110KV降压变电站电气一次部分初步设计

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0.2—0.5%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 0.2（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 0.3。

Word 资料

.

2.35KV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0.9，线损率取5%，功率因数取0.95。

线路每相每公里电抗值X0=0.4Ω/km 基准电压 UB取各级的平均电压，平均电压为 1.05 额定电压。

（1）35KV部分的最大负荷 电压等级 35KV 负荷名称 炼钢厂 901线 容量（MW） 负荷性质 4.2 2.7 表1-1 线路 架空线路 架空线路 距离（KM） 15 12 1 1 （2）10KV部分的最大负荷 电压等级 负荷名称 容量负荷性质 线路 距离（KM） （MW） 10KV 机械厂 饲料厂 炼油厂 糖厂 市政 面粉厂 1.2 0.9 2 1.3 1.1 1.3 表1-2 3 3 2 2 3 3 架空线路 架空线路 架空线路 架空线路 架空线路 架空线路 1.3 2.2 1.6 2 1.1 1.7 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

Word 资料

.

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

Word 资料

.

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。

设负荷同时率系数K1取0.9，线损平均取5%，即K2=1.05，功率因数cosφ取0.95。

则10kV 和35kV 的综合最大负荷分别为：

由原始资料可知，P10=7.8MW，P35=6.9 MW

S10MAX=K1K2P10/cosφ=0.9×1.05×7.8÷0.95=7.76（MVA）

S35MAX=K1K2P35/cosφ=0.9×1.05×6.9÷0.95=6.86（MVA）

每台变压器额定容量为：

SN=0.6SM=0.6（S10MAX+S35MAX）=0.6×（6.86+7.76）=8.772（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 KVA 额定电压 高/中/低KV 空 损耗（KW） 短路 阻抗电压（%） 空载 载 高-中 高-低 中-低 高-中 高-低 中-低 电流 （%） SFSL-10000/100 121/38.5/11 17 91 .6 88.7 69.3 69.7 17 10.5 10.5 17 6 6 1.5 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10/14.62=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

Word 资料

.

超过25MW。 电压等级 110kV 35kV 负荷名称 系统电源 炼钢厂 901线 备用 机械厂 饲料厂 炼油厂 10kV 糖厂 市政 面粉厂 备用

负荷性质 1 1 3 3 2 2 3 3 接线方式 进/出线回数 2回 4回 出1回 单母线分段 出1回 出2回 出1回 出1回 出1回 单母线分段 出1回 出1回 出1回 出2回 8回 单母线分段 进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

X0=0.4Ω/km 基准电压UB 取各级的平均电压，平均电压为1.05 额定电压： 额定电压（KV） 平均电压（KV） 110 115 35 37 10 10.5 用标幺值进行计算，基准容量SB=100MVA，线路每相每公里电抗值

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% 10.5 Word 资料

Ud1-3% 17 Ud2-3% 6 .

系统等值网络图如下：

W2XTW122XT21XTXZ223XL1XsW3XL2XT12XT11XTXZ313

其中，三绕组变压器电抗标幺值：

UT11%=UT21%=1/2（Ud1-2%﹢Ud1-3%﹣Ud2-3%）=0.5×（10.5﹢17

﹣6）=10.75

UT12%=UT22%=1/2（Ud1-2%﹢Ud2-3%﹣Ud1-3%）=0.5×（10.5﹢6﹣

17）=﹣0.25 10.5）=6.25

则：

UT13%=UT23%=1/2（Ud2-3%﹢Ud1-3%﹣Ud1-2%）=0.5×（6﹢17﹣XT11*=XT21*=UT11%/100·SB/SN=10.75÷100×100÷10＝

1.075

XT12*=XT22*=0

XT13*=XT23*=UT13%/100·SB/SN=6.25÷100×100÷10＝

0.625

线路的电抗标幺值：

XL1*=XL2*=X0·l·SB/UB2=0.4×100×100÷1152=0.3025

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：

Word 资料

.

XS*=XSmin·SB/SS=0.2×100÷1250=0.016

由此得到含短路点的等值网络简化图如下：

W2XTW122XT21XTK223XL1XsK1W3XL2XT121）110kV 侧（K1 点）发生三相短路时：

等值网络图如下：

此时短路点总电抗标幺值为： 电源对短路点的计算阻抗为：

XT11XT13K3W1XsXLK1XΣ110*=XS*+XL*=0.016+0.3025÷2=0.16725 XBS110=XΣ110*•SS/SB=0.16725×1250÷100=2.09

通过查“水轮发电机运算曲线数字表”得： 110kV 侧的基准电流为：

I(0)“*=0.509 I(1)“*=0.525 I(2)“*=0.525 I(4)“*=0.525 IB110=SB/

UB110=100÷÷115=0.502（kA）

短路电流有名值为：

I(0)“=I(0)“*·IB110=0.509×0.502=0.256（kA） I(1)“=I(1)“*·IB110=0.525×0.502=0.2（kA）

Word 资料

.

I(2)“=I(2)“*·IB110=0.525×0.502=0.2（kA） I(4)“=I(4)“*·IB110=0.525×0.502=0.2（kA）

冲击电流为：

icj=2.55•I(0)“=2.55×0.256=0.653（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*=0.016+0.3025÷2+（1.075+0）

/2=0.70475

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS35=XΣ35*•SS/SB=0.70475×1250÷100=8.809>3.45

当XBS>3.45 时，求短路电流不用查表法，用倒数法： 35kV 侧的基准电流为： 短路电流有名值为： 冲击电流为：

I“*=I∞*=1/XBS35=1÷0.70475=1.4143 IB35=SB/UB35=100÷÷37=1.56（kA） I“=I“*·IB35=1.4143×1.56=2.213551（kA） icj=2.55•I“=2.55×2.213551=5.5（kA）

3）10kV 侧（K3 点）发生三相短路时：

等值网络图如下：

W1XsXLXT1XT3W3K3 Word 资料 .

此时短路点总电抗标幺值为：

XΣ10*=XS*+XL*+XT1*+XT3*=0.016+0.3025÷2+（1.075+0.625）

/2=1.017

电源对短路点的计算阻抗为：

XBS10=XΣ10*•SS/SB=1.017×1250÷100=12.716>3.45

当XBS>3.45 时，求短路电流不用查表法，用倒数法：

I“*=I∞*=1/XBS35=1÷1.017=0.983284

10kV 侧的基准电流为： 短路电流有名值为： 冲击电流为：

IB10=SB/UB10=100÷÷10.5=5.499（kA） I“=I“*·IB10=0.983284×5.499=5.40708（kA）

icj=2.55•I“=2.55×5.40708=13.78805（kA） 短路点 K1（110KV） K2（35KV） 系统最大运行方式下的三相短路电流 0.2 0.2 0.2 2.214 5.407 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）0.256 0.653 K3（10KV） 五、主要电气设备的选择 1. 断路器及校验

5.513.78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

UN≥110kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

3）开断电流：dt

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

I≤Ikd。

IN≥IgMAX=SZmax/UN=14.62MVA÷÷110kV=77A

Ikd≥0.256kA

4）动稳定：Ich≤IMAX。

Word 资料

.

IMAX≥0.6528kA

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） 额定电流（A） SW4-110/1000 110 2开断容量额定开极限通过电流峰值 热稳态电流5s 21 固有分闸时间合闸时（MVA） 端电流间（S）（KA） （KA） （KA） （S） 18.4 55 0.06 0.25 5）热稳定校验：I∞（s），β=I则：

“

tdZ≤It2t。 1000 由上表，断路器分闸时间为0.06s，设过流保护动作时间2s，则t=0.06+2=2.06

/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

I∞2tdZ=0.2562×1.67=0.109，It2t=212×5=2205＞0.109

所以所选择的断路器满足要求。

②、35KV 断路器选择：

1）电压

UN≥35kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

IN≥IgMAX=SZmax/UN=6.86MVA÷÷35kV=113A 3）开断电流：Idt≤Ikd。 Ikd≥2.22kA

4）动稳定：Ich≤IMAX。 IMAX≥5.65kA

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） 额定电流（A） DW6-35/400 35 400 开断容量额定开极限通过电流峰值 热稳态电流4s 6.6 0.1 0.27 固有分闸时间合闸时（MVA） 端电流间（S） （KA） （KA） （KA） （S） 6.6 19 5）热稳定校验：I∞2tdZ≤It2t。 Word 资料

.

由上表，断路器分闸时间为0.1s，设过流保护动作时间2s，则

t=0.1+2=2.1（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=1.67。

22

则：I∞tdZ=2.222×1.67=8.34，Itt=6.62×4=174.24＞8.34 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）。

3）开断电流：Idt≤Ikd。 Ikd≥5.4kA

4）动稳定：Ich≤IMAX。

IN≥IgMAX=SZmax/UN=7.76MVA÷÷10kV=448A

IMAX≥13.79kA

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（KV） 额定电流（A） SN10-10I/630 10 630 开断容量额定开极限通过电流峰值 热稳态电流2s 16 0.05 0.2 固有分闸时间合闸时（MVA） 端电流间（S） （KA） （KA） （KA） （S） 16 40 5）热稳定校验：∞dZ≤t。

由上表，断路器分闸时间为0.05s，设过流保护动作时间2s，则t=0.05+2=2.05（s），β=I则：I∞

2

“

I2tI2ttdZ=1.67。

/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得

tdZ=5.42×1.67=48.6972，It2t=162×2=512＞48.6972

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：

Word 资料

.

1）电压

UN≥110kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

3）开断电流：dt

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

I≤Ikd。

IN≥IgMAX=SZmax/UN=14.62MVA÷÷110kV=77A

Ikd≥0.256kA

4）动稳定：Ich≤IMAX。 IMAX≥0.6528kA

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 GW4-110 额定电压（KV） 额定电流（A） 动稳定电流（KA） 热稳态电流（KA） 25）热稳定校验：I∞（s），β=I

“

tdZ≤It2t。 110 600 50 15.8 由上表，隔离开关分闸时间为0.06s，设过流保护动作时间2s，则t=0.06+2=2.06

/I∞=1，通过查短路电流周期分量发热等值时间曲线可得tdZ=1.67。

2222

则：I∞tdZ=0.256×1.67=0.109，Itt=21×5=2205＞0.109

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

UN≥35kV

2）电流IgMAX（最大工作电流）≤IN（断路器额定电流）。

Ug（电网工作电压）≤UN（断路器额定电流）；

IN≥IgMAX=SZmax/UN=6.86MVA÷÷35kV=113A 3）开断电流：Idt≤Ikd。 Ikd≥2.22kA

4）动稳定：Ich≤IMAX。 IMAX≥5.65kA

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 GN2-35T 额定电压（KV） 额定电流（A） 动稳定电流（KA） 热稳态电流（KA） 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0.1s，设过流保护动作时间2s，则

Word 资料

.

t=0.1+2=2.1（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=1.67。

“

则：I∞tdZ=2.22×1.67=8.34，It所以所选择的隔离开关满足要求。

2

2

2

t=6.62×4=174.24＞8.34

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）。

3）开断电流：Idt≤Ikd。 Ikd≥5.4kA

4）动稳定：Ich≤IMAX。

IN≥IgMAX=SZmax/UN=7.76MVA÷÷10kV=448A

IMAX≥13.79kA

型号 GN19-10XT 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：

额定电压（KV） 额定电流（A） 动稳定电流（KA） 热稳态电流（KA） 5）热稳定校验：∞dZ≤t。

由上表，隔离开关分闸时间为0.05s，设过流保护动作时间2s，则

It210 It2630 50 20（4s） t=0.05+2=2.05（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=1.67。

22

则：I∞tdZ=5.42×1.67=48.6972，Itt=162×2=512＞48.6972

所以所选择的隔离开关满足要求。

3.母线选择与校验

1) 软母线:110kV，35kV 配电装置的母线采用钢芯铝绞线。 2) 硬母线:10kV 母线采用硬母线。

①、110KV 母线选择：

IgMAX=SZmax /UN=14.62MVA÷÷110kV=77A Kθ取 0.，则：

IY≥77÷0.=86.52（A）

Word 资料

1）按最大工作电流选择导线截面 S：gMAX≤

I

KθI Y ：

.

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：

C 取 87，tdZ 取 1.67，I∞=0.256kV 则： Smin =I∞/C·dZ =256÷87×=3.802585（mm 2）＜95mm2

所以所选择的母线满足要求。

S≥Smin =I∞/C·钢芯铝绞线长期允许载流量（A） 330 352 dZ

②、35KV 母线选择：

IgMAX=SZmax /UN=6.86MVA÷÷35kV=113A Kθ取 0.，则：

IY≥113÷0.=126.97（A）

查“钢芯铝绞线长期允许载流量表”可选出导线： 1）按最大工作电流选择导线截面 S：gMAX≤

I

KθIY：

导线型号：LGJ-240 导体最高允许温度 700 800 2)热稳定校验：

C 取 87，tdZ 取 1.67，I∞=2.22kV 则： Smin =I∞/C·dZ =2220÷87×=32.97544（mm 2）＜240mm2

所以所选择的母线满足要求。

S≥Smin =I∞/C·钢芯铝绞线长期允许载流量（A） 610 613 dZ

③、10KV 母线选择：

IgMAX=SZmax /UN=7.76MVA÷÷10kV=448A Kθ取 0.，则：

Word 资料

1）按最大工作电流选择导线截面 S：gMAX≤

I

KθIY：

.

IY≥448÷0.=503.37（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63×6.3 矩形铝导体长期允许载流量（A） 2)热稳定校验：

C 取 87，tdZ 取 1.67，I∞=5.4kV 则： Smin =I∞/C·dZ =5400÷87×=80.21078（mm 2）＜63×6.3=396.9mm2

3)动稳定校验：

S≥Smin =I∞/C·σmax≤σy

872 dZ

σy 取 69×106pa

对单条矩形母线：

σmax =1.73·ich 2·βL2 /（aw）×10-8pa

则：可见

上式中ich=13.79kA，L=1.2m，w=0.167bh

2

a=0.25m,β=1，b=6.3mm，h=63mm。

0.0063×0.0632）×10-8 =0.33（pa）

（m3），

σmax=1.73×13.792×1×1.22÷（0.25×0.167×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

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