110kV变电站设计说明书.docx
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110kV变电站设计说明书
前言
本书是2010年本人编写的电气工程及其自动化的毕业设计书，本书主要是说明书，另外还有一本计算书。
两本一起构成本人的毕业设计书。
毕业设计是高等工科学校教学中一个不可缺少的实践性环节。
本书在设计时注重相关知识的综合运用，突出重点，贴近实际，力求做到条理清晰，层次分明，简单实用。
本书共分为八个章节。
第一章介绍了电气工程设计中要解决的原始材料及其设计要求；第二章介绍了负荷的统计分析；第三章是对电气主接线方案的分析及比较，并得到最终的电气主接线方案；第四章是短路电流的计算，通过介绍短路电流的计算目的、计算的一般规定、计算步骤和方法来完成短路电流的计算；第五章为导体和电器的选择设计。
本书由本人首编，书中大量引用了有关专业文献和资料（如参考文献中所列），在此对文献及资料的作者致以衷心的感谢。
由于编者的条件和水平有限，对某些总是的看法可能带有片面性，书中难免有错误和不当之处，在此我真诚地请求老师批评指正，谢谢。
编者
2011年01月
第一章原始材料……………………………………………………………3
第二章负荷资料的统计分析………………………………………………7
第三章电气主接线的确定…………………………………………………9
第四章短路电流计算………………………………………………………18
第五章导体与电器的选择设计……………………………………………20
参考文献………………………………………………………………………24
第一章原始材料
课题：
110KV系统变电所电气部分初步设计
一、设计原始资料
1、随着生产的发展，电力系统不断扩大，待设计变电所就是为适应这种情况而建设的中间变电所，主要供给地区负荷，同时也传递部分的系统交换功率。
该变电所的电压等级为110/35/10KV，变电所最终规模的进出线回路数：
110KV4回（其中2回备用）35KV5回（其中1回备用）
10KV8回（其中1回备用）
2、根据系统运行方式，本变电所不是电压枢纽点，无特殊的调压要求，另外，有部分穿越由110KV系统经过本变电所送至35KV系统变电所。
3、系统电源情况
与本变电所连接的系统电源共有三个，其中110KV及35KV系统变电所各一个，110KV火电厂一个，具体为：
（1）110KV系统变电所，在该所高压母线上的短路容量为533MVA，该所距待设计变电所9KM。
（2）110KV火电厂，接线如图：
（3）35KV系统变电所，在该所高压母线上的短路容量为300MVA，该所距待设计变电所5KM。
（4）最小短路容量为最在短路容量的3/4，电厂不变。
4、所址地理情况
设计变电所选定的所址条件较好，土地较为平整、充裕。
5、气象条件
年最高温度+39.9C、最高日平均温度+34.4C
海拔高度20.5C、年最低温度－3C、地震烈度6度以下
6、负荷资料
35KV侧负荷
序号
用户名称
负荷性质
最大负荷（MW）
1
纸浆厂
5
2
源头变
Ⅰ
6
3
锌品厂
Ⅰ
5
4
备用（新用户）
6
10KV侧负荷
序号
用户名称
负荷性质
最大负荷（MW）
1
配件厂
1.6
2
手拖厂
1.4
3
机械厂
2.6
4
电台
Ⅰ
0.5
5
针织厂
2.2.
6
食品加工厂
1.02
7
用户
1.2
8
备用（新用户）
4
所用电负荷
序号
设备名称
容量（KW）
负荷性质
1
#1主变风扇
3.24
经常、连续
2
#2主变风扇
3.24
经常、连续
3
浮充电机
4.5
经常、连续
4
蓄电池室通风
2.7
不经常、连续
5
载波室通风
1.1
不经常、连续
6
载波通讯
2.5
经常、连续
7
照明负荷
9.7
经常、连续
8
生活区用电
10
不经常、连续
9
充电机新用户
20
不经常、连续
10
生活水泵
4.5
经常、短时
11
检修、试验用电
5
不经常、短时
12
电焊机
10.6
不经常、断续
110KV系统变电所供给10MW电能，其余由110KV火电厂供给。
另外，有5MW的穿越功率经本变电所至35KV系统变电所。
注：
（1）以上负荷，除Ⅰ类以外，均分另Ⅱ、Ⅲ类。
（2）负荷功率因数均取COSΦ=0.85
（3）负荷同时率Kz=0.9
（4）年最大负荷选用小时均取Tmax=4500小时/年
（5）以上负荷不包括网损在内，网损北一律取5%
所用电负荷见表中所列。
注：
所用电计算负荷=照明用电+生活区用电+其余经常的或连续的负荷之和×0.85（KVA）其中0.85为综合系数。
二、设计内容
1、负荷分析及变压器的容量、台数及型式的选择
2、进行主接线的技术比较，确定主接线最佳方案
3、计算短路电流及主要电气设备选择；
4、进行线路或变压器保护的整定计算。
5、变电所电气布置设计。
6、变电站防雷保护范围计算
7、变电站接地网设计
第二章负荷资料的统计分析
一、电力负荷分类
负荷的统计分类对主接线的确定影响很大，因为重要的负荷要求的供电可靠性较高，也就是说要求可靠性高的主接线形式，而次要的负荷要求的供电可靠性较低，也就是说可以选可靠性不太高的简单主接线，使得设计合理经济。
对于电力负荷按供电重要性可分为以下三类：
1、一类负荷—是指此种负荷如中断供电，将造成人们生命危险，设备损坏，大量产品报废，给国民经济造成重大损失，在政治上造成重大影响。
2、二类负荷—是指此种负荷如停止供电，将造成大量减产，工厂窝工以及使城市中大量居民的正常生活受到影响等。
3、三类负荷—指不属于一、二级负荷的其他负荷，停电不会带来严重后果。
二、分级负荷对供电的要求
1、对于一类负荷—必须要有两个独立的电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对一灯负荷不间断供电。
2、对于二类负荷—一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证大部分二类负荷的供电。
3、对于三类负荷—一般只需一个电源供电。
三、负荷的统计方法
电力生产、消费一条龙，从头到尾都是息息相关的。
用户用多大的电量，输送电能的载流导体和电器开头也就应能随这么多电量而不损坏。
即负荷的容量大小是选择导体和电器的依据。
例如对于主变压器容量的选择，断路器、隔离开头容量的选择等等，都要考虑实际有多大的负荷通过。
所以负荷统计是进行设计的首要考虑内容。
进行负荷统计时，要注意用户设备额定容量之和并不等于供电系统供给的总容量。
因为多数设备通常在小于额定容量的条件下运行，并且有些设备是间歇运行的，所以实际由电源取得的功率要比用户所装的设备铭牌额定功率总和为小。
这全实际取用的功率我们称为“计算负荷”。
方法如下：
（1）一组设备的计算负荷Pjs=需要系数Kx×该组设备容量之和∑Pe
（2）多组设备的计算负荷Pjs=同时系数Kt×各组的计算负荷之和∑Pjs
另外，计算负荷要考虑电力网的电能损耗，即电网线路首端送出的负荷，等于电网末端的负荷加上电网线路产生的电能损耗。
如已知网损率a，则电能损耗=网损率a×末端负荷。
所以电网线路首端负荷Pmax=（1+a）×末端负荷Pjs
进行负荷统计时，还应注意到负荷的发展，须把远期负荷也统计在内。
四、主变压器的选择
变压器是变电站的重要设备，其容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构，如选用适当不仅可减少投资，减少占地面积，同时也可减少运行电能损耗，提高运行效率和可靠性，改善电网稳定性能。
1、主变压器台数：
为保证供电可靠性，变电所一般设有两台主变压器。
2、变压器容量：
装有两台变压器的变电站，采用暗备用方式，当其中一台主变因事故断开，另一台主变的容量应满足全部负荷的60%，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证80%负荷供电。
五、主变型式确定
1、在330KV及以下电力系统中，一般选三相为压器，采用降压结构的线圈，排列成铁芯—低压—中压—高压线圈，高与低之间阻抗最大。
2、绕组数和接线组别的确定：
该变电所有三个电压等级，所以选用三绕组变压器，连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行，110KV以上电压，变压器绕组都采用Y0连接，35KV采用Y形连接，10KV采用Δ连接。
3、冷却方式的选择：
考虑到冷却系统的供电可靠性，要求及维护工作量，首选自然风冷冷却方式。
4、查110KV三绕组电力变压器技术数据表，选用型号为SFS7－31500/110三绕组变压器。
5、试选用传递功率比例100/100/50
2、主变压器台数：
装设两台变压器，以保证供电可靠性。
3、主变压器容量：
装两台变压器的变电所，每台变压器的额定容量一般按Se=0.6SM选择，SM为变电所最大负荷，这样，当一台变压器停用时，仍可保证对60%全部负荷的供电。
对于一、二类负荷比重大的变电所，应能在一台变压器停用时，其余变压器仍能保证用户的一类负荷和大部分二类负荷。
采用三相式变压器。
具有三种电压的变电所，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到15%Se以上时，可采用三绕组变压器。
第三章电气主接线的确定
发电厂（变电所）电气主接线是电力系统接线的主要组成部分。
它表明了发电机、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，从而完成发电、变电、输配电的任务。
它的设计，直接关系着系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
我们应该在满足国家有关技术经济政策的前提下，着重分析发电厂、变电所在系统中所处的地位及其规模、性质和所采用的设备特点来设计，得也符合实际需要的经济合理的电气主接线。
一、电气主接线的基本要求
1、必须满足电力系统和电力用户对供电可靠性和电能质量的要求
发供电的安全可靠，是对电力系统的第一要求。
因此，电气主接线应首先给予满足，但是，电气主接线的可靠性不是绝对的。
同样的主接线对某些发电厂和变电所来说是可靠的，但对另一些发电厂和变电所就不一定能满足其对可靠性要求。
一般地，可以从以下几个方面来衡量电气主接线的可靠性。
（1）断路器检修时是否会影响对用户的供电；
（2）设备和线路故障或检修时，停电线路的多少（停电范围的大小）和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电；
（3）是否存在发电厂，变电所全部停止工作的可能性等。
现在，不仅可以定性分析电气，主接线的可靠性，而且还可以对电气主接线进行定量的可靠性计算。
2、应具有一定的灵活性
（1）为了调度的目的，可以灵活操作，投入或切除某些机组，变压器或线路，调配电源负荷；能够满足系统在事故运行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、母线及其继电保护设备进行安全检修，面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最终接线，在扩建过渡时，无论一次和二次设备等所需要的改造为最小。
3、操作要力求简单、方便
电气主接线应该简单、清晰、明了，操作方便。
复杂的电气主接线不仅不利于操作，还容易造成误操作而发生事故。
但接线过于简单，又可能给运行带来不便，或者造成不必要的停电。
4、经济合理
主接线在满足上述要求的前提下要做到经济合理
（1）投资少
（2）占地面积小
（3）电能损失少
5、具有发展和扩建的可能性
除了满足前述技术经济条件的要求外，发电厂变电所的电气主接线还应具有民展和扩建的可能，以适应电力的不断民展，满足社会各方面高速发展电力的需求。
二、基本的主接线形式
1、单母线接线适用条件——该接线一般只适用于出线回路数少配电装置中，并且电压等级越高，所连接的回路数越少
2、单母线分段接线其采用的条件如下：
（1）6~10千伏配电装置出线回路数为6回及以上时，一般采用单母分段接线。
（2）35~60千伏配电装置出线回路数为4-8回时，一般采用单母线分段接线。
（3）110~220千伏配电装置的出线回路数为4回时，一般采用单母线分段接线。
3、双母线连接及分段：
出线带电抗器的6~10千伏的配电装置采用双母线；35~60千伏配电装置当出线回路数数多（超过8回）时，或连接接线的电源较多，负荷较大时，可采用双母线连接。
4、配电装置中的旁路设施或专用的旁路断路器，应按下列条件设置：
采用分段单母线或双母线的110~220千伏配电装置中，除断路器允许停电检修外，一般设置旁路设施。
当有旁路母线时，应首先采用以分段断路器或母联断路器兼作旁路断路器；35~60千伏配电装置中，一般不设旁路母线；如线路断路器不允许停电检修，可设置其他旁路设施；当地区电力网或用户不允许停电检修线路断路器时，采用单母线或分段单母线的6千伏和10千伏配电装置中，可设旁路母线。
5、接在母线上的阀型避雷器和电压互感器，一般合用一组隔离开关，接在变压器引线上的阀型避雷器回路中，一般不装设隔离开关。
三、方案的拟定
110KV系统变电所连接的电源共有三个，其中110KV及35KV系统变电所各一个，110KV火电厂一个。
Ⅰ类、Ⅱ类负荷进线回路数为两回，Ⅲ类负荷回路数为1回，35KV负荷进线回路数为1回，而变电站有30%Ⅱ类、70%Ⅲ类负荷，负荷进线回路数可为1-2回，取负荷进线回路为两回，10kV所用变的进线回路数为1回，因此，35kV母线出线回路总数为5回，10kV母线出线回路总路为8回。
以下拟定了四种方案：
方方案
11110kV
3535kV
1010kV
Ⅰⅰ
内内桥接线
单单母分段带旁路
单单母分段接线
Ⅱⅱ
单单母分段接线
单单母分段接线
单单母分段接线
Ⅲⅲ
外外桥接线
单单母分段带旁路
单单母分段接线
Ⅳⅳ
单单母接线
单单母分段接线
双双母接线
1、方案Ⅰ：
（1）主变采用两台SFS7－31500/110型的三绕组变压器。
110kV采用内桥接线；35kV采用单线分段带旁路；10kV采用单母分段接线
（2）将35kV、10kV负荷均衡的分配挂接于Ⅰ、Ⅱ母线上。
（3）画图：
110KV：
内桥接线
35KV：
单线分段带旁路
10KV：
单母线分段接线
2、方案Ⅱ
a）主变采用两台SFS7－31500/110型三绕组变压器。
b）110kV、35kV、10kV均采用单母分段接线。
c）将35kV、10kV负荷均衡的分配并挂接于Ⅰ、Ⅱ母线上。
d）画图：
略
2、方案Ⅲ
a）主变采用两台SFS7－31500/110型三绕组变压器。
b）110kV采用外桥接线、35kV采用单母分段带旁路母线、10kV采用单母分段接线。
c）将35kV、10kV负荷均衡的分配并挂接于Ⅰ、Ⅱ母线上。
d）画图：
110KV：
外桥接线
3、方案Ⅳ
主变SFS7－31500/110型三绕组变压器。
110kV采用单母接线、35kV采用单母分段接线、10kV采用双母接线。
画图：
10KV：
双母接线
四、方案技术比较
1、技术分析
（1）单母接线：
优点是接线简单、清晰、所用的开关设备少，操作方便，配电装置造价较低。
缺点是只能提供一种运行方式，对运行方式变化的适应能力差，母线或母线侧隔离开关故障或检修时，整个配电装置必须退出运行；而任一断路器检修时，其所在回路也必须退出运行，总之，不分段的单母线接线的供电可靠性和灵活较差。
（2）单母线分段接线：
优点是可以有各母线段并列或各母线段分裂两种运行方式，而且便于分别对各母线段进行检修，减小了母线检修时的停电范围。
由于各母线段同时发生故障的可能性很小，显然提高了运行的灵活性与供电可靠性，缺点是在任何一段母线故障或检修期间，该断路器所在的回路也必须停电。
（3）单母分段带旁路母线接线：
具有相当高的供电可靠性和运行灵活性，广泛应用于出线回路数不多，但负荷较为重要的中小型发电厂及35-110kV的变电所中，110kV出线在6回以上。
（4）双母接线：
优点是运行灵活，一组母线检修时所有回路均不中断供电，检修任一回路的母线侧隔离开关时，只中断该回路的供电。
检修任一回路断路器时，可用母联断路器代替工作，缺点是运行方式改变时，需要用母线隔离开关进行倒闸操作，操作步骤较为复杂，占地容易出现误操作，导致人身或设备事故。
任一回路断路器检修时，该回路仍需停电或短路时停电，增大了大量的母线侧隔离开关及母线的长度。
配电装置结构较为复杂，占地面积与投资都有所增加。
（5）外桥接线：
联络断路器接在线路断路器的外侧，便于变压器的正常投入和退出操作及切除故障变压器。
而线路的投入和退出及切除故障的操作较为复杂，适用于线路较短、故障几率较低、主变压器按经济运行的要求而需要经常切换，以及电力系统自较大的穿越功率通过桥断路器的情况。
2、方案比较
（1）方案Ⅰ
110kV~220kV为两回出线时，多采用桥形接线；因年平均雷电日为90天，一年中平均4天有一天为雷电日，因此此地区为多雷地区，线路故障断开几率较高，采用内桥接线。
而单母段便于分别对各母线段进行检修，减小了母线检修时的停电范围，由于各母线段同时发生故障的可能性很小，显然有较高的灵活性和供电可靠性。
因此，此方案保留。
（2）方案Ⅱ
单母段接线适用范围为电压等级为6~10kV时，出线在6回段以上，每段母线所接容量不宜超过25MW,35~60kV时，出线数不宜超过8回，110！
220kV,等级出线数不宜超过4回，此方案的出线回数均在此范围内，且各母线同时发生故障的可能性较小，运行时有较高的灵活性和供电可靠性。
因此，此方案保留。
（3）方案Ⅲ
外桥一般适用于中小型发电厂，变电所的35~220kV配电装置中，它适用故障几率较低，主变压器按经济运行的要求而要经常切换的情况，而此地区为多雷地区，故障几率较高因此不宜采用外桥。
35~60千伏配电装置中，一般不设旁路母线；如线路断路器不允许停电检修，可设置其他旁路设施，因此，此方案被淘汰了。
（4）方案Ⅳ
单母接线适用于6~22kV系统中，出线回路数较少，对供电可靠性要求不高的小容量发电厂和变电所中，单母线接线的供电可靠性和灵活性较差，双母线接线虽然供电可靠性较高，但在进行倒闸操作，操作较为复杂，容易出现误操作，导致人身或设备故障。
因此，此方案被淘汰。
经上述，结合原始资料，有：
110KV进出线共有四回，其中有两回为备用，为保证1回线路或母线检修时不影响全站的运行，考虑设备较少，减少投资，提高供电可靠性，使操作简单易于扩建。
为提高了可靠性，易于扩建等方面来作出选择；
所设计的变电所35KV出线，共有五回，本期工程一次完成五回，在考虑主接线方案时，应首先满足运行可靠，操作灵活，节省投资。
所设计的变电所10KV出线，共有8回，其中有1回为备用，在考虑主接线方案时，应首先满足运行可靠，操作灵活，节省投资。
初步比较方案得出方案Ⅰ、Ⅱ保留，进行下一步的经济比较，而方案Ⅲ、Ⅳ被淘汰掉了。
3、经济比较
（一）电气主接线方案的经济计算
经济计算是计算各个主接线方案的费用和效益，为选择经济上的最优方案提供依据。
在经济比较中，一般有投资和年运行费用两大项。
计算时，并不需要计算全部建造费用，可只计算个方案不同部分的投资和年运行费用。
这样做，并不影响比较的结果，此外，由于比较是相对的，故不必过分追求数字的精确。
实际上，在选择方案阶段，也不可能把投资计算得很准确。
具体计算如下：
4、计算综合投资Z:
Z=Z0（1+a/100）（万元）
式中：
Z0——主休设备综合投资，包括变压器、开关设备、配电装置等设备综合投资。
A——不明显的附加费用比例系数，一般220KV取70，110KV取90。
所谓综合投资，包括设备本价价格，其他设备（如控制设备、母线）费，主要材料费，安装费用等各项费用的总和。
综合投资的指标见附表。
5、计算年运行费用U：
U=a*△A*10+U1+U2（万元）
式中：
U1——小修、维护费，一般为（0.022-0.042）本次设计取0.022Z（变电工程）
U2——折旧费，一般为（0.005-0.058）Z，本次设计取0.058Z。
（变电工程）
a——电能电价，由各省市实际电价确定。
本次设计取0.20元/KW·h
△A——变压器年电能损失总值（KW·h）
关于△A的计算方法如下：
方案Ⅰ、方案Ⅱ的35kV、10kV侧均采用单母分段，主变采用两台SFSL1-15000型三绕组变压器，因此，方案Ⅰ、方案Ⅱ的经济比较实际上为方案Ⅰ、方案Ⅱ110kV侧配电装置的比较。
4、主接线图
1、避雷器的配置
（1）每一段母线须配置一组避雷器。
（2）对于三线图变压器，低压绕组有可能开路运行时，主避免静电感应低压绕组绝缘的危害，应在低压绕组出线端装一个避雷器，三角形绕组的，可装在任一相，星形绕组的，装于中性点。
（3）对于自耦变压器，当一侧断开后，在断开侧仍会出现对绝缘有危害的过电压，因此，须在自耦变压器的各侧绕组上装设避雷器。
（4）对于中性点直接接地系统，变压器中性点可能断开运行时，若该变压器中性点绝缘不按线电压设计，应在中性点装设避雷器。
（5）对于中性点不接地系统，变压器中性点经套管引出时，应在中性装一个避雷器，变压器中性点接有消弧线圈时，为消除消弧线圈端部可能出现的过电压，应与消弧线圈并联安装一个避雷器。
（6）对于雷雨季节可能经常开路运行，而其线路侧又带有电压的35~110kV的变电所，为保护其进出线的断路器及隔离开关，应在变电所线路的进出外装设三相一组避雷器。
2、电流互感器（TA、CT）的配置。
（1）凡装有断路器的回路应配置CT；
（2）发电机，变压器的中性点应配置CT；
（3）发电机回路应配置三相CT；
（4）升压变压器回路应配三相式CT；
（5）110kC以上线路应配三相式CT；
（6）35kV线路视情况配三相或两相式CT；
（7）10kV以下线路配两相式CT；
（8）发电机电压引出线，母线分段回路，母线联络回路配两相式CT。
3、电压互感器（TV，PT）的配置
（1）发电机出口回路应配两组PT；
（2）发电机一三绕组变压器单元接线的低压侧应配一组PT；
（3）主接线的各段母线均应各配一组PT；
（4）与系统相联的线路其断路器线路侧应配一台意想PT.
4、应当接地的部分
（1）电机、变压器的底座和外壳；
（2）电气设备传动装置；
（3）互感器的二次装置；
（4）屋内外配电装置的金属和钢筋混凝土架构以及带电部分的金属遮拦；
（5）交直流电力电缆合的金属外壳和电缆的金属外皮，布线的钢管等。
5、电抗器的配置
（1）为限制短路电流在系统中串联电抗器，使之降低满足其后所接设备短路电流允许值；
（2）电抗器是并联接在110~500kV高压变电所6~63kV低压侧，用于补偿输电线的无功容量，维持输电系统的电压稳定，降低系统的绝缘水平，提高传输能力和效率。
根据以上配电比较信息，110KV变电站电气主接线如下图所示：
第四章短路电流的计算
一.短路电流计算的目的和条件
短路是电力系统中较常发生的故障。
短路电流直接影响电器的安全，危害主接线的运行。
为使电气设备能承受短路电流的冲击，往往需选用大容量的电气设备。
这不仅增加了投资，甚至会因开断电流不能满足而选不到符合要求的电气设备。
因此要求我们在设计变电站时一定要进行短路计算。
1.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内容。
其计算的目的主要有以下几个方面：
⑴电气主接线的比较。
⑵选
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