毕业设计 变电站综合自动化系统

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘要变电站综合自动化系统自20世纪90年代以来，一直是我国电力行业中的热点之一。它既是电力建设的需要也是市场的需要，我国每年变电站的数量以3%5%的速度增长，每年有千百座新建变电站投入运行；同时根据电网的要求，每年又有不少变电站进行技术改造，以提高自动化水平。近几年来我国变电站综合自动化技术，无论从国外引进的，还是国内自行开发研制的系统，在技术和数量上都有显著的发展。本文首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势,从负荷增长方面阐明了建站的必要性然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了110kV，35kV，10kV以及站用电的主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压熔断器，隔离开关，母线，绝缘子和穿墙套管，电压互感器，电流互感器进行了选型，从而完成了110kV变电站的设计。关键词：变电站 ; 变压器 ; 主接线Abstract Integrated substation automation system since 1990s, Chinese power industry has been one of the hotspots. It is also the needs of the construction of electricity market demand, China in year of substation quantity rate of 3% 5% a year, throuands of newly-constructed substations is put into operation, According to requirements of electric substation, and there are many technical renovation, in order to improve the level of automation. In recent years, our integrated substation automation technology introduced from abroad, regardless of the domestic devolope, or in the system, technology and quantity are significant development. Firstly, according to the task given system and line book all the parameters, and the load from the analysis of load development trend, load increasing illustrates the necessity of the establishment of substations built by the generalization and outlet to consider, and through the analysis of the data of load, safety, economy and reliability into consideration, determine the 110 kv and consumers 10kV power station, as well as 35kV main connection, and then through the load calculation and power supply range determines the main transformer capacity and models, and also identified with the capacity of transformer station, finally, according to the model and maximum sustained working current and short circuit calculation results of high-pressure fuse, isolating switch, bus, insulator and wear casing wall, voltage transformer, the selection of current transformer substation, and completed the design of 110 kv.Keywords: substation ; Transformer ; The wiringII目录1工程概况11.1原始资料分析21.2 对原始资料的分析计算22 110KV 变电所接入系统设计42.1 确定电压等级及回路数42.2 110kV线路导线的规格、型号及截面选择43 短路电流计算63.1 短路电流计算的目的和条件63.2短路电流计算74 110kV变电所地方供电系统设计124.1 35kVA线路设计124.2 35kV B线路设计134.3 10kV A线路设计144.4 10kV B线路设计155 110kV变电所主变选择175.1主变方案选择175.2主变方案技术比较175.3主变容量、参数选择185.4主变方案经济比较205.5所用变选择226主接线设计236.1主接线选择原则236.2 110kV主接线设计236.3 35kV主接线设计266.4 10kV主接线设计267 变电所电气设备选择287.1 断路器的选择297.2 隔离开关的选择357.3电流互感器的选择417.4电压互感器选择497.5避雷器的选择507.6主母线选择507.7消弧线圈设计528 继电保护配置538.1主变压器保护配置538.2母线及线路保护53致 谢55参考文献56河南理工大学毕业设计（论文）说明书1供电结构设计 供电结构总体要求：电气主接线是指变配电传输电能的通路，这些通路中有变压器、母线、断路器、隔离开关、电抗器以及线路等电气设备。它们的连接方式，对供电的可靠性、运行灵活性、检修是否方便以及经济上是否合理等均起着决定性的作用，并且对电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定也有较大的影响。所以，合理确定电气主接线方案，是变配甩所设计中的一项首要任务。电气主接线应根据它在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件来确定，井应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。（一）可靠性 l ）主接线的可靠性应包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中可靠性的综合。主接线的可靠性在很大程度上取决于设备的可靠性，采用可靠性高的电气设备还可以简化接线。( 2 ）主接线可靠性的衡量标准是运行实践，所以，在确定主接线时要考虑断路器检修时，不宜影响对系统的供电。断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电，尽量避免全部停运的可能性。 ( 3 ）要充分考虑煤矿用电设备对供电可靠性的要求。下列安全用电负荷的配电装置必须由两个独立电源供电：A：矿并主要扇风机和分区扇风机。E 井下主排水泵。C 立井经常提人的绞车一）列负荷的配电装置一般由两回线路供电，并应引白不同母线段：A 矿井主提升设备。B 原煤生产系统的用电设备。C 采谋用的或大型矿井的地面空气压缩机。D 大型矿井井底车场的整流没备。上述用电设备之外的其他用电设备，允许单回路路供电二（二）灵活性主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。( 1 ）调度时序叮以灵活地投入和切除变庄器和线路，调配电源和负荷满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及待殊运行方式卜的系统调度要求。( 2 )检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的运行和对用户的供电。井上地面变电站主接线结构设计：主变压器一次接线：矿区或矿井变电所的主变压器一般选用两台。当一台停止运行时，其余主变压器容量应能保证矿井全部一、二级负荷用电需要。而与此相配合的接线方式有母线分段式，桥型接线，环网供电等，本设计由于是大容量供电，采用如图所示的全桥式接线方式。若采用并联运行方式则有利于负荷分配和降低线损，但是由于线路不独立，保护设置复杂，一般的电流，电压保护不起作用，采用纵差保护要沿线路假设控制线，采用横差保护当线路不长时有较大死去，难以整定，此外，胸痛短路电流较大，对所选设备的短路承受能力要求高，经济性差，故一般不采用此方案。若采用一路使用，一路带点备用的方案，线路独立，保护设置方便，简单，容易整定，运行较为灵活，短路电流相对较小，但由于一回线路承担全矿负荷，线路电压损失和功率损失都较大，故在一定条件下可以采用此方案。该方案在目前的现场也有运用。本设计综合上述两种方案的优点，采用两回路分裂运行，该方案同样是线路独立，保护设置方便，简单。容易整定，而且运行灵活，短路电流相对较少，负荷电流近似为全矿总电流的一半，故电压损失和功率损失都比较小，等于集中了前两种方案的优点，所以是较优的运行方式。 （如图）井上10kv侧一次接线：采用单母分段接线结构，单母线用分段断路器qf进行，可以提高供电可靠性和灵活性。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障隔离，保障正常母线不间断供电，不致使重要用户停电；在本设计正常工作时，分段断路器处于断开状态，电源是分裂运行的。为了防止因电源断开而引起的停电，应在分段断路器qf上装设备用电源自动体投入装置，在任意分段的电源断开时，qf自动接通。此外，配电设备选用成套开关柜装置，在与传统配电设备比较，不但节约了土地资源，同时具有很好的恶劣自然环境的性能。在供电管理方面也容易实现变电站综合自动化。 （如图）井下中央变电站设计：用单母分段接线结构，工作原理同上，在此不在累述。不过特别注意的是，由于矿井的自然环境比较恶劣，所以在选用设备的适合应该和地面设备有所区别，一改选用矿用开关设备，防水瓦斯浓度（单母分段） （如图）采区变电站设计（）详细说： （如图）负荷统计： （ 如表）计算负荷：一号移动变电站：二号移动变电站： 三号移动变电站：主排水泵：整流设备：系统阻抗计算：选取基准容量，基准电压，可求得各级基准电流：计算各个元件标幺值：地面：系统电抗：，主变压器：地面主变压器：35KV架空线电抗：下井电缆：井下重要变电站：主变压器选择：1111主井提升机：11短路电流计算： 井下10KV： 电缆选择：短路计算：高压设备选择继电保护：过电压及保护：待建110 kV盐北变电站主要用于对盐北地区的用户用电进行正常供电。考虑到盐北地区的地理位置和以后的发展情况确定建立盐北变电站，该变电所主要用于对一些主要用户进行供电，比如水厂等，为了确保供电的安全可靠性，110 kV侧用内桥接线，对于一些重要的用户应采用双回路供电。待建的盐北变电所周围的自然环境条件如下：（1）待建110kV盐北变电站从相距30km的110kV东郊变电站受电。（2）待建110kV盐北变电站年负荷增长率为5%，变电站总负荷考虑五年发展规划。（3）地区气温:年最高气温35，年最低气温15。年平均气温15。在修建给变电所的时候，应充分考虑自然环境对变电所的电气设备的影响，确保变电站的工作安全可靠，考虑到该地区以后的发展前景，变电所按每年5%的负荷递增，所以要求在变电所内要有一定的备用线路。根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势。从负荷增长方面阐明了建站的必要性，然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了110kV，35kV，10kV的接线方式，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，最后，对高压断路器，隔离开关，母线，电压互感器，电流互感器进行选择，电力系统的无功功率平衡是系统电压质量的根本保证。在电力系统中，整个系统的自然无功负荷总大于原有的无功电源，因此必须进行无功补偿。110kV变电所，采用双回110KV线路接入系统。35KV、10KV配电线路均采用双回线供电。110kV采用内桥接线，安装两台SFPSZ9-75000/110三相三线圈变压器。35kV、10kV母线采用单母线分段接线。通常情况下110kV的变电所是在35kV母线和10kV母线上进行无功补偿。1.1原始资料分析表1-1 待建110kV盐北变电所各电压级负荷数据如下表:电压等级线路名称最大负荷（MW）COS负荷级别供电距离（KM）Tmax及同时率35kVA200.93105000/0.9B150.9212造纸厂110.938化工厂200.937冶炼厂150.921010kVA30.8531.53500/0.85B20.8532.5毛纺厂10.8521.0水泥厂1.20.8521.5纺织厂0.80.8521.0水厂20.8531.51.2 对原始资料的分析计算为满足电力系统对无功的需要，需要在用户侧装设电容器，进行无功补偿，使用户的功率因数提高，35kV线路用户功率因数提高到0.9为宜，10kV线路用户功率因数应不低于0.9。根据原始资料中的最大有功及调整后的功率因数，算出最大无功，可得出以下数据:表1-2电压等级线路名称最大有功（MW）最大无功（MVAr）COS负荷级别Tmax同时率35KVA209.190.93500009B157.270.92造纸厂115.330.93化工厂209.190.93冶炼厂157.270.9210KVA31.460.8533500085B20.920.853毛纺厂10.490.852水泥厂1.20.580.852纺织厂0.80.390.852水厂20.920.8532 110KV 变电所接入系统设计2.1 确定电压等级及回路数输电线路电压等级的确定应符合国家规定的标准电压等级。选择电压等级时，应根据输送容量和输电距离，以及接入电网的额定电压的情况来确定，输送容量应该考虑变电所总负荷和五年发展规划。因此110kV盐北变电所的最高电压等级应为110kV。110kV盐北变电所建成后，所供用户中存在、类重要负荷，因此110KV盐北变电所应采用双回110kV线路接入系统。2.2 110kV线路导线的规格、型号及截面选择由于110kV盐北变电所距离受电110kV某变电站30KM，处于平原河网地区，因此应采用架空线路，导线选择LGJ型。导线截面积选择的一般方法是：先按经济电流密度初选导线标称截面积，然后进行电压损失的校验（1）110kV盐北变电所总负荷的计算： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）（2）根据软导线经济电流密度表，确定Jec （2-5）查得Jec1.15（A/mm2）（3）计算导线的经济截面积，查附表找出S选 （2-6）（4）结论：选取导线规格为2回LGJ240/40（5）对所选导线进行电压校验；正常运行时：n=2 （2-7）3.8% 10% ，符合要求。故障运行时，考虑一条回路因故障切除，另一条回路能保证全部负荷供电 （2-8）7.6% 15% ，符合要求。结论：本变电所经上述计算、校验，决定采用2回LGJ240/40导线接入系统。3 短路电流计算在电力系统中运行的电气设备，在其运行中都必须考虑到发生的各种故障和不正常运行状态，最常见也是最危险的故障是各种形式的短路。短路是电力系统的严重故障，所谓短路是指一切不属于正常运行的相与相之间或相与地之间（对于大接地系统）发生金属性连接的情况。在三相系统中，可能发生的有对称的三相短路和不对称的两相短路、两相接地短路和单相接地短路。在各种类型的短路中，单相短路占多数，三相短路几率最小，但其后果最严重。因此，我们采取三相短路（对称短路）来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。3.1 短路电流计算的目的和条件3.1.1 短路电流计算的目的在发电厂和变电站的设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节，其计算的目的有以下几个方面：电气主接线的比较。选择导体和电器。在设计户外高压配电装置时，需要按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路电流为依据。接地装置的设计，也需要用短路电流。3.1.2短路电流计算条件基本假定：正常工作时，三相系统对称运行。所有电源的电动势相位相角相同。电力系统中的所有电源都在额定负荷下运行。短路发生在短路电流为最大值的瞬间。不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的激磁电流。除去短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。输电线路的电容忽略不计。3.1.3 一般规定验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流沿用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑远景的发展计划。选择导体和电器用的短路电流，在电气连接网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。3.2短路电流计算根据公式 = 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 = （3-1）=/则：10kV =14.2MVA/10kV =0.82kA 35kV =70%114.8 MVA/35kV （3-2） =1.326kA（按70%的35kV最大负荷考虑） 110kV =275(1+40%) MVA/110kV （3-3） =1.102kA（考虑变压器事故过负荷能力的40%） 短路电流计算点的确定和短路电流计算结果35kV K4 10kV K2 K3 110kV K1 图3-1 等效电路图查表知 LGJ-240/40 X*=0.4/KM选基准: =100MVA = 0.4kV K4 35kV 4 5 1 2 K3K2 10kV 3 6 K1 110kV 7 8 10 11图3-2 等效电路图当K1点短路时:Us(1-3)%=10.5% Us(2-3)%=6.5% Us(1-2)%= 18%X1= X4=1/315(18+10.5-6.5)100/50=0.140X2= X5=1/315(10.5+6.5-18)100/50=-0.003X6= X3=1/315(18+6.5-10.5)100/50=0.089Xl=X*L=0.430/2=6=X7X8 X9=4%/100100/0.22=0.18 X10=X11=0.4/600=8.1X12=0.1075 X13=0.0625 X14=0X15=8.18.1/(8.1+8.1)+6=10.05 X= X12(X13+ X9)X15=0.072=1/ X=13.98短路电流有名值:=2.71kA 冲击电流:=1.852.71=7.83kA最大电流有效值:=2.711.51=4.09短路容量:=2.71115=539.78K2点短路时:X15=8.18.1/(8.1+8.1)+6=10.05X17= X15(X9+ X13)=0.23X= X12+ X17=0.3325=1/ X=1/0.3325=3.01短路电流有名值: =7.58kA冲击电流:=7.581.8=19.84最大电流有效值:=7.581.51=11.45短路容量:=7.5837.5=492.32K3点短路时:X18=X14 +X15=10.05X19= X12X18=0.106X= (X19+ X13) =0.731=1/ X=1/0.731=1.37短路电流有名值:=22.4kA冲击电流:=1.8522.4=58.4最大电流有效值:=22.41.51=33.8短路容量:=22.410.5=407.374 110kV变电所地方供电系统设计4.1 35kVA线路设计4.1.1确定回路数35kV A线路所供用户为类重要负荷，因此应采用双回线路供电。4.1.2 确定线路导线的规格、型号及截面选择由于待建110kV变电所处于平原河网地区，因此采用架空线路，导线选择LGJ型。35kV A线路总负荷的计算 根据Tmax查出软导线经济电流密度表，确定Jec Tmax= 5000(小时)查得Jec1.12（A/mm2）计算导线的经济截面积SJ，查出S选结论：选取导线规格为2回LGJ185/304.1.3对所选导线进行电压校验正常运行时：n=2 (4-1) 3.5% 10% ，符合要求。故障运行时，考虑一条回路因故障切除，另一条回路能保证全部负荷供电 (4-2)7% 15% ，符合要求。4.2 35kV B线路设计4.2.1确定回路数35kV B线路所供用户为类重要负荷，因此应采用双回线路供电。4.2.2 确定线路导线的规格、型号及截面选择由于待建110kV变电所处于平原河网地区，因此采用架空线路，导线选择LGJ型。35KV B线路总负荷的计算 根据Tmax查出软导线经济电流密度表，确定Jec Tmax= 5000(小时)查出Jec1.12（A/mm2）计算导线的经济截面积，查出S选结论：选取导线规格为2回LGJ150/254.2.3对所选导线进行电压校验；正常运行时：n=2 (4-3)3.7% 10% ，符合要求。故障运行时，考虑一条回路因故障切除，另一条回路能保证全部负荷供电 (4-4)7.4% 15% ，符合要求。 依照相同的原理，可以计算出35 kV侧的其他几条线路的导线选择规格如表4-1所示：表4-1 35 kV侧各线路导线型号供电单位导线型号造纸厂LGJ-120/25化工厂LGJ-185/30冶炼厂LGJ-150/254.3 10kV A线路设计确定回路数，I类负荷，采用双回路供电，即n=2确定导线规格，采用架空线路，LGJ导线考虑五年发展需要,线路的容量: S = (3+j1.46)(1+5%)5 =3.83 + j1.86根据Tmax = 3500h,，查得 Jec = 1.26(A/mm2)计算导线经济截面积：n=2 选取导线规格为2回LGJ95/20对所选导线进行电压校验(1)按电压损耗校验,查得 r1=0.332, R = r1l = 0.3321.5 = 0.50 x1=0.356, X = x1l = 0.3681.5 = 0.58 (2）正常运行时：n=2 (4-5)= 1.5 % 10%符合要求。 3）故障运行时：n=1 (4-6) =3%15%符合要求。 由以上可知，所选导线2回LGJ-95/20，符合要求。4.4 10kV B线路设计 确定回路数，II类负荷，采用双回路供电，即n=2。确定导线规格，采用架空线路，LGJ导线。考虑五年发展需要,线路的容量: S = (2+j0.92)(1+5%)5 =2.55 +1.17 j 根据Tmax = 3500h,，查得 Jec = 1.26(A/mm2)计算导线经济截面积：n=2 选取导线规格为2回LGJ70/10 对所选导线进行电压校验 (1）按电压损耗校验,查得 r1=0.45, R = r1l = 0.452.5 = 1.13 x1=0.368, X = x1l = 0.3682.5 = 0.92 (2）正常运行时：n=2 (4-7)=2%10% 符合要求。 (3)故障运行时：n=1 (4-8)=4 % S10 = 11.08 (MVA)， 15S110 = 15109.2 (MVA)16.38(MVA) 盐北变电所最大长期工作电流 （考虑变压器事故过负荷的能力40%） (7-1)(3)根据有关资料选择LW25-110/1250型断路器LW25-110/1250型断路器的技术参数如表7-1所示表7-1 LW25-110/1250型断路器的技术参数如型号额定电流I（A）额定开断电流（KA）极限通过电流 Igf (kA)4秒热稳定电流(kA)LW25-110/12501250252525 (4)校验：Ue=110kV=UNI=1250A1102A额定开断电流校验：110kV母线三相稳态短路电流I(4) =2.71 KA LW25-110/1250断路器的额定开断电流25KA符合要求。动稳定校验 ： 110kV母线短路三相冲击电流：=7.83(kA) LW25-110/1250断路器的极限通过电流=25(kA) 符合动稳定要求热稳定校验：/=I(0) /I(4)=3.07 / 2.71=1.13查曲线：tep3.6秒 110kV母线短路热容量：=26.4(kA2S)