110KV无人值班变电站方案设计书陈文1.docx
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110KV无人值班变电站方案设计书陈文1
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
摘要
本次毕业设计以110kV无人值班变电站为主要设计对象，该110kV变电站是系统末端变电站，是电力系统的一部分。
该变电站设有2台主变压器，站内主接线分为110kV、10kV两个电压等级。
本设计的第一章为绪论，主要阐述了研究本课题的必要性和实际意义；本课题的来源及主要研究内容；研究的基本思路与采用的方法。
第二章是变电站设计说明书内容，主要是进行变电站电气主接线的设计，分别通过对110kV、10kV侧电气主接线的拟定，选择出最稳定可靠的接线方式。
进行负荷计算及变压器的选择，根据已知变电站的负荷资料对变电站进行负荷计算，通过得出的负荷确定了主变的容量和台数、主变的型式及主变阻抗。
进行短路电流计算，确定短路点，计算各元件的电抗，然后对各短路点分别进行计算，得出各短路点的短路电流。
进行导线的选择与校验。
进行电气设备的选择，电气设备包括母线、断路器、隔离开关、电流和电压互感器、熔断器的选择。
进行继电保护的配置原则及整定计算。
进行自动化系统的设计。
第三章是本设计的计算书部分，主要是本设计在设备选择计算、电流的计算、保护的整定计算方面所形成的计算依据。
关键词：
电气主接线；短路计算；电气设备
论文类型：
设计报告
1绪论
随着电网规模的迅速扩大，电压等级和自动化水平的不断提高，电力用户对电能的需求越来越大，同时对供电的质量要求也越来越高。
变电站如何保证供电质量，如何保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性，是电力部门十分关心的问题。
无人值班是当今电网调度自动化领域的必然趋势，其势头正方兴未艾。
无人值班是电力随着技术的发展而产生的新型的变电站运行方式，在这种运行方式里，先进技术成分含量大，它集中包含了工业自动化，人工智能，通讯等多学科先进技术的结晶，这是科学发展一般所直接导致的必然结果。
对原有变电站有步骤地实施无人值守改造势在必行，变电站无人值班运行管理，早在50年代末60年代初，许多供电局就进行了无人值班的试点，当时采用的是从原苏联引进的有接点远动技术，型号是SF-58,但由于技术手段不完善，管理体制不适应，认识上的种种原因，除上海、郑州等少数地区外都没有坚持。
80年代以来，自动化技术的完善，特别是人们对变电站无人值班认识的提高，郑州、深圳、大连、广东出现无人值班，1996年底全国有60余座，97年底有1000余座。
随着电子技术的飞跃发展，特别是二十一世纪以来，电子计算机及其硬件、软件技术成果的日新月异，对电力系统的监控系统有了很好的技术支持，近几年来无人值班设计及研究在我国先后发展壮大起来。
这次设计是一次综合性质的设计，它力求结合两年半中所学的各门学科，并查阅大量最新资料，让我们利用相应的专业理论知识，在熟悉相关设备性能的情况下，初步掌握并设计110kV无人值班变电站，培养我们独立分析问题和解决问题的能力。
2设计说明书
2.1主接线的选择
2.1.1主接线的设计原则
主接线的设计原则主要以包括主接线为电力系统整体设计的组成部分及主接线的设计要求为主。
1）主接线是电力系统整体设计的组成部分
现代电力系统是一个巨大的组织严密统一的整体。
各种类型的变电站按照它们各自在系统中的不同地位和作用，分工完成整个系统变电的任务。
显然，我们在设计变电站的主接线时不能就事而论，不能只局限于变电站本身，而应考虑到它是电力系统的整体设计部分。
否则，势必导致不合理现象。
为了使变电站的主接线设计的正确，首先要充分考虑到它是电力系统总体的组成部分，并在电力系统总体设计明确下列问题：
（1）变电站在电力系统中的地位和作用。
这是决定主接线的主要因素，变电站是属于枢纽变电站、开闭所、中间变电站、地区变电站、企业变电站还是终端或分支变电站等，变电站由于在系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、经济性和灵活性的要求也不同。
（2）变电站应根据5——10年电力系统发展规划进行设计。
枢纽变电站连接的电源数和回路要根据电力系统运行的安全和经济等条件确定。
（3）出线回路数和负荷重要性分级。
出线回路和负荷重要分级对主接线的确定影响甚大。
要确切的定出输电线路的回路数以及输送容量、导线型号和出线的方向等。
对电力负荷按其重要性可分为：
a）一级负荷：
是指对此种负荷如中断供电，将造成人民生命危险、设备损坏。
造成重大的国民经济损失、使市政生活中的要害部门发生混乱。
b）二级负荷：
是指对此种负荷停止供电，会造成大量减产、居民生活受到影响。
c）三级负荷：
除一、二级以外的负荷。
对于一级负荷必须要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，保证一级负荷不间断供电。
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，保证大部分二级负荷不间断供电。
对于三级负荷一般只需要有一个电源供电。
2）主变压器选择。
包括主变压器台数、容量和型式、变压器各侧的额定电压调节范围〈分接头选择〉及在各种运行方式下通过变压器的功率潮流。
3）变压器的备用容量。
为了保证可靠供电，要求系统的装机备用容量不少于全系统容量的20%，运行备用容量不少于8——10%的适应负荷实增、机组检修和故障停运三种情况。
4）无功补偿装置的选择。
为平衡无功功率而要求在变电站或发电厂升压站中装设的并联电抗器、串联电容补偿装置、静止补偿装置、调相机和并联电容器等的形式、数量和容量。
5）系统内过电压的模拟和计算，以及限制内过电压的措施。
6）系统短路容量〈或归算的电抗值〉和变压器中性点接地方式，以及限制系统短路电流的措施。
7）根据地区负荷，确定6——10KV的出线回路数。
8）拟定本期及远景变电站与系统的连接方式和推荐的主接线方案。
从设计变电站电气主接线的角度来看，上述前提必须首先明确，否则不会符合系统的安全、灵活、经济运行和远景发展的要求，就会出现技术上、经济上的不合理性。
2.1.2主接线的设计要求
我国《变电站设计技术规程》SDJZ—79规定，变电站的主接线应根据变电站在电力系统的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且应满足运行可靠简单灵活、操作方便和节约投资等要求。
可靠性：
断路器检修时，能否不影响供电；
线路断路器或母线故障时以及母线检修时，停运的回路和停运的回路数、停运的时间长短以及能否保证对重要用户的供电。
变电站全部停运的可能性；
应满足可靠性准则的要求。
灵活性：
满足调度灵活，操作方便的基本要求，既能灵活的投、切变压器或线路调配电源和负荷，又能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求，不致过多的影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行；
（2）在设计主接线时应留有发展扩建的余地。
1）经济性
（1）投资省；
（2）占地面积少；
（3）电能损耗小；
2.1.3主接线的方式
对于110kV变电站来说，主接线的接线方式主要有两种：
1）单母分段接线
2）桥式接线
（1）单母分段接线
由于单母分段接线既具有单母线接线简单、经济、方便的优点，又在一定程度上克服了它的缺点，提高了供电可靠性，故这种接线的应用范围有所扩大，但单母线分段接线仍存在缺点，就是当一段母线或母联隔离开关故障或检修时，该段母线上的所有回路都要在检修期间长时间停电，再有单母线是母线制最原始和简单的接线，这种接线的特点是整个配电装置只有一组母线，所有电源和出线都在同一母线上，其优点是简单、清晰、采用设备少、操作方便、便于扩建，缺点是不够灵活，任一元件〈母线或母线隔离开关〉故障或检修均需使整个配电装置停电。
为了克服单母线这种缺点，我们采用单母分段接线，这种接线方式分段的数目取决于电源的数量和容量，段数越多故障时停电范围越小。
但使用断路器设备增多且配电装置和运行也越复杂。
由于以上原因。
这种接线方式对于出线不多，容量不大的35——110KV的变电站较实用，对于110KV出线四回为宜。
（2）桥形接线
依照连接桥的位置可分为内桥和外桥。
当输电线路较长，故障机率较多而变压器又不需经常切换时，采用内桥接线较合适。
当输电线路较短，变压器随经济要求需经常切换时，采用外侨接线较合适。
内桥接线中，当变压器故障时，需停相应的线路。
外桥接线时，当线路故障时，需停相应的变压器，而且隔离开关又做为操作电气，所以可靠性较差。
由于断路器少、布置简单、造价低，往往在35——220KV配电装置中广泛应用，故我们设计的无人值班变电站采用内桥接线方式。
（图2-1）
图2-1桥形接线
2.2变压器的选择
2.2.1主变压器选择
正确合理地选择主变压器的台数、容量和类型是电力系统规划和具体变电站主接线设计中的一个主要问题，根据我国的实践经验应考虑以下一些原则：
1）主变压器台数选择
为保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电站一般装设两台变压器。
对于大型超高压枢纽变电站装设两台大型变电站，由中压侧供给整个城市及工业区。
在一台变压器故障时，要切断大量的负荷是非常困难的，根据各工程的具体情况，安装2—4台主变压器可提高其可靠性。
2）主变压器的容量选择
主变压器的容量选择就根据电力系统5—10年的发展规划进行选择。
变压器容量的选择必须力求使其切合实际需要。
为此，必须尽力能把5—10年负荷发展规划做得正确，这是最根本的。
变电站的最大负荷按以下公式确定：
（2-1）
（2-2）
式中：
Pm—变电站最大负荷。
Ko—同时率。
∑P—按负荷登记统计的综合用电负荷。
以变压器的正常过负荷能力来承担变压器所遭受的短时高峰负荷（连续运行时间不宜超过1小时），过负荷以不缩短变压器的寿命为限。
从原则上讲，因为变压器和自耦变压器具有高度的可靠性和较低的事故率，可允许其在网络的事故状态下有较大的过负荷，而其寿命不怎么缩短。
对于两台变压器变电站的主变容量按下式选择：
（2-3）
Pm—变电站最大负荷
SH—变压器容量
即按70%全部负荷选择。
因此，装设两台变压器变电站的总容量为：
（2-4）
当一台变压器停用时，可保证对70%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证98%的负荷供电。
若取，则当一台变压器停用时，可保证对60%负荷的供电，考虑变压器事故过负荷能力40%，则可保证对80%负荷的供电。
由于一般电网变电站中，大约有25%的非重要负荷，在事故运行方式下可以被切除，因此采取0.6Pm，对变电站保证重要负荷来说也是可行的。
根据原始资料，本变电站负荷为：
3500KVA×2（4500×2）KVA（5000×2）KVA6300KVA×2，其中一、二、三类负荷均有。
代入公式（2-3）
查《发电厂电气部分课程设计参考资料》110kV双绕组变压器技术数据及综合投资表，选择的变压器为SFZL1—31500，参数见表2-1所示。
表2-1110kV双绕组变压器技术数据及综合投资
型号及容量
低压侧额定
电压
连接组
损耗（kw）
阻抗
电压
%
空载
电流
运输
重量
空载
短路
主变
SFZL1-31500
11
YO/△
31.1
190
10.5
0.7
6
2.2.2所用变的选择
目前采用的计算负荷的重要方法是分别将每台电动机的KW换算成KVA，再考虑不同时运行情况的计算方法。
按每台电动机的功率因数、效率、负荷系数分别由KW换算成KVA，再考虑不同时运行的情况，计算出总负荷（表2-2）。
以中性110kV变电站的变压器的选择为例，需要计入的经常性电力负荷：
主变压器风扇、蓄电池的充电和浮充电机组、蓄电池室通风、取暖器照明等；短时不经常及断续不经常运行的设备为检修负荷等不计算在内。
充电机系统不经常连续运行的设备，故其负荷应予以计算，但此时可考虑浮充电机不运行，不必计算。
计算公式：
电力负荷：
（2-5）
P1—计算容量功率
Kf—电动机的负荷率一般取1.04
η—效率
—功率因数
照明和加热负荷：
（2-6）
所用电总负荷：
（2-7）
式中各符号含义同前。
该110kV变电站所用变压器选择结果见表2-3所示：
表2-3所用变压器技术数据及综合投资
型号
及
容量
低压侧额定
电压
连接组
损耗（kw）
阻抗电压
%
空载
电流
运输
重量
空载
短路
所用变
S11—50
0.4
Y/YO
6.22
1.15
4
5.4
0.34
表2-2所内负荷统计表
序号
名称
计算容量（KW）
额定容量（KW）
功率因数和效率
经常性负荷
经常性负荷
安装数（台）
运行数（台）
运行容量
安装数（台）
运行数（台）
运行容量
（KW）
（KVA）
（KW）
（KVA）
1
充电机
17.4
20
0.78
1
1
17.4
22.4
2
浮充电机
3.2
4.5
0.72
1
1
3.2
3
主变压器风扇
0.15
0.51
32
32
4.8
9.4
4
蓄电池室通风机
2.7
0.72
1
1
2.7
3.75
5
室内配电装置通风机
1.1
0.62
2
2
2.2
6
电焊
10.5
0.47
1
1
10.5
7
检修用电
5
0.6
5
8
电热
15
15
9
通信用电
4
4
3.8
10
取暖水泵
0.2
0.51
11
操动机构加热
0.3
12
远东装置用电
0.75
0.68
0.75
1.1
13
照明
14
屋内工作照明
5.66
5.66
15
屋外工作照明
1.74
1.74
16
事故照明
2.67
2.67
17
福利区照明
2.03
2.03
计算总容量（KVA）
50.55
2.3电流计算说明
2.3.1计算Igmax
1）110kV母线工作电流的计算（一台主变停运）
由于变压器在电压降低50%时出力保持不变，故其相应回路的Imax为变压器额定电流的1.05倍。
2）10kV母线工作电流的计算（一台主变停运）
3）各个馈路工作电流的计算
表2-4Ig电流计算结果
名称
电流（Ig）A
110KV侧
213.168
10KV侧
2233.1908
各馈路
363.7307
259.8076
288.675
202.073
2.3.2选择短路点计算短路电流
1）短路电流计算的目的
在变电站的电气设计中，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个方面：
（1）在选择电气主接线时，为了比较多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的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。
（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同和相对的安全距离。
（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时短路电流为依据。
（5）接地装置的设计也需用短路电流。
图2-2短路点的选择
2）短路电流计算条件
为使所选电器具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，做验算用的短路电流应按下列条件确定：
（1）容量和接线，按本工程最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划。
（2）短路的种类：
一般按三相短路验算，若其它种类较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。
（3）计算短路点，选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。
3）选择短路点
d1、d2、d3
变压器回路中的断路器，应比较断路器前后短路时通过断路器的电流值，则其大者为短路点：
（1）当在d1情况下发生短路时流过的短路电流为I1+I2，故选d1为短路点。
（2）当在d2情况下发生短路时流过的短路电流为I1+I2，故选d2为短路点。
（3）当在d3情况下发生短路时流过的短路电流为I1，故选d3为短路点。
4）计算各点的短路电流
（1）d1点短路电流的计算（取线路长为10km）
a）最大运行方式下的短路电流
如图2-3：
图2-3
功率基准值：
。
电压基准值:
b）最小运行方式下的短路电流
如图2-4：
图2-4
（2）d2点短路电流的计算
a）最大运行方式下的短路电流：
如图2-5：
图2-5
b）最小运行方式下的短路电流
如图2-6：
图2-6
（3）d3点短路电流的计算
a）最大运行方式下的短路电流：
如图2-7：
图2-7
b）最小运行方式下的短路电流
如图2-8：
表2-5短路电流的计算结果
短
路
点
编
号
基值
电压
Ub
（kv）
基值
电流
Ib
（A）
支路
名称
支路
计算
电抗Xja*
额定
电流
In
（A）
稳态短路电流
短路
电流
冲击值Ich（ka）
短路
容量
S〃
（MVA）
标
幺
值
I∞*
有
名
值
I∞
（KA）
2.55—2.71〃
d1
115
0.502
110kv系统
0.06
193.772
16.67
14.493
36.957
2761.287
d2
10.5
5.499
10kv系统
0.225
2122.614
4.44
24.41
62.246
422.79
d3
10.5
5.499
10kv系统
2.2641
2122.614
0.442
2.43
6.197
42.089
2.4导线的选择及校验
2.4.1110kV母线的选择及校验
裸导线应根据具体使用情况按下列条件选择和校验：
1）型式：
载流导体一般采用铝制材料：
110KV及以上高压配电装置，一般采用软导线。
2）最大持续工作电流选择导线截面积S，即（2-8）
式中：
Ig相应环境温度为+25℃时的导体长期允许载流量。
KФ温度修正系数：
根据参考资料全国主要城市气象资料数据平均最高32.5℃，据参考资料裸体载流量在不同海拔高度及环境温度下的综合修正系数KФ为0.89
根据计算出的导体长期允许载流量，查表（钢芯铝绞线长期允许载流量）可选110KV进线导线为LGJ—70。
校验：
（1）电流密度J选择：
查参考资料，采用钢芯铝绞线，当时，
式中：
J——导体的经济电流密度，查参考资料，按此条件选择的导线截面S，应尽量接近经济计算截面Sj，当无合适导体时允许小于Sj，考虑到环境温度的修正，修正系数KФ为0.89
（2）按热稳定校验
裸导线热稳定校验为（2-9）
式中Smin——根据热稳定的导体最小允许截面（mm2）
C——稳定系数
I∞——稳态短路电流
tdz——短路电流等值时间（S）
（3）按电晕，电压校验：
（2-10）
式中：
ULj——临界电晕电压（kv）,其值按下式计算
（2-11）
K——水平布置为0.96
Mr——导线表面粗糙系数，多股绞线Mr=0.85
δ——空气相对密度0.955
r——导线半径（cm）
α——相间距离（cm）
查表，满足电晕要求的最小母线直径和截面，取
计算过程详见计算书
2.4.210kV母线的选择
1）按最大持续工作电流选择导线截面S，即（2-12）
当环境温度为35℃时，温度修正系数KФ为0.89（查《电力工程设计手册》表4—16），多条矩形母线载流量选铝母线LMY截面为
2）按热稳定校验
矩形导线按热稳定校验为（2-13）
3）按动稳定校验
单条矩形母线（2-14）
式中：
δmax——作用在母线上的最大应力（取硬铝）
L——支持绝缘子间的跨距（m）
W——截面系数（m3）,是指垂直于作用方向的轴而言的抗弯距。
β——震动系数取1
α——母线间的相间距离取0.7（m）
表2-6导线校验结果
名称
F（N/M）
母线相间应力
957.57
每相两条母线间应力
3390.24
条间允许应力
4511×106Pa
条间衬垫允许最大跨距
0.774
2.5配电设备的选择
2.5.1110kV断路器的选择
按照断路器采用的灭弧介质和灭弧方式，一般可分为：
多油断路器、压缩空气高压断路器、SF6断路器，由于少油断路器制造简单，价格便宜，维护工作量少，故3——220KV一般采用少油断路器。
1）按开断电流选择：
由于断路器的开断时间较长，短路电流非周期分量衰减较多，能满足国家标准规定，非周期分量不超过周期分量幅值20%的要求，故高压断路器的额定开断电流应满足式中：
Id——高压断路器触头实际开断瞬间的短路电流周期分量有效值，查《发电厂电气部分课程设计参考资料》表5-26（35——220KV少油断路器），故选SW3—110
S——少油式W——户外
2）按动稳定校验
（2-15）
式中：
Ich——三相短路电流冲击值36.957
Imax——断路器极限通过的电流峰值41
3）按热稳定校验
（2-16）
式中：
I∞——稳态三相短路电流
tdz——短路电流发热等值时间（又称假想时间）
It——断路器t热稳定电流
查《发电厂电气部分课程设计参考资料》表5—26
算出：
tdz
表2-7110kV侧断路器选择结果表
计算数据
SW3—110
Uns110（KV）
Un110（KV）
Imax213.168（A）
In1200（A）
I〃14.493（KA）
Inbr15.8（A）
Ish36.957（KA）
Ind41（KA）
Qk724.66（KA2.S）
I*t998.56（KA2.S）
2.5.2110kV隔离开关的选择
隔离开关是发电厂和变电站中常用的电器，它需要与断路器配套使用。
但隔离开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。
隔离开关的形式比较多，按安装地点不同，可分为屋内式和屋外式，按绝缘支柱数目又可分为单柱式、双柱式和三株式。
它对配电装置的布置和占地面积有很大影响，选型时应根据配电装置特点和使用要求以及技术经济条件来确定。
1）按最大持续电流选（2-17）
由额定电流选，查《发电厂电气部分课程设计参考资料》表5-33（户外隔离开关主要技术参数）故选GW4—110G——隔离开关W——户外
2）按动稳定校验：
（2-18）
3）按热稳定校验：
（2-19）
表2-8110KV侧隔离开关选择结果表
计算数据
GW4—110
Uns110（KV）
Un110（KV）
Imax213.168（A）
In600（A）
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