变电站设计理工大学

摘要随着经济的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求日益加深。国家提出了加快城网和农网建设及改造，拉动内需的发展计划，城网和农网110kV变电站建设迅猛发展。由于建设地点地理条件的错综复杂和其他客观条件限制，如何设计城网和农网110kV变电站是国家城网和农网建设中需要研究和解决的一个重要课题。变电站是电力系统的重要组成部分，变电站可靠的运行与国民经济的发展密切相关。本次设计为110kV变电站电气部分初步设计，并绘制了电气主接线图。通过对原始资料的分析，从可靠性、灵活性和经济性等方面考虑，确定了110kV，35kV，10kV以及站用电的主接线。然后又通过负荷计算确定了主变压器台数，容量及型号，然后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器，母线进行了选型和校验。之后，对变电站进行了相应的防雷保护规划，从而完成了一次部分的设计。最后，对变电站的主变压器进行相应的保护规划以及配电装置设计，从而完成了 110kV电气部分的设计。关键词：变电站； 一次部分； 防雷保护；主变保护ABSTRACTWith the development of economy and the improvement of peoples living standard,the requirement of power quality is increasing.The country put forward to accelerate city net and rural power grid construction and transformation, stimulating domestic demand,development plan, city net and 110kV substation construction of the rapid development ofrural power network. Due to the construction site of geographical conditions of perplexingand other objective conditions, how to design the network of city and rural 110kVsubstation, is a national network of city and rural construction, transformation of the need to study and solve main task.Transformer substation is an important part of power system, and its reliability is closely related with the development of national economy. The design is the preliminary design of 110 kV transformer substation electrical part ,and draw main electrical one-line diagram. The 110 kV,35kV,10 kV and the main lines are determined by analyzing the concerning load data (including its security, economy and reliability). Meanwhile, the number, capacity and type of the main transformer are made certain through the load calculation . then, according to the results of calculating of the maximum work electric current and short circuits, high voltage breaker, isolator switches, current transformer,voltage transformer and bus-bar can be selected, and After designing lightning protection , the primary design of 110 kV electricity primary system is completed .Then,the conservation programme for the main transformer is made and the power distribution unit is designed.And the design of 110 kV electricity primary system is completed.Keywords:substation;primary systerm; lightning protection; main transformer protection目录1 绪论11.1 原始资料分析11.2 设计的工作应遵循的主要原则11.3 本次设计的主要内容21.4 本章小结22 电气主接线32.1 电气主接线概述32.2 选择电气主接线时的设计原则32.3 变电站主接线设计的基本要求32.4 电气主接线的具体设计步骤42.5 本变电站电气主接线设计52.5.1 110kV侧主接线方案52.5.2 35kV侧主接线方案62.5.3 10kV侧主接线方案82.5.4 站用电接线方案92.6 本章小结93 负荷计算及变压器选择103.1 负荷分类及定义103.2 各侧负荷的大小103.3 主变压器的选择113.3.1 主变压器台数的确定113.3.2 主变压器容量的确定113.3.3 变电站主变压器型式的选择123.4 所用变压器的选择143.4.1 所用变台数的确定143.4.2 所用变容量的确定153.4.3 所用变型式的选择153.5 无功补偿和电容器的选取153.6 本章小结174 最大持续工作电流及短路计算194.1 各回路最大持续工作电流194.2 短路计算194.2.1 短路电流计算的目的194.2.2 短路电流计算的一般规定194.2.3 短路计算基本假设204.3 短路计算步骤204.4 短路电流计算结果234.5 本章小结235 电气设备的选择255.1 电气设备的选择原则255.2 电气设备和载流导体选择的一般条件255.3 断路器的选择265.3.1 110kV侧断路器的选择275.3.2 35kV侧断路器选择285.3.3 10kV侧断路器选择295.4 隔离开关的选择305.4.1 110kV侧隔离开关315.4.2 35kV侧隔离开关315.4.3 10kV侧隔离开关325.5 电流互感器的选择335.5.1 110kV电流互感器的选择345.5.2 35kV侧电流互感器的选择355.5.3 10kV侧电流互感器355.6 电压互感器的选择365.6.1 电压互感器的选择依据365.6.2 110kV侧电压互感器选择385.6.3 35kV侧电压互感器选择385.6.4 10kV侧电压互感器选择385.7 母线导体的选择395.7.1 母线的分类及特点395.7.2 110kV侧母线选择415.7.3 35kV侧主母线的选择425.7.4 10kV侧母线选择435.8 高压熔断器的选择435.8.1 35kV侧熔断器选择445.8.2 10kV侧高压熔断器选择445.9 避雷器的选择445.10 主要电气设备选择结果455.11 本章小结456 继电保护规划466.1 变压器保护466.2 线路保护476.2.1 110kV中性点直接接地电网线路保护配置476.2.2 35kV及以下中性点非直接接地电网中线路保护配置476.3 母线保护486.4 本章小结487 变电站的防雷保护507.1 避雷针507.2 阀型避雷器517.3 进线段保护517.4 三绕组变压器的防雷保护527.5 本章小结528 配电装置设计538.1 设计要求538.1.1 满足安全净距的要求538.1.2 施工、运行和检修的要求538.2 本站各电压等级配电装置设计548.3 本章小结54致谢词55参考文献56附录571 绪论1.1 原始资料分析站址情况：群英110kV变电站处于焦作市山阳区，地平，交通便利，进出线方便，空气污染微轻。环境条件：变电站选在黄沙土地上，突然电阻率p=500欧每米。平均海拔200米，最高气温40度，最低气温-10度，年平均气温20度，最热月平均气温30度，土壤湿度25度。冬季主导风向：西北；最大风速25米每秒；覆冰厚度8毫米。系统情况：系统通过110kV1，2修武T型架空线路向变电站供电，距离30km，系统最大运行方式折算至设计变电站高压母线的阻抗标幺值0.15，Sj=100MVA。系统容量设计时计算值为500MVA。表1-1 负荷情况分析电压等级负荷名称每回最负荷（kVA）功率因数回路数供电方式线路长度35kV东城花园50000.851架空15槐店乡90000.851架空8耐火材料厂50000.851架空7化肥厂100000.851架空11白鲨针布40000.851架空3保险公司70000.851架空4机械厂80000.851架空510kV17中20000.91架空5医院30000.81架空3农药厂7000.821架空7紫水小区12000.851架空4紫旋庭院10000.81架空5鑫鸳鸯集团5000.81架空2面粉厂6000.851架空5区政府20000.851架空71.2 设计的工作应遵循的主要原则（1）变电所的设计应根据工程的510年发展规划进行，做到远、近期结合，以近期为主，正确处理近期建设与远期发展的关系，适当考虑扩建的可能。（2）变电所的设计，必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，结合国情合理地确定设计方案。（3）变电所的设计，必须坚持节约用地的原则。（4）变电所的设计必须遵循国家有关标准和规范的规定，如35110kV变电所设计规范。1.3 本次设计的主要内容（1）原始资料分析；（2）电气主接线的设计；（3）主变压器的选择；（4）无功补偿和电容器的选取；（5）最大持续工作电流及短路计算；（6）主要电气设备的选择；（7）继电保护规划；（8）防雷保护设计；（9）配电装置设计。1.4 本章小结国家提出了加快城网和农网建设及改造，拉动内需的发展计划，城网和农网110kV变电站建设迅猛发展。现在许多变电站采用计算机监控，电力系统也实现了分级集中调度，电力企业也努力实现降低成本，确保安全运行。因此，变电站的设计应该按照国家相关规程设计，并且考虑多方面的因素以求取得最佳的经济技术效益。2 电气主接线2.1 电气主接线概述电气主接线又称电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能的生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相连接图。它是发电厂和变电所高电压大电流的电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。它表明了各种设备的数量及连接情况，决定了可能存在的运行方式，影响运行的可靠性和灵活性。电气主接线决定了电气设备的选择，配电装置的布置还决定了继电保护和控制的方式。2.2 选择电气主接线时的设计原则主接线的设计必须经过技术与经济的充分了论证比较，综合考虑各个方面的影响因素，最终得到实际工程确认的最佳方案。主接线设计的基本原则为：以下达的设计任务书为依据，根据国家现行的“安全可靠、经济适用、符合国情”的电力建设与发展的方针，严格按照技术规定和标准，结合工程实际的具体特点，准确地掌握原始资料，保证设计方案的可靠性、灵活性和经济性。2.3 变电站主接线设计的基本要求电气主接线设计的基本要求概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三个方面，以下对各方面做具体介绍。（1）可靠性供电可靠性是电力生产的首要要求。因故障或检修，导致的停电机会越少、停电影响范围越小、停电时间越短、停电后恢复供电越快，供电可靠性就越高。分析电力系统可靠性时，要考虑发电厂和变电站在电力系统中的地位和作用、用户的负荷类型和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。主接线可靠性的基本要求通常包括以下几个方面：断路器检修时，不宜影响对系统的供电；线路、断路器或母线故障，以及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运的出线回路数和停运时间，并保证对全部I类及全部或大部分II类负荷的供电。尽量避免发电厂或变电站全部停电的可能性；大型机组停运时，不应危及电力系统稳定运行。（2）灵活性电力系统应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。灵活性应包括以下几个方面：操作的方便性：电气主接线应该在服从可靠性的基本要求下，接线简单，操作步骤少，以便于运行人员掌握，从而避免误操作。调度的方便性：正常运行时，要能根据调度要求，方便的改变运行方式；在发生故障时，要能尽快的切除故障，使停电时间最短、影响范围最小，不致过多的影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。扩建的方便性：对于要扩建的发电厂和变电站，其主接线应有扩建的方便性。尤其是火电厂和变电站，在设计主接线时应有发展扩建的余地。可以容易地从初期过渡到其最终接线，使在扩建过渡时，无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。（3）经济性在设计主接线时，主要矛盾发生在可靠性与经济性之间。设计时应该在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。经济性应从以下几个方面考虑：降低一次投资：主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器避雷器等一次设备的投资，要能使控制保护不过复染，以利于运行并节约二次设备和控制电缆投资；要能限制短路电流，以便选择价格合理的电气设备或轻型电器；在终端或分支变电站推广采用质量可靠的简单电器。节约占地面积：主接线要为配电装置布置创造节约用地条件，以节省构架、导线、绝缘子及安装费用。可能的条件下，采取一次设计，分期投资、投建，尽快产生经济效益。在不受运输条件许可，都采用三相变压器，以简化布置。电能损耗少：在变电站中电能损耗主要来自于变压器，经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量，避免两次变压而增加电能损失。2.4 电气主接线的具体设计步骤(1) 分析原始资料 本工程情况 变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量等。 电力系统情况 电力系统近期及远景发展规划（510 年），变电站在电力系统中的位置和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。 负荷情况负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。 环境条件当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度等因素，对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。 设备供货情况为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。(2) 拟定主接线方案根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定出若干个主接线方案。因为对出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等考虑不同，会出现多种接线方案。应依据对主接线的基本要求，结合最新技术，确定最优的技术合理、经济可行的主接线方案。(3) 短路电流计算对拟定的主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。(4) 主要电器选择包括高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线等电器的选择。(5) 绘制电气主接线图将最终确定的主接线，按工程要求，绘制工程图。2.5 本变电站电气主接线设计2.5.1 110kV侧主接线方案依据电力工程电气设计手册最终出线回路数24 回、主变压器23 台时，可采用线路变压器组、桥形、扩大桥形、单母线和单母线分段接线。因为110kV主接线在系统中有重要地位，会直接影响本地区的供电，可靠性要求较高，并且后期可能会根据负荷的增长进行扩建，故选择单母线与单母线分段接线进行比较，选择最优接线方案。单母线接线如图2-1所示图2-1 单母线接线图主要优缺点：单母线接线虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配电装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件(母线及母线隔离开关)等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，才能恢复非故障段的供电,并且电压等级越高，所接的回路数越少，一般只适用于一台主变压器。适用范围：110220kV配电装置的出线回路数不超过两回；3563kV配电装置的出线回路数不超过3回；610kV配电装置的出线回路数不超过5回时选用。单母线分段接线如图2-2所示图2-2 单母分段接线图主要优缺点：用断路器，把单母线接线的母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个冋路，有两个电源供电，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。但是，一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电，而出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越，扩建时需向两个方向均衡扩建。适用范围：110220kV配电装置的出线冋路数为34回；3563kV配电装置的出线回路数为48冋；610kV配电装置出线为6回及以上时选用。在可靠性与灵活性方面第II种方案明显合理，虽然此站仅有两回出线，但考虑到此站为一重要的终端变电站，需要较高的可靠性和灵活性，经综合分析，决定选第II种方案为设计的最终方案。2.5.2 35kV侧主接线方案依据电力工程电气设计手册35kV配电装置有出线48回时，宜采用单母线分段接线，也可采用双母线接线。为保证线路检修时不中断对用户的供电，采用单母线分段接线和双母线接线时，可增设旁路母线。但因为双母线接线本身可靠性较高，故而35kV60kV采用双母线接线时，不宜设置旁路母线，有条件时可设置旁路隔离开关。综合上述分析，筛选得到以下两种接线方案。单母分段接线如图2-3所示主要优缺点：用断路器，把单母线接线的母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，但是此时架空线路可能出现交叉穿越，影星系统稳定性；有两个电源供电。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。但是，一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电，而出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越，扩建时需向两个方向均衡扩建。图2-3 单母分段接线图适用范围：110220kV配电装置的出线冋路数为34回；3563kV配电装置的出线回路数为48冋；610kV配电装置出线为6回及以上时选用。双母线接线如图2-4所示图2-4 双母线接线图主要有缺点：它具有供电可靠、调度灵活、扩建方便等优点，而且，检修另一母线时，不会停止对用户连续供电。如果需要检修某线路的断路器时，不装设“跨条”，则该回路在检修期需要停电。对于，110220kV输送功率较多，送电距离较远，其断路器或母线检修时，需要停电，而断路器检修时间较长，停电影响较大，一般规程规定，110220kV双母线接线的配电装置中，当110kV出线回路数达7回，或220kV 出线回路数达5回时，一般应装设专用旁路母线。适用范围：110220kV配电装置出线回路数为5回及以上时，或当110220kV配电装置在系统中处于重要地位，出线回路为4回及以上时。3563kV配电装置，当出线回路数超过8回时，或连接的电源较多、负荷较大时；610kV配电装置，当短路电流较大、出线需要带电抗器时选用。相比而言，方案在可靠性和灵活性上优势明显，然而本站中35kV侧出线不多，并且选用方案能满足可靠性与灵活性的要求，且经济性较好，故选用实用性较好的方案。2.5.3 10kV侧主接线方案依据电力工程电气设计手册10kV配电装置有出线6回以上时，宜采用单母线分段接线，也可采用单母分段带旁路的接线方式。单母分段接线如图2-5所示图2-5 单母分段接线图主要优缺点：单母线接线虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配电装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件(母线及母线隔离开关)等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，才能恢复非故障段的供电,并且电压等级越高，所接的回路数越少，一般只适用于一台主变压器。适用范围：110220kV配电装置的出线回路数不超过两回；3563kV配电装置的出线回路数不超过3回；610kV配电装置的出线回路数不超过5回时选用。单母带旁路接线如图2-6所示：图2-6 单母带旁路接线图这种接线方式适用于进出线不多、容量不大的中小型电压等级为35110kV的变电站较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。方案在可靠性上稍有提升，但是经济性上却比比方案差，考虑到设置旁路母线的条件所限(35kV60kV出线多为双回路，有可能停电检修断路器，且检修时间短，约为23天。)，综合考虑而言，采用方案。2.5.4 站用电接线方案一般站用电接线选用接线简单且投资小的接线方式，故提出单母线分段接线。两台站用变压器分别从10kV母线处引接，正常情况下可分列运行，分段开关设有自动投入装置，每台站用变压器应能担负本段负荷的正常供电，在另一台站用变压器故障或检修停电时，工作者的站用变压器应能担负另一段母线上的重要负荷，以保证变电站的正常运行。站用电接线如图2-7所示：图2-7 单母线分段接线图综上所述可选择110kV侧采用单母分段接线为主接线，35kV侧采用单母分段接线为主接线，10kV侧采用单母分段线接线为主接线，站用电为单母分段接线。2.6 本章小结主接线代表了变电站电气部分主体结构，是本次设计的首要部分。本次主接线设计主要考虑负荷情况（如负荷大小、出线回数、负荷未来预测），然后按照国家相关设计规程选出适合的两到三种接线方案，进而对这些接线方案进行对比选出最适合本地区的主接线方案。3 负荷计算及变压器选择3.1 负荷分类及定义（1）在电力系统中，按重要性的不同将负荷分为三类：I类负荷：即使短时停电也将造成人员伤亡和重大设备损坏的最重要负荷，如矿井、医院、电弧炼钢炉等。其供电要求是：任何时间都不能停电。一级负荷要求有两个独立电源供电。II类负荷：停电将造成减产、使用户蒙受较大的经济损失的负荷，如重要的工矿企业等。供电要求：仅在必要时可短时停电（几分钟到几十分钟）。III类负荷： I、II类负荷以外的其它负荷，必要时可长时间停电。（2）本设计中的负荷分析如下东城花园：居民生活小区对供电无特殊要求属于三级负荷。槐店乡：负责整个乡的电力供应，若中断供电将大面积停电，属于一级负荷。耐火材料厂：若中断供电，影响不大，所以应属于三级负荷。化肥厂：化肥厂的生产过程伴随着许多化学反应过程，一旦电力供应中止了就会造成产品报废，造成极大的经济损失，所以应属于一级负荷。白鲨针布：若中断纺织厂的电力供应，就会引起跳线，打结，从而使产品不合格，所以应属于二级负荷。保险公司：若中断供电，影响不大，所以属于三级负荷。机械厂：机械厂的生产过程与电联系不是非常紧密，若中止供电，不会带来太大的损失，所以应属于二级负荷。17中：学校属于一级负荷。医院：若中断供电将造成人员的生命危害，所以属于一级负荷。农药厂：农药厂的生产过程伴有化学反应，若停电就会造成产品报废，应属于一级负荷。紫水小区：生活小区属于三级负荷。紫旋庭院：生活小区属于三级负荷。鑫鸳鸯集团：中断供电不会造成重大的经济损失，属于二级供电。面粉厂：若中断供电，影响不大，所以应属于三级负荷。区政府：是国家政府属于一级负荷。3.2 各侧负荷的大小（3-1）式中：某电压等级的计算负荷；同时系数；该电压等级的线损率；P用户的负荷；负荷所对应的功率因数35kV侧负荷如下：10kV侧负荷如下：110kV侧负荷如下：3.3 主变压器的选择在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器，用于两种电压等级交换功率的变压器，称为联络变压器。变压器是变电站中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，需合理选择，否则，将造成经济技术上的不合理。3.3.1 主变压器台数的确定主变台数确定的要求：（1）对枢纽变电站，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电站以装设两台主变压器为宜。（2）对地区性孤立的一次变电站或大型专用变电站，在设计时可装设三台主变压器，以提高供电可靠性。为了保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电站中一般装设两台主变压器。当装设三台及三台以上时，变电站的可靠性虽然有所提高，但接线网络较复杂，且投资增大，同时增大了占用面积和配电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闸操作等许多复杂化。考虑到两台主变压器同时发生故障机率较小。适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担70%的负荷保证全变电站的正常供电。考虑到该变电站为一重要地区变电站，与地方用电紧密联系。故选用两台主变压器，并列运行且容量相等。 主变压器容量的确定（1）主变压器容量一般按变电所建成后510年的规划负荷选择，并适当考虑到远期1020年负荷发展。对城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。（2）根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。对于有重要负荷的变电所，应考虑到当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的7080。有以上规程可知，此变电所单台主变的容量为：所以应选两台容量为50MVA的主变压器3.3.3 变电站主变压器型式的选择选择主变压器型式时应主要考虑相数，绕组数，绕组接线组别，调压方式，及冷却方式等。（1）相数的确定主变选择三相还是单相，主要考虑变压器的制造条件、运输条件和可靠性要求等因素。容量为300MW及以下机组单元接线的变压器和330kV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。因为单台变压器组占地多、相对投资大、运行损耗也大，同时配电装置复杂，维修工作量大，故本变电站选用三相变压器。（2）绕组数的确定电力变压器按每相的绕组数为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。本站经110kV降压为35kV和10kV两个电压等级，多采用三绕组变压器，但三绕组变压器的每个绕组通过容量应达到该变压器额定容量的15%以上，否则绕组未能充分利用，反而不如选用两台双绕组变压器在经济上更为合理。变压器各侧的功率与该主变容量的比值：高压侧：65807 0.8/50000=1.050.15中压侧：533600.8/50000=0.8540.15低压侧：124470.8/50000=0.1990.15由以上可知此变电所中的主变压器应采用三绕组。（3）绕组接线组别在发电厂和变电所中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制三次谐波对电源的影响等因素，主变的接线组别一般都选用YNd11接线。变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致，否则，不能并列运行。电力系统常用的绕组连接方式只有星形(Y)和三角形()两种。变压器三相绕组的连接方式应根据具体工程来确定。我国110kV及以上电压，变压器三相绕组都采用YN连接，中性点直接接地；35kV采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地；10kV系统中性点不接地，绕组多采用连接。（4）调压方式的确定包括无激磁调压和有载调压两种，其调压范围分别在10%（22.5%）以内和30%。发电厂或变电站很少采用有载调压，220kV及以上的降压变压器仅在电网电压变化较大时采用有载调压。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，因为这种方式容易稳定电压，减少电压波动。（5）冷却方式电力变压器的冷却方式，随其型式和容量不同而异，一般有以下几种类型。 自然风冷却。一般适于7500kVA以下较小容量变压器。为使热量散发到空气中，装有片状或管形辐射式冷却器，以增大油箱冷却面积。 强迫空气冷却。简称为风冷式。容量大于10000kVA的变压器，常采用人工风冷。 强迫油循环水冷却。大容量变压器采用潜油泵强迫油循环，同时用冷水对油管道进行冷却，带走变压器中热量。 强迫油循环风冷却。类似于强迫油循环水冷，采用潜油泵强迫油循环，同时用风扇对油管进行冷却。 强迫油循环导向冷却。它是利用潜油泵将冷油压入线圈之间、线饼之间和铁芯的油道中，使铁芯和绕组中的热量直接由具有一定流速的油带走，而变压器上层热油用潜油泵抽出，经过水冷却器或风冷却器冷却后，再由潜油泵注入变压器油箱底部，构成变压器的油循环。近年来大型变压器都采用这种冷却方式。此变压器容量大于10000kVA，有上面分析可知，宜选用强迫空气冷却方式，即风冷式。附：主变型号的表示方法第一段：汉语拼音组合表示变压器型号及材料第一部分：相数 S三相；D单相第二部分：冷却方式 J油浸自冷； F油浸风冷； S油浸水冷；G干式；N氮气冷却； FP强迫油循环风冷却；SP强迫油循环水冷却第三部分：绕组数 S三绕组 F分裂绕组第四部分：调压方式 Z有载调压表3-1主变压器参数型 号SFSZ9-50000/110容 量50 MVA容 量 比100100100阻抗电压高压11081.25%中压38. 522.5%低压10.5联结组号YNyn0d11损耗空载58.8kW负载225kW空载电流0.91%阻抗电压高-中10.5%高-低17.8%中-低6.5 %3.4 所用变压器的选择变电站的站用负荷，一般都比较小，其可靠性要求也不如发电厂那样高。变电站的主要负荷是变压器冷却装置、直流系统中的充电装置和硅整流设备、油处理设备、检修工具以及采暖、通风、照明、供水等。这些负荷容量都不太大，因此变电站的站用电压只需0.4kV一级，采用动力与照明混合供电方式。380V站用电母线可采用低压断路器（即自动空气开关）或闸刀进行分段，并以低压成套配电装置供电。3.4.1 所用变台数的确定35110kV 变电所设计规范规定，对大中型变电站，通常装设两台站用变压器。因站用负荷较重要，考虑到该变电站具有两台主变压器和两段10kV母线，为提高站用电的可靠性和灵活性，所以装设两台站用变压器，分别从110kV侧两条分段母线引接，并采用暗备用的方式。 所用变容量的确定站用变压器容量选择的要求：站用变压器的容量应满足经常的负荷需要和留有10%左右的裕度，以备加接临时负荷之用。考虑到两台站用变压器为采用暗备用方式，正常情况下为单台变压器运行。每台工作变压器在不满载状态下运行，当任意一台变压器因故障被切断后，其站用负荷则由完好的站用变压器承担。S站=96.075/(1-10%)= 106kVA 所用变型式的选择10kV级S9系列三相油浸自冷式铜线变压器，是全国统一设计的新产品，是我国国内技术经济指标比较先进的铜线系列配电变压器。表3-2站用变压器参数型号S9-125/10容量（kVA）125额定电压高压（kV）10低压（kV）0.4阻抗电压4%连接标号Y， yn0损耗（W）空载350短路1750空载电流1.8%3.5 无功补偿和电容器的选取（1）无功补偿的作用：电力系统的无功功率平衡主要的目的是为了保证电压质量，无功功率遵循的是分（电压）层和分（供电）区就地平衡的原则。为达到就地平衡必须分层分区进行无功补偿。合理的无功补偿和有效的电压控制，不但可保证电压质量，还将提高电力系统安全性、稳定性和经济性。进行无功功率的就地平衡的原因是电力系统供电区域幅员宽广，从降低网络损耗和改善电压质量考虑，无功功率不易长距离输送，负荷所需的无功功率应尽量就地供应。在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。（2）无功补偿的原理：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功补偿的原理。（3）电站的无功补偿终端变电所的并联电容器补偿主要是为了提高电压和补偿主变压器的无功损耗。各组应能随电压波动实现自动投切。110kV电压等级的变电所一般均应配置可投切的无功补偿设备，补偿设备大部分连接在变电所的母线上，也有的补偿装置是并联或串联在线路上。对于直接供电的变电所，安装的容性无功量应约等于装置所在母线上的负荷按提高功率因数所需补偿的最大容性无功量。变电所的并联电容器装置是电力系统无功补偿的重要设备，应优先选用，主要是为了提高电压和补偿主变压器的无功损耗。此时，各组应能随电压波动实行自动投切。投切任一组电容器时引起的电压波动不应超过2.5%。因此本站在10kV侧增添一些电容器柜，以进行无功补偿，尽量达到无功功率就地平衡。三相交流电路功率因数的数学表达式为 （3-2）式中：P有功功率，kW；Q无功功率，kVar； S视在功率，kVA；U线电压有效值，kV；I线电流有效值，A。随着电路的性质不同，的数值在01之间变化，其大小取决于电路中电感、电容及有功负荷的大小。当时，表示电源发出的视在功率全为有功功率，即S=P，Q=0；当时，则P=0，表示电源发出的功率全为无功功率，即S=Q。所以符合的功率因数越接近1越好。（4）无功补偿容量选择通常情况下110kV的变电所是在35kV母线和10kV母线上进行无功补偿。本变电所设计是在10kV母线上进行无功补偿，对系统10kV母线侧进行无功补偿，将功率因数提高至0.92。10kV侧补偿前的功率因数为：负荷所需补偿的最大容性无功量为： 由表查得选用GR-1C-08型，电压为10kV，容量qc=270kVar的电容器柜，则柜数：取十二，因此本设计采用的无功补偿装置为十二组GR-1C-08型，电压为10kV容量为qc=270kVar的电容器柜。（5）无功补偿装置的设置本次设计的并联电容器补偿装置，采用断路器来投切，向电网提供可阶梯调节的容性无功，已补偿多余的的感性无功，减少电网有功损耗和提高电压质量。 串联电抗器作用如下：降低电容器组的涌流倍数和涌流频率，是得益于选择回路设备和保护电容器；与电容器容抗全调谐后，组成某次谐波的交流滤波器，可降低该次谐波电压值；若处于过调谐状态下，即为一种并联电容器装置，并部分的降低该次谐波电压值，提高电压质量。 熔断器作用：本设计用喷逐式熔断器来保护电容器。 放电装置：为了安全放电及继电保护的需要，放电装置选用专用的放电线圈。3.6 本章小结在各电压等级的变电站中，变压器是变电站中的主要电气设备之一，它担任着向用户输送功率，或者在两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，本章首先对负荷情况进行了分析计算，根据负荷情况完成对主变容量、台数以及型式的选择，以取得最佳的运行效果。然后，对10kV侧进行无功补偿，以提高电压质量和降低网络损耗。4 最大持续工作电流及短路计算4.1 各回路最大持续工作电流（4-1）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则最大持续工作电流为 （4-2）各侧的最大持续工作电流如下：35kV侧10kV侧110kV侧表4-1 各侧最大持续工作电流结果电压等级（kV）1103510最大持续工作电流(kA)0.3450.880.7194.2 短路计算 短路电流计算的目的（1）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。（2）为了保证电力系统安全运行，在设计选择电气设备时，都要用可能流经该设备的最大短路电流进行热稳定校验和动稳定校验，以保证该设备在运行中能够经受住突发短路引起的发热和电动力的巨大冲击。（3）为了尽快切断电源对短路点的供电，继电保护装置将自动地使有关断路器跳闸。为了合理配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，需进行短路计算。 短路电流计算的一般规定（1）应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划，一般为本期工程建成后510年。（2）确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应仅按在切换过程中可能并列运行的接线方式。（3）在各种短路类型中应选短路类型最严重的情况，一般按照三相短路进行计算。（4）在正常接线方式时通过设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。（5）在工程设计中，短路电流计算一般采用实用计算，即在一定的假设条件下算出短路电流的各个分量。 短路计算基本假设（1）正常工作时，三相系统对称运行；（2）所有电源的电动势相位角相同；（3）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；（4）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；（5）元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；（6）系统短路时是金属性短路。4.3 短路计算步骤所选出的SFSZ9-50000/110型变压器参数。=10.5=17.8=6.5取基准容量为：SB=100MVA，基准电压为UB=Uav又依公式（4-3）和（4-4） （4-3） （4-4）各侧平均额定电压分别为 10.5kV 37kV 115kV变压器各侧阻抗标幺值为当系统容量设计时计算值为500MVA，短路电流的计算系统的等值网络如图4-1所示，因为本设计仅有系统侧有电源，并且两台变压器型号相同，各侧的阻抗标幺值也相同，可以对变压器各侧阻抗进行相应化简，进而对等值电抗图进行相应的化简，得到如图4-2所示的等值电路图。图4-1 系统等值电抗图图4-2 系统化简图化简后，图中阻抗的标幺值如下所示：35kV侧短路时，f3处短路时，等值电路图如下所示：图4-3 35kV侧短路系统等值电抗图短路电流基准值短路电流标幺值短路电流有名值冲击电流短路容量电流最大有效值10kV侧短路时f2短路时图4-4 10kV侧短路系统等值电抗图短路电流基准值短路电流标幺值短路电流有名值冲击电流短路容量电流最大有效值110kV侧短路时图4-5 110kV侧短路系统等值电抗图f 1短路时短路电流基准值短路电流标幺值短路电流有名值冲击电流短路容量电流最大有效值4.4 短路电流计算结果表4-2 短路计算结果短路点标号短路点电压(kV)短路电流基准(kA)短路电流标幺值短路电流有名值(kA)短路电流冲击值(kA)短路电流最大有效值(kA)短路容量MVAf11100.5026.673.3488.5235.055637.880f2105.53.86121.23654.5832.066367.818f3351.563.0494.75612.1077.182288.3174.5 本章小结短路是电力系统的严重故障，会破坏电力系统的稳定性，使系统的电压降低，回路电流增加，影响对用户的正常供电并破坏电气设备。本章短路电流计算的目的是为了后续章节中选择导体和电器，并进行有关的校验。因此，在变电站以及整个电力系统的设计和运行中，都必须对短路电流进行计算。本次短路计算首先对系统的等值电路图进行化简，选择相应的短路点，再利用标幺值的方法求出相应的短路电流值，计算结果将作为设备校验的重要依据。5 电气设备的选择5.1 电气设备的选择原则电气装置中的电气设备和载流导体，在正常运行和短路状态时，都必须安全可靠地运行，因此必须正确地选择电气设备和载流导体才能保证电气装置的可靠性和经济性。各种电气设备选择的基本要求是：先按正常工作条件选择设备，然后按短路条件校验其热稳定和动稳定。电气设备与载流导体的设计，必须执行国家有关的技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和为今后扩建留有一定的余地。电气设备选择的一般要求包括：（1）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要；（2）应按当地环境条件校核；（3）应力求技术先进和经济合理；（4）选择导体时应尽量减少品种；（5）扩建工程应尽量使新老电器型号一致；（6）选用的新产品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格；（7）按短路条件来校验热稳定和动稳定；（8）验算导体和110kV以下电缆短路热稳定时，所有的计算时间，一般采用主保护的动作时间加相应的断路器全分闸时间；而电器的计算时间一般采用后备保护动作时间加相应的断路器全分闸时间；断路器全分闸时间包括断路器固有分闸时间和电弧燃烧时间。5.2 电气设备和载流导体选择的一般条件（1）按正常工作条件选择额定电压：所选电气设备和电缆的最高允许工作电压UN，不得低于装设回路的最高运行电压UNS即UNUNS（5-1）额定电流：所选电气设备的额定电流IN，或载流导体的长期允许电流Iy，不得低于装设回路的最大持续工作电流Imax 。计算回路的最大持续工作电流Imax 时，应考虑回路在各种运行方式下的持续工作电流，选用最大者。INImax（5-2）（2）按照短路状态校验热稳定校验：如果电气设备散热能力不够，巨大的短路电流产生的巨大热量可能要损坏许多昂贵的电气设备。因此，必须校验所选电气设备承受短路发热的能力。通常制造厂直接给出设备的热稳定电流It，及允许持续时间t。热稳定条件为（5-3）（5-4）（5-5）式中：设备允许承受的热效应；所在回路的短路电流热效应；短路电流存在的等效时间；tpr后备保护动作时间；tab断路器全开段时间。动稳定校验：如果电气设备不够坚固，巨大的短路电流产生的巨大电动力可能要损坏许多昂贵的电气设备。因此，必须校验所选电气设备承受短路电动力的能力。制造厂一般直接给出定型设备允许的动稳定峰值电流ies，动稳定条件为:（5-6）式中：ies设备允许的动稳定电流峰值； ish短路时动稳定电流峰值。（3）短路校验时短路电流的计算条件：为保证设备在短路时的安全性，用与校验热稳定、动稳定和开断能力的短路电流，需是实际通过该设备的的最大短路电流。计算条件可以归纳为以下几个方面：短路的种类一般按三相短路校验；所用短路电流其容量应按具体工程的设计规划容量计算，并应考虑电力系统的远景发展规划；计算电路应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列的接线方式；对于发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统、自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路更严重时，应按严重情况校验。5.3 断路器的选择高压断路器是变电站中重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和开断负荷电流，在变电站电气主接线中，还担任改变主接线的运行方式的任务，故障时，断路器通常以继电保护的方式配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。（1）断路器的种类选择按照灭弧介质的不同，变压器可分为油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、SF6断路器。根据结构特点，技术性能特点，运行维护特点，等要求选择其种类及型式，由于真空断路器、SF6断路器比少油断路器，维护工作量更少，可靠性更好，灭弧性能更高，目前得到普遍推广，故本站110kV采用SF6断路器，35kV和10kV采用真空断路器。（2）断路器选择的一般条件断路器选择除了按照电气设备选择的一般条件进行选择，还应进行额定开断电流的选择。额定开断能力的选择考虑到实际情况，为使变压器安全可靠地开断短路电流，应满足以下条件：（5-7）式中：断路器的额定开断电流，kA；次暂态短路电流有效值，kA。5.3.1 110kV侧断路器的选择变压器的最大工作电流额定电压选择额定电流选择 开断电流选择 在本设计中110KV侧断路器采用SF6高压断路器，因为与传统的断路器相比SF6高压