110KV变电所一次部分设计.docx
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110KV变电所一次部分设计
课程设计（论文）
题目110KV变电所一次部分设计
学院名称电气工程学院
指导教师
职称讲师
班级电力113班
学号
学生姓名
2014年6月30日
电气工程基础设计任务书
一、设计内容
要求设计110KV变电所（A所）的电气部分
二、原始资料
（1）变电所相关参数见表1
表1：
变电所相关参数
变电所编号
最大负荷（MW）
功率因素
负荷曲线
重要负荷（%）
A
20
0．9
图2（A）
60
B
23
0．9
70
C
12
0．9
50
L1=130km；L2=60km；L3=80km；L4=35km。
（2）环境最高气温38℃，最热月最高平均气温32℃。
（3）变电所10kV侧过电流保护动作时间为1s。
（4）110kV输电线路电抗按0.4Ω/km。
（5）发电厂、变电所地理位置图（见图1）。
（6）日负荷曲线百分比（见图2）。
三、设计任务
（1）设计本变电所的主变压器台数、容量、形式。
（2）设计高低压侧主接线方式。
（3）设计本变电所的所用电接线方式。
（4）计算短路电流。
（5）选择电气设备（包括断路器、隔离开关、互感器等）。
图1变电所地理位置图
G-QFQ-50-2型气轮发电机，50MW，cosφ=0.8，X″d=0.124；T—变压器型号为SF7-40000/121±2×2.5%，UK%=10.5，P。
=46kW，I。
（%）=0.8
图2日负荷曲线
4、设计成果
1.设计说明书一份2.计算书一分3.主接线图一份
要求：
上述3者按顺序装订成一册（简装，钉书针左边钉好3颗，勿用夹子夹）
五、主要参考资料
[1]姚春球.发电厂电气部分.北京：
中国电力出版社：
2004
[2]电力工业部西北电力设计院.电力工程电气设备手册（第一册）.北京：
中国电力出版社，1998
[3]周问俊.电气设备实用手册.北京：
中国水利水电出版社，1999
[4]陈化钢.企业供配电.北京：
中国水利水电出版社，2003.9
[5]电力专业相关教材和其它相关电气手册和规定
摘要:
本次设计为110kV降压变电站电气一次部分的初步设计， 根据原始资料，以设计任务书和国家有关电力工程设计的规程、规范及规定为设计依据。
变电站的设计在满足国家设计标准的基础上，尽量考虑当地的实际情况。
在本变电站的设计中，包括对变电站总体分析和负荷分析、变电站主变压器的选择、电气主接线、电气设备选择、短路电流计算等部分的分析计算以及防雷设计。
在保证供电可靠性的前提下，减少事故的发生，降低运行费用。
本次设计正文分设计说明书和设计计算书两个部分，设计说明书包括电气主接线设计、变压器选择说明、短路电流计算说明、电气设备选择说明、配电装置设计、电气总平面布置和防雷保护设计；设计计算书包括变压器选择、短路电流计算、电气设备选择及校验等，并附有电气主接线图及其它相关图纸。
关键词：
110kV变电站；短路电流；一次部分；设备选择
Abstract:
Thedesignforthe110kVelectricalsubstationbuckoncepartoftheinitialdesign,basedontherawdatainordertodesignthemissionstatementandnationalelectricalengineeringdesignrules,normsandregulationsforthedesignbasis.Substationdesignedtomeetthenationalstandards,basedonthedesign,trytoconsidertheactuallocalsituation.Inthedesignofthesubstation,includingsubstationoverallanalysisandloadanalysis,analysisandcalculationtoselectthemaintransformersubstation,themainelectricalwiring,electricalequipmentselection,short-circuitcurrentcalculationpartandminedesign.Inensuringsupplyreliability,reducethenumberofaccidentsandreduceoperatingcosts.Thedesignofthebodyisdividedintodesignspecificationsanddesigncalculationsintwoparts,includingthemainelectricalwiringdesignspecificationdesign,selectHelptransformers,shortcircuitcurrentcalculationshowsthattheelectricalequipmentselectioninstructions,powerdistributionequipmentdesign,electricalgenerallayoutandlightningprotectiondesign;designcalculationsincludingtransformerschoice,short-circuitcurrentcalculation,selectionandverificationofelectricalequipment,etc.,togetherwiththemainelectricalwiringdiagramsandotherrelateddrawings.
Keywords:
110kVsubstation;short-circuitcurrent;oncepart;equipmentselection
引言
电力是国民经济发展的基础和关键，高质量的电力资源和可靠的供电水平是衡量电力行业发展的重要指标。
这些重要指标，最终都将转化为对电力系统的要求并在系统设计时充分予以考虑。
电力系统主要由发电厂、输电线路、配电系统及负荷组成，通常覆盖广阔的地域。
发电厂将原始能源转换成为电能，经过输电线送至配电系统，再由配电系统将电能分配给负荷，由上述四个部分组成的整体称作电力系统。
它是目前电力传输、分配的重要方式。
发电厂是电力系统的能源供给核心部分，全厂的电能传输及本厂机组的运行状况将直接影响电力系统的稳定运行，其电气一次部分设计在电力系统设计中具有举足轻重的地位。
而在众多的发电厂中，火力发电厂占据了绝大部分的比重。
故本次设计选取某凝汽式火电厂进行电气一次设计，旨在通过工程实际设计基本技能训练，帮助学生树立工程观点，深化基本理论的理解，了解现代大型发电厂电能产生过程及其特点，掌握发电厂电力主系统的设计方法，为今后从事电气设计、运行管理和科研工作奠定必要的理论基础。
1.电气主接线设计
1.1系统与负荷原始资料分析
1.1.1变电所（A所）情况分析
1）最大负荷20MW,功率因数0.9重要负荷60%。
2）环境最高气温38摄氏度，最热月最高平均气温32摄氏度。
3）变电所10KV侧过电流保护动作时间为1s。
4发电厂，变电所地理位置图见图1.1。
5）根据负荷可得变电所的进线有两回，出线4-10回。
图1.1
1.2主接线方案的选择
对电气主接线的基本要求，概括的说应该包括可靠性、灵活性和经济性三方面，现简要分析如下：
（一）可靠性
供电可靠是电力生产、分配的首要任务，主接线应满足这一要求。
它可以从以下几方面考虑：
1）发电厂或者变电所在电力系统中的地位和作用；
2）发电厂和变电所接入电力系统的方式；
3）发电厂和变电所的运行方式及负荷性质；
4）设备的可靠性程度直接影响着主接线的可靠性；
5）长期实践运行经验的积累是提高可靠性的重要条件。
（二）灵活性
主接线应满足在调度、检修及发展扩建时的操作方便及运行灵活的要求，并能适应一定时期内没有预计到的负荷水平变化。
1）调度时，应操作方便的基本要求，既能灵活的投入或切除某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，又能满足系统在事故运行方式、检修运行方式及特殊运行方式下的调度要求；
2）检修时，可以方便地停运检修断路器、母线及其继电保护设备，而不致过多地影响对用户的供电和电力系统的运行；
3）发展扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。
在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装机组、变压器或线路，完成过渡方案的实施，并且对一次和二次部分的改建工作量最少。
（三）经济性
主接线应在满足可靠性、灵活性的前提下做到经济合理。
一般从以下几方面考虑。
1）投资省；
2）占地面积少；
3）电能损耗少。
变电所主接线还须满足以下要求：
1）断路器检修时，是否影响连续供电；
2）线路、断路器或母线故障，以及在母线检修时，造成馈线停运的回路数多少和停电时间的长短，能否满足重要的Ⅰ，Ⅱ类负荷对供电的要求；
因此对该变电所电气主接线，除一般定性分析其可靠性外，尚需进行
可靠性的定量计算。
主接线的可靠性与经济性综合考虑、辨证统一，在满足技术要求的前提下，尽可能投资省、占地面积少、电压损耗少、年费用（投资与运行）为最小。
1.2.1110kV电压侧接线
《35～110kV变电所设计规范》规定，35kV～110kV线路为两回以下时，宜采用桥形、线路变压器组或线路分支接线;超过两回时，宜采用扩大桥形、单母线或单母线分段的接线。
35～63kV线路为8回及以上时，亦可采用双母线接线。
110kV线路为6回及其以上时，宜采用双母线接线。
在采用单母线、单母分段线或双母线的35～110kV主接线中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。
本变电所110kV线路有2回进线，可选择用桥型接线或单母线分段接线两种方案。
分析如下表1.1所示：
方案一：
内桥桥接法
方案二：
单母线分段
优缺点比较
1.线路的切除和投入是比较方便。
2.当线路发生故障时，仅故障线路的断路器断开，其它回路仍可继续工作。
3、当变压器故障时，如变压器1B故障，与变压器1B连接的两台断路器1DL和3DL都将断开，当切除和投入变压器时，操作也比较复杂。
4.较容易影响有穿越功率的环网系统，内桥接线适用于故障较多的长线路，且变压器不需要经常切换运行方式的变电所。
单母线分段接线，简单清晰、操作方便、不易误操作，设备少,投资小,占地面积小,运行可靠性和灵活性比方案一好。
表1.1110kV电压侧接线方案比较
本变电所容量不大，电源主要集中在110KV侧,系统重要负荷较多，采用方案二能够满足本变电所110KV侧对供电可靠性的要求,故选用投资小、节省占地面积的方案二。
1.2.310kV电压侧接线
《35～110kV变电所设计规范》规定，当变电所装有两台主变压器时，6～10kV侧宜采用单母分段线。
线路为12回及以上时，亦可采用双母线。
当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。
考虑到重要负荷较多，本变电所10kV侧线路可选8进线回，可采用双母线或单母线分段接线两种方案。
分析如下表1.2所示：
方案一：
双母线
方案二：
单母线分段
优缺点比较
双母线接线一般用于出线较多，输送和穿越功率较大,供电可靠性和灵活性要求较高得场合，设备多，投资和占地面积大，配电装置复杂，易误操作。
单母线分段接线，简单清晰，调度灵活，其中一回路故障或检修时，另一回路可以继续供电，不会造成全场停电,能保证重要用户的供电,设备少,投资和占地小。
表1.210kV电压侧接线方案比较
综合各方面的因素考虑，故选用投资小、节省占地面积的方案二。
2.变电所主变压器的选取
2.1主变压器的选择原则
1）相数的确定：
容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330KV及以下的电力系统中，一般都应该选用三相变压器。
因为单相变压器绕组相对投资大、占地多、运行损耗也比较大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。
但是，由于变压器的制造条件和运输条件的限制，特别是大型变压器，需要考察其运输的可能性。
若受到限制，则可以选用单相变压器。
本站根据要求并考虑各方面的因素，最终采用三相变压器。
2）绕组接线组别的确定：
变压器绕组的连接方式必须和系统电压一致，否则不能并列运行。
电力系统中变压器绕组采用的连接方式有Y和△型两种，而且为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组是△型的，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
的连接方式。
而6-10kV侧采用△型的连接方式。
因此本变电所采用的绕组连接方式为：
YN/
。
2.2主变压器的调压方式
为了保证变电所的供电质量，电压必须维持在允许的范围内。
可以通过变压器的分接开关切换来变换电压的范围。
改变变压器高压侧绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。
切换方式有两种：
一种是不带电切换，成为无励磁调压，调整范围通常在±2×2.5%以内，应该视具体工程情况而定。
另外一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可以达到30%。
其结构较为复杂，价格比较贵，一般有下列情况时才采用：
一、接于出力变化大的发电厂的主变压器，特别是潮流方向不固定，并且要求变压器二次侧电压维持在一定的水平时；
二、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，为了保证供电质量，要求母线电压恒定时。
通常，变电所主变压器很少采用有载调压，因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220KV及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况下使用，一般均采用无励磁调压，分接头的选择根据具体情况而定。
本站考虑到负荷5到10年的发展，选用有载调压方式。
2.3主变中性点接地方式的选择
选择电力网中性点接地方式是一个综合问题，它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电可靠性和连续性、变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰。
主要接地方式有：
中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和直接接地。
电力网络中性点的接地方式，决定了变压器中性点的接地方式。
电力网络中性点接地与否决定于主要变压器中性点运行方式。
（1）根据电力系统的实际情况，110-500KV系统为大电流接地系统，所以变电所主变的110KV侧的中性点应选择中性点直接接地方式。
（2）6～10KV侧为中性点不直接接地方式，即应该选用中性点不接地、经高阻接地或经消弧线圈接地方式。
消弧线圈又分为完全补偿和欠补偿方式，为防止出现在灭接地电容电流出现时电弧谐振，一般选用过补偿方式，具体采用哪种接地方式，应经电容电流计算。
2.4主变压器型号的确定
变电所最大负荷：
P=20MW，则
主变压器总容量应满足：
所以选每台主变容量：
综合所述根据《电力工业常用设备手册》（水利电力出版社），可选SFSZ10-50000/110型变压器，其技术参数见表2.1
表2.1变压器SF10-20000/110的相关技术参数
产品型号
额定容量
额定电压及分接范围（KV）
联接组号
空载损耗（KW）
负载损耗（KW）
空载电流
高
低
SF10-20000/110
20KVA
110±
2x2.5%
6.3
6.6
10.5
YN,d11
16.6
88.4
0.3%
3.短路电流的计算
3.1短路计算的一般规则
短路电流计算的一般规定：
（一）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，应按本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。
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接线方式。
（二）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装置放电电流的影响。
（三）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地点。
对带电抗器的6~10kV出线与厂用分支回路，除其母线与母线隔离开关之间隔板前的引线和套管的计算短路点应选择在电抗器前外，其它导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后。
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。
若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三短路严重时，则应按严重情况计算。
3.2短路电流的计算过程
本设计的短路计算只计算在110kV、10kV母线上短路的情况。
短路电流计算的过程如下：
基准容量SB=100MVA，基准电压VB=Vav,基准电流
（1）各元件参数的标幺值计算：
已知：
发电机G：
变压器T：
线路L1、L2、L3：
主变压器：
T21、T22：
发电机G1、G2参数的标幺值：
变压器T11、T22参数的标幺值：
线路参数的标幺值：
主变压器T21、T22参数的标幺值为：
等值电路图如3.1所示：
图3.1变电所等值电路
由图3.1化简得到图3.2，如图3.2所示，为化简后的等值电路图。
其中
图3.2等值电路图的化简
（2）转移电抗和计算电抗的计算
1）短路发生在f1点，G12对短路点的转移电抗及计算电抗为
S对短路点的转移电抗为
2）短路点发生在f2点，G12对短路点的转移阻抗及计算电抗为
S对短路点f2的转移阻抗为
（3）计算短路电流的有名值
1）f1点基准电流为
2）f2点基准电流为
利用计算曲线，即可各电源到不同短路点在1s时的电流标幺值与有名值，所得结果记于3.1中。
表3.1短路电流计算结果
类型
G12
系统S
1s总电流有名值/KA
f1点短路
标幺值
0.896
3.5958
2.25
有名值/KA
0.4498
1.8051
f2点短路
标幺值
0.4167
1.623
11.11
有名值/KA
2.2706
8.8437
（4）短路冲击电流计算
用于检验电气设备动态稳定
110KV侧
10KV侧
（5）短路电流最大有效值计算
用于检验电气设备的断流能力
110KV侧
10KV侧
4.电气设备的选择
4.1电气设备选择的一般规则
（一）所选设备应能满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；在满足可靠性要求的前提下，应尽可能的选用技术先进和经济合理的设备，使其具有先进性；
（二）应按当地环境条件对设备进行校准；
（三）所选设备应予整个工程的建设标准协调一致；
（四）同类设备应尽量减少品种；
（五）选用新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。
在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经过上级批准。
4.2电气设备确定原则
正确的选择电器是使电气主接线和配电装置是使电力系统达到安全经济运行的重要条件。
在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。
尽管电力系统中各种电器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一致的。
电器要能可靠的工作，必须按正常条件下进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。
4.2.1按正常工作条件选择电气设备
1）额定电压和最高工作电压
所选用的电器允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压，即
。
一般电器允许的最高工作电压：
当额定电压在220kV及以下时为1.15UN；额定电压是330~500kV时是1.1UN。
而实际电网的最高运行电压Usm一般不会超过电网额定电压的1.1UNS，因此在选择电器时，一般可按电器额定电压UN不低于装置点电网额定电压UNS的条件选择,即
。
2）额定电流
电器的额定电流IN是指在额定周围环境温度θ下，电器的长期允许电流。
IN不应该小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即
。
由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Imax为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍；若变压器有过负荷运行可能时，Imax应按过负荷确定；母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax；母线分段电抗器的Imax应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50%~80%；出线回路的Imax除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。
此外，还与电器的装置地点、使用条件、检修和运行等要求，对电器进行种类和形式的选择。
3）按当地环境条件校核
在选择电器时，还应考虑电器安装地点的环境条件，当气温，风速，温度，污秽等级，海拔高度，地震列度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件时，应采取相应措施。
4.2.2按短路情况校验所选电气设备
1）短路热稳定校验
短路电流通过电器时，电器各部分的温度应不超过允许值。
满足热稳定的条件为
。
式中Qk—短路电流产生的热效应；
It,t—电器允许通过的热稳定电流和时间。
2）电动力稳定校验
电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。
满足动稳定条件为：
。
式中Ish—短路冲击电流有效值；
Ies—电器允许的动稳定电流的有效值。
4.3电气设备的确定
4.3.1断路器的确定
高压断路器在高压回路中起着控制和保护的作用，是高压电路中的重要的电器设备。
（1）型式选择：
本次选择断路器，考虑了产品的系列话，即尽可能采用同一型号断路器，以便减少备用件的种类，方便设备的运行和检修。
选择断路器时应满足以下要求:
1）在合闸运行时应为良导体，不但能长期通过负荷电流，即使通过短路电流，也应该具有足够的热稳定性和动稳定性。
2）在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。
3）应有足够的断路能力和尽可能短的分段时间。
4）应有尽可能长的机械寿命和电气寿命，并要求结构简单、体积小、重量轻、安装维护方便。
选择基本原则：
按装置种类、构造型式、额定电压、额定电流、开断电流、关合电流选择，按动、热稳定校验。
详细情况如表4.1
表4.1断路器选择条件表
项目
断路器
工作
电压
工作
电流
开断
电流
关合
电流
动稳定
校验
热稳定
校验
断路器
UN≥UNS
IN≥Imax
INbr≥I″
iNcl≥Ish
Ies≥ish
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