(完整版)110KV变电站设计

110KV变电站设计
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摘要：本文主要进行110KV变电站设计。

首先根据任务书上所给系统及线路
和所有负荷的参数，通过对所建变电站及出线的考虑和对负荷资料分析，满足安全性、经济性及可靠性的要求确定了110KV、35KV、10KV侧主接线的形式，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数、容量、及型号，从而得出各元件的参数，进行等值网络化简，然后选择短路点进行短路计算，根据短路电流计算结果及最大持续工作电流，选择并校验电气设备，包括母线、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等，并确定配电装置。

根据负荷及短路计算为线路、变压器、母线配置继电保护并进行整定计算。

本文同时对防雷接地及补偿装置进行了简单的分析，最后进行了电气主接线图及110KV配电装置间隔断面图的绘制。

关键词：变电站设计，变压器，电气主接线，设备选择
Abstract:This paper mainly carries on the design of 110KV substation. According to the mandate given by the system and the load line and all parameters of the substation and line consideration and the data of load analysis, meet the safety, economy and reliability requirements of 110KV, 35KV, 10KV side of the main connection form is determined, and then through the load calculation and determine the scope of supply the number, size, and type of the main transformer, thus obtains the parameters of each element, the equivalent network simplification, and then select the short circuit short circuit calculation, the calculation results and the maximum continuous working current according to short-circuit current, selection and calibration of electrical equipment, including bus, circuit breaker, isolating switch, voltage transformer, current transformer etc., and determine the distribution device. According to the load and short circuit calculation for the line, transformer, bus configuration of relay protection and setting calculation. At the same time, this paper makes a simple analysis of lightning protection and grounding and compensation device, and finally carries out the electrical main wiring diagram and the 110KV distribution unit interval section drawing.
Key words: substation design, transformer, electrical main wiring, equipment selection
目录
1 引言 (1)
1.1 变电站的作用 (1)
1.2 我国变电站及其设计的发展趋势 (2)
1.3 变电站设计的主要原则和分类 (5)
1.4 选题目的及意义 (6)
1.5 设计思路及工作方法 (6)
1.6 设计任务完成的阶段内容及时间安排 (7)
2 任务书 (7)
2.1 原始资料 (7)
2.2 设计内容及要求 (10)
3 电气主接线设计 (11)
3.1 电气主接线设计概述 (11)
3.2 电气主接线的基本形式 (14)
3.3 电气主接线选择 (14)
4 变电站主变压器选择 (18)
4.1 主变压器的选择 (19)
4.2 主变压器选择结果 (21)
5 短路电流计算 (22)
5.1 短路的危害 (22)
5.2 短路电流计算的目的 (22)
5.3 短路电流计算方法 (22)
5.4 短路电流计算 (23)
5.4.1 110kv侧母线短路计算 (25)
5.4.2 35kv侧母线短路计算 (27)
5.4.3 10kv侧母线短路计算 (28)
6 电气设备的选择 (31)
6.1 导体的选择和校验 (31)
6.1.1 110kv母线选择及校验 (32)
6.1.2 35kv母线选择及校验 (33)
6.1.3 10kv母线选择及校验 (34)
6.2 断路器和隔离开关的选择及校验 (35)
6.2.1 110kv侧断路器及隔离开关的选择及校验 (36)
6.2.2 35kv侧断路器及隔离开关的选择及校验 (38)
6.2.3 10kv侧断路器及隔离开关的选择及校验 (40)
6.3 电压互感器和电流互感器的选择 (42)
6.3.1 电流互感器的选择 (42)
6.3.2 电压互感器的选择 (44)
7 继电保护的配置 (46)
7.1 继电保护的基本知识 (46)
7.2 110kv线路的继电保护配置及整定计算 (53)
7.2.1 110kV线路继电保护配置 (53)
7.2.2 110kV线路继电保护整定计算 (53)
7.3 变压器的继电保护及整定计算 (58)
7.3.1 变压器的继电保护 (58)
7.3.2变压器的继电保护整定计算 (59)
7.4 母线保护 (61)
7.5 备自投和自动重合闸的设置 (63)
7.5.1 备用电源自动投入装置的含义和作用 (63)
7.5.2 自动重合闸装置 (63)
8 防雷与接地方案的设计 (64)
防雷概述 (64)
1.1雷电的成因及危害 (64)
1.2直击雷的成因及危害 (64)
1.3感应雷的成因及危害 (64)
防雷设计原则 (65)
8.1 防雷保护 (65)
8.2 接地装置的设计 (66)
9 配电装置 (67)
9.1 配电装置概述 (67)
9.2 配电装置类型 (68)
9.3 对配电装置的基本要求和设计步骤 (68)
9.4 屋内配电装置 (69)
9.5 屋外配电装置 (69)
10 结束语 (70)
参考文献 (72)
致谢 (73)
附录 (74)
附录一电气主接线图 (74)
附录二110KV屋外普通中型单母线分段接线的进出线间隔断面图 (75)
1 引言
1.1 变电站的作用
一、变电站在电力系统中的地位
电力系统是由变压器、输电线路、用电设备组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。

电力系统中的这些互联元件可以分为两类，一类是电力元件，它们对电能进行生产（发电机）、变换（变压器、整流器、逆变器）、输送和分配（电力传输线、配电网），消费（负荷）；另一类是控制元件，它们改变系统的运行状态，如同步发电机的励磁调节器，调速器以及继电器等。

变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

变电所根据它在系统中的地位，可分为下列几类：
（1）枢纽变电站；位于电力系统的枢纽点，连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个电源，电压为330—500kv的变电站，成为枢纽，全所停电后，将引起系统解列，甚至出项瘫痪。

（2）中间变电站：高压侧以交换潮流为主，其系统变换功的作用。

或使长距离输电线路分段，一般汇聚2—3个电源，电压为220—330kv，同时又降压供当地供电，这样的变电站起中间环节的作用，所以叫中间变电站。

全所停电后，将引起区域电网解列。

（3）地区变电站：高压侧一般为110—220kv，向地区用户供电为主的变电站，这是一个地区或城市的主要变电站。

全所停电后，仅使该地区中断供电。

（4）终端变电站：在输电线路的终端，接近负荷点，高压侧的电压为110kv，经降压后直接向用户供电的变电站，即为终端变电站。

全所停电后，只是用户受到损失。

二、电力系统供电要求
（1）保证可靠的持续供电：供电的中断将使生产停顿，生活混乱，甚至危及人身和设备的安全，形成十分严重的后果。

停电给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失。

因此，电力系统运行首先足可靠、持续供电的要求。

（2）保证良好的电能质量：电能质量包括电压质量，频率质量和波形质量这三个方面，电压质量和频率质量均以偏移是否超过给定的数来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定电压的正负5%，给定的允许频率偏移为正负0.2—0.5%HZ等，波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。

所有这些质量指标，都必须采取一切手段来予以保证。

（3）保证系统运行的经济性：电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗占的比重约为1/3 ，而且在电能变换，输送，分配时的损耗绝对值也相当可观。

因此，降低每生产一度电能损耗的能源和降低变换，输送，分配时的损耗，又极其重要的意义。

三、电力系统的额定电压
（1）额定电压是指能使电气设备长期运行的最经济的电压。

在系统中，各部分电压等级是不同的。

三相交流系统中，三相视在功率S=3UI。

当输出功率一定时，电压越高，电流越小，线路、电气的载流部分所需的截面积就越小，有色金属的投资也越小，同时由于电流小，传输线路上的功率损耗和电压损耗也较小。

另一方面，电压越高，对绝缘水平的要求就越高，变压器、开关等设备的投资也越大。

综合考虑这些因素，对应一定的输送功率和输送距离都有一个最为经济合理的输电电压，当从设备制造角度考虑，为保证产品的标准化和系列化，又不应随意确定输电电压。

（2）用电设备的额定电压：经线路向用电设备输送电能时，由于用电设备大都是感性负荷，沿线路的电压分布往往是首段高于末端，系统标称电压与用电设备的额定电压取值一致，使线路的实际电压与用电设备要求的额定电压之间的偏差不致太大。

（3）变压器额定电压：变压器一次侧接电源，相当于用电设备，二次侧向负荷供电，有相当于电源，因此变压器一次侧额定电压等于用电设备的额定电压，由于变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，额定负载下变压器内部的电压降落约为5%，当供电线路较长时，为使正常运行时变压器二次侧电压较系统标称电压高5%，以便补偿线路电压损失。

变压器二次侧额定电压较用电设备额定电压高10%，只有当变压器二次侧与用电设备间电气距离很近时，其二次侧额定电压才取为用电设备额定电压的1.05倍。

1.2 我国变电站及其设计的发展趋势
一、我国变电站的发展趋势
我国变电站综合自动化技术的起步发展虽比国外晚, 但我国70年代初期便先后研制成电气集中控制装置和“四合一”装置( 保护、控制、测量、信号) 。

如南京电力自动化设备厂制造的DJK 型集中控制装置, 长沙湘南电气设备厂制造的WJBX 型“四合一”集控台。

这些称之为集中式的弱电控制、信号、测量系统的研制成功和投运为研制微机化的综合自动化装置积累了有益的经验。

70年代末80年代初南京电力自动化研究院率先研制成功以Motorola 芯片为核心的微机RT U 用于韶山灌区和郑州供电网, 促进了微机技术在电力系统的广泛应用。

1987年, 清华
大学在山东威海望岛35kV 变电站用3台微型计算机实现了全站的微机继电保护、监测和控制功能。

之后, 随着1988年由华北电力学院研制的第1代微机保护( OI 型) 投入运行, 第2代微机保护( WXB-11) 1990年4月投入运行并于同年12月通过部级鉴定。

较远动装置采用微机技术滞后且更为复杂的继电保护全面采用微机技术成为现实。

至此,随着微机保护、微机远动、微机故障录波、微机监控装置在电网中的全面推广应用,人们日益感到各专业在技术上保持相对独立造成了各行其是, 重复硬件投资, 互连复杂, 甚至影响运行的可靠性。

1990年,清华大学在研制鞍山公园变电站综合自动化系统时, 首先提出了将监控系统和RT U 合而为一的设计思想。

1992年5月,电力部组织召开的“全国微机继电保护可靠性研讨会”指出: 微机保护与RT U, 微机就地监控, 微机录波器的信息传送, 时钟、抗干扰接地等问题应统一规划并制定统一标准, 微机保护的联网势在必行。

由南京电力自动化研究院研制的第1套适用于综合自动化系统的成套微机保护装置ISA 于1993年通过部级鉴定以后, 各地电网逐步开始大量采用变电站综合自动化系统。

1994年中国电机工程学会继电保护及自动化专委会在珠海召开了“变电站综合自动化分专业委员会”的成立大会,这标志着对变电站综合自动化的深入研究和应用进入了一个新阶段。

近年来，在我国在经济技术领域中取得了快速发展，特别是计算机网络技术和通信技术的发展，为我国变电站的发展起到了强有力的推动作用，越来越多的新技术新产品应用到变电站方面，具体来说，使我国变电站设计呈现以下发展趋势：
1. 智能化
智能化变电站的发展是随着高压高精度的智能仪器的出现而逐渐发展的，特别是计算机高速通信网络在实时系统中的开发和应用，使变电站的所有信息采集、传输实现的智能化处理提供的强大的物质和理论基础。

智能化主要体现在以下几个方面：
紧密联结全网。

支撑智能电网。

高电压等级的智能化变电站满足特高压输电网架的要求。

中低压智能化变电站允许分布式电源的接入。

远程可视化。

装备与设施标准化设计，模块化安装。

另外，为了加强对变电站及无人值守变电站在安全生产、防盗保安、火警监控等方面的综合管理水平，越来越多的电力企业正在考虑建设集中式远程图像监控系统，这促使了电力综合监控的网络化发展。

以IP数字视频方式，能够对各变电站/所的有关数据、环境参量、图像进行监控和监视，实时、直接地了解和掌握各个变
电站/所的情况，并及时对发生的情况做出反应，适应许多地区变电站的需要。

不过我国目前还没用完全实现真正意义山的智能化一次设备，一次设备的智能化仍然需要通过一定的二次设备俩转化实现，一般采用智能终端的模式。

目前在国内进行的数字化变电站项目，虽然大多数采用此种方式，但是普遍没有对开关内部的二次回路进行集成化改造，智能终端与开关整合度较低，还有很大的发展空间。

2. 数字化
通过采用现代化的精密仪器仪表，以及实时性较高的通信网络，因此在此基础上出现了数字化变电站，数字化变电站技术是变电站自动化技术发展中具有里程碑意义的一次变革，对变电站自动化系统的各方面将产生深远的影响。

数字化变电站在系统可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅度提升。

3. 装配化
装配式变电站采用全预制装配结构的建筑形式，大幅缩短了设计及建设周期，减少了变电站占地面积，节约了土地资源。

随着国网公司“两型一化”的推广，装配式变电站在全国各地均成功试点，成为今后变电站建设的一种新型模式。

二、我国变电站设计的发展趋势
依据我国的国情，以及我国多年来积累的关于变电站设计的实践和经验，可以看出我国变电站设计的发展趋势有以下几个方面。

我国电力建设经过多年的发展，系统容量越来越大，短路电流不断增大，对电气设备、系统内大量信息的实时性等要求越来越高;而随着科学技术的高速发展，制造、材料行业，尤其是计算机及网络技术的迅速发展，电力系统的变电技术也有了新的飞跃，我国变电站设计出现了一些新的趋势。

1、变电站接线方案趋于简单化
随着制造厂生产的电气设备质量的提高以及电网可靠性的增加，变电站接线简化趋于可能。

例如，断路器是变电站的主要电气设备，其制造技术近年来有了较大发展，可靠性大为提高，检修时间少。

特别国外一些知名厂家生产的超高压断路器均可达到20年不大修，更换部件费时很短。

为了进一步控制工程造价，提高经济效益，经过专家反复论证，我国少数变电站设计已逐渐采用一些新的更为简单的接线方案。

2、大量采用新的电气一次设备
近年来电气一次设备制造有了较大发展，大量高性能、新型设备不断出现，设备趋于无油化，采用SF6气体绝缘的设备价格不断下降，伴随着国产GIS向高电压、大容量、三相共箱体方面发展，性能不断完善，应用面不断扩大，许多城网建设工程、用户工程都考虑采用GIS配电装置。

变电站设计的电气设备档次不断提高，配
电装置也从传统的形式走向无油化、真空开关、SF6开关和机、电组合一体化的小型设备发展。

这些户外高压和超高压组合电器共同特点是以SF6断路器为核心，与其它高压电气设备进行组合，形式繁多。

这些设备运行可靠性高、节省占地面积和空间、施工安装简单、运行维护方便，价格介于常规电气设备与GIS之间，是电气设备今后发展的一个方向，符合我国目前的国情和技术发展方向。

3、变电站占地及建筑面积减少
随着经济和城市建设的发展，市区的用电负荷增长迅速，而城市土地十分宝贵，地价越来越昂贵。

新建的城市变电站必须符合城市的形象及环保等要求，追求综合经济、社会效益，所以建设形式多采用地面全户内型或地下等布置形式，占地面积有效减少。

另外，针对一些110kV及以下变电站实现无人值班，设计中取消了与运行人员有关的建筑和设施，建筑面积更是大为减少。

4、变电站综合自动化技术
变电站综合自动化是一项提高变电站安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务的一项措施。

随着自动化技术、通信技术、计算机和网络技术等高科技的飞速发展，一方面综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，已经成为必然趋势。

另一方面，保护本身也需要自检查、故障滤波、事件记录、运行监视和控制管理等功能。

发展和完善变电站综合自动化系统，是电力系统发展的新的趋势。

变电站综合自动化技术将会引起电力行业的重视，成为变电站设计核心技术之一。

变电站综合自动化发展趋势主要表现在一下几个方面：⑴全分散式变电站自动化系统.⑵引入先进的网络技术。

总之，变电站综合自动化向着使电力系统的运行和控制更方便、快捷、安全、灵活的方向发展。

1.3 变电站设计的主要原则和分类
变电站设计的原则是：安全可靠、技术先进、投资合理、标准统一、运行高效、，努力做到统一性与可靠性、先进性、经济性、适应性、灵活性、时效性和和谐性的协调统一。

1. 统一性：建设标准统一，基建和生产标准统一，外部形象提醒公司企业的文化特征。

2. 可靠性：主接线方案安全可靠。

3. 经济性，按照利益最大化原则，综合考虑工程初期投资与长期运行费用，追求设备寿命期内最佳经济效益。

4. 先进性：设备选型先进合理，占地面积小，注重环保，各项技术经济可比指标先进。

5. 适
应性：综合考虑不同地区的实际情况，要在系统中具有广泛的适应性，并能在一定时间内对不同规模，不同形式，不同外部条件均能适应。

6. 灵活性：规模划分合理，接口灵活，组合方案多样，规模增减方便，能够运行于不同的情况环境下。

7. 时效性：建立滚动修改机制，随着电网的发展和技术的进步，不断更新、补充和完善设计。

8. 和谐性：变电站的整体状况与变电站周边人文地理环境相协调变电站设计的分类按照变电站标准方式、配电装置型式和变电站规模3个层次进行划分。

（1）按照变电站布置方式分类。

110kv变电站分为户外变电站、户内变电站和半地下变电站3类。

在变电站设计中，户外变电站是指最高电压等级的配电装置、主变布置在户外的变电站；户内变电站是指配电装置布置在户内，主变布置在户内、户外或者户内的变电站。

半地下变电站是指主变布置在地上，其它主要电气设备布置在地下建筑内的变电站；地下变电站是指主变及其他主要电气设备布置在地下建筑内的变电站。

（2）按配电装置型式分类。

110kv配电装置可再分为常规敞开式开关设备和全封闭式组合电气2类进行设计。

（3）按变电站规模进行分类。

例如户外AIS变电站，可按最高电压等级的出线回路数和主变台数、容量等不同规模分为终端变电站、中间变电站和枢纽变电站。

1.4 选题目的及意义
本次设计旨在掌握变电站设计的基本流程。

这既是对平时理论知识的考察，更是对所学专业知识的一次实践。

通过本次设计，巩固和加深专业课知识，掌握发电厂部分初步设计的过程，而且也可以拓宽知识面，增强工程观念，培养变电站设计的能力，逐步提高解决问题的能力。

同时对能源、发电、变电、和输电的电气部分有了详细的概念，能熟练地运用所学专业知识，如短路计算的基本理论和方法，继电保护整定的基本理论和方法，主接线的设计，导体和电气设备的选择以及变压器的选择，防雷接地保护等。

1.5 设计思路及工作方法
分四步完成：
1.变电站电气主接线的设计（完成主接线，主变及站变的选择：包括容量计算、
台数和型号的选择，绘出主接线）；
2.短路电流计算及继电保护整定计算；
3.主要电气设备选择；
4.配电装置设计。

1.6 设计任务完成的阶段内容及时间安排
2 任务书
2.1 原始资料
一、题目： 110KV变电站设计
二、原始资料
（一）建设性质及规模
本所为于某市边缘。

除以10KV电压供给市区工业与生活用电外，并以35KV电压向郊区工矿企业及农业供电。

其性质为区域变电站。

电压等级：110/35/10KV
线路回数：
110KV 近期2回，远景发展2回；
35KV 近期4回，远景发展2回；
10KV 近期9回，远景发展2回；
（二）电力系统接线简图
1S =200MV
Sx1=0.6
1200MVA Sx2=0.6
110KV
图2-1电力系统接线图
附注：1、 图中，系统容量、系统阻抗均相当于最大运行方式：
2、最小运行方式下：1S =170MVA ，XS1=0.85
S2=1050MVA ，XS2=0.65
3、系统可保证本所110KV 母线电压波动在±5%以内。

（四）地形、地质、水文、气象等条件
所址地区海拔185m，地势平坦，属轻微地震区。

年最高气温+40°C，年最低气温-10°C，年平均气温+12°C，最热月平均最高温度+34°C。

最大风速30m/s，复水厚度为10mm，属于我国第V标准气象区。

线路由系统变电所S
,南墙出发至RM变电所南墙上，全长共12KM，在线路3、7、
1
9、11KM处共转角四次。

其角度为28°、6°、90°、78°。

全线地质为亚黏土地层，地耐力为2.5kg/cm2，天然容重2.7kg/cm3，土壤电阻率为100Ω。

地下水位较低，
=120°C/w，土温20°C。

水质良好，无腐蚀作用。

土壤热阻率ρ
T
三、设计任务
1、变电所总体分析；
2、负荷分析计算与主变压器选择；
3、电气主接线设计；
4、短路电流计算及电气设备选择；
5、配电装置设计；
6、110KV线路保护整定计算；
7、变压器保护整定计算；
8、110KV或35KV母线保护整定计算；
四、设计成品
（一）毕业设计说明书一册（包括：电气一次、二次部分）；
（二）设计图纸
（1）电气主接线图（#2图）；
（2）110KV配电装置间隔断面图（#2图）；
2.2 设计内容及要求
1、主接线设计：分析原始资料，根据任务数的要求拟出各级电压母线接线方式，选择变压器型式及连接方式，通过技术经济比较选择主接线最优方案。

2、短路电流计算：根据所确定的主接线方案，选择适当的计算短路点计算短路
电流并列表示出短路电流计算结果。

3、主要电气设备选择。

4、110kV高压配电装置设计。

5、进行继电保护的规划设计。

（简略）
6、线保护和变压器主保护进行整定计算。

3 电气主接线设计
发电厂和变电所的电气主接线是指由发动机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线和电缆等电气设备，按一定顺序连接的，用以表示生产、汇集和分配电能的电路，电气主接线又称为一次接线或电气主系统，代表了发电厂和变电站电气部分的主体结构，直接影响着配电装置的布置、继电保护装置、自动装置和控制方式的选择，对运行的可靠性、灵活性和经济性起决定性的作用。

3.1 电气主接线设计概述
一、对电气主接线的基本要求
现代电力系统是一个巨大的、严密的整体，各个发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电、变电和配电的任务。

其主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电站和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民日常生活。

因此，发电厂、变电站主接线必须满足一下基本要求。

（1）运行的可靠
断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时，停电数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。

（2）具有一定的灵活性
主接线正常运行时可以根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快的推出设备。

切除故障停电时间短，影响范围就最小，并且再检修时可以保证检修人员的安全。

（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。

复杂的接线不但不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。

但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便或者不必要的停电。

（4）经济上合理
主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上，还应使投资和年运行费用小，占地面积最少，使其尽可能的发挥经济效益。

（5）具有扩建的可能性
由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快，因此，在选择主接线时还应考虑到具有扩建的可能性。