110kv降压变电站电气部分设计
目录
摘要 (1)
第一章原始资料及其分析 (2)
1.1 原始资料 (2)
1.2 原始资料分析 (3)
第二章负荷分析 (4)
2.1 负荷分析的目的 (4)
2.2 待建变电站负荷计算 (5)
第三章变压器的选择 (6)
3.1 变电站主变压器的选择 (6)
3.2 变压器类型的确定 (8)
3.3 中性点的接地方式 (9)
第四章电气主接线 (10)
4.1 对电气主接线的基本要求 (10)
4.2 电气主接线的基本原则 (11)
4.3 待建变电站的主接线形式 (12)
第五章短路电流计算 (17)
5.1 短路电流计算的目的和条件 (17)
5.2 短路电流的计算步骤和计算结果 (18)
第六章继电保护的配置 (19)
6.1 保护原则 (19)
6.2 变电所继电保护配置 (21)
第七章防雷及接地保护 (23)
7.1 雷电的形式及防雷措施 (23)
7.2 接地的形式及作用 (24)
结束语 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
附录 (28)
摘要
本文为110kv降压变电站电气部分设计。通过对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110kV,35kv，10kV系统的主接线，然后又通过负荷计算供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，负荷计算是供电设计计算的基本依据和方法，计算负荷确定得是否正确无误，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。短路是电力系统中较常发生的故障。短路电流直接影响电器的安全，危害主接线的运行。为使电气设备能承受短路电流的冲击，往往需选用大容量的电气设备。这不仅增加了投资，甚至会因开断电流不能满足而选不到符合要求的电气设备。因此要求我们在设计变电站时一定要进行短路计算。同时也确定了站用变压器的容量及型号，主变的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构，它的选择依据除了依据基础资料外，还取决于输送功率的大小，及系统联系的紧密程度。另外主变选择的好坏对供电可靠性和以后的扩建都有很大影响。从而完成了110kV 变电站电气部分的设计。
关键词：负荷计算，短路计算，变压器，继电保护
In this paper, the design of 110kV substation electrical part. Through the summary of the substation and outlet direction to consider, and through the analysis of the data of load, security, economic and reliability considerations, determined the 110kV, 35kV, 10kV system main wiring, and then through the load calculation scope of supply identified main transformer units, capacity and models, load calculation is the basis and method of design and calculation of power supply, load calculation determined whether is correct, directly affect the choice of electrical wire and cable is economical and reasonable. Short circuit is a common fault in power system. Short circuit current directly affects the safety of the electrical equipment and the operation of the main wiring. In order to make electrical equipment withstand the impact of short circuit current, it is often necessary to use large capacity of electrical equipment. This not only increases the investment, and even can not meet the requirements of the current due to open current can not meet the requirements of the electrical equipment. It is therefore required that we must carry out short-circuit calculation in the design of substation. Also define the station transformer capacity and models, main transformer capacity and units directly influence the structure of the main wiring forms and distribution device, it is the choice of basis except on the basis of data, also depends on the transmission power of the size, connected to the system of close degree. In addition, the choice of the main transformer has a great influence on the reliability of power supply and the later expansion. Thus completed the 110kV substation electrical part design.
Key words: load calculation, short circuit calculation, transformer, relay protection
第一章原始资料及其分析
1.1 原始资料
待建变电站在输电线路的终端，接近负荷中心，高压侧为110KV，经降压后直接向所属地区供电。因此，本变电站是按系统规划，为满足地方负荷的需要而建设的地区变电所。电压等级
变电站的电压等级分别为110kV,35kV,10kV。
110kV ： 2回
35kV ： 7回
10kV ： 12回
地形地质环境
站址选择在地势平坦地区，位于城郊结合部，交通便利，进出线方便，完全污染轻微，待设计变电站选在黄沙土地壤时：电阻率不大于500。
待建变电站负荷数据（表1-1）
表1-1 待建成变电站各电压等级负荷数据
注：
（1）35kV ,10kV负荷功率因数均取cos =0.9（无功补偿以后）
（2）负荷同时率：35kV kt=0.9 10kV kt=0.85
（3）网损率为 A%=5%
（4）站用负荷为50kW
1.2 原始资料分析
机组停运
要设计的变电站由原始资料可知有110千伏，35千伏，10千伏三个电压等级。待建变电站选择在地势平坦区为以后的扩建提供了方便。初期投入两台变压器，当一台故障或检修时，另一台主变压器的容量应能满足该站总负荷的70%，并且在规定时间内应满足一、二级负荷的需要。
无功补偿
无功补偿的目的是系统功率因数过低，降低了发电机和变压器的出力，增加了输电线路的损耗和电压损失。电力系统要求用户的功率不低于0.9，因此必须采取措施提高系统功率因数，目前提高功率因数的常用方法是装设电容器补偿无功。
计算得：
35kv侧：Q35KV=15120kvar
10kv侧：Q10KV=13230 kvar
第二章负荷分析
2.1 负荷分析的目的
负荷计算是供电设计计算的基本依据和方法，计算负荷确定得是否正确无误，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。对供电的可靠性非常重要。如计算负荷确定过大，将使电器和导线选得过大，造成投资和有色金属的消耗浪费，如计算负荷确定过小又将使电器和导线电缆处子过早老化甚至烧毁，造成重大损失，由此可见正确负荷计算的重要性。负荷计算不仅要考虑近期投入的负荷，更要考虑未来几年发展的远期负荷，如果只考虑近期负荷来选择各种电气设备和导线电缆，那随着经济的发展，负荷不断增加，不久我们选择的设备和线路就不能满足要求了。所以负荷计算是一个全面地分析计算过程，只有负荷分析正确无误，我们的变电站设计才有成功的希望。
2.2 待建变电站负荷计算
由公式：
式中 Sc ——某电压等级的计算负荷
Kt
——同时系数
а%——该电压等级电网的线损率，一般取5% P 、cos ?——各用户的负荷和功率因数 （1） 35 kV 侧 S35KV=58.8MVA （2） 10kV 侧
S10KV==48.6MVA （3）站用电容量 S 站=0.0525MVA
()%1cos 1α?
+=∑=n
i t c p
K S
第三章变压器的选择
主变的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构，它的选择依据除了依据基础资料外，还取决于输送功率的大小，及系统联系的紧密程度。另外主变选择的好坏对供电可靠性和以后的扩建都有很大影响。总之主变的选择关系到待建变电站设计的成功及否，所以对主变的选择我们一定要全方面考虑。既要满足近期负荷的要求也要考虑到远期。
3.1 变电站主变压器的选择
变压器选择原则：
（1）在变电所中，一般装设两台主变压器；终端或分支变电所，如只有一个电源进线，可只装设一台主变压器；对于330kV、550kV变电所，经技术经济为合理时，可装设3-4台主变压器。
（2）对于330 kV及以下的变电所，在设备运输不受条件限制时，均采用三相变压器。500 kV变电所，应经技术经济论证后，确定是采用三相变压器，还是单相变压器组，以及是否设立备用的单相变压器。
（3）装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台事帮停运后，其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的60%以上，并应保证用户的一级和全部二级负荷的供电。
（4）具有三种电压等级的变电所，如各侧的功率均达到主变压器额定容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但需装设无功补偿设备时，主变压器一般先用三绕组变压器。
（5）及两种110kV及以上中性点直接接地系统连接的变压器，一般优先选用自耦变压器，当自耦变压器的第三绕组接有无功补偿设备时，应根据无功功率的潮流情况，校验公共绕组容量，以免在某种运行方式下，限制自耦变压器输出功率。
（6）500kV变电所可选用自耦强迫油循环风冷式变压器。主变压器的阻抗电压(即短路电压)，应根据电网情况、断路器断流能力以及变压器结构选定。
（7）对于深入负荷中心的变电所，为简化电压等级和避免重复容量，可采用双绕组变压器。
3.1.1主变台数的确定
由原始资料可知，待建变电站负荷大，出线多，所以考虑初期用两台大容量主变。两台主变压器，可保证供电的可靠性，避免一台变压器故障或检修时影响对用户的供电。随着未来经济的发展，可再投入一台变压器。
3.1.2主变压器容量的确定
主变压器容量一般按变电所建成后 5-10 年规划负荷选择，并适当考虑到远期 10-20 年的负荷发展，对于城市郊区变电所，主变压器应及城市规划相结合。此待建变电站坐落在郊区，10kV主要给某开发区供电，35kV主要给下面乡镇及几个大企业供电。考虑到开发区及其乡镇的发展速度非常快，所以我们选择大容量变压器以满足未来的经济发展要求。
确定变压器容量:
（1）变电所的一台变压器停止运行时，另一台变压器能保证全部负荷的 70%，即/
S =S∑70% =107.4×70%＝75.18(MVA)
B
（2）单台变压器运行要满足一级负荷的供电需要
一级负荷为0.9 ×（18+16+12+10+9+12）/0.9 =77MVA
由于变压器允许过负荷10%，即过负荷以后容量至少大于77MVA
所以变压器的容量确定为75MVA
3.2变压器类型的确定
相数的选择
变压器的相数形式有单相和三相，主变压器是采用三相还是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。一台三相变压器比三台单相变压器组成的变压器组，其经济性要好得多。规程上规定，当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂用变电站，均选用三相变压器。同时，因为单相变压器组相对来讲投资大、占地多、运行损耗也较大，而不作考虑。因此待建变电站采用三相变压器。
绕组形式
绕组的形式主要有双绕组和三绕组。
规程上规定在选择绕组形式时，一般应优先考虑三绕组变压器，因为一台三绕组变压器的价格及所用的控制电器和辅助设备，比两台双绕组变压器都较少。对深入引进负荷中心，具有直接从高压变为低压供电条件的变电站，为简化电压等级或减少重复降压容量，可采用双绕组变压器。
三绕组变压器通常应用在下列场合：
(1) 在发电厂内，除发电机电压外，有两种升高电压及系统连接或向用户供电。
(2) 在具有三种电压等级的降压变电站中，需要由高压向中压和低压供电，或高压和重压
向低压供电。
(3) 在枢纽变电站中，两种不同的电压等级的系统需要相互连接。
(4) 在星形-星形接线的变压器中，需要一个三角形连接的第三绕组。
本待建变电站具有110kV,35kV,10kV 三个电压等级，所以拟采用三绕组变压器。
普通型和自耦型的选择
自耦变压器是一种多绕组变压器，其特点就是其中两个绕组除有电磁联系外，在电路上也有联系。因此，当自耦变压器用来联系两种电压的网络时，一部分传输功率可以利用电磁联系，另一部分可利用电的联系，电磁传输功率的大小决定变压器的尺寸、重量、铁芯截面积和损耗，所以及同容量、同电压等级的普通变压器比较，自耦变压器的经济效益非常显著。由于自耦变压器的结构简单、经济，在110kV级以上中性点直接接地系统中，应用非常广泛，自耦变压器代替普通变压器已经成为发展趋势。
因此，综合考虑选用自耦变压器。
3.3中性点的接地方式
电网的中性点的接地方式，决定了主变压器中性点的接地方式。
本变电站所选用的主变为自耦型三绕组变压器。规程上规定：凡是110kV-500kV侧其中性点必须要直接接地或经小阻抗接地；主变压器6-63kV采用中性点不接地。
所以主变压器的110kV侧中性点采用直接接地方式，35kV，10kV侧中性点采用不接地方式。
综上所述和查有关变压器型号手册所选主变压器的技术数据如下表3-1：
第四章电气主接线
电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电气系统的主要部分。电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线。由于本设计的变电站有三个电压等级，所以在设计的过程中首先分开单独考虑各自的母线情况，考虑各自的出线方向。论证是否需要限制短路电流，并采取什么措施，拟出几个把三个电压等级和变压器连接的方案，对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。
4.1对电气主接线的基本要求
对电气主接线的基本要求，概括地说包括可靠性、灵活性和经济性三方面
安全可靠是主接线的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。电气主接线的可靠性不是绝对的。所以在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备的制造水平及运行经验等诸多因素。
灵活性
电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活的进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：
（1）操作的灵活性
（2）调度的灵活性
（3）扩建的灵活性
经济性
在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。通常设计应满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要通过以下几个方面考虑：
一、节省一次投资。如尽量多采用轻型开关设备等。
二、占地面积少。由于本变电站占用农田所以要尽量减少用地。
三、电能损耗小。电能损耗主要来源变压器，所以一定要做好变压器的选择工作。
另外主接线还应简明清晰、运行维护方便、使设备切换所需的操作步骤少，尽量避免用隔离开关操作电源。
4.2 电气主接线的基本原则
电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准则，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各种技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节省投资，就地取材，力争设备元件和设计的先进性及可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
4.3待建变电站的主接线形式
110kV 侧
方案（一）: 采用单母线接线如图4-1
110KV
35kv
10kv
10kv
35kv
QF1
QF2
L1L2
图4-1
考虑到110kV 侧有两条进线，因而可以选用单母线接线。 其优点：
接线简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便、且有利于扩建。 缺点是：
（1）当母线或母线隔离开关检修或发生故障时，各回路必须在检修和短路时事故来消除之前的全部时间内停止工作，造成经济损失很大。 （2）引出线电路中断路器检修时，该回路停止供电。
（3）调度不方便，电源只能并列运行，不能分裂运行，并且线路侧发生故障时，有较大的短路电流。
方案（二）：单母线分段如图4-2 优点：
（1）母线发生故障时，仅故障母线停止供电，非故障母线仍可继续工作，缩小母线故障
影响范围。
（2）对双回线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线段上，保证对重要用户的
供电。 缺点：
当一段母线故障或检修时，必须断开在该段上的全部电源和引出线，这样减少了系统的供电量，并使该回路供电的用户停电。
图4-2
方案（三）：双母线接线如图4-3
优点：
（1）供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不至于供电中断，一组母线故障后能迅速恢复供电，检修任一组的母线隔离开关时只停该回路。
（2）扩建方便，可向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和负荷的平均分配，不会引起原有回路的停电，以致连接不同的母线段，不会如单母线分段那样导致交叉跨越。
（3）便于试验，当个别回路需要时单独进行试验时可将该架路分开，单独接至一组母线上。
缺点：
（1）增加一组母线和每回路需增加一组母线隔离开关，投次大。
（2）当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器容易误操作，为了避免隔离开关误操作需在隔离开关和断路之间装设连锁装置。
对于110kV侧来说，因为它要供给较多的一类、二类负荷、因此其要求有较高的可靠性。
图4-3
对比以上三种方案，单母线接线供电可靠性、灵活性最差，不符合变电所的供电可靠性的要求；双母线接线供电可靠性高，但无旁路母线检修断路器时需要停电而且双母线接线复杂，使用设备多、投资较大；采用单母线分段带旁路的电气接线可将 I、II 类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性；而且带旁路可以在检修断路器时对用户进行供电。故经过综合考虑采用方案（二）。
35kV侧
方案（一）: 采用单母线接线
优点：
接线简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便、且有利于扩建。
缺点：
可靠性、灵活性差，母线故障时，各出线必须全部停电。
方案（二）：单母线分段
优点：
（1）母线发生故障时，仅故障母线停止供电，非故障母线仍可继续工作，缩小母线故障影响范围。
（2）对双回线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线段上，保证对重要用户的供电。
缺点：
当一段母线故障或检修时，必须断开在该段上的全部电源和引出线，这样减少了系统的供电量，并使该回路供电的用户停电。
方案（三）：采用单母线分段带旁路接线如图4-4
段段
图4-4
优点：
（1）可靠性、灵活性高
（2）检修线路断路器时仍可向该线路供电
缺点：
投资大，经济性差
单母线接线可靠性低，当母线故障时，各出线须全部停电，不能满足I、II 类负荷供电性的要求，故不采纳；将 I、II 类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性；虽然带有旁路断路器的单母线分段也能满足要求，但其投资大、经济性能差，故采用方案（二）单母线分段接线。
10kV侧
方案（一）: 采用单母线接线
优点：
接线简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便、且有利于扩建。
缺点：
可靠性、灵活性差，母线故障时，各出线必须全部停电。
方案（二）：单母线分段
优点：
(1) 母线发生故障时，仅故障母线停止供电，非故障母线仍可继续工作，缩小母线故障影
响范围。
(2) 对双回线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线段上，保证对重要用户的供
电。
缺点：
当一段母线故障或检修时，必须断开在该段上的全部电源和引出线，这样减少了系统的供电量，并使该回路供电的用户停电。
单母线接线可靠性低，当母线故障时，各出线须全部停电，不能满足I、II 类负荷供电性的要求，故不采纳；将 I、II 类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性。故采用方案（二）。
综合以上三种主接线所选的接线方式，画出主接线图。见附图
第五章短路电流计算
短路是电力系统中较常发生的故障。短路电流直接影响电器的安全，危害主接线的运行。为使电气设备能承受短路电流的冲击，往往需选用大容量的电气设备。这不仅增加了投资，甚至会因开断电流不能满足而选不到符合要求的电气设备。因此要求我们在设计变电站时一定要进行短路计算。
5.1短路电流计算的目的和条件
短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的设计中，短路计算是其中的一个重要内容。其计算的目的主要有以下几个方面：
1. 电气主接线的比较。
2.选择导体和电器。
3. 在设计屋外高型配电装置时，需要按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
4. 在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
5. 接地装置的设计，也需要用短路电流。
短路电流计算条件
基本假定
（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、相角相同；
（3）电力系统中的所有电源都在额定负荷下运行；
（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)除去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)输电线路的电容忽略不计。
一般规定
(1)验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应本工程设计规
划容量计算，并考虑远景的发展计划；
(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装置放电电流的影响；
(3)导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。
5.2短路电流的计算步骤和计算结果
计算步骤
在工程计算中，短路电流其计算步骤如下：
（1）选定基准电压和基准容量，把网络参数化为标么值；（2）画等值网络图；
（3）选择短路点；
（4）按短路计算点化简等值网络图，求出组合阻抗；（5）算出短路电流。如图
5-1
图5-1
短路点短路电流有名值
（kA）短路冲击电流
（kA）
全电流的有效值
（kA）
K1 4.15 10.56 6.31
K2 5.76 14.66 8.755
K3 26.5 67.46 40.28
K4 1.56 3.97 2.37
K5 2.72 6.92 4.13
表5-2
从计算结果可知，三相短路较其它短路情况严重，它所对应的短路电流周期分量和短路冲击电流都较大，因此，在选择电气设备时，主要考虑三相短路的情况。
第六章继电保护的配置
6.1保护原则
变压器保护的配置原则
变压器一般装设下列继电保护装置
（1）相间短路保护
反应变压器绕组和引出线的相同短路的纵差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组闸短路也能起到保护作用。
（2）反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。
（3）后备保护
对于由外部相间短路引起的变压器过电流可采用下列保护作为后备保护：
a.过电流保护。
b.复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护。
（4）中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护。
（5）过负荷保护
对于 400 kVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷，对自耦变压器和多绕组变压器，保护装置，应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。
绕组变压器后备保护的配置
1.对于多侧电源的三绕组变压器，应在三侧都装设后备保护，对动作时间最小的保护应加
方向元件，动作功率方向取为变压器指向母线，在装人有方向性保护的一侧，加装一套不带方向的生备保护，其时限应比三侧保护的最大的时限大一个阶梯时限 T，保护动作后，跳开三侧断路器，作为内部故障时的后备保护。
2.对单侧电源的三绕组变压器，应设置两套后备保护，分别装于电源侧和负荷侧。
6-10 kV 母线保护的配置原则：
1. 对于变电所 6-10 kV 分段或不分段的单母线，如果接在母线上的出线不带电抗器或对
中小容量变电所接在母线上的出线带电抗器并允许带时限切除母线故障，不装设专用的母线保护，母线故障可利用装设在变压器断路器的后备保护和分段断路器的保护来切除，当分段断路器的保护需要带低压起动元件时，分段断路器上可不装设保护可利用变压器的后备保护以第一段时间动作于分段断路器跳闸。
2. 对大容量变电所 6-10 kV 单母线分段或双母线经常并列运行且出线带电抗器时，采用
接于每一段母线供电元件和电流上的两相、两段式不完全母线差动保护，保护动作于变压器低压侧断路器、分段断路器和同步调相机断路器跳闸对于分列运行的变电所则采取及第 1 项相同的措施。