110kV变电站电气一次部分初步设计 开题报告

设计题目：110kV变电站电气一次部分初步。二、设计（论文）要求：编制图纸一份、说明书及计算书一份，并提供主要设备的清单、选用新技术、新设备、采用典型设备得情况介绍。三、设计（论文）的主要内容：（1）前期准备1）原始材料分析2）设计依据及基础资料。3）设计变电站在电力系统中的地理位置32682（2）变压器的选择（含容量、电压、阻抗、接线组别、相数、分接头及台数等）1059（3）电气主接线设计226631)主接线设计的原则及要求158252)主接线的基本接线方式133173)主接线的设计步骤140514)本变电站电气主接线设计 14028（4）短路电流计算195721)短路电流计算54862)短路类型及其计算方法317133)短路电流计算结果14489（5）高压电器的选择219301)高压断路器的选择231622)隔离开关的选择 304483)互感器的选择92274）母线的选择19385（6）配电装置设计25696（7）负荷计算218311）主变压器负荷计算 215532）站用变压器负荷计算7173（8）短路电流计算结果26931）短路电流标幺值的计算291822）短路电流有名值的计算21460（9）电气设备选择及校验计算46101）高压断路器选择及校验计算263932）隔离开关选择及校验计算 186503）互感器选择与校验42764）支持绝缘子的选择与校验3195）母线选择及校验计算26885（10）防雷保护计算四、主要参考资料：[1]李光琦.电力系统暂态分析（第二版）.中国电力出版社.1993：139-141．[2]黄纯华主编：《发电厂电气部分课程设计参考资料》.中国电力出版社.1987.[3]刘继春主编：《发电厂电气设计与CAD应用》.四川大学.2003.[4]陈珩.电力系统稳态分析（第二版）.水利电力出版社.1995.[5]熊信银主编：《发电厂电气部分》（第三版），中国电力出版社.2004.[6]《电力系统故障分析》.南京电力学校徐正亚编.水利电力出社.1993[7]电气设备设计计算手册.北京:国防工业出版社，2003[8]《电力系统运行操作和计算》.东北电业管理局编.水利电力出社.1997.[9]杨宛辉.发电厂、变电站电气一次部分设计参考图册.郑州大学出版社.1996.[10]《电力经济管理》，中国电力出版社2002[11]浙江大学赵智大《高电压技术》中国电力出版社.2006.论文题目110kV变电站电气一次部分初步课题调查与文献阅读（技术现状及发展）技术现状分析：我国电力工业的技术水平和管理水平正在逐步提高，现在已有许多电厂变电站实现了集中控制和采用计算机监控。目前国内外110kV以上变电站及相当一部分35kV变电站都不同规模地拥有远动及自动化系统，未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。首先，当今世界各方面因素正冲击着全球电力工业，在国外变电所技术有十分剧烈的竞争，而世界范围内的变电所都采用了新技术；其次，不同的环境要求给所有的电力供应商增加了额外的责任，使电力自动化设备尤其是高压大功率变电站的市场开发空间大大拓展。另外110kV以上变电所的最终用户对变电站的自动控制、节能、环保意识越来越强烈，迫使其上游提供者尤其是系统集成商更加重视地区性电能分配技术方面的需要，所以110kV以上变电所在世界上飞速的发展，从而要求我国变电技术上也要加入世界先进的变电技术行业。随着城市电网和农村电网的改造结束，220KV及其以上电压等级的骨干网架已基本形成，110KV变电站的地位大多数已变成了中间变电站和终端变电站，直接与用户相关联，是实现电能传递的关键环节。为了保障我国经济的高速发展，以及持续的城镇化进程，我国电力系统进入了一个快速发展阶段，电网建设得到进一步完善。由于我国电力建设起步比较晚，目前我国变电站主要现状是老设备向新型设备转变，有人值班向无人值班变电站转变，交流传输向直流输出转变，在城市变电站建设中，户内型变电站大幅增加。国外变电站主要是交流输出向直流输出转变。而数字化智能变电站也是国内外变电站未来发展趋势。技术发展分析：1、无人值守变电站：由于我国变电站自动化系统应用起步较晚，使我们的变电站无人值守运行水平与之相比还有很大的差距。在我国，许多220kV及以下电压等级变电站已经开始由监控中心进行监控，基本上实现了变电站无人值守。但作为国内电网中最高电压等级的500kV和330kV变电站，即使采用了变电站自动化系统的，也都是实行有人值守的管理方式。而在欧美发达国家，各个电压等级变电站都能实现变电站无人值守。由此发现，在国内外无人值守变电站之间、国内外变电站自动化系统之间都还有很大的差异。全面实现变电站无人值守对我国电网建设有非常明显的技术经济效益：提高了运行可靠性；加快了事故处理的速度；提高了劳动生产率：降低了建设成本。

2、城市变电站建设随着城市中心地区的用电负荷迅速增长，形势迫使在城市电网加快改造和建设的同时，在中心城区要迅速地建设一批高质量的城市变电站，在多种变电站的型式中户内型变电站受到各方面的重视，在这几年中得到飞速发展。由于户内变电站允许安全净距小且可以分层布置而使占地面积较小。室内变电站的维修、巡视和操作在室内进行，可减轻维护工作量，不受气候影响。3、数字化智能变电站在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，变电站自动化技术即将进入新阶段。变电站自动化系统是在计算机技术和网络通信技术基础上发展起来的。它以其简单可靠、可扩展性强、兼容性好等特点逐步为国内用户所接受，并在一些大型变电站监控项目中获得成功的应用。随着智能化开关，光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测及自诊断、变电站运行操作培训仿真这些新技术的日趋成熟以及广泛应用必将对现有变电站自动化技术产生深刻的影响，带来全数字化的变电站新概念。主要文献阅读：[1]张宏阳.浅谈220kV变电站设计思路及实践.科技咨讯.2009（18）[2]刘娅.11OKV变电站部分电气一次设计浅析.民营科技.2009（6）[3]马瑾瑜.华北电网首家220千伏数字化智能变电站启动.华北电业.2009（5）[4]金旭东.数字化变电站介绍.江苏电机工程.2007（21）[5]马丽英.苏小林国内数字化变电站现状.电力学报,2011[6]林济涛.220kV城市变电站电气系统设计的探讨.沿海企业与科技.2009（8）[7]电气设备设计计算手册.北京:国防工业出版社，2003[8]张国兵,冯明利,管霄.我国变电站设计的研究与发展趋势.科技与生活.2012[9]沈健,艾尼瓦尔,夏江.数字化变电站的发展.应用科技，2011.(16)[10]徐景隆.变电站自动化发展趋势分析.科学实践，2009（28）[11]浙江大学赵智大《高电压技术》中国电力出版社.2006理论分析与实验方法（原理研讨、系统分析、方案设计构想）一、原理研讨1、变压器的选择：在各级电压等级的变电站中，变压器是主要的电气设备之一。其担负着变换网络电压进行电力传输的重要任务，确定合理的变压器台数、容量、型号、调压方式和冷却方式是变电站可靠供电和网络经济运行的保证。特别是我国当前的能源政策是开发、利用、节约并重，近期以节约为主。因此，在确保安全可靠供电的基础上，确定变压器的台数、容量、型号、调压方式和冷却方式，是变电站可靠供电和网络经济运行的保证。（1）变压器容量及台数的选择：主变容量一般按变电站建成近期负荷5～10年规划选择，并适当考虑远期10～15年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，从长远利益考虑，本站应按近期和远期总负荷来选择主变的容量，根据变电所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷。（2）主变压器相数的选择：容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330kV及以下的电力系统中，一般都选择三相变压器。但是在选择主变压器的相数时，应根据原始资料以及设计变电所的实际情况来选择。（3）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\*GB3①自然风冷却：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散发热量的自然风冷却及强迫风冷却，适用于中、小型变压器。=2\*GB3②强迫油循环水冷却：虽然有散热效率高、、减少变压器本体尺寸等优点。但它须有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。=3\*GB3③强迫油循环风冷却：实用于大型变压器高效率的冷却方式。2、站用变压器选择：变电站的站用负荷，一般都比较小，其可靠性要求也不如发电厂那样高。变电站的主要负荷是变压器冷却装置、直流系统中的充电装置和硅整流设备、油处理设备、检修工具以及采暖、通风、照明、供水等。3、主接线设计的原则及要求：主接线代表了变电站电气部分主体结构，是电力系统接线的主要组成部分，是变电站电气设计的首要部分。它的设计，直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。由于电能生产的特点是发电、变电、输电和用电在同一时刻完成，所以主接线设计的好坏，直接影响到工农业生产和人们的日常生活。为此，主接线的设计必须在满足国家有关技术经济政策的前提下，正确处理好各方面的关系，全面分析相关因素，力争使其技术先进、经济合理、安全可靠。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、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电安全可靠、运行灵活、经济美观等基本要求下，兼顾运行、维护方便。（1)10kV压侧接线:由原始资料可知，在正常运行时，本变电站110kV侧主要是由110kV系统变和110kV火电厂两个电源来供电，35kV变电所与本站相连的线路传输功率较小，为联络用,所以必须考虑其可靠性。《35～110kV变电所设计规范》规定，35～110kV线路为两回及以下时，宜采用桥形、线路变压器组或单母接线。超过两回时，宜采用扩大桥形、双母线或单母分段的接线。在采用单母线、单母线分段或双母线的35～110kV主接线中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。本变电站110kV侧线路共有4回，其中出线2会，备用2回，可选择双母线接线（方案一）或单母线分段接线（方案二）两种方案。（2）35kV电压侧接线：本变电站35kV侧线路有6回，可选择双母线接线或单母线分段带旁路母线接线两种方案。（3）10kV电压侧接线：《35～110kV变电所设计规范》规定，当变电所装有两台主变压器时，6～10kV侧宜采用单母线分段，线路为12回及以上时，亦可采用双母线。当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。本变电站10kV侧线路为8回，可采用双母线接线或手车式高压开关柜单母线分段接线两种方案。4、短路电流计算：电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路时，系统从一种运行状态剧变到另一种运行状态，并伴随产生复杂的暂态现象。短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）发生通路的情况。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路，两相短路，两相接地短路和单相短路。其中，三相短路是对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称短路。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路情况最严重，破坏最大，应给以足够的重视。因此，我采用三相短路来计算，以此为依据选择和检验电气设备，以保证其安全可靠。通过故障点的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。短路的危害：短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起他们的损坏或缩短他们的使用寿命；电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量；破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至整个系统瓦解。5、高压电器设备选择：选择正确的电器是保证电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况[8]，在保证安全、可靠的前提下，尽量采用新技术，并注意节省投资。电气设备要能可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定，使所选的电器能在长期工作的条件下及发生过电压、过电流的情况下能保持正常运行。（1）高压断路器的选择：变电所中高压断路器是重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和开断负荷电流。故障时，断路器通常与继电保护配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。（2）隔离开关的选择：隔离开关是发电厂和变电站中常用的开关电器。它需与断路器配套使用。隔离开关没有灭弧装置及开断能力低，所以操作隔离开关时，必须遵循倒闸操作顺序。（3）互感器的选择：互感器是电力系统中的测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、100/）和小电流（5、1A），其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表业继电保护等。互感器的作用有：①将一次回路的高电压和电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜，便于屏内安装。②使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。6、母线的选择：发电厂和变电所的各级电压配电装置中，将发电机、变压器等大型电气设备与各种电器之间连接的导线称为母线。母线的作用是汇集、分配和传送电能。它是构成电气主接线的主要设备。母线按所使用的材料可分为铜母线、铝母线和钢母线。在含有腐蚀性气体或有强烈振动的地区一般选用铜母线；在屋内和屋外配电装置中广泛使用铝母线；钢母线仅用在高压小容量电路、工作电流不大于200A的低压电路、直流电路以及接地装置回路中。母线按截面形状分为矩形、圆形、槽形和管形等。7、配电装置设计：配电装置基本要求必须贯彻执行国家基本建设方针和技术经济政策；保证运行可靠；按照系统和自然条件，合理选用设备，在布置上力求整齐、清晰，保证具有足够的安全距离；便于检修、巡视和操作；在保证安全的前提下，布置紧凑，力求节约材料和降低造价；安装和扩建方便。二、系统分析1、变压器选择：（1）变压器容量及台数的选择：每台变压器的额定容量按（为变电所最大负荷）选择，即=0.7×24460.7=17.12kVA这样当一台变压器停用时，也保证70%负荷的供电。由于一般电网变电所大约有25%的非重要负荷，因此采用式来计算主变容量对变电所保证重要负荷来说是可行的。（2）主变压器相数的选择：本次设计的变电所，站址海拔高度700m，占地92×75m，地势平坦宽阔，附近无高山，交通运输方便，站址地势较高，排水系统良好，具有较强的防洪抗震能力。（3）主变压器冷却方式的选择：本设计主变为中型变压器，发热量不大，况且本变电站地势平坦，通风条件好。2、站用变压器选择：上述负荷容量都不太大，因此变电站的站用电压只需0.4kV一级用动力与照明混合供电方式。380V站用电母线可采用低压断路器（即自动空气开关）或闸刀进行分段，并以低压成套配电装置供电。通过计算变电站的站用负荷容量为85.14kVA（见设计计算书第8.2节）3、主接线设计的原则及要求：（1)10kV压侧接线:方案一供电可靠、运行方式灵活，但是倒闸操作复杂，容易误操作，占地面积大，设备多，投资大。方案二简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，但是运行可靠性和灵活性比方案一稍差。本变电站为地区性变电站，火电厂和系统变可以满足地区负荷的需要，基本不需要外系统支援。设置旁路设施的目的是为了减少在断路器检修时对用户供电的影响。装设SF6断路器时，因断路器检修周期可长达5～10年甚至20年，可以不设旁路设施。（2）35kV电压侧接线：方案一供电可靠、调度灵活，但是倒闸操作复杂，容易误操作，占地面积大，设备多，配电装置复杂，投资大。方案二简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，旁路断路器可以代替出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要回路特别是Ⅰ类负荷不停电。且方案二具有良好的经济性，供电可靠性也能满足要求。方案二为单母线分段带旁路母线接线，当检修出线断路器时可不停电，因其进行了分段且是断路器分段，所以当一段母线发生故障时，可以保证正常段母线不间断供电，因为设置旁路母线，可以保证Ⅰ、Ⅱ类用户用电要求，同时它结构简单清晰，运行也相对简单，便于扩建和发展。（3）10kV电压侧接线：方案一一般用于出线较多，输送和穿越功率较大，供电可靠性和灵活性要求较高的场合，设备多，投资和占地面积大，配电装置复杂，易误操作。方案二简单清晰，调度灵活，不会造成全站停电，能保证对重要用户的供电，设备少，投资和占地少。手车式断路器的出现和运行成功，断路器检修问题可不用复杂的旁路设施来解决，而用备用的手车断路器来替代需要检修的工作的手车断路器。4、短路电流计算：电力系统中可能发生的几种形式的短路类型及其计算方法是如下：（1）三相短路电流的计算：其有名值为：—系统中发生三相短路时，短路点的短路电流标幺值—系统中发生三相短路时，短路点的短路电流有名值—归算到短路点的综合正序等值电抗。（2）两相短路电流的计算：—归算到短路点的负序综合电抗—两相短路时短路点的全电流其各序分量电流值为：—分别为两相短路时，短路点短路电流的正负序分量（3）两相接地短路电流计算：—两相短路接地时，短路点故障相全电流—两相短路接地时，短路点的正序电流分量—分别为两相接地短路时的负序和零序电流分量。（4）单相接地短路电流的计算：短路点各序分量电流为：5、高压电器设备选择：（1）高压断路器的选择：设在110kV火电厂侧变电站短路，然后计算最大持续工作电流、最大短路电流、冲击电流、周期分量和热效应非周期分量进行比较分别选择出各侧合适的断路器（具体计算过程见设计书）。（2）隔离开关的选择：高压断路器选择及校验计算数据同样适合作为隔离开关的选择及校验标准使用。（3）互感器的选择：校验电流互感器一次回路额定电压和电流、热稳定校验、内部动稳定校验是否合格；校验电压互感器一次回路电压和二次回路电压是否合格。6、母线的选择校验：①导体材料、类型和敷设方式；②导体截面；③电晕；④热稳定；⑤动稳定；⑥共振频率。本电站就只按照长期发热允许电流选择截面、热稳定校验和动稳定效验来选择（具体校验计算见设计书）。7、配电装置的种类及应用：（1）普通中型配电装置，施工、检修和运行都比较方便，抗震能力好，造价比较低，缺点是占地面积较大。（2）半高型配电装置，占地面积为普通中型的47%而总投资为普通中型的98.2%，同时，该型布置在运行检修方面除设备上方有带电母线外，其余布置情形与中型布置相似。（3)高型配电装置，一般适用于220kV及以上电压等级。三、方案设计构想1、变压器选择结果：（1）变压器容量及台数的选择：通过计算本变电站可选择额定容量为20M的主变压器。为了保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，电站中一般装设两台主变压器。（2）主变压器相数的选择：经过综合分析，故本次设计的变电站选用三相变压器。（3）主变压器冷却方式的选择：为充分利用现有资源可选用自然风冷却方式。综上所述，本变电站选择三绕组无激磁调压自然风冷却方式型号为SFSL7—20000/110型的变压器2台，容量比选择为100/100/50。2、站用变压器选择结果：故选用两台型号为S9—100/10的变压器即可满足要求。3、主接线设计结果：（1)110kV压侧接线:变电站为地区性变电站，火电厂和系统变可以满足地区负荷的需要，基本不需要外系统支援，采用方案二能够满足本变电站110kV侧对供电可靠性的要求，故选用投资小、节省占地面积的方案二。本变电站110kV侧采用SF6断路器，不设旁路母线。所以110kV侧采用方案二单母线分段接线简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，为以后的发展和扩建奠定了基础。（2）35kV电压侧接线：综上，方案二它投资小，费用低，运行可靠性和灵活性比方案一好，可以满足35kV侧用户的要求。故35kV侧接线采用方案二单母线分段带旁路母线接线。（3）10kV电压侧接线：10kV侧采用单母线分段接线，在这种接线方式下，当一段母线发生故障时，不致造成另一段母线也同时停电，缩小了停电范围。而本站10kV侧出线多，很适合采用单母线分段接线，这样就能保证本级Ⅰ类负荷的要求。4、短路电流计算结果：由原始资料可知，本变电所自用负荷约为60kVA，负荷功率因数均取cosφ=0.85，负荷同期率，计算过程中一律取网损率为5%，计算基本任务为系统当前水平，阻抗标幺值按基准值为=100MVA，，以及所知的参数设置短路点以及对各支路电抗进行计算。（具体计算过程见设计计第8章）5、高压电器设备选择结果：（1）高压断路器：由以上计算结果，参考《电力工程电气设备手册》可选择110kV线路侧及变压器侧选择SW6—110型SF6户外断路器、35kV线路侧及变压器侧选择SW3—35型真空户外断路器、10kV线路侧选择SN9—9/1000型高压开关柜、10kV变压器侧选择SN10—10/1000型高压开关柜。（2）隔离开关：由以上计算数据参数比较各侧选择GW2—110隔离开关、GW2—35隔离开关、GN6—10/1000隔离开关完全能满足要求。（3）互感器（根据以上校验结果）：=1\*GB3①电流互感器：110kV线路侧及变压器侧选用LCWD-110型瓷绝缘户外电流互感器，35kV线路侧选用LZZB8-35型支柱式、LRD-35、LR-35型装入式电流互感器，35kV变压器侧选LRD-35、LR-35型装入式电流互感器，10kV线路侧及变压器侧选用LA-10型穿墙式电流互感器。②电压互感器：110kV出线选用TYD110/3型成套电容式电压互感器，110kV母线选用JDCF-110型单相瓷绝缘电压互感器，35kV母线选用JDZXW-35型单相环氧浇注绝缘电压互感器，10kV母线选用JSZX1-10F型三相环氧浇注绝缘电压互感器[12]。6、母线的选择结果：按长期发热允许电流选择截面，因为110kV侧为户外配电装置，所以选用软导线。通过计算查《电力工程电气设备手册》表5-13初选用型号为LGJ—50的钢芯铝绞线；同理35kV侧初选用LGJ-120型导线；而10kV侧采用室内配电装置，故选用型号LMY—110×10单条矩形铝母线。7、配电装置设计结果：本变电站有三个电压等级，110kV侧单母分段接线，采用屋外中型单列布置,架空进出线；35kV侧单母分段带旁母接线，采用屋外半高型布置，架空进出线；10kV侧单母分段接线，采用屋内成套高压开关柜布置，电缆出线。注：此页不够可增加。工作进度计划（按周安排工作计划）第一周第二周（1）前期准备1）原始材料分析2）设计依据及基础资料。3）设计变电站在电力系统中的地理位置32682（2）变压器的选择（含容量、电压、阻抗、接线组别、相数、分接头及台数等）第三周第四周HYPERLINK\