110kV变电所电气一次部分设计.docx
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110kV变电所电气一次部分设计
摘要
本论文是110kV变电所电气一次部分设计，论证分析了某110kV变电所的电气主接线方式的各种优点，对设备的选型作了详细的说明和计算，短路电流的计算有严格的计算书。
按照电网发展规律，提出了电气主接线方式应符合可靠性、灵活性、经济性的要求，设备的选择必须满足电网长远发展和各种事故条件下安全可靠运行的要求。
针对该110kV变电所的要求，结合实际工作经验，本文提出了110kV母线采用单母线分段带旁路母线、35kV母线采用双母线接线、10kV母线采用单母分段的接线方式，主变采用三相三绕组变压器，110kV、35kV、10kV断路器选用SF6和真空开关，主变保护的配置按规程规定进行配置，以满足电网发展及安全稳定经济运行的需要。
关键词：
变电所，主接线，电网，断路器，短路电流计算，电气设备选择
附 录：
1、电气主接线图；
2、10kV高压室电气平面布置图；
3、LW-110断路器基础图；
4、10kV开关柜安装图；
5、短路电流计算图；
第一篇设计说明书
第一章变电所总体分析
由于某市西部地区电力系统的发展和负荷增长，拟建一座110kV变电所，向该地区用35kV和10kV两个电压等级供电。
本所和电力系统中的S1、S2发电厂形成环网结构，如果本所110kV侧故障，则此环网结构就会瓦解，变成开环运行，系统之间的紧密性就被破坏，轻则影响S1、S2发电厂的出力，重则可能会引起系统的解列等严重后果。
对35kV侧来讲，本所供电对象是A厂、B厂的厂区和生活区及A、B、C、D四座变电所，10kV侧供电对象是a厂、b厂、c厂、d厂、e厂、f厂、g厂的厂区和生活区及a、b、c、d四个居民区。
一旦停电，就会造成地区断电、断水等后果，严重影响的人民正常生活，还将造成机器停运，整个生产处于瘫痪状态，严重影响各厂生产的质量和数量。
同时还可能造成对环境的污染，因此对本所的运行可靠性必须保证。
在非特殊情况下，一般不允许对它们断电。
鉴于以上情况，110kV侧线路回数采用4回，其中2回留作备用，35kV侧线路回数采用8回，另有2回留作备用，A厂、B厂采用双回路供电，10kV侧线路回数采用12回，另有2回留作备用，f厂采用双回路供电，以提高供电的可靠性。
出线方向：
110kV向北，35kV向西，10kV向东
在建所条件方面，本所地势平坦，属轻地震区，年最高气温+40℃，所最低气温-5℃，所平均温度+18℃，属于我国Ⅷ类标准气象区。
第二章电气主接线设计
第一节主接线的设计原则
一 主接线设计的基本要求：
主接线的基本要求：
应满足可靠性，灵活性和经济性。
（一）可靠性：
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电力生产和分配的首要要求，主接线首先应满足这个要求。
可靠性的具体要求：
1．断路器检修时，不影响对系统和负荷的供电；
2．断路器和母线故障以及母线检修应尽量减少停电时间及回数，并要保证一级负荷及大部分二级负荷的供电。
3．尽量避免全所停运、停电的可能性。
（二）灵活性：
主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。
1．调度时，应可以灵活地投入和切除变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式，检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。
2．检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修，而不致影响电力网的运行和对用户的供电。
3．扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。
在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次部分的改建工作量最少。
（三）经济性
主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下，做到经济合理。
1．投资省
（1）主接线应力求简单清晰，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备。
（2）要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。
（3）要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。
（4）如能满足系统安全运行及继电保护要求，110kV及以下终端或分支变电所可采用简易电器。
2．占地面积小
主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽量使占地面积减少。
3．电能损失少
经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量，要避免因两次变压而增加电能损失。
此外，在系统规划设计中，要避免建立复杂的操作枢纽。
为简化主接线，发电厂、变电所接入系统的电压等级一般不超过两种。
二 主接线的设计依据
在选择电气主接线时应以下列各点作为设计依据：
1．发电厂、变电所在电力系统中的地位和作用；
2．发电厂、变电所的分期和最终建设规模；
3．负荷大小和重要性
（1）对于一级负荷必须有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。
（2）对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对大部分二级负荷的供电。
（3）对于三级负荷一般只需一个电源供电。
4．系统备用容量大小
装有2台组级以上主变压器的变电所，其中一台（组）事故断开，其余主变压器的容量应保证该所60%的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷。
5．系统专业对电气主接线提供的具体要求。
第二节110kV主接线的选择
根据《变电所设计技术规程》第22条：
110~220kV配电装置中，当出线数为2回时，一般采用桥形接线，当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。
本所远景出线为4回，符合采用分段单母线接线，，从占地面积上看，采用单母分段也是合理的。
同时规程第24条规定：
采用单母分段或双母线的110~220kV配电装置中除断路器允许停电检修外，一般设置旁路设施。
到底选用哪种接线方式更为合理、可靠，现对这两种方案作一比较：
双母接线
单母分段带旁母
可靠性
采用双母接线，可提高供电可靠性，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线及任一回路的母线隔离开关；一组母线故障后，能迅速恢复供电；在运行中隔离开关作为操作电器，容易发生误操作
采用单母分段，对重要用户可以从不同分段上引接，当一段母线上发生故障时，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电。
加设旁路母线为了检修出线断路器，不至中断该回路供电，具有足够的可靠性。
灵活性
灵活性较高，各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上
灵活性高，当出线断路器需检修，则可由分段断路器来承担出线断路器，继续运行。
经济性
采用的设备也较多（特别是隔离开关），投资较多。
与双母接线相比，多用了隔离开关，这样投资增大，同时所占用的空间也较大。
发展扩建适应性
向母线左右任何方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由分配，在施工中也不会造成原有回路停电。
由于接线比较复杂，操作不太灵活，不利于发展及扩建。
由于本所和电力系统中的S1、S2发电厂形成环网结构，对本所的运行可靠性必须保证。
因此经过比较后，决定采用单母分段带旁母作为110kV侧的主接线。
架空线路型号选用LGJQ—300。
第三节35kV主接线的选择
仍从双母接线和单母分段带旁母两种方案比较，由于35kV回路较多，采用双母接线接线后，可以轮流检修一组母线及任一回路的母线隔离开关，一组母线故障后，能迅速恢复供电，各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上，因此就没有必要采用增设旁母。
投资也较单母分段带旁母少。
因此经过比较后，决定采用双母线接线作为35kV侧的主接线。
第四节10kV主接线的选择
一 《变电所设计技术规程》第23条：
6kV和10kV配电装置中，一般采用分段单母线或单母线接线。
《电气工程设计手册》1规定：
6~10kV配电装置出线回路数为6回以上时，可采用单母线分段接线。
本所10kV侧出线数为12回，又f厂采用双回路供电，所以采用单母分段接线方式。
该方式具有较高的可靠性和灵活性，双回线路分别接到不同母线上，这样当一回故障时，另一回可继续对其供电而不至使重要用户停电。
二 10kV系统限制短路电流问题
由于系统短路故障是比较常见的故障，短路电流的大小，直接影响电气设备的选择和系统的安全运行，所以对短路电流的限制是必要的。
《规程》第26条：
大容量变电所中，为限制6kV和10kV出线上的短路电流，一般采用下列措施之一：
（一）变压器低压侧分列运行；
（二）在变压器回路中装设分列电抗器；
（三）在出线回路中装分列电抗器；
（四）在出线上装普通电抗器等。
第五节所用电设计
一 所用电源引接方式
在选择所用变时一般情况下，厂家不生产110/0.4kV或35/0.4kV的双绕组变压器，又因为网络故障较多，从所外电源引接所用电源可靠性较低。
这样所用电必须从主变低压侧（10kV）母线不同段上各引接一个。
并要加装限流电抗器。
二 所用电接线
《电力工程设计手册》1规定：
所用变高压侧尽量采用熔断器，所用变的低压侧采用380/220V中性点直接接地的三相四线制，动力与照明合用，且设置一个检修电源。
本所站变电压等级10/0.4kV，低压侧为三相母线制运行，且0.4kV侧采用单母分段接线方式，以保证所用电的可靠性和灵活性。
以维护变电所的正常运行。
第三章负荷计算与变压器选择
第一节负荷计算
负荷分析
系统与线路参数表
系统1
系统2
线路参数
S1（MVA）
Xc1
S2（MVA）
Xc2
L1（kM）
L2（kM）
L3（kM）
600
.38
800
.45
30
20
25
110kV侧线路回数采用4回，其中2回留作备用。
35kV侧线路回数采用8回，其中2回留作备用。
35kV负荷资料见下表
负荷名称
最大负荷MW
COS￠
回路数
A厂
6
0.9
2
B厂
6
0.9
2
A变电所
5
0.9
1
B变电所
3
0.9
1
C变电所
2.6
0.85
1
D变电所
3.2
0.85
1
35kV负荷同时系数为0.9
10kV侧线路回数采用12回，另有2回留作备用
10kV负荷资料见下表
负荷名称
最大负荷MW
COS￠
回路数
a厂
4
0.85
1
b厂
3
0.85
1
c厂
3.5
0.85
1
d厂
3.2
0.85
1
e厂
3.4
0.85
1
f厂
5.6
0.85
2
g厂
2.8
0.85
1
a居民区
3
0.9
1
b居民区
3
0.9
1
c居民区
3
0.9
1
d居民区
3
0.9
1
10kV负荷同时系数为0.85
二 最大计算负荷（Sjs）的求取
1．某电压级Sjs=kf（∑Pimax/cosρi）（1+α%）
kf——负荷同时率（对85kV及以下负荷可取为0.85~0.9）
当馈线回数小于3回，且其中含有较大负荷时可取0.95~1.0）
Pimax：
cosρi——各负荷的最大负荷（有功），功率因数
α%——该电压级电网的线损率（暂取5%）
2．全所综合最大计算负荷
Sjs=kf∑Sjskf=0.85~0.9
3．最大计算负荷的计算过程见后计算书
4．计算结果列表有：
电压级
容量（MVA）
Sjs
Sjs（1台）
Sjs（2台）
10kV
45.79
27.47
22.9
35kV
30.47
18.3
15.24
第二节主变压器选择
一 主变压器型式的选择
由于本所有三个电压等级110/35/10kV，因此应采用三绕组变压器，又考虑运行的经济性和合理性，选用三相式三绕组变压器。
采用三相变压器比单相变压器合理之处在于：
三相变压器的损失比单相变压器平均低12~15%，同时三相变压器比单相变压器在有效材料（Fe和Cn）的重量方面可节省20%左右，而故障率则因3台单相组成一组，帮为三相一台变压器的3倍。
同时就本所来说，负荷总容量不是很大，且高压侧电压级不算高（110kV），根据规程，采用三相式最为合理。
本所所在的电力系统中潮流变化较大，电压偏移也较大，根据《变电所设计技术规程》19条：
电力潮流变化大和电压偏移大的变电所，如经计算普通变压器不能满足电力系统和用户对电压的要求，应尽量采用有载调压变压器。
当电力系统运行确有需要时，可装设单独的调压变压器。
同时，有载调压方式能在额定容量范围内负荷调整电压，调压范围大，可以减少或避免电压大幅度波动，减小高峰、低谷电压差，如带有移相电容器时还可以充分发挥电容器的作用。
当然，它与同容量的变压器相比，体积较大，造价较高，但从长远观点看是经济合理的。
故选用有载调压方式。
绕组连接方式为Yn/Yn0/d11。
二 主变中性点接地设计
1 110kV侧中性点接地方式：
在110kV及以上电网中，绝缘费用在设备总价格中占有很大的比重，设备价格几乎和试验电压成正比，降低绝缘水平的经济效益很显著。
因而着重考虑过电压和绝缘水平方面的问题。
故采用中性点直接接地方式。
中性点直接接地可以使系统内部过电压降低20~30%，变压器可作成分级绝缘，并可采用氧化锌避雷器作过压保护。
接地图为：
2 35kV、10kV侧中性点接地方式：
在电压等级较低（60kV及以下）的电网，绝缘费用在总投资中所占的比重不大，降低绝缘水平的经济价值不甚显著，着重考虑供电可靠性的要求，一般采用中性点不接地方式，但是当电网单相接地电容电流超过一定数值后，如果电网发生单相电弧接地，接地电弧不易自动熄灭，这样其供电可靠性就受到影响，因此当单相接地电流大于下列数值时，中性点应装设消弧线圈接地。
Ic≥30A（3~6kV电网）Ic≥20A（10kV电网）
Ic≥10A（20~63kV电网）
本设计经过计算，35kV及10kV侧采用中性点不接地方式，且不需装设消弧线圈。
三、台数的选择：
考虑到本所的负荷情况，重要性以及经济合理性，应选定上两台主变的设计原则。
四、主变容量选择及校验：
选主变容量时，按最大负荷选择和校验，再按只上一台主变校验，所选主变容量应为两台40000kVA的变压器，通过查设计手册，得到所选取主变技术参数为下表：
所选变压器型号如下表:
SFSZ7-40000/110±8*1.25%/38.5/10.5
SFSZ7-40000/110三相、风冷、三绕组、有栽调压、设计序号、额定容量。
额定容量kVA
高压侧
kV
中压侧kV
低压侧kV
连接组
调压范围
40000
110
35
10
Yn/Yn0/
d11
高压侧有载压±8×1.25%
第三节所用变选择
一 所用电源数量的确定
《规程》第29条：
采用整流操作电源或无人值班的变电所，应装设两台所用变压器。
并应分别接在两条不同母线的电源或独立电源上。
如能够从变电所外引入可靠的380V备用电源，上述变电所可只装设一台所用变压器。
第30条：
如有两台所用变压器应装设备用电源自动投入装置。
同时《电力工程设计手册》说明：
1）枢纽变中一般装设两台所用变，其他变电所中一般装设一台所用变，但容量在60000kVA以上时，应装设两台所用变。
2）变电所中装有强迫油循环冷却变压器或调相机时，均装设两台所用变。
因此，根据规定并结合本所情况，采用两台所用变，平常使用一台，另一台备用。
二、所用变容量的选择
所用电负荷情况如下表：
名称
容量kVA
备注
主变压器风扇
2×10
连续、经常
主充硅
20
连续、不经常
浮充硅
14
连续、经常
蓄电池通风
1.4
连续、不经常
蓄电池排风
1.7
连续、不经常
锅炉房水泵
1.7
连续、经常
载波室
1.7
连续、经常
110kV配电装置电源
10
短时、不经常
110kVQF冬天加热
1
连续
室外配电装置照明
10
连续
室内照明
10
连续
根据所列的表格可得出计算总容量91.5kVA
因此，本所设计两台10kV干式变压器，两台变压器380V电源自动投入装置，保证低压母线的可靠供电，变压器型号：
S9-100/10，容量为100kVA，全所事故照明电源由直流电源供给。
第四章最大持续工作电流及短路电流计算
第一节各回路最大持续工作电流
根据公式Igmax=Smax/Ue√3，可以计算出各回路最大持续工作电流。
其中：
Smax为所统计各电压侧负荷容量，Ue为各电压级额定电压。
第二节短路电流计算的目的
在发电厂和变电所的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节，其计算的目的主要有以下几方面：
1．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需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
2．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。
例如：
计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值，计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定，计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。
3．在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
4．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。
5．接地装置的设计，也需用短路电流。
第三节短路电流计算的条件
一 基本假定
短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：
1．正常工作时，三相系统对称运行；
2．所有电源的电动势、相位角相同；
3．系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和磁滞、涡流及导体集肤效应等影响，转子结构完全对称，定子三相绕组空间相差120。
电气角度。
4．电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。
5．电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线，50%负荷接在系统侧。
6．同步电机都具有自动调整励磁装置。
7．短路发生在短路电流为最大值的瞬间。
8．不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。
9．除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。
10．元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。
11．输电线路的电容略去不计。
12．用概率统计法制定短路电流运算曲线。
二 一般规定：
1．验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成的5~10年）。
确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
2．选择导体和电器用的短路电流在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。
3．选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。
4．导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一般按三相短路验算，若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况计算。
第四节短路电流计算结果
弄清了计算方法和计算条件后，就可以进行短路电流计算，计算过程见计算书。
短路电流计算结果记下表：
II1*
1.5363
I1
7.713
ich1（冲击电流）
19.66815
ich1（全电流）
11.6464
II2*
0.3523
I2
5.497
ich2（冲击电流）
14.01735
ich2（全电流）
8.3003
II3*
0.50134
I3
27.567
ich3（冲击电流）
70.29585
ich3（全电流）
41.625
II4*
0.00166
I4
2.397
ich4（冲击电流）
6.11235
ich4（全电流）
3.619
第五章主要电气设备选择
第一节电气设备选择的一般原则和技术条件
一 电气设备选择的一般原则
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．应按当地环境条件校核。
3．应力求技术先进和经济合理。
4．与整个工程的建设标准应协调一致。
5．同类设备应尽量减少品种。
6．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．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。
二 技术条件
1．一般按长期工作条件进行选择。
2．按短路稳定条件，进行动、热稳定校验。
3．还要考虑绝缘水平的影响。
第二节高压断路器的选择
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。
考虑到可靠性、经济性、方便运行维护和实现变电所的无油化目标，故在110kV侧和35kV侧采用SF6断路器，10kV侧采用真空断路器。
断路器规范的选择按照《电力工程设计手册（1册）》第259页的表4-6确定。
项目
按工作电压选择
按工作电流选择
按断流容量选择
按动稳定校验
按热稳定校验
断路器
Uzd≥Ug
Ie≥Ig
Idn≥I〃
igf≥ich
It≥I∞
110kV、35kV和10kV侧断路器的选择型号见后设备表。
第三节隔离开关的选择
隔离开关型式的选择，除应满足各项技术条件和环境条件外，应根据配电装置特点和使用要求等因素，进行综合技术比较后确定。
隔离开关规范的选择按照下表确定110kV侧、35kV侧和10kV侧隔离开关。
项目
按工作电压选择
按工作电流选择
按断流容量选择
按动稳定校验
按热稳定校验
隔离开关
Uzd≥Ug
Ie≥Ig
—
—
—
规程第4.0.5条：
为保证电器和母线的检修安全，35kV及以上每段母线上宜装设1~2组接地闸刀或接地器。
主变中性点装一组接地闸刀，以便于运行调度灵活选择接地点。
各级接地刀闸的型号见设备表。
所选隔离开关
电压等级
隔离开关型号
110kV
GW4－110
35kV
GW5－35
10kV
GN1－10
第四节母线的选择
导线应根据具体使用情况按下列条件选择和校验
一、型式：
载流导体一般选用铝质材料。
对于持续工作电流较大且位置特别狭窄变压器出线端部，或采用硬铝导体穿墙套管有困难的特殊场合，可选用铜质材料硬裸导体。
回路正常工作电流在4000A及以下时，一般选用矩形导体，在4000－8000时，一般选用槽形导体。
110kV及以上高压配电装置，一般采用软导体。
二 按最大持续工作电流选择导线截面S，即
Ig.max≤
Iy
式中Iy—对应于某一母线布置方式和环境温度＋25℃时导体长期允许载流量
－温度修正系数
三 按经济电流密度J选择
在选择导体截面S时，除配电装置的汇流母线、厂用电动机的电缆等外，长度在20m以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。
即
J－导体的经济电流密度。
按此条件选择的导体截面S，应尽量接近经济计算截面Sj。
当无合适规格导体时，允许小于Sj。
四 热稳定校验：
按上述情况选择的导体截面S，还应校验其在短路条件下的热稳定
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