110KV变电站电气一部分初步设计.docx

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110KV变电站电气一部分初步设计

110KV变电站电气一部分初步设计

前言

（2）

第一章电气主接线设计（3）

第二章短路电流计算（13）

第三章电气设备选型（17）

第四章户内、外配电装置的配置（33）

第五章无功补偿设计（35）

第六章避雷器选折（36）

谢辞（38）

前言

变电站是电力系统的重要组成部分，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。

电气主接线是变电站设计的首要任务，也是构成电力系统的重要环节。

电气主接线的拟定直接关系着全站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定因素。

本次设计为110KV变电站电气一部分初步设计,设计的目的是提高自己的技能水平，综合能力。

达到理论联系实际，学有所用；通过本次对电气主接线图的设计，变压器的选型，及短路电流的计算，掌握了供电部分的初步设计。

在毕业设计期间彭长均老师在设计的选题和设计思路上给了我很多的指导和帮助。

彭长均老师循循善诱的教学方法、热情待人的处事方式、一丝不苟的治学态度、对学生严格要求的敬业精神给我留下了很深的印象。

在此，我对恩师表示最崇高的敬意和最诚挚的感谢。

由本人水平有限，没有实际设计经验，设计中错误和不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。

第一章电气主接线设计

1.1概述

变电站中安装有各种电气设备，并依照相应的技术要求连接起来。

把变压器、断路器等按预期生产流程连成的电路，称为电气主接线。

电气主接线是各种电器设备如发电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、电缆、线路等按照一定的要求和顺序连接起来，完成电能的输送和分配的电路。

电气主接线是传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。

用国家统一的图形和文字符号表示各种电气设备，并按工作顺序排列，详细地表示电气主接线的全部基本组成和连接关系的接线图，称为主接线图。

主接线的设计必须根据电力系统、发电厂或变电站的具体情况，全面分析，正确处理好各方面关系，通过技术经济比较，合理地选择主接线方案。

1.2电气主接线的设计原则

电气主接线设计的基本原则为：

以下达的设计任务书为依据，根据国家现行的“安全可靠、经济适用、符合国情”的电力建设与发展的方针，严格按照技术规定和标准，结合工程实际的具体特点、准确地掌握原始资料，保证设计方案的可靠性、灵活性和经济性。

1.3电气主接线的设计步骤

1）原始资料的分析。

变电的类型：

根据变电所在电力系统中的地位和作用，可分为枢纽变电所、中间变电所、地区变电所、和终端变电所等类型；变电所在电力系统中的地位和作用：

分析变电所在系统中处的地位，与系统的联系情况，是非有穿越功率，本所停电对系统供电可靠性的影响等；当地的环境、气温、海拔、污染程度、地震烈度等都影响电气设备和配电装置的选择。

变电所级后的发展方向是向小型化、无油化、自动化方向发展。

2）对拟定的各方案进行技术、经济比较，选出最好的方案。

各主接线方案都应该满足系统和用户对供电可靠性的要求，在兼顾到今后的扩容和发展前提下，通过经济比较，得出最终方案。

3）绘制电气主接线图。

1.4电气主接线设计的基本要求

1）可靠性

a）断路器检修时，不宜影响对系统的供电。

b）断路器或母线故障及母线检修时，尽量减少停运时间，并要保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。

c）尽量避免发电厂、变电所全部停运的可能性。

d）大机组超高压电气主接线应满足可靠性的特殊要求。

2）灵活性

a）在调度时，可以灵活地投入或切除发电机、变压器和线路原件，合理调配电源和和负荷。

b）在检修时，可以方便地停运断路器、母线及二次设备，并方便地设置安全措施，不影响电网的正常运行和对其他用户的供电。

3）经济性

a）主接线应力求简单，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备。

b）要能使继电保护和二次贿赂不过与复杂，以节省二次设备和控制电缆。

c）要能限制短路电流，以便选择廉价的电气设备或轻型电器。

d）占地面积小。

e）电能损耗小。

积经济合理地选择变压器的类型、容量、数量和电压等级。

4）发展性。

主接线可以容易地从楚漆器接线方式过渡到最终接线。

1.5本站电气主接线设计

根据原始资料本变电站主供电源取自系统A变电站1个110KV出现间隔单回线供电，另由B变电站提供提供一回10KV架空线作为备用电源。

系统要求仅在工作电源停止供电时，才允许使用备用电源。

其参数与线路接线已给出。

通过分析设计有两个方案。

如下所示：

方案1：

单母线分段

方案2：

双母线

对方案一和方案二的综合比较，见表1-2。

方案一

方案二

比较结果

可靠性

当母线发生故障或检修时，仅断开该段电源和变压器，非故障段仍可继续工作，但需限制一部分用户的供电。

可靠性较高

当母线故障检修时，隔离开关作为操作电器，再倒换操作时容易误操作；检修任一回路母线或母线隔离开关，只停该回路。

方案一优于方案二

灵活性

当一段母线隔离开光故障或检修时，该段母线上的所有回路长时间停电。

灵活性较差

可以轮换检修母线或母线隔离开关而不致供电中断；母线故障后能迅速恢复供电。

灵活性高

方案二优于方案一

经济性

接线简单，电气设备使用相对较少，占地面积小，维护费少

隔离开关、配电装置数量增加；构架高度增加；占地面积大

方案一优于方案二

发展性

易于扩建，利于以后规划

便于向母线左右任意一个方向扩建

方案二优于方案一

根据《电力系统分册》单母线分段可用于110220KV级为4回，满足本变电所要求，接线方式应选择简单明了的方案。

综上所述方案一优于方案二，故选择方案一为本变电站的主线形式。

1.6主变压器选择

一、变压器容量的确定

1）变电所建成后510年规划负荷选择，并考虑到远期1020年的负荷发展，对城郊变电所，主变压器容量应与诚市规划相结合。

2）装有两台以上主变压器的变电所，应考虑一台主变压器停运时，其余变压器容量不应小于60%的全部负荷，并保证一类、二类负荷供电。

3）任一台变压其单独运行时，应满足全部一级负荷需求。

S

二、变压器台数的确定

1）与系统有强联系的大、中型发电厂和枢纽变电所，在一种电压等级下，主变压器应不小于2台。

2）与系统联系较弱的中、小型电厂和低压侧电压为610KV的变电所或与系统联系只是备用性质，可只装1台主变压器。

3）对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设3台主变压器。

SN>S

有原始资料可知，本变电站的最大供电负荷为42000KW，功率因数为0.95。

容量：

S=P/cosφ=42000kw/0.95=44210kw

本变电所只装设装设一台变压器，变压器的容量按下列选择：

SN>S=44210KW

变压器的容量应为50000KVA。

型号:

SFZ9—50000/110

型号

额定电压

（KV）

空载电流（%）

损耗

（KV）

阻抗电压（%）

高压

低压

空载

负载

SFZ9—50000/110

110±8*1.25%

10.5

0.5

47.76

194.4

10.5

1.7电气主接线设计效验

A.110KV侧线路效验

根据原始资料A变电站到本变电所的架空线的型号为LGJ—150。

导线型号

标称截面

（mm2）

r1

（Ω/KM）

x1

（Ω/KM）

+70℃长期允载流量

（A）

LGJ—150

150

0.210

0.416

463

1）Q2=S2—P2Q=13860KVar

电压损耗：

∆U=（Pr1+Qx1）L/UN

=（42×0.21+13.86×0.416）×35/110

=4.64KV

∆U%=∆U/UN×100%=4.64/110×100%=4.2%<5%

结论：

满足要求

2）最大工作电流：

Igmax=P/1.732UNcosφ

=42000/（1.732×110×0.95）=232A

发热温度：

因为单回路运行，为线路最大工作电流计算

I0=463AI0＞Igmax

结论：

满足要求

3）电晕条件：

当海拔不超过1000m时，在常用的相间距离情况下，110KV导线型号不小于LGJ—70,可不进行电晕效验。

结论：

满足要求

4）机械强度：

为保证架空线线路具有必要的机械强度，对于跨越铁路，通航河流、公路、通信线路以及居民区电力线路，其导线截面积不得小于35mm2;通过其他地区的允许最小截面积为：

35KV及以上线路25mm2；35KV以下线路16mm2。

150mm2＞25mm2

结论：

满足要求

B.35KV侧线路效验

根据原始资料B变电站到本变电所的架空线的型号为LGJ—300。

导线型号

标称截面

（mm2）

r1

（Ω/KM）

x1

（Ω/KM）

+70℃长期允载流量

（A）

LGJ—300

300

0.105

0.395

735

1）电压损耗：

∆U=（Pr1+Qx1）L/UN

=（42×0.105+13.86×0.395）×5/10

=4.94KV

∆U%=∆U/UN×100%=4.94/10×100%=4.9%<5%

结论：

满足要求

2）最大工作电流：

Igmax=P/1.732UNcosφ

=42000/（1.732×35×0.95）=729A

发热温度：

因为单回路运行，为线路最大工作电流计算

I0=735AI0＞Igmax

结论：

满足要求

3）电晕条件：

35KV及以下线路不验算电晕条件

4）机械强度：

由前面可得

150mm2＞25mm2

结论：

满足要求

C.功率损耗

1）三相线路损耗计算：

（因为35KV为备用，故不需对其进线损计算）

∆P1=3IC2r1L×10-3=3×（232）2×0.21×35×10-3

=1186.8KW

∆Q1=3IC2X1L×10-3=3×（232）2×0.416×35×10-3

=2351.0KW

2）变压器功率损耗计算

∆PT=∆P0T+∆Pk（sc/sn）2=47.7+194.4×（44210/50000）2

=199.74KW

∆QT=∆Q0T+∆QCU（sc/sn）2

=（I0%/100）×sn+（UK%/100）×sn×（sc/sn）2

=（0.5/100）×50000+（10.5/100）×50000×（44210/50000）2

=4354Kar

3）功率因数的效验

∑P=∆P1+∆PT+P=1186.8+199.74+42000=43386KW

∑Q=∆Q1+∆QT+Q=2351+4354+13860=20565kar

∑S2=∑P2+∑Q2∑S=48013.8KVA

cosφ=∑P/∑S=0.90<0.95不满足要求

S’=∑P/cosφ=43386.5/0.95=45670KVA

Q’2=S’2-P’2Q’=14262.0kar

Q”=Q’─Q=14262─20565=─6303kar

无功补偿容量Q”=6.3Mar

第二章短路电流计算

短路是电力系统中最常见的且很严重的故障。

短路故障将使系统电压降低和回路电流大大增加，它不仅会影响用户的正常供电，而且会破坏电力系统的稳定性，并损坏电气设备。

因此，在发电厂变电站以及整个电力系统的设计和运行中，都必须对短路电流进行计算

2.1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一个重要环节。

短路电流计算的目的主要有以下几个方面：

a）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要采取限制短路电流的措施等，均须进行必要的短路电流计算。

b）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。

c）在设计屋外高压配电装置时，需按短流条件效验软导线的相间和相对地的安全距离。

d）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

e）接地装置的设计，也需用短路电流。

2.2短路电流计算的基本情况

a）电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。

b）所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）

c）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

d）所有电源的电动势相位角相同。

e）应该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。

2.3短路电流的计算步骤

在工程设计中，短路电流的计算通常采用计算曲线法，其具体步骤如下：

a）制定等效网络

b）等效网络的简化

c）计算指定时刻短路点发生某种短路时的短路电流，包含冲击电流和短路全电流有效值。

d）计算网络中各支路的短路电流和各母线的电压。

2.4本变电站的短路电流计算

2.4.1接线图

根据原始资料可得变电所为无限大容量电源供电电路

选取基准容量SJ=1000MVA

XL*=X0LSJ/UB2=0.416×35×1000/1152=1.1

XT*=（UK%/100）（SJ/SNT）=（10.5/100）×（1000/50）=2.01

XLmax=0.0174

2.4.1.1计算最大方式运行下，K1点的短路电流、冲击电流

基准电压UJ=115KV

短路等值电路简化线路图如下：

求K1点转移电抗：

X∑*=XLmax+XL*=1.1+0.0714=1.1714

短路基准电流：

IB=SB/1.732UJ=1000/（1.732×115）=5KA

K1点的短路电流I（3）”

I（3）”=I（3）”*IB=1/X∑*×IB=0.85×5=4.2KA

冲击系数KCH=1.8，短路冲击电流ich（3）

ich（3）=1.414KCHI（3）”=1.414×1.8×4.2=10.8KA

K1两相短路电流I

（2）”

I

（2）”=1.732/2×I（3）”=1.732/2×4.2=3.6KA

2.4.1.2计算最大方式运行下，K2点的短路电流、冲击电流

基准电压UJ=10.5KV

短路等值电路简化线路图如下：

求K2点转移电抗：

X∑*=XLmax+XL*+XT*=1.1+0.0714+2.01=3.1814

短路基准电流：

IB=SB/1.732UJ=1000/（1.732×10.5）=55KA

K2点的短路电流I（3）”

I（3）”=I（3）”*IB=1/X∑*×IB=0.314×55=17.3KA

冲击系数KCH=1.8，短路冲击电流ich（3）

ich（3）=1.414KCHI（3）”=1.414×1.8×4.2=44.1KA

K2两相短路电流I

（2）”

I

（2）”=1.732/2×I（3）”=1.732/2×17.3=15KA

2.5短路电流计算结果汇总表：

短路点编号

运行方式

三相短路电流

两相短路电流

短路冲击电流

K1

最大

4.2KA

10.8KA

3.6KA

K2

最大

17.3KA

44.1KA

15KA

第三章电气设备选型

由于电气设备和载流导体得用途及工作条件各异,因此它们的选择校验项目和方法也都完全不相同。

但是，电气设备和载留导体在正常运行和短路时都必须可靠地工作，为此，它们的选择都有一个共同的原则。

电气设备选择的一般原则为：

1.应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求并考虑远景发展。

2.应满足安装地点和当地环境条件校核。

3.应力求技术先进和经济合理。

4.同类设备应尽量减少品种。

5.与整个工程的建设标准协调一致。

6.选用的新产品均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格的特殊情况下选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准。

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。

1.电压

选用的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

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

校验的一般原则：

1.电器在选定后应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最严重情况的短路电流。

2.用熔断器保护的电器可不校验热稳定。

3.短路的热稳定条件

Qdt——在计算时间ts内，短路电流的热效应（KA2S）

It——t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（KA2S）

T——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算时间Ts按下式计算

t=td+tkd式中td——继电保护装置动作时间内（S）

tkd——断路的全分闸时间（s）

4.动稳定校验

电动力稳定是导体和电器承受短时电流机械效应的能力，称动稳定。

满足动稳定的条件是：

上式中

——短路冲击电流幅值及其有效值

——允许通过动稳定电流的幅值和有效值

5.绝缘水平：

在工作电压的作用下，电器的内外绝缘应保证必要的可靠性。

接口的绝缘水平应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。

由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，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，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能方式下回路持续工作电流的要求。

3.1高压断路器的选择和效验

高压断路器的主要功能是：

正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快书切除故障回路，保证无故障部分正常运行，能起保护作用。

高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备。

选择断路器时应满足以下基本要求：

1.在合闸运行时应为良导体，不但能长期通过负荷电流，即使通过短路电流，也应该具有足够的热稳定性和动稳定性。

2.在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。

3.应有足够的断路能力和尽可能短的分段时间。

4.应有尽可能长的机械寿命和电气寿命，并要求结构简单、体积小、重量轻、安装维护方便。

种类和型式选择的选择步骤：

现在35KV可用六氟化硫断路器或真空断路器;10KV及以下选真空断路器;110KV及以上选六氟化硫断路器

1.按额定电压选择：

un>unw

2.按额定电流选择:

In>Igmax

3.按额定开断电流和关合电流选择:

Ieg>I（3）”

4.动稳定效验:

idw≥ich

5.热稳定效验：

I2rt≥Qk

3.1.1110KV进线侧路器器选择、效验

Igmax=

=1.05×44210/（1.732×115）=233A

短路时间：

t=1.7s短路电流按无穷大系统计算I”=I∞

t>1s故不计周期分量

短路热效验：

Qk=I∞2×t=4.22×1.7=30MJ

允许热效验：

I2rt=502×3=7500MJ

由《电气设备手册》可选择LW6-110I/3150

其计算参数与LW6-110I/3150参数比较如下：

计算数据

LW6-110I/3150

UNw110KV

Igmax223A

I″4.2KA

Ich10.8KA

QK30MJ

UN110KV

IN3150A

Ieg40KA

idw125KA

It2*t7500MJ

通过以上比较

LW6-110I/3150型断路器满足要求

3.1.2变压器对侧出线10KV侧断路器、母联断路器选择、效验

Igmax=

=1.05×44210/（1.732×10.5）=2552A

短路时间：

t=1.7s短路电流按无穷大系统计算I”=I∞

t>1s故不计周期分量

短路热效验：

Qk=I∞2×t=17.32×1.7=508MJ

允许热效验：

I2rt=502×3=7500MJ

由《电气设备手册》可选择ZN12-10/3150

其计算参数与ZN12-10/3150参数比较如下：

计算数据

ZN12-10/3150

UNw10KV

Igmax2552A

I″17.3KA

Ich44.1KA

QK508MJ

UN10KV

IN3150A

Ieg55KA

idw125KA

It2*t7500MJ

通过以上比较

ZN12-10/3150型断路器满足要求

3.1.310KV出线侧断路器选择、效验

最大回出线断路器选择

Igmax=

=1.05×29473/（1.732×10.5）=1702A

短路时间：

t=1.2s短路电流按无穷大系统计算I”=I∞

t>1s故不计周期分量

短路热效验：

Qk=I∞2×t=17.32×1.2=359MJ

允许热效验：

I2rt=402×2=3200MJ

由《电气设备手册》可选择ZN-10/3150

其计算参数与ZN-10/3150-40参数比较如下：

计算数据

ZN-10/3150-40

UNw10KV

Igmax1702A

I″17.3KA

Ich44.1KA

QK359MJ

UN10KV

IN3150A

Ieg40KA

idw100KA

It2*t3200MJ

通过以上比较

ZN-10/3150-40型断路器满足要求

最小回出线断路器选择

Igmax=

=1.05×12632/（1.732×10.5）=729A

短路时间：

t=1.2s短路电流按无穷大系统计算I”=I∞

t>1s故不计周期分量

短路热效验：

Qk=I∞2×t=17.32×1.2=359MJ

允许热效验：

I2rt=202×4=1600MJ

由《电气设备手册》可选择ZN4-10/1250-20

其计算参数与ZN4-10/1250-20参数比较如下：

计算数据

ZN4-10/1250-20

UNw10KV

Igmax729A

I″17.3KA

Ich44.1KA

QK359MJ

UN10KV

IN1250A

Ieg20KA

idw50KA

It2*t1600MJ

通过以上比较

ZN4-10/1250-20型断路器满足要求

3.2隔离开关的选择和效验

隔离开关也是变电站中常用的电器，它需于断路器配套使用，但隔离开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流以及短路电流

隔离开关的主要用途：

1）隔离电压2）倒闸操作3）分合小电流

选择隔离开关时应满足以下基本要求：

1.隔离开关分开后应具有明显的断开点，易于鉴别设备是否与电网隔开。

2.隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证过电压及相间闪络的情况下，不致引起击穿而危及工作人员的安全。

3.隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度。

4.隔离开关在跳、合闸时的同期性要好，要有最佳的跳、合闸速度，以尽可能降低操作时的过电压。

5.隔离开关的结构简单，动作要可靠。

6.带有接地刀闸的隔离开关，必须装设连锁机构，以保证隔离开关的正确操作。

种类和型式选择的选择步骤：

1.按额定电压选择：

un>unw

2.按额定电流选择:

In>Igmax

3.动稳定效验:

idw≥ich

热稳定效验：

I2r