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
110KV电气主接线设计
姓名：
专业：
发电厂及电力系统
年级：
指导教师：
摘要
根据设计任务书的要求，本次设计为110kV变电站电气主接线的初步设计，并绘制电气主接线图。
该变电站设有两台主变压器，站内主接线分为110kV、35kV和10kV三个电压等级。
110KV电压等级采用双母线接线，35KV和10KV电压等级都采用单母线分段接线。
本次设计中进行了电气主接线的设计、短路电流计算、主要电气设备选择及校验（包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线、熔断器等）、各电压等级配电装置设计。
本设计以《35～110kV变电所设计规范》、《供配电系统设计规范》、《35～110kV高压配电装置设计规范》等规范规程为依据，设计的内容符合国家有关经济技术政策，所选设备全部为国家推荐的新型产品，技术先进、运行可靠、经济合理。
关键词：
降压变电站；电气主接线；变压器；设备选型
3.3.4避雷器的选择与校验23
3.4.1材料的选择24
3.4.2母线截面积的选择24
致谢27
参考文献28
附录29
1变电站电气主接线设计及主变压器的选择
变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。
变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分。
主接线的确定，对电力系统的安全、稳定、灵活、经济运行及变电站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方法的拟定将会产生直接的影响。
1.1主接线的设计原则和要求
1.1.1主接线的设计原则
（1）考虑变电站在电力系统的地位和作用
变电站在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素。
变电站是枢纽变电站、地区变电站、终端变电站、企业变电站还是分支变电站，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
变电站主接线设计应根据5~10年电力系统发展规划进行。
应根据负荷的大小和分布、负荷增长速度及地区网络情况和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式及站连接电源数和出线回数。
（3）考虑负荷的重要性分级和出线回路多少对主接线的影响
对一、二级负荷，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、二级负荷不间断供电；三级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
变电站主变的容量和台数，对变电站主接线的选择将产生直接的影响。
通常对大型变电站，由于其传输容量大，对供电可靠性高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。
而容量小的变电站，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性要求低。
（5）考虑备用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；当线路故障时是否允许切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。
1.1.2主接线设计的基本要求
根据有关规定：
变电站电气主接线应根据变电站在电力系统的地位，变电站的规划容量，负荷性质线路变压器的连接、元件总数等条件确定。
并应综合考虑供电可靠性、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过度或扩建等要求。
1.1.2.1可靠性
所谓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。
主接线的可靠性是由其组成元件（包括一次和二次设备）在运行中可靠性的综合。
因此，主接线的设计，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，可靠性并不是绝对的而是相对的，一种主接线对某些变电站是可靠的，而对另一些变电站则可能不是可靠的。
评价主接线可靠性的标志如下：
（1）断路器检修时是否影响供电；
（2）线路、断路器、母线故障和检修时，停运线路的回数和停运时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电；
（3）变电站全部停电的可能性。
1.1.2.2灵活性
主接线的灵活性有以下几方面的要求：
（1）调度灵活，操作方便。
可灵活的投入和切除变压器、线路，调配电源和负荷；能够满足系统在正常、事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。
（2）检修安全。
可方便的停运断路器、母线及其继电器保护设备，进行安全检修，且不影响对用户的供电。
（3）扩建方便。
随着电力事业的发展，往往需要对已经投运的变电站进行扩建，从变压器直至馈线数均有扩建的可能。
所以，在设计主接线时，应留有余地，应能容易地从初期过度到终期接线，使在扩建时，无论一次和二次设备改造量最小。
1.1.2.3经济性
可靠性和灵活性是主接线设计中在技术方面的要求，它与经济性之间往往发生矛盾，即欲使主接线可靠、灵活，将可能导致投资增加。
所以，两者必须综合考虑，在满足技术要求前提下，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，以便选择价格合理的电器设备；在终端或分支变电站中，应推广采用直降式（110/6～10kV）变电站和以质量可靠的简易电器代替高压侧断路器。
（2）年运行费小。
年运行费包括电能损耗费、折旧费以及大修费、日常小修维护费。
其中电能损耗主要由变压器引起，因此，要合理地选择主变压器的型式、容量、台数以及避免两次变压而增加电能损失。
（3）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架构、导线、绝缘子及安装费用。
在运输条件许可的地方，都应采用三相变压器。
（4）在可能的情况下，应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。
1.2主接线的设计
1.2.1设计步骤
电气主接线设计，一般分以下几步：
（1）拟定可行的主接线方案：
根据设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，拟订出若干可行方案，内容包括主变压器形式、台数和容量、以及各级电压配电装置的接线方式等，并依据对主接线的要求，从技术上论证各方案的优、缺点，保留2个技术上相当的较好方案。
（2）对2个技术上比较好的方案进行经济计算。
（3）对2个方案进行全面的技术，经济比较，确定最优的主接线方案。
（4）绘制最优方案电气主接线图。
1.2.2初步方案设计
根据原始资料，此变电站有三个电压等级：
110/35/10KV，故可初选三相三绕组变压器，根据变电站与系统连接的系统图知，变电站有两条进线，为保证供电可靠性，可装设两台主变压器。
为保证设计出最优的接线方案，初步设计以下两种接线方案供最优方案的选择。
方案一：
110KV侧采用双母线接线，35KV侧采用单母分段接线，10KV侧采用单母分段接线。
方案二：
110KV侧采用单母分段接线，35KV侧采用双母线接线，10KV侧采用单母分段。
两种方案接线形式如下：
图1-1主接线方案一
图1-2主接线方案二
1.2.3最优方案确定
1.2.3.1技术比较
在初步设计的两种方案中，方案一：
110KV侧采用双母线接线；方案二：
110KV侧采用单母分段接线。
采用双母线接线的优点：
①系统运行、供电可靠；②系统调度灵活；③系统扩建方便等。
采用单母分段接线的优点：
①接线简单；②操作方便、设备少等；缺点：
①可靠性差；②系统稳定性差。
所以，110KV侧采用双母线接线。
在初步设计的两种方案中，方案一：
35KV侧采用单母分段接线；方案二：
35KV侧采用双母线接线。
由原材料可知，问题中未说明负荷的重要程度，所以，35KV侧采用单母分段接线。
1.2.3.2经济比较
对整个方案的分析可知，在配电装置的综合投资，包括控制设备，电缆，母线及土建费用上，在运行灵活性上35KV、10KV侧单母线形接线比双母线接线有很大的灵活性。
由以上分析，最优方案可选择为方案一，即110KV侧为采用双母线接线，35KV侧为单母线形接线，10KV侧为单母分段接线。
其接线图见以上方案一。
1.3主变压器的选择
在各种电压等级的变电站中，变压器是主要电气设备之一，其担负着变换网络电压，进行电力传输的重要任务。
确定合理的变压器容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。
因此，在确保安全可靠供电的基础上，确定变压器的经济容量，提高网络的经济运行素质将具有明显的经济意义。
1.3.1主变压器台数的选择
为保证供电可靠性，变电站一般装设两台主变，当只有一个电源或变电站可由低压侧电网取得备用电源给重要负荷供电时，可装设一台。
本设计变电站有两回电源进线，且低压侧电源只能由这两回进线取得，故选择两台主变压器。
1.3.2主变压器型式的选择
1.3.2.1相数的确定
在330kv及以下的变电站中，一般都选用三相式变压器。
因为一台三相式变压器较同容量的三台单相式变压器投资小、占地少、损耗小，同时配电装置结构较简单，运行维护较方便。
如果受到制造、运输等条件限制时，可选用两台容量较小的三相变压器，在技术经济合理时，也可选用单相变压器。
1.3.2.2绕组数的确定
在有三种电压等级的变电站中，如果变压器各侧绕组的通过容量均达到变压器额定容量的15%及以上，或低压侧虽然无负荷，但需要在该侧装无功补偿设备时，宜采用三绕组变压器。
1.3.2.3绕组连接方式的确定
变压器绕组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接和角接，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，变压器绕组都采用星接，35KV也采用星接，其中性点多通过消弧线圈接地。
35KV及以下电压，变压器绕组都采用角接。
1.3.2.4结构型式的选择
三绕组变压器在结构上有两种基本型式。
（1）升压型。
升压型的绕组排列为：
铁芯—中压绕组—低压绕组—高压绕组，高、中压绕组间距较远、阻抗较大、传输功率时损耗较大。
（2）降压型。
降压型的绕组排列为：
铁芯—低压绕组—中压绕组—高压绕组，高、低压绕组间距较远、阻抗较大、传输功率时损耗较大。
（3）应根据功率传输方向来选择其结构型式。
变电站的三绕组变压器，如果以高压侧向中压侧供电为主、向低压侧供电为辅，则选用降压型；如果以高压侧向低压侧供电为主、向中压侧供电为辅，也可选用升压型。
1.3.2.5调压方式的确定
变压器的电压调整是用分接开关切换变压器的分接头，从而改变其变比来实现。
无励磁调压变压器分接头较少，且必须在停电情况下才能调节；有载调压变分接头较多，调压范围可达30%，且分接头可带负荷调节，但有载调压变压器不能并联运行，因为有载分接开关的切换不能保证同步工作。
根据变电所变压器配置，应选用无载调压变压器。
1.3.3主变压器容量的选择
变电站主变压器容量一般按建站后5~10年的规划负荷考虑，并按其中一台停用时其余变压器能满足变电站最大负荷
的50%~70%（35~110KV变电站为60%），或全部重要负荷（当Ⅰ、Ⅱ类负荷超过上述比例时）选择。
即
（1-1）
式中N——变压器主变台数
1.3.4主变压器型号的选择
Sjs=Ke（∑Pimax/cosφi）（1+α%）
Sjs----最大计算负荷（KVA）
Pimax----每个用户的最大负荷（KW）
Cosφi---功率因数
Ke----同时系数
α%----线损率（取为5%）
全所最大计算负荷：
Sjs∑=Ke'∑Sjs（35,10KV）
1.3.4.110KV线路负荷计算
表1-110KV负荷
名称
最大负荷（KW）
cosφ
回路数
化工厂
3500
0.85
1
铝厂
5000
0.85
2
医院
1500
0.85
2
氮肥厂
2000
0.85
1
印刷厂
1500
0.85
1
表格中各负荷间同时系数为0.85
Sjs=0.85*（3500/0.85+2*5000/0.85+2*1500/0.85+2000/0.85+1500/0.85）*（1+5%）=21（MVA）
1.3.4.235KV线路负荷计算
表1-235KV负荷
名称
最大负荷（KW）
COSΦ
回路数
火电厂一
8000
0.9
1
火电厂二
5000
0.9
1
表格中各负荷间同时系数为0.9
Sjs=0.9*（8000/0.9+5000/0.9）*（1+5%）=13.65（MVA）
1.3.4.3110KV级负荷计算
35KV各负荷与10KV各负荷间的同时系数为0.9
Sjs∑=0.9（21+13.65）=31.185（MVA）
所用电负荷计算
Sjs=（K1*∑P1+∑P2）
K1----所用动力负荷换算系数，一般取0.85
∑P1---所用动力负荷之和
∑P2---所用照明负荷之和
表1-3110kV变电站自用电负荷
类别
名称
容量（KW）
功率因数
安装台数
工作台数
备注
照明
主充电机
20
0.85
1
1
周期
照明
浮充电机
4.5
0.85
1
1
经常
动力
主变通风
0.15
0.85
32
32
经常
动力
蓄电池通风
2.7
0.85
1
1
经常
照明
检修、试验用电
15
0.85
1
1
经常
照明
载波通讯用电
1
0.85
1
1
经常
照明
屋内照明
5.2
0.85
1
1
经常
照明
屋外照明
4.5
0.85
1
1
经常
动力
生活水泵
4.5
0.85
2
2
周期
照明
福利区用电
1.5
0.85
1
1
周期
Sjs=0.85（0.15*32+2.7*1+4.5*2）+20+4.5+15+1+5.2+4.5+1.5=0.0653（MVA）
由上述计算结果可知：
10KV侧PLMAX=21（MVA）
35KV侧PLMAX=13.65（MVA）
高压侧PLMIN=0.6*（21+13.65）=20.79（MVA）
变电站用电负荷Pz为：
Pz=0.0653（MVA）
所以变电站最大负荷Smax为：
Smax=20.79+0.0653=20.9（MVA）
由以上计算，查《发电厂电气部分》选择主变压器型号如下：
表1-4主变压器型号及参数
型号及容量（KVA）
额定电压（KV）
连接组
损耗（KW）
阻抗电压（%）
空载电流（%）
空载
负载
高中
高
低
中低
高
中
低
SFSL7-31500/110
101
2
2.5%
121
2
2.5%
38.5
2
2.5%
35
2
2.5%
10.5
YN,yn0,d11
38
125
10.5
17.5
6.5
1.1
1.4站用变压器的选择
1.4.1站用变压器的选择的基本原则
（1）变压器原、副边额定电压分别与引接点和站用电系统的额定电压相适应；
（2）阻抗电压及调压型式的选择，宜使在引接点电压及站用电负荷正常波动范围内，站用电各级母线的电压偏移不超过额定电压的
；
（3）变压器的容量必须保证站用机械及设备能从电源获得足够的功率。
1.4.2站用变压器型号的选择
参考《发电厂电气部分》，选择站用变压器如下：
表1-5站用变压器型号及参数
型号
额定容量（KVA）
额定电压（KV）
连接组
损耗（W）
阻抗电压（%）
空载电流（%）
空载
短路
SC9-80/10
80
10.5/0.4
Y,yn0
340
1140
4
2
2短路电流计算
2.1短路计算的目的、规定与步骤
2.1.1短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。
其计算的目的主要有以下几方面：
（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
例如：
计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。
（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相相对地的安全距离。
2.1.2短路计算的一般规定
2.1.2.1、计算的基本情况
（1）电力系统中所有电源均在额定负载下运行。
（2）所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）。
（3）短路发生在短路电流为最大值时的瞬间。
（4）所有电源的电动势相位角相等。
（5）应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。
对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
2.1.2.2、接线方式
计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
2.1.3计算步骤
（1）选择计算短路点。
（2）画等值网络图。
①首先去掉系统中的所有分支、线路电容、各元件的电阻。
②选取基准容量Sb和基准电压Ub（一般取各级的平均电压）。
③将各元件的电抗换算为同一基准值的标幺值的标幺电抗。
④绘制等值网络图，并将各元件电抗统一编号。
（3）化简等值网络：
为计算不同短路点的短路值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗Xnd。
（4）求计算电抗Xjs。
（5）由运算曲线查出各电源供给的短路电流周期分量标幺值（运算曲线只作到Xjs=3.5）。
①计算无限大容量（或Xjs≥3）的电源供给的短路电流周期分量。
②计算短路电流周期分量有名值和短路容量。
2.2变压器的参数计算及短路点的确定
2.2.1变压器参数的计算
基准值的选取：
，
取各侧平均额定电压
（1）主变压器参数计算
由表1.4查明可知：
U12%=10.5U13%=17.5U23%=6.5
U1%=0.5（U12%+U13%-U23%）=0.5（10.5+17.5-6.5）=10.75
U2%=0.5（U12%+U23%-U13%）=0.5（10.5+6.5-17.5）=-0.25<0所以U2%=0
U3%=0.5（U13%+U23%-U12%）=0.5（17.5+6.5-10.5）=6.75
电抗标幺值为：
X1=U1%/100*SB/SN=10.75/100*100/31.5=0.341
X2=U2%/100*SB/SN=-0/100*100/31.5=0
X3=U3%/100*SB/SN=6.75/100*100/31.5=0.214
（2）站用变压器参数计算
由表1.5查明：
X4=Ud%/100*SB/SN=4/100*100/0.08=50
（3）系统等值电抗
2.2.2短路点的确定
此变电站设计中，电压等级有四个，在选择的短路点中，其中110KV进线处短路与变压器高压侧短路，短路电流相同，所以在此电压等级下只需选择一个短路点；在另外三个电压等级下，同理也只需各选一个短路点。
依据本变电站选定的主接线方式、设备参数和短路点选择，网络等值图如下：
图2-1短路等值图
2.3各短路点的短路计算
2.3.1短路点d-1的短路计算（110KV母线）
网络化简如图2.2所示：
图2-2d-1点短路等值图
Xf1=Xs＝x0l（Sj/Uj2）＝0.4×150×（100/1152）＝0.454
Xjs1=Xf1×Sn/Sb=0.454×1000/100=4.54
因为Xjs1=4.54>3
所以I"*=I∞*=I0.2*=1/Xjs1=1/4.54=0.22
Ib=Sb/（√3×Ub）=100/（√3×115）=0.502（KA）
In=Ib×Sn/Sb=0.502×1000/100=5.02（KA）
I"=I∞=I0.2=I"*In=I∞*In=I0.2*In=0.22×5.02=1.1（KA）
ich=2.55×I"=2.55×1.1=2.8（KA）
ich=1.52×I"=1.52×1.1=1.672（KA）
S"=√3×I"×Un=√3×1.1×110=209.58（MVA）
2.3.2短路点d-2的短路计算（35KV母线）
网络化简为：
图2-3d-2点短路等值图
Xf2=Xs+（X1+X2）//（X1+X2）=0.454+（0.341+0）//（0.341+0）=0.6245
Xjs2=Xf2×Sn/Sb=0.6245×1000/100=6.245
I"*=I∞*=I0.2*=1/Xjs2=0.16
Ib=Sb/（√3×Ub）=100/（√3×37）=1.56（KA）
In=Ib×Sn/Sb=1.56×1000/100=15.6（KA）
I"=I∞=I0.2=I"*In=I∞*In=I0.2*In=0.16×15.6=2.5（KA）
ich=2.55×I"=2.55×2.5=6.375（KA）
ich=1.52×I"=1.52×2.5=3.8（KA）
S"=√3×I"×Un=√3×2.5×35=151.55（MVA）
2.3.3短路点d-3的短路计算（10KV母线）
网络化简为：
图2-4d-3点短路等值图
Xf3=Xs+（X1+X3）//（X1+X3）=0.454+（0.341+0.214）//（0.341+0.214）=0.7315
Xjs3=Xf3×Sn/Sb=0.7315×1000/100=7.315
I"*=I∞*=I0.2*=1/Xjs3=0.1367
Ib=Sb/（√3×Ub）=100/（√3×10.5）=5.5（KA）
In=Ib×Sn/Sb=5.5×1000/100=55（KA）
I"=I∞=I0.2=I"*In=I∞*In=I0.2*In=0.1367×55=7.52（KA）
ich=2.55×I"=2.55×7.52=19.176（KA）
ich=1.52×I"=1.52×7.52=11.43（KA）
S"=√3×I"×Un=√3×7.52×10=130.25（MVA）
2.3.4短路点d-4的短路计算
网络化简只需在图2.4上加站用变压器的电抗标幺值即可，如下图所示：
图2-5d-4点短路等值图
Xf4=Xf3+X4=0.7315+50=50.7315
Xjs2=Xf4×Sn/Sb=50.7315×1000/100=507.315
I"*=I∞*=I0.2*=1/Xjs3=0.00197
Ib=Sb/（√3×Ub）=100/（√3×0.4）=144.34（KA）
In=Ib×Sn/Sb=144.34×1000/100=1443.4（KA）
I"=I∞=I0.2=I"*In=I∞*In=I0.2*In=0.00197×1443.4=2.84（KA）
ich=2.55×I"=2.55×2.84=7.242（KA）
ich=1.52×I"=1.52×2.84=4.32（
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