110kV变电站的初步方案设计书.docx
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110kV变电站的初步方案设计书
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
v110kV变电站的初步设计
摘要
根据对原始资料背景和设计要求的分析，110kV变电站初步设计的主要内容包括：
先试选电气主接线方案，然后进行技术性和经济性的比较，最终选择最合理的主接线形式；通过经济截面电流法，先选择变电所进线导线，为后续三相短路电流计算做铺垫；根据三相短路电流计算结果，选择符合使用要求的各种电气设备；最终是对变压器、线路进行保护。
通过综合分析，110kV侧入线是双电源供电，35kV和10kV母线选择的都是单母线接线。
导线选择后，采用标幺值法计算等效电抗，通过查电源运算曲线的图表，找出短路瞬间、4s后的短路电流标幺值，而后将其转换成有名值，通过公式计算出冲击电流。
至于电气设备的选择则是通过最大负荷电流和开断电流进行选择，根据4s后电流有名值和短路冲击电流有名值进行热稳定性和动稳定性校验；至于保护方面，主要是变压器的保护，通过延时时间不同，来让不同断路器动作，进而起到保护作用。
关键词：
电气主接线，三相短路电流，变压器，线路保护，标幺值
PRELIMINARYDESIGNOF110kVSUBSTATION
ABSTRACT
Accordingtotheanalysisofrawdatabackgroundanddesignrequirements,themaincontentofthepreliminarydesignofthe110kVsubstationincluding:
Trytochoosethemainelectricalwiringscheme,thencarriesonthetechnicalandeconomicalcomparison,andfinallychoosethemostappropriateformofthemainwiring.Throughtheeconomicalsectioncurrentmethod,choosethesubstationintolineconductor,whichwillpaveforthesubsequentthree-phaseshort-circuitcurrentcalculation.Accordingtotheresultsofthethree-phaseshort-circuitcurrentcalculationtochooseallkindsofelectricalequipment,whichconformtotherequirements.Transformerandlineareultimatelytobeprotected.
Throughthecomprehensiveanalyse,thesideintolineof110kVisdoublepowersupply,while35kVand10kVbusbarselectionaresinglebusbarwiring.Usestandardperunitmethodtocalculatetheequivalentreactanceafterselectingwire,andtofindouttheperunit'sshort-circuitcurrentvalueofshortcircuitinstantaneousandafter4s’throughcheckingthepoweroperationcurvechart,andthenconvertthemintoactualvalue,calculatetheshockcurrentbasedontheformula.Asfortheselectionofelectricalequipment,whichisthroughthechoiceofmaximumloadcurrentandopencircuitcurrent,carriesonthethermalstabilityanddynamicstabilitycheckaccordingtotheafter4s’currentactualvalueandshortcircuitimpactcurrentactualvalue.Theprotectionoftransformerismainlyinprotection,whichprotectsfurtherthroughthedifferentdelaytimetomakethedifferentcircuitbreakeraction.
KEYWORDS:
mainelectricalwiring,three-phaseshort-circuitcurrent,transformer,lineprotection,perunit
目 录
前 言
我国电力工业近年来发展迅速，其技术水平和管理水平正在朝着集中控制和计算机监控的方向迈进,电力系统也已经实现了分级集中调度。
各电力企业正以节能高效高产为目标，努力做到安全高效远行。
目前国内外110kV以上变电站及相当一部分35kV变电站都不同规模地实现了远动及自动化控制，而未来变电站的发展趋势也是向着智能化，网络化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。
根据对原始资料和设计要求的分析，110kV变电站的设计主要包括电气主接线方案的分析和选择、三相短路电流的计算、主要电气设备的选择及变压器保护等。
通过技术性和经济性比较、论证，110kV侧采用双回路供电，35kV侧采用单母线接线，10kV侧也采用单母线接线的设计方案；短路电流的计算是为了选择各种合适的电气设备，并进行有关的校验。
通常三相短路产生的短路电流最大，在选取短路点之后，采用运算曲线法完成三相短路电流的计算；在短路电流计算的基础上对电气设备进行选择，电气设备一般按正常工作条件进行选择，并按照短路状况来校验热稳定和动稳定。
重点对高压断路器、高压隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线、避雷器等设备进行了选择。
由于变压器在电力系统中占有十分重要的地位，其故障会对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响，必须进行各种保护。
第1章原始资料分析及变压器的选择
1.1原始资料简介及分析
1.1.1原始资料简介
1.设计变电所在城市近郊，在变电所附近有地区负荷。
2.确定本变电所的电压等级为110/35/10kV，110kV是本变电所的电源电压，35kV和10kV是二次电压。
3.待建变电所的电源，由双回110kV线路送到本变电所；在中压侧35kV母线，送出6回线路,每回路输送容量2MW,功率因数0.85；在低压侧10kV母线，送出12回线路，为近区负荷，每回路输送容量1.5MW，自然功率因数0.85；该变电所的所址，地势平坦，交通方便。
其对应如图1-1所示：
图1-1待建变电所示意图
1.1.2原始资料分析
所建变电所既然在城市近郊，说明是向城市供电，城市中一级、二级负荷比较多。
由图中变电所出线有三条线，结合本变电所的电压等级为110/35/10kV，可以知道本变电所一条代表10kV，一条代表35kV，另外一条直接供电。
结合电源是双电源双回路供电，地区一、二级负荷比较多，可以考虑用两台变压器供电。
根据每条回路的传输容量和功率因数，可以选择合适的变压器。
1.2变压器的选择
1.2.1变压器数量的选择
由于变电所在城市近郊，其主要向城市及其郊区的企业供电。
可以认为该地区一、二级负荷较多，为了满足供电可靠性，应采用两台变压器供电。
1.2.2变压器容量的选择
变压器容量选择时需要注意的几个问题[1]：
1.变电站运行需要消耗电能，故厂用电取为5%。
2.由于两台变压器互为暗备用，当一台变压器故障或检修时，另一台变压器承担负荷取为70%。
3.为了适应城市发展和调整的需要，变压器容量应保留15%～25%的裕量，此处取为20%。
4.由于所有负荷大多数情况下不会同时工作，故取同期系数为0.9。
变压器容量可按以下公式计算：
（1-1）
通过综合分析，110kV变电站变压器应采用两台完全相同的有载调压三绕组电力变压器，变压器容量为31500kVA。
查《35-110kV变电所设计规范》选择：
SFSZ7—31500/110型号的变压器。
其技术参数如下表1-1所示：
表1-1所选变压器参数
型号
额定容量（kVA）
额定电压（kV）
连接组别
高压
中压
低压
SFSZ7—31500/110
31500
110±8×1.25%
38.5±2×2.5%
11
YNyn0d11
损耗（kW）
阻抗电压（%）
空载电流（%）
空载
负载
高-中
高-低
中-低
1.4
50.3
175
10.5
17
6.5
容量比
100/100/100
第2章电气主接线的设计
2.1电气主接线
电气主接线是高压电气设备连成的接收和分配电能的电路，是发电站和变电所最主要的组成部分之一，对安全可靠至关重要。
2.1.1电气主接线的基本要求
电气主接线的基本要求如下[2]：
（1）安全性
安全性主要指设备安全和人身安全。
设备安全主要指电气设计符合国家标准和电气设计规范。
人身安全指操作人员具有操作资历，能按要求操作。
（2）可靠性
可靠性是指能够长期、连续、正常地向用户供电的能力。
（3）灵活性
操作的方便性和调度时的灵活性。
（4）经济性
投资少，占地面积小，电能损耗少。
此外，选择主接线时还要考虑到扩建的可能性。
设计时不仅要考虑最终接线的实现，还要考虑从初期接线过渡到最终接线的可能和分阶段施工的可行方案，使其尽可能的不影响连续供电或在停电时间最短的情况下，将来可顺利完成过渡方案的实现，使改造的工作量最少。
2.2母线制
2.2.1单母线接线
单母线接线的优点：
接线简单清晰、设备少，投资少，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。
单母线接线的严重缺陷是母线停运，将使全部支路停运，且停电时间较长，若为母线自身损坏须待母线修复之后方能恢复各支路运行。
单母线接线如图2-1所示：
图2-1单母线接线
2.2.2单母线分段接线
单母线分段的优点[3]：
先采用断路器和隔离开关把母线进行分段，而后对重要的用户从不同段引出两条回路，即双电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动切除故障，保证正常段母线不间断供电。
单母线分段接线的显著的缺点：
当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上所连接的引线都要停电；当出线也为双回路时，架空线路会出现交叉跨越现象，扩建时须向两个方向扩建。
单母线分段接线如图2-2所示：
图2-2单母线分段接线
2.2.3双母线接线
双母线接线的优点：
供电可靠、调度灵活、扩建方便。
双母线接线的缺点[3]：
1.增加一组母线和使每回路就须加一组母线隔离开关。
2.当母线故障或检修时隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。
2.2.4桥形接线
桥形接线分为内桥和外桥两种，其共同特点是在两台变压器一次侧进线处用以桥臂将两回路相连。
桥臂连接在进线断路器之内称为内桥，连在进线断路器之外称为外桥[4]。
桥形接线用于给一、二级负荷供电。
内桥接线适用于线路较长或需不要经常切换的变压器的情况，而外桥接线适用于供电线路较短或需要经常切换变压器的情况。
桥形接线线路复杂，高压设备多，操作不方便，投资大，在用户供电系统中应用很少。
内外桥形接线如图2-3和图2-4所示：
图2-3外桥形接线图2-4内桥形接线
2.3电气主接线设计方案的比较及选择
通过综合分析，电气主接线有以下三种方案可供选择：
方案一：
110kV侧为桥形接线方式，10kV和35kV侧均为单母线分段接线方式。
方案二：
110kV侧为双母线接线方式，10kV和35kV侧均为单母线接线方式。
方案三：
110kV侧为单母线接线方式，10kV和35kV侧均为单母线接线方式。
通过对各种方案的比较，可以得到以下的分析结果：
1.110kV侧主要有三种接法：
桥形接法、双母线接法和单母线接法。
内桥接线主要用于线路较长，不需要经常变换变压器的情况，外桥接线恰恰相反，多用于线路较短，需经常切换变压器的情况，但这两种接法设备太多，投资大，切换复杂，不易操作。
而双母线接法主要用于特别重要的负荷，因其开关数目多，连锁机构复杂，切换繁琐，造价高，故电力系统不推荐采用双母线。
由于采用的是两个变压器，每个变压器的进线又是双电源供电，考虑到单母线出线不多，因此，综合考虑后110kV采用单母线接线。
2.对于35kV和10kV侧的各种方案选择，主要区别于使用单母线还是单母线分段制。
单母线分段制可靠性和灵活性更高，检修时也不至于对全部负荷中断供电，故在选择时应该优先采用。
另外，对于35kV侧，若采用单母线接线，配线出线回路不能超过3回，而已知出线是6回路，所以对于35KV侧，仅能采用单母线分段接线。
而对于10kV侧，若采用单母线接线，配线回路不能超过5回，所以也只能采用单母线分段接线。
通过对以上方案的分析，本设计110kV侧采用单母线接线，35kV和10kV侧采用单母线分段接线方式。
主接线形式如图2-5所示：
图2-5主接线形式
第3章短路电流的计算
3.1概述
3.1.1短路类型
短路故障分为对称短路和不对称短路。
三相短路是对称短路，造成的危害最为严重，但发生的机会较少。
其它的短路都是不对称短路，其中单相短路发生的机会最多，约占短路总数中的70％以上。
所以在做短路计算时，选择危害最严重的三相短路[5]。
3.1.2短路计算步骤
通常三相短路电流产生的热效应和力效应最大，所以只对三相短路短路电流进行计算。
其计算步骤[6]如下：
1.根据原始资料画出电力系统主要设备图。
2.综合分析，确定可能产生最大短路电流的短路点。
3.计算各电气元件的电抗标幺值，同时画出等效电路图。
4.简化等效电路图，求出各个电源对短路点的等效电抗标幺值X*j∑。
5.根据电抗标幺值X*j∑查运算曲线表，求出不同时刻各短路点的短路电流。
3.2变电站电源进线的选择
3.2.1变电站容量补偿后的初步估计
变电所一台变压器运行时的视在功率为：
（3-1）
功率因数为：
按要求采用电容器将功率因数补偿到0.9以上：
（3-2）
经电容补偿后，变电所的功率变为：
（3-3）
变电所补偿电容容量至少为：
（3-4）
由于每一台变压器均是双回路供电，所以每一条线路的功率为：
（3-5）
3.2.2变电站进线的选择
变电所电源进线上的总功率和电流为：
（3-6）
（3-7）
假设变电所年最大负荷利用小时数，查导线经济电流密度图可知，经济电流密度,则导线的经济截面：
（3-8）
试取最接近的导线截面为70mm2，选取LGJ---70/10钢芯铝绞线。
3.3短路计算
分别对变电所内高（110kV）、中（35kV）、低（10kV）三个电压母线进行三相短路电流计算。
短路电流计算时，忽略线路、变压器电阻以及负荷的影响[7]。
电力系统短路计算示意图如图3-1所示：
图3-1短路计算示意图
3.3.1各元件电抗标幺值的计算
发电机：
（3-9）
变压器：
（3-10）
线路：
（3-11）
基准容量：
（3-12）
取基准电压：
（3-13）
短路计算等值电路图如图3-2所示：
图3-2等值电路图
电源侧发电机G1、G2、G3的电抗标幺值：
电源侧变压器T1、T2、T3的电抗标幺值：
输电线路L1、L2、L3、L4的电抗标幺值：
变电所三绕组变压器T4、T5各绕组阻抗电压百分数：
变电所三绕组变压器T4、T5各绕组电抗标幺值：
3.3.2K1点（35kV母线）短路电流计算
等值电路图3-2化简为等值电路图3-3所示：
图3-3等值电路图
由等值电路图3-3简化为等值电路图3-4所示：
图3-4等值电路图
等值电路图3-4简化成等值电路图3-5所示：
图3-5等值电路图
各个电源对K1短路点所产生的短路电流如下：
1.电源E1、E2供给的短路电流
计算电抗：
（3-14）
查汽轮发电机运算曲线，短路瞬间（0s）短路电流标幺值：
4s短路电流标幺值为：
。
短路瞬间短路电流有名值：
（3-15）
4s短路电流有名值：
（3-16）
短路冲击电流：
（3-17）
2.电源E3供给的短路电流
计算电抗：
（3-18）
查汽轮发电机运算曲线，短路瞬间（0s）短路电流标幺值：
4s短路电流标幺值为：
。
短路瞬间短路电流有名值：
（3-19）
4s短路电流有名值：
（3-20）
短路冲击电流：
（3-21）
母线K1点短路电流计算结果如表3-1所示：
表3-135kV母线（K1点）短路电流计算结果汇总
电源
0s短路电流（kA）
4s短路电流（kA）
短路冲击电流（kA）
E（1,2）
0.82
0.69
2.09
E3
0.85
0.78
2.16
总和
1.67
1.47
4.25
3.3.3K2点（10kV母线）短路电流计算
由等值电路图3-2化简为等值电路图3-6所示：
图3-6等值电路图
等值电路图3-6简化为等值电路图3-7所示：
图3-7等值电路图
等值电路图3-7简化成等值电路图3-8所示：
图3-8等值电路图
各个电源对K2短路点所产生的短路电流如下：
1.电源E1、E2供给的短路电流
计算电抗：
（3-22）
查汽轮发电机运算曲线，短路瞬间（0s）短路电流标幺值：
4s短路电流标幺值为：
。
短路瞬间短路电流有名值：
（3-23）
4s短路电流有名值：
（3-24）
短路冲击电流：
（3-25）
2.电源E3供给的短路电流
计算电抗：
（3-26）
查汽轮发电机运算曲线，短路瞬间（0s）短路电流标幺值：
4s短路电流标幺值为：
。
短路瞬间短路电流有名值：
（3-27）
4s短路电流有名值：
（3-28）
短路冲击电流：
（3-29）
10kV母线（K2点）短路电流计算结果如表3-2所示：
表3-210kV母线（K2点）短路电流计算结果汇总
电源
0s短路电流（kA）
4s短路电流（kA）
短路冲击电流（kA）
E（1,2）
0.61
0.63
1.55
E3
0.61
0.63
1.55
总和
1.22
1.26
3.10
3.3.4K3点（110kV母线）短路电流计算
由等值电路图3-2化简为等值电路图3-9所示：
图3-9等值电路图
由等值电路图3-9化简等值电路图3-10所示：
图3-10等值电路图
各个电源对K3短路点所产生的短路电流如下：
1.电源E1、E2供给的短路电流
计算电抗：
（3-30）
查汽轮发电机运算曲线，短路瞬间（0s）短路电流标幺值：
4s短路电流标幺值为：
。
短路瞬间短路电流有名值：
（3-31）
4s短路电流有名值：
（3-32）
短路冲击电流：
（3-33）
2.电源E3供给的短路电流
计算电抗：
（3-34）
查汽轮发电机运算曲线，短路瞬间（0s）短路电流标幺值：
4s短路电流标幺值为：
。
短路瞬间短路电流有名值：
（3-35）
4s短路电流有名值：
（3-36）短路冲击电流：
（3-37）
110kV母线（K3点）短路电流计算结果如表3-3所示：
表3-3110kV母线（K3点）短路电流计算结果汇总
电源
0s短路电流（kA）
4s短路电流（kA）
短路冲击电流（kA）
E（1,2）
0.86
0.71
2.19
E3
0.89
0.71
2.27
总和
1.75
1.42
4.46
3.3.5K4点（110kV母线）短路电流计算
由等值电路图3-2化简等值电路图3-11所示：
图3-11等值电路图
由于K4点短路化简后所得的等值电路图与K3点短路所得的等值电路图相同，所以K4点短路所得的计算结果与K3点短路所得的计算结果也相同。
110kV母线（K4点）短路电流计算结果如表3-4所示：
表3-4110kV母线（K4点）短路电流计算结果汇总
电源
0s短路电流（kA）
4s短路电流（kA）
短路冲击电流（kA）
E（1,2）
0.86
0.71
2.19
E3
0.89
0.71
2.27
总和
1.75
1.42
4.46
3.4短路电流计算总结
各个短路点短路电流计算结果汇总如表3-5所示：
表3-5各短路点短路电流计算结果汇总
短路点
0s短路电流（kA）
4s短路电流（kA）
短路冲击电流（kA）
K1
1.67
1.47
4.25
K2
1.22
1.26
3.10
K3
1.75
1.42
4.46
K4
1.75
1.42
4.46
第4章变电所电气设备的选择及校验
4.1断路器和隔离开关的选择与校验
4.1.1断路器的选择
高压短路器是供电设备中最重要的开关器件之一。
选择时主要按照其额定电压、额定电流进行选择。
根据不同的选择条件，选择的断路器不同，从工作环境和额定电压及额定电流来选择[8]如下：
1.按工作环境选择
因为所选的短路器均安装在室内，所以选室内型。
2.按正常工作条件选择其额定电压和额定电流，要求
（4-1）
（4-2）
式中——断路器安装处电网的额定电压（kV）。
——断路器安装处回路的最大负载电流（kA）。
四个不同的短路点的最大负载电流计算过程如下：
（1）K1点的最大负载电流：
（4-3）
（2）K2点的最大负载电流：
（4-4）
（3）K3点的最大负载电流：
（4-5）
（4）K4点的最大负载电流：
（4-6）
各短路点短路电流计算结果如表4-1所示：
表4-1各短路点短路电流计算结果汇总
短路点
K1
K2
K3
K4
最大负载电流
233
1223
195
195
4.1.2断路器的校验
短路器的校验，按照不同的方法校验结果不同。
下面主要从动稳定和热稳定两个方面进行校验。
1.动稳定的校验
若要断路器在通过最大短路电流时不损坏，需要满足以下条件：
（4-7）
式中——断路器的最大动稳定实验电流峰值。
——短路冲击电流。
2.热稳定的校验
当断路器通过最大短路电流时，为使断路器的最高温升不超过最高允许温度，应满足
（4-8）
式中——断路器出厂的热稳定实验电流。
——断路
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