110kV变电所电气一次系统设计.docx

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110kV变电所电气一次系统设计

110kV变电所电气一次系统设计

摘要

电能是现代城市发展的主要能源和动力。

随着现代文明的发展与进步，社会生产和生活对电能供应的质量和管理提出了越来越高的要求。

城市供电系统的核心部分是变电所。

因此，设计和建造一个安全、经济的变电所，是极为重要的。

本设计拟建设一座110kV降压变电所。

变电所设计除了注重变电所设计的基本计算外，对于主接线的选择与论证等都作了充分的说明，其主要内容包括：

变电所主接线方案的选择；变电所主变压器台数、容量和型式的确定；短路电流的计算；主要电气设备的选择（断路器，隔离开关，电压互感器，电流互感器，母线及进出线，避雷器）。

另外，绘制了电气主接线图，断面图、防雷接地及平面布置图。

图纸规格与布图规范都按照了电力系统相关的图纸要求来进行绘制。

关键词：

变电所电气主接线电气设备选择防雷及接地

1电气主接线设计

电气主接线是发电厂、变电所设计的主体。

采用何种主接线形式，与电力系统原始资料，发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性的要求等密切相关，并且对电气设备的选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟订都有较大的影响。

因此，主接线的设计必须根据电力系统、发电厂或变电所的具体情况，全面分析，正确处理好各方面的关系，通过技术经济比较，合理的选择主接线方式。

1.1电气主接线的设计原则和要求

1.1.1电气主接线的设计原则

1、 电气主接线的基本原则为：

电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

在工程设计中，经上级主管部门批准的设计任务书或委托书是必不可少的。

设计的主接线应满足供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展的余地。

（1）接线方式：

对于变电所的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能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。

在110kV～220kV配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥形接线；当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。

在枢纽变电所中，当110～220kV出线在4回及以上时，一般采用双母接线。

在大容量变电所中，为了限制6～10kV出线上的短路电流，一般可采用下列措施：

①变压器分列运行；

②在变压器回路中装置分裂电抗器或电抗器；

③采用低压侧为分裂绕组的变压器；

④出线上装设电抗器。

（2）断路器的设置

根据电气接线方式，每回线路均应设有相应数量的断路器，用以完成切、合电路任务。

（3）为正确选择接线和设备，必须进行逐年各级电压最大最小有功和无功电力负荷的平衡。

当缺乏足够的资料时，可采用下列数据：

①最小负荷为最大负荷的60～70%，如主要是农业负荷时则宜取20～30%；

②负荷同时率取0.85～0.9，当馈线在三回以下且其中有特大负荷时，可取0.95～1；

③功率因数一般取0.8；

④线损平均取5%。

1.1.2对主接线设计的基本要求

电气主接线设计应满足可靠性、灵活性、经济性和发展性等四个方面的要求，其具体要求如下：

1、可靠性：

安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求。

主接线可靠性应根据变电所在电力系统中的地位，变电所的规划容量、负荷性质、线路和变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。

供电可靠是电力生产和分配的首要要求，电气主接线也必须满足这个要求。

通常定性分析和衡量主接线可靠性时，均从以下几方面考虑：

1）断路器检修时，能否不影响供电；

2）线路、断路器或母线故障时，以及母线检修时，停运出线回路数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；

3）变电所全部停运的可能性。

2、灵活性：

主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。

主接线应力求简单可靠，灵活合理，以节省断路器、隔离开头、电流和电压互感器、避雷器等一次设备。

要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。

要能限制短路电流，以便于选择价格合理的电气设备或轻型电器。

要求电能损失少，经济合理地选择主变压器的型式、容量、台数，要避免因两次变压而增加电能损失。

主接线的灵活性要求有以下几方面：

1）调度灵活，操作简便：

应能灵活的投入（或切除）某些变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求；

2）检修安全：

应能方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电；

3）扩建方便：

应能容易的从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压器或线路而不互相干扰，且一次和二次设备等所需的改造最少。

3、经济性：

主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。

在满足技术要求的前提下，做到经济合理。

1）投资省：

主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备投资；要使控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资；要适当限制短路电流，以选择价格合理的电器设备；在终端或分支变电所中，应推广采用直降式（110/6～10kV）变压器，以质量可靠的简易电器代替高压断路器；

2）占地面积小：

电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用；

3）电能损耗少：

在变电所中，正常运行时，电能损耗主要来自变压器。

应经济合理的选择主变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。

4、发展性：

主接线可以容易地从初期接线方式过渡到最终接线。

在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，完成过渡期的改扩建，且对一次和二次部分改动工作量最少。

1.2电气主接线的设计步骤

电气主接线的具体设计步骤如下：

1、分析原始资料

①本工程情况

包括变电所类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。

②电力系统情况

包括电力系统近期及远景发展规划（5～10年），变电所在电力系统中的位置（地理位置和容量位置）和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。

主变压器中性点接地方式是一个综合性问题。

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、系统供电的可靠性和连续性、主变压器的运行安全以及对通信线路的干扰等。

我国一般对35kV及以下电压电力系统采用中性点非直接接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地），又称小电流接地系统；对110kV及以上高压系统，皆采用中性点直接接地系统，又称大电流接地系统。

③负荷情况

包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。

电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，电力负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基础。

对电力负荷的预测不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测，对电力负荷预测的准确性，直接关系着发电厂和变电所电气主接线设计成果的质量，一个优良的设计，应能经受当前及较长远时间（5～10年）的检验。

④环境条件

包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素，对主接线中电气设备的选择和配电装置的实施均有影响。

特别是我国土地辽阔，各地气象、地理条件相差甚大，应予以重视。

⑤设备制造情况

这往往是设计能否成立的重要前提，为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。

2、主接线方案的拟定与选择

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等不同的考虑，可拟定出若干个主接线方案（本期和远期）。

依据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2～3个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进行经济比较，结合最新技术，最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。

拟定主接线方案的具体步骤如下：

1）根据变电所和电网的具体情况，初步拟定出若干技术可行的接线方案。

2）选择主变压器台数、容量、型式、参数及运行方式。

3）拟定各电压等级的基本接线型式。

4）确定自用电的接入点、电压等级、供电方式等。

5）对上述各部分进行合理组合，拟出3~5个初步方案，再结合主接线的基本要求对各方案进行技术分析比较，确定出两三个较好的待选方案。

6）对待选方案进行经济比较，确定最终主接线方案。

在进行主接线方案的技术比较时，需要考虑主接线方案能够保证系统的稳定性、保证供电可靠性以及电能质量、运行的安全和灵活性、自动化程度、新设备新技术的应用以及扩建的可能性等。

3、短路电流计算

为了选择合理的电气设备，需根据选定的电气主接线进行短路电流计算。

1）主要电气设备的配置和选择

按设计原则对隔离开关、互感器、避雷器等进行配置，并选择断路器、隔离开关、母线等的型号规格。

2）绘制电气主接线图

将最终确定的主接线方案，按要求绘制相关图纸，一般包括电气主接线图、平面布置图、断面图等。

1.3变电所电气主接线设计

1.3.1原始资料及分析

1、原始资料

变电所类型：

110kV降压变电所

电压等级：

110/10kV

负荷情况：

10kV侧：

最大25MW，最小14MW，Tmax=4800小时，cosφ=0.85

出现情况：

110kV：

2回（架空线）

10kV：

10回（电缆）

系统情况:

（1）110kV母线短路电流标幺值为20（UB=Uav，SB=100MVA）；

（2）10kV对端无电源。

所用电率：

0.5%

环境条件：

最高温度40℃,最低温度-25℃，年平均温度20℃；

土壤电阻率ρ﹤400欧米

当地雷暴日40日/年

2、原始资料分析

资料分析

在变电所设计之前，因地制宜地分析变电所的容量、装机台数、负荷性质以及在系统中的地位等原始资料，并且查阅国家有关政策及技术规范，是整个变电所设计的基础。

这为后续的变电所主接线确定以及合理选择主变压器的容量及结构提供了重要依据。

本次毕业设计所提供的课题是110kV变电所电气一次系统设计，该变电所是一座降压变电所。

变电所有110kV、10kV两个电压等级，一次性设计并建成。

其中110kV侧有两回来自电网的架空供电线路。

10kV侧出线十回，最大负荷25MW，最小负荷14MW，Tmax=4800小时，cosφ=0.85。

根据以上情况分析可知，系统直接通过110kV侧母线向变电所主变压器供电，所有负荷通过10kV侧出线分配出去。

考虑到该变电所供电负荷的重要性，应选择两台相同容量的主变压器，以提高供电可靠性。

本变电所与电力系统的连接情况，如图1-1

1.3.2变电所电气主接线的设计

根据对原始资料的分析，可有如下电气主接线的设计：

1、110kV侧主接线方式拟定

《35～110kV变电所设计规范》规定，35～110kV线路为两回及以下时，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、单母线或分段单母线的接线。

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回其以上时，宜采用双母线接线。

在采用单母线、分段单母线或双母线的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进线为2回。

因本变电所属区域性降压变电所，且供电负荷比较重要，因此，110kV侧主接线形式可选择为单母线或桥形接线。

（1）当选择单母线时

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。

缺点：

此种接线可靠性和灵活性较差，在任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。

适用范围：

110～200kV配电装置的出线回路数不超过两回，35～63kV，配电装置的出线回路数不超过3回，6～10kV配电装置的出线回路数不超过5回，才采用单母线接线方式，故不选择单母接线。

（2）当选择桥形接线时

当只有两台变压器和两条输电线路时，采用桥式接线，所用断路器数目最少，它可分为内桥和外桥接线。

内桥接线：

适合于输电线路较长，故障机率较多而变压器又不需经常切除时，采用内桥式接线。

当变压器故障时，需停相应的线路。

外桥接线：

适合于出线较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换，或系统有穿越功率，较为适宜。

为检修断路器，不致引起系统开环，有时增设并联旁路隔离开关以供检修时使用。

当线路故障时需停相应的变压器。

桥形接线具有接线简单清晰、设备少、造价低、易于发展成为单母分段或双母线接线等优点。

比较上述两种方案：

单母线虽然接线简单清晰，设备少，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置，此种接线可靠性和灵活性较差，在任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电，故不采用单母线接线；而桥形接线接线简单清晰、设备少、造价低、易于发展成为单母分段或双母线接线等优点，兼顾了可靠性和灵活性。

又因本变电所属于区域性降压变电所，没有穿越功率，故110kV侧应选择内桥接线。

2、10kV侧主接线方式拟定

根据原始资料分析可知，10kV侧出线为十回，且供电负荷较大。

6～10kV配电装置出线回路数目为6回及以上时，可采用单母线分段接线，为提高可靠性还可装设旁路母线。

当选择单母线分段接线时

优点：

用断路器对母线分段后，对重要用户可从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电；当一段母线故障后分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

缺点：

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；当出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时要向两个方向均衡扩建。

适用范围：

6～10kV配电装置出线回路为6回及以上时；35～63kV配电装置出线回路数为4～8回时；110～220kV配电装置出线回数为3～4回时。

（2）当选择单母分段带旁路母线接线时

优点：

不会造成全所停电，调度灵活，保证对重要用户的供电，任一出线断路器故障或检修时可以用旁路断路器代路送电，使线路不停电；且占地面积小，设备投资少。

缺点:

此种接线多装了价格较高的断路器和隔离开关，增大了投资。

单母分段带旁路母线接线满足可靠性和灵活性要求，投资也比双母线接线少。

比较上述两种方案：

单母分段接线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。

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。

单母分段带旁路母线虽然使用设备较少，减少了投资，设置旁路设施的目的也是为了减少在断路器检修时对用户供电的影响，但在本变电站中110kV侧采用SF6断路器时，因SF6断路器检修周期可长达5～10年甚至20年，故可不必装设旁路母线，这样又会降低供电可靠性，故不易采用；故10kV侧应选择单母分段接线。

1.4变电所自用电接线设计

1.4.1对所用电源的要求

据有关技术规程，对35～110kV变电所的所用电源有如下要求：

有两台及以上主变时，宜装设两台容量相同、可互为备用的所用工作变压器，每台工作所用变按全所计算负荷选择，两台所用变压器可分别由主变最低电压等级的不同母线段引接，如有可靠的6～35kV电源联络线，也可将一台接于联络线断路器外侧；如能从变电所外引入可靠的低压所用备用电源时，亦可装设一台所用变压器。

只有一回电源进线时，如果采用交流控制电源，宜在电源进线断路器外侧装设一台所用变压器；如果采用直流控制电源，并且主变为自冷式时，可在主变最低电压等级母线上装设一台所用变压器。

1.4.2所用电源的引接

（1）当所内有较低电压母线时，一般均由较低电压母线上引接1～2台所用变压器，这种引接方式具有经济性和可靠性较高的特点。

（2）当有可靠的6～35kV电源联络线，将一台所用变压器接于联络线断路器外侧，更能保证所用电的不间断供电，这种引接方式对采用交流操作的变电所及取消蓄电池而采用硅整流或复式整流装置取得直流电源的变电所尤为必要。

1.4.3所用电接线及供电方式

（1）所用电系统采用380/220V中性点直接接地的三相四线制，动力和照明合用一个电源。

（2）所用电母线采用按工作变压器划分的分段单母线，相邻两段工作母线间可配置分段断路器或联络断路器，各段同时供电、分列运行。

由于其负荷允许短时停电，工作母线段间不装设自动投入装置，以避免备用电源投合在故障母线上时扩大为全部所用电停电事故。

1.4.4变电所的自用电接线

根据所用电源的引接要求，考虑到经济性和可靠性本变电所从10kV母线不同段上引接2台所用变压器，考虑到单母线分段接线简单、清晰、操作方便，投资少等特点，所用电380/220V侧接线方式选择单母线分段接线。

2主变及所用变的选择

2.1概述

在各级电压等级的变电所中，变压器是变电所中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统5～10年发展规划综合分析，合理选择，否则，将造成经济技术上的不合理。

如果主变压器容量造的过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。

因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。

《35～110kV变电所设计规范》规定，主变压器的台数和容量，应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑确定。

在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。

装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于70%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。

在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦以及分裂变压器等，在选择主变压器时，要根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选择主变压器。

选择主变压器的容量，同时要考虑到该变电所以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。

2.2主变压器台数的选择

由原始资料可知，我们本次所设计的变电所是110kV降压变电所，它是以110kV受功率为主。

把所受的功率通过主变传输至10kV母线上。

若全所停电后，将影响整个供电区域的供电，因此选择主变台数时，要确保供电的可靠性。

为了保证供电可靠性，以及配合电气主接线的设计方案，同时避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台主变压器。

当装设三台及三台以上时，变电所的可靠性虽然有所提高，但接线网络较复杂，且投资增大，同时增大了占用面积，和配电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闸操作等许多复杂化。

而且会造成中压侧短路容量过大，不宜选择轻型设备。

考虑到两台主变同时发生故障机率较小。

适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担70%的负荷保证全变电所的正常供电。

故选择两台主变压器互为备用，提高供电的可靠性。

2.3主变压器容量的选择

主变容量一般按变电所建成近期负荷，5～10年规划负荷选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，该所近期和远期负荷都给定，所以应按近期和远期总负荷来选择主变的容量，根据变电所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性能的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的70%～80%。

该变电所是按70%全部负荷来选择。

2.3.1变电所负荷计算

要选择主变压器和所用变压器的容量，确定变压器各出线侧的最大持续工作电流。

首先必须要计算各侧的负荷，包括10kV侧负荷和所用电负荷。

（1）10kV侧负荷计算

10kV侧负荷容量可由以下公式得出：

式中

------10kV侧负荷容量（kVA）；

------最大负荷（kW）;

----功率因数。

因此10kV侧负荷容量为

主变的总容量为：

（2）所用电负荷计算

根据原始资料中所用电率为0.5%，所以所用负荷为：

2.3.2变电所主变及所用变容量的确定

由以上对变电所负荷的计算可得变电所的两台主变每台主变容量为：

两台所用变每台的容量为：

故选两台25000kVA的主变压器及两台160kVA的所用变压器就可以满足负荷要求。

2.4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。

电力系统采用的绕组连接方式只有星形“Y”和三角形“D”两种，因此，变压器三相绕组的连接方式应根据具体工程来确定，我国110kV及以上电压，变压器三相绕组都采用“YN”连接；35kV都采用“Y”连接，其中性点多通过消弧线圈接地；35kV以下高压电压，变压器三相绕组都采用“D”连接。

若变压器低压侧电压等级为380/220V，则三相绕组采用“yn0”连接。

《35～110kV变电所设计规范》规定，在有两台及以上主变压器的变电所中，宜装设两台容量相同可互为备用的所用变压器，分别接到母线的不同分段上。

变电所的所用负荷，一般都比较小，其可靠性要求也不如发电厂那样高。

变电所的主要负荷是变压器冷却装置、直流系统中的充电装置和硅整流设备、油处理设备、检修工具以及采暖、通风、照明、供水等。

这些负荷容量都不太大，因此变电所的所用电压只需0.4kV一级，采用动力与照明混合供电方式。

所以本变电所主变绕组连接方式为：

110kV侧“YN”；10kV侧“D”；

所用变压器绕组连接方式为：

10kV侧“Y”；0.4kV侧“yn0”。

2.5调压方式的选择

为了保证变电所的供电质量，电压必须维持在允许范围内。

通过变压器的分接头开关切换，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。

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。

它的调压范围可达30%，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比较合适。

2.6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、强迫空气冷却、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫导向油循环冷却、水内冷。

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，当容量大于等于8000kVA时，选择强迫空气冷。

最终主变选择三相风冷双绕组有载调压变压器，参数如下：

型号

额定

容量（kVA）

额定电压（kV）

连接组标号

空载损耗（kW）

负载损耗（kW）

阻抗电压（%）

空载电流（%）

高压

低压

SFZ9-25000/110

25000/25000

110±8×1.25%

10.5

YNd11

21.2

110.7