110KV变电站电气系统的设计方案.docx

110KV 变电站电气系统的设计方案2设计说明书2.1 电气主接线电气主接线还被我们叫做电气一次接线，它的绘制是把电器设备规定好的文字符号以及图形，依照电能的生产，电能的传输还有分配的顺序以及对其的要求， 最终形成的单相接线图。主接线是发电厂以及变电站那些高电压和大电流的电气部分的总体结构，同时也是组成电力系统网络构架的关键部分。这会对电力的生产产生可靠性以及灵活性方面的直接影响，并且决定着对电气设备的选取、对配电装置的布置，以及继电保护、自动装置和控制方式这些方面。所以，在进行主接线设计时一定要加以技术方面和经济方面的完备的讨论和验证，对各种各样的影响因素都要纳入探讨的范畴，从而获得最符合实际情况的设计方案。2.1.1 主接线设计的基本要求（1） 可靠性。可靠性说的是主接线能保持工作可靠，确保能够向用户提供不间断的电力。电力系统最重要的就是安全生产，而且主接线最基本的要求就是确保供电的可靠性，同样这还是电力生产以及分配的第一要求。（2） 灵活性。对于主接线有下面这些灵活性方面的要求：1，调度要求。能够灵活进行投入以及切除变压器、线路，调配电源还有负荷；可以达到使系统在事故运行、检修还有特殊运行这三种方式下的调度要求。2，检修要求。能够便捷的停运断路器、母线还有继电保护设备，并且可以进行安全检修，但是不对用户供电有影响。3，扩建要求。初期到终期接线的过渡要很容易，进行扩建要使一次设备改造量和二次设备改造量达到最低程度。（3） 经济型。经济型指的是节省投资、减少占地、减少能量损耗。2.1.2 主接线的设计原则（1） 要把电力系统中变电站的地位以及作用纳入考量的范围。主接线在可靠性、灵活性、经济性方面会根据变电站处于电力系统中的地位以及作用的不同有不一样的要求。（2） 要把近期以及远期的发展规模纳入考量范围。在对变电站主接线进行设计时要严格依照 5-10 年电力系统发展规划。（3） 要把负荷的重要性分级以及出线回数多少会对主接线产生的影响纳入考量范围。针对一级负荷，一定要设置两个独立电源来提供电量，并且在其中电源之一不起作用时，还要确保全部一级负荷的供电不间断；针对二级负荷，通常设置两个电源来提供电量，并且在其中电源之一不起作用时，还要确保大部分二级负荷供电。对于三级负荷来说通常只要设置一个电源提供电量。（4） 要把主变台数对主接线产生的影响纳入考量范围。变电站主变具有的容量以及台数将会在对其主接线的选择时有着直接作用。而对于大型的变电站来说，因为它们的大的传输容量，在可靠性方面有着更高的要求，所以对于主接线来讲，可靠性以及灵活性的要求也是很高的。相对应的，小容量变电站恰恰相反。（5） 要把备用容量的有无以及大小对主接线造成的影响纳入考量范围。为了确保供电的可靠性，适应负荷突然增加、设备的检查维修以及因为故障导致停止运转的紧急情况的出现，我们设置了发、送、变的备用容量。在对电气主接线进行设计时，备用容量是否存在不同情况下时不同的。比如说，在进行断路器或者是母线检修的时候，是不是可以切除线路。变压器的停止运行；在线路故障的时候准许切除线路以及变压器的数目等等，这些都会对主接线的形式产生直接影响。2.1.3 电气主接线的确定（1）110kV 部分电气主接线双母线接线法的设计是为了更好的满足当 110KV 出线回路数超过 4。且根据变电站 110kV 运行实际情况（采用SF 断路器，故障率较低，且采用微机保护装6置，检修周期较长）和技术发展趋势，故 110kV 本期及远景所使用的接线方法都是双母线接线法，而且还添加了母线断路器。（2）110kV 部分电气主接线如果110KV 变电站的110KV 配电装置的出线回路小于6 回，或者是4-7 回事， 其接线方法最好使用单母线或者是单母线分段接线方法，如果出线回路高于6回或者为 8 回时更加适合使用双母线接线法。当只有两台变压器和两条线路时， 使用桥形接线法才更加有利。（3）10kV 部分电气主接线本文设计的为 10KV12 回路电路，使用单母线分段接接线的方式将会更加经济实用。（4）方案一：110kV 双母线110kV 桥形接线10kV 单母线分段方案二：110kV 双母线分段110kV 桥形接线10kV 单母线分段220kV110kV10kV10kV图 2.1 电气主接线方案一220kV10kV10kV110kV图 2.2 电气主接线方案二表 2-1 电气主接线方案比较综上所述，确定方案一为最佳方案。2.2 所用电的设计2.2.1 所用电的设计原则变电站安全运行以及设备的可靠性主要跟变电站的用电系统的设计以及设备的选择有关，所以一般对其都有较高的要求，具体体现在以下几点：（1） 电源的可靠性一定要的到保证；（2） 具有很高且安全可靠地调节度，在进行调试检修时要保证其安全性和方便性，系统的接线要尽可能的避免复杂和不清晰；（3） 对全所以后的扩建和发展有一个好的规划，配电装置的安放要尽量合理并且便于维修，使全所的系统容量尽可能的大，并留有适当的裕度；（4） 合理的对设备进行筛选，引进先进技术，合理的规划建设资源的浪费，尽可能少的使用电缆；（5） 在变电站中很少使用高燕电动设备，通常使用的都是低压动力负荷， 而其低压值一般为 380/110V。2.2.2 所用电源引接方式一般情况下都是使用较低的母线去引接 11 个所用电源，这样的引接方式具有很好的优点，例如，其经济性号且具有很高的稳定性。如果有两个不同等级的电压上的母线，分别引接两个所用电源，这时所接的所用电源就可以的到不间断的供电。本文所设计的变压站，电接线的设计为，所用电源是从 10KV 的母线上引接出来的。主要是本文所设计的 10KV 母线是单母线分段接线，所用电源所接的地方分别为 10KV 母线的段和段，它们相互备用，如果其中一台出现故障， 电压站的全部负荷有另一台来承担。本文所设计的变压站电力变压的额定值为 10/0.4kV，高压端的进线接线方法为分别接于 10KV 母线的段和段，低压一端使用单母线分段接线的方法， 通常情况下式分裂运行的，多故障发生的范围进行现在，对其供电的稳定性有很好的提高。所用电接线图如图 2.2 所示：380V380V10kV10kV图 2.2 所用电接线2.2.3 所用变压器的选择（1）所用变压器的选择原则：所用负荷的计算公式为变电站总容量的 0.2%，本文所设计的两台所用变相设备是相互备用的。（2）所用电负荷S350kVA是所用负荷的值本文所设计的变电站的最低变压等级为 10KV，通过一级电压降落就可以实现，使用两台变压器将其电压降低为 380/110V,经过对相关资料的查询可得，所设计的变压器技术参数，如表 2-2 所示：表 2-2 所用变压器参数表2.3 主变压器的选择2.3.1 主变压器选择的基本原则（1） 通常情况下在变电站建成后的 510 年会对主变压器的容量进行一次规划，对其以后 10-20 年的负荷发展做一次规划。而城乡变电站的规划，主变压器的容量还要结合城市的规划来做出其发展规划。（2） 主变压器的容量大小主要是有变电站所承受的负荷的性质以及电网结构来决定的。如果变电站所承载有重要的负荷，就需要对其进行全面的考虑，例如一台主变压器停止工作时，其它的变压器电压的容量要能够保证用户的一级和二级电压在相当一段时间内不受到影响；而相对于一般的变电站，其要求为满足变压器总容量的 70%-80%即可。（3） 再设计同级电压的单台降压变压器容量时，要尽可能地减少其级别的设定。从整个电网进行考虑，按照系列化和标准化设定。2.3.2 主变压器台数的确定（1） 建立在大城市郊区的一次变压站，中、低压单侧形成相应的环网电路，其主变压器一般安放两台比较合理。（2） 如果变压站所处的地区比较孤立或者是为大型的工业用电而建立的， 一般电站应安装三台主变压器，防止意外事件的发生。（3） 再设计只有两台主变压器的变电站时，它的变压基础最好要大于变压器容量的 1-3 级，能够在对负荷增大时，方便的对变压器进行容量的更换。本设计将采用两台主变压器。2.3.3 主变压器型式和结构的选择（1） 主变压器的相数。如果发电厂和变电站的电压为 330KV 或者下于330KV时，所选用的变压器为三项式变压器。主要是从经济方面、空间方面以及节约能源方面来考虑，它都比使用三台单相要优越，除此之外它还具有简单地配电装置和便与维护。（2） 主变压器绕组数的确定1，一般情况下很少采用双绕组变压器进行变压工作，只有在升高电压或者是以系统直接连接的发电厂。2，在使用双绕组变压器或者是三绕组电压器（其中就包含了自耦变压器） 的有很多，有三种变电站和两种升高压向用户供电的发电厂。（3） 我国电力变压器的三相绕组所采用的连接方式为：在高电压（110KV 及以上的电压）接线测的接线方法为“YN' ，具有接电线的接法；在进行 35KV 或者是 60KV 高电压接线时一般都采用“Y”接线法，也就是没有接地线或者是通过消弧线圈接地，在进行低压接线时可采用“Y”或“D” 的接线方法；电压小于35KV 的一侧接线时，通常都是使用“D”接线法，有时也会使用“Y'。本设计的三个电压分别为 110kV、110kV、10kV 等级的接线方式，所以企接线方式为Y/Y/。2.3.4 主变压器容量的确定对原始资料就行数据分析计算：P = åP = P总110kV+ P10kV= 51800(KW )Q = åQ = Q总110kV+ Q10kV» 17026(KVar)P 2 + Q2总总S=» 5452（6总KVA）主变压容量进行确定时，对两种负荷进行考虑，得其同时率为0.9，有根据以后 5 到 10 年变电站的发展规划，得：S= 0.7 ´ SN（n - 1）´ 0.9 ´ (1 + 5%) ´ (1 + 5%)10 » 58753(KVA)总2.3.5 主变选择结果本设计选用有载调压自耦变压器,型号为 SFSZ11-63000/110,其主要参数如下：额定容量：63000（kVA） 额定电压：高压 - 110 2 2.5%（kV），中压 - 121（kV），低压- 10.5（kV）容量比为： 1:：1：1表 2-3 主变参数表2.4 主要电气设备的选择2.4.1 主要电气设备的选择要求一、断路器的选择要求（1） 额定电压和额定电流的选择U³ UI³ INSNNmax（2） 额定开断电流的选择INbr³ I ''（3） 短路热稳定和动稳定校验热稳定：I 2 ³ QtK动稳定：ies ³ ish二、隔离开关的选择要求在多方面进行隔离开关与断路其进行比较，例如在其额定电压。电流以及短路和热稳定性方面等项目进行校验，发现其效果相同。但是隔离开关不能够对短路电流进行接通和切除工作，所以就没有进行短路电流和短路开关方面的检验工作。三、电流互感器的选择要求（1） 选择一次回路的额定电流为（2） 进行额定电流比的选择（3） 校检其热稳定性：U³ UNSNI 2 t¥ dz£ (IK )2mt在公式中Kt表示为在 1S 时间内电流互感器的热稳定倍数。（4） 进行动稳定性方面的检验：shmdwti<2IK在公式中 K表示为电流互感器的动稳定倍数。四、电压互感器的选择要求高电压变压器（35kV110kV）的电压互感装置一般都具有油浸结构的；在进行 6-20KV 的屋内互感器的类型选择时，通常按照其使用的条件来确定，可以使用树脂绝缘的结构，如果容量和准确等级符合要求的话，都是使用电容式互感器。如果对一次单相回路的接地情况需要检查和监视是，最好使用 三相五柱式电压互感器或者是具有第三绕组的单相电压互感器。nu1表示一次电压， u为电压互感器的一次线额定电压un> u> 0.9u1n表 2-4 为二次电压的要求：表 2-4 二次电压选择要求准确等级：根据接入的测量仪器，续电器以及自动装置设备相关等级的要求， 来确定电压互感器的工作等级。其规定见下文：（1） 用于 0.5 级要求的为发电机、变压器、调相机、厂用馈线以及出线回路中的电度表等等。（2） 用于 1 级要求的包括用于监视对电能进行估算的电表，功率表以及电压续电器等等。（3） 对于准确度较低的要求，一般为 3 级要求，主要有估计被测量的数据进行标记的电压表。（4） 有的回路中，虽然回路相同但是其接法不同，例如电压互感的二次回路，因此在进行准确度要求时，应根据不同的等级进行其准确度等级的确定。负荷 S 2：S2Sn2.4.2 各电压等级电气设备的选择结果一、110kV 侧电气设备选择结果如表 2-5表 2-5 110kV 侧电气设备选择结果二、110kV 侧电气设备选择结果如表 2-6表 2-6 110kV 侧电气设备选择结果三、10kV 侧电气设备选择结果如表 2-7表 2-7 10kV 侧电气设备选择结果2.4.3 导线选择一、导体的选择及校验要求（1） 导体选型制造载流导体时常采用铝或者是其合金材料，但是在对于某些会对铝会有较强腐蚀作用的地方会采用铜质导体来代替。对于硬质导体的横截面通常设计成矩形的或是槽形的以及管形的。（2） 导体截面选择对导体横截面选取时要考虑其长期发热的工况下允许的电流值。按照I£ KI这个式子来计算。maxal在这个式子里，Imax代表这个回路里持续工作时的回路的最大电流（A）；Ial代表导体在q=25这个额定的环境温度下的允许电流；而K 代表的是对于实际0的环境的温度以及海拔高度相关的综合修正系数。（3） 电晕电压校验对于包含 110kV 以及大于 110kV 的裸露的导体，要对它们进行在晴天时不发生全面电晕的这种条件来进行校正检验，也就是其临界电压 Ucr与最高工作电压Umax相比要大。（4） 热稳定校验对于导体热稳定进行校正检验时，要考虑到集肤效应系数 Kf可能带来的影响，所以根据在短路发生时的热量的计算公式可以算出短路时热稳定所决定的截Q Kkf面积的最小值 S ，用下面这个式子来计算： S=minminC在这个式子里C 代表的是热稳定系数；Qk代表的是短路电流热效应，单位是（A2·s）。（5） 动稳定校验1） 对单一的矩形导体所组成的母线的应力计算。在这些导体最大相间的计算应力s用下面这个式子来计算：s= M = fL2phphphW10W在这个式子里，式中：f代表的是导体在单位长度之上承受的相间电动力，ph单位是 N/m；L 代表的是导体的支柱绝缘子之间横跨的距离（m）；M 代表的是导体承受的弯矩的最大值，单位是 N·m；W 代表的是导体在作用力方向轴的垂直方向上的截面系数，单位是 m3。对于导体的最大相间应力 s要比其材料允许应力 s小，s£ spha1phal2） 两条及以上的矩形导体所组成的母线的应力计算。如果是多条矩形导体构成了同相母线，这个时候在母线里的机械应力的最大值是叠加了s（相间ph应力）以及s叠（同相条间应力），此时，如果母线想要达到动稳定，需满足b下面的式子：s+s£ sphbal在这个式子里：s ph（相间应力）的计算和单条导体是一样的，此时s b（条间应力）满足下面的式子：o= M b = f L2bbbW2b 2 h二、导体选择结果（1） 110kV 母线的选择结果在110kV 母线中我们采用的是LF-2160/54 圆管型的铝锰合金这种型号的导体，下表 2-28 给出了它的相关技术参数：表 2-8 LF-2160/54 圆管型铝锰合金导体技术参数表（2） 110kV 母线的选择结果在110kV 母线中我们采用的是LF-2170/64 圆管型的铝锰合金这种型号的导体，下表 2-29 给出了它的相关技术参数：表 2-9 LF-2170/64 圆管型铝锰合金导体技术参数表（3） 10kV 母线的选择结果根据持续工作电流的最大值，10kV 母线选取一共 3 条 125mm×10mm 矩形铝导线，平行放置，额定的电流值是 5630A。、3设计计算书3.1 负荷计算P = åP = P总110kV+ P10kV= 42000 + 2000 + 900 + 2400 + 600 +1800 + 2100 = 51800(KW )由于Q = P1- 1 ，且本设计中负荷的功率因数都为 0.95，则1cos 2 j- 110.952- 1cos 2 jQ = åQ = Q总110kV+ Q= P10kV总= 51800 ´» 17026(KVar)P 2 + Q2总总则： S=总» 5452（6KVA）3.2 主变容量计算综合考量这两个负荷 0.9 的同时率和建造成功之后五至十年的计划，确定主变容量是： SN= 0.7 ´ S（n -1）´ 0.9 ´ (1 + 5%) ´ (1 + 5%)10 » 58753(KVA)总注解：在这个设计里是考虑建成十年的后的计划的。3.3 主变压器各绕组电抗标幺值计算定义高、中、低压三个绕组依次为一、二、三次绕组，则有：U% =K11 (U2K (1-2)% + UK (1-3)% - UK (2-3)%) =1 (9 + 31 - 21) = 9.52U% =K 21 (U2K (1-2)% + UK (2-3)% - UK (3-1)%) =1 (9 + 21 - 31) = -0.52U% = 1 (UK12K (1-2)% + UK (1-3)% - UK (2-3)%) =1 (9 + 31 - 21) = 21.52假设，,那么这三个绕组的电抗标幺值是：Xd1 Xd2Xd3Xd4XT1 XT2 XT3XT4Xl1Xl2Xl5XT11XT12Xd5 Xd6XT5 XT6Xl3 Xl4Xl6XT21d1XT13XT23XT22d2Xl7d3Xl8Xd1 Xd2Xd3XT1 XT2 XT3Xl1Xl2Xl5XT11XT12Xd4XT4Xd5 Xd6XT5 XT6Xl3 Xl4Xl6XT21d1XT13XT23XT22d2Xl7d3Xl8Xd1 Xd2Xd3Xd4XT1 XT2 XT3XT4Xl1Xl2Xl5XT11XT12Xd5 Xd6XT5 XT6Xl3 Xl4Xl6XT21d1XT13XT23XT22d2Xl7d3Xl83.4 短路电流计算110kV 的变电站可以用下面的等值电路来表示：Xd1XT1Xl1Xd2XT2Xd3XT3Xd4XT4Xl2Xl5XT11XT12XT21XT22Xd5XT5Xl3Xl6Xd6XT6Xl4d1XT13XT23Xl7d3Xl8d2图 3.1 110kV 的变电站的等值电路表示图X1X3XT12XT11X2XT21XT22d2X1X3XT11XT12X2XT21XT22 d2，BABAB对电抗标幺值进行相关计算：选择 A，X4SSXT13XT23X4SXT13XT23d1d1d3d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2X4XT13XT23AB那么发电机的Sd1这样得到：d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2A BX4SXT13XT23d1d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2A BX4SXT13XT23d1d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2X4XT13XT23AB对于变压来说Sd1那么得到：d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2A BX4SXT13XT23d1d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2A BX4SXT13XT23d1d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2X4XT13 XT23AB对于线来说Sd1那么得到：d3X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2X1X3XT11XT12X2XT21XT22d2A AB BX4SXT13XT23X4SXT13XT23d1d1d3d3X1XT11XT12X2XT21XT22d2X1XT11XT12X2XT21XT22d2A AB BX4SXT13XT23X4SXT13XT23d1d1d3d3把 110kV 变电站的等值电路进行简化：X1X3XT11XT12X2XT21XT22X4XT13XT23d1d3A Bd2S图 3.2 110kV 变电站等值电路这里边的一些电抗如下：X5X6X7ABSd1X5X6X7ABSd1X5X6X7ABSd1X5X6X7ABSd13.4.1 110kV 母线短路时短路电流计算可以得到如下的等值电路图：图 3.3 110kV 母线短路时等值电路XX= X 1 X 3+ X X12+ XX23 = 0.1435这里面：2X= X 1 X 3+ X X12+ XX23 = 0.126X1X= X= 0.022574NX= XS5 = 0.143 ´ 4 ´ 50 / 0.8 = 0.3575jS55得到计算电抗的值是：B100NX= XS6 = 0.12 ´ 2 ´ 200 / 0.85 = 0.5647j 66SB100X= XS2100N 7 = 0.0225 ´= 0.4725j 77SB100通过汽轮发电机计算曲线数字表查阅，短路周期电流在依次 0s 和 2s 以及4s 时标幺值为表 3-1 短路周期电流 0s、2s、4s 的标幺值归算至短路点电压等级处每个电源具有的额定电流值是：X 56X 12X 7E ABSd2X 56X 12X 7E ABSd2E ABX 56X 12SX 7d2对于短路电流周期分量进行计算，可以得到有名值的值：（使用下面这个式EABX56X12SX7子）d2E ABX56X12SX 7d2E ABX56X12SX7d2E ABX56X12SX7d2得到冲击电流值是：E ABX 56X 12SX 7d2得到短路容量值是：E ABX 56X 12SX 7d23.4.2 10kV 母线短路时短路电流计算可以用下面等值电路来代表：图 3.5 10kV 母线短路时等值电路上面的电路里面每个部分电抗值如下：X 23= 1 (0.15 + 0.34)= 0.2452E AB和短路点之间的转移阻抗值是：X= X 56 X 23+ XX237+ XX567= 0.065 ´ 0.245 + 0.245 ´ 0.0225 + 0.065 ´ 0.0225 = 1.018f 56X0.02257从 S 一直到短路点之间对的转移阻抗值是：X= X 56 X 23+ XX237+ XX567= 0.065 ´ 0.245 + 0.245 ´ 0.0225 + 0.065 ´ 0.0225 = 0.352fSX560.065得到的计算电抗值是：X= XSN 56= 1.018 ´ 250 + 400 / 0.85 = 7.336j 56f 56SB100X= XS2100NS = 0.352 ´= 7.392jSfSSB100在 X js ³ 3.45 这个时候，我们大致的把短路周期电流幅值看作是不跟时间改变而改变，在这里选取下面的运算短路周期电流标幺值，不加以更改：11I= 0.1363P56Xj 567.33611I= 0.1353PSXjS7.392归算至短路点电压等级处每个电源具有的额定电流值是：I=N 56S56=3U3 ´10.5av250 + 400 / 0.85= 39.62S2100NS3U3 ´10.5I= 115.47NSav对于短路电流周期分量进行计算，可以得到名值的值是：（使用下面这个式I子计算： tn= ågi=1Itin· INi ）I '' = 0.1363 ´ 39.62 + 0.1353 ´115.47 = 21.02KA得到冲击电流值是： ish=2KI ''= 2.55´ 21.02 = 53.6KA得到短路容量值是： S=3I ''U=3KB´ 21.02 ´10.5 = 382.28KVA表 3-3 短路电流列表3.5 电气设备的选择3.5.1 110kV 侧电气设备的选择及校验一、110kV 侧断路器的选择及校验（1） 选择计算：得到断路器连续工作的最大电流值是：Imax= 1.05 ´ 63000= 173.6(A)3 ´ 220NNs对额定电压进行选取：U³ U= 220kVNmax对额定电流进行选取： I³ I= 173.6ANbr对开断电流进行校核检验： I> I ''= 16.05kA那么这个电压侧断路器选取 LW6-110 这种型号的 SF6断路器，下表3-4 给出了它的一些技术数据：表 3-4 LW6-110 型 SF6断路器参数表（2） 热稳定校验：假设主保护以及后备保护的动作时间数值分别为 0s、1.5s， 那么短路时间值是： tk = 1.5 + 0.06 + 0.36 = 1.596s > 1s在这里非周期热效应不纳入计算，短路电流和周期分量的热效应相等（Q k =Q P）。那I ''2 + 10I 2+ I 2么16.052 + 10 ´13.72 + 14.622()Q=tk / 2k12tk tk=´1.596 = 312.3 KA 2 S12I 2t = 402 ´ 4 = 6400(KA)2 SI 2t ³ Q又因为t那么： tK达到热稳定的要求。（3） 动稳定校验：essh根据上面的数据： i= 100kA ³ i= 41kA所以是达到动稳定校核检验要求。表 3-5 相关参数表