毕业设计论文110kv变电站电气部分设计.docx
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毕业设计论文110kv变电站电气部分设计
摘要
随着国民经济的迅速发展，我国电力需求迅速增长,使得电网规模不断扩大、结构越来越复杂，而变电站对于电力的生产和分配起到了举足轻重的作用。
变电站是电网建设和电网改造中非常重要技术环节。
近年来，变电站技术处于高速发展的过程中，随着国内外气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）系统和综合自动化技术的应用，变电站向着占地面积小、灵活性高、易于检修的趋势发展。
本次设计为110kV变电站电气部分初步设计，并绘制电气主接线图及其他图纸。
该变电站设有两台主变压器，站内主接线分为110kV、10kV两个电压等级。
本次设计中进行了电气主接线的设计、短路电流计算、变压器的选择、主要电气设备选择（包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线等）、各电压等级配电装置设计。
关键词：
变电站电气主接线短路电流
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy,China'srapidgrowthinelectricitydemand.Makepowergridsstructurehavebeenexpandingmoreandmorecomplexsubstationsforelectricpowerproductionanddistributionplayanincreasinglyimportantrole.
Substationisveryimportanttechnicalaspectofapowergridconstructionandtransformationofelectricalnetworks.Inrecentyears,thetechnologyofsubstationisintheprocessofrapiddevelopment，withdomesticandinternationalgas-insulatedmetal-enclosedswitchingequipmentsystemsandintegratedautomationtechnology（GIS）applications,thecitysubstationinasmallfootprint,flexible,easytooverhaulthetrendofdevelopment.
Wehavetodesignprimarypower-systemof110kVsubstationanddrawmainelectricalone-linediagramandothers.Therearetwomaintransformerinthesubstation,inwhichmainelectricalconnectioncanbedividedintotwovoltagegrades:
110kV,10kV.Thereisalsoadesignformainelectricalconnectioninthisengineering,thecalculationforshort-circuitelectriccurrent,theselectionofelectricaldeviceandcalibration（includingcircuitbreaker,isolator,currenttransformer,potentialtransformer,busbaretc.）andthedesignfordistributioninstallationper.voltagegrade.
Keywords:
substationmainelectricalconnectionshortcircuitcurrents
1前言
1.1选题的目的和意义
电力工业是国民经济的重要部门之一，它是负责把自然界提供的能源转换为供人们直接使用的电能的产业。
它既是现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供不可缺少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。
电力是工业的先行，电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。
近年来随着我国国民经济的高速发展,人民生活用电的急剧增长，对于电力的需求大幅度增加，使得电网规模不断扩大、结构越来越复杂，人们对能源利用的认识越来越重视，而变电站对于电力的生产和分配起到了举足轻重的作用。
变电站是电网建设和电网改造中非常重要的技术环节，在目前的电网建设中，尤其是在110kv变电站的建设中，土地、资金等资源浪费现象严重，存在重复建设、改造困难、工频电磁辐射、无线电干扰、噪声等环保问题以及电能质量差等的问题，这些已成为影响高压输变电工程建设成本和运行质量的重要因素，违背了我国可持续发展的战略，所以110kv变电站需要采用节约资源的设计方案,要克服通信干扰和噪声、既要保证电能质量和用电安全等问题，同时还要满足以后电网改造的方便性和资源再利用率高的要求。
1.2国内外研究综述
近年来一些发达国家为减少电能在网路中的损耗，已经形成了比较完善的变电站设计理论，基本达到了建设节约型、集约型、高效型变电站的目标。
国内的变电站也通过改善优化变电站结构，降低变电站的功率损耗，提高变电站的可靠性、灵活性、经济性。
另外，变电站综合自动化系统取代传统的变电站二次系统，已成为当前电力系统发展的趋势。
我国变电站自动化系统经过十几年的发展，虽然取得了不小的成绩，但目前还跟不上整个电力工业发展的步伐，真正实现自动化和无人值班的变电站并不多，其社会和经济效益不够显著，这说明我们的变电站自动化技术并不规范，市场发育也不成熟，这与研制、制造、规划、基建和运行等部门对变电站自动化的认识不同有很大的关系。
总之，变电站综合自动化系统以其简单可靠、可扩展性强、兼容性好等特点逐步为国内用户所接受，并在一些大型变电站监控项目中获得成功的应用，变电站综合自动化技术应用的越来越成熟。
认清和适应变电站自动化技术的发展趋势，采用先进的理论技术，摒弃落后和即将淘汰的技术，确定科学的模式和结构，选择质量优良和性能可靠的产品，无论对设备制造厂家还是对用户都是至关重要的，也关系到变电站技术未来的发展。
因此，在学习借鉴国外先进技术的同时应结合我国的实际情况，全面系统地研究探讨符合国情的变电站自动化系统模式、结构、功能、通讯方式等，对我国变电站的发展有很重要的现实意义。
1.3设计概述
1.3.1待建变电站的地位及作用
按照电力先行的原则，依据本地区远期负荷发展规划，决定在本地区建设一座中型110kV降压变电站。
该变电站建成后，主要对本区用户供电为主，尤其对本地区大用户进行供电，改善和提高该地区的供电水平，同时和其他地区变电站联成环网，提高了本地供电的质量和可靠性。
1.3.2变电站负荷情况
本变电站的电压等级为110/10kV。
高压侧电压为110kv，有4回出线，低压侧电压为10kV，有线路24回。
就地理位置来看，该变电站属于重要的中间变电站。
出线方向：
根据一般进出线规划和选址的交通、地形等条件，110kV布置在该变电站的上方（北侧），10kV布置在该站的下方（南侧），主变压器布置在110KV和10KV之间，布置方式如图1-1所示：
北
110kV
主变压器
…………24回出线…………
10KV
图1-1变电站出线布置图
1.3.3环境给定条件
该地区自然条件：
该变电站建在平原地区，交通方便，最热月月平均最高温度为40摄氏度，最冷月月平均最低温度为-7摄氏度，年平均气温为18摄氏度，本地区无不良地质现象，土壤无污染，电阻率为7000Ω.cm。
该变电站预计总占地面积约为4.8亩，总建筑面积为356平方米。
2电气主接线设计
2.1概述
变电站电气主接线的设计是依据变电站的最高电压等级和变电站的性质，选择出一种与变电站在该地区电力系统中的地位和作用相适应的接线方式。
变电站的电气主接线是电力系统接线的重要部分，它表明变电站内的变压器、各电压等级的线路、无功补偿设备以最优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电站内各种电气设备之间的连接方式。
电气主接线的设计与变电站所在电力系统的作用及所采用的设备密切相关。
随着电力系统的不断发展，新技术的采用和电气设备的可靠性不断提高，设计主接线的观念也应与时俱进、不断创新。
现代电力系统是一个巨大的、严密的整体，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，变电站主接线必须满足以下基本要求：
（1）供电可靠性
①因事故被迫中断供电的机会越少，停电影响范围越小，停电时间越短，主接线可靠性程度就越高；
②供电可靠性的客观衡量标准是运行实践，衡量主接线运行可靠性的标志是：
a.断路器检修时，能否不影响供电；
b.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。
因事故被迫中断供电面积少，停电影响范围越小，停电时间越短，主接线可靠性越高。
衡量电能质量好坏的基本指标是电压、频率、供电连续性和可靠性，主接线在各种运行方式下应能满足要求。
（2）供电的灵活性和方便性
灵活性：
应能灵活地投入（或切除）某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，不仅在正常的时候进行安全地供电，而且能满足系统在事故检修及特殊运行方式下的调度和要求，能灵活地进行运行方式的转换。
可以容易地从初期过渡到其最终接线，使变电站在扩建过渡时，无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。
方便性：
力求接线简单、清晰、明了，使运行人员操作、检修方便，以避免误操作，应能方便地停运断路器、母线及其断电保护设备，进行安全检修而不影响电网的正常运行和对用户的供电。
（3）经济性
投资小：
a.主接线应简单、清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备的投资；
b.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；
c.要适当限制短路电流，以便选择轻型及价格合理的电气设备。
占地面积小：
a.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架构、导线、绝缘子及安装费用；
b.在运输条件许可的地方采用三相变压器；
c.电能损耗少、经济合理地选择主变压器的型式，容量和台数避免二次变压而增加电能损失。
（4）具有扩建和发展性。
变电站主接线应根据5到10年电力系统发展规划进行设计。
从全局出发，统筹兼顾，根据本变电站在系统中的地位、进出线回路数、负荷情况、工程特点、自然环境条件等，确定合理的设计方案并具有扩建的方便性。
主接线设计要留有余地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到分期过渡接线的可能和施工的方便。
应能容易地从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时一次和二次设备所需的改造范围最小。
变电站电气主接线设计是依据变电站的最高电压等级和变电站的性质，选择出一种与变电站在系统中的地位和作用相适应的接线方式。
一个变电站的电气主接线包括高压侧、低压侧以及变压器的接线，因各侧所接的系统情况不同、进出线回路数不同，所以其接线方式也不同。
2.2110kV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。
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，在进出线路多时（一般超过四回）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。
本变电站110kV侧出线有4回，最好采用有母线连接方式，可选择双母线接线和单母线分段接线两种方案进行比较，如图2-1及图2-2所示：
图2-1双母线接线
图2-2单母线分段接线
对图2-1及图2-2所示方案Ⅰ、Ⅱ综合比较，见表2-1。
表2-1主接线方案比较表
方案
项目
方案Ⅰ
方案Ⅱ
技
术
供电可靠、运行方式较灵活；
②倒闸操作复杂，容易误操作。
①简单清晰、操作方便、易于发展；
②运行可靠、运行方式灵活、便于事故处理。
经
济
占地大、设备多、投资大；
②用母线分段断路器兼作旁路断路器节省投资。
设备少、投资小；
②母联断路器兼作旁路断路器节省投资。
对于110kV侧来说，因为它要供给较多的一类、二类负荷，因此其要求有较高的可靠性。
对比以上两种方案，从经济性、可靠性等多方面因素综合考虑，最佳设计方案为方案Ⅱ，单母线分段接线具有一定的可靠性和可扩展性，而且比双母线投资小。
有的时候为了提高主接线的可靠性要增设旁路设施，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。
2.310kV电气主接线
6～10kV配电装置出线回路数目为6回及以上时，可采用单母线分段接线，而双母线接线一般用于引出线和电源较多，输送和穿越功率较大，要求可靠性和灵活性较高的场合。
上述两种方案如图2-3及图2-4所示：
图2-3单母线分段接线
图2-4双母线接线
对图2-3及图2-4所示方案Ⅰ、Ⅱ综合比较，见表2-2。
表2-2主接线方案比较
方案
项目
方案Ⅰ
方案Ⅱ
技
术
①简单清晰，易于扩建；
②调度灵活；
③保证对重要用户的供电；
④事故处理方便。
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占地少；
②设备少。
①设备多、配电装置复杂；
②投资和占地面大。
经过综合比较方案Ⅰ在经济性上比方案Ⅱ好，且调度灵活也可保证供电的可靠性，所以选用方案Ⅰ。
2.4站用电接线
一般站用电接线选用接线简单且投资小的接线方式,故提出单母线分段接线和单母线接线两种方案。
上述两种方案如图2-5及图2-6所示。
图2-5单母线分段接线
图2-6单母线接线
对图2-5及图2-6所示方案Ⅰ、Ⅱ综合比较，见表2-3。
表2-3主接线方案比较
方案
项目
方案Ⅰ单分
方案Ⅱ单
技
术
①不会造成整个变电站停电；
②调度灵活；
③保证对重要用户的供电；
④任一断路器检修，该回路必须停止工作；
⑤扩建时需向两个方向均衡发展。
①简单清晰、操作方便、易于发展；
②可靠性、灵活性差。
经
济
①占地少；
②设备少。
①设备少、投资小。
经比较两种方案经济性相差不大，所以选用可靠性和灵活性较高的方案Ⅰ。
3变压器的选择
3.1概述
在各级电压等级的变电站中，变压器是变电站中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率和两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，所以变压器的选择必须根据电力系统5～10年发展规划进行综合分析合理选择，否则将造成经济和技术上的不合理。
如果主变压器容量选择的过大或台数过多，不仅增加成本、扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备也不能充分发挥效益；若容量选的过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。
因此，确定合理的变压器的容量是变电站安全可靠供电及电网经济运行的保证。
在生产上电力变压器有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦以及分裂变压器等，在选择主变压器时，要根据该变电站的性质和设计变电站的自身特点，在满足可靠性的前提下，要充分考虑其经济性来选择合适的主变压器和站用变压器。
3.2变电站主变压器的选择
3.2.1主变压器相数的确定
根据电气设计手册规定，当不受运输条件限制时，在330KV以下的电力系统均应选择三相变压器。
而选择主变压器的相数时，应根据变电站在该地区电力系统中的作用以及设计变电站的实际情况来选择。
单相变压器组，相对来讲投资大、占地多、运行损耗大，同时配电装置以及断电保护和二次接线的复杂化，也增加了维护及倒闸操作的工作量。
本次设计的变电站，位于郊区开阔的平地，交通便利，不受运输的条件限制，故本次设计的变电站选用三相变压器。
3.2.2主变压器绕组数的确定
对深入引进负荷中心、具有直接从高压降为低压供电条件的变电站，为简化电压等级或减少重复降压容量，可采用双绕组变压器。
3.2.3主变压器台数的确定
选择主变台数确定的要求：
（1）对大城市郊区的一次变电站，在高、低压侧已构成环网的情况下，变电站以装设两台主变压器为宜；
（2）对地区性孤立的一次变电站或大型专用变电站，在设计时应虑装设三台主变压器的可能性。
考虑到该变电站为一重要中间变电站，与系统联系紧密，故选用两台主变压器，并列运行且容量相等。
3.2.4变电站主变压器容量的确定
主变压器容量确定的要求：
（1）主变压器容量一般按变电站建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展；
（2）根据变电站所带负荷的性质和电网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运时，其余变压器容量在设计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷：
对一般性变电站停运时，其余变压器容量就能保证全部负荷的60～70%。
首先进行负荷分析。
本系统中有110kv和10kv两个负荷等级，其最大负荷和功率因子分别为45MW，cos
=0.9，和15MW，cos
=0.85
S总＝45/0.9+15/0.85＝67.647（MVA）
S总=67.647MVA由于上述条件所限制，所以两台主变压器应各自承担33.824MVA，当一台停运时另一台则承担70%为47.353MVA。
故选两台50MVA的主变压器就可满足负荷需求。
故主变压器参数如表3-1所示：
表3-1主变压器参数
型号
额定电压比
阻抗电压
连接组别
SZ-50000/110
110±8×1.25%/10.5KV
10.5
YN，d11
3.3站用变压器台数、容量和型式的确定
3.3.1站用变压器台数的确定
对大中型变电站，通常装设两台站用变压器。
因站用负荷较重要，考虑到该变电站具有两台主变压器，为提高站用电的可靠性和灵活性，所以装设两台站用变压器，分别接在10KV两段母线上，所用电采用380/220V，三相四线制中性点直接接地系统，单母线分段接线。
3.3.2站用变压器容量的确定
站用变压器容量选择的要求：
站用变压器的容量应满足经常的负荷需要和留有10%左右的裕度，以备加接临时负荷之用。
考虑到两台站用变压器为采用暗备用方式，正常情况下为单台变压器运行。
每台工作变压器在不满载状态下运行，当任意一台变压器因故障被断开后，其站用负荷则由完好的站用变压器承担。
S站=96.075/（1-10%）=106KVA
3.3.3站用变压器型式的选择
考虑到目前我国配电变压器生产厂家的情况和实现电力设备逐步向无油化过渡的目标，可选用干式变压器。
故站用变参数如表3-2所示：
表3-2站用变参数
型号
电压组合
接线
组别
空载
损耗
负载
损耗
空载
电流
阻抗
电压
高压
高压分
接范围
低压
SC-80/10
10；6.3；6
±5%
0.4
Y,yn0
0.48
2.6
1.3
4
4最大持续工作电流及短路电流的计算
4.1各回路最大持续工作电流
根据公式
式（4-1）
式中：
——所统计各电压侧负荷容量
——各电压等级额定电压
——最大持续工作电流
式（4-2）
式（4-3）
则：
10kV
110kV
4.2短路电流计算
4.2.1短路电流计算目的、条件及一般规定
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，最常见也是最危险的故障是各种形式的短路。
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（对于大接地系统）发生金属性连接的情况。
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，但其后果最严重。
因此，我们采取三相短路（对称短路）来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。
（1）短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节，其计算的目的有以下几个方面：
①电气主接线的比较；
②选择导体和电器；
③在设计户外高压配电装置时，需要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，需以各种短路电流为依据；
⑤接地装置的设计，也需要用短路电流。
（2）短路电流计算条件
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短路发生在短路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。
（3）短路电流计算的一般规定
①验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流沿用的短路电流，应按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。
4.2.2短路电流计算
短路电流计算的目的是为了选择导体和电器，并进行有关的校验。
按三相短路进行短路电流计算。
可能发生最大短路电流的短路电流计算点有2个，即110KV母线短路（K1点），10KV电抗器母线短路（K2）。
图4-1系统接线图
图4-2正序阻抗图4-3零序阻抗
短路电流计算结果如表4-1所示：
表4-1短路电流计算结果
短路
类型
短路点编号
短路点
名称
短路电流周期分量起始有效值I”
短路电流周期分量0.2S有效值I0.2
稳态短路电流有效值
短路全电流最大有效值Ich
短路电流冲击值ich
短路
容量S”
（KA）
（KA）
（KA）
（KA）
（KA）
（MVA）
三
相
K1
110KV
20
20
20
30.2
51
3984
K2
10KV
（分列）
15.345
15.345
15.345
23.325
39.131
279.064
K2
10KV
（并列）
28.689
28.689
28.689
43.607
73.157
521.738
单
相
K1
升级会员 