110KV变电站课程设计

110kV变电站设计课程设计目录前 言5第一章主变压器的选择61.1 变电所主变压器的选择61.2 站用变压器的选择6第二章 电气主接线设计72.1 方案设计72.2 接线方案设计72.3 初选方案82.4 接线方案经济比较92.5方案确定9第三章 短路电流计算93.1 短路电流计算概述93.2 短路电流计算过程113.2.1短路电流计算113.2.2 短路电流结果表14第四章导体设备和电器的选择144.1导体设备和电器选择概述144.2 导体的选择设计154.2.1 110kV侧导线的选择154.2.2 35kV侧母线的选择164.2.3 35kV侧母线选择174.3 主要设备的选择194.3.1断路器的选择194.3.2隔离开关的选择244.3.3 电流互感器的选择274.3.3.1 110kV进线及母联电流互感器选择：274.3.3.2 35kV进线及母联电流互感器选择284.3.3.3 10kV进线及母联电流互感器选择294.3.4 110kV侧电压互感器选择304.3.4.1 35kV配电装置安装台单相电压互感器用于测量和保护装置。304.3.4.2 10kV配电装置安装台单相电压互感器用于测量和保护装置。314.3.4.3高压熔断器的选择314.4 避雷器的选择32参考文献33附录34附1 短路计算等值电路图34附2 预选方案主接线图34关键词：变电所 主变压器 电器主接线 单母线分段接线 内桥接线 双母线接线 潮流计算 短路计算 断路器 隔离开关 冲击电流 电压互感器 电流互感器 设备选型前 言本次课程设计的目的在于通过对变电站电器一次部分主接线形式选择与绘制、经济比较、短路计算、设备选型等几个方面的练习进一步熟悉电力系统，掌握一般小型变电站的设计方法。设计中需要不断翻阅课本和相关资料有利于学生巩固所学知识，另一方面通过翻阅课外图书增加了学生视野有利于增强学生的学习能力。本设计的难点和重点在于等值电路的绘制与短路电流的计算。正确的短路计算是电力系统能够正常、安全运行的必要条件，另一方面短路计算以设备选择密切相关，是能否经济恰当的选择电力设备的关键因素。短路计算是每一个从事电力事业的工作者所必需掌握的基本技能。110KV变电站属于高压网络，电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线直关系着全厂电气设备的选择、是变电站电气部分投资大小的决定性因素。通过其变换、分配、输送与保护等功能，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的场所。电力系统中的电力设备是电力系统的中枢神经，熟练掌握电力系统中的电力设备是每一个从事电力事业者的基本要求。通过本次设计需要掌握电力系统常用设备如：主变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线、架空线、避雷器、无功补偿设备的选择方法。第一章 主变压器的选择1.1 变电所主变压器的选择1. 本次课程设计采用两个电源供电电压等级为：110kV/35kV/10kV, 且35 kV侧、10 kV侧绕组的功率分别达到该变压器容量的65%、35%，从电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得，在具有三种电压的变电所中，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上，主变压器宜采用三绕组变压器。S5=60（1+3%）569.56 MVA S5实际=0.8269.5657.04 MVA2. 按照电力工程电气设计手册（一）电气一次部分规定知道装设两台变压器时当其中一台变压器退出运行时，另一台变压器应能承担70%容量，所以每台变压器的容量为：S=57.0470%39.93 MVA因该系统三电压等级固定变比输送和分配电力，根据电力工程电气设备手册选择110kV三绕组无励磁调压电力变压器：表1 110kV三绕组无励磁调压电力变压器型号容量比额定电压（kV）X1-2X1-3X2-3高压中压低压Ux1-2%X*1-2Ux1-3%X*1-3Ux2-3%X*2-3SFPSL100/100/10012138.510.517.50.43810.50.2636.500.1631.2 站用变压器的选择站用变压器可以按照变送容量的0.2%0.5%来进行选取，考虑到变电站3%的负荷增长率。S569.56MVA，本次变电站设计考虑使用变送容量的0.5%来选择站用变压器则：S站用=S50.5%0.35MVA通过电力工程电气设备手册（电气一次部分）查得型号为:型号绕组形式额定电压（kV）阻抗电压（%）空载电流（%）高压低压S7-400/10Y，yn010/6.3/640042.4第二章 电气主接线设计2.1 方案设计因为，进线为2回，另外由电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得当负荷类型为级时一般要有两个电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分级负荷的供电。2.2 接线方案设计a、主接线选择要求：1.可靠性 2.灵活性 3.经济性b、对变电所电气主接线的具体要求：1按变电所在电力系统的地位和作用选择。2.考虑变电所近期和远期的发展规划。3.按负荷性质和大小选择。4.按变电所主变压器台数和容量选择。5.当变电所中出现三级电压且低压侧负荷超过变压器额定容量15%时，通常采用三绕组变压器。6.电力系统中无功功率需要分层次分地区进行平衡，变电所中常需装设无功补偿装置。7.当母线电压变化比较大而且不能用增加无功补偿容量来调整电压时，为了保证电压质量，则采用有载调压变压器。8.如果不受运输条件的限制，变压器采用三相式，否则选用单相变压器。9.对220kv及以上的联络变压器通常采用自耦变。10.各级电压的规划短路电流不能超过所采用断路器的额定开断容量。11.各级电压的架空线包括同一级电压的架空出线应尽量避免交叉。2.3 初选方案方案1：110kV侧进线采用桥型接线，内桥接线穿越功率将通过3台断路器，继电保护配置复杂，并且其中一台断路器断开时都将使穿越功率无法通过，或使环形电网开环运行，但考虑到进线距离不会较短且变压器不经常切换不选择外桥接线所以选择内桥接线；35kV侧为级负荷且建设一期有6回出线，二期建设完出线将达到8回出线，负荷比例达到65%，由电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得3563kV配电装置出线回路8回及以上且负荷较大时采用双母线接线；10kV侧建设完成后出线回数达到14回，一期有10回出线，由电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得610kV配电装置出线回数为6回及以上时采用单母分段接线。方案2：110kV侧进为了保证当任何一个电源失去后能保证全部或大部分二级负荷的供电线采用单母线分段接线；35kV侧为级负荷且建设一期有6回出线，二期建设完出线将达到8回出线，负荷比例达到65%，由电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得3563kV配电装置出线回路8回及以上且负荷较大时采用双母线接线；10kV侧建设完成后出线回数达到14回，一期有10回出线，由电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得610kV配电装置出线回数为6回及以上时采用单母分段接线。方案3：110kV侧进线采用直接接入两会进线；35kV侧为级负荷且建设一期有6回出线，二期建设完出线将达到8回出线，负荷比例达到65%，由电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得3563kV配电装置出线回路8回及以上且负荷较大时采用双母线接线；10kV侧建设完成后出线回数达到14回，一期有10回出线，由电力工程电气设计手册（一）电气一次部分上查得610kV配电装置出线回数为6回及以上时采用单母分段接线。2.4 接线方案经济比较a以上三个方案出110kV侧接入形式不同外其他条件均相同，均能够实现供电及可靠方面的需求，都是可行的。比较两个方案所使用的断路器数目相同都为3个；但是方案1 110kV没有使用母线而方案2 110kV侧使用了单母接线，从扩建上来看方案1方案2都便于扩建，从经济上看方案1显得更经济。方案3进线比较简单，而且所使用的断路器、隔离开关也比较少，但是不便于以后扩建，因而不予以考虑。b方案1接线简单、清晰，使用开关量相对较少。具有一定的 可靠性和灵活性。相比较而言方案2 110kV侧采用单母线接线；优点：母线分段后，对重要用户，可以重不同段供电。另外，当一段母线发生故障时，分段断路器能够自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电，但是选用的母线显得不够经济，且当母线故障时，该母线上的回路都要停电，而且扩建时需要向两个方向均衡扩建，即两段母线负荷容量要对称。采用方案1更便于建设及其运行操作，更加经济。2.5方案确定经过2.1.2比较后选用方案1进行变电所的设计。第三章 短路电流计算3.1 短路电流计算概述短路：短路是电力系统常见的，并且对系统正常运行产生重要影响的故障。1、电力系统中可能发生的短路主要有:三相短路、两相短路、和单相短路。一般情况下三相短路电流大于两相和单相短路电流。三相短路时，由于短路回路中各相的阻抗相等，尽管三相的短路电流比正常时的电流大，幅度增大，电压也比正常时急剧降低，但三相仍然保持对称，故称之为对抗短路。在计算短路电流时，通常把电源容量视为无穷大的电力系统，在这样的系统中，当某处发生短路时，电源电压维持不变，即短路电流周期分量在整个短路过程中不衰减，为了选择和校验电气设备，载流导体，一般应计算下列短路电流。（短路电流周期分量有效值）、（稳态短路电流有效值）（短路全电流最大瞬时冲击值）、（短路全电流最大有效值）、（短路容量）2.短路的危害及预防：短路的原因：主要是电气设备载流部分之间的绝缘被损坏，引起绝缘损坏的原因有过电压，绝缘的自然老化和污秽，运行人员维护不同及机械损伤。危害： a、电力系统发生短路时，短路回路的电流急剧增大这个急剧增大的电流称为短路电流，短路电流可能达到正常负荷电流的十几倍甚至几十倍，数值不能达到几十千安甚至几百千安，严重使导体发热损坏设备。b、短路时往往伴随有电弧的产生，能量极大，温度极高的电弧不仅可能烧坏故障元件本身，还可能烧坏周围设备危害人身安全。c、电力系统发生短路故障时，由于短路电流来势迅猛，电路中的阻抗主要是感性的。因此，短路电流基本上是感性的，它所产生的去磁的电枢反映使发电机端电压下降，同时巨大的短路电流会增大电力系统中各元件的电压损失，使系统电压大幅下降，严重时，可能造成电力系统电压崩溃直至系统瓦解，出现大面积停电的严重事故。d、短路时电力系统中功率分布的突然变化和电压严重下降，可能破坏各发电机并列运行的稳定性，使整个系统分裂成不同运行的几个部分。这时某些发电机可能过负荷，因此必须切除部分负荷，另一些发电机可能由于功率送不出去，而被迫减少出力，短路时，电压下降得越多，持续时间越长，系统运行的稳定性受到破坏的可能性越大。3.短路计算的目的： 1.在设计电气主接线时，为了比较各种方案，确定某种接线方式是否有必要采取限制短路电流的措施等。 2.在进行电气设备和载流导体的选择时，以保证各种电气设备和导体的正常运行和故障情况下都能安全可靠的工作，需要根据短路电流对电气设备进行动、热稳定的校验。 3.在选择继电保护装置及进行整定计算时，必须以各种不同类型短路时的短路电流作依据。 4.屋外配电装置时，要按短路条件校验，软导线的相间，相对地安全距离 5.设计接地装置。 6.进行电力系统运行及故障分析等。4.短路计算的一般原则。 1.计算短路电流用于验算电气和导体的开断电流，动稳定和热稳定时，应按本工程的设计规划内容计算。一般应以最大运行方式下的三相短路电流为依据。 2.计算短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式进行。短路点应选择在短路电流最大地点。 3.导体和电器的动稳定，热稳定，以及电器的开断电流。一般按三相短路电流验算。 5.短路电流实用计算的基本假设。 1.系统正常运行，短路前，三项是对称的。2.因为短路时，各元件磁路不饱和，也就是各元件的电抗与电流大小无关，因此可用叠加原理。 3.系统中发电机的电动势的相位在短路过程中相等，频率与正常时相同。 4.变压器的励磁电流忽略不计，相当于励磁开放，可以简化变压器等值电路 5.输电线路的分布忽略不计。3.2 短路电流计算过程3.2.1短路电流计算SN=40MVA X*L110=0.022 X*T=UK%100SJSN SK110=4500MVA SJ=100MVA IJ110=1003115=0.5kV IJ35=100337=1.56kV IJ10=100310.5=5.50kV UT12=17.5 UT13=10.5 UT23=6.5计算各元件的参数标么值： 线路：X*L110=0.022 变压器： 由公式 X*T=UK%100SJSN带入相关数据后可得： X*T1=0.26875X*T2=-0.00625 X*T3=0.16875进行Y-变换后电抗为：X*T12-3.41X*T130.13X*T230.079当在K1处发生三相短路时： 短路电流周期分量的有名值:I=SK1103110=23.62kA冲击电流iimp=1.82I59.05kA短路全电流最大有效值Iimp=1.5I35.43当在K2处发生三相短路时： 设35kV侧短路容量为3000MVA电源至短路点的总电抗的标么值为：X*L35=0.0333 短路电流周期分量的有名值：I=SK35335=49.49kA冲击电流iimp=1.82I123.72kA短路全电流最大有效值Iimp=1.5I74.23kA当在K3处发生三相短路时：X*L35=0.033电源至短路点的总电抗的标么值为： X*L10=(X*L110+X*T13)/(X*L35+X*T23)短路电流的有名值I=1(X*L110+X*T13)/(X*L35+X*T23)IJ10=85.87kA冲击电流iimp=1.82I214.68kA短路全电流最大有效值Iimp=1.5I128.81kA短路容量:SK10=3IUN10=1487MVA3.2.2 短路电流结果表短路点短路电流周期分量有名值（KA）冲击电流（kA）全电流（kA）短路容量S（MVA）K123.6259.0535.434500K249.49123.7274.233000K385.87214.68128.811487第四章 导体设备和电器的选择4.1导体设备和电器选择概述电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。正确的选择电气设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电气设备选择时必须符合国家有关经济技术政策。技术要先进，经济要合理，安全要可靠，运行要灵活，而且要符合现场的自然条件要求。所选设备正常时应能可靠工作，短路时应能承受多种短路效应。电气设备的选择应遵循以下两个原则：1.按正常工作状态选择、2.按短路状态校验。按正常工作状态选择的具体条件：1.额定电压：电气设备的最高允许工作电压不得低于装设回路的最高运行电压。一般220KV及以下的电气设备的最高允许工作电压为1.15Ue。所以一般可以按照电气设备的额定电压Ue不低于装设地点的电网的额定电压Uew: UeUew2.额定电流：所选电气设备的额定电流Ie不得低于装设回路最大持续工作电流Imax: IeImax。计算回路的Imax应该考虑回路中各种运行方式下的在持续工作电流：变压器回路考虑在电压降低5时出力保持不变，所以Imax1.05 Iet;母联断路器回路一般可取变压器回路总的Imax；出线回路应该考虑出线最大负荷情况下的Imax。按短路状态校验的具体条件：1.热稳定校验：当短路电流通过所选的电气设备时，其热效应不应该超过允许值：QyQd2.动稳定校验：所选电气设备通过最大短路电流值时，不应因短路电流的电动力效应而造成变形或损坏：ichidw3选择设备的基本原则a、设备按照主接线形式进行配置b、按装置位置及系统正常运行情况进行选择，按短路情况进行校验c、所选择设备在系统中最恶劣运行方式下仍能可靠工作，动作。d、同类设备尽量同一型号，便于设备的维护，订货和相互备用e. 考虑近期5年发展的要求4.2 导体的选择设计导体截面可以按长期发热允许电流或经济电流密度选择。对于年负荷利用小时数Tmax5000h，传输容量大，长度在20m以上的导体其截面一般按经济电流密度选择，而配电装置的汇流母线通常按长期发热允许电流来选择。4.2.1 110kV侧导线的选择110kV进线按经济电流密度选择截面：Imax=2SN3121103479.6(A)Ial=K*879设置环境温度为0=30，取得修正系数K=0.91，=0+al-0Imax2Ial240查表不同温度裸导体的C值,得C=99，由电力工程电气设计手册查得Tmax=4200h时的经济电流密度J=1.13，由公式：SJ=ImaxJ424.42(mm2)由电力工程电气设计手册查得选择导体LGJ-400/25型热稳定校验：Smin=1CQKKfQKI”*T(取T=3s，Kf=1.8），Smin19451（mm2），所以满足条件。4.2.2 35kV侧母线的选择设置环境温度为0=30取得修正系数K=0.91，=0+al-0Imax2Ial240查表不同温度裸导体的C值,得C=99，由电力工程电气设计手册查得Tmax=4200h时的经济电流密度J=1.13。35kV侧按经济电流密度:SN=40MVAImax=1.05SN338.5103629.86(A)SJ=ImaxJ557.39(mm2)由电力工程电气设计手册查得选择导体LGJ-800/55型导体热稳定校验：Smin=1CQKKfQKI”*T(取T=4s，Kf=1.8），Smin746.029870（mm2），所以满足条件。35kV侧出线侧即接用户端按经济电流密度选择由公式：Imax=1.05SN338.5103661.35(A)因为有1期有6回出线所以Imax取Imax6=110.22ASJ=ImaxJ97.54(mm2)由电力工程电气设计手册查得选择导体LGJ-120/7型热稳定校验：Smin=1CQKKfQKI”*T(取T=4s，Kf=1.8），Smin4.5451（mm2），所以满足条件。4.2.3 35kV侧母线选择有上面的短路计算已知35kV侧的冲击电流为：ish=123.72kA，母线固定间距取l=1200mm,相间距a=300mm计算母线受到的电动力=1.76ish2la10-21077.61Kgf=10560.62N（1Kgf=9.8N）计算母线受到弯曲力矩M=Fl10=12931.37Kgf.cm母线水平放置截面为1258，则b=8mm，h=125mm，计算截面系数W=0.167bh220.875,计算母线受到最大应力=MW=12931.3720.875=6070.78104小于铝母线极限应力6860104Pa满足动稳定要求，热稳定要求最小截面Smin=IC0.2103=67.8mm21000mm2满足热稳定要求，故选择LMY-1258型母线。4.2.4 10kV侧母线的选择设置环境温度为0=30取得修正系数K=0.91，=0+al-0Imax2Ial240查表不同温度裸导体的C值,得C=99，由电力工程电气设计手册查得Tmax=4200h时的经济电流密度J=1.13。10kV侧按长期发热允许电流选择SN=40MVAImax=1.05SN310.51032309.47(A)SJ=ImaxJ2043.78(mm2)由电力工程电气设计手册查得选择导体2LGJ-50035+16LJ-185型导体热稳定校验：Smin=1CQKKfQKI”*T(取T=4s，Kf=1.8），Smin1294.46SJ（mm2），所以满足条件。10kV出线按经济电流密度，由公式：SN=16000kVAImax=1.05SN310.5103923.79(A)因为有1期有10回出线所以Imax取Imax10=92.38ASJ=ImaxJ81.75(mm2)由电力工程电气设计手册查得选择导体LGJ-95/55型热稳定校验：Smin=1CQKKfQKI”*T(取T=4s，Kf=1.8），Smin5.4152.81（mm2），所以满足条件。10kV侧母线选择有上面的短路计算已知10kV侧的冲击电流为：ish=214.68kA，母线固定间距取l=1200mm,相间距a=300mm计算母线受到的电动力=1.76ish2la10-23244.41Kgf=31795.21N（1Kgf=9.8N）计算母线受到弯曲力矩M=Fl10=38932.21Kgf.cm母线水平放置截面为12510，则b=10mm，h=125mm，计算截面系数W=0.167bh226.09,计算母线受到最大应力=MW=38932.2126.09=13231.99104小于铜母线极限应力13720104Pa满足动稳定要求，热稳定要求最小截面Smin=IC0.2103=60.65mm2= UNS 2. 额定电流选择：按熔管额定电流选择：INFT=INFS为了保证熔断器不被损坏，高压熔断器的熔断额定电流应大于等于熔体的额定电流。熔体额定电流选择INFS=KImax式中：K（可靠系数，K=1.11.3）、 Imax（电力变压器回路最大工作电流）3. 熔断器开断电流校验：INbr=Ish对于保护PT的高压熔断器，只按额定电压及按开断电流容量来选择4. 高压熔断器选择结果 表4.9 高压熔断器选择结果型号额定电压KV额定电流KA最大开断容量MVA最大开断电流KARN2-10/0.5100.550085RW5-35350.140020最大开断容量500MVA40MVA满足要求。4.4 避雷器的选择所选用避雷器时，对于110KV及以上的中性点有效接地系统，灭弧电压Ui取系统最大工作线电压的80%，即有效值Ui1=110*1.73*0.8/1.414=107KV。查电气设计手册电站用磁吹阀型避雷器（FCZ系列）电气特性表知，选用FCZ-110型避雷器，额定电压有效值Un1=110KV，灭弧电压有效值Ui1=126KV。35KV避雷器选择对于35KV中性点不接地系统和经消弧线圈接地的系统，