110KV降压变电站电气一次部分初步设计

一、变电站的作用

1.变电站在电力系统中的地位

电力系统是由变压器、输电线路、用电设备组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。电力系统中的这些互联元件可以分为两类，一类是电力元件，它们对电能进行生产（发电机）、变换（变压器、整流器、逆变器）、输送和分配（电力传输线、配电网），消费（负荷）；另一类是控制元件，它们改变系统的运行状态，如同步发电机的励磁调节器，调速器以及继电器等。

2.电力系统供电要求

（1）保证可靠的持续供电：供电的中断将使生产停顿，生活混乱，甚至危及人身和设备的安全，形成十分严重的后果。停电给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失。因此，电力系统运行首先足可靠、持续供电的要求。

（2）保证良好的电能质量：电能质量包括电压质量，频率质量和波形质量这三个方面，电压质量和频率质量均以偏移是否超过给定的数来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定电压的正负5%，给定的允许频率偏移为正负—%HZ等，波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。

（3）保证系统运行的经济性：电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗占的比重约为1/3 ，而且在电能变换，输送，分配时的损耗绝对值也相当可观。因此，降低每生产一度电能损耗的能源和降低变换，输送，分配时的损耗，又极其重要的意义。

二、变电站与系统互联的情况

1.待建变电站基本资料

（1）待建变电站位于城郊，站址四周地势平坦，站址附近有三级公路，交通方便。

（2）该变电站的电压等级为110KV,35KV,10KV三个电压等级。110KV是本变电站的电源电压，35KV，10KV是二次电压。

（3）该变电站通过双回110KV线路与100公里外的系统相连，系统容量为

1250MVA，系统最小电抗（即系统的最大运行方式）为 （以系统容量为基准），系统最大电抗（即系统的最小运行方式）为 。

和10KV负荷统计资料

35KV和10KV用户负荷统计资料如表1-1,1-2所示，最大负荷利用小时为Tmax=5500h,同时率取，线损率取5%，功率因数取。

线路每相每公里电抗值X0=Ω/km 基准电压 UB取各级的平均电压，平均电压为 额定电压。

（1）35KV部分的最大负荷

电压等级 35KV 表1-1

负荷名称 炼钢厂 901线 容量（MW） 负荷性质 1 1 线路 架空线路 架空线路 距离（KM） 15 12 （2）10KV部分的最大负荷

电压等级 10KV 负荷名称 机械厂 饲料厂 炼油厂 糖厂 市政 面粉厂 容量（MW） 2 负荷性质 3 3 2 2 3 3 线路 架空线路 架空线路 架空线路 架空线路 架空线路 架空线路 距离（KM） 2 表1-2

三、电气主接线设计及主变压器的选择

1.变电站电气主接线的设计原则

①接线方式：对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能采用断路器较少的或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥型接线等。在110—220kV 配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥型接线，当出线不超过4 回时，一般采用单母线接线，在枢纽变电站中，当110—220kV 出线在4 回及以上时，一般采用双母线接线。在大容量变电站中，为了6—10kV 出线上的短路电流，一般可采用下列措施：1）变压器分列运行；2）在变压器回路中装置电抗器；3）采用低压侧为绕组的变压器；4）出线上装设电抗器。 ②断路器的设置：根据电气接线方式，每回线路均应设有相应数量的断路器，用以完成切、合电路任务。 ③为正确选择接线和设备，必须进行逐年各级电压最大最小有功和无功电力负荷的平衡。

2.主变压器的选择

主变容量一般按变电站建成近期负荷5～10 年规划选择，并适当考虑远期10～15 年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，从长远利益考虑，根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合确定。在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。 1） 相数：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。因为单相变压器组相对投资大，占地多，运行损耗也较大。同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。

2）绕组数与结构：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、自耦式及低压绕组式等型式。在发电厂或变电站中采用三绕组变压器一般不多于3 台，以免由于增加了中压侧引线的构架，造成布置的复杂和困难。

3）绕组接线组别：变压器三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。电力系统采用的绕组连接有星形“Y”和三角形“D”。在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列以要求3 次谐波对电源等因素。根据以上原则，主变一般是Y，D11 常规接线。

4）调压方式：为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内，通过主变的分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数。从而改变其变比，实现电压调整。通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压。因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220kV 及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况时使用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况定。

5）冷却方式：电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，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、强迫油循环导向冷却。根据以上变压器选择原则，结合原始资料提供的信息，分析后决定本变电站用2台三相三绕组的变压器，并采用YN，yn0,d11接线。 由原始资料可知，P10=，P35= MW

设负荷同时率系数K1取，线损平均取5%，即K2=，功率因数cosφ取。 则10kV 和35kV 的综合最大负荷分别为：

S10MAX=K1K2P10/cosφ=××÷=（MVA） S35MAX=K1K2P35/cosφ=××÷=（MVA）

每台变压器额定容量为：

SN==（S10MAX+S35MAX）=×（+）=（MVA）

由此查询变电站设计参考资料选得的变压器参数如下表： 型号及容量 额定电压 损耗（KW） 阻抗电压（%） 空载 KVA 高/中/低KV 空 短路 电流 载 高-中 高-低 中-低 高-中 高-低 中-低 （%） SFSL-10000/100 121/11 17 91 17 6 17 6 检验： 当一台主变不能正常工作时， 只有一台主变工作且满载则， S1=10000KVA,占总负荷的百分比为10/=68%，且还未计及变压器事故过负荷

40%的能力，所以所选变压器满足要求。

3.电器主接线选择（单母线分段接线方式）

优点：①、用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；②、当一段母线故障时，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电，故障时停电范围小，供电的可靠性提高；③、扩建时需向两个方面均衡扩建；④、接线简单清晰，操作方便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，为以后的发展和扩建奠定了基础。

缺点：①、当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时，该母线的回路都要在检修期间停电。②、当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越。

适用范围：适用于6～10kV 线路出线16 回及以下，每段母线所接容量不宜超过25MW。 电压等级 负荷名称 负荷性质 接线方式 进/出线回数 110kV 系统电源 单母线分段 进2回 2回 1 炼钢厂 出1回 35kV 1 901线 单母线分段 出1回 4回 备用 出2回 3 机械厂 出1回 3 饲料厂 出1回 2 炼油厂 出1回 10kV 2 糖厂 单母线分段 出1回 8回 3 市政 出1回 3 面粉厂 出1回 备用 出2回 四、短路电流计算

短路的危害：（1）通过故障点的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；（2）短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起他们的损坏或 缩短他们的使用寿命；（3）电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量；（4）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至整个系统瓦解。

1.本变电站短路电流计算

用标幺值进行计算，基准容量SB=100MVA，线路每相每公里电抗值X0=Ω/km 基准电压UB 取各级的平均电压，平均电压为 额定电压：

35 10 额定电压（KV） 110 37 平均电压（KV） 115 由于本变电站所用三绕组变压器为降压变压器，所以其各电压侧阻抗电压正好与变压器铭牌标示的相反，即： 阻抗电压% Ud1-2% Ud1-3% 17 Ud2-3% 6 系统等值网络图如下：

W2XTW122XT21XTXZ223XL1XsW3XL2XT12

其中，三绕组变压器电抗标幺值：

UT11%=UT21%=1/2（Ud1-2%﹢Ud1-3%﹣Ud2-3%）=×（﹢17﹣6）= UT12%=UT22%=1/2（Ud1-2%﹢Ud2-3%﹣Ud1-3%）=×（﹢6﹣17）=﹣

UT13%=UT23%=1/2（Ud2-3%﹢Ud1-3%﹣Ud1-2%）=×（6﹢17﹣）=

则：

XT11*=XT21*=UT11%/100·SB/SN=÷100×100÷10＝ XT12*=XT22*=0

XT13*=XT23*=UT13%/100·SB/SN=÷100×100÷10＝

线路的电抗标幺值：

XL1*=XL2*=X0·l·SB/UB2=×100×100÷1152=

系统电抗标幺值，由于要求三相短路电流，所以用最大运行方式下的系统电抗：

XT11XTXZ313XS*=XSmin·SB/SS=×100÷1250=

W2XTW122XT21XTK223XL1XsK1W3XL2XT12由此得到含短路点的等值网络简化图如下： 1）110kV 侧（K1 点）发生三相短路时：

等值网络图如下： Xs

此时短路点总电抗标幺值为： XT11XT13K3W1XLK1XΣ110*=XS*+XL*=+÷2= 电源对短路点的计算阻抗为：

XBS110=XΣ110*•SS/SB=×1250÷100=

通过查“水轮发电机运算曲线数字表”得：

I(0)“*= I(1)“*= I(2)“*= I(4)“*=

110kV 侧的基准电流为：

IB110=SB/UB110=100÷÷115=（kA）

短路电流有名值为：

I(0)“=I(0)“*·IB110=×=（kA） I(1)=I(1)·IB110=×=（kA）

“

“*

I(2)=I(2)·IB110=×=（kA） I(4)“=I(4)“*·IB110=×=（kA）

冲击电流为：

“

“*

icj=•I(0)“=×=（kA）

2）35kV 侧（K2 点）发生三相短路时：

等值网络图如下：

W1XsXLXT1XT2W2K2此时短路点总电抗标幺值为： XΣ35*=XS*+XL*+XT1*+XT2*=+÷2+（+0）/2=

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS35=XΣ35*•SS/SB=×1250÷100=>

当XBS> 时，求短路电流不用查表法，用倒数法：

I=I∞*=1/XBS35=1÷=

35kV 侧的基准电流为：

“*

IB35=SB/

“

“*

UB35=100÷÷37=（kA）

短路电流有名值为：

I=I·IB35=×=（kA）

冲击电流为：

icj=•I“=×=（kA）

3）10kV 侧（K3 点）发生三相短路时： 等值网络图如下：

W1XsXLXT1XT3W3K3此时短路点总电抗标幺值为：

XΣ10*=XS*+XL*+XT1*+XT3*=+÷2+（+）/2=

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS10=XΣ10*•SS/SB=×1250÷100=>

当XBS> 时，求短路电流不用查表法，用倒数法：

I=I∞*=1/XBS35=1÷=

10kV 侧的基准电流为：

“*

IB10=SB/

“

“*

UB10=100÷÷=（kA）

短路电流有名值为：

I=I·IB10=×=（kA）

冲击电流为：

icj=•I=×=（kA）

“

系统最大运行方式下的三相短路电流 短路点 0s 短路电 1s 短路电 2s 短路电 4s 短路电 稳态短路 冲击电流流（kA） 流（kA） 流（kA） 流（kA） 电流（kA） （KA） K1（110KV） K2（35KV） K3（10KV） 五、主要电气设备的选择

断路器及校验

目前，使用得最多的是少油断路器，六氟化硫断路器和空气断路器。

①、110KV 断路器选择：

1）电压

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥110kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

3）开断电流：

UN=÷÷110kV=77A

Idt≤Ikd。

Ikd≥

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥

由以上条件查“35~500kV 高压断路器技术数据表”选出断路器如下：

型号 额定电压（KV） 额定开断容量额定开极限通热稳态固有分电流（MVA） 端电流过电流电流闸时间（A） （KA） （KA） （KA） （S） 峰值 SW4-110/1000 110 1000 55 5s 21 合闸时间（S） 5）热稳定校验：I∞2tdZ≤It2t。

由上表，断路器分闸时间为，设过流保护动作时间2s，则t=+2=（s），β=I

∞

“

/I

=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=。

则：

I∞2tdZ=×=，It2t=212×5=2205＞

所以所选择的断路器满足要求。

②、35KV 断路器选择：

1）电压

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥35kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=÷

÷35kV=113A

3）开断电流：

Idt≤Ikd。

Ikd≥

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥

由以上条件查“35~500kV 高压断路器技术数据表”选出断路器如下：

型号 额定电压（KV） 额定开断容量额定开极限通热稳态固有分闸合闸时间电流（MVA） 端电流过电流电流时间（S） （S） （A） （KA） （KA） （KA） 峰值 DW6-35/400 35 400 19 4s 5）热稳定校验：I∞2tdZ≤It2t。

由上表，断路器分闸时间为，设过流保护动作时间2s，则t=+2=（s），

β=I/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得

tdZ=。

则：I∞2tdZ=×=，It2t=×4=＞

所以所选择的断路器满足要求。

“

③、10KV 断路器选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥10kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=÷

÷10kV=448A

3）开断电流：Idt≤Ikd。

Ikd≥

4）动稳定：Ich≤IMAX。

IMAX≥

型号 由以上条件查“10kV 高压断路器技术数据”选出断路器如下： 额定电压额定开断容量额定开极限通热稳态固有分闸合闸时间（KV） 电流（MVA） 端电流过电流电流时间（S） （S） （A） （KA） （KA） （KA） 峰值 SN10-10I/630 10 630 16 40 2s 16 5）热稳定校验：∞

I2tdZ≤It2t。

由上表，断路器分闸时间为，设过流保护动作时间2s，则t=+2=（s），β=I

“

/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=。

则：I∞2tdZ=×=，It2t=162×2=512＞ 所以所选择的断路器满足要求。

2.隔离开关

隔离开关选择技术条件与断路器相同。对 110kV，35kV 出线线路侧隔离开关选用带接地刀闸的。

①、110KV 隔离开关选择：

1）电压

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥110kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

3）开断电流：

UN=÷÷110kV=77A

Idt≤Ikd。

Ikd≥

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥

由以上条件查变电站设计参考资料选出户外隔离开关如下： 型号 额定电压（KV） 额定电流（A） 动稳定电流（KA） 热稳态电流（KA） GW4-110 110 600 50 5）热稳定校验：I∞2tdZ≤It2t。

由上表，隔离开关分闸时间为，设过流保护动作时间2s，则t=+2=（s），β=I

“

/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=。

则：I∞2tdZ=×=，It2t=212×5=2205＞ 所以所选择的隔离开关满足要求。

②、35KV 隔离开关选择：

1）电压

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥35kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

3）开断电流：

UN=÷÷35kV=113A

Idt≤Ikd。

Ikd≥

4）动稳定：

Ich≤IMAX。

IMAX≥

由以上条件查变电站设计参考资料选出户外隔离开关如下： 型号 额定电压（KV） 额定电流（A） 动稳定电流（KA） 热稳态电流（KA） GN2-35T 35 400 52 14（5s） 5）热稳定校验：I∞2tdZ≤It2t。

由上表，隔离开关分闸时间为，设过流保护动作时间2s，则t=+2=

（s），β=I

“

/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲

线可得tdZ=。

则：I∞2tdZ=×=，It2t=×4=＞ 所以所选择的隔离开关满足要求。

③、10KV 隔离开关选择：

1）电压Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

UN≥10kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

IN≥IgMAX=SZmax/

UN=÷

÷10kV=448A

3）开断电流：Idt≤Ikd。

Ikd≥

4）动稳定：Ich≤IMAX。

IMAX≥

由以上条件查变电站设计参考资料选出户外隔离开关如下： 型号 额定电压（KV） 额定电流（A） 动稳定电流（KA） 热稳态电流（KA） GN19-10XT 10 630 50 20（4s） 5）热稳定校验：∞

I2tdZ≤It2t。

由上表，隔离开关分闸时间为，设过流保护动作时间2s，则t=+2=（s），

β=I/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=。

“

则：I∞2tdZ=×=，It2t=162×2=512＞ 所以所选择的隔离开关满足要求。

3.母线选择与校验

软母线:110kV，35kV 配电装置的母线采用钢芯铝绞线。 硬母线:10kV 母线采用硬母线。

①、110KV 母线选择：

1）按最大工作电流选择导线截面 S：

IgMAX≤KθI Y ：

IgMAX=SZmax /Kθ取 ，则：

UN=÷÷110kV=77A

IY≥77÷=（A）

查“钢芯铝绞线长期允许载流量表”可选出导线： 导线型号：LGJ-95 导体最高允许温度 700 800 2)热稳定校验：

钢芯铝绞线长期允许载流量（A） 330 352 S≥Smin =I∞/C·

dZ =256÷87×

dZ

C 取 87，tdZ 取 ，I∞= 则： Smin =I∞/C·

=（mm 2）＜95mm2

所以所选择的母线满足要求。

②、35KV 母线选择：

1）按最大工作电流选择导线截面 S：

IgMAX≤KθIY：

IgMAX=SZmax /Kθ取 ，则：

UN=÷÷35kV=113A

IY≥113÷=（A）

查“钢芯铝绞线长期允许载流量表”可选出导线： 导线型号：LGJ-240 导体最高允许温度 700 800 2)热稳定校验：

钢芯铝绞线长期允许载流量（A） 610 613 S≥Smin =I∞/C·

dZ =2220÷87×

dZ

C 取 87，tdZ 取 ，I∞= 则： Smin =I∞/C·

=（mm 2）＜240mm2

所以所选择的母线满足要求。

③、10KV 母线选择：

1）按最大工作电流选择导线截面 S：

IgMAX≤KθIY：

IgMAX=SZmax /Kθ取 ，则：

UN=÷÷10kV=448A

IY≥448÷=（A）

查“钢芯铝绞线长期允许载流量表”可选出导线： 导体尺寸h×b（mm2）：单条平放63× 矩形铝导体长期允许载流量（A） 872 2)热稳定校验：

S≥Smin =I∞/C·

dZ =5400÷87×

dZ

C 取 87，tdZ 取 ，I∞= 则： Smin =I∞/C·

3)动稳定校验：

=（mm 2）＜63×=

σmax≤σy

σy 取 69×106pa

对单条矩形母线：

σmax =·ich 2·βL2 /（aw）×10-8pa

上式中ich=，L=，w=（m则：

3

），a=,β=1，b=，h=63mm。

σmax=××1×÷（×××）×10-8 =（pa） 可见σmax远小于σy。

所以所选择的母线满足要求。

4.电压互感器选择

由变电站设计参考资料可选出：

110KV：3×JDC-110

35KV：3×JDXN-35 配熔断器:RW9-35 10KV：3×JDZJ-10

5.电流互感器选择

由变电站设计参考资料可选出：

110KV：LCWD-110 35KV：LCWD-35W 10KV：LZZ1-10