变电站进行电气一次部分设计

摘要

由于电能不能大量储存，故发电厂生产电能和用户消耗是同时完成的，而大部分大型发电厂都远离用户，且发电厂生产的电能用户又不能直接使用，所以只有经过变电站这个中间环节对发电厂生产的电能通过变压器升压和高压输电线路输送再通过若干次降压后用户方可使用，学习和了解变电站的结构和运行对电力资源的可持续发展是很有必要的。

本次设计主要是对变电站进行电气一次部分的设计，通过对原始资料的分析，计算系统负荷，然后确定电气主接线，确定好电气主接线后选择变压器，之后再对短路电流进行计算，通过短路电流计算的结果选择电气设备。

关键词：变电站；电气主接线；电气设备

目录

1绪论 (1)

1.1选题意义 (1)

1.1.1 110KV变电站的发展现状与趋势 (1)

1.1.2 110kV变电所的研究背景 (1)

1.2原始资料及其分析 (1)

1.2.1原始资料 (1)

1.2.1原始资料分析 (2)

2设计任务 (3)

2.1变电站电气设计的主要内容 (3)

2.2变电所的总体分析及主变选择 (3)

2.3电气主接线的选择 (3)

3电气主接线设计 (4)

3.1对电气主接线的基本要求 (4)

3.1.1可靠性 (4)

3.1.2灵活性 (4)

3.1.3经济性 (5)

3.1.4电气主接线的基本原则 (5)

3.2各种接线形式 (5)

3.3电气主接线方案确定 (9)

3.3.1 10kV电气主接线 (9)

3.3.2 35kV电气主接线 (9)

3.3.3 110KV电气主接线 (10)

4变电所用电设计 (12)

4.1设计基本原则 (12)

4.2所用变容量型式的确定 (12)

4.3所用电接线方式确定 (12)

4.4备用电源自动投入装置 (13)

5主变压器选型 (15)

5.1变压器的选择 (15)

5.1.1变压器数量的选择 (15)

5.1.2变压器容量的选择 (15)

6短路电流的计算 (16)

6.1短路电流的概述 (16)

6.2短路类型 (16)

6.3短路计算步骤 (16)

7电气设备的选型 (17)

7.1主要电气设备选择基本原则 (17)

7.2按正常工作条件选择电气设备 (17)

7.3主要电气设备的选择 (18)

7.3.1主要电气设备的参数 (18)

7.3.2高压断路器的选择 (19)

7.3.3隔离开关的选择 (20)

7.3.4各级电压母线的选择 (21)

7.3.5电流互感器的配置和选择 (21)

7.3.6电压互感器的配置和选择 (22)

7.3.7各主要电气设备选择结果一览表 (24)

8设计成果 (25)

总结 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

1绪论

1.1选题意义

1.1.1 110KV变电站的发展现状与趋势

随着我国小城市和西部地区经济的不断发展，对电能资源的要求也越来越高，西部主要是高原地带，在高海拔的条件下，农村现有的变电技术远达不到经济的快速发展，这也在一定程度上影响了西部地区和中小城市变电技术的推广和应用技术的深化。因此，一方面需要创造条件有针对性地提高对小城市以及农村的变电站的建设，加强专业知识的培训来提高变电技术；另一方面，可以以此为媒介积极开展技术交流，通过实践去体验、探索。

当今世界各方面因素正冲击着全球电力工业，在国外变电所技术有十分剧烈的竞争，而世界范围内的变电所都采用了新技术; 其次，不同的环境要求给所有的电力供应商增加了额外的责任，使电力自动化设备尤其是高压大功率变电站的市场开发空间大大拓展。另外高压变电所的最终用户对变电站的自动控制、节能、环保意识越来越强烈，迫使其上游提供者尤其是系统集成商更加重视地区性电能分配技术方面的需要，所以变电所在世界上飞速的发展，从而要求我国变电技术。

1.1.2 110kV变电所的研究背景

110kV变电所是电力配送的重要环节，也是电网建设的关键环节。变电所设计质量的好坏，直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，为满足城镇负荷日益增长的需要，提高对用户供电的可靠性和电能质量。

1.2 原始资料及其分析

1.2.1原始资料

变电所类型：地方降压变电所

1.电压等级：110/35/10kV

2.负荷情况：

（1）变电所用电率：2%

（2）10kV侧负荷：最大20MW，最小15MW，年最大利用小时数5000小时， Cosα=0.85，其中70%负荷为一、二类负荷；

（3）35kV侧负荷：最大36MW，最小30MW，年最大利用小时数5000小时，Cosα=0.85，其中70%负荷为一、二类负荷。

3.出线回路：

（1）35kV系统：出线6回；

（2）10kV系统：出线8回。

4.系统情况：

（1）110kV系统进线两回；

（2）系统总容量1500MVA。

5.环境条件：

（1）当地年最高温度35度，年最低温度-15度，最热月平均温度22度；

（2）当地海拔高度850米，年雷暴日数为40日；

（3）土壤电阻率：ρ<400欧米。

1.2.1原始资料分析

要设计的变电站由原始资料可知有110千伏，35千伏，10千伏三个电压等级。由于该变电所所承担的主要为一、二类负荷，因此对系统供电的可靠性要求较高。初期投入两台变压器，当一台故障或检修时，另一台主变压器的容量应能满足该站总负荷的60%，并且在规定时间内应满足一、二级负荷的需要。变电站，改变电压的场所。为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，必须把电压升高，变为高压电，到用户附近再按需要把电压降低，这种升降电压的工作靠变电站来完成。变电站的主要设备是开关和变压器。按规模大小不同，小的称为变电所。变电站大于变电所。变电所：一般是电压等级在110KV以下的降压变电站；变电站：包括各种电压等级的“升压、降压”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。变电站在特定的环境中；是将AC— DC—AC转换过程。像海底输电电缆以及远距离的输送中。有些采用高压直流输变电形式。直流输电克服交流输电的容抗损耗。具有节能效应。变电站的主要设备和连接方式，按其功能不同而有差异。

2设计任务

2.1变电站电气设计的主要内容

变电站是电力系统的重要组成部分。变电所电气一次部分设计包括变电所总体分析、主变选择、电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选择、配电装置和总平面设计等。

2.2变电所的总体分析及主变选择

本变电所的电压等级为110kV，其地位处于地区网络的中间位置，高中压侧同时接收和交换功率，供35kV负荷和附近10kV负荷，属于一般降压变电所。变压器是变电站的重要设备，其容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置结构，如选用适当不仅可减少投资，减少占地面积，同时也可减少运行电能损耗，提高运行效率和可靠性，改善电网稳定性能。

2.3电气主接线的选择

电气主接线是发电厂、变电所电气设计的首要部分，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发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备的选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响，因此，必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素,通过技术经济比较,合理确定主接线方案。

3电气主接线设计

3.1对电气主接线的基本要求

电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电气系统的主要部分。电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线。由于本设计的变电站有三个电压等级，所以在设计的过程中首先分开单独考虑各自的母线情况，考虑各自的出线方向。论证是否需要限制短路电流，并采取什么措施，拟出几个把三个电压等级和变压器连接的方案，对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。

现代电力系统是一个巨大的、严密的整体。各类发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电、变电和配电的任务。其主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电站和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民日常生活。因此，发电厂、变电站主接线必须满足以下基本要求。根据变电所的性质和所在系统中的地位和作用不同，对变电所的主接线可靠性宜提出不同的要求。

主接线的可靠性是接线方式一次、二次设备可靠性的综合。对主接线可靠性可以作定量的计算，但需要各种设备的可靠性指标、各级线路、母线故障率等原始依据。一般情况下，在主接线设计时缺乏准确的可靠性计算所需的原始资料，而且计算方法各异，也不成熟，故通常不作定量计算，及时进行了可靠性计算，其结果也只做参考。通常采用定性分析来比较各种接线的可靠性，对电气主接线的基本要求，概括地说包括可靠性、灵活性和经济性三方面。

3.1.1可靠性

安全可靠是主接线的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。电气主接线的可靠性不是绝对的。所以在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备的制造水平及运行经验等诸多因素。

（1）断路器停电检修时，对供电的影响程度。

（2）进线或出线回路故障，断路器拒动时，停电范围和停电时间。

（3）母线故障或母线检修时，停电范围和停电时间。

（4）母线联络断线器或母线分段断路器故障的停电范围和停电时间。

3.1.2灵活性

电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活的进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：

（1）满足调度正常操作灵活的要求，调度员根据系统正常运行的需要，能方便、灵活地切除或投入线路、变压器或无功补偿装置，是电力系统处于最经济、

最安全的运行状态。

（2）满足输电线路、变压器、开关设备停电检修或设备更换方便灵活的要求。设备停电检修引起的操作，包括本站内的设备检修和系统相关的厂、站设备检修引起的站内的操作是否方便灵活。

（3）满足接线过度灵活。一般变电所都是分期建设的，从初期接线到最终接线的形成，中间要经过多次扩建。主接线设计要考虑接线过渡过程中停电范围最少，停电时间最短，一次、二次设备接线的改动最少，设备的搬迁最少或不进行搬迁。

（4）满足处理事故的灵活性。变电所内部或系统发生故障后，能迅速地隔离故障部分，尽快恢复供电操作的方便和灵活性，保障电网的安全稳定。

3.1.3经济性

在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。通常设计应满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要通过以下几个方面考虑：

（1）节省一次投资。如尽量多采用轻型开关设备等。

（2）占地面积少。由于本变电站占用农田所以要尽量减少用地。

（3）电能损耗小。电能损耗主要来源变压器，所以一定要做好变压器的选择工作另外主接线还应简明清晰、运行维护方便、使设备切换所需的操作步骤少，尽量避免用隔离开关操作电源。

3.1.4电气主接线的基本原则

电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准则，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各种技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节省投资，就地取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则

3.2各种接线形式

(1)变压器一线路组接线如图3.1是一台变压器与一条线路构成一个接线单元。

优点：变压器—线路组接线是最简单的接线方式，设备最少、高压配电装置简单、占地面积小、本回路故障对其它回路没有影响。

缺点：可靠性不高；线路故障或检修时，变压器停运；变压器故障或检修路停运。

图3.1变压器线路组接线

(2)桥接线当有两个变压器—线路接线的回路时，在其中加一连桥，如图3.2则成为桥型接线。

优点：内桥的优点是连接桥断路器接在线路断路器的内侧，线路的投入和切除比较方便，当线路发生故障时，仅线路断路器都断开，不影响其它回路的运行。外桥的优点外桥接线只能用于线路短、检修和故障少的线路中。在变电所中有穿越功率经过时也采用外侨。

缺点：内桥的缺点当变压器发生故障时，与该台变压器相连的两台断路器都断开，从而影响了一回未发生故障线路的运行。外桥的缺点当线路发生故障时需动作与之相连的两台断路器，从而影响一台为发生故障的变压器的运行。

图3.2桥型接线

（3）单母线接线，如图3.3单母线接线是一条汇流母线，电源线和负荷线均通过一台断路器接到母线上。

优点：接线简单、清晰，采用设备少、造价低、操作方便、扩建容易。

缺点：可靠性不高，担任一连接组件故障，断路器拒动或母线故障，将造成整个配电装置全停，母线或母线隔离开关检修，整个配电装置亦将全停。

图3.3单母线接线

（4）单母线分段接线，单母线分段用断路器将母线分段，分段后母线和母线隔离开关可分段轮流检修，如图3.4所示。

优点：这种接线形式简单、清晰，采用设备少，操作方便、扩建容易，可靠性高。

缺点：当分段断路器故障时，整个配电装置会全停母线和母线隔离开关检修时，该段母线上连接的组件都要在检修期内停电。

图3.4单母线分段接线

（5）双母线接线，如图3.5这种接线形式每一组件通过一台断路器和两组隔离开关连接到两组母线上，两组母线通过联络断路器连接。

优点：灵活性可靠性高，运行和调度灵活，扩建方便。

缺点：增加一条母线和母线隔离开关，增加了设备及相应的构支架，加大了配电装置的占地和工程投资；母线和母线隔离开关检修时，倒闸操作复杂，容易发生误操作。

图3.5双母线接线

（6）带旁路母线的母线制接线，带旁路的母线的接线可分为单母线带旁路、单母线分段带旁路、双母线带旁路、双母线分段带旁路，如图3.6为带旁路母线的母线制接线。

优点：解决了断路器和保护装置检修不停电的问题。

缺点：增加了配电装置的设备，增加了占地，也增加了工程投资旁路断路器代替各回路断路器的倒闸操作复杂，容易产生误操作，酿成事故。

如图3.6带旁路母线的母线制接线

3.3电气主接线方案确定

3.3.1 10kV电气主接线

根据资料显示,由于10kV的出线为9回，其中所用电2回，且有一类负荷，可以初步选择以下两种方案：

（1）6～10kV配电装置出线回路数目为6回及以上时，可采用单母线分段接线。如图3.7所示。

图3.7 10KV侧单母线分段接线

（2）如图3.7双母线接线一般用于引出线和电源较多，输送和穿越功率较大，要求可靠性和灵活性较高的场合。

图3.8 10KV侧双母线接线

经过综合比较方案1在经济性上比方案2好，且调度灵活也可保证供电的可靠性，在根据此变电站的用途，所以选用方案1。

3.3.2 35kV电气主接线

根据资料显示,由于35kV的出线为4回，一类负荷较多，可以初步选择以下

两种方案：

电压等级为35kV～60kV，出线为4～8回，可采用如图3.9单母线分段接线，也可采用如图3.10双母线接线。

图3.9 35KV侧单母线分段接线

图3.10 35KV侧双母线接线

虽然方案Ⅰ可靠性、灵活性不如方案Ⅱ，但其具有良好的经济性。鉴于此电压等级不高，可选用投资小的方案Ⅰ

3.3.3 110KV电气主接线

根据资料显示，由于110kV没有出线只有2回进线，可以初步选择以下两种方案：

（1）桥行接线,根据资料分析此处应选择内桥接线。

上述两种方案如图3.11及图3.12所示。

图3.11 110KV侧桥型接线

（2）单母分段接线。

图3.12 110KV侧单母线分段接线

经比较两种方案都具有接线简单这一特性。虽然方案Ⅱ可靠性、灵活性不如方案Ⅰ，但其具有良好的经济性。可选用投资小的方案Ⅱ。

4变电所用电设计

4.1设计基本原则

变电所的所用电是变电所的重要负荷，因此，在所用电设计时应按照运行可靠、检修和维护方便的要求，考虑变电所发展规划，妥善解决因建设引起的问题，积极慎重地采用经过鉴定的新技术和新设备，使设计达到经济合理，技术先进，保证变电所安全，经济的运行。

（1）满足正常运行时的安全,可靠,灵活,经济和检修,维护方便等一般要求。

（2）尽量缩小所用电系统的故障影响范围,并尽量避免引起全所停电事故。

（3）充分考虑变电所正常,事故,检修,起动等运行下的供电要求,切换操作简便。

4.2 所用变容量型式的确定

站用变压器的容量应满足经常的负荷需要，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台所变压器停运时，其另一台变压器容量就能保证全部负荷的60～70%。由于S站=60kVA且由于上述条件所限制。所以，两台所变压器应各自承担30kVA。当一台停运时，另一台则承担70%为42kVA，故选两台50kVA的主变压器就可满足负荷需求。考虑到目前我国配电变压器生产厂家的情况和实现电力设备逐步向无油化过渡的目标，可选用干式变压器。

4.3 所用电接线方式确定

所用电的接线方式，在主接线设计中，选用为单母分段接线选两台所用变压器互为备用，每台变压器容量及型号相同，并且分别接在不同的母线上，如图4.1所示。

图4.1所用电接线方式

4.4 备用电源自动投入装置

1.备用电源自动投入装置目标：为消除或减少损失，保证用户不间断供电。

（1）BZT定义：当工作电源因故障被断开以后，能迅速自动的将备用电源投入或将用电设备自动切换到备用电源上去，使用户不至于停电的一种自动装置简称备自投或BZT装置。有双电源供电的变电所和配电所，其中一个电源经常断开作为备用。降压变电所内装有备用变压器和互为备用的母线段。

（2）生产过程中某些重要的备用机组采用BZT的优点：提高供电的可靠性节省建设投资，简化继电保护装置，限制短路电流，提高母线残压。

2.BZT装置应满足的基本要求：

（1）工作母线突然失压，BZT装置应能动作。

（2）工作电源先切，备用电源后投。

（3）判断工作电源断路器切实断开，工作母线无电压才允许备用电源合闸。

（4）BZT装置只动作一次，动作是应发出信号。

（5）BZT装置动作过程应使负荷中断供电的时间尽可能短。

（6）备用电源无压时BZT装置不应动作。

（7）正常停电时备用装置不启动。

（8）备用电源或备用设备投入故障时应使其保护加速动作。

BZT装置应由低电压启动部分和自动重合闸部分组成，低电压启动部分是监视工作母线失压和备用电源是否正常；自动重合闸部分在工作电源的断路器断开后，经过一定延时间将备用电源的断路器自动投入。变电所BZT装置设计如图4.2所示。

图4.2 变电所BZT装置设计

3.变电所BZT装置工作过程：

（1）110kV侧BZT：当某一条110kV母线故障导致母线失压，故障侧断路器切断工作电源，非故障侧母线与桥型母线上BZT动作，将故障侧设备自动切换到非故障侧。

（2）35kV侧BZT:当某一条35kV母线故障导致母线失压，故障侧断路器切断工作电源，BZT动作，将故障侧设备自动切换到非故障侧。

（3）10kV侧、所用电BZT：当某一条10kV母线或所用电母线故障导致母线失压，故障侧断路器断开，BZT动作，母联断路器合闸，将故障侧负荷切换到非故障侧。

5主变压器选型

5.1变压器的选择

5.1.1变压器数量的选择

由于变电所在城市近郊，其主要向城市及其郊区的企业供电。可以认为该地区一、二级负荷较多，为了满足供电可靠性，应采用两台变压器供电。

5.1.2 变压器容量的选择

变压器容量选择时需要注意的几个问题：

1.变电站运行需要消耗电能，故厂用电取为5%。

2.由于两台变压器互为暗备用，当一台变压器故障或检修时，另一台变压器承担负荷取为70%。

3.为了适应城市发展和调整的需要，变压器容量应保留15%～25%的裕量，此处取为20%。

4.由于所有负荷大多数情况下不会同时工作，故取同期系数为0.9。变压器容量可按公式计算，通过综合分析，110kV变电站变压器应采用两台完全相同的有载调压三绕组电力变压器，变压器容量为31500kVA。查《35-110kV变电所设计规范》选择：SFSZ7—31500/110型号的变压器。其技术参数如下表

5.1所示。

表5.1各主要电气设备选择结果一览表

6短路电流的计算

6.1短路电流的概述

电力系统不可避免会发生短路事故。电力系统简单短路故障共有四种类型：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。其中三相短路又称为对称短路，其它三种类型的短路都称为不对称短路。电力系统的运行经验表明，单相接地短路发生的几率最大，约占70%左右；两相短路较少；三相短路发生的几率最少。三相短路发生的几率虽然少，但后果较严重，所以要给以足够的重视，况且，从短路计算的方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量法以后，都归结为对称短路的计算。因此对三相短路电流的研究具有重要的意义，一般情况下三相短路电流大于两相和单相短路电流。三相短路时，由于短路回路中各相的阻抗相等，尽管三相的短路电流比正常时的电流大，幅度增大，电压也比正常时急剧降低，但三相仍然保持对称，故称之为对抗短路，在计算短路电流时，通常把电源容量视为无穷大的电力系统，在这样的系统中，当某处发生短路时，电源电压维持不变，即短路电流周期分量在整个短路过程中不衰减。

6.2短路类型

短路故障分为对称短路和不对称短路。三相短路是对称短路，造成的危害最为严重，但发生的机会较少。其它的短路都是不对称短路，其中单相短路发生的机会最多，约占短路总数中的70％以上。所以在做短路计算时，选择危害最严重的三相短路。

6.3短路计算步骤

通常三相短路电流产生的热效应和力效应最大，所以只对三相短路短路电流进行计算。其计算步骤如下：

（1）根据原始资料画出电力系统主要设备图。

（2）综合分析，确定可能产生最大短路电流的短路点。

（3）计算各电气元件的电抗标幺值，同时画出等效电路图。

（4）简化等效电路图，求出各个电源对短路点的等效电抗标幺值。

（5）根据电抗标幺值查运算曲线表，求出不同时刻各短路点的短路电流。

7电气设备的选型

7.1主要电气设备选择基本原则

由于电气设备和载流导体得用途及工作条件各异,因此它们的选择校验项目和方法也都完全不相同。但是，电气设备和载留导体在正常运行和短路时都必须可靠地工作，为此，它们的选择都有一个共同的原则。

电气设备选择的一般原则为：

（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。

（2）应满足安装地点和当地环境条件校核。

（3）应力求技术先进和经济合理。

（4）同类设备应尽量减少品种。

（5）与整个工程的建设标准协调一致。

（6）选用的新产品均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格的特殊情况下选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准。

（7）技术条件如图7.1所示。

表7.1技术条件列举

7.2按正常工作条件选择电气设备

（1）额定电压：

在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压U N不低于装置地点电