变电所电气一次系统设计.docx

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变电所电气一次系统设计

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华北电力大学成人教育

毕业设计（论文）

论文题目：

变电所电气一次系统设计

年级、专业、层次：

09电力专升本

函授站：

廊坊农电局

第一章电气主接线设计4

第二章主变压器的确定10

第三章主接线方案的确定12

第四章短路电流计算15

第五章设备的选择与校验21

第一节设备选择的原则和规定21

第二节导线的选择和检验22

第三节断路器的选择和校验27

第四节隔离开关的选择和校验29

第五节互感器的选择及校验31

第六节避雷器的选择及校验33

第六章屋内外配电装置设计35

第一节配电装置的设计要求35

第二节配电装置的选型、布置36

第七章防雷及接地系统设计38

第一节防雷系统38

第二节变电所接地装置40

第八章变电所总体布置41

摘要

此说明计算书为110KV变电站电气一次初步设计。

其内容包括设计原始资料，主变的选择，电气主接线的选择，短路电流的计算，电气设备的选择，配电装置的结构型式，站用电源的选择，防雷保护，接地装置的说明，无功补偿。

在编写过程中，受到校领导及各任课老师的大力支持，在此衷心的表示感谢。

由于水平有限错误难免有不妥之处，诚恳各老师提出宝贵的意见和批评指正，以便提高和改进。

关键词：

变电站；负荷；主变；主接线、短路电流

第一章电气主接线设计

变电所电气主接线是电力系统接线组成的一个重要部分。

主接线的确定，对电力系统的安全、灵活、稳定、经济运行以及变电所电气设备的选择、配电装置的布置等将会产生直接的影响。

一、主接线的设计原则：

在进行主接线方式设计时，应考虑以下几点：

1）变电所在系统中的地位和作用。

2）近期和远期的发展规模。

3）负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响。

4）主变压器台数对主接线的影响。

5）备用容量的有无和大小对主接线的影响。

二、主接线的设计要求：

1、可靠性：

①断路器检修时,能否不影响供电。

②线路、断路器、母线故障和检修时，停运线路的回数和时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。

　　　　③变电所全部停电的可能性。

④满足对用户的供电可靠性指标的要求。

2、灵活性：

1调度要求。

可以灵活的投入和切除变压器、线路、调配电源和负荷，能够满足系统在事故运行方式下、检修方式以及特殊运行方式下的调度要求。

②检修要求。

可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备进行安全检修，且不影响对及户的供电。

③扩建要求。

应留有发展余地，便于扩建。

3、经济性：

①投资省；②占地面积小；③电能损失小。

三、拟定主接线方案

主接线的基本形式，概括地可分为两大类：

①　有汇流母线的接线形式：

单母线、单母线分段、双母线、双母线分段、

增设旁路母线或旁路隔离开关。

②　无汇流母线的接线形式：

变压器—线路单元接线、桥形接线、角形接线等。

接下来对以上几种接线方式的优、缺点及适用范围简单论述一下，看看是否符合原始资料的要求。

1、单母线接线。

优点：

接线简单清晰，设备少，投资省，运行操作方便，且便于扩建。

缺点：

可靠性及灵活性差。

适用范围：

只有一台主变压器，10KV出线不超过5回，35KV出线不超过3回，110KV出线不超过2回。

2、单母线分段接线。

优点：

a．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。

b．当一段母线故障时，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。

缺点：

a．当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该母线的回路都要在检修期间停电。

b．当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越。

C扩建时需两个方面均衡扩建。

适用范围：

适用于6~10KV配电装置出线6回及以下，35~60KV配电装置出线4~8回，110~220KV配电装置少于4回时。

3、双母线分段接线。

由于当进出线总数超过12回及以上时，方在一组母线上设分段断路器，根据原始资料提供的数据，此种接线方式过于复杂，故一不作考虑。

4、双母线接线。

优点：

供电可靠，调度灵活，扩建方便，便于检修和试验。

缺点：

使用设备多，特别是隔离开关，配电装置复杂，投资较多，且操作复杂容易发生误操作。

适用范围：

出线带电抗器的6~10KV出线，35~60KV配电装置出线超过8回或连接电源较多，负荷较大时，110KV~220KV出线超过5回时。

5、增设旁路母线的接线。

由于6~10KV配电装置供电负荷小，供电距离短，且一般可在网络中取得备

用电源，故一般不设旁路母线；35~60KV配电装置，多为重要用户，为双回路供电，有机会停电检修断路器，所以一般也不设旁路母线；采用单母线分段式或双母线的110~220KV配电装置一般设置旁路母线，设置旁路母线后，每条出线或主变间隔均装设旁路隔离开关，这样一来，检修任何断路器都不会影响供电，将会大幅度提高供电可靠性。

优点：

可靠性和灵活性高，供电可靠。

缺点：

接线较为复杂，且操作复杂，投资较多。

适用范围：

①出线回路多,断路器停电检修机会多；②多数线路为向用户单供，不允许停电，及接线条件不允许断路器停电检修时。

6、变压器—线路单元接线。

优点：

接线简单，设备少，操作简单。

缺点：

线路故障或检修时，变压器必须停运；变压器故障或检修时，线路必须停运。

适用范围：

只有一台变压器和一回线路时。

7、桥形接线：

分为内桥和外桥两种。

⑴内桥接线：

连接桥断路器接在线路断路器的内侧。

优点：

高压断路器数量少，四回路只需三台断路器，线路的投入和切除比较方便。

缺点：

a．变压器的投入和切除较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路暂时停运；b．出线断路器检修时，线路需长时间停运；c．连接桥断路器检修时，两个回路需解列运行。

适用范围：

容量较小的变电所，并且变压器容量不经常切换或线路较长，故障率较高的情况。

⑵外桥接线：

连接桥断路器接在线路断路器的外侧。

优点：

设备少，且变压器的投入和切除比较方便。

缺点：

a．线路的投入和切除较复杂，需动作两台断路器，且影响一台变压器暂时停运；b．变压器侧断路器检修时，变压器需较长时间停运；c．连接桥断路器检修时，两个回路需解列运行。

适用范围：

容量较小的变电所，并且变压器的切换较频繁或线路较短，故障率较低的情况，当电网中有穿越功率经过变电所时，也可采用此种接线。

8、角形接线：

由于保证接线运行的可靠性，以采用3~5角为宜。

优点：

a．投资少，断路器数等于回路数；b．在接线的任一段发生故障时，只需切除这一段及其相连接的元件，对系统影响较小；c．接线成闭合环形，运行时可靠、灵活；d．每回路都与两台断路器相连接，检修任一台断路器时都不致中断供电；e．占地面积小。

缺点：

在开环、闭环两种运行状态时，各支流通过的电流差别很大，使电器选择困难，并使继电保护复杂化，且不便于扩建。

适用范围：

出线为3~5回且最终规模较明确的110KV以上的配电装置中。

综上所述八种接线形式的优缺点，结合原始资料所给定的条件进行分析，拟定主接线方案。

原始资料：

变电所类型：

降压变电所

电压等级：

110/35/10KV

出线情况：

110KV出线两回，35KV出线4回（架空），10KV出线10回（电缆）。

负荷性质：

工农业生产及城乡生活用电

结合原始资料所提供的数据，权衡各种接线方式的优缺点，将各电压等级适用的主接线方式列出：

1、110KV只有两回出线，且作为降压变电所，110KV侧无交换潮流，两回线路都可向变电所供电，亦可一回向变电所供电，另一回作为备用电源。

所以，从可靠性和经济性来定，110KV部分适用的接线方式为内桥接线和单母线分段两种。

2、35KV部分可选单母线分段及单母线分段兼旁路两种。

3、10KV部分定为单母线分段。

这样，拟定两种主接线方案：

方案I：

110KV采用内桥接线，35KV采用单母线分段接线，10KV为单母线分段接线。

方案II：

110KV采用单母线分段接线，35KV采用单母线分段兼旁路接线，10KV为单母线分段接线。

绘出方案I、方案II的单线图。

方案I

110KV

1#主变2#主变35KV

10KV

第二章主变压器的确定

一、主变压器台数的确定

为了保证供电的可靠性，变电所一般装设两台主变压器。

二、调压方式的确定：

据设计任务书中：

系统110KV母线电压满足常调压要求，且为了保证供电质量，电压必须维持在允许范围内，保持电压的稳定，所以应选择有载调压变压器。

三、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年的规划负荷选择，亦要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。

对装设两台主变压器的变电所，每台变压器容量应按下式选择：

Sn=0.6PM。

因对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证70~80%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力40%。

由于一般电网变电所大约有25%为非重要负荷，因此，采用Sn=0.6PM确定主变是可行的。

由原始资料知：

35KV侧Pmax=54MW，cosφ=0.80

10KV侧Pmax=20MW，cosφ=0.80

所以，在其最大运行方式下：

Sn=0.6*（54/0.80+20/0.80）=55.5（MVA）

参考《电力工程电气设计手册》选择两台西安变压器厂生产的三相三绕组风冷有载调

容量校验：

低负荷系数K1=实际最小负荷/额定容量=（20+8）/50=0.56

高负荷系数K2=实际最大负荷/额定容量=（54+20）/50=1.48

另外,《发电厂电气设备》P244规定:

自然油循环的变压器过负荷系数不应超过1.5。

综上,并查《发电厂电气设备》P244变压器过负荷曲线图（图9-11-a）可以得出过负荷时间T≈4h＜Tmax=5500/365=15.07h。

可见：

此变压器不能满足过负荷要求，故应选用更大型号的变压器。

查《手册》现选用两台西安变压器厂生产的三相三绕组风冷有载调压变压器两台，

所选变压器主要技术参数如下表：

型号

额定电压（KV）

空载损耗（KW）

空载电流（%）

接线组别

阻抗电压

高-中

高-低

中-低

110±8×1.25%

38.5±2×2.5%

10.5

84．7

1.2

Yn,yn,d11

17.5

10.5

6.5

容量校验：

低负荷系数K1=实际最小负荷/额定容量=（20+8）/63=0.44

高负荷系数K2=实际最大负荷/额定容量=（54+20）/63=1.17

另外,《发电厂电气设备》P244规定:

自然油循环的变压器过负荷系数不应超过1.5。

综上,并查《发电厂电气设备》P244变压器过负荷曲线图（图9-11-a）可以得出过负荷时间T≈24h＞Tmax=5400/365=14.79h。

可见：

此变压器能满足要求，故应选用此型号的变压器。

第三章主接线方案的确定

一、主接线方案的可靠性比较：

110KV侧：

方案I：

采用内桥接线，当一条线路故障或切除时，不影响变压器运行，不中断供电；桥连断路器停运时，两回路将解列运行，亦不中断供电。

且接线简单清晰，全部失电的可能性小，但变压器二次配线及倒闸操作复杂，易出错。

方案II：

采用单母线分段接线，任一台变压器或线路故障或停运时，不影响其它回路的运行；分段断路器停运时，两段母线需解列运行，全部失电的可能稍小一些，不易误操作。

35KV侧：

方案I：

单母线分段接线，检修任一台断路器时，该回路需停运，分段开关停运时，两段母线需解列运行，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不致失电，另一段母线上其它线路需停运。

方案II：

单母线分段兼旁路接线，检修任一台断路器时，都可用旁路断路器代替；当任一母线故障检修时，旁路断路器只可代一回线路运行，本段母线上其它线路需停运。

10KV侧：

由于两方案接线方式一样，故不做比较。

二、主接线方案的灵活性比较

110KV侧：

方案I：

操作时，主变的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，扩建方便。

线路的投入和切除比较方便。

方案II：

调度操作时可以灵活地投入和切除线路及变压器，而且便于扩建。

35KV侧：

方案I：

运行方式简便，调度操作简单灵活，易于扩建，但当开关或二次检修时线路要停运，影响供电。

方案II：

运行方式复杂，调度操作复杂，但可以灵活地投入和切除变压器和线路，能满足在事故运行方式，检修方式及特殊运行方式下的调度要求，较易于扩建。

10KV侧：

两方案相同。

三、主接线方案的经济性比较

将两方案主要设备比较列表如下：

项目

方案

主变压器（台）

110KV断路器（台）

110KV隔离开关（组）

35KV断路器（台）

35KV隔离开关（组）

10KV设备

I

2

3

8

8

18

相同

II

2

5

10

8

28

相同

从上表可以看出，方案I比方案II少两台110KV断路器、两组110KV隔离开关，10组35KV隔离开关，方案I占地面积相对少一些（35KV侧无旁路母线），所以说方案I比方案II综合投资少得多。

四、主接线方案的确定

对方案I、方案II的综合比较列表，对应比较一下它们的可靠性、灵活性和经济性，从中选择一个最终方案（因10KV侧两方案相同，不做比较）。

方案

项目

方案I

方案II

可

靠

性

①简单清晰，设备少

②35KV母线故障或检修时，将导致该母线上所带3回出线全停

③任一主变或110KV线路停运时，均不影响其它回路停运

④各电压等级有可能出现全部停电的概率不大

⑤操作简便，误操作的机率小

①简单清晰，设备多

②35KV母线检修时，旁路断路器要代该母线上的一条线路，给重要用户供电，任一回路断路器检修，均不需停电

③任一主变或110KV线路停运时，均不影响其它回路停运

④全部停电的概率很小

⑤操作相对简便，误操作的机率大

灵

活

性

①运行方式简单，调度灵活性强

②便于扩建和发展

①运行方式复杂，操作烦琐，特别是35KV部分

②便于扩建和发展

经

济

性

①高压断路器少，投资相对少

②占地面积相对小

①设备投资比第I方案相对多

②占地面积相对大

通过以上比较，经济性上第I方案远优于第II方案，在可靠性上第II方案优于第I方案，灵活性上第I方案远不如第II方案

该变电所为降压变电所，110KV母线无穿越功率，选用内桥要优于单母线分段接线。

又因为35KV及10KV负荷为工农业生产及城乡生活用电，在供电可靠性方面要求不是太高，即便是有要求高的，现在35KV及10KV全为SF6或真空断路器，停电检修的几率极小，再加上电网越来越完善，N+1方案的推行、双电源供电方案的实施，第I方案在可靠性上完全可以满足要求，第II方案增加的投资有些没必要。

经综合分析，决定选第I方案为最终方案，即110KV系统采用内桥接线、35KV系统采用单母分段接线、10KV系统为单母线分段接线。

第四章短路电流计算

一、短路电流计算的目的

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，需要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，需要全面的短路电流计算。

3、在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。

4、设计接地装置时，需用短路电流。

5、在选择继电保护和整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

二、短路电流计算的一般规定

1、计算的基本情况

a．系统中所有电源均在额定负荷下运行。

b．短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

c．所有电源的电动势相位角相同。

d．应考虑对短路电流值有影响的所有元件。

2、接线方式

计算短路电流时所用的接线方式，应是最大运行方式，不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

3、计算容量

按该设计规划容量计算。

4、短路种类：

均按三相短路计算。

5、短路计算点

在正常运行方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点。

三、短路电流计算

1、选择计算短路点

在下图中，d1，d2，d3分别为选中的三个短路点

2、画等值网络图

XS

110KVd1

X1X1X235KV

X2

X3X3

d2

d310KV

3、计算：

已知：

（1）系统电压等级为110KV、35KV、10KV，基准容量Sj=100MVA，系统110KV母线系统短路容量为3000MVA,110KV侧为双回LGJ-185/30KM架空线供电。

（2）视系统为无限大电流源，故暂态分量等于稳态分量，即I＂=I∞，S＂=S∞

基准电压Uj=1.05Ue=115（KV）

基准电流Ij=Sj/3Uj=100/（115×3）=0.502（KA）

基准电抗Xj=Uj/3Ij=Uj2/Sj=1152/100=132（Ω）

∴对侧110kv母线短路容量Skt的标幺值为

Skt*=Skt/Sb=3000/100=30

∴对侧110kv母线短路电流标幺值

Ikt*=Skt*=30

∴对侧110kv系统短路阻抗标幺值

xs*=1/Ikt*=1/30=0.0333

查《电力工程电气设计手册》第189页对于LGJ-185线路X=0.382Ω/KM

∴XS*=0.0333+（0.382×35）/132/2=0.084

d1,d2,d3点的等值电抗值计算公式：

x1=1/2×｛U（1-2）%+U（1-3）%-U（2-3）%｝

x2=1/2×｛U（1-2）%+U（2-3）%-U（1-3）%｝

x3=1/2×｛U（1-3）%+U（2-3）%+U（1-2）%｝

其中：

U（1-2）%—变压器高压与中压绕组间短路电压

U（1-3）%—变压器高压与低压绕组间短路电压

U（2-3）%—变压器中压与低压绕组间短路电压

由变压器参数表得知，绕组间短路电压值分别为：

U（1-2）%=17.5%U（1-3）%=10.5%U（2-3）%=6.5%

主变额定容量SN=63MVA

所以x1=1/2×（17.5+10.5-6.5）=10.75

x2=1/2×（17.5+6.5-10.5）=6.75

x3=1/2×（10.5+6.5-17.5）=-0.25

标么值:

x1*=x1/100×（Sj/SN）=10.75/100×（100/63）=0.17

x2*=x2/100×（Sj/SN）=6.75/100×（100/63）=0.11

x3*=x3/100×（Sj/SN）=-0.25/100×（100/63）=-0.004

已知110KV系统折算到110KV母线上的等值电抗Xs*=0.084

当d1点短路时

XS

d1

I″d*1=1/Xs*=1/0.084=11.905

Ij=Sj/3Uj=100/（3×115）=0.502（KA）

I″d1=I″d*1×Ij=11.905×0.502=5.976（KA）

I″d1=I∞

Ich=1.8×2×I″d=1.8×2×5.976=15.239（KA）

S∞=3Uj×I∞=3×115×5.976=1190.3（MVA）

其中Id：

短路电流周期分量有效值

Id″：

起始次暂态电流I∞：

t=∞时稳态电流S∞：

短路容量

当d2点短路时

0.084

0.170.170.0840.224

0.110.110.14

d2

d2d2

I″d*2=1/Xd*2=1/0.224=4.46

Ij=Sj/（3Uj）=100/（3×37）=1.56（KA）

I″d2=I∞=I″d*2×Ij=4.46×1.56=6.958（KA）

Ich=1.8×2×I″d2=1.8×2×6.958=17.74（KA）

S2∞=3Uj×I∞=3×37×6.958=445.9（MVA）

当d3点短路时

0.084

0.084

0.170.170.167

0.083

-0.004-0.004

d3

d3

d3

I″d*3=1/Xd*3=1/0.167=5.988

Ij=Sj/（3Uj）=100/（3×10.5）=5.5（KA）

I″d3=I∞=I″d*2×Ij=5.988×5.5=32.9（KA）

Ich3=1.8×2×I″d3=1.8×2×32.9=84（KA）

S3∞=3Uj3×I∞=3×10.5×32.9=598（MVA）

额定电流计算

因IN=Ij×SN/Sj（SN=63MVA，Sj=100MVA，Ij1=0.502KA，Ij2=1.56KA，Ij3=5.5KA）

所以IN1=0.502×63/100=0.32（KA）

IN2=1.56×63/100=0.98（KA）

IN3=5.5×63/100=3.47（KA）

短路电流计算结果表

短路点

基准电压（KV）

基准电流（KA）

电压等级（KV）

计算电抗

额定电流（KA）

T=0时刻短路电流周期分量

稳态短路电流

短路电流冲击值（KA）

最大电流有效值（KA）

短路容量（KVA）

标么值

有名值（KA）

标么值

有名值（KA）

公式

Uj=Up

Sj/Uj

Ij×SN/Sj

I*″

I*″Ij

I*∞

I*∞Ij

2.55I″

1.52I″

Iuj

d1

115

0.502

110

0.084

0.32

11.91

5.98

11.91

5.98

15.24

9.08

1190.3

d2

37

1.56

35

0.224

0.98

4.46

6.958

4.46

6.958

17.74

10.58

405.9

d3

10.5

5.5

10

0.167

3.47

5.988

32.9

5.988

32.9

84

50

598

第五章设备的选择与校验

第一节设备选择的原则和规定

导体和设备的选择设计，应做到技术先进，经济合理，安全可靠，运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需要。

一、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，并考虑远景发展的需要。

2）应力求技术先进和经济合理。

3）选择导体时应尽量减少品种。

4）应按当地环境条件校核。

5）扩建工程应尽量使新老电器型号一致。

6）选用的新产品，均应有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。

二、有关规定

1、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）长期工作条件

a．电压：

选用的电器允许的最高工作电压Umax不得低于该回路的最高运行电压，即Umax＞Ug，当额定电压在220KV及以下时为1.15UN。

额定电压与设备最高电压

受电设备或系统额定电压

供电设备额定电压

设备最高电压

10

10.5

11.5

35

38.5

40