华中科技大学电气学院大三本科课程设计110kv降压变电所电气部分设计.docx
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华中科技大学电气学院大三本科课程设计110kv降压变电所电气部分设计
110kV降压变电所电气部分设计
前言
本次设计的内容为《110kV降压变电所电气部分初步设计》。
我们通过一学期的学习以对电力系统的工作原理和慨况有了一个初步的了解。
通过本次课程设计可以巩固一学期所学的知识，并把它用与实际的社会生产当中。
为以后步入社会打下坚实的基础。
我们这学期学习了电力系统的基本概念及知识，发电系统，输变电系统，电力系统负荷，电力系统各元件参数及等值电路，电力系统的短路及潮流计算，电气主接线的设计，现代电力系统的运行，发，输，变，配电系统的二次系统，电力系统继电保护和现代电力系统的的管理等。
为我们的这次课程设计打下了基础，本次课设所用到的知识只是输变电系统和电力系统的短路和潮流计算以及负荷的一般知识。
电气主接线表明电气的一次设备的连接关系，是发电厂、变电所电气部分运行、检修、操作和事故处理的一个工作平台，其设计对电气设备的选择，配电装置布置，继电保护及自动控制方式的拟定，产生决定性的影响。
搞好这次的设计任务将我们巩固本学期所学的知识，并为将来的工作做下良好的铺垫。
目录：
1－2页是设计任务书。
2－5页是主变压器的选择和电气主接线方式的选择。
6－8页为短路计算。
8－11页是电气设备的选择。
11－12页为部分继电保护的整定计算。
设计任务书
一：
设计目的
1.熟悉和巩固《电力系统工程基础》课所学的知识.
2.培养分析和解决问题能力。
3学习和掌握变电所部分设计的基本原理和基本方法。
二：
设计基础资料
1：
所址地理及气象条件
本变电所为县城的新建100kV降压变电所，拟建于城西3km处，距城南原有的老变电所（35/10kV，1800kVA）约5km。
附近有公路经大道至本变电所，砂石高坡地，四周开阔。
属省2级气象区，最高气温40℃，最低气温为-20℃；主导风向冬季为西北风，夏季为东南风，最大风速25m/s。
海拔600m，最大冻土层厚0.6m，地震级为6级。
2：
建设规模
本变电所是由地区变电所通过110kV架空线路供电的终端变电所，第一期工程先上一台31500kVA的三绕组变压器，一条110kV进线。
远景规划为二台31500kVA三绕组变压器，一条110kV进线，还有一条110kV出线。
地区变电所端采用SW4-110型断路器，后备保护的动作时间为3.5s。
3:
负荷慨况
本变电所有9回10kV出线送往县城，合计负荷约为2000kw，假定cosφ＝0.8；35kV出线有6回，向北乡镇供电，每个乡镇变电所变压器中容量为3200kVA，预计今后还将增大。
第一期工程10kV出线六回；35kV出线三回，线路总长度约70km，每回按6000kVA负荷计算。
4：
系统情况
系统至本变电所110kV母线的标么电抗（Sd=100MVA）为:
最大运行方式时0.25;最小运行方式时0.3；主运行方式时0.28。
三：
设计内容
主变压器的选择。
1．电气主接线设计。
2．计算短路电流。
3．电气设备选择。
QF.QS.W.TA.TV.FQ.
4．写说明书。
5．答辩。
四：
拟定负荷。
一期工程6回10kV主线。
合计负荷12000kw
3回35kV主线。
合计负荷24000kVA
二期工程3回10kV主线。
合计负荷6000kw
3回35kV主线。
合计负荷12000kVA
35kV侧的总负荷S35=6000×6kVA=36000kVA
10kV侧的总负荷S10=2000÷0.8×9kVA=22500kVA
若一台主变压器停运，另一台承担全部负荷。
负荷率为：
ß＝（36000+22500）÷40000=146.25%（过载，要采取措施减负荷）
当两台主变同时运行时。
负荷率：
ß＝（36000+22500）÷80000＝73.125％
五：
主变压器容量的选择
电气主变压器的选择原则：
1：
相数
一般选用三相变压器
2：
绕组数
①变电所或单机容量在125MW及以下的发电厂内有三个电压等级时，可考虑采用三相三绕组变压器，但每侧绕组的通过容量应达到额定容量的15％及以上，或第三绕组需接入无功补偿设备。
否则一侧绕组未充分利用，不如选两台双绕组变更合理。
②单机容量200MW及以上的发电厂，额定电流和短路电流均大，发电机出口断路器制造困难，加上大型三绕组变压器的中压侧（110kV及以上时）不希望留分接头，为此以采用双绕组变压器加联络变压器的方案更为合理。
③接地方式的选择：
中性点直接接地的电力系统发生单相接地故障时，中性点位仍为零，非故障相对地电压基本不变，因此电气设备的绝缘水平只需按电力网的相对电压考虑，可以降低工程的造价。
这种接地方式在发生单相接地故障时，接地相的短路电流很大，会造成设备破坏，严重时会使系统失去稳定。
为保证设备安全和系统的稳定运行，必须迅速切除故障线路。
电力系统发生单相接地故障时的比重占整个系统短路故障的65％以上，当发生单相接地时切除故障线路，将中断向用户供电，使供电可靠性降低。
为了弥补这个缺点，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置，靠它来尽快恢复供电，提高供电可靠性。
另外，中性点直接接地系统当发生单相接地故障时，正常相电压仍为相电压，对设备绝缘没有影响。
因此我们这里选用中性点直接接地方式。
选用三绕组普通变压器的场合，若两侧绕组为中型点直接接地系统，可考虑选用自耦变压器，但要防范自耦变压器的公共绕组或串联绕组的过负荷。
拟选用SFSZ7—31500/110型三绕组变压器.容量比为:
100/100/50.
电压比为:
110±2×2.5%÷38.5±2×5%÷11kV
接线为YN方式.短路损耗为P1-2=160kw.P1-3=170.3kw.P2-3=127.3kw.
阻抗电压U1-2=10.5%.U1-3=18%.U2-3=6.5%.
第一期工程主变压器负荷率为（近期）
ß=（3200×3+2500×6）÷31500=78.1%
考虑35kV和10kV用户数量问题,乡镇第一期投入6回.县城3回.
过载能力校验:
S总=58500kV.
N=（58500×0.8）÷31500=1.48<1.5。
六：
电气布置（电气主接线的方式）
110kV和35kV采用户外式，10kV采用户内式成套配电装置。
户外配电装置采用中型布置，110kV用户型构架，35kV用户п构架安装母线。
间隔跨度110kV用8m。
35kV用5m。
各级电压的配电装置、主变压器和控制室的安装位置和朝向，应有利于进出线的方便和巡视工程的便利。
1：
主接线：
本变电所110kV远景规划只有两回进出线路，且有穿越功率；当负载小的季节尚有可能退出一台主变压器运行，故宜采用外接线，本期工程暂时采用线路――变压器组接线。
10kV出线较多，用户有较重要，拟采用单母线断路器分段接线方式。
35kV侧采用单母线隔离开关分段接线，施工设计时预留出将来改用断路器分段的位置。
一期工程平面布置见下图。
①：
单母线
②：
单母线分段
③：
单母分段带旁路
④：
双母线
⑤：
双母线分段
⑥：
双母线带旁路
单母线具有简单、清晰、设备少的优点、但当母线故障或母线隔离开关检修时、整个系统全部停电。
断路器检修期间也必须停止该回路的供电、因此这种接线只适用于单电源的发电厂和变电所、且出线回路数少、用户对供电可靠性要求不高的场合。
若采用成套配电系统装置也可以用于较重要的供电用户。
我们这里的是110kV的地区变电所，用户的数量很多，因此单母线的方法不行。
双母线分段和双母线分段带旁路的方法在检修任一进出线的断路器时，都可以经由旁路断路器及相应的线路上的旁路刀闸，而不必中断回路的连续供电。
但这种方法经济性不好，用的断路器太多。
因此，这种方法也不行。
我们可以选用的3种方法：
对于10回10kV出线可用单母线分段接线、双母线、单母线分段带旁路。
6回35kV出线也可以用单母线分段接线、双母线接线、单母线分段代旁路。
从经济性上考虑：
10kw（QF为10万、QS1万、母线0.2万。
这里的断路器数和隔离开关数都是估计的，因为在实际的线路上只是比这些数值上多些而已。
后面的2％是35kV比10kV线路多的经济上的考虑。
）
1：
单母分段总的用费是：
z1＝7×10+10×1+0.2＝80.2
2：
单母分段带旁路：
z2＝7×10+1×18+0.2×2＝88.4
3：
双母线接线：
z3＝7×10+1×19+0.2×2＝89.4
35kV同理可知：
z1＝80.2×（1+2％）＝81.804
z2＝88.4×（1+2％）＝90.168
z3＝89.4×（1+2％）＝91.188
我们这里对于第一期工程，由于出线为6回。
可考虑在1期时用单母分段。
二期工程中另加一个母线组成双母。
在一期工程中母线旁边加设一条母线和母联断路器。
以备二期工程中使用。
这样有利于投资的经济性。
并且保证二期的供电可靠性。
在短路计算时，则要应用二期工程数据对其计算。
这样我们根据各种数据就可以知道最经济的选择方法。
我们这里10kV一期选用单母线，二期加装一条母线，成为双母线。
35kV则选用单母分段。
我们画出一期工程的电气主接线图：
一期工程平面布置图
七：
短路电流计算
按无限大容量系统处理，基准容量取100MVA用于设备选择时，按最终规模考虑；用于继电保护整定计算时，按第一期工程考虑。
短路电流计算如下：
1：
短路电流计算电路图
（1）主变压器各侧阻抗的百分值
X1＝（10.5+18-6.5）÷2％＝11％
X2＝（10.5+6.5-18）÷2％＝0％
X3＝（18+6.5-10.5）÷2％＝7％
其标么值为：
X1×=11÷100×100÷31.05=0.349
X2×=0
X3=7÷10×100÷31.5=0.222
基准电流为
110kV侧
I1=100÷（1.732×115）KA=0.502KA
I2=100÷（1.732×37）KA=1.56KA
I3=100÷（1.732×10.5）KA=5.5KA
在最大远行方式下，k1点三相短路电流为：
Ik’=1÷0.25×0.502KA=2KA
Ish=1.8×1.41×2KA=5.1KA
Sk=1÷0.25×100MVA=400MVA
35KV侧
X1K×=0.25+0.349÷2=0.4245
I1k’=1÷0.4245×1.56KA=3.67KA
I1sh=1.8×1.41×3.67KA=9.35KA
S1k=1÷0.4245×100MVA=236MVA
10KV侧
X2K×=0.25+0.349÷2+0.222÷2=0.5355
I2k=1÷0.5355×1.56KA=10.27KA
I2sh=1.8×1.41×10.27KA=26.14KA
S2k=1÷0.5355×100MVA=187MVA
最大运行方式下，各短路点电流和短路容量的计算结果见表I-1:
短路点
组号
短路电流计算值（KA）
热稳定计算参数
Sd
Ik
I
Ish
等效时间（S）
110kV母线
K1
400
2
2
5.1
3.15
35kV母线
K2
236
3.67
3.67
9.35
2.7
10kV母线
K3Ish
187
10.27
10.27
26.14
1.75
其中热稳定计算的等效时间等于四个时间之和，即：
继电器保护动作时间+断路器固有分闸时间+断路器灭弧时间+非周期分量热效应的等效时间。
10kV线路为0.5+0.2+0.05s＝0.75s
主变10kV侧为1.5+0.2+0.05s＝1.75s
主变35kV侧为2.5+0.15+0.05s＝2.7s
35kV此线路为1+0.15+0.05s＝1.2s
主变110kV侧为3+0.1+0.05s＝3.15s
2．各回路的工作电流
主变110kV侧
I1=1.05×（31500÷1.732×110）A=173A
主变35KV侧
I2=1.05×（31500÷1.732×38.5）A=496A
主变10kV侧
I3=1.05×（31500÷1.732×11×2）A=868A
10KV出线
I4=200÷（1.732×10×0.8）A=144A
35KV出线
I5＝6000÷（1.732×35）A=99A
其中35kV母线分段开关按35kV侧总负荷的60％计算；
10kV母线分段开关按10kV侧总负荷的60％计算
110kV外桥回路的穿越功率按315000kVA计算。
短路电流按下图计算：
首先按最大的运行方式来计算：
Xs=0.25
先算110kV的k1点短路电流：
则有Ik1’=1÷Xi’×Id2=1÷0.25×0.502KA=2KA
35kV的k2点断路电流：
Xs=0.55+0.25=0.75
Ik2’’=1÷0.75×1.56KA=2.08KA
10kV的k3点短路电流：
Ik3＝1÷1.02×5.5KA＝5.39KA
在按最小的运行方式来计算：
Xs＝0.3
算110kV的k1点短路电流：
则有Ik1’’＝1÷0.3×0.502KA=1.67KA
35KV的k2点短路电流：
Xs＝0.55+0.3＝0.85
Ik2’’＝1÷0.85×1.56KA＝1.83KA
10KV的k3点短路电流：
Ik3＝1÷1.07×5.5KA＝5.14KA
最后按主运行方式计算：
Xs＝0.28
110kV的k1点短路电流为：
则有k1＝1÷0.28÷0.502KA＝1.79KA
35kV的k2点短路电流：
Xs＝0.55+0.28＝0.83
Ik2’’=1÷0.83×1.56KA=1.88KA
10KV的k3点短路电流：
Ik3’’＝1÷1.032×5.5KA＝5.23KA
如下图：
短路点
K1（KA）
K2（KA）
K3（KA）
系统阻抗
电压级
运行方式
110kV
35kV
10kV
最大运行方式
2
2.08
5.39
0.25
最小运行方式
1.67
1.83
5.14
0.3
主运行方式
1.79
1.88
5.23
0.28
八：
电气设备的选择
一：
电气设备应能满足正常、短路、过电压和特点条件下安全可靠的要求，并力求技术先进和经济合理。
通常电气设备的选择分两步，第一按正常的工作条件选择，第二按短路情况校验其热稳定性和点动力下的动稳定性。
设备型号应符合使用环境和安装条件的要求；设备的规格、参数按正常工作条件选择，并按最大短路电流进行校验。
①开关电器的选择
⑴110kV外桥短路器和隔离开关选用SW8－110G/1200型短路器和CD5-XG型操作机构。
隔离开关选用GW4-110/600型。
如下表：
（黑体代表平方关系）
设备型号
SW3-110G/1200型断路器
GW4-110/600型隔离开关
项目
设备参数
使用条件
设备参数
使用条件
额定电压
110kV
110kV
110kV
110kV
额定电流
1200A
173A
600A
173A
热稳定
（15.8）2×4KA2·s
22×3.15KA2·s
142×5KA2·s
22×3.15KA2·s
动稳定
41KA
5.1KA
50KA
5.1KA
开断电流
15.8KA
2KA
操动机构
CD5-XG
CS-14
⑵变压器35kV侧断路器和隔离开关
设备型号
SW3-35/600型断路器
GW2-35/600型隔离开关
项目
设备参数
使用条件
设备参数
使用条件
额定电压
35kV
35kV
35kV
35kV
额定电流
600A
496A
600A
496A
热稳定
（5.6）2×4KA2·s
（1.95）2×2.7kA2·s
142×5kA2·s
（1.95）2×2.7kA2·s
动稳定
41KA
4.97KA
50KA
4.97KA
开断电流
16.5kA
1.95KA
操动机构
CD3-X
CS8-3
⑶35KV出线断路器和隔离开关如下图：
设备型号
SW3-35/600型断路器
GW2-35/600型隔离开关
项目
设备参数
使用条件
设备参数
使用条件
额定电压
35kV
35kV
35kV
35kV
额定电流
600A
99A
600A
99A
热稳定
（6.6）2×4KA2·s
（3.67）2×1.2kA2·s
142×5kA2·s
（3.67）2×1.2kA2·s
动稳定
17KA
9.35KA
50KA
9.35KA
开断电流
6.6kA
3.67KA
操动机构
CD3-X
CS8-3
⑷主变压器10kV侧高压开关柜
选用GG-1A（F）-08型开关柜，断路器SN10-10Ⅱ/1000型操动机构为CD10型。
⑸10kV线路开关柜选用GG10-1A（F）-23型，断路器为SN8-10/600型，操动机构为CD10型。
⑹10kV母线分段开关选用GG-1A（F）-95两种高压开关柜。
使用条件为：
工作电压10kV，工作电流按868A计，冲击电流13.72KA，稳定短路电流为5.38KA，等效时间取1.25s。
断路器选用SN10-10Ⅱ/1000型，隔离开关选用GN8-10/1000型，校验方法同上。
1：
导线选择
选择原则是：
①按周围环境温度校正后的允许载流量不小于最大工作电流，只要长线路才按经济电流密度选择；②校验热稳定时，按公式S≥Smin＝I/Ctmin，取c＝97。
主变压器10kV侧引出线和10kV母线拟选用80×10mm2的线。
支持绝缘子间取2.5m，相间中心线距为0.4m。
母线排的校验计算经温度校正后母线排的允许载流量为893A，大于最大工作电流868A，母线的校验计算如下：
①热稳定校验
Smin＝12.41×1000/97×1.32mm＝140.2mm2
小于母线截面800mm2。
②母线的截面系数
W＝b2×h÷6＝62×0.8÷6＝10.7cm2
③母线在短路时的最大电动力
F＝1.73×13.72×2.5/0.4×0.1＝316.5N
④母线受的最大应力为
σmAx＝FL÷10W=203×250÷10×4.8N/cm2＝738.3N/cm2
⑤10kV高压开关柜硬母线动稳定校验因为l＝1.2m，s＝1.25m,故
F=1.73×ish2×l÷s×0.1＝570.4N
ΣmAxFL/10W=639.5N/cm2
铝母线的允许应力为700kg/cm2＝6860N/cm2
最后：
我们对所选的导线列出来：
110kV的母线所用母线型号：
LGJ-120
110kV进线为：
LGJ-120
主变35kV侧引线:
LGJ/240
35kV线路：
LGJ－95
10kV线路：
LGJ-120
2：
电流互感器选择
⑴主变110kV侧电流互感器选用LCWD－119型，Ki＝300A/5A,级次0.5/5/5，每相两只串联使用。
其热稳定倍数为75，动稳定倍数135。
热稳定和动稳定计算结果如下：
（75×200）2×1＝22.5×107>1.27×107
1.41×200×135＝38184>5100
⑵主变35kV侧电流互感器选用LAJ-35型电流互感器，Ki＝900A/5A级次0.5/5/5。
⑶主变10kV侧电流互感器选用LAJ-10型电流互感器，Ki＝1700/5，级次0。
5/5P。
⑷35kV出线电流互感器选用LCW－35型，Ki＝150A/5A.
⑸10kV侧的电流互感器选用Ki＝200A/5A的电流互感器。
LMS-0.5
3:
电压互感器的选择
110kV侧选用JCC-110型单相、串级式三绕组户外式电压互感器，额定电压比为110000/100/（100×1.732）,共三台。
35kV侧选用三台JDJJ-35型电压互感器，可供绝缘监视用。
10kV侧母线三选用JSJW-10型电压互感器，可供绝缘监视用，随配套开关柜安装。
4：
高压熔断器的选择
熔件的额定电流要大于工作电流，且留有充足的裕度以躲过变压器励磁涌流的影响。
校验断流容量时，应不小于短路容量。
限流式熔断器的额定电压，应与电网的额定电压相符，
项目
工作电流
熔断器的型号
断流容量
35kV电压互感器用
RW2-35/0.5
400
10kV所用变压器用
3.03
RN1-10/0.5
200
35kV所用变压器用
0.87
RW5-35/2
400
5:
支持绝缘子和穿墙套管选择
（1）110kV线路拟采用X-4.5型悬式绝缘子，每相8片。
（2）35kV线路拟采用X-4.5型悬式绝缘子，每相4片。
（3）10kV户外用支持绝缘子拟采用ZS-10/500型。
F=1.73×（13.72）2×2.5/0.4×0.1＝203.5N
FAt=500×9.8×60%N=2940N
能满足动稳定的条件
（4）10kV进线穿墙套管选用CWLB-10/1000型，5s热稳定电流为20KA,破坏力为7350N。
校验动稳定F=1.73×（13.79）2×（0.6+1.2）÷0.5×0.1＝118.43N
FAt＝750×9.8×60％N=4410N
校验热稳定（20）2×5>（5.38）2×1.75
动稳定、热稳定性均满足要求
（5）10kV出线穿墙套管选用CWLB-10/250型，5s热稳定电流5.5KA，破坏力为7350N.
校验动稳定F=1.73（20）2÷0.25×（0.525+1.2）÷2×0.1＝239N
FAt＝750×9.8×60％＝4410N
校验热稳定（5.5）2×5>（7.87）2×0.75
因此动稳定和热稳定均满足要求。
6：
消弧线圈的选择
目前，35kV系统发生单相接地时的电容电流为Ic＝35×70÷350A=7A,因此可暂不设消弧线圈，但远景时可能需装设，故应预留位置.
7：
避雷器的选择
避雷器选择如下表：
项目
型号
灭弧电压（KV）
工频放电电压（kV）
110kV母线
FZ-110J
88
180
主变中性点
2×FZ-20
38.1
90
35kV母线
FZ-35
38.5
73.8
主变35kV侧
FZ-35
38.5
73.8
主变10kV侧
FZ-10
11
23
九：
继电保护整定计算
1：
主变纵差动保护
由于选用BCH-2型差动继电器的灵敏度不够（计算过程省略），因此选用BCH-1型差动继电器，其整定计算过程与BCH-2型一样。
如下表：
项目电压（kV）
110
38.5
11
主变绕组接线方式
星型
星型
三角形
额定电流计
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