110KV降压变电所设计方案

110KV降压变电所设计方案

第一章 原始资料分析

1.1变电所性质与规模

本110KV变电站是为满足某市区生产及生活的供电要求新建的一个110kV降压变电所；该变电站设计装2台主变压器。 电压等级：110/10kV

线路回数：110kV；3回，备用1回； 10kV；16回，备用2回；

1.2负荷概况

本变电所是10KV出线，出线回路数为16回，备用2回，每回的最大输送容量为4MW，负荷功率因数COSφ =0.8，同时率为0.85；远景合计负荷30MW；负荷均有一级、二级负荷。

1.3所址地理及气象条件

所址地区平均海拔高度200m，地势平坦，属于轻震区。年最高气温+40℃，年最低气温-18℃，年等值气温+15℃，最热月平均最高气温+32℃，最大风速为28m/s，主导风向西北，最大覆冰厚度b=10mm。微风风速为3.5m/s，属于我国Ⅷ类标准气象区。土壤热阻率为120℃·cm/W,土温20℃。

1.4系统情况

（1）最大运行方式时：S1=550MVA，XS1=0.7； S2=1350MVA，XS2=0.55； （2）最小运行方式时：S1=500MVA，XS1=0.75； S2=1300MVA，XS2=0.6；

（3）系统可保证本所110kV母线电压波动在±5%以内。

1.5 设计内容

1.电气一次部分。①变电所总体分析；②负荷分析与主变压器选择；③电气主接线设计；④短路电流计算；⑤电气设备选择；⑥配电装置与电气总平面设计；⑧防雷保护设计。

2.电气二次部分。①110kV线路保护整定计算；②10kV线路保护整定计算；③变压器保护整定计算；④110kV母线保护整定计算；⑤变压器保护、控制、测量、信号及端子排设计计。

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第二章 电气主接线设计

把变压器、断路器等按预期生产流程连成的电路，称为电气主接线。电气主接线是由高压电器通过连接线，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，故又称为一次接线或电气主系统。用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。

2.1 电气主接线的设计原则和要求

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、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，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。

(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或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥形接线等。若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。在 110kV～220kV 配电装置中，当出线为2 回时，一般采用桥形接线；当出线不超过 4 回时，一般采用分段单母线接线。在枢纽变电站中，当 110～220kV 出线在 4 回及以上时，一般采用双母接线。

（2）设计主接线的基本要求： 在设计电气主接线时，应使其满足供电可靠，运行灵活和经济等项基本要求。 ①可靠性：安全可靠是电力生产的首要任务，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。同样形式的主接线对某些发电厂和变电站来说是可靠的，而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。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在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。

②灵活性：电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：

a、作的方便性 b、调度的方便性 c、扩建的方便性

③经济性：在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要从以下几方面考虑：

a、节省一次投资 b、占地面积少 c、电能损耗少

2.2电器气主接线设计步骤

电气主接线的具体设计步骤如下： （1）分析原始资料

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①工程情况：主要包括变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量等。

②电力系统情况：电力系统近期及远景发展规划（5～10 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。

③负荷情况：包括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。

④环境条件：包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素，对主接线中电气设备的选择和配电装置的实施均有影响。

⑤设备供货情况：这往往是设计能否成立的重要前提，为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电气设备的性能、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、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。

2.3本变电站电气主接线设计

（1）110kV 侧主接线

从原始资料可知，110kV母线有4回进线，4回出线。110kV～220kV出线数目为5回及以上或者在系统中居重要地位，出线数目为4回及以上的配电装置。在采用单母线分段或双母线的35kV～110kV系统中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路母线。 方案 （一）：采用单母线分段带旁路接线 断路器经过长期运行和切断数次短路电流后都需要检修。为了能使采用单母线分段的配电装置检修断路器时，不中断供电，可增设旁路母线。

单母线分段带有专用的旁路断路器的旁路母线接线极大的提高了可靠性，但是这也增加了一台断路器和一条母线的投资。 方案（二）：双母线接线 优点：

（1）供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而

不至于供电中断，一组母线故障后能迅速恢复供电，检修任一组的母线隔

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离开关时只停该回路。

（2）扩建方便，可向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响 两组母线的

电源和负荷的平均分配，不会引起原有回路的停电，以致连接不同的母线段，不会如单母线分段那样导致交叉跨越。

（3）便于试验，当个别回路需要时单独进行试验时可将该架路分开，单独接至

一组母线上。 缺点：

（1）增加一组母线和每回路需增加一组母线隔离开关，投次大。

（2）当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器容易误操作，为了避免

隔离开关误操作需在隔离开关和断路之间装设连锁装置。

对于110kV侧来说，因为它要供给较多的一类、二类负荷、因此其要求有较高的可靠性。

对比以上两种方案，双母线接线供电可靠性高，但无旁路母线检修断路器时需要停电而且双母线接线复杂，使用设备多、投资较大；采用单母线分段带旁路的电气接线可将 I、II 类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性；而且带旁路可以在检修断路器时对用户进行供电。故经过综合考虑采用方案（一）。

（2）10KV侧主接线

方案（一）: 采用单母线接线

优点：接线简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便、且有利于扩建。 缺点：可靠性、灵活性差，母线故障时，各出线必须全部停电。 方案（二）：单母线分段 优点：

(1) 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。

(2) 对双回线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线段上，保证对重要用户的供电。

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，这样减少了系统的供电量，并使该回路供电的用户停电。

单母线接线可靠性低，当母线故障时，各出线须全部停电，不能满足I、II 类负荷供电性的要求，故不采纳；将 I、II 类负荷的双回电源线不同的分段母线上，当其中一段母线故障时，由另一段母线提供电源，从而可保证供电可靠性。故采用方案（二）

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第三章 负荷计算及变压器选择

3.1负荷计算

负荷计算是供电设计计算的基本依据和方法，计算负荷确定得是否正确无误，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。对供电的可靠性非常重要。 计算负荷由公式 Sc?Kt?i?1np?1??%? cos?式中 sC ——某电压等级的计算负荷

kt—同时系数（这里取0.85）

?%——该电压等级电网的线损率，取5%

P、cos?——各用户的负荷和功率因数

10kv侧计算负荷：

近期负荷：P近10 =0.8+4+1.5+1.2+2.5+3.5+0.4+1.3+1.5+1.2=17.9MW 远期负荷：P远10 =1.5+6+3+3+4+5+1+2+2.5+2+21+1=52MW 则10KV侧计算负荷

36?3?4?5?1?2?2.5?2?21?1??1.5S10=0.85*??????1?5%??58.21MVA0.750.780.8??3.2 主变压器的选择

主变的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构，它的选择依据

除了依据基础资料外，还取决于输送功率的大小，与系统联系的紧密程度。另外主变选择的好坏对供电可靠性和以后的扩建都有很大影响。总之主变的选择关系到待建变电站设计的成功与否，所以对主变的选择我们一定要全方面考虑。既要满足近期负荷的要求也要考虑到远期。 一、变电所主变压器的选择有以下几点原则

（1）在变电所中，一般装设两台主变压器；终端或分支变电所，如只有一个电源进线，可只装设一台主变压器；对于330kV、550kV变电所，经技术经济为合理时，可装设3~4台主变压器。 （2）对于330 kV及以下的变电所，在设备运输不受条件限制时，均采用三相变压器。500 kV变电所，应经技术经济论证后，确定是采用三相变压器，还是单相变压器组，以及是否设立备用的单相变压器。

（3）装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台事帮停运后，其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的70%以上，并应保证用户的一级和全部二级负荷的供电。

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4.5 短路电流计算结果表

短路点编号 短路点 基准电 压 0s短路周期分量有名值 2S短路4S短路短路电流 短 路 电流有名 电流有名 值 值 冲 击 值 容 量 (KA) I??(KA) I?f?2(KA) I?f?4(KA) Ish(KA) S(MVA) 10.09 10.10 23.70 1854 f-1 115 9.31 f-2 10.5 11.52 11.52 11.52 29.33 209.5 表4.1 短路电流计算结果表

第五章 电气设备选择

5.1 电气设备选择的原则

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：按正常工作状态选择；按短路状态校验。

电气设备选择的一般原则为：

(1) 应力求技术先进、安全适用、经济合理； (2) 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； (3) 应按当地环境条件校核；

(4) 应与整个工程的建设标准协调一致； (5) 选择的导体品种不宜太多；

(6) 选用新产品应积极慎重。新产品应有可靠的试验数据，并经主管单位鉴定合格。

5.2 电气设备选择的一般条件

电器选择是发电厂和变电站电气设计的主要内容之一。正确的选择电器是使

电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应

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根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并

注意节省投资，选择合适的电器。尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。电器要能可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

(1)按正常工作条件选择电器

在选择电器时，一般可按照电器的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压 UNs的条件选择，即UN ≥UNs ②额定电流

电器的额定电流 IN是指在额定周围环境温度 ?0下，电器的长期允许电流。IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即

IN≥Imax ③按当地环境条件校核

在选择电器时，还应考虑电器安装地点的环境（尤其是小环境）条件当气温、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件是，应采取措施。 (2)按短路情况校验 ①短路热稳定校验

短路电流通过电器时，电器各部件温度应不超过允许值。满足热稳定的条件为 It2t?Qk

式中Qk ——短路电流产生的热效应；

It 、t——电器允许通过的热稳定电流和时间。 ②电动力稳定校验

电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条

件为 ies?ish 或 Ies?Ish 式中ish 、Ish ——短路冲击电流幅值及其有效值；

ies 、Ies ——电器允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值 下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：

1)熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热稳定。 2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备，可不校验动稳定。 3)装设在电压互感器回路中的裸导体和电器可不验算动、热稳定。 ③短路电流计算的条件

为使电器具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作验算用的短路电流应按下列条件确定：

1)容量和接线 按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为本工程建成后 5～10 年） 其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线

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方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式。

2)短路种类 一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。

3)计算短路点 选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。 ④短路计算时间

校验电器的热稳定和开断能力时，还必须合理的确定短路计算时间。验算热稳定的计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tab之和，即 tk = tpr + tab tab = tin + ta 而

式中 tab——断路器全开断时间；

tpr ——后备保护动作时间； tin ——断路器固有分闸时间；

ta ——断路器开断时电弧持续时间。

开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，故电器的开断计算时间tbr应为主保护时间tpr1和断路器固有分闸时间之和，即

tbr = tpr1+ tin

5.3 高压断路器的选择

高压断路器的主要功能是：正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，能起保护作用。高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备。其最大特点是能断开电路中负荷电流和短路电流。 型式选择：

选择断路器时应满足以下基本要求：

1.在合闸运行时应为良导体，不但能长期通过负荷电流，即使通过短路电流，也应该具有足够的热稳定性和动稳定性。 2.在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。

3.应有足够的断路能力和尽可能短的分段时间。

3.应有尽可能长的机械寿命和电气寿命，并要求结构简单、体积小、重量轻、安装维护方便。

考虑到可靠性和经济性，方便运行维护和实现变电站设备的无由化目标，且由于SF6断路器以成为超高压和特高压唯一有发展前途的断路器。故在110KV侧采用六氟化硫断路器，其灭弧能力强、绝缘性能强、不燃烧、体积小、使用寿命长而且使用可靠，不存在不安全问题。真空断路器由于其噪音小、不爆炸、体积小、无污染、可频繁操作、使用寿命和检修周期长、开距短，灭弧室小巧精确，所须的操作功小，动作快，燃弧时间短、且于开断电源大小无关，熄弧后触头间隙介质恢复速度快，开断近区故障性能好，且适于开断容性负荷电流等特点。故10KV侧采用真空断路器。又根据最大持续工作电流及短路电流得知

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1、110kV 线路侧及变压器侧选用 LW11-110 型户外 SF6 断路器。 额定电压：UN = 110kV =UNs = 110kV ，合格； 额定电流：IN = 1600 A > Imax= 347.2 A ，合格； 额定开断电流：INbr = 31.5kA > I??= 9.31kA ，合格； 短路关合电流： INcl = 80kA > ish = 23.70kA ，合格； 热稳定校验： It2t= 31.5 2 × 4 = 3969(kA)2s

22 I??2?10I2?I42Qk?Qp??100.56?KA??s 12It2?t＞Qk ，合格

动稳定校验：ies?80kA＞ish?23.70kA ，合格。 2、10kV 线路侧选用ZN5-10/630型真空断路器。 额定电压：UN = 10kV =UNs = 10kV ，合格； 额定电流：IN = 630 A > Imax= 433 A ，合格；

额定开断电流：INbr = 20kA > I??= 11.52kA ，合格； 短路关合电流： INcl = 50kA > ish = 29.33kA ，合格； 热稳定校验： It2t= 20 2 × 4 = 1600(kA)2s

22 I??2?10I2?I42Qk?Qp??132.7?KA??s 12It2?t＞Qk ，合格

动稳定校验：ies?50kA＞ish?29.33kA ，合格。 3、10kV 变压器侧选用ZN24-10/2000型真空断路器。 额定电压：UN = 10kV =UNs = 10kV ，合格； 额定电流：IN = 2000 A > Imax= 1736 A ，合格；

额定开断电流：INbr = 31.5kA > I??= 11.52kA ，合格； 短路关合电流： INcl = 75kA > ish = 29.33kA ，合格； 热稳定校验： It2t= 31.5 2 ×4 = 841(kA)2s 22I??2?10I2?I42Qk?Qp??132.7?KA??s

122It?t＞Qk ，合格

动稳定校验：ies?80kA＞ish?29.33kA ，合格 电压等级 110kV 10kV线路侧 10kV变压器侧 型号 额定电压 110KV 额定电流 It I2tt 动稳定电流 LW11-110 ZN5-10 ZN24-10 31.5 630A 2000A 31.5 31.5?4 20KA 280KA 50KA 80kA 10KV 10KV 202?4 231.5 31.5?4

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5.4 高压隔离开关的选择

隔离开关也是变电站中常用的电器，它需与断路器配套使用。但隔离开关无

灭弧

装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。 本变电站隔离开关的选择

(1)110kV 隔离开关选用 GW4-110D/1000-80 型隔离开关 额定电压：UN = 110kV =UNs = 110kV ，合格； 额定电流：IN = 1000 A > Imax= 347.2 A ，合格； 热稳定校验： It2t= 21.5 2 × 4 = 1849(kA)2s

22 I??2?10I2?I42Qk?Qp??100.56?KA??s 12It2?t＞Qk ，合格

动稳定校验：ies?80kA＞ish?429.33kA，合格。 (2) 10kV 隔离开关选用 GN2-10/2000-85 型隔离开关 额定电压：UN = 10kV =UNs = 10kV ，合格； 额定电流：IN = 2000 A > Imax= 1736 A ，合格； 热稳定校验： It2t= 51 2 × 5 = 13005(kA)2s

22I??2?10I2?I4 2Qk?Qp??132.7?KA??s12

It2?t＞Qk ，合格

动稳定校验：ies?85kA＞ish?29.55kA ，合格 隔离开关型号 额定电压（KV） 额定电流（A） 动稳定电流(KA) GW4-110D/1000-80 110 GN2-10/2000-85 10 1000 2000 80 85 热稳定电流(KA) 21.5 51 5.5电流互感器的选择

互感器（包括电流互感器 TA 和电压互感器 TV）是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障情况。

互感器的作用是：将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压 (100V)和小电流(5A 或 1A)，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构小巧、价格便宜和便于屏内安装。使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。

(1) 110KV电流互感器选用LCWB6-110型电流互感器

一次回路额定电压：UN = 110kV =UNs = 110kV ，合格； 额定电流：IN = 2×300A > Imax= 347.2 A ，合格； 热稳定校验：

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