毕业设计额定电压变电站的设计初稿.docx
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毕业设计额定电压变电站的设计初稿
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杭州电子科技大学
毕业论文
额定电压变电站的设计
学院
班级
届次
姓名
学号
指导教师
二О一三年六月一日
装
订
线
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摘要
Abstract
3.1变压器的选择原则.....................................................................................8
3.2变压器台数的选择原则..............................................................................8
摘要
变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电气设备及配电网络按一定的接线方式所构成，它从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。
本次变电站的初步设计包括了，总体方案的确定，负荷分析及计算，变压器台数和容量的选择，主接线方案的确定，短路电流的计算，输电系统设计，高低压配电系统的设计，高低压电气设备的选择，继电保护的选择与整定，防雷与接地保护设计等内容。
其中主变压器的选择与主接线的设计是本次论文重点内容。
关键词：
变电站；输电系统；配电系统；电气设备
Abstract
Substationisanimportantcomponentofthepowersystembytheelectricalequipmentanddistributionnetworksofwiring,electricalenergyfromthepowersystemthroughitstransformation,distribution,transmissionandprotection,andelectricitysafety,reliabilityandeconomicaltransportationtothetransferofelectricalequipmentlocatedplace.
Thepreliminarydesignofthesubstation,includingthedeterminationoftheoverallprogram,loadanalysisandcalculations,transformerstationnumberandchoiceofcapacity,themainwiringschemeforthecalculationofshortcircuitcurrent,thetransmissionsystemdesign,low-voltagedistributionsystemdesign,highchoiceoflow-voltageelectricalequipment,thechoiceofrelayandtuning,lightningprotectionandgroundingprotectiondesigncontent.Whichthechoiceofthemaintransformerandthemainwiringdesignisthefocusofthispaper.
Keywords:
Transformersubstation；Transmissionsystem；Distributionsystem；Electricalequipment
绪论
众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。
电能既易于由其它形式的能量转换而来，也易于转换为其它形式的能量以供应用。
电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化，而且现代社会的信息技术和其它高新技术无一不是建立在电能应用的基础之上的。
电能在现代工业生产及整个国民经济生活中各个领域应用极为广泛。
变配电所是电力系统中最为关键的一环。
变电所担负着从电力系统受电，经过变压，然后配电的任务。
配电所担负着从电力系统受电，然后直接配电的任务。
车间变电所主要用于负荷大而集中、设备布置比较稳定的大型生厂房内。
车间变电所一般位于车间的负荷中心，可以降低电能损耗和有色金属的消耗量，并能减少输电线路上的电压损耗，可以保证供电的质量。
因此，对这种车间变电所的设计技术经济指标要求比较高。
110KV变电站从六十年代开始逐渐走入普通地级市，由于当时负荷水平低，电力建设投资少，城市电网结构简单。
进入八十年代以来，我国经济进入前所未有的告诉发展阶段。
这段时期建设的110KV变电站110KV电气设备多采用常规设备敞开式布置，变电站主接线较为复杂，例如为单母线分段带旁路，电气设备为多油或少油设备，主变容量大多选择31.5MVA或40MVA。
进入九十年代中期，供电紧张的情况得到好转，电网设计和建设越来越强调供电可靠性。
人们开始把注意力转向性能好、质量高、检修周期长或多年不需检修等特点的电气设备。
实施“四遥”功能，实现变电站无人值班已成为可能。
由于采用了先进可靠地设备，这段时期建设的110KV变电站主接线较为简洁，除主变外110KV电气设备多采用户内布置的形式，主变容量多为40MVA或50MVA，开关设备为无忧设备，变电站具备无人值班的功能。
变配电所是工厂供电系统的枢纽，在工厂里占有特殊重要的地位，因而设计一个合理的变电所对于整个工厂供电的可靠、经济运行至关重要。
本设计是从工程的角度出发，按照变电所设计的基本要求，本着安全、可靠、优质、经济的原则，综合地考虑各个方面的要素，对供电系统进行合理布局，在满足各项技术要求的前提下，兼顾运行方便、维护简单，并尽可能地节省投资。
1设计背景
某省A市青阳镇现有110KV变电站（青阳站）一座，向全镇范围内供电。
青阳站共有主变2台，容量为40MVA，现有110KV线路2回，分别来自110KV梅岭变电站和罗山变电站。
目前青阳站的最大负荷为3.88万千瓦，到2012年，青阳镇的用电量将达2.27亿千瓦时，最大负荷达4.53万千瓦。
随着工业的发展与工业区的开发，对电力电量的需求也相应的增加，预计到2015年，全镇用电量将达3.08亿千瓦时，最大负荷达6.16万千瓦；2020年，用电量将达到5.73亿千瓦时，最大负荷达到11.46万千瓦。
由此分析，仅靠目前青阳镇仅有的一个110KV变电站是远远不够满足负荷增长需求的。
若按照《城市电网规划设计导则》的要求，主变容量按1.8~2.1来计算，2015年共需要110KV主变容量约111~129兆伏安，而目前青阳站主变容量只有80MVA，还需要增加31~49MVA。
为满足用电负荷增长的需要到2015年建设新的110KV变电站是十分必要的。
而且青阳镇现有的10KV线路大部分是放射形网，无法形成合理的环网和分段，结构比较单一和薄弱，供电可靠性差。
加上部分线路供电半径大、用户多、负荷重，线路压降过高，供电质量差，但城南变电站建成后可承担青阳镇南部的用电负荷，释放大冲站的供电能力，提高青阳镇的供电可靠性、改善电能质量和降低网损。
并且，城南站建成后，可以与大冲站的10KV形成环网，有效的提高负荷转移能力，从而进一步提高供电可靠性。
综上所述，为了青阳镇经济社会的可持续发展，新建110KV城南变电站是电源合理分布点，改善10KV配电网络结构，满足新增用电需要的必要措施。
2变电站负荷计算和无功补偿的计算
2.1变电站的负荷计算
2.1.1负荷统计
青阳镇的用电负荷统计如下表：
表2—1用电负荷统计（单位：
千瓦）
用电单位
负荷统计（KW）
负荷类别
市政府
1650
医院
750
市公安局
1800
中心市场
1000
休闲中心
900
火车站
2500
洗衣机厂
3500
首饰厂
3000
宝元鞋厂
12000
市一中
800
市中心小学
400
市水泥厂
1700
旅店
1800
百惠商城
2000
其他散户
5000
合计
38800
表2—2负荷性质分析结果表
负荷等级
负荷值（KW）
占总负荷百分比（%）
8700
22.42
30200
77.58
2.1.2负荷计算
各组负荷的计算：
（1）有功功率P=KX
ΣPei
（2）无功功率Q=P
tgФ
（3）视在功率S=P/CosФ
式中：
ΣPei：
每组设备容量之和，单位为KW；Kd：
需用系数；CosФ:
功率因数。
总负荷的计算：
（1）有功功率PΣ=K1
ΣP
（2）无功功率QΣ=K1
ΣQ
（3）视在功率SΣ=
（4）自然功率因数：
CosФ1=PΣ/SΣ
式中：
K1组间同时系数，取为0.85～0.9。
电力系统中的无功功率就是要使系统中无功电源所发出的无功功率与系统的无功负荷及网络中的无功损耗相平衡;按系统供电负荷的功率因数达到0.95考虑无功功率平衡。
变电站所供负荷的总数：
P总=38800KW
变电站所供一类负荷总数：
P总1=8700KW
变电站所供二类负荷总数：
P总2=30100KW
一类负荷占总负荷的百分比：
δ=P总1/P总=8700／38800×100%=22.16%
二类负荷占总负荷的百分比：
δ=P总2/P总=30100／38800×100%=77.84%
2.2无功补偿的目的
无功补偿的目的是系统功率因数低，降低了发电机和变压器的出力，增加了输电线路的损耗和电压损失，这一些原因是电力系统基本的常识，在这里不多作特别的说明。
电力系统要求用户的功率因数不低于0.9（本次设计要求功率因数为0.95以上），因此，必须采取措施提高系统功率因数。
目前提高功率因数的常用的办法是装设电容器补偿无功。
2.3无功补偿的计算
（1）计算考虑主变损耗后的自然因数CosФ1：
P1=PΣ+ΔPb
Q1=QΣ+ΔQb
CosФ1=P1/
（2）取定补偿以后的功率因数：
CosФ2为0.95：
（3）计算补偿电容器的容量：
Qc=K1PΣ
（tgФ1+tgФ2）
式中：
K1=0.8～0.9
（4）计算补偿电容器的个数：
Nc=Qc/qc
式中：
qc单个电容器的容量，单位kavr。
按照3的整数倍取定补偿器的个数Ncs，然后计算出实际的补偿容量：
Qcs=Ncs*qc
（5）计算补偿以后实际的功率因数，补偿后实际的功率因数大于0.9为合理
CosФ2=PΣ/
10KV：
COSφ1≥0.9
∴选COSφ1=0.9来考虑：
P=38800KW
S=38800÷0.90=43111KVA
Q=38800×tanφ1=18792Kvar
110KV：
COSφ2≥0.95
∴选COSφ2=0.95来考虑;
P=38800KW
S=38800÷0.95=40842KVA
Q=38800×tanφ2=12753Kvar
表2—3负荷计算结果表
电压等级
有功功率（KW）
无功功率（KW）
视在功率（KVA）
10KV
38800
18792
43111
110KV
38800
12753
40842
主接线采用两台高压并联补偿电容器，每台主变安装一台。
电容器组的额定容量：
4800kvar,单Y接线。
3主变压器台数和容量的选择
3.1变压器的选择原则
为了保证每年电容按10%的增长，并在10年内能满足要求，并按下例方案进行综合考虑：
（1）明备用方式，任何情况下都只有1台运行，两台主变压器互相备用。
（2）暗备用方式，正常情况下两台主变运行，故障情况下一台运行，因此，每台变压器的容量应满足安全用电的要求,即保证Ⅰ、Ⅱ类负荷的供电，一般要求能满足全部负荷的70%--80%。
（3）在设计中，初期主变压器可采用明备用方式，随着负荷的增加和发展，后期可采用暗备用方式。
3.2变压器台数的选择
（1）对于大城市郊区的一次变电站，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电站以两台主变压器为宜。
（2）对于孤立的一次变电站或大型工业专业用变电站，在设计时要考虑设三台主变压器的可能性。
（3）对于规划只住两台主变压器的变电站，其变压器基础宜大于变压器容量的1-2级设计，以便符合发展时更换变压器的容量。
3.3变压器容量的选择
按照上述原则确定变压器容量后，最终应选用靠近的国家的系列标准规格。
变压器容量系列有两种，一种是按R8容量系列，它是按R8=
≈1.33的倍数增加的，如100KVA、135KVA、180KVA、240KVA、320KVA、420KVA等；另一种是国际通用的R10容量系列，它是按R10=
≈1.26的倍数增加的。
如容量有100KVA、125KVA、160VA、200KVA、250KVA、315KVA等。
我国国家标准GB1094《电力变压器》确定采用R10容量系列。
综合上述各种因数，确定该站主压器采用2台50000KVA的变压器。
当前我国电力系统基本都是三相制接线，尤其某省电力系统还没有单相供电的系统，故为了能接入系统运行，并能保证系统的安全稳定运行。
所以该站选择三相供电。
结合该地区的实际情况，故采用双卷变压器，电压等级为110KV与10KV。
因为该地区110KV电压不是很稳定，为了保证10KV供电系统电压质量，本站采用有载调压方式，这样才能达到随时调整电压的目的。
冷却方式采用自冷型冷却方式。
变压器110KV侧中性点经隔离开关接地，同时装设避雷器保护。
综合上述几种情况，结合厂家的一些产品情况，故本站的主变压器选用的型号：
SZ10-50000/110。
变电站全部负荷Sδ=40842KVA
变压器的初选容量S=80%Sδ=0.80×40842=32674KVA
选两台50000KVA的变压器。
主变压器：
2×50000KVA三相双卷自冷型油浸变压器。
电压等级：
110KV/10KV
出线：
110KV2回，10KV12回。
无功补偿容量：
4×4800Kvar
表3—1主变压器的选择
额定容量
电压组合
及分接范围
联接组
标号
空载损耗
KW
负载损耗
KW
空载
电流
%
阻抗
电压
%
KVA
高压
KV
中压
KV
低压
KV
YN,d11
71.2
250
1.3
14
50000
110±
8×1.25%
38.5
±5%
10.5
4主接线方案的确定
4.1主接线的基本要求
4.1.1安全性
高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离开关；低压断路器（自动开关）的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须设低压刀开关；装设高压熔断器—负荷开关的出线柜母线侧，必须装设高压隔离开关；变配电所高压母线上及架空线路末端，必须装设避雷器。
装于母线上的避雷器宜与电压互感器共用一组隔离开关，线路上避雷器前不必装隔离开关。
4.1.2可靠性
断路器检修时，不宜影响对系统的供电；断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部大部分二级负荷的供电；尽量避免发电厂、变电所全部停运的可能性；大机组超高压电气主接线应满足可靠的特殊要求；采用综合自动化，优化变电所设计：
国内变电所自动化发展进程分为三个阶段。
第一阶段由集中配屏以装置为核心的方式，向分散下放到开关柜以系统为核心的方式发展；第二阶段由单一功能、相互独立向多功能、一体化过渡；第三阶段由传统的一次、二次设备相对分立向相互融合方式发展。
变电所综合自动化就是在第二阶段。
4.1.3灵活性
变配电所的高低压母线，一般宜采用单母线或单母线分段接线；两路电源进线，装有两台主变压器的变电所，当两路电源同时供电时，两台主变压器一般分列运行；当只一路电源供电，另一路电源备用时，则两台主变压器并列运行；带负荷切换主变压器的变电所，高压侧应装设高压断路器或高压负荷开关；主接线方案应与主变压器经济运行的要求相适应。
4.1.4经济性
主接线方案应力求简单，采用的一次设备特别是高压断路器少，而且应选用技术先进、经济适用的节能产品；由于工厂变配电所一般都选用安全可靠且经济美观的成套配电装置，因此变配电所主接线方案应与所选成套配电装置的主接线方案配合一致。
柜型一般宜采用固定式；只在供电可靠性要求较高时，才采用手车式或抽屉式；中小型工厂变电所一般才用高压少油断路器，在需频繁操作的场合，则应采用真空断路器或SF6断路器。
断路器一般采用就地控制，操作多用手力操作机构，但这只适用于三相短路电流不超过6KA（10KV的SK3≤100MVA）的电路中。
如短路电流较大或有远控、自控要求时，则应采用电磁操作机构或弹簧操作机构；工厂的电源进线上应装设专用的计量柜，其互感器只供计费的电度表用，应考虑无功功率的人工补偿，使最大负荷时功率因素达到规定的要求；优化接线及布置，减少变电所占地面积
总之，变电所通过合理的接线、设备无油化、布置的紧凑以及综合自动化技术，并将通信设施并入主控室，简化所内附属设备，从而达到减少变电所占地面积，优化变电所设计，节约材料，减少人力物力的投入，并能可靠安全的运行，避免不必要的定期检修，达到降低投资的目的。
4.2主接线的方案与分析
4.2.1单母线
（1）优点：
接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。
（2）缺点：
不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障检修，均需要使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
（3）适用范围：
一般只适用于一台发电机或一台主变压器的以下三种情况：
6—110KV配电装置的出线回路数不超过6回；35—63KV配电装置的回线数不超过3回；110—220KV配电装置的出线回路数不超过2回。
4.2.2单母线分段接线
（1）优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切断，保障正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
（2）缺点：
当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均等扩建。
（3）适用范围：
6—10KV配电装置出线回路数为6及以上时；35—63KV配电装置出线回路数为4—8回时；110—220KV配电装置出线回路数为3—4回时。
4.2.3电气主接线的确定
采用单母线分段的结线：
单母线分段是借助于3个QF，进行分段，当母线故障时，经倒闸操作可切除故障段，保证其它段继续运行，当母线检修可分段进行，这能始终保证一台主变的供电，当进线电源一回发生故障，通过倒闸操作可保证两台主变的供电，单母线分段的结线可以作分段运行，也可做并列运行，采用分段运行时，各段相当于单母线运行状态，各段母线所带的主变压器是分列进行，互不影响任一母线故障或检修时，仅停止该段母线所带变压器的供电，两段母线同时故障的机率很小，可以不予考虑，采用并列运行时，电源检修无需母线停电，只需断开电源的断路器QF1，（QF2）及其隔离开关就能保证两台主变压器的供电，对本站110KV两回供电（小于4回路）较为适合。
该设计的电气主接线：
110KV采用线路变压器组接线，进线侧设断路器；10KV接线为单母线分段接线，#1主变10KV侧单臂进10KV母线，各带10KV出线12回，无功补偿电容器组2组；#2主变10KV双臂各进一段10KV母线，每段母线各带10KV出线6回，无功补偿电容器1组。
在110KV两条进线的A相上各装设一台电容式电压互感器供二次闭锁采压用。
主变压器110KV侧中性点采用避雷器保护，并可经隔离开关接地。
表4—1主要电气设备表
序号
设备名称
型号和规格
1
110KV断路器
SF6-110W3150A40KV
2
隔离开关
GW4-110IID（W）125031.5A（4S）
3
主变中性点隔离开关
GW13-63D（W）/630A
4
110KV线路避雷器
Y10W1-108/281（W）
5
主变中性点避雷器
HY1.5W-72/186
6
10KV母线桥避雷器
HY5WZ-17/45
7
10KV电容器
SF6充气集合式BAMHL11/√3-1600-1W×3
8
接地变压器
DKSC-1000/10.5-100/0.4
9
10KV开关柜
XGN2-12Z（Q）系列，其中断路器配置为：
进线断路器ZN28-12（Q），3150A，40KA
分段断路器ZN28-12（Q），3150A，40KA
其他ZN28-12（Q），1250A，31.5KA
5短路电流的计算
供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。
但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。
所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。
造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。
短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。
当它通过电气设备时，设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。
短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。
5.1绘制计算电路
图5—1短路电流计算图
5.2短路电流计算
进行计算的物理量，不是用具体单位的值，而是用其相对值表示，这种计算方
法叫做标幺值法。
标幺值的概念是：
某量的标幺值=
（1）输电线路
已知输电线路的长度为
，每公里电抗值为
，线路所在区段的平均电压为
，则输电线路电抗相对于基准容量
和基准电压
的标幺值为
（2）变压器
变压器通常给出短路电压百分数
，得
图5—2短路等效电路图
（1）本设计选Sj=100MVA
取Uj1=110KV则Ij1=
KA=0.52KA
取Uj2==10KV则Ij2=
KA=5.77KA
（2）计算各元件阻抗的标幺值
系统电抗：
（3）求电源至短路点的总阻抗
K1点:
K2点:
K3点:
（4）求短路电源的周期分量、冲击电流和短路容量
（5）短路电流的计算结果如下表：
表5—1短路电流计算结果表
短路点
短路容量
Sd（MVA）
短路电流周期分量（有效值）Id（KA）
短路冲击
电流
（有效值）
Ish（KA）
短路冲击电流（峰值）
ish（KV）
110KV进线侧（K1）
960.6
4.995
7.592
12.73
升级会员 