电气一次系统设计作业(110-35-10kv变电站)

电子信息工程学院

发电厂变电所电气部分设计

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指导教师评语:

《发电厂电气部分》作业

题目5：试设计一110KV变电所电气主接线

该变电所电压等级为110/35/10KV,其中110KV侧4回

线；35KV侧4回，负荷为4-6MW；10KV侧8回线，负

荷为1.5.4MW之间。

组员：

一、分析原始资料

该变电所向荆门市民供电，且是一座lio/l10/35kV终端变电所。设计的重

点是对变电所电气主接线的拟订及配电装置的选择。荆门地区的全年平均气温为

18℃,年最高气温45℃,年最低气温-5.℃,年日照时间1997-2100h,年平均降

水量804To67mm；每年7、8月为雷雨集中期。UOkv的变电所应该考虑防雷等

措施。待建U0KV变电所从相距40km的荆门热电厂受电（系统为无限大功率电

源）并采用架空线作为电能的传输及配送；型号为LGJ-300电抗值为0.395。/km,

其他线路阻抗忽略不计。

从负荷特点及电压等级可知110/35/10kv为降压变电所且满足三绕组变压

器的特点：高压侧为中压侧的近似3倍，中压侧为低压侧的近似3倍；110KV应

该考虑其供电可靠性、扩建等问题；从经济远性选择三绕组变压器。35及10kv

属于一、二级负荷可靠性也有一定要求；35kv侧每回线负荷为4-6MW；10kv侧

负荷1.5-4MWo负荷的功率因数0.8进行选择变压器；其运行功率因数不低于

0.92；不考虑网损。

二、主接方案的初步拟定

根据对原始资料的分析。此变电站有三个电压等级：110/35/10KV,故可初

选三相三绕组变压器，根据变电所与系统连接的系统可知，变电所有两条进线，

为保证供电可靠性，可装设两台主变压落。llOkV高压侧2进2出4回出线，可

选择内桥型接线，单尾线分段接线等。35kV和10kV侧分别为4回出线、8回出

线，均可以采用单母分段接线，为保证设计出最优的接线方案，初步设计以下二

种接线方案供最优方案的选择。

方案一（图2-1）高压侧：内桥接线；中压侧，低压侧：单母分段接线。

c）适用范围：适用容量较小的变电所，变压器不常切换或线路较长、故障

率较高情况。

2.单母线分段接线

（1）优点：

a）用断路器把母线分段后，对重要用户可从不同端引出两个回路，有两个

电源供电；

b）当一段母线发生故障时，分段断路器能自动将故障切除，保证正常段母

线不间断供电和不致使重要用户停电。

（2）缺点：

a）当一段母线或母线隔离开关故障或检修归，该段母线的回路都在检修期

间内停电；

b）当出线为双回路时，常使架空线出现交叉跨越；

c）扩建时需向两个方向均衡扩建。

（3）适用范围：

a）35-63kV配电装置出线回路数为4-8回时；

b）110-220kV配电装置出线回路数为3-4回时。

主接线所选的二个初步方案，主接线中压、低压二次侧方案相同，只比较

一次侧方案。

方案一的特点如下：当本所高压断路器数量少，节约断路器的成本投入；

但不利于扩建、可靠性不高。

方案二的特点如下:今后扩建也方便；提高供电的可靠性在任意一段母

线故障时可保证正常母线不间断供电，

四、主接线最终方案的确定

在对原始资料的分析和主接线两种方案的对比下；从经济性来看，由

于方案二增加了隔离开关，占地面积较有所增加，从设备上来综合投资费用

和运行费增加增加。

从可靠性来看，方案一变压器的切除和投入较复杂，需操作两台断路器并

影响•回线路暂时停运；连接桥断路器检修时，两个回路需解列运行；出现断路

器检修时，线路要在此期间停运。方案二当一段母线发生故障时，分段断路胖能

自动将故障切除，保证正常段理线不间断供电和不致使重要用户停电。

从改变运行方式灵活性来看，在配电装置的综合投资，包括控制设备，

电缆，母线及土建费用上，在运行灵活性上110KV侧单母分段接线接线比桥

型线接线有很大的灵活性且方案二能适应系统中各种运行方式调度和潮流

变化需要，试验方便，综上所述最终选择方案二

五、主变压器容量的确定及无功补偿

5.1原始资料分析可知

1、待建110KV荆门变电站从相距40km的热电厂受电。

2、待建110KV荆门变电站年负荷增长率为5%,变电站总负荷考虑五年发展

规划。

3、待建110KV荆门变电所各电压级负荷数据如下表：

1#出线0.8

2#出线0.8

3#出线0.8

4#出线0.8

1#出线0.8

2#出线0.8

3#出线0.86000/0.9

4#出线0.8

5#出线1.80.8

6#出线2.20.8

7#出线3.50.8

8#出线40.8

5.2无功补偿电容器的型号选择及负荷计算

一、无功补偿

l).35kv侧无功补偿容量分析

实际功率因数为0.8(37°),补偿后功率因数为0.92(/=23°)可知无

功补偿率q=0.33则补偿容量Q

cC

Q=Pc(tanarccos0.8—tanarccos0.92)

c

=Pmax*q

c

=21*0.33=6.93Mvar

故选用:TBB35-8O16/334CCW：额定电压：35,额定容量：8O16kvar

台数的确定：n=Q/q=6930/8016=1(台)

cN

2).10kv侧无功补偿容量分析

实际功率因数为0.8(37°),补偿后功率因数为0.92(尸23°)可知无

功补偿率q=0.33则补偿容量Q

cC

Q=Pc(tanarccos0.8—tanarccos0.92)

c

=Pmax*q

c

=24.5*0.33=8.085Mvar

故选用：TBB10-4200/100BL：额定电压：10,额定容量：4200kvar

3o6

台数的确定：n=Q/Q=8.085/4200=2(台)

c

二、变电所的负荷计算

为满足电力系统对无功的需要，需要在用户侧装设电容器，进行无功补偿,

使用户的功率因数至少提高到0.92o

根据原始资料中的最大有功及调整后的功率因数，算出最大无功，可得出以

下数据：{S"=JP+(Q-nq)2)COS①“=P/S”}

N

等级名称(MW)

1#出线1.840.92

2#出线4.51.660.92

62.210.92

4#出线5.52.030.92

1#出线3.51.420.92

2#出线0.92600U/0.9

3#出线0.92

4#出线0.92

5#出线1.80.92

6#出线2.20.92

7#出线3.50.92

8#出线41.620.92

5.3待建110KV荆门变电所总负荷的计算（无功补偿后）

S=P+jQ=5+4.5+6+5.5+j(l.84+1.66+2.21+2.03)=21+J7.74(lan(p„=036)

353535

S(1+5%)5=(21+J7.74)X1.28=26.88+j9.02

35

S=28.35(MVA)

35

S=P+jQ=4*2+3.5*3+2+l.8+2.2+j(1.42*3+1.62*2+0.89+0.81+0.73)

101010

—A.3JV.VV

(tan中''=0.406)

S(1+5%)5=(24.5+j9,93)X1.28=31.36+jl2.71

10

S=33.84(MVA)

10

S=K[KS+KS](1+5%)5

11011035351010

=0.9[0.9(21+j7.74)+0.9(24.5+j9.93)]*1.05°

=47.17+只8.32

S(47.172+18.32)=50.9(MVA)

1102

COS(D=P/S=47.17/50.9=0.927满足功率因数提高到0.92

nono

5.4变压器型号的确定

所有负荷均由两台电压为110KV/35KV/I0KV变压器供电，其中一台主变事

故停运后，另一台主变压器的容量应保证所有用户的60%全部负荷的供电。

用户的60%全部总容量：S20.6S=30.54MVA因此可选择

N110

SFSZ7-31500/110型三相三绕组有载调压变压器，接线组别：YN,ynO,dll。

由于15%S=15%X50.9(MVA)=7.635(MVA)<S=33.84(MVA),

noio

15%S=15%X50.9(MVA)=7.635(MVA)<S=28.35(MVA),

]1035

因此主变110KV、35KV、1OKV三侧容量分别为100%/100%/100%

结论：荆门变电所三绕组变压器，由以上计算，查《发电厂电气部分》

型额宗中压（kV）

高压侧中压侧低压侧

号容量U%U%U%

*1-2筝1-3♦2-3

SFSZ7-31500100/100/10012138.510.510.5186.5

六.短路电流的计算（最大工作方式）

6.1短路计算点的选择

方案二的短路计算的系统化简图如下（图6-1）所示本设计选dl、d2和d3分别

为llOkv35kv10kv母上短路点计算且短路电流最大选择主接线上的设备

图6-1主接线短路点选择简图

6.2网络的等值变换与简化

方案二的短路计算的系统化简阻抗图及各阻抗值，短路点均一样；如下图为系统

阻抗图（图6-2）

图6-2系统阻抗图

首先应用星-三角变换，将每台变压器的阻抗化简，其转化图如图6-3

图6-3系统阻抗转化图

6.3短路点的选择与各短路点的短路电流的计算

选dl,d2,d3为短路点进行计算。（近似计算法）

已知，由SB=100MVA,UAV=1151<V,系统为无穷大功率电源。

所以

系统短路电抗Sw=8

X"。

线路电抗XL,.=1/2XX0XLXSb/Ub^

=1/2X0.395X40X100/1152=0.0597

总电抗X=0+0.0597=0.0597

又由所选的变压器参数阻抗电压：10.5%（岛-中），18%（高-低），6.5%（中-

低)算得

UK1%=1/2[U(1.2)%+U(b3)%-U(2.3)%]=ll%

UL7%=1/2[U,,、％+U“：、％-U“*%]=-0.5%

“3%=1/2{U(2%+%3)%-U(I.2)%)=7%

主变容量为50MVA,

标幺值：Xf=UK%/100x(8^8^=0.349

X“二%%/100x(SB/SN)=-0.016

X「UK3%/100x(、/4)=0222

简化后的阻抗图如图5・3：

图5-3系统阻抗简化图

最终等效电抗标幺值：X=0.0597

X=0.154

i*

X=0.098

2*

X=-2.136

3*

(1)当dl点短路(110KV)时：

X.JSM*1=0.0597

I=1/X.,,=1/0.0597=16.75

drjs*l

IS/Ou100/(6x115)=0.502(kA)

l"di=l"di*xlb=16.75x0.502=8.409(kA)

L=I，，di=8.409(kA)

(

ich=V2Kc|xI'd=21.4429(kA)(1lOkv及以上网络K0思1.8)

S,二、/3Ub]Xl二驱X115X8.409=1672.9706MVA

其中，Xjs*——计算电抗；1卅*——短路电流周期分量标幺值；

I”d——起始次暂态电流；Ix——L8时的稳态电流；

%----短路电流冲击值；Sg——短路容量。

(2)当d2短路(35KV)时有：

X.=0.226

I%=l/Xj#l/0.226=4.425

电二»/652=100/(6x37)=1.56(kA)

I"d2=1'd2*xlb2=4.425x1.56=6.9(kA)

I『I"d2=6.9(kA)

ich=V2KchxI'*d2=2.556.9=17.595(kA)

^=73^x1^431.03MVA

(3)当d3点短路:

Xjs3*=0.286

I"^=l/X.3,=l/0.286=3.5

Ib3=Sb/V5ub3=l00/(6x1o.5)=5.5(kA)

r

rd3=r'd3+xIb=3.5x5.5=19.25(kA)

1^3=19.25(kA)

n

ich=2.55xId3=2.55x19.25=49.088(kA)

Sv=V3q”x10.5x19.25=349.65MVA

6.4各短路点计算套数'”

短路电流

If

短路基准电

电抗短路电

点编流II”(kA)i(kA)S(MVA)

J流标么chd

号（kA）值I”

3d*

d1150.059716.758.04921.44296.307

1672.97

370.2264.4256.917.5956.9

431.03

6

d10.55.50.2863.519.2549.08819.25

3349.65

七.一次系统的电气设备选择

7.1断路器的选择

7.1.1断路器选择原则与技术条件

1）电压：UeU

2)电流：IeIgmax

10kV侧：I与加y/3y/3

1.05Sn/(Un)=1.05*31500/(*110)=173.8A

35kV侧：［NIG.-P/(病cos)6

=21/(*35*0.92)=376.6A

T匕J病g'os)=24.5/(石*10*0.92)=1537,5A

10kVW：n3皿

3)开断电流:

locioo

4）动稳定：imaxich

式中i——三相短路电流冲击值；

ch

i皿v一一断路器极限通过电流峰值。

5）热稳定：.也Ijt

式中心——稳态三相短路电流;

匕一一短路电流发热等值时间（又称假想时间）；

,（一一断路器t秒热稳定电流。（根据《电力设备实用技术手册》选择设备

t会给出）

其中t<iz,z0-05一，由8”=1.0和短路电流计算时间t,

从《发电厂电气部分》中查找短路电流周期分量等值时间‘Z，算出t。

dz

7.1.2断路器型号的选择及校验

110KV侧选定为LW25T26.各项技术数据如下表:

安装地点条件

结论

合格

合格

合格

Itt(3s)[(KA2.S]315X3Idt(2.65)[(KA2.S]8.409X2.65合格

I(KA)83I(KA)21.4429合格

exsh

35kV侧选定为ZW30-40.5各项技术数据如卜:

设备参数安装地点条件

结论

合格

合格

合格

合格

I(KA)831(KA)17.595合格

sh

l()kV侧选定为ZN12-12各项技术数据如下:

设备参数安装地点条件

结论

合格

合格

1(KA)合格

00

Itt(4s)[(KA2.S]31.52X3Idt(3.45)[(KA2.S]19.25X2.65合格

I(KA)100I(KA)49.088合格

sli

7.2隔离开关的选择

GW

---llOkV侧选定।

结论

合格

合格

Idt(3.45)[(KA2.S]合格

I(KA)80I(KA)21.4429合格

vh

kV,JF.5D,各项技术数据如下：

结论

合格

合格

Itt(4s)[(KA2.S]252X4Idt(2.65)[(KA2.S]合格

2

I(KA)63I(KA)17.595合格

sh

kVGN

、R/J,J，—,八J人/1、＞SA»y\-lKI1•

结论

合格

合格

Idt(3.45)[(KA2.S]合格

I(KA)801(KA)49.088合格

es，.h

7.3电流互感器的选择

选择如下电流互感器的型号及参数

动稳

级次准确

定倍

组合级次

数

位置（。）数

D/D1)/0.

2.01575135

0.5/

23565150

3

0.5/

1575135

0.5/

90

101

LA-600-10000.5/30.5/

90

10/51

电流互感器的校验

项目设备参数（额定值）安装地的条件（计算值）

(IK)[(KA2.S]i(KA)

2

21.4429合格

212.3217.595合格

114.55(0.5*75)217.595合格

60.1154(1.5*65)249.988合格

10KV出线127.279(1*50)49.98819.25*0.85合格

22

7.4电压互感器的选择

在下列准确等级

最大容量

型号额定变比下额定容量（VA）

JVA）

0.5级1级3级

1—/吧/

JCC-11010()50010002000

单相

JDJ-35W35000/1001503601000

JDZ8-10J10000/100305090500

7.5避雷器的选择

—

FZ-110J4XFZ-30J

FZ-352XFZ/p>

110侧检验:

(1)灭弧电压校验:

最高工作允许电压：U1.15U1.15110126.5kV

mN

直接接地：UCU0.8126.5101.2kV,满足要求。

mhdm

(2)工频放电电压校验:

下限值:UkU3

gf4°XgO2l9kV

上限值:U1.2U1.2219262kV<268kV

上、下限值均满足要求。

35kv侧检验

(1)灭弧电压校验:

最高工作允许电压：U1.15U1.1535d0.25kV

mN

直接接地：UCU0.840.2532.2kV,满足要求。

mhdm

(2)工频放电电压校验:

4().23

下限值:UkU3——69.72kV

gfx°xg

上限值：U1.2U1.269.7283.664kV<104kV

gfsgfx

上、下限值均满足要求。

7.6高压熔断器的选择

设备参数（额定值）安装地的条件（计算值）结论

额定电

一一短路容量（MVA）

压（kV）

RW6-1103200合格

RW6-350.52000合格

RN2-10100.51000349.65合格

7.7母线与导线的选择与校验（荆门年平均温度18℃）

llOkV侧进线的校验

根据任务乃已知llOkV侧架空线路采用LGJ-300o查表得LGJ-300型导线

；____；8018

参数如下表所示：（修正系数K=/Q.o$8025,06m一导体长期发热

I

允许最高温度；n一导体的额定环境温度；一导体的实际温度；丫一在额定环

境温度时导体的允许电流；热稳定系数087）

长期允许截流量（A）

〜-------.+70℃+80℃

LGJ-300753742

它在Qy=80℃,Q0=25℃时，ly=753A

已知综合校正系数K0=1.06

KOly=1.06X753=805.71A

所以Ig.max=188.69A<KOIy

所以所选导线满足要求。

llOkV母线的选择及校验

llOkV进线最大持续工作电流lg.max=173.8A

&niaX=6000h/a,查表，可得经济电流密度J=0.97A/mm2

则母线经济截面为：

S=I/]=173.8/0.97=179.2mm2

g.max

按最大持续工作电流选择，查设备手册选LGJ185型钢芯铝绞线，其标称截

而为185mm2,+8()℃长期允许载流量为51()A。

已知综合修正系数K=1.06实际环境温度18C,综合修正系数K=1.06

故KIy=540g..m6ax>Io=173.8A,可满足长期发热要求

热稳定校验：S>Smin=-^-^?~(mm2)

id7为主保护动作时间加断路器全分闸时间

取td=3.45s

其中热稳定系数C=87,满足热稳定要求的最小截面为：

Smin｛可二鬻回5二167.41(mm2)

可见，前面所选导线截面S=185mm2>Sn]i『167.41mm2,热稳定要求。

35kV母线的选择及校验

1.按经济电流密度选择母线截面

35kV最大持续工作电流Igmax=376.6A

STmaqx=6000h/a,查表，可得经济电流密度J=0.97A/mm2

则母线经济截面为：

s=I〃=376.6位97=388.24mm2

g.max

按最大持续工作电流选择，查设备手册选LGJ-400型钢芯铝绞线，其标称截

面为400mm2,+80℃长期允许载流量为835Ao

因实际环境温度Q=18C,综合修正系数K=1.06

故KI=885.1>I,=388.24A,可满足长期发热要求。

2.热稳定校验：

tdz为短路电流等值时间,即td=3.4+0.05=3.45s

查《发电厂电气》，其中热稳定系数C=87,满足热稳定要求的最小截面为:

Smin=Crv=(6900/87)X>/3.45=(mm)

Ldz492.6

2

可见，前面所选母线截面S=2(80x8)=1280(mm2)>SM92.6mm2

能满足短路热稳定要求。

35kV进线的选择及校验

35kV进线有两回，最大持续工作电流Tg.max=376.6/2=188.3A

按Tmax=6000h/a,查表，可得经济电流密度「0.97A/mm2

则母线经济截面为：

S=Ig.max/J=188.3/0.97=194.Imm2

查«LGJ钢芯名品绞线参数型号》选LGJ-240/35钢芯铝绞线，+80CK期

允许载流量为651A。

实际环境温度18℃,综合修正系数K=l.06

故Kly=690>Ig.max=376.6A,可满足长期发热要求

热稳定校验:S>Smin=C■dz(mm2)

tdz为主保护动作时间加断路器全分间时间

取tdz=3.45s

其中热稳定系数C=87,满足热稳定要求的最小截面为：

[匕

CdZ

Smin==(6900/87/2)X=79n(^2)

可见，前面所选导线截面S=300mm2>Sn[in=79.11mm2,满足热稳定要求。

35kV出线的选择及校验

35kV进线有4回，最大持续工作电流Ig.max=376.6/4=94.15A

按Tmax=6000h/a,查表，可得经济电流密度J=0.97A/mnu

则母线经济截面为：

S=Ig.max/J=94.15/0.97=97.06mm2

查设备手册选LGJ-120钢芯铝绞线，+80℃长期允许载流量为380Ao

实际环境温度18℃,综合修正系数K=1.06

故KI=402.8>Is、=94.15A,可满足长期发热要求。

热稳定校验：S2S=L,1(mm2)

id,为主保护动作时间加断路器全分闸时间

取tdz=3.45s

其中热稳定系数C=87,满足热稳定要求的最小截面为：

Smin==(6900/87/4)X73.45=36.82mm2)

可见，前面所选导线截面S=120mmASmi；36.82mmZ满足热稳定要求。

10kV母线的选择及校验

1.按经济电流密度选择母线截面Ig.max=1537.5A

按Tmax=6000h/a,查表，可得经济电流容度J=0.97A/mm2

则母线经济截面为：

S=Ig.max/J=1537.5/0.97=1585.05mm2

查矩形铝导体长期允许截流量表表，应选(100X10)型双条竖放铝导体。

它在Qy=80℃,Q0=25℃,平放布置时Iy=2558A

因实际环境温度918℃,查表，综合修正系数