变电站课程设计：110kv地区变电站设计

'本科生课程设计题目学院专业班级姓名学号指导教师职称年月日新疆农业大学教务处制摘要3关键词4前言4 电气一次部分设计41.本变电所主接线的设计41.1设计步骤41.2初步方案设计41.3选择结果52.变电站主变压器的选择：62.1主变压器的选择63．短路电流的计算73.1短路电流73.2各回路最大持续工作电流83.3短路电流计算点的确定84主要电气设备选择124.1母线选择124.1.110.5kV侧母线选择124.1.2110kV侧母线选择134.2断路器的选择：134.2.1高压测断路器的选择134.2.2低压测断路器的选择154.2.3隔离开关的选择164.3互感器的选择及校验174.4绝缘子的选择及校验214.5熔断器的选择214.6各主要电气设备选择结果一览表22电气二次部分设计235继电保护规划及整定235.1主变压器保护规划与整定 235.2纵联差动保护 245.3外部相间短路和接地短路时的后备保护255.4过负荷保护285.5过励磁保护285.6其他非电量保护286线路保护297母线保护规划 110KV母线保护规划 298参考书29摘要 ： 随着我国科学技术的发展，特别是计算机技术的进步，电力系统对变电站的要求也越来越高。本文以110kV地区变电站设计为例，论述了变电站电气一次部分的全过程及二次回路图。通过对变电站电气主接线设计及变压器容量的确定，工作电流与短路电流计算，导体和主要电气设备选择，确定继电保护方案及整定计算，绘制主接线图及二次回路图，较为详细地完成了电力系统中变电站的设计。 关键词：变电站；主接线；短路计算；设备选择；二次回路图前言目前，我国城市电力网和农村电力网正进行大规模的改造，与此相应，城乡变电所也正不断的更新换代。我国电力网的现实情况是常规变电所依然存在，小型变电所，微机监测变电所，综合自动化变电所相继出现，并得到迅速的发展。然而，所有的变化发展都是根据变电设计的基本原理而来。本课程设计的内容为110kV/10KV变电所的系统设计，通过这次课程设计巩固和应用所学知识，初步掌握部分电气工程设计基本方法及基本技能。变电站概述本变电站的电压等级为110/10kV。变电站由2个系统供电，荷功率因数为0.8，总容量为50MVA,二类负荷0.6，三类负荷0.4，最大负荷运行时间3200h。线路长度为1km。该地区自然条件：海拔高度为100米，土壤电阻系数Р＝2.5×104Ω.cm，土壤地下0.8米处温度20℃；该地区年最高温度40℃，年最低温度－25℃，最热月7月份其最高气温月平均34.0℃，最冷月1月份，其最低气温月平均值为－17℃；年雷暴日数为250天。电气一次部分设计1.本变电所主接线的设计1.1设计步骤（1）拟定可行的主接线方案：根据设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，拟订出若干可行方案，内容包括主变压器形式、台数和容量、以及各级电压配电装置的接线方式等，并依据对主接线的要求，从技术上论证各方案的优缺点，保留几个技术上相当的较好方案。（2）对几个方案进行全面的技术，经济比较，确定最优的主接线方案。（3）绘制最优方案电气主接线图。1.2初步方案设计 根据此变电站的基本数据：电压等级110/10kV，容量为50MVA,功率因数为0.8，二类负荷0.6，三类负荷0.4，Tmax为3200h，初步拟定以下两个方案。方案1：采用单母线接线方案2：采用单母线分段接线技术比较及其优缺点分析如下图：项目方案方案一采用单母线接线方案二采用单母线分段接线优点①接线简单清晰、设备少②操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。①用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。②当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。缺点①不够灵活可靠。②断路器检修时该回路需停电③母线或母线隔离开关故障或检修时则需全部停电①本方案中不能增加电路的可靠性②不经济要加用2个断路器和4个隔离开关③使得线路复杂，不利于二次侧保护的设计1.3选择结果结合任务书给的要求，二类负荷占总负荷的60%，三类负荷占总负荷的40%，根据本次设计的具体情况及终端变电所在可靠性、灵活性的基础上力求经性原则，参照上述方案，选择如下：在10kV侧：采用单母线接线；在110kV侧：采用单母线分段接线主接线图如下图所示： 图一单母线分段接线2.变电站主变压器的选择：2.1主变压器的选择在各种电压等级的变电站中，变压器是主要电气设备之一，其担负着变换电压，进行电力传输的重要任务。确定合理的变压器容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。因此，在确保安全可靠供电的基础上，确定变压器的经济容量，提高网络的经济运行素质将具有明显的经济意义。变压器台数和容量的选择直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应依据电力系统5-10年的发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。选择主变压器型式时，应考虑以下问题：相数、绕组数与结构、绕组接线组别（在电厂和变电站中一般都选用YN，d11常规接线）、调压方式、冷却方式。2.1.1主变压器台数的选择因为负荷容量为50MW,功率因数为0.8，查有关资料应选SFL1-40000/110型的变压器2台满足本变电所的容量。两台正常运行且互为备用。2.1.2主变压器容量的选择(1)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综合考虑确定。(2)主变压器容量一般按变电所、建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期的负荷发展。对于城网变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。(3)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。如变电所可由中、低压侧电力网取得足够容量的备用电源时，可装设一台主变压器。 (4)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。(5)当一台事故停用时，另一台变压器事故过负荷能力查表得出过负荷倍数为1.3，允许时间为2小时。2.1.3主变相数及接线组别的选择（1）主变相数的选择根据选择主变相数所应考虑的原则：在运输条件不受限制时，330kV及以下的变电所均应选三相变压器。此次设计110/10KV变电所选择的是三相变压器。（2）主变绕组数的确定。此变电所为110/10KV两个电压等级的变电所,因此主变压器应选双绕组变压器。（3）主变接线组别的确定。本次设计电压等级为110kV、10kV降压变电所，因考虑本地区电网供电的可靠性,35kV及以下电网采用不接地或采用小电流接地方式，所以主变用Yn/d11连接组别。2.1.4选择结果根据该变电所的原始资料、选择主变压器的原则，从对用户供电可靠、保证电能质量等方面考虑，本次设计选用三台主变压器，型号为SFL1-40000/110型。选定的主变型号、参数见表1表1主变压器参数表额定容量高压低压短路电压（%）空载电流（%）连接组40000KVA110KV10.5KV10.50.7YN,d113．短路电流的计算3.1短路电流所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定的最大电流。造成短路的主要原因是电气设备的绝缘损坏、误操作、雷击、过电压击穿等。3.1.1短路电流计算的目的在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。其计算的目的主要有以下几方面：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。 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。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相相对地的安全距离。3.2各回路最大持续工作电流根据公式=式中----所统计各电压侧负荷容量----各电压等级额定电压----最大持续工作电流==/基准电压：基准容量：低压侧(10.5kV):高压侧(110kV):3.3短路电流计算点的确定按三相短路进行短路电流计算，可能发生最大短路电流的短路电流计算点有2个。如图所示。 图2短路点的等值电路图每公里线路的电阻为：每公里电力线路的电抗,在工程计算中对于高压架空电力线路一般可近似取.线路电抗标么值：变压器电抗标么值：因为是降压变电站，把高压侧看成无限大电源，故电抗标幺值一定为3.3.1当K1点出现短路时 图3K1短路点等值电路时间常数：Ta=0.05s，冲击系数：。则：系统的转移电抗为：d1点次暂态电流：d1点短路冲击电流:d1点短路冲击电流的有效值：d1点处的短路容量：（3-13）3.3.2当K2点出现短路时 图4K2短路点等值电路系统的转移电抗为:d2点次暂态电流：d2点短路冲击电流:d2点短路冲击电流的有效值:d2点处的短路容量：表3-2短路点计算结果短路点次暂态电(KA)冲击电流(KA)冲击电流的有效(KA)短路容量(MVA)K1K210.251.7526.094.4515.582.66186.4333.4 4主要电气设备选择4.1母线选择选择配电装置中各级电压母线，主要应考虑如下内容：（1）选择母线的材料，结构和排列方式；（2）选择母线截面的大小；（3）检验母线短路时的热稳定和动稳定；（4）对35kV以上母线，应检验它在当地睛天气象条件下是否发生电晕；（5）对于重要母线和大电流母线，由于电力网母线振动，为避免共振，应校验母线自振频率。4.1.110.5kV侧母线选择根据Tmax=3200h，查图3-11，得到J=1.0A/mm2.求得母线经济截面：查手册，选用截面为双槽导体截面为2*(75*35)mm2的槽型铜母线，其Ial=5460A，Kf=1.02，ri=6.0cm，形状系数K=0.4相间距a=0.7m。流过母线的最大工作电流由此可见可满足母线正常发热要求。4.1.2110kV侧母线选择母线额定电流：按经济电流密度选择母线截面，根据Tmax=3200h，查图3-11，得到J=1.4kA/mm2.求得母线经济截面： 查手册，选用截面为400的矩形铝母线，双条导线，导体平放，其Ial=570A流过母线的最大工作电流因Igmax=462A＜513A可满足母线正常发热要求。表4-1母线选型结果项目型号条数及放置母线类型Kf10.5kV侧母线110kV侧母线2625LGJ-400双槽型双条平放槽型铜母线矩形铝母线1.0227305704.2断路器的选择：4.2.1高压测断路器的选择变压器旁断路器:QF3、QF4的选择:（4-9）由Un=110KV，Ig=0.22KA。查表使用：SW-3(110/1200)断路器。SW-3(110G/1200)断路器的各项数据：In=1.2KA,Ibr=15.8KA，It=15.8KA(4s)，Imax=41KA，tb=0.07s，tp=0.4s。其中110KV侧Iimp1=4.45KA，Ighp=2.66KA。校验开断能力t1=tp+tg＞0.1s，则Ikt=Iimp0.1s，故Ikt=Iimp=27.24KA0.1s，故Ikt=Iimp=54.48KA2式中Ik.mix.r—各种运行方式下变压器区内端部故障时，流动差动继电器的最小差动电流.5.3外部相间短路和接地短路时的后备保护5.3.1过电流保护过电流保护为电力变压器相间短路的后备保护,当流过被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号，这种继电保护称为过电流保护。该保护一般用于容量较小的降压变压器上 图6变压器过电流保护单相原理接线图过电流保护，其单相原理接线如图6所示。保护装置的动作电流应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即Iset=KrelIl.max/Kre(8-6)式中：Krel—可靠系数，一般采用1.3；Kre—返回系数，一般采用0.85；Il.max—变压器的最大负荷电流。则Iset=1.3×2.31÷0.85=3.53KA动作时限由变压器供电的线路保护装置的最大时限大一时限阶段，一般取0.5s—0.7s，这里取0.5s(当过电流保护的动作时限大于0.5s时，增设电流速断保护。灵敏性校验保护的启动电流按照躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，10kV最小运行方式下，在灵敏度校验发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流为19.77kA即Ksen=19.77÷3.53=5.6>2选用的保护装置满足要求。5.3.2零序电流保护中性点直接接地运行的变压器毫无例外地都采用零序过电流保护作为变压器接地后备保护。零序过电流保护通常采用两段式。零序电流保护Ι段与相邻元件零序电流保护Ι段相配合；零序电流；零序电流保护Ⅱ段与相邻元件零序电流保护后备段(注意，不是Ⅱ 段)相配合。与三绕组变压器相间后备保护类似，零序电流保护在配置要考虑缩小故障影响范围的问题。根据需要，每段零序电流保护可设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长的时限断开变压器各侧断路器。图7零序过电流保护的原理接线和保护逻辑电路图7所示的为双绕组变压器零序过电流保护的原理接线和保护逻辑电路。零序过电流取自变压器中性点电流互感器的二次侧。由于是双母线运行，在另一条母线故障时，零序电流保护应该跳开母线断路器QF，是变压器能够继续运行。所以零序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段均采用两个时限，短时限t1、t3跳开母联断路器QF，长时限t2、t4跳开变压器两侧断路器。其中：I0.OP—主变压器零序过电流保护动作电流I0.op.max—零序过电流保护相关段最大一次动作电流（一般为额定电流）Krel—可靠系数，一般取1.15-1.2K0.bra.max—系统最小运行方式时主变压器零序电流的最大分支系数nTAO—主变压器零序电流互感器TA0的变比，其值为500（2）零序过电流保护灵敏系数校验其中：—线路出口单相接地时保护安装处零序电流最小值（A）K0.sen—其值应大于等于2（3）动作时间的整定值: 其中：t0.op.max—出线配合相关段零序过电流保护最长动作时间0.5S—动作时间级差，微机保护取0.3-0.4s故保护装置满足整定要求。5.4过负荷保护一般情况下，变压器过负荷是三相对称的，故保护装置只采用一只电流继电器接于一相上，并经一定延时动作于信号。双绕组变压器，过负荷保护应装在主电源侧。单侧电源三绕组降压变压器，若三侧绕组容量相同，过负荷保护装在电源侧；若三侧绕组容量不相同，则只有电源侧和绕组容量较小的一侧装设过负荷保护。两侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器，三侧均装设过负荷保护。一侧无电源的三绕组升压变压器，过负荷保护应装于发电机侧和无电源侧；当三侧都有电源时，各侧均装设过负荷保护。图8变压器过负荷保护原理接线图5.5过励磁保护对频率减低和电压升高而引起变压器过励磁时，励磁电流急剧增加，铁芯及附近的金属构件损耗增加，引起高温。长时间或多次反复过励磁，将因过热而使绝缘老化。高压侧电压为500KV及以上的变压器，因装设过励磁保护。所以本变电站不需装设过励磁保护。5.6其他非电量保护温度保护当变压器的冷却系统发生故障或发生外部短路和过负荷时，变压器的油温将升高。变压器的油温越高，油的劣化速度越快，使用年限减少。当油温达115～150℃时劣化更明显，以致不能使用。油温越高将促使变压器绕组绝缘加速老化影响其寿命。温度继电器的工作原理： 当变压器油温升高时，受热元件发热升高使连接管中的液体膨胀，温度计中的压力增大，可动指针向指示温度升高的方向转动。当可动指针与事先定位的黄色指针接触时，发出预告信号并开启变压器冷却风扇。如经强风冷后变压器的油温降低，则可动指针逆时针转动，信号和电风扇工作停止；反之，如变压器油温继续升高，可动指针顺时针转动到与红色定位指针接触，这是未避免事故发生而接通短路器跳闸线圈回路，使短路器跳闸，切除变压器，并发出声响灯光信号。6线路保护 在110—220KV电网中得到广泛应用的是距离保护， 距离保护是根据故障点距离保护装置处的距离来确定其动作电流的，较少受运行方式的影响。   故在本设计中，采用三段式阶梯时限特性的距离保护。距离保护的第一段保护范围为本线路长度的80％--85％，T1约为0.1S，第二段的保护范围为本线路全长并延伸至下一线路的一部分，T11约为0.5—0.6S，距离第一段和第二段构成线路的主保护。距离保护的第三段作为相邻线路保护和断路器拒动的远后备保护，和本线路第一段和第二断保护的近后备。   10KV侧保护的选用 ：从《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》中查得，在10KV侧无时限和带时限电流速断保护配合，可作为本线路的主保护，但它不能起远后备保护的作用，为了能对线路起到近后备和对相邻线路起到运后备作用，还必须装设第三套电流保护，即定时限过电流保护。7母线保护规划 110KV母线保护规划 1、110KV—220KV电网中母线保护应用较多的是母联相位比较差动保护，故在本设计中110KV母线保护母采用联相位比较差动保护。 2、35KV，10KV母线保护规划 35KV，10KV采用的都是单母分段连线。35KV，10KV单母分段连线，一般采用低阻抗的电流差动母线保护，故在本设计中10KV母线保护采用低阻抗的电流差动母线保护。8参考书1、电力系统分析2、电力系统继电保护3、发电厂电气部分4、设计手册、规程规范等（图书馆、书店）'