流措施。
最简单的限制短路电流的方法是使变压器低压侧分列运行。
变压器低压侧分列运行，限流效果显著，是目前广泛采用的限流措施。
在变压器回路中装设电抗器或分裂电抗器用的很少，母线电抗器体积大、价格高且限流效果较小，出线上装电抗器，投资最贵，且需造两层配电装置室，在变电站中应尽量少用。
2.3.3站用变压器低压侧接线
站用电系统采用380/220V中性点直接接地的三相四线制，动力与照明合用一个电源，站用变压器低压侧接线采用单母线分段接线方式，平时分裂运行，以限制故障范围，提高供电可靠性。
380V站用电母线可采用低压断路器（即自动空气开关）或闸刀进行分段，并以低压成套配电装置供电。
站用变压器低压侧接线如图2-3所示。
图2-3站用变压器低压侧接线
3变压器选择
3.1主变压器选择
在变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。
《35～110kV变电所设计规范》规定，主变压器的台数和容量，应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑确定。
在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。
装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。
具有三种电压的变电所，如通过主变压器各侧线圈的功率均达到该变压器容量的15%以上，主变压器宜采用三线圈变压器。
主变压器台数和容量直接影响主接线的形式和配电装置的结构。
由负荷计算（设计计算书第1章）可知，本变电站远景负荷为PM=32.95MVA，装设两台主变压器，每台变压器额定容量按下式选择
SN=0.6PM=0.6×32.95=19.77MVA
故可选择两台型号为SSZ9—20000/110的变压器。
20000/46700*100%=61.0%
当一台主变停运时，即使不考虑变压器的事故过负荷能力，也能保证对61.0%的负荷供电。
主变压器参数如表3-1所示。
型号
额定容量
（kVA）
额定电压（kV）
空载
电流
（%）
空载
损耗
（kW）
负载损耗（kW）
连接组标号
高压
中压
低压
高-
中
高-
低
中-
低
高-
中
高-
低
中-
低
SSZ9-20000/110
20000
110
38.5
10.5
0.5
25.2
105
112
85
10.5
17.5
6.5
YN,yn0,d11
3.2站用变压器选择
《35～110kV变电所设计规范》规定，在有两台及以上主变压器的变电站中，宜装设两台容量相同可互为备用的站用变压器，分别接到母线的不同分段上。
变电站的站用负荷，一般都比较小，其可靠性要求也不如发电厂那样高。
变电站的主要负荷是变压器冷却装置、直流系统中的充电装置和硅整流设备、油处理设备、检修工具以及采暖、通风、照明、供水等。
这些负荷容量都不太大，因此变电站的站用电压只需0.4kV一级，采用动力与照明混合供电方式。
380V站用电母线可采用低压断路器（即自动空气开关）或闸刀进行分段，并以低压成套配电装置供电。
本变电站计算站用容量为100kVA（设计计算书第1章），选用两台型号为S9—100/10的变压器，互为暗备用。
10kV级S9系列三相油浸自冷式铜线变压器，是全国统一设计的新产品，是我国国内技术经济指标比较先进的铜线系列配电变压器。
站用变压器参数如表3-2所示。
型号
额定
容量
（kVA）
额定电压（kV）
空载电流（%）
损耗（W）
阻抗电压（%）
连接组标号
高压
低压
空载
短路
SSZ9-20000/110
100
10
0.4
1.6
290
1500
4
Y,yn0
4短路电流计算
4.1短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。
短路电流计算的目的主要有以下几方面：
（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
例如：
计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。
（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
（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，也需用短路电流。
4.2短路电流计算的一般规定
验算导体和电器时所用的短路电流，一般有以下规定：
（1）计算的基本情况
①电力系统中所有电源都在额定负荷下运行；
2步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
3短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
④所④所有电源的电动势相位角相同；
⑤正⑤正常工作时，三相系统对称运行；
⑥应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。
对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
（2）接线方式
计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
（3）计算容量
应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑本工程建成后5～10年）。
（4）短路种类
一般按三相短路计算。
若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统以及自耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况进行校验。
（5）短路计算点
在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。
对于带电抗器的6～10kV出线与厂用分支回路，在选择母线至母线隔离开关之间的引线、套管时，短路计算点应该取在电抗器前。
选择其余的导体和电器时，短路计算点一般取在电抗器后。
4.3短路电流计算的步骤
在工程设计中，短路电流的计算通常采用实用计算曲线法。
其具体计算步骤如下：
（1）绘制等值网络。
①选取基准功率SB和基准电压VB=Vav；
②发电机电抗用dx''，略去网络各元件的电阻、输电线路的电容和变压器的励磁支路；
③无限大功率电源的内电抗等于零；
④略去负荷。
（2）进行网络变换。
按网络变换的原则，将网络中的电源合并成若干组，例如，共有g组，每组用一个等值发电机代表。
无限大功率电源（如果有的话）另成一组。
求出各等值发电机对短路点的转移电抗xfi（i=1,2,…..,g）以及无限大功率电源对短路点的转移电抗xfs。
（3）将前面求出的转移电抗按各相应的等值发电机的容量进行归算，便得到各等值发电机对短路点的计算电抗。
Xjsi=XfiSNi/SB（i=1,2,...,g）
式中，SNi为第i台等值发电机的额定容量，即由它所代表的那部分发电机的额定容量之和。
（4）由xjs1,xjs2，⋯，xjsg分别根据适当的计算曲线找出指定时刻t各等值发电机提供的短路周期电流标幺值Ipt1*，Ipt2*，⋯，Ijsg。
（5）网络中无限大功率电源供给的短路电流周期是不衰减的，并由下式确定
Ips*=1/xfs
（6）计算短路电流周期分量的有名值。
第i台等值发电机提供的短路电流为
IPt.I=IPt.I*INi=IPt.I*sNi/
Vav
无限大功率电源提供的短路电流为
Ips=IPs*IB=IPs*s/
Vav
短路点周期电流的有名值为
Ipt=ΣIPt.I*sNi/
Vav+IPs*s/
Vav
式中，Vav应取短路处电压级的平均额定电压；INi为归算到短路处电压级的第i台等值发电机的额定电流；I为对应于所选基准功率BS在短路处电压级的基准电流。
（7）计算短路容量和短路电流冲击值。
（8）绘制短路电流计算结果表。
4.4短路电流计算结果
本变电站短路电流计算结果如下：
三相短路电流计算电路图及其等值网络如图4-1所示。
图4-1计算电路图及其等值网络
当短路发生在3f点时，分变压器低压侧并列运行和变压器低压侧分列运行两种情况进行计算，变压器低压侧分列运行三相短路电流计算电路图及其等值网络如图4-2所示
图4-2变压器低压侧分列运行计算电路图及其等值网络
短路点编
号
短路类型
0s短路电流周期分量有名值I''（kA）
2s短路电流有名值I2（kA）
4s短路电流有名值I4（kA）
短路电流
冲击值
iSh（kA）
短路全电
流最大有
效值
Ish（kA）
短路容量
S''（MVA）
三相短路
2.72
2.54
2.54
6.93
4.13
518.21
三相短路
5.63
4.50
4.46
14.36
8.55
341.29
三相短路
12.0
10.5
9.79
24.96
14.88
207.84
三相短路
7.77
7.03
7.19
19.81
11.81
134.58
三相短路电流计算结果见表4-1。
注：
f3——主变低压侧并列运行；'
F3——主变低压侧分列运行。
5直流系统设计
5.1直流系统概述
在发电厂和变电所中，为了供给控制、保护、自动装置、事故照明和汽机直流油泵等的用电，要求有可靠的直流电源，即使在发电厂或变电所完全停电的情况下也要求能保证上述负荷的可靠供电。
直流控制负荷包括电气和热工系统的控制、信号、保护、自动装置和某些执行机构，这些都是保证发电厂和变电站正常、安全运行的极为重要的负荷。
直流控制电源，除为直流控制负荷供电外，还为一些动力负荷供电，例如大合闸电流的电磁操作机构，事故照明装置等，可见,直流控制电源系统兼有直流保安电源的功能，其工作的可靠性是极为重要的。
蓄电池组构成的直流控制电源系统，有很高的可靠性。
整个蓄电池组故障造成停止供电的可能性极小。
因为蓄电池组的故障，总是首先在个别电池中发生，而且其发展过程缓慢，易于及时发现和消除，不致波及整个蓄电池组。
这种情况已为多
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