110kV变电站的电气主接线设计

1、110kV变电站电气主接线设计白银进物理与电子信息学院 电气工程及其自动化 学号：指导教师：高岳摘要：变电站是电力系统的重要组成部分，因此，变电站安全可靠运行与国民经济的发展密切相关。本次设计，假定某地的负荷现状以及分析负荷发展趋势。从负荷增长方面阐明了建站的必要性，然后通过对负荷资料的分析，从安全性、经济性及可靠性方面考虑，确定了110kV，35kV，10kV以及站用电的主接线，最后，根据最大负荷电流及短路电流计算的结果确定继电保护装置，从而完成了110kV电气一次部分的设计。关键词：变电站；电气设备；负荷计算；短路电流计算；电气主接线The design of 110kV electric

2、al substation main wiringBai Yin-jinCollege of Physics and Electronic Information Electric Engineering and Automation No: Tutor: Gao YueAbstract:Transformer substation is an important part of power system,and its safety and reliability are closely related with the development of national economy. Th

3、is design supposing the present load condition of certain place and analyzing the load development trend. From the load increasing illustrates thenecessity of the site,and thenthrough the analysis of theloaddata,considered from theaspects ofsafety,economy and reliability. Finally,to determine therel

4、ay protectiondevice according to thecalculation of the maximumload current andshort circuit currentresults,thus completing the110kVelectrical design ofa part of the.Key words: transformer substation; electrical equipment; load calculation; short circuit current calculation;main electrical wiring目 录1

5、 引言41.1 选题的背景及意义41.2 设计的主要内容42 变电站的原始资料及负荷计算42.1 变电站的规模42. 2 变电站的基本数据52.2.1 110kV侧基本数据52.2.2 35kV侧基本数据52.2.3 l0kV侧站用负荷基本数据52. 3 系统情况52.4 负荷计算63 变电站短路电流计算63. 1 短路故障产生的原因63. 2 短路故障的危害73. 3 短路电流计算的目的及假设83. 4 短路电流计算的步骤93. 5 短路电流计算的结果94 电气主接线的设计104. 1 电气主接线设计的基本要求104.1.1 可靠性104. 1. 2 灵活性114. 1. 3 经济性114.

6、 2 主接线的一般接线形式114. 3 主接线方案的选择124. 3. 1 110kV侧电气主接线124. 3. 2 35kV侧电气主接线134. 3. 3 10kV侧电气主接线145 主变压器的保护155.1 变压器的故障类型155. 2 变电站主变保护的配置155.2.1主变瓦斯保护155.2.2差动保护165.2.3主变压器的后备保护165.2.4过负荷保护165.2.5变压器的零序过流保护166 总结16参考文献17附录119附录2241 引言1.1 选题的背景及意义随着我国国民经济的快速增长，用电也成为制约我国经济发展的重要因素，各地都在兴建一系列的用配电装置。变电站是电力系统的重要

7、组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。我国电力工业的技术水平和管理水平正在逐步提高，现在已有许多变电站实现了集中控制和采用计算机监控。电力系统也实现了分级集中调度，所有电力企业都在努力增产节约，降低成本，确保安全远行。随着我国国民经济的发展，电力工业将逐步跨入世界先进水平的行列。变电站是生产工艺系统严密、土建结构复杂、施工难度较大的工业建筑。电力工业的发展，单机容量的增大、总容量在百万千瓦以上变电站的建立促使变电站建筑结构和设计不断地改进和发展。变电站结构的改进、新型建材的采用、施工装备的更新、施工方法的改进、代管理的运用、队

8、伍素质的提高、使火电厂土建施工技术及施工组织水平也相应地随之不断提高。电气主接线是发电厂变电站的主要环节，电气主接线的拟定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，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。随着变电站综合自动化技术的不断发展与进步，变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，继而实现“无人值守”变电站已成为电力系统新的发展方向和趋势。为了适应我国国民经济的快速增长，需要密切结合我国的实际条件，从电力系统的全局着眼，综合分析，需要设计出一系列的符合我国各个地区的用以供电的变电站，用以协调各专业系统和各阶段有关的各项工作，以求取得最佳技术经济的综合

9、效益1。1.2 设计的主要内容本设计包括：(1)所设计变电站的基础资料数据分析。(2)所设计变电站负荷计算。(3)所设计变电站电气主接线的设计。(4)所设计变电站短路电流计算。(5)所设计变电站主变压器的保护。2 变电站的原始资料及负荷计算2.1 变电站的规模本次变电站设计为一110kV区域性变电站，以供给附近地区的工业、农业和民用电。该变电站建成后，主要对本区用户供电为主，尤其对本地区大用户进行供电，以改善提高供电水平。同时和其他地区变电站联成环网，提高了本地供电质量和可靠性。2. 2 变电站的基本数据2.2.1 110kV侧基本数据110kV侧出线4回，另有2回备用，同时系数取0.9，其负

10、荷参数如表1: 表1 110kV侧负荷参数负荷名称最大负荷(MW)功率因数回路数出线方式重型机械厂220.92架空线钢铁冶炼厂18.50.92架空线2.2.2 35kV侧基本数据35kV侧出线8回，另有2回备用，同时系数取0.9，其负荷参数如表2: 表2 35kV侧负荷参数负荷名称最大负荷(MW)功率因数回路数出线方式机床厂90.92架空线化工厂60.92架空线食品加工厂50.92架空线造纸厂40.91架空线纺织厂2.50.91架空线2.2.3 l0kV侧站用负荷基本数据l0kV侧装有电抗器和1台TT-30-6调相机；站用负荷为动力负荷和照明负荷，最大负荷为91.5kVA，同时系数为0.85，

11、功率因数为0.85。2. 3 系统情况本变电站的电压等级为110/35/10。变电站由两个系统供电，系统S1为600MVA容抗为0.38；系统S2为800MVA，容抗为0.45。线路1为30KM，线路2为20KM,线路3为25KM，线路型号为LGJQ-150。如图1所示：图1 系统结构图2.4 负荷计算要选择主变压器和站用变压器的容量，确定变压器各出线侧的最大持续工作电流，首先必须要计算各侧的负荷，包括站用电负荷(动力负荷和照明负荷)、10kV负荷、35kV负荷和110kV侧负荷2,3。所用公式： (1)式中： 一一某电压等级的计算负荷 一一同时系数 a%一一该电压等级电网的线损率，一般取5%

12、 P、一一各用户的负荷和功率因数(1) 站用负荷计算根据己知负荷资料，由公式 (1) 得：(2) 35kV侧负荷计算根据已知负荷资料，由公式 (1) 得：(3) 110kV侧负荷计算根据已知负荷资料，由公式 (1) 得：3 变电站短路电流计算3. 1 短路故障产生的原因工业与民用建筑中正常的生产经营、办公等活动以及人民的正常生活，都要求供电系统保证持续、安全、可靠地运行。但是由于各种原因，系统经常会出现故障，使正常运行状态遭到破坏。短路是系统常见的严重故障。所谓短路，就是系统中各种不正常的相与相之间或相与地之间的短接。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被破坏3,6。系统

13、发生短路的原因很多，主要有：(1) 设备原因电气设备、元件的损坏。如：设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常运行时被击穿引起短路；发电机、变压器、电缆线路等的载流部分的绝缘材料在运行中损坏；以及设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路的功能。(2) 自然原因鸟兽跨接在裸露的载流部分以及大风或导线覆冰引起架空线路杆塔倒塌所造成的短路也是屡见不鲜的。(3) 人为原因 工作人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程带接地刀闸合闸，造成金属性短路；此外运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作也会引起短路故障。电力系统的短路故障大多数发生在架空线路部分。总之，

14、产生短路的原因有客观的，也有主观的，只要运行人员加强责任心，严格按规章制度办事，就可以把短路故障的发生控制在一个很低的限度内。3. 2 短路故障的危害供电系统发生短路后，电路阻抗比正常运行时阻抗小很多，短路电流通常超过正常工作电流几十倍直至数百倍以上，它会带来以下严重后果：(1) 短路电流的热效应巨大的短路电流通过导体，短时间内产生很大热量，形成很高温度，极易造成设备过热而损坏。(2) 短路电流的电动力效应由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的电动力。如果电动力过大或设备结构强度不够，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，使事故进一步扩大。(3) 短路系统电压下降短路造成系统电压突然下降，

15、对用户带来很大影响。例如，异步电动机的电磁转矩与端电压平方成正比。同时电压降低能造成照明负荷诸如电灯突然变暗及一些气体放电灯的熄灭等，影响正常的工作、生活和学习。(4) 不对称短路的磁效应当系统发生不对称短路时，不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻近的电路内能感应出很大的电动势4。(5) 短路时的停电事故短路时会造成停电事故，给国民经济带来损失。并且短路越靠近电源，停电波及范围越大。(6) 破坏系统稳定造成系统瓦解短路可能造成的最严重的后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步，破坏系统稳定，最终造成系统瓦解，形成地区性或区域性大面积停电。3. 3 短路电流计算的目的及假设短路电流计算目

16、的是：(1) 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。(2) 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。(3) 在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检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，也需用短路电流3。短路电流计算的一般规定是：(1) 验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划

17、(一般为本期工程建成后510年)。确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按只在切换过程中可能并列运行的接线方式。(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装置放电电流的影响。(3) 选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点时，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。(4) 导体和电器的动、热稳定以及电器的开断电流一般按三相短路验算3,7。短路计算基木假设是：(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

18、电流大小而发生变化；(4) 不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；(5) 元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；(6) 系统短路时是金属性短路。3. 4 短路电流计算的步骤(1) 计算各元件电抗标么值，并折算到同一基准容量下；(2) 给系统制订等值网络图；(3) 选择短路点；(4) 对网络进行化简，把供电系统看成为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标么值，并计算短路电流的标么值、有名值；标幺值：有名值：(5) 计算短路容量、短路电流冲击值、最大短路电流有效值；短路容量：短路冲击电流：最大短路电流有效值：(6) 列出短路电流计算并得出结果3,5

19、。3. 5 短路电流计算的结果短路电流的计算过程见附录1，计算结果如表3所示：表3 短路电流计算结果短路点的编号基准电压（kV）基准电流(kA)短路电流标幺值短路电流有名值 (kA)短路电流冲击值(kA)短路全电流最大有效值(kA)短路容量S(MVA)d1150.50213.5146.78517.3010.2451351.436d371.565.5878.71622.18413.161558.556d10.55.4994.09822.53557.35634.028409.82d0.4144.342.252325.054828.88490.83225.197短路是电力系统中最常见的且很严重的故障

20、。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。从另一方面来说，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。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。在短路电流计算中，需要严谨仔细，容不得一点差错，在对每个短路点的短路电流计算中，系统等值电路图的化简尤为重要，根据等值电路图计算出各点的短路电流之后，才能正确的选择合适的电气设备，否则将造成不少不必要的经济损失。4 电气主接线的设计变电站电气主接线设计是依据变电站的最高电压等级和变电站的性质，选择出一种与变电站在系统中的地位和作

21、用相适应的接线方式。变电站的电气主接线是电力系统接线的重要组成部分。它表明变电站内的变压器、各电压等级的线路、无功补偿设备最优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电站内各种电气设备之间的连接方式。一个变电站的电气主接线包括高压侧、中压侧、低压侧以及变压器的接线。因各侧所接的系统情况不同，进出线回路数不同，其接线方式也不同。应本着具体问题具体分析的原则，根据变电站在电力系统中的地位和作用、负荷性质、出线回路数、设备特点、周围环境及变电站规划容量等条件和具体情况，在满足供电可靠性、功能性、具有一定灵活性、拥有一定发展裕度的前提下，尽量选择经济、简单实用的电气主接线。电力网络的复杂性和多样性决

22、定了我们不能教条地选择8。4. 1 电气主接线设计的基本要求电气主接线设计的基本原则为：可靠性、灵活性和经济性。4.1.1 可靠性安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求3,9。主接线可靠性的具体要求：(1) 断路器检修时，不宜影响对系统的供电。(2) 断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对一级负荷全部和大部分二级负荷的供电。(3) 尽量避免变电站全部停运的可靠性。4. 1. 2 灵活性主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。(1) 为了调度的目的：可以灵活地操作，投入或切除某些变压器及线

23、路，调配电源和负荷能够满足系统在事故的运行方式，检修方式以及特殊运行方式下的调度要求。(2) 为了检修的目的：可以方便地停运断路器，母线及继电保护设备，进行安全检修，而不致影响电力网的运行或停止对用户的供电。(3) 为了扩建的目的：可以容易地从初期过渡到其最终接线，使在扩建过渡时，无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。4. 1. 3 经济性主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。(1) 投资省：主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器避雷器等一次设备的投资，要能使控制保护不过复杂，以利于运行并节约二次设备和控制电缆投资；要能限制短路电流，以便选择价格合理的电

24、气设备或轻型电器；在终端或分支变电站推广采用质量可靠的简单电器。(2) 占地面积小：主接线要为配电装置布置创造条件，以节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。在不受运输条件许可，都采用三相变压器，以简化布置。(3) 电能损失少：经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量，避免两次变压而增加电能损失10。4. 2 主接线的一般接线形式电气主接线是根据电力系统和变电站具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线路多时(一般超过四回)为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰、运行方便，有利于安装和扩建。在电压等级出线超过四回时，宜采用有母线连接。目前常用的主接线形式有:单母

25、线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分段带旁路、1个半断路器接线、桥形接线及线路变压器组接线等。4. 3 主接线方案的选择4. 3. 1 110kV侧电气主接线由于此变电站是为了某地区电力系统的发展和负荷增长而拟建的。那么其负荷为地区性负荷。1110kV220kV出线数目为5回及以上或者在系统中居重要地位，出线数目为4回及以上的配电装置，在采用单母线分段或双母线接线的35kV110kV系统中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路母线。根据以上分析，110kV有4回出线，另有2回备用，并带有重要负荷保留下面两种可能接线方案，如图2 及图3 所示。图2 单母线分段带旁路母线接线图3 双

26、母线旁路母线接线对图2及图3所示方案I，II的比较见表4。表4 110kV主接线方案比较表项目方案方案I方案II技术简单清晰、操作方便、易于发展可靠性、灵活性差旁路断路器还可以代替出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要用户供电运行可靠、运行方式灵活、便于事故处理、易扩建母线断路器可以代替需检修的出线断路器工作倒闸操作复杂，容易误操作经济设备少、投资小用母线分段断路器兼做旁路断路器节省投资占地大、设备多、投资大母联断路器兼做旁路断路器节省投资在技术上(可靠性、灵活性)第II种方案明显合理，在经济上则方案I占优势。鉴于此站为地区变电站应具有较高的可靠性和灵活性，经综合分析，决定选第II种方

27、案为设计的最终方案。4. 3. 2 35kV侧电气主接线电压等级为3560kV，出线为48 回，可采用单母线分段接线，也可采用双母线接线。为保证线路检修时不中断对用户的供电，采用单母线分段接线和双母线接线时，可增设旁路母线。但由于受设置旁路母线的条件所限(3560kV出线多为双回路，有可能停电检修断路器，且检修时间短，约为23天。) 所以，3560kV采用双母线接线时，不宜设置旁路母线，有条件时可设置旁路隔离开关9。据上述分析、组合，筛选出以下两种方案。如图4 和5 所示：图4 单母线分段带旁路母线接线图5 双母线接线对图4 及图5 所示方案I, II综合比较。见表5表5 35kV主接线方案比

28、较项目方案方案I方案II技术简单清晰、操作方便、易于发展可靠性、灵活性差旁路断路器还可以代替出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要用户供电供电可靠调度灵活扩建方便便与试验易误操作经济设备少、投资小占地面积小设备多、配电装置复杂投资和占地面积大经比较两种方案都具有易扩建这一特性，方案I具有良好的经济性，但其可靠性和灵活性不如方案II，鉴于35kV侧负荷较多，因此选用可靠性较高的方案II。4. 3. 3 10kV侧电气主接线l0kV只用来做无功补偿使用，可采用单母线分段接线方式，接线形式如图6所示。图6 单母线分段接线电力系统是一个巨大的、严密的整体。各类发电厂、变电站分工完成整个电力系统

29、的发电、变电和配电的任务。其主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电站和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民日常生活。随着电力系统技术的飞速发展，在电气主接线方面也有了不小的变化，已不仅仅局限在一个小范围的供电系统，因此，在电气主接线方面，不能一味的强调灵活和经济，还要着眼未来，要从大局出发，对比不同的方案来选择最适合本地区的主接线方案。电气主接线设计图见附录2。5 主变压器的保护5.1 变压器的故障类型变压器的故障可分为内部和外部两种故障。内部故障是指变压器油厢里面的各种故障，主要故障类型有3,9：(1)各绕组之间发生的相间短路；(2)单相绕组部分线区之间发生的匝间短路；(3)单相绕组或引出

30、线通过外壳发生的单相接地短路；(4)铁芯烧损。变压器的外部故障类型有：(1)绝缘套管网络或破碎而发生的单相接地(通过外壳)短路；(2)引出线之间发生的相间故障。变压器的不正常运行情况主要有：(1)由于外部短路或过负荷而引起的过电流；(2)油箱漏油而造成的油面降低；(3)变压器中性点电压升高或由于外加电压过高而引起的过励磁。为了防止变压器发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失，保证系统安全连续运行，故变压器应装设一系列的保护装置。5. 2 变电站主变保护的配置5.2.1主变瓦斯保护对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯

31、动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器9。5.2.2差动保护对变压器绕组和引出线上发生故障，以及发生匝间短路时，其保护瞬时动作，跳开各侧电源断路器。5.2.3主变压器的后备保护为了反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，所以需装设过电流保护。而本次所设计的变电站，电源侧为110kV，主要负荷在110kV侧和35kV侧，即可装设两套过电流保护，一套装在低压侧35kV侧并装设方向元件，电源侧110kV侧装设一套，并设有两个时限t2和t3，时限设定原侧为t3 t2+t，用一台变压器切除三侧全部断路器。5.2.4过负荷保护变压器长期过

32、负荷运行时，绕组会因发热而受到所伤。对400kVA以上的变压器，当数台并列运行时，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，装设过负荷保护。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用与信号。对于无经常值班的变电所，必要时过负荷保护可动作与自动减负荷或跳闸。对自耦变压器或多绕组变压器，过负荷保护应能反映公共绕组及各测过负荷的情况。5.2.5变压器的零序过流保护对于大接地电流的电力变压器，一般应装设零序电流保护，用作变压器主保护和相邻元件接地短路的后备保护，一般变电站内只有部分变压器中性点接地运行，因此，每台变压器上需要装设两套零序电流保护，一套用于中性点接地运行方式，另一套用于中性

33、点不接地运行方式。6 总结(1) 论文的要点：本次毕业设计中主要谈到了：所设计变电站的基础资料数据、负荷计算、电气主接线的设计、变电站短路电流计算、主要变压器的保护。随着我国国民经济的发展，电力工业将逐步跨入世界先进水平的行列，各地区所需变电站的数量也在增加。在兴建变电站的同时，现在已有许多变电站实现了集中控制和采用计算机监控。电力系统也实现了分级集中调度，所有电力企业都在努力增产节约，降低成本，确保安全远行。因此，变电站的设计也需要综合多方面因素，以求取得最佳的经济技术效益。首先根据变电站基础数据进行负荷计算，确定主要电气设备变压器的负荷容量，变压器的选择是至关重要的，特别是在选择主变的时候

34、，需综合各种技术因素，选择最适合的，才能取得最佳的运行效果。随着电力系统技术的飞速发展，在电气主接线方面也有了不少的改进，已不仅仅局限在一个小范围的供电系统，因此，在电气主接线方面，不能一味的强调灵活和经济，还要着眼未来，要从大局出发，对比不同的方案来选择最适合本地区的主接线方案。短路是电力系统中最常见且很严重的故障。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、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。在短路电流计算中，需要严谨仔细，容不得一点差错，否则将造成不少不必要的经济损失。在短路电流等各项技术数值计算完成后，便是导体与电气设

35、备的选择了，由于电气设备和载流导体的用途及工作条件各异，导致它们的选择校验项目和方法也都完全不相同。对于电力变压器而言，其对于系统的重要性要求变压器要长期安全稳定运行，因此，相应的变压器保护措施也是非常必要的。而变压器保护又可分为主保护和后备保护，在本文介绍的保护中，采用的主保护有瓦斯保护和差动保护，而后备保护需要有一定时限，也就是说不能在主保护无故障时提前动作，要滞后于主保护的动作时间。(2) 论文不足点本次论文全篇章节主要都是在谈110kV变电站设计在技术参数等方面应该注意到的问题，主要从技术层面上队负荷的分析短路的计算以及电气主接线的选择和变压器的保护作了分析，未详细谈到变压器的选择以及电气设备的选择，这是