变电站课程设计

摘要随着电力行业的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供稳固性、可靠性和持续性。然而电网的稳固性、可靠性和持续性往往取决于变电所的合理设计和配置。一个典型的变电站要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。本设计要设计的变电站位于湖北省沙洋县后港镇，该变电站有三个电压等级分别为：110kV,35kV和10kV。其中110kV电源是从相距50km的110kV兴隆港变电站经兴后线受电的,此为正常情况下的受电方式，备用电源为相距50km的110kV沙洋变电站经沙后线受电；35kV出线8回,其中2回备用；10kV线路14回，其中备用4回，2回接站用变压器。本设计从负荷的统计计算、电气主接线设计、短电流计算、电气设备选择、配电装置等几个方面综合考虑，查阅了相关资料，作了详细论述，结合所学知识按照具体要求进行选型、设计和配置，力求做到运行可靠，操作简单、方便，经济合理，具有扩建的可能性和改变运行方式时的灵活性。使其更加贴合实际，更具现实意义。第1章 设计任务书介绍1.1变电站组成和分类变电站（Substation）是把一些设备组装起来，用以切断或接通、改变或者调整电压，在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点。 变电站主要组成为：馈电线（进线、出线）和母线，隔离开关（接地开关），断路器，电力变压器（主变），站用变，电压互感器TV（PT)、电流互感器TA(CT),避雷针。 变电站主要可分为：枢纽变电站、终端变电站；升压变电站、降压变电站；电力系统的变电站、工矿变电站、铁路变电站（25kV、50Hz）；500kV、330kV、220kV、110kV、66kV、35kV、10kV、6.3kV等电压等级的变电站；10kV开闭所；箱式变电站。 变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。 1.2 资料分析：1）变电站类型：110kv地区降压变电站2）电压等级：110/35/10kv3）线路回数：110kv进线：1回，备用1回； 35 kv出线：6回，备用2回； 10kv出线：10回，备用4回；4）地理条件：位于湖北省沙洋县后港镇，该地区地势平坦，交通便利，空气污染轻微，年最高气温45，年最底气温-5，年平均气温 18，最热月平均最高温度为30，土壤温度25，土壤电阻率7000.cm5）负荷情况：35kv侧都是二级负荷，10kv侧既有二级负荷又有三第2部分 负荷计算的统计计算及主变压器的选择2.1负荷计算方法三相负荷的计算方法主要有三种：需要系数法、二项式法和利用系数法。需要系数法比较简单因而广泛使用，但当用电设备台数少而功率相差悬殊时，需要系数法的计算结果往往偏小，较适用于计算变、配电所的负荷；二项式法是考虑用电设备和大容量用电设备对计算负荷影响的经验公式，它适用于确定台数较少而容量差别较大的低干线和分支线的计算负荷；利用系数法以概率论为理论基础，分析所用用电设备在工作时的功率叠加曲线而得到的参数为依据来确定计算负荷，计算结果接近实际负荷，但计算方法复杂。 需要系数法：由于一个用电设备组中的设备并不一定同时工作，工作的 设备也不一定都工作在额定状态下，另外考虑到线路的损耗、用电设备本身的损耗等因素，设备或设备组的计算负荷等于用电设备组的总容量乘以一个小于1的系数，叫做需要系数，用Kd表示。 式中：K同时使用系数，为在最大负荷工作班某组工作着的用电设备容量与接于线路中全部用电设备总额定容量之比；KL负荷系数，用电设备不一定满负荷运行，此系数表示工作着的用电设备实际所需功率与其额定容量之比；wl线路供电效率；用电设备组在实际运行功率时的平均效率。在确定了设备容量之后，可分别按下列情况按需用系数确定计算负荷。(1)对12台用电设备宜取 (2) 用电设备组的计算负荷 (3)在确定多组用电设备的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不会同时出现的因素，计入一个同时系数K。 本次设计的变电站负荷的计算方法采用需要系数法具体计算过程：35kV母线侧：由于各负荷都是单个的，所以所有负荷的都为1，功率因数为0.9，其对应的功角=25.84代入公式计算可得：拾桥镇变： 5.55MVA十里铺镇变: 1.44 MVA蛟镇变: MVA管珰镇变: 古泵镇变: 5.55MVA毛李镇变: 10kV母线侧:同35KV侧负荷的计算方法一样，代入公式可得：纺织厂1： 1.11MVA纺织厂2： 2.55MVA纺织厂3： MVA塑料厂： 加工厂： 2.22MVA材料厂： 食品厂： 化工厂： 、2.2、无功功率补偿：功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，功率因数也是衡量电气设备效率高低的一个系数。提高负荷的功率因数可以使发、变电设备和输出线路的供电能力得到充分的发挥，并能降低各级线路和供电变压器的功率损耗和电压损失，因而具有重要的意义。提高功率因数的方法有：(1)正确选择电气设备；(2)电气设备的合理运行；(3)人工补偿提高功率因数。同步调相机补偿和动态无功功率补偿，其中采用并联电容器补偿的方法是目前用户户、企业内广泛采用的一种补偿装置。因此无功功率补偿采用并联电容器补偿法。提高功率因数最常用的方法就是在需要无功的用电或供电设备上并联无功补偿电容器 由原来的功率因数补偿到所需要的功率因数，需要并联的电容器容量可用下式计式中 Q应补偿的无功功率，kvar；分别在10kV侧集中装设电容器进行无功补偿，35kV侧各负荷则采用单独就地补偿。10 kV侧： 其中=0.8为有功负荷系数，、为补偿前、后功率因数的正切值。补偿后，10 kV侧负荷从110 kV母线所需的功率： 35kV侧：补偿后，10 kV侧负荷从110 kV母线所需的功率： 2.3、主变压器的选择：1）变压器容量和台数的确定：变电站容量确定原则按供电负荷和510年规划负荷确定（1）重要变电站按一台停运其余满足负荷的供电。（2）非重要变电站按一台停运,其余变满足全部负荷（7080）%变压器的容量,其中8%为当地经济增长率，5为符合规划的5年。台数的确定原则变压器台数与电压等级、接线形式、传输容量及与系统联系紧密有关（1）与系统联系紧密大中站，2台以上（2）与系统联系弱小型厂站，1台；（3）地区孤立的变电站或大型企业变电站设3台变。结合所给资料可知，该变电站应选用两台一样，并且容量都为100MVA的主变压器，其中一台为备用。 2）变压器相数的确定：在330kV及以下的电路系统中，一般采用三相变压器。绕组数的确定：在具有三种电压的变电所中，如果通过主变压器的功率达到该主变压器容量的15%及以上，或低压侧虽然无负荷，但在变电所内需要装设无功功率补偿装置时，主变压器宜采用三绕组变压器。结合本次设计的具体实际情况，都应选择三绕组变压器。3）绕组连接组号的确定：变压器三相绕组的连接组号必须和电压相位一致，否则不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式只有星型“Y”和三角型“d“两种，为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组为“d”型。我国110kV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中性点，所以都需要选择“Y”的连接方式，而35kV经消弧线圈接地采用Y，610kV侧采用“d”型连接方式。所以本次设计的变电站主变压器绕组连接方式为：Y/Y/d4）调压方式的确定： 变压器的调节方式有两种：无激磁调压和有载调压。无激磁调压的调整范围通常在22.5%以内；有载调压的调整范围可达30%，其结构复杂，价格较贵，只有在一下情况才予以选用。(1) 接于输出功率变化大的发电厂的主变压器，特别是潮流方向不固定，且要求变压器二次电压维持在一定水平时。(2) 接于时而为送端、时而为受端、具有可逆工作特点的联络变压器，为保证供电质量，要求母线电压恒定时。为了保证供电质量，110kV及以下变压器应至少有一级电压的变压器采用有载调压。因此该站的主变压器110kV高压侧选择有载调压。5）变压器冷却方式的确定： 油浸式电力变压器的冷却方式随其型式和容量的不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环冷却等。中小型变压器通常采用依靠装在变压器油箱上的片状或管形辐射式冷却器及电动风扇的自然风冷却及强迫风冷却方式散发热量。 容量在31.5MVA及以上的大容量变压器一般采用。 容量在350MVA及以上的特大容量变压器一般采用强迫油循环导向冷却。因此主变压器选用强迫油循环风冷却方式。根据以上设计原则，本次设计变电站确定为三绕组有载调压变压器，相关数据如下：型号：SFSZ11-63000/110 额定容量：63000kVA 高压：11081.25%kV 第3部分 主接线 主接线是变电站电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及变电站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备的选择、配电装置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。因此，必须正确处理好各方面的关系。3.1对电气主接线的基本要求 1、可靠性 在规定条件和规定时间内保证不中止供电的能力。 主接线可靠性的具体要求：1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电.2）断路器、线路或母线故障及母线隔离开关检修时，停运的出线回路数尽可能少和停电时间尽可能短，以及尽可能保证对一类用户供电。3）发电厂或变电所全部停电的可能性要非常小。4）大型机组突然停运时，对电力系统稳定性的影响与后果应尽可能小。 2.灵活性 1）操作的方便性。2）调度方便性。主接线能适应系统或本厂所的各种运行方式3）扩建方便性。具有初期终期扩建的灵活方便性。3.经济性1）投资省 设备少且廉价（接线简单且选用轻型断路器）。2）占地面积少 一次设计，分期投资,尽快发展经济效益。3）电能损耗少 合理选择变压器的容量和台数，避免两次变压3.2主接线的基本形式就是主要电气设备常用的集中连接方式，以电源和出线为主体。用于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输的功率也不一样，因而为便于电能的汇集和分配，在进出线数较多时(一般超过4回)，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。而与有母线的接线相比，无汇流母线的接线使用开关电器较少，配电装置占地面积较小，通常用于进出线回路少，不再扩建和发展的变电站。 常用的主接线有单母线接线、单母线分段接线、双母线接线、双母线分段接线和桥形接线1、 单母线接线优点：接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。缺点：可靠性差。母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行，造成全厂（站）长期停电。调度不方便，电源只能并列运行，不能分裂运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。适用范围：610kV配电装置出线不超出5回时；3560kV配电装置出线不超出3回时；110220kV配电装置出线不超出2回时； 2、 单母线分段接线优点：母线发生故障时，仅故障母线停止供电，非故障母线仍可继续工作，缩小母线故障影响范围。 对双回线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线上，保证对重要用回的供电。 缺点：当一段母线故障或检修时，必须断开在该段上的全部电源和引出线，这样就减少了系统的供电量，并使该回路供电的用户停电。 适用范围：小容量发电厂的发电机电压配电装置，一般每段上母线上所借发电容量为12MW左右，每段母线上出线不多于5回；变电站有两台主变压器时的610kV配电装置；3563kV配电装置出线48回；110220 kV配电装置出线48回。 3、 双母线接线优点：可轮流检修母线而不影响正常供电。检修任一母线侧格力开关时，只影响该回路供电。工作母线发生故障后，所有回路短路时停电并能迅速恢复供电。角度灵活，扩建方便。缺点：用于接线的设备较多，配电装置复杂，倒闸过程繁琐。适用范围：进出线回路数较多、容量较大、出线带电抗器的610kV配电装置；3563kV配电装置出线超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110kV出现数为6回及以上时；220kV出线数为4回及以上时；4、 双母线分段接线优点：双母线分段接线不仅具有双母线的各种优点，并且任何时候都有备用母线，有较高的可靠性和灵活性。缺点：较双母线增加了2台断路器，增加了设备的投资。适用范围：较多的应用于220kV配电装置，当进出线数为1014回时采用三分段，15回及以上时采用四分段(二组母线均用断路器分段)；同时在330500kV大容量配电装置中，出线为6回及以上时一餐采用类似的双母线分段接线。5、 桥形接线当只有两台变压器和两条线路时，宜采用桥形接线。桥形接线根据连接断路器的位置可以分为内桥接线和外桥接线两种。 内桥接线在线路故障或切除、投入时，不影响其余回路的工作，并且操作简单；而在变压器故障或切除、投入时，要使相应的线路短时停电且操作复杂。因而该接线一般适用于线路较长(相对来说线路的故障几率较大)和变压器不需要经常切换(如火电厂)的情况。 外桥接线在运行中的特点与内桥接线相反，适用于线路较短和变压器需要经常切换的情况。所以对于110kV侧，结合所给资料：110kV虽然是两回路供电，但其中一回是备用回路，110kV侧负荷大多数为二级负荷，所以为了保证供电的可靠性，110kV侧的母线连接方式采用单母线分段接线方式。对于35kV侧，其二次侧有8回出线，且均为二级负荷，所以为了保证供电的可靠性，35kV侧的母线连接方式采用双母线接线方式。对于10kV侧，出于企业将来的发展和经济性的考虑，所以10kV侧的母线连接方式也采用单母线分段接线方式。本次变电站主接线图如下：第四章 短路电流的计算4.1短路计算概述电力系统的状态有三种：正常运行状态、不正常运行状态、短路故障。在电气设计和运行中，不仅要考虑系统正常运行状态，而且要考虑它发生故障时的情况，最严重的故障是电路乃至系统发生短路。电力系统正常运行时，其相与相之间，中性点接地系统的中性线与相线之间，都是通过符合或阻抗连接的。1短路计算的目的计算短路电流的目的是为了正确选择和校验电气设备，避免在短路电流作用下损坏电气设备，如果短路电流太大，必须采用限流措施，以及进行继电保护装置的整定计算。2短路电流计算的规定1） 电力系统中所用电源都在额定符合下运行；2） 同步调相机都具有自动调整励磁装置(包括强行励磁)；3） 短路电流为最大值的瞬间；4） 所有电源的电动势相位角相同；5） 正常工作时，三相系统对称运行；6） 因考虑短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻对异步电动机的作用，仅有确定短路电流的冲击值和最大全电流的有效值时才给予考虑。3最大运行方式：计算短路电流是所用的接线方式是可能发生最大短路电流的正常接线方式(及最大运行方式)，而不能用仅在切换过程中的能并列的接线方式。4三相短路：一般按三相短路计算，若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统以及自耦变压器等回路中的单相(或两相)接地短路较三相短路的情况严重时，则应按严重情况进行校验。4.2具体短路计算最大三相短路电流分别出现在d1、d2和d3短路点处，如下图所示 ：、线路：、变压器： d1点发生三相短路时：、 d 2点发生三相短路时：、 d3点发生三相短路时：、第五部分 电气设备选择1导线的选择母线的选择 选择母线截面形状的原则是：集肤效应系数尽量低；散热好；机械强度高；连接方便；安装方便。本设计中母线的截面按长期允许电流选择。按长期允许电流选择时，所选母线截面积的长期允许电流应大于装设回路中最大持续工作电流即： （公式5-6）式中：导体所在回路中最大持续工作电流，A 在额定环境温度（=+25）时导体允许工作电流 ，A K与实际环境温度和海拔有关的综合校正系数当导体允许温度为+70和不计日照时，K值可以用下试计算 （公式5-7）式中：、分别为导体长期发热允许最高温度和导体装地点实际环境温度该地区最热月平均温度为20，最高气温42，最低温度为-15。按照该地区最高气温的修正系数为： =0.789 110kV侧母线选择与校验1.按导体发热长期允许电流选择母线截面，根据公式5-6有：110KV侧回路最大工作持续电流：= =166.05 A = =210.46(A)2.按照导体最大持续工作电流,依照电力工程电气设计手册选取截面为539mm2铝锰合金管型导体，,其技术数据见表5-10所示8。表5-10 圆管形铝锰合金导体参数表导体尺寸D1/D2(mm)导体截面（mm2）导体最高允许温度为下值时的截流量（A）截面系数W(cm3)惯性半径ri(cm)惯性矩J(cm4)质量（/m）708060/54539124010727.292.0221.90.593.校验所选的母线（1）由母线数据知：在母线载流量系按最高允许温度为+70时的载流量=1240A在最高环境温度+45时，母线的允许电流为:=0.7891240=978.36A且=166.05A所以满足要求。（2）热稳定校验：正常运行时导线最高温度为： 42+（70-42）=42.8 所以 按三相短路校验热稳定性。周期电流分量的热效应为：=15.60+0.50=16.10（kA）其中短路电流在t/2秒内的周期分量有效值 =52.93KA2S非周期电流热效应为：=0.05=16.24kA2S 其中，T非周期分量热效应时间，查表得，T=0.05S=52.93+16.24=69.17(kA)2.S =84.86mm2ish=6.63KA 满足动稳定要求2.热稳定校验：(Kt IN1)t (Kt IN1)t = (0.675) 2 1=2025 （KA）2s2.621.17.44kA2.s满足热稳定要求综上所述，所选LCW-110(600/5) 户外独立式电流互感器满足要求。二. 35KV侧电流互感器的选择一次回路电压： =35KV二次回路电流： Imax=1.05=1.05=496.0 (A)根据以上两项，初选LCW-110户外独立式电流互感器，其参数如下电流互感器型号额定电流A级次组合二次负载值10%倍数1S热稳定倍数动稳定电流倍数0.5级1级3级二次负载 倍数LCW-351000/50.5/324228651001三. 10KV侧电流互感器的选择一次回路电压： =10KV二次回路电流： Imax=1.05=1.05=1736.0 (A)根据以上两项，初选LFZL-10电流互感器，其技术参数如下：电流互感器型号额定电流A级次组合二次负载值10%倍数1S热稳定倍数动稳定电流倍数0.5级B级3级二次负载 倍数LFZL-103000/50.5/B0.81102035综上所述，所选LFZL-10 电流互感器满足要求。电压互感器的选择110KV侧母线电压互感器的选择型式：采用串联绝缘瓷箱式电压互感器，作电压，电能测量及继电保护用。电压：额定一次电压： U1n=110KV U2n=0.1/KV 准确等级：用于保护、测量、计量用，其准确等级为0.5级，查相关设计手册，选择PT的型号：JCC110 ，其技术参数如下：型号额定电压（KV）二次负荷（VA）试验电压(KV)最大容量（VA）一次绕组二次绕组剩余电压0.5级1 级3级高压低压JCC-1100.150010002002200035KV侧母线电压互感器的选择型式：采用串联绝缘瓷箱式电压互感器，作电压，电能测量及继电保护用。电压：额定一次电压： U1n=35KV U2n=0.1/KV准确等级：用于保护、测量、计量用，其准确等级为0.5级，查相关设计手册，选择PT的型号：JDJJ35 最大容量1500VA额定变比：5.6.2 10KV侧母线电压互感器的选择型式：采用户内式电压互感器，用于同步、测量仪表和保护装置。电压：额定一次电压：准确等级：用于保护、测量、计量用，其准确等级为0.5级。查发电厂电气部分选定PT型号：JDZX7-10其技术参数如下：型号额定电压（KV）二次额定容量（VA）剩余电压绕组二次极限容量（VA）一次绕组二次绕组剩余电压0.5级1 级3级准确级额定输出JDZX7-1050802006P40400避雷器的选择1、根据变电所设备避雷器要求及主接线形式应在下列点装设避雷器110kV进线端，防止110kV线路雷电流侵入变电所35kV母线，防止线路雷电流侵入变电所10kV母线，防止线路雷电流侵入变电所主变110kV中性点接地2、根据各级电压等级确定避雷器的额定电压避雷器列表型号技术参数安装地点数量（组）Un (kV)残压 (kV)Y10W5-100/260W100260110KV进线2HY5WZ-53/1345313435KV母线2HY5WZ-17/45174535KV母线2HY5W-73/17673176主变中性点2