110kv降压变电所电气一次部分设计.docx
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110kv降压变电所电气一次部分设计
黄冈职业技术学院
毕业设计
110KV降压变电所电气一次部分设计
学院机电学院
专业发电厂及电力系统
班级电力200901班
姓名余鹏飞
学号************
指导教师杜伟伟
110KV降压变电所电气一次部分设计
摘要：
随着经济的发展和现代工业建设的迅速崛起，供电系统的设计越来越全面、系统，工厂用电量迅速增长，对电能质量、技术经济状况、供电的可靠性指标也日益提高，因此对供电设计也有了更高、更完善的要求。
设计是否合理，不仅直接影响基建投资、运行费用和有色金属的消耗量，也会反映在供电的可靠性和安全生产方面，它和企业的经济效益、设备人身安全密切相关。
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。
关键词：
变电站负荷输电系统配电系统高压网络补偿装置
引言
本次设计题目为110KV降压变电所电气一次部分设计。
此设计任务只在体现对本专业各科知识的掌握程度，培养对本专业各科知识进行综合运用的能力，同时检验本专业学习三年以来的学习结果。
此次设计首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势。
通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了110kV主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，在根据最大持续工作电流及短路计算结果，对设备进行了选型校验，同时考虑到系统发生故障时，必须有相应的保护装置，因此对继电保护做了简要说明。
对于来自外部的雷电过电压，则进行了防雷保护和接地装置的设计，最后对整体进行规划布置,从而完成110kV降压变电所电气一次部分的设计。
第1章绪论
1.1变电站发展的历史与现状
1.1.1概况
变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用，如果仍然依靠原来的人工抄表、记录、人工操作为主，将无法满足现代电力系统管理模式的需求；同时用于变电站的监视、控制、保护，包括故障录波、紧急控制装置，不能充分利用微机数据处理的大功能和速度，经济上也是一种资源浪费。
随着电网规模的不断扩大、电力分配的日益复杂和用户对电能的质量的要求进一不提高，电网自动化就显得极为重要；近年来我国计算机和通信技术的发展及自动化技术的成熟，发展配电网调度与管理自动化以具备了条件。
变电站在配电网中的地位十分重要，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。
1.1.2变电站综合自动化系统的设计原则
1）在保证可靠性的前提下，合理和设置网络和功能终端。
采用分布式分层结构，不须人工干预的尽量下放，有合理的冗余但尽量避免硬件不必要的重复。
2）采用开放式系统，保证可用性（Interoperability）和可扩充性（Expandability）。
要求不同制造厂生产的设备能通过网络互连和互操作，同时还要求以后扩建时，现有系统的硬件和软件能较方便的与新增设备实现互操作。
1.2课题来源及设计背景
1.2.1课题来源
本课题是来源于本人在网络上参考的资料对中山电力设计院的研究和开发的项目，具有一定的实践性和可行性。
1.2.2设计背景
大冲镇现有110KV变电站（大冲站）一座，向全镇范围内供电。
大冲站共有主变2台，容量为40+31.5MVA，现有110KV线路2回，分别来自110KV联美变电站（联冲线）和南丰变电站（冲丰线）。
目前大冲站的最大负荷为3.88万千瓦，到2003年，大冲镇的用电量将达2.27亿千瓦时，最大负荷达4.53万千瓦。
随着工业的发展与工业区的开发，对电力电量的需求也相应的增加，预计到2005年，全镇用电量将达3.08亿千瓦时，最大负荷达6.16万千瓦；2010年，用电量将达到5.73亿千瓦时，最大负荷达到11.46万千瓦。
由此分析，仅靠目前大冲镇仅有的一个110KV变电站是远远不够满足负荷增长需求的。
若按照《城市电网规划设计导则》的要求，主变容量按1.8~2.1来计算，而且大冲镇现有的10KV线路大部分是放射形网，无法形成合理的环网和分段，结构比较单一和薄弱，供电可靠性差。
加上部分线路供电半径大、用户多、负荷重，线路压降过高，供电质量差，但城南变电站建成后可承担大冲镇南部的用电负荷，释放大冲站的供电能力，提高大冲镇的供电可靠性、改善电能质量和降低网损。
综上所述，新建110KV城南变电站是电源合理分布点，改善10KV配电网络结构，满足新增用电需要的必要措施。
第2章变电站负荷计算和无功补偿的计算
2.1变电站的负荷计算
2.1.1负荷统计
用电负荷统计如下表：
表1用电负荷统计（单位：
千瓦）
用户名称
最大负荷（kW）
线路长度（km）
回路数
造纸厂
260
6
1
硅铁厂
800
4
1
电视机厂
300
3
1
毛纺厂
300
5
1
缝纫机厂
380
4
1
医院
300
3
1
自行车厂
450
2
1
学校
250
3
1
远景发展：
10千伏侧远景拟发展6回电缆出线，最大综合负荷18MW，功率因数0.85；
表2负荷性质分析结果表
负荷等级
负荷值（KW）
占总负荷百分比（%）
8600
22.16
30200
77.84
2.1.2负荷计算
各组负荷的计算：
1）有功功率P=KX
ΣPei
2）无功功率Q=P
tgФ
3）视在功率S=
式中：
ΣPei：
每组设备容量之和，单位为KW；KX：
需用系数；CosФ:
功率因数。
总负荷的计算：
1）有功功率PΣ=K1
ΣP
2）无功功率QΣ=K1
ΣQ
3）视在功率SΣ=
4）自然功率因数：
CosФ1=PΣ/SΣ
式中：
K1组间同时系数，取为0.85～0.9。
电力系统中的无功功率就是要使系统中无功电源所发出的无功功率与系统的无功负荷及网络中的无功损耗相平衡;按系统供电负荷的功率因数达到0.95考虑无功功率平衡。
2.2无功补偿的目的
无功补偿的目的是系统功率因数低，降低了发电机和变压器的出力，增加了输电线路的损耗和电压损失，电力系统要求用户的功率因数不低于0.9（本次设计要求功率因为为0.95以上），因此，必须采取措施提高系统功率因数。
2.3无功补偿的计算
1）计算考虑主变损耗后的自然因数CosФ1：
P1=PΣ+ΔPb
Q1=QΣ+ΔQb
CosФ1=P1/
2）取定补偿以后的功率因数：
CosФ2为0.95：
3）计算补偿电容器的容量：
Qc=K1PΣ
（tgФ1+tgФ2）
式中：
K1=0.8～0.9
第3章主接线方案的确定
3.1主接线的基本要求
3.1.1安全性
高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离开关；低压断路器（自动开关）的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须设低压刀开关；装设高压熔断器—负荷开关的出线柜母线侧，必须装设高压隔离开关；变配电所高压母线上及架空线路末端，必须装设避雷器。
3.1.2可靠性
断路器检修时，不宜影响对系统的供电；断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部大部分二级负荷的供电；尽量避免发电厂、变电所全部停运的可能性；大机组超高压电气主接线应满足可靠的特殊要求；采用综合自动化，优化变电所设计：
国内变电所自动化发展进程分为三个阶段。
第一阶段由集中配屏以装置为核心的方式，向分散下放到开关柜以系统为核心的方式发展；第二阶段由单一功能、相互独立向多功能、一体化过渡；第三阶段由传统的一次、二次设备相对分立向相互融合方式发展。
变电所综合自动化就是在第二阶段。
3.1.3灵活性
变配电所的高低压母线，一般宜采用单母线或单母线分段接线；两路电源进线，装有两台主变压器的变电所，当两路电源同时供电时，两台主变压器一般分列运行；当只一路电源供电，另一路电源备用时，则两台主变压器并列运行；带负荷切换主变压器的变电所，高压侧应装设高压断路器或高压负荷开关；主接线方案应与主变压器经济运行的要求相适应。
3.1.4经济性
主接线方案应力求简单，采用的一次设备特别是高压断路器少，而且应选用技术先进、经济适用的节能产品柜；型一般宜采用固定式；只在供电可靠性要求较高时，才采用手车式或抽屉式；中小型工厂变电所一般才用高压少油断路器，在需频繁操作的场合，则应采用真空断路器或SF6断路器。
.如短路电流较大或有远控、自控要求时，则应采用电磁操作机构或弹簧操作机构；工厂的电源进线上应装设专用的计量柜，其互感器只供计费的电度表用，应考虑无功功率的人工补偿，使最大负荷时功率因素达到规定的要求；优化接线及布置，减少变电所占地面积
总之，变电所通过合理的接线、设备无油化、布置的紧凑以及综合自动化技术，并将通信设施并入主控室，简化所内附属设备，从而达到减少变电所占地面积，优化变电所设计，节约材料，减少人力物力的投入，并能可靠安全的运行，避免不必要的定期检修，达到降低投资的目的。
3.2主接线的方案与分析
3.2.1单母线
1）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；
2）缺点：
不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障检修，均需要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。
3）适用范围：
一般只适用于一台发电机或一台主变压器的以下三种情况：
6—110KV配电装置的出线回路数不超过6回；35—63KV配电装置的回线数不超过3回；110—220KV配电装置的出线回路数不超过2回。
3.2.2单母线分段接线
1）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，分段断路自动将故障段切断，保障正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
2）缺点：
当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均等扩建。
3）适用范围：
6—10KV配电装置出线回路数为6及以上时；35—63KV配电装置出线回路数为4—8回时；110—220KV配电装置出线回路数为3—4回时。
主接线图
3.3电气主接线的确定
采用单母线分段的结线：
单母线分段是借助于3DL，进行分段，当母线故障时，经倒闸操作可切除故障段，保证其它段继续运行，当进线电源一回发生故障，通过倒闸操作可保证两台主变的供电，单母线分段的结线可以作分段运行，也可做并列运行，采用分段运行时，各段相当于单母线运行状态，各段母线所带的主变压器是分列进行，互不影响任一母线故障或检修时，仅停止该段母线所带变压器的供电，两段母线同时故障的机率很小，可以不予考虑，采用并列运行时，电源检修无需母线停电，只需断开电源的断路器1DL1，（2DL1）及其隔离开关就能保证两台主变压器的供电，对本站110KV两回供电（小于4回路）较为适合。
该设计的电气主接线：
110KV采用线路变压器组接线，进线侧设断路器；10KV接线为单母线分段接线，#1主变10KV侧单臂进10KV母线，各带10KV出线12回，无功补偿电容器组2组；#2主变10KV双臂各进一段10KV母线，每段母线各带10KV出线6回，无功补偿电容器1组。
表3主要电气设备表
序号
设备名称
型号和规格
1
110KV断路器
SF6-110W3150A40KV
2
隔离开关
GW4-110IID（W）125031.5A（4S）
3
主变中性点隔离开关
GW13-63D（W）/630A
4
110KV线路避雷器
Y10W1-108/281（W）
5
主变中性点避雷器
HY1.5W-72/186
6
10KV母线桥避雷器
HY5WZ-17/45
7
10KV电容器
SF6充气集合式BAMHL11/√3-1600-1W×3
8
接地变压器
DKSC-1000/10.5-100/0.4
9
10KV开关柜
XGN2-12Z（Q）系列，其中断路器配置为：
进线断路器ZN28-12（Q），3150A，40KA
分段断路器ZN28-12（Q），3150A，40KA
其他ZN28-12（Q），1250A，31.5KA
第4章主变压器台数和容量的选择
4.1变压器的选择原则
为了保证每年电容按10%的增长，并在10年内能满足要求，并按下例方案进行综合考虑：
1）明备用方式，即2台主变压器的容量都满足（2-1）式的要求，任何情况下都只有1台运行，两台主变压器互相备用。
2）暗备用方式，即2台主变压器的容量之和满足（2-1）式的要求。
正常情况下两台主变运行，故障情况下一台运行，因此，每台变压器的容量应满足安全用电的要求,即保证Ⅰ、Ⅱ类负荷的供电，一般要求能满足全部负荷的70%--80%。
3）在设计中，初期主变压器可采用明备用方式，随着负荷的增加和发展，后期可采用暗备用方式。
4.2变压器台数的选择
1）对于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，变电站以两台主变压器为宜。
2）对于孤立的一次变电站或大型工业专业用变电站，在设计时要考虑设三台主变压器的可能性。
3）对于规划只住两台主变压器的变电站，其变压器基础宜大于变压器容量的1-2级设计，以便符合发展时更换变压器的容量。
4.3变压器容量的选择
按照上述原则确定变压器容量后，最终应选用靠近的国家的系列标准规格。
变压器容量系列有两种，一种是按R8容量系列，它是按R8=
≈1.33的倍数增加的，如100KVA、135KVA、180KVA、240KVA、320KVA、420KVA等；另一种是国际通用的R10容量系列，它是按R10=
8≈1.26的倍数增加的。
如容量有100KVA、125KVA、160VA、200KVA、250KVA、315KVA等。
我国国家标准GB1094《电力变压器》确定采用R10容量系列。
综合上述各种因数，确定该站主压器采用2台50000MVA的变压器。
当前我国电力系统基本都是三相制接线，尤其我省电力系统还没有单相供电的系统，故为了能接入系统运行，并能保证系统的安全稳定运行。
因为该地区110KV电压不是很稳定，为了保证10KV供电系统电压质量，本站采用有载调压方式，这样才能达到随时调整电压的目的。
冷却方式采用自冷型冷却方式。
变压器110KV侧中性点经隔离开关接地，同时装设避雷器保护。
综合上述几种情况，结合厂家的一些产品情况，故本站的主变压器选用的型
号：
SZ10-50000/110。
变电站全部负荷Sδ=45647KVA
变压器的初选容量S=80%Sδ=0.80×45647=36517KVA
选两台50000KVA的变压器。
主变压器：
2×50000KVA三相双卷自冷型油浸变压器。
电压等级：
110KV/10KV
出线：
110KV2回，10KV12回。
无功补偿容量：
4×4800Kvar
表4主变压器的选择
额定容量
电压组合及分接范围
联接组
标号
空载
损耗
KW
负载
损耗
KW
空载
电流
%
阻抗
电压
%
KVA
高压
KV
中压
KV
低压
KV
50000
110±
8×1.25%
38.5
±5%
10.5
YN,d11
71.2
250
1.3
14
第5章防雷与接地方案的设计
5.1防雷保护
5.1.1直击雷保护
直击雷过电压：
雷电直接击中电气线路、设备或建筑物而引起的过电压，又称直击雷。
在雷电的主放电过程中，其传播速度极快（约为光速的50%-10%），雷电压幅值达10-100MV，雷电流幅值达数百千安，伴以强烈的光、热、机械效应和危险的电磁效应以及强烈的闪络放电，具有强烈的破坏性和对人员的杀伤性。
110KV配电装置、主变压器为户外布置、采用在构架上设置2支避雷针，及其余设备均为户内布置，采用配电楼屋顶设避雷带，和避雷针联合作为防直击雷保护，确保户外主变压器、110KV配电装置在其联合保护范围内。
避雷带采用Ф16的热镀锌圆钢，避雷针与建筑物钢筋隔离，并采用3根引下线与主接地网相连接，连接点与其他设备接地点的电气距离应满足规范要求。
5.1.2侵入波保护
雷电波入侵（高电位侵入）:
架空线路遭受雷击或感应累的影响,在线路上形成沿线路传播的高电压行波.此种电压波入侵到建筑物内或进入电气设备造成过电压。
据统计城市中雷击事故的50%-70%是由于这种雷电波侵入造成的。
因此，在工厂中应予以重视，对其危害给予足够的防护。
为防止线路侵入雷电波的过电压，在110KV进线，10KV母线桥及10KV每段母线上分别安装氧化锌避雷器。
为保护主变压器中性点绝缘，在主变110KV侧中性点装设氧化锌避雷器。
10KV并联电容器根据规定装设氧化锌避雷器保护。
5.2接地装置的设计
接地装置宜选用钢材，接地装置的导体截面应符合热稳定性和机械强度的要求，到不小于表中所列的规格。
表5钢接地体和接地线的最小规格
种类、规格及单位
地上
地下
室内
室外
交流电流回路
直流电流回路
圆钢直径（mm）
6
8
10
12
注：
大中型发电厂，110KV及以上变电所或腐蚀性较强场所的接地装置应采用热镀锌钢材或适当加大截面。
本变电站主接地网以水平接地体加垂直地极构成，水平接地体采用Ф16热镀锌圆钢，垂直接地极用∠50×50×2500和∠50×50×3000两种长度的热镀锌角钢，布置尽量利用配电室以外的空地。
变电站主接地网接地电阻应满足R≤0.5Ω的要求。
如实测接地电阻值不能满足要求，则需扩大接地网面积或采取其他降阻措施。
所有设备的底座或基础槽钢均采用Φ16的热镀锌圆钢焊接并接入主接电网，与主接地网可靠焊接。
带有二次绕组的设备底座应采用两根接地引下线，与电网两个不同点可靠焊接。
施工中应保证避雷针（网）引下线与主接地网的地下连接点至变压器和10KV及以下设备的接地线与接地网的地下连接点沿接地体的长度不小于15m。
变电站四周与人行道相邻处，设备与主网相连接的均压带。
主控室内采取防静电接地及保护接地措施。
第6章短路电流的计算
供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。
但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。
所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。
造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。
短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。
当它通过电气设备时，设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。
短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。
6.1绘制计算电路
图1短路电流计算图
6.2短路电流计算
进行计算的物理量，不是用具体单位的值，而是用其相对值表示，这种计算方法叫做标幺值法。
标幺值的概念是：
某量的标幺值=
所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度，用标幺值表示的物理量是没有单位的。
供电系统中的元件包括电源、输电线路、变压器、电抗器和用户电力线路，为了求出电源至短路点电抗标幺值，需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值。
1）输电线路
已知输电线路的长度为
，每公里电抗值为
，线路所在区段的平均电压为
，则输电线路电抗相对于基准容量
和基准电压
的标幺值为
2）变压器
变压器通常给出短路电压百分数
，得
图2短路等效电路图
①本设计选Sj=100MVA
取Uj1=37KV则Ij1=
KA=1.561KA
取Uj2==10KV则Ij2=
KA=5.77KA
②计算各元件阻抗的标幺值
系统电抗：
③求电源至短路点的总阻抗
K1点:
K2点:
K3点:
④短路电流的计算结果如下表：
表6短路电流计算结果表
短路点
短路容量
Sd（MVA）
短路电流周期分量（有效值）Id（KA）
短路冲击电流
（有效值）
Ish（KA）
短路冲击电流（峰值）
ish（KV）
110KV进线侧（K1）
960.6
4.995
7.592
12.635
110KV分列运行（K2）
260.3
15.019
22.828
38.298
110KV并列运行（K3）
438.8
25.319
38.485
64.563
第7章电气设备的选择
7.1导体和电气设备选择的一般条件
正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。
在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。
7.1.1一般原则
1）应满足正常运行机制、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要。
2）应按当地环境条件校核。
3）选择导体时应尽量减少品种。
4）扩建工程应尽量使新老电器型号一致。
5）选用的新产品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。
7.1.2技术条件
选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。
各种高压电器的一般技术条件。
一、长期工作条件
1）电压
选用电器允许最高工作电压Umax不得低于该回路的最高运行电压Ug，即Umax≥Ug式4-1
2）电流
选用的电器额定电流Ie不得低于所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig，即Ie≥Ig式4-2
由于变压器短时过载能力很大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。
高压电器没有明确的过载能力，所以在选择额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。
二、短路稳定条件
1）校验的一般原则
电器在选定后按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流。
用熔断器保护的电器可不验算热稳定。
短路的热稳定条件
I2tjs≥Qdt式4-3
式中：
Qdt——在计算时间tjs秒内，短路电流的热效应（kA2•S）
I——tjs秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（KA）
tjs——设备允许通过的热稳定电流时间（s）校验短路热稳定所用的计时间按下式计算：
tjs=tb+td式4-4
式中：
tb——继电保护装置后备保护动作时间（s）
td——断路器全分闸时间（s）
短路动稳定条件
ich≤idf式4-5
Ich≤Idf式4-6
式中：
ich、Ich——短路冲击电流幅值、有效值（KA）
idf、Idf——允许通过稳定电流的幅值、有效值（KA）
绝缘水平在工作电压和过电压的作用下，电器内、外绝缘保证必要的可靠性。
电器的
升级会员 