110kV变电所设计.docx
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110kV变电所设计
110kV变电所设计
110kVsubstationdesign
学生姓名：
指导教师：
所在院系：
网络教育学院
所学专业：
电气工程及其自动化
研究方向：
110kV变电所设计
摘要
随着我国工业的发展，各行业对电力系统的供电可靠性和稳定性的要求日益提高。
变电站是连接电力系统的中间环节，用以汇集电源、升降电压和分配电能。
变电站的安全运行对电力系统至关重要。
本文主要进行110kV/10kV无人值班降压变电站的设计。
主要内容包括：
变电站电气主接线的设计和选择、短路电流的计算、主变压器和电器设备的选择。
其中电器设备的选择主要包括：
断路器、隔离开关、PT、CT、支柱绝缘子、套管、母线导体、避雷器、电抗器、高压熔断器等。
本文简单介绍了采用综合自动化设备实现变电站无人值班。
附件包括：
变电站电气主接线图、变电站平面布置图、110kV侧进线间隔断面图
关键词降压变电站、电气部分设计、无人值班、综合自动化系统
Abstract
Alongwiththecontinuousdevelopingofagricultureandindustryinourcountry,everywalkoflife’sdemandofreliabilityandstabilitytowardselectricpowersystem.Theyareusedtoconnectthepowersuppliesascengdordescendtheelectricvoltage,ordistributeelectricpower.It’sveryimportanttopowersystemthatthesubstationworkssafely.
Thispapermainfocusonthedesigningofprimarypowersystemin110/10kVunmannedandstep-downsubstation.Themaincontentsareasfollows:
thedesigningandselectingmainelectricalconnectionofsubstation,calculationofshort-circuitcurrent,selectingofmaintransformerandelectricalequipmentsprimarilyincludes:
circuit-breaker,disconnectingswitch,potentialtransformer,currenttransformer,post-typeinsulator,busbarconductor,lightingarrestoretc.
Thispaperalsocontainsthedesigningofintergratedautomationbasedunmannedsubstation.
Affixmaincontainsmainelectricalconnectiondrawing,generallayoutdrawingofsubstation,fracturesurfaceof110kVdrawing.
Keywords:
step-downsubstation、electricalconnection、designunmanned、intergratedautomationsystem
摘要……………………………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………………………II
1前言…………………………………………………………………………………………1
1.1变电站的发展过程、特点、设计原则…………………………………………………1
1.2基本概念………………………………………………………………………………2
2概述…………………………………………………………………………………3
3短路电流计算及设备选择…………………………………………………………………9
3.1电气布置………………………………………………………………………21
3.2电缆设施……………………………………………………………………24
3.3电气建筑物………………………………………………………………………25
4所用电、直流系统及主控室…………………………………………………25
5继电保护及微机监控系统……………………………………………………27
5.1总的要求………………………………………………………………………………27
5.2继电保护配置及微机监控系统……………………………………………………27
5.3变压器继电保护………………………………………………………………………32
6过压保护、接地及照明……………………………………………………………………33
7消防及其它…………………………………………………………………………………36
8通信、远动及工业电视……………………………………………………………………37
9计算书………………………………………………………………………………………38
9.1短路电流计算………………………………………………….…………………….38
9.2负荷电流计算………………………………………………………………………..41
9.3断路器和隔离开关的选择…………………………………………………………….42
9.4电流互感器的选择……………………………………………………………………46
9.5母线的选择及其它……………………………………………………………………48
10结论……………………………………………………………………………………….51
致谢………………………………………………………………………………………52
参考文献………………………………………………………………………………………53
11附录……………………………………………………………………………………….54
1前言
1.1变电站的发展过程、特点、设计原则
1.1.1变电站的发展过程
变电站无人值班运行管理，早在50年代末60年代初，许多供电局就进行了无人值班的试点，当时采用的是从原苏联引进的有接点远动技术，型号是SF-58,但由于技术手段不完善，管理体制不适应，认识上的种种原因，除上海、郑州等少数地区外都没有坚持。
80年代以来，自动化技术的完善，特别是人们对变电站无人值班认识的提高，郑州、深圳、大连、广东出现无人值班，1996年底全国有60余座，97年底有1000余座。
1.1.2特点
增强了设备可靠性：
无论是正常操作或事故处理，均通过自动化系统，减少了人为失误，降低了出差错的概率，及时准确可靠；
简化生产管理环节：
以实现远动和自动化为基础，人到自动化的转变使生产管理环节得以解放；
降低了电力建设造价：
采用先进的远动及自动化设备，优化系统结构，减少设备可用空间，减少占地面积和生产辅助设备及生活设施，降低工程造价；
推进供电网络科学化管理；在供电网络中，降压变电站进线由地区电网接入降至配电电压与用户连接，将降压变电站、开关站及相关馈线综合考虑实行自动化管理，增强供电可靠性，提高科学管理水平。
1.1.3设计原则
结合本地区电网规划、电网调度自动化系统规划和通信规划，根据电网结构、变电站地理环境、交通、消防条件、站地区社会经济状况，因地制宜地制定设计方案；
除按照电网规划中规定的变电站在电网中地位和作用考虑其控制方式外，其与电网配合、继电保护及安全自动装置等均应能满足运行方式的要求；
自动化技术装备上要坚持安全、可靠、经济实用、正确地处理近期建设与远期发展关系，做到远近结合；
节约用电，减少建筑面积，既降低电网造价，又满足了电网安全经济运行；
对一、二次设备及土建进行必要简化，取消不必要措施；
应满足备用电源自投、无功功率和电压调节。
1.2基本概念
1.2.1按突然中断供电造成的损失程度分为：
一级负荷、二级负荷、三级负荷。
一级负荷中断供电将造成人身伤亡和将在政治经济上造成重大损失，如造成重大设备损坏，打乱重点企业生产次序并需要长时间的恢复，重要铁路枢纽无法工作，经常用于国际活动的场所的负荷。
1.2.2一级负荷供电可靠性要求高，一般要求有一个以上的供电电源（来自不同的变电所或发电厂，或虽来自同一变电所，但故障时不相互影响不同母线段供电）。
1.2.3同时率----各用户负荷最大值不可能在同一时刻出现，一般同时率大小与电力用户多少、各用户的用电特点有关。
对所建变电所在电力系统中的地位、作用和用户的分析，变电所根据它在系统中的地位，可分为以下几类：
1.2.4纽变电所：
位于电力系统的枢纽点，连接电力系统的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，成为枢纽变电所。
全所停电后，将引起系统的瘫痪。
1.2.5中间变电所：
高压侧以交流潮流为主，起系统交换功率的作用，或是长距离输电线路分段，一般汇集2-3个电源，电压为220-330kV，同时降压供当地使用，这样的变电所主要起中间环节的作用，所以叫中间变电所。
全所停电后将引起区电网瓦解。
1.2.6地区变电所：
高压侧一般为110-220kV，向当地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。
1.2.7终端变电所：
在输电线路的终端，接近负荷点，高压侧多为110kV经降压后直接向用户供电的变电所。
全所停电后仅使用户中断供电。
2概述
设计依据
中华人民共和国电力公司发布的《35kV～110kV无人值班变电所设计规程》（征求意见稿）
110kV清河输变电工程设计委托书。
电力工程电气设计手册（电气一次部分）
设计范围
所区总平面、交通及长度约20米的进所道路的设计。
所内各级电压配电装置及主变压器的一、二次线及继电保护装置。
系统通信及远动。
所内主控制室、各级电压配电装置和辅助设施。
所区内给排水设施及污水排放设施。
所区采暖通风设施、消防设施。
所区内的规划。
编制主要设备材料清册。
编制工程概算书。
设计分工
110kV配电装置以出线门型架为界，10kV电缆出线以电缆头为界。
电缆沟道至围墙外1米。
所外专用通信线、光纤系统通信、施工用电、用水等设施由建设单位负责。
主要设计原则
电气主接线
电气主接线是发电厂、变电所电气设计的重要部分，也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。
因此，必须处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案，决定于电压等级和出线回路数。
110kV主接线设计：
110KV清河变主要担负着为清河开发区供电的重任，主供电源由北郊变110KV母线供给，一回由北郊变直接供给，另一回由北郊变经大明湖供给形成环形网络，因此有两个方案可供选择：
单母线接线；单母线分段接线。
方案I：
采用单母线接线
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：
不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电。
单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
适用范围：
一般适用于一台发电机或一台变压器的110-220KV配电装置的出线回路数不超过两回。
方案II：
采用单母线分段接线
优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。
当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，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或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
当出线为双回路时，常使架空线路出线交叉跨越。
扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
110-220KV配电装置的出线回路数为3-4回时。
经过以上论证，决定采用单母线分段接线。
35Kv主接线设计：
主要考虑为清河工业园区及周边高陵西部地区供电。
方案I：
采用单母线接线
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：
不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电。
单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
适用范围：
一般适用于一台发电机或一台变压器的35-63KV配电装置的出线回路数不超过3回。
方案II：
采用单母线分段接线
优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。
当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，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或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
当出线为双回路时，常使架空线路出线交叉跨越。
扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
35-63KV配电装置的出线回路数为4-8回时。
经过以上论证，决定采用单母线分段接线。
10kV主接线设计：
主要考虑为变电站周围地区供电。
方案I：
采用单母线接线
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：
不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电。
单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
适用范围：
6-10KV配电装置的出线回路数不超过5回。
方案II：
采用单母线分段接线
优点：
1）用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。
当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，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或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
当出线为双回路时，常使架空线路出线交叉跨越。
扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
6-10KV配电装置的出线回路数为6回及以上时。
经过以上论证，决定采用单母线分段接线。
主变压器选择
容量的确定:
主变压器容量一般按变电所建成后5-10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10-20年的负荷发展。
对于城郊变电所,主变压器容量应与城市规划相结合。
根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定变压器的容量。
对于有重要负荷变压器的变电所，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进间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%-80%。
同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化。
主变压器台数的确定：
对大城市郊区的一次变电站，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。
对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，在设计时应考虑装设三台主变压器的可能性。
对于规划只装设两台变压器的变电所，其变压器基础宜按大于变压器容量的1-2级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。
因此为保障电压水平能够满足用户要求，本所选用有载调压变压器，选变压器两台。
主要电气设备选择
110kV配电装置选用户外110kV六氟化硫全封闭组合电器（GIS）。
开断电流31.5kA。
35kV选用kYN-35型手车式金属铠装高压开关柜，内配真空断路器。
开断电流25kA。
10kV选用CP800型中置式金属铠装高压开关柜，内配真空断路器。
出线开断电流31.5kA，进线开断电流40kA。
10kV母线避雷器选用HY5WZ-17/45型氧化锌避雷器。
根据《陕西电力系统污秽区分布及电网接线图集》，该站地处Ⅱ级污秽区，考虑到该站距公路较近，污级提高一级，按Ⅲ级户外用电气设备泄漏比距，110kV、35kV、10kV为2.5cm/kV（均按系统最高工作电压确定）。
无功补偿及消弧线圈
10kV出线回路数每段母线12回，本期装设2组干式接地变及消弧线圈。
接地变容量700/160kVA，消弧线圈600kVA。
本期装设2×1800kVar电容器组。
电工构筑物布置
根据进出线规划及所址地形情况，电工构筑物布置如下：
110kV屋外配电装置布置在所区南侧，二次室及35kV～10kV开关室布置在所区北侧，为一座二层楼结构，一层10kV，二层35kV；主变压器布置在二者之间，所区大门设在西侧，进所道路自所址西侧的公路接引。
110kV配电装置进线采用软母线，进线间隔宽度为8米。
按远期出线总共6个间隔设计。
35kV配电装置按两台主变进线，4个出线间隔设计。
10kV配电装置采用屋内单层双列布置。
干式接地变及消弧线圈装在一箱内，安装在10kV开关柜中间。
共36个出线间隔（公用4个）。
控制、保护及直流
控制方式
本工程的控制、信号、测量采用计算机监控方式，分层分布式综合自动化系统，按无人值班有人值守方式设计。
保护装置
继电保护均采用微机保护，这些保护的信息都以通信方式接入计算机监控系统。
自动装置
10kV馈线装设小电流接地选线装置；10kV馈线具有低周减载功能。
直流
采用智能高频开关电源系统，蓄电池采用2×100Ah免维护铅酸蓄电池，计206只，单母线分段接线。
基础资料
110kV清河变电站地址选在市开发区清河工业园区的北部，西邻一条南北公路。
电源由北郊330kV变110kV母线出两回，一回直接接入，一回经大明湖变“Π”接后再接入。
导线选择LGJ-300/40。
环境条件
该站位于市开发区清河工业园区的北部，西邻一条南北公路。
占地东西长69m，南北长66m，面积4554m2，合6.831亩。
该站出线条件较好，110kV南面进出，35kV北面进出，10kV电缆从西侧进出（电缆沟）。
交通方便，靠近乡镇，职工生活方便。
围墙内自然高差与公路相差3m左右，回填土方量较大。
环境温度:
-15°C～+45°C。
相对湿度：
月平均≤90%，日平均≤95%。
海拔高度:
≤1000m。
地震烈度:
不超过8度。
风速:
≤35m/s。
最大日温差:
25°C。
周围环境无易燃且无明显污秽，具有适宜的地质、地形和地貌条件（如避开断层、交通方便等）。
并应考虑防洪要求，以及邻近设施的相互影响（如对通讯、居民生活等）。
环境保护
变电所仅有少量生活污水，经处理后排入渗井。
变压器事故排油污水，经事故油池将油截流，污水排入生活污水系统，对周围环境没有污染。
噪音方面是指变压器和断路器操作时所产生的电磁和机械噪声。
对主变及断路器要求制造厂保证距离设备外壳2米处的噪声水平不大于65bB，以达到《工业企业噪声卫生标准》的规定。
绿化
在所内空闲地带种植草坪及绿篱，以美化环境。
3短路电流计算及设备选择
短路电流及负荷电流计算
用于设备选择的短路电流是按照变电所最终规模：
三台50MVA主变压器及110kV远景系统阻抗，考虑三台主变并列运行的方式进行计算的。
计算结果如下。
表1变压器短路阻抗标幺值
电压等级（kV）
110
35
10
符号
XIJ*
XⅡJ*
XⅢJ*
短路阻抗标幺值
0.3410
0
0.1980
表2主变压器额定电流值
电压等级（kV）
110
35
10
额定电流（A）
173.57
496
1735.7
表3清河变电站短路计算表
110kV母线2010年规划短路阻抗值：
0.0335，短路电压：
UdⅠ-Ⅱ=10.5%
零序短路阻抗值：
0.0136，UdⅠ-Ⅲ=17%
额定电压：
110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kVUdⅡ-Ⅲ=6%
额定容量：
31.5MVA容量比：
100%.100%.100%接线组别：
YN，yn0.d11
表4清河变电站短路电流计算结果表（远期10kV、35kV并列运行）
短路
类型
短路点
编号
短路点
位置
短路点
平均电压（kV）
基准
电流（KA）
短路电流周期分量起始有效值
短路电流冲击值（KA）
短路电流最大有效值（KA）
三相
短路
d1
110kV母线
115
0.502
1.2
38.211
14.985
d2
35kV母线
37
1.56
2.24
30.398
7.628
d3
10kV母线
10.5
5.5
9.33
46.2111
18.122
单相
短路
d1
110kV母线
115
0.502
1.7
6.9564
2.728
设备的选择与校验
结合以往110kV变电所设计及运行情况，本次选用110kV及10kV开关开断电流采用31.5kA，35kV选用25kA。
并依次对设备进行了选择和校验。
断路器型式的选择
除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装调试和运行维护，并经技术经济比较后才能确定。
断路器的选择及校验条件如下：
Uzd≥Ug；
Ie≥Ig；
热稳定校验Ie2.t.t≥I∞2.t
动稳定校验ich≤idf
隔离开关的选择
隔离开关的主要用途：
①隔离电压，在检修电气设备时，用隔离开关将被检修的设备与电源电压隔离，以确保检修的安全。
②倒闸操作，投入备用母线或旁路母线以及改变运行方式时，常用隔离开关配合断路器，协同操作来完成。
③分、合小电流。
隔离开关选择和校验原则是：
①Uzd≥Ug；②Ie≥Ig；③Ie2.t.t≥I∞2.t④ich≤idf
电流互感器的选择
电流互感器的选择和配置应按下列条件：
型式：
电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。
对于6～20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构的电流互感器。
对于35kV及以上配电装置，一般采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。
Uzd≥Ug；
Ie≥Ig；
校验动稳定√2ImKem≥ich
校验热稳定I∞2.teq＜（Im.kth）2.t
主要设备参数表：
主变：
（有载调压电力变器）
型号
SSZ10-31500/110
冷却方式
DNAN
标准代号
GB1094.1-21996
GB1094.3-85
GB1094.5-85
绝缘水平
L1480AC200-L1250AC95/L1200AC85/L175AC
额定容量
31500kVA
联接组别
YnynOd11
空载损耗
23.42KW
额定频率
50HZ
空载电流
0.10%
相数
3
使用条件
户外
海拔
1000m
油面温升
55K
油重
5684（带油）Kg
额定电压
110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV
短路阻抗
负载损耗
在31500kVA时
在31500kVA时
110及38.5kV间10.12%
110及38.5kV间14
升级会员 