110KV变电站设计3.docx
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110KV变电站设计3
摘要
变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他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。
作为电能传输与控制的枢纽，变电站必须改变传统的设计和控制模式，才能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。
随着计算机技术、现代通讯和网络技术的发展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。
110KV变电站属于高压网络，该地区变电所所涉及方面多，考虑问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。
同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。
选择变电站高低压电气设备，为变电站平面及剖面图提供依据。
本变电所的初步设计包括了：
（1）总体方案的确定
（2）负荷分析（3）短路电流的计算（4）高低压配电系统设计与系统接线方案选择（5）继电保护的选择与整定（6）防雷与接地保护等内容。
关键词：
变电站负荷高压网络补偿装置
1.变电站站址的选择原则和作用
1.1变电站的选择原则
变电所的设计应根据工程
年发展规划进行，做到远、近期结合，以近期为主，正确处理近期建设与远期发展的关系，适当考虑扩建的可能；变电所的设计，必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，结合国情合理地确定设计方案；变电所的设计，必须坚持节约用地的原则。
变电所应建在靠近负荷中心位置，这样可以节省线材，降低电能损耗，提高电压质量，这是供配电系统设计的一条重要原则。
变电所的总平面布置应紧凑合理，依据《
变电站设计规范》第
条，变电站站址的选择，根据下列要求综合考虑确定：
（1）靠近负荷中心。
（2）节约用地，不占或少占耕地及经济效益高的土地。
（3）与乡或工矿企业规划相协调，便于架空线和电缆线路的引入和引出。
（4）具有适应地形，地貌，地址条件。
1.2变电所在电力系统的地位
电力系统是由变压器，输电线路，用电设备（负荷）组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。
电力系统中的这些互联元件可以分为两类，一类是电力元件，它们对电能进行生产（发电机），变换（变压器，整流器，逆变器），输送和分配（电力传输线，配电网），消费（负荷）；另一类是控制元件，它们改变系统的运行状态，如同步发电机的励磁调节器，调速器以及继电器等。
其中变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
变电所根据它在系统中的地位，可分为下列几类：
（1）枢纽变电所：
位于电力系统的枢纽点，连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个电源，电压为330~500KV的变电所，称为枢纽变电所。
全所停电后，将引起系统解列，甚至出现瘫痪。
（2）中间变电所：
高压侧以交换潮流为主，起系统交换功率的作用，或使长距离输电线路分段，一般汇集2~3个电源，电压为220~330KV，同时又降压供当地用电，这样的变电所起中间环节的作用，所以叫中间变电所。
全所停电后，将引起区域电网解列。
（3）地区变电所：
高压侧一般为110~220KV，向地区用户供电为主的变电所，这是一个地区或城市的主要变电所。
全所停电后，仅使该地区中断供电。
（4）终端变电所：
在输电线路的终端，接近负荷点，高压侧电压为110KV，经降压后直接向用户供电的变电所，即为终端变电所。
全所停电后，只是用户受到损失。
1.3电力系统供电要求
（1）保证可靠的持续供电：
供电的中断将使生产停顿，生活混乱，甚至危及人身和设备安全，形成十分严重的后果。
停电给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失。
因此，电力系统运行首先要满足可靠，持续供电的要求。
（2）保证良好的电能质量：
电能质量包含电压质量，频率质量，和波形质量三个方面，电压质量和频率质量均以偏移是否超过给定值来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定值的
，给定的允许频率偏移为
等，波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。
所有这些质量指标，都必须采取一切手段来予以保证。
（3）保证系统运行的经济性：
电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗占的比重约为1/3，而且电能在变换，输送，分配时的损耗绝对值也相当客观。
因此，降低每生产一度电能消耗的能源和降低变换，输送，分配时的损耗，有极其重要的意义。
1.4电力系统运行的特点
（1）电能生产的重要性：
电能与其它能量之间转换方便，易于大量生产，集中管理，远距离输送，自动控制，因此电能是国民经济各部门使用的主要能源，电能供应的中断或不足将直接影响国民经济各部门的正常运行。
这就要求系统运行的可靠性..
（2）系统暂态过程的快速性：
发电机，变压器，电力线路，电动机等原件的投入和退出，电力系统的短路等故障都在一瞬间完成，并伴随暂态过程的出现，该过程非常短促，这就要求系统有一套非常迅速和灵敏的监视，检测，控制，和保护装置。
（3）电能发，输，配，用的同时性：
电能的生产，分配，输送和使用几乎是同时进行，即发电厂任何时候生产的电能必须等于该时刻用电设备使用的电能与分配，输送过程中损耗的电能之和，这就要求系统结构合理，便于运行调度。
1.5电力系统的额定电压
（1）额定电压是指能使电气设备长期运行的最经济的电压。
在系统中，各部分电压等级是不同的。
三相交流系统中，三相视在功率S=3UI。
当输出功率一定时，电压越高，电流越小，线路，电气等的载流部分所需的截面积就越小，有色金属的投资也越小，同是由于电流小，传输线路上的功率损耗和电压损失也较小。
另一方面，电压越高，对绝定的输送功率缘水平的要求则越高，变压器，开关等设备的投资也越大。
综合考虑这些因素，对应一和输送距离都有一个最为经济合理的输电电压，但从设备制造角度考虑，为保证产品的标准化和系列化，又不应随意确定输电电压。
额定电压等级有（KV）：
3、6、10、20、35、60、110、154、220、330、500、750、1000.
平均额定电压有（KV）：
3.15、6.3、10.5、37、115、230、345、525
系统各元件的额定电压如何确定：
发电机母线比额定电压高5%。
变压器一次接发电机比额定电压高5%，接线路为额定电压；二次接线路比额定电压高10%，变压器如果直接接负荷，则这一侧比额定电压高5%。
（2）用电设备的额定电压：
经线路向用电设备输送电能时，由于用电设备大都是感性负荷，沿线路的电压分布往往是首段高于末端，，系统标称电压于用电设备的额定电压取值一致，使线路沿线的实际电压于用电设备要求的额定电压之间的偏差不致太大。
同一电压的线路一般允许电压偏压正负5%，即整个线路允许有10%的电压损耗，因此为了维持线路的平均电压在额定值，线路首段（即电源端）的电压较电网额定电压高5%,而线路末端电压则可较电网电压低5%，所以发电机额定电压规定高于同级电网额定电压5%
（3）变压器额定电压：
变压器一次侧接电源，相当于用电设备，二次侧向负荷供电，又相当于电源，因此变压器一次侧额定电压应等于用电设备额定电压。
由于变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，额定负载下变压器内部的电压降落约为
，当供电线路较长时，为使正常运行时变压器二次测电压较系统标称电压高
，以便补偿线路电压损失。
变压器二次测额定电压应较用电设备额定电压高
，只有当变压器二次测与用电设备间电气距离很近时，其二次侧额定电压才取为用电设备额定电压的
倍。
我们知道的进程中运行的变压器的额定电压，变压器必须在额定电压的工作环境。
如果电源电压超过额定电压的变压器高，对变压器本身的负载，并会产生不利的后果。
通常情况下，变压器在额定电压运行，在磁通密度接近饱和的核心。
如果电源电压超过额定电压越高，励磁电流将迅速增加，功率因数下降。
此外，电压过高，可能会烧坏变压器绕组。
当超过了105额定电压的电源电压，变压器绕组电势波形发生畸变较大，含有更多的高次谐波成分，会增加最大可能破坏绕组绝缘。
另一方面，供电电压过高，变压器输出电压会相应增加，这将不仅导致电力设备过载，过电压，而且还降低了电气设备的使用寿命，绝缘击穿，即使在恶劣的设备严重烧毁。
因此，为了确保变压器及电气设备的安全运行，提供的输入电压变压器，电源电压不得超过额定电压互感器的5％。
2.负荷计算
2.1本系统的负荷计算
2.1.1定义
1、计算负荷又称需要负荷或最大负荷。
计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。
2、平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。
常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。
平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。
2.1.2负荷计算的方法
负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。
本设计将采用需要系数法予以确定。
所用公式有：
（1）、单组用电设备的计算负荷
单组用电设备的计算负荷应按下式计算:
式中
Pca、Qca、Sca-----该组用电设备的有功、无功、视在功率计算值,kw、kvar、kVA
-----该组用电设备额定容量之和,kw
-----该组用电设备的需用系数和加权平均功率因数
------与相对应的正切值
该组用电设备的负荷电流按下式计算:
式中 Ica-----该组用电设备的总负荷电流,A
UN------电网的额定电压,kv
（2）、变电所总计算负荷
将变电所各组用电设备的计算负荷相加,再乘以组间最大负荷的同时系数,即可求出变电所的总计算负荷.
式中
-----变电所负荷的总有功、无功、视在功率计算值，kw、kvar、kVA
-----变电所各组用电设备的有功、无功功率计算值之和,kw、kvar
-----各组用电设备最大负荷不可能同时出现的组间最大负荷同时系数,组数越多其值越小,本设计取Ksp=0.9,Ksq=0.95
综合最大计算负荷：
K
—同时系数，对于出线回数较少的情况，可取0.9~0.95,出线回数较多时，取0.85~0.9;在本设计中，10KV中取0.85，35KV中取0.9
%—线损，取5%
2.2负荷情况
电压
负荷名称
最大负荷KVA
cosΦ
回路数
供电方式
线路长度KM
35kV
市镇变1
12000
0.9
1
架空
25
市镇变2
12000
0.9
1
架空
25
煤矿变
12000
0.9
1
架空
25
化肥厂
8000
0.9
1
架空
15
砖厂
8000
0.9
1
架空
15
水泥厂
8000
0.9
1
架空
15
10kV
镇区变
4000
0.85
1
架空
7
机械厂
3000
0.85
1
电缆
4
纺织厂1
3000
0.85
1
电缆
4
纺织厂2
3000
0.85
1
电缆
4
农药厂
4000
0.85
1
架空
7
面粉厂
4000
0.85
1
架空
7
耐火材料厂
4000
0.85
1
架空
7
35kV电压等级下共有出线6回，其中一级负荷为1回，分别为煤矿变；二级负荷为2回，分别为市镇变1、市镇变2、三级负荷砖厂、化肥厂和水泥厂。
10kV电压等级下共有出线7回，其中一级负荷为2回，分别为镇区变、耐火材料厂。
二级负荷为3回，分别为纺织厂1、农药厂和面粉厂.。
三级负荷为纺织厂2。
2.3负荷计算
电压
负荷名称
最大负荷KW
cosΦ
回路数
计算负荷
S30/KVA
I30/A
35kV
市镇变1
12000
0.90
1
1000
380.95
市镇变2
12000
0.90
1
13333.333
380.95
煤矿变
12000
0.90
1
13333.333
380.95
化肥厂
8000
0.90
1
8888.889
253.97
砖厂
8000
0.90
1
8888.889
253.97
水泥厂
8000
0.90
1
8888.889
253.97
10kV
镇区变
4000
0.85
1
4705.882
470.59
机械厂
3000
0.85
1
3529.412
352.94
纺织厂1
3000
0.85
1
3529.412
352.94
纺织厂2
3000
0.85
1
3529.412
352.94
农药厂
4000
0.85
1
4705.882
470.59
面粉厂
4000
0.85
1
4705.882
470.59
耐火材料厂
4000
0.85
1
4705.882
470.59
合计
96078.432
4845.94
3主变压器的选择及主接线设计
3.1主变压器容量的确定（主变台数的确定）
（1）主变压器容量一般按变电所建成后5至10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10至20年的负荷发展。
（2）根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。
对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷。
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。
如变电所可由中、低压侧电力网取得足够容量的备用电源时，可装设一台主变压器。
装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余变压器的容量不应小于60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。
已知系统情况为系统通过双回110kV架空线路向待设计变电所供电，且在该待设计变电所的负荷中，同时存在有一、二级负荷，故在设计中选择两台主变压器。
变压器型号SFSZ9-115000/110
额定容量（kVA）
115000
电压组合（kV）
高 110
中 38.5 低 10.5
联结组标号
YNyn0d11
空载损耗（kW）
28.6
负载损耗（kW）
112.50
空载电流%
1.05
短路阻抗%
高-中10.5高-低17-18中-低6.5
外形尺寸（mm）
长
宽
高
规矩（mm）
变压器型号中字母代表的含义：
S-在第一位表示三相，在第三、第四则表示三绕组
F-代表油浸风冷
Z-代表有载调压
J-代表油浸自冷
L-代表铝绕组或防雷
P-代表强迫油循环风冷
D-代表自耦，在第一位表示降压，在末位表示升压
X-代表消弧线圈
3.2主变相数的选择
（1）变压器采用三相或单相，主要考虑变压器的制造条件，可靠性要求及运输条件等因素。
（2）当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂和变电所，均应选用三相变压器。
3.3主变绕组连接方式
变压器绕组的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Y和△，高、中、低三侧绕组如何组合要根据具体工程来确定。
我国110kV及以上电压，变压器绕组都采用Y0连接；35kV亦采用Y连接，其中性点多经过消弧线圈接地。
35kV以下电压，变压器绕组都采用△连接。
由于待设计变电站为110kV电压等级降压至35kV和10kV，故绕组连接方式为Y0/Y0/△。
根据该待设计变电所负荷分析确定：
采用两台主变压器。
3.4是否选择有载调压变压器
在大型降压变电所中，普通三绕组变压器的应用范围有限，当主网电压为110-220kv，中压电网为35kv时，由于他们中性点采用不同接地方式，才采用普通三绕组变压器，当中压为110kv及以上的电压时，降压变压器和联络变压器多采用自耦变压器，因自耦变压器高、中压绕组有直接电气联系，具有巨大经济优越性。
由于我国电力不足，缺电严重，电网电压波动较大，变压器的有载调压是改善电压质量，缺少电压波动的有效手段，对电力系统，一般要求110kv及以下变电所至少采用一级有载调压变压器。
3.5主变冷却方式
主变一般采用的冷却方式有自然风冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环水冷却、强迫导向油循环冷却。
小容量变压器一般采用自然风冷却，大容量变压器一般采用强迫油循环冷却变压器，在发电厂水源充足情况下，为缩短占地面积，大容量变压器也有采用强迫油循环水冷却。
近年来随着变压器制造技术发展，在大容量变压器中，采用了强迫油循环导向冷却方式，它是用潜油泵将冷油压入线圈之间和铁芯的油道中，故此冷却方式效率更高。
3.6主变保护的选择
3.6.1电力变压器继电保护装置的配置原则
应装设反映于内部短路和油面降低的瓦斯保护。
应装设反映变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵差动保护或电流速断保护。
应装设作为变压器外部相间短路和内部短路的后备保护的过电压保护。
为防止中性点直接接地系统中外部接地短路故障的变压器零序保护。
防止大型变压器过励磁的变压器过励磁保护及过电压保护。
为防止相间短路的饿变压器阻抗保护。
为防止变压器过负荷保护。
3.6.2变压器的主保护
当变压器油箱内部短路时，短路点的电弧使变压器油分解，形成瓦斯气体。
重瓦斯保护动作于断路器跳闸，是变压器的主保护，而轻瓦斯保护主要作用于信号。
当变压器线圈和引出线发生相间短路以及变压器发生匝间短路时，其保护瞬时动作，而且这种保护由差动保护来完成，因此差动保护是变压器的主保护。
依据：
《电力装置的继电保护和自动装饰设计规范》第4.0.1条对电力变压器的下列鼓掌及异常运行方式；应装设响应的保护装置。
（1）绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路
（2）绕组的匝间短路
（3）外部相间短路引起的过电流
（4）中性点直接接地地电力网中外部接地短路的过电流以及中性点过电压。
（5）过符合
（6）油面减低。
（7）变压器温度声高或油箱压力升高或冷却系统故障
3.7电气主接线的概述
变电所主接线（一次接线）表示变电所接受、变换和分配电能的路径。
它由各种电力设备（隔离开关、避雷器、断路器、互感器、变压器等）及其连接线组成。
通常用单线图表示。
主接线是否合理,对变电所设备选择和布置,运行的灵活性、安全性、可靠性和经济性,以及继电保护和控制方式都有密切关系.它是供电设计中的重要环节.在图上所有电器均以新的国家标准图形符号表示，按它们的正常状态画出。
所谓正常状态，就是电器所处的电路中既无电压，也无外力作用的状态。
对于图中的断路器和隔离开关，是画出它们的断开位置。
在图上高压设备均以标准图形符号代表，一般在主接线路图上只标出设备的图形符号，在主接线的施工图上，除画出代表设备的图形符号外，还应在图形符号旁边写明设备的型号与规范。
从主接线图上我们可了解变电所设备的电压、电流的流向、设备的型号和数量、变电所的规模及设备间的连接方式等，因此，主接线图是变电所的最主要的图纸之一。
3.8电气主接线的设计原则和要求
3.8.1 电气主接线的设计原则
（1）考虑变电所在电力系统的地位和作用
变电所在电力系统的地位和作用是决定主接线的主要因素。
变电所不管是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于它们在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。
（2）考虑近期和远期的发展规模
变电所主接线设计应根据五到十年电力系统发展规划进行。
应根据负荷的大小及分布负荷增长速度和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。
（3）考虑用电负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响
对一级用电负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级用电负荷不间断供电；对二级用电负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级用电负荷供电，三级用电负荷一般只需一个电源供电。
（4）考虑主变台数对主接线的影响
变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将会产生直接的影响。
通常对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。
而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性的要求低。
（5）考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响
发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增、设备检修、故障停运情况下的应急要求。
电气主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同，例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时否允切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。
3.8.2电气主接线设计的基本要求
变电所的电气主接线应根据该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、变压器连接总数、设备特点等条件确定。
并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。
（1）可靠实用
所为可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电。
衡量可靠性的客观标准是运行实践。
经过长期运行实践的考验，对以往所采用的主接线经过优选，现今采用主接线的类型并不多。
主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次部分在运行中可靠性的综合。
因此，不仅要考虑一次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。
同时，可靠性不是绝对的，而是相对的。
一种主接线对某些变电所是可靠的，而对另一些变电所可能是不可靠的。
（2）运行灵活
主接线运行方式灵活，利用最少的切换操作，达到不同的供电方式。
根据用电负荷大小，应作到灵活的投入和切除变压器。
检修时，可以方便的停运变压器、断路器、母线等电气设备，不影响工厂重要负荷的用电。
（3）简单经济
在满足供电可靠性的前提下，尽量选用简单的接线。
接线简单，既节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备，使节点少、事故和检修机率少；又要考虑单位的经济能力。
经济合理地选用主变压器型号、容量、数量，减少二次降压用电，达到减少电能损失之目的。
（4） 操作方便
主接线操作简便与否，视主接线各回路是否按一条回路配置一台断路器的原则，符合这一原则，不仅操作简便、二次接线简单、扩建也方便，而且一条回路发生故障时不影响非故障回路供电。
（5） 便于发展
设计主接线时，要为布置配电装置提供条件，尽量减少占地面积。
但是还应考虑工厂企业的发展，有的用户第一期工程往往只上一台变压器，经3~5年后，需建设第二台主变压器，变电所布局、基建一般都是根据主接线的规模确定的。
因此，选择主接线方案时，应留有发展余地。
扩建时可以很容易地从初期接线过度到最终接线。
3.9主接线形式
3.9.1单母线接线
只设一条母线，电源和线路接在一条母线上。
单母线接线具有简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便且有利于扩建等优点，但可靠性和灵活性差。
当母线或母线隔离开关发生故障或检修时，必须断开全部电源，造成全所停电；此外，在检修断路器时，也造成该回路停电。
故不采纳。
3.9.2单母线分段接线
单母线分段接线借助分段断路器对单母线进行分段，对重要用户可以从不同分段上进行引接，有两个电源供电。
当一段母线发生故障时，自动装置将分段断路器跳开，保证正常母线不间断供电，提高了供电的可靠性和灵活性。
不仅便于分段检修
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