毕业设计110kv变电站电气主接线设计论文

110kv变电站电气主接线设计

摘要

随着社会的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供电的稳定性、可靠性和持续性。然而电网的稳定性、可靠性和持续性往往取决于变电站的合理设计和配置。一个典型的变电站要求电力设备运行可靠，操作灵活，经济合理，扩建方便。处于这几方面的考虑，本论文设计了设计了一个降压变电站。本次设计为110kv变电站的电气一次部分的设计，并绘制了电气主接线图。该变电站设有两台主变压器，站内主接线为110kv,35kv和10kv三个电压等级。各个电压等级都采用单母线分段接线。在本次设计中主要进行了负荷计算，电气主接线的设计，短路电流计算，最大长期工作电流的计算，电气设备（包括断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器和母线）的选择及防雷保护的设置。本设计以《35-110kv 变电所设计规范》和《供配电系统设计规范》为依据，设计内容符合有关国家经济技术政策，所选设备为国家推荐的新型产品，运行可靠，经济合理。

第一章概述

第一节概述

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求日益提高。国家提出了加快城网和农网建设和改造、拉动内需的发展计划，110kV变电站的建设迅猛发展。供电可靠性是城网建设改造的一个重要目标，110kV变电站设计是成网建设分中较为关键的技术环节，如何设计110kV变电站，是城网建设和改造中需要研究和解决的一个重要课题。

第二节设计任务

1.2.1 待设计变电站基本情况

该变电站位于湖北省沙洋县后港镇，该地区地势平坦，交通便利，空气污染轻微。所处自然条件：年最高气温：45℃

年最底气温：-5℃

年平均气温：18℃

最热月平均最高温度：30℃

土壤温度：25℃

土壤电阻率：7000Ω.cm

该变电站建成后主要作为供给城郊的工厂以及一部分城郊居民生活用电。该变电站的电压等级为110kV/35kV/10kV，110kV是电源电压，35kV和10kV是二次电压。供电源由50公里外的兴隆港110kV变电站供给，备用电源为相距50km的110kV沙洋变电站经沙后线受电。该变电站带负荷情况见表1、表2。

表1-1 35kV母线侧所带负荷

负荷名称有功功率（MW）功率因数

拾桥镇变 5 0.9

十里铺镇变 1.3 0.9

蛟镇变 4.8 0.9

管珰镇变 6.5 0.9

古泵镇变 5 0.9

毛李镇变 4.8 0.9

中压35kV侧计划送出线8回，其中2回备用。

表1-2 10kV母线侧所带负荷

负荷名称有功功率（MW）功率因数纺织厂1 1 0.9

纺织厂2 2.3 0.9

纺织厂3 2.3 0.9

塑料厂 2.2 0.9

加工厂 2 0.9

材料厂 1.2 0.9

食品厂0.8 0.9

化工厂0.8 0.9

低压10kV侧计划送出线14回，其中4回备用，2回接站用变压器。待设计变电所与电力系统的连接情况如下图所示:

系统

35kV

1.2.2 设计任务

（1）选择本变电所主变的台数、容量和类型；

（2）变电所电气主接线设计，选出几个电气主接线方案进行技术经济比较，确定一个较佳方案；

（3）短路电流计算；

（4）选择和校验所需电气设备（主变压器、断路器、隔离开关、母线、10kV电缆、电流互感器和电压互感器等等）；

（5）防雷保护规划设计；

（6）画出变电站主接线和站用电图纸；

注：设计图纸应符合国家有关规程、规范。

第二章电气主接线设计

第一节主接线设计的要求

变电站主接线的选择是根据变电站系统中的地位和作用、地理位置、电压等级、变压器台数及容量和进出线等各种条件综合优化决定的。城市电网的安全可靠性固然重要，但是城市人口密度大，用地紧张，因此城网变电站接线除了满足安全可靠性外，还必须尽量简单化。因此变电站设计应该满足一下基本要求：

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，能尽快地退出设备。切除故障停电时间最短、影响范围最小，并且再检修在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。复杂的接线不仅不便于操作，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造成不必要的停电。

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，使其尽地发挥经济效益。

5、应具有扩建的可能性

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

变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。

第二节主接线设计

2.2.1 35kV主接线设计

主要考虑35kV的8回（总共8回出线，其中2回备用）出线供给对象的负荷性质。考虑以下两种优化方案：

方案I：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）扩建时需向两个方向均衡扩建。

适用范围：35-63kV配电装置的出线回路数为4-8回时。

方案II：采用双母线接线

优点：供电可靠，调度灵活，扩建方便。

适用范围：一般适用于出线回路多，容量较大的配电装置中，35-60kV出线数超过8回，或连接电源较大，负荷较大时。

经过对比，决定采用双母线接线方式。

2.2.2 10kV主接线设计

方案I：采用单母线接线

优点：接线简单、设备少、操作方便、经济性好，并且母线便于向两端延伸，便于扩建。

缺点：1）可靠性差。母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行，造成全站长期停电。

2）调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。

适用范围：这种接线形式一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。

方案II：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）扩建时需向两个方向均衡扩建。

适用范围：6 -10kV 配电装置的出线回路数为6回及以上时。

为保证对重要负荷的可靠供电，和快速检修，经过以上论证，决定采用单母线分段接线。

2.2.3 110kv 主接线设计

方案I ：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）扩建时需向两个方向均衡扩建。

适用范围：35-63kV 配电装置的出线回路数为4-8回时。 方案II ：采用双母线接线

优点：供电可靠，调度灵活，扩建方便。

适用范围：一般适用于出线回路多，容量较大的配电装置中，35-60kV 出线数超过8回，或连接电源较大，负荷较大时。

经过对比，决定采用单母分段接线方式。

第三章 主变压器容量、型号和台数的选择

主变压器的选择：

变压器容量和台数的确定： 变电站容量确定原则

按供电负荷和5～10年规划负荷确定

1）重要变电站按一台停运其余满足负荷的供电。

2）非重要变电站按一台停运,其余变满足全部负荷（70~80）% 变压器的容量

MVA S S c N 45.59%)81(5110=+=,其中8%为当地经济增长率，5为符合规划的5年。

台数的确定原则

变压器台数与电压等级、接线形式、传输容量及与系统联系紧密有关 1）与系统联系紧密大中站，2台以上 2）与系统联系弱小型厂站，1台；

3）地区孤立的变电站或大型企业变电站设3台变。

结合所给资料可知，该变电站应选用两台一样，并且容量都为100MVA的主变压器，其中一台为备用。

变压器相数的确定：

在330kV及以下的电路系统中，一般采用三相变压器。

绕组数的确定：

在具有三种电压的变电所中，如果通过主变压器的功率达到该主变压器容量的15%及以上，或低压侧虽然无负荷，但在变电所内需要装设无功功率补偿装置时，主变压器宜采用三绕组变压器。结合本次设计的具体实际情况，都应选择三绕组变压器。

绕组连接组号的确定：

变压器三相绕组的连接组号必须和电压相位一致，否则不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式只有星型“Y”和三角型“d“两种，为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组为“d”型。我国110kV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中性点，所以都需要选择“Y”的连接方式，而35kV经消弧线圈接地采用Y，6～10kV侧采用“d”型连接方式。

所以本次设计的变电站主变压器绕组连接方式为：Y/Y/d

调压方式的确定：

变压器的调节方式有两种：无激磁调压和有载调压。无激磁调压的调整范围通常在±2×2.5%以内；有载调压的调整范围可达30%，其结构复杂，价格较贵，只有在一下情况才予以选用。

(1)接于输出功率变化大的发电厂的主变压器，特别是潮流方向不固定，且要求变

压器二次电压维持在一定水平时。

(2)接于时而为送端、时而为受端、具有可逆工作特点的联络变压器，为保证供电

质量，要求母线电压恒定时。

为了保证供电质量，110kV及以下变压器应至少有一级电压的变压器采用有载调压。

因此该站的主变压器110kV高压侧选择有载调压。

变压器冷却方式的确定：

油浸式电力变压器的冷却方式随其型式和容量的不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环冷却等。

中小型变压器通常采用依靠装在变压器油箱上的片状或管形辐射式冷却器及电动风扇的自然风冷却及强迫风冷却方式散发热量。

容量在31.5MVA及以上的大容量变压器一般采用。

容量在350MVA及以上的特大容量变压器一般采用强迫油循环导向冷却。

因此主变压器选用强迫油循环风冷却方式。

根据以上设计原则，本次设计变电站确定为三绕组有载调压变压器，相关数据如下：型号：SFSZ11-63000/110 额定容量：63000kVA 高压：110±8×1.25%kV

第四章短路电流的计算

.1 短路计算的原因与目的

电力系统由于设备绝缘破坏，架空线路的线间或对地面导电物短接，或雷击大气过电压以及工作人员的误操作，都可能造成相与相、相与地之间导电部分短接，短路电流高达几万安、几十万安培。这样大的电流所产生的热效应及机械效应，会使电气设备损坏，人身安全受到

威胁，由于短路时系统电压骤降，设备不能运行。单相接地在中性点直接接地系统中，对邻近通信设备将产生严重的干扰和危险影响，所以电力系统必须进行短路故障计算。另外，对于电气设备的规格选择，继电保护的调整整定，对载流导体发热和电动力的核算，都需要对系统短路故障进行计算。

短路计算选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备。为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。在设计和选择发电厂电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线时，确定是否需要采用限制短路电流的措施等，都需要进行必要的短路电流计算。计算电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有短路计算的内容。在确定输电线路对通讯的干扰，对已经发生的故障进行分析，都必须进行短路计算。

4.2 短路计算的计算条件

一、基本条件：

短路计算中采用以下假设条件和原则：

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、短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

5、不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

6、除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。

7、元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。

8、输电线路的电容略去不计。

二、一般规定：

1、验算导体和电器的动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统5—l0 年的远景发展规划。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的按线方式。

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动机的影响和电容补偿放电电流的影响。

3、选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流为最大的点；对带电抗器6—l0kV 出线，选择母线到母线隔离开之间的引线、套管时，短路计算点应取在电抗器之前、其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后。

4、电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路电流计算。若中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短严重时，则应按严重的计算。

4.3 最大最小运行方式分析

在选择保护方式分析时，对大多数保护都必须认真分析与考虑哪种运行方式来作为计算的依据，一般而言所选用的保护方式，应在系统的各种故障参数增加而动作的保护，如电流保护，通常应根据系统最大运行方式来确定保护的定值，以保证选择性，因为只要在最大运行方式下能保证选择性。那么，在其他运行方式下，必然能保证选择性；而对灵敏性校验，则应根据最小运行方式来进行，因为只要在最小运行方式下，灵敏性合格，那么在其他运行方式下

的灵敏性就会更好，对反映鼓掌参数减小而动作的欠量保护。如低压保护，刚刚好相反，此时应根据最小运行方式来整定，而根据最大运行方式来校验灵敏性。 最大运行方式

根据系统最大负荷的要求，电力系统中的所有可以投入的发电设备都投入运行（全部或绝大部分投入运行），以及所有线路和规定的中性点全部投入运行的方式称为系统最大运行方式即QF1、QF2都在闭合的状态。对继电保护而言，则是指在系统最大运行方式下短路时，通过该保护的短路电流为最大时的系统连接方式。本设计题目中，本变电站的最大运行方式为两台31500KVA 的变压器并联运行，以及所有负荷投入时的运行方式。但由于纵联差动保护，由于其保护范围外故障时，保护不应动作。为了方便变压器纵联差动的整定计算，在变压器高压侧和低压侧的短路点的电流应为支路电流。所以变压器高压侧的短路点电流为变电站高压侧投入的，断路器闭合时，流过变压器高压侧的短路电流。变压器低压侧的短路电流为系统并联运行桥短路器连接，变压器单台投入时流入变压器低压侧的短路电流。 最小运行方式

根据系统负荷为最小，投入与之相适应的系统连接且系统中性点只有少部分接地的运行方式称为系统的最小运行方式。本设计题目中，变电站的最小运行方式为，变压器单台投入时的运行方式即QF1、QF2都在打开状态。

4.3.1基本假定

系统运行方式为最大运行方式。

磁路饱和、磁滞忽略不计。即系统中各元件呈线性，参数恒定，可以运用叠加原理。 在系统中三相除不对称故障处以外，都认为是三相对称的。

忽略对计算结果影响较小的参数，如元件的电阻、线路的电容以及网内的电容器、感性调和及高压电机向主电网的电能反馈等。

短路性质为金属性短路，过渡电阻忽略不计。 系统中的同步和异步电机均为理想电机。

4.3.2基准值的选择

为了计算方便，通常取基准容量S j ＝100MVA ；

基准电压U j 取各级电压的平均电压，即U j ＝U p ＝1.05U e ； 基准电流j

j j U S I 3=

；

基准电抗j

j j

j j S U I U X 23=

=

常用基准值如表1所示。

表1 常用基准值表（S j ＝100MV A ）

4.3.3各元件参数标么值的计算

电路元件的标么值为有名值与基准值之比，计算公式如下：

j U U U =

* j

S S S =

* j

j j S U I I I

I 3*==

2*j

j j U S X X X X ==

采用标么值后，相电压和线电压的标么值是相同的，单相功率和三相功率的标么值也是相同的，某些物理量还可以用标么值相等的另一些物理量来代替，如I *=S *。 电抗标么值和有名值的变换公式如表2所示。 表2中各元件的标么值可由表1中查得。

表2 各电气元件电抗标么值计算公式

X为：

其中线路电抗值的计算中，

6～220kV架空线取0.4 Ω/kM

35kV三芯电缆取0.12 Ω/kM

6～10kV三芯电缆取0.08 Ω/kM

表2中S N、S b单位为MV A，U N、U b单位为kV，I N、I b单位为kA。

短路电流的计算：

电力系统的状态有三种：正常运行状态、不正常运行状态、短路故障。在电气设计和运行中，不仅要考虑系统正常运行状态，而且要考虑它发生故障时的情况，最严重的故障是电路乃至系统发生短路。电力系统正常运行时，其相与相之间，中性点接地系统的中性线与相线之间，都是通过符合或阻抗连接的。

一、短路计算的目的

计算短路电流的目的是为了正确选择和校验电气设备，避免在短路电流作用下损坏电气设备，如果短路电流太大，必须采用限流措施，以及进行继电保护装置的整定计算。

二、短路电流计算的规定

1、电力系统中所用电源都在额定符合下运行；

2、同步调相机都具有自动调整励磁装置(包括强行励磁)；

3、短路电流为最大值的瞬间；

4、所有电源的电动势相位角相同；

5、正常工作时，三相系统对称运行；

6、因考虑短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻对异

步电动机的作用，仅有确定短路电流的冲击值和最大全电流的有效值时

才给予考虑。

三、最大运行方式：计算短路电流是所用的接线方式是可能发生最大短路电流的

正常接线方式(及最大运行方式)，而不能用仅在切换过程中的能并列的接线方式。

四、三相短路：一般按三相短路计算，若发电机出口的两相短路或中性点直接接

地系统以及自耦变压器等回路中的单相(或两相)接地短路较三相短路的情况严重时，则应按严重情况进行校验。

五、具体短路计算

最大三相短路电流分别出现在d1、d2和d3短路点处，如下图所示

MVA S d 100=

avr d U U =：kV kV kV U d d d 5.10U 37U 115321===、、

kA U S I d d

d 5.031

1==

、kA U S I d d

d 6.15322==

、kA U S I d d

d 5.533

3==

线路：17.0110

110504.0d

1=??

?=*

S X 、

变压器：35.030

100

1005.10S 1005.10d 32=?=?=

=*

*

n S X X 58.030

100

1005.17S 1005.17d 54=?=?=

=*

*

n S X X d1点发生三相短路时：17.01=*

∑X 、88.511

1==

*

∑*

X I K 、

kA I I I d K K 94.2111==*

、kA I i K sh 5.755.211== d 2点发生三相短路时：35.05.32117.02=?+

=*

∑X 、85.212

2==*∑*X I K 、kA I I I d K K 45.4222==*

、kA I i K sh 35.1155.222==

d3点发生三相短路时：46.029.017.03=+=*

∑X 、17.213

3==

*

∑*

X I K 、

kA I I I d K K 94.11333==*

、kA I i K sh 44.3055.233==

第五章 电气设备的选择

第一节 电气设备选择要求

由于电气设备和载流导体得用途及工作条件各异,因此它们的选择校验项目和方法也都完全不相同。但是，电气设备和载留导体在正常运行和短路时都必须可靠地工作，为此，它们的选择都有一个共同的原则。 电气设备选择的一般原则为：

1.应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求并考虑远景发展。

2.应满足安装地点和当地环境条件校核。

3.应力求技术先进和经济合理。

4.同类设备应尽量减少品种。

5.与整个工程的建设标准协调一致。

6.选用的新产品均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格的特殊情况下选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准。

电气设备选择技术条件：

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。 1.电压

选用的电器允许最高工作电压max U 不得低于该回路的最高运行电压g U ,即 g max U U > 2.电流

选用的电器额定电流I e 不得低于 所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流 g I ，

即g e I I >

校验的一般原则：

1.电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动热稳定校验，校验的短路电流一般取最严重情况的短路电流。

2.用熔断器保护的电器可不校验热稳定。

3.短路的热稳定条件

Qd I

rt

≥2 dt Q ——在计算时间ts 内，短路电流的热效应（kA 2S ） t I ——t 秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（kA 2S ）

T ——设备允许通过的热稳定电流时间（s ） 校验短路热稳定所用的计算时间s T 按下式计算 t=d t +kd t 式中d t ——继电保护装置动作时间内（S ）

kd t ——断路的全分闸时间（s ）

4.动稳定校验

电动力稳定是导体和电器承受短时电流机械效应的能力，称动稳定。满足动稳定的条件是：

i i

dw ch

≤ I I dw ch ≤

上式中

i

ch

、I

ch

——短路冲击电流幅值及其有效值 i

dw

、

I

dw

——允许通过动稳定电流的幅值和有效值

5.绝缘水平

在工作电压的作用下，电器的内外绝缘应保证必要的可靠性。接口的绝缘水平应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。

由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。

高压电器没有明确的过载能力，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能方式下回路持续工作电流的要求。

第二节 高压断路器的选择

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。 型式选择：本次在选择断路器，考虑了产品的系列化，既尽可能采用同一型号断路器，

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