110kv变电站电气部分设计.docx
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110kv变电站电气部分设计
网络教育学院
本科生毕业论文(设计)
题目:
110kv变电站电气部分设计
学习中心:
层次:
专科起点本科
专业:
电气工程及其自动化
年级:
年春季
学号:
学生:
指导教师:
完成日期:
年月日
内容摘要
电力工业是国民经济建设的基础工业,与人民生活息息相关,随着经济的发展和人民生活水平的提高,社会对电网供电可靠性、电压合格率等要求越来越高。
变电站作为当地的工农业生产、生活供电基地,其设计的合理性将直接影响到当地的经济发展。
本变电站根据所处地理位置、周边经济、生活、农业用电情况,结合本区域电力公司电网发展规划等因素进行设计。
首先通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数,容量及型号。
其次,根据设计任务要求,假定所给系统与线路及所有负荷的参数,分析负荷发展趋势。
从负荷增长方面阐明了建站的必要性,然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑,并通过对负荷资料的分析,安全,经济及可靠性方面考虑,确定了110kV,35kV,10kV用电的主接线方案。
最后,根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果,对高压断路器、隔离开关、母线、电压互感器、电流互感器等进行了选型,从而完成了110kV电气一次部分的设计。
关键词:
变电所;变压器;主接线;负荷;短路电流
1绪论
1.1110KV变电站的发展现状与趋势
随着我国小城市和西部地区经济的不断发展,对电能资源的要求也越来越高,西部主要是高原地带,在高海拔的条件下,农村现有的变电技术远达不到经济的快速发展,这也在一定程度上影响了西部地区和中小城市变电技术的推广和应用技术的深化。
因此,一方面需要创造条件有针对性地提高对小城市以及农村的变电站的建设,加强专业知识的培训来提高变电技术;另一方面,可以以此为媒介积极开展技术交流,通过实践去体验、探索。
当今世界各方面因素正冲击着全球电力工业,在国外变电所技术有十分剧烈的竞争,而世界范围内的变电所都采用了新技术;其次,不同的环境要求给所有的电力供应商增加了额外的责任,使电力自动化设备尤其是高压大功率变电站的市场开发空间大大拓展。
另外高压变电所的最终用户对变电站的自动控制、节能、环保意识越来越强烈,迫使其上游提供者尤其是系统集成商更加重视地区性电能分配技术方面的需要,所以变电所在世界上飞速的发展,从而要求我国变电技术上也要加入世界先进的变电技术行业。
1.2110kV变电所的研究背景
110kV变电所是电力配送的重要环节,也是电网建设的关键环节。
变电所设计质量的好坏,直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行,为满足城镇负荷日益增长的需要,提高对用户供电的可靠性和电能质量。
随着国民经济的发展,工农业生产的增长需要,迫切要求增长供电容量,拟新建110kV变电所。
变电站是电力系统的重要组成部分,它直接影响整个电力系统的安全与经济运行,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。
电气主接线是发电厂变电所的主要环节,电气主接线的拟定直接关系着全所电气设备的选择、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性因素。
随着变电所综合自动化技术的不断发展与进步,变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电所二次系统,继而实现“无人值班”变电所已成为电力系统新的发展方向和趋势。
1.3本次论文的主要工作
本次论文主要研究110kv变电站的一次部分的电气设计,着重对以下方面进行详细研究。
①主变压器选择:
包括台数、容量、型式及参数;
②电气主接线设计:
包括各级电压接线及方案比较;
③短路电流计算:
包括短路点选择、短路电流计算。
④主要电气设备选择:
包括断路器、隔离开关、母线、电流互感器、电压互感器、避雷器、所用变压器等。
⑤各级电压配电装置选型及电气总平面布置方案;
⑥所用电及直流系统。
⑦主变保护的配置。
2变电站电气设计的主要内容
变电站是电力系统的重要组成部分。
变电所电气一次部分设计包括变电所总体分析、主变选择、电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选择、配电装置和总平面设计等。
2.1变电所的总体分析及主变选择
本变电所的电压等级为110kV,其地位处于地区网络的中间位置,高中压侧同时接收和交换功率,供35kV负荷和附近10kV负荷,属于一般降压变电所。
变压器是变电站的重要设备,其容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构,如选用适当不仅可减少投资,减少占地面积,同时也可减少运行电能损耗,提高运行效率和可靠性,改善电网稳定性能
2.2电气主接线的选择
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、灵活性和经济性密切相关,并且对电气设备的选择、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,合理确定主接线方案。
2.3短路电流计算
在设计电气主接线时,为了比较各种方案,确定某种接线方式是否有必要采取限制短路电流的措施等,需要进行短路电流的计算。
2.4主要电气设备和载流导体的选择
由于电气设备和载流导体的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,电气设备和载流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鉴定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
2.5各级电压配电装置布置
配电装置的形式除与主接线形式有关外,还与场地位置面积,地质地形及总体布置有关,并受到设备材料的供应,运行和检修要求等因素的影响和限制,故应通过技术经济比较来选最佳方案。
2.6所用电及直流系统
1、满足正常运行时的安全、可靠、经济、灵活和检修、维护方便等一般要求。
2、尽量缩小厂用电系统的故障影响范围,并应尽量避免引起全厂停电事故。
3、充分考虑发电厂正常、事故、检修、起动等运行方式下的供电要求,切换、操作简便。
4、便于分期扩建或连续施工,对公用负荷的供电,要结合远景规模统筹安排。
2.7防雷接地
变电所是电力系统的中心环节,是电能供应的电源。
一旦发生雷击事故,将会造成大面积停电,而且电气设备的内绝缘会受到损坏,绝大多数不能自行恢复,会严重影响国民经济和人民生活。
因此,变电所的防雷保护十分重要。
2.8主变保护的配置
主变配置的主保护通常有:
主变本体瓦斯和调压瓦斯保护及二次谐波比率制动差动保护、后备保护有:
复合电压闭锁过电流保护、零序过电流保护、过负荷保护和温度保护。
3变电站的总体分析及主变选择
3.1变电站的总体情况分析
1、变电所电力系统情况分析:
本变电所的电压等级为110kV,其地位处于地区网络的中间位置,高中压侧同时接收和交换功率,供35kV负荷和附近10kV负荷,属于一般降压变电所。
系统供电至110kV母线、变电所35kV、10kV侧无电源。
系统阻抗归算到110kV母线上。
(Uj=Upj、Sj=100MVA)
X110大=0.0821;X110小=0.136
110kV最终两进四出,每回50MVA,本期两进两出;
35kV最终四回出线,本期工程一次建成,其中两回为双回路共杆输电,Tmax=4800H,负荷同时率为0.80;
回路名称
近期最大负荷MW
回路数
长度KM
cosφ
供电方式
#1
8
1
25
0.85
双回共杆
#2
8
1
25
0.85
双回共杆
#3
7
1
23
0.80
单回架空
#4
12
1
19
0.80
单回架空
10kV最终十回出线,本期八回出线。
Tmax=4500H,负荷同时率为0.85,最小负荷为最大负荷的75%;
回路名称
近期最大负荷MW
回路数
长度KM
cosφ
供电方式
#1
3
1
5
0.85
架空
#2
4
1
4
0.85
电缆
#3
2
1
6
0.80
架空
#4
3
1
5
0.80
电缆
#5
2
1
3
0.80
架空
#6
2
1
7
0.80
电缆
#7
4
1
6
0.80
架空
#8
2
1
8
0.80
电缆
备用回路按3MW.6MM计算
负荷增长率为4%。
2、所址情况:
本变电所处于坡地,可利用面积120×120M2;
土壤电阻率1.79×104Ωcm2;
历年最高气温+39℃,历年平均最高气温+36℃,土壤温度+15℃;
海拔高度1100M;
无污染。
3.2主变压器容量的选择
主变压器容量一般按变电站建成后5-10年的规划负荷选择,并适当考虑到10-20年的负荷发展。
根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量,对一般性变电所,当其中一台主变因事故断开,另一台主变的容量应保证本所全部负荷的70%-80%,如果考虑变压器的事故过负荷能力为40%,则应保证80%负荷供电。
本所现有负荷计算如下:
(1)35kV侧:
最终四回出线,负荷同时率为0.8,负荷增长率为4%。
回路名称
近期最大负荷MW
回路数
长度KM
cosφ
供电方式
#1
8
1
25
0.85
双回共杆
#2
8
1
25
0.85
双回共杆
#3
7
1
23
0.80
单回架空
#4
12
1
19
0.80
单回架空
35kV总负荷为:
(8/0.85+8/0.85+7/0.8+12/0.8)×0.8×(1+4%)5=41.438MVA
(2)10kV侧:
最终十回出线,本期八回,负荷同时率为0.85,负荷增长率为4%
回路名称
近期最大负荷MW
回路数
长度KM
cosφ
供电方式
#1
3
1
5
0.8
架空
#2
4
1
4
0.85
电缆
#3
2
1
6
0.80
架空
#4
3
1
5
0.80
电缆
#5
2
1
3
0.85
架空
#6
2
1
7
0.85
电缆
#7
4
1
6
0.85
架空
#8
2
1
8
0.80
电缆
#9
3
1
0.85
#10
6
1
0.85
10kV总负荷为:
(3/0.8+4/0.85+2/0.8+3/0.8+2/0.85+2/0.85+4/0.85+
2/0.8+3/0.85+6/0.85)×0.85×(1+4%)5=38.477MVA
所以变电站考虑扩建后送出的总负荷为:
S总=S35+S10=79.915MVA
则每台变压器实际通过的容量:
S变=0.7S总=0.7×79.915=55.94MVA
3.3主变压器台数的选择
主变压器的台数与电压等级、接线型式、传输容量以及和系统的联系等有密切关系,本变电所的电压等级为110kV,其地位处于地区网络的中间位置,高中压侧同时接收和交换功率,为保证供电可靠性,决定本所设计两台主变压器。
4电气主接线设计
4.1引言
电气主接线是发电厂变电所的主要环节,电气主接线直接影响运行的可靠性、灵活性,它的拟定直接关系着全厂(所)电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护、自动装置和控制方式的确定,是变电站电气部分投资大小的决定性因素。
变电站电气主接线是由变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、避雷器等电气设备按一定顺序连接而成的,电气主接线的不同形式,直接影响运行的可靠性、灵活性,并对电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定等都有决定性的影响。
因此电气主接线的正确、合理设计,必须综合处理各个方面的因素,经过技术、经济论证比较方可。
4.2电气主接线设计的原则和基本要求
变电所的主接线是电力系统按接线组成中的一个重要组成部分,主接线的确定对电力系统的安全、稳定、灵活、经济运行以及变电所电气设备的选择,配电装置的布置,继电保护和控制方法的拟订将会产生直接影响。
主接线的基本要求
(1)满足对用户供电的可靠性和保证电能质量。
(2)接线应简单、清晰。
(3)运行上要具有一定的灵活性,并检修方便。
(4)投资少、占地面积小、电能损失少,运行维护费用低。
(5)具有扩建的可能性。
4.3电气主接线设计说明
采用分段单母线或双母线的110-220kv配电装置,当断路器不允许停电检修时,一般需设置旁路母线。
对于屋内配电装置或采用SF6断路器,SF6全封闭电器的配电装置,可不设旁母。
35-60kv配电装置中,一般不设旁路母线,因为重要用户多系双回路供电,且断路器检修时间短,平均每年约2-3天。
如线路断路器不允许停电检修时,可设置其他旁路设施。
6-10kv配电装置,可不设旁路母线。
对于初线回路数多或多数线路系向用户单独供电,以及不允许停电的单母线,分段单母线的配电装置,可设置旁路母线。
采用双母线的6-10kv配电装置多不设旁路母线。
对于变电站的电气接线,当能满足运行要求时,其高压侧应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线,如线路一变压器组或桥形接线等。
若能满足继电保护要求时,也可采用线路分支接线。
在110-220kv配电装置,当出线不超过四回路时,一般采用分段单母线接线,四回路以上的一般采用双母线接线。
拟定可行的主接线方案2—3种,内容包括主变的形式,台数,以及各级电压配电装置的接线方式等,并依据对主接线的基本要求,从技术上论证各方案的优缺点,淘汰差的方案,保留一种较好的方案。
方案的比较:
110KV侧的接线:
1、单母分段带旁路:
优点:
①、用断路器把母线分段,并用带有专用旁路短路器的旁路母线接线,极大地提高了供电可靠性,对重要用户可以从不同段引出两回馈线路,由双电源供电。
②、当一段母线检修或故障时,分段开关自动将故障切除,保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电,而且可以避免万一在倒闸过程中,QF3事故跳闸,QSP带负荷合闸的危险。
不易发生误操作事故。
缺点:
①、当出线为双回路时,常使架空线路出线交叉跨越。
②、此种接线多装了价格较高的断路器和隔离开关,增大了投资。
2、双母线接线:
优点:
①、供电可靠。
通过两组母线开关的倒换操作,可以轮流检修一组母线而不致使供电中断;一组母线故障后,能迅速恢复供电;检修任一回路的母线隔离开关,只停该回路。
②、调度灵活。
各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上,能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。
③、扩建方便。
向双母线的左右任何一个方向扩建,均不影响两组母线的电源和负荷均匀分配,不会引起原有回路的停电。
当有双回架空线路时,可以顺序布置,以致连接不同的母线段时,不会如单母线分段那样导致出线交叉跨越。
④、便于试验。
当个别回路需要单独进行试验时,可以将该回路分开,单独接至一组母线上。
缺点:
①、增加一组母线和使每回路就需要增加一组母线隔离开关。
②、当母线故障或检修时,隔离开关作为倒换操作电器,容易误操作。
为了避免隔离开关误操作,需在隔离开关和短路器之间装设连锁装置。
通过以上两种方案比较,在本次设计中110KV侧的接线选择方案二,即双母线接线方式,因为:
(1)双母线接线利于扩建;
(2)本次110KV配电装置,在系统中居重要地位,出线回路数为4回及以上;(3)考虑到主变压器可靠性较高,通常不需要检修,而且系统设计为双回路供电的负荷,并采用了高可靠性的SF6断路器,使系统有条件允许断路器停电检修,所以可以不考虑设置投资很大的旁路设施,所以选择双母线接线方式。
35kV侧的接线:
选用单母分段接线(如图三)。
优点:
①、用断路器把母线分段后,对重要用户可以从不同段引出两个回路,有两个电源供电。
②、当一段母线发生故障,分段断路器自动将故障段切除,保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点:
①、当一段母线或母线隔离开关故障或检修时,该段母线的回路都要在检修期内停电。
②、当出线为双回路时,常使架空线路出现交叉跨越。
③、扩建时需要向两个方向均衡扩建。
因为本次设计的变电所35kV出线,最终四回,本期工程一次完成,在考虑主接线方案时,应首先满足运行可靠,操作灵活,节省投资,所以在和双母线接线方式(如图二)及单母分段带旁路方式(如图一)进行比较后选择单母分段接线方式(如图三),当一段母线发生故障,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,不致使重要用户停电,可提高供电可靠性和灵活性。
10kV侧接线:
10kV接线,因10kV负荷较小,故采用单母线分段接线方式,接线简单清晰,设备少,且操作方便,可提高供电可靠性和灵活性,不仅便于检修母线而且减少母线故障影响范围,对于重要用户可以从不同段引两个回路,使重要用户有两个电源供电,在这种情况下,由于分段断路器在继电保护装置的作用下,能自动将故障段切除,所以当一段母线发生故障时,仍然能保证正常段母线不间段供电。
在确定110KV、35KV和10KV电气主接线方式的选择后,画出本次设计一次主接线连接示意图,如后面附录2所示:
5短路电流计算
5.1短路计算的目的
为了使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性、灵活性并在一定的时期内满足电力系统发展的需要,应对不同点的短路电流进行校验。
在设计电气主接线时,为了比较各种方案,确定某种接线方式是否有必要采取限制短路电流的措施等,需要进行短路电流的计算;
在进行电气设备和载流导体的选择时,为了保证各种电气设备和导体在正常运行时和故障情况下都能安全、可靠地工作,需要根据短路电流对电气设备进行动、热稳定的校验。
5.2变电站短路电流计算
短路点选择一般通过导体和电器设备的参数短路电流为最大的那些点。
由于该变电所连接的系统为无限大系统。
因此,Id计算电抗的倒数,且零秒Id周期分量和0.2秒Id及稳态短路电流相等。
即I"=I0.2=I∞,对本设计而言,发生短路最严重是在110kV、35kV、10kV母线三个地方,如图所示的d1、d2、d3点。
短路电流计算等值电路图及短路点的选择
计算公式为:
I"=I∞=1/xf∑×Ij;ich=2.55I";Ich=1.52I"
Sd=I*"Sj=UjI
短路电流计算结果表
支路名称
短路点平均电压Up(KV)
基准电流值Ij(KA)
110kV侧对短路电抗
起始短路电流I"(KA)
稳态短路电流
短路电流峰值ich(KA)
全短路电流值Ich(KA)
短路容量
MVA
d1
115
0.502
0.0821
6.114
6.114
15.564
9.234
1218
d2
37
1.56
0.1686
9.251
9.251
23.545
13.969
592.84
d3
10.5
5.5
0.22335
24.625
24.625
62.79
37.184
447.83
6主要电气设备和载流导体的选择
6.1母线的选择
1、选择时应遵循的原则
(1)所选导体和电器力求先进,安全适用,经济合理;
(2)选导体和电器时,应按正常条件下进行选择,按短路情况校验;
(3)验算动稳定及开断电流所用的短路电流,按可能发生最大短路电流的正常接线方式计算,并考虑远景发展计划;
(4)为减少备品、备件的型号,便于检修、设计同一电压等级下的导体和电器应采用同一型号。
2、载流导体一般采用铝或铝合金材料。
分为软导体和硬导体。
当采用硬导体时,宜采用铝锰合金管形导体。
硬导体有矩形、槽形、管形等。
35KV及以上高压配电装置,一般采用软导体。
3、母线的选择与校验
(1)按最大持续工作电流选择,即Ixr≥Igmax。
式中Ixr:
为相应于某一周围环境温度与绞型线放置方式,长期允许的电流值,当实际环境温度不是25℃,应乘以温校校正系数K0,其值可按下式计算:
K0==0.882
(2)母线的校验
按热稳定校验:
S≥Smin=/C=I∞/C
注:
S—导体截流面积mm2;Qd—短路电流的热效应(A2·S),即Qd=I2∞tdz;C—与导体材料及发热温度有关的系数。
4、在本次设计中,导体的选择结果为:
110KV主母线选用LGJQ-240的钢芯铝绞线;
110KV主变引线选用LGJQ-240软母线;
35KV主母线选用LGJQ-300的钢芯铝绞线;
35KV主变引线选用双条平放80×10mm²的矩形铝导体;
10KV主母线选用125×10单条平放矩形铝导体;
10KV主变引线选用125×10四条平放矩形铝导体;
6.2断路器的选择与校验
1、按正常工作条件选择:
(1)种类和型式的选择:
按照断路器采用的介质和灭弧方式,一般可分为:
多油断路器、少油断路器、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器等。
根据它们的结构特点、技术性能、特点和运行维护特点,一般对10KV及以下配电装置可选真空断路器;对35KV及以上电压等级中断路器可选SF6断路器。
(2)按额定电压选:
额定电压和最高工作电压,一般按所选电器和电缆允许最高工作电压Ugmax不低于所接电网的最高运行电压Uymax,即:
Ugmax≥Uymax;
(3)按额定电流选:
在额定周围环境温度下长期允许电流Iy,应不小于该回路最大持续工作电流Igmax,即Iy≥Igmax。
2、按短路情况下校验:
(1)按开断电流校验:
断路器实际开断时间t内的短路电流周期分量应小于断路器的额定开断电流,即:
Iedk>Iz;
(2)按短路热稳定校验:
短路电流通过时,导体和电器各部件温度不超过允许值,即满足热稳定条件为:
Qd≤Qr或I2∞tdz≤I2rt。
Qd:
短路电流产生的热效应。
Qr:
短路时导体和电器允许的热效应。
I∞:
导体和电器通过最大短路电流稳态值。
tdz:
短路热稳定等值时间。
Ir:
t秒内允许通过的短时热稳定电流;
(3)按动稳定校验:
动稳定是导体和电器承受短路电流机械效应的能力,条件是:
ich≤idf。
ich:
短路冲击电流幅值;idf:
允许通过动稳态电流的幅值。
3、综合以上条件,在本次设计中断路器的选择结果为:
110KV侧选择LW14—110/2000型断路器;
35KV侧选择LW16—40.5/1600型断路器;
10KV主变侧选择ZN28A—10G/4000A型断路器;负荷侧选择ZN28—10/1250型断路器;
6.3隔离开关的选择与校验
1、按额定电压选择:
Ue≥Ugmax(电网工作电压);
2、按额定电流选择:
Ie≥Igmax(最大持续工作电流);
3、动稳定校验:
Ich(三相短路电流冲击值)≤Im
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- 110 kv 变电站 电气 部分 设计