精品焦化厂110kV变电站电气一次系统设计电气工程毕业论文设计.docx
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精品焦化厂110kV变电站电气一次系统设计电气工程毕业论文设计
1引言
经济的迅速发展，科学技术的不断进步促使社会中各行各业都在不断地发展壮大，各大高校相继出现了前所未有的发展势头，特别是各种高、新、尖、精的技术应用，而所有的一切都离不开电，而电的中枢—变电所更是必不可少，起到至关重要的作用。
电是一个广义的范畴，伴随负荷的不同，对电的要求也会随之改变。
对此题目的设计除了注重实际应用外，还应考虑可靠性、经济性和电能的质量。
如线路保护、接地保护、变压器保护等保护的有关问题及其设备元件的选择。
此题目的设计涉及《发电厂电气部分》、《电力系统分析》、《电力系统继电保护》、《电力系统自动化》等所学习过的课程及相关内容。
所有的设计查阅资料是必不可少的，而资料的获取应以实际为准，做为一名初次设计者，设计之前应具备一定的设计能力，但是由于缺乏经验，知识体系的不够完善等多种原因，适用于估算。
在估算的过程中，所得理论结果只要与实际偏差不大，对整个电力系统不产生重大的影响，是可行的。
了解整个设计的目的、内容和基本要求进行设计的资料推备。
资料准备主要通过查阅（包括上网查问）文献资料和参加生产实习两条渠道进行。
此设计充分吸收专业理论知识，考虑自己毕业设计的选题方向，有目的、有计划地查阅与选题方向有关的文献资料，特别是在参加生产实习的过程中有意识地搜集生产过程及新技术、新设备、改革新成果的应用等方面资料，这也是为毕业设计课题收集资料的最重要途径。
选定题目后，应再有针对性地查阅一些资料，最后对所有收集的资料进行整理。
最后由于设计者的水平有限，以及对电气技术日新月异的发展掌握不够，加之国外电气技术和产品的大量引进，我国对电气设计设备技术标准、规范还在不断地改进和完善，所以设计难免有不足，希望老师给予批评指正，使本设计更加完善。
2主变压器选择
在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。
在输配电系统中，变压器起到桥梁作用，变压器是借助电磁感应原理，以相同的频率，交换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。
2.1变电所变压器容量、台数、型号选择
2.1.1变压器容量
变压器空载运行时需用较大的无功功率，这些无功功率需由供电系统供给，变压器容量如选的过大，不但增加投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现“大马拉小车”现象，使空载的损耗增加，功率因数降低，网络损耗增加。
若容量选的小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。
变压器的最佳负载率在40%-70%之间，负载过高，损耗明显增加，另一方面，由于变压器容量裕度小，负载稍有增长，便需要增容，更换大容量的变压器，势必增加投资，且影响供电。
总之选择变压器的容量，要以现有的负荷为依据，按照5-10年的发展计划来确定，按照焦化厂110KV变电站的设计选用的变压器容量为1000kVA。
2.1.2主变压器台数和型号
1．台数
变压器的台数应根据负荷的特点和经济运行进行选择，要由负荷大小，对供电的可靠性和电能质量的要求来决定，并兼顾节约电能、降低运行造价、维护设备等因素，确定变压器台数应综合考虑，进行认真的技术经济比较。
按负荷的等级和大小来说，对于带一、二级负荷的变电所，当一、二级负荷较多时，应选两台或两台以上变压器，如只有少量的一、二级负荷并能从相邻的变电所取得低压备用电源，可以只采用一台变压器。
对于像焦化厂综合楼来说主要负荷是二、三类负荷，二级负荷主要是消防电梯、应急照明等负荷；而三级负荷主要是电力设备和普通照明，根据需要拟装设两台变压器。
2．型号
主变压器的型号选择主要考虑以下因素：
1）.变电所的所址选择；2）.建筑物的防火等级；3）.建筑物的使用功能；4）.主要用电设备对供电的要求；5）.当地供电部门对变电所的管理体制等。
设置在一类高、低压主体建筑中的变压器，应选择干式、气体绝缘或非可燃性液体绝缘的变压器；二类高、低压主体建筑也宜如此，否则应采取相应的防火措施。
主变压器安装在地下时，根据消防要求，不得选用可燃性油变压器，地下层一般比较潮湿，通风条件不好，也不宜选用空气绝缘的干式变压器，而宜采用环氧树脂浇注型或者六氟化硫型变压器，综合所述结合校的具体情况选型为SCB9-1000/10KV变压器。
2.1.3主变压器确定
位于马兰煤气化焦化二厂变电所的主变压器型号为环氧树脂浇注型，其技术参数如表2.1所示。
表2.1SCB9-1000/10变压器技术参数
型号
额定
容量（KVA）
额定电压（kV）
空载
损耗（W）
负载损耗（W）
短路阻抗（%）
空载
电流
（%）
变压器连接组
高压
低压
SCB9-1000/10
1000
10.5
0.4
1660
8550
6
1.0
2.2干式变压器的结构
为了确保供电安全，迫切需要即可深入负荷中心又无燃烧危险的变压器，而当今，随着社会进步，干式变压器得到了广泛的应用，根据国家标准《干式变压器》定义，所谓干式变压器，就是指铁心和绕组不浸入液体中的变压器。
干式变压器的结构与油浸式变压器的差别不大，采用晶粒取向电工钢片，轭和柱采用全斜接缝，心柱用钢带或自干型绝缘粘带绑扎，也有用粘结剂将铁心胶合，铁心为防止因凝结而引起锈蚀，在铁心表面涂有耐热的防锈覆盖漆或树脂，容量较大时，铁芯中要有气道，气道尺寸为15-20mm，而干式变压器的绕组材料是铜箔或铝箔，有时也采用铜线绕制，而低压线圈（1000V及以下），用铜箔（或铝箔）与预浸环氧树脂的绝缘材料紧密绕制，采用缠绕玻璃纤维加强树脂包封，经过工艺处理后，使高低压线圈各自成为一个坚固的整体，不但具有很强的承受短路能力，而且经过冷热循环试验，证明了线圈具有耐潮、耐裂、阻燃和自熄功能。
由于干式变压器的适用材料不同，其绝缘等级也不同，绝缘材料等级与绝缘材料最高允许温度见表2.2。
表2.2绝缘等级与最高允许温度
绝缘等级
Y
A
E
B
F
H
C
绝缘材料最高允许温度（）
95
105
120
130
155
180
220
2.3干式变压器的特点
1.占地面积小，不必单独建设变压器室，它可以和10kV的高压柜，380/220V的低压配电柜装在一个室内。
2.运行、维修量小。
3.具有耐热、防尘、耐潮的特点，适合于安装负荷中心，对系统经济运行节电起到了一定作用。
4.损耗小、噪声小。
5.绝缘性好，局部放电量小，耐雷电冲击力强。
6.机械强度高,抗温度变化，抗短路能力强。
7.价格昂贵。
8.寿命期后，不易回收，污染环境。
2.4干式变压器的使用注意事项
1.干式变压器选择不同的外壳，是由所处的环境和防护要求而定。
2.干式变压器绕组的绝缘，很大程度影响变压器的安全和使用寿命。
3.自然空气冷却和强迫空气冷却。
4.干式变压器的过载能力与环境温度、载前的负荷情况、变压器的绝缘散热情况和发热时间常数有关。
3电气主接线设计
电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。
用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。
电气主接线是变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节。
对电气主接线的基本要求概括地说应包括电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性。
3.1对电气主接线的基本要求和原则
3.1.1电气主接线的基本要求
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。
经过长期运行实践的考验，对变电所采用的主接线经过优选，现今采用主接线的类型并不多。
主接线的可靠性不仅要考虑—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．灵活性
主接线的灵活性有以下几方面要求；
1）调度要求。
可以灵活的投入和切除变压器、线路、调配电源和负荷，能够满足系统在事故运行方式下、检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。
2）检修要求。
可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修，且不致影响对用户的供电。
3）扩建要求。
可以容易的从初期过渡到终期接线，使在扩建时，无论一次和二次设备改建量最小。
3．经济性
经济性主要是投资省、占地面积小、能量损失小。
3.1.2电气主接线的原则
1．考虑变电所在电力系统中的地位和作用
变电所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、负荷增长速度以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以及所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数多少对主接线的影响
对一级负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级负荷不间断供电；对二级负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级负荷供电。
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
变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。
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问。
例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时允许切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。
3.2电气主接线的设计程序
1、电气主接线的设计程序
电气主接线的设计伴随着变电所的整体设计，即按照工程基本建设程序，历经可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段等四个阶段。
在各阶段中随要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计思路、方法和步骤相同。
（1）对原始资料进行分析，具体内容如下：
1）本工程情况。
主要包括：
变电所类型；设计规划容量；变压器容量及台数；运行方式等。
2）电力系统情况。
电力系统近期及远景发展规划（5—10年）；变电所在电力系统中的位置（地理位置和容量位置）和作用；本期工程和远景规划与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。
3）负荷情况。
负荷的性质及地理位置、电压等级、出线回路数及输送容量等。
电力负荷在原始资料中虽已提供，但设计时应该认真地辩证地分析。
因为负荷的发展和增长速度受政治、经济、工业水平和自然条件等方面影响。
如果设计时，只依据负荷计划数字，而投产时实际负荷小了，就等于积压资金，否则电量供应不足，就会影响其他工业的发展。
4）环境条件。
当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔、地震等因素对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。
特别是我国土地辽阔，各地气象、地理条件相差甚大，应子以重视。
对重型设备的运输条件也应充分考虑。
5）设备制造情况。
为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。
（2）拟定主接线方案。
根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定若干个主接线方案。
因为对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等考虑的不同，会出现多种接线方案（近期和远期）。
应依据对主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2—3个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进行可靠性定量分析计算比较，最后获得技术合理、经济可行的主接线方案。
（3）主接线经济比较。
（4）短路电流计算。
对拟定的电气主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。
（5）电器设备的选择。
（6）绘制电气主接线图及其他必要的图纸。
（7）工程概算。
包括：
主要设备器材费；安装工程费；其他费用。
3.3主接线设计
主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种形式，分为两大类：
有汇流母线的接线形式、无汇流母线的接线形式。
变电所电气主接线的基本环节是电源（变压器）、母线和出线（馈线）。
各个变电所的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输的功率也不一样。
在进出线数较多时（一般超过4回），为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便有利于安装和扩建。
但有母线后，配电装置占地面积较大，使用断路器等设备增多。
无汇流母线的接线使用开关电器较少，占地面积小，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的变电所。
有汇流母线的接线形式主要有：
单母线接线和双母线接线。
设计中仅以单母线接线为例。
一、单母线接线
图3.1单母线接线
如图3.1所示，单母线接线的特点是整个配电装置只有一组母线，每个电源线和引出线都经过开关电器接到同一组母线上。
供电电源是变压器或高压进线回路。
母线既可以保证电源并列工作，又能使任一条出线回路都可以从电源l或2获得电能。
每条引出线回路中部装有断路器和隔离开关，靠近母线侧的隔离开关QS2称作母线隔离开关，靠近线路侧的QS3称为线路隔离开关（在实际变电所中，通常把靠近电源侧的隔离开关称为甲刀闸，把靠近负荷侧的隔离开关称为乙刀闸）。
由于断路器具有开合电路的专用灭弧装置，可以开断或闭合负荷电流和开断短路电流，故用来作为接通或切断电路的控制电器。
隔离开关没有灭弧装置．其开合电流能力极低，只能于设备停运后退出工作时断开电路，保证与带电部分隔离，起着隔离电压的作用。
所以，同一回路中在断路器可能出现电源的一侧或两侧均应配置隔离开关，以便检修断路器时隔离电源。
若馈线的用户侧没有电源时，断路器通往用户则可以不装设线路隔离开关。
但如果费用不大，为了防止过电压的侵入。
也可以装设。
同一回路中串接的隔离开关和断路器，在运行操作时，必须严格遵守下列操作顺序：
如对馈线送电时，须先合上隔离开关QS2和QS3，再投入断路器QF2；如欲停止对其供电，须先断开QF2，然后再断开QS3和QS2。
为了防止误操作，除严格按照操作规程实行操作票制度外。
还应在隔离开关和相应的断路器之间，加装电磁闭锁、机械闭锁。
接地开关（又称接地刀间）QS4是在检修电路和设备时合上，取代安全接地线的作用。
当电压在110kV及以上时，断路器两侧的隔离开关扣线路隔离开关的线路侧均应配置接地开关。
对35kV及以上的母线，在每段母线上亦应设置1—2组接地开关或接地器，以保证电器和母线检修时的安全。
1．单母线接线的优缺点
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：
灵活性和可靠性差，当母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开它所连接的电源，与之相连的所有电力装置在整个检修期间均而停止工作。
此外，在出线断路器检修期间，必须停止该回路的供电。
2．单母线接线的适用范围
一般适用于一台主变压器的以下两种情况：
（1）6-10kV配电装置的出线回路数不超过5回。
（2）35-66kV配电装置的出线回路数不超过3回。
二、单母线分段接线
为了克服一般单母线接线存在的缺点，提高它的供电可靠性和灵活性，可以把单母线分成几段，在每段母线之间装设一个分段断路器和两个隔离开关。
每段母线上均接有电源和出线回路，便成为单母线分段接线，如图3.2所示。
图3.2单母线分段接线
1．单母线分段接线的优缺点
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当一证正常段母线不间断供电和不致使大面积停电。
缺点：
①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内停电；②当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；③扩建时需向两个方向均衡扩建。
2．适用范围
（1）6一10kV配电装置出线回路数为6回及以上时。
（2）35—66kV配电装置出线回路数为4—8回时。
4所用电的设计
变电所的所用电是变电所的重要负荷，因此，在所用电设计时应按照运行可靠、检修和维护方便的要求，考虑变电所发展规划，妥善解决因建设引起的问题，积极慎重地采用经过鉴定的新技术和新设备，使设计达到经济合理，技术先进，保证变电所安全，经济的运行。
4.1所用电接线一般原则
1）满足正常运行时的安全,可靠,灵活,经济和检修,维护方便等一般要求。
2）尽量缩小所用电系统的故障影响范围,并尽量避免引起全所停电事故。
3）充分考虑变电所正常,事故,检修,起动等运行下的供电要求,切换操作简便。
4.2所用电接线方式确定
所用电的接线方式，在主接线设计中，选用为单母分段接线选两台所用变压器互为备用，每台变压器容量及型号相同，并且分别接在不同的母线上。
4.3备用电源自动投入装置
4.3.1备用电源自动投入装置的作用
备用电源自动投入装置目标：
为消除或减少损失，保证用户不间断供电。
BZT定义：
当工作电源因故障被断开以后，能迅速自动的将备用电源投入或将用电设备自动切换到备用电源上去，使用户不至于停电的一种自动装置简称备自投或BZT装置。
4.3.2适用情况以及优点
1）发电厂的厂用电和变电所的所用电。
2）有双电源供电的变电所和配电所，其中一个电源经常断开作为备用。
3）降压变电所内装有备用变压器和互为备用的母线段。
4）生产过程中某些重要的备用机组
采用BZT的优点：
提高供电的可靠性节省建设投资，简化继电保护装置，限制短路电流，提高母线残压。
4.3.3BZT的工作过程及要求
BZT装置应满足的基本要求：
1）工作母线突然失压，BZT装置应能动作。
2）工作电源先切，备用电源后投。
3）判断工作电源断路器切实断开，工作母线无电压才允许备用电源合闸。
4）BZT装置只动作一次，动作是应发出信号。
5）BZT装置动作过程应使负荷中断供电的时间尽可能短。
6）备用电源无压时BZT装置不应动作。
7）正常停电时备用装置不启动。
8）备用电源或备用设备投入故障时应使其保护加速动作。
BZT装置应由低电压启动部分和自动重合闸部分组成，低电压启动部分是监视工作母线失压和备用电源是否正常；自动重合闸部分在工作电源的断路器断开后，经过一定延时间将备用电源的断路器自动投入。
变电所BZT装置工作过程：
1）110KV侧BZT：
当某一条110KV母线故障导致母线失压，故障侧断路器切断工作电源，非故障侧母线与桥型母线上BZT动作，将故障侧设备自动切换到非故障侧。
2）35KV侧BZT:
当某一条35KV母线故障导致母线失压，故障侧断路器切断工作电源，BZT动作，将故障侧设备自动切换到非故障侧。
3）10KV侧、所用电BZT：
当某一条10KV母线或所用电母线故障导致母线失压，故障侧断路器断开，BZT动作，母联断路器合闸，将故障侧负荷切换到非故障侧。
5继电保护
电力系统的继电保护是继电保护技术和继电保护装置的统称。
它对保证系统安全运行和电能质量、防止故障扩大和事故发生起着及为重要的作用。
5.1继电保护
5.1.1对继电保护的基本要求
动作于跳闸线圈的继电保护在技术上一般满足以下几个方面：
1.选择性
它是继电保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，保证系统非故障元件仍继续运行，尽量减小停电范围。
2.灵敏性
灵敏性是指对于保护范围内发生故障或非正常运行状态的反应能力。
3.速动性
速动性是指快速地切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下的工作时间，以及减小故障元件的损坏程度。
4.可靠性
可靠性是指在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作情况下，则不应该错误动作。
5.1.2继电保护原理
电力系统故障后工频电气量的主要特征变化如下：
1.电流增大；
2.电压降低；
3.电流与电压之间的相位角发生变化；
4.测量阻抗发生变化；
5.出现负序和零序分量；
6.电气元件流入与流出电流的关系发生变化；
7.利用故障时电气量的变化特征，可以构成各种作用原理的继电保护。
5.2过电流与速断保护整定值的计算
5.2.1过电流整定值计算
计算变压器过电流的整定值
式中——继电保护动作整定值（A）；
——保护装置的可靠系数；
——接线系数；
——电流互感器电流比；
——线路最大负载电流（A）；
——继电器返回系数；
式中——继电器返回电流，电流互感器开始释放的最大电流（A）；
——继电器起动电流，电流继电器开始吸合的最小电流（A）;
DL型继电器的一般要求在0.85-0.9。
若返回系数小于0.85，说明继电器传动部分有油污，应清洗加油，以减少摩擦阻力矩，如果清洗加油后，仍达不到0.85以上，应考虑更换电流互感器。
设计中所选用的变压器型号为SCB9-1000/10变压器，10KV/0.4KV，57.7A/1443A，干式变压器，其中电流互感器电流比为其过电流整定值计算如下所示：
电流整定值：
，
过电流保护继电器选用DL-11/11型。
（1）过电流保护动作时限
（2）灵敏度的校验。
变压器过电流保护的灵敏度，按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下运行，发生两相短路来检验，其灵敏度也与线路过电流保护要求相同，即，个别情况下，允许。
即（灵敏度合格）。
电流速断保护
对于小容量的变压器，可装设电流速断保护和气体保护一起构成变压器主保护。
变压器电流速断保护的工作原理与输电线路的相同，只是将保护设备换成变压器保护而已。
保护的原理接线图如附录Ⅱ。
保护的原理接线图如图8-1，由于容量较小的变压器一般为单侧电源，此时注意将电流速断保护装于变压器电源侧。
保护动作电流的整定值有两个原则：
1.躲过变压器二次测母线上Ｋ1处故障时流过保护的最大短路电流，即
式中 －可靠系数，取1.2－1.3。
2.躲过变压器空载合闸时的励磁涌流。
通常取
式中 －保护安装侧变压器的额定电流。
保护动作电流取上述两者中最大者。
保护的灵敏度按保护安装出Ｋ2点故障时流过保护的最小两相短路电流校验，即要求：
变压器电流速断保护具有接线简单、动作迅速等优点，但是由于不能保护变压器的全部，且范围随系统运行方式及类型的变化而变化，因此，只能在容量较小的变压器中，与气体保护构成变压器的主保护。
图5.1电流速断保护原理接线图
图5.2电流速断保护原理接线图展开式
5.2.2速断保护整定值计算
式中——电流继电器速断保护动作电流（A）；
——保护装置可靠系数，取=1.2；
——接线系数，取=1；
——电流互感器电流比，=75/5=15；
——线路末端最大短路电流，即三相金属性短路电流稳定性（A）；
取
，
对于电力系统末端供配电电力变压器的速断保护，一般取额定电流的2-3倍。
则
；
速断保护动作电流整定值为10A；
动作时限为0s;
灵敏度校验公式：
；
取
；
；
（灵敏度合格）
6
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