电气工程基础课程设计报告-华科电气.doc

课程设计说明书设计题目 110kV变电站电气系统初步设计 电气 学院 电气工程及其自动化 专业 班学 生 姓 名： 学 号： 完 成 日 期： 指导老师（签字）： 华 中 科 技 大 学对说明书的基本要求及注意事项1. 说明书的编号内容参看课程设计指导书中的有关部分。2. 为清楚说明设计计算内容，应有必要的插图。3. 除插图可用铅笔绘制外，计算和说明一律用钢笔书写，并要求计算正确、完整、文字简明扼要、简介。（打印一律用黑色）4. 设计过程中所应用的公式和数据，应注明来源（参考资料的代号、页次以及图表编号等）。5. 根据计算稿本整理设计主要过程时，只须首先列出文字符号表达的计算公式，然后依次代入各相应文字符号的数值，就直接写出计算结果（不作任何运算和简化，但计算结果必须注明单位）。6. 设计中所选主要参数，尺寸或规格以及主要计算结果等，均应写入右侧结果栏中，有的也可采用表格形式列出。7. 对主要计算结果应用简短的结论。如计算结果与实际取值相差较大时，应作简短的解释，并说明其原因。8. 对每一自成单元的内容，都应有大小标题和前后一致的顺序编号，使其醒目突出。9. 封面所列“设计题目”一栏，只须填写所设计的具体名称即可。关于模板说明：前面两页必须打在同一页，即双面打印，后面内容单面打印。目录110kV 变电所电气系统设计说明书 . 3 一、概述 . 3 1. 设计目的 . 3 2. 设计内容 . 3 3. 设计要求 . 3 二、设计基础资料 . 4 1. 待建变电站的建设规模 . 4 2. 电力系统与待建变电站的连接情况 . 4 3. 待建变电站负荷 . 4 4. 环境条件 . 4 5. 其它 . 4 三、主变压器及主接线设计. 5 1. 各电压等级的合计负载及类型 . 5 2. 主变压器的选择 . 5 四、短路电流计算 . 9 1. 基准值的选取 . 9 2. 各元件参数标幺值的计算 . 10 3. 用于设备选择的短路电流计算 . 10 五、电气设备选择 . 12 1. 电气设备选择的一般条件 . 12 2. 各回路的工作电流计算 . 13 3. 断路器和隔离开关选择 . 14 4. 导线的选择 . 20 5. 限流电抗器的选择 . 22 6. 电压互感器的选择 . 23 7. 电流互感器的选择 . 24 8. 高压熔断器的选择 . 26 9. 支持绝缘子和穿墙套管的选择 . 26 10. 消弧线圈的选择 . 27 11. 避雷器的选择 . 27 六、课程设计体会及建议 . 29 参考文献 . 29 附录 . 30 短路电流计算书 . 30 附图：110kV 变电所电气主接线图（#2 图纸） . 33 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果一、 概述1 设计目的（1）复习和巩固电气工程基础课程所学知识（2）培养分析问题和解决问题的能力（3）学习和掌握变电所电气部分设计的基本原理和设计方法2 设计内容本设计只做电气部分的初步设计，不作施工设计和土建设计（1） 主变压器选择：根据负荷选择主变压器的容量、型式、电压等级（2） 电气主接线设计：可靠性、经济性和灵活性（3） 短路电流计算：不同运行方式（大、小、主）、短路点与短路类型（4） 主要电气设备的选择：断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、高压熔断器、消弧线圈、避雷器等（5） 绘制电气主接线图3 设计要求（1）制定任务书（2）确定变压站各电压等级的合计负荷及负荷类型（3）选择主变压器，确定型号、相数、容量比等确定电压等级；各侧总负荷；选择台数、容量；校验近、远期变压器的负荷率，若不满足规程规定，应采取的措施；校验事故情况下变压器的过载能力；接地方式。最终必须确定主变压器的：型号、相数、容量比、电压比、接线组别、短路阻抗等（4）电气主接线设计对每一个电压等级，拟定23各主接线方案，先进行技术比较，初步确定2-3个较好的方案，再进行经济比较，选出一个最终方案。（5）短路电流计算电力系统侧按无限大容量系统供电处理；用于设备选择时，按变电所最终规模考虑；用于保护整定计算时，按本期工程考虑；举例列出某点短路电流的详细计算过程，列表给出各点的短路电流计算结果Sk、I”、I、Ish、Teq（其余点的详细计算过程在附录中列出）。（6） 电气设备选择每类设备举例列出一种设备的详细选择过程，列表对比给出选出的所有设备的参数及使用条件。二、 设计基础资料1 待建变电站的建设规模 变电站类型： 110 kV降压变电站 三个电压等级： 110 kV、 35 kV、 10 kV 110 kV：近期进线2回，出线1 回；远期进线1回，出线1回 35 kV：近期4回； 远期2回 10 kV：近期6回；远期2回2 电力系统与待建变电站的连接情况 变电站在系统中地位：终端 变电站 变电站仅采用 110 kV的电压与电力系统相连，为变电站的电源 电力系统至本变电站高压母线的标么电抗（Sd=100MVA）为：最大运行方式时 0.30 ；最小运行方式时 0.40 ；主运行方式时 0.35 上级变电站后备保护动作时间为 3 s3 待建变电站负荷 110 kV出线：负荷每回容量 12000kVA，cosj0.9，Tmax 5000 h 35 kV负荷每回容量 4000kVA，cosj0.85，Tmax 4000 h；其中，一类负荷1回；二类负荷2回 低压负荷每回容量 1425 kW，cosj0.95，Tmax 4000 h；其中，一类负荷2回；二类负荷2回 负荷同时率 0.9 4 环境条件 当地年最高气温400C，年最低气温-200C，最热月平均最高气温350C，年最低气温-50C 当地海拔高度：600m 雷暴日： 10日/年5 其他 变电站地理位置：城郊，距城区约10km 变电站供电范围： 110 kV线路：最长100 km，最短50 km； 35 kV线路：最长60 km，最短20 km； 10 kV低压馈线：最长30km，最短10km； 未尽事宜按照设计常规假设。 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果三 主变压器选择1 电压等级待建变电所的电压等级为110kV/35kV/10kV。2 各侧总负荷110kV近期负荷：S110=12000*1*0.9=10800kVA35kV近期负荷：S35=4000*4*0.9=14400kVA10kV近期负荷：S10=1425/0.95*6*0.9=8100kVA近期总负荷：S近=10800+14400+8100=33300kVA110kV远期负荷：S110=12000*1*0.9=10800kVA35kV远期负荷：S35=4000*2*0.9=7200kVA10kV远期负荷：S10=1425/0.95*2*0.9=2700kVA远期总负荷：S=10800+7200+2700=20700kVA总负荷：S总=33300+20700=54000kVA其中重要负荷，即一、二类负荷：S重要=4000*3*0.9+1425/0.95*4*0.9=16200kVA3 选择台数、容量确定原则：大中型发电厂和枢纽变电所，主变不应少于2台；按变电所建成后510年的规划负荷选择，并适当考虑远期1020年的负荷发展；对重要变电所，应考虑一台主变停运，其余变压器在计及过负荷能力及允许时间内，满足I、II类负荷的供电；如果有两台变压器，每台容量应能满足全部供电负荷的60%70%，即33000*（60%70%）=1980023100kVA。 根据以上原则，一期工程选择2台20000kVA主变压器，二期工程增加1台20000kVA主变压器。4 校验变压器负荷率近期变压器负荷率：33300/(20000*2)*100%=83.25%远期变压器负荷率：54000/(20000*3)*100%=90% 近期、远期皆留有一定的裕度，且利用率较高，经济性较好。5 校验事故情况下的过载能力近期一台主变压器停运,其余变压器担负全部负荷的70%时，过载率：33300/20000*70%=116.55%此时担负重要负荷：16200/20000*100%=81%远期一台主变压器停运,其余变压器担负全部负荷的70%时，过载率：54000/（20000*2）*70%=94.5%6 接地方式我国 110kV 及以上电压变压器绕组都采用 Y 连接；35kV 采用 Y 连接，其中性点多通过消弧线圈接地。35kV 以下电压变压器绕组都采用连接。7 变压器最终确定变压器各侧负荷百分比：110kV侧：108001/2 SN35kV侧：144001/2 SN10kV侧：81001/2 SN故容量比为100/100/50。每侧绕组的通过容量都达到额定容量的15%及以上，所以采用三相三绕组变压器。而 有载调压较 容易稳定电压 ，减少电 压波动所 以选择有载调压方式，且规程上规定对电力系统一般要求 10KV 及以下变电站采用一级有载调压变压器。故本站主变压器选用有载三相三绕组变压器。综上所述，拟选择主变压器型号为SFSL7-20000/110的三相三绕组电力变压器，一期2台。二期增加1台。其参数如下：型号：SFSL7-20000/110相数：三相容量比：100/100/50电压比：110/35/10.5接线组别：YN，yn0，d11 短路阻抗：Uk(1-2)=10.5%;Uk(1-3)=18%;Uk(2-3)=6.5%四 电气主接线设计设计原则：根据国家标准GB50059-92 35110kV 变电所设计规范，变电所的主接线，应根据变电 所在电力 网中的地 位、出线回 路数、设备 特点及负 载性质等条 件确定。并应满 足供电可 靠、运行 灵活、操作 检修方便、 节约投资 和便于扩建 等要求。 35110kV 线路为两回及以下时，宜采用桥型、线路变压器组或线路分 支接线， 超过两回 时，宜采用 扩大桥型接 线、单母 线或分段单 母线接线。110kV 线路为 6 回以上时，宜采用双母线接线。 220kV及以下，当进出线回路多，输送功率打，可采用有母线的接线形式。无母线接线，通常用于进出线回路少且不在扩建的情况。根据国家标准，当变电所有两台主变压器时，610kV 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。当不允许听见检修断路器时，可设置旁路设施。当 635kV 配电装置采用手车式 高压开关柜时，不宜设置旁路设施。采用单母和双母接线的110kV220kV电压等级，若断路器停电检修时间较长，一般应设置旁路母线。35kV以下电压，由于供电距离不远，对重要用户可采用双回线路；若单母分段，也可设置不带专用断路器的旁路母线接线。（1）110kV侧其近期进线2回，出线1 回；远期进线1回，出线1回，综上原则。比较好的方案有：方案一：单母线分段接线其特点：技术方面：简单清晰，设备较少；可靠性较差，灵活性较差；母线分段减少了故障或检修时的停电范围。 经济方面：设备较少，投资较小方案二：单母线分段带旁母接线其特点：技术方面：可靠性较高，灵活性较好；检修断路器时不用停电；倒闸操作较复杂，容易误操作 经济方面：占地较大，投资较多综合考 虑，单 母线分段 带旁母 的方案 虽然在 供电可 靠性上 显得更满 足负荷的要求，但 占地大， 投资多。 相反，待建 变电所在110kV侧近期和远 期的负荷 率都不高， 用 双倍的投 资换取略 高的可靠性 是不划算的 。另一方 面，各种 新型断路器的出现 和成功运 行表明， 断路器的检 修问题可以 不用复杂 的旁路设施 来解决，而用备 用的断路 器来替代 需要检修的 断路器。且替代断 路器的方法相当轻便，不会对负荷造成较大影响。 综上，110kV 侧选用单母线分段接线。 （2）35kV侧其近期4回； 远期2回，综合设计原则，较好的方案有：方案一：单母线分段带旁母接线其特点：技术方面：简单清晰，操作方便；可靠性较差，未接旁母回路检修时仍需停电；母线分段减少了故障或检修时的停电范围。 经济方面：用母线分段断路器兼做旁路短路器节省投资；设备较少，占地小方案二：双母线接线其特点：技术方面：可靠性高，调度灵活；易于扩建为大中型变电所；线路复杂，容易误操作 经济方面：投资多，配电装置复杂。综合以上 分析，虽然 双母线接 线的方案 具有供电更 可靠，调 度更灵活 ，又便于扩建的 优点，但 常常还需 采取在断路 器和相应的 隔离开关 之间加装电 磁闭锁、机械闭 锁或电脑 闭锁等防 止误操作的 安全措施， 大大增加 了投资， 只在我国大中型发电厂和变电站中广泛使用。对于待建的 110kV 变 电站，在满足重要负荷供电需求的同时应考虑投资的经济性。 综上，35kV 侧选用单母线分段带旁母接线。 （3）10kV侧其近期6回；远期2回，综合设计原则，较好的方案有：方案一：单母线分段接线其特点：技术方面：简单清晰，设备较少；可靠性较差，灵活性较差；母线分段较少了故障或检修时的停电范围。 经济方面：设备少，投资小。方案二：单母线分段带旁母接线其特点：技术方面：可靠性较高，检修断路器时不用停电，容易误操作。 经济方面：占地大，投资多。由以上 分析可 知，采用 手车式 高压开 关柜时 ，可不 设置旁 路设施， 对供电可靠性的影响不大。折中考虑可靠性和经济性，10kV 侧采用单母线分段接线。 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果五 短路电流计算系统按无穷大系统处理，通常基准容量取100MVA。用于设备选择时，按最终规模考虑。用于继电保护整定，按一期工程考虑。1选择基准值基准电压：Ud1115KV，Ud237KV，Ud310.5KV。基准容量：Sd100MVA。则基准电流Id1=Sd/（ Ud1）=0.5KA，Id2=Sd/（ Ud2）=1.56KA ， Id3=Sd/（ Ud3）=5.5KA。2确定系统电抗标幺值计算最大运行方式下：0.30最小运行方式下：0.40主运行方式下：0.353变压器绕组电抗标幺值X1%=0.5（Uk1-2%+ Uk1-3%Uk2-3%）11%，X2%=0.5（Uk1-2%+ Uk2-3%Uk1-3%）0，X3%=0.5（Uk1-3%+ Uk2-3%Uk1-2%）7%，三侧电抗标幺值：X*=11%*100/20=0.55X*=0X*=7%*100/20=0.35 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果六 电气设备选择电气设备应能满足正常、短路、过电压和特定条件下安全可靠的而要求，并力求技术先进和经济合理。通常电气设备选择分三步，第一按正常工作条件选择，第二按短路情况检验其热稳定性和电动力作用下的动稳定性，第三按实际条件修正。同时兼顾今后的发展，选用性能价格比高，运行经验丰富、技术成熟的设备，尽量减少选用设备类型，以减少备品备件，也有利于运行、检修等工作。设备选择原则：设备型号应符合使用环境和安装条件的要求；设备的规格、参数按正常工作条件选择，并按照最大短路电流进行效验。1 按正常工作条件选择电器额定电压：UN UNS额定电流：IN Imax2按短路情况检验热稳定校验：It2t Qk动稳定校验：ies ish各侧持续工作电流计算：主变压器110kV侧：I1=1.05*20000/(31/2*110)=110.2A主变压器35kV侧：I2=1.05*20000/(31/2*35)=346.4A主变压器10kV侧：I3=1.05*10000/(31/2*10.5)=577.4A110kV进线：I7=18000/(31/2*110)=94.5A110kV出线：I6=12000/(31/2*110)=63.0A35kV出线：I5=4000/(31/2*35)=66.0A10kV出线：I4=1425/(31/2*10.5*0.95)=82.5A110kV母线分段开关按110kV侧负荷60%算：60%*54000/(31/2*110)=170.0A35kV母线分段开关按35kV侧负荷60%算：60%*21600/(31/2*35)=213.8A10kV母线分段开关按10kV侧负荷60%算：60%*10800/(31/2*10.5)=356.3A 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果3. 断路器和隔离开关选择高压断路器在高压回路中起着控制和保护的作用，是高压电路中最重要的电器设备。待建变电站在选择断路器的过程中，尽可能采用同一型号断路器，以减少备用件的种类，方便设备的运行和检修。考虑到可靠性和经济性，方便运行维护和实现变电站设备的无由化目标，且由于SF6 断路器以成为超高压和特高压唯一有发展前途的断路器。故在110KV 侧采用六氟化硫断路器。真空断路器具有噪音小、无污染、可频繁操作、使用寿命和检修周期长、开距短，灭弧室小巧精确、动作快、适于开断容性负荷电流等特点，因而被大量使用于35KV 及以下的电压等级中。所以，35KV 侧和10KV 侧采用真空断路器。隔离开关是高压开关设备的一种，它主要是用来隔离电源，进行倒闸操作的，还可以拉、合小电流电路。选择隔离开关时应满足以下基本要求：1. 隔离开关分开后应具有明显的断开点，易于鉴别设备是否与电网隔开。2. 隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度。3. 隔离开关在跳、合闸时的同期性要好，要有最佳的跳、合闸速度，以尽可能降低操作时的过电压。热稳定时间的选择：类别继电保护时间/s断路器分闸时间/s灭弧时间/s热效应等效时间/s110kV进线3.00.10.053.15主变110kV侧2.50.10.052.65主变35kV侧2.00.10.052.15主变10kV侧1.50.20.051.75110kV出线1.00.10.051.1535kV出线1.00.10.051.1510kV出线0.50.20.050.75以主变110侧为例：选择SW3-110G/1200型断路器(1)额定电压：UN UNS选择的断路器的额定电压110kV，等于主变110kV侧电压110kV，符合要求(2)按额定电流选择：INImax选择的断路器额定电流为1200A，大于主变110kV侧电流110.2A，符合要求第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果(3)额定开断电流：INbrI”选择的断路器额定开断电流为15.8KA，大于主变110kV侧短路全电流1.67KA，符合要求(4)热稳定校验：It2t Qk所选断路器热稳定为15.82*4 KA2*s，大于主变110kV侧热效应1.672*2.65 KA2*s，符合要求(5)动稳定校验：ies ish所选的断路器额定动稳定电流为41KA，大于主变110kV侧短路冲击电流4.24KA，符合要求选择GW4-110/600型隔离开关：(1)额定电压：UN UNS选择的隔离开关的额定电压110kV，等于主变110kV侧电压110kV，符合要求(2)按额定电流选择：INImax选择的隔离开关额定电流为600A，大于主变110kV侧电流110.2A，符合要求(3)热稳定校验：It2t Qk所选隔离开关热稳定为142*5 KA2*s，大于主变110kV侧热效应1.672*2.65 KA2*s，符合要求(4)动稳定校验：ies ish所选的隔离开关额定动稳定电流为50KA，大于主变110kV侧短路冲击电流4.24KA,符合要求综上可列表，变压器110kV侧断路器和隔离开关：设备型号SW3-110G/1200型断路器GW4-110/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压110KV110KV110KV110KV额定电流1200A110.2A600A110.2A额定开断电流15.8KA1.67KA热稳定/KA2*s15.82*4 1.672*2.65142*51.672*2.65动稳定41KA4.24KA50KA4.24KA操动机构CD5-XGCS-14 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果其他部分也按照以上方法校验，所选择的设备如下：110KV进线断路器和隔离开关：设备型号SW3-110G/1200型断路器GW4-110/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压110KV110KV110KV110KV额定电流1200A94.5A600A94.5A额定开断电流15.8KA1.67KA热稳定/KA2*s15.82*4 1.672*3.15142*51.672*3.15动稳定41KA4.24KA50KA4.24KA操动机构CD5-XGCS-14110KV出线断路器和隔离开关：设备型号SW3-110G/1200型断路器GW4-110/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压110KV110KV110KV110KV额定电流1200A63.0A600A63.0A额定开断电流15.8KA1.67KA热稳定/KA2*s15.82*4 1.672*1.15142*51.672*1.15动稳定41KA4.24KA50KA4.24KA操动机构CD5-XGCS-14110KV分段断路器和隔离开关：设备型号SW3-110G/1200型断路器GW4-110/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压110KV110KV110KV110KV额定电流1200A170.0A600A170.0A额定开断电流15.8KA1.67KA热稳定/KA2*s15.82*4 1.672*2.65142*51.672*2.65动稳定41KA4.24KA50KA4.24KA操动机构CD5-XGCS-14变压器35kV侧断路器和隔离开关：设备型号SW3-35G/600型断路器GW2-35/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压35KV35KV35KV35KV额定电流600A346.4A600A346.4A额定开断电流6.6KA3.23KA热稳定/KA2*s6.62*4 3.232*2.15142*53.232*2.15动稳定17KA8.22KA50KA8.22KA操动机构CD3-XGCS8-3 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果35kV出线断路器和隔离开关：设备型号SW3-35G/600型断路器GW2-35/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压35KV35KV35KV35KV额定电流600A66.0A600A66.0A额定开断电流6.6KA3.23KA热稳定/KA2*s6.62*4 3.232*1.15142*53.232*1.15动稳定17KA8.22KA50KA8.22KA操动机构CD3-XGCS8-335KV分段断路器和隔离开关：设备型号SW3-35G/600型断路器GW2-35/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压35KV35KV35KV35KV额定电流600A213.8A600A213.8A额定开断电流6.6KA3.23KA热稳定/KA2*s6.62*4 3.232*2.15142*53.232*2.15动稳定17KA8.22KA50KA8.22KA操动机构CD3-XGCS8-3变压器10kV侧高压开关柜：设备型号GG-1A（F1）型开关柜，断路器SN10-10项目设备参数使用条件额定电压10KV10KV额定电流1000A577.4A额定开断电流28.9KA9.17KA热稳定292*4 KA2*s9.172*1.75KA2*s动稳定71KA23.33KA操动机构CD-1010kV出线高压开关柜：设备型号GG-1A（F1）型开关柜，断路器SN10-10项目设备参数使用条件额定电压10KV10KV额定电流1000A82.5A额定开断电流28.9KA9.17KA热稳定292*4 KA2*s9.172*0.75KA2*s动稳定71KA23.33KA操动机构CD-10 第 页设 计 计 算 与 说 明主要结果10KV分段断路器和隔离开关：设备型号SN8-10G/600型断路器GN2-10/600型隔离开关项目设备参数使用条件设备参数使用条件额定电压10KV10KV10KV10KV额定电流600A356.3A600A346.4A