110kV变电站一次部分设计

题目名称：

毕业设计

变电站一次部分设计

院系名称：电气工程与自动化学院 班 级：电气本11-4班 学 号：321108010431 学生姓名：张 艳 伟 指导教师：刘 海 波

2013 年 5月

110kV

摘要

本毕业设计主要根据所给数据和要求进行110kV变电站一次部分设计。首先根据任务书所给系统及线路负荷的有关技术参数，通过对所建变电站出线的考虑和对负荷资料的分析，在满足安全性、经济性及可靠性的要求下确定了110kV、35kV、10kV侧主接线的形式，然后又通过负荷计算及对供电范围内一级负荷供电可靠性的考虑及对N-1原则的应用，确定了主变压器台数、容量及型号，并依据N+1原则设计了变电所所用，从而得出各元件的技术参数，为以后的计算和设备选取做好准备，又进行等值网络化简，选择短路点做出短路等值电路并进行短路计算，根据短路电流计算结果及最大持续工作电流，包括导体母线、高压断路器、高压隔离开关、电压互感器、电流互感器在内的电气设备进行了选择和校验，并根据工程情况参考有关技术手册确定了变电所的配电装置。本文同时对变电所防雷保护尤其是雷电沿导线进入变电所的侵入波保护进行了简单的分析并且还考虑了接地网的设计，最后绘出了电气主接线图及配电装置图。 关键词：电气主接线 短路计算 电气设备 变电所设计 配电装置

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Abstract

This paper designs a 110kV substation.Firstly,according to the given material, electricity line and

the parameters of the load which is provided by the assignment book,through considering the would-be substation,analyzing electrical data,confirming the Main electrical bus formation of 110kV、35kV、10kV side based on security,economy and reliability,under the guide of dispiline N-1 then conform the numbers,volume and type of the main transformer through circuit calculation and supply district,thus getting the parameters of all the component,at the same time with the use of displine N+1,my paper designs the consume of substation ,simplify electric circuit,select short point to carry on short circuit calculations operation circuit, select and check out electrical equipment, including bus,breaker, disconnect switch, voltage transformer, current transformer and so on,so that conform the distribution apparatus.Configurating relay protection and setting-calculation for the electricity line,transformer and bus according to the load and short calculations.At the same time,this paper analyses simply lightning protection and grounding system.Finally,two pictures are given including main electrical wiring diagram and 110kV power distribution equipment sectional drawing

Keywords: Substation design,Transformer,Main electrical wiring,Equipment election

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目录

摘 要

第1章 绪论 ................................................. 1

1.1 变电站概述 .......................................... 1

1.1.1 变电站在电力系统中的地位 ....................... 1 1.1.2 负荷对变电所供电的要求 ......................... 2 1.1.3 电力系统的额定电压 ............................. 3 1.2 我国变电站及其设计的现状、发展趋势及新变化 .......... 4 1.3 变电站设计的主要原则 ................................ 6 第 2章 电气主接线设计 ....................................... 7

2.1 电气主接线设计基础 .................................. 7

2.1.1 对电气主接线的基本要求 ......................... 7 2.1.2 变电站电气主接线的设计原则 ..................... 8 2.1.3 电气主接线设计步骤 ............................. 9 2.2 电气主接线的基本形式 ............................... 12 2.3 电气主接线选择 ..................................... 12 第3章 变电站主变压器选择 ................................. 15

3.1 主变压器的选择 ..................................... 16

3.1.1 主变压器台数的选择 ............................ 16 3.1.2 无功补偿措施 .................................. 17

3.1.3 主变压器容量的选择 ............................ 18

3.1.4 主变压器型号的选择 ............................ 20 3.2 主变压器选择型号 ................................... 22 3.3 变电所所用电设计 ................................... 23

3.3.2 直流系统 ..................................... 24 3.3.3 所用电选择 ................................... 25

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第4章 短路电流计算 ........................................ 25

4.1 短路形成原因 ....................................... 25 4.2 短路的危害及预防办法 ............................... 26 4.3 短路电流计算的目的 ................................. 27

4.4 短路电流计算方法 ................................... 27 4.5 短路电流计算 ....................................... 28

4.5.1 110kV侧母线短路计算 .......................... 31 4.5.2 35kV侧母线短路计算 ........................... 32 4.5.3 10kV侧母线短路计算 ........................... 34

第5章 电气设备的选择 ..................................... 37

5.1 导体的选择和校验 ................................... 37

5.1.1 110kV母线选择及校验 .......................... 40 5.1.2 35kV母线选择及校验 ........................... 41 5.1.3 10kV母线选择及校验 ........................... 42 5.2 断路器和隔离开关的选择及校验 ........................ 43

5.2.1 110kV侧断路器及隔离开关的选择及校验 .......... 44 5.2.2 35kV侧断路器及隔离开关的选择及校验 ........... 47 5.2.3 10kV侧断路器及隔离开关的选择及校验 ........... 50 5.2.4 10kV侧母联断路器的选择和校验 ................. 53

5.3 互感器的选择 ........................................ 55

5.3.1 电流互感器的选择 .............................. 55 5.3.2电流互感器的校验 ............................... 57

5.3.3电压互感器的选择 ................................ 58 第6章 防雷保护 ............................................. 60

6.1直击雷保护 ........................................... 61 6.2 侵入波保护 ......................................... 61 6.3变电所接地装置 ....................................... 62

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可见，在国内外无人值守变电站之间、国内外变电站自动化系统之间都还有很大的差异。

全面实现变电站无人值守对我国电网建设有非常明显的技术经济效益:

1)大幅度提高了运行可靠性；

2)加快了对事故处理的速度； 3)提高了电力行业劳动生产率； 4)降低了电力基础建设成本； 5)降低系统运行费用。 2.城市变电站建设

随着城市市区的用电负荷迅速增长，形势迫使在城市电网加快改造和建设的同时，在中心城区要迅速地建设一批高质量的城市变电站，在多种变电站的型式中屋内型变电站受到各方面的重视，在最近几年得到飞速发展。由于屋内变电站允许安全净距小且可以分层布置而使占地面积较小。室内变电站的维修、巡视和操作在室内进行，可减轻维护工作量，不受气候影响。

3.数字化智能变电站

在变电站综合自动化领域中，智能化电器的发展，特别是智能化开关设备、光电式互感器等机电一体化设备的出现，变电站自动化技术即将进入新阶段，这些新技术的日趋成熟带来全数字化的变电站新概念。数字化变电站三个最重要的特征就是“一次设备智能化，二次设备网络化，符合IEC61850标准”，即数字化变电站内的信息全部做到数字化，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种设备和功能共享统一的信息平台。

依据我国电力工业实际情况国情，电力系统的变电技术有了新的飞跃，我国变电站设计出现了一些新的趋势。 1.变电站接线方案趋于简单化

制造厂生产的电气设备质量的提高以及电网可靠性的增加，为变电站

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接线简化提供了可能。例如，高压断路器是变电站的主要电气设备，其制造技术近年来有了较大发展，可靠性大为提高，检修时间少。 2.新的电气一次设备大量采用

近年来电气一次设备制造有了较大发展，大量高性能、高可靠性新型设备不断出现，电气设备趋于无油化，采用SF6气体绝缘的设备价格不断下降，伴随着国产GIS向高电压、大容量、三相共箱体方面发展，性能不断完善，应用范围不断扩大。 3.变电站占地及建筑面积减少

经济和城市建设的发展要求新建的城市变电站必须符合城市的形象及环保要求，追求综合经济和社会效益，所以设计形式多采用地面全户内型或地下等布置形式，这使得占地面积有效减少。 4.变电站综合自动化技术

变电站综合自动化是新发展起来的一项用以提高变电站运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务的一项措施。发展和完善变电站综合自动化系统，是电力系统发展的新的趋势。

1.3 变电站设计的主要原则

变电站设计的原则是：安全可靠、技术先进、投资合理、标准统一、运行高效，时效性和和谐性的统一。变电站设计的分类按照变电站标准方式、配电装置型式和变电站规模3个层次进行划分。

(1)按照变电站布置方式分类：110kV变电站分为户外变电站、户内变电站和半地下变电站3类。在变电站设计中，户外变电站是指最高电压等级的配电装置、主变布置在户外的变电站；户内变电站是指配电装置布置在户内，主变布置在户外或者户内的变电站。半地下变电站是指主变布置在地上，其它主要电气设备布置在地下建筑内的变电站；地下变电站是指主变及其它主要电气设备布置在地下建筑内的变电站。

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(2)按配电装置型式分类：110kV配电装置可再分为常规敞开式开关设备和全封闭式组合电气2类进行设计。

(3)按变电站规模进行分类：例如户外AIS变电站，可按最高电压等级的出线回路数和主变台数、容量等不同规模分为终端变电站、中间变电站和枢纽变电站。

第2章电气主接线设计

电气主接线根据电能输送和分配的要求，表示主要电气设备相互之间的连接关系，以及本变电站(或发电厂)与电力系统的电气连接关系，电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。主接线的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。电气主接线直接影响着配电装置的布置、继电保护装置、自动装置和控制方式的选择，对运行的可靠性、灵活性和经济性起决定性的作用。

2.1 电气主接线设计基础

2.1.1对电气主接线的基本要求

现代电力系统是一个规模庞大的、严密的整体，各个发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电、变电和配电的任务，其主接线的质量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。 (1) 运行的可靠性

运行可靠性的几个评价标准：断路器检修时是否影响导致供电中断；设备和线路故障检修时，停电支路数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的不间断供电。 (2)具有一定的灵活性

主接线正常运行时可以根据调度指令灵活的改变运行方式，而且在各

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种事故或设备检修时，能尽快的将有关设备或线路退出系统运行。尽量做到切除故障停电时间短，影响范围就最小，并且在检修时可以保证电力检修人员的人身安全。

(3)操作应尽可能简单、方便

主接线应简单清晰、明了、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。太复杂的接线不但不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便或者不必要的停电。 (4)经济上合理

主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上，还应使建设投资和年运行费用小，占地面积最少，降低电力系统的运行成本，使其尽可能的发挥最佳经济效益。

2.1.2变电站电气主接线的设计原则

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、技术标准为准绳，结合工程具体情况，在保证供电安全可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行和维护的经济方便，尽可能地节省投资，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。

电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主要内容之一。它与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大影响。因此，主接线设计，必须结合电力系统和发电厂或变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，合理的选择主接线方案。

对于变电站的电气主接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能采用较少断路器的或不用断路器的接线，如线路—变压器组接线，若能满

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足继电保护要求时，也可使用线路分支接线。为正确选择接线和设备，必须进行各级电压最大最小有功和无功电力负荷的平衡，当缺乏足够的技术资料时，可采取下列数据：

1.最小负荷为最大负荷的60~70%，如主要农业负荷时则取20~30%； 2.负荷同时率取0.85~0.9，当馈线在三回以下且有大负荷时，取0.95~1；

3.功率因数一般取0.8； ４.线损平均取5%。

我国《变电所设计技术规程》对主接线设计作了如下规定：在满足运行要求时，变电所高压侧应尽量采用断路器较少的或不用断路器的接线。在110~220kV变电所中，当出线为2回时，一般采用桥型接线；当出线不超过4回时，一般采用单母线分段接线；当枢纽变电所的出线在4回及以上时，一般采用双母线。在35kV变电所中，当出线为2回时，一般采用桥型接线；当出线为2回以上时，一般采用单母线分段或单母线接线。出线回路数和电源数较多的污秽环境中的变电所，可采用双母线接线。在6~10kV变电所，一般采用单母线接线或单母线分段接线。

2.1.3电气主接线设计步骤

电气主接线的设计需伴随着发电厂或变电站的整体设计进行，即按照工程基本建设程序，历经可行性分析调查阶段、工程初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段等四个阶段。 （1）分析原始资料

1.本工程情况

包括变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。

2.电力系统状况

包括电力系统近期及远景规划（5~10年），变电站在电力系统中的位

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置（地理位置和容量位置）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。

电力系统中中性点接地方式是一个综合问题，它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器的运行安全以及对附近通信线路的干扰等。我国电力安全规程规定35kV及以下电压电力系统采用中性点非直接接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地），又称小电流接地系统，以保证供电可靠性。对110kV及以上高压系统，皆采用中性点直接接地系统，又称大电流接地系统以防止输电线路电压升高而以其它方式保证供电的可靠性。

3.负荷情况

包括本地区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。电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，电力负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基础。对电力负荷的预测不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测，对电力负荷预测的准确性，直接决定着发电厂和变电站电气主接线设计成果的质量，一个优良的设计，应能经受当前及较长远时间(5~10年)的检验。

4.设备制造情况

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、价格等情况汇集并分析比较，保证设计的可行性。

5.环境条件，

包括当地的最热月平均气温、环境湿度、覆冰厚度、污秽程度、风向水平、水文地质情况、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设计均有直接影响。对此，应予以足够重视,对重型设备如大容量变压器的运输条件亦应充分考虑。 （2）主接线方案的拟定与选择

设计时应根据任务书的要求，在对原始资料分析的基础上，根据对电

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源进线数和出线回路数、变电所内电压级别、变压器台数、容量以及母线结构的考虑，可拟定出若干个可行的主接线方案（近期和远景）。然后从经济技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2~3个技术上相当，有可能满足任务书要求的方案，再进行经济比较，结合最新技术，对于在系统中占有重要地位的大容量发电厂或变电站主接线，还应进行可靠性定量分析计算比较，最终确定最终方案。 （3）短路电流计算和主要电气设备选择与校验

对选定的电气主接线选择适当短路点进行短路电流计算，并选择校验合理的电气设备包括导线、断路器、隔离开关、互感器等。 （4）绘制电气主接线

对最终选择的电气主接线形式，按照要求，绘出电气主接线图。 此外还要注意：对于工程设计，无论哪个设计阶段，概算都是必不可少的组成部分。它不仅反映工程设计的经济性与可靠性的关系，而且为合理地确定和有效控制工程造价创造条件，概算的编制以设计图纸为基础，以国家颁布的有关文件和具体规定为依据，并按国家定价与市场调整或浮动价格相结合的原则进行。概算的构成主要有以下内容：

(1)主要设备器材费，包括设备原价、主要材料(钢材、木材、水泥等)费、设备运杂费(含成套服务费)、备品备件购置费、生产器具购置费等。除设备及材料费。

(2)安装工程费，包括直接费、间接费及税金等。直接费指在安装设备过程中直接消耗在该设备上的有关费用；间接费指安装设备过程中为全工程项目服务，而不直接耗用在特定设备上的有关费用；税金是指国家对施工企业承包安装工程的营业收入所征收的营业税、教育附加和城市维护建设税。

(3)其他费用。

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2.2 电气主接线的基本形式

由于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源回路数不同。且各回路馈线中所传输的容量也不一样，因而为便于电能的汇集和分配，再进出线较多（一般超过4回），采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。而与有母线的接线相比，无汇流母线的接线使用电气设备较少，配电装置占地面积较小，通常用于进出线回路少，不再扩建和发展的发电厂和变电站。

有汇流母线的接线方式可概括为单母线接线和双母线接线两大类，无汇流母线的接线形式主要有桥形接线、角形接线和单元接线。

2.3 电气主接线选择

依据原始资料，经过分析，根据可靠性和灵活性经济性的要求，高压侧有4回出线，其中两回备用，宜采用双母线接线或单母线分段接线，中压侧有6回出线，其中两回备用，可以采用双母线接线、单母线分段接线方式，低压侧有11回出线，其中两回备用，可以采用单母线分段、单母线分段带旁路母线的接线方式，经过分析、综合、组合和比较，提出三种方案：

方案一：110kV侧采用双母线接线方式，35kV侧采用双母线接线方式，10kV侧采用单母线分段接线方式。

110kV侧采用双母线接线方式，优点是运行方式灵活，检修母线时不中断供电，任一组母线故障时仅短时停电，可靠性高。缺点是，操作复杂，容易出现误操作，投资较大。10kV侧采用单母线分段接线方式，供给市区工业与生活用电，由于一级负荷占35%左右，二级负荷占30%左右，一级和二级负荷占65%左右，采用单母线分段接线方式，优点是接线简单清晰，操作方便，造价低，扩展性好，缺点是可靠性灵活性差。方案一主接

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线图如下：

图2—1 方案一主接线图

方案二：110kV侧采用双母线接线方式，35kV侧采用单母线分段带旁路母线接线方式，10kV侧采用单母线分段接线方式，优点是，检修任一进出线断路器时，不中断对该回路的供电，和单母线分段接线方式相比，可靠性提高，灵活性增加，缺点是，增设旁路母线后，配电装置占地面积增大，增加了断路器和隔离开关的数目，接线复杂，投资增大。 方案二的主接线图如下：

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图2—2 方案二主接线图

方案三：110kV侧采用双母线接线方式，35kV侧采用单母线分段接线方式，10kV侧采用双母线接线方式。接线图如下图所示。

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图2-3方案三接线图

对于上述三种方案综合考虑：

该地区海拔170m，海拔并不高，对变电站设计没有特殊要求，地势平坦，属平原地带，为轻微地震区，年最高气温+42°C，年最低气温-8°C，年平均气温+14°C，最热月平均最高温度+36°C。最大风速25m/s，覆冰厚度为8mm，属于我国第V标准气象区。

《35kV~ll0kV 变电所设计规范》第3.2.5 条：当变电所装有两台主变压器时，6~l0kV 侧宜采用单母分段接线，线路为12回及以上时，也可采用双母线，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。因此110kV侧采用双母线接线方式就能满足可靠性和灵活性及经济性要求，对于35kV侧采用单母线分段接线方式而10kV侧采用双母线接线形式。 综合以上分析，本设计采用第三种方案。

第3章 变电站主变压器选择

电力变压器是电力系统中最为重要的电气设备之一，其担负着变换网络电压进行电力传输的重要任务，合理确定的变压器台数、容量和型号是

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变电站可靠供电和网络经济运行的保证。

3.1 主变压器的选择

3.1.1主变压器台数的选择

在变电站设计过程中，一般需要装设两台主变压器，以保证对用户供电的可靠性。对110kV及以下的终端或分支变电站，如果只有一个电源，或变电所的重要负荷有中、低压侧电网取得备用电源时，可只装设一台主变压器，对大型超高压枢纽变电站，可根据具体工程情况装设2~4台主变压器，以便减小单台容量，因此，在本次设计中装设两台主变压器。并且两部变压器并列运行时必须满足以下条件：

(1)并列运行变乐器的一次额定、二次额定电压必须对应相等。即并列变压器的电压变比必须相同，否则将引起较大的不平衡电流，所以允许差值不超过10.5％。如果并列变压器的电压变比不同，则并列变压器二次绕组的回路内将出现环流，即二次电压较高的绕组将向二次电压较低的绕组供给电流，导致绕组过热甚至烧毁，影响系统运行的安全性。 (2)并列运行变压器的阻抗电压(短路电压)必须相等。由于并列运行的变压器的负荷是按其阻抗电压值成反比分配的，如果阻抗电压相差很大，可能导致阻抗电压小的变压器发生过负荷现象，所以要求并列变压器的阻抗电压必须相等，允许差值不得超过10％。

(3)并列运行变压器的连接组别必须相同。即所有并列变压器一次、二次电压的相序和相位都必须对应地相同，否则不能并列运行。 (4)并列运行的变压器容量比应小于3：1。即并列运行的变压器容量应尽量相同或相近，如果容量相差悬殊，不仅运行很不方便，而且在变压器特性稍有差异时，变压器间的环流将相当显著，特别是容量小的变压器容易过负荷或烧毁。

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3.1.2无功补偿措施

1）无功功率补偿的必要性

在工民用电设备中，有大量设备工作需要从系统吸收感性的无功功率来建立交变磁场，如电动机利用吸收无功功率建立磁场，这样系统输送的电能容量中无功功率的成分就会增加，功率因数降低，对系统会造成如下影响：

（1）使变配电设备的容量增加； （2）使供配电系统的损耗增加； （3）使电压损失增加； （4）使发电机的效率降低。

由于功率因数降低对供电系统有着如上诸多不利的影响，因此必须提高功率因数，降低无功功率的输送量，提高系统及用户供电质量，保证经济、合理地供电的需要。 2） 无功功率补偿的方法

要使供配电系统的功率因数提高，一般从两个方面采取措施： 一是提高用电设备的自然功率因数，自然功率因数是指不采用任何补偿装置情况下的功率因数。这种方法只能通过选择功率因数较高的电气设备来实现，但不能达到完全补偿的程度。

二是采取人工补偿的方法使总功率因数得以提高，有两种方法： （1）采用同步电动机替代异步电动机工作，由于同步电机是旋转机构，故维护不方便，此外投资和损耗较大，又不便于检修，供配电系统中很少采用。

（2）采用并联电容器补偿。

采用并联电容器补偿无功功率以提高功率因数是目前供配电系统中采用较为普遍的一种补偿方法，也叫移相电容器静止无功补偿。它具有有功损耗小、运行维护方便、补偿容量增减方便、个别电容器损坏不影响整体使用等特点，所以本设计采用并联电容器补偿。

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补偿后变压器10kV侧无功率因数要达到：

cos?2?0.92 tan?2?0.4260

无功补偿量：

Q'?

2.5?2.5?2.5?1.5?1.5?1?1.5?1.5?2?1?1

?20.11MVar0.92Qi?Pi(tan?1?tan?2)

计算后得需补偿的无功功率Q=7.4592MVar， 需装设的电容器个数为：

N?Q'7459.2kvar??310.8 Qr24kvar 考虑到三相均衡分配，应装设312个，每相104个，采取功率补偿后的功率因数即可满足要求。

3.1.3主变压器容量的选择

主变压器容量选择的依据：

（1）主变容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展。对于城郊变电所，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的容量。N－1原则是判定电力系统安全性的一种准则，又称单一故障安全准则。按照这一准则,电力系统的N个元件中的任一独立元件（发电机、输电线路、变压器等）发生故障而被切除后，应保证不会出现因其它线路过负荷跳闸而导致用户停电；不破坏系统的稳定性，不出现电压崩溃等事故。当这一准则不能满足时，则要考虑采用增加发电机或输电线路等措施。

N－1原则与可靠性分析相比较,它的计算简便,不需搜集元件停运率

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等大量原始数据，是一种极为简便的安全检查准则，在欧美一些电力公司得到了广泛应用。中国某些电力部门在电网规划中也采用了N－1原则，一般规定一个独立元件为一台发电机组或一条输电线路或一台变压器，通常使用线路极限发热条件下的载流量来判断线路是否过负荷运行。

对于有一级负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余主变压器的容量一般应满足60%（220kV及以上电压等级的变电所应满足70%）的全部最大综合计算负荷，以及满足全部I类负荷S?和大部分II类负荷在计及过负荷能力后的允许时间内，S?(110kV及以上电压等级的变电所，应满足全部I类负荷S?和II类负荷S?)，即

（n?1）SN?(0.6~0.7)Smax和（n?1）SN?S??S? （4-1）最大综合计算负荷的计算：

?mPimax? Smax?Kt? ??cos???(1??%) （4-2）

i??i?1式中， Pimax—各出线的远景最大负荷；

m —出线回路数；

cos?i—各出线的功率因数；

Kt—同时系数，其大小由出线回路数决定，出线回路数越多其

值越小，一般在0.8～0.95之间；

?%—线损率，取5%。

结合原始材料可得： 35kV侧：

S1?(2?2?3?2.5?1.5?2)/0.9?14.44MVA 10kV侧：

S2?2.5/0.92?2.5/0.92?2.5/0.92?1.5/0.92?1.5/0.92?1/0.92?1.5/0.92?1.5/0.92?2/0.92?1/0.92?1/0.92?20.109MVA总的负荷为：S总?S1?S2?34.5486MVA

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取Kt=0.85，则： Smax?0.85?34.5486?1.05?30.835MVA 此时，SN?0.7Smax?0.7?30.835?21.5842MVA 因此主变容量为：SN?21.5842MVA

3.1.4主变压器型号的选择

（1）相数选择

变压器有单相变压器和三相变压器之分。在330kV及以下的发电厂和变电站中，一般选择三相变压器，单相变压器组由三个单相的变压器组成，造价高、占地多、运行费用高，多用于500kV以上的变电所内，三相变压器与同容量的单相变压器组相比，价格低，占地面积小，并且运行时损耗减小12~15％，只有受变压器的制造和运输条件的限制时，才考虑采用单相变压器组，在工程设计上对于330kV及以下电力系统中，一般都选用三相变压器。因此在本次设计中采用三相变压器组。 （2）绕组数选择：

变压器按其绕组数可分为双绕组普通式、三绕组式、自耦式以及低压绕组分裂式等型式。当发电厂只升高一级电压时或35kV及以下电压的变电所，可选用双绕组普通式变压器；当发电厂有两级升高电压时，常使用三绕组变压器作为联络变压器，110kV及以上电压等级的变电所中，也经常使用三绕组变压器作联络变压器；自耦变压器特点是其中两个绕组除有电磁联系外，在电路上也有联系。因此，当自耦变压器用来联系两种电压的网络时，一部分传输功率可以利用电磁联系，另一部分可利用电的联系。电磁传输功率的大小决定变压器的尺寸、重量、铁芯截面和损耗，所以与同容量、同电压等级的普通变压器比较，自耦变压器的经济效益非常显著。 （3）调压方式的确定

为了满足供电质量要求可通过切换变压器的分接头开关，改变变压器高压绕组的匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一

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种是不带电压切换，称为无激磁调压，调整范围通常在±2×2.5％以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30％，其结构复杂，价格较贵。发电厂在以下情况时，宜选用有载调压变压器：

（1）当潮流方向不固定，且要求变压器副边电压维持在一定水平时； （2）具有可逆工作特点的联络变压器，要求母线电压恒定时； （3）发电机经常在低功率因数下运行时。

变电所在以下情况时，宜选用有载调压变压器：

（1）地方变电所、工厂、企业的自用变电所经常出现日负荷变化幅度很大的情况时，又要求满足电能质量往往需要装设有载调压变压器； （2）330kV及以上变电站，为了维持中、低压电压水平需要装设有载调压变压器；

（3）110kV及以下的无人值班变电站，为了满足遥调的需要应装设有载调压变压器。

（4）绕组接线组别的确定

我国110kV及以上电压，变压器三相绕组都采用“YN”联接；35kV采用“Y”联接，其中性点多通过消弧线圈接地；35kV以下变压器三相绕组都采用“D”联接。因此，普通双绕组一般选用YN，d11接线；三绕组变压器一般接成YN，y，d11或YN，yn，d11等形式。 （5）冷却方式的选择

变压器的冷却方式主要有自然风冷却、强迫空气冷却、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、水内冷变压器、SF6充气式变压器等。

（6）对一级负荷的供电可靠性的考虑

电力负荷根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的影响可分为三级：

一级负荷：中断供电将在政治、经济上产生重大损失及人身伤亡者； 二级负荷：中断供电将在政治、经济上产生较大损失及人身伤亡者；

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三级负荷：不属于前两级者。 各级负荷对供电电源的要求：

对一级负荷，要求供电系统当线路发生故障停电时，仍保证其连续供电，所以应由两个电源供电。 两个电源的要求是： 1、两个电源间无联系；

2、两个电源间有联系，但符合下列要求：

（1）发生任何一种故障时，两个电源的任何部分应不致同时受到损坏； （2）发生任何一种故障且保护装置正常时，有一个电源不中断供电，并且在发生任何一种故障且主保护装置失灵以至两电源均中断供电后，应能在有人值班的处所完成各种必要操作，迅速恢复一个电源供电。 考虑到变压器是一种高可靠性的电气设备，且在保护方法上有两套原理不同的保护共同构成主保护，所以两部变压器同时故障的可能性较小，基本可以保证对一级负荷的不间断供电，对于特别重要的一级负荷如大型三甲医院的手术室、重症监护室等可以考虑采用不间断供电模式即除两个独立电源同时供电外还应配置不间断供电系统即UPS和专门的可快速启动并投入供电运行的柴油发电机，并且要求市电的供电开关和柴油机的投入运行开关采取联动处理，UPS只负责短暂的过渡性供电任务。

综合以上分析，为充分保证对一级负荷供电的可靠性，应在变电所内设置两部以上变压器，考虑到电力系统的经济性，又不应设置过多变压器以降低变压器的损耗。

3.2 主变压器选择型号

在以上分析结果的基础上，查变压器技术参数表可得，选择的主变压器型号：SFSZ9-25000/110。

主要技术参数如下：

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额定容量：25000kVA

额定电压：高压—110±8×1.25%（kV）；中压—38.5±2×2.5%（kV）；低压—10.5 （kV）

连接组别：YN/yn0/d11 空载损耗：21.8kW 短路损耗：112.5kW 空载电流：1.5%

阻抗电压（%）：高中:US(1?2)%?10.5；中低US(2?3)%?6.5；高低

US(3?1)%?17.5。

所以，选择SFSZ9-25000/110型变压器两台。

3.3变电所所用电设计

变电所内负荷包括照明设备、监控设备、二次部分及动力设备，现代变电所自动化程度较高，所以应加强对所用电的考虑，确保所用电安全性。

变电所蓄电池用电设计原则：

（1)按放电时间来选择蓄电池的容量，其容量应能满足事故全停状态下长时间放电容量的要求。

(2)按放电电流来选择蓄电池的容量，其容量应能满足在事故运行时，供给最大的冲击负荷电流的要求。

3.3.1所用电、直流系统及主控室

变电所所用电属于必须确保供电的负荷，提高所用电供电可靠性的措施如下：

①对于容量在60MVA及以上或枢纽变电所采用两台所用变供电。 ②两台所用变分别接至变电所最低一级电压母线或独立电源上，并装设备用电源自接装置。

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③对于采用复式整流、电容储能等整流电源代替蓄电池时，其交流供电电源由两种不同电压等级取得电源，并装设备用电源自接装置。 ④能可靠地利用所外380V电源备用时，需2台所变的变电所可装一台所变。

⑤采用强迫油循环水冷却主变或调相机，变电所装设两台所用变。 ⑥对于3～10kV有旁路母线且变电所只有一台所用变压器时，该变压器与旁路断路器分别接至两段母线上。

⑦对无人值班的变电所，一般采用两台能够自动接入的所用变。 ⑧对中小型变电所及有人值班的变电所，一般采用一台所用变，其容量一般为20kVA。

所用变压器一般高压侧采用熔断器，为了满足用户侧电压质量要求，故宜采用6.3kV或10.5kV的所用变。所用变压器低压侧采用380/220V中性点直接接地的三相四线制以提高供电可靠性，动力和照明公用一个电源，所内一般设置检修电源。

本次设计在10kV母线上接一台10/0.4kV接地变压器、低压侧为Y0接线、正常运行时供给380/220V站用电源。在35kV线路上接一台35kV/0.4kV线路所用变一台，作为备用电源。

3.3.2 直流系统

所用电直流供电系统主要是指变电所中的直流蓄电池组，主要用于控制、信号、继电保护和检测回路操作电源，也用于各类断路器的操动电源以及用于直流电动机拖动的供电。

本次设计直流系统采用智能高频开关电源系统，蓄电池采用2×100AH 免维护铅酸蓄电池，N+1热备份，有较高的智能化程度，能实现对电源系统的遥测、遥控、遥信及遥调功能;可对每一个蓄电池进行自动管理和保护。

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3.3.3 所用电选择

选择原则：所用电负荷按0.2%变电所容量计，设置2 台所用变压器且能相互备用，两部变压器应满足在其中一部故障或者因检修退出运行时，剩下的一部变压器应能对变电所内的全部负荷供电，所以在选择变电所所用电变压器时，应按一部变压器就能对全部负荷供电选择变压器。 1.所用电负荷:S=34548.6×0.2%=69.09kVA 3.所用变容量计算：SB=KtS=0.8×69.09=55.kVA 依据以上原则和分析，选择的所用变压器参数: 型号：S9—80/10 U1e=10±5%kV U2e=0.4kV 连接组别：Y，yn0 空载损耗：0.25kW 阻抗电压：4（%） 空载电流：2.4（%）

第4章 短路电流计算

短路是指不同电位点经小电阻或电弧而连通的情况，电力系统正常运行状况的破坏多半是由短路故障引起的。出现短路时，系统从一种状态快速变化到到另一种状态，并伴随有复杂的机电暂态、电磁暂态和波暂态现象。

4.1短路形成原因

短路的原因很多，主要由以下几个方面：

（1）元件损坏，如设备绝缘材料自然老化，设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路；

（2）气象条件恶劣，例如雷击造成的闪络放电或避雷动作，架空线路由大风或导线覆冰引起电杆倒塌等；

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（3）违规操作，例如运行人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程带接地刀闸合闸，造成金屑性短路，人为疏忽接错线造成短路或运行管理不善造成小动物进入带电设备内形成短路事故等等。

此外还有其它原因，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。

4.2 短路的危害及预防办法

短路对电力系统危害巨大，具体表现在以下几点 ： （1）短路回路电流迅速变的很大，此电流称为短路电流；

（2）产生电弧，烧坏故障元件本身及周围设备甚至会危及人身安全； （3）短路电流使发电机端电压下降，也使系统电压大幅下降，不利于负荷总的交流电机尤其是重载电机的运行；

（4）电力系统短路时，系统中功率分布的突然变化和电压严重下降，可能破坏各发电厂并联工作的稳定性，使整个系统被解列为几个异步运行的部分；

（5）不对称短路将产生负序电流和负序电压，过大的负序电流和负序电影响汽轮发电机和异步电动机的安全运行和运行寿命；

（6）不对称接地短路故障将产生零序电流，它会在邻近的线路上产生感应电动势，造成对通信线路和信号系统的干扰；

（7）在某些不对称短路（如小接地电流系统）情况下，非故障相电压升高，加大了系统的过电压水平，对线路的绝缘水平的要求提高。 鉴于短路事故对电力系统的危害巨大，可采取以下措施降低系统中出现短路事故的可能性：

（1）做好短路电流的计算工作；

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（2）正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，减小短路持续时间；

（3）采用电限流电抗器抗器增加系统阻抗，限制短路电流； （4）设置互锁装置，防止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸； （5）带电安装和检修电气设备时，要严格执行工作票，制度防止误接线、误操作，在距带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。

4.3短路电流计算的目的

在变电站的设计中，短路计算是其中的一个非常重要的环节，其计算的目的主要包括以下几个方面：

（1）选择电气主接线时,为了比较各种接线方案，确定某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）在选择电气设备时,为了保证各种电气设备和导体在正常运行和故障情况下都能保证安全、可靠地工作,需要依据正常运行条件选择设备并依据短路条件校验设备；

（3）在设计屋外高压配电装置时需按短路条件校验软导线的相间和相对地安全距离；

（4）在整定继电保护中继电器动作值时需以各种短路电流为依据。 选择导体和电器时，导体和电器的动稳定、热稳定及电器开断电流一般按三相电流验算，若有更严重情况的按更严重的条件计算，总之，要用最大短路电流校验。

4.4 短路电流计算方法

在电力系统中常用的短路电流计算法有运算曲线法和计算机算法。本设计采用运算曲线算法。

短路按类型分为三相短路、两相相间短路、单相短路和两相接地短路。

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电力系统运行经验表明：发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小，但一般三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重。为了使电气设备在最严重的短路状态下也能可靠工作，因此作为选择检验电气设备的短路计算中，以三相短路计算为主，三相短路用文字符号k(3)表示。在计算电路图上，将短路计算需要考虑的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点，短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。在等效电路图上，由于将电力系统当做有限大容量电源，短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串并联的方法即可将电路化简，求出求等效总阻抗，再换算成计算电抗，根据计算曲线查出短路电流标幺值，再换算成有名值。

4.5短路电流计算

电力系统接线图为：

图4-1系统接线图

S1=200MVA XS1=0.6

L2甲变L3L1FS市变L4

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S2=1200MVA XS2=0.6

确定短路点：在本次设计过程中，为了方便选择电气设备及校验，选取的短路点为110kV，35kV及10kV母线。首先计算电路的基准值：选取

SB?100MVA，UB?UAV。

系统等值电路如下：

S2XS2 S1XS1XL3XL2XL1WB1XT11XT21XL4XT22XT12WB2XT13XT23WB3

图4-2 系统等值网络图

对于三相变压器：11US11%?US21%??US(1?2)?US(3?1)?US(2?3)???10.5?17.5?6.5??10.75

22

11US12%?US22%??US(1?2)?US(2?3)?US(3?1)???10.5?6.5?17.5???0.25

22

11US13%?US23%??US(2?3)?US(3?1)?US(1?2)???17.5?6.5?10.5??6.75

22

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**则：XX11?XX21?US11?SB10.75?100??0.43

100SN100?25**XX12?XX22?0

**XX?X13X23?US13?SB6.75?100??0.27

100SN100?25*XL1?XL1SB100?4.8??0.0363 22UAv115*XL2?XL2SB100?12??0.0907 2UAv1152SB100?0.5?32??0.1210 22UAv115SB100?10??0.0756 2UAv1152SB100?0.6??0.3 UN1200SB100?0.6??0.05 UN21200*XL3?XL3*XL4?XL4*XS1?XS1*XS2?XS2计算后等值电路如下：

XT12XT11XL2XL1WB1XT21XL4 S1XS1XL3 S2XS2XT22XT13WB2XT23WB3

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图4-3 系统等值网络化简图

4.5.1 110kV侧母线短路计算

电路等值网络为：

XS1XL1XL2XL4图4-4XL3XS2图4-4 110kV侧短路的等值电路图

△/Y 变换：

图4-50.01350.30.01630.03380.1710 图4-5 110kV侧短路的等值电路图

Y/△变换：

图4-6 110kV侧短路的等值电路图

计算转移阻抗后则有：

0.31630.20480.2285图4-631

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S1

0.3506图4-70.2319S2图4-7 110kV侧短路的等值电路

*XJS1?X1SN1200?0.3506??0.7012 SB100*XJS2?X2SN21200?0.2319??2.628 SB100查计算曲线数字表可得：

*I1*?0??1.4801，I1*?1??1.369，I1?2??1.539 ***I2?0??0.3987，I2?1??0.384，I2?2??0.3895

换算成有名值为：

I?0??I1*(0)?I?1??I1*(1)?SN1SN22001200*?I2??1.4801??0.3987??3.8982kA(0)3UAv3UAv3?1153?115SN1SN22001200*?I2??1.369??0.384??3.6880kA(1)3UAv3UAv3?1153?115I?2??I1*(2)?SN1SN22001200*?I2??1.539??0.3895??3.8918kA(2)3UAv3UAv3?1153?115Ich?2.55I(0)?2.55?3.8982?9.9404kA

4.5.2 35kV侧母线短路计算

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S1XS1XL1XL2XL4XL3XS2S2XT11XT21 图4-8 图4-8 35kV侧短路的等值电路图

图4-9 35kV侧短路的等值电路图

Y/△变换：

0.22850.31630.2048 S10.30.01630.03380.1710S20.01350.215图4-9

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图4-10 35kV侧短路的等值电路图

图4-11 35kV侧短路的等值电路图

*XJS1?X1S10.6927图4-110.8977S2SN1200?0.6927??1.3855 UB100SN21200?0.8977??10.7724>3.45即认为周期分量不再衰减 UB100*XJS2?X2查计算曲线数字表可得：

***，， I1?0.7182I?0.7125I?0?1?0.5?1?1??0.7521换算成有名值为：

I?0??I1*(0)?I?0.5??I1*(0.5)?SN1SN220011200*?I2??0.7182????3.9796kA(0)3UAv3UAv3?3710.77243?37SN1SN220011200*?I2??0.7125????3.9618kA(0.5)3UAv3UAv3?3710.77243?37I?1??I1*(2)?SN1SN220011200*?I2??0.7521????4.0854kA(1)3UAv3UAv3?3710.77243?37Ich?2.55I(0)?2.55?4.0854?10.14798kA

4.5.3 10kV侧母线短路计算

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