某110KV变电站电气部分设计.docx
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某110KV变电站电气部分设计
110kv变电站电气部分设计
摘要：
变电站作为电力系统中的重要组成部分，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。
本论文中待设计的变电站是一座降压变电站，在系统中起着汇聚和分配电能的作用，担负着向该地区工厂、农村供电的重要任务。
该变电站的建成，不仅增强了当地电网的网络结构，而且为当地的工农业生产提供了足够的电能，从而达到使本地区电网安全、可靠、经济地运行的目的。
本论文《110kV变电站电气部分设计》，首先通过对原始资料的分析及根据变电站的总负荷选择主变压器，同时根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求，选择了两种待选主接线方案进行了技术比较，淘汰较差的方案，确定了变电站电气主接线方案。
其次进行短路电流计算，从三相短路计算中得到当短路发生在各电压等级的母线时，其短路稳态电流和冲击电流的值。
再根据计算结果及各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行主要电气设备选择及校验（包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等）。
最后，并绘制了电气总平面布置图、防雷保护配置图等相关设计图纸。
前言..................................................................................................10
前言
1、选题的理论、实际意义
随着我国工业的发展，各行业对电力系统的供电可靠性和稳定性的要求日益提高。
变电站是连接电力系统的中间环节，用以汇集电源、升降电压和分配电能。
变电站的安全运行对电力系统至关重要。
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，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。
随着变电站综合自动化技术的不断发展与进步，变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，继而实现“无人值班”变电站已成为电力系统新的发展方向和趋势。
因此，改善电网结构，提高供电能力与可靠性以及综合自动化程度，以满足日益增长的社会需求是电力企业的首要目标。
2、研究动态、见解
变电站综合自动化系统是在计算机和网络通信技术基础上发展起来的，在我国近几年发展迅速，产品的更新换代及定型也越来越快。
从这几年应用和实践看，变电站综合自动化给变电站设计安装、调试和运行、维护、管理等方面都带来了一系列自动化技术的变革。
目前国内还没有出台变电站综合自动化系统的详细要求和制造标准，国内市场上变电站综合自动化产品的类型及系统结构也各不相同，因此，选择一种理想的自动化系统，合理组态是工程设计和应用的重点。
满足现场实际和工程需要的技术要求，分析了变电站综合自动化所具备的功能以及发展过程和方向，在对市场和产品充分调研下，提出了基于计算机技术和通信技术的综合自动化系统是一种比较成熟和实用的系统，并进行了合理选型和组态，改良了产品中不符合现场需要的部分，完成了该110kv变电站的设计和实施。
3、研究思路、方法、技术路线
110KV变电站电气部分设计的研究主要内容是结合相关的设计手册，辅助资料和国家有关规程，主要完成该变电站的一次、二次部分设计，参考国内外最新的设计方法、研究成果和新的电气设备，对降压变电所的站址、电气主接线方案及主变压器的选择，电气设备的选择（包括断路器，隔离开关，熔断器等），配电装置的选择以及防雷保护的设计。
主变压器、各侧电压等级的电气主接线和相关一次、二次设备、避雷装置、继电保护装置进行选择。
同时，完成110KV变电站平面布置初步设计图和相关设计图。
第一章设计的内容和要求
1.1原始资料分析
1、变电站的建设规模
（1）、类型：
110kV地方变电站。
（2）、最终容量：
根据电力系统的规划需要安装两台容量为31.5MVA，电压为
110kV/35kV/10kV的主变压器，主变各侧容量比为100/100/100，一次设计并建成。
2、电力系统与本所的连接情况
（1）、待设计的变电站是一座降压变电站，担负着向该地区工厂、农村供电的重要任务。
（2）、本变电站有两回平行线路与110kV电力系统连接，有两回35kV电力系统连接。
（3）、本变电站在系统最大运行方式下的系统正、负阻抗的标幺值示意图如图1（Sj=100MVA）,110kV及35kV电源容量为无穷大，阻抗值各包含平行线路阻抗在内。
图1变电所连接示意图
变电所不考虑装调相机、电容器等无功补偿设备，35kV因电网线路的电容电流较少，也不装设消弧线圈。
110kV出线无电源。
3、电力负荷水平
110kV进出线共2回，两回进线为110kV的平行供电线路，正常送电容量各为35000KVA。
35kV进出线共4回，两回进线连接着35kV电源，输送容量各为35000KVA。
10kV出线共12回，全部为架空线路，其中3回每回输送容量按5000KVA设计；另外5回每回输送容量为4000KVA，再预留四个出线间隔，待以后扩建。
4、本变电站自用电主要负荷如表1-2
表1－2110kV变电站自用电负荷
序号
设备名称
额定容量
（kW）
功率因数
（cosφ）
安装台数
工作台数
备注
1
主充电机
20
0.85
1
1
周期性负荷
2
浮充电机
4.5
0.85
1
1
经常性负荷
3
主变通风
0.15
0.85
32
32
经常性负荷
4
蓄电池通风
2.7
0.85
1
1
经常性负荷
5
检修、试验用电
15
0.85
经常性负荷
6
载波通讯用电
1
0.85
经常性负荷
7
屋内照明
5.2
8
屋外照明
4.5
9
生活水泵
4.5
0.85
2
2
周期性负荷
10
福利区用电
1.5
0.85
周期性负荷
计算负荷S=5.2+4.5+（20+4.5+0.15*32+2.7+15+1+4.5*2+1.5）*0.85＝49.725（kVA）
5、环境条件
（1）当地年最高温度39.1℃，年最低温度－5.9℃，最热月平均最高温度29℃；最热月平均地下0.8m土壤温度21.5℃。
（2）当地海拔高度1518.3m。
（3）当地雷电日T=25.1日/年。
1.2设计原则和基本要求
设计按照国家标准要求和有关设计技术规程进行，要求对用户供电可靠、保证电能质量、接线简单清晰、操作方便、运行灵活、投资少、运行费用低，．并且具有可扩建的方便性。
要求如下：
1）选择主变压器台数、容量和型式（一般按变电站建成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）；
2）设计变电所电气主接线；
3）短路电流计算；
4）主要电气设备的选择及各电压等级配电装置类型的确定;
1.3设计内容
本次设计的是一个降压变电站，有三个电压等级（110kV／35kV／10kV），110kV主接线采用双母线接线方式，两路进线，35kV和10kV主接线均采用单母线分段接线方式。
主变压器容量为2*31．5MVA，110kV与35kV之间采用Yo／Yo－12连接方式，110kV与10kV之间采用Yo／△—11连接方式。
本设计采用的主变压器有两个出线端子，一端接35kV的引出线，另一端接10kV的引出线。
设计中主要涉及的是变电站内部电气部分的设计，并未涉及到出线线路具体应用到什么用户，所以负荷统计表相对比较简洁，也减少了电气主接线图的制作难度。
第二章主变压器的选择
2.1主变台数的确定
待设计变电站在电力系统中的地位：
本变电站为一降压变电站，在系统中起着汇聚和分配电能的作用，担负着向该地区工厂、农村供电的重要任务，地位比较重要。
该变电站的建成，不仅增强了当地电网的网络结构，而且为当地的工农业生产提供了足够的电能，从而达到使本地区电网安全、可靠、经济地运行的目的。
待设计变电站的建设规模：
（1）电压等级
110kV/35kV／10kV
（2）线路回路数量
110kV进出线共2回，两回进线为110kV的平行供电线路，正常送电容量各为35000KVA。
35kV进出线共2回，两回进线连接着35kV电源，输送容量各为35000KVA。
10kV进出线共12回，全部为架空线路，其中3回每回输送容量按5000KVA设计；另外5回每回输送容量为4000KVA，再预留四个出线间隔，待以后扩建。
（3）主变选择
由第一章概况及负荷统计可知：
主变压器选为两台110kV级低损耗三绕组有载调压变压器，每台容量为31.5MVA，两变压器同时运行。
电压等级：
110KV／35KV/10KV，各侧容量比：
100：
100：
100。
1）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70%，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证80%负荷供电。
2）在330KV及以下电力系统中，一般选三相变压器，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。
3）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。
4）调压方式的选择：
普通型的变压器调压范围小，仅为±5%，而且当调压要求的变化趋势与实际相反（如逆调压）时，仅靠调整普通变压器的分接头方法就无法满足要求。
另外，普通变压器的调整很不方便，而有载调压变压器可以解决这些问题。
它的调压范围较大，一般在15%以上，而且要向系统传输功率，又可能从系统反送功率，要求母线电压恒定，保证供电质量情况下，有载调压变压器，可以实现，特别是在潮流方向不固定，而要求变压器可以副边电压保持一定范围时，有载调压可解决，因此选用有载调压变压器。
5）冷却方式的选择：
主变压器一般采用的冷却方式有：
自然风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫导向油循环冷却。
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。
所以用两台SFSZ7—31500/110型有载调压变压器，采用暗备用方式，
查变压器的参数如下：
表2-1变压器技术数据
型号
额定容量
（kVA）
额定电压（kV）
损耗（kW）
阻抗电压
（%）
空载电流
（%）
连接组别
高压
中压
低压
空载
短路
SFSZ7—31500/110
31500
110±8*1.25%
35±4*1.25%
10.5
8.2
41
U12=10.5%
U13=17.5%
U23=6.5%
1
YN、yno、dn
2.2本变电站站用变压器的选择
变电站的站用电是变电站的重要负荷，因此，在站用电设计时应按照运行可靠、检修和维护方便的要求，考虑变电站发展规划，妥善解决分期建设引起的问题，积极慎重地采用经过鉴定的新技术和新设备，使设计达到经济合理，技术先进，保证变电站安全，经济的运行。
一般变电站装设一台站用变压器，对于枢纽变电站、装有两台以上主变压器的变电站中应装设两台容量相等的站用变压器，互为备用，如果能从变电站外引入一个可靠的低压备用电源时，也可装设一台站用变压器。
根据如上规定，本变电站选用两台容量相等的站用变压器。
站用变压器的容量应按站用负荷选择：
S＝照明负荷+其余负荷*0.85（kVA）
站用变压器的容量：
Se≥S＝0.85∑P十P照明（kVA）
根据给出的站用负荷计算：
S＝5.2+4.5+（20+4.5+0.15*32+2.7+15+1+4.5*2+1.5）*0.85
＝49.725（kVA）
考虑一定的站用负荷增长裕度，站用变10KV侧选择两台SL7—125／10型号配电变压器，互为备用。
根据容量选择站用电变压器如下：
型号：
SL7—125／10；
容量为：
125（kVA）
连接组别号：
Yn，yn0
调压范围为：
高压：
±5％
阻抗电压为（%）：
4
2.3小结
在本章中，根据本变电站的实际情况选择了变电站的主变压器和站用变压器：
主变压器为两台SFSZ7—31500/110型有载调压变压器；站用变压器两台SL7—125／10型号配电变压器。
第三章电气主接线的选择
3.1选择原则
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。
主接线方案的确定与电力系统及变电站运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并对电器设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。
因此，主接线的设计必须正确处理好各方面的关系，全面分析论证，通过技术经济比较，确定变电站主接线的最佳方案。
3.1.1主接线设计的基本要求及原则
变电站主接线设计的基本要求：
1）可靠性
供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，电气主接线的设计必须满足这个要求。
因为电能的发送及使用必须在同一时间进行，所以电力系统中任何一个环节故障，都将影响到整体。
供电可靠性的客观衡量标准是运行实践，评估某个主接线图的可靠性时，应充分考虑长期运行经验。
我国现行设计规程中的各项规定，就是对运行实践经验的总结，设计时应该予以遵循。
2）灵活性
电气主接线不但在正常运行情况下能根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快的退出设备、切除故障，使停电时间最短、影响范围最小，并在检修设备时能保证检修人员的安全。
3）操作应尽可能简单、方便
电气主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于
运行人员掌握。
复杂的接线不仅不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。
但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便，或造成不必要的停电。
4）经济性
主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上—，还应使投资和年运行费用最小，占地面积最少，使变电站尽快的发挥经济效益。
5）应具有扩建的可能性
由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快，因此，在选择主接线时，应考虑到有扩建的可能性。
变电站主接线设计原则：
1）变电站的高压侧接线，应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线方式，在满足继电保护的要求下，也可以在地区线路上采用分支接线，但在系统主干网上不得采用分支接线。
2）在6-10kV配电装置中，出线回路数不超过5回时，一般采用单母线接线方式，出线回路数在6回及以上时，采用单母分段接线，当短路电流较大，出线回路较多，功率较大，出线需要带电抗器时，可采用双母线接线。
3）在35-66kV配电装置中，当出线回路数不超过3回时，一般采用单母线接线，当出线回路数为4～8回时，一般采用单母线分段接线，若接电源较多、出线较多、负荷较大或处于污秽地区，可采用双母线接线。
4）在110-220kV配电装置中，出线回路数不超过2回时，采用单母线接线；出线回路数为3～4回时，采用单母线分段接线；出线回路数在5回及以上，或当“0—220KV配电装置在系统中居重要地位；出线回路数在4回及以上时，一般采用双母线接线。
5）当采用SF6等性能可靠、检修周期长的断路器，以及更换迅速的手车式断路器时，均可不设旁路设施。
总之，以设计原始材料及设计要求为依据，以有关技术规程为标准，结合具体工作的特点，准确的基础资料，全面分析，做到既有先进技术，又要经济实用。
3.1.2主接线的基本形式和特点
主接线的基本形式可分两大类：
有汇流母线的接线形式和无汇流母线的接线形式。
在电厂或变电站的进出线较多时（一般超过4回），为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰、运行方便、有利于安装和扩建。
缺点是有母线后配电装置占地面积较大，使断路器等设备增多。
无汇流母线的接线使用开关电器少，占地面积少，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的电厂和变电站。
有汇流母线的主接线形式包括单母线和双母线接线。
单母线又分为单母线无分段、单母线有分段、单母线分段带旁路母线等形式；双母线又分为双母线无分段、双母线有分段、带旁路母线的双母线和二分之三接线等方式。
无汇流母线的主接线形式主要有单元接线、扩大单元接线、桥式接线和多角形接线等。
3.2变电站的各侧主接线方案的拟定
在对原始资料分析的基础上，结合对电气主接线的可靠性、灵活性、及经济性等基本要求，综合考虑在满足技术、经济政策的前提下，力争使其为技术先进、供电可靠安全、经济合理的主接线方案。
供电可靠性是变电所的首要问题，主接线的设计，首先应保证变电所能满足负荷的需要，同时要保证供电的可靠性。
变电所主接线可靠性拟从以下几个方面考虑：
1、断路器检修时，不影响连续供电；
2、线路、断路器或母线故障及在母线检修时，造成馈线停运的回数多少和停电时间长短，能否满足重要的I、II类负荷对供电的要求；
3、变电所有无全所停电的可能性；
主接线还应具有足够的灵活性，能适应多种运行方式的变化，且在检修、事故等特殊状态下操作方便，高度灵活，检修安全，扩建发展方便。
主接线的可靠性与经济性应综合考虑，辩证统一，在满足技术要求前提下，尽可能投资省、占地面积小、电能损耗少、年费用（投资与运行）为最小。
1、110KV侧主接线方案
A方案：
单母线分段接线
B方案:
双母线接线
分析:
A方案的主要优缺点:
1）当母线发生故障时,仅故障母线停止工作,另一母线仍继续工作;
2）对双回路供电的重要用户,可将双回路分别接于不同母线分段上,以保证对重要用户的供电;
3）一段母线发生故障或检修时，必须断开在该段母线上的全部电源和引出线，这样减少了系统的发电量，并使该段单回线路供电的用户停电；
4）任一出线的开关检修时，该回线路必须停止工作；
5）当出线为双回线路时，会使架空线出现交叉跨越；
6）110kV为高电压等级，一旦停电，影响下—级电压等级供电，其重要性较高,因此本变电站设计不宜采用单母线分段接线。
B方案的主要优缺点：
1）检修母线时，电源和出线可以继续工作，不会中断对用户的供电；
2）检修任一母线隔离开关时，只需断开该回路；
3）工作母线发生故障后，所有回路能迅速恢复供电；
4）可利用母联开关代替出线开关；
5）便于扩建；
6）双母线接线设备较多，配电装置复杂，投资、占地面积较大,运行中需要隔离开关切断电路,容易引起误操作.
7）经济性差
结论:
A方案一般适用于110KV出线为3、4回的装置中；B方案一般适用于110KV出线为5回及以上或者在系统中居重要位置、出线4回及以上的装置中。
综合比较A、B两方案，并考虑本变电站110KV进出线共6回，且在系统中地位比较重要，所以选择B方案双母线接线为110KV侧主接线方案。
2、35KV侧主接线方案
A方案：
单母线接线
B方案:
单母线分段接线
图3-4单母线分段接线
分析：
A方案的主要优缺点：
1）接线简单、清晰、设备少、投资小、运行操作方便且利于扩建，但可靠性和灵活性较差;
2）当母线或母线隔离开关发生故障或检修时，各回路必须在检修或故障消除前的全部时间内停止工作；
3）出线开关检修时，该回路停止工作。
B方案的主要优缺点：
1）当母线发生故障时，仅故障母线停止工作，另一母线仍继续工作；
2）对双回路供电的重要用户，可将双回路分别接于不同母线分段上，以保证对重要用户的供电;
3）当一段母线发生故障或检修时，必须断开在该段母线上的全部电源和引出线，这样减少了系统的发电量，并使该段单回线路供电的用户停电；
4）任一出线的开关检修时，该回线路必须停止工作；
5）当出线为双回线时，会使架空线出现交叉跨越。
结论:
B方案一般速用于35KV出线为4-8回的装置中。
综合比较A、B两方案，并考虑本变电站35KV出线为2回，所以选择B方案单母线分段接线为35KV侧主接线方案。
3、210KV侧主接线方案
A方案：
单母线接线（见图3-3）
B方案：
单母线分段接线（见图3-4）
分析：
A方案的主要优缺点：
1）接线简单、清晰、设备少、投资小、运行操作方便且利于扩建，但可靠性和灵活性较差;
2）当母线或母线隔离开关发生故障或检修时；各回路必须在检修或故障消除前的全部时间内停止工作；．
3）出线开关检修时，该回路停止工作。
B方案的主要优缺点：
1）母线发生故障时，仅故障母线停止工作，另一母线仍继续工作；
2）对双回路供电的重要用户，可将双回路分别接于不同母线分段上，以保证对重要用户的供电
3）当一段母线发生故障或检修时，必须断开在该段母线上的全部电源和引出线，这样减少了系统的发电量，并使该段单回线路供电的用户停电；
4）任一出线的开关检修时，该回线路必须停止工作；
5）当出线为双回线时，会使架空线出现交叉跨越。
结论：
B方案一般适用于10KV出线为6回及以上的装置中。
综合比较A、B两方案,并考虑本变电站10KV出线为12回，所以选择B方案单母线分段接线为10KV侧主接线方案.
3.3小结
本章通过对原始资料的分析及根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求，选择了两种待选主接线方案进行了技术比较，淘汰较差的方案，确定了变电站电气主接线方案。
第四章短路电流计算
4.1短路计算的目的及假设
一、短路电流计算的目的
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。
3、在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检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、在接地装置的设计，也需用短路电流。
二、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所用的短路电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5～10年）。
确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应仅按在切换过程中可能并列运行的接线方式。
2、选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电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，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。
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。
三、短路计算基本假设
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角相同；
3、电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；
4、不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；
5、元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；
6、系统短路时是金属性短路。
4.2短路电流计算的步骤
目前在电力变电站建设工程设计中，计算短路电流的方法通常是采用实用曲线法，其步骤如下：
1、选择要计算短路电流的短路点位置；
2、按选好的设计接线方式画出等值电路图网络图；
1）在网络图中，首选去掉系统中所有负荷之路，线路电容，各元件电阻；
2）选取基准容量和基准电压Ub（一般取各级的平均电压）；
3）将各元件电抗换算为同一基准值的标幺电抗；
4）由前面的推断绘出等值网络图；
3、
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