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110KV降压变电站电气部分设计
摘要
近年来随着地区经济的发展，城镇用电量呈大副增长趋势。随之带来一系列在网运行问题，其中在网负荷量不足尤为重要，为保证城镇正常用电，配套变电站的建设成为重中之重。今拟建一座110KV变电站，向该地区用10KV电压等级供电。设计110KV线路2回、10KV线路10回，架空出线。
关键词：变电站 电气设计 参数计算 设备选择

第一篇 前言
总则
变电所的设计，必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，结合国情合理得确定设计方案；同时变电所的设计，必须坚持节约用电的原则。
绪论
在本次设计过程中，初步体现了工程设计的精髓内容，如根据规程选择方案，用对比的方法对方案评价等。教会了我们在工程中运用所学专业知识，锻炼了我们用实际工程的思维方法去分析和解决问题的能力。
一、对电力系统的基本要求
（一）保证可靠的持续供电：供电中断将使生产停顿，生活混乱，甚至危及人身和设备安全，形成十分严重的后果。停电给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失，因此，电力系统运行首先要满足可靠、持续供电的要求。
（二）可扩性的具体要求：扩建时，可容易地从初期接线过度为最终接线
二、 设计原则
(一) 本地区电网规划、电网调度自动化系统规划和通信规划，根据电网结构、变电站理环境、交通、消防条件、站地区社会经济状况，因地制宜地制定设计方案；
(二) 除按照电网规划中规定的变电站在电网中地位和作用考虑其控制方式外，其与电网配合、继电保护及安全自动装置等均应能满足运行方式的要求；
(三) 自动化技术装备上要坚持安全、可靠、经济实用、正确地处理近期建设与远期发展关系，做到远近结合；
(四) 节约用电，减少建筑面积，既降低电网造价，又满足了电网安全经济运行；
(五) 对一、二次设备及土建进行必要简化，取消不必要措施；
(六) 应满足备用电源自投、无功功率和电压调节。
三、 基本概念
（一） 按突然中断供电造成的损失程度分为：一级负荷、二级负荷、三级负荷。一级负荷中断供电将造成人身伤亡和将在政治经济上造成重大损失，如造成重大设备损坏，打乱重点企业生产次序并需要长时间的恢复，重要铁路枢纽无法工作，经常用于国际活动的场所的负荷。
（二） 同时率----各用户负荷最大值不可能在同一时刻出现，一般同时率大小与电力用户多少、各用户的用电特点有关。

第二篇 变电站一次系统的设计
第一节 主变容量的确定
对于装设两台变压器的变电所，每台变压器的容量Sn通常按下式进行初选：
Sn>=Simp
式中：Simp—变电所全部重要负荷容量
变电所某一级电压的最大计算负荷为：Smax=Kt∑Pmax(1+α)/cosα
式中Kt—同时率； Pmax、cosα各用户的最大有功和功率因数
α—该电压级电网的线损率
计算如下：
Pimp=7.5*80%+2*75%+6*80%+2*80%+3*40%+3.5*80%+4.6*70%+3.4*50%=22.82MW
Simp=0.85*22.82*（1+5%）/0.8=25.46MVA
考虑到同一重要负荷不在同一时刻出现，应考虑同时率Kt=0.85
第二节 变压器台数的选择
为保证供电可靠性，变电所一般装设两台主变压器，以免一台主变故障或检修时中断供电。考虑近期及远景规划，经上述分析，拟选用SF7-40000/110型变压器。
第三节 变压器相数的选择
对于330kv及以下的变电所，在设备运输不受条件限制时，应采用三相变压器。
第四节主变绕组数量的选择
对接入负荷中心具有直接从高压降为低压供电的变电所，为简化电压等级和避免重复容量，一般采用双绕组变压器。
第五节绕组联结方式
我国110kv级以上的电压变压器绕组都采用“Y”连接，35kv及以下电压等级，变压器都采用“Y-Δ”连接，故选择YN，D11连接。
结论 根据电压允许波动范围为5%以内，结合本站实际选择两台同样型号的双绕组无励磁电力变压器SF7-40000/110。
第二章 电气主接线设计
一、 内桥
优点：高压断路器数量少，四个元件只需要三台断路器
缺点：1）变压器切除投入较复杂，需操作两台断路器并影响一回路暂时停电。
2) 连接桥断路器检修时两个回路需解列运行。
3）出现断路器检修时，出线在此期间停运。
二 外桥
优点：高压断路器数量少，四个元件只需要三台断路器
缺点：1）线路切除投入较复杂，需要操作两台断路器，并有一台变压器暂时停运；
2) 连接桥断路器检修时两个回路需解列运行；
3）变压器侧断路器检修时，变压器停运。
根据实际情况，110kv有两回路进线，有穿越功率流过，110kv侧选用外桥型接线。

第三章 所用电设计及功率因数的补偿
第一节 所用电的设计
一、 确定所用变压器的参数，一般的变电所，均装设有两台变压器，以满足整流操作电源，强迫油循环变压器，无人值班的要求；
二、 确定所用变压器容量：根据所用负荷统计和计算，选用合适的变压器容量；
三、 确定变压器电源引接方式。当变电所内有较低的电压母线时，一般从这类母线引接电源，这种引线具有经济、可靠的优点。
选择结果
一、 所用电的引接：为了保证供电的可靠性，所用电分别从10kv母线上引接，为了节省投资，所用变采用隔离开关加高压熔断器与母线连接。
二、 所用电容量：这里选用两台S9-M-50型，参数如下：
所用变压器数据表
额定容量
KVA
连接组别号

空载损耗
KW
负载损耗
KW
空载电流
A
短路阻抗
Ω
50
Y,yn0
0.17
0.87
2
4
第二节 功率因数的补偿
P Σ=（7.5+2+6+2+2.4+3+3.5+4.6+3.4+3.6）*0.85=32.3MW
原来的功率因数是0.8，要求补偿到0.9以上，采用在低压侧并联电容器的方法：
cosΨ=0.8 Ψ=36.87o cosΨ´=0.9 Ψ´=25.84o
要求补偿的无功容量为：
Qc=P*(tanΨ´-tanΨ)=32.3*(tan36.87o- tan25.84o)=8.58Mvar
每相补偿的电容值C= Qc/3ωμ2=8.58*106/（3*314*10*103）=91.08μf
电容值选择数值至少为91.08μf，每相装设一个电容器。
第四章 短路电流的计算
第一节 计算的目的和内容
一、 为了选择断路器等电器设备或对这些设备提出技术要求；
二、 评价并确定网络方案；
三、 研究限制短路电流的措施；
第二节 计算的假设条件
一、 故障前为空载，即负荷略去不计，只计算短路电流的故障分量；
二、 故障前所有电压均等于平均额定电压，其标幺值等于1；
三、 系统各个元件电阻略去不计（1kv及以上的高压电网）；
四、 只计算短路电流的基频分量。
第三节 各元件参数的计算
选取基准电压Ub=Uav=115，Sb=100，则等值图中各计算值为：线路X b =0.4Ω/KM，只计算三相短路电流
主变的计算：Xt*=Uk(%)*SB/(100* SN)=10.5*100/(100*40)=0.2625
第四节 短路电流的计算步骤
一、 短路电流计算的基准值Ub= Uav=115kv, Sb=100MVA;
二、 计算各元件参数的标幺值，做出等值电路；
三、 进行网络简化，求出电源点与短路点之间的电抗，此电抗称为入端电抗；
四、 求出短路电流标幺值，进而求出短路电流有名值;
五、 计算冲击电流有效值。
计算结果如下列表：（计算过程见计算书）
表3 各短路点计算结果
短路点
次暂态电流有效值(KA)
冲击电流幅值ish(KA)
d 1
10.68
27.18
d 2
2.82
7.18

第五章 电气设备的选择
一、 应力求技术先进和合理；
二、 与整个工程建设标准应协调一致；
三、 同类设备应尽量减少品种；
四、 选择的新产品均应有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。
第一节 高压断路器的选择
一、断路器种类和型式的选择： 除满足各项技术条件外，还应考虑安装调试和运行维护方便。一般6-35kv采用真空断路器，35-500kv采用SF6断路器。
二、 额定电压的选择：
UN>= UNS UNS-----电网额定电压
三、额定电流的选择：
IN>= IMAX IMAX------各种合理方式下最大持续工作电流
四、开断短路电流的选择
INbr>= IPT（或I"）
IPT为实际开断瞬间的短路电流周期分量，开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，故断路器的开断计算时间t应为主保护时间和断路器固有分闸时间之和。
五，10kv侧高压断路器选择结果如下
表5 列出的断路器计算数据与所选断路器的参数比较如下
计算数据
SN10—10Ⅲ
UNS 10KV
UN 10KV
IMAX 2309A
IN 3000A
I" 2.82KA
INbr 40KA
QK 24.81[(KA)2*S]
It2*t 6400[(KA)2*S]
Ish 7.18KA
Ies 125KA
由选择可知其结果正确，各项数据均满足要求，故10KV侧选用SN10—10Ⅲ型断路器。
第二节 隔离开关的选择
隔离开关是发电厂和变电所的常用电器，它需要与断路器配套使用。但是隔离开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流、短路电流，其主要用途是：
一、 隔离电压
二、 倒闸操作
三、 分合小电流

第三节 电流互感器的选择
电流互感器（CT）是一次系统和二次系统间联络元件，用以分别向测量仪表、继电器线圈供电，正确反映电气设备正常运行和故障情况。作用是：
● 将一次回路的大电流变为二次回路的小电流（5A或1A），使测量仪表和保护装置标准化，小型化，并使其结构巧，价格便宜和便于屏内安装；
● 使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证设备和人身的安全。
一、型式选择
根据安装的场所和使用条件，选择电流互感器绝缘结构（浇注式、瓷绝缘式、油浸式），安装方式（户内式、户外式、装入式、穿墙式），结构形式（多匝式、单匝式、母线式），测量特性（测量用、保护用、具有测量暂态特性等）。
一般常用型式为：低压配电屏和配电装置中，采用LQ线圈式和LM母线式：6-20KV户内配电装置和高压开关柜中，常用的LD单匝贯穿式或复杂贯穿式：35KV及以上电流互感器多采用油浸式结构。在条件允许时，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，以节省占地和投资。
二、额定电压和额定电流的选择：
UN1>= UNS IN1>= IMAX
式中UN1、 IN1-----电流互感器的一次额定电压和额定电流
三、二次额定电流的选择
CT二次额定电流有5A和1A两种，一般弱电系统用1A，强电系统用5A。当配电装置（例如超高压）距离控制系统室较远时，为了能使CT能多带二次负荷或减少电缆截面，提高准确级，应尽量采用1A。
四、按准确度级选择
CT的准确度应符合二次测量、继电保护等的要求，用于电能计量的CT，准确度级不应低于0.5级，用于继电保护的CT误差应在一定的限值内，以保证过电流测量准确度的要求。
第四节 电压互感器的选择
电压互感器（PT）是一次系统和二次系统间联络元件，用以分别向测量仪表、继电器线圈供电，正确反映电气设备正常运行和故障情况。作用是：
● 将一次回路的高电压变为二次回路的低电压，使测量仪表和保护装置标准化，小型化，并使其结构巧，价格便宜和便于屏内安装：
● 使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证设备和人身的安全。
一、型式选择：
根据安装的场所和使用条件，选择电压互感器绝缘结构和安装方式，一般6-20KV户内配电装置多用油浸式或树脂浇注绝缘的电磁式电压互感器；35KV配电装置选用电磁式电压互感器；110KV及其以上的配电装置中尽可能地选用电容式电压互感器。
二、按额定电压选择：
为保证测量的准确性，电压互感器一次额定电压在所安装电网额定电压的90%-110%之间。
PT二次额定电压应满足测量、继电保护和自动装置的要求。通常，一次绕组接于电网相电压时，二次绕组额定电压应选为100/1.732v。当电网为中性点直接接地系统时，互感器辅助副绕组额定电压选为100/1.732v；当电网为中性点非直接接地系统时，互感器辅助副绕组额定电压选为100/3v。
三、按容量和准确度级选择：
PT按容量和准确度级选择与CT相似，要求互感器二次最大一相负荷S2应该不超过设计要求的准确度级的额定二次负荷SN2，而且S2应该尽量最接近SN2，因S2过小也会使误差增大，PT的二次负荷S2计算式为：
S2=[(ΣP0)2+（ΣQ0)2）]1/2
式中P0 、Q0----同一相一表和继电器电压线圈的有功功率、无功功率。
四、PT不校验动稳定和热稳定
五、经过计算，选择结果如下：
表8 PT的选择结果
型号
额定电压（KV）
副绕组额定容量(VA)
最大容量(VA)

原绕组
副绕组
辅助绕组
0.5
1
3

YDR—110
110/1.732
0.1/1.732
0.1
150
220
440
1200
JDZJ—10
10/1.732
0.1/1.732
0.1/3
40
60
150
300
备注：YDR—110 Y---电压互感器 D---单相 R----电容式
JDZJ—10 J---电压互感器 D---单相 Z---环氧浇注绝缘 J---接地保护用
第五节 支柱绝缘子和穿墙套管的选择
支柱绝缘子额定电压和类型选择，进行短路动稳定校验。穿墙套管按额定电压、额定电流和类型选择，按短路电流条件进行动稳定和热稳定校验。
一、按额定电压选择支柱绝缘子和穿墙套管：
支柱绝缘子和穿墙套管的额定电压应大于等于电网额定电压即 UN>= UNS ；
二、按额定电流选择穿墙套管：
穿墙套管额定电流IN大于等于回路最大持续工作电流IMAX，即IMAX<=KIN
K------温度修正系数
三、 支柱绝缘子、套管种类和型式的选择：
根据装置地点、环境、屋内、屋外或防污式满足要求的产品格式。
四、 穿墙套管的热稳定校验：
套管耐受短路电流的热效应I2t*t大于等于短路电流通过套管产生的热效应QK。即
I2t*t>= QK
五、支柱绝缘子和套管的动稳定校验：
要求：FMAX<=0.6Fg
Fg ----绝缘子抗破坏负荷； FMAX---在短路时作用于绝缘子或穿墙套管的力（不同母线有不同的布置方式和计算公式）
六、经计算支柱绝缘子选择如下:
表9 支柱绝缘子选择结果
型号
额定电压(kv)
绝缘子高度(mm)
机械破坏负荷（kg）
ZB—10
10
215
750
七、经计算10KV选用CMWF2—20母线套管
第六节 母线导体的选择
110KV侧采用外桥型接线，10KV采用单母分段接线，所以只对10KV侧母线进行选择，一般来说，母线系统包括载流导体和支撑绝缘两部分，载流导体有硬母线和软母线两种形式。
一、 型式： 一般采用铝材，只有当持续工作电流较大且位置特别狭窄的场所，或者腐蚀严重的场所，才选用铜材，20KV及以下且正常工作电流不大于4000A，首选矩形导体；在4000A-8000A时，一般用槽型导体；8000A以上工作电流选管型导体或铜芯铝绞线构成的组合导线。
二、 按最大持续工作电流： 导线界面应满足
Iy>= IMAX 式中Iy-----导线的长期允许载流量，A
三、 按经济电流密度选择：
Sj= IMAX/J (mm2)
四、 热稳定检验应满足条件：Smin= Q1/2K/C
式中 C---母线的热稳定系数 QK---短路电流热效应 (KA)2*s
Smin -----满足热稳定最小截面，mm2
五、动稳定校验应满足条件： δMAX<=δy
式中 δy ------母线材料的允许应力，铝为500-700kg/cm
δMAX -----母线材料的最大应力
δMAX= 1.732I2sh*L*10-7/a
六、 经过计算：10KV侧选择的汇流母线参数如下：
63*10 (mm2) 三天平放矩形导体，集肤效应系数KS=1.2
第七节 避雷器的选择
电气设备的绝缘配合基于避雷器的保护水平，设备承受的雷电过电压和操作过电压均由避雷器来限制，即选用设备的绝缘水平取决于避雷器保护性能。
一、 型式的选择：
普通阀型避雷器由FS和FZ两种。FS型主要用于配电系统，FZ型主要用于发电厂和变电所，金属氧化锌避雷器比普通的阀型避雷器具有无序流，流通量大，结构简单，寿命长等优点。
二、 额定电压：
避雷器的额定电压必须与安装处的电力系统等级相同。
三、 灭弧电压：
灭弧电压是保证避雷器能够在工频持续电流第一次经过零点零值时，根据灭弧条件与允许限制避雷器最高工频电压。
四、 放电电压：
在工频放电电压要规定其上下限，如果太高意味着放电电压也高，将使其保护性能变坏；太低意味着灭弧电压降低，将会造成不能可靠地切断工频续流。
五、 残压：
在防雷设计中以5KV以下的电压作为避雷器的最大残压。
六、 保护比：
保护比等于残压与灭弧电压之比，它是说明避雷器保护性能的参数，越小表明保护性能高。
七、 直流电压下的电导电流：
运行中的避雷器通常用于测量直流电压下的电导电流方法来判断分路电阻的性能。它必须在规定范围内。
八、 综上所述： 110KV侧采用FCZ-110型避雷器
10KV侧采用FZ-10型避雷器
避雷器配置原则：
1. 配电装置每组母线上，一般应装设避雷器；
2. 220KV及以下的变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一台避雷器；
3. 以下情况中性点应装设避雷器：
A： 直接接地系统中，变压器中性点分级绝缘，且装设有隔离开关时；
B： 直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时；
C： 不接地或经过消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点。
4. 110KV，220KV线路侧一般不装设避雷器。
5. 结果如下

型号
组合方式
额定电压KV
灭弧电压KV
共频放电电压KV
预放电时间1.5-20µs
5KA冲击电流下的残压幅值
FCZ—110
单独元件
110
126
255-290
345
332
FZ—10
单独元件
10
12.7
26-31
45
45
表10 避雷器选择结果
第八节 电抗器的选择
普通电抗器的主要技术参数有额定电压，额定电流，电抗百分值和有功功率损耗等。正常工作时，电抗器的电压降落称为电抗器的电压损失。为了保证供电电压质量，一般要求正常工作时电抗电压损失的百分值不大于5％。
一、 按额定电压选择： 电抗器的额定电压不小于装设电抗器回路所在电网的额定电压。
二、 按额定电流选择： 电抗器的额定电流不小于装设电抗器回路的最大持续工作电流。
三、 确定电抗器的百分值： 首先按照限制短路电流的要求初步选择电抗器的百分值，然后进行电压损失和残余电压校验，在满足以上条件下确定电抗器的百分值。
XL%>=（IB/ I″-X*）IBL* UB*100%/(UNL* IB)
式中 UB-------基准电压，KV； IB-------基准电流，KA；
X*-----以UB、IB为基准，从电源计算到所选用电抗器前的电抗标幺值；
UNL------电抗器额定电压，KV；INL------电抗器额定电流，KA；
I″-----电抗器后短路的次暂态电流，KA。
四、 电压损失校验：△U%=△U*100%/UNL= XL%*IMAX*sinΦ/INL<=5%
五、 残余电压校验：Urem%= XL%* I″/INL>=60%
六、 校验动稳定： 电抗器的动稳定电流ies不小于通过电抗器的最大三相短路电流ish,即 ies>=ish
七、 热稳定校验：电抗器允许的最大短路热效应I2t*t 不小于电抗器实际的最大短路热效应QK,即 I2t*t>=QK
八、 电抗器选择如下： （主要用于10KV馈线电缆线路）
表11 电抗器选择结果
产品型号
额定容量KVA
线路电压KV
端子电流A
电抗(%)
动稳定电流KA
热稳定电流KA
XKGK-10-200-6
3*1155
10.5
200
6
12.75
18
第九节 高压熔断器的选择
熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害。屋内型高压熔断器在变电所常用于保护电力电容器，配电线路和变压器，而在电厂多用于电压互感器。
一、 额定电压选择：UN>= UNS
二、 额定电流选择：
按熔管额定电流选择：INFT>=INFS
为了保证熔断器不被损坏，高压熔断器的熔断额定电流应大于等于熔体的额定电流。熔体额定电流选择INFS=KImax
式中 K-------可靠系数，K=1.1～1.3
Imax-----电力变压器回路最大工作电流
三、 熔断器开断电流校验：INbr>=Ish
对于保护PT的高压熔断器，只按额定电压及按开断电流容量来选择
四、 高压熔断器选择结果
表12 高压熔断器选择结果
型号
额定电压
KV
额定电流
KA
最大开断容量MVA
最大开断电流KA
备注
RN2
10
0.5
500
85
保护至内TV
五、 最大开断容量500MVA>40MVA满足要求。
第十节 接地刀闸的选择
为保证电器和母线的检修安全，每段母线装设1－2组接地刀闸，63KV及以上断路器两侧隔离开关和线路隔离开关的线路侧宜配置接地刀。
对于35KV及以上隔离开关的接地刀，应根据其安装处的短路电流进行动，热稳定校验。计算方法同110KV,10KV隔离开关相同，这里不再赘述。
表13 接地刀闸选择结果
型号
UN KV
IN A
Ies KA
5s热稳定电流 KA
操动机构型号
GW5-110/630
110
630
50
20
CS17
GN2-10/20000
10
20000
85
36
CS6-2

第六章 高低压配电装置的设计
配电装置是发电场和变电所的重要组成部分。它是根据主接线的连接方式，由开关电器、保护和测量电器、母线和必备辅助设备组建而成，用来接收和分配电能的装置。
配电装置按装设地点不同分为屋内式和屋外式，按组装方式分为装配式和成套式。其型式选择因考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜，节约用地，并结合运行要求及检修确定，一般35KV及以下配电装置采用屋内式；110KV及以上采用屋外式，配电装置应满足以下要求：
一、 必须符合国家的经济技术政策和电力工程设计的规范要求；
二、 保证运行可靠；
三、 便于检修、巡视、操作；
四、 在保证安全的前提下，布置紧凑，节约材料和造价；
五、 安装和扩建方便。
第一节 设计步骤
一、 根据配电装置的电压等级、电器形式、出线多少和方式、有无电抗器、地形、环境 条件选择配电装置型式；
二、 拟定配电装置的配置图；
三、 按照所选择设备的外形尺寸、运输方法、检修巡视的安全和方便等要求，遵守《配 电装置技术规定》的有关规定，并参考各种配电装置的典型设计手册，设计并绘制配电装置的平断面图。
第二节 选择结果：
外桥式接线的110KV配电装置采用屋外中型布置，10KV的单母分段接线采用屋内成套开关柜JYN-10型手车式开关柜单层布置。
参考文献
[1]．孙国凯.《电力系统继电保护原理》 中国水利水电出版社，2000年
[2]．范锡普.《发电厂电气部分》.电力出版社，1995年
[3]．黄纯化.《发电厂电气部分课程设计参考资料》.天津.水利电力出版社.1988
[4]．西北电力设计院.《电力工程电气设计手册》.电力出版社.1995年
[5]．西北电力设计院.《电力工程电气设备手册》.电力出版社.1995年
[6]．江日洪．《配电网设备的特性与选型》.中国电力出版社.2002年
[8]．张忠禄. 《城市配电网设备选择的有关问题》. 电气时代1999（9）
[9]．徐腊元. 《我国配电网设备现状及发展》.农村电气化.2001（1）
[10].卫斌. 《变电所电气部分毕业设计指导》.（第2版）. 北京：中国水利水电出版社，1993
[11]．焦留成. 《供配电设计手册》.北京：中国计划出版社，1999
[12]. 丁毓山,雷振山. 《中小型变点电所实用设计手册》.北京：中国水利水电出版社，2000

附 录
附录A：电气主接线图
附录B：全站平面布置图