采用半屋内GIS配电装置的TQ化肥厂110kV降压变电所设计毕业设计论文.docx
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采用半屋内GIS配电装置的TQ化肥厂110kV降压变电所设计毕业设计论文
摘要
变电站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。
本次设计建设一座采用屋内GIS配电装置的TQ化肥厂110kV降压变电所。
首先，根据主接线的经济可靠、运行灵活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，选取灵活的最优接线方式。
其次进行短路电流计算，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。
最后，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。
同时在设计过程中还要进行主变继电保护的整定计算和防雷保护的设计，以保证本变电所能可靠安全的运行。
关键词：
降压变电所变压器电气主接线短路电流设备选择防雷继电保护
Abstract
Substationisanimportantpartofthepowersystem,whichdirectlyaffectstheentirepowersystem'ssecurityandeconomicoperation.It’sthemiddleparttocontactpowerplantsandtheuser,whichplaystheroleoftransformationanddistributionofelectricenergy.Electricalpowermainconnectionisthemajorcomponentofplantsubstation.Thedevelopmentofmainpowerlineisdirectlyrelatedtothechoiceofalltheelectricalequipment,powerdistributionequipmentlayout,relayprotectionandautomaticdeviceidentification,whichispartofthesizeofinvestmentoftheelectricalsubstationdecisivefactor.
Thisdesignisapowerdistributionwiththehouse'sTQGIS110kVstep-downsubstationforfertilizerplant.First,accordingtotheeconomicandreliableoperationandflexiblerequirementsofthemainpowerlineitwillselectvariousvoltagelevelsofwiring,andaftertechnicalandeconomicaspectsinthecomparison,theoptimalflexiblewiringshouldbeselected.
Second,theshort-circuitcurrentcalculates.Accordingtothepointsitcalculatesshortcircuitcurrentandsteady-stateimpactofshort-circuitcurrent,anditssteady-statecurrentandtheimpactofshort-circuitcurrentvalueisobtainedfromthethree-phaseshort-circuitcalculationwhenshort-circuitoccursintheworkingbusofeveryvoltagelevel.
Finally,accordingtothevoltageleveloftheratedvoltageandmaximumcontinuousoperatingcurrent,equipmentwillbeselected,andthenchecked.
Atthesametimeinthedesignprocessthemaintransformer’srelayprotectionsettingcalculationanddesignoflightningprotectionwillbedonetoensurethesafetyofthereliableoperationofsubstation.
Keywords：
Step-downsubstationTransformerElectricalpowermainconnectionShort-circuitcurrentEquipmentselectionLightningprotectionRelayprotection
前言
经过三年的系理论知识的学习及各种实习操作，并在老师精心培育下，对电力系统各部分有了初步的认识与了解。
在认真阅读原始材料，分析材料，参考阅读《电力系统分析》、《发电厂电气主系统》和《电力系统继电保护》以及《高电压技术》等书籍，在指导老师的指导下，经过周密的计算和系统的分析，完成了此次毕业设计。
毕业设计是一个重要环节，通过设计可以巩固各课程理论知识，了解变电所设计的基本方法，了解变电所电能分配等各种实际问题，培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力，同时对电力工业的有关政策、方针、技术规程有一定的了解，在计算绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为今后从事供电技术工作奠定基础。
1绪论
电力负荷按其重要性可分为三类。
一级负荷：
中断供电将造成人身伤亡或重大设备损坏，且难以挽回，带来极大的政治、经济损失者属于一级负荷。
一级负荷要求有两个独立电源供电。
二级负荷：
中断供电将造成设备局部破坏或生产流程紊乱，且较长时间才能修复或大量产品报废，重要产品大量减产，属于二级负荷。
二级负荷应由两回线供电。
但当两回线路有困难时（如边远地区），允许有一回专用架空线路供电。
三级负荷：
不属于一级和二级的一般电力负荷。
三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，可用单回线路供电。
在设计主接线时，对于一类负荷必须要两个独立的电源供电，并且当任何一个电源失去后，能保证对全部一类负荷不间断供电；对于二类负荷，一般要由两个独立电源供电，并且当任何一个电源失去后，能保证对大部分二类负荷的供电；对于三类负荷，一般只需一个电源供电。
本变电所为TQ有天附近的大型化肥厂的新建变电所，供给本厂工业及生活用电，为一终端变电所，有两个电压等级，分别为110kV和6kV。
本变电所地位重要，一旦停电会造成化肥厂不能连续生产，生产紊乱，造成经济损失：
此外，从电力系统接线图上看本变电所起着联系系统的作用，一定程度上保证了电力系统的稳定。
本变电所110kV进出线共有两回，分别与系统S1和S2相连，穿越功率近期5MW，远景10MW；6kV线路近期9回，远景发展2回，每个负荷中都包含有一级负荷。
对同名双回线路，应分别接在两段母线上。
2负荷分析计算及主变选择
一、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：
1）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，变电所以装设两台变压器为宜。
2）对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所在设计时应考虑装设三台变压器。
3）对于规划只装设两台变压器的变电所，其变压器基础宜按大于变压器容量的1—2级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。
（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。
（3）在330kV及以下电力系统中，一般选为三相压器，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。
（4）绕组数和接线组别的确定：
该变电所有两个电压等级，所以选用双绕组变压器，连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行，110kV及以上电压等级，变压器绕组都采用YN连接，6kV采用Δ连接。
（5）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，有载调压变压器可以保证母线电压恒定，保证供电质量，特别是在潮流方向不固定，而要求变压器副边电压保持一定范围的情况下，有载调压可以解决，因此选用有载调压变压器。
（6）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等。
小容量变压器一般采用自然风冷却。
大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却方式。
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。
综合以上，本变电所为一终端变电所，考虑供电可靠性，采用两台主变压器。
最大综合计算负荷的计算：
式中
——各出线的远景最大负荷；
COSΦi——各出线的自然功率因数；
Kt——同时系数，其大小由出线回路数决定，出线回路数越多其值越小，一般在0.8~0.95之间；
α%——线损率，取5%.
由
（2.2）
得
另由单台故障时
（2.3）
得
查询双绕组电力变压器技术参数表，选择主变为SFZ7-16000/110，油浸风冷有载调压变压器，绕组材料为铜，额定容量为16000kVA，高压侧额定电压为110kV，低压侧额定电压为6.6kV，联接组别YNd11；阻抗电压10.5%。
二、站用电设计
在有两台及以上主变压器的变电站中，宜装设两台容量相同可互为备用的站用变压器。
每台站用变压器容量按全站计算负荷选择。
两台站用变压器可分别接自主变压器最低电压不同段母线，如有可靠的10kV~35kV电源联络线时，亦可一台接入联络线断路器的外侧。
本变电所没有电源联络线，固本变电所采用两台站用变压器，其容量：
50kVA；站用变压器应选用低损耗节能型产品。
三、主变中性点接地方式设计
1）110kV~500kV侧中性点直接接地。
本变电所高压侧为110kV电压等级，可以采用全绝缘。
2）6（10）kV~63kV侧中性点不接地或经消弧线圈接地；
a、当单相接地故障电容电流采用消弧线圈。
b、10kV在局部条件成熟的区域，可试用中性点经低电阻接地方式。
的计算方法：
架空线：
（2.4）
式中：
系数—有架空地线取3.3；无架空地线取2.7；
Ue—线电压kV；
L—线路长度km。
电缆：
（2.5）
表2.1：
厂站母线增加的电容电流：
电网电压kV
6
10
35
63
110
18
16
13
12
10
先假设本变电所6kV出线都是架空线，则有：
（2.6）
所以主变低压侧中性点不需要经消弧线圈接地，既不接地。
四、无功补偿设计：
1）无功补偿关系到电力系统的电压质量、安全及经济运行，无功补偿可以减少无功功率的传输，提高电压质量和减小电能损耗。
2）电网的无功补偿应按分层分区和就地平衡原则配置，采取用户端分散就地补偿与地区变电站集中补偿相结合的方式，以利于降低电网损耗和有效控制电压质量。
3）220千伏及110千伏变电站，应根据设计计算，配置适当容量的无功补偿装置，并满足在主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95；在低谷负荷时功率因数不应高于0.95，不低于0.92。
4）一般情况下，220千伏变电站容性补偿容量按主变压器容量的10%~25%配置；110千伏及以下变电站容性无功补偿容量按主变压器容量的15%~30%配置。
机组关停集中地区及电网末端地区新建变电站无功补偿容量宜按高限配置。
5）110千伏变电站采用并联电容器补偿，补偿电容器分别安装在6~10千伏的分段母线上。
6）变电站中主变低压侧所采用的并联电容器应根据占地、谐波等情况综合考虑，宜优先采用组合式电容器组，单只容量优先采用100千乏。
在用地面积受限的地区，也可采用集合式电容组。
在谐波严重的地点，宜采用组合式电容器组。
7）110千伏变电站无功补偿（《河南电网发展技术原则》）
（1）变电站低压电容器补偿按补偿主变损耗、留足备用的原则，经调相调压计算后，宜按如下配置：
40兆伏安主变：
2.4兆乏+3.6兆乏
50兆伏安主变：
3兆乏＋4.8兆乏
63兆伏安主变：
2×4.8兆乏
（2）对于电缆出线较多的变电站，应考虑配置适当低压电抗器。
本变电所为110kV变电所，则按主变容量的15％~30％来确定无功补偿装置的容量。
此设计中主变容量为16000kVA*2=32000kVA，
故并联电容器的容量为：
4800kVar—9600kVar为宜，在此设计中取9600kVar。
并联电容器装置的分组原则：
1）并联电容器装置的分组主要由系统专业根据电压波动、负荷变化、谐波含量等因素确定。
2）对于单独补偿的某台设备，例如电动机、小容量变压器等用的并联电容器装置，不必分组，可直接与设备相联接，并与该设备同时投切。
对于110kV—220kV、主变代有载调压装置的变电所，应按有载调压分组，并按电压或功率的要求实行自动投切。
3）终端变电所的并联电容器设备，主要是为了提高电压和补偿变压器的无功损耗。
此时，各组应能随电压波动实行自动投切。
投切任一组电容器时引起的电压波动不应超过2.5％。
并联电容器分组方式：
1）并联电容器的分组方式有等容量分组、等差容量分组、带总断路器的等差容量分组、带总断路器的等差级数容量分组。
2）各种分组方式比较
a、等差容量分组方式：
由于其分组容量之间成等差级数关系，从而使并联电容器装置可按不同投切方式得到多种容量组合。
既可用比等容量分组方式少的分组数目，达到更多种容量组合的要求，从而节约了回路设备数。
但会在改变容量组合的操作过程中，会引起无功补偿功率较大的变化，并可能使分组容量较小的分组断路器频繁操作，断路器的检修间隔时间缩短，从而使电容器组退出
运行的可能性增加。
因而应用范围有限。
b、带总断路器的等差容量分组、带总断路器的等差级数容量分组：
当某一并联电容器组因短路故障而切除时，将造成整个并联电容器装置退出运行。
c、等容量分作方式，是应用较多的分作方式。
综上所述，在本设计中，无功补偿装置分作方式采用等容量分组方式。
并联电容器装置的接线
并联电容器装置的基本接线分为星形（Y）和三角形（△）两种，星形接线的电容器额定电压应该为所接母线电压的相电压，而三角形接线的电容器额定电压应该为所接母线电压的线电压。
经常使用的还有由星形派生出来的双星形，以便采用中性线不平衡电流保护，双星形台数为12的倍数，单星形台数为6的倍数。
在某种场合下，也采用有由三角形派生出来的双三角形。
本变电所应采用双星形接线。
因为双星形接线更简单，而且可靠性、灵敏性都高，对电网通讯不会造成干扰，适用于6kV及以上的大容量并联电容器组。
电容器个数：
9600kVar÷100=96，则电容器个数应该为96个，每段母线装设48个，既共装设8个双星形。
中性点接地方式：
对该变电所进行无功补偿，主要是补偿主变和负荷的无功功率，因此并联电容器装置装设在变电所低压侧，故采用中性点不接地方式。
并联电容器对6kV系统单相接地电流的影响
6kV系统的中性点是不接地的，该变电站采用的并联电容器组的中性点也是不接地的，当发生单相接地故障时，构不成零序电流回路，所以不会对6kV系统造成影响。
3电气主接线设计
3.1对电气主接线的基本要求
发电厂和变电所中的一次设备、按一定要求和顺序连接成的电路，称为电气主接线，也成主电路。
它把各电源送来的电能汇集起来，并分给各用户。
它表明各种一次设备的数量和作用，设备间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。
所以电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，对发电厂和变电所以及电力系统的安全、可靠、经济运行起着重要作用，并对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。
3.1.1可靠性
1）断路器检修时，能否不影响供电。
2）断路器或母线故障以及母线或母线隔离开关检修时，停运的回路数的多少和停电的时间的长短，能否保证对I类负荷和大部分II类负荷的供电。
3）发电厂、变电所全部停运的可能性。
4）大机组和超高压的电气主接线能否满足对可靠性的特殊要求。
3.1.2灵活性
1）调度灵活
2）检修安全、方便
3）扩建方便
3.1.3经济性
1）投资省。
2）主接线力求简单，以节省一次设备。
3）二次回路简单。
4）能限制短路电流，以便选择价廉的设备。
5）占地面积小。
6）电能损失少。
主接线除应满足以上技术经济方面的基本要求外，还应有发展和扩建的可能性，以适应发电厂和变电所可能扩建的需要。
3.2对电气主接线方案的初步设计
6～220kV高压配电装置的基本接线方式：
（1）有汇流母线的接线：
单母线、单母线分段、双母线、双母分段、增设旁母线或旁路隔离开关等。
（2）无汇流母线的接线：
变压器-线路单元接线、桥形接线、角形接线等。
6-220kV高压配电装置的接线方式，决定于电压等级及出线回路数。
采用分段单母线或双母线的110—220kV配电装置，当短路点不允许停电检修时，一般需设置旁路母线。
对于屋内配电装置或采用SF6全封闭电器的配电装置，可不设旁母。
35～6kV配电装置中，一般不设旁路母线，因为重要用户多是双回路供电，且断路器检修时间短，平均每年约2～3天。
如线路断路器不允许停电检修时，可设置其它旁路设施。
6—10kV配电装置，可不设旁路母线，对于初线回路数多或多数线路向用户单独供电，以及不允许停电的单母线、分段单母线的配电装置，可设置旁路母线，采用双母线6—10kV配电装置多不设旁路母线。
对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥形接线等。
若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。
拟定可行的主接线方案2—3种，内容包括主变的形式，台数以及各级电压配电装置的接线方式等，并依据对主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰差的方案，保留一种较好的方案。
3.2.1110kV侧主接线设计
本变电所110kV侧供电线路只有两回，线路较长，故选用单母线分段接线与内桥接线这两种方案进行比较。
图3.1内桥接线图3.2单母线分段接线
3.2.26kV侧主接线设计
6～10kV系统中，出线在6回或以上时一般使用单母线分段接线形式，当用户要求不能停电时可装设旁路母线。
故选用手车式单母线分段接线与单母线分段带旁母接线两种方案进行比较决定。
图3.3手车式单母线分段接线图4.4单母线分段带旁母
3.3几种方案的比较及最终接线
表3.1：
根据以上几点要求对主接线的初设方案进行比较，结果如下：
110kV
方案一：
为“单母线分段接线”
方案二：
为“内桥接线”
比单母线接线多投入一个断路器和两个隔离开关，不仅便于检修母线而减少母线故障影响范围，对于重要用户可从不同段引两个回路，而使重要用户有两个电源供电，当一段母线发生故障时，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电，不致使重要用户停电，可提高供电可靠性和灵活性。
优点：
接线简单、清晰，使用开关量相对较少。
线路正常投切或故障切除时不影响其他回路运行，具有一定的可靠性和灵活性。
缺点：
不适用于主变经常投切的情况，主变投切需要短时停电。
6kV
方案一：
为“手车式单母线分段接线”
方案二：
为“单母线分段带旁母接线”
同上所述，而且由于采用手车式开关柜，供电可靠性进一步提高，检修非常方便，只需要一个备用的手车式断路器即可。
优点：
具有单母线分段的全部优点，并在检修断路器时不至于中断对用户供电。
供电可靠性高。
缺点：
占地面地大，刀闸多，投资较多。
110kV侧只有两条进线，穿越功率并不是很大，且进线线路较长，故障率较高，考虑供电可靠性及经济性，故采用内桥接线。
6kV侧方案一比较经济，而且现在多采用手车式开关柜，可靠性也较高，可以满足要求，故采用手车式单母线分段接线。
4短路电流计算
4.1画等值电路
图:
4.1图4.2
图4.3
短路电流按短路最严重情况计算。
当选择最大运行方式时，短路电流是最大的。
上图为短路等值电路及其化简过程，其中K1，K2为高压侧与低压侧三相短路时短路电流最大的点，由于低压侧分列运行发生三相短路时短路电流没有K2点的严重，固不予考虑。
下面开始计算各回路电抗（取基准功率Sd=100MVAUd=Uav）
根据任务书中的数据及所选变压器的参数有：
图4.1中：
（4.1）
（4.2）
（4.3）
同理有
（4.4）
（4.5）
此计算过程中略去了各元件的电阻、输电线路的电容和变压器的励磁支路。
等值电路的化简如图4.2、图4.3所示，其中：
（4.10）
等值容量为
4.2计算短路电流
短路电流的计算方法有：
同一变换法和个别变换法。
本次计算用同一变换法，将电源合并成，求等值电抗。
在合并过程中，需要注意：
1）此电源对短路点的短路电流的变化规律是否相同或相近；
2）距短路点的电气距离。
说明：
1）距短路点电气距离相差很大的电源，即使是同类型电源不能合并；
2）直接接于短路点的发电机（或发电厂）应单独处理；
3）无限大容量电源不能合并，必须单独计算。
（4）等值电源的容量等于提供短路电流的所有电源的额定容量之和。
对于短路点K1：
等值电抗为
计算电抗：
发电机的纵轴次暂态电抗和归算到发电机额定容量的外接电抗标幺值之和。
计算电抗为
对于短路点K2：
等值电抗为
计算电抗为
本变电所110kV侧后备保护时间取为4s，6kV侧后备保护时间取为2s。
对于短路点K1、K2，由于电源对其的计算电抗Xjs>3.45，近似认为短路电流周期分量的幅值已不随时间变化，则有：
110kV侧：
6kV侧：
4.3短路电流计算结果汇总
表4.1：
短路电流计算结果：
短路点
（A）
（A）
（A）
（A）
110kV母线
1104.3
1104.3
1104.3
2816.0
6kV母线（并列）
11703.7
11703.7
11703.7
29844.4
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