本科毕业设计---110kv降压变电所电气一次系统设计

毕业设计(论文) 110kV降压变电所电气一次系统设计

系别电力工程系

专业班级电气08K5班

学生姓名严丽

指导教师胡永强

二〇一二年六月

摘要

随着经济的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求也日益提高。国家提出了加快城网和农网建设及改造、拉动内需的发展计划，城网110kV变电站的建设迅猛发展。如何设计城网110kV变电站，是成网建设、改造中需要研究和解决的一个重要课题。

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，是联系发电厂与用户的中间环节，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中间环节，电气主接线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。

本次设计建设一座110kV降压变电站。首先，根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求选择各个电压等级的接线方式，在技术方面和经济方面进行比较。选取灵活的最优接线方式。

其次进行短路电流计算，根据各短路点计算出各点短路稳态电流和短路冲击电流，从三项短路计算中得到当短路发生在各电压等级的工作母线时，其短路稳态电流和冲击电流的值。

最后，根据各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行设备选择，然后进行校验。关键词：变电站；电气主接线；短路电流；设备选择；校验

I

1 原始数据

1、变电站类型：110kV降压变电所

2、电压等级：110/10kV

3、负荷情况：

最大25MW，最小16MW，T max = 5000小时，cosφ= 0.85

负荷性质：工业生产用电

4、出线情况：(1) 110kV侧：2回（架空线）LGJ—185/28km；(2) 10kV侧：12回（电缆）。

5、系统情况：(1) 系统经双回线给钢厂供电；

(2) 系统110kV母线短路电流标幺值为33（SＢ＝100MV A）

6、环境条件：(1)最高温度40℃，最低温度-25℃，年平均温度20℃；

(2)土壤电阻率ρ<400 欧米；

(3)当地雷暴日40日/年。

2 电气主接线的设计与选择

2.1 概述

主接线是变电站电气设计的首要部分，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主要环节。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，并且对电气设备选择、配电装置、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。

2.2 主接线设计的基本要求

发电厂的电气主接线应根据变电所在电力系统中的地位、发电厂的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件参数、设备特点等条件，并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。对于主接线设计的基本要求，概括的说应包括可靠性、灵活性和经济性三个方面。

2.2.1 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。主接线能可靠地工作，以保证对用户不间断供电。

评价电气主接线可靠性的标志是：

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或母线隔离开关检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对全部一级负荷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能性。

2.2.2 灵活性

电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。

灵活性要求应包括以下几个方面：

1) 操作的方便性。在服从可靠性的基本要求条件下，接线简单，操作方便，便于运行人员掌握，不至于在操作过程中出差错；

2) 调度的方便性。调度运行中应可以灵活地操作，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；

3) 扩建的方便性。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。

4）检修的方便性。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。

2.2.3 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。

经济性主要从以下几个方面考虑：

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，要能使控制保护不过复杂，以利于运行并节约二次设备和控制电缆投资；要能限制短路电流，以便选择价格合理的电气设备或轻型电器；在终端或分支变电所推广采用质量可靠的简单电器；

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。在不受运输条件许可，都采用三相变压器，以简化布置。

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。

2.3 主接线的选择

原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等的不同考虑，最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。

2.4 主接线方案选择

2.4.1电压110kV侧接线

（1）采用单母线分段接线

优点：①供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以缩小母线故障（或检修）的停电范围。一组母线故障后，另一组母线能迅速恢复供电，检修任一组的母线隔离开关时只停该回路。②扩建方便，可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的平均分配，不会引起原有回路的停电。③运行灵活性高，变压器既可以并列运行，也可以分列运行[2] [4]。[2] 熊信银，朱永利．发电厂电气部分[M]．北京：中国电力出版社，2009．[4] 石磊．110kV降压变电所电气部分设计[D]．兰州：理工大学电气工程学院，2009．

缺点：在一段母线故障或检修期间,该母线上所有回路均需停电。

（2）采用内桥形接线

图2-2 110kV内桥形接线

优点：内桥接线在线路故障或切除、投入时，不影响其余回路工作，并且操作简单。高压电器少，布置简单，造价低，经适当布置可较容易地过渡成单母线分段或双母线分段接线。在高压线路运行操作频繁并且不承担电网穿越功率的城网变电站这种情况下,比较适合用这种接线方式。

缺点：在变压器发生故障或切除、投入时,要使未发生故障的线路短时停电且操作复杂。运行灵活性和可靠性较差。

（3）《电力工程设计手册》规定：110kV～220kV配电装置出线回路不超过2回时一般选用单母线接线或单母线分段接线。《电力系统课程设计参考资料》规定：在满足运行要求的条件下，变电所高压侧尽可能考虑采用断路器较少或不用断路器的接线。在具有两台主变压器的变电所中，当35kV～220kV线路为双回时，若无特殊要求，该电压级主接线均采用桥形接线。故选择单母线分段接线和内桥形接线两个方案进行技术经济比较[3]。[3] 西北电力设计院．电力工程设计手册[M]．上海：科学技术出版社，1978．2.4.2电压10kV侧接线

（1）采用双母线接线

10k V

图2-3 10kV双母线接线

优点：①供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以不停电轮流检修任意一组母线。一组母线故障后能迅速恢复供电，检修任一组母线隔离开关时只需停该回路。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扩建方便可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的平均分配。

缺点：设备多，投资和占地面积大，配电装置复杂，易发生误操作。

（2）采用手车式高压开关柜单母线分段接线

10k

V

图2-4 10kV手车式高压开关柜单母线分段接线

《35～110kV 变电所设计规范》规定，当变电所装有两台主变压器时，6～10kV侧宜采用分段单母线。线路为12 回及以上时，亦可采用双母线。本变电站10kV 侧线路为14 回，可采用双母线接线或手车式高压开关柜单母线分段接线两种方案[5]。[5] 江苏省电力设计院．35～110kV变电所设计规范[M]．北京：中国电力出版社，1988．

与（1）相比，（2）简单清晰，调度灵活，能保证对重要用户的供电，设备少，投资和占地小。采用手车式高压开关柜，断路器检修问题可不用复杂的旁路设施来解决，大大缩短了用户的停电时间，保证了供电可靠性。这也是目前10kV电压等级最为常见的接线形式。

根据钢厂调研的数据及具体情况的考虑，设计出的主接线图如下：

图2-5主接线图

此方案：110kV侧位内桥形接线，10kV侧单母分段接线。

内桥接线的任一线路投入、断开、检修或路障时，都不会影响其他回路的正常运行，但当变压器投入、断开、检修或故障时，则会影响另一回线路的正常运行。桥形接线中使用断路器台数少，其配电装置占地也少，能满足变电所可靠性要求，具有一定的运行灵活性，桥形接线适用于线路为两回、变压器为两台变电站。

3 变压器的选择

3.1 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，其担任着变换网络电压进行电力传输的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况。在选择主变压器时，要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，要考虑到经济性来选择主变压器。选择主变压器的容量，同时要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。确定合理的变压器容量是变电站安全可靠供电和网络经济运行的保证【】。

3.2 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郊区110kV 降压变电所，它是以110kV 受功率为主。把所受的功率通过主变传输10kV 母线上，再将电能分配出去。因此选择主变台数时，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。考虑到两台主变同时发生故障机率较小。适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担60%～80%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。

3.3 主变压器容量的选择

变电所主变容量一般按5～10年规划负荷选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，该所最大负荷给定，所以应按最大总负荷来选择主变的容量，根据变电所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性能的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的60%～80%，该变电所是按70%全部负荷来选择。因此，装设两台变压器变电所的总装容量为：

101010c o s k V k V k V P S S ?==总

当一台变压器停运时，可保证对70%负荷的供电。因此主变压器的容量为：

0.7S S =总单台

本设计任务中110kV 侧电源为无限大系统，该侧的出线负荷功率由该无限大系统供给，不需通过主变传送。10kV 侧的最大负荷25MW ，最小负荷16MW ，功率因素为0.85，需要从110kV 侧系统通过主变来传送。因此，在正常运行情况下，主变传送的最大总容量为25MW 。

已知10kV 侧最大负荷为25MW ，8.0cos =φ5，由计算可知单台主变的最大容量为：

10k v 10k v 10P 25S 29.412c o s 0.85k v S M V A φ====总

则 单台S =0.7×总S =0.7×29.412=20.59MV A

所以，选择两台25MV A 的变压器并列运行。

3.4 主变压器型式的选择

1、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。

单相变压器组，相对来讲投资大，占地多，运行损耗大，同时配电装置以及断电保护和二次接线的复杂化，也增加了维护及倒闸操作的工作量。

本次设计的变电所，位于市郊区，负责工农业生产及城乡用电，不受运输的条件限制，故本次设计的变电所选用三相变压器。

2、绕组数的选择

在具有两种电压等级的变电所，应选择双绕组变压器

本次所设计的变电所需装设两台变压器并列运行。电网电压波动范围较大，如果选择自耦变压器，其两台自耦变压器的高、中压侧都需直接接地，这样就会影响调度的灵活性和零序保护的可靠性。而自耦变压器的变化较小，故不选择自耦变压器。

分裂变压器约比同容量的普通变压器贵20%。虽然它的短路阻抗较大，当低压侧绕组产生接地故障时，很大的电流向一侧绕组流去，在分裂变压器铁芯中失去磁势平衡，在轴向上产生巨大的短路机械应力。分裂变压器中对两端低压母线供电时，如果两端负荷不相等，两端母线上的电压也不相等，损耗也就增大，所以分裂变压器适用两端供电负荷均衡，又需限制短路电流的供电系统。由于本次所设计的变电所，受功率端的负荷大小不等，而且电压波动范围大，故不选择分裂变压器。

普通双绕组变压器：价格上在自耦变压器和分裂变压器中间，安装以及调试灵活，满足各种继电保护的需求，又能满足调度的灵活性。它的供电可靠性也高。所以，本次设计的变电所，选择普通双绕组变压器。

3、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：

1)枢纽变电所二次侧母线的运行电压控制水平应根据枢纽变电所的位置及电网电压降而定，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。

4、连接组别的选择

变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

5、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。自然风冷却：一般只适用于小容量变压器。强迫油循环水冷却，虽然散热效率高，具有节约材料减少变压器本体尺寸等优点，但是它要有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。综上所述，本设计选择强迫油循环风冷却。

3.5 主变压器的最终确定

确定所选变压器型号：SFL-25000，其技术数据如下表：

4 短路电流计算

4.1 概述

在电力系的电气设备，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。

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。

电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路虽然很少发生，其情况较严重，应给以足够的重视。因此，我们都采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

4.2 短路计算的目的及假设

1、短路电流计算目的[7][7] 李光哲．220kV降压变电站电气一次部分设计[D]．广东：广东工业大学，2007．

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：

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）接地装置的设计，也需用短路电流。

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，而不应按照仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

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。

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[8]。[8] 黄纯华．发电厂电气部分课程设计参考资料[M]．北

京：水利电力出版社，1987．

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：

基准容量：S B = 100MV A

基准电压：U av （kV ） 10.5 115

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；

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，把供电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：**1I X ∑''=

有名值：*S I I ''=

5）计算短路容量，短路电流冲击值

短路容量：n S =

短路电流冲击值： 2.55c h i I ''=

4.3 短路电流计算

电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路虽然很少发生，其情况较严重，应给以足够的重视。因此，我们都采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

4.3.1 计算系统与各元件电抗

取基准容量S B =100MVA ，基准电压为U av 。

变压器阻抗电压：%10.5k U =

则变压器电抗为：*%10.51000.4210010025k B

T N U S X S =?=?=

系统及线路阻抗：系统110kV 侧母线短路电流标幺值为33，则110kV 侧母线短路电抗为1

330.0303=；110kV 侧2回架空线为LGJ-185，长度为28km ，查表得电抗为0.395

k m Ω，则28km 线路电抗值为280.39511.06l X =?=Ω，其标么值为2*11.061001150.084l X =?=。

4.3.2 等值网络及短路电流的计算

110kV

10kV

图4-1等值网络图 1) f1点短路时：

短路电流标幺值： "

1**11 3.5420.0840.42

0.03032

f I X ∑===++ 短路电流有名值：

"

''1* 3.54219.473f B a v I I S k A ==?=

冲击电流：

"12.552.5519.47349.656c h f i I k A =?=?= 全电流最大有效值：

''1.51 1.5119.47329.404c h I I k A ==?= 短路容量：

"11119.473371.010f S I M V A

==?= 2) f2点短路时：