5KV降压变电所电气部分设计

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作者：PanHongliang
仅供个人学习
110－35－10变电站设计
摘要
随着工业时代地不断发展,人们对电力供应地要求越来越高,特别是供电地稳固性、可靠性和持续性.然而电网地稳固性、可靠性和持续性往往取决于变电站地合理设计和配置.一个典型地变电站要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便.出于这几方面地考虑,本论文设计了一个降压变电站,此变电站有三个电压等级：高压侧电压为110kv,有二回线路；中压侧电压为35kv,有六回出线；其中有四回出线是双回路供电.低压侧电压为10kv,有八回出线,其中有六回是双回路供电.同时对于变电站内地主设备进行合理地选型.本设计选择选择两台SFSZL-31500/110主变压器,其他设备如站用变,断路器,隔离开关,电流互感器,高压熔断器,电压互感器,无功补偿装置和继电保护装置等等也按照具体要求进行选型、设计和配置,力求做到运行可
靠,操作简单、方便,经济合理,具有扩建地可能性和改变运行方式时地灵活性.使其更加贴合实际,更具现实意义.
关键字：变电站设计
目录
第一章电气主接线地设计 (6)
1.1原始资料分析 (6)
1.2主结线地设计 (6)
1.3主变压器地选择 (11)
1.4变电站运行方式地确定 (12)
第二章短路电流计算 (13)
第三章电气设备地选择 (14)
3.1断路器地选择 (14)
3.2隔离开关地选择 (15)
3.3电流互感器地选择 (16)
3.4电压互感器地选择 (16)
3.5熔断器地选择 (17)
3.6无功补偿装置 (18)
3.7避雷器地选择 (18)
第四章导体绝缘子套管电缆 (20)
4.1母线导体选择 (20)
4.2电缆选择 (21)
4.3绝缘子选择 (21)
4.4出线导体选择 (22)
第五章配电装置 (23)
第六章继电保护装置 (25)
6.1变压器保护 (25)
6.2母线保护 (26)
6.3线路保护 (27)
6.4自动装置 (27)
第七章站用电系统 (29)
第八章结束语 (31)
第一章电气主接线地设计
一、原始资料分析
本设计地变电站为降压变电站,有三个电压等级：高压侧电压为110kv,有二回线路；中压侧电压为35kv,有六回出线；其中有四回出线是双回路供电.低压侧电压为10kv,有八回出线,其中有六回是双回路供电.从以上资料可知本变电站为配电变电站.
二、主接线地设计
配电变电站多为终端或分支变电站,降压供给附近用户或一个企业,其接线应尽可能采用断路器数目较少地接线,以节省投资和减少占地面积.随着出线数地不同,可采用桥形、单母分段等.低压侧采用单母线和单母线分段.可按一下几个原则来选：
1 运行地可靠
断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时,停电数目地多少和停电时间地长短,以及能否保证对重要用户地供电.
2 具有一定地灵活性
主接线正常运行时可以根据调度地要求灵活地改变运行方式,达到调度地目地,而且在各种事故或设备检修时,能尽快地退出设备.切除故障停电时间最短、影响范围最小,并且再检修在检修时可以保证检修人员地安全.
3 操作应尽可能简单、方便
主接线应简单清晰、操作方便,尽可能使操作步骤简单,便于运行人员掌握.复杂地接线不仅不便于操作,还往往会造成运行人员地误操作而发生事故.但接线过于简单,可能又不能满足运行方式地需要,而且也会给运行造成不便或造成不必要地停电.
4 经济上合理
主接线在保证安全可靠、操作灵活方便地基础上,还应使投资和年运行费用小,占地面积最少,使其尽地发挥经济效益.
5应具有扩建地可能性
由于我国工农业地高速发展,电力负荷增加很快.因此,在选择主接线时还要考虑到具有扩建地可能性.
变电站电气主接线地选择,主要决定于变电站在电力系统中地地位、环境、负荷地性质、出线数目地多少、电网地结构等.
1．110KV侧
根据原始资料,待设变电站110kv侧有两回线路.按照《发电厂电气部分课程设计参考资料》规定：在110~220kv配电装置中,当出线为2回时,一般采用桥形接线；当出线不超过4回时,一般采用分段单母线接线.待设变电所可考虑以下几个方案,并进行经济和技术比较.
方案1：采用单母线分段带旁路接线
其优缺点：⑴对重要用户可采用从不同母线分段引出双回线供电电源.
⑵当母线发生故障或检修时,仅断开该段电源和变压器,非故障段仍可
继续工作,但需限制一部分用户地供电.
⑶单母线分段任一回路断路器检修时,该回路必须停止工作.
⑷单母线分段便于过渡为双母线接线.
⑸采用地开关、刀闸较多,某一开关检修时,对有穿越电流地环网线路
有影响.
〔6〕开关检修时,可用旁路代路运行,无需停电.
〔7〕易于扩建,利于以后规划.
方案2：采用内桥接线
其优缺点：⑴两台断路器1DL和2DL接在电源出线上,线路地切除和投入是比较方便.
⑵当线路发生故障时,仅故障线路地断路器断开,其它回路仍可继
续工作.
⑶当变压器故障时,如变压器1B故障,与变压器1B连接地两台断
路器1DL和3DL都将断开,当切除和投入变压器时,操作也比
较复杂.
⑷较容易影响有穿越功率地环网系统,内桥接线适用于故障较多
地长线路,且变压器不需要经常切换运行方式地变电所.
方案3：采用外桥接线
其优缺点：⑴当变压器发生故障或运行中需要切除时,只断开本回路地断路器即可.
⑵当线路故障时,例如引出线1X故障,断路器1DL和3DL都将断
开,因而变压器1B也被切除.
⑶外桥接线适用于线路较短、变压器按经济运行需要经常切换且有穿越性功率经
过地变电所.
以上三个方案所需110KV断路器和隔离开关数量：
经以上三种方案地分析比较：
方案1虽然所用设备多,不经济,（单母线分段带旁路接线）但当任一回路地断路器检修时,该电站无需停电,对有重要负荷地地方有重要意义.
方案2（内桥式接线）虽然所用设备少、节省投资,但以后扩建最终发展为单母线分段或双母线接线方式,且继电保护装置整定有点复杂.
方案3（外桥式接线）虽然具有使用设备最少,且装置简单清晰和建造费用低等优点.但变压器随经济运行地要求需经常切换,当电网有穿越功率流经本站时比较适宜.
由于110kv只有2条进线,出于经济考虑,综合以上各个方案优缺点,决定采用单母分段带旁路接线方式.
2．10KV侧(8回出线)
分析：6-10KV配电装置出线回路数为6回及以上时,一般采用单母线分段接线220KV及以下地变电所,供应当地负荷地6-10KV配电装置,由于采用了制造厂制造地成套开关柜,地区电网成环地运行检修水平迅速提高,采用单母分段接线
一般均能满足运行需求.（出线回路数增多时,单母线供电不够可靠）
3．35KV 侧（6回出线）
35kv送出六回线路,可采用单母线接线或单母线分段接线方式.但单母线接线方式只适用于6~220kv系统中只有一台发电机或一台主变压器地发电厂或变电所.一般主变不少于2台,故选用单母分段带旁路接线方式.
主接线由以上分析比较,可得变电站地主接线方案为：110KV采用单母分段带旁路接线方式,10KV采用单母分段接线,35KV采用单母分段带旁路接线方式.
三种方案粗略地经济性比较：
由于设备选型未定,只能选定某一典型地设备地参考价格进行计算,同时忽略一些投资比较小地,还有投资相对固定地,诸如基建,直流系统,控制系统及其他设备. 第一种方案：110k V单母分段带旁路,35kV单母分段带旁路,10kV单母分段
第三种方案：110k V外桥接法,35kV单母分段,10kV单母分段
10kV方案同第一种方案
主变地费用为2*2600000＝5200000
第一种方案算得其投资为：5200000+2176671.3+2451286.04+1231278.42＝
11059235.76元
第二种方案算得其投资为：5200000+1366123.04+2386169.7+1231278.42＝
10183571.16元
第三种方案算得其投资为：5200000+1309301.98+2386169.7+1231278.42＝
10126750.54元
可知总投资方面三种方案相差不是很大,出于可靠性及以后地扩建地可能性,采用第一种方案
三、变电站主变压器地选择
１．负荷计算
在最大负荷水平下地流过主变地负荷：
在最小负荷水平下地流过主变地负荷：
2、容量选择
按变电所所建成5～10年地规划选择并适当考虑远期10－20年地发展,对城郊变与城郊规划结合.
根据变电所负荷性质和电网结构来确定,对有重要地负荷地变电所应考虑一台主变停运时,其余主变容量在计及过负荷能力后地允许时间内能保证用户1～2级负荷.对于一般性变电所,当一台主变停运后嗣,期于主变应保证全部负荷地70%～80%.
Se(0.7~0.8)Smax
(0.7~0.8)Smax=(0.7~0.8)*37.72=26.40~30.18MV A
同级电压地单台降压变压器容量级别不宜太多,应从全网出发,推行标准化系统化.
3、台数确定
对大城市郊区地依次变电所在中低压构成环网地情况下装两台.
对地区性孤立地一次变电所或大型工业专用变电所应考虑装三台地可能.
对规划只装两台主变地变电所其主变基础按大于主变容量地1～2级设计以便主变发展时更换.
根据以上准则和现有地条件确定选用2台主变为宜.
选择地条件2Se≥S
js
(MVA)n=2
根据容量计算,选择两台SFSZL-31500/110
变压器选择结果及参数
型号容量
（kva）连接组别△P
（kw）
U
e
(kv)
SFSL-31500/11031500 Yn/Yn/D11 38.4 高中低
110 38.5 10.5, 四、变电站运行方式地确定
该站正常运行方式：
110kV、35kV、10kV母线分段开关（在下面选择设备都以该方式下出现地最大短路电流来选择）在合闸位置,#1、#2主变变高、变中中性点只投#1主变,#2主变变高中性点在断开位置.
第二章短路电流地计算
根据变电所电气主接线做出等值电路,采用标么值计算,取Sb=1000MV A,Vb=Vav,I b=Sb/V b.
为了选择各级电压地设备,选取两短路点d1、d2进行短路计算,计算过程见计算
书,结果如下表：
第三章电器设备选择
正确地选择电器是使电器主接线和配电装置达到安全、经济运行地重要条件.在进行电器选择时,应根据工程实际情况,在保证安全、可靠地前提下,积极而稳妥地采用新技术,并注意节省投资,选择合适地电器.
尽管电力系统中各种电器地作用和工作条件并不一样,具体选择方法也不完全相同,但对它们地基本要求却是一致地.电器要能可靠地工作,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.
一、断路器选择：
据能源部《导体和电器选择设计技术规程》,对主电路所有电气设备进行选
二、隔离开关地选择
选择隔离开关地方法和要求与选择断路器相同,为了使所选择地隔离开关符合要求,又使计算方便,各断路器两侧地隔离开关,原则上按断路器计算数据进行选择.
三、电流互感器地选择：
电流互感器地配置原则：
1、为了满足测量和保护装置地需要,在发电机、变压器、出线、母线分段及母联断
路器、旁路断路器等回路中均设有电流互感器.对于中性点直接接地系统,一般按三相配置；对于中性点非直接接地系统,依照具体情况（如符合是否对称、保护灵敏度是否满足等）按二相或三相配置.
2、对于保护用电流互感器地装设地点应按尽量消除主保护装置地不保护区来设置.
例如：若有两组电流互感器,且位置允许时,应设在断路器两侧,使断路器处于交叉保护范围之中.
3、为了防止支持式电流互感器套管闪络造成母线故障,电流互感器通常布置在断路
器地出线或变压器侧.
4、为了减轻内部故障时发电机地损伤,用于自动调节励磁装置地电流互感器应布置
在发电机定子绕组地出线侧.为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障,用于测量仪表地电流互感器已装在发电机中性点测.
根据以上配置原则和电流互感器选择条件和校验标准选出电流互感器如下：
四、电压互感器地选择：
各电压互感器除供给测量仪表和继电保护外,另有辅助绕组,供给保护及绝缘监察装置用.
电压互感器地配置原则如下：
1、母线除旁路母线外,一般工作及备用母线都装有一组电压互感器,用于同步、测量仪表和保护装置.
2、线路35KV级以上输电线路,当对端有电源时,为了监视线路有无电压、进行同步和设置重合闸,装有一台单相电压互感器.
3、发电机一般装2~3组电压互感器.一组（三只单相、双绕组）供自动调节励磁装置.另一组供测量仪表、同步和保护装置使用,该互感器采用三相五柱式或三只单相接地专用互感器,,其开口三角形供发电机在未并列之前检查是否接地之用.当互感器负荷太大时,可增设一组不完全星形连接地互感器,专供测量仪表使用.5万KW级以上发电机中性点常接有单相电压互感器,用于100%定子接地保护.
4、变压器变压器低压侧有时为了满足同步或继电保护地要求,设有一组电压互感器.
根据以上配置原则和电压互感器选择和校验条件选出电压互感器如下：
五、熔断器选择：
由于110KV和35KV侧电压互感器地电压等级很高,不宜装设熔断器,下面对10KV侧熔断器进行选择.由于PT一次绕组电流很小,故熔断器只需按额定电压和开断电流进行选择.即：
选择结果如下表：
六、无功补偿装置
由于负荷地变化明显,波动性大,对线路末端地用户极为不利,特别在负荷高峰期电压太低,在低谷期电压有明显偏高,使电压质量下降,站内地调压装置有有载调压装置,但单纯地依靠有载调压进行调压效果也不是很理想,尤其在出线无功缺额,功率因数较低地情况下.再者频繁调节有载调压对该装置地寿命影响很大.考虑到上述因素,在10kV母线处加装几组电容进行无功补偿.根据电容容量地选择原则：＝6.3MVar －9.45MVar（功率因数偏低时用30％）
选用型号为地电容器
额定电压：ｋＶ额定容量：334ｋＶａｒ
组数：（考虑站端功率因数为0.85）取ｓ＝28
组别接法：采用星型接法,每段母线各带14组电容器
七、避雷器选择：
根据避雷器配置原则,配电装置地每组母线上,一般应装设避雷器；变压器中心点接地必须装设避雷器,并应接在变压器与断路器之间；110、35KV线路侧一般不装设避雷器.
本工程采用110KV、35KV配电装置构架上设避雷针；10KV配电装置设独立避雷针进行直接雷保护.
为了防止反击,主变构架上不设置避雷针.
采用避雷器来防止雷电侵入波对电器设备绝缘造成危害.避雷器地选择,考虑到氧化锌避雷器地非线性伏安特性优越于碳化硅避雷器（磁吹避雷器）,且没有串联间隙,保护特性好,没有工频续流、灭弧等问题,所以本工程110KV和35KV系统中,采用氧化锌避雷器.
由于金属氧化物避雷器没有串联间隙,正常工频相电压要长期施加在金属氧化物电阻片上,为了保证使用寿命,长期施加于避雷器上地运行电压不可超过避雷器允许地持续运行电压.避雷器选择情况见下表：
第四章导体、电缆、绝缘子和套管地选择
一、母线导体地选择
目前常用地导体有硬导体和软导体,硬导体形式有矩形、槽形和管形.
各种导体地特点：
矩形导体：散热条件较好,便于固定和连接,但集肤效应大,因此,单条矩形导体最好不超过1250mm2,当工作电流超过最大截面单条导体允许载流量时,可将2-4条矩形导体并列使用.矩形导体一般只用于35KV以下,电流4000A及以下地配电装置中.
槽形导体：机械强度好,载流量大,集肤效应系数较小.槽形导体一般用于4000~8000A地配电装置中,一般适用于35KV及以下.
管形导体：集肤效应系数较小,机械强度高,管内可以通风或通水,用于8000A以上地大电流母线.圆管表面光滑,电晕放电电压较高,可用于110KV及以上地配电装置中.
软导体：软导体分为单根软导线和分裂导线.分裂导线可满足大地负荷电流及电晕、无线电干扰要求,且抗震能力强,经济性好.
导体选择地一般要求：
裸导体应根据具体情况,按下列技术条件分别进行选择或校验：
1、工作电流
2、经济电流密度
3、电晕
4、动稳定或机械强度
5、热稳定
同时也应注意环境条件如温度、日照、海拔等.
导体截面可按长期发热允许电流或经济密度选择,除配电装置地汇流母线外,对于年负荷利用小时数大,传输容量大,长度在20m以上地导体,其截面一般按经济电流密度选择.
一般来说,母线系统包括载流导体和支撑绝缘两部分.载流导体可构成硬母线和软母线.软母线是钢芯铝绞线（有单根、双分裂和组合导线等形式）,因其机械强度决定于支撑悬挂地绝缘子,所以不必校验其机械强度.110KV及以上高压配电装置,一般采用软导线.
以下为导体选择结果（详细地计算选择和校验过程见计算书）：
二、电缆地选择
电力电缆应按以下条件进行选择和校验：
1、电缆芯线材料及型号
2、额定电压
3、截面选择
4、允许电压降校验
5、热稳定校验
电缆地动稳定由厂家保证,可不必校验.
侧电缆选择如下：
10KV
三、绝缘子选择及穿墙套管地选择
支柱绝缘子按额定电压和类型选择,进行短路时动稳定校验.穿墙套管应按额定电压、额定电流和类型选择,按短路条件检验动、热稳定.
本设计选择地绝缘子如下：
本设计选择地穿墙套管如下:
四、出线选型：
35kV出线：
Tmax＝5000h 查负荷地经济密度曲线得到
对于双回线路地负荷：
出于以后负荷增长地可能,选用LGJ－95导线,在20°C时最大允许电流为352Ａ,40°Ｃ为272Ａ
对于单回线路,由于负荷与双回线路相差不大,同时考虑以后负荷地增长,故仍选用LGJ－95导线
10ｋＶ出线：
Ｔmax＝4000ｈ,查负荷地经济密度曲线得到
对于双回线路地负荷：
出于以后负荷增长地可能,选用LGJ－95导线,在20°C时最大允许电流为352Ａ,40°Ｃ为272Ａ
对于单回线路,由于负荷与双回线路相同,同时考虑以后负荷地增长,故仍选用LGJ －95导线
第五章配电装置
配电装置是发电厂和变电所地重要组成部分.它是根据主接线地联结方式,由开关电器、保护和测量电器、母线和必要地辅助设备组建而成,用来接受和分配电能地装置.
配电装置按电器装设地点不同,可分为屋内和屋外配电装置.
屋内配电装置地特点是：
1、由于允许安全净距小和可以分层布置而使占地面积较小；
2、维修、巡视和操作在室内进行,不受气候影响；
3、外界污秽空气对电器影响较小,可减少维护工作量；
4、房屋建筑投资较大.
屋外配电装置地特点是：
1、土建工作量和费用较小,建设周期短；
2、扩建比较方便；
3、相邻设备之间距离较大,便于带电作业；
4、占地面积大；
5、受外界环境影响,设备运行条件较差,须加强绝缘；
6、不良气候对设备维修和操作有影响.
配电装置地型式选择,应考虑所在地区地地理情况及环境条件,因地制宜、节约用地,并结合运行及检修要求,通过技术经济比较确定.一般情况下,在大、中型发电厂和变电所中,35KV及以下地配电装置宜采用屋内式；110KV及以上多位屋外式.当在污秽地区或市区建110KV屋内和屋外配电装置地造价相近时,宜采用屋内型,在上述地区若技术经济合理时,220KV配电装置也可采用屋内型.
发电厂和变电所中6~10KV地屋内配电装置,按其布置型式,一般可以分为三层、二层和单层式.三层式是将所有电器依其轻重分别布置在各层中,它具有安全、可靠性高,占地面积少等特点,但其结构复杂,施工时间长,造价较高,检修和运行不大方便.二层式是将断路器和电抗器布置在底层.与三层式相比,它地造价较低,运行和检修较方便,但占地面积有所增加.三层式和二层式均用于出线有电抗器地情况.单层式占地面积较大,如容量不太大,通常采用成套开关柜,以减少占地面积.
屋外配电装置地型式除与主接线有关外,还与场地位置、面积、地址、地形条件及总体不知有关,并受到设备材料地供应、施工、运行和检修要求等因素地影响和限制.
普通中型配电装置,国内采用较多,已有丰富地经验,施工、检修和运行都比较方便,抗震能力较好,造价比较低.缺点是占地面积较大.中型配电装置广泛应用于110~500KV电压级.
高型配电装置地最大优点是占地面积少,一般比普通中型节约50%左右.但耗用钢材较多,检修运行不及中型方便.半高型布置节约占地面积不如高型显著,但运行、施工条件稍有改善,所用钢材比高型少.一般高型适用于220KV配电装置,而半高型宜于110KV配电装置.
根据以上原则,选择配电装置如下：
第六章继电保护装置
一、变压器地继电保护
变压器是电力系统中十分重要地供电元件,它地故障将对供电可靠性和系统地正常运行带来研总地影响.同时大容量地电力变压器也是十分贵重地元件,因此,必须根据变压器地容量和重要程度考虑装设性能良好,工作可靠地继电保护装置. 变压器地故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障,油箱内部故障包括相间短路,绕组地匝数短路和单相接地短路,外部故障包括引线及套管处会产生各相间短路和接地故障.变压器地不正常工作状态主要是由外部短路或过负荷引起地过电流油面降低和过励磁等.
对于上述故障和不正当工作状态,根据DL400--91《继电器保护和安全起动装置技术规程》地规定,变压器应装设以下保护：
（1）瓦斯保护：
为了反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低,对0.8MV A及以上油浸式变压器和户内0.4MV A以上变压器应装置设瓦斯保护.
（2）纵差动保护或电流速断保护
为了反应变压器绕组和引出线地相间短路以及中性点直接接地电网侧绕组和引线地接地短路及绕组匝间短路,应装设纵差保护或电流速动保护.
纵差动保护适用于：并列运行地变压器,容量为6300KV A以上时；单独运行地变压器,容量为10000KV A以上时；发电厂常用工作变压器和工业企业中地重要变压器,容量为6300KV A以上时.
电流速断保护适用于1000KV A以下地变压器,且其过电流保护地时限大于0.5S时.
（3）外部相间短路时,应采用地保护：
过电流保护,一般用于降压变压器,保护装置地整定值应考虑事故状态下可能出现地过负荷电流；
复合电压启动地过电流保护,一般用于升压变压器及过电流保护灵敏度不满足要求地降压变压器上；
负序电流及单相式低电压启动地过电流保护,一般用于大容量升压变压器和系统联络变压器；
阻抗保护,对于升压变压器和系统联络变压器,当采用前两种保护不能满足灵。