西南交大一次课程设计-110kV降压变电所电气设计

指导教师110kV降压变电所电气设计电气工程及其自动化电气工程学院 西南交通大学课程设计课程设计任务书学生姓名学生专业电气工程及其自动化学生班级发题日期2016年完成日期课程名称一次课程设计指导教师设计题目110kV降压变电所电气设计课程设计主要目的：完成110kV降压变电所电气设计，熟悉变电站一次系统设计步骤，掌握变电站一次系统设计方法。课程设计任务要求：(包括原始数据、技术参数、设计条件、设计要求等)1、负荷情况110kV降压变电所，有8回35kV出线，每回负荷按3750kW考虑，cosφ=0.8,年最大负荷利用小时数Tmx=4500h,一、二类负荷占50%,总出线长度约70km(其中最长一回35kV出线为9km);另外有6回10kV出线，总负荷约15MW,COSP=0.8,年最大负荷利用小时数Tmx=3500h,一、二类负荷占30%。2、系统情况本变电所由两回110kV电源供电，其中一回来自东南方向30km处的火力发图1所示：最大运行方式时，系统1两台发电机和两台变压器均投入运行；最小运行方式时，系统1投入一台发电机和一台变压器运行，系统2可视为无穷大电源系统。西南交通大学课程设计第111页TT₃ 系统1系统1待设计 待设计 变电所图1系统示意图3、自然条件本所所在地区的平均海拔1000m,年最高气温40°C,年最低气温-10°C,年平均气温20°C,年最热月平均气温30°C,年雷暴日为30天，土壤性质以砂质粘土为主。课程设计主要任务：本设计只作电气初步设计，不作施工设计。设计的主要内容包括：(1)确定电气主接线图方案；(2)主变压器选择；(3)短路电流计算；(4)主要电气设备及导线选择和校验。课程设计参考文献：[1]熊信银.发电厂电气部分(第四版)[M].北京：中国电力出版社，2009.[2]姚春球.发电厂电气部分(第四版)[M].北京：中国电力出版社，2007.[3]牟道槐.发电厂变电站电气部分(第三版)[M].重庆：重庆大学出版社，2009.[4]郑晓丹.发电厂电气部分[M].北京：机械工程出版社，2011.[5]王晓茹，高仕斌.电力系统分析[M].北京：高等教育出版社，2011.[6]韩祯祥主编，电力系统分析(第5版),浙江大学出版社，2011,2[7]规范《电力工程电气设备手册--电气一次部分》指导教师签字系主任审核签字 西南交通大学课程设计电力工业在社会主义现代化建设中占有十分重要的地位，因为电能与其他能源比较具有显著的优越性，它可以方便地与其他能量相互转换，可以经济的远距离输送，并在使用时易于操作和控制，根据工业生产的需要，决定新建一座110kV降压从而使理论与实践相结合。通过此次设计，主要掌握发电厂和变电所电气部分中各种电器设备和一、二次系统的接线和装置的基本知识，并通过相应的实践环节，掌程的实施有利于完善和加强110kV电网功能，提高电网安全运行水平。从负荷特点路数为8回；10kV出线回路数为6回。 西南交通大学课程设计目录摘要 第一章电气主接线设计 11.1电气主接线的基本要求 11.2电气主接线方案的初步设计 11.2.1主接线的初步选择 11.2.2可靠性的要求 31.2.3灵活性的要求 31.2.4经济性的要求 31.3几种方案的比较及最终方案的确定 31.4主接线图 4第二章主变压器的选择 62.1主变压器选取原则 62.1.1变压器容量的确定 62.1.2变压器台数的确定 62.1.3变压器相数的确定 62.1.4变压器绕组数量的选择 62.1.5变压器绕组连接方式 72.2负荷计算 72.2.1负荷的分类 72.2.2负荷的计算 72.3主变压器型号的选择 8第三章短路电流的计算 3.1短路电流计算的一般规定 3.2短路电流计算目的 3.3短路电流计算过程 3.3.1画出系统等值电路及确定短路点 3.3.2计算等值电抗 3.3.3计算短路电流 3.4短路电流计算结果 第四章电气设备的选择与校验 4.1电气设备选择依据 4.1.1选择的原则 4.1.2电气设备和载流导体选择的一般条件 4.2断路器的选择 4.2.1110kV电压等级的断路器及隔离开关的选择 4.2.235kV电压等级的断路器及隔离开关的选择 4.2.310kV电压等级的断路器及隔离开关的选择 214.3隔离开关的选择与校验 224.3.1110kV主变压器侧隔离开关的选择 234.3.235kV出线侧及主变压器侧隔离开关的选择 234.3.310kV出线侧及主变压器侧隔离开关的选择 254.4母线选择 4.4.1110kV母线选择 4.4.235kV母线选择 274.4.310kV母线选择 4.4.4母线的选择结果 4.5绝缘子和穿墙套管的选择 4.5.135kV母线的绝缘子的选择 4.5.210kV母线的绝缘子的选择 4.5.310kV母线的穿墙套管的选择 4.5.4选择结果 4.6电流互感器的选择 4.6.1110kV侧电流互感器的选择 4.6.235kV侧电流互感器的选择 4.6.310kV侧电流互感器的选择 4.6.4电流互感器选取结果 4.7电压互感器的选择 4.7.1电压互感器的选择原则 4.7.2电压互感器的选择结果 4.8高压熔断器的选择 4.8.135kV侧熔断器的选择 4.8.210kV侧熔断器的选择 4.8.3熔断器的选择结果 参考文献 西南交通大学课程设计第一章电气主接线设计系统的发电、变电和配电任务，主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电所和电力系主接线除应满足以上技术经济方面的基本要求外，还应有发展和扩建的可能1.2电气主接线方案的初步设计根据《电力工程设计手册》:110kV～220kV配电装置出线回路不超过2回时一高压断路器数量少，是比较经济的接线，四个元件只需要三台断路器，线路的投入和切除操作方便，线路故障是仅将故障线路断路器断开，其它线路和变压器不受影西南交通大学课程设计1)内桥连接桥断路器检修时两个回路需解列运行。③②连接桥断路器检修时两个回路需解列运行。根据实际情况，110kv有两回路进线，有穿越功率流过，110kv侧选用外桥型接1)35kV～63kV的配电装置出线回路数在4～8回时采用单母线分段接线。回路数在8回以上时；或连接的电源较多，负荷较大时采用双母线接线。故选用单根据《电力工程设计手册》:6～10kV系统中，出线在6回或以上时一般使用 西南交通大学课程设计⑥电能损失少。电压等级方案一：为“外桥形接线”方案二：为“单母线接线”优点：高压断路器数量少，四个回路只需要三台断路器。缺点：线路的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运；桥连断路器检修时，两个回路需要解列运行；变压器侧断路器检修时，变压器需较长时期停运。优点：接线简单清晰，设备少，操作方便，便于扩展。缺点：不够灵活可靠。方案一：为“单母线分段接线”方案二：为“双母线接线” 西南交通大学课程设计优点：不间断供电和不致使重要用户停电。缺点：1.当一段母线或母线刀闸故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期内停电。2.当出线为双回路时，常使架空出线呈交叉跨越。3.扩建需两个方向。缺点：占地面地大，刀闸多，投资较多。方案一：为“单母线分段接线”方案二：为“单母线分段带旁母接线”优缺点：同上优点：供电可靠性高。缺点：占地面地大，刀闸多，投资较多。由于待建变电所属地区变电所，负荷主要是地区性负荷，该变电站110kV、1.4主接线图图1-1主接线方案一图1-2主接线方案二综合考虑可靠性、灵活性、经济性等多方面，可以发现方案一比方案二有着明 西南交通大学课程设计第二章主变压器的选择2.1主变压器选取原则(1)主变压器容量一般按变电所建成后5～10的规划负荷选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展。对于城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。(2)根据变电所所带的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，应当考虑一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对于一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%～80%。2.1.2变压器台数的确定变电所一般应装设两台主变压器。为满足负荷对供电可靠性的要求，根据负荷等级确定变压器台数，对具有大量一、二级负荷或只有大量二级负荷，宜采用两台及以(2)负荷容量大而集中时，虽然负荷只为三级负荷，也可采用两(3)对于季节负荷或昼夜负荷变化比较大时，根据《电力工程设计手册》:当不收运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂和变率均达到该主变容量的15%及以上，或低压侧虽无负荷，但在变电所内需装设无功根据《电力工程设计手册》:我国110kV及以上的电压级别，变压器绕组均用高、中压电网的联络变压器应按两级电网正常与检修状态下可能出现的最大功当联络变压器为两台时，考虑一台突然切除后，另一台另一台过载倍率为2,允许运行7.5分钟，采用75%时，过载倍率为1.3,允许运行2小时，应保证上述时间内电网调度能妥善的调整系统潮流，降低联络点的穿越功2.2负荷计算(1)一级负荷：中断供电将造成人身伤亡或重大设计损坏，且难以挽回，带来(2)二级负荷：中断供电将造成设计局部破坏或生产流程紊乱，且较长时间才能修复或大量产品报废，重要产品大量减产，属于二级负荷。二级负荷应由两回线供电。但当两回线路有困难时(如边远地区),允许有一回专用架空线路供电。(3)三级负荷：不属于一级和二级的一般电力负荷。三级负荷对供电无特殊要(1)35KV侧负荷计算ZPsm=3750kW×8=30,000kW=30MWZO₅m=P.tanφ=P.tan(cos¹φ)=30×tan(cos¹0.8)=22.5MVar(3)总负荷2Pam=B₅+P=30+15-45MWZ₀=ZOsm+ZGo=22.5+11.25=33.75MVarα%——线损，取5%。2.3主变压器型号的选择考虑到负荷的发展规划，使所选变压器容量切合实际的需要。如果主变压器容量造的过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选的过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。因此，确定合理的变压器 荷的变电所，应当考虑当一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对于一般变电所，当一主变停运时，其他变压器容量应能保证负荷的70%～80%。所以，这里应该选择两台容量略小于最大容量、台数及连接方式等方面的综合考虑，决定选用三相三绕组有载调压电力变压型号额定容量电压(KV)联结组标号损耗(KW)空载电流阻抗电容量分配高压中压低压空载负载SFSZ11-40000/11040000×%YNyn0d11高-中10.5高-低中-低当一台主变因故障不能工作时，只有一台主变工作且满载，则S,=40MVA,总负荷的百分比为,满足要求 西南交通大学课程设计第三章短路电流的计算(3)接线方式应是可能发生最大短路电流的正常方式(即最大运行方式),而(4)短路电流计算点：在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大3.2短路电流计算目的在变电所的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。在选择电气设备时，为保证在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，需要进行全面的短路电流计算。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的系统的等效电路图以及选取故障点d、d₂、d₃如图3-1所示：第11页画出系统等值电路图3-2如下：3.3.2计算等值电抗选取基准容量S=100MVA,基准电压Ug=115kV。(1)计算进线等值电抗标幺值第12页系统1进线阻抗标幺值：系统2进线阻抗标幺值：(2)计算变压器等值电抗Un-2%=10.5;Un-3%=17.5;Uw₂-3%=6.5各侧绕组的短路电压百分数值：=10.75=-0.25=0.269 第13页=-0.00625=0.169 第14页X₂s⁴=X₁//X₂+(X₃+X₅)//(X₄+X₆)i=1.8√2I³)=2.55×5.9946=15.2862kAI=1.521(3)=1.52×5.9946=9.1118kA 西南交通大学课程设计I=1.52I³)=1.52×15.8052=24.0239kA3.4短路电流计算结果给据上述计算，可以得到短路电流的计算结果如表3-1 西南交通大学课程设计表3-1各个短路点的短路电流值名称短路点三相短路电流短路冲击电流短路冲击电流有效值三相短路容量40.3033 西南交通大学课程设计第四章电气设备的选择与校验是选择电气设备的基本要求。在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不完全一样，具完全相同，但其基本要求是一致的。电气设备选择的一般原则为：按正常工作条件下选择设备的额定电流、额定电压及型号，按短路情况下校验设备的热稳定、动稳定以及开关的开断能力。下面将根据给出的初始资料及先前的计算进行主要电气设4.1电气设备选择依据(1)应满足正常运行、检修、短路、和过电压情况下的要求，并考虑远景发的最高运行电压Ux≥Usy;②额定电流：所选电气设备的额定电流Ix,或载流导体的长期允许电流I,,第18页不得低于装设回路的最大持续工作电流Imx。计算回路的最大持续工作电流Imx(2)按短路状态校验。①热稳定效验：I?t>9,t₄=t₀+t,校验电气设备及电缆(3～6KV厂用馈线电缆除外)热稳定时，②动稳定校验：所用短路电流其容量应按具体工程的设计规划容量计算，并应考虑电力远景发展规划；计算电路应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列的接线方式；短路的种类一般按三相短路校验；对于发电机4.2.1110kV电压等级的断路器及隔离开关的选择 第19页断路器型号额定电压额定电流A最高工作电压kV额定断流容量kA极限通过电流kA热稳定电固有分闸时间S峰值LW₆-110O=TI°²=0.05×3.8945²≈0.76(kA)²SO=Q+0,0.76+3.344.f0i=125kA>i=9.9310kA4.2.235kV电压等级的断路器及隔离开关的选择 第20页型号额定电压额定电流额定开断电流(kA)额定短路持续时间额定关合电流(峰值)(kA)热稳定电4I;t=31.5²×4=3969(kA)O=TT²=0.05×5.9946²≈1.80(kA 4.2.310kV电压等级的断路器及隔离开关的选择断路器型号额定电压额定电流A最高工作电压额定断流容量极限通过电流热稳定电流kA固有分闸时间S峰值t=0.15+0.06+0.04=0.25S<1SO=TY²=0.05×15.8052²≈12.49(kA)²· 第22页Q=O+Q,±2.49+62.45i=71kA>i₃=40.3033kA4.3隔离开关的选择与校验隔离开关也是发电厂和变电站中常用的开关设备。它需与断路器配套使用。但隔离开关的作用：隔离作用，作为电气设备或线路冷备用状态或检修状电气隔离，以保证安全。倒闸操作，投入备用母线和旁路母线以及改变运行方式时常用隔离开关配合断路器，协同操作来完成。隔离开关没有特殊的灭弧装置，因此只能用于分、合没有负荷的电路，隔离开关往往与断路器串联连接在配电装置中使用，只有在断路器处于分闸状态下进行分、合闸的操作。隔离开关分闸后有明显的 西南交通大学课程设计第23页4.3.1110kV主变压器侧隔离开关的选择Ux≥Uvs=110kV隔离开关型号额定电压kV额定电流A极限通过电流kA热稳定电流kA峰值I²t=31.5²×4=3969(kA)²S>Q=4.10(kA)²S4.3.235kV出线侧及主变压器侧隔离开关的选择 第24页Ux≥Uvs=35kV隔离开关型号额定电压kV额定电流A极限通过电流kA热稳定电流kA峰值I²t=31.5²×4=3969(kA)²S>Q=10.78(kA)²SUv≥Uvx=35kV表4-6GW₄-35/1250型隔离开关的技术参数隔离开关型号额定电压kV额定电流A极限通过电流kA热稳定电流kA峰值GW₄-35/1250热稳定效验：I²t=20²×4=1600(kA)²S>Q=10.78(kA)²S4.3.310kV出线侧及主变压器侧隔离开关的选择Ux≥Uvs=10kV 第26页选用GN-10T/5000型，具体参数如下表4-7所示：隔离开关型号额定电压kV额定电流A极限通过电流kA热稳定电流kA峰值GN₀-10T/5000I²t=100²×5=50000(kA)²S>Q=74.94(kA)²SUx≥Uvs=10kV选用GN₀-10T/3000型，具体参数如下表4-8所示：隔离开关型号额定电压kV额定电流A极限通过电流kA热稳定电流kA峰值GN-10T/3000 I?t=75²×5=28125(kA)²S>Q=74.94(kA)²S4.4母线选择采用矩形导体，根据最大负荷利用小时数T=4500h,由表可查得：西南交通大学课程设计查表可知：θ=45,0,=50,C=97,C,=95所选截面S=1260mm²>S=36.64mm²,能满足热稳定要求。(3)共振效验m=2×h×b×p=2×0.63×0.01×2700kg/m=34.02kg/mN取3.56,L=1.2m,E=7×10pa当固有频率在30～160HZ以外时，有β≈1或p<1,在此情况下，可不考虑共振的影响，取β=1(4)动稳定效验i=15.2862kA相间电动力的数值为：根据西南交通大学课程设计最大允许衬垫跨距：铝双条导体的λ取1003,则衬垫临界跨距为：L=λb√h/f₀=1003×0.01×÷/0.63/508.23m=1.88m由于L。和Lm均大于1.2m,因此不需装设衬垫。可以满足动稳定要求，则所选母线符合要求(1)按经济电流密度选择导体截面J=1.02A/mm²,经济截面为查槽形铝导体长期允许载流量表，选用h=175mm,b=80mm,c=8mm,r=12mm,S=4880mm²,K,=1.103,I=6600A,W₁=25.0cm³,Iy=144cm,Iγ=2.40cm的槽形铝导体，平放。满足长期发热条件的要求(2)热稳定效验第30页查表可知：0=50,0₂=55,C=95,C₂=93所选截面S=4880mm²>S=96.53mm²,能满足热稳定要求。当固有频率在30～160HZ以外时，有β≈1或p<1,在此情况下，可不考虑共振i=40.3033kA对于双槽型导体，计算相间和条间电动力时，均取K=1.0西南交通大学课程设计铝双条导体的λ取1003,则衬垫临界跨距为：L=λb√h/f,=1003×0.01×40.175/507.61m=1.37m可以满足动稳定要求，则所选母线符合要求。4.4.4母线的选择结果按照上述过程，母线选择结果如下：电压等级选择结果桥型接线，无母线选用63×10mm²双条矩形铝导体选用h=175mm,b=80mm,c=8mm,r=12mm,S=4880mm²,K,=1.103,=6600A,W=25.0cm³,Iy=144cm⁴,ry=2.40cm的槽形铝导体4.5绝缘子和穿墙套管的选择4.5.135kV母线的绝缘子的选择初选ZS-35/8型支柱式绝缘子，机械负载为F。=8kN,在跨距为1.2m时有第32页0.6F,=0.6×8=4.8kN=4800N>F=87.75N4.5.210kV母线的绝缘子的选择0.6F,=0.6×8=4.8KN=4800N>F=1472.14N4.5.310kV母线的穿墙套管的选择初选CWLC2-10型穿墙套管，机械负载为F,=12.5kN,5S时的热稳定电流为I²t=75²×5=28125(kA)²S>Q<=74.94(k4)²S在跨距为1.2m时有西南交通大学课程设计0.6Fp=0.6×12.5=7.5KN=7500N>F=329.19N满足动稳定性要求，所选绝缘套管符合要求4.5.4选择结果绝缘子选择结果如下表4-10所示电压等级型式型号机械破坏负荷支柱式ZS-35/88支柱式ZL-10/88穿墙套管选择结果如下表4-11所示：型号额定电压(kV)额定电流(A)套管长度(mm)机械破坏负荷侧电流互感器的选择根据以上两项，初选LCWB₄-110型电流互感器，其参数如下表4-12所示：第34页型号额定电压电流比准确级次组合热稳定电流动稳定电流LCWB₄-110600/50.5/B₁/B₂/B₂(I₁yK,)²=(600×75)²=2025(kA)²S>Q=4.10(kA)²S满足热稳定要求。总上所述，所选LCWB₄-110型电流互感器满足要求。侧电流互感器的选择(1)主变压器侧电流互感器的选择二次回路电流：根据以上两项，初选LDB-35型电流互感器，其参数如下表4-13所示：型号额定电压电流比准确级次组合热稳定电流动稳定电流 总是所述，所选LDB-35户外独立式电流互感器满足要求(2)35kV母联电流互感器的选择由于35kV母联与变压器35kV高压侧的运行条件相应，故同样选用LDB-35型4.6.310kV侧电流互感器的选择(1)主变压器侧电流互感器的选择根据以上两项，初选L···-10型电流互感器，其参数如下表4-14所示：表4-14L···-10型电流互感器的技术参数型号额定电压电流比准确级次组合热稳定电流动稳定电流(I₁yK,)²=(11000×40)²=193600(kA)²S>Q₄=74.94(kA)²s总是所述，所选L··-10户外独立式电流互感器满足要求。