110kV变电站电气主接线设计.docx
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110kV变电站电气主接线设计
摘要
随着城市化的发展，城郊已经纳入城市的发展规划，供电方面要求越来越高，特别是供电的安全性、可靠性和持续性。
电网的安全性、可靠性和持续性往往取决于变电站的合理设计和配置。
一个典型的变电站要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。
本论文设计了一个降压变电站，此变电站有三个电压等级：
高压侧电压为110kV。
中压侧电压为35kV，有八回出线。
低压侧电压为10kV，有十四回出线。
同时对于变电站内的主要设备进行合理的选型。
本设计选择选择两台SFSZ11-63000/110主变压器，其他设备如断路器、隔离开关、电流互感器、高压熔断器、电压互感器和继电保护装置等等也按照具体要求进行选型、设计和配置，力求做到运行可靠，操作简单、方便，经济合理，具有扩建的可能性和改变运行方式时的灵活性，使其更加贴合实际，更具现实意义。
关键字：
降压变电站；电气主接线；变压器；设备选型。
Abstract
Withthedevelopmentofcitilization,Theplanningofcityexpandinghasincludedtheskirtsofatown,Therequirementofpowersupplyishigherandhigher,especiallytothesecurity、reliabilityandendurance.Butthesecurity、reliabilityandenduranceoftheelectricalnetworkoftenrelyonthetransformersubstation’srationalityanddisposition.Onetypicaltransformersubstationrequeststheequipmentsinitworkreliably,operatenimbly,beingcarriedonreasonablyandeasytoexpend.
Refertotheseseveralreasons,inthisarticlewedeviseatransformersubstationforabasingvoltage,whichhasthreevoltagerates:
thehighvoltagerateis110kV;themiddlevoltagerateis35kv,whichhaseightroutes;thelowvoltagerateis10kV,whichhasfourteenroutes.Inthesametime,weselectthemainequipmentsforthetransformersubstation.Thisarticleselecttwomaintransformer（SFSZ11-63000/110）andotherequipments,forexample:
breaker,isolator,currenttransformer,voltagetransformer,highvoltagefuse,idleworkcompensator,theprotectingequipmentsandsoonarealsoselected,devisedanddisposedaccordingtotheactualfact.What’smore,wetryourbesttomangetomakethesubstationworkreliably,operatenimbly,becarriedonreasonablyandeasytobeexpended.Sothatitcanclosethefactmore.
Keywords:
transformersubstation;electricalmainwiring;transformer;equipmenttypeselection.
1概述
1.1概述
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求日益提高。
国家提出了加快城网和农网建设和改造、拉动内需的发展计划，110kV变电站的建设迅猛发展。
供电可靠性是城网建设改造的一个重要目标，110kV变电站设计是成网建设分中较为关键的技术环节，如何设计110kV变电站，是城网建设和改造中需要研究和解决的一个重要课题。
1.2设计任务
1.2.1待设计变电站基本情况
该变电站位于湖北省沙洋县后港镇，该地区地势平坦，交通便利，空气污染轻微。
所处自然条件：
年最高气温：
45℃
年最底气温：
-5℃
年平均气温：
18℃
最热月平均最高温度：
30℃
土壤温度：
25℃
土壤电阻率：
7000Ω.cm
该变电站建成后主要作为供给城郊的工厂以及一部分城郊居民生活用电。
该变电站的电压等级为110kV/35kV/10kV，110kV是电源电压，35kV和10kV是二次电压。
供电源由50公里外的兴隆港110kV变电站供给，备用电源为相距50km的110kV沙洋变电站经沙后线受电。
该变电站带负荷情况见表1-1、表1-2。
表1-135kV母线侧所带负荷
负荷名称
有功功率（MW）
功率因数
拾桥镇变
5
0.9
十里铺镇变
1.3
0.9
蛟镇变
4.8
0.9
管珰镇变
6.5
0.9
古泵镇变
5
0.9
毛李镇变
4.8
0.9
中压35kV侧计划送出线8回，其中2回备用。
表1-210kV母线侧所带负荷
负荷名称
有功功率（MW）
功率因数
纺织厂1
1
0.9
纺织厂2
2.3
0.9
纺织厂3
2.3
0.9
塑料厂
2.2
0.9
加工厂
2
0.9
材料厂
1.2
0.9
食品厂
0.8
0.9
化工厂
0.8
0.9
低压10kV侧计划送出线14回，其中4回备用，2回接站用变压器。
待设计变电站与电力系统的连接关系如下图1-3所示
图1-1关系图
1.2.2设计任务
（1）选择本变电所主变的台数、容量和类型；
（2）变电所电气主接线设计，选出几个电气主接线方案进行技术经济比较，确定一个较佳方案；
（3）短路电流计算；
（4）选择和校验所需电气设备（主变压器、断路器、隔离开关、母线、10kV电缆、电流互感器和电压互感器等等）；
（5）防雷保护规划设计；
（6）画出变电站主接线和站用电图纸；
注：
设计图纸应符合国家有关规程、规范。
本章小结：
本章主要对设计任务和原始资料进行收集。
其中包括设计背景，环境资料，以及变电站近期所供给的对象以及负荷容量进行资料收集整理，并且提出待设计变电站的一次部分设计的任务和要求。
2电气主接线设计
2.1主接线设计的要求
变电站电气主接线的选择是根据变电站在系统中的地位和作用、地理位置、电压等级、变压器台数及容量和进出线等各种条件综合优化决定的。
城市电网的安全可靠性固然重要，但是城市人口密度大，用地紧张，因此城网变电站接线除了满足安全可靠性外，还必须尽量简单化。
因此变电站设计应该满足一下基本要求：
1、运行可靠
断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时，停电数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。
2、具有一定的灵活性
主接线正常运行时可以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，能尽快地退出设备。
切除故障停电时间最短、影响范围最小，并且再检修在检修时可以保证检修人员的安全。
3、操作应尽可能简单、方便
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、经济上合理
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小，占地面积最少，使其尽地发挥经济效益。
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，在选择主接线时还要考虑到具有扩建的可能性。
变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。
2.2主接线设计
2.2.1110kv主接线设计
方案I：
采用单母线分段接线
优点：
1、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。
2、当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
1、当一段母线或母线隔离开关故或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
2、扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
适用于35-63kV配电装置的出线回路数为4-8回时。
方案II：
采用双母线接线
优点：
供电可靠，调度灵活，扩建方便。
适用范围：
一般适用于出线回路多，容量较大的配电装置中，35-60kV出线数超过8回，或连接电源较大，负荷较大时。
经过对比，决定采用单母分段接线方式。
2.2.235kV主接线设计
该变电站中压35kV侧有8回出线，其中2回是备用。
其负荷情况如下表2-1所示：
表2-135kV母线侧所带负荷
负荷名称
有功功率（MW）
功率因数
拾桥镇变
5
0.9
十里铺镇变
1.3
0.9
蛟镇变
4.8
0.9
管珰镇变
6.5
0.9
古泵镇变
5
0.9
毛李镇变
4.8
0.9
参考35kV负荷情况，考虑以下两种优化方案：
方案I：
采用单母线分段接线
优点：
（1）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。
（2）当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
（1）当一段母线或母线隔离开关故或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
（2）扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
35-63kV配电装置的出线回路数为4-8回时。
方案II：
采用双母线接线
优点：
供电可靠，调度灵活，扩建方便。
适用范围：
一般适用于出线回路多，容量较大的配电装置中，35-60kV出线数超过8回，或连接电源较大，负荷较大时。
经过对比，决定采用双母线接线方式。
2.2.310kV主接线设计
该变电站低压10kV侧计划出线14回，其中4回备用，2回接站用变压器。
10kV侧负荷如下表2-2所示：
表2-210kV母线侧所带负荷
负荷名称
有功功率（MW）
功率因数
纺织厂1
1
0.9
纺织厂2
2.3
0.9
纺织厂3
2.3
0.9
塑料厂
2.2
0.9
加工厂
2
0.9
材料厂
1.2
0.9
食品厂
0.8
0.9
化工厂
0.8
0.9
方案I：
采用单母线接线
优点：
接线简单、设备少、操作方便、经济性好，并且母线便于向两端延伸，便于扩建。
缺点：
（1）可靠性差。
母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行，造成全站长期停电。
（2）调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。
适用范围：
这种接线形式一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。
方案II：
采用单母线分段接线
优点：
（1）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。
（2）当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
（1）当一段母线或母线隔离开关故或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
（2）扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
6-10kV配电装置的出线回路数为6回及以上时。
为保证对重要负荷的可靠供电，和快速检修，经过以上论证，决定采用单母线分段接线。
图2-1和图2-2分别为所选用的单母线分段接线和双母线接线形式。
图2-1单母线分段接线
图2-2双母线接线
本章小结：
本章主要对变电站三个电压侧（110kV、35kV和10kV）的主接线方式进行方案分析比较。
从经济方面、运行可靠性方面和维修灵活性方面综合研究分析并确定各侧均采用单母线分段接线方式。
此方案可以保证重要负荷在一部分线路故障时的可靠运行，并减少维修时繁琐的步骤跟时间，实现最优化运行。
3主变压器的选择
3.1变压器容量和台数的确定
首先确定主变压器的容量。
变电站容量确定原则如下：
（1）按供电负荷和5～10年规划负荷确定
（2）重要变电站按一台停运其余满足负荷的供电。
（3）非重要变电站按一台停运,其余变满足全部负荷（70~80）%。
可得到变压器的容量为：
其中8%为当地经济增长率，5为符合规划的5年。
变压器台数与电压等级、接线形式、传输容量及与系统联系紧密有关。
变压器台数确定原则如下：
（1）与系统联系紧密大中站，2台以上。
（2）与系统联系弱小型厂站，1台。
（3）地区孤立的变电站或大型企业变电站设3台变压器。
结合所给资料可知，该变电站应选用两台一样，并且容量都为63MVA的主变压器，其中一台为备用。
3.2变压器型号的确定
变压器相数的确定：
在330kV及以下的电路系统中，一般采用三相变压器。
绕组数的确定：
在具有三种电压的变电所中，如果通过主变压器的功率达到该主变压器容量的15%及以上，或低压侧虽然无负荷，但在变电所内需要装设无功功率补偿装置时，主变压器宜采用三绕组变压器。
结合本次设计的具体实际情况，都应选择三绕组变压器。
绕组连接组号的确定：
变压器三相绕组的连接组号必须和电压相位一致，否则不能并列运行。
电力系统采用的绕组连接方式只有星型“Y”和三角型“d“两种，为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组为“d”型。
我国110kV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中性点，所以都需要选择“Y”的连接方式，而35kV经消弧线圈接地采用Y，6～10kV侧采用“d”型连接方式。
所以本次设计的变电站主变压器绕组连接方式为：
Y/Y/d
调压方式的确定：
变压器的调节方式有两种：
无励磁调压和有载调压。
无励磁调压的调整范围通常在±2×2.5%以内；有载调压的调整范围可达30%，其结构复杂，价格较贵，只有在以下情况才予以选用：
接于输出功率变化大的发电厂的主变压器，特别是潮流方向不固定，且要求变压器二次电压维持在一定水平时，接于时而为送端、时而为受端、具有可逆工作特点的联络变压器，为保证供电质量，要求母线电压恒定时。
为了保证供电质量，110kV及以下变压器应至少有一级电压的变压器采用有载调压。
因此该站的主变压器110kV高压侧选择有载调压。
变压器冷却方式的确定：
油浸式电力变压器的冷却方式随其型式和容量的不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环冷却等。
中小型变压器通常采用依靠装在变压器油箱上的片状或管形辐射式冷却器及电动风扇的自然风冷却及强迫风冷却方式散发热量。
容量在31.5MVA及以上的大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却方式；容量在350MVA及以上的特大容量变压器一般采用强迫油循环导向冷却方式。
因此主变压器选用强迫油循环风冷却方式。
根据以上设计原则，本次110kV变电站设计所采用的变压器确定为三绕组有载调压变压器，相关数据如下：
型号：
SFSZ11-63000/110
额定容量：
63/63/63MVA
额定电压：
115
8
1.25%/37
2.5%/10.5kV
高压侧调压范围：
110±8
1.25%kV
中压侧调压范围：
37±2
2.5%kV
本章小结：
本章针对变电站计划运行的情况，对负荷功率进行计算。
针对计算结果，主变压器决定选择两台63MVA的三相变压器，一方面可以保证近期负荷的可靠供电，一方面也提供相对大的容量供远期扩展。
站用电方面也预备了足够的容量，确保了检修时站用电关键区的可靠运行。
4短路电流的计算
4.1短路计算的原因与目的
电力系统由于设备绝缘破坏，架空线路的线间或对地面导电物短接，或雷击大气过电压以及工作人员的误操作，都可能造成相与相、相与地之间导电部分短接，短路电流高达几万安、几十万安培。
这样大的电流所产生的热效应及机械效应，会使电气设备损坏，人身安全受到威胁，由于短路时系统电压骤降，设备不能运行。
单相接地在中性点直接接地系统中，对邻近通信设备将产生严重的干扰和危险影响，所以电力系统必须进行短路故障计算。
另外，对于电气设备的规格选择，继电保护的调整整定，对载流导体发热和电动力的核算，都需要对系统短路故障进行计算。
短路计算选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备。
为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。
在设计和选择发电厂。
电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线时，确定是否需要采用限制短路电流的措施等，都需要进行必要的短路电流计算。
计算电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有短路计算的内容。
在确定输电线路对通讯的干扰，对已经发生的故障进行分析，都必须进行短路计算。
4.2短路计算的条件
4.2.1短路计算原则
短路计算中采用以下假设条件和原则：
（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）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。
（5）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。
（6）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。
（7）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。
（8）输电线路的电容略去不计。
4.2.2短路计算的一般规定
（1）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，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统5—l0年的远景发展规划。
确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的按线方式。
（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动机的影响和电容补偿放电电流的影响。
（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流为最大的点；对带电抗器6—l0kV出线，选择母线到母线隔离开之间的引线、套管时，短路计算点应取在电抗器之前、其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后。
（4）电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路电流计算。
若中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短严重时，则应按严重的计算。
4.3最大最小运行方式分析
在选择保护方式分析时，对大多数保护都必须认真分析与考虑哪种运行方式来作为计算的依据，一般而言所选用的保护方式，应在系统的各种故障参数增加而动作的保护，如电流保护，通常应根据系统最大运行方式来确定保护的定值，以保证选择性，因为只要在最大运行方式下能保证选择性。
那么，在其他运行方式下，必然能保证选择性；而对灵敏性校验，则应根据最小运行方式来进行，因为只要在最小运行方式下，灵敏性合格，那么在其他运行方式下的灵敏性就会更好，对反映鼓掌参数减小而动作的欠量保护。
如低压保护，刚刚好相反，此时应根据最小运行方式来整定，而根据最大运行方式来校验灵敏性。
4.3.1最大运行方式
根据系统最大负荷的要求，电力系统中的所有可以投入的发电设备都投入运行（全部或绝大部分投入运行），以及所有线路和规定的中性点全部投入运行的方式称为系统最大运行方式即QF1、QF2都在闭合的状态。
对继电保护而言，则是指在系统最大运行方式下短路时，通过该保护的短路电流为最大时的系统连接方式。
本设计题目中，本变电站的最大运行方式为两台63MVA的变压器并联运行，以及所有负荷投入时的运行方式。
但由于纵联差动保护，由于其保护范围外故障时，保护不应动作。
为了方便变压器纵联差动的整定计算，在变压器高压侧和低压侧的短路点的电流应为支路电流。
所以变压器高压侧的短路点电流为变电站高压侧投入的，断路器闭合时，流过变压器高压侧的短路电流。
变压器低压侧的短路电流为系统并联运行桥短路器连接，变压器单台投入时流入变压器低压侧的短路电流。
4.3.2最小运行方式
根据系统负荷为最小，投入与之相适应的系统连接且系统中性点只有少部分接地的运行方式称为系统的最小运行方式。
本设计题目中，变电站的最小运行方式为，变压器单台投入时的运行方式即QF1、QF2都在打开状态。
4.3.3基本假定
（1）系统运行方式为最大运行方式。
（2）磁路饱和、磁滞忽略不计。
即系统中各元件呈线性，参数恒定，可以运用叠加原理。
（3）在系统中三相除不对称故障处以外，都认为是三相对称的。
（4）忽略对计算结果影响较小的参数，如元件的电阻、线路的电容以及网内的电容器、感性调和及高压电机向主电网的电能反馈等。
（5）短路性质为金属性短路，过渡电阻忽略不计。
（6）系统中的同步和异步电机均为理想电机。
4.3.4基准值的选择
为了计算方便，通常取基准容量Sj＝100MVA；
基准电压Uj取各级电压的平均电压，即：
基准电压：
Uj＝Up＝1.05Ue（4-1）
基准电流：
（4-2）
基准电抗：
（4-3）
常用基准值如表4-1所示。
表4-1常用基准值表（Sj＝100MVA）
基准电压Uj（kV）
3.15
6.3
10.5
37
115
230
基准电流Ij（kA）
18.33
9.16
5.50
1.56
0.502
0.251
基准电抗Xj（Ω）
0.0992
0.397
1.10
13.7
132
530
4.3.5各元件参数标幺值的计算
电路元件的标幺值为有名值与基准值之比，计算公式如下：
（4-4）
（4-5）
（4-6）
（4-7）
采用标幺值后，相电压和线电压的标幺值是相同的，单相功率和三相功率的标幺值也是相同的，某些物理量还可以用标幺值相等的另一些物理量来代替，如I*=S*。
电抗标幺值和有名值的变换公式如表4-2所示。
表4-2中各元件的标幺值可由表4-1中查得。
表4-2各电气元件电抗标幺值计算公式
元件名称
标幺值
备注
发电机
Xd“%为发电机次暂态电抗的百分值。
变压器
Uk%为变压器短路电压百分值，SN为最大容量线圈额定容量。
电抗器
Xk%为电抗器的百分电抗值。
线路
为线路长度。
系统阻抗
Skd为与系统连接的断路器的开断容量；S为已知系统短路容量。
其中线路电抗值的计算中，
的取值为：
6～220kV架空线，取0.4Ω/km
35kV三芯电缆，取0.12Ω/km
6～10kV三芯电缆，
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