110kV变电所设计.docx
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110kV变电所设计
职业技术学院
毕业设计
说
明
书
课 题：
年级班级：
专 业：
组 别：
指导教师：
姓 名：
学 号：
前 言
110kV变电所设计是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，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。
电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。
本次设计建设一座110kV降压变电站，首先，根据主接线的可靠、运行灵活和经济性的要求选择各个电压等级的接线方式，在技术方面和经济方面进行比较，选取最优接线方式。
其次根据主变容量选择适合的变压器，主变压器是发电厂和变电站种最主要的设备之一，对主变压器的台数、容量及形式的选择是至关重要的，它对变电站的技术经济影响很大。
短路电流计算，根据各短路点计算出各点短路稳态电流和短路冲击电流，从三相短路计算中得到当短路发生在各电压等级的工作母线时，其短路稳态电流和冲击电流的值。
根据各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行设备选择，然后进行校验。
根据选出的电气设备，按照配电装置设计规范中各电压等级的安全净距，进线电气总平面布置，最后对平面布置进行防雷校验。
目录
第1章变电站原始资料及选址
1.1变电站原始资料
1.2变电站选址
第2章负荷统计及主变选型
2.1负荷统计
2.2主变压器的选择
第3章主接线的设计
3.1电气主接线的设计原则
3.2对主接线设计的基本要求
3.3电气主接线设计方案的比较与确定
3.3.1主接线方案的可靠性比较
3.3.2主接线方案的灵活性比较
3.3.3主接线方案的经济性比较
3.4主接线方案的确定
3.5所用电接线
第4章短路电流的计算
4.1短路的基本知识
4.1.1短路故障产生的原因
4.1.2短路故障的危害
4.2计算短路电流的目的
4.3短路电流的计算
4.3.1系统接线图与系统阻抗图
4.3.2短路电流计算
第5章设备的选择与校验
5.1电气选择的一般条件
5.2按短路情况校验
5.3断路器及隔离开关的选择及校验
5.3.1110kV侧断路器及隔离开关的选择及校验
5.3.235kV侧断路器及隔离开关的选择及校验
5.4互感器的选择
5.4.1电压互感器的选择
5.4.2 电流互感器的选择
5.5母线的选择
5.5.1 110kV主母线
5.5.1 35kV主母线
第6章继电保护的配置
6.1继电保护的基本知识
6.2线路的继电保护配置
6.2.1110kV侧继电保护配置
5.2.2 35kV侧继电保护配置
6.3变压器的继电保护
6.4备自投和自动重合闸的设置
6.4.1 备用电源自动投入装置的含义和作用
6.4.2 自动重合闸装置
第7章防雷与接地的设计
7.1防雷保护
7.1.1直击雷保护
7.1.2保护范围计算
7.2侵入波保护
7.3接地装置的设计
主要参考文献资料
致 谢
附录1 电气主接线图
附录2电气总平面布置图
附录3110kV进线及主变间隔断面图
附录435kV出线间隔断面图
附录5变压器保护原理回路图
附录6防雷保护范围图
第1章变电站原始资料及选址
1.1变电站原始资料
1、本工程是为了满足工业园区电力发展的需要，经系统规划设计、论证后，获国家相关部门批准的新建110kV终端变电站。
电压分为110kV和35kV两个等级。
拟设置两台110kV/35kV主变压器。
35kV侧6回，最终8回；110kV有2回进线，电源距该变电站分别为50Km和38Km；
2、35KV最大负荷为62000kVA，共8回出线，最大一回出现负荷为12000kVA；各侧功率因素CoS及最大负荷小时数为：
35KV侧：
Tmax＝6000h/年，CoS
＝0.85。
查表损耗小时数T＝3500h。
3、35kV侧电源近似无穷大电源系统，选用100MVA作基准容量，最大短路容量归算到本所最大运行方式：
短路容量为580MVA，最小运行方式：
短路容量为280MVA。
4、本所所在地地势平坦，交通便利。
为0级污染区，最热月平均气温为280C，年平均气温为160C，最高气温为370C，土壤最热月平均气温200C，土壤电阻率为200/m,最大风速25m/s。
海拔1230m，微风风速5m/s。
该变电所所址为生荒地，均高于50年一遇洪水位之上。
图1.1电力系统接线简图
1.2变电站选址
根据《县级电网规划导则》，变电所所址的选择应满足下列要求：
1、接近负荷中心；
2、交通方便，便于施工、检修及进出线的布置；
3、充分利用荒地，少占农田，利用自然地形进行有效排水；
4、避开日燃易爆及严重污染地区；
5、根据发展规划预留扩建的位置，占地面积应考虑最终规模要求。
由原始资料可知，本站站址地势平坦交通方便，有利于主变的大件物品的运输；处于0级污染区，避免了设备的腐蚀、污闪；所址为生荒地，不占用耕地资源；所址高于50年一遇洪水位之上，避免了洪水和内涝。
第2章负荷统计及主变选型
2.1负荷统计
负荷计算主要是确定“计算负荷”。
“计算负荷”是按发热条件选择电气设备的一个假想的持续负荷，“计算负荷”产生的热效应和实际变动负荷产生的最大热效应相等。
所以根据“计算负荷”选择导体和电器时，在实际运行中导体及电器的最高温升不会超过容许值。
计算负荷是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。
计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。
如果计算负荷确定的过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费；如果计算负荷确定过小，又将使电器和导线运行时增加电能损耗，并产生过热，引起绝缘过早老化，甚至烧毁，发生事故，同样给国家经济造成损失。
为此，正确进行复核计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
以线路远景最大负荷，计算如下：
由公式
式中 ——某电压等级的计算负荷
——同时系数（35kV取0.9、站用负荷取0.85）
а%——该电压等级电网的线损率，一般取5%
P、cos——各用户的负荷和功率因数
=0.9×63/0.85×（1+5%）=70MVA
2.2主变压器的选择
对于大城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。
此设计中的变电所符合此情况，故主变设为两台。
容量选择的要求：
站用变电站的容量应满足正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。
（1）主变压器容量一般按变电所建成后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.对于城郊变电所,主变压器容量应于城市规划相结合。
（2）同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多,应从全网出发,推行系列化,标准化.
为了提高变电站运行的稳定性和可靠性，应选用2台变压器，对于一般的变电站，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部Ⅰ、Ⅱ类负荷，或者全部负荷的70%～80%。
（n-1）SN≥ *（70%～80%）
当n=2台时，SN≥68.9*（70%～80%）=49～56MVA
根据原始资料的要求，选择2台容量为50MVA的变压器。
表1.2 SFZ9-50000/110双绕组有载调压电力变压器技术参数
型号
额定容量（kVA）
额定电压（kV）
损耗（KW）
空载电流%
电压阻抗%
高
低
负载
空载
高低
SFZ9-50000/110
50000
110±8×2.5%
38.5
232.75
49.14
0．56
10.5
第3章主接线的设计
3.1电气主接线的设计原则
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。
3.2对主接线设计的基本要求
电气主接线主要是指在发电厂､变电所､电力系统中,为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的､表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路｡电路中的高压电气设备包括发电机､变压器､母线､断路器､隔离刀闸､线路等｡它们的连接方式对供电可靠性､运行灵活性及经济合理性、发展性等起着决定性作用｡一般在研究主接线方案和运行方式时,为了清晰和方便,通常将三相电路图描绘成单线图｡在绘制主接线全图时,将互感器､避雷器､电容器､中性点设备以及载波通信用的通道加工元件（也称高频阻波器）等也表示出来｡
主接线应满足可靠性、灵活性、经济性和发展性等四方面的要求。
1.可靠性。
为了向用户供应持续、优质的电力，主接线首先必须满足这一可靠性的要求。
主接线的可靠性的衡量标准是运行实践，要充分地做好调研工作，力求避免决策事物，鉴于进行可靠性的定量计算分析的基础数据尚不完善的情况，充分地作好调查研究工作显得尤为重要。
主接线的可靠性不仅包括开关、母线等一次设备，而且包括相对的继电保护、自动装置等二次设备。
为了提高主接线的可靠性，选用运行可靠性高的设备是条捷径，这就要兼顾可靠性和经济性两方面，做出切合实际的决定
2.灵活性。
电气主接线的设计，应适合在运行、热备用、冷备用和检修等各种方式下的运行要求。
在调度时，可以灵活地投入或切除发电机、变压器和线路等元件，合理调配电源和负荷。
在检修时，可以方便地停运断路器、母线及二次设备，并方便地设置安全措施，不影响电网的正常运行和对其他用户的供电。
3.经济性。
方案的经济性体现在以下几个方面。
（1）投资省。
主接线要力求简单，以节省一次设备的使用数量；继电保护和二次回路在满足技术要求的前提下，简化配置、优化控制电缆的走向，以节省二次设备和控制电缆的长度；采取措施，限制短路电流，得以选用价廉的轻型设备，节省开支。
（2）占地面积小。
主接线的选型和布置方式，直接影响到整个配电装置的占地面积。
（3）电能损耗小。
经济合理地选择变压器的类型（双绕组、三绕组、自耦变、有载调压等）、容量、数量和电压等级。
（4）发展性。
主接线可以容易地从初期接线方式过度到最终接线。
在不影响连续供电或停电时间短的情况下，完成过度期的改扩建，且对一次和二次部分的改动工作量最少。
3.3电气主接线设计方案的比较与确定
3.3.1主接线方案的可靠性比较
110kV侧：
图3.3.1.1 内桥接线（方案I）
图3.3.1.2 单母分段接线（方案II）
方案I：
采用内桥接线，当一条线路故障或切除时，不影响变压器运行，不中断供电；桥连断路器停运时，两回路将解列运行，亦不中断供电。
且接线简单清晰，全部失电的可能性小，但变压器二次配线及倒闸操作复杂，易出错。
方案II：
采用单母线分段接线，任一台变压器或线路故障或停运时，不影
响其它回路的运行；分段断路器停运时，两段母线需解列运行，全部失电的可能稍小一些，不易误操作。
35kV侧：
图3.3.1.3 单母接线（方案I）
图3.3.1.4 分段断路器兼作旁路断路器的单母线分段接线（方案II）
方案I：
单母线分段接线，检修任一台断路器时，该回路需停运，分段开关停运时，两段母线需解列运行，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不致失电，另一段母线上其它线路需停运。
方案II：
单母线分段兼旁路接线，检修任一台断路器时，都可用旁路断路器代替；当任一母线故障检修时，旁路断路器只可代一回线路运行，本段母线上其它线路需停运。
3.3.2主接线方案的灵活性比较
110kV侧：
方案I：
操作时，主变的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，扩建方便。
线路的投入和切除比较方便。
方案II：
调度操作时可以灵活地投入和切除线路及变压器，而且便于扩建。
35kV侧：
方案I：
运行方式简便，调度操作简单灵活，易于扩建，但当开关或二次检修时线路要停运，影响供电。
方案II：
运行方式复杂，调度操作复杂，但可以灵活地投入和切除变压器和线路，能满足在事故运行方式，检修方式及特殊运行方式下的调度要求，较易于扩建。
3.3.3主接线方案的经济性比较
将两方案主要设备比较列表如下：
项目
方案
主变压器（台）
110kV断路器（台）
110kV隔离开关（组）
35kV断路器（台）
35kV隔离开关（组）
I
2
3
8
8
18
II
2
5
10
8
28
从上表可以看出，方案I比方案II少两台110kV断路器、两组110kV隔离开关，10组35kV隔离开关，方案I占地面积相对少一些（35kV侧无旁路母线），所以说方案I比方案II综合投资少得多。
3.4主接线方案的确定
对方案I、方案II的综合比较列表，对应比较一下它们的可靠性、灵活性和经济性，从中选择一个最终方案。
通过以上比较，经济性上第I方案远优于第II方案，在可靠性上第II方案优于第I方案，灵活性上第I方案远不如第II方案
该变电所为终端降压变电所，110kV母线无穿越功率，选用内桥要优于单母线分段接线。
又因为35kV负荷为工农业生产及城乡生活用电，在供电可靠性方面要求不是太高，即便是有要求高的，现在35kV及10kV全为SF6或真空断路器，停电检修的几率极小，再加上电网越来越完善，N+1方案的推行、双电源供电方案的实施，第I方案在可靠性上完全可以满足要求，第II方案增加的投资有些没必要。
经综合分析，决定选第I方案为最终方案，即110kV系统采用内桥接线，35kV系统采用单母分段接线。
3.5所用电接线
全站配置2台交流进线模块，内含2台自动切换ATS开关及进线保护开关。
模块内智能监控部分管理ATS开关的自动切换。
应具备以下功能：
1）闭锁功能
ATS开关具有电气机械双闭锁功能，同时一体化电源智能控制模块还带有电气闭锁，确保任何情况下，两路电源不至于碰撞。
2）正常运行方式
＃1进线电源为主供电源I段母线，＃2进线电源为主供电源II段母线。
3）安全自投功能
保证主供电源的失电后，且热备用电源电压正常时才能投入另一路电源。
图3-5所用电接线图
第4章短路电流的计算
短路是电力系统中最常见的且很严重的故障。
短路故障将使系统电压降低和回路电流大大增加，它不仅会影响用户的正常供电，而且会破坏电力系统的稳定性，并损坏电气设备。
因此，在发电厂变电站以及整个电力系统的设计和运行中，都必须对短路电流进行计算。
4.1短路的基本知识
4.1.1短路故障产生的原因
工业与民用建筑中正常的生产经营﹑办公等活动以及人民的正常生活，都要求供电系统保证持续、安全、可靠地运行。
但是由于各种原因，系统会经常出现故障，使正常运行状态遭到破坏。
短路是系统常见的严重故障。
所谓短路，就是系统中各种类型相与相之间或地与相之间的短接。
系统发生短路的原因很多，主要有 ：
1.设备原因
电气设备、元件的损坏。
如：
设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常运行时被击穿短路；以及设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路的功能。
2.自然原因
气候恶劣，由于大风、低温、导线覆冰引起架空线倒杆断线；因遭受直击雷或雷电感应，设备过电压，绝缘被击穿等。
3.人为原因
工作人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程带接地刀闸合闸，造成金属性短路；人为疏忽接错线造成短路或运行管理不善造成小动物带电设备内形成短路事故等。
4.1.2短路故障的危害
供电系统发生短路后，电路阻抗比正常运行时阻抗小很多，短路电流通常超过正常工作电流几十倍直至数百倍以上，它会带来以下严重后果：
1.短路电流的热效应
巨大的短路电流通过导体，短时间内产生很大热量，形成很高温度，极易造成设备过热而损坏。
2.短路电流的电动力效应
由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的电动力。
如果电动力过大或设备结构强度不够，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，使事故进一步扩大。
3. 短路系统电压下降
短路造成系统电压突然下降，对用户带来很大影响。
例如，异步电动机的电磁转矩与端电压平方成正比。
同时电压降低能造成照明负荷诸如电灯突然变暗及一些气体放电灯的熄灭等，影响正常的工作、生活和学习。
4.不对称短路的磁效应
当系统发生不对称短路时，不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻近的电路内能感应出很大的电动势。
5.短路时的停电事故
短路时会造成停电事故，给国民经济带来损失。
并且短路越靠近电源，停电波及范围越大。
6.破坏系统稳定造成系统瓦解
短路可能造成的最严重的后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步，破坏系统稳定，最终造成系统瓦解，形成地区性或区域性大面积停电。
4.2计算短路电流的目的
在电力系的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路，因为它们会破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行。
为了确定线路接线是否需要采取限制短路电流的措施，保证各种电气设备和导体在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，为选择继电保护方法和整定计算提供依据，验算导体和电器的动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流计算，应考虑5-10年的远景发展规划。
4.3短路电流的计算
4.3.1系统接线图与系统阻抗图
与待设计变电所连接的对侧电源的母线均视为无穷大电源系统。
按本期2回110kV线路并列、两台主变高低压并列列运行的最大运行方式，进行短路电流计算,系统等值电路图如下图所示：
4.3.1.1系统接线图
4.3.1.2系统阻抗图
4.3.2短路电流计算
，
4.3.2.1各参数标幺值
系统：
110kV系统阻抗=0
35kV系统阻抗=100/580=0.172
线路：
线路阻抗=0.151
变压器：
变压器阻抗
=0.167
4.3.2.21110kV侧三相短路
串并联变换，得
=（0+0.151//0.151）//（0.172+0.167//0.167）
=0.058
短路电流周期分量的有名值
8.62kA
冲击电流=19.40kA
短路全电流最大有效值
=13.02kA
短路容量算法
=1717MVA
4.3.2.3 35kV侧三相短路
电源至短路点的总电抗的标么值为：
=（0+0.151//0.151+0.167//0.167）//0.172
=0.083
短路电流周期分量的有名值
18.80kA
冲击电流42.30kA
短路全电流最大有效值
28.39kA
短路容量算法
1205MVA
表4-3-2短路电流计算结果表
电压等级
短路点
短路电流周期分量有名值（kA）
冲击电流（kA）
全电流（kA）
短路容量S（MVA）
110kV
D1
8.62
19.40
13.02
1717
35kV
D2
18.80
42.30
28.39
1205
第5章设备的选择与校验
5.1电气选择的一般条件
正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。
在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。
尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是相同的。
电气设备要能可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验其热稳定和动稳定。
5.2按短路情况校验
㈠ 短路热稳定校验
短路电流通过时，导体和电器各部件温度（或发热效应）应不超过允许值，既满足热稳定的条件为：
或
式中 ——短路电流产生的热效应；
——短路时导体和电器设备允许的热效应；
——时间t内允许通过的短时热稳定电流（或短时耐受电流）。
㈡ 电动力稳定校验
电动力稳定是导体和电器承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。
满足动稳定的条件是：
或
式中 、——短路冲击电流幅值及其有效值；
、——允许通过稳定电流的幅值和有效值。
5.3 断路器及隔离开关的选择及校验
5.3.1110kV侧断路器及隔离开关的选择及校验
1.断路器的选择和校验
流过断路器的最大持续工作电流：
选择及校验过程如下：
（1）额定电压选择：
（2）额定电流选择：
（3）额定开断电流选择：
由上述短路计算得，
所以，
（4）额定关合电流选择：
由上述短路计算得，
根据以上条件查手册，选择的满足要求的高压断路器的型号为LW6-110/1250，技术参数如下表：
表5-3-1-1 LW6-110/1250六氟化硫断路器参数
型号
项目
LW6-110
计算数据
技术参数
额定电压（kV）
110
126
额定电流（A）
502
1250
动稳定电流（kA）
19.40
80
热稳定电流（kA）
8.62（1.5S）
31.5（4S）
额定开断电流（kA）
8.62
31.5
（5）热稳定校验：
根据110kV侧短路计算结果，从而：
根据表5-3-1-1数据，得
所以，
即满足热稳定校验。
（6）动稳定校验：
根据表1-4-1-1数据，
由110kV短路计算结果得，
所以，
即满足动稳定校验。
2、隔离开关的选择与校验
隔离开关的选择，没有开断电流和关合电流的校验，隔离开关
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