建筑电气工程KV变电所电气二次部分初步设计.docx

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建筑电气工程KV变电所电气二次部分初步设计

（建筑电气工程）KV变电所电气二次部分初步设计

1系统概述

1.1建所目的

为了满足电力系统负荷增长需要，拟在某市新建一座110kV变电站，用10kV向该地负荷供电。

1.2变电站情况

待建变电站110kV进线线路有5回接线，两回线路与系统相连，其中一回与无穷大系统相连，另外一回与现有110kV变电站相连，两回110kV线路与一水电站相连；变电站的出线10kV有11回线路，变电站通过10kV向负荷供电。

考虑到该变电站在系统中的地位，110kV预留一回出线，10kV预留2回出线。

系统接线如图1.1所示：

图1.1拟建变电站系统接线图

水电厂装机4*25MW，丰水期四台机组满发，枯水季节考虑一台机组运行。

1.3负荷情况

该变电站10kV出线侧负荷如表1.1所示：

各线路负荷同时率为0.9

变电站站用总负荷为400kW,。

表1.110kV出线负荷一览表

名称

最大负荷

（MW）

年最大负荷利用率

（小时）

线路长度

电机厂

2.5

2200

0.85

6

矿山机械厂

2.3

2000

0.85

8

汽车制造厂

2

4000

0.85

5

农机厂

1.5

2800

0.85

4

自来水厂

2

6500

0.85

9

有机化工厂

1.8

2300

0.85

4

饲料厂

1.75

3500

0.85

4

部队

2.2

2000

0.9

8

城东Ⅰ线

2.5

2500

0.9

5

2变压器容量、台数及型式的选择

2.1概述

在各级电压等级的变电所中，变压器是变电所中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务。

因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。

在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦以及分裂变压器等，在选择主变压器时，根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，考虑到经济性来选择主变压器。

同时考虑到该变电所以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量[1]。

2.2主变压器台数的选择

由原始资料可知，我们本次所设计的变电所是市郊区110kV降压变电所，它是以110kV所受功率为主。

在选择主变台数时，要确保供电的可靠性。

为了保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台主变压器。

当装设三台及三台以上时，变电所的可靠性虽然有所提高，但投资增大，以及带来维护和倒闸操作等许多复杂化。

考虑到两台主变同时发生故障机率较小，当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担70%的负荷保证全变电所的正常供电。

故选择两台主变压器互为备用，提高供电的可靠性[2]。

2.3主变压器容量的选择

主变压器容量一般按变电所建成近期负荷，5～10年规划负荷选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展，该所近期和远期负荷都给定，所以应按近期和远期总负荷来选择主变的容量，考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性能的变电所，当一台主变停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的70%～80%。

该变电所是按70%选。

因此，根据计算（见计算书）选出容量为25MVA的两台主变压器[3]。

主变压器参数如表2.1。

表2.1主变压器的型号及主要参数表

型号

电压组合及分接范围

阻抗电压

容量

（MVA）

高压

低压

高低

SFZ7-25000/110

1102

102

10.5

25

2.4主变压器型式的选择

2.4.1主变压器相数的选择

当不受运输条件限制时，在330kV以下的变电所均应选择三相变压器。

而选择主变压器的相数时，应根据原始资料以及设计变电所的实际情况来选择。

本次设计的变电所，位于市郊区，稻田、丘陵，交通便利，不受运输的条件限制，而应尽量少占用稻田、丘陵，故本次设计的变电所选用三相变压器[4]。

2.4.2绕组数的选择

本次所设计的变电所具有两种电压等级，考虑到运行维护和操作的工作量及占地面积等因素，选用普通双绕组变压器[5]。

2.4.3主变调压方式的选择

为了满足用户的用电质量和供电的可靠性，110kV及以上网络电压应符合以下标准[6,7]：

（1）枢纽变电所二次侧母线的运行电压可为电网额定电压的1~1.3倍，在日负荷最大、最小的情况下，其运行电压控制在水平的波动范围不超过10%，事故后不应低于电网额定电压的95%。

（2）电网任一点的运行电压，在任何情况下严禁超过电网最高电压，变电所一次侧母线的运行电压正常情况下不应低于电网额定电压的95%～100%。

调压方式分为两种，不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在±5%以内，另一种是带负荷切换称为有载调压，调整范围可达30%。

由于该变电所的电压波动较大，故选择有载调压方式，才能满足要求[8]。

2.4.4主变压器冷却方式的选择

主变压器一般采用的冷却方式有：

自然风冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环水冷却。

主变主要起通过中绕组从水电厂侧传送功率（4*35MVA）和系统至低绕组10kVA侧，并在水电厂侧故障时，通过高压绕组从110kVA侧无穷大系统传送1000MVA（最大）支援。

本设计主变为中型变压器，发热量大，散热问题不可轻佻，强迫油循环冷却效果较好，再根据变电站建在郊区，通风条件好，选用强迫油循环风冷却方式。

3电气主接线选择

3.1概述

主接线是变电所电气设计的重要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，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变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，而且对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定将会产生直接的影响。

因此，必须正确处理好各方面的关系[9]。

3.1.1主接线的设计原则：

（1）考虑变电所在电力系统中的地位和作用；

（2）考虑近期和远期的发展规模；

（3）考虑负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响；

（4）考虑主变台数对主接线的影响；

（5）考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响。

3.1.2主接线设计的基本要求

（1）可靠性：

安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求[10]。

主接线可靠性的具体要求：

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，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对一级负荷全部和大部分二级负荷的供电；

③尽量避免变电所全部停运的可靠性。

（2）灵活性：

主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。

①为了调度的目的，可以灵活地操作，投入或切除某些变压器及线路，调配电源和负荷能够满足系统在事故运行方式，检修方式以及特殊运行方式下的调度要求；

②为了检修的目的：

可以方便地停运断路器，母线及继电保护设备，进行安全检修，而不致影响电力网的运行或停止对用户的供电；

③为了扩建的目的：

可以容易地从初期过渡到其最终接线，使在扩建过渡时，无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。

（3）经济性：

主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。

①投资省：

主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器避雷器等一次设备的投资，能使控制保护不过于复杂；

②占地面积小，主接线要为配电装置布置创造条件，以节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用；

③电能损失少：

经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量，避免两次变压而增加电能损失。

3.2主接线的接线方式及其特点

电气主接线是根据电力系统和变电所具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线路多时（一般超过四回）为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰、运行方便，有利于安装和扩建。

而本所各电压等级进出线均超过四回，采用有母线连接。

3.2.1单母线接线

单母线接线虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配电装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。

单母线可用隔离开关分段，当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，才能恢复非故障段的供电，并且电压等级越高，所接的回路数越少，一般只适用于一台主变压器。

图3.1单母线接线

3.2.2单母线分段接线

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。

（优点）当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

（缺点）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间内停电，而出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越，扩建时需向两个方向均衡扩建，单母分段适用于：

110kV～220kV配电装置的出线回路数为3～4回，36～10kV配电装置出线为6回及以上，则采用单母分段接线。

图3.2单母线分段接线

3.2.3单母分段带旁母接线

这种接线方式：

适用于进出线不多、容量不大的中小型电压等级为35～110kV的变电所较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。

图3.3单母线分段带旁母接线

3.2.4双母线接线

双母线接线：

双母线的两组母线同时工作，并通过母线联络断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上。

（1）优点：

①供电可靠。

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；④便于试验。

当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。

（2）缺点：

①增加一组母线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；③适用范围：

当出线回路数或母线上电源较多，输送和穿越功率较大，母线故障后要求迅速恢复供电，母线和母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用。

6～10kV配电装置，当短路电流较大，出线需要带电抗器时；110～220kV配电装置，出线回路数为5回以上时。

图3.4双母线接线

3.2.5双母线分段接线

双母线分段，可以分段运行，系统构成方式的自由度大，两个元件可完全分别接到不同的母线上，对大容量且在需相互联系的系统是有利的，由于这种母线接线方式是传统技术的一种延伸，因此在继电保护方式和操作运行方面都不会发生问题。

较容易实现扩建等优点，但易受到母线故障的影响，断路器检修时要停运线路，占地面积较大，一般当连接的进出线回路数在11回及以下时，母线不分段。

3.3主接线方案比较选择

由设计任务书给定的负荷情况：

110kV进线5回，10kV出线11回（两回预留）该变电所主接线可以采用以下三种方案进行比较：

方案一：

110kV采用单母线分段接线，10kV采用单母线分段接线；

方案二：

110kV采用双母线接线，10kV采用单母线分段接线；

方案三：

110kV采用双母线接线，10kV采用单母线接线。

（1）110kV侧采用单母线分段接线方式，出线回路较多，输送和穿越功率较大，母线事故后能尽快恢复供电，母线和母线设备检修时可以轮流检修，不致中断供电，一组母线故障后，能迅速恢复供电，而检修每回路的断路器和隔离开关时需要停电；110kV采用双母接线方式，检修或故障时，要检修的母线断开，另外一条母线承担所有负荷，及不致影响供电可靠性。

比较：

从经济性来看，方案一比方案二和三好，从可靠性看方案二和三远高于方案一。

故110kV采用双母线接线符合要求。

（2）10kV侧采用单母线接线方式，操作不够灵活、可靠，任一元件故障或检修，均需使整个配电装置停电；10kV采用单母线分段接线方式，其可靠性如上。

比较：

方案三所用的断路器、隔离刀闸比方案一少，其经济性略高于方案一，但方案三中10kV侧的供电可靠性差，方案一10kV侧的可靠性明显高于方案三，故不采用方案三。

综观以上叙述，根据设计任务书的原始资料可知该变电所选用方案二：

110kV等级采用双母线接线方式，10kV等级采用单母线分段接线方式。

4短路电流计算

4.1概述

电力系统中的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路，因为它们会破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行[11]。

短路是电力系统的严重故障，所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）发生通路的情况。

在三相系统中，可能发生的短路有：

三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。

其中，三相短路是对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称短路[12]。

4.2短路计算的目的及假设

4.2.1短路计算目的

短路电流计算是变电所电气设计中的一个重要环节。

其计算目的是[13]：

（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，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、可靠地工作，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，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离；

（4）在选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；

（5）按接地装置的设计，也需用短路电流。

4.2.2短路电流计算的一般规定

（1）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，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5～10年）。

确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式[14]；

（2）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机的影响和电容补偿装置放电电流的影响；

（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点；

（4）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。

4.2.3短路计算基本假设

（1）正常工作时，三相系统对称运行；

（2）所有电源的电动势相位角相同；

（3）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；

（4）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

（5）元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；

（6）系统短路时是金属性短路[15]。

4.2.4基准值

高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，采用标幺值进行计算，为了计算方便选取如下基准值[16]：

基准容量：

Sj=100MVA

基准电压：

Vj（kV）：

10.5、115。

4.2.5短路电流计算的步骤

（1）计算各元件电抗标幺值，并折算为同一基准容量下[17]；

（2）给系统制订等值网络图；

（3）选择短路点；

（4）对网络进行化简，把系统看为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标幺值，并计算短路电流标幺值、有名值。

标幺值：

（4.1）

有名值：

（4.2）

（5）计算短路容量，短路电流冲击值

短路容量：

（4.3）

短路电流冲击值：

（4.4）

（6）列出短路电流计算结果

具体短路电流计算具体见计算说明书。

4.3短路计算的说明

4.3.1系统运行方式的确定

最大、最小运行方式的选择，目的在于计算通过保护装置的最大、最小短路电流。

在线路末端发生短路时，流过保护的短路电流与下列因素有关[18]：

（1）系统的运行方式，包括机组、变压器、线路的投入情况，环网的开环闭环，平行线路是双回运行还是单回运行；

（2）短路类型。

4.3.2短路点的选择

如图4.1所示，本次短路点选择三个：

图4.1系统短路点的选取

4.3.3短路电流的计算原则

短路电流的计算是继电保护整定的依据，所以我们必须加以重视。

（1）整定计算的要求选择规定的运行方式；

（2）确定短路段及短路类型；

（3）对确定的短路点经过网络的合并，化简求出归算到短路点的各序综合阻抗；

（4）短路类型及电力系统故障的知识求出短路点的总电流；

（5）按网络结构求出流过被整定保护装置的短路电流。

①三相短路电流的计算：

（4.5）

其有名值为：

（4.6）

—系统中发生三相短路时，短路点的短路电流标幺值；

—系统中发生三相短路时，短路点的短路电流有名值；

—归算到短路点的综合正序等值电抗。

以下为简便起见，省略下标*。

②两相短路电流的计算：

（4.7）

—归算到短路点的负序综合电抗

=—两相短路时短路点的全电流

其各序分量电流值为（4.8）

、—分别为；两相短路时，短路点短路电流的正负序分量d1d2

③两相接地短路电流计算：

（4.9）

—两相短路接地时，短路点故障相全电流：

—两相短路接地时，短路点的正序电流分量：

（4.10）

（4.11）

（4.12）

、—分别为两相接地短路时的负序和零序电流分量。

④单相接地短路电流的计算：

短路点各序分量电流为：

（4.13）

短路点故障的全电流为：

（4.14）

短路电流计算结果表如表4.1、表4.2所示

表4.1最大运行方式下短路结果表

短路点

三相短路电流

（kA）

两相短路电流

（kA）

两相接地短路电流

（kA）

单相短路电流

（kA）

0.505

0.435

0.672

0.657

1.787

1.547

1.63

1.953

12.87

1.547

12.245

6.024

表4.2最小运行方式下短路结果表

短路点

两相短路电流

（kA）

两相接地短路电流（kA）

单相短路电流

（kA）

0.105

0.073

0.137

1.32

1.567

1.27

10.95

11.04

3.34

5互感器的选择

5.1概述

电气设备的选择是变电所设计的主要内容之一，正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济的重要条件。

在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备[19]。

电气设备的选择同时必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、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。

电气设备要能可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定后选择的高压电器，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。

5.1.1一般原则

（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）应按当地环境条件校核；

（3）应力求技术先进和经济合理；

（4）选择导体时应尽量减少品种；

（5）扩建工程应尽量使新老电器的型号一致；

（6）选用的新品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。

5.1.2技术条件

（1）按正常工作条件选择导体和电气

①电压：

所选电器和电缆允许最高工作电压不得低于回路所接电网的最高运行电压，

即：

（5.1）

一般电器允许的最高工作电压，当额定电压在220kV及以下时为1.15，而实际电网运行的一般不超过1.1。

②电流：

电器的额定电流是指在额定周围环境温度下，导体和电器的长期允许电流应不小于该回路的最大持续工作电流，

即：

（5.2）

由于变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的（为电器额定电流）。

（2）按短路情况校验

电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，一般校验取三相短路时的短路电流，如用熔断器保护的电器可不验算热稳定。

当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定，用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。

①短路热稳定校验：

（5.4）

满足热稳定条件为：

（5.5）

—短路电流产生的热效应；

—短路时导体和电器允许的热效应；

—t秒内允许通过的短时热电流。

验算热稳定所用的计算时间：

（5.6）

—断电保护动作时间；

—相应断路器的全开断时间。

②短路的动稳定校验

满足动稳定条件为：

（5.7）

（5.8）

—短路冲击直流峰值（kA）

—短路冲击电流有效值（kA）

、—电器允许的极限通过电流峰值及有效值（kA）

5.1.3互感器的概述

互感器包括电压互感器和电流互感器，是一次系统和二次系统间的联络元件，以分别向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障情况，其作用有：

（1）将一次回路的高电压和电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜，便于屏内安装；

（2）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。

5.1.4互感器的配置：

（1）为满足测量和保护装置的需要，在变压器、出线、母线分段及所有断路器回路中均装设电流互感器；

（2）在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，如：

发电机和变压器的中性点；

（3）对直接接地系统，一般按三相配置。

对三相直接接地系统，依其要求按两相或三相配置；

（4）6~220kV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感器；

（5）当需要监视和检测线路有关电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。

5.2电流互感器的选择

电流互感器的特点：

（1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测量电路的负荷，而与二次电流大小无关；

（2）电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正常情况下，电流互感器在近似于短路状态下运行；

（3）电流互感器由于存在励磁损耗和磁饱和的影响，使测量结果有误差，所以选择电流互感器应根据测量时误差的大小和准确度来选择；

（4）按一次回路额定电压和电流选择。

电流互感器用于测量时，其一次额定电流应选择比回路中正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪表的最佳工作状态。

电流互感器的一次额定电压和电流选择必须满足：

、，为了确保所供仪表的准确度，互感器的一次工作电流应尽量接近额定电流。

—电流互感器所在电网的额定电压；

、—电流互感器的一次额定电压和电流；

—电流互感器一次回路最大工作电流。

电流互感器的型号选择计算见计算书，参数如表5.1

表5.1电流互感器的型号参数

型号