110kV变电所电气一次系统设计

110kV变电所电气一次系统设计

摘要

电能是现代城市发展的主要能源和动力。随着现代文明的发展

与进步，社会生产和生活对电能供应的质量和管理提出了越来越高

的要求。城市供电系统的核心部分是变电所。因此，设计和建造一

个安全、经济的变电所，是极为重要的°本设计拟建设•座UOkV

降压变电所。变电所设计除了注重变电所设计的基本计算外，对于

主接线的选择与论证等都作了充分的说明，其主要内容包括：变电

所主接线方案的选择；变电所主变压器台数、容量和型式的确定；

短路电流的计算；主要电气设备的选择（断路器，隔离开关，电压

互感器，电流互感器，母线及进出线，避雷器）。另外，绘制了电气

主接线图，断面图、防雷接地及平面布置图。图纸规格与布图规范

都按照了电力系统相关的图纸要求来进行绘制。

关键词：变电所电气主接线电气设备选择防雷及接地

目录

摘要..................................................1

1电气主接线设计......................................4

1.1电气主接线的设计原则和要求.....................4

1.1.1电气主接线的设计原则....................4

LL2对主接线设计的基本要求....................5

L2电气主接线的设计步骤..........................7

1.3变电所电气主接线设计..........................9

L3.1原始资料及分析............................9

1.3.2变电所电气主接线的设计...................10

L4变电所自用电接线设计..........................12

L4.1对所用电源的耍求.........................12

1.4.2所用电源的引接...........................13

1.4.3所用电接线及供电方式.....................13

1.4.4变电所的自用电接线.......................13

2主变及所用变的选择.................................13

2.1概述...........................................13

2.2主变压器台数的选择............................14

2.3主变压器容量的选择............................14

2.3.1变电所负荷计算...........................15

2.3.2变电所主变及所用变容量的确定.............15

2.4绕组数和接线组别的确定........................16

2.5调压方式的选择.................................16

2.6冷却方式的选择................................16

3短路电流计算.......................................17

3.1概述...........................................17

3.2短路电流计算的目的及假设......................18

3.2.1短路电流计算是变电站电气设计中的一个重要环

节。...............................................18

3.2.2短路电流计算的一般规定...................18

3.2.3短路计算基本假设.........................19

3.2.4基准值计算................................19

3.3短路电流计算的步骤............................19

4主要电气设备的选择................................20

4.1一般原则.......................................20

4.2高压开关电器的选择............................22

4.2.1选择条件.................................22

4.2.2隔离开关的配置...........................23

4.3互感器的选择..................................23

4.3.1电流互感器的选择.........................24

4.3.2电压互感器的选择.........................25

4.4导体的选择和校验..............................26

5屋内外配电装置设计................................27

6防雷及接地系统设计................................29

6.1雷电过电压的形成与危害........................29

6.2电气设备的防雷保护............................30

6.3避雷针保护范围计算及避雷器的保护配置..........30

6.3避雷器的选择与配置............................33

6.4接地设计.......................................35

6.4.1接地设计的原则...........................35

6.4.2接地网型式选择及优劣分析.................36

7总平面布置设计.....................................36

7.1变电所的总平面布置规定........................36

7.2本变电站的电气设备布置........................38

8设计计算书.........................................38

8.1短路电流计算....................................38

8.2主要电气设备的选择..............................41

8.2.1各回路最大持续工作电流的计算.............41

8.2.2断路器和隔离开关的选择与校验.............41

8.2.3电流互感器的选择及校验....................45

8.2.4电压互感器的选择及校验....................46

8.2.5导体的选择和校验..........................48

8.2.6避雷器的选择...............................51

变电所主体设各型号表..................................51

致谢....................................................52

参考文献...............................................53

1电气主接线设计

电气主接线是发电厂、变电所设计的主体。采用何种主接线形

式，与电力系统原始资料，发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵

活性和经济性的要求等密切相关，并且对电气设备的选择、配电装

置布置、继电保护和控制方式的拟订都有较大的影响。

因此，主接线的设计必须根据电力系统、发电厂或变电所的具

体情况，全面分析，正确处理好各方面的关系，通过技术经济比较,

合理的选择主接线方式。

1.1电气主接线的设计原则和要求

1.1.1电气主接线的设计原则

1、电气主接线的基本原则为：

电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建

设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在

保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、

维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的

先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

在工程设计中，经上级主管部门批准的设计任务书或委托书是

必不可少的。设计的主接线应满足供电可靠、灵活、经济、留有扩

建和发展的余地。

(1)接线方式：对于变电所的电气接线，当能满足运行要求时，

其高压侧应尽可能采用断路器较少或不用断路器的接线，如线路一

变压器组或桥形接线等。若能满足继电保护要求时，也可采用线路

分支接线。在llOkV〜220kV配电装置中，当出线为2回时、一般采

用桥形接线；当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。在

枢纽变电所中，当110〜220kV出线在4回及以上时，一般采用双母

接线。

在大容量变电所中，为了限制6〜10kV出线上的短路电流，一

般可采用下列措施：

①变压器分列运行；

②在变压器回路中装置分裂电抗器或电抗器；

③采用低压侧为分裂绕组的变压器；

④出线上装设电抗器。

(2)断路器的设置

根据电气接线方式，每回线路均应设有相应数量的断路器，用

以完成切、合电路任务。

(3)为正确选择接线和设备，必须进行逐年各级电压最大最小有

功和无功电力负荷的平衡。当缺乏足够的资料时，可采用下列数据:

①最小负荷为最大负荷的60~70%,如主要是农业负荷时则宜

取20〜30%；

②负荷同时率取0.85-0.9,当馈线在三回以下且其中有特大

负荷时，可取0.95—1；

③功率因数一般取0.8；

④线损平均取5%o

1.1.2对主接线设计的基本要求

电气主接线设计应满足可靠性、灵活性、经济性和发展性等四

个方面的要求，其具体要求如下：

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。主接

线可靠性应根据变电所在电力系统中的地位，变电所的规划容量、

负荷性质、线路和变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。供

电可靠是电力生产和分配的首要要求，电气主接线也必须满足这个

要求。通常定性分析和衡量主接线可靠性时，均从以下几方面考虑:

1）断路器检修时，能否不影响供电；

2）线路、断路器或母线故障时，以及母线检修时，停运出线回

路数的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电：

3）变电所全部停运的可能性。

2、灵活性：

主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。主接线应力求

简单可靠，灵活合理，以节省断路器、隔离开头、电流和电压互感

器、避雷器等一次设备。要能使继电保护和二次回路不过于复杂，

以节省二次设备和控制电缆。要能限制短路电流，以便于选择价格

合理的电气设备或轻型电器。要求电能损失少，经济合理地选择主

变压器的型式、容量、台数，要避免因两次变压而增加电能损失。

主接线的灵活性要求有以下几方面：

1）调度灵活，操作简便：应能灵活的投入（或切除）某些变压

器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行

方式下的调度要求；

2）检修安全：应能方便的停运断路器、母线及其继电保护设备,

进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电；

3）扩建方便：应能容易的从初期过渡到最终接线，使在扩建过

渡时，在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压

器或线路而不互相干扰，旦一次和二次设备等所需的改造最少。

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。在

满足技术要求的前提下，做到经济合理。

1）投资省：主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一

次设备投资；要使控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约

二次设备和电缆投资；要适当限制短路电流，以选择价格合理的电

器设备；在终端或分支变电所中，应推广采用直降式（110/6〜10kV）

变压器，以质量可靠的简易电器代替高压断路器；

2）占地面积小：电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件,

以便节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用；

3）电能损耗少：在变电所中，正常运行时，电能损耗主要来自

变压器。应经济合理的选择主变压器的型式、容量和台数，尽量避

免两次变压而增加电能损耗。

4、发展性：

W接线可以容易地从初期接线方式过渡到最终接线。在不影响

连续供电或停电时间最短的情况下，完成过渡期的改扩建，且对一

次和二次部分改动工作量最少。

1.2电气主接线的设计步骤

电气主接线的具体设计步骤如下：

1、分析原始资料

①本工程情况

包括变电所类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容

量，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。

②电力系统情况

包括电力系统近期及远景发展规划（5〜10年），变电所在电力

系统中的位置（地理位置和容量位置）和作用，本期工程和远景与

电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。

主变压器中性点接地方式是一个综合性问题。它与电压等级、

单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网

的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器的运行安全以

及对通信线路的干扰等。我国一般对35kV及以下电压电力系统采用

中性点非直接接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地），又称小

电流接地系统；对UOkV及以上高压系统，皆采用中性点直接接地

系统，又称大电流接地系统。

③负荷情况

包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及

输送容量等。电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，电力

负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基

础。对电力负荷的预测不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷

预测，对甩力负荷预测的准确性，直接关系着发电厂和变电所电气

主接线设计成果的质量，一个优良的设计，应能经受当前及较长远

时间（5〜10年）的检验。

④环境条件

包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海

拔高度及地震等因素，对主接线中电气设备的选择和配电装置的实

施均有影响。特别是我国土地辽阔，各地气象、地理条件相差甚大,

应予以重视。

⑤设备制造情况

这往往是设计能否成立的重要前提，为使所设计的主接线具有

可行性，必须对各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、价

格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。

2、主接线方案的拟定与选择

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电

源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等不

同的考虑，可拟定出若干个主接线方案（本期和远期）。依据对主接

线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终

保留2〜3个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进行经

济比较，结合最新技术，最终确定出在技术上合理、经济上可行的

最终方案。

、拟城主接线方案的具体步骤如下：

1）根据变电所和电网的具体情况，初步拟定出若干技术可行的

接线方案。

2）选择主变压器台数、容量、型式、参数及运行方式。

3）拟定各电压等级的基本接线型式。

4）确定自用电的接入点、电压等级、供电方式等。

5）对上述各部分进行合理组合，拟出3〜5个初步方案，再结合

主接线的基本要求对各方案进行技术分析比较，确定出两三个较好

的待选方案。

6）对待选方案进行经济比较，确定最终主接线方案。

在进行主接线方案的技术比较时，需要考虑主接线方案能够保

证系统的稳定性、保证供电可靠性以及电能质量、运行的安全和灵

活性、自动化程度、新设备新技术的应用以及扩建的可能性等。

3、短路电流计算

为了选择合理的电气设备，需根据选定的电气主接线进行短路

电流计算。

1）主要电气设备的配置和选择

按设计原则对隔离开关、互感器、避雷器等进行配置，并选择

断路器、隔离开关、母线等的型号规格，

2）绘制电气主接线图

将最终确定的主接线方案，按要求绘制相关图纸，一般包括电

气主接线图、平面布置图、断面图等。

1.3变电所电气主接线设计

1.3.1原始资料及分析

1、原始资料

变电所类型：nokv降压变电所

电压等级：110/10kV

负荷情况：

10kV侧：最大25MW,最小14MW,Tmax=4800小时,cos6=0.85

出现情况：

HOkV：2回(架空线)

10kV：10回(电缆)

系统情况：

(1)UOkV母线短路电流标幺值为20(UB=Uav,SB=100MVA)；

(2)10kV对端无电源。

所用电率：0.5%

环境条件：

最高温度40℃,最低温度-25℃,年平均温度20℃；

土壤电阻率P<400欧米

当地雷暴口40口/年

2、原始资料分析

资料分析

在变电所设计之前，因地制宜地分析变电所的容量、装机台数、

负荷性质以及在系统中的地位等原始资料，并且查阅国家有关政策

及技术规范，是整个变电所设计的基础。这为后续的变电所主接线

确定以及合理选择主变压器的容量及结构提供了重要依据。

本次毕业设计所提供的课题是UOkV变电所电气一次系统设

计，该变电所是一座降压变电所。变电所有UOkV、10kV两个电压

等级，一次性设计并建成。其中llOkV侧有两回来自电网的架空供

电线路。10kV侧出线十回，最大负荷25MW,最小负荷14MW,Tmax=4800

小时，cosd)=0.85o

根据以上情况分析可知，系统直接通过UOkV侧母线向变电所

主变压器供电，所有负荷通过10kV侧出线分配出去。考虑到该变电

所供电负荷的重要性，应选择两台相同容量的主变压器，以提高供

电可靠性。

本变电所与电力系统的连接情况，如图1-1

10kV出线10回

图1-1

1.3.2变电所电气主接线的设计

根据对原始资料的分析，可有如下电气主接线的设计：

1、llOkV侧主接线方式拟定

《35〜UOkV变电所设计规范》规定，35〜UOkV线路为两回及

以下时，宜采用桥形、线路变压器组或线路分支接线。超过两回时,

宜采用扩大桥形、单母线或分段单母线的接线。35〜63kV线路为8

回及以上时，亦可采用双母线接线。UOkV线路为6回其以上时，

宜采用双母线接线。

在采用单母线、分段单母线或双母线的35〜UOkV主接线中，

当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。

本变电所UOkV进线为2回。因本变电所属区域性降压变电所,

且供电负荷比较重要，因此，UOkV侧主接线形式可选择为单母线

或桥形接线。

（1）当选择单母线时

优点：

接线简单清晰，设备少，操作方便，便于扩建和采用成套配电

装置。

缺点：

此种接线可靠性和灵活性较差，在任一元件（母线及母线隔离

开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。

适用范围：

110〜200kV配电装置的出线回路数不超过两回，35~63kV,配

电装置的出线回路数不超过3回，6〜10kV配电装置的出线回路数

不超过5回，才采用单母线接线方式，故不选择单母接线。

（2）当选择桥形接线时

当只有两台变压器和两条输电线路时，采用桥式接线，所用断

路器数目最少，它可分为内桥和外桥接线。

内桥接线：适合于输电线路较长，故障机率较多而变压器又不

需经常切除时，采用内桥式接线。当变压器故障时，需停相应的线

路。

外桥接线：适合于出线较短，且变压器随经济运行的要求需经

常切换，或系统有穿越功率，较为适宜.为检修断路器，不致引起

系统开环，有时增设并联旁路隔离开关以供检修时使用。当线路故

障时需停相应的变压器。

桥形接线具有接线简单清晰、设备少、造价低、易于发展成为

单母分段或双母线接线等优点。

比较上述两种方案：

单母线虽然接线简单清晰，设备少，操作方便，便于扩建和采

用成套配电装置，此种接线可靠性和灵活性较差，在任一元件（母

线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电，

故不采用单母线接线；而桥形接线接线简单清晰、设备少、造价低、

易于发展成为单母分段或双母线接线等优点，兼顾了可靠性和灵活

性。又因本变电所属于区域性降压变电所，没有穿越功率，故UOkV

侧应选择内桥接线。

2、10kV侧主接线方式拟定

根据原始资料分析可知，10kV侧出线为十回，且供电负荷较大。

6〜10kV配电装置出线回路数目为6回及以上时，可采用单母线分

段接线，为提高可靠性还可装设旁路母线。

当选择单母线分段接线时

优点：

用断路器对母线分段后，对重要用户可从不同段引出两回馈电

线路，由两个电源供电；当一段母线故障后分段断路器自动将故障

切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

缺点：

当二段母线或母线隔离开关故障或检修时该段母线的回路都要

在检修期间停电；当出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越；

扩建时要向两个方向均衡扩建。

适用范围：

6〜lOkV配电装置出线回路为6回及以上时；35〜63kV配电装

置出线回路数为4~8回时；110〜220kV配电装置出线回数为3〜4

回时。

（2）当选择单母分段带旁路母线接线时

优点：

不会造成全所停电，调度灵活，保证对重要用户的供电，任一

出线断路器故障或检修时可以用旁路断路器代路送电，使线路不停

电；且占地面积小，设备投资少。

制点,

止S接线多装了价格较高的断路器和隔离开关，增大了投资。

单母分段带旁路母线接线满足可靠性和灵活性要求，投资也比双母

线接线少。

比较上述两种方案：

单母分段接线当一段母线发生故障时，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，可提

高供电可靠性和灵活性。当一段母线发生故障时，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,

可提高供电可靠性和灵活性。

单母分段带旁路母线虽然使用设备较少，减少了投资，设置旁

路设施的目的也是为了减少在断路器检修时对用户供电的影响，但

在本变电站中HOkV侧采用SF6断路器时，因SF6断路器检修周期

可长达5〜10年甚至20年，故可不必装设旁路母线，这样又会降低

供电可靠性，故不易采用；故10kV侧应选择单母分段接线。

1.4变电所自用电接线设计

1.4.1对所用电源的要求

据有关技术规程，对35〜HOkV变电所的所用电源有如下要求:

有两台及以上主变时，宜装设两台容量相同、可互为备用的所

用工作变压器，每台工作所用变按全所计算负荷选择，两台所用变

压器可分别由主变最低电压等级的不同母线段引接，如有可靠的6〜

35kV电源联络线，也可将一台接于联络线断路器外侧；如能从变电

所外引入可靠的低压所用备用电源时，亦可装设一台所用变压器。

只有一回电源进线时，如果采用交流控制电源，宜在电源进线断路

器外侧装设一台所用变压器；如果采用直流控制电源，并且主变为

自冷式时，可在主变最低电压等级母线上装设一台所用变压器。

1.4.2所用电源的引接

（1）当所内有较低电压母线时，一般均由较低电压母线上引接

1〜2台所用变压器，这种引接方式具有经济性和可靠性较高的特点。

（2）当有可靠的6〜35kV电源联络线，将一台所用变压器接于

联络线断路器外侧，更能保证所用电的不间断供电，这种引接方式

对采用交流操作的变电所及取消蓄电池而采用硅整流或复式整流装

置取得直流电源的变电所尤为必要。

1.4.3所用电接线及供电方式

（1）所用电系统采用380/220V中性点直接接地的三相四线制,

动力和照明合用一个电源。

（2）所用电母线采用按工作变压器划分的分段单母线，相邻两

段工作母线间可配置分段断路器或联络断路器，各段同时供电、分

列运行。由于其负荷允许短时停电，工作母线段间不装设自动投入

装置，以避免备用电源投合在故障母线上时扩大为全部所用电停电

事故。

1.4.4变电所的自用电接线

根据所用电源的引接要求，考虑到经济性和可靠性本变电所从

10kV母线不同段上引接2台所用变压器，考虑到单母线分段接线简

单、清晰、操作方便，投资少等特点，所用电380/220V侧接线方式

选择单母线分段接线。

2主变及所用变的选择

2.1概述

在各级电压等级的变电所中，变压器是变电所中的主要电气设

备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功

率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统

5〜10年发展规划综合分析，合理选择，否则，将造成经济技术上

的不合理。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；若容量选得过小，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

理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。

《35〜HOkV变电所设计规范》规定，主变压器的台数和容量,

应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合

考虑确定。

在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经

济比较合理时，可装设两台以上主变压器。

装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变

压器的容量不应小于70%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负

荷。

在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自

耦以及分裂变压器等，在选择主变压器时，要根据原始资料和设计

变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选

择主变压器。

’选择主生压器的容量，同时要考虑到该变电所以后的扩建情况

来选择主变压器的台数及容量。

2.2主变压器台数的选择

由原始资料可知，我们本次所设计的变电所是UOkV降压变电

所，它是以llOkV受功率为主。把所受的功率通过主变传输至10kV

母线上。若全所停电后，将影响整个供电区域的供电，因此选择主

变台数时，要确保供电的可靠性。

为了保证供电可靠性，以及配合电气主接线的设计方案，同时

避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台

主变压器。当装设三台及三台以上时，变电所的可靠性虽然有所提

高，但接线网络较复杂，且投资增大，同时增大了占用面积，和配

电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闸操作等许多复杂

化。而且会造成中压侧短路容量过大，不宜选择轻型设备。考虑到

两台主变同时发生故障机率较小。适用远期负荷的增长以及扩建，

而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担70%的

负荷保证全变电所的正常供电。故选择两台主变压器互为备用，提

高供电的可靠性。

2.3主变压器容量的选择

主变容量一般按变电所建成近期负荷，5~10年规划负荷选择,

并适当考虑远期10〜20年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容

量应当与城市规划相结合，该所近期和远期负荷都给定，所以应按

近期和远期总负荷来选择主变的容量，根据变电所带负荷的性质和

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，应考

虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后允许时间

内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性能的变电所，当一台

主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的70%〜80虬该

变电所是按70%全部负荷来选择。

2.3.1变电所负荷计算

要选择主变压器和所用变压器的容量，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lOkV侧负荷

和所用电负荷。

(1)lOkV侧负荷计算

lOkV侧负荷容量可由以下公式得出：

C_Rnax

-7

COS0

式中几卬lOkV侧负荷容量(kVA)；

八--最大负荷(kW);

cos。----功率因数。

因此lOkV侧负荷容量为

七_25x1000

do.=29411.76（AV<4）

cos。0.85

主变的总容量为：

^=510,v=29411.76(^)

(2)所用电负荷计算

根据原始资料中所用电率为0.596,所以所用负荷为:

5^,=0.5%=0.005x29411.76=147.0588(m)

2.3.2变电所主变及所用变容量的确定

由以上对变电所负荷的计算可得变电所的两台主变每台主变容

量为：

S1]:>70%XS总>0.7X29411.76>20588.232（4班）

两台所用变每台的容量为：

Srl,,>147.0588（m）

故选两台25000kVA的主变压器及两台160kVA的所用变压器就

可以满足负荷要求。

2.4绕组数和接线组别的确定

该变电所有两个电压等级，所以选用双绕组变压器，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

组连接方式只有星形“Y”和三角形两种，因此，变压器三相

绕组的连接方式应根据具体工程来确定，我国llOkV及以上电压，

变压器三相绕组都采用“YN”连接；35kV都采用连接，其中

性点多通过消弧线圈接地；35kV以下高压电压，变压器三相绕组都

采用“D”连接。若变压器低压侧电压等级为380/220V,则三相绕

组采用“ynO”连接。

《35〜UOkV变电所设计规范》规定，在有两台及以上主变压

器的变电所中，宜装设两台容量相同可互为备用的所用变压器，分

别接到母线的不同分段上。

变电所的所用负荷，一般都比较小，其可靠性要求也不如发电

厂那样高。变电所的主要负荷是变压器冷却装置、直流系统中的充

电装置和硅整流设各、油处理设备、检修工具以及采暖、通风、照

明、供水等。这些负荷容量都不太大，因此变电所的所用电压只需

0.4kV一级，采用动力与照明混合供电方式。

所以本变电所主变绕组连接方式为：UOkV侧“YN"；10kV侧“D”；

所用变压器绕组连接方式为：10kV侧“Y”；0.4kVW"ynO'o

2.5调压方式的选择

为了保证变电所的供电质量，电压必须维持在允许范围内。通

过变压器的分接头开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数，从而改

变其变比，实现电压调整。

普通型的变压器调压范围小，仅为±5%,而且当调压要求的变

化趋势与实际相反（如逆调压）时，仅靠调整普通变压器的分接头

方法就无法满足要求。另外，普通变压器的调整很不方便，而有载

调压变压器可以解决这些问题。它的调压范围可达30%,而且要向

系统传输功率，又可能从系统反送功率，要求母线电压恒定，保证

供电质量情况下，有载调压变压器，可以实现，特别是在潮流方向

不固定，而要求变压器可以副边电压保持一定范围时，有载调压可

解决，因此选用有载调压变压器比较合适。

2.6冷却方式的选择

主变压器一般采用的冷却方式有：自然风冷、强迫空气冷却、

强迫油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫导向油循环冷却、水内冷。

考虑到冷却系统的供电可靠性，要求及维护工作量，首选自然风冷

冷却方式，当容量大于等于8000kVA时、选择强迫空气冷。

最终主变选择三相风冷双绕组有载调压变压器，参数如下：

额定电压

专负

(kV)抗载

额定载损载损

电电

型号容量接组耗耗

低压流

(kVA)高压标号(kW(kW

压((

))

%)%)

SFZ9

2500110±121

-25000/10..4

0/250008X1.25%0.5Ndll1.210.7

1056

所用变选择S9系列三相油侵铜绕组变压器，其参数如下表:

容额定电损耗

定容压(kV)(kW)

接组抗电载电

旦

里

隹板专勺压流

(kV

压压号载载(%)(%)

A)

110Y021

4

600.5,4ynO.4.2.4

3短路电流计算

3.1概述

电力系统的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生的各

种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各

种形式的短路，因为短路会破坏电气设备的正常运行，对用户的正

常供甩造成影响。

八短路是%力会统的严重故障，所谓短路，是指一切不正常的相

与相之间或相与地（对于中性点接地系统）发生通路的情况。

在三相系统中，可能发牛的短路有：三相短路，两相短路，两

相接地短路和单相接地短路。其中，三相短路是对称短路，系统各

相与正常运行时一样仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称

短路。

“电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占

大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路虽然很

少发生，其情况较严重，应给以足够的重视。因此，我们都采用三

相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

3.2短路电流计算的目的及假设

3.2.1短路电流计算是变电站电气设计中的一个重要环节。

其计算目的是：

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）按接地装置的设计，也需用短路电流。

3.2.2短路电流计算的一般规定

1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短

路电流，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（一般为本期工程建成后5〜10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，而不应按仅在切换过

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机的影响和电容补偿装置放电电流的影

响。

3）选择导体和甩器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按

选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

4）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一般按三

相短路验算。

3.2.3短路计算基本假设

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

值不随电流大小发生变化；

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。

3.2.4基准值计算

高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，采用标幺值进行

计算，为了计算方便选取如下基准值：

基准容量：Sj=100MVA

基准电压：Uj=Uav=l.05Un（其中Uav为平均额定电压；Un为

电力线路额定电压。）

根据此式算出变电站两个电压等级的平均额定电压分别为：

10.5、115kVo

当基准容量Sj（MVA）与基准电压Uj（kV）选定后，基准电流

Ij（kA）与基准电抗Xj（Q）便已决定：

基准电流：/产备

基准电抗：

WSj

3.3短路电流计算的步骤

短路电流计算的步骤：

1）计算各元件电抗标幺值，并折算为同一基准容量下；

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幺值，并计算短路

电流标幺值、有名值。

标幺值：*.=1—（其中X.》为电源对短路点的等值电抗标幺值）

有名值:

5）计算短路冲击电流值，短路全电流最大有效值，短路容量

短路冲击电流值：

（其中、为冲击系数,变电站母线上取K”=1.8）

短路全电流最大有效值：

%=152〃

短路容量：

>=百（其中以为短路点的正常额定电压）

在标幺值计算中，取基准电压则有：

0_S」_6UJ

利用这一关系，短路功率就很容易的由短路电流求得：

S”=S（［.Sj=1di.Sj

6）列出短路电流计算结果

具体结果见设计计算书。

4主要电气设备的选择

4.1一般原则

由于电气设备和载流导体得用途及工作条件各异，因此它们的

选择校验项目和方法也都完全不相同。但是，电气设备和教流导体

在正常运行和短路时都必须可靠地工作，为此，它们的选择都有一

个共同的原则。

电气设备选择的•般原则为：

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

发展；

2.应满足安装地点和当地环境条件校核；

3.应力求技术先进和经济合理；

4.同类设备应尽量减少品种；

5.与整个工程的建设标准协调一致；

6.选用的新产品均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格的

特殊情下选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准。

技术条件：

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电

流的情况下保持正常运行。

1.电压

选用的电器允许最高工作电压U*.不得低于该回路的最高运行

电压UNSmax,即，

UmaxUNSIIBX

2.电流

选用的电气设各的额定电流IN不得低于所在回路在各种可能

运行方式下的最大持续工作电流1小，即

LNImax

校验的一般原则：

1.电器在选定后应按最大可能通过的最大短路电流进行动、热

稳定校验，校验的短路电流一般取最严重情况的短路电流；

2.用熔断器保护的电器可不校验热稳定；

3.短路的热稳定条件

I〉NQkQk=Qp+Q“〃

=阳/+1。几+rJ4"广靖⑹

式中Qk一—在计算时间匕内，短路电流的热效应(kA，S)；

2

QP——短路电流周期分量的热效应(kA•S)；

2

QaP——短路电流非周期分量的热效应(kA-S)；

It——t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值(kA)；

t——电气设备允许通过的热稳定电流时间(S)；

/"——次暂态短路电流周期分量有效值(kA)；在无限大容量电

力系统中次暂态电流等于短路电流；

心——td/2时刻短路电流周期分量有效值(kA)；

4——td时刻短路电流周期分量有效值(kA)；

'd

td——短路热效应的计算时间(s),tdfr+tab；其中，tpr是

继电保护动作时间，tab是断路器分闸时间；

T——非周期分量等效时间，与短路点及短路时间td有关。

4.动稳定校验

电动力稳定是导体和电器承受短时电流机械效应的能力，称动

稳定°满足动稳定的条件是：

les—IM

〃认

式中z；心——短路冲击电流峰值及其有效值(kA)；

/I一一电气设备允许通过动稳定电流的峰值和有效值(kA)。

Aes

4.2高压开关电器的选择

4.2.1选择条件

选择高压断路器、高压隔离开关和高压负荷开关的长期工作条

件基本相同，区别在于它们的短路校验的内容不同，如隔离开关和

负荷开关不校验短路开断电流。

1、种类和型式的选择：

根据用途、安装地点、安装方式、结构类型和价格因素等综合

条件合理选择高压开关电器。

2、额定电压选择：

开关电器的额定电压应等于或大于安装地点电网的额定电压，

即

UNEUN

3额定电流选择:

开关电器的额定电流应等于或大于通过断路器，隔离开关的长

期最大负荷电流，即

hNlmax

4、断路器的开断电流选择：

断路器的允许开断电流L『应大于或等于断路器实际开断时间

的次暂态短路电流，即

5、动稳定校验

开关电器允许的动稳定电流峰值ies应大于或等于流过开关的三

相短路冲击电流ik,即

6、热稳定校验

开关电器t秒热稳定电流It算出的允许热效应口大于或等于通

过开关的短路电流热效应，即

1），Qk

4.2.2隔离开关的配置

隔离开关，配制在主接线上时，保证了线路及设备检修形成明

显的断口，与带电部分隔离，由于隔离开关没有灭弧装置及开断能

力低，所以操作隔离开关时，必须遵循倒闸操作顺序。

隔离开关的配置：

1）断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时形成

明显的断口，与电源侧隔离；

2）中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；

3）接在母线上的避雷器和电压互感器宜合用一组隔离开关，为

了保证电器和母线的检修安全，每段母上宜装设1—2组接地刀闸或

接地器。63kV及以上断路器两侧的隔离开关和线路的隔离开关，宜

装设接地刀闸。应尽量选用一侧或两侧带接地刀闸的隔离开关；

4）接在变压器引出线或中性点上的避雷器可不装设隔离开关；

5）当馈电线的用户侧设有电源时，断路器通往用户的那一侧，

可以不装设隔离开关，但如费用不大，为了防止雷电产生的过电压,

也可以装设。

4.3互感器的选择

互感器包括电压互感器（TV）和电流互感器（TA）,是一次系统

和二次系统间的联络元件，用以交换电压和电流，分别向测量仪表、

继电器的电压线圈和电流线圈供电，反映电气设备的正常运行和故

障情况。

1、互感器的作用有：

1）将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的标准值。

使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便

宜，便于屏内安装。

2）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从

而保证了设备和人身的安全。

2电流互感器的特点：

1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电

流完全取决于被测量电路的负荷，而与二次电流大小无关；

2）电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正

常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。

3、电压互感器的特点：

1）容量很小，类似于一台小容量变压器，但结构上需要有较高

的安全系数；

2）二片侧所接测量仪表和继电器电压线圈阻抗很大，互感器近

似于空载状态运行，即开路状态。

4、互感器的配置：

1）为需足测量和保护装置的需要，在变压器、出线、母线分段

及所有断路器回路中均装设电流互感器；

2）在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，如：发电机

和变压器的中性点；

3）对直接接地系统，一般按三相配制。对三相非直接接地系统,

依其要求按两相或三相配制；

4）6-220kV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感

器；

’5）当需要监视和检测线路有关电压时，出线侧的一相上应装设

电压互感器。

4.3.1电流互感器的选择

1、按一次回路额定电压和电流选择

电流互感器的一次额定电压和电流必须满足：

UN^UNS；【N》Imax

式中UNS电流互感器所在电网的额定电压（kA）；

UN、IN一—电流互感器的一次额定电压和电流；

Imax——电流互感器一次回路最大工作电流（A）。

2、电流互感器种类和形式选择

在选择互感器时，应根据安装地点（如屋内、屋外）和安装方

式（如穿墙式、支持式、装入式等）选择。

35kV以下的屋内配电装置的电流互感器，根据安装使用条件及

产品情况，采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构。

35kV以上配电装置一般采用油浸式绝缘结构的独立式电流互感

器，在有条件时，如回路中有变压器套管，穿墙套管，应优先采用

套管电流互感器，以节约投资，减少占地。

3、热稳定检验

电流互感器热稳定能力常以1s允许通过的热稳定电流乙或一次

额定电流卜的倍数K,来表示，故热稳定校验式为：

或（KtINI）,Qk

4、动稳定校验

电流互感器常以允许通过的动稳定电流或一次额定电流最大值

（INI）的倍数L（动稳定电流倍数）表示其内部动稳定能力，故内

部动稳定可用下式校验：

^2WiM或向初院，iM

4.3.2电压互感器的选择

1、按一次回路额定电压选择

为了确保电压互感器安全和在规定的准确度等级下运行，电压

互感器一次绕组所接系统电压UNS应在L16〜0.85UNI范围内变动，

满足下列条件，即：

0.85UNI<UNS<1.2UNI

2、种类和形式选择

电压互感器的中分类和形式应根据安装地点和使用条件进行选

择。例如：在6〜235kV屋内配电装置中一般采用油浸式或浇注式；

110〜220kV配电装置，一般采用串级式电磁式电压互感器；在200kV

及其以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，一般采用电

容式电压互感器。

3、热稳定和动稳定校验

TV与电网并联，当系统发生短路时，TV本身不遭受短路电流作

用，因此不校验热稳定和动稳定。

4.4导体的选择和校验

1、导体材料、类型和布置方式

一般采用铝或铝合金材料作为导体材料。常用的软导线有钢芯

铝绞线、组合导线、分裂导线和扩径导线，后者多用于330kV及以

上的配电装置。

矩形导体一般只用于35kV及以下、电流在4000A及以下的配电

装置中。槽形导体一般用于4000〜8000A的配电装置中。管形导体

用于8000A及以上的大电流母线上，或用于UOkV及以上的配电装

置中。

导体的散热和机械强度与导体布置方式有关。导体的布置方式

应根据载流量的大小、短路电流水平和配电装置的具体情况而定。

2、导体截面选择

导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。除配电

装置的汇流母线外，对于年负荷利用小时数大、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来选择。

按导体长期发热允许电流选择。其计算式为：

Klal，Lnax

式中1侬一一导体所在回路中的最大持续工作电流；

lai——在额定环境温度0广25℃时导体允许电流；

K——与实际温度和海拔有关的综合修正系数。

（2）按经济电流密度选择。按经济电流密度选择导体截面可使

年计算费用最低。对应不同种类的导体和不同的最大负荷利用小时

数Lax，将有一个年计算费用最低的电流密度，称为经济电流密度J。

导体的经济截面为下式：

o_'max

式中I皿一一正常工作时的最大持续工作电流。

应尽量选择接近上式计算的标准截面。当无合适规格的导体时,

为节省投资，允许选择小于经济截面的导体。按经济电流密度选择

的导体截面的允许电流还必须满足KIa]^Uo

3电晕电压校验

电晕放电将引起电晕损耗、无线电干扰、噪声和金属腐蚀等许

多不利影响。当llOkV所选导线截面积大于50nlm之时，可不作电晕电

压校验。矩形导体不作电晕电压校验。

4、热稳定校验

校验式为：

式中C——热稳定系数，C值与导体材料及工作温度有关。

所选截面应大于等于Smino

5、硬导体的动稳定校验

单条矩形导体构成的母线的应力计算。按照导体在支柱绝缘子

上固定的形式，通常假定导体为自由支撑在绝缘子上的多跨距、匀

载荷梁。在电动力作用下，导体所受的最大弯矩M为：

2

M=fphl/10

式中心一一单位长度导体上所受相间电动力，N/m；

1——支持导体的支柱绝缘子间的跨距，mo

当跨距数等于2时，导体所受最大弯矩为：

2

M=fphl/8

导体最大相间计算应力为：

。ph=M/W=fphP/(10W)

式中W——导体对垂直于作用力方向轴的截面系数。

求出的导体应力不应超过导体材料允许的应力，即

。phW。p

5屋内外配电装置设计

配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。它是按主接线要

求，由开关设备，保护和测量电器，母线装置和必要的辅助设备构

成，用来接收和分配电能

配电装置按电气设备装置地点不同，可分为屋内和屋外配电装

置。按其组装方式，又可分为由电气设备在现场组装的配电装置(称

为配式配电装置)和成套配电装置。

配电装置应满足的基本要求：保证运行可靠；便于操作、巡视

和检查；保证工作人员的安全；力求提高经济性；具有扩建的可能。

配电装置的类型及特点

配电装置按电气设备装设地点不同，可分为屋内配电装置和屋

外配电装置;按其组装方式，又可分为装配式和成套式。

一、屋内配电装置的特点：

由于允许安全净距小可以分层布置，故占地面积较小；维修、

巡视和操作在室内进行，不受气侯影响；外界污秽空气对电气设备

影响较小，可减少维护工作量：房屋建筑投资大。

一、屋外配由装詈的特占・

工建工程量和费用较小厂建设周期短；扩建比较方便；相邻设

备之间距离较大，便于带电作业；占地面积大；受外界空气影响，

设备运行条件较差，顺加绝缘；外界气象变化对设备维修和操作有

影响。

三、成套配电装置的特点：

电气设备布置在封闭或半封闭的金属外壳中，相间和对地距离

可以缩小，结构紧凑，占地面积小；所有电器元件已在工厂组装成

一整体，大大减小现场安装工作量，有利于缩短建设周期，也便于

扩建和搬运；运行可靠性高，维护方便；耗用钢材较多，造价较高。

配电装置的选用：

本变电所两个电压等级：即llOkV、10kV,根据《电力工程电

气设计手册》规定，UOkV及以上多为屋外配电装置，35kV以下的

配电装置多采用屋内配电装置，故本所HOkV采用屋外配电装置，

10kV采用屋内配电装置。

根据电气设备和母线布置的高度，屋外配电装置可以分为中型、

半高型和高型等。

一、中型配电装置：中型配电装置的所有电器都安装在同一水

平面内，并装在一定高度的基础上，使带电部分对地保持必要的高

度，以便工作售货员能在地面安全地活动，中型配电装置母线所在

的水平而稍高于电器所在的水平而。这种布置特点是：布置比较清

晰，不易误操作，运行可靠，施工和维修都比较方便，构架高度较

低，抗震性能较好，所用钢材较少，造价低，但占地面积大，此种

配电装置用在非高产农田地区及不占良田和土石方工程量不大的地

方，并宜在地震烈度较高地区建用。这种布置是我国屋外配电装置

普遍采用的一种方式，而且运行方面和安装枪修方面积累了比较丰

富的经验。

二、半高型配电装置，它是特母线及母线隔离开关抬高将断路

器，电压互感器等电气设备布置在母线下面，具有布置紧凑、清晰、

占地少等特点，其钢材消耗与普通中型相近，优点有：

（