110kV变电站电气一次部分课程设计.docx
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110kV变电站电气一次部分课程设计
110kV变电站电气一次部分课程设计
D
距离输电时，电压为11千伏，甚至更高，近距离时为1000伏吧，这个电压经变压器后，变为220伏的生活用电，或变为380伏的工业用电。
随着我国电力工业化的持续迅速发展，对变电站的建设将会提出更高的要求。
本文通过对110KV变电站一次系统的设计，其中针对主接线形式选择，母线截面的选择，电缆线路的选择，主变压器型号和台数的确定，保护装置及保护设备的选择方法进行了详细的介绍。
其中，电气设备的选择包括断路器、隔离开关、互感器的选择和方法与计算，保护装置包括避雷器和避雷针的选择。
其中分析短路电流的计算方法和原因，是为了保证供电的可靠性。
第1章原始资料及其分析4
1原始资料4
2原始资料分析6
第2章负荷分析6
第3章变压器的选择8
第4章电气主接线11
第5章短路电流的计算14
1短路电流计算的目的和条件14
2短路电流的计算步骤和计算结果15
第6章配电装置及电气设备的配置与选择18
1导体和电气设备选择的一般条件18
2设备的选择19
结束语25
致谢26
参考文献27
附录一：
一次接线图
第一章原始资料及其分析
1.原始资料
待建变电站是该地区农网改造的重要部分，预计使用3台变压器，初期一次性投产两台变压器，预留一台变压器的发展空间。
1.1电压等级
变电站的电压等级分别为110kV,35kV,10kV。
110kV：
2回
35kV：
5回（其中一回备用）
10kV：
12回（其中四回备用）
1.2变电站位置示意图：
图1变电站位置示意图
1.3待建变电站负荷数据（表1）
表1待建成变电站各电压等级负荷数据
电压等级
用户名称
最大负荷（MW）
回路数
供电方式
距离（km）
负荷性质
35kV
铝厂
15
1
架空
39
Ⅰ
钢厂
10
1
架空
25
Ⅰ
A变电站
15
1
架空
35
Ⅲ
B变电站
20
1
架空
40
Ⅲ
电压等级
用户名称
最大负荷（MW）
回路数
供电方式
距离（km）
负荷性质
10kV
陶瓷厂
0.56
1
电缆
4
Ⅱ
电机厂
0.5
1
电缆
5
Ⅲ
化肥厂
0.63
2
电缆
4
Ⅱ
仪表厂
0.42
1
电缆
3
Ⅲ
木材厂
0.8
1
架空
14
Ⅲ
配电变压器A
0.78
1
架空
15
Ⅰ
配电变压器B
0.9
1
架空
16
Ⅲ
其它
0.7
2
电缆
4
Ⅲ
备用
2
注：
（1）35kV,10kV负荷功率因数均取cos¢=0.85
（2）负荷同期率：
kt=0.9
（3）年最大负荷利用小时数均为Tmax=3500小时/年
（4）网损率为k"=5%
（5）站用负荷为50kWcos¢=0.87
（6）35kV侧预计新增远期负荷20MW，10kV侧预计新增远期符合6MW
1.4地形地质
站址选择在地势平坦地区，四周皆为农田，地质构造洁为稳定区，站址标高在50年一遇的洪水位以上，地震烈度为6度以下。
1.5水文气象
年最低气温为-2度，最高气温为40度，月最高平均气温为37度，年平均气温为22度。
1.6环境
站区附近无污染源
2.原始资料分析
要设计的变电站由原始资料可知有110kV，35kV，10kV三个电压等级。
由于该变电站是在农网改造的大环境下设计的，所以一定要考虑到农村的实际情况。
农忙期和农限期需电量差距较大，而且考虑到城镇地区的经济发展速度很快，所以变压器的选择考虑大容量的，尽量满足未来几年的发展需要。
为了彻底解决农网落后的情况，待建变电站的设计尽可能的超前，采用目前的高新技术和设备。
待建变电站选择在地势平坦区为以后的扩建提供了方便。
初期投入两台变压器，当一台故障或检修时，另一台主变压器的容量应能满足该站总负荷的60%，并且在规定时间内应满足一、二级负荷的需要。
第二章负荷分析
1.负荷分析的目的
负荷计算是供电设计计算的基本依据和方法，计算负荷确定得是否正确无误，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。
对供电的可靠性非常重要。
如计算负荷确定过大，将使电器和导线选得过大，造成投资和有色金属的消耗浪费，如计算负荷确定过小又将使电器和导线电缆处子过早老化甚至烧毁，造成重大损失，由此可见正确负荷计算的重要性。
负荷计算不仅要考虑近期投入的负荷，更要考虑未来几年发展的远期负荷，如果只考虑近期负荷来选择各种电气设备和导线电缆，那随着经济的发展，负荷不断增加，不久我们选择的设备和线路就不能满足要求了。
所以负荷计算是一个全面地分析计算过程，只有负荷分析正确无误，我们的变电站设计才有成功的希望。
2.待建变电站负荷计算
2.135kV侧
近期负荷：
P近35=15+10+15+20=60MW
远期负荷：
P远35=20MW
=60+20=80MW
P35＝
kt（1+k"）=80*0.9*（1+0.05）=75.6MW
Q35＝P×tgφ＝P×tg（cos－10.85）=46.853MVar
视在功率
Sg35＝
=
=88.941MVA
IN35=
=
=1.467kA
2.210kV侧
近期负荷：
P近10=0.56+0.5+0.63+0.42+0.8+0.78+0.9+0.7=5.29MW
远期负荷：
P远10=6MW
=5.29+6=11.29MW
P10＝
kt（1+k"）=11.29×0.9×（1+0.05）=10.669MW
Q10＝P×tgφ＝P×tg（cos－10.85）=6.612MVar
视在功率
Sg10＝
=
=12.552MVA
IN10=
=
=0.725kA
2.3站用电容量
Sg所＝
＝
＝0.057MVA
2.4待建变电站供电总容量
S∑=Sg35+Sg10+Sg所=88.941+12.552+0.057＝101.55（MVA）
P∑=P35+P10+P所=75.6+10.669+0.05＝86.319（MW）
第三章变压器的选择
主变压器是变电站中的主要设备,合理地选择主变压器台数,不仅可以减少停电、限电几率,提高电网运行的经济性、灵活性和可靠性,而且可以提高电能质量。
主变的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构，它的选择依据除了依据基础资料外，还取决于输送功率的大小，与系统联系的紧密程度。
另外主变选择的好坏对供电可靠性和以后的扩建都有很大影响。
总之主变的选择关系到待建变电站设计的成功与否，所以对主变的选择我们一定要全方面考虑。
既要满足近期负荷的要求也要考虑到远期。
1.变电所主变压器的选择有以下几点原则：
1）在变电所中，一般装设两台主变压器；终端或分支变电所，如只有一个电源进线，可只装设一台主变压器；对于330kV、550kV变电所，经技术经济为合理时，可装设3~4台主变压器。
2）对于330kV及以下的变电所，在设备运输不受条件限制时，均采用三相变压器。
500kV变电所，应经技术经济论证后，确定是采用三相变压器，还是单相变压器组，以及是否设立备用的单相变压器。
3）装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台事故停运后，其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的60%以上，并应保证用户的一级和全部二级负荷的供电。
4）具有三种电压等级的变电所，如各侧的功率均达到主变压器额定容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但需装设无功补偿设备时，主变压器一般先用三绕组变压器。
5）与两种110kV及以上中性点直接接地系统连接的变压器，一般优先选用自耦变压器，当自耦变压器的第三绕组接有无功补偿设备时，应根据无功功率的潮流情况，校验公共绕组容量，以免在某种运行方式下，限制自耦变压器输出功率。
6）500kV变电所可选用自耦强迫油循环风冷式变压器。
主变压器的阻抗电压（即短路电压），应根据电网情况、断路器断流能力以及变压器结构选定。
7）对于深入负荷中心的变电所，为简化电压等级和避免重复容量，可采用双绕组变压器。
2.主变台数的确定
由原始资料可知，待建变电站是在农网改造的大环境下建设的。
负荷大，出线多，且农用电受季节影响大，所以考虑初期用两台大容量主变。
两台主变压器，可保证供电的可靠性，避免一台变压器故障或检修时影响对用户的供电。
随着未来经济的发展，可再投入一台变压器。
3.主变压器容量的确定
主变压器容量一般按变电所建成后5~10年规划负荷选择，并适当考虑到远期10~20年的负荷发展，对于城市郊区变电所，主变压器应与城市规划相结合。
此待建变电站坐落在郊区，10kV主要给村办企业供电，35kV主要给其他乡镇及几个大企业供电。
考虑到郊区及其乡镇的发展速度非常快，所以我们选择大容量变压器以满足未来的经济发展要求。
确定变压器容量:
（1）变电所的一台变压器停止运行时，另一台变压器能保证全部负荷的60%，即
=S∑×60%=101.55×60%＝60.93（MVA）
（2）单台变压器运行要满足一级和二级负荷的供电需要
一，二级负荷为15+10+0.56+0.63+0.78=26.97MVA
所以变压器的容量最少应为60.93MVA
4.变压器类型的确定
4.1相数的选择
变压器的相数形式有单相和三相，主变压器是采用三相还是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。
一台三相变压器比三台单相变压器组成的变压器组，其经济性要好得多。
规程上规定，当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂用变电站，均选用三相变压器。
同时，因为单相变压器组相对来讲投资大、占地多、运行损耗也较大，而不作考虑。
因此待建变电站采用三相变压器。
4.2绕组形式
绕组的形式主要有双绕组和三绕组。
规程上规定在选择绕组形式时，一般应优先考虑三绕组变压器，因为一台三绕组变压器的价格及所用的控制电器和辅助设备，比两台双绕组变压器都较少。
对深入引进负荷中心，具有直接从高压变为低压供电条件的变电站，为简化电压等级或减少重复降压容量，可采用双绕组变压器。
三绕组变压器通常应用在下列场合：
（1）在发电厂内，除发电机电压外，有两种升高电压与系统连接或向用户供电。
（2）在具有三种电压等级的降压变电站中，需要由高压向中压和低压供电，或高压和重压向低压供电。
（3）在枢纽变电站中，两种不同的电压等级的系统需要相互连接。
（4）在星形-星形接线的变压器中，需要一个三角形连接的第三绕组。
本待建变电站具有110kV，35kV，10kV三个电压等级，所以拟采用三绕组变压器。
4.3普通型和自耦型的选择
自耦变压器是一种多绕组变压器，其特点就是其中两个绕组除有电磁联系外，在电路上也有联系。
因此，当自耦变压器用来联系两种电压的网络时，一部分传输功率可以利用电磁联系，另一部分可利用电的联系，电磁传输功率的大小决定变压器的尺寸、重量、铁芯截面积和损耗，所以与同容量、同电压等级的普通变压器比较，自耦变压器的经济效益非常显著。
但容量越大，电压等级越高，这些优点才越明显。
因此，综合考虑选用普通变压器。
4.4中性点的接地方式
电网的中性点的接地方式，决定了主变压器中性点的接地方式。
本变电站所选用的主变为自耦型三绕组变压器。
规程上规定：
凡是110kV-500kV侧其中性点必须要直接接地或经小阻抗接地；主变压器6-63kV采用中性点不接地。
所以主变压器的110kV侧中性点采用直接接地方式，35kV，10kV侧中性点采用不接地方式。
综上所述和根据表3-1变压器型号，所选主变压器为SFS10-63000/110。
表3-1变压器型号
S10系列三绕组无励磁调压电力变压器产品技术参数
型 号
电压组合及分接范围（kV）
连接组
空载损耗（kW）
负载损耗（kW）
空载电流（%）
阻抗电压（%）
运输重量（t）
总重（t）
外形尺寸
长x宽x高
（mm）
高压
中压
低压
升压变
降压变
SFS10-6300/110
110
115
121±
2x2.5%
35
36.6
38.5±
2x2.5%
6.3
6.6
10.5
11
YN,
yn0,
d11
8.4
45.1
0.4
高-中
17.5%
高-低
10.5%
中-低
6.5%
高-中
10.5%
高-低
17.5%
中-低
6.5%
20.2
23.3
4950x3320x3610
SFS10-8000/110
10.1
53.6
0.4
23.1
26.2
4970x3360x3640
SFS10-10000/110
11.9
62.9
0.3
25.9
29.6
5020x3410x3690
SFS10-12500/110
14
74
0.3
31.5
35.3
5080x3430x3740
SFS10-16000/110
16.9
90.1
0.3
33.6
37.8
5140x3490x3780
SFS10-20000/110
20.0
106.3
0.25
39.3
44.6
5300x3670x4200
SFS10-25000/110
23.6
125.8
0.25
44.5
51.0
6106x4877x4941
SFS10-31500/110
28
148.8
0.2
50.0
57.0
6430x4420x5060
SFS10-40000/110
33.5
178.5
0.2
55.4
64.2
6600x4570x5160
SFS10-50000/110
39.6
212.5
0.1
65
76
6910x4620x5280
SFS10-63000/110
46.9
255
0.1
79
88.3
7330x4860x5800
SFS10-75000/110
53.5
290.6
0.1
83
92
7800x4990x6100
第四章电气主接线
电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电气系统的主要部分。
电气主接线是由电气设备通过连接线，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。
由于本设计的变电站有三个电压等级，所以在设计的过程中首先分开单独考虑各自的母线情况，考虑各自的出线方向。
论证是否需要限制短路电流，并采取什么措施，拟出几个把三个电压等级和变压器连接的方案，对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。
1.对电气主接线的基本要求
对电气主接线的基本要求，概括地说包括可靠性、灵活性和经济性三方面
1.1可靠性
安全可靠是主接线的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。
电气主接线的可靠性不是绝对的。
所以在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备的制造水平及运行经验等诸多因素。
1.2灵活性
电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活的进行运行方式的转换。
灵活性包括以下几个方面：
（1）操作的灵活性
（2）调度的灵活性
（3）扩建的灵活性
1.3经济性
在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。
通常设计应满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。
经济性主要通过以下几个方面考虑：
（1）节省一次投资。
如尽量多采用轻型开关设备等。
（2）占地面积少。
由于本变电站占用农田所以要尽量减少用地。
（3）电能损耗小。
电能损耗主要来源变压器，所以一定要做好变压器的选择工作。
1.4另外主接线还应简明清晰、运行维护方便、使设备切换所需的操作步骤少，尽量避免用隔离开关操作电源。
2.电气主接线的基本原则
电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准则，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各种技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节省投资，就地取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
3.待建变电站的主接线形式
3.1110kV侧
方案
（一）:
采用单母线接线
考虑到110kV侧有两条进线，因而可以选用单母线接线。
其优点：
接线简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便、且有利于扩建。
缺点是：
（1）当母线或母线隔离开关检修或发生故障时，各回路必须在检修和短
路时事故来消除之前的全部时间内停止工作，造成经济损失很大。
（2）引出线电路中断路器检修时，该回路停止供电。
（3）调度不方便，电源只能并列运行，不能分裂运行，并且线路侧发生故障时，有较大的短路电流。
方案
（二）：
采用单母线分段带旁路接线
断路器经过长期运行和切断数次短路电流后都需要检修。
为了能使采用单母线分段的配电装置检修断路器时，不中断供电，可增设旁路母线。
单母线分段带有专用的旁路断路器的旁路母线接线极大的提高了可靠性，但是这也增加了一台断路器和一条母线的投资。
方案（三）：
内桥接线
优点：
（1）
缺点：
（1）
对比以上三种方案，单母线接线供电可靠性、灵活性最差，不符合变电所的供电可靠性的要求；采用单母线分段带旁路的电气接线可将I、II类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性；而且带旁路可以在检修断路器时对用户进行供电。
故经过综合考虑采用方案
（二）。
3.235kV侧
方案
（一）:
采用单母线接线
优点：
接线简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便、且有利于扩建。
缺点：
可靠性、灵活性差，母线故障时，各出线必须全部停电。
方案
（二）：
单母线分段
优点：
（1）母线发生故障时，仅故障母线停止供电，非故障母线仍可继续工作，缩小母线故障影响范围。
（2）对双回线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线段上，保证对重要用户的供电。
缺点：
当一段母线故障或检修时，必须断开在该段上的全部电源和引出线，这样减少了系统的供电量，并使该回路供电的用户停电。
方案（三）：
采用单母线分段带旁路接线
优点：
（1）可靠性、灵活性高
（2）检修线路断路器时仍可向该线路供电
缺点：
投资大，经济性差
单母线接线可靠性低，当母线故障时，各出线须全部停电，不能满足I、II类负荷供电性的要求，故不采纳；将I、II类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性；虽然带有旁路断路器的单母线分段也能满足要求，但其投资大、经济性能差，故采用方案
（二）单母线分段接线。
3.310kV侧
方案
（一）:
采用单母线接线
优点：
接线简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便、且有利于扩建。
缺点：
可靠性、灵活性差，母线故障时，各出线必须全部停电。
方案
（二）：
单母线分段
优点：
（1）母线发生故障时，仅故障母线停止供电，非故障母线仍可继续工作，缩小母线故障影响范围。
（2）对双回线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线段上，保证对重要用户的供电。
缺点：
当一段母线故障或检修时，必须断开在该段上的全部电源和引出线，这样减少了系统的供电量，并使该回路供电的用户停电。
单母线接线可靠性低，当母线故障时，各出线须全部停电，不能满足I、II类负荷供电性的要求，故不采纳；将I、II类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性。
故采用方案
（二）。
综合以上三种主接线所选的接线方式，画出主接线图。
见附图4-1。
第五章短路电流计算
1.短路电流计算的目的和条件
短路是电力系统中较常发生的故障。
短路电流直接影响电器的安全，危害主接线的运行。
为使电气设备能承受短路电流的冲击，往往需选用大容量的电气设备。
这不仅增加了投资，甚至会因开断电流不能满足而选不到符合要求的电气设备。
因此要求我们在设计变电站时一定要进行短路计算。
1.1短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的设计中，短路计算是其中的一个重要内容。
其计算的目的主要有以下几个方面：
⑴电气主接线的比较。
⑵选择导体和电器。
⑶在设计屋外高型配电装置时，需要按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
⑷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。
⑸接地装置的设计，也需要用短路电流。
1.2短路电流计算条件
1.2.1基本假定
⑴正常工作时，三相系统对称运行；
⑵所有电源的电动势相位、相角相同；
⑶电力系统中的所有电源都在额定负荷下运行；
⑷短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
⑸不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；
⑹除去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；
⑺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；
⑻输电线路的电容忽略不计。
1.2.2一般规定
⑴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，应本工程设计规划容量计算，并考虑远景的发展计划；
⑵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；
⑶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。
2.短路电流的计算步骤和计算结果
2.1计算步骤
在工程计算中，短路电流其计算步骤如下：
1、选定基准电压和基准容量，把网络参数化为标么值；
2、画等值网络图；
3、选择短路点；
4、按短路计算点化简等值网络图，求出组合阻抗；
5、利用实用曲线算出短路电流。
2.2计算各回路电抗（取基准功率SB=100MVAUB=Uav=115kV）
根据上面所选的参数进行计算：
X1＝X2＝Xｘ
＝0.4×80×
＝0.241
X3＝X4＝1/200×（UK12%＋UK13%－UK23%）
＝1/200×（10＋17.5－6.5）×
=0.167
X5＝X6＝1/200×（UK12%＋UK23%－UK31%）
＝1/200×（10＋6.5－17.5）×
=-0.008≈0
X7＝X8＝1/200×（UK23%＋UK31%－UK12%）
＝1/200×（6.5＋17.5－10）×
=0.111
由于两台变压器型号完全相同，其中性点电位相等，因此等值电路图可化简为
X13=X1/2=0.241/2=0.1205
X10=X3/2=0.167/2=0.0835
X11=X5/2=-0.008/2=-0.0040
X12=X7/2=0.111/2=0.0555
计算各短路点的最大短路电流
（1）K１点短路时
XΣ*＝X13＝0.1205
I”*＝1／XΣ*＝1／0.1205=8.299
短路次暂态电流：
I”S＝I”*×Id＝8.299×
＝4.166（kA）
短路冲击电流峰值：
ich.S＝
kch
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