110KV变电所设计.doc
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110KV变电所电气部分设计
目录
摘要
前言
设计任务书
第一章主接线的确定…………………………………………………………………2
第一节电气主接线的拟订…………………………………………………………2
第二节对三个方案进行经济、技术比较…………………………………………5
第三节变压器的选择………………………………………………………………6
第二章短路电流计算…………………………………………………………………9
第一节电力系统短路电流计算条件………………………………………………9
第二节不对称短路电流的计算……………………………………………………20
第三章电气设备的选择………………………………………………………………26
第一节断路器的选择………………………………………………………………26
第二节隔离开关的选择……………………………………………………………30
第三节母线的选择…………………………………………………………………33
第四节互感器的选择………………………………………………………………38
第五节避雷器的选择………………………………………………………………42
第六节熔断器的选择………………………………………………………………44
第四章变电站主变压器的继电保护设计……………………………………………47
第一节瓦斯保护的整定……………………………………………………………47
第二节变压器纵差动保护…………………………………………………………47
第三节变压器的电流保护…………………………………………………………48
第四节变压器的零序保护…………………………………………………………48
摘要
本毕业设计是对110KV变电所电气部分的初步设计，说明书的主要设计内容为拟订电气主接线方案并进行技术经济比较、最大和最小运行方式下短路电流计算、电气设备的选择、配置主变压器继电保护并进行整定计算。
这次毕业设计是将大学四年所学的理论知识进行一次综合运用,也是对“电气工程及其自动化”所学的相关基础理论、专业知识掌握程度的检验。
关键词
毕业设计；电气主接线；短路电流；变压器保护
54
前言
电能有许多的优点，随着电力工业和国民经济的可持续发展,电力已成为国民经济建设中不可缺少的动力，并广泛应用于一切生产和日常生活方面。
我们这次设计的题目是：
110KV变电所设计。
改变电站为终端降压变电所，电压等级110/35/10KV三级电压。
2回110KV架空进线，线路长度一条为16.85KM，一条为14.52KM。
110KV侧平均功率因数COSФ=0.85，T=4800h。
110KV采用中性点直接接地的运行方式。
35KV、10KV采用中性点不接地的运行方式。
8回35KV出线，主要供电给煤矿（一类负荷），最大负荷为41.5MVA，其中重要负荷占60%，最大一回负荷为6MVA，COSФ=0.85，Tmax=5000h。
35KV用户除本所外无别的电源。
10回10KV出线，主要给部分工厂和民用（主要为二三类负荷）。
最大负荷为18MVA，最大一回负荷为2MVA，COSФ=0.8，Tmax=4200h。
110KV线路的主保护瞬时动作，后备保护动作时间为0.15S，35KV出线过流保护时间为2S，10KV出线过流保护工作时间为0.5S。
变电所地处平原地区，海拔高度100M，年平均气温17ºC，最热平均气温35ºC，绝对最高气温为40ºC，最热月土壤温度为18ºC。
我们组于6月1日接到设计任务书，根据要求我们组四人相互配合完成本次设计任务，主要设计内容为：
1.拟定电气主接线；2.短路电流计算；3.主要一次设备选择；4.主变压器继电保护整定计算。
设计任务于2006年6月20日之前完成。
我在本次毕业设计中承担的主要设计任务是：
承担一次电气设备的选择；参与主接线方案的设计与短路电流的计算；参与主变压器继电保护整定计算等。
我们组在本次毕业设计过程中，始终本着综合运用理论知识和符合毕业设计要求而展开设计工作。
查阅了发电厂电气设备、电力系统分析、电力系统继电保护、高电压技术等课程的内容，查阅了电力工程设计手册和标准，在次基础上拟定了电气主接线，进行了短路电流的计算和电气设备的选择，进行了继电保护的整定计算，最后根据设计要求绘出110KV变电所主接线图和保护配置图。
这次设计检验了我在大学四年里所学的所有专业知识和实习期间所获得的生产知识。
从而巩固、加深专业知识。
学习和掌握水电站设计的基本方法和技能，还培养和提高独立分析和解决实习工程问题的能力。
设计人：
吴先涛
2006年6月16日
毕业设计任务书
一、设计题目：
110KV变电所设计
改变电站为终端降压变电所，电压等级110/35/10KV三级电压。
2回110KV架空进线，线路长度一条为16.85KM，一条为14.52KM。
110KV侧平均功率因数COSФ=0.85，T=4800h。
110KV采用中性点直接接地的运行方式。
35KV、10KV采用中性点不接地的运行方式。
8回35KV出线，主要供电给煤矿（一类负荷），最大负荷为41.5MVA，其中重要负荷占60%，最大一回负荷为6MVA，COSФ=0.85，Tmax=5000h。
35KV用户除本所外无别的电源。
10回10KV出线，主要给部分工厂和民用（主要为二三类负荷）。
最大负荷为18MVA，最大一回负荷为2MVA，COSФ=0.8，Tmax=4200h。
110KV线路的主保护瞬时动作，后备保护动作时间为0.15S，35KV出线过流保护时间为2S，10KV出线过流保护工作时间为0.5S。
变电所地处平原地区，海拔高度100M，年平均气温17ºC，最热平均气温35ºC，绝对最高气温为40ºC，最热月土壤温度为18ºC。
设计所
系统1500MVAX1min=0.092X1max=0.11
火电为主X2min=0.075X2max=0.09
SB=100MVA
二、设计内容：
1.参与电气主接线方案的确定；
2.承担主要电气设备选择；
3.参与主变压器保护并进行整定计算；
4.绘制相关图纸。
第一章主接线的确定
第一节主接线的拟定
电气主接线是发电厂、变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身运行的可靠性，灵敏性和经济性密切相关。
并且对电气设备选择，配电装置布置。
继电保护和控制方式的拟定有较大影响，因此，必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，确定主接线方案。
一、接线的设计原则
在选择电气主接线时，应以下面各点作为设计依据；
1、在电力系统中的地位和作用
电力系统中的变电所有系统枢纽变电所、地区重要变电所和一般变电所三种类型。
一般系统枢纽变电所汇集多个大电源，进行系统功率交换和以中压供电，电压为330~500KV；地区重要变电所，电压为220~330KV，一般变电所为终端和分支变电所，电压为110KV；但也有220KV。
2、所的分期和最终建设规模
变电所根据5~10年电力系统发展规划进行设计，一般装设两台（组）主变压器；当技术经济比较合理时，330~500KV枢纽变电所也可装设3~4台（组）主变压器；终端或分支变电所如只有一个电源时，可只装设一台主变压器。
3、负荷大小的重要性
（1）对于一级负荷必须有两个独立的电源供电，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，能保证对全部或大部分二级负荷不间断供电。
（3）对于三级负荷一般只要一个电源供电。
4、系统备用容量大小
装有两台（组）及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70%的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证拥护的一级和二级负荷。
系统备用容量的大小将会影响运行方式的变化。
例如：
检修母线或断路器时，变压器或发电机停运；故障时允许切除的线路、变压器和机组的数量等。
设计主接线时，应充分考虑这个因素。
二、主接线设计的基本要求
主接线应满足可靠性、灵敏性和经济性三个要求
（一）可靠性
供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，主接线首先满足这个要求具体如下；
（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电。
（2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回数和停运的时间，并保证
对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。
（3）尽量避免变电所的停运的可靠性
（二）灵敏性
主接线应满足在调度、检修及扩建的灵敏性。
（1）调度时应可以灵敏地投入和切除电压的线路，满足系统在事故运行方式，检修运行方式以及特殊运行下的系统调度要求。
（2）检修时可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。
在不影响连接供电或停电时间最短的情况下投入变压器或线路而互不干扰，并且对一级和二级部分的改建工作量最少。
（三）经济性
主接线在满足可靠性、灵敏性的要求下做到经济合理。
根据以上原则结合所给的设计任务书，电气主接线拟定以下三个方案，如图所示；
图1-1方案
（1）
图1-2方案
（2）
图1-3方案（3）
第二节对三个方案进行经济技术比较
一、技术比较
由于该变电所为终端将压变电所，35KV出线主要供电给煤矿（一级负荷），且无别的电源供电，为此必须时刻保证其用电。
10KV出线主要供电给部分工厂及民用（二三级负荷）。
可排除方案一。
二、经济比较
在供电的可靠性和灵敏性大体相同的前提下，要做到经济合理，主接线应力求简单的断路器、隔离开关、电流和电压互感器等一级设备。
经济比较主要是指主接线方案的综合总投资O和年运行非U两大项进行综合效益比较
（1）综合总投资O
主要包括变压器，配电装置等主体设备的综合投资及不可预见的附加投资，所谓综合投资，包括设备本体价格，附属设备费，主要材料费及安装费等各项费用的总和。
即：
（万元）（1-1）
注—《发电厂电气部分》P194
有方案
（二）较方案（三）多两个断路器而变压器型号相同可知O
（一）>O
（二）
（2）年运行费U的计算
年运行费U主要包括一年中变压器的电能损耗费、小修、维护费及折旧费。
即：
（1-2）
注—《发电厂电气部分》P194
由式（1-1）可知U
（二）>U（三）
通过以上比较可最终确定方案（三）为最佳方案.
第三节变压器的选择
主变压器性能直接关系到本变电站的可靠性，选择时除依据基本资料外取决于主接线形式、电压等级、传输功率以及系统联系，根据主接线方案应选择两台同型号的三绕组变压器。
一、变压器容量的确定
（1）主变压器容量一般按变电所建成5~10年的规划负荷选择，并适当考虑到运期10~20年负荷发展。
对于成郊变电所，主变压器容量应于城市规划相结合。
（2）根据变电所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时其余变压器容量在计及过负荷能力后允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全负荷的70%~80%
即：
（2-1）
n—为变压器的台数，
取SN为40MVA
表2-1变压器的参数
型号
额定容量（KVA）
额定电压
（KV）
连接组
损耗（KW）
载电流（%）
阻抗电压
（%）
总体质量（t）
备注
高压
中压
低压
空载
短路
高中
高低
中低
SFSQ7-
40000/110
40000
110
35
10．5
YNyNDd11
54．5
210
0．9
10．5
17
—
18
6．5
41．4
沈阳变
注—《发电厂电气部分》P480附表1-6
由表所知：
归算到110KV侧得：
化为表幺值为：
第二章短路电流计算
一、短路计算的目的
1）电气主接线的选取；
2）选择导线的电气设备；
3）确定中性点的接地方式；
4）计算软导线的短路摇摆；
5）定分裂导线间隔棒的距离；
6）验算接地装置的接触电压和跨步电压；
7）选择继电保护装置和进行整定计算。
第一节电力系统短路电流计算条件
一、基本假设
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）所有电源的电势相位角相同。
3）系统中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的影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间位置相差120°电气角度。
4）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁心的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。
5）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。
6）输电线路的电容略去不计。
根据以上假设和规定短路点的选取见方案（三）。
共三个短路点，现分别计算如下：
1．当短路发生点时。
网络图如下：
为了判断符合负荷LD-1、LD-2是否供给冲击电流，须验算节点a、b的残压。
当点发生短路时，由提供的短路电流为：
∴负荷LD-1提供冲击电流。
同理＜0.8，负荷LD-2也提供冲击电流
+
－
－
+
S
X2
F1
X1
X3
X7
X4
X6
X5
X8
X2
E2=0.8
图2-1（C）
网络变换如下：
－
+
S
X2
F1
X1
E1=0.8
－
+
b
图2-1（d）
然后将由、、、组成的四支星形电路通过变化消去A点，如下图所示。
所以各点对短路点的转移阻抗为：
S
X2
F1
Xfa
Xfb
Xfc
EG1
X2
F1
Xfa
Xfc
E3
EG2=1
图2-1（e）
标幺值：
有名值
当短路点发生在时
经星网变换得：
EG1
E2
EG2
+
－
－
－
+
+
XG2b
f2
E1
+
－
图2-2（a）
所以各点对电源的转移阻抗为：
（3）当短路点发生时：
经星网变换得
有名值：
第二节不对称短路电流的计算
一、计算说明：
不对称短路计算，一般采用对称分量法。
三相网络内任一组不对称（电流、电压等）都可以分解为三相不对称分量。
由于三相对称网络中对称分量的独立性、即正序电势只产生正序电流和正序电压降，负序和零序亦然。
因此可利用重叠原理。
分别计算，然后从对称分量中求出实际的短路电流或电压值。
以下所有短路电流计算均在最小运行方式下。
且+
同三相对称计算的X=X+X=0.45
X=5.5
二、制定短路点各序网络
三、1．ƒ1点短路时
x1（tmax）
+
－
X1·
（1）
X3·
（1）
－
+
x1（tmax）
X1·
（1）
x1（tmax）
+
－
X1·
（2）
X3·
（2）
X1·
（2）
Vac1）
Vac2）
+
－
X1·（0）
Vac0）
xff
（2）
－
+
Vac2）
xff（0）
－
+
Vac0）
xff（0）
－
+
Vac0）
－
+
Eeq
对于单相短路
=X+X=0.231+0.416=0.64697=3
I==0.5978
I=I=1.794
对于两相短路
点短路时
=X=0.231=
I==1.136（KA）
I=I=1.954（KA）
点短路时
=X=0.231=
I==3.57（KA）
I=I=6.184（KA）
点短路时
=X=0.231=
I==12.497（KA）
I=I=21.645（KA）
对于两相接地短路
点短路时
==0.149
==1.521
I==1.38（KA）
I=I=2.101（KA）
2．点短路时
对于单相短路
=X+X=0.231+0.416=6.058=3
I==0.268（KA）
I=I=0.803（KA）
3．点短路时
=X+X=0.231+0.416=6.058=3
I==0.936（KA）
I=I=2.808（KA）
点短路时
==0.106
==1.716
I==4.895（KA）
I=I=8.3998（KA）
点短路时
==0.106
==1.716
I==26.97（KA）
I=I=36.374（KA）
表2-1短路电流计算结果
短路点
时间（t）
短路点的电流来源
短路点电流
S1
S2
E1
E2
E1/2
EG1/G2
ƒ1
0
B
M
7．062
3．707
1．378
0．723
0．916
0．481
4．911
0．2
B
M
4．568
2．397
1．293
0．679
1．087
0．571
3．647
0．5
B
M
3．801
1．995
1．261
0．662
1．076
0．565
3．221
4
B
M
2．523
1．324
1．664
0．8731
1．328
0．697
2．894
ƒ2
0
B
M
0．664
1．096
0．381
0．629
4．508
7．436
9．161
0．2
B
M
5．693
9．393
0．464
0．766
3．487
5．752
15．911
0．5
B
M
4．451
7．342
0．496
0．818
2．951
4．868
13．029
4
B
M
2．532
4．289
0．274
0．452
2．444
4．032
8．773
ƒ3
0
B
M
0．455
2．571
0．412
2．375
3．173
18．319
23．264
0．2
B
M
0．559
3．227
0．522
3．014
2．204
1．273
7．271
0．5
B
M
0．584
3．317
0．537
3．100
7．342
4．234
10．457
4
B
M
1．860
1．074
7．491
注：
B表示标幺值M表示有名值
E1/2是E1，E2的合并，EG1/G2是两输电线路的合并。
第三章电气设备的选择
第一节断路器的选择
由于各种电气设备的具体工作条件并不完全相同，所以它们选择的具体方法也不完全相同，但基本要求相同，即保证电气设备可靠的工作。
按照正常工作条件选择，并按短路情况校验其热稳定和动稳定。
结合任务书，所有设备均选择平原型。
一、110KV母线侧进出线断路器及母线分段断路器的选择
断路器选择一般情况下所遵循的原则有以下几点：
（1）该满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求；
（2）按照当地环境条件校核；（3）力求技术先进和经济合理；（4）考虑远景发展的情况；
1．型号选择
如图1-1方案3所示，110KV母线侧进线断路器及母线连接断路器的短路情况及基本要求一致，故可选用同一型号的断路器（3个）。
为最大负荷之和：
110KV母线的最大持续工作电流为：
根据最大持续工作电流查《发电厂电气部分》P491附表2-17可选择型号为SW4-110型断路器，参数见表3-1。
表3-1110KV断路器参数表
型号
额定电压（KV）
额定电流（KVA）
额定开断电流（KA）
动稳定电流（KA）
热稳定电流（KA）
固有分闸时间（S）
合闸时间（S）
备注
SW4-110
110
1000
18．4
55
21
0.06
0.25
2．断路器校验
（1）开断电流校验
满足要求
—额定开断电流
—点次暂态电流
（2）额定电压校验
满足要求
—断路器额定电压
—电网额定电压
（3）额定电流校验
满足要求
—断路器额定电流
—最大持续工作电流
（4）动稳定校验
—动稳定额定电流
—短路冲击电流
（5）热稳定校验
—热稳定电流，
—最大稳定短路电流，
—短路电流假想时间，
—热稳定允许作用时间，
二、35KV母线侧进出线断路器及母线分段断路器的选择
1．型号选择
如图1-1方案3所示，35KV母线侧进线断路器及母线连接断路器的短路情况及基本要求一致，故可选用同一型号的断路器（3个）。
为最大负荷之和：
35KV母线的最大持续工作电流为：
根据该最大持续工作电流查《发电厂电气部分》P490附表2-16可得到：
选择型号为SN10-35型断路器，参数见表3-2。
表3-235KV断路器参数
型号
额定电压
额定电流
额定开断电流
动稳定电流
热稳定电流
固有分闸时间
合闸时间
备注
（KV）
（KA）
（KA）
（KA）
（S）
（S）
SN10-35
35
1000
24．8
63．4
24．8
0．06
0．4
2．断路器校验
（1）开断电流校验
满足要求
—额定开断电流
—点次暂态电流
（2）额定电压校验
满足要求
—断路器额定电压
—
升级会员 