辽宁铁岭三家子66kv智能变电站设计

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华北电力大学硕±学位论文原创性声明站设本计人郑重声明：此处所提交的硕±学位论文《迂宁铁岭兰家子日日ｋＶ智能变电工作所取》，得是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕ｄｒ学位期间独立进行研究过的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写方式的研注究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中Ｗ明确明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：）日親Ｗ知；＾月／日华北廢电凌力大学硕±学位论文使用授权书位期《迂宁铁吩Ｈ家子郎ｋＶ智能变电站设计》系本人在华北电力大学攻读硕±学有间在导师指导下完成的硕：ｔ学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所于保，本存论文的研究内容不得其它单位的名文发表。本人完全了解华北电力大学关复、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的索印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检等复，制允许手段论保文被存查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可Ｗ采用影印、缩印或扫描本学位论文、可公布论文的全部或部分内容。保属于〔请在ｔｕ上相应方框内打＂Ｖ＂）；作不保者密密签□，在年解密后适用本授权书名；曰期：＾月＾曰导师签名：曰期：＞ｕｆ＜ｒ年＾月＾曰 国内图书分类号：TM732学校代码：10079国际图书分类号：621.3密级：公开专业硕士学位论文辽宁铁岭三家子66kV智能变电站设计硕士研究生：潘勇导师：李琳企业导师闫洪生申请学位：工程硕士专业领域：电气工程培养方式在职所在学院：电气与电子工程学院答辩日期：2015年3月授予学位单位：华北电力大学 ClassifiedIndex:TM732U.D.C:621.3ThesisfortheMasterDegreeThedesignofSanJiazi66kVSmartSubstationonLiaoningTielingCandidate：PanYongSupervisor：Prof.LiLinSchool：SchoolofElectricalandElectronicsEngineeringDateofDefence：March,2015Degree-Conferring-Institution：NorthChinaElectricPowerUniversity 摘要随着经济的发展与国民在电力方面消费水平的提高，使传统电网无法满足电力用户对电能的需求，在此基础之上为了应对负荷发展与电网自身发展的需要，建设坚强的智能电网随之被纳入国家战略当中。对于智能电网在我国电网发展建设中的地位日益显现，这将极大的推动我国电网的发展进程。为了满足铁岭三家子地区负荷发展的需要以及电网供电可靠性的需求，本设计通过所学的电力系统的知识对铁岭三家子66kV电压等级的变电站进行了电气设计。首先，通过分析铁岭三家子地区的经济发展形势以及在此地区经济发展局势下的负荷发展状况和本地区供电可靠性的需求情况，对三家子地区的智能化变电站的建设的可行性进行了分析论证。然后通过对几种典型电气主接线的分析比较确定了三家子66kV电压等级的智能化变电站的站内电气主接线的接线方式，同时依据本地区负荷的性质、组成与大小以及负荷未来发展状况在参照用户的对供电可靠性要求的基础上确定了站内主变压器的台数与型号。通过短路电流的计算进行了站内主要电气设备的选择；并对变电站的防雷接地、交直流站用电以及变电站站内二次系统进行了设计。关键词：智能化变电站；电气一次设计；电气主接线；短路计算I AbstractWiththedevelopmentandthenationaleconomyintermsofpowerconsumptionlevelrise,thetraditionalnetworkcannotmeettothepowerdemand,onthisbasisinordertomeettheneedsofdevelopmentandpowertoloadtheirowndevelopment,theconstructionofsmartgridstrongwillbeincorporatedintothenationalstrategy.ForthestatusofthesmartgridinthedevelopmentofChina"spowergridconstructionintheincreasinglyapparent,whichwillgreatlypromotethedevelopmentprocessofChinapowergrid.InordertomeettheloaddevelopmentintheTielingSanJiaziareasofneedandthereliabilityofpowersupplydemand,throughthedesignofthepowersystemsubstationknowledgelearnedinTielingSanJiazi66kVvoltagelevelofelectricaldesign.Firstofall,throughtheanalysisofTielingSanJiaziregionaleconomicdevelopmentsituationandthedemandofeconomicdevelopmentsituationintheareaundertheloadstatusandthedevelopmentoflocalpowersupplyreliability,feasibilityofconstructionofintelligentsubstationthreesubareasoftheanalyses.AndthencomparedtodeterminethewiringofthemasterstationofelectricalwiringofintelligentsubstationSanJiaziof66kVvoltageclassthroughtheanalysisofseveraltypicalofthemainelectricalwiring,atthesametime,accordingtothenatureofthelocalloadcompositionandsizeandloadthefuturedevelopmentofthesituationinreferencetotheuser"srequirementsonpowersupplyreliabilitybasedonthenumberandtypeofstationthemaintransformer.Throughthecalculationofshort-circuitcurrentofthemainelectricalequipmentselectionandstation;lightningprotectionofsubstationgrounding,ACandDCelectricstationandsubstationtwosystemdesign.Keywords:intelligentsubstation;electricaldesign;themainelectricalwiringshortcircuitcalculation;II 目录摘要......................................................................IAbstract....................................................................II目录....................................................................III第1章绪论..................................................................11.166KV铁岭三家子变电站建设的背景和必要性................................11.1.1负荷发展的需要....................................................11.1.2提高供电可靠性的需要..............................................11.2区域电网及变电站现状分析...............................................21.2.1区域电网现状.......................................................21.2.2变电站现状.........................................................31.3电力负荷预测..........................................................31.4智能变电站的定义、技术特征及优势.......................................41.4.1智能变电站的定义...................................................41.4.2智能变电站的技术特征...............................................41.4.3智能变电站的优势...................................................51.5国内外智能变电站的技术现状.............................................61.6主要设计原则..........................................................81.7本文的主要工作及难点...................................................91.7.1主要工作..........................................................91.7.2难点及拟解决方案...................................................9第2章变电站一次系统设计...................................................132.1变电站一次设计的作用..................................................132.2主接线设计...........................................................142.2.1主接线设计的基本要求.............................................142.2.2选择主接线的依据.................................................152.2.3铁岭三家子变电站各供电侧主接线设计...............................162.3主变的选择...........................................................172.3.1主变压器台数和容量的选择.........................................172.3.2主变相数的选择...................................................182.4短路电流计算.........................................................182.4.1短路电流计算的目的...............................................182.4.2电路元件参数计算.................................................192.4.3短路点选择和计算.................................................192.5主要电气设备的选择和校验..............................................292.5.1断路器和隔离开关的选择...........................................292.5.2互感器的选择.....................................................312.5.3无功补偿装置的选择...............................................312.5.4消弧线圈的选择...................................................32III 2.6本章小结.............................................................32第3章变电站防雷接地设计及电气设备布置.....................................363.1铁岭三家子66KV变电站防雷保护措施.....................................363.1.1防雷.............................................................363.1.2接地.............................................................373.2避雷针保护范围的计算依据..............................................373.3避雷器的选择.........................................................383.3.1避雷器选择的一般程序.............................................383.3.2铁岭三家子变电站避雷器选型.......................................393.4避雷针保护范围计算....................................................403.5接地装置的设计.......................................................403.5.1接地装置布置.....................................................403.5.2人工接地工频接地电阻计算.........................................413.6变电站电气设备布置....................................................433.6.1变电站配电装置布置基本要求.......................................433.6.2电气设备布置及配电装置...........................................443.7本章小结.............................................................45第4章交直流站用电设计方案.................................................464.1变电站站用电源现状及存在的问题........................................464.2站用电源一体化系统的特点..............................................474.3站用交直流一体化电源的应用分析........................................474.4站用交直流一体化电源系统设计..........................................514.4.1交直流一体化电源系统通信架构.....................................514.4.2三家子66kV变电站用交直流一体化电源系统设计......................524.5本章小结.............................................................54第5章变电站二次系统设计...................................................555.1智能变电站二次侧智能化................................................555.1.1智能变电站一体化信息平台.........................................555.1.2三家子智能变电站功能升级与布置特点...............................595.2智能变电站系统继电保护................................................605.3元件保护及自动装置配置原则............................................615.3.1线路保护.........................................................615.3.2主变压器保护.....................................................625.3.310kV配出线保护...................................................635.3.410kV电容器保护...................................................635.3.510kV分段开关保护.................................................635.3.6三家子智能变电站的自动装置.......................................645.4远动部分.............................................................64第6章结论.................................................................66参考文献....................................................................67致谢.....................................................................71IV 第1章绪论1.166KV铁岭三家子变电站建设的背景和必要性1.1.1负荷发展的需要自从我国改革开放，全国各族人民的生活水平取得了明显的提高。家家用上了冰箱、彩电、电磁炉，改变了原有的以照明用电为主的用电方式，居民生活用电负荷以17%的速度增长，由于国家加大对农业生产的扶持，马仲河综合治理工[1-2]程将旱田改为水田，现以增加负荷720KVA。水田浇灌方面以12%的速度增长。马仲河二期改造也已上报计划于2012年实施。2008-2011哈大客运铁路工程为国家铁道部重点工程，用电性质临时用电。哈大客运铁路建设必将带动周边产业的发展。用电负荷将进一步增加。几年来由于招商引资的力度加大，乡镇工业和居民生活用电量增长较快。最近几年，工业负荷一直以18%的速度增长，三家子世纪辉煌耐火材料厂2009年全年用电量就830万KWH。该厂2003年在三家子落户发展，在最近5年从当初的年用电量10万KWH，到2008年年用电量650万KWH,在2008年又新建专线。计划2012年再新增3套生产线，预计年用电量将达到1000万KWH左右。[3]最近几年，用电负荷一直以7%的速度增长。对于智能化变电站的改造会显著提高本地区的供电能力，并且会促进铁岭三家子地区经济的快速发展。1.1.2提高供电可靠性的需要三家子变电站现有主变2台：一号主变为SJLb-5000/66阻抗电压7.72%、空载电流0.57%、空载损耗7640W、短路损耗38800W。吊罩式，检修维护不方便。二号主变为S7-10000/63阻抗电压9.4%、空载电流0.4%、空载损耗12.3千瓦、短路损耗60.9瓦。二号主变为高能耗变压器，空载损耗高，不利于电网的经济运行。三家子变电站建设标准低，高压室及控制室基础下沉。原变电所设备陈旧，操作机构为CS2手动操作机构，高能耗主变，66KV及10KV少油断路器，66KV1 油互感器仍在运行。设备损耗大，供电可靠性低，不利于发展。原变电所为单电源供电，不能满足供电可靠性及“十一五”规划的要求。综上所述，在三家子66kV变电站原址改造十分必要的。1.2区域电网及变电站现状分析1.2.1区域电网现状三家子乡现有66kV变电站1座，三家子66kV变电站，由庆云66kV变电站“π”出的66kV庆三线供电，现有主变2台，1#主变容量10MVA，2#主变容量5MVA。该地区现阶段全部为农村居民负荷，由三家子66kV变电站供电。其中，10kV世纪线2010年最大运行电流已达380A，10kV三前线最大运行电流已达120A，10kV三五线最大运行电流已达105A。现有设备只能满足现有负荷的需求无法满足负荷增长的需求。表1-1铁岭三家子变电站主变容量与负荷现状表主变容量最大负荷序号变电站名称负载率（MVA）（MW）1三家子变159.664%表1-2供电区现有线路统计表额定电流功率所代变电站所代变电站线路名称线路起止点(A)（MW）容量（MVA）负荷（MW）庆云66kV变电站－三家子66kV庆三线83.9811.2159.666kV变电站图1-12011年电力系统地理位置接线现况图2 1.2.2变电站现状开原市三家子66kV变电站1978年10月投运，位于三家子乡南侧紧邻其公路。该变电站占地面积3983㎡，其中南北长67.5m，东西长66m，北边为66kV电压等级的进线侧，南边为10kV电压等级的出线侧。变电站66kV进线1回，为庆三线进线。10kV出线6回，为三北线、业民线、造纸线、三前线、三五线、世纪线。铁岭三家子变电站的站内含有66kV电压等级的进线一回，这回线路的控制方式是采用的刀闸控制，同时选择的电气主接线为单母线接线。主变压器2台，1#主变为SJLB-5000型变压器，2#主变为S7-10000型变压器，均采用断路器保护方式。10kV出线6回，主受柜2面，PT柜2面，所用电柜1面，出线柜6面。保护为电磁型常规保护，主控室现有直流屏1面，电度表屏1面，10kV线路保护屏2面，主变保护屏1面。铁岭三家子变电站的66kV电压等级的配电装置是选取的户外中型的布置方案，二次侧的10kV电压等级采用的是室内布置的布置方式。1.3电力负荷预测在铁岭三家子变电站的附近，电力负荷中占绝大多数的是乡镇企业的工业用电，同时还有为了便于农业发展的农业灌溉用电以及农村居民的日常生活用电。近年来，伴随着乡镇、农村经济的不断发展，以及我国社会主义新型农村建设方面的带动，铁岭三家子的居民生活用电量增长较快。电力负荷每年以7%的增长速度增长，到现今，这个地区的电力负荷已经达到9.6MW，并且预计到2016年会增加到13.46MW，远期至2022年预计会增长到20.21MW。表1-3三家子供电区负荷增量统计表负荷投产年份与负荷大小达产年份与负荷大小序号项目名称性质投产年份负荷（MW）达产年份负荷（MW）1居民照明居民20110.0720120.52农业排灌农业灌溉20110.120150.53哈大客运专线临时用电20110.520120.54马仲河农田治理一期农业灌溉20120.2220140.225马仲河农田治理二期农业灌溉20120.3220140.326世纪辉煌耐火材料厂工业20120.520130.53 表1-4新建变电站分年度负荷预测表年份2012年2013年2014年2015年2016年2022年负荷(MW)10.2710.9911.7612.5813.4620.211.4智能变电站的定义、技术特征及优势1.4.1智能变电站的定义智能变电站选取智能的设备的特点是先进、低碳、集成、环保，基本要求是全站的信息进行数字化处理、平台进行网络化加工、信息的共享进行标准化分配，自动使其完成以下基本功能：对信息的采集、实际测量、协调控制、精确计量和保护监测等，并可依照所需的条件打造支持电网中实时的自动控制、智能方面调[4-6]节、在线实时分析与决策、协同积极互动这些高级功能的智能化变电站。智能的变电站作为电网中的一个节点，担负着以下功能：对电能进行分配、对电压等级进行变换、控制电能流向、汇集归纳电流、调整节点电压等，连接线路、输送电能等功能则和常规的变电站一样，但智能变电站相对于常规变电站而[7-9]言可以完成宽范围、深层次、复杂结构的信息进行采集和处理，变电站的内外之间、其与调度及其自身之间的互动功能更加强大，信息进行交换和融合时更[10]方便，控制的手段也能够变得更灵活。1.4.2智能变电站的技术特征智能化变电站是通过采用较为先进可靠以及高度智能化的智能的设备，自动完成变电站电气设备的信息采集，电压、电流、功率、等物理量的测量，电气设备保护控制、电能计量和环境监测等基本功能，同时可以支持电网相关智能化功能的变电站。与常规的非智能化变电站一样，智能化变电站在电力系统中仍旧是作为电力网络的节点进行分析处理的，同时，其也与常规变电站一样在网络中进行线路的[11-15]连接以及电能的输送。另一方面，对于变电站站内的信息采取与分析处理，智能化变电站比常规的非智能化变电站在范围、层次与复杂问题处理上更具有优势，智能化变电站内部、智能化变电站与电力系统调度系统之间、智能化变电站与智能化变电站之间以及智能化变电站与大用户、分布式电源等的联系以及互动能力更加强大，而且对于相关信息的分析与处理更加方便快捷，灵活性更好。另一方面，现代的智能化变电站，对于相关数字化信息的分析与处理具有一4 致的标准，以及更为高级的应用方面的互动化等很多技术方面的特征。（1）智能化变电站站内处理信息的数字化。智能化变电站站内处理信息的数字化是指利用相关的现代数字化的信息来达到对智能化变电站的一次设备与二次设备的灵活性的控制，达到可以是整个智能化变电站站内信息的采集、传输[16]与处理的数字化。再者，体现在所处理信息的就地进行数字化。整体的效果就是达到减小送电电缆的电缆长度。（2）智能化变电站的通信方面的网络化平台管理。智能化变电站的通信方面的网络化平台管理是指通过标准化的相关通信体系，来实现整个智能化变电站[17-20]的信息的网络化性质的传输。这样以使智能化变电站可以进行基于现实需求的网络拓扑结构，通过使用数据的冗余度技术来加强整个系统的可靠性。站内的互感器所进行的采样数据可以进行过程层网络进行同时发送至测量控制、保护以及相角测量等相关装置，这样便实现了数据的共享。另一方面，通过当今发展利用较为广泛的光缆来替代原来的电缆，这将简化了原来变电站站内的连线数量，达到了提高整个站内系统相关可靠性的目的。（3）智能化变电站的标准化信息处理。智能化变电站的标准化信息处理是指根据统一断面的相同性与相关性信息，通过相关统一的标准以及建模以达到智[21]能化变电站站内与站外的相关实时信息的交互与共享。在智能化变电站内部将整个变电站内部的数据按照统一的标准以及相关序列的编号放置在一起，当进行数据应用与提取时进行统一的检索方式进行提取，这样防止了不同功能区应用时对原来相关联信息的重复检索。（4）智能化变电站内部的高级的应用方面的互动化。智能化变电站内部的高级的应用方面的互动化是指为了来达到智能化变电站内部的与站外的系统进[23-24]行相关的互动，来满足整个智能化电力系统的运行与控制等。另一方面，指通过建立智能化变电站内部外部信息数据处理的一体化来规范存取数据以及访问数据和调度其他系统的交互，最终实现智能化变电站的集约化管理与相关的顺[25-28]序控制要求等，这样可以使相关联的智能化变电站、电源和用户之间有一个协调机制，以此来实现电网的安全、可靠与经济。1.4.3智能变电站的优势智能变电站用的技术和所有设备都是很先进的，它特别注重优化整个系统结5 构，最基本的是为应用服务，从需求角度出发，对数据进行统一的采集和统一的处理，提高智能电网对信息的感知程度，提高高级应用的深度，从而实现自动化、互动化的目标。相对于常规变电站，智能变电站的优势主要体现在以下几个方面[29]。（1）一次设备智能化。（2）采样就地数字化。（3）光缆取代电缆，数字取代模拟。（4）通讯规约标准化。（5）功能集成，设备简化。1.5国内外智能变电站的技术现状1、我国的智能变电站的发展及研究现状我国的智能电网拟建成以特高压电网为主网架，各个不同电压等级电网协作发展的强大的智能电网，此电网会以现今发展迅猛的通信技术为平台，使智能电[30-34]网达到信息化、自动化等特点。包含电力系统的从发电经输电线路的输电、变电设备的变电、配电网的配电、用户的用电以及调度系统的调度管理六大环节，包含了从10kV电压等级一直到500kV电压等级的整个电力系统的全电压的电压等级，具有满足电力系统安全、可靠、经济、低碳、环保、开放以及友好互动的[35-37]现代大规模电网系统。在我国，当国家进行“十二五”规划时，电网的发展与建设是其中的极其重要的组成部分，而其中所述的智能电网更是重中之重。国家电网公司、南方电网公司以及中国电力联合会等也同时加强了对智能化电网的研究与分析深度。现今，对于相关的智能化变电站的领先技术有很多，其中有些是较为成熟的，有些是处于研究阶段的，还有一部分目前仍然处于概念阶段仍需研究分析。如：（1）相关的一次智能化的设备进行的实践：现在已经进行应用的有淮北地区的桓潭110kV电压等级的智能变电站、鄂州市的220kV电压等级的月陂变电站。（2）二次功能网络化的实践：目前已有工程应用，如太康110千阳夏变电站、上杭县110kV太古变电站。（3）相关设备状态检修的实践：智能化一次设备状态的检修实践和相关的发展较快的智能化机器人在变电站巡检相结合，其他相关的电力系统的继电保护[38]方面二次设备状态检修目前也正在积极开展进行中。6 （4）智能化变电站站内相关的智能化研究方案：变电站智能化方面的告警系统和分析决策经济运行方面以及优化控制方面等同时也正在进行相应的研究推广。当今，相关智能化的变电站有关研究正处于开发与推广的初期阶段，其中重要的工作研究重点需要进行的大规模推广应用的现实条件还不够成熟，其主要问题在于以下几个方面：（1）目前的智能化变电站还没有相关的设计、验收等规范，同时装置的检验规程和计量规程以及智能化变电站的运行规范等也没有统一的行业标准，还需要在现实的实践中不断的研究、探索与摸索中进行制定。（2）现在的智能化变电站技术还不够成熟，在智能化变电站内部的智能设备的检测装置、信息处理技术开发平台等方面依然有较多的不足。（3）另一方面，智能化变电站的投产运行后，在运行中存在原有的检验方[39-40]法已经不能达到现实的需要，仍然亟需新的检测方案的提出。（4）再者，关于智能化的变电站与传统的常规非智能化变电站在维护以及相关管理与技术人员分配等很多方面都需要进行重新的划分与界定，需要进行的工作仍然较多。2、国外的智能变电站的发展及研究现状美国：（1）在美国的国家标准技术研究院对其国内的智能电网的建设提出制定了[41-43]一些标准，如出台了75项关于智能电网建设方面的行业标准与准则。（2）美国的智能电网终端——电力负荷的用户相关的需求侧相应发展较为[44]迅速，已有8%的美国用户参与到了这项改革当中。（3）相关的高科技的国际企业与互联网企业已经进行智能电网的建设，之中包括思科、英特尔等等相关企业。欧盟：在欧洲，相关的智能电网的发展主导是欧盟，欧洲的关于智能电网方面的整体的目标以及方向均为其指定，同时其也为智能电网的建设提供相关的政策及资[45-46]金的支撑。在欧洲智能电网的出发点是从不同的角度来发展可再生能源以及最大化的进行分布式能源的消纳，与此同时，还争取与用户进行相关信息的互动。7 欧洲相关国家政府规划到2020年时，实现绿色能源的消费占总能源消费的[47]20%。总的来说，欧洲的智能电网建设也是处于智能电网建设的初期。日本：（1）日本政府也高度重视日本本国的智能电网的建设，并对本国智能电网的建设进行了相关的规划部署，同时也制定了一些标准。（2）在日本，电网的基础设施建设的相对完善，从电力系统的首段发电厂[48]一致到电力系统的终端，其通信设施、监控设施等建设较为完善。同时日本的电网中的通信功能较强。（3）每个国家的发展智能电网的出发点与核心思想不同，日本的对智能电网的发展规划是要建设与太阳能等绿色发电相对应的电力网，即总的来看，在国外的智能电网的建设与发展同我国的智能电网的发展类似。智能化变电站的发[49]展、建设与研究分析是未来智能化电网建设的基础。1.6主要设计原则研究设计要参考国家电网公司、南方电网公司以及相关的省公司出台的关于该电压等级的典型设计是必不可少的。设计遵循安全可靠、自主创新，技术先进适用、注重环保、节约资源、节能降耗、降低造价的原则。尽最大努力做到设计的先进性和项目技术经济性的高度[50-51]的协调与统一。（1）系统部分设计原则依据电力负荷的负荷性质、负荷的大小、工程实际特点以及设计规划地区的区域供电现状条件，在此基础上还要考虑所设计变电站的现状与未来其周边电力负荷的发展情况来确定此变电站的本期的工程。（2）变电部分设计原则根据变电站站处位置、供电可靠性要求及主接线方案，合理选择设备。注重技术先进适用、性价比高、节能降损、保护环境，减少运行维护量。变电站内电气布置合理、紧凑，紧缩建筑面积，节约占地。（3）通信部分设计原则根据当地电力系统通讯状况决定通信方式，使通讯方式合理可靠，保证调度、远动通道畅通。8 （4）土建部分设计原则合理确定建筑形体及结构形式，做到安全适用，确保功能、简朴无华，节约资材。1.7本文的主要工作及难点1.7.1主要工作本论文在查阅大量变电站设计及智能电网建设规划等相关资料的基础上，结合实际工程案例，主要进行了以下设计研究工作。（1）在确定铁岭三家子66kV智能化变电站的主接线方式之前，首先进行典型接线方式的分析，在总结比较的基础上确定主接线方式。依据电力系统变电站建设要求，主变压器选择要求以及铁岭三家子变电站供电区域的电力负荷的现在状况、相关的负荷预测，确定主变压器台数、容量以及型号。（2）对变电站的相关设备进行选择，同时要校验所选择设备的热稳定性与动稳定性，提出铁岭三家子变电站一次设备智能化设计方案。（3）对铁岭三家子66kV变电站防雷及接地进行设计和校验。（4）对铁岭三家子66kV变电站交直流站用电和二次系统进行设计。1.7.2难点及拟解决方案由于三家子变电站为铁岭地区第一座智能化全户外变电站，其设备及其工作原理比较陌生，所以由铁岭局生产部牵头，召集设备厂家、设计院举行了一次设计联络会，会上明确了以下难点：1.智能变电站辅助系统综合监控平台（1）安全警卫系统：电子围栏分两个分区，当有人试图翻越围墙上端的电子围栏或有人剪断围栏线时，触发电子围栏主机报警，主机输出报警信号，驱动告警区域的高音警告发出鸣响，同时视频系统根据事先预定好的联动机制调动相应的摄像头，指向报警区域。厂家将不锈钢支架费用返给甲方，由土建施工队统一制作角钢支架用于安装电子围栏和刺网。电子围栏主机安装在主控室监控屏内。变电站大门上方采用电子围栏，取消红外对射。9 门禁装置选用电卡锁，停电时门禁锁死，变电站小门上的对讲系统外加防雨罩。（2）图像监控系统：图像监视系统摄像头配置红外辅助灯光，在夜间或光线较弱的情况下保证监视质量。监控机柜的外形应与现场保护屏一致,颜色采用红狮506。视频用显示器安装在操作台。10kV配电装置室、主控室、配置温湿度变送器，用以将室内环境温度上传至调通中心。变电站视频监控系统布置完成后，交由信通公司审核。（3）火灾报警系统火灾报警系统信号可直接传到调通中心。消防主机直接安装在主控室墙上。变电站防火阀接入消防报警系统，实现联动，防火阀由土建施工队采购海湾品牌。发生火灾时，火灾报警系统自动切断风机电源及动力配电箱电源，并上传信号给智能变电站辅助系统综合监控平台。变电站消防系统布置完成后，交由安全质量部进行审核。（4）消防水系统消防泵房的泵房工况、水压、消防水池水位接入智能辅助系统并上传。（5）风机系统有工作通风房间的风机均实现自动和手动控制功能，其工况传入智能辅助系统。（6）排水系统对于排水系统而言，当隧道或者电缆沟的水位达到了设计的设定值时将自动启动排水泵，排水泵进行排水是水位达到控制的水平。水位计排水泵工况信号上传。（7）采暖系统空调及电暖气设置温度自动控制系统，可实现遥控启停。空调选用海尔变频10 空调。（8）环境监测系统通过外设的温、湿度传感器，准确监测室内的温、湿度情况，监测信息传至主机。与此同时，温度与湿度检测的前端可以执行主机的相关控制命令，根据之前已经设定好的温度对变电站的空调、电暖气与风机达到全自动的控制。（9）照明系统户内装有视频的设备房间的照明灯实现远方开启功能，厂区照明实现远方开启功能。上述需由设备厂家穿线的，在埋管结束后与厂家联系到现场穿线。2.智能变电站监控系统（1）对于智能变电站中小电流接地选线方面的功能用后台监控系统来实现其选线。（2）五防主机保护厂家定，需要独立五防主机；（3）为保证保护屏体尺寸一致，数据服务器及图形网关机服务器更换同性能服务器；五防及监控系统放置在操作台上；（4）南瑞监控系统网络考虑通讯单元光缆接口；（5）防跳功能由断路器本体实现；跳闸出口压板保留；（6）变电站站内10kV电压等级的分段保护测量控制装置和变电站站内主变与分段备自投装置改为电压等级为10kV的分段备自投保护测量控制一体化的设计装置，在本期备自投采用站内主变及分段备自投的方式，并配置联切电容器及线路回路，装置安装在10kV分段开关柜上。3.变压器保护及智能终端（1）主变本体控制柜，尺寸1560X800X600，颜色海灰B05；（2）防跳功能由断路器本体实现；跳闸出口压板保留；（3）主变高侧后备保护电压由低侧合并单元点对点传送；差动，后备保护跳各侧开关采用直跳方式；跳分段，复压闭锁及闭锁备投通过网络传输。备自投所需开关位置信息及跳、合闸开出通过网络实现。4.合并单元4套订货说明：已经退回,待总部合并单元招标后，直接按照中标结果进行匹配11 后采购，不用再上报总部批次，具体结果等招标一处通知。5.10kV开关柜智能终端2台、合并单元2台安装在10kV主受柜内，10kV开关柜厂家考虑安装位置及接线；防跳功能由断路器本体实现；本工程的难点在于辅助平台的设计，普通站其照明、动力、消防为独立单元，信号无后台处理，直接实现联动关系。而智能站以上三点均为上传信号后由智能平台统一处理并回传信号后各单元方可动作，优化了各单元的逻辑关系。分析了解了以上的问题以后，对其他的设计按照常规的66kV电压等级的变电站进行设计。12 第2章变电站一次系统设计2.1变电站一次设计的作用变电站电气一次设计的主体主要包括以下内容：变压器、发电机、隔离开关、断路器、输电线路以及电力电缆等电气设备的设计。变电站是存在于电网之间以纽带的样貌联系各个电网，这样能使电能进行相应的变换与分配。发电、输电以及配电过程都是以变电站电气一次设备之间的相互连接为基础而进行的。变电站能否安全可靠的运行，直接关系到了整个电网运行的安全。根据一系列调查分析[4]的结果显示，变电站的主要作用是使电能在高低压之间安全转换。在此过程中，有一些变电站把发电机出口电压进行提升，这样电能在进行远距离传输之时可以降低电能的线路损耗。此外，还有一些变电站把高压转变成低压，然后再传送到用户端。66KV变电站是一种直接面对客户端，数量较多，分布较宽的变电站。所以，对其进行一次设计时，应充分考虑该变电站的灵活性、可靠性以及经济性。因为只有这样综合选择，才能缩减变电站在某个区域内的投资成本，灵活地应对该地[7]区所发生的停电现象以及电网故障，从而提高这一区域中供电的可靠性。只有科学的选择66KV变电站的分布点，才能够满足各大区域用电能力，最终符合社会的发展，以及人们日益增长的用电需求。一次设备智能化是智能变电站的主要特征，也是其区别于常规变电站的主要标志之一。在现阶段，智能变电站使用合并单元与智能终端系统能够实现本地的采样控制，实现一次设备的测量数字化、控制网络化；通过主设备与传感器的统[19]一安装实现状态可视化，同时，进一步通过对各类状态监测后台的集成，建立设备状态监测系统，为远程状态校验自动化提供了基础，由此提高了一次设备的控制能力，延长设备寿命，降低周期成本。针对智能变电站的设计，智能变电站的关键技术选择和配置主要集中在智能一次设备的实现及设备在线监测配置与采样就地数字化即电子式互感器的选择和配置上，本文将通过对这些关键技术考察和研究，从技术先进性、等方面进行[7]研究比较，选择合适的技术应用到智能变电站设计当中。-13- 2.2主接线设计2.2.1主接线设计的基本要求变电站电气主接线要满足可靠、灵活和经济性三项基本要求。(1)可靠性关于电力系统的可靠性，是电力系统生产以及分配电能的最重要的任务及满足的条件，从而，在进行智能化变电站站内主接线的设计时必然要满足这个最基本的要求。1）对于智能化变电站站内主接线的在其可靠性方面的研究分析时要注意以下几个问题的存在：a）实践是检验真理的唯一标准，在对任何事物进行研究分析时要时刻注意保持对过往研究经验的高度重视，即在对智能化变电站进行站内主接线的研究分析与设计时要关注国内外的实践经验，同时还要对以往的关于可靠性方面的经验进行分析。而智能化变电站站内主接线的设计的可靠性的衡量标准也要源于整个电力系统的运行情况，而我国的电力系统研究起步较晚，在对于智能化变电站的站内主接线的研究分析甚少。这样便导致其相关的数据很少，再加上研究分析与计算的方法不完善导致其计算结果不够准确，在此仅仅作为一个参考量来进行考虑；b）智能化变电站站内的主接线的可靠性涵盖两部分：一次系统设备以及二次系统设备，这两部分的关于可靠性方面的综合分析；c）另一方面，智能化变电站内部站内的电气主接线的可靠性主要取决于其站内电气设备的可靠性，即知选取高可靠性的相关站内电气设备可以有效的简化智能化变电站的电气主接线；d）最后，要考虑设计的全方面，即要关注发电厂、变电站与整个电力系统的关联，还要关注本智能化变电站在整个电力系统中是属于什么位置以及其能发挥的主要功能与扮演的角色是什么；2）智能化变电站站内电气主接线的在可靠性方面的相关要求：a）当智能化变电站内部的断路器进行维护检修时，不能影响整个电力系统的常规运行；b）在智能化变电站站内的断路器以及母线在发生相关故障时或者站内母线14 进行检修时，要满足最小程度的断电时间，即最小化的避免进出线的停运，在此基础上要保证一类负荷的供电，在相关能力的基础上为二类及三类负荷供电；c）要杜绝发电厂与变电站同时故障不能供电的可能性的发生。(2)灵活性1）从调度的角度来看，要满足可以灵活投切发电机、变压器以及电力线路，达到电力系统在相关事故以及检修或者其他特殊的运行方式下的电力系统的调度要求。2）当电力系统检修时，能便捷的关断断路器、母线等相关设备，在进行相关计划的检修计划时不影响正常的电力系统的安全可靠的给用户提供电能。3）第三种情况是在变电站扩建时，要满足其运行方式由最初的接线模式直到过度到最终的设计接线模式。要满足不影响用户持续的供电，以及在进行新的机组、线路以及变电站时没有相互的干扰存在，同时也要减少施工的工作量。(3)经济性1）电力系统的设计在满足其可靠、灵活的同时还要考虑其经济性。变电站主设计也是如此，在满足其本身的可靠灵活的条件下要考虑经济合理，这样要力求设计的精简，以节约投资。2）其次，要符合电力系统继电保护以及其相关回路的设计最优化的条件，最终达到节约的目的。3）再者，要控制相关的短路电流的大小，以便于来尽量挑选造价较为低廉的电气设备等。4）最后，变电站的设计要尽量减少其用地面积，要考虑到合理使用土地资源；与此同时，在考虑节能方面时，要注意建设电力电量的损失，要注意对智能化变电站的设计尽量的精简，要注意在一座智能化变电站站内的电压等级以不超过两种为宜。2.2.2选择主接线的依据对于电力系统的智能化变电站的站内电气主接线的设计选择时要以如下的几个方面作为设计与选择的依据。（1）从整个区域电网的角度来分析本变电站在整个区域的地位以及作用。（2）电力系统的负荷是随着时间与地区经济的发展而不断变化的动态的过-15- 程，在对负荷的电源点即变电站进行研究设计时要充分考虑这个动态过程，一般情况下要考虑负荷的现在和将来的发展规划，为此一般在进行变电站的站内主变选择与设计时以选择两台为优。（3）对于电力系统的变电站站内电气主接线的研究设计时要充分考虑其供电区域的所供负荷的性质与大小。根据相关要求，一类负荷必须配置两个独立的供电电源，这样可以保证在任何一个供电电源故障后能保证变电站供电负荷的不间断供电；对于第二类负荷，在通常情况下也要满足有两个独立的供电电源对其进行供电以保障防止其中一个电源故障时另一个电源点可以对负荷进行持续可靠的供电。三类负荷则为一般情况下为一个电源供电即可。（4）相关备用容量。一般变电站的设计为两台主变，当其中一台发生事故或者故障时，要达到另一台主变能提供故障台主变全部负荷的70%的用电需求。2.2.3铁岭三家子变电站各供电侧主接线设计铁岭三家子66kV电压等级的变电站是一座终端负荷的变电站，设计其66kV电压等级的2回进线，采用的接线方式为线路变压器组；变压器容量本期2×10MVA，终期2×20MVA；变电站10kV出线本期6回，终期出线14回，单母线分段接线。电气主接线如下图所示。图2-1电气主接线图(改前)16 图2-2电气主接线图(改后)2.3主变的选择2.3.1主变压器台数和容量的选择对于变电站的研究设计而言，对一座变电站站内主变压器的台数与其容量的选择是一个综合性的问题。要根据变电站所在的地区的负荷性质、供电环境以及相关的电力系统的运行条件等综合因素来确定。同时变电站主变台数以及容量的选择还要考虑变电站所供负荷未来的发展状况，即负荷的远期发展。若为城区等存在用地规划的地区，还要结合相关城市的用地规划等作为上位规划。从电力系统的可靠性的角度来分析，在有一类及二类负荷的相关地区进行变电站设计时一般要求变电站的主变要设计为两台，即要考虑负荷N-1的要求，满足负荷的供电需求为目的。最近几年，我国经济不断发展，不论城镇还是农村，电量的消耗增长迅速，近年来，伴随着乡镇、农村经济的不断发展，以及我国社会主义新型农村建设方面的带动，铁岭三家子的居民生活用电量增长较快。电力负荷每年以7%的增长速度增长，到现今，这个地区的电力负荷已经达到9.6MW，并且预计到2016-17- 年会增加到13.46MW，远期至2022年预计会增长到20.21MW。表2-1用电负荷现状及预测表单位：MW年份2012年2013年2014年2015年2016年2022年负荷(MW)10.2710.9911.7612.5813.4620.21经过以上分析选择变电站站内主变结果如下：表2-2变电站站内主变参数表主变压器选用三相双绕组油浸自冷有载调压变压器额定容量20MVA短路阻抗：Uk%=9额定电压比66±8×1.25%/10.5kV连接组别Yd11调压方式有载调压冷却方式自冷式（0NAN）2.3.2主变相数的选择对于变电站站内主变压器是采用三相变压器还是采用单项变压器主要需要考虑的因素是其制造条件、电力系统可靠性的要求，同时还有在建设初期的运输条件。在通常情况下，当规划设计变电站选址安装地点的运输条件不受限制时，通常情况下330kV及以下电压等级的变电站内，采用三相变压器为宜。当今社会经济发展迅猛，科技日新月异。对于变压器的生产制造以及运输问题已经解决。通过以上的描述可以看出，本变电站的站内主变的选取采用三相，与此同时，为了满足负荷的供电要求，在此选择使用三相的有载调压变压器。2.4短路电流计算2.4.1短路电流计算的目的（1）短路电流的计算对于变电站站内电气主接线方案的选择是十分必要的，再者也可以验证变电站站内其电气主接线相关的故障情况下的短路电流的限制。（2）在进行电气设备的选取时，为了能保证在电力系统设备发生故障或者正常运行的情况下皆能可靠的供电，就有必要进行相应的短路电流的计算分析。（3）在对变电站站内屋外的高压配电装置进行设计分析时需要通过进行短路计算对其安全距离进行验证。（4）以相关短路电流为计算依据的包括继电保护方式的选取与相关的整定计算。18 （5）在进行接地装置的设计分析时，对接地装置的接触电压和跨步电压分析也需要短路电流的计算。2.4.2电路元件参数计算（1）基准值的计算在此依据电力系统中计算的常规方法采用标幺值进行计算。在一般条件下，取S=100MVA或者取1000MVA，以电压的平均值为基准。电力系统常见的额j定电压与平均额定电压如下表所示。表2-3电力系统额定电压及平均额定电压等级额定电压UN(kV)103566110154220平均额定电压UN(kV)10.53766115162230若取Sj=100MVA，则基准表如下。表2-4基准电压与基准电流表基准电压Uj(kV)10.53766115162230基准电流Ij(kA)5.51.560.8750.5020.3560.251（2）标幺值容量的标幺值公式：*SS；Sj电压的标幺值公式：*UU；Uj电流的标幺值公式：II3U*jI；ISjj电抗的标幺值公式：XXSjX*2XUjj2.4.3短路点选择和计算依据相关的电力系统的分析数据以及利用电力系统中常用的对称分量法对-19- 其进行计算，所得的正序、负序和零序等值电路结果如下图所示。（1）短路点分别选择在d1、d2。图2-3短路点分别选择在d1、d220 图2-4短路点分别选择在d1、d2的正序、负序与零序图-21- 计算结果：a)短路时间为0秒时。短路时短路基准时间分支冲击三项短路间点编电压衰减线路系数短路等值有效全电冲击电非周期分号常数名称容量电抗值Izl流流ichl量ifzlIchl(s)(kV)（MV(kA)(kA)(kA)(kA)A）0d169.340系统1.8264.30.3782.2023.3255.6053.114CL1变压1.8器接地端合计264.30.3782.2023.3255.6051d210.540系统1.878.241.2784.3026.49610.9516.084CL合计78.241.2784.3026.49610.951图2-5三相短路计算结果短路电流计算单相短路短路容量等值电抗有效值Iz2全电流Ich2冲击电流ich2非周期分量ifz2（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)100.471.4450.8371.2642.1313.083161.200.91.3432.0283.419261.672.3452.183.2925.55图2-6单相短路计算结果22 短路电流计算两相短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)228.900.7571.9072.884.8542.697228.900.7571.9072.884.85467.742.5573.7255.6259.4825.26867.742.5573.7255.6259.482图2-7两相短路计算结果短路电流计算两相对地短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)147.160．6221.2261.8513.1213.099115.830.90.9651.4572.456262.991.5222.1913.3085.577图2-8两相短路接地计算结果b)短路时间为0.6秒时。短路短路时间三相短路点编基准分支线路冲击时间衰减短路等值有效值全电流冲击电流周期分量号电压名称系数常数容量电抗Iz1Ich1ich1ifzl（s）(kV)(MVA)(kA)(kA)(kA)(kA)264.3系统C11.80.3782.2023.3255.6051变压器接d169.3401.80.028地端0.6264.3合计0.3782.2023.3255.6051系统C11.878.241.2784.3026.49610.951d210.5400.055合计78.244.3026.49610.951图2-9三相短路计算结果-23- 短路电流计算单相短路短路容量等值电抗有效值Iz2全电流Ich2冲击电流ich2非周期分量ifz2（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)100.471.4450.8371.2642.1310.028161.200.91.3432.0283.419261.672.3452.183.2925.55图2-10单相短路计算结果短路电流计算两相短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)228.900.7571.9072.884.8540.024228.900.7571.9072.884.85467.742.5573.7255.6259.4820.04767.742.5573.7255.6259.482图2-11两相短路计算结果短路电流计算两相对地短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)147.160．6221.2261.8513.1210.028115.830.90.9651.4572.456262.991.5222.1913.3085.577图2-12两相对地短路计算结果24 （2）短路点为d3和d4。图2-13短路点为d3和d4-25- 图2-14短路点为d3和d4的正序、负序与零序图短路计算结果。a)短路时间为0秒时：短短路路时间三相短路点编基准分支线冲击时衰减短路等值有效全电流冲击电周期分号电压路名称系数间常数容量电抗值Iz1Ich1流ich1量ifzl（s(MVA(kV)(kA)(kA)(kA)(kA)）)994.0.10系统C11.88.28812.51521.098821变压器d369.3401.811.721接地端994.0.100.6合计8.28812.51521.09882199.91.00系统C11.85.4968.29913.99151d410.5407.77399.91.00合计5.4968.29913.99151图2-15三相短路计算结果26 短路电流计算单相短路短路容量等值电抗有效值Iz2全电流Ich2冲击电流ich2非周期分量ifz2（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)690.540.3345.7538.68714.64511.155265.270.92.1353.2245.435946.811.2347.88811.91120.08图2-16单相短路计算结果短路电流计算两相短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)861.580.2017.17810.83918.27210.151861.580.2017.17810.83918.27285.552.0014.7597.18612.1146.7385.552.0014.7597.18612.114图2-17两相短路计算结果短路电流计算两相对地短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)809.490．1586.74410.18317.16711.462163.360.91.3612.0553.465972.851.0588.10512.23820.632图2-18两相对地短路计算结果b)短路时间为0.6秒时：-27- 短短路路时间三相短路点编基准分支线路冲击时衰减短路等值有效全电流冲击电周期分号电压名称系数间常数容量电抗值Iz1Ich1流ich1量ifzl（s(MVA(kV)(kA)(kA)(kA)(kA)）)994.0.10系统C11.88.28812.51521.098821变压器接d369.3401.80.105地端994.0.100.6合计8.28812.51521.09882199.91.00系统C11.85.4968.29913.99151d410.5400.0799.91.00合计5.4968.29913.99151图2-19三相短路计算结果短路电流计算单相短路短路容量等值电抗有效值Iz2全电流Ich2冲击电流ich2非周期分量ifz2（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)690.540.3345.7538.68714.6450.1265.270.92.1353.2245.435946.811.2347.88811.91120.08图2-20单相短路计算结果短路电流计算两相短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)861.580.2017.17810.83918.2720.091861.580.2017.17810.83918.27285.552.0014.7597.18612.1140.0685.552.0014.7597.18612.114图2-21两相短路计算结果28 短路电流计算两相对地短路短路容量等值电抗有效值Iz3全电流Ich3冲击电流ich3非周期分量ifz3（MVA）(kA)(kA)(kA)(kA)809.490．1586.74410.18317.1670.103163.360.91.3612.0553.465972.851.0588.10512.23820.632图2-22两相对地短路计算结果最后，根据短路计算的结果及根据系统接网方案及远期电网规划，铁岭三家子66kV电压等级的变电站由业民220kV电压等级的变电站最大运行方式下运行时提供的短路电流最大。按两台变压器分列运行考虑，短路电流值计算如下：表2-52012年短路电流计算结果表10kV母线侧短路位置66kV主变一次侧2台主变分列运行新立系统运行方式最大最大短路容量S”(MVA）994.8299.95短路电流有效值I”(kA）8.295.50短路冲击电流峰值ich(kA）12.528.30短路冲击电流有效值Ich(kA）21.1014.002.5主要电气设备的选择和校验2.5.1断路器和隔离开关的选择1选择原理断路器型式的选择：对短路器的选择要考虑技术条件以及相关的环境条件。在这几个条件满足的同时还要考虑断路器的安装与其运行维护管理。在最后还要对其的选择进行经济技术的必选。在我国，通常情况下，不同电压等级不同选择不同，一般为6~220kV选择少油断路器。断路器选择的具体技术条件如下：(1)电压：UUgN式中Ug——电网工作电压；UN——断路器的额定电压。-29- (2)电流：IIgmaxN式中Igmax——最大持续工作电流；IN——断路器的额定电流。(3)开断电流：IIptNbr式中I——断路器短路电流周期分量；ptI——断路器额定开断电流。Nbr(4)动稳定：IImaxch式中Imax——断路器通过的极限电流峰值；Ich——三相短路电流冲击值。(5)热稳定：2QItkt式中Qk——短路电流的热效应或热脉冲；It——断路器热稳定电流。对于隔离开关的选择，也要进行各种因素的考虑以及隔离开关的技术经济的比较。选择的具体技术条件如下：(1)电压：UUgN式中Ug——电网工作电压。(2)电流：IIgmaxN式中Igmax——最大持续工作电流。(3)动稳定：IIchmax式中Imax——断路器极限通过电流峰值；Ich——三相短路电流冲击值。(4)热稳定：2QItkt式中Qk——短路电流的热效应或热脉冲；It——断路器t秒热稳定电流。2选择结果66kV断路器：采用户外高压六氟化硫断路器型号：LW9-72.5/2000，31.5KA操动机构：弹簧式额定电流：2000A额定短路开断电流：31.5KA66kV隔离开关30 型号：GW5-72.51250A额定电流：1250A66kV避雷器：选用交流无间隙金属氧化物避雷器型号：HY5WZ-96/250型额定电压：96kV雷电冲击电流（10kV）下的残压：250kV2.5.2互感器的选择66kV电流互感器：选用复合绝缘干式电流互感器型号：LZW－66/2*200/50.2S/0.5/10P20/10P202.5.3无功补偿装置的选择(1)提高功率因数的意义对于常规的电力系统中的电力负荷而言，在通常情况下绝大多数的电力负荷设备都会呈现出感性，即负荷基本为感性负荷，此时负荷会从电力系统中吸收无功功率，这样导致其功率因素小于1。对于用电设备而言，为了达到功率平衡，功率因素降低后需要增加无功功率的补偿，否则将会使电力系统的功率达不到平衡，同时会引起很多不良的后果。增加电网中有功功率和线路功率损耗；会是电网中的安装的电力电气设备达不到充分利用的目的；如果功率因素过低，会严重影响用电设备的正常运行，同时也会影响企业的生产。综上所述，可见一般情况下，需要在变电站内设置电容器对无功进行补偿，以改善电力系统的功率因数。(2)无功补偿装置的选择参考《电力系统电压和无功电力技术导则》(SD325-89)的规定，一般情况下所配置的容量为主变容量的10~30%左右。对于本66kV变电站设计采用框架式并联补偿成套装置，选取的容量为2MVar。-31- 2.5.4消弧线圈的选择三家子66kV变电站处于开原220KV变电站系统中，该系统消弧线圈实行分片补偿，共安装2台消弧线圈，总容量为3800MVA，总补偿电容电流100安培，现在全网接地电容电流为32.8安培。铁岭三家子66kV变电站需要新建架空线路5.8km，新增的接地电容电流1.18安培，当新建的变电站接入整个地区电力系统后，整个地区的电力网络接地电容电流达到33.98安培。开原220kV变电站66kV系统消弧线圈补偿容量满足要求，因此,新建变电站不考虑安装消弧线圈。10kV系统中性点接地方式和参数要求在本铁岭三家子变电站的10kV出口处采用的是电缆出线，其他以架空电力线路为主，按照14回出线电缆计算，出口处的电缆平均每回为50m，架空线路平均每回为2公里。表2-6经过计算接地电容电流表序号名称规格数量（kM）接地电容电流（A）1出口电缆300mm2三芯电缆2.43.082架空线路240mm2绝缘导线240.833变电站增加16%0.634变电站合计4.545每段母线2.27通过上面的计算可知，变电站内每一段母线的接地电容通过的电流都是2.27A，小于10A，因此，需要进行消弧线圈接地。2.6本章小结铁岭三家子66kV变电站是铁岭地区第一座全户外智能变电站。该站位于三家子乡南侧紧邻三家子乡公路。这座变电站位置处于负荷的中心地带，同时其周边所供负荷以铁岭三家子的乡镇工业与农田灌溉以及农村的日常生活用电为主。本变电站的设计工程以66kV电压等级的进线有2回，同时采用的电气主接线为线路变压器组接线，采用架空方式架设；本期安装的10MVA主变压器为2台，均为利旧，远期安装20MVA有载调压主变压器2台；本期10kV电压等级的电缆出线有6回即可满足周边负荷的用电需求，在远期10kV电压等级的电缆出线需要14回才能满足负荷的发展需要，同时采用的站内电气主接线为单母线32 分段接线；在10kV电压等级侧本期安装2组2MVar电容器，分别安装在10kVⅠ、Ⅱ段母线上；变电站按照智能变电站设计，保护采用微机保护方式。图2-23电气主接线此铁岭三家子66kV电压等级的电气设备均采用户外中型方案进行布置。对于10kV电压等级的配电设备、控制设备都采用户内方案布置。对于变电站站内主变压器以及66kV电压等级的断路器与隔离开关等均布置在室内。考虑到各种因素原因的影响，在建筑内布置的主要是10kV电压等级的配电装置室等。在变电站站区的北面安置了66kV电压等级的户外配电装置，而l0kV电压等级的电缆出线分布在变电站站区南侧，变电站进站道路从站区北侧接入。主变压器布置在66kV电压等级的配电装置与l0kV电压等级的配电室之间。-33- 图2-24电气平面布置图图2-25电气断面图本章首先对几种典型的接线方式的特点进行了分析，通过总结比较各方案的34 特点及优缺点确定了三家子66kV智能变电站的主接线方式，其次是依据电力系统变电站建设要求，以及铁岭三家子变电站周边区域负荷的状况，未来负荷的发展状况，在最后选择确定了铁岭三家子智能化变电站的站内主变压器的台数以及其容量和型号。通过短路电流计算，对变电站主要电气设备进行选择，最后提出了三家子变电站一次设备设计方案。-35- 第3章变电站防雷接地设计及电气设备布置电力系统变电站是其的中心环节，雷击事故发生时，会形成大面积停电，电气配置的内部绝缘会受到毁坏，并且不能自动恢复的占据了绝大部分，将严重影响人民的正常生活和国民经济的发展，因此，必须要选择有效的防雷方式，来确保电气设备的正常安全运行。变电站需要进行防雷保护的装置有两种，一种属于电工系列装置，一种属于需要采取某一些防雷措施的建筑物和构筑物。变电站一般情况下遭受的雷害常常源自于以下两个原因，第一个是雷电流直接击中变电站，第二个是雷电流直接击中输电线路后，其所产生沿着线路方向入侵的雷电波流向变电所。对直击雷所采用的一般保护措施，通常是用避雷针、避雷带以及避雷线，将全部的设备都置于受保护的限度以内保护，另外，为了避免雷电流直接击中避雷针、避雷带时不让其产生反击现象也很需要采取某些措施来完成。变电站内的避雷器是作为防护侵入的雷电波的主要措施，以防止设备上产生的过电压，使其不超过耐压值，限制振幅变化并侵入变电所的那些雷电波的幅值。3.1铁岭三家子66KV变电站防雷保护措施变电站采取严格的防雷接地系统，防雷采用避雷针和避雷器。为了保证人身和设备的安全，变电站内部都设有接地装置，同时对一些设施采取了隔离装置，包括可能接高电位向站外的设施或接低电位向站内的设施。3.1.1防雷站内设2支独立避雷针，进线塔安装避雷针1基，高度（相对场区地坪）为25米，与避雷带联合构成对66kV进线段的防直击雷保护。66kV电源进线后装备氧化锌避雷器，10kV母线同样装备氧化锌避雷器，以构造对设备的保护，防止雷电侵入时产生的电波引起的过电压，。10kV电压互感器柜配置微机消谐装置。36 3.1.2接地站内采用的是以水平的接地体与垂直的接地体相互配合的复合接地区，水平为主，垂直为辅，水平的接地体选用-50×5镀锌扁钢，垂直的接地体选用Φ50镀锌钢管，所有设备接地引下线采用-50×5镀锌扁钢。3.2避雷针保护范围的计算依据(1)单个的避雷针所能够保护的规模大小1当hh时，r(hh)phpxxxa2式中rx——避雷针所能够保护范围的半径（在水hx平面上）(m)；H——避雷针高度(m)；h——被保护物高度(m)；xh——避雷针有效保护实际上的高度(m)；ap——一些能够影响到避雷针高度的系数；5.5当p25m时，p1，当120mpm25时，p，若p120m时，暂按h120h计算。1当hh时，r(1.5h2h)php。xxxa2(2)两只相同高度避雷针所能够保护的规模大小两只针相对于外侧能够保护得了的规模限度按单个一只避雷针限度的算法来确定；两只避雷针中央可以保护的规模由经过两只针的极点和保护的范围边沿偏上部的一个最低点O由此作一个圆弧来确定。这个最低点O所在水平面与地平线之间的距离可表示为：hhD/7p0式中：h0——两只避雷针之间能够保护的规模边沿上部的所能达到的最低点与水平面之间的距离(m)；-37- h——避雷针的高度(m)；D——两只避雷针之间的距离(m)。两针间hx保护范围水平面上一侧的最小宽度bx按下式来计算：11当hh时，bhh(),当hh时，bh(1.52h)，若Dh7px0x0xx0x0xa22时，b0。x3.3避雷器的选择防雷设计：作为防雷的主要措施，全线路全部都架设地线尤为重要，双回塔所利用的地线对于它所对应的边导线的安全保护角不应大于30度。S是档距的中央导线所在地与地线间的距离，在15℃无风时满足下式要求：SL0.0121()m，其中L为档距长度（m）。依照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，线路所能承受雷的水平应高于或等于30kA，变电站的进入或拉出的线路所在地段的2km内应高于或等于60kA。3.3.1避雷器选择的一般程序(1)依照使用地域的环境条件，如温度、高度、风速、清洁和板块等，来确定避雷器使用的条件。(2)依照那些被保护的目标来选择避雷器的种类以及型号。(3)依照作用在系统中的相对而言比较长的最高的电压值，根据其幅值来确定能使避雷器足以连续运转的电压UC，使得避雷器的连续运转的电压是工频电压中的相对有效值并长期的作用于避雷器其中几个端子间的，一般情况下约等于额定电压的75%-80%。(4)预测那些避雷器设置地点相邻的短期所承受的过高的电压显现出的幅值以及短期过高电压的作用时能够承受的时间，依照此参数选择的避雷器所需要的额定电压Ur。(5)依照预算经过避雷器作用过后的雷电流所显现出的放电电流幅值，选取避雷器正常情况下所能承受的标称的放电电流。依照DL/T620的规定，66kV-220kV系统正常应采取5kA的电流，在雷电分布格外密集的地区，紧要的变电站，当其进线保护不够完善以及进线段的耐雷程度难以满足要求时，可以选38 用10kA。与选择各个避雷器有关电压等级方面问题的数据见表3-1，表3-2，表3-3。表3-1暂时所能承受的过电压Ut的有效值接地的方式非直接的接地系统非直接的接地系统330-500kv系统的标称电压3-20kv35-66kv110-220kv母线侧线路侧Ut1.1UmUm1.4Um/31.3Um/31.4Um/3表3-2系统的标称电压（UN）和系统的工作时的最高电压（Um）(有效值-kV)UN3.06.010.020.035.066.0110.0220.0330.0500.0Um3.67.212.024.040.572.5126.0252.0363.0550.0表3-3避雷器的额定建议电压值(有效值-kV)接地方非直接的接地系统和小阻抗的接地系统直接的接地系式10秒内切除故障10秒以上切除故障统系统的标称电36102035663610203566110220压Ut481326427251017345496102204(6)估测需要经过避雷器的操作功率还有它的冲击电流，选取所需的线路及其放电等级，并检测其方波实验所产生的电流幅值还有它对能量的吸收能力。(7)依照受保护设备雷电方面的额定耐受的电压和操作耐受的电压，依据绝缘配合实际要求，确定所需避雷器实际雷电冲击保护的水平以及试验操作冲击保护的水平。(8)依据避雷装置所设置处发生的故障电流所出现的最大值，选取所需避雷器释放的压力所在的等级。3.3.2铁岭三家子变电站避雷器选型依据避雷器选择的一般程序要求，查询受保护装置关于雷电冲击的的实际额定耐受电压和试验操作耐受电压，查询避雷器安装处最大故障电流，对铁岭三家子66kV变电站避雷器所选型的结果如下：66kV避雷器：选用交流无间隙金属氧化物避雷器，型号：HY5WS-96/232型。绝缘子串和金具的具体选型如下：耐张杆采用FXB3-66/70型复合绝缘子，其中分为单联的绝缘子串和双联的绝缘子串，爬电的距离是2180mm，单位的泄漏比距是3.3cm/kV；跳线串采用防-39- 风偏FSJ2-66/0.4,爬电距离为2300mm，单位泄露比距为3.48cm/kV。在垂直荷载较大的地段和越过铁路、公路的重要地段则需要使用双联双固定。耐张线夹的选择：导线采用液压型的耐张线夹NY-150/20型；地线采用ONZ-1123型的线夹。按《66kV及以下架空电力线路设计规范》（GB50061-97）所规定的，最大使用荷载条件下绝缘子的安全系数不得低于3.0，年平均运行温度下不得低于4.5，事故断线情况下不得低于1.8。金具的选择均满足设计规程的要求。最大负荷情况下安全系数k≥2.5，断线或断联的情况下安全系数k≥1.5的要求3.4避雷针保护范围计算根据变电站的电气布置和变电站对防雷方面的要求，本文设计了2只25米高的避雷针，计算校验如下。其中受保护物的高度hx=8.5m，避雷针的高度h=25m，根据公式rx=（1.5h-2hx）p=hap，h0=h-D/7p，进行bx=(1.5h0-2hx)计算。1#针-2#针D=62.6m，h2562.6/7116.1(m)；0b(1.516.128.5)7.15(m)0；xr(1.52528.5)20.5(m)。x图3-1铁岭三家子66kV变电站防雷保护布置图为经校验后2只25米高独立避雷针的防雷保护范围图。3.5接地装置的设计3.5.1接地装置布置接地的含义即为将位于地面上的某一个金属物体亦或是电气回路的其中一个节点经由导体与大地形成连接，使那个物体或那个节点相对于大地保持电位相[16]等，埋入地表面中的金属质接地体就被称为接地装置。40 铁塔的接地体采用∮12镀锌圆钢，每基铁塔接地电阻小于30Ω，埋设深度大于0.6-0.8m。因为铁塔有相对大的基础根，为保证各个塔腿接地电阻相对均很，则采用的装置类型为环形加四角放射型。详见表3-4表3-4土壤的电阻率与所对应工频下的接地电阻建议值（Ω）土壤电阻率ρ(Ω·m)ρ<100100≤ρ<500500≤ρ<10001000≤ρ<2000ρ≥2000工频的接地电阻(Ω)10.015.020.025.030.03.5.2人工接地工频接地电阻计算辽宁铁岭三家子66kv智能变电站的接地网选择了以水平方接地端极为主，边缘密切闭合的一种接地网，可以以下面的式子来计算它的接地的电阻R(*R)N10LS0(3ln0.2)1SL0S1R0.213(1B)(ln5B),(B)0S2L9hdh14.6S式中：Rn——任意一个边缘闭合的主接地网端的接地电阻，Ω；Rn—等效方形网所带电阻，Ω；2S——接地网总面积，md——水平接带极的整体直径亦其等效直径，m；h——水平接带极所埋的深浅，m；L0——接地网的外边缘的总长度，m；L——水平接地带总长度，m。2依据接地装置布置图统计，并计算：S=1175m，d=0.0089m，h=0.8m，L0=131.5m。现场实测土壤电阻率182m，将以上数据分别代入计算式计算得：Re=2.37Ω,1。则Rn=2.37Ω<4Ω，因此这个接地网络能够满足设计所需的1要求。-41- 图3-1铁岭三家子66kV变电站防雷保护布置图图3-2铁岭三家子66kV变电站接地装置布置图42 图3-3铁岭三家子66kV变电站一层接地装置平面布置图图3-4铁岭三家子66kV变电站一层等电位装置平面布置图3.6变电站电气设备布置3.6.1变电站配电装置基本要求配电装置需要满足的基本的要求如下：(1)配电装置需要严格依照国家的技术政策和基本方针来设计；(2)确保运行的可靠性，依据系统的自然情况，合理的捡取装置，策划时需保证清晰整齐，确保满足电力规程要求中相对安全的距离；-43- (3)方便运行人员的巡视以及检修和作业；(4)以确保设备运转安全保障为前提，更需紧凑布置，争取材料节约，节省工程造价；(5)便于向其中安装设备和扩建需求。3.6.2电气设备布置及配电装置一、电气设备总平面布置66kV的电气设备采取户外型，布置为中型。10kV的配电设备、选取户内型的控制设备。采用户外型布置的有主变压器及66kV断路器、隔离开关、电容器以及电流互感器，其余设备则需分别布置在室内。10kV配电装置、主控室等主要部分都安置在建筑内，在10kV配电装置的底层则设置了电缆隧道。主变压器设计在66kV的配电装置和l0kV的配电室中间。10kV的无功补偿装置将设计在室外。二、66kV配电装置(1)66kV的配电装置设计采纳了户外软导线加中型布置的AIS设备，进线采用了架空进线。设备支架采用钢管杆，高2.5（2.7）米。(2)66kV的配电设备的进线通过的门型架高度为8.5米。三、10kV配电装置在主变压器的10kV侧进线用封闭母线桥的形式引入l0kV的配电设置开关柜。在户外安置10kV的框架式并联电容器组，用电缆来连接电容器组和10kV的开关柜的中间部分。四、电气设备的抗震措施按7级设防。44 图3-5铁岭三家子66kV变电站电气总平面布置图（改后）3.7本章小结本章参照了变电站设计的所有要求，结合常规66kV变电站的防雷保护措施，采用折线法计算了变电站独立避雷针所能保护的范围，得出能满足避雷需要应在该变电站设置两只25米高独立避雷针的结论。通过现场实测变电站土壤电阻率，计算了铁岭三家子66kV变电站实际接地电阻，而且画出了变电站防雷保护布置图和接地装置布置图。本站设计方案采用国网公司66kV的配电装置设计采纳了户外软导线加中型布置的AIS设备，进线采用了架空进线。66kV的配电配备布置为户外中型，于室内设置10kV的配电配备、控制保护装置。-45- 第4章交直流站用电设计方案4.1变电站站用电源现状及存在的问题变电站的站用电源通常包括交直、流系统以及电源信息传递系统等。在正常运作的条件下，变电站站内使用的交流系统的主要作用是为站内的主要设备提供电源，如储能电源，操作电源和冷却电源等。一般情况下利用充电设备将站内的直流系统中所用的电池充电，与此同时继续为正常运行时的负荷提供电能。因此，站内的直流系统能否长期有效的运行，与交流电源的运行可靠性有很大的关系。对于常规电站，通产站内各个电源子系统都是单独分开进行设计的，每一部分子系统都有自己独立的信息显示屏，其设计是由不同的生产厂商安装和调试运行的，对于供电系统部分也是分别进行管理的，因此从子系统的使用方面来看，常规电站就存在一下几方面问题：(1)现在变电站每种站用电源是由其相对应的人员管理的，例如，站内工作员定期维护系统，自动化专业操作员则对UPS电源进行日常维护，通信专业人员则需要对站内的通信电源进行定期维护，除了变电站的人力是不可以总体协调的，其他的信息沟通电源和UPS电源一般也不会纳入变电站的严格检查范围。(2)由于不同的生产厂商提供交直流之间的通讯协议通常是不统一的，很不容易进行网络化规范的管理，这就造成整个系统的自动化程度相对较低。而对变电站所有电源的管理也就没有统一的装置来监视和控制，无法完成电源运行参数结果的共享，不能对电源有更深入研究开发。(3)从系统设计角度来讲，变电站计算机监视控制系统已由分布式向数字化系统方向发展。目前计算机监视控制系统已经变成站用电源信息共享平台，站用电源信息也一直作为计算机监控系统的附属信息，因此也难以实现系统管理和信息共享，当与之关系较近的电源子系统发生波动的时候，就无法保证整个电源系统能够以最好的方法运行了。(4)由于各个子系统是由不同的生产厂商进行设计的，没有综合考虑所用的资源，这样就很明显的增加了初次投入，因此从经济发展的角度来看就不够经济；例如直流系统和通讯电源系统都需要配置蓄电池，这样就造成了不必要的浪费。(5)站内系统的二次侧连线数量大，连接不同屏之间所用的电缆数量也比较大，尤其是在对直流系统的绝缘性进行检测的时候，需要从各个反馈线收集漏电46 流数据，并接到专门的绝缘检测设备上面，对单个的运行的蓄电池的电压信息进行收集的时候，需要用巡检仪沿线进行检测，连线较多不但不方便进行维护检测，而且还有安全隐患。(6)用来提高系统的稳定运行特性和协调运行特性的方法很难应用到实际。比如当变电站整个系统的运行网络没能达到一定的智能运行条件时，电压过低时电源自动减掉负载技术，蓄电池储能时的自动节能和核对容量技术都没有办法实施。4.2站用电源一体化系统的特点智能变电站内的交流-直流整体电源系统并不是简单的把两个系统混合连接组装，其主要技术特点表现在：(1)在对交流电源进行设计方面，电源的进线方面要实现机械和电气的双闭锁功能，这就要利用ATS转化设备来完成；电源的反馈缆线需要用的技术手段就是把插拔方式和没有打口的线路母线进行固定；集中对电源进行监控，更好的实现对系统的“四遥”功能等。(2)在站内网络的智能化设计方面，可以利用集成的监视控制设备对站内的所有电源（交流、直流、逆变、通信）进行统一的管理和控制，比且构建共享信息数据的平台，已提高整个网络的智能化水平。(3)对蓄电池的配置进行优化：不使用UPS这一装置，把逆变器直接连接在直流母线上；取消用于通信的蓄电池组和充电装置，直接把DC/DC变换器挂在直流母线上。(4)二次设备的配电管理：对二次站用非主控设备进行统一智能化的管理，如照明、水泵等。(5)电源系统的联动：依据电源交流侧的进线运转方法，可以自主的调节系统的直流运转方法，使系统满足最优运转条件，达到最优运转方式。(6)创建经验智能系统：利用固定的数据库、实时的数据库以及专家，对整个系统进行智能管理。4.3站用交直流一体化电源的应用分析(1)经济性分析-47- 1)减少重复配置需求：不采用用于通信和UPS的蓄电池；不采用原来的直流系统对交流部分的信息收集等；减少二次线和电缆使用量。2)减少长时间的设备维护费用：原来是由四组人员分别对各自负责的设备进行单独维护，改为由一组人员进行统一维护，这样就可以很大程度的降低人力的花费；可减少采购、协调管理等成本。(2)技术节能性分析1)对馈线智能控制，可减少电能浪费。智能一体化系统电源可以对每一条反馈线路按照一定的条件标准进行管理和控制，现在，110kV及以下的变电站几乎已经可以不需要人员值班，利用遥视系统即可远程完成巡检任务，因为遥视系统需要有与之对应的照明系统，照明系统可以根据是否有人智能实现开启，这样就很大程度上节约了电能。2)采用高频式电源变换器达到节能效果通过提高变电站站内电源系统中一次测设备输出的电能通过变换器的处理，使调整后电源所带负荷的比例增加，这样以增强变电站的电能利用效率。(3)环保性分析目前站内所使用的可充电蓄电池在正常的使用有效期内其性能通常会逐渐降低，比如充电容量逐渐下降，充电难度逐渐增大，以及自放电现象严重，电池慢慢失效最终报废。而报废的蓄电池，通常采取的清理手段是先对其进行固化，然后填埋处理。这种处理办法虽然可以很好的降低污染扩散的可能，但是，其中还有的有害物质依旧对环境有很大的隐患。另外，这种处理方式需要建立专门的固化处理厂，它的建设费用也是很大的。而就铅蓄电池对环境带来的问题隐患，最好的解决办法就是从根源上解决即减少它的使用，因此新建变电站不采用UPS铅蓄电池对环境保护可以做出很大的贡献。48 (4)三家子66kV智能变电站站用交流负荷统计表4-1站用交流负荷统计统计容量(kW)序号负荷名称运行方式容量（KW）同时率夏季冬季交流不停电负1经常连续3133荷2采暖冬季夜间连续71073空调夏季经常连续3.67513.67504照明短时连续50.52.52.55二次电源经常连续41446主变动力箱短时连续100.5557动力电源短时连续100.5558直流充电电源短时连续140．5779通风夏季经常连续0.510.50合计－－－30.733.5COSΦ－0.85－－－总计(kVA)－－－36.139.4(5)三家子66kV智能变电站直流负荷统计表4-2站用交流负荷统计事故负荷(A)装机容量计算容量负荷电流序号负荷名称负荷系数初期持续随机或（KW）（KW）（A）0→1min1→0.5h0.5→2h事故末期1经常负荷1114.544.544.544.54－2通信负荷4.400.602.6412.012.012.012123事故照明1.700.601.024.644.644.644.64－4逆变电源3.000.601.808.208.208.208.20－5断路器动作－－－－2.202.202.20－6电流统(A)－－－－31.631.631.612图4-1直流一体化电源二次接线图1-49- 图4-2直流一体化电源二次接线图2图4-3直流一体化电源二次接线图350 4.4站用交直流一体化电源系统设计变电站交直流一体化电源系统需要综合考虑各方面因素进行统一计划。将变电站主要设备的正常工作和站内交流、直流、逆变、通信这四个电源系统进行统一设计；整体监视控制模块可以将变电站内的各个子系统的通讯进行网络化处理，达到站内电源数据信息的共享的目的，构建一个数字化的管理平台；对电源的所有开关进行结构化处理，统一的功能进行分散化处理，这样的目的就是实现了电源模块外和各屏之间没有二次缆线，构建起数字化的平台；一体化模块利用以太网络接口，遵循IEC标准和上机系统的通讯原则，确保变电站内的电源系统为一个开放的系统。(1)目前，大多数的变电站已经成功运行了智能的站用交流系统，而在直流系统中，则运用了移相谐振软开关技术作为核心模块，使风冷和自冷相结合。当逆变电源由正常运行时的交流电源供电，交流电源被断电后，直接切换成直流逆变。一体化技术采用了成熟的交流技术，从技术角度看，风险是很小的。(2)变电站的后台监视控制系统是用双重化方式进行信息显示和设置的，设备的正常运行不受监控设备的影响，而且在这种方式下可以更容易观察到可能发生的故障。(3)通过对站内设备的设计，避免因为某个设备发生故障使得整个系统不能正常运行这种情况的发生，分别布置交流输电线和直流输电线，在可能发生相互影响的位置进行交直流隔离处理，站用智能设备的电源以及对其进行控制的电源一律采用直流，这样可以得到跟家稳定的运行。4.4.1交直流一体化电源系统通信架构利用智能的开关模块把信息进行数字化传输。站用交直流一体化电源系统的各组成单元按下图连接后，统一由其主机与站内的监控系统采用IEC61850进行通行相关信息的交换。具体见图4-1。-51- 图4-4交直流一体化电源系统通信架构4.4.2三家子66kV变电站用交直流一体化电源系统设计三家子66kV变电站建成以后，采用交直流一体化电源系统，实现全站电源系统的统一配置、统一管理。站内一体化电源系统包括交、直流电源系统、逆变电源系统和通信电源系统四部分。站所用的为220V直流系统，有按照N+1方式配置充电模块的蓄电池及其充电装置一组。系统母线使用单母线接线方式，电池的容量为300AH。负荷的供电方式为辐射型直流供电。通过智能ATS这种开关装置完成各种电源之间的自主转换，而没有采用一般的380V的自动投入和切除方案。4.4.2.1直流系统方案变电站中的直流系统采用的是一组阀控形式铅酸蓄电池，这种电池不需要经常维护，而且它的开关为按照N+1备用模块配置的高频充电模块，它的额定电压等级为220V。直流系统采用单母线接线，蓄电池容量按照2h事故放电时间考虑，蓄电池应装设专用的实验放电回路装置，设1套微机型直流接地自动检测装置。4.4.2.2蓄电池型式选择52 三家子智能变电站选用的蓄电池为阀控式密封铅酸蓄电池，这种电池具有很多有点，如内阻比较小，自放电少，寿命较一般电池长，维护和安装很简单等。本工程选择的蓄电池的终止电压，浮充电压和均衡电压分别为1.85V，2.23V和2.35V，发生事故时放电按两小时计算，其容量按照该工程最后的建成规模考虑，容量按照《电力工程直流系统设计技术规程》标准建议的计算方法进行计算。经估算选用1组220V阀控式密封铅酸蓄电池，容量为300Ah，组屏安装于电子设备间。4.4.2.3交流系统变电站内的低压侧系统的接线方式为三相四线制，系统的额定相电压为220V。站内系统的连线方式为单母线分段连接，在正常运行条件下，两台主要变压器同一时间分裂工作，分别连接一根母线，如果一条母线发生事故时，则系统的供电能源会自动切换到另一条母线上，对于系统中的重要负荷，通常由两根母线独立供电。4.4.2.4UPS不间断工作电源三家子智能变电站装配一组容量为5KVA的逆变电源来给站内的各个管理系统进行不间断的供电，如：计算机监视控制系统、五防系统、遥视系统等。选用的逆变电源应该为静态整流和逆变为一体的设备，最好输入和输出都是单相的，配出馈线应采用辐射状供电方式。正常状态下，逆变电源处于静态整流方式下运行，全站由站用电源供电；当交流输入电源故障或整流器故障时，逆变电源以逆变方式运行，全站由站内220V直流系统供电。对于逆变电源和逆变器的交直流输入输出段，都应该安装有自动开断设备，而且逆变器的输入方向还要安装一定的防雷装置。4.4.2.5通信电源方案站内的通信电源的电流为直流变直流模块，多余的配备由220V直流母线引出，经相同变换后为通讯设备提供电源。通信电源按1面屏配置，每面屏应包括DC/DC变换模块，电源监控模块，交直流配出空开等。4.4.2.6电源监控本工程采用电源一体化系统，全站设1套电源系统，交直流电源统一监控，要求监控系统具备信息采集及远传功能，可将电源运行情况上传监控系统，并具-53- 有智能接口，通信协议满足DL/T860通信标准。4.5本章小结本章几个方面分析了目前站用电源子系统的设计及其应用方案，阐述了其具有的问题，强调变电站一体化电源是对站用电源的全面整合，把站用交流、直流、逆变、通信四个电源系统进行统一的设计，利用整体的监视控制模式把电源的所有子系统之间的通讯方式网络化，以更方便的实现各方面信息数据的共享；把站用电源的所有开关设备进行处理，达到模块外没有二次接线，没有跨越屏幕的接线电缆的目的，使电源硬件平台达到智能数字化的要求。提出了三家子66kV智能变电站站用交-直流一体化的电源系统设计方案，并且分析了交直流一体化电源系统的特点及优越性。54 第5章变电站二次系统设计5.1智能变电站二次侧智能化智能变电站与传统的变电站去比较可以发现，其变化最大的地方就是变电站的二次侧系统，由于它的结构体系、数据采集和传输的方式、电流电压回路和变电站内的通信规约都有根本性的变化，在这一变化下，二次系统传统的设计模式已不能达到智能变电站新的要求。本文研究了三家子智能变电站电气设备，通常是常规的设备，传统的智能设备不使用，该站智能体现在以下几点。5.1.1智能变电站一体化信息平台智能变电站一体化监视控制平台通常由监控主机、图形图像通信网关机、数据处理与综合应用服务器、操作人员工作站、工程师设计站、数据集中器及计划处理终端等设备组成。（1）监控主机负责收集数据，并对站里的各种数据处理，对变电站里的设备进行监控，信息分析和智能报警，综合组成防误闭锁操作站和信息子站及其他功能的保护；可集成操作员站和工程师工作站。（2）数据通信网关机它是属于远动通讯设备，用来完成变电站、生产及调度等系统间的通讯，向主系统站内的智能监控、信息的查询以及远程数据的浏览等操作功能提供模型、图形传送服务以及所必须的数据。在实际应用中，数据通信网关机一般分I、Ⅱ、III和IV三个数据通信网关机，其中I区可以对变电站里面的信息进行采集，通过信息通道把实时信息传诵到调度中心，并且同时接收调控中心的控制命令和操作命令，II区的功能则是在向调控中心传输数据时，可以进行浏览查询功能。III和IV的作用是用来传输变电站的其他信息，如PMS、设备状态等。（3）综合应用服务器通过规范化的信息通信通道，使电源、安防以及状态检测和环境检测等站内设备包括子系统之间很好的通信，综合分析并统一展现，达到设备能够在线检测，-55- 对辅助设备运行进行监视控制和管理的目的。主要包括四个方面：1)电源监控：对电源设备进行管理，采集电源设备的运行数据，站内电源主要有交流电源、直流电源、通信电源和不间断电源。2)安全防护：对设备进行集体的监控，包括设备的运行及警告信息。3)环境监视：对变电站的环境信息实时采集，如变电站内的风力、温度等信息。4)辅助控制：实现照明和视频的联动功能，其具体的应用由生产辅助系统的厂家完成。（4）数据服务器数据服务器的作用是对全变电站的物品进行拍摄，把数据集中存储到一起，这样可以方便其他应用设备提供方便的访问及查询服务。所谓全景数据是一个把变电运行稳定，暂态，反射的动态数据，设备的运行状态，模型和图像数据的集中体现。（5）计划管理终端作用是用来产生安全文件的终端，进行调度管理，制定检修票等管理功能。计划管理设备这一终端可以很好的实现这一系列工作的完成。（6）图形通信网关机(图形工作站)图形通信网关机(图形工作站)用于实现调度远程浏览和调阅服务的功能，调度下发浏览及调阅命令到II区数据通信网关机，浏览和关机命令II数据通信网络传送到图形通信网关机（图形工作站），图形通信网络关机（工作站）相关的信息将被转换成G语言的第二数据通信网关机，再由II区数据通信网关机转发给调度。（根据2014最新填报国网商务平台规定，此图形网关服务器已取消单独招标，主要功能集成在变电站监控系统及数据网设备中实现。）（7）智能变电站一体化监控平台的功能可以分为五类：a、运行检测；b、操作和控制；c、信息分析和智能警报；d、运行和管理；e、用于辅助的应用。一体化平台结构图如图5-1所示。56 图5-1一体化信息平台网络图5.1.1.1智能终端智能终端是一种智能组件。它的一次设备是由一些电缆把进行连接起来的，二次的设备这是采用光纤进行连接起来的，能够完成对变电站刀闸、主要变压器以及断路器等装置的检测与操作控制的功能。5.1.1.2合并单元合并单元这一元件属于物理器件，它的作用是可以完成将转换器这一二次设备的电流、电压的时时数据，按照一定的时间标准进行更合理的相关性重组。这一元件可以看成由互感器分立单元或组成件，主要用来对三相电流和电压进行重组同步，同时根据一定的标准规范向每一层的站内设备传诵采样数据。5.1.1.3交换机它是一种属于有源的电力系统器件，它的作用是连接两个或者两个以上的网络，所连接的网络可通过转发器把每一个网段相连在一起组成。在智能变电站中每一层的交换机一般都与常规变电站的要求相同，但是，相比于常规变电站，智能变电站在过程层增加了智能交换机这样的设备，而且过程层一般都是由光口交换机组成，他主要作用是用于传输SV或GOOSE信息。-57- 5.1.1.4网络分析仪、记录仪智能变电站网络报文分析以及和记录仪器的作用是记载变电站中的所有智能设备之间的信息通讯内容，而且同时把记录的通讯信息按照一定的方法进行分析和处理，已达到重新构建变电站网络设备之间的信息交流过程，为维护变电站正常运行的工作人员提供理性的故障分析依据。记录仪具有双电源供电的功能，存在停电警报、录波开启以及运行异常警报节点。采用的记录仪支持规定的PTP1588运行标准以及光B码，通过电B码对仪器进行准确而精密的对时。它有光口和电口各四个。其中光口能够根据自身要求选择需要接入的模块，可供选择的模块有千兆或者百兆模块。而电口则是由百兆或者千兆的自适应电口组成。5.1.1.510kV电压测控装置本装置主要用于采集10kV分散保护测控单元及开关柜信号及遥控量，与公用测控单元功能基本一致，仅将本装置下放。智能变电站一般为减少控制电缆量，一般采取就近装置接入遥信遥控信号，并与审查技术规范专家探讨，10kV部分设置电压测控装置1~2套，安装于10kV母线电压开关柜上。5.1.1.6智能辅助系统变电站智能辅助系统是由一系列的子系统组成，通过它的后台可以更加准确的对各个子系统进行照明、暖通以及消防等方面的联动协调控制，它所包含的子系统包括环境监控、安全警报、图像监控以及变电站的警卫安全系统。智能辅助控制系统设有独立的监控后台，所包含的各个子系统和辅助控制系统后台之间应采用DL/T860标准互联。智能辅助控制系统的监视控制后台结构图如图5-2所示。58 图5-2智能辅助控制系统监控后台结构图基本功能要求：安全警戒（电子围栏、红外对射和红外双鉴等）、门禁、声光报警等前端设备可采用RS485（232）或现场总线与图像监视及安全警卫子系统通信，摄像头采用模拟或网络方式传输图像。温度传感器、湿度传感器、SF6泄露传感器、水浸传感器等前端设备可采用现场总线与环境监测子系统通信。火灾探测器、报警控制器、手动报警器等前端设备可采用RS485（232）或现场总线与火灾报警子系统通信。各个子系统与智能辅助控制系统监控后台应采用DL/T860进行通信，实现设备控制、监视和联动。应具备和照明、暖通、给排水等系统的通信接口。其他方面的要求和指标见《智能变电站辅助控制系统设计技术规范》。5.1.1.7光缆光缆选择要求：（1）采样值和保护GOOSE等可靠性要求较高的信息传输宜采用光纤。（2）变电站的主要控制所用的计算机要和各个小机房的计算机采用光缆进行网络连接。（3）起点、终点为同一对象（断路器/间隔）的缆芯可合用同一根光缆，整合后光缆芯数不超过24芯。（4）技术要求：控制室内光缆可以利用电缆的尾缆进行连接；变电站所用光缆的缆芯数最好选用4、8和12芯的光缆；并且应该要求每根缆线需要预留出20%左右的长度，用来做备用缆芯。5.1.2三家子智能变电站功能升级与布置特点5.1.2.1与常规站部分设备功能升级部分变电站主变压器保护、测控装置以以及自投装置等均相应增加网络光接口。-59- 对时系统：变电站配置1套同步时钟系统，但是变电站的主时钟需要单独套配置，另外需要配置扩展对时装置，对站内对时设备进行对时。变电站应该具有接收BDS系统以及GPS系统的标准的时间信号的功能，系统时钟各项精度都应该达到变电站内所有运行设备在时间方面要求的条件。5.1.2.2与常规变电站布置区别三家子智能变电站的变压器保护采用主保护装置和后备保护装置分开保护的方法，配置变压器主保护装置有1套，后备保护装置有2套，非电量保护装置有1套；其中主保护装置和后备保护装置集中在一起组屏，安装在主控制室，将非电量保护装置和本体智能终端集中组屏放在现场。将高低压侧终端及合并单元分别应用到66kV变电站的现场以及10kV主要开关控制柜。本文研究的三家子智能变电站66kV侧的终端和合并单元都是按照单套要求进行配置的。本电站的综合自动化系统结构图如图5-3所示。图5-3综合自动化系统结构图5.2智能变电站系统继电保护随着智能变电站的出现，全数字化的继电保护技术也诞生了。全数字化继电保护是从两方面来说的，一方面是监控方法的数字化，大面积的运用了电子结构类型的电压或电流互感器以及数字接口；另一方面是测量信息传送方法上的数字60 化。传统变电站通常把所测得的各种信息数据用电缆传输，而在智能变电站中这些信息则是通过光纤进行，把信息转化成网络数字进行传输。全数字化保护系统是网络化的二次保护系统，改变了传统的二次设备的组态模式。不但可以在系统层面，更可以在元件层面实现真正的冗余，实现信息和资源共享。全数字化系统还具有这样的特点，就是不存在没有被监控的功能单元，或者没有自我检测功能的功能单元，这样就很好的提高了系统可靠性。全数字化继电保护同样要满足几个基本的原则要求，即可靠、灵敏、速动和具有选择性，这样才能保证电网的安全可靠运行。变电站为了在继电保护方面实现全面的数字化建设，实现功能的整体统一，需要将一次、二次设备及回路，通信线路和保护设备进行协调统一的配合，这样才能最大限度地发挥变电站的整体功能，因此，对于传统的变电站二次回路的研究设计已经不能胜任现代智能电站的要求了。同时由于网络通信设备的大量应用，其安全、稳定直接影响了保护动作的准确性。这些变化势必给继电保护管理带来变革。本文研究的三家子智能变电站是由庆云66kV变电站“π”出的66kV庆三线供电的，现开原220kV变电站66kV出口已配备保护、测控装置，可以满足系统运行要求，不需要更换。本文研究的三家子智能变电站位于整个网络的终端，66kV侧的接线是线路变压器组的接线方式，无需配备保护装置；其中三家子改造的智能变电站中的继电保护系统由220kv变电站的系统管理程序进行管理。5.3元件保护及自动装置配置原则元件保护均选用有成熟运行业绩的微机型保护装置。其中元件的保护要求和配置原则均按照《继电保护和安全自动装置技术规程》及《国家电网公司的十八项电网重大反事故措施》中的有关规定操作。5.3.1线路保护对于66KV线路，由于三家子智能变电站是系统的终端负荷变电站，它的接线方式用的是线路变压器组接线，在系统中的电源侧也配置了相应的保护装置，所以本变电站66kV侧不设置保护。对于10KV配电线路，各条线路一般都不一致，主要不一致的原因包括几个-61- 方面，第一，线路所带负荷的特点和输电距离差别较大，一些线路只有几百米长的长度，而一些线路则是有几十千米的长度。第二，一些10KV线路由开闭所或者是用户变电所的上级供电点保护，一些则是线路最后的一级保护。针对有这种情况的线路，通常采用的保护方法有三段式电流保护或者带有后加速的三相一次重合闸保护。保护动作可以分为两个阶段，第一阶段是瞬时的电流速断保护，这样可以更快的切除线路的首段故障；第二阶段是带时限的电流速断保护，可以保护全厂路线；第三阶段是过流保护，可以作为整个线路的后备保护。5.3.2主变压器保护电力变压器作为系统的供电元件，如果它发生故障，将会严重影响这个电力系统的供电可靠性和它的正常运行。变压器故障按照其结构，可以分为内外两种故障。为了保障电力系统的连续安全稳定的运行，变电站内的变压器都应该安装各种保护装置，以防止其发生各种故障或者不能正常运行时对整个电力系统造成的损失。本文研究的三家子智能变电站的变压器保护装置有主保护装置、后背保护装置和非电量保护装置。（1）主变压器主保护包括：采用的为差动速断保护，差动速断保护是指在线路上的变压器绕组或者和引出线上发生故障，以及发生绕组匝间短路时，它可以瞬间发生作用，断开每一侧电源保护断路器。（2）主变后备保护：当变压器的外部发生故障的时候，可能引起变压器的绕组中流过较大的电流，或者当电压器内部发生故障的时候，差动保护以及瓦斯保护通常都需要一定的后备保护装置，通常采用的方法是安装电流保护设备。（3）非电量保护：通常是指元件设备的故障动作或者是有保护信号发出的保护动作的判断依据不是电量，如瓦斯保护、温度保护、防暴保护、防火保护、超速保护等。其可能发生的情况及动作对象有：主变在带负荷的情况下调压而发生的重瓦斯保护动作，通过信号传输作用于跳闸装置；主变自身发生轻瓦斯保护，作用于信号；主变压力释放，作用于信号；主变自身油位异常，作用于信号；主变带负荷调压油位异常，作用于信号；主变温度高，作用于信号。根据智能变电站的设计规范及电网基建[2011]58号文件要求，三家子智能变电站中所有变压器采用了主、后备保护相结合的保护方法，配置的变压器主保护有一套，变压器后备保护有两套，变压器非电量保护有一套，其中前两套装置安62 装在发电厂电子设备间，而非电量保护则是被安放到变压器运行工作现场。本工程66kV侧采用AIS设备，考虑到设备布置的美观及方便，把高压侧智能终端和变压器主保护及后备保护集中组屏；将低压侧智能终端安排到10kv侧的主要受控开关柜中进行控制；将智能变电站管理中的非电量保护装置和它自身终端集中组成一个屏，放在变电站中的变压器现场，所有智能终端都是根据原则，配置一套即可。5.3.310kV配出线保护变电站中的配线和出线保护通常包括三个方面：一、定时限快速断保护和定时限过流保护；二、三相一次重合闸保护；三、低周保护。本文研究的三家子智能变电站的配出线保护设备配置为：10kV设备采用保护测控一体装置，全部下放至开关柜，根据国家电网基建[2011]58号文件要求，三家子工程10kV保护装置采用常规综合自动化设备和微机保护，保护和控制设备是使用控制电缆连接的，并确保保护和测量设备符合DL/T860通信标准，使其能与控制层网络进行通信。5.3.410kV电容器保护电容器保护报包括：过电压保护；过电流保护；低电压保护；开口三角电压保护。本文研究的三家子智能变电站的电容器保护设备配置为：10kV电容器采用保护测控一体装置，下放至开关柜，采用常规综合自动化设备及微机保护，变电站各个设备之间利用电缆进行连接，包括测控设备和一次设备，在满足测量设备的DL/T860通信标准下，实现变电站内的控制层网络的通信。5.3.510kV分段开关保护分段开关保护包括：电流速断保护；过电流保护；定时限过流保护。本文研究的三家子智能变电站的分段开关保护设备配置为：10kV分段采用保护测控一体装置，本间隔采用常规式CT，配置合并单元及智能终端，变电站把各个单元和智能终端安排到关柜中，而将分段保护装置安排到开关柜中。考虑到分段间隔与备自投装置联系紧密，故将备自投装置也下放于10kV分段开关柜上。-63- 5.3.6三家子智能变电站的自动装置根据66kV三家子变的主接线方式，配置10kV分段及主变综合备自投装置1套，当一台变压器故障，则跳开该变压器一、二次开关，自动合10kV分段开关。或在一台变压器运行，另一台变压器备用的运行方式下，如运行变压器故障，则跳开该变压器一、二次开关，自动合备用变压器一、二次开关。备自投装置应满足DL/T860通信标准，与主变高低压侧、10kV分段间隔之间采用直采直跳，并具有联切10kV电容器和相应10kV负载线路的功能。本工程没有配置独立的小电流接地选线装置及低频低压减载装置，该功能均由监控系统和装置本身实现。图5-4三家子智能变电站的保护测控5.4远动部分（1）调度组织关系新建的三家子66kV智能变电站调度关系是通过铁岭地调调控中心进行统一安排调度的，其远动信息、计量信息和图像信息均送往调控中心。（2）信息传输方式64 变电站远动信息通过104协议接入电力调度数据网络的网络，和一个接收两个2M线路101规约模式直接进入电网控制中心使用。铁岭电网调度通信中心站所需的66kV以上远动信息由网络104规约传输及地区电网集控中心转发。站内设远动屏1面。（3）远动化范围远动内容需要达到《电力系统调度自动化设计技术规程》、《地区电网调度自动化设计技术规程》和调度端对变电站的监控要求。向铁岭集控中心上传如下信息：（1）遥测量：主一次、主二次三相电流及主二次有功、无功功率，有功、无功电能，功率因数；三家子智能变电站10kV线路及变电站站用变压器单相电流、有功和无功功率等；10kV电容器的三相电流及无功功率和电能；10kV母线UUU、、以及3U及系统运行的周波。abc0（2）遥信量：各断路器状态(合、分)；各断路器储能信号；主变压器保护信号及装置异常信号；所有保护装置发生的异样信息；主要变压器的分接头所处的位置信息；变电站中交直流系统信息。（3）遥控量：各条线路上的断路器断开或者闭合；变压器的所有分接头控制升、降、急停。（4）遥视量：变电站视频监控系统的图像信号等。-65- 第6章结论辽宁铁岭三家子66kV变电站是铁岭地区第一座全户外智能站，但其不能称之为真正意义上的智能变电站，由于本站的智能化只体现在传输方式、保护设备及智能辅助平台方面，电气一次设备未升级为智能设备，即便如此，对设计、监理、施工方也是极大挑战。经过多方面的努力，工程顺利竣工，在此期间作为设计方，我院总结了大量的经验，为以后的全智能变电站的设计做好技术储备。在整个变电站的设计过程中，首先我们阅读了大量相关的电力工程的书籍和文献，通过不断的修改，完成了本论文。三家子66kV智能变电站的建设进一步推广了建设“两型一化”变电站的要求，相对于传统的变电站，智能变电站不但实现了整个变电站运行的数字化、信息化、资源共享及高级的互动化应用的要求，而且还体现了现代变电站的全寿命周期管理的理念。进一步优化了变电站的各种资源利用及所需的材料损耗，不但节约了资源，而且降低了污染物的排放，使得在环境兼容性上更加优于传统变电站。在变电站的设计标准上，提高了自动化生产的水平，取消了很多相关生产和生活的附属设施，这样使变电站成为单纯的生产设施，因而，三家子智能变电站的建设更加体现了现代变电站要求的资源节约型、环境友好型变电站的设理念。66kV电压等级的现代智能变电站的建设将会为推进我国的智能电网建设做出很大的贡献。66 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致谢研究生的学习生活即将结束，感受颇深，收获丰厚。经过一年多的时间，我的毕业论文终于告一段落。在论文的写作过程中，遇到很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师表示衷心的感谢！首先要向在论文写作中给予我悉心关怀、鼓励和指导的老师致以深深的敬意和谢意。从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是老师的无私帮助与鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成。感谢学校对我的培养，感谢学院的所有老师，是你们让我学到了很多专业知识。正是由于你们的解惑、授业，让我学到了许多知识，以及如何为人处事、如何求知治学。同时，感谢课题组的同学给予我的无私帮助，在我撰写论文过程中，他们为我提供了不少帮助和建议。感谢我的家人给予我的情感与支持，这些将是我永久的财富。最后，衷心感谢于百忙之中评阅论文的各位老师专家、教授！-71-'