110kV区域降压变电所电气系统的设计

110kV区域降压变电所电气系统的设计 摘 要：在电力系统中，变电站是衔接发电厂与用户的中间环节，它对经济的运行以及整个电力系统的安全会产生重要的影响，而且对整个电力系统具有变换电能和分配电能的作用。在这次设计中，我是针对电力系统中的接线形式、计算短路电流的方法怎样选取变压器怎样选取母线和检验及怎样选取电气设备。还包括母线的继电保护、主变压器的继电保护、怎样防雷的规划及配电装置的设计等主要内容，我这次设计目的让电力供应和传输更便捷、经济、可靠、灵活和安全。关键词：主变压器； 主接线； 短路电流的计算； 简单的潮流计算； 主要的电气设备The design of the 110kv regional step-down substation electrical system Abstract :Substation is an important member of the power system, it directly affect the safety and economic operation of the whole power system, is bond the users of the intermediate links with the power plants, has important influence in the transformation and distribution of electric energy. This design is to make up a system of wiring, short circuit current calculation, how to select the form of transformer, how to select the busbar and calibration and how to select the electrical equipment; The staple transformer relay protection, bus protection, lightning protection planning, power distribution equipment design such as the main content, the design is in line with the power provide and conveying of safe, inerrable, agility, financial condition principles. Keywords :main transformer; main wiring; short current calculation; flow calculation; stable electrical equipment.1目 录前言1第一章 主接线的设计21.1主接线设计原则21.1.1考虑变电所在电力系统中的地位和作用21.1.2考虑近期和远期的发展规模21.1.3不同级别负荷对主接线的影响21.1.4考虑主变台数对主接线的影响21.1.5考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响2第二章 主变压器的的设计32.1 主变压器的概述32.2 主变容量的确定3第三章 各级配电装置的设计43.1 配电装置概述43.2 配电装置的要求43.3 配电装置的分类及适用范围4第四章 短路电流与简单电力系统潮流的计算54.1 短路电流的概述54.1.1计算短路电流的方法54.2 潮流计算的概述64.3 电力网的电压降和功率损耗64.4 简单电力网的潮流计算114.4.1已知同一点电压和功率的潮流计算124.4.2 已知不同点电压和功率的潮流分布计算14第五章 电气设备的选择155.1 概述155.2 断路器、隔离开关、母线的选择155.3互感器的选择155.3.1电流互感器的选择15第六章 继电保护设计176.1变压器保护设计176.1.1变压器保护装设的原则176.2母线的保护设计176.2.1母线接线的母线保护176.3 一般线路的保护设计186.3.1线路的相间短路保护186.3.2单相跳脱保护系统18 6.4防雷规划设计19 6.4.1避雷器的配制原则19参考文献21I前 言 当前，我们人类社会发展的主要的能源资本就是电, 要想既科学又合理地支配电, 我们就要了解并且能看得懂电力工程的设计原则和方法，从而增强电力系统的安全性、可靠性以及运行的效率。于是达到咱们所希望降低生产的成本和提高经济效益的这个目标。在这篇我设计的110kV降压变电所，其设计的主要是针对于电气一次侧的部分。我设计的主要内容包括：如何选取变电所中主变压器的型号、如何选取变电所的电气主接线短路电流的概念及计算、某个电压等级的潮流计算怎么选取电气设备、设计出母线系统、继电保护的设计、防雷保护的设计，110kV高压配电网设计。在本次设计中, 还有很多的不足, 希望老师多多指导。第一章 主接线的设计1.1主接线设计原则1.1.1考虑变电所在电力系统中的地位和作用在电力系统中，变电所是枢变电所还是地区变电所、是终端变电所还是企业变电所或者是分支变电所，这是由它们在整个电力系统中的地位及作用来决定的, 这对于主接线的便捷性、经济性、可靠性、还是灵活性的要求也不一样。1.1.2考虑近期和远期的发展规模 在变电所中，其主接线的设计和规划应该依据5至10年的电力系统发展计划进行。另外，还应该依据负载的大小与分布情况, 以及负载的增长速率和地区网络环境和潮流的散布, 并且思考不同的可能运行的方式, 以此来确认接线方式与所连接电源的数目与进出的回路数。1.1.3不同级别负荷对主接线的影响在一级负荷中, 我们一定要有两个相互独立的电源给其供电, 而且当其中一个电源失效后, 要能确保全部一级的负荷不停地供电。在两级负荷中，我们通常有两个电源供电，当一个电源不能供电，确保大部分的二级负荷的电力供应。但是，在三级负荷中，一般我们只需要一个电源来供电。1.1.4考虑主变台数对主接线的影响 我们知道，我们变电所的主接线如何进行选取是要取决于变电所主变台数和容量。通常来说，对于大型的变电所, 因为它的传送的容量很大, 这将会对供电的可靠性要求也会非常高。因此, 变电所对于主接线的安全性、可靠性的要求也较高。然而容量小的变电所, 由于他的传输容量较小, 所以对主接线的安全性、可靠性的要求也较低。1.1.5考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响发电站、送电站、变电站他们的备用容量目的是为了确保有劳靠的供电、 顺应突增的负荷,还有一些设备检修等这些情况下的济急请求。不同的备用容量要有对应不同的电气主接线设计。 比如, 如果母线检修或断路器时, 可否需要线路, 变压器停止运行；还有，如果路线出现故障时，需不需要换掉线路、变换变压器的数量等, 都会直接影响主接线接线的方式。 第二章 主变压器的的设计2.1 主变压器的概述 在各等级电压的变电所中, 变压器是最重要的电气设备。要想确定合理的变压器容量，变压器能够变换网络的电压，进而可以进行电力的传输，要想使变电所安全可靠供电及确保网络经济的运行，这一点很重要。尤其是最近我国是以节约为主，目前的能源政策是开发和节约同时进行。因而, 我们要在确定安全可靠的供电的基础上来确定变压器的经济容量,还有要提高网络的经济运行效率，这将具有明显的重要意义。2.2主变容量的确定本次变电所为110kV降压变电所, 中压侧为35kV, 低压侧为10kV, 使用两台相同的三绕组变压器。以此为例做以下设计。一般情况下我们一定要考虑到长远年负荷的寿命，按变电所建成后5年至10年的计划来进行选取。对于城市或者农村的主变压器容量的选取，主变压器容量要和农村的规划结合在一起，然后要依据电网的类型及变电所负荷的性质以确认主变压器的容量。一般重要负载的变电所, 我们应该考虑到：当一台主变压器坏了或者由于某种原因停止运转时, 应能够确保用户的一级和二级负荷能正常；而对于一般的变电所, 如果一台主变压器停止运转时, 其它的变压器容量最好能够确保整个负载的70%到80%。要想选取主变压器与站用变压器的容量, 以明确变压器各个出口侧的最高的连续工作电流。起初必须要计算各侧的负荷, 包括变电站用电负荷也就是变电站点的动力负荷与照明负荷。 由公式 （2-1） 在这个式中表示某电压等级的计算负荷；表示同时系数（35kV以0.9、10kV以0.85、35kV侧的各负荷和10kV侧的各负荷之间我们以0.9、站用负荷我们以0.85进行计算）a%表示该电压等级电网的线损率是5%，而cos、表示各用户的功率因数与负荷。第3章 各级配电装置的设计3.1 配电装置概述配电装置：开关电器，载流导体和测量设备的保护等装配成的电工小建筑。它是发电厂和变电所的重要部分，能接受电能以及分配电能。3.2配电装置的要求 我们要设计和建造配电装置, 就应按照国家的经济技术政策及有关规程的标准, 在这里我要特别提醒应节约合理地用地, 一定争取不占或者尽量少占良田。（1） 保证安全可靠运行。设备应注意合理选择，布局应整齐，清晰。（2） 便于检修、操作和巡视。（3） 便于扩建和安装。（4） 为了确保上述条件，应节省材料，降低投资。3.3配电装置的分类及适用范围如果根据现场电气设备，我们可以把配电装置分为室内和室外配电装置；若根据装配，装配式配电装置可分为在现场装配，以及在制造厂将根据布线要求，然后运到安装现场的配电装置开关电器装配。在屋内配电装配是将电气装置安设在屋内, 它的特特征是占地面积较小, 运转维护和操纵的条件也较好, 电气装置受污染和气候条件影响较小但是需要建设房屋, 需要很多的投资。在发电厂和变电站, 一般35kV及以下的配电在屋内装设, 110kV及以上的配电大多在屋外装设。但110kV及以上的配电装配, 在严重污染的地区, 比如海边和化工地区或者大城市中间地带,也可以用屋内配电装配。成套配电装配通常安放在屋内,特征是结构精密, 占地的区域小, 建设周期短, 运行可靠方便, 但耗费的钢材较多, 费用也高。第4章 短路电流与简单电力系统潮流的计算4.1 短路电流的概述 短路的过程实际上是一种暂态的过程,但是,在实际的计算中影响暂态过程的因素是很多的，如果考虑很多因素, 是十分繁杂的。所以我们为了计算使计算简单,一般采用一些合理的假设，采取近似的方法来计算短路电流。算出来的短路电流会比实际的电流稍大些, 但一般最大的误差要小于等于1%至15%，这对工程精确度来说是许可的 。4.1.1计算短路电流的方法 短路电流的计算一般有两种方法一个是理论上的标幺值法；另一个则是辅助曲线法, 此方法比较直观实用，在中小型变电站常用这种方法。如果是我们在现场工作, 无论什么时候都能检查一些高压电器的设备是否满足要求。在这里我只介绍这个比较实用的方法，我使用的任意时间短路电流的运算曲线法下面以一个电源供电为例子，则各级母线三相短路电流周期分量的有效值计算公式为:a.110 kV母线三相短路电流周期分量有效值计算公式: （4-1）b.35kV母线三相短路电流周期分量有效值计算公式：（4-2）c.10kV母线三相短路电流周期分量有效值计算公式： （4-3）式中 三相短路电流周期分量有效值（kV） 基准值电流（kV） 三相短路电流周期分量有效值的标幺值 表示归算到110kV侧母线的系统短路的电流总阻抗 变压器高压绕组等值电抗标幺值 变压器低压绕组等值电抗标幺值 变压器容量（kVA）由以上的公式可知道, 我们在选好变压器的容量后, 变压器绕组之间的短路电压百分数亦是已知量, 那么方程中所要求的短路电流只与所给定的110kV系统综合标么阻抗值有一一对应关系。又由次暂态三相短路功率：,式中电流所在电压极的平均额定电压。 4.2 潮流计算的概述 一般在电力系统正常的运行情况下，我们或者管理人想知道在给定运行方式下各母线的电压、系统中的功率分布是不是合理、各元件是不是过载、系统有功或者无功损耗到底是几许等等这些情况，为了了解这种运行情况所做出的计算，这种计算就叫做电力系统的潮流计算。本章主要介绍简单电力系统的一些基本的概念和手算潮流计算的方法。4.3 电力网的电压降和功率损耗 首先讨论电力线路（也适用于变压器串联支路）的电压降。若先不考虑线路的并联支路，等值电路如图（a）所示。电压降落是首端和末端电压的向量差，以节点2的相电压为参考向量，然后就可以求出节点1的相电压。线路的电压向量图如图（b）所示。 图(a) 电力线路等值电路图 图(b) 电压向量图在单相电路中有 （4-4） 为线路的电压降落（4-5）称(4-2）式中的实部为电压降的纵分量，用 表示，其数值为 （4-6）称(4-2)式中的虚部为电压降的横分量，用表示，其数值为 （4-7）矢量图可以用下面公式： （4-8） （4-9）电压损耗为首末端电压幅值之差 （4-10）在线路两端较短时，相位角相差不大，可以忽略的电压降的横向分量。近似 （4-11）由此可见，可以将线路始末端的电压损耗近视地用电压降落的纵分量来表示。以上公式是以单相功率和相电压来计算的，在电力系统分析中常用的是三相功率和线电压。将相电压改为线电压，单相功率换成三相功率，关系式仍然成立。各量用标幺值表示也同样适用。 （b）是以末端电压为参考时的电压向量图。实际上也可以以始端电压作为参考向量，这时虽然电压降落不变，但电压降纵分量和电压降横分量都不一样，因此向量图不一样，同时计算电压降落时要用始端功率。当线路通电时，输电线路上的电阻与电抗必然会产生功耗。图（c）中表示出了输电线路的等值型电路。图（c） 输电线路型等值电路设为线路末端并联支路消耗的功率，有 （4-12）有以上可见，充电功率的概念：输电线路并联支路消耗的是无功功率且是容性的，也就是发出感性的无功功率，它的大小和所加电压的平方成正比，而与线路流过的负荷并毫无联系。设为线路首端并联支路消耗的功率，同理有 （4-13）线路功率损耗为 （4-14）线路的电压损耗为 （4-15） 在高压电网中一般R远小于X，故电压降落功率大部分是由流过电抗时而产生的。从式（4-12）中可以看出，即便是输电线路不传送有功功率()，一样会有有功功率的损耗，这就说明在高压网中有能量的损耗。在电力系统中无功功率一般采取就地平衡的原则，就是为了避免有很大的电压降，避免有功功率损耗的增加及远距离传送无功功率。如果输电线路轻载，串联支路消耗的无功功率有可能小于并联支路的充电功率。由式（4-12）可以看出这时为负值，而代入式（4-15）中, 为负值。也就是说这时出现了线路始端电压低于末端电压的情况，或者说若始端保持正常值时，末端电压将高于正常值。在超高压输电线路中，线路的充电功率比较大，而输电线路输送功率的功率因数比较高，输送的无功功率通常比较小，如果严重的话尾端电压的升高会对电力系统造成危害，我们是不允许这样做的。一般情况下，避免线路上出现过电压现象，我们会在超高压网中线路末端并联电抗器，其作用就为了在线路空载或轻载时吸收电功功率。由图（b）的向量图可以看到，在高压网中若R时，0, 即无功功率从电压幅值高的一端流向电压幅值低的一端。以上谈论的是输电线路的电压降落和功率损耗，可按同样的原理利用变压器的等值电路计算变压器的电压降落和功率损耗。变压器串联支路的电压降如式4-3、4-4、4-5、4-6 ，功率损耗如式4-9，只是用变压器等值电阻和电抗。变压器并联支路功率损耗如下式变压器的总功率损耗为 可以看出，变压器的有功功率损耗都是有两部分组成：一部分是与通过的负荷平方成正比的损耗;另一部分是与负荷无关的分量。而且变压器的并联支路是电感性的，因而它消耗感性无功功率。4.4 简单电力网的潮流计算如下图所示就是一个简单的电力网络：依据已知的节点电压及负荷，怎么求未知的节点电压、电力网的功率分布、电压降落以及功率损耗，这就是我们通常说的电力网的潮流计算。由于开式网络结构简单，因此潮流计算也较为简单，根据已知条件的不同，一般分为以下两种。4.4.1已知同一点电压和功率的潮流计算图（d）为图（e）的等值电路图 变电站 输电线 负荷 (e)简单的电路网络 图（d）为图（e）的等值电路。设已知末端的功率及末端电压求始端的功率及始端电压。有于已知同一点的功率和电压，可直接用上述公式由末端逐级向始端推算。为使计算步骤清楚明了，各点的功率均标在等值电路图中。线路串联支路末端功率线路串联支路始端功率线路始端电压线路始端的充电功率变压器末端功率变压器串联支路始端功率电压为 变压器并联支路损耗输入变压器的功率为 假如我们知道始端电压与始端功率，而要求末端电压功率，就可以用相同的方法即：从变压器开始端一步一步推算出各点电压及电力网的功率分布，不同的只是电压降落和功率损耗的符号不同。 4.4.2 已知不同点电压和功率的潮流分布计算 在电力系统中通常已知末端负荷的功率。而始端或者是发电厂，或者是变电站，发电厂母线电压和某些电压中枢点的变电站的电压往往是已知的。故一般在图 （d）（e） 中已知末端功率和始端电压，要我们来求尾端电压与初端功率。对这类问题可以采用逐步逼近求解。 第一步先设末端电压为网络额定电压，然后按已知同一点电压和功率的方法进行功率分布计算。在这一步的计算中认为除首端电压外，其它节点电压均为网络额定电压，不必进行电压降落的计算。第二步用求得的始端功率和始端电压进行分布计算。第五章 电气设备的选择5.1概述 根据电气设备选择的一般原则, 按正常运行情况选择设备,根据短路检测设备，在同一时间，在未来的发展中，选择具有很高的性价比.在这次设计中, 由于个人能力有限,我是按照同一个电压等级来选择同一个型号的电气设备,我这样做也有利于电气设备的运行、检修和减少一些备用元件的数目。5.2 断路器、隔离开关、母线的选择断路器怎么选择？看断路器的额定电压、额定电流， 检验开通和断开的能力, 然后检验它的动态稳定性， 最后检验它的热稳定性。隔离开关怎么选择？我们知道隔离开关在高压网中很重要，但是因为它没有熄灭灭弧的装置，所以我们在正常的电路中不可以随意地断开电路和开通电路，否则就会导致严重的人身安全事故。隔离开关的用途有以下几个方面：（1）在检修时，我们先将隔离开关打开，就会出现明显的断点，这样就可以使带电的一段和要检修的一段分开来，这样检修人就安全了。 （2） 可以接通或断开很小的电流。（3） 一般情况下，我们都是与断路器相配合使用的。母线的选择方法：母线应该怎样选择呢？首先要确定母线的截面的形状，然后要对母线的动态稳定性与热稳定性进行检验，还有对于一些大电流的母线，我们还要检验它的共振频率。为了减少电晕的现象，我们母线一般不要用带棱角的截面, 而是大部分要用比较光滑的圆形截面。 5.3互感器的选择5.3.1电流互感器的选择 电流互感器的选择，首先要看你装的位置，互感器用哪种类型，额定电压比KL；其次，计算二次回路相连的两个横截面面积，要根据变压器和两个负载的额定容量；最后，再检 查其动态稳定性。电流互感器的配置：一般情况下在所有电路支路都应该装相对应的电流互感器,而在主变压器和110kV以及以上的回路中, 要在三相都装电流互感器，但是对于一般情况下的回路则仅在A、C相装。第六章 继电保护设计6.1变压器保护设计 我们目前的市场生产的变压器结构牢靠, 但是在我们实际的生活中, 依然会有意想不到的故障，所以要想使电力系统安全并且稳定地运行,我们就一定要按照变压器容量的大小、电压等级等因素来装可靠性较高的继电保护装置。6.1.1变压器保护装设的原则依据继电保护和安全自动装置技术规程GB1428593，110kV以下电力变压器应：序号变压器故障或异常运行状态相应的保护装置保护出口方式1变压器油箱内部故障和油箱的降低瓦斯保护全停发信号2变压器绕组和引出线的相间短路纵联差动保护全停3变压器过电流引起的变压器外部相间的短路带有复合电压的过电流保护解列全停4中性点直接接地，电力网中的变压器外部接地而引起的短路零序电流保护解列全停5变压器过负荷运行过负荷保护发信号6冷却系统故障冷却系统故障保护发信号7变压器绕组过热绕组过热保护发信号6.2母线的保护设计6.2.1母线接线的母线保护 母线保护一般用差动保护的方法。母联相位比较差动保护和直接比较母线连接元件的相位是母线保护的两种基本方式。启动继电器是用比较母线选择继电器差动回路电流的方法在不同的工作状态下的相位关系来让继电器来启动的。断路器失灵保护，一般不会有失灵保护动作，但如果有失灵动作保护后，我们要同一时刻断开和故障有关的许多断路器, 所以它的误动作带来的后果是很严重的。 所以, 在接线设计时要把装置的安全性放在第一位, 一般应从以下几方面来设计： a.一次接线的不同，失灵保护的具体接线和组屏也不同，要视一次接线而定。 b.失灵保护由出现故障元件触点来启动的,它的启动方法有单相启动或者三相启动这两种。 c.我们一般情况下用复合电压(及低电压)元件来判别故障元件。 6.3 一般线路的保护设计因为电力系统线路长时间露在外面, 而且分布的区域也比较广泛, 所以出现的故障机率也比较高。而且对于不同的电压等级线路的要求也不会太相同, 所以线路的保护方式也不同的。我们个人在做设计时要注意综合考虑线路的特性、结构、线路阻抗、后备电源的情况以及相对重要的要素来确定所需要的保护方式。 6.3.1线路的相间短路保护 如果短路发生在相间, 我们会想到两侧的电源和线路相连接, 因此要对线路采用装设方向过电流的保护这一方式。这种保护的电流元件要与90度接线的整流型功率方向继电器相配合。采用此种接法主要有两点优点:a.因为继电器加入的线电压是正常的相电压, 它的数值很高,因此对于每种两相短路都无死区；b.选取合适的继电器的内角以后,对线路出现的所有故障,都能确保有较高的灵敏度而且还能确保动作的方向性。6.3.2单相跳脱保护系统 如果线路接地故障仅跳脱故障这一相, 而保留其它的两相而且继续给它供电, 这就是单相跳脱方式。在采用单相跳脱保护的电路中它是由重合系统自动重合的。这种保护方式不但可以提高电线线路供电的连续性, 还可以改善电力系统的稳定性。在故障相断开开始到两全相供电开始到自动恢复正常的这一段时间, 就是非全相运行期。a.不是全相运行时对于健全相故障的处理:不是全相运行时, 如非故障相发生了故障,系统将采用相间故障继电器保护。此时SRD型继电器和零序电流继电器将会对相间故障继电器的跳脱回路进行监控，这两个都可能会不动作。这个时候我们要加入负序阻抗辅助继电器（ABB公司）, 在不是全相运行时，将会用三相不对称电路动作负序阻抗辅助继电器的触点将SRD和零序电流继电器的触点旁路, 来取消它们的控制作用。b.不是全相运行时对重合系统失效的处理:如果线路不是全相运行的时候, 线路的这种状态就是不对称的状态, 这时候发电机机组要供应负序的电流。这个时间不能长, 否则机组就会烧损, 所以单相跳脱系统要有非全相运行时限电路来保护。6.4防雷规划设计 概述：当下雨时会有大风雷电，这时候线路上的电气元件或者设备与线路上所承受的电压会大大地超过正常的电压（俗称大气过电压)，这会使电器元件或者线路的绝缘失效,所以我们要给线路必要的防雷措施。直击与感应雷是雷害两种方式。直击雷过电压的保护通常采取避雷针或者避雷线；雷过电压的保护主要有两种保护方法：变电所进线段线路的保护与变电所母线的保护。在主变压器中性点处以及和架空线路直接相连接的电力电缆终端处要装设阀型避雷器。6.4.1避雷器的配制原则避雷器的选择原则如下： （1） 避雷器应装在配电装置的每一组母线上。（2） 三绕组变压器低压侧的这一相上要装一台避雷器。（3） 自变耦压器要装在变压器与断路器之间，而且一定要在它的两个自耦绕组出线上装避雷器。（4） 下列情况，避雷器应该装设变压器的中性点位置： a.变压器的中性点是不同级别绝缘时而且有隔离开关时； b.110kV线路侧以及以上线路侧不装避雷器时；c.变电所10kV及以下, 进线段端不装设；避雷器的装置应该按照电