毕业设计（论文）-三侧电压等级的降压变电站设计.doc

华北电力大学成人教育毕业设计（论文）1 绪 论变电所是电力系统重要的组成部分。它担负着输电、配电的任务，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。变电所由变压器，配电装置（包括开关设备，保护和测量电器，母线装置和必要的辅助设备），以及室外构架，控制室建筑物构成。待设计的变电站是三侧电压等级的降压变电站，分别是110kv、35kv、10kv。其中110kv和35kv有穿越功率和系统电源。变电站负荷有i、iii级负荷。根据题目要求，参考相关资料，首先对所给资料进行分析，确定三侧电压等级的接线，再根据负荷情况，选取主变压器和所用变。根据变压器的参数，在最大运行方式下，对三侧母线进行短路电流计算。根据计算结果选择主设备和校验，最后对变电站的避雷设施和作用进行相关论述。1.1. 设计任务和要求1.1.1 原始资料分析 该变电所是一座降压变电所，担负着该地区工农业生产及城乡生活供电的任务。系统经双回路给变电站供电。a) 出线回路110 kv侧2回，35kv侧共6回，10kv侧 12回其中电缆4回。b) 环境条件当地年最高温度39c；年最低温度-8c；最热月平均最高温30c； 最热月平均地下0.8m土壤最高温度21c；海拔高度：1210m。当地雷电日25日/年。1.1.2 设计任务a)主变容量一台数选择。b) 电气主接线设计。c) 短路电路计算。d) 一次电气设备选择e)屋内外赔电装置设计f)总平面布置。1.1.3 设计成果a) 设计说明书书。b) 变电所主接线图c) 总平面图d) 直击雷保护范围图e) 110kv进线间隔断面图f) 110kv开关柜配置图g) 110kv桥间隔及 pt间隔断面图2电气主接线设计2.1设计要求（1） 可靠性：供电可靠是电力生产和分配的首要任务、保证供电和电能质量是对主接线的基本要求。停电不仅使发电厂造成损失，而且对国民经济各部门带来更严重的损失，甚至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失和政治影响。（2） 灵活性及方便性：要求主接线调度灵活，操作简便，检修安全，扩建方便。（3） 经济性：在满足技术要求的前提下，做到经济合理，投资少；占地面积小，电能损耗小。2.2 主接线的设计依据（1）发电厂、变电所所在电力系统中的地位和作用（2）发电厂、变电所的分期和最终建设规模（3）负荷大小和重要性（4）系统备用量大小2.3 主接线方案的论证2.3.1 110kv 电气主接线110kv高压配电装置，连接着110kv系统，是全所的电能主要来源，要求供电安全可靠，调度灵活，同时应满足运行检修方便，投资及占地较少等。首先要满足可靠性的要求，设计时主要从以下方面考虑：为了保证安全可靠、运行灵活，每一个回路应以多于一台断路器的可能与母线或相邻元件连接，简单的单一连接不能采用。为了避免变电所全停或半停事故的发生，不能采用单母或简单的单母分段接线。为了维护系统的稳定性，宜将故障的停电范围限制到最小，最好是一回线故障只停该回线。方案一内桥接线方式。 如图2-1所示 图2-1内桥接线其优点：具有很高的可靠性；运行调度非常灵活，接线清楚，使用电器少，易安装。适用于线路较长，变压器不需经常进行投切操作的情况。缺点：不利于发展，尽管有可能发展为单母线分段接线、双母线初期接线方式或扩大桥型接线，但改建配电装置及继电保护二次回路工作困难且投资大。而且当变压器投入、断开、检修或故障时，会对供电能力有一定的影响。方案二 外桥接线方式。如图2-2所示 图2-2外桥接线 其优点：适用于线路较短，故障机率低，变压器随经济运行要求需经常进行投切操作，并且系统有穿越功率流经本站的情况。工作可靠，接线清晰，且线路的投停操作简便。缺点：不利于发展，尽管有可能发展为单母线分段接线，但改建配电装置及继电保护二次回路工作困难且投资大。方案三 采取单母分段接线。如图2-3所示 图2-3 单母分段接线其优点：对重要用户，可采用从不同母线分段引出双回线供电电源，当母线发生故障或检修时，仅断开该段电源和变压器，非故障段仍继续工作，但需限制一部分用户的供电；缺点：单母分段任一回路断路器检修时，该回路必须停止工作；母线故障会使所有与母线相连的线路停电。下面对这三个方案进行筛选分析：（1） 适用场合：桥型接线适用于只有2台变压器，2回线路且在相当一段时间内不会发展的35-220kv降压变电所和水电站。但母线分段接线适用于有一三级负荷，无大量二次负荷的中等变电所、发电厂。（2） 设计要求为工农业生产及城乡生活用电的变电所，其线路长，变压器不需经常进行投切操作，且从供电的可靠性和灵活性以及经济性等因素考虑，应选择内桥接线。2.3.2 35kv电气主接线从图1-1可知，该变电所有6回35kv进出线，其中2回线路接35kv电源，其他4回线路供负荷， 35kv负荷约28mw。35kv出线有6回，同样不适合采用桥形、角形等无汇流母线的接线方式，应当采用有汇流母线的电气主接线方式。初步拟定以下三个方案供筛选：方案一：单母分段接线。如图2-4所示:图2-4 单母分段接线方案一优点：接线简单清晰、设备少、运行操作方便，有利于扩建。对重要用户，可采用从不同母线分段引出双回线供电电源。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电，不致使重要用户停电。缺点：任一回路断路器检修时，该回路必须停止工作，运行调度灵活性较差。方案二：单母分段带旁路接线方式。如图2-5所示图2-5 单母分段带旁路接线方案二优缺点：单母分段带旁路具有接线简单，操作方便。对重要用户，可采用从不同母线分段引出双回线供电电源；当母线发生故障或检修时，仅断开该段电源和变压器，非故障段仍可继续工作。设置旁路母线可以不停电检修出线断路器，可靠性较高。 缺点：投资较大。 方案三：双母线接线方式。如图2-6所示 图2-6 双母线接线方案三优缺点：具有较高的可靠性。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致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电。运行调度灵活。各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。通过倒换操作可以组成各种运行方式。扩建方便。向双母线左右任何方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工中也不会造成原有回路停电。缺点：检修出线断路器时仍然会使该回线路停电,投资大，保护配置复杂。对方案1、2、3进行技术经济比较，首先比较方案1、2、3所需的35kv断路器和隔离开关数量，如表2-1。表2-1：各方案35 kv断路器和隔离开关数量方案比较方案1：单母分段接线方式方案2：单母分段带旁路接线方式方案3：双母线接线方式断路器台数999隔离开关组数182726方案1与方案2比较：从表2-1中可知，方案1经济性最好。从运行调度角度考虑，方案1操作简单。从可靠性角度考虑，方案2可以不停电检修出线断路器，可靠性优于方案1；但由于35kv负荷均有备用电源回路，采取方案1，从不同母线段引出双回路给负荷供电，则停一回线路检修出线断路器不会造成用户停电，弥补了可靠性不足的问题。因此，排除方案2。方案1与方案3比较：从经济性角度方案1好。从运行调度角度考虑，方案1操作简单，但灵活性不如方案3。从可靠性角度考虑，方案3中若有一组母线检修，也不会造成用户停电，可靠性好。但35kv负荷性质均为ii类负荷，从不同母线段引出双回路给负荷供电可靠性已经足够。故排除方案3。综上，35kv电气主接线采取方案1：单母分段接线方式。2.3.3 10kv电气主接线从图1-1可知，该变电所有12回10kv出线，均为双回线路，其中架空线路有6回，电缆线路4回，另有2个电缆出线，以待扩建。所供负荷距离变电所较近。10kv负荷约15mw，10kv出线较多，应当采用有汇流母线的电气主接线方式。拟订如下两个方案作技术经济比较：方案一：单母分段方式（专用母联断路器，如图2-7）。 图2-7 单母分段方式方案二：双母线方式 （专用旁路断路器，如图2-8）。 图2-8 双母线方式方案一与方案二比较：a） 从经济性角度看，方案一设备少、投资少，占绝对优势。b） 从运行调度角度考虑，方案二电源、负荷分配灵活；方案一虽然灵活性差，但接线简单、易操作。c） 从可靠性角度分析，方案二比方案一可靠，但10kv线路较短，而且均为双回线路，虽然负荷均为ii类，但在采用方案一时，把双回路分别接在不同母线段，则可靠性已足够。综上，10kv电气主接线采用方案一：单母分段方式（专用母联断路器）。 3 变压器的选择由于该变电所有三个高电压等级（110kv、35kv、10kv），适宜采用降压结构的三绕组变压器。31主变压器台数与容量的选择对于城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。此设计中的变电所符合此情况，故主变设为两台。主变压器容量一般按变电所建成后5-10年的规划负荷选择。凡装有两台及以上主变压器的变电所，当应按照“n-1”准则，当其中一台主变压器停止运行后，其余主变压器的容量能够承担规定的转移负荷。通常要综合考虑负荷供电可靠性要求、负荷的性质、变压器的过负荷能力、变压器台数和电力网可能转移负荷的能力等因素。一般估算其余变压器需能保证70%-100%电力负荷的供电。本设计变电站总容量smax=（i+ii）pm/cos=28/0.85+15/0.85=50mva；根据两台变压器中任意一台停运，其余容量应满足70%-100%总计算负荷的需要的要求，所以应选容量为 50000kva的主变压器。3.2主变绕组连接方式变压器的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式只有y和，高、中、低三侧绕组如何要根据具体情况来确定。 我国110kv及以上电压，变压器绕组都采用y0连接；35kv亦采用y连接，其中性点多通过消弧线接地。35kv及以下电压，变压器绕组都采用连接。有以上知，此变电站110kv侧采用y0接线，35kv侧采用y连接，10kv侧采用接线。3.3主变的调压方式 电力工程电气设计手册（电器一次部分）第五章第三节规定：调压方式变压器的电压调整是用分解开关切换变压器的分接头，从而改变变压器比来实现的。切换方式有两种：不带电切换，称为无励磁调压，调压范围通常在+5以内，另一种是带负荷切换，称为有栽调压，调压范围可达到+30。对于110kv及以下的变压器，以考虑至少有一级电压的变压器采用有载调压。由以上知，此变电所的主变压器采用有载调压方式 本设计中主变的型号是：sfsz1050000/110表3-1： sfsz10-50000/110型三绕组变压器技术数据型号额定容量(mva)额定电压（kv）损耗（kw）阻抗（%）空载电流(%)连接组别高压中压低压空载短路高中高低中低sfsz10-50000/11050.011081.25%38.522.5%1160.221010.517.56.51.3yn，yno，d114 短路电流计算4.1电抗计算4.1.1 系统等值电路图系统简化的等值电路图如下图4-1：110kv10kv1b 2b图4-1 c1 sc1= c2 sc2=35kv系统等值阻抗图如下图4-2：图4-2110kv10kv 1b 2b c1 d1d3 c2 35kvd2a） d1、d2、d3点短路阻抗计算d1点短路时各序阻抗计算（110kv母线）d1点短路时等值电路图如图4-3。图4-3110kvx1t1 c1 d1 c2 35kvx1t2x2t1x2t2xsc1xsc2用标幺值表示正序阻抗图如图4-4。2/0.215 sc1 d1 sc2 3/-0.0054/0.2155/-0.0051/0.106/0.87/0.218/0.21 sc1 d11/0.10 sc2 6/0.8图4-49/0.105 sc1 d11/0.10 sc2 6/0.8 s d110/0.10具体计算如下：x7* = x8* = x2*+x3* = 0.215+(-0.005)=0.21x9* = 0.5x7* = 0.50.21 = 0.105x10*= (x1*(x9*+x6*)/(x1*+x9*+x6*)= (0.10(0.105+0.8)/(0.10+0.105+0.8)= 0.10因为110kv及35kv系统和主变的正负序阻抗均相同，所以正序阻抗等于负序阻抗。x1*=x2*=0.10。画出d1点短路时的零阻抗图如图4-5。17/0.10511/0.216/0.50d1d113/-0.0055555555555555555555555555514/0.21515/-0.00512/0.21511/0.216/0.50图4-5d118/0.15具体计算如下：x17*= (x12*+x13*)(x14*+x15*)/(x12*+x13*+x14*+x15*)= (0.215-0.005)(0.215-0.005)/(0.215-0.005+0.215-0.005)= 0.105x18*= (x17*+x16*)x11)/(x17*+x16*+x11*)= (0.105+0.50)0.2)/(0.1055+0.50+0.2)= 0.15x0*= x18* = 0.15b） d2点短路时各序阻抗计算（35kv母线）画出d2点短路时的正序阻抗图如图4-6。图4-6d220/0.16 c1 d219/0.205 c2 6/0.82/0.215 c1 d2 c2 3/-0.0054/0.2155/-0.0051/0.106/0.89/0.105 c1 d21/0.10 c2 6/0.8具体计算如下：x19*= x1*+x9* = 0.10+0.225 = 0.205x20*= (x19*x6*)/(x19*+x6*)= (0.2050.8)/( 0.205+0.8)= 0.16x1* = x2*= 0.16画出d2点短路时的零阻抗图如图4-7。图4-712/0.215d213/-0.005514/0.21515/-0.00511/0.216/0.50d221/0.30516/0.50d222/0.1917/0.105d211/0.216/0.50具体计算如下：x21*= x11*+x17* = 0.2+0.105 = 0.305x22*= (x21*x16*)/(x21*+x16*)= (0.3050.50)/( 0.305+0.50)= 0.19x0* = x22* = 0.19c）d3点短路时各序阻抗计算（10kv母线）画出d3点短路时的正序阻抗图如图4-8。2/0.2154/0.2155/-0.005 c1 c2 3/-0.0051/0.106/0.824/(0.135)23/(0.135)d3d330/0.1525/0.1075d31/0.106/0.826/-0.002527/(0.07)28/0.2075d329/0.797527/(0.07)图4-8具体计算如下：x25*= 0.5x2* = 0.50.215 = 0.1075x26*= 0.5x3* = 0.5(-0.005) = -0.0025x28*= x1*+x25* = 0.10+0.1075 = 0.2075x29*= x6*+x26* = 0.8-0.0025 = 0.7975x30*= (x28*x29*)/(x28*+x29*)+ x27*= (0.20750.7975)/( 0.2075+0.7975)+(0.07)= 0.15x1* =x2*=0.15由于10kv系统为不接地系统，故可将其零序阻抗看作是无穷大。从以上的d1、d2、d3点短路时各序阻抗计算结果可知，系统的正序由阻抗与负序阻抗相等，且零序阻抗较大，可知id(1.1)、id(2)、id(1)均比id(3)小，故对设备选择、校验均取id(3)作参考，不再考虑其它非对称短路。主变压器电抗计算（取容量基准值sj=100mva，基准电压uj110=110kv, uj35=38.5kv, uj10=10.5kv。根据ij= sj/3uj得：ij110=525a，ij35=1500a，ij10=5498a ）a） 主变压器各绕组等值电抗： us1% = （us（1-2）%+ us（3-1）%us（2-3）%） =（10.5+17.5-6.5） =10.75 us2% =（us（1-2）%+ us（2-3）%us（3-1）%） =（10.5+6.5-17.5） =-0.25 us3% = （us（2-3）%+ us（3-1）%us（1-2）%） =（6.5+17.5-10.5） =6.75变压器各绕组等值电抗标么值（归算到110kv侧）: 110kv侧：x1*=(10.75%)100/50=0.215 35kv侧：x2*=(-0.005%)100/50=-0.005 10kv侧：x3*=(6.75%)100/50=0.135110kv系统侧等值阻抗标幺值（包括线路平行阻抗） 110kv系统侧正、负阻抗标幺值为0.10 110kv系统侧零序阻抗标幺值为0.235 kv系统侧等值阻抗标幺值（包括线路平行阻抗） 35kv系统侧正、负阻抗标幺值为0.8 35kv系统侧零序阻抗标幺值为0.504.2 短路电流计算4.2.1计算系统最大运行方式时各电压等级母线三相短路电流a） d1点（110kv母线）三相短路：短路回路总电抗标幺值：xd1*=x10=0.10短路电流标幺值：id1*=1/ xd1*=1/0.10=10短路电流有名值：id1= id1*ij110 =10525=5250a冲击电流: ich-d1=2.55id1=2.555.25=13.39ka全电流最大有效值: ich-d1=1.52id1=1.525.25=7.98ka短路容量: sd= sb/ xd1*=100/0.108=1000mvab） d2点（35kv母线）三相短路：短路回路总电抗标:xd2*=0.16短路电流标幺值：id2*=1/ xd2*=1/0.16=6.25短路电流有名值：id2= id2* ib35 =6.251500=9375a冲击电流: ich-d2=2.55id2=2.559.375=23.9ka全电流最大有效值: ich-d2=1.52id2=1.529.375=14.25ka短路容量: sd= sb/ xd2*=100/0.16=625mvac） d3点（10kv母线）三相短路： 短路回路总电抗标幺:xd3*=0.15短路电流标幺值：id3*=1/ xd3*=1/0.15=6.67短路电流有名值：id3= id3*ib1=6.675498=36.65ka冲击电流: ichid3=2.55id3=2.5536.65=93.47ka全电流最大有效值: ich-d3=1.52id3=1.5236.65=55.71ka短路容量: sd= sb/ xd3*=100/0.15=667mva综上：d1、d2和d3点短路电流计算结果见表4-1。表4-1 d1、d2和d3点短路电流计算结果短路点支路名称暂态短路电流（ka）id短路电流冲击值（ka）ich全电流最大有效值（ka）ich短路容量（mva）sdd1110kv母线5.2513.397.981000d235kv母线9.3723.914.25625d310kv母线36.6593.4755.76675 主要电气设备选择5.1 电气选择的技术条件5.1.1 电压：选用电器允许最高工作电压umax不得低于该回路的最高运行电压ug。 即 umaxug 。5.1.2 电流：选用电器额定电流ie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。 即 ieig 。对于最大持续工作电流：单回路出线： igmax=p3uecos变压器回路： igmax=1.05se3ue母联回路： 按潮流计算。5.1.3 短路的热稳定： ittqdt qdtitdzi稳态三相短路电流。tdz短路电流发热等值时间。it断路器t秒热稳定电流。5.1.4 动稳定条件： ichidf ichidfich短路冲击电流峰值。ich短路全电流有效值。idf电器允许的极限最高过电流峰值。idf电器允许的极限最高过电流有效值。5.1.5 在下列几种情况下可不校验热稳定与动稳定：（1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断器的时间保证。（2）采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。电缆因有足够的强度，亦可不校验动稳定。（3）装设在电压互感器中的裸导线和电器可不验动、热稳定。5.2 断路器的选择 5.2.1 110kv侧断路器的选择和校验a） 选型查110kv高压断路器技术数据，试选lw30-126(w)型sf6断路器，其技术参数如下表5-1：表5-1 lw30-126(w)型断路器技术参数型号额定电压（kv）额定电流（a）断流容量（mva）极限通过 电流（ka）峰值热稳定电流（ka）4slw30-126(w)110315076214050b） 动稳定校验：imax=40kaich=13.39kac） 热稳定校验：i2tdz=5.25 23=82.69 （ka2.s） it2t=5024=10000 （ka2.s）所以: i2tdz it2t所选lw30-126(w)型sf6断路器,完全满足在d1点短路条件下断流容量、动稳定和热稳定的要求。5.2.2 35kv侧断路器的选择和校验查35kv高压断路器技术数据，试选zw30-40.5型断路器，其技术参数如下表5-2：表5-2 zw30-40.5型断路器技术参数型号额定电压（kv）额定电流（a）断流容量（mva）极限通过 电流（ka）峰值热稳定电流（ka）4szw30-40.540.5160010002516.6b）动稳定校验：imax=25kaich=10.38kac）热稳定校验：i2tdz=9.37 23=263.4（ka2.s）it2t=16.0 24=1024 （ka2.s）, 所以: i2tdz it2t所选zw30-40.5型真空断路器,完全满足在d2点短路条件下断流容量、动稳定和热稳定的要求。5.2.3 10kv侧断路器的选择和校验a) 查10kv高压断路器技术数据，试选zn65-10/4000和zn65-10/1250型真空断路器，分别用于主变变低、母联和线路，其技术参数如下表5-3：表5-3 zn65-10/1250型断路器技术参数型号额定电压（kv）额定电流（a）断流容量（mva）极限通过 电流（ka）峰值热稳定电流（ka）4szn65-10/12501012505467531.5zn65-10/40001040006939640b）动稳定校验：imax=96kaich=93.47kac）热稳定校验：i2tdz=36.65 23=4029（ka2.s）it2t= 4024=6400 （ka2.s）所以: i2tdz it2t所选zn65-10/1250型真空断路器,完全满足在d3点短路条件下断流容量、动稳定和热稳定的要求。5.3各级电压的隔离开关的选择和校验5.3.1 110kv侧隔离开关的选择和校验a） 隔离开关选择gw4-110w型，见表4-4。查110kv隔离开关技术数据，试选110kv隔离开关，其技术参数如下表5-4：表5-4 110kv隔离开关技术参数型 号额定电压ue（kv）额定电流ie（a）动稳定电流峰值（ka）热稳定电流（ka）4s/5sgw4-110w11012508021.5b） 校验：imax=80kaich=13.39kai2tdz=5.25 23=82.69（ka2.s）it 2t=21.52 24=1852（ka2.s）所以: i2tdz it 2t所以表5-4所选的110kv隔离开关，完全满足在110kv母线短路条件下动稳定和热稳定的要求。5.3.2 35kv侧隔离开关的选择和校验a） 隔离开关选择hgw5-35w/630型，见表5-5。查35kv隔离开关技术数据，试选hgw5-35w/630隔离开关，其技术参数如下表5-5：表5-5 35kv隔离开关技术参数型 号额定电压ue（kv）额定电流ie（a）动稳定电流峰值（ka）热稳定电流（ka）4s/5shgw5-35w/630356308325b）校验hgw5-35w/630型隔离开关：imax=83kaich=23.9kai2tdz=9.375 23=263.4（ka2.s）it2t=2524=2500（ka2.s）所以: i2tdz it2t所以表5-5所选的35kv隔离开关，完全满足在35kv母线短路条件下动稳定和热稳定的要求。5.3.3 10kv侧隔离开关的选择和校验a） 10kv出线隔离开关的选择：隔离开关选择gn30-10d/1250型，见表5-6。b） 10kv母线隔离开关的选择：隔离开关选择gn30-10c/4000型，见表5-6。c) 10kv母线分段隔离开关选择：隔离开关选择gn30-10c/3150型，见表5-6 。 10kv隔离开关技术参数安装地点型 号额定电压ue（kv）额定电流ie（a）动稳定电流峰值（ka）热稳定电流（ka）2s10kv出线gn30-10d/12501012507530母线分段gn30-10c/3150103150502510kv母线gn30-10c/400010400016