变电站设计.doc

新疆农业大学机械交通学院

《发电厂电气设备》
课程设计说明书

题 目：110/10kV变电站继电保护课程设计
专业班级： 电气工程及其自动化104班
学 号： 103736424
学生姓名： 王 军
指导教师： 李春兰、艾海提
时 间： 2013年11月

21

110/10KV变电所设计
王军
摘要:本文首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势。从负荷增长方面阐明了建站的必要性，然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了110/10kV的电气主接线，然后又通过发电机的台数和容量确定了主变压器台数，容量及型号。最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压断路器，隔离开关，母线，绝缘子，进行了选型，从而完成110/10kV电气一次部分的设计。
关键词：变电站；变压器 ；接线；110/10KV

110/10KV Substation design
Huafeng
Abstract: In this paper, according to the system on the mission statement and all load and lineparameters, load analysis of trends. From load growth illustrates the necessity of establishment of the station, then a summary ofthe proposed substation and the outlet direction to consider, and through the analysis ofload data, security, economic and reliability considerations, to determine the 110/10kV mainwiring, then by the number and capacity of the generator sets of the main transformerstation to determine the number, capacity and model. Finally, based on the maximum continuous current and short circuit calculation results, thehigh-voltage circuit breakers, isolating switches, busbars, insulators, carried out selection,thus completing the first part of the 110/10kV electrical design.
Key words: Transformer substation; Transformer; Wiring; 110/10kV

概述
本变电站的电压等级为110/10kV。变电站由2个系统供电，荷功率因数为0.8，总容量为80MVA,二类负荷0.6，三类负荷0.4。
该地区自然条件：海拔高度为100米，土壤电阻系数Р＝2.5×104Ω.cm，土壤地下0.8米处温度20℃；该地区年最高温度40℃，年最低温度－25℃，最热月7月份其最高气温月平均34.0℃，最冷月1月份，其最低气温月平均值为－17℃；年雷暴日数为250天。
本设计主要通过分析上述资料，以及通最大持续工作电流及短路以及变压器的额定工作电流计算，对变电站进行了设备选型和主接线选择，进而完成了变电站一次部分设计。
1.电气主接线的设计
1.1主接线的设计原则和要求
变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分。主接线的确定，对电力系统的安全、稳定、灵活、经济运行及变电站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方法的拟定将会产生直接的影响。
电气主接线的设计是发电厂或变电所电气设计的主体，它与电力系统、电厂动能参数、待建变电所基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性要求有密切的关系，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式有较大的影响。因此，主接线设计必须结合电力系统和发电厂或变电所的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理选择方案。
1.2本变电所主接线的设计
1.2.1 设计步骤
（1）拟定可行的主接线方案：根据设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，拟订出若干可行方案，内容包括主变压器形式、台数和容量、以及各级电压配电装置的接线方式等，并依据对主接线的要求，从技术上论证各方案的优、缺点，保留几个技术上相当的较好方案。
（2）对几个方案进行全面的技术，经济比较，确定最优的主接线方案。
（3）绘制最优方案电气主接线图。
1.2.2初步方案设计
在设计电气主接线时，要使其满足供电可靠性、运行的灵活性和经济性等项基本要求。
(1)可靠性:
供电可靠性是电力生产和分配的首要要求。电气主接线也必须满足这个要求。衡量主接线运行可靠性的标志是:
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，以及母线检修时，停运出线回路数的多少和停电范围的大小和时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。
③变电所全部停电的可能性（应尽量避免）。
(2)灵活性:
①调度灵活，操作简便。
②检修安全。
③扩建方便。
(3)经济性:
①投资省，主接线应简单清晰，以节约一次设备投资为主。
②占地面积小
③电能损耗少。
1.2.3本变电所主接线方案的确定
方案1：采用单母线接线
优点：接线简单清晰、设备少操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。
缺点：不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
适用范围：一般适用于一台发电机或一台变压器的110-220KV配电装置的出线回路数不超过两回。
方案2：采用单母线分段接线
优点：
1）用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。
2）当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
1）当一段母线或母线隔离开关故或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。
2）当出线为双回路时，常使架空线路出线交叉跨越。
3）扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：一般认为单母线分段接线应用在6～10kV，出线在6回及以上时，每段所接容量不宜超过25MW；用于35～66kV时，出线回路不宜超过8回；用于110～220kV时，出线回路不宜超过4回。
1.2.4选择结果
结合任务书给的要求，二类负荷占总负荷的60%，三类负荷占总负荷的40%，根据本次设计的具体情况及终端变电所在可靠性、灵活性的基础上力求经性原则，参照上述方案，选择如下：
在10kV侧：采用单母线接线；在110kV侧：采用单母线分段接线
主接线图如附录I所示
2.变电站主变压器的选择：
2.1主变压器的选择
在各种电压等级的变电站中，变压器是主要电气设备之一，其担负着变换电压，进行电力传输的重要任务。确定合理的变压器容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。因此，在确保安全可靠供电的基础上，确定变压器的经济容量，提高网络的经济运行素质将具有明显的经济意义。
变压器台数和容量的选择直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应依据电力系统5-10年的发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。
选择主变压器型式时，应考虑以下问题：相数、绕组数与结构、 绕组接线组别（在电厂和变电站中一般都选用YN，d11常规接线）、调压方式、 冷却方式。
2.1.1主变压器台数的选择
因为负荷容量为80MW,功率因数为0.8，查有关资料应选SFP7-50000/110型的变压器3台满足本变电所的容量。两台正常运行，一台备用。
2.1.2主变压器容量的选择
(1) 主变压器的台数和容量，应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等综合考虑确定。
(2) 主变压器容量一般按变电所、建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期的负荷发展。对于城网变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。
(3) 在有一、二级负荷的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。如变电所可由中、低压侧电力网取得足够容量的备用电源时，可装设一台主变压器。
(4) 装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于70%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。
(5)当一台事故停用时，另一台变压器事故过负荷能力查表得出过负荷倍数为1.3，允许时间为2小时。
2.1.3主变相数及接线组别的选择
（1）主变相数的选择
根据选择主变相数所应考虑的原则：在运输条件不受限制时，330kV及以下的变电所均应选三相变压器。此次设计110/10KV变电所选择的是三相双绕组变压器。
（2）主变绕组数的确定。
此变电所为110/10KV两个电压等级的变电所,因此主变压器应选双绕组变压器。
（3）主变接线组别的确定。
本次设计电压等级为110kV、10kV降压变电所，由于本地区电网考虑供电的可靠性,35kV及以下电网采用不接地或采用小电流接地方式，所以主变采用
Yn /d11连接组别。
2.1.4选择结果
根据该变电所的原始资料、选择主变压器的原则，从对用户供电可靠、保证电能质量等方面考虑，本次设计选用三台主变压器，型号为SFP7-50000/110型 。
选定的主变型号、参数见表1

表1 主变压器参数表
额定容量
高压
低压
短路电压（%）
空载电流（%）
连接组
50000KVA
110KV
10.5KV
10.5
0.7
Ynd11
3．短路电流的计算
3.1短路电流
所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定的最大电流。造成短路的主要原因是电气设备的绝缘损坏、误操作、雷击、过电压击穿等。
3.1.1短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。其计算的目的主要有以下几方面：
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。
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。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。
在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相相对地的安全距离。
3.2 各回路最大持续工作电流
各回路最大持续工作电流根据公式
（3-1）
式中 —— 所统计各电压侧负荷容量
——各电压等级额定电压
—— 最大持续工作电流
（3-2）

基准电压：
基准容量：
低压侧(10.5kV):
（3-3）
高压侧(110kV):
（3-4）
3.3短路电流计算点的确定
短路是电力系统中最常见的且很严重的故障。短路故障将使系统电压降低和回路电流大大增加，它不仅会影响用户的正常供电，而且会破坏电力系统的稳定性，并损坏电气设备。因此，在发电厂变电站以及整个电力系统的设计和运行中，都必须对短路电流进行计算。
短路电流计算的目的是为了选择导体和电器，并进行有关的校验。按三相短路进行短路电流计算，可能发生最大短路电流的短路电流计算点有3个。如图所示。

图3-1 短路点K1，K2，

图3-2 短路点的等值电路图
每公里线路的电阻为：
（3-5）
每公里电力线路的电抗, 在工程计算中对于高压架空电力线路一般可近似取.
线路电抗标么值：
变压器电抗标么值：
(3-7)
因为是降压变电站，把高压侧看成无限大电源，故电抗标幺值一定为
3.3.1 当K1点出现短路时

图3-3 等值电路

时间常数：Ta=0.05s，冲击系数：。则：系统的转移电抗为：
（3-9)
d1点次暂态电流：
(3-10)
d1点短路冲击电流:
（3-11）
d1点短路冲击电流的有效值：
（3-12）
d1点处的短路容量：
（3-13）3.3.2当K2点出现短路时

图3-5 等值电路
系统的转移电抗为:
(3-19)
d2点次暂态电流：
(3-20)
d2点短路冲击电流:
(3-21)
d2点短路冲击电流的有效值:
(3-22)
d2点处的短路容量：
(3-23)

表3-2 短路点计算结果
短路点
次暂态电(KA)
冲击电流(KA)
冲击电流的有效(KA)
短路容量(MVA)
K1
K2
10.7
1.75
27.24
4.45
16.264
2.66
194.5
333.4
4主要电气设备选择
4.1 母线选择
选择配电装置中各级电压母线，主要应考虑如下内容：
（1）选择母线的材料，结构和排列方式；
（2）选择母线截面的大小；
（3）检验母线短路时的热稳定和动稳定；
（4）对35kV以上母线，应检验它在当地睛天气象条件下是否发生电晕；
（5）对于重要母线和大电流母线，由于电力网母线振动，为避免共振，应
校验母线自振频率。
4.1.1 10.5kV侧母线选择
根据Tmax=3200h，查图3-11，得到J=1.0A/mm2.求得母线经济截面：
（4-1）
查手册，选用截面为双槽导体截面为3570mm2的槽型铜母线，其Ial=7000A，Kf=1.126，ri=6.0cm，L=120cm 形状系数K=0.4相间距 a=0.7m。
（4-2）
（4-3）
流过母线的最大工作电流
（4-4）
由此可见可满足母线正常发热要求。
4.1.2 110kV侧母线选择
母线额定电流：
按经济电流密度选择母线截面，根据Tmax=3200h，查图3-11，得到J=0.75kA/mm2.求得母线经济截面：
(4-5)
查手册，选用截面为2405=400的矩形铝母线，双条导线，导体平放，其Ial=719A，L=120cm
(4-6)
(4-7)
流过母线的最大工作电流
（4-8）
因Igmax=579.6A＜647.1A 可满足母线正常发热要求。
表4-1 母线选型结果
项目
型号
条数及放置
母线类型
Kf

10.5kV侧母线
110kV侧母线
3570
405
双槽型
双条平放
槽型铜母线
矩形铝母线
1.126

872
719
4.2 断路器的选择：
4.2.1 高压测断路器的选择
变压器旁断路器:QF1、QF2、QF3的选择:
（4-9）
由Un=110KV，Ig=0.276KA。查表使用：SW-3(110/1200)断路器。SW-6(220/1200)断路器的各项数据：In=1.2KA, Ibr=15.8KA， It=15.8KA(4s)， Imax=41KA，tb=0.07s，tp=0.4s。其中110KV侧Ish=4.45KA，Ighp=2.66KA。校验开断能力t1=tp+tg＞0.1s，则Ikt=Iimp<1S
(4-10)
Qk=Qp=4.75KASIt×4 = 998.6KAS 。故满足条件。
表4-2 高压断路器选择
计算值
SW-6(220/1200)
Un
Ig
Ighp
Ish
Qk
110KV
0.276KA
2.66KA
4.45KA
4.75KA2S
Un
In
Ibr
Imax
It×t
110KV
1.2KA
15.8KA
41KA
998.6KA2S
高压侧母线进线断路器:QF7、QF8的选择:
（4-11）
由Un=110KV，Ig=0.552KA。查表使用：SW-3(110/1200)断路器。SW-6(220/1200)断路器的各项数据：In=1.2KA, Ibr=15.8KA， It=15.8KA(4s)， Imax=41KA，tb=0.07s，tp=0.4s。其中110KV侧Ish=8.9KA，Ighp=5.32KA。校验开断能力t1=tp+tg＞0.1s，则Ikt=Iimp8.6KAS 。故满足条件。
表4-3 高压侧母线进线高压断路器选择
计算值
SW-6(220/1200)
Un
Ig
Ighp
Ish
Qk
110KV
0.552KA
5.32KA
8.9KA
19KA2S
Un
In
Ibr
Imax
It×t
110KV
1.2KA
15.8KA
41KA
998.6KA2S
4.2.2 低压测断路器的选择
断路器QF4、QF5、QF6的选择：10.5Kv侧Ish=27.24KA；Ighp=16.264KA；
（4-13）
选用SN3-10G/3000断路器参数：Un=10KV，In=3000A，Ibr=29KA，Imax=75KA；It=43.5KA（1s）校验开端能力：t1=tp+tb>0.1s，故Ikt=Iimp=27.24KA
Ibr
Imax
It×t
10
3KA
43.5kA
75kA
189.25A2S
低压侧母线出线断路器QF9、QF10的选择：10.5Kv侧Ish=54.48KA；Ighp=33.248KA；
（4-15）
选用ZN105-12/T6300断路器参数：Un=12KV，In=6300A，Ibr=80KA，Imax=224KA；It=80KA（3s）校验开端能力：t1=tp+tb>0.1s，故Ikt=Iimp=54.48KA （4-16）
所以满足条件。

表4-3 低压母线侧断路器选择
计算值
SN5-20G/12000
Un
Ig
Ighp
Ish
Qk
10.5
5.78KA
32.4KA
54.48KA
222.6A2S
Un
In
Ibr
Imax
It×t
12kV
6300A
80kA
224kA
19200A2S
4.2.3 隔离开关的选择
QF1、QF2、QF3隔离开关型号选择
表4-4 隔离开关QF1、QF2、QF3选择
计算值
GW7-110
Un
Ig

Ighp
Ish
Qk
110KV
0.276KA
2.66KA
4.45KA
4.75KA2S
Un
In
Ibr
Imax
It×t
110KV
600A
55KA
14KA
980KA2S

QF1、QF2、QF3隔离开关型号的选择
表4-5 隔离开关QF7、QF8选择
计算值
GW7-110
Un
Ig
Ighp
Ish
Qk
110KV
0.552KA
5.32KA
8.9KA
19KA2S
Un
In
Ibr
Imax
It×t
110KV
600A
55KA
14KA
980KA2S

表4-6 隔离开关QF4、QF5、QF6选择
计算值
GN10-10T
Un
Ig
Ighp
Ish
Qk
10.5
2.89KA
16.2KA
27.24KA
274.5A2S
Un
In
Ibr
Imax
It×t
10kV
3KA
200kA
105kA
55125A2S

表4-7 隔离开关QF9、QF10选择
计算值
GN10-10T
Un
Ig
Ighp
Ish
Qk
10.5
5.78KA
32.4KA
54.48KA
222.6A2S
Un
In
Ibr
Imax
It×t
10kV
6KA
200kA
105kA
55125A2S

4.3互感器的选择及校验
4.3.1 电流互感器选择
（1）电流互感器选择的具体技术条件如下：
一次回路电压：

式中：——电流互感器安装处一次回路工作电压；
——电流互感器额定电压。
一次回路电流：

式中：——电流互感器安装处的一次回路最大工作电流；
——电流互感器原边额定电流。
当电流互感器使用地点环境温度不等于时，应对进行修正。修正的方法与断路器的修正方法相同。
准确级
准等级是根据所供仪表和继电器的用途考虑。互感器的准等级不得低于所供仪表的准确级；当所供仪表要求不同准确级时，应按其中要求准确级最高的仪表来确定电流互感器的准确级。
① 与仪表连接分流器、变送器、互感器、中间互感器不低于下要求：与仪表相配合分流器、变压器的准确级为0.5级，与仪表相配合的互感器与中间互感器的准确级为0.5。仪表的准确级为1.5时，与仪表相配合分流器、变压器的准确级0.5，与仪表相配合的互感器与中间互感器的准确级0.5。仪表的准确级为2.5时，与仪表相配合分流器、变压器的准确级0.5与仪表相配合的互感器与中间互感器的准确级1.0。
② 用于电能测量的互感器准确级：0.5级有功电度表应配用0.2级互感器；1.0级有功电度表应配用0.5级互感级，2.0级无功电度表也应配用0.5级互感器；2.0级有功电度表及3.0级无功电度表，可配用1.0级级互感器。
③ 一般保护用的电流互感器可选用3级，差动距离及高频保护用的电流互感器宜选用D级，零序接地保护可釆用专用的电流互感器，保护用电流互感器一般按10%倍数曲线进行校验计算。
动稳定校验：

式中：——短路电流冲击值；
——电流互感器一次额定电流；
——电流互感器动稳定倍数。
热稳定校验：

式中：——最大短路电流；
——短路电流发热等值时间；
——电流互感器一次额定电流。

——t秒时的热稳定倍数。
（2）电流互感器的选择
根据如下条件选择电流互感器：
一次回路电压：
一次回路电流：
110KV侧电流互感器安装处的一次回路最大工作电流

10KV侧电流互感器安装处的一次回路最大工作电流

表4-8 电流互感器的型号及参数
参数

位置
型号
额定电
流比(A)
级次
组合
准确
级次
二次负荷(Ω)
10%倍数
1S热稳定倍数
0.5级
1级
二次负荷(Ω)
倍数
110KV
LBG-110
2500/5
0.5/B
B/B
0.5B
2.0

2.0
15
75
10KV侧
LBJ-10
6000/5
0.5/D
1/D
D/D
0.5
1
D
2.4

<10
50
（3）电流互感器的校验
110KV侧电流互感器
① 动稳定：

符合要求
② 热稳定：
由校验断路器可知：

经以上校验此电流互感器满足各项要求。
2) 10KV侧电流互感器
① 动稳定：

符合要求
② 热稳定：
由校验断路器可知：

经以上校验此电流互感器满足各项要求。
4.3.2电压互感器选择
（1）电压互感器选择的具体技术条件如下：
一次电压：

式中：——电压互感器额定一次线电压，其允许波动范围为
二次电压：电压互感器二次电压，应根据使用情况，按《发电厂电气部分课程设计参考资料》第118页、表538进行选择。
准确等级：电压互感器应在那一准确等级下工作，需根据接入的测量仪表、继电器和自动装置等设备对准确等级的要求确定。
二次负荷：

式中：——二次负荷；
——对应于在测量仪表所要求的最高准确等级下，电压互感器的额定容量。
2）电压互感器的选择：
由电压互感器选择的技术条件及各侧使用情况：
110KV侧：

10KV侧：

三侧电压互感器准确等级：0.5级
电压互感器型号及参数
型式
额定变比（V）
在下列准确等级
下额定容量(VA)
最大容量(VA)
0.5级
1级
3级
单相
(屋外式)
JCC-110

500
1000
2000
JDJ-10
10000/100
80
150
320
500
4.4绝缘子的选择及校验
根据母线额定电压10KV和户外装设的要求，选用ZPD-10-35型支柱绝缘子，其抗弯破坏负荷=2000N
作用在绝缘子上的电动力为：
=0.173=0.173*40.6034**1=488.94N
0.6=0.6*2000=1200N，因母线为两片平放，此时，可以认为作用在绝缘子帽处由于=488.94<1200，满足动稳定要求。
根据母线额定电压110KV和户外装设的要求,选用ZS-110型支柱绝缘子。其抗弯破坏负荷=300N
=0.173=0.173*
0.6=0.6*300=180N, 因母线为两片平放，此时，可以认为作用在绝缘子帽处，由于=1.467<180, 满足动稳定要求。
4.5熔断器的选择
熔断器是用于保护短路和过负荷的最简单的电器。但其容量小，保护特性较差，一般仅适用于35KV及以下电压等级，在发电厂中主要用于电压互感器短路保护。一般选用RN2型。
表4-8 限流式熔断器参数表
型号
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
最大开断容量（MVA）
最大切断电流（有效值）KA
最小切断电流或过电压倍数
RN2
10
0.5
1000
50,28,17
0.6~1.8(A)

4.6各主要电气设备选择结果一览表
电 气 设 备
型 号
数 量
主变压器
SFP7-50000/110
3
110KV母线
截面为2405=400的矩形铝母线
1
10KV母线
截面为双槽导体截面为3570mm2槽型铜母线
1
高压断路器
SW-6(220/1200)
5
低压断路器
SN3-10G/3000
ZN105-12/T6300
3
2
隔离开关（高压侧）
GW7-110
10
隔离开关（低压侧）
GN10-10T
10
绝缘子
ZPD-10-35；ZS-110
36
电流互感器(高压侧)
LBG-110
3
电流互感器(低压侧)
LBJ-10
3
熔断器(高压侧)
RN2
2
熔断器(低压侧)
RN2
2
电压互感器（高压侧）
JCC-110
3
电压互感器（低压侧）
JDJ-10
3
载流导体
LG J-120铜芯铝绞线
2