110KV变电站课程设计范例(本科课设)课案.doc

《发电厂电气部分》
课程设计

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二○ 年 月 日

目 录（二号字体）

1.课程设计目的…………………………………………………2
2.110KV变电站设计题目和要求………………………………2
3 主变压器台数、容量、型式的选择………………………3
4 电气主接线方案的确定……………………………………4
5所用电设计………………………………………………… 8
6短路电流的计算…………………………………………… 9
7电气设备的选择……………………………………………12

1课程设计目的
电气主接线是发电厂，变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的主要环节，而电气设备的选择是电气设计的主要内容之一。本次课设通过110/10kv变电站的设计，对变压器选择，限制短路电流的方法进行分析，通过对电气主接线经济性，灵活性，可靠性的分析，选出最优方案。
2 110KV变电站设计依据和要求
2.1依据
根据设计任务书下达的任务和原始数据设计。
2.2设计内容
为了满足该县负荷发展及电网电力交换的需要，优化该县的电网结构，拟在县城后山设计建设一座110/10的降压变电所，简称110kV变电所。

2.3电力系统概述

本变电所与电力系统联系
#1 #2 #3 #4 #5 #6
10kV

110kV变电所
电力系统Sj=100MVA

110kV
110kV变DDDIAN
1、接线图

0

说明
110kV变电所通过两回110kV线路接至该变电所，再与电力系统相连。这里将Sj取为100MVA,系统侧提供短路电流为22.17kA;按供电半径不大于5kM要求,110kV线路长度定为4.8kM。

110kV变电所在电力系统中的地位和作用
1、根据110kV变电所与系统联系的情况，该变电站属于终端变电所。
2、110kV变电所主要供电给本地区用户，用电负荷属于Ⅱ类负荷。

2.4 110kV变电所各级电压负荷情况分析

2.4.1供电方式
110kV侧：共有两回进线，由系统连接双回线路对110kV变电所供电。
10kV侧：本期出线6回， 由110kV变电所降压后供电。
2.4.2负荷数据
1、全区用电负荷本期为27MW，共6回出线，每回按4.5MW计；
远期50MW，14回路，每回按3.572MW设计；
最小负荷按70％计算，供电距离不大于5kM。
2、负荷同时率取0.85，cosφ=0.8，年最大利用小时数Tmax=4250小时/年。
3、所用电率取0.1%。

2.4 110kV变电所的自然条件

2.4.1 水文条件
1、海拔80M
2、常年最高温度40.3℃
3、常年最低温度1.7℃
4、雷暴日数——62日/年
5、污秽等级为3级
2.4.2 所址地理位置与交通运输情况
地理位置不限制，交通便利。

3 主变压器台数、容量、型式的选择
3.1 主变压器的选择原则
1、主变压器台数
1）为了保证供电可靠性，变电所一般装设两台主变压器。
2）当只有一个电源或变电所可由低压侧电网取得备用电源给重要负荷供电时，可装设一台。
3）对于大型枢纽变电所，根据工程具体情况，可安装2至4台变压器。
2、主变压器的容量
1）主变压器的容量应根据5至10年的发展规划进行选择，并考虑变压器正常运行和事故时的过负荷能力。
2）对装有一台变压器的变电所，变压器的额定容量应满足用电负荷的需要，按下式选择：
Sn≥K∑SM或Sn≥K∑PM/cosφ

式中，Sn—变压器额定容量（kVA），SM， PM——变电所最大负荷的视在功率和有功功率（kVA，kW），cosφ ——负荷功率因子，K——负荷同时率，取0.85。
3）对装有两台变压器的变电所中，当一台断开时，另一台变压器的容量一般保证70%全部负荷的供电，但应保证用户的一级负荷和大部分二级负荷。每台变压器容量一般按下式选择：Sn≥0.7SM或Sn≥0.7PM/cosφ。
3、主变压器的型式
1）相数；
2）绕组数与结构；
3）绕组接线方式；
4）主变调压方式；
5）冷却方式；

3.2. 计算、选择、校验
1、总负荷计算
根据负荷数据，近期6回出线，每回按4.5MW计，近期总负荷∑PM=6×4.5=27MW。
2、主变压器台数、容量选择计算
1）计算主变容量∑SM
本期：
∑SM=∑PM／cosφ= 27/0.8=33.75MVA
选择主变容量、台数
a、Sn≥K∑SM=0.85×33.75=28.688MVA
b、选两台主变压器，则每台主变容量Sn≥K∑SM/2=14.34MVA。
校验：
按主变压器容量选择原则第3点，要求任一台主变Sn＞0.7∑SM
S∑=0.7×33.75=23.625MVA，
远期:
∑SM=∑PM／cosφ= 50/0.8=62.25MVA
选择主变容量、台数
a、Sn≥K∑SM=0.85×62.25MVA
b、选两台主变压器，则每台主变容量Sn≥K∑SM/2=26.563MVA。
校验：
按主变压器容量选择原则第3点,选远期，要求任一台主变Sn＞0.7∑SM
S∑=0.7×62.5=47.75MVA，
选择变压器SFZ9-50000/110变压器。

结合系统对本变电所的技术要求，最终选择110kV变电所主变容量Sn=50MVA。
故所选变压器容量满足要求。
3、主变型式选择
按任务书要求并查110kV变电站设计指导手册附录2-3。近期主变压器型式选择SFZ7—50000/110；列表如下：

型号
额定容量（kVA）
额定电压（kV）
空载电流（%）
空载损耗(kW)
负载损耗(kW)
阻抗电压(%)
连接组别
高压
低压
SFZ7-31500/110
50000
110±8×1.25%
10.5
0.5
47
148
10.5
YN,d11

4 电气主接线方案的确定

4.1电气主接线设计的基本要求
对电气主接线有以下几方面的基本要求：
1、根据系统和用户的要求，保证必要的供电可靠性和电能质量。
2、具有运行、维护的灵活性和方便性。
3、具有经济性：在满足技术要求的前提下，力求经济合理。
4、具有将来发展和扩建的可能性。

4.2 电气主接线设计方案的技术、经济比较与确定

4.2.1 各级电压配电装置接线方式的拟定
根据电气主接线设计的基本要求及设计基本原则来拟定各级电压配电装置接线方式。
1、10kV电压母线接线方式
1） 单母线接线
2） 单母线分段
3） 双母线接线
2、110kV电压母线接线方式
1） 单母线接线
2） 单母线分段
3） 一台半断路器
3、主变台数
为了保证供电可靠性，装设两台主变压器。

4.2.2 110kV变电所可能采用的电气主接线方式如下：

方案
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
110kV
单母线分段接线
单母线
一台半断路器接线
多角形
内桥接线
10kV
单母线分段
单母线
双母线接线
单母线分段
单母线分段

110kV变电所主接线方案简图如下：
方案Ⅰ: 方案Ⅱ：

方案的技术比较

方案Ⅰ：
110kV电压母线采用单母线分段接线，当一段母线发生故障时，分段断路器能自动把故障切除，保证正常段母线不间断供电和不至于造成用户停电。缺点是当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时，接在该母线上的回路都要在检修期间停电。可以考虑采用此接线方式。
10kV电压母线采用单母线分段接线，对重要用户可以从不同段母线引出两回路，有两个电源供电，增加了供电的可靠性。缺点是当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时，接在该母线上的回路都要在检修期间停电。可以考虑采用此接线方式。
方案Ⅱ：
110KV采用单母线，10KV亦用单母线接线。优点是接线简单，操作方便，扩建方便，缺点是可靠性差，母线或是隔离开关检修或是故障时，所有回路都要停电运行，造成全厂长期停电。

方案Ⅲ：
110KV侧采用一台半断路器交叉接线。优点是任何一台母线故障和检修，均不停电，任何一断路器故障检修，也不会引起停电。缺点是接线复杂，占地面积大。
10KV侧采用双母线接线，优点是供电可靠，可以轮流检修一组母线而不至于造成供电中断，一组母线发生故障后，能迅速恢复供电，调度领会扩建方便 。

方案Ⅳ：
110KV侧采用多角形接线，优点是所以所用断路器比单母线分段还少一台，却具有双断路器双母线的可靠性，任何一台断路器检修时，只需断开两侧隔离开关，不会引起任何回路停电，没有母线，不会产生母线故障带来的影响，操作方便，任何一回路故障时，只需断开与它相连的二台断路器，不会影响其它回路工作。缺点是任何一台断路器端来，多角形就开环运行，且运行方式变化大，亦给电气设备的选择造成困难。
10KV侧采用单母线分段。

方案Ⅴ：
110KV电压测采用内桥接线，内桥接线时在线路故障切除、投入时不会影响其它回路工作，而缺点是在变压器故障或切除，投入时，要使得相应线路短时停电，一般使用与线路较长，变压器不需要经常切换的地方，我们可以通过选择可靠性比较高的SF6变压器来解决这个问题。
10kV处依旧选择单母线分段接线。

结论：从上述分析比较确定两个技术较好方案：选择方案I和方案V，这两者皆接线简单，并且有一定的可靠性。

4.3 方案的经济比较
1、从电气设备数目及配电装置比较（因为10KV侧均采用单母线分段接线，所以这边比较以110KV侧主要设备投资为主。）

方案
项目
方案Ⅰ
方案V
10kV配电装置
单母线分段
单母线分段
110kV配电装置
单母线分段
内桥接线
主变台数
2
2
高压断路器
110kV
5
3
高压隔离开关
110kV
6
6
综合投资（万元）
242.4
156.6
2、计算综合投资
Z=Z0(1+a/100)
Z0——主体设备投资，包括主变、高压断路器、高压隔离开关及配电装置综合投资等。
a——附加投资，110kV电压等级取90%。
年运行费用U
年运行费用U=aΔA+ U1 + U2
a——电能电价（0.08元/KW.H）
∆A——变压器电能损失；
∆A=∑［n(∆P0+K∆Q0)+1/n(∆P+ K∆Q)×(S/SN)2]t
U1——检修维护费，一般取（0.022——0.042）Z，Z为综合投资额。
U2——折旧费，一般取（0.05——0.058）Z。

I0（%）
P0(kW)
PK(kW)
UK(%)
0.5
47.76
194.4
10.5
Q0=I0%*50000=250KVA QK=UK%*50000=5250KVA K取0.1 Tmax=为4250h/年。

方案Ⅰ
Z0=2*600+5*22.2+1.6*60=242.4
Z=242.4*(1+0.9)=460.56
U1=0.03*460.56=13.82 U2=0.05*242.4=12.12 n=2 K=0.1
∆A=*4250=117.71（万元）
U=0.08*177.71+13.86+12.12=40.197(万元)

方案V
Z0=2*600+3*22.2+1.6*60=156.6
Z=156.6*(1+0.9)=297.54
U1=0.03*297.54=8.92 U2=0.05*156.6=7.83 n=2 K=0.1
∆A=*4250=117.71（万元）
U=0.08*177.71+8.92+7.83=30.967(万元)

由此可见，设备投资省的运行投资也较深，故选择方案V，即110KV选择内桥接线，10KV选择单母线分段接线。确定方案V为最佳方案。

4.4 最佳方案的确定
选择方案V，及110KV侧采用内桥接线，10KV侧采用单母线接线，这要不仅满足可靠性，而且比方案一经济。
L1
L2

10kv
ＦＤ
#4
#6
#5
#3
#2
#1
T1
T2
110kv

110kV变电所主接线图

5所用电设计

5.1 基本要求：
1. 厂用电接线应满足正常运行的安全、可靠、灵活、经济和检修维护方便。
2. 尽量缩小厂用电系统的故障范围，并应尽量避免引起全厂停电事故。
3. 充分考虑发电厂正常、事故、检修、起动等运行方式下的供电要求，切换操作简便。
4. 便于分期扩建或连续施工，对公用负荷的供电要结合远景规模统筹安排。

5.2 设计原则：
1. 变电站设计电压为380/220V。
2. 母线接线方式
A) 大型枢纽变电站采用单母线分段接线；
B) 中小型变电站采用单母线接线。
3. 60MVA及以上变电站应装设两台所用变压器

5.3 所用变的确定

5.3.1 所用电变压器确定
1. 所用电变压器台数：2台
2. 所用电变压器容量：
（1）所用电率0.1%
（2）所用变容量 ：SN=n×SBN=2×50000KVA=100000 kVA
（3）所用电负荷SJS1=0.1%*∑SN=0.1%×100000=100kVA
（4）SN≥Sjs*0.7 SN=100*0.7=70KVA

3. 所用电变压器的型式
查《110kV变电站设计指导》附表2-8，选择干式变压器SC-315/10。变压器参数如下表

型　号
额定容量（kVA）
空载损耗（W）
负载损耗（W）
高　压(kV)
低　压
(V)
阻抗电压(%)
S9-M-80
80
0.25
1.25
10
400
4

5.3.2 所用电接线方式：
通过一个熔断器直接从母线上迎接，采用10KV/400的联接组别，中性点接地，两个变压器分别接在不同段母线上，互为备用

5.3.3 所用电的电源
1. 工作电源：保证变电站基本运行的电源
2. 备用电源：用于工作电源因事故或是检修而失电时替代工作电源，起后备作用。

6短路电流计算
6.1 短路电流计算的条件
1、因为系统电压等级较高，输电线截面较大，电阻较小，在计算短路电流过程中忽略R，计及X。
2、计算短路电流时所用的接线方式，按可能发生最大短路电流的正常运行方式，而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
3、计算容量按无穷大系统容量进行计算。
4、短路种类按三相短路进行计算。

6.2 短路电流计算方法和步骤
1、选择计算短路点；
短路计算点如下：
d1—110kV母线短路时的短路计算点
d2—10kV母线并列时母线短路的计算点
d3—10kV母分分列时母线短路的计算点
2、画出等值网络图；
1）选取基准容量Sb和基准电压Ub（kV）（一般取各级的平均电压），计算基准电流Ib= Sb/Ub（kA）。
2）计算各组件换算为同一基准值的标么电抗。
3）绘制等值网络图，并将各组件统一编号，分子标各组件编号，分母标各组件电抗标么值。
3、化简等值网络图；
1） 为计算不同短路点的短路电流值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射形的等值网络。
2） 求出各电源与短路点之间的电抗Xjs。
4、计算短路电流周期分量有名值；
5、计算短路电流冲击值；
6、绘制短路电流计算结果表。

6.3三相短路电流计算
1、电力系统与110kV变电所接线图
110kV

d-3
d-2
d-1
L=4.8kM
X=0.4
Si=100MVA

10kV
400V

短路电流计算，通常采用标幺值的近似计算。设取基准容量为100MVA，各级基准电压，则各级电流及阻抗的基准值计算如下：
选=100MVA， （依此类推计算）

3、网络中各组件阻抗标么值计算
1、系统： （系统侧提供的短路电流为22.17kA）所以
=100/（ ）=0.0237
2、线路：=4.80.400/1152=0.0145
3、110kV变压器： =10.5/100100/50=0.21
4、10kV变压器： =4/100100/0.08=50
4、绘制等值电路图

5、化简等值电路并计算短路电流

1

3

2

Xjs1
1、d-1：

1）、计算电抗标幺值：=0.5X2*+X1*=0.50.0145+0.0237=0.03095
2）、d-1点短路电流标幺值：=1/0.03095=32.31
有名值：=32.31502=1622A
3）、短路冲击电流：=1.851622=4232A

2、d-2：
1）、计算电抗标幺值：=0.5X4*+0.5X2*+X1*=0.50.21+0.03095=0.136
2）、d-1点短路电流标幺值：=1/0.136=7.35
有名值：=7.355498.57=40.4KA
3）、短路冲击电流：=1.8540414=105.73KA

3、d-3：
1）、计算电抗标幺值：=X4*+0.5X2*+X1*=0.21+0.03095=0.241
2）、d-1点短路电流标幺值：=1/0.241=4.15
有名值：=4.155498.57=22.82KA
3）、短路冲击电流：=1.8522.82=59.7KAs

6、短路电流计算结果表:
短路点编号
基准电压Ub(kV)
短路地点
计算电抗Xjs(标么值)
短路电流
冲击电流
标么值I*”
有名值
I”(kA)
标么值
icj*
有名值
icj(kA)
d-1
115
110kV母线
0.03095
32.31
1.622
8.43
4.232
d-2
10.5
10kV母线(母合位)
0.136
7.35
40.4
19.23
105.73
d-3
10.5
10kV母线(母分位)
0.241
4.15
22.82
10.86
59.7

7电气设备选择
7.1 电气设备选择的一般条件
7.1.1 按正常工作条件选择
1、允许电压≥最高工作电压

2、允许电流≥最高持续电流

7.1.2 短路状态校验
1、热稳定性：
2、动稳定性：
3、短路电流计算条件
为使所选的导体或电器具有可靠性和合理性，作校验用的短路电流应按下列情况确定。
1） 容量和接线；2）短路种类；3）计算短路点。
4、短路计算时间
热稳定短路计算时间tk等于继电保护动作时间tpr和相应断路器的开断时间tbr之和, tk= tpr+tbr

断路器选择
Imax=1.0550/(110)=826.7A
UN≥USN IN≥ Imax 初选选择LW-110I/2500断路器

断路器类型
额定电压
(KV)
额定电流
(A)
额定开断电流(KA)
极限通过电流峰值(KA)
热稳定电流（4s）
LW-110I/2500断路器
10KV
2500
31.5
125
50
额定开断电流INbr=31.5KA>I”=16.22KA
ies=125KA>ish =43.58KA
热稳定校验：
tK=1.5+0.03+0.06=1.59s 取2s

Qk=16.222*2=526.2(KA2.s) 502*4=10000>Qk

隔离开关选择
隔离开关类型
额定电压(KV)
额定电流（KA）
极限通过电流（KA）
热稳定电流（KA）
改为GW-110/2000
110
2000
80
31.5（4s）

ies=80KA>ish =43.58KA
热稳定校验：
tk=1.5+0.03+0.06=1.59s 取2s
1Qk=16.222*2=526.2(KA2.s) 31.52*4=3969>Qk

110V母线选择
因为是110KV，选择LGJ
Imax= 选择截面积210mm2
70度说允许载流量为577A,80度时允许载流量为586A 满足Ial>Imax
对于无延时保护，传磁电磁保护装置一般为0.5s至0.6s
SF6燃弧时间为0.02s至0.04s,ta取0.03s,开断时间为0.06s,tk=0.06+0.03+0.5=0.59s,取tk=1s’
热稳定校验
Qk=16.222*1*106=263.2*106 由附表21知 C=87
*103=186.4mm2<210mm2 满足要求
电压降校验
型号
r
X(110kv)
LGJ-210/35
0.15
0.405

满足要求
电晕校验
lg m1取0.83 ，m2取1 ，取1 r=0.15 Dm=
Ucr=49.3*1*0.83*0.15*1*lg
Uph==63.5kkv 因为63.5<142.62
所以电晕校验满足

进出线选择
c按照经济电流密度 Smin= ==440.8mm2 J查表知为1.25
选择LGJ400/50
I=898>551A 满足
热稳定校验
Qk=16.222*1*106=263.2*106 由附表21知 C=87
*103=186.4mm2<210mm2 满足要求
电压降校验
型号
r
X(110kv)
LGJ-400/50
0.079
0.386

满足要求
电晕校验
lg m1取0.83 ，m2取1 ，取1 r=0.15 Dm=
Ucr=49.3*1*0.83*0.079*1*lg=122.5kV
Uph==63.5kkv 因为63.5<122.5kv
电流互感器电压互感器选择
在每一段母线上配置一组电压，用于同期，测量仪表和保护装置，110KV侧选择电容式串级电压互感器 JCC2-110；进出线上为了同期和设置重合闸，会设置一台单相电压互感器，选择YDR-110，准确度等级分别为0.1/3P/6P
为了满足测量和保护装置的需要，在变压器，出线，母线分段都要设电流互感器，为了防止电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常设在断路器出线处。
选择型号为户外瓷箱式LCW-110(0.5)，LCWD-110(D1).

1OKV侧开关柜选型
类型
个数
柜号
进线柜1
2
28（改）
出线柜（电缆出线）
14
002
分段柜1
1
012
分段柜2
2
053
所有电柜
2
07
无功补偿柜
2
078
母线设备柜
2
43
其余电气设备型号参见图纸

参考文献:
1] 范锡普主编．发电厂电气部分. 北京：中国电力出版社，2004.
[2] 戈东方主编．220kv变电所设计规划. 北京：中国电力出版社，2000.
[3] 傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算. 北京：中国电力出版社，2004.
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