变电所电气一次系统设计本科毕业设计.doc

华北电力大学本科毕业设计（论文）前言 电力是国民经济发展的基础，随着人民生活水平的不断提高，现代化、自动化程度的不断加深、发展。与工农业生产和人民日常生活更加密切。电力作为国民经济的先行产业，必须加快建设。只有电力工业先行，国民经济才能以更高、更快的建设速度良性向前发展。 变电所作为联系发电厂和用户的中间环节，起着交换和分配电能的作用。它影响整个电力系统的安全经济运行。因此安全性、可靠性、灵活性就成为变电所设计的关键问题。设计中要把以上诸多因素经过充分的研究论证，综合平衡后才能最后确定方案。本设计是以毕业设计任务书为依据，结合电力工业的安全性、经济性、可靠性、灵活性进行了设计。设计中对主接线方案进行了论证，确定了主变压器的容量和台数，并进行了短路电流计算；依据电气设备的选择原则，对设备进行了校验和选择，对室内外配电装置和防雷接地进行了设计，并配有图纸。在设计过程中，盛四清老师给予我精心的指导和热情帮助，并提出了很多宝贵经验和建议使设计工作顺利圆满地完成，对此表示衷心的感谢！但由于时间有限，在设计过程中难免出现错误和不妥之处，恳请老师批评，指正和修改。第一章 原始资料分析1.1 原始数据上一级变电所220kV进线4回，归算至220kV母线的系统短路电抗为0.05，基准电压取平均电压，基准功率取100MVA.1.2 负荷情况1、110kV侧：最大负荷240MW, 最小负荷180MW，架空出线6回 2、10kV侧： 最大负荷 20MW，最小负荷12MW, 出线10回 1.3 系统情况1、220kV母线电压满足常调压要求；2、220kV母线短路电流标幺值为20（）3、110kV母线短路电流标幺值为12（）4、10kV线路对端无电源1.4 环境条件1、最高温度40，最低温度，年平均温度202、土壤电阻率 欧米3、当地雷爆日 35日/年第二章 电气主接线选择及方案比较变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位，回路数，设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足运行可靠，简单灵活，操作方便和节约投资等要求。并能满足运行要求时，变电所高压侧应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线。如线路变压器组或桥形接线等。110kv-220kv配电装置中，当出线为两回一般采用桥形接线，当出线不超过4回及以上时一般采用分段母线。10kv配电装置中，一般采用分段单母线。当地区电网或用户不允许停电检修线路断路器时采用单母线或分段单母线的10kv配电装置中可设置旁路母线且在满足工作可靠，保证电能质量灵活性及运行操作方便的前提下，在经济上合理，基建投资和年运行费用少等条件。 现初步拟定五种方案：方案一 220kv为双母线带旁路接线，保证供电可靠性，采用内桥式接线。两回220kv架空线路接上级变电站。220kv接线优点为工作可靠性高和灵活性高但是接线复杂，所用电气设备多，建造费用高。110kv采用单母分段带旁路，接线简单清晰，便于操作，使用设备少，占地面积小。有利于扩建，投资少。有较高的供电可靠性和灵活性。10kv采用单母分段接线，10kv 配电网大多数采用单回路或多回路的辐射型接线，重要用户采用开环运行的环式接线。方案二 220kv接线和一相同。110kv采用双母带旁路，提高供电可靠性。10kv接线和一相同。注：旁路均为带有专用旁路断路器的旁路接线方式。这种接线方法充分考虑了供电的可靠性。缺点：不利于扩建，建设费用高。可列为备选方案一方案三 基本接线方式与方案二相同，旁路接线方式为母联兼旁路断路器旁路接线。列为备选方案二方案四 220KV侧为双母线接线，110KV侧为单母线分段接线，10KV侧为单母线接线。方案五 220KV和110KV侧为双母线接线，10KV侧为单母线分段接线。通过初步经济技术比较，选方案二方案三。参考：电气主接线的选择和布置方案二（备选方案一）主接线图：方案三（备选方案二）主接线图：第三章 主变压器的选择3.1主变台数的确定为保证供电的可靠性，变电站一般装设两台主变，通常情况下不超过两台主变。当只有一个电源或变电站的一级负荷另有备用电源保证供电时，可装设一台主变。对大型枢纽变电站，根据工程的情况，可装设24台主变。变电站装设两台变压器时当一台停运或检修，另一台应能承担全部负荷的6075%。3.2变压器形式的选择1. 220kV主变一般采用三相变压器。2. 当系统有调压方式时，应采用有载调压变压器。对新建的变电站，从网络经济运行的观点考虑，应采用有载调压变压器；其所附加的工程造价，通常在短期内可以收回。3.具有三个电压等级的变电站，一般采用三绕组变压器。3.3主变容量的确定1. 为了准确选择主变的容量，要绘制变电站的年及日负荷曲线，并从该曲线得出变电站的年、日最高负荷及平均负荷。2. 主变容量的确定应根据电力系统510年发展规划进行。3. 变压器最大负荷按下式确定： 式3-1式中K0负荷同时系数； 按负荷等级统计的综合用电负荷。对于两台变压器的变电站，其变压器的容量可以按下式计算： 式3-2则其总容量为：=2（0.7）=1.4 式3-3选用OSSPL 2400000型三绕组变压器。高压侧电压为220kV，中压侧电压121kV,低压侧为10.5kV。第四章 短路电流的计算考虑变压器为分裂运行，电网为无限大系统。4.1系统接线图4.2取基准值 则则同理列表格如下：220KV110KV10KV基准电压Uj(KV)22012113.8基准电流Ij(KA)0.2620.4774.184基准电抗Xj()484146.411.9044.3等值电路4.4计算电抗标么值 1)、220KV系统电抗： 2)、110KV系统电抗： 3)、主变电抗： 4.5短路点选择 4.6网络化简 短路电流计算时，应按最大运行方式下，三相短路且容量应利于（5-10）年的变电站的发展。1、 220KV侧母线短路（即）则近似稳态电流： 1)、短路容量： 2)、短路电流冲击值：（用于检验电气设备的动稳定性） 3)、短路电流全电流最大有效值：（用于检验电气设备的断流能力）2、 110KV侧母线短路（d2）1)、短路容量： 2)、短路电流冲击值：（用于检验电气设备的动稳定性） 3)、短路电流全电流最大有效值：（用于检验电气设备的断流能力）3、 10KV侧母线短路（即d3）则近似稳态电流：1)、短路容量： 2)、短路电流冲击值：（用于检验电气设备的动稳定性） 3)、短路电流全电流最大有效值：（用于检验电气设备的断流能力）最大持续工作电流：第五章 配电装置的选择配电装置的形式与电气主接线，周围环境和地形的因素有关。按其设置的场所分为两种，既屋内配电装置和屋外配电装置两种形式。5.1屋内配电装置的特点由于允许安全净距可以分居布置。因此占地面积较屋外小。1)维修，操作，巡视在室内进行，比较方便，且不受气候影响。2) 外界污秽空气不会影响电气设备，维护工作可以减轻。3) 房屋建筑投资大，但可采用价格较低的户内型设备，减少一些设备投资。5.2屋外配电装置的特点1) 土建工程量和费用较少，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) 受外界空气影响，设备运行条件较差，须加强绝缘。6) 外界气象变化对设备，维修和操作有影响。5.3 配电装置应满足的要求配电装置是发电厂，变电所的一个重要组成部分。电能的汇集和分配是通过各级电压的配电装置实现的。1) 充分利用地形，尽量减少土石方的耗量。尽量不占或少占农田。2) 保证运行可靠，合理选择设备，在布置上力求整齐，清晰。保证具有足够的安全距离和防火要求。3) 设备检修，运行应安全方便。4) 在保证安全的前提下，布置紧凑，力求节约材料。5) 考虑施工，安装和扩建方便。5.4 配电方式及其特点根据以上要求及实地情况，本所220 kv,110kv 侧采用屋外配电方式。10kv侧采用室内成套的配电装置，它的特点是： 1) 电气设备布置在封闭或半封闭的金属外壳中。相间和对地距离可以缩小，结构紧凑，占地面积小。2) 所有电器元件已在工厂组装完成一整体（开关柜），大大减少现场安装工作量，有利于缩短建设周期，也便于扩建和搬运。3) 运行可靠性高，维护方便。4) 耗用钢材较多，造价较高但总的来看，10kv侧采用高压成套装置是利大于弊。第六章电气设备的选择电气设备选择是变电所电气设计的主要内容之一，正确地选择电气设备是使主接线和配电装置达到安全，经济运行的重要条件。在进行电气选择时，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，并注意节省投资，选择合适的电器。 尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件不一样，具体选择方法也不相同，但对它们的要求却是一致的，电器要可靠的工作，必需按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验动稳定和热稳定。6.1断路器的选择和校验断路器的选择和校验的内容有：按装置种类，构造形式，额定电压，开断电流，关合电流选择，按动，热稳定校验。1) 220kv进出线断路器工作电压为u=220kv，工作电流为Ig=629.885A,所以选用SW6-220动稳定校验：Ich=18.3KAIes=55KA热稳定校验：，短路电流流过的时间：tb为220kv继电器保护动作时间。tga为220kv开关固有分闸时间。tn为220kv电弧持续时间。由查曲线，tz=1.4stz为短路电流周期分量发热等值时间。s满足热稳定要求2) 110kv进出线断路器工作电压为u=110kv，工作电流为Ig=1272.435A,所以选用SW3-110动稳定校验：Ich=26.4KAIes=41KA热稳定校验：，短路电流流过的时间：stb为110kv继电器保护动作时间。tga为110kv开关固有分闸时间。tn为110kv电弧持续时间。由查曲线，tz=1.6stz为短路电流周期分量发热等值时间。满足热稳定要求3) 10kv进出线断路器工作电压为u=10kv，工作电流为Ig=984.428所以选用SN4-10G 5000动稳定校验：Ich=171KA1602.8MVA。可以选用保护站内侧熔断器选择10kv侧，RN3-10额定断开2000MVA1602.8MVA。可以选用。6.5 支柱绝缘子的选择6.5.1 选择原则1) 绝缘子的额定电压，不小于装置的额定电压值。2) 采用户内户外式。3) 在三相短路冲击电流流过母线时为母线平放于绝缘子上时，要求绝缘子帽受力不大于绝 缘子抗弯破坏负荷的60%，60%是潜在系数。绝缘子帽受力a-母线相间距离ich-三相短路冲击电流峰值K-系数，穿墙套管取1支柱绝缘子接上式运算。H-绝缘子底部到导体水平中心线的高度H1-绝缘子高度b-母线下部至绝缘子帽的距离，一般竖放矩形导体取18mm平放矩形导体及槽行导体取12mm。h-母线厚度L-绝缘子间的跨距，当绝缘子两边跨距不相等时，取相邻两跨距间平均值。L1-套管本身长度。L2-套管端部至最近一个支柱绝缘子间距离6.5.2 支柱绝缘子的选择和校验1) 10kv户内绝缘子 Up=13.8kv，L=150cm, a=50cm。选ZNE-20型户内内胶装支柱。参数如下：Ue=20kv,抗弯破坏负荷3000牛。校验：UeUp,即20kv13.8kv10kv户内绝缘子H=215mm,b=12mm,h=10mm,L=1000mm,a=400mm将上述校验 所选设备合格。2) 穿墙套管的选择选择CWLD-10/2000 ,In=2000AImax=984.4A抗弯破坏负荷2000牛，热稳定电流40（5S），套管本身长：645mm。热稳定校验：tdz=1.45s满足热稳定要求。6.6 母线的选择6.6.1 裸导体的选择和校验：应根据具体情况按下列条件：1) 载流导体一般用铝质材料，回路正常工作电流在4000A以下时，用矩形导线。4000-8000A时用槽型导体，若选用非定形产品时应进行导体和外壳发热应力以及绝缘子抗弯的计算，并校验固有震荡步率。2) 按，式中Ig相应于某一母线布置方式和环境温度为25度时的导体长期允许载流量，为温度修正系数。3) 按经济电流密度选择：在导体截面选择时，除配电装置的汇流母线，厂用电动机的电缆等处，长度在20m以上导体，其截面s一般按经济电流密度选择，即,式中，J导体的经济电流密度。4) 热稳定校验：按上述原则选择S，还应进行热稳定校验：smin:根据热稳定决定的导体的最小允许截面c:热稳定系数。热稳定短路电流值。tdz:短路电流等值时间。5) 电晕电压校验：要求工作电压应满足Uij-临界电晕电压。 Ug-工作电压式中：K-水平布置为0.96 r- 导线半径，矩形母线为四个角的曲率半径 r=1.08 a- 相间距离 m1-导线表面粗糙系数。 m2-气象系数 -空气相对密度 6) 允许电压降校验 对于输电线路应校验电压损失，对于发电厂，变电所内的导体，由于相距较短，电压损失不严重，所以可不校验。6.6.2母线的选择和校验1) 220kv侧母线选择选择LGJ-185热稳定校验c=87。符合热稳定。电晕电压校验： 符合要求2) 110kv侧母线的选择选择LGJ-400热稳定校验c=87符合热稳定。电晕电压校验： 符合要求3) 10kv母线的选择选择槽形导线 h=100 b=45 c=6 r=8 双槽导体截面2020热稳定校验c=87符合热稳定。电晕电压校验： 符合要求6.7 电压互感器的选择与校验6.7.1选择原则1) 根据额定电压，户内或户外结构形式，一般110KV及以上等级采用三个串级式电磁油浸绝缘结构单项电压互感器，接成-12,35kv-110kv采用油浸绝缘结构式电压互感器。2) 根据不同用途确定电压互感器等级，他的电压等级分0.2, 0.5, 1.0, 3.0, 3p等，其中0.2用于精密测量，0.5和1.0用于发配电设备的测量和保护，计量电度表应用0.2级，3.0级仅用于精细测量。3) 一次电压 U1：4) 二次电压 U2： PT二次电压应根据情况按下表选用U2n绕组主次接线附加二次绕组高压接入方式接于线电压上接于相电压上用于中性点直接接地系统中用于中性点不接地或经消弧线圈接地二次额定电压1001005) 二次负荷 S2：。由于PT三相负荷经常是不平的，所以通常用最大的一组负荷与PT一组的负荷相比较。6) 由于PT与电网并联，其本身不受短路电流的作用，因此不进行动稳定，热稳定校验。6.7.2 选择过程及结果1) 220KV电压互感器选择一次电压所以。二次电压：,辅助绕组： 因此选用JCC1-220,每个单项变比为单相户外式PT。2) 110KV电压互感器选择一次电压所以。二次电压：,辅助绕组： 因此选用JCC1-110,每个单项变比为单相户外式PT。3) 10KV电压互感器选择一次电压所以。二次电压：,辅助绕组： 因此选用JDZJ-10,每个单项变比为单相户外式油浸绝缘PT6.8 避雷器的选择6.8.1 选择原则根据额定电压选择，且校验避雷器最大允许电压。6.8.2 避雷器作用和特点避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备，避雷器的类型主要有保护间隙，管形避雷器和氧化锌避雷器等几种，保护间隙和管形避雷器主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统，线路和发，变电所进线段的保护。阀型避雷器主要用于变电所和发电厂的保护，在220kv及以下系统中主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或做内过电压的后备保护。 保护间隙的熄弧能力差，往往不能自行熄灭，引起断路器的跳闸。这样，虽然保护间隙限制过电压，保护了设备，但将造成跳闸事故，这是保护间隙的主要缺点。管型避雷器虽然具有较高的熄弧能力，但其主要缺点是：（1）伏秒特性较陡且放电分散值较大，而一般变压器和其他设备绝缘的冲击放电伏秒特性较平，二者不能较好的配合。（2）管型避雷器动作后工作母线直接接地形成载波，对变压器绝缘不利；此外，管形避雷器其放电特性受大气影响较大，因此，管型避雷器目前只用了线路保护。氧化锌避雷器除了有理想的非线性特性外，其主要优点还有：（1）无间隙，故大大改善了陡波下的响应特性。（2）无续流，故只需要吸过电压能量即可，这样，对氧化锌热容量的要求比碳化硅低很多。（3）电气设备所受过电压可以降低，因此降低了作用在变电站电气设备上的过电压。（4）通流容量大，可以用来限制内部过电压，此外，由于无间隙和通流容量大，故氧化锌避雷器体积小，重量轻，结构简单，运行维护方便，使用寿命长，并且造价低，从而逐渐取代了其他种类的避雷器而被广泛推广运用，所以本所设计的所用避雷器均选用氧化锌避雷器。6.8.3 选择结果220kv避雷器选用：FZ-220J型避雷器。110kv避雷器选用：FZ-110J型避雷器。10kv 避雷器选用：FZ-10型避雷器.6.9 小结两种备选方案由于短路电流计算结果相同，可以选择同样的电气设备，由于时间有限。我们从技术经济上分析，母联兼旁路少用了一个断路器，从价钱上看，少了一些；但是从安全可靠的角度上来看，电力系统安全第一！所以两种备选方案中：220和110KV侧采用双母线带有专用旁路断路器的旁母接线，110KV侧采用单母线分段接线的方式。第七章 防雷及接地系统7.1防雷保护设计 为了防止直击雷损害电气设备，本站装设四支独立的避雷针进行直击雷保护，为了防止雷击侵入波及操作电压损害电气设备，在220kv,110kv,10kv母线，10kv出线，及110kv主变进线均装设氧化锌避雷器，为了避免变压器及低压侧开路运行操作时，静电感应对绕组绝缘危害，应在主变10kv侧B相装设一只氧化锌避雷器。本站占地面积5316.75,为一长方形，选择避雷器的安装位置时，既要保护全站设备，又要尽可能使其不要过高，同时应满足避雷针与配电装置部分在地空中有一定的距离，避雷针与变电站设备之间的距离不小于5米，避雷针的接地装置与站内设备接地网最近不小于3米，本站选择四支高30米的独立避雷针，全站被保护的最高高度为12.5米。7.1.1 防雷保护计算#1，#2，#3，#4四支避雷针等高：h=30m,保护设备架构高度：hx=12.5m,各针之间的距离：D12=D34=75.5米。D14=D23=76.5米，D13=D24=107米。避雷针保护范围计算：因为D=7haP,bx=0所以按D7haP计算，求ha及相应的h。防雷不接地系统设计知：D=107米，则米，系统架构的最高高度为12.5米，加上避雷器总高度为14米，所以h=15.3+14=29.3米。所以避雷针高度取30米，则其有效高度：ha=30-14=16米，由单支避雷针的计算公式可知：当时，P=1。当，Rx=(1.5h-2hx)P=()=17m，Rx为在 hx高度上保护半径。两只避雷针之间的保护范围：计算公式， h0:：两针间保护最低点的高度。 两针间的距离。编号避雷针高度h m被保护物的高度hx m避雷针有效高度ha m 保护半径 Rx m避雷针间距D m 保护宽度bx m#130141617#230141617#330141617#430141617#1-#21415.57.8#3-#41415.57.8#1-#41415.57.8#2-#31415.57.8#1-#31415.57.8#2-#41415.57.87.1.2 接地装置的设计1) 原则：（1） 为了保证人身安全，所有电气设备都应装有接地装置并将电气设备外壳接地。（2） 为将各种不同用途和各种不同的电气设备接地，应使用一个总接地装置，接地电阻应满足其中接地电阻最小的电气设备的要求。电气设备的人工接地电压应分配均匀。设计接地装置时应考虑到一年四季能够保证接地电阻的要求。2)对接地电阻的要求：（1） 大接地短路电流系统R0.5欧。（2） 独立避雷针在一般电阻率地区要求R10欧。 根据以上原则，为了保证人身安全和设备的正常运行，全站辅设一封闭的方孔符合接地装置，由垂直接地极和水扁钢接地体构成复合接地网，垂直接地极采用角钢，水平接地体系用扁铁，要求其接地电阻小于0.5欧，所有电气设备支架和母线，进出线架构均应辅设单独接地引线，并与主接地网可靠焊接，3) 接地电阻的计算季节系数-实际土壤电阻率，计算值P=。设计采用长度为L=2.5米的的角钢作为人工接地体。角钢间距，则假定n=120,查表的 接地体冲击系数。垂直接地体垂直接地体数量根。验算接地电阻 满足要求。接地电阻热稳定校验：所以校验更安全。T=0.2，则所以接地母线用-扁铁母线完全满足要求，因此，垂直接地体利用-扁铁连成环形为水平接地体，既可满足设计规划要求。结论本人在前人的经验上，进行了变电站的设计，对变电站的主接线进行了比较选择，并选择了主变压器和各种电气设备，并对电气设备进行了校验。最后进行了防雷保护计算和接地计算。可以得到以下结论：1) 两种方案都是从经济性和安全性，通过可靠性原则以及大量的考证中得出的最佳结论；2) 第二方案虽然从经济上略占优势，但是电力生产安全第一。安全可靠一直是电力的宗旨，决不应该犯“贪小便宜吃大亏”这种错误。故采用第一种方案。总之，安全性、可靠性、灵活性是变电所设计的关键问题。设计中要把以上诸多因素经过充分的研究论证，综合平衡后才能最后确定方案。致谢本论文是在导师盛四清的指导下完成的，盛老师严谨求实、精益求精的治学作风使我受益匪浅，在此表示衷心的谢意。最后，感谢所有帮助和关心过我的同学和老师们。参考文献本毕业设计的完成需要查阅大量有关变电站设计文献资料的基础上得以完成。下面列出主要参考文献： 1 牟道槐发电厂变电站电气部分重庆大学出版社，1995 2 林福本大电流母线的设计制造及安装水利电力出版社，1986 3 西北电力设计院发电厂变电所电气接线和布置水利电力出版社，1984 4 西北电力设计院电力工程设计手册西北电力设计院东北电力设计院，1980 5 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