110kV变电站电气一次系统部分规划设计
毕业设计(论文)
题目110kV变电站电气一次系统部分规
划设计
系别电力工程系
专业班级电气工程及其自动化15k8班
学生姓名甄朋博
指导教师王璐
二○一九年六月
110kV变电站电气一次系统部分规划设计
摘要
现在是21世纪是个飞速发展的时代，现代化高科技产品的比重越来越大。人们越来越追求高质量的生活，越来越重视供电的质量，同时各种科技产品都离不开电，进而带动了电力行业的发展。国家对此扶植力度很大，国家有国家电网和南方电网，构成了整个电力系统。其中的变电站是个重要的枢纽，是发电厂和用户的媒介，有着不可动摇的地位和作用。因此，我所研究的课题是110kV变电站电气一次部分的设计，对于电网的建设很有意义。
变电站具有很强大的功能，它实现了电能的集中、转换还有分配的功能。而且它还保证了供电的可靠性，为整个电力系统能够提供高质量的，而且安全可靠稳定的电能功不可没。变电站的使命是保障电网稳定运行，同时还要保护电气设备和线路。它可以优化电能利用率，减少电能损耗，提高传输效率。不管从经济方面还是安全可靠方面，它的作用是毋庸置疑的，具有划时代的意义。同时增加了新的变电站容量，对解决目前电力供应短缺和电网资源短缺起着重要作用。
本课题根据任务书上所给负荷的参数，从安全，经济及可靠性等方面考虑，确定了110kV，35kV，10kV的主接线方案。本次设计进行了短路电流计算，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，选择了主要电气设备，并且进行了选择和校验。之后对变电站的防雷保护进行了设计。从而完成了本次毕业设计课题的设计。本设计所选设备全部为国家推荐的新型产品，技术先进、运行可靠、经济合理。
关键词：供电质量；一次系统；主变压器；短路电流计算；电气设备；防雷保护
PLANNING AND DESIGN OF ELECTRICAL PRIMARY SYSTEM IN
110KV SUBSTATION
Abstract
It is now an era of rapid development in the 21st century, and the proportion of modern high-tech products is growing. People are increasingly pursuing high-quality life, paying more and more attention to the quality of power supply, and at the same time, all kinds of technology products are inseparable from electricity, which in turn drives the development of the power industry. The state has greatly fostered this. The state has the national grid and the southern grid, which constitutes the entire power system. The substation is an important hub, a medium for power plants and users, and has an unshakable position and role. Therefore, the subject I have studied is the design of the primary part of the 110kV substation, which is very meaningful for the construction of the power grid.
The substation has a very powerful function, which realizes the concentration, conversion and distribution of electric energy. Moreover, it also guarantees the reliability of the power supply, and provides high quality, safe, reliable and stable power for the entire power system. The mission of the substation is to ensure stable operation of the grid while protecting electrical equipment and wiring. It optimizes power utilization, reduces power loss, and improves transmission efficiency. Regardless of its economic or security, its role is unquestionable and epoch-making. At the same time, the new substation capacity has been added, which plays an important role in solving the current power supply shortage and grid resource shortage.
According to the parameters of the load given in the task book, this topic determines the main wiring scheme of 110kV, 35kV and 10kV from the aspects of safety, economy and reliability. In this design, the short-circuit current calculation was carried out. According to the calculation results of the maximum continuous working current and the short-circuit
calculation, the main electrical equipment was selected and selected and verified. The lightning protection of the substation was then designed. This completes the design of this graduation design project. The selected equipments of this design are all new products recommended by the state, with advanced technology, reliable operation and reasonable economics.
Key words:Power quality; Primary system; Main transformer; Short circuit current calculation; Electrical equipment; Lightning protection
目录
摘要....................................................................... I Abstract ................................................................... II 1 绪论 (1)
1.1 我国电力工业发展状况 (1)
1.2 研究内容 (1)
1.3 拟采用的研究手段（途径） (2)
1.4 小结 (2)
2 电气主接线方案的选择 (3)
2.1 电气主接线设计 (3)
2.1.1 电气主接线设计原则 (3)
2.1.2 电气主接线设计要求 (3)
2.1.3 确定主接线方案 (3)
2.1.4 原始资料 (4)
2.1.5 拟定方案 (4)
2.2 电气主接线方案的确定 (7)
2.2.1 电气主接线方案的可靠性比较 (7)
2.2.2 主接线方案的灵活性比较 (7)
2.2.3 主接线方案的经济性比较 (7)
2.2.4 确定电器主接线的方案 (8)
3 主变压器 (9)
3.1 确定主变压器的容量、台数及型号 (9)
3.1.1 选择方法 (9)
3.1.2 容量校验 (9)
4 短路电流计算 (11)
4.1 短路电流计算的目的 (11)
4.2 短路电流计算的一般规定 (11)
4.2.1 计算的基本情况 (11)
4.2.2 接线方式 (11)
4.2.3 计算容量 (11)
4.2.4 短路种类 (11)
4.2.5 短路计算点 (11)
4.3 短路电流计算 (11)
4.3.2 画等值网络图 (11)
4.3.3 计算 (12)
5 其他电气设备 (16)
5.1 选择方法 (16)
5.1.1 一般原则 (16)
5.1.2 有关规定 (16)
5.2 导线的选择和校验 (18)
5.2.1 选择导线 (18)
5.2.2 校验导线 (22)
5.3 断路器的选择和校验 (23)
5.3.1 断路器选择的技术条件 (23)
5.3.2 断路器的型式和种类的选择 (24)
5.3.3 断路器的选择和校验 (24)
5.4 隔离开关的选择和校验 (28)
5.4.1 隔离开关的配置与技术条件 (28)
5.4.2 隔离开关的选择和校验 (29)
5.5 互感器的选择及校验 (32)
5.5.1 电压互感器的选择 (32)
5.5.2 电压互感器的校验 (32)
5.5.3 电流互感器的选择 (34)
5.5.4 电流互感器的校验 (34)
5.6 高压熔断器的选择及校验 (38)
5.6.1 高压断路器的选择 (38)
5.6.2 高压熔断器的校验 (38)
5.7 限流电抗器的选择及校验 (39)
5.7.1 限流电抗器的选择 (39)
5.7.2 限流电抗器的校验 (39)
5.8 支柱绝缘子和穿墙套管的选择及校验 (40)
5.8.1 支柱绝缘子的选择 (40)
5.8.2 选择穿墙套管 (41)
5.9 消弧线圈的选择及校验 (41)
5.9.1 消弧线圈的选择 (41)
5.10 避雷器的选择及校验 (42)
5.10.1 避雷器的选择 (42)
5.10.2 避雷器的校验 (42)
6 无内外配电装置设计 (45)
6.1 配电装置的设计要求 (45)
6.1.1 配电装置应满足的基本要求 (45)
6.1.2 配电装置的安全净距[7] (45)
6.2 配电装置的选型及其布置 (46)
6.2.1 选择原则 (46)
6.2.2 屋外配电装置选择 (46)
6.2.3 10kV屋内配电装置选择 (46)
7 防雷与接地系统设计 (47)
7.1 防雷保护的设计 (47)
7.2 主变中性点放电间隙保护 (47)
7.3 避雷针的选择 (47)
7.3.1 避雷针保护范围计算 (47)
7.4 接地网的设计 (50)
7.4.1接地体的设计 (50)
7.4.2典型接地体接地电阻计算 (50)
7.4.3 接地网设计计算 (51)
8 变电站总体布置 (53)
8.1 总体规划 (53)
8.2 总平面布置 (53)
8.2.1 总平面布置的主要内容 (53)
8.2.2 总平面布置的基本原则 (53)
结论 (54)
附录A (56)
附录B (56)
致谢 (58)
1 绪论
1.1 我国电力工业发展状况
“我国的能源产业占有非常重要的地位，因为它可以促进国家建设，以及国民经济的强劲发展，享有不可或缺的地位，加快中国的国家现代化。电是一种具有无形特性且无法大量储存的二次能源。可以快速完成电力的发电，变电站，输配电，每时每刻都要保证能量平衡。为确保国民经济的快速发展，只有通过早期电力工业的发展我们才能掌握领军水平。大大改善了国民经济。因此，我们必须制定能源发展计划，特别是电网，以促进建设。”[1]
“我国的能源产业可以迅速发展，因为中国拥有丰富的资源，可以为材料提供良好的基础。但是，在中国近代，能源产业非常落后，在新中国成立后能源产业蓬勃发展之前，没有办法利用这些资源。1978年改革开放后，尤为引人注目。适当发展国民经济和不断提高综合实力的决定推动了能源产业向春天发展，取得了显着成绩。”[1]“但是，由于近年来中国国民经济的快速发展，人们生活用电需求的急剧增加，已经不能满足全社会的能源需求。而且，中国人口众多，所以中国的平均用电量低于发达国家，即使中国在发展中国家，也只是平均水平。能源行业目前面临着这些实际问题，因此能源系统现在要解决的主要任务是为全国人口提供安全可靠的高质量，低成本电力，以便人们可以用电安心放心。”[1]
“电力行业的发展离不开变电站的建设，起着非常重要的作用，不可忽视。整个变电站中各种电器设备及其配电装置的布置，都要受电气主接线的拟定直接影响，同时也影响变电站电气部分投资大小。所以，变电站这个课题的研究有着很大的意义，对现代电力行业的发展有促进的效果。我们对未来我国电力行业充满信心，我们有理由相信，在新的21世纪中，我国电力工业必将稳定持续、快速地发展，能够再创辉煌的成果。”[1]
1.2 研究内容
本课题要求设计一个110kV的变电站。涉及的主要内容有：
“1、要求根据任务书给定的原始数据，选择好变压器的容量以及需要几台。
2、初步拟定方案。
3、短路计算。
4、选择设备，并计算是否符合要求（比如：变压器、互感器、限流电抗器、高压熔断器、高压断路器、避雷器、隔离开关等）。
5、屋内外配电装置的确定。
6、变电站防雷保护的确定。”［1］
1.3 拟采用的研究手段（途径）
“通过查阅相关参考文献，在掌握变电站设计基本流程及方法的基础上，根据对原始资料的分析及变电站设计的基本原则和基本要求设计出两种合理的接线方案,再对其进行安全可靠及灵活性分析,最后确定出变电站的最优接线方式；结合任务书所给的数据，并通过计算，确定好各种电气设备；并根据所选电气设备的具体技术条件对其进行校验,最后确定出符合变电站设计要求的电气设备；最后还要设计出避雷保护；以上完成后要整体的设计出电气总平面图设计与选择，最后出图完成课题。”［1］
1.4 小结
本章主要介绍了变电站设计的主要内容，采用的方法和技术手段。变电站电气部分的内容有很多，涉及的范围也比较广，其中包括了电气一次系统还有一部分二次系统。由于时间有限，我所研究的变电站主要是电气的一次系统。在毕业设计过程中不断学习新知识和温习大学四年所学知识，加强了对理论知识的理解，同时，在变电站设计过程中通过参观电厂和查阅资料，不断联系实际，从懵懵懂懂到深入研究使自己的能力不断得到提升，可以更好的完成论文。
2 电气主接线方案的选择
2.1 电气主接线设计
2.1.1 电气主接线设计原则
以任务书为依据，根据国家现行的“安全可靠、经济适用、符合国情”的电力建设与发展方针，严格按照技术规定和标准，结合工程实际的具体特点，准确地掌握原始资料，保证设计方案的可靠性、灵活性和经济性。[2]
2.1.2 电气主接线设计要求
2.1.2.1 可靠性；
2.1.2.2 灵活性；
2.1.2.3 经济性：
主变压器的型号、容量、台数的选择要经济合理。[2]
2.1.3 确定主接线方案
两大类：
（1）有汇流母线的接线形式：单母线、单母线分段、双母线、双母线分段、增设旁路母线或旁路隔离开关。
（2）无汇流母线的接线形式：变压器—线路单元接线、桥形接线、角形接线等。[2] 2.1.3.1 几种接线方式
1）单母线接线
适用范围：只有一台主变压器，10kV出线不超过5回，35kV出线不超过3回，110kV 出线不超过2回。[7]
2）单母线分段接线
适用范围：适用于6～10kV配电装置出线6回及以上，35～60kV配电装置出线4～8回，110～220kV配电装置3～4回时。[7]
3）双母线分段接线。
由于当进出线总数超过12回及以上时，方在一组母线上设分段断路器，根据原始资料提供的数据，此种接线方式过于复杂，故不作考虑。[7]
4）双母线接线。
适用范围：出线带电抗器的6～10kV出线，35～60kV配电装置出线超过8回或连接电源较多，负荷较大时，110kV～220kV出线超过5回时。[7]
适用范围：
（1）出线回路多,断路器停电检修机会多；[7]
（2）线路为向用户单供，不允许停电，及接线条件不允许断路器停电检修时。[7] 6）变压器—线路单元接线。
适用范围：只有一台变压器和一回线路时。[7]
7）桥形接线：分为内桥和外桥两种。
（1）内桥接线
适用范围：容量较小的变电站，并且变压器容量不经常切换或线路较长，故障率较高的情况。[7]
（2）外桥接线
适用范围：容量较小的变电站，并且变压器的切换较频繁或线路较短，故障率较低的情况，当电网中有穿越功率经过变电站时，也可采用此种接线。[7]
8）角形接线
适用范围： 110kV以上的装置中, 出线为3～5回。[7]
（具体内容见电力手册）
2.1.4 原始资料
2.1.4.1 电压等级：110/35/10kV
2.1.4.2 回路数：
110kV侧 2回进线系统短路电抗为0.12
35kV侧 8回出线
10kV侧 13回出线（电缆线）
2.1.4.3 负荷情况：
?＝
T=，cos0.85
35kV侧：最大35MW，最小20MW，max4000h
?＝
T=，cos0.9
10kV侧：最大20MW，最小18MW，max3500h
2.1.5 拟定方案
2.1.5.1从可靠性和经济性来定，110kV部分适用的接线方式为内桥接线和单母线接线。[2]
2.1.5.2 35kV部分可选单母线分段及双母线接线两种。[2]
2.1.5.3 10kV部分定为单母线分段接线。[2]
2.1.5.4 拟定两种主接线方案：
方案I：110kV采用内桥接线，35kV采用单母线分段接线，10kV是单母线分段接线。
方案II：110kV采用内桥接线，35kV采用单母线分段接线，10kV为双母线接线。[2]
方案I、方案II的主接线图，如下图所示：
110kV侧
侧
图2-1 方案I
110kV
侧
图2-2 方案II
2.2 电气主接线方案的确定
2.2.1 电气主接线方案的可靠性比较
110kV侧：
方案I：采用内桥接线，当一条线路故障或切除时，不影响变压器运行，不中断供电；桥连断路器停运时，两回路将解列运行，亦不中断供电。[2]且接线简单清晰，全部失电的可能性小，但变压器二次配线及倒闸操作复杂，易出错。[2]
方案II：采用单母线接线，虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配电装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。[2]
35kV侧：
由于两方案接线方式一样，故不做比较。[2]
10kV侧：
方案I：单母线分段接线，检修任一台断路器时，该回路需停运，分段开关停运时，两段母线需解列运行，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不致失电，另一段母线上其它线路需停运。[2]
方案II：双母线接线，它具有供电可靠、调度灵活、扩建方便等优点，而且检修另一母线时，不会停止对用户连续供电。[2]
2.2.2 主接线方案的灵活性比较
110kV侧：
方案I：操作时，主变的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，扩建方便。线路的投入和切除比较方便。[2]
方案II：不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。[2]
35kV侧：灵活性一样。
10kV侧：
方案I：运行方式简便，调度操作简单灵活，易于扩建，但当开关或二次检修时线路要停运，影响供电。[2]
方案II：运行方式复杂，调度操作复杂，但可以灵活地投入和切除变压器和线路，能满足在事故运行方式，检修方式及特殊运行方式下的调度要求，较易于扩建。[2]
2.2.3 主接线方案的经济性比较
每个方案所需要的电气设备统计表，如下：
表2-1
从上表可以看出，方案I比方案II少 15组10kV隔离开关，方案I占地面积相对少一些（10kV侧是单母线），所以说方案I比方案II综合投资少得多。[2]故选择方案I
2.2.4 确定电器主接线的方案
通过以上比较，选择方案I最终方案，即110kV系统采用内桥接线、35kV系统采用单母分段接线、10kV系统为单母线分段接线。[2]
3 主变压器
3.1 确定主变压器的容量、台数及型号
3.1.1 选择方法
3.1.1.1 主变容量和台数的确定原则 具体参考课本P22页 3.1.1.2 主变压器台数的确定
本变电站安装两台主变压器。（具体参考课本P22页） 3.1.1.3 调压方式的确定：
据设计任务书中：系统110kV 母线电压满足常调压要求，且为了保证供电质量，电压必须维持在允许范围内，保持电压的稳定，根据《发电厂电气部分》P22页，分析得不满足有载调压使用情况，所以应选择无载调压变压器。[1] 3.1.1.4 电压等级的确定：
本变电站有三个电压等级，一次侧为110kV ，二次侧为35kV 和10 kV ，且没有制造、运输等方面的特殊要求，故选用三绕组变压器。[1] 3.1.1.4 主变压器冷却方式的选择：
“主变压器一般采用的冷却方式有：自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却[1]。小容量变压器一般选择自然风冷却。强迫油循环水冷却有许多的优点，比如说体积小，制作成本较低，冷却效果好等优点。"[1]
综上所述，本设计选择强迫油循环水冷却。[1] 3.1.1.5 主变压器容量的确定
对装设两台主变压器的变电站，每台变压器容量应按下式选择：n S =M 0.7P 。
根据任务书原始数据得：
35kV 侧max=35MW P ，min=20MW P ，cos =0.85? 10kV 侧max=20MW P ，min=18MW P ，cos =0.90? 所以，
n=0.7(35/0.85+20/0.90)=44.379(MVA)S ?
参考《电力工程电气设计手册》P217页和P184页，选择两台普通的三绕组变压器，型号为：SFSL1-50000型变压器。[7]
3.1.2 容量校验
起始负荷系数1K =实际最小负荷/额定容量=()2018/50=0.76+
变压器允许过负荷系数2K =实际最大负荷/额定容量=()3520/50=1.10+
0.95
1.35
K2
K1=0.60
K1为起始负荷倍数；t为日最大负荷持续时间；K2为变压器允许过负荷倍数
t/h
图3-1过负荷曲线图
可见：此变压器能满足过负荷要求，可以选用此型号的变压器。[3]
4 短路电流计算
4.1 短路电流计算的目的
“（1）选择出最优的电气主接线。
（2）针对性能需求，选择出电气设备。
（3）计算出最好的方案，减小短路电流的危害。
（4）提前计算好线路可能对通讯的干扰，最大程度上避免。”[3] 4.2 短路电流计算的一般规定
4.2.1 计算的基本情况
“（1）系统中所有电源均在额定负荷下运行。
（2）短路瞬间，达到最高的短路电流。
（3）电源电势同相位。
（4）应考虑对短路电流值有影响的所有元件。”[3]
4.2.2 接线方式
选择最大的运行方式。
4.2.3 计算容量
按该设计规划容量计算。
4.2.4 短路种类
均按三相短路计算。
4.2.5 短路计算点
短路点是最大的短路电流的所在的地点。
4.3 短路电流计算
4.3.1 选择计算短路点
短路图三个短路点，就是 d1，d2，d3。
4.3.2 画等值网络图
见图4-1[3]
4.3.3 计算
4.3.3.1 110kV 、35kV 、10kV 三个等级，j S =100MVA ， 110kV 母线系统短路容量为3000MVA 。 4.3.3.2 无限大电流源，所以暂态分量等于稳态分量，即I I ∞=＂， S S ∞=＂[3] 4.3.3.3 主变压器的型号为150000SFSL -， j 100S MVA =基准容量为 [3] j e =1.05 =115(k :V)U U 基准电压
(()j j j ==100/11:5=0.502I S KA 基准电流
图4-1 等值网络图
基准电抗()22j j j j j == / =115/100=132X U U S Ω ∴对侧110kV 母线短路容量S kt 的标幺值为
b kt kt kt *= /=/100S S S S （4-1） ∴对侧110kV 母线短路电流标幺值
kt kt *= *I S （4-2） ∴对侧110kV 系统短路阻抗标幺值
s kt *=1/ *=0.12x I （4-3） d1、d2、d3点的等值电抗值计算公式：
1(1-2)(1-3)(2-3)=1/2{%+ %- %}x U U U ?
2(1-2)(2-3)(1-3)=1/2{%+ %- %}x U U U ? （4-5）
3(1-3)(2-3)(1-2)=1/2{%+ %+ %}x U U U ?
其中：12%U -（）—变压器高压与中压绕组间短路电压 13%U -（）—变压器高压与低压绕组间短路电压 23%U -（）
—变压器中压与低压绕组间短路电压 查表得，
(1-2)%=17.5U (1-3)%=10.5U (2-3)%=6.5%U （4-6） 主变额定容量N =50MVA S
10kV
d2
d3
35kV X2
X2X3X3
X1
X1
d1110kV
Xs
所以1=1/2(17.5+10.5-6.5)=10.75x ?
2=1/2(17.5+6.5-10.5)=6.75x ? 3=1/2(10.5+6.5-17.5)= - 0.25x ?
标么值: ()()11*= /100=10.7510010050=0.215j N x x S S ??
()()22*= /100=6.7510010050=0.135j N x x S S ?? （4-7）
()()33*= /100=-0.25100100=-0.005j N x x S S ??
任务书已经给定110kV 等值阻抗 X 0.12S *= 当d1点短路时：
图4-2
''d1*=1/ s*=1/0.12=8.333 I X
j j j =115)=0.502(kA)I S ''''j d1d1*= =8.3330.502=4.183(kA)I I I ??
''d1=I I ∞ （4-8）
''ch
=1.8=1.8 4.183=10.647(kA)I I j 115 4.183=833.170(MVA)S I ∞∞?? 其中，d I ：短路电流周期分量有效值；
d I "：起始次暂态电流； I t ∞=∞：时稳态电流； S ∞：短路容量； 当2d 点短路时：
35kV