110kV变电所电气一次专业系统设计

110kV变电所电气一次系统设计
摘要
电能是现代城市发展关键能源和动力。

伴随现代文明发展和进步，社会生产和生活对电能供给质量和管理提出了越来越高要求。

城市供电系统关键部分是变电所。

所以，设计和建造一个安全、经济变电所，是极为关键。

本设计拟建设一座110kV 降压变电所。

变电所设计除了重视变电所设计基础计算外，对于主接线选择和论证等全部作了充足说明，其关键内容包含：变电所主接线方案选择；变电所主变压器台数、容量和型式确实定；短路电流计算；关键电气设备选择（断路器，隔离开关，电压互感器，电流互感器，母线及进出线，避雷器）。

另外，绘制了电气主接线图，断面图、防雷接地及平面部署图。

图纸规格和布图规范全部根据了电力系统相关图纸要求来进行绘制。

关键词：变电所电气主接线电气设备选择防雷及接地
目录
摘要 (1)
1 电气主接线设计 (4)
1.1 电气主接线设计标准和要求 (5)
1.1.1 电气主接线设计标准 (5)
1.1.2 对主接线设计基础要求 (6)
1.2 电气主接线设计步骤 (7)
1.3 变电所电气主接线设计 (9)
1.3.1 原始资料及分析 (9)
1.3.2 变电所电气主接线设计 (10)
1.4 变电所自用电接线设计 (13)
1.4.1 对所用电源要求 (13)
1.4.2 所用电源引接 (13)
1.4.3 所用电接线及供电方法 (13)
1.4.4 变电所自用电接线 (13)
2 主变及所用变选择 (14)
2.1 概述 (14)
2.2 主变压器台数选择 (14)
2.3 主变压器容量选择 (15)
2.3.1 变电所负荷计算 (15)
2.3.2 变电所主变及所用变容量确实定 (16)
2.4 绕组数和接线组别确实定 (16)
2.5 调压方法选择 (16)
2.6 冷却方法选择 (17)
3 短路电流计算 (17)
3.1 概述 (17)
3.2 短路电流计算目标及假设 (18)
3.2.1 短路电流计算是变电站电气设计中一个关键步骤。

(18)
3.2.2 短路电流计算通常要求 (18)
3.2.3 短路计算基础假设 (18)
3.2.4 基准值计算 (19)
3.3 短路电流计算步骤 (19)
4 关键电气设备选择 (20)
4.1 通常标准 (20)
4.2 高压开关电器选择 (22)
4.2.1 选择条件 (22)
4.2.2 隔离开关配置 (22)
4.3 互感器选择 (23)
4.3.1 电流互感器选择 (24)
4.3.2 电压互感器选择 (25)
4.4 导体选择和校验 (25)
5 屋内外配电装置设计 (27)
6 防雷及接地系统设计 (29)
6.1雷电过电压形成和危害 (29)
6.2 电气设备防雷保护 (29)
6.3 避雷针保护范围计算及避雷器保护配置 (30)
6.3 避雷器选择和配置 (33)
6.4 接地设计 (34)
6.4.1 接地设计标准 (34)
6.4.2 接地网型式选择及优劣分析 (34)
7 总平面部署设计............................................ 错误!未定义书签。

7.1 变电所总平面部署要求 (35)
7.2 本变电站电气设备部署 (36)
8 设计计算书 (36)
8.1 短路电流计算 (37)
8.2 关键电气设备选择 (39)
8.2.1 各回路最大连续工作电流计算 (39)
8.2.2 断路器和隔离开关选择和校验 (39)
8.2.3 电流互感器选择及校验 (42)
8.2.4 电压互感器选择及校验 (43)
8.2.5 导体选择和校验 (44)
8.2.6 避雷器选择 (47)
变电所主体设备型号表 (48)
致谢 (49)
参考文件 (50)
1 电气主接线设计
电气主接线是发电厂、变电所设计主体。

采取何种主接线形式，和电力系统原始资料，发电厂、变电所本身运行可靠性、灵活性和经济性要求等亲密相关，而且对电气设备选择、配电装置部署、继电保护和控制方法拟订全部有较大影响。

所以，主接线设计必需依据电力系统、发电厂或变电所具体情况，全方面分析，正确处理好各方面关系，经过技术经济比较，合理选择主接线方法。

1.1 电气主接线设计标准和要求
1.1.1 电气主接线设计标准
1、电气主接线基础标准为：
电气主接线基础标准是以设计任务书为依据，以国家经济建设方针、政策、技术要求、标准为准绳，结合工程实际情况，在确保供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，努力争取设备元件和设计优异性和可靠性，坚持可靠、优异、适用、经济、美观标准。

在工程设计中，经上级主管部门同意设计任务书或委托书是必不可少。

设计主接线应满足供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展余地。

(1)接线方法：对于变电所电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能采取断路器较少或不用断路器接线，如线路—变压器组或桥形接线等。

若能满足继电保护要求时，也可采取线路分支接线。

在110kV～220kV配电装置中，当出线为2回时，通常采取桥形接线；当出线不超出4回时，通常采取分段单母线接线。

在枢纽变电所中，当110～220kV出线在4回及以上时，通常采取双母接线。

在大容量变电所中，为了限制6～10kV出线上短路电流，通常可采取下列方法：
①变压器分列运行；
②在变压器回路中装置分裂电抗器或电抗器；
③采取低压侧为分裂绕组变压器；
④出线上装设电抗器。

(2)断路器设置
依据电气接线方法，每回线路均应设有对应数量断路器，用以完成切、合电路任务。

(3)为正确选择接线和设备，必需进行逐年各级电压最大最小有功和无功电力负荷平衡。

当缺乏足够资料时，可采取下列数据：
①最小负荷为最大负荷60～70%，如关键是农业负荷时则宜取20～30%；
②负荷同时率取0.85～0.9，当馈线在三回以下且其中有特大负荷时，可取0.95～1；
③功率因数通常取0.8；
④线损平均取5%。

1.1.2 对主接线设计基础要求
电气主接线设计应满足可靠性、灵活性、经济性和发展性等四个方面要求，其具体要求以下：
1、可靠性：
安全可靠是电力生产首要任务，确保供电可靠和电能质量是对主接线最基础要求，而且也是电力生产和分配首要要求。

主接线可靠性应依据变电所在电力系统中地位，变电所计划容量、负荷性质、线路和变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。

供电可靠是电力生产和分配首要要求，电气主接线也必需满足这个要求。

通常定性分析和衡量主接线可靠性时，均从以下几方面考虑：
1）断路器检修时，能否不影响供电；
2）线路、断路器或母线故障时，和母线检修时，停运出线回路数多少和停电时间长短，和能否确保对关键用户供电；
3）变电所全部停运可能性。

2、灵活性：
主接线应满足在调度、检修及扩建时灵活性。

主接线应努力争取简单可靠，灵活合理，以节省断路器、隔离开头、电流和电压互感器、避雷器等一次设备。

要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。

要能限制短路电流，方便于选择价格合理电气设备或轻型电器。

要求电能损失少，经济合理地选择主变压器型式、容量、台数，要避免因两次变压而增加电能损失。

主接线灵活性要求有以下几方面：
1）调度灵活，操作简便：应能灵活投入（或切除）一些变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方法下调度要求；
2）检修安全：应能方便停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网正常运行及对用户供电；
3）扩建方便：应能轻易从早期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，在不影响连续供电或停电时间最短情况下，投入新装变压器或线路而不相互干扰，且一次和二次设备等所需改造最少。

3、经济性：
主接线在满足可靠性、灵活性要求前提下做到经济合理。

在满足技术要求前提下，做到经济合理。

1）投资省：主接线应简单清楚，以节省断路器、隔离开关等一次设备投资；要使控制、保护方法不过于复杂，以利于运行并节省二次设备和电缆投资；要合适限制短路电流，以选择价格合理电器设备；在终端或分支变电所中，应推广采取直降式（110/6～10kV）变压器，以质量可靠简易电器替换高压断路器；
2）占地面积小：电气主接线设计要为配电装置部署发明条件，方便节省用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用；
3）电能损耗少：在变电所中，正常运行时，电能损耗关键来自变压器。

应经济合理选择主变压器型式、容量和台数，尽可能避免两次变压而增加电能损耗。

4、发展性：
主接线能够轻易地从早期接线方法过渡到最终接线。

在不影响连续供电或停电时间最短情况下，完成过渡期改扩建，且对一次和二次部分改动工作量最少。

1.2 电气主接线设计步骤
电气主接线具体设计步骤以下：
1、分析原始资料
①本工程情况
包含变电所类型，设计计划容量（近期，远景），主变台数及容量，最大负荷利用小时数及可能运行方法等。

②电力系统情况
包含电力系统近期及远景发展计划（5～），变电所在电力系统中位置（地理位置和容量位置）和作用，本期工程和远景和电力系统连接方法和各级电压中性点接地方法等。

主变压器中性点接地方法是一个综合性问题。

它和电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等相关，直接影响电网绝缘水平、系统供电可靠性和连续性、主变压器运行安全和对通信线路干扰等。

中国通常对35kV及以下电压电力系统采取中性点非直接接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地），又称小电流接地系统；对110kV及以上高压系统，皆采取中性点直接接地系统，又称大电流接地系统。

③负荷情况
包含负荷性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。

电力负荷原始资料是设计主接线基础数据，电力负荷估计工作是电力计划工作关键组成部分，也是电力计划基础。

对电力负荷估计不仅应有短期负荷估计，还应有中长久负荷估计，对电力负荷估计正确性，直接关系着发电厂和变电所电气主接线设计结果质量，一个优良设计，应能经受目前及较长远时间（5～）检验。

④环境条件
包含当地气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等原因，对主接线中电气设备选择和配电装置实施全部有影响。

尤其是中国土地广阔，各地气象、地理条件相差甚大，应给予重视。

⑤设备制造情况
这往往是设计能否成立关键前提，为使所设计主接线含有可行性，必需对各关键电气设备性能、制造能力和供货情况、价格等资料聚集并分析比较，确保设计优异性、经济性和可行性。

2、主接线方案确实定和选择
依据设计任务书要求，在原始资料分析基础上，依据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量和母线结构等不一样考虑，可确定出若干个主接线方案（本期和远期）。

依据对主接线基础要求，从技术上论证并淘汰部分显著不合理方案，最终保留2～3个技术上相当，又全部能满足任务书要求方案，再进行经济比较，结合最新技术，最终确定出在技术上合理、经济上可行最终方案。

确定主接线方案具体步骤以下：
1)依据变电所和电网具体情况，初步确定出若干技术可行接线方案。

2)选择主变压器台数、容量、型式、参数及运行方法。

3)确定各电压等级基础接线型式。

4)确定自用电接入点、电压等级、供电方法等。

5)对上述各部分进行合理组合，拟出3~5个初步方案，再结合主接线基础要求对各方案进行技术分析比较，确定出两三个很好待选方案。

6)对待选方案进行经济比较，确定最终主接线方案。

在进行主接线方案技术比较时，需要考虑主接线方案能够确保系统稳定性、确保供电可靠性和电能质量、运行安全和灵活性、自动化程度、新设备新技术应用和扩建可能性等。

3、短路电流计算
为了选择合理电气设备，需依据选定电气主接线进行短路电流计算。

1）关键电气设备配置和选择
按设计标准对隔离开关、互感器、避雷器等进行配置，并选择断路器、隔离开关、母线等型号规格。

2）绘制电气主接线图
将最终确定主接线方案，按要求绘制相关图纸，通常包含电气主接线图、平面部署图、断面图等。

1.3 变电所电气主接线设计
1.3.1 原始资料及分析
1、原始资料
变电所类型：110kV降压变电所
电压等级：110/10kV
负荷情况：
10kV侧：最大25MW，最小14MW，Tmax=4800小时，cosφ=0.85
出现情况：
110kV：2回（架空线）
10kV：10回（电缆）
系统情况:
（1）110kV母线短路电流标幺值为20（UB=Uav，SB=100MVA）；
（2）10kV对端无电源。

所用电率：0.5%
环境条件：
最高温度40℃,最低温度-25℃，年平均温度20℃；
土壤电阻率ρ﹤400欧米
当地雷暴日40日/年
2、原始资料分析
资料分析
在变电所设计之前，因地制宜地分析变电所容量、装机台数、负荷性质和在系统中地位等原始资料，而且查阅国家相关政策及技术规范，是整个变电所设计基础。

这为后续变电所主接线确定和合理选择主变压器容量及结构提供了关键依据。

此次毕业设计所提供课题是110kV变电所电气一次系统设计，该变电所是一座降压变电所。

变电全部110kV、10kV两个电压等级，一次性设计并建成。

其中110kV侧有两回来自电网架空供电线路。

10kV侧出线十回，最大负荷25MW，最小负荷14MW，Tmax=4800小时，cosφ=0.85。

依据以上情况分析可知，系统直接经过110kV侧母线向变电所主变压器供电，全部负荷经过10kV侧出线分配出去。

考虑到该变电所供电负荷关键性，应选择两台相同容量主变压器，以提升供电可靠性。

本变电所和电力系统连接情况，图1-1
1.3.2 变电所电气主接线设计
依据对原始资料分析，可有以下电气主接线设计：
1、110kV侧主接线方法确定
《35～110kV变电所设计规范》要求，35～110kV线路为两回及以下时，宜采取桥形、线路变压器组或线路分支接线。

超出两回时，宜采取扩大桥形、单母线或分段单母线接线。

35～63kV线路为8回及以上时，亦可采取双母线接线。

110kV线路为6回其以上时，宜采取双母线接线。

在采取单母线、分段单母线或双母线35～110kV主接线中，当不许可停电检修断路器时，可设置旁路设施。

本变电所110kV进线为2回。

因本变电所属区域性降压变电所，且供电负荷比较关键，
所以，110kV侧主接线形式可选择为单母线或桥形接线。

（1）当选择单母线时
优点：
接线简单清楚，设备少，操作方便，便于扩建和采取成套配电装置。

缺点：
此种接线可靠性和灵活性较差，在任一元件（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。

适用范围：
110～200kV配电装置出线回路数不超出两回，35～63kV，配电装置出线回路数不超出3回，6～10kV配电装置出线回路数不超出5回，才采取单母线接线方法，故不选择单母接线。

（2）当选择桥形接线时
当只有两台变压器和两条输电线路时，采取桥式接线，所用断路器数目最少，它可分为内桥和外桥接线。

内桥接线：适合于输电线路较长，故障机率较多而变压器又不需常常切除时，采取内桥式接线。

当变压器故障时，需停对应线路。

外桥接线：适合于出线较短，且变压器随经济运行要求需常常切换，或系统有穿越功率，较为适宜。

为检修断路器，不致引发系统开环，有时增设并联旁路隔离开关以供检修时使用。

当线路故障时需停对应变压器。

桥形接线含有接线简单清楚、设备少、造价低、易于发展成为单母分段或双母线接线等优点。

比较上述两种方案：
单母线即使接线简单清楚，设备少，操作方便，便于扩建和采取成套配电装置，此种接线可靠性和灵活性较差，在任一元件（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，故不采取单母线接线；而桥形接线接线简单清楚、设备少、造价低、易于发展成为单母分段或双母线接线等优点，兼顾了可靠性和灵活性。

又因本变电所属于区域性降压变电所，没有穿越功率，故110kV侧应选择内桥接线。

2、10kV侧主接线方法确定
依据原始资料分析可知，10kV侧出线为十回，且供电负荷较大。

6～10kV配电装置出
线回路数目为6回及以上时，可采取单母线分段接线，为提升可靠性还可装设旁路母线。

当选择单母线分段接线时
优点：
用断路器对母线分段后，对关键用户可从不一样段引出两回馈电线路，由两个电源供电；当一段母线故障后分段断路器自动将故障切除，确保正常段母线不间断供电和不致使关键用户停电。

缺点：
当一段母线或母线隔离开关故障或检修时该段母线回路全部要在检修期间停电；当出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时要向两个方向均衡扩建。

适用范围：
6～10kV配电装置出线回路为6回及以上时；35～63kV配电装置出线回路数为4～8
回时；110～220kV配电装置出线回数为3～4回时。

（2）当选择单母分段带旁路母线接线时
优点：
不会造成全所停电，调度灵活，确保对关键用户供电，任一出线断路器故障或检修时能够用旁路断路器代路送电，使线路不停电；且占地面积小，设备投资少。

缺点:
此种接线多装了价格较高断路器和隔离开关，增大了投资。

单母分段带旁路母线接线满足可靠性和灵活性要求，投资也比双母线接线少。

比较上述两种方案：
单母分段接线当一段母线发生故障时，分段断路器自动将故障段隔离，确保正常段母线不间断供电，不致使关键用户停电，可提升供电可靠性和灵活性。

当一段母线发生故障时，分段断路器自动将故障段隔离，确保正常段母线不间断供电，不致使关键用户停电，可提升供电可靠性和灵活性。

单母分段带旁路母线即使使用设备较少，降低了投资，设置旁路设施目标也是为了降低在断路器检修时对用户供电影响，但在本变电站中110kV侧采取SF6断路器时，因SF6断路器检修周期可长达5～甚至20年，故可无须装设旁路母线，这么又会降低供电可靠性，故不易采取；故10kV侧应选择单母分段接线。

1.4 变电所自用电接线设计
1.4.1 对所用电源要求
据相关技术规程，对35～110kV变电所所用电源有以下要求：
有两台及以上主变时，宜装设两台容量相同、可互为备用所用工作变压器，每台工作所用变按全所计算负荷选择，两台所用变压器可分别由主变最低电压等级不一样母线段引接，如有可靠6～35kV电源联络线，也可将一台接于联络线断路器外侧；如能从变电所外引入可靠低压所用备用电源时，亦可装设一台所用变压器。

只有一回电源进线时，假如采取交流控制电源，宜在电源进线断路器外侧装设一台所用变压器；假如采取直流控制电源，而且主变为自冷式时，可在主变最低电压等级母线上装设一台所用变压器。

1.4.2 所用电源引接
（1）当所内有较低电压母线时，通常均由较低电压母线上引接1～2台所用变压器，这种引接方法含有经济性和可靠性较高特点。

（2）当有可靠6～35kV电源联络线，将一台所用变压器接于联络线断路器外侧，更能确保所用电不间断供电，这种引接方法对采取交流操作变电所及取消蓄电池而采取硅整流或复式整流装置取得直流电源变电所尤为必需。

1.4.3 所用电接线及供电方法
（1）所用电系统采取380/220V中性点直接接地三相四线制，动力和照明适用一个电源。

（2）所用电母线采取按工作变压器划分分段单母线，相邻两段工作母线间可配置分段断路器或联络断路器，各段同时供电、分列运行。

因为其负荷许可短时停电，工作母线段间不装设自动投入装置，以避免备用电源投合在故障母线上时扩大为全部所用电停电事故。

1.4.4 变电所自用电接线
依据所用电源引接要求，考虑到经济性和可靠性本变电所从10kV母线不一样段上引接2台所用变压器，考虑到单母线分段接线简单、清楚、操作方便，投资少等特点，所用电380/220V侧接线方法选择单母线分段接线。

2 主变及所用变选择
2.1 概述
在各级电压等级变电所中，变压器是变电所中关键电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或两种电压等级之间交换功率关键任务，同时兼顾电力系统负荷增加情况，并依据电力系统5～发展计划综合分析，合理选择，不然，将造成经济技术上不合理。

假如主变压器容量造过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充足发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长久在过负荷中运行，影响主变压器寿命和电力系统稳定性。

所以，确定合理变压器容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行确保。

《35～110kV变电所设计规范》要求，主变压器台数和容量，应依据地域供电条件、负荷性质、用电容量和运行方法等条件综合考虑确定。

在有一、二级负荷变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。

装有两台及以上主变压器变电所，当断开一台时，其它主变压器容量不应小于70%全部负荷，并应确保用户一、二级负荷。

在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦和分裂变压器等，在选择主变压器时，要依据原始资料和设计变电所本身特点，在满足可靠性前提下，要考虑到经济性来选择主变压器。

选择主变压器容量，同时要考虑到该变电因以后扩建情况来选择主变压器台数及容量。

2.2 主变压器台数选择
由原始资料可知，我们此次所设计变电所是110kV降压变电所，它是以110kV受功率为主。

把所受功率经过主变传输至10kV母线上。

若全所停电后，将影响整个供电区域供电，所以选择主变台数时，要确保供电可靠性。

为了确保供电可靠性，和配合电气主接线设计方案，同时避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中通常装设两台主变压器。

当装设三台及三台以上时，变电所可靠性即使有所提升，但接线网络较复杂，且投资增大，同时增大了占用面积，和配电设备及用电保护复杂性，和带来维护和倒闸操作等很多复杂化。

而且会造成中压侧短路容量过大，
不宜选择轻型设备。

考虑到两台主变同时发生故障机率较小。

适用远期负荷增加和扩建，而当一台主变压器故障或检修时，另一台主变压器可负担70%负荷确保全变电所正常供电。

故选择两台主变压器互为备用，提升供电可靠性。

2.3 主变压器容量选择
主变容量通常按变电所建成近期负荷，5～计划负荷选择，并合适考虑远期10～20年负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应该和城市计划相结合，该所近期和远期负荷全部给定，所以应按近期和远期总负荷来选择主变容量，依据变电所带负荷性质和电网结构来确定主变压器容量，对于相关键负荷变电所，应考虑当一台变压器停运时，其它变压器容量在过负荷能力后许可时间内，应确保用户一级和二级负荷，对通常性能变电所，当一台主变压器停运时，其它变压器容量应确保全部负荷70%～80%。

该变电所是按70%全部负荷来选择。

2.3.1 变电所负荷计算
要选择主变压器和所用变压器容量，确定变压器各出线侧最大连续工作电流。

首先必需要计算各侧负荷，包含10kV 侧负荷和所用电负荷。

（1）10kV 侧负荷计算
10kV 侧负荷容量可由以下公式得出：
max 10cos kV P S φ
= 式中 10kV S ------10kV 侧负荷容量（kV A ）；
max P ------最大负荷（kW ）;
cos φ----功率因数。

所以10kV 侧负荷容量为
()max 1025100029411.76cos 0.85
kV P S kVA φ⨯=== 主变总容量为：
()1029411.76kV S S kVA ==总
（2）所用电负荷计算。