110KV降压变电站电气一次部分初步设计.docx

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110KV降压变电站电气一次部分初步设计

110KV降压变电站电气一次部分初步设计

一、变电站的作用

1.变电站在电力系统中的地位

电力系统是由变压器、输电线路、用电设备组成的网络，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。

2.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的安全，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：

电能质量包括电压质量，频率质量和波形质量这三个方面，电压质量和频率质量均以偏移是否超过给定的数来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定电压的正负5%，给定的允许频率偏移为正负0.2—0.5%HZ等，波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。

（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，而且在电能变换，输送，分配时的损耗绝对值也相当可观。

因此，降低每生产一度电能损耗的能源和降低变换，输送，分配时的损耗，又极其重要的意义。

二、变电站与系统互联的情况

1.待建变电站基本资料

（1）待建变电站位于城郊，站址四周地势平坦，站址附近有三级公路，交通方便。

（2）该变电站的电压等级为110KV,35KV,10KV三个电压等级。

110KV是本变电站的电源电压，35KV，10KV是二次电压。

（3）该变电站通过双回110KV线路与100公里外的系统相连，系统容量为1250MVA，系统最小电抗（即系统的最大运行方式）为0.2（以系统容量为基准），系统最大电抗（即系统的最小运行方式）为0.3。

2.35KV和10KV负荷统计资料

35KV和10KV用户负荷统计资料如表1-1,1-2所示，最大负荷利用小时为Tmax=5500h,同时率取0.9，线损率取5%，功率因数取0.95。

线路每相每公里电抗值X0=0.4Ω/km基准电压UB取各级的平均电压，平均电压为1.05额定电压。

（1）35KV部分的最大负荷

电压等级

负荷名称

容量（MW）

负荷性质

线路

距离（KM）

35KV

炼钢厂

4.2

1

架空线路

15

901线

2.7

1

架空线路

12

表1-1

（2）10KV部分的最大负荷

电压等级

负荷名称

容量（MW）

负荷性质

线路

距离（KM）

10KV

机械厂

1.2

3

架空线路

1.3

饲料厂

0.9

3

架空线路

2.2

炼油厂

2

2

架空线路

1.6

糖厂

1.3

2

架空线路

2

市政

1.1

3

架空线路

1.1

面粉厂

1.3

3

架空线路

1.7

表1-2

三、电气主接线设计及主变压器的选择

1.变电站电气主接线的设计原则

①接线方式：

对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能采用断路器较少的或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥型接线等。

在110—220kV配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥型接线，当出线不超过4回时，一般采用单母线接线，在枢纽变电站中，当110—220kV出线在4回及以上时，一般采用双母线接线。

在大容量变电站中，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；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。

2.主变压器的选择

主变容量一般按变电站建成近期负荷5～10年规划选择，并适当考虑远期10～15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，从长远利益考虑，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60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。

1）相数：

容量为300MW及以下机组单元接线的变压器和330kV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。

因为单相变压器组相对投资大，占地多，运行损耗也较大。

同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。

2）绕组数与结构：

电力变压器按每相的绕组数为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。

在发电厂或变电站中采用三绕组变压器一般不多于3台，以免由于增加了中压侧引线的构架，造成布置的复杂和困难。

3）绕组接线组别：

变压器三绕组的接线组别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有星形“Y”和三角形“D”。

在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列以要求限制3次谐波对电源等因素。

根据以上原则，主变一般是Y，D11常规接线。

4）调压方式：

为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内，通过主变的分接开关切换，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。

通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压。

因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220kV及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况时使用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况定。

5）冷却方式：

电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。

根据以上变压器选择原则，结合原始资料提供的信息，分析后决定本变电站用2台三相三绕组的变压器，并采用YN，yn0,d11接线。

由原始资料可知，P10=7.8MW，P35=6.9MW

设负荷同时率系数K1取0.9，线损平均取5%，即K2=1.05，功率因数cosφ取0.95。

则10kV和35kV的综合最大负荷分别为：

S10MAX=K1K2P10/cosφ=0.9×1.05×7.8÷0.95=7.76（MVA）

S35MAX=K1K2P35/cosφ=0.9×1.05×6.9÷0.95=6.86（MVA）

每台变压器额定容量为：

SN=0.6SM=0.6（S10MAX+S35MAX）=0.6×（6.86+7.76）=8.772（MVA）

由此查询变电站设计参考资料选得的变压器参数如下表：

型号及容量

KVA

额定电压

高/中/低KV

损耗（KW）

阻抗电压（%）

空载

电流

（%）

空

载

短路

高-中

高-低

中-低

高-中

高-低

中-低

SFSL-10000/100

121/38.5/11

17

91

89

69.3

17

10.5

6

1.5

89.6

88.7

69.7

10.5

17

6

检验：

当一台主变不能正常工作时，只有一台主变工作且满载则，S1=10000KVA,占总负荷的百分比为10/14.62=68%，且还未计及变压器事故过负荷40%的能力，所以所选变压器满足要求。

3.电器主接线选择（单母线分段接线方式）

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；②、当一段母线故障时，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，故障时停电范围小，供电的可靠性提高；③、扩建时需向两个方面均衡扩建；④、接线简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，为以后的发展和扩建奠定了基础。

缺点：

①、当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时，该母线的回路都要在检修期间停电。

②、当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越。

适用范围：

适用于6～10kV线路出线16回及以下，每段母线所接容量不宜超过25MW。

电压等级

负荷名称

负荷性质

接线方式

进/出线回数

110kV

系统电源

单母线分段

进2回

2回

35kV

炼钢厂

1

单母线分段

出1回

4回

901线

1

出1回

备用

出2回

10kV

机械厂

3

单母线分段

出1回

8回

饲料厂

3

出1回

炼油厂

2

出1回

糖厂

2

出1回

市政

3

出1回

面粉厂

3

出1回

备用

出2回

四、短路电流计算

短路的危害：

（1）通过故障点的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；

（2）短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起他们的损坏或

缩短他们的使用寿命；（3）电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量；（4）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至整个系统瓦解。

1.本变电站短路电流计算

用标幺值进行计算，基准容量SB=100MVA，线路每相每公里电抗值X0=0.4Ω/km基准电压UB取各级的平均电压，平均电压为1.05额定电压：

额定电压（KV）

110

35

10

平均电压（KV）

115

37

10.5

由于本变电站所用三绕组变压器为降压变压器，所以其各电压侧阻抗电压正好与变压器铭牌标示的相反，即：

阻抗电压%

Ud1-2%

Ud1-3%

Ud2-3%

10.5

17

6

系统等值网络图如下：

其中，三绕组变压器电抗标幺值：

UT11%=UT21%=1/2（Ud1-2%﹢Ud1-3%﹣Ud2-3%）=0.5×（10.5﹢17﹣6）=10.75

UT12%=UT22%=1/2（Ud1-2%﹢Ud2-3%﹣Ud1-3%）=0.5×（10.5﹢6﹣17）=﹣0.25

UT13%=UT23%=1/2（Ud2-3%﹢Ud1-3%﹣Ud1-2%）=0.5×（6﹢17﹣10.5）=6.25

则：

XT11*=XT21*=UT11%/100·SB/SN=10.75÷100×100÷10＝1.075

XT12*=XT22*=0

XT13*=XT23*=UT13%/100·SB/SN=6.25÷100×100÷10＝0.625

线路的电抗标幺值：

XL1*=XL2*=X0·l·SB/UB2=0.4×100×100÷1152=0.3025

系统电抗标幺值，由于要求三相短路电流，所以用最大运行方式下的系统电抗：

XS*=XSmin·SB/SS=0.2×100÷1250=0.016

由此得到含短路点的等值网络简化图如下：

1）110kV侧（K1点）发生三相短路时：

等值网络图如下：

此时短路点总电抗标幺值为：

XΣ110*=XS*+XL*=0.016+0.3025÷2=0.16725

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS110=XΣ110*•SS/SB=0.16725×1250÷100=2.09

通过查“水轮发电机运算曲线数字表”得：

I（0）“*=0.509I

（1）“*=0.525I

（2）“*=0.525I（4）“*=0.525

110kV侧的基准电流为：

IB110=SB/

UB110=100÷

÷115=0.502（kA）

短路电流有名值为：

I（0）“=I（0）“*·IB110=0.509×0.502=0.256（kA）

I

（1）“=I

（1）“*·IB110=0.525×0.502=0.264（kA）

I

（2）“=I

（2）“*·IB110=0.525×0.502=0.264（kA）

I（4）“=I（4）“*·IB110=0.525×0.502=0.264（kA）

冲击电流为：

icj=2.55•I（0）“=2.55×0.256=0.653（kA）

2）35kV侧（K2点）发生三相短路时：

等值网络图如下：

此时短路点总电抗标幺值为：

XΣ35*=XS*+XL*+XT1*+XT2*=0.016+0.3025÷2+（1.075+0）/2=0.70475

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS35=XΣ35*•SS/SB=0.70475×1250÷100=8.809>3.45

当XBS>3.45时，求短路电流不用查表法，用倒数法：

I“*=I∞*=1/XBS35=1÷0.70475=1.418943

35kV侧的基准电流为：

IB35=SB/

UB35=100÷

÷37=1.56（kA）

短路电流有名值为：

I“=I“*·IB35=1.418943×1.56=2.213551（kA）

冲击电流为：

icj=2.55•I“=2.55×2.213551=5.645（kA）

3）10kV侧（K3点）发生三相短路时：

等值网络图如下：

此时短路点总电抗标幺值为：

XΣ10*=XS*+XL*+XT1*+XT3*=0.016+0.3025÷2+（1.075+0.625）/2=1.017

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS10=XΣ10*•SS/SB=1.017×1250÷100=12.716>3.45

当XBS>3.45时，求短路电流不用查表法，用倒数法：

I“*=I∞*=1/XBS35=1÷1.017=0.983284

10kV侧的基准电流为：

IB10=SB/

UB10=100÷

÷10.5=5.499（kA）

短路电流有名值为：

I“=I“*·IB10=0.983284×5.499=5.40708（kA）

冲击电流为：

icj=2.55•I“=2.55×5.40708=13.78805（kA）

系统最大运行方式下的三相短路电流

短路点

0s短路电

流（kA）

1s短路电

流（kA）

2s短路电

流（kA）

4s短路电

流（kA）

稳态短路

电流（kA）

冲击电流（KA）

K1（110KV）

0.256

0.264

0.264

0.264

0.653

K2（35KV）

2.214

5.645

K3（10KV）

5.407

13.788

五、主要电气设备的选择

1.断路器及校验

目前，使用得最多的是少油断路器，六氟化硫断路器和空气断路器。

①、110KV断路器选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥110kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=14.62MVA÷

÷110kV=77A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥0.256kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥0.6528kA

由以上条件查“35~500kV高压断路器技术数据表”选出断路器如下：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

开断容量（MVA）

额定开端电流（KA）

极限通过电流（KA）

热稳态电流（KA）

固有分闸时间（S）

合闸时间（S）

峰值

5s

SW4-110/1000

110

1000

18.4

55

21

0.06

0.25

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由上表，断路器分闸时间为0.06s，设过流保护动作时间2s，则t=0.06+2=2.06（s），β=I“/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

则：

I∞2tdZ=0.2562×1.67=0.109，It2t=212×5=2205＞0.109

所以所选择的断路器满足要求。

②、35KV断路器选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥35kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=6.86MVA÷

÷35kV=113A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥2.22kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥5.65kA

由以上条件查“35~500kV高压断路器技术数据表”选出断路器如下：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

开断容量（MVA）

额定开端电流（KA）

极限通过电流（KA）

热稳态电流（KA）

固有分闸时间（S）

合闸时间（S）

峰值

4s

DW6-35/400

35

400

6.6

19

6.6

0.1

0.27

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由上表，断路器分闸时间为0.1s，设过流保护动作时间2s，则t=0.1+2=2.1（s），β=I“/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

则：

I∞2tdZ=2.222×1.67=8.34，It2t=6.62×4=174.24＞8.34

所以所选择的断路器满足要求。

③、10KV断路器选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥10kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=7.76MVA÷

÷10kV=448A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥5.4kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥13.79kA

由以上条件查“10kV高压断路器技术数据”选出断路器如下：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

开断容量（MVA）

额定开端电流（KA）

极限通过电流（KA）

热稳态电流（KA）

固有分闸时间（S）

合闸时间（S）

峰值

2s

SN10-10I/630

10

630

16

40

16

0.05

0.2

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由上表，断路器分闸时间为0.05s，设过流保护动作时间2s，则t=0.05+2=2.05（s），β=I“/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

则：

I∞2tdZ=5.42×1.67=48.6972，It2t=162×2=512＞48.6972

所以所选择的断路器满足要求。

2.隔离开关

隔离开关选择技术条件与断路器相同。

对110kV，35kV出线线路侧隔离开关选用带接地刀闸的。

①、110KV隔离开关选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥110kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=14.62MVA÷

÷110kV=77A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥0.256kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥0.6528kA

由以上条件查变电站设计参考资料选出户外隔离开关如下：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

动稳定电流（KA）

热稳态电流（KA）

GW4-110

110

600

50

15.8

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由上表，隔离开关分闸时间为0.06s，设过流保护动作时间2s，则t=0.06+2=2.06（s），β=I“/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

则：

I∞2tdZ=0.2562×1.67=0.109，It2t=212×5=2205＞0.109

所以所选择的隔离开关满足要求。

②、35KV隔离开关选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥35kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=6.86MVA÷

÷35kV=113A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥2.22kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥5.65kA

由以上条件查变电站设计参考资料选出户外隔离开关如下：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

动稳定电流（KA）

热稳态电流（KA）

GN2-35T

35

400

52

14（5s）

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由上表，隔离开关分闸时间为0.1s，设过流保护动作时间2s，则t=0.1+2=2.1（s），β=I“/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

则：

I∞2tdZ=2.222×1.67=8.34，It2t=6.62×4=174.24＞8.34

所以所选择的隔离开关满足要求。

③、10KV隔离开关选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥10kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=7.76MVA÷

÷10kV=448A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥5.4kA

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥13.79kA

由以上条件查变电站设计参考资料选出户外隔离开关如下：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

动稳定电流（KA）

热稳态电流（KA）

GN19-10XT

10

630

50

20（4s）

5）热稳定校验：

I∞2tdZ≤It2t。

由上表，隔离开关分闸时间为0.05s，设过流保护动作时间2s，则t=0.05+2=2.05（s），β=I“/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

则：

I∞2tdZ=5.42×1.67=48.6972，It2t=162×2=512＞48.6972

所以所选择的隔离开关满足要求。

3.母线选择与校验

1）软母线:

110kV，35kV配电装置的母线采用钢芯铝绞线。

2）硬母线:

10kV母线采用硬母线。

①、110KV母线选择：

1）按最大工作电流选择导线截面S：

IgMAX≤KθIY：

IgMAX=SZmax/

UN=14.62MVA÷

÷110kV=77A

Kθ取0.89，则：

IY≥77÷0.89=86.52（A）

查“钢芯铝绞线长期允许载流量表”可选出导线：

导线型号：

LGJ-95

导体最高允许温度

钢芯铝绞线长期允许载流量（A）

700

330

800

352

2）热稳定校验：

S≥Smin=I∞/C·

dZ

C取87，tdZ取1.67，I∞=0.256kV则：

Smin=I∞/C·

dZ=256÷87×

=3.802585（mm2）＜95mm2

所以所选择的母线满足要求。

②、35KV母线选择：

1）按最大工作电流选择导线截面S：

IgMAX≤KθIY：

IgMAX=SZmax/

UN=6.86MVA÷

÷35kV=113A

Kθ取0.89，则：

IY≥113÷0.89=126.97（A）

查“钢芯铝绞线长期允许