课程设计-山东科技大学-110KV变电站设计

山东科技大学

毕业设计（论文）

题目 110KV变电站设计

专 业 电气工程及其自动化 班 级 10级3班 学生姓名 张海伟 指导教师 杨俊卿

2014年05月26日

山东科技大学学士学位论文 摘要

摘要

本次设计为110kV降压变电站电气一次部分的初步设计， 根据原始资料，以设计任务书和国家有关电力工程设计的规程、规范及规定为设计依据。变电站的设计在满足国家设计标准的基础上，尽量考虑当地的实际情况。在本变电站的设计中，包括对变电站总体分析和负荷分析、变电站主变压器的选择、电气主接线、电气设备选择、短路电流计算等部分的分析计算以及防雷设计。在保证供电可靠性的前提下，减少事故的发生，降低运行费用。本次设计正文分设计说明书和设计计算书两个部分，设计说明书包括电气主接线设计、变压器选择说明、短路电流计算说明、电气设备选择说明、配电装置设计、电气总平面布置和防雷保护设计；设计计算书包括变压器选择、短路电流计算、电气设备选择及校验等，并附有电气主接线图及其它相关图纸。

关键词：110kV变电站；短路电流；一次部分；电气主接线

山东科技大学学士学位论文 摘要

Abstract

This design is a part of the preliminary design of electrical 110kV step-down substation, according to the original data, to regulate the design task rules,books and relevant state electric power engineering design and provisions for the design basis. Substation design based on meeting the national designstandards, as far as possible to consider the actual situation of the local. In the design of the substation, including the analysis of the substation overall analysis and load analysis, the selection of the main transformer substation, the main electrical wiring, electrical equipment selection, calculation of short circuit currentand lightning protection design etc.. In order to ensure the reliability of power supply, reduce accidents, reduce operating costs.This design is divided into two parts the design specification and design calculations, design specifications including the design of main electrical wiring,transformer description of choice, short-circuit current calculation, electrical equipment, power distribution equipment design, selection of the electrical layoutand lightning protection design; design included the selection of transformer,short-circuit current calculation, electrical equipment choice and check and so on, together with the main electrical wiring diagram and other related drawings.

Keywords: 110kV substation; short-circuit current; a part; the main electrical wiring

山东科技大学学士学位论文 目录

目录

1 原始资料...................................................................................1 1.1 变电站的基本情况.............................................................1 1.2 设计任务...........................................................................3 2 变压器选择...............................................................................4 2.1 变压器绕组与调压方式的选择............................................4 2.2 变压器相数的选择.............................................................4 2.3 变压器容量和台数的选择...................................................5 2.4 变压器的冷却方式..............................................................5 3 电气主接线设计........................................................................7 3.1 主接线的设计原则..............................................................7 3.2 主接线设计的基本要求........................................................8 3.3 主接线方案的比较和确定....................................................10 4 短路电流计算.............................................................................16

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4.1 短路电流计算的目的........................................................16 4.2 短路电流计算的规定........................................................17 4.3 短路电流计算的步骤........................................................18 4.4 短路类型及其计算方法.....................................................18 5 高压电器选择.........................................................................21 5.1 高压断路器的选择...........................................................21 5.2 隔离开关的选择...............................................................22 5.3 各级电压母线的选择........................................................22 5.4 电流互感器的选择............................................................23 5.5 电压互感器的选择............................................................24 5.6 避雷器的选择...................................................................25 6 配电装置设计..........................................................................27 6.1 配电装置的基本要求...........................................................27 6.2 配电装置的种类及应用........................................................27 7 防雷保护设计...........................................................................29 7.1 防雷保护的特点...................................................................29 7.2 变电站直击雷防护...................................................29 7.3 进线保护.............................................................................30

山东科技大学学士学位论文 目录

8 变压器容量计算及选择 ..........................................................31 8.1 本站负荷计算.....................................................................31 8.2 变压器容量及型号的选择....................................................31 9 短路电流计算............................................................................33 9.1 原始资料............................................................................33 9.2 短路计算............................................................................33 10 高压电器的选择与校验..........................................................40 10.1 最大持续工作电流计算.....................................................40 10.2 断路器的选择及校验.........................................................41 10.3 隔离开关的选择及校验.....................................................44 10.4 电流互感器的选择及校验.................................................47 10.5 限流电抗器的选择及校验.................................................51 10.6 电压互感器的选择及校验.................................................53 10.7 导体的选择及校验...........................................................55 10.8 绝缘子及穿墙套管的选择.................................................58

总结................................................................................................60 参考资料........................................................................................61 致谢.................................................................................................63

附录...............................................................................................64

山东科技大学学士学位论文 原始资料

1 原始资料

1.1变电站的基本情况

1.1.1变电站建设性质及规模

本站位于蒙城边缘，供给城市和近郊工业、农业及生活用电，系新建变电站。

电压等级：110/10kV

线路回数：110kV：2回，备用2回

10kV：13回，备用2回

1.1.2 电力系统接线简图如下：

图1：电力系统接线简图

1.1.3变电站规模和电力系统情况

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山东科技大学学士学位论文 原始资料

（1）变电站性质：110kV变电站。

（2）110kV最终两回进线四回出线。每回出线输送容量为15MVA，本期工程2回进线，2回出线。

（3）10kV出线最终15回，本期13回，备用2回，Tmax=5500 小时，负荷同时率0.85，备用总负荷4MW,COS?=0.85。

（4）根据当地电力系统的远景规划，110kV和10kV负荷的具体参数如下表：

表1.1 110kV和10kV负荷具体参数表 电压等级 负荷名最大穿最大负负荷组成 称 越功率荷 （MW） （MW） 近远近远一二三（%） coTma线长同时线(km) 率 损 sΦ x (h) 期 景 期 景 级 级 级 110kV

BZ线 BI线 10 15 10 15 2 2 1 1 1 2.5 备用（一） 备用（二） 市区一 市区二 食品厂 针织厂 10 10 3 3 30 50 30 50 0.8 0.8 1.5 20 40 1.5 20 40 0.8 4000 1.75 0.74000 1.8 8 棉纺厂一 2 3 30 40 2

0.75500 1 山东科技大学学士学位论文 原始资料 10 棉纺厂二 kV 印染厂一 印染厂二 柴油机厂一 柴油机厂二 水泥厂 机修厂 1.5 2 1.5 2 25 30 20 30 2 3.5 30 40 3 4.5 35 40 5 0.75500 2 8 0.8 5500 2.5 585% % 0.8 3500 2.5 0.73000 2 5 郊区变 备用一 备用二 1.5 2 2 2 15 30 0.8 1.5 3 3 1.2 设计任务

（1）变电站电气主接线的设计 （2）主变压器的选择 （3）短路电流的计算 （4）电气设备的选择

（5）配电装置及电气总平面设计 （6）防雷保护设计

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山东科技大学学士学位论文 变压器选择

2变压器选择

2.1变压器绕组与调压方式的选择

（1）绕组连接方式

参考《电力工程电气设计手册》和相应规程指出：变压器绕组的连接方式必须和系统电压一致，否则不能并列运行。电力系统中变压器绕组采用的连接方式有Y和△型两种，而且为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组是△型的，我国110kV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中性点，所以都需要选择YN的连接方式，而6-10kV侧采用△型的连接方式。故该110kV变电站主变应采用的绕组连接方

式为：YN，?。 （2）调压方式的确定

变压器的电压调整是用分解开关切换变压器的分接头，从而改变变压器比来实现的。切换方式有两种：不带电切换，称为无励磁调压，调压范围通常在+5％以内，另一种是带负荷切换，称为有载调压，调压范围可达到+30％。对于110kV及以下的变压器，以考虑至少有一级电压的变压器采用有载调压。

由以上知，此变电所的主变压器采用有载调压方式。

2.2 变压器相数的选择

主变压器采用三相或是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂和变电所，均应采用三相变压器。社会日新月异，在今天科技已十分进步，变压器的制造、运输等等已不成问题，故有以上规程可知，

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山东科技大学学士学位论文 变压器选择

此变电所的主变应采用三相变压器。

2.3变压器容量和台数的选择

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，本站应按近期和远期总负荷来选择主变的容量，根据变电所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷。所以每台变压器的额定容量按Sn?0.7Pm，其中Pm为变电所最大负荷选择，即Sn=0.7×38.77=27.14kVA这样当一台变压器停用时，也保证70%负荷的供电。由于一般电网变电所大约有25%的非重要负荷，因此采用式

Sn?0.7Pm来计算主变容量对变电所保证重要负荷来说是可行的。通过

计算本变电站可选择额定容量为31.5MVA的主变压器。为了保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电站一般装设两台主变压器。当装设三台及三台以上时，变电所的可靠性虽然有所提高，但接线网络较复杂，且投资增大，同时也增加了配电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闸操作的复杂化。考虑到两台主变同时发生故障机率较小，且适用远期负荷的增长以及扩建，故本变电站选择两台主变压器完全满足要求。

2.4变压器的冷却方式

根据变压器型号的不同,其冷却方式有：自然风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫导向油循环等。

油浸自冷式就是以油的自然对流作用将热量带到油箱壁和散热管，

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山东科技大学学士学位论文 变压器选择

然后依靠空气的对流传导将热量散发，它没有特制的冷却设备。而油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。加装风冷后可使变压器的容量增加30%～35%。强迫油循环冷却方式，又分强油风冷和强油水冷两种。它是把变压器中的油，利用油泵打入油冷却器后再复回油箱。油冷却器做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹风或循环水作冷却介质，把热量带走。这种方式若把油的循环速度比自然对流时提高3倍，则变压器可增加容量30%。 综上所述，110kV变电站冷却方式宜采用强迫油循环风冷。

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

3电气主接线设计

电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家的经济建设方针、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，尽可能的节省投资，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。

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，它要求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全部基本组成和连接关系，代表该变电站电气部分的主体结构，是电力系统结构网络的重要组成部分。

3.1主接线的设计原则

（1）考虑变电所在电力系统中的地位和作用

变电所在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素。不论是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。

（2）考虑近期和远期的发展规模

变电所主接线设计应根据5～10年电力系统发展规划进行。应根据负荷的大小和分布、负荷增长速度以及地区网络情况和潮流分布，并分析各种可能的运行方式来确定主接线的形式以及所连接的电源数和出线回数。

（3）考虑负荷的重要性和分级和出线回数多少对主接线的影响

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

对一级负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级负荷不间断供电；对二级负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级负荷供电。三级负荷一般只需一个电源供电。

（4）考虑主变台数对主接线的影响

变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。通常对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此对主接线的可靠性、灵活性的要求也比较高。而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性要求低。 （5）考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响

发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增、设备检修、故障停运情况下的应急要求。电器主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同。例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时允许切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。

3.2 主接线设计的基本要求

主接线设计的合理性直接影响电力系统运行的可靠性，灵活性及对电器的选择、配电装置、继电保护、自动控制装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。根据《电力工程电气设计手册(电气一次部分）》中有关规定：“变电所的电气主接线应根据该变电所在电力系统中的地位，变电所的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。并综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求”。主接线设计的基本要求如下：

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

3.2.1可靠性

所谓可靠性是指主接线能可靠的运行工作，以保证对用户不间断供电。衡量可靠性的客观标准是运行实践，经过长期运行实践的考验，对以往所采用的主接线，优先采用。主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次设备部分在运行中可靠性的综合。同时，可靠性不是绝对的而是相对的。可能一种主接线对某些变电所是可靠的，而对另一些变电所可能就不是可靠的。评价主接线方式可靠的标志是：

（1）线路、母线（包括母线侧隔离刀闸）等故障或检修时，停电范围的大小和停电时间的长短，能否保证对一类、二类负荷的供电。 （2）线路、断路器、母线故障和检修时，停运线路的回数和停运时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。 （3）变电所全部停电的可能性。

（4）大型机组突然停电，对电力系统稳定运行的影响与后果。

3.2.2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，灵活性主要包括以下几个方面：

（1）操作的方便性：电气主接线应该在满足可靠性的条件下，接

线简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。

（2）调度的方便性：电气主接线在正常运行时，要能根据调度要

求，方便地改变运行方式，并且在发生事故时，要能尽快地切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

（3）扩建的方便性：对将来要扩建的发电厂，其接线必须具有扩

建的方便性。尤其是火电厂，在设计主接线时应留有发展扩建的余地。设计时不仅要考虑最终接线的实现，还要考虑到从初期接线到最终接线的可能和分段施工的可行方案，使其尽可能地不影响连续供电或在停电时间最短的情况下，将来能顺利完成过渡方案的实施，使改造工作量最少。

3.2.3经济性

主接线的经济性和可靠性之间经常存在矛盾，所以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个方面考虑：

（1）节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采取限制短路

电流的措施，以节省开关电器数量、选用价廉的电器或轻型电器，以便降低投资。

（2）占地面积少。主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的

条件，尽可能使占地面积少；同时应注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。对大容量发电厂或变电站，在可能和允许条件下，应采取一次设计，分期投资、投建，尽快发挥经济效益。

（3）电能损耗少。在发电厂或变电站中，电能损耗主要来自变压

器，应经济合理地选择变压器的形式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。

3.3主接线方案的比较和确定

根据《电力工程电气设计手册(电气一次部分)》的相关要求，110kV配电装置出线回路数4回时，可采用单母线分段的接线、双母线接线、

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

单母线分段带旁路接线，10kV配电装置出线回路数10回及以上时，可采用单母线分段的接线和双母线接线，在采用单母线分段或双母线的

35～110kV主接线中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。

当有旁路母线时，首先宜采用分段断路兼作旁路断路器的接线。当

110kV线路6回及以上，35～6kV线路8回及以上时，可以装设专用

的旁路断路器。

3.3.1 110kV侧主接线设计

（1）初选方案

因本所初期设计2回进线2回出线，最终2回进线4回出线，故

110kV变电站电气主接线可采用单母线分段接线或单母线分段带旁路

接线。下面以这两个方案进行分析比较，确定其主接线的具体形式。 单母线分段接线如图2.1所示：

BZ线备用一BI线备用二QS3QF2QS2WⅠQS1QFdWⅡ

图3.1 单母线分段接线

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

单母线分段带旁路接线图如图3.2所示：

BZ线备用一QS7WPQS6QF1QS3QFDQS4BI线备用二QS5WⅠQS1QS2WⅡQSD

图3.2 单母线分段分段断路兼作旁路断路器的接线

（2）方案比较

单母线分段接线： ①当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常母线不间断供电，不致使重要用户停电。

②两段母线同时发生故障的机率甚小，可以不予考虑。

③在可靠性要求不高时，可使用隔离分段开关。任一段母线故障时，将造成两段母线同时停电，在判断故障后，断开分段隔离开关，完好段

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

即可恢复供电。

单母线分段带旁路接线： ①通过倒闸操作，可检修与旁路母线相连的任一回路的出线断路器而不停电，因固定式断路器检修时间较长，不重要负荷停电时间长。 ②任一出线断路器故障时，通过倒闸操作，可在较短时间内恢复对该线路的供电。进线断路器故障时，不重要负荷停电时间较长。检修母线时，非检修段可以照常供电，并可对双回路线路通过其一回给Ⅰ、Ⅱ类负荷供电，还可通过倒闸操作经旁路母线对检修段出线负荷最重要的一个用户继续供电。

③几乎无线路全部停运的可能，若出线全部停运的情况，因固定式断路器的检修时间长，则全部停运时间长。

④正常运行时，QFd作为分段断路器工作，一段母线故障，QFd跳开，不会影响正常段母线供电。检修出线断路器，可以通过倒闸操作而不是切除线路。运行方式改变时，倒闸操作繁琐，不够灵活。

⑤设备少，投资少，土建工作和费用较少，可以两个方向均衡扩建。 （3） 方案确定

从技术性角度而言，两种方案均能满足110kV级供电可靠性和灵活性的要求，且具有扩建方便的优点，但由于断路器经过长期运行和切断次数都需要检修，为了使检修时不至于中断回路供电，故采用分段断路器兼作旁路断路器的接线方式。

综合比较，本次设计在110kV母线上采用单母线分段带旁路母线接线的形式。

3.3.2 10kV侧主接线设计

（1）初选方案

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

10kV侧出线回路数本期为13回，最终15回，根据规程要求和本所实际情况，10kV电气主接线可以采用单母线分段接线或双母线接线。

（2）方案比较 双母线接线特点：

①检修任一组母线，不会中断对用户的连续供电（利用母联倒换操作）。

②一组母线故障后，该母线上的所有进出线都要停电，但能迅速恢复供电。

③检修任一回路中的母线侧QS，仅该回路停电，其余线路照常工作。

④任一回路中的QF，如拒动或因故不能操作时，可用母联代替操作。

⑤在特殊需要时，可以用母联与系统进行同期或解列操作 ⑥QS不仅用来隔离电压，而且还用来倒换操作 ⑦扩建方便。 （3）方案确定：

10kV侧采用单母线分段接线，供电距离短，且对重要负荷采用双

回路供电。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。故采用单母线分段接线的接线方式

基于上述理由，再考虑到该变电站在电力系统中的地位、建设规模、负荷性质等情况，在保证供电可靠性的前提下,运行灵活性、操作检修方便，节约投资，确定：110kV接线采用单母线分段带旁路母线的接线，

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山东科技大学学士学位论文 电气主接线设计

10kV接线采用单母线分段接线。

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山东科技大学学士学位论文 短路电流计算

4 短路电流计算

在电力供电系统中，对电力系统危害最大的就是短路。短路的形式可以分为三相短路、两相短路、两相短路接地、单相短路接地。在短路电流计算过程中，一般都以最严重的短路形式为依据。因此，本文的短路电流计算都以三相短路为例。

在供电系统中发生短路故障时，在短路回路中短路电流要比额定电流大几倍至几十倍，通常可达数千安，短路电流通过电气设备和导线必然要产生很大的电动力，并且使设备温度急剧上升有可能损坏设备和电缆；在短路点附近电压显著下降，造成这些地方供电中断或影响电动机正常工作；发生接地短路时所出现的不对称短路电流，将对通信线路产生干扰；当短路点离发电厂很近时，将造成发电机失去同步，而使整个电力系统的运行解列。

4.1短路电流计算的目的

计算短路电流的目的是为了正确选择和校验电器设备，避免在短路电流作用下损坏电气设备，如果短路电流太大，必须采用限流措施，以及进行继电保护装置的整定计算。为了达到上述目的，须计算出下列各短路参数

I″— 次暂态短路电流，用来作为继电保护的整定计算和校验断路

器额定断流容量。应采用（电力系统在最大运行方式下）继电保护安装处发生短路时的次暂态短路电流来计算保护装置的整定值。

isk— 三相短路冲击电流，用来检验电器和母线的动稳定。 I — 三相短路电流有效值，用来检验电器和母线的热稳定。

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山东科技大学学士学位论文 短路电流计算

S″— 次暂态三相短路容量，用来检验断路器的遮断容量和判断母

线短路容量是否超过规定值，作为选择限流电抗器的依据。

4.2短路电流计算的规定

为了简化短路电流的计算方法，在保证计算精度的情况下，忽略次要因素的影响，做出以下规定：

（1）所有的电源电动势相位角均相等，电流的频率相同，短路前，电力系统的电势和电流是对称的。

（2）认为变压器是理想变压器，变压器的铁心始终处于不饱和状态，即电抗值不随电流的变化而变化。

（3）输电线路的分布电容略去不计。

（4）每一个电压级采用平均电压，这个规定在计算短路电流时，所造成的误差很小。唯一例外的是电抗器，应该采用加于电抗器端点的实际额定电压，因为电抗器的阻抗通常比其他元件阻抗大的多，否则，误差偏大。

（5）计算高压系统短路电流时，一般只计及发电机、变压器、电抗器、线路等元件的电抗，因为这些元件X/3>R时，可以略去电阻的影响。只有在短路点总电阻大于总电阻的1/3时才加以考虑，此时采用阻抗等于电抗计算。

（6）短路点离同步调相机和同步电动机较近时，应该考虑对短路电流值的影响。有关感应电动机对电力系统三相短路冲击电流的影响：在母线附近的大容量电动机正在运行时，在母线上发生三相短路，短路

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山东科技大学学士学位论文 短路电流计算

点的电压立即降低。此时，电动机将变为发电机运行状态，母线上电压低于电动机的反电势。

（7）在简化系统阻抗时，距短路点远的电源与近的电源不能合并。 （8）以供电电源为基准的电抗标幺值>3,可以认为电源容量为无限大容量的系统,短路电流的周期分量在短路全过程中保持不变。

4.3短路电流计算的步骤

在工程设计中，短路电流的计算通常采用实用计算曲线法。其具体计算步骤如下：

（1）计算各元件电抗标幺值，并折算到同一基准容量下； （2）绘制等值网络，进行网络变换； （3）选择短路点；

（4）对网络进行化简，把供电系统看为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标幺值，并计算短路电流标幺值、有名值；

（5）计算短路容量，短路电流冲击值：

短路容量： S?3VjI??

（4.1）

短路电流冲击值: Icj?2.55I?? （4.2）

（6）列出短路电流计算结果。 具体短路电流计算详见计算说明书。

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山东科技大学学士学位论文 短路电流计算

4.4短路类型及其计算方法

电力系统中可能发生的几种形式的短路类型及其计算方法是如下： （1）三相短路电流的计算：

Id*(3)?1X1*? （4.3）

其有名值为：

Id(3)(3)?Id*(3)?Ij （4.4）

Id*—系统中发生三相短路时，短路点的短路电流标幺值 Id(3)—系统中发生三相短路时，短路点的短路电流有名值

X1*—归算到短路点的综合正序等值电抗。 ?以下为简便起见，省略下标 * 。 （2）两相短路电流的计算：

IdX2Id(2)?3X1?1?X2 （4.5）

??—归算到短路点的负序综合电抗

(2) —两相短路时短路点的全电流

其各序分量电流值为：

Id1(2)(2)(2)?Id(2)?X1?1?X2 (4.6)

?Id1,Id2—分别为两相短路时，短路点短路电流的正负序分量 （3）两相接地短路电流计算：

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山东科技大学学士学位论文 短路电流计算

Id(1,1)X0(1,1)???31??I （4.7） d1(X2?X0)2??X2 Id(1,1)—两相短路接地时，短路点故障相全电流 —两相短路接地时，短路点的正序电流分量

Id1(1,1)Id1(1,1)?Id2(1,1)（4.8）

X1?X1//X0???

X0(1,1)? （4.9） ?Id1?X0?X2??(1,1)1Id0(1,1)?Id1?X2X0???X2（4.10）

?

Id2(1,1),Id0(1,1)—分别为两相接地短路时的负序和零序电流分量。

（4）单相接地短路电流的计算：

短路点各序分量电流为：

1(1)(1)I?I? （4.11） d1d22x1?x0

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山东科技大学学士学位论文 高压电器选择

5高压电器选择

5.1 高压断路器的选择

高压断路器在高压回路中起着控制和保护的作用，是高压电路中最重要的电器设备。本次在选择断路器，考虑了产品的系列化，既尽可能采用同一型号断路器，以便减少备用件的种类，方便设备的运行和检修。 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断时间。

（4）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、使用寿命和检修周期长而且使用可靠，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。因而被大量使用于35kV及以下的电压等级中。所以，10kV侧采用真

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山东科技大学学士学位论文 高压电器选择

空断路器。

5.2 隔离开关的选择

隔离开关是高压开关设备的一种，它主要是用来隔离电源，进行倒闸操作的，还可以拉、合小电流电路。 选择隔离开关时应满足以下基本要求：

（1）隔离开关分开后应具有明显的断开点，易鉴别设备是否与电

网隔开。

（2）隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证过电压及

相间闪络的情况下，不致引起击穿而危及工作人员的安全。

（3）隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝

缘强度。

（4）隔离开关在跳、合闸时的同期性要好，要有最佳的跳、合闸速

度，以尽可能降低操作时的过电压。

（5）隔离开关的结构简单，动作要可靠。

（6）带有接地刀闸的隔离开关，必须装设连锁机构，以保证隔离开

关的正确操作。

5.3各级电压母线的选择

选择配电装置中各级电压母线，主要应考虑如下内容：

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山东科技大学学士学位论文 高压电器选择

（1）选择母线的材料，结构和排列方式； （2）选择母线截面的大小；

（3）检验母线短路时的热稳定和动稳定；

（4）对35kV以上母线，应检验它在当地睛天气象条件下是否发生

电晕；

（5）对于重要母线和大电流母线，由于电力网母线振动，为避免共

振，应校验母线自振频率。

110kV母线一般采用软导体型式。根据设计要求，本变电所10kV的

最终回路较多，因此10kV母线应选硬导体为宜。故所选LMY-125型矩形铝导线满足热稳定要求。

5.4电流互感器选择

5.4.1一次回路电压的选择

为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电网电压UMS应在（0.81～1.2）UN1范围内变动，即应满足下列条件：

0.81UN1

5.4.2二次回路电压选择

电压互感器二次绕组额定电压通常是供额定电压为100V的仪表和

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山东科技大学学士学位论文 高压电器选择

继电器的电压绕组使用。显然，单个单相式互感器的二次绕组电压为

100V，而其余可获得相间电压的接线方式，二次绕组电压为100/ 3 V；

电压互感器开口三角形的辅助绕组电压用于35kV及以下中性点不接地系统的电压为100/3V，而用于110kV及以上的中性点接地系统的为

100V。

（1）容量和准确级选择

电压互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级），应不小于电压互感器的二次负荷，即SN2=S2，而二次负荷

S2=

??S0cos??2???S0sin??2=??P????Q?2002 （4.2）

式中，S0、P0、Q0、cos?分别为各仪表的视在功率、用功功率、无功功率、功率因数。

电压互感器的具体选择和校验过程见计算书。

5.5 电压互感器的选择

电压互感器是二次回路中测量和保护用的电压源，通过它反映系统的运行状况，它的作用是将一次高压变为二次侧的低电压便于测量。 依据《电力工程设计手册》对电压互感器配置的规定：

(1)电压互感器的配置与数量和配置、主接线方式有关，并应满足测量、保护周期和自动装置的要求。电压互感器应能在运行方式改变时，保护装置不得失压，周期点的两侧都能提取到电压。

(2) 6～220kV电压等级的一组主母线的三相上应装设电压互感

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山东科技大学学士学位论文 高压电器选择

器，旁路上是否需要装设压互，应视各回出线外侧装设压互的情况和需要确定。

（3）当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。

又根据《导体和电器选择技术规定》：电压互感器应按下列技术条件选择和校验：一次回路电压、二次电压、二次负荷。 电压互感器的型式应按下列使用条件选择: （1）准确度等级。

（2）继电保护及测量的要求。

（3）3～20kV屋内配电装置宜采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注绝缘结构的电磁式电压互感器。

（4）110kV及以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，宜采用电容式电压互感器。

5.6 避雷器的选择

避雷器是专门用以限制过电压的一种电气设备，与被保护的电气设备并联，当工作电压超过一定幅值时，避雷器先放电，限制了过电压，

保护了其它电气设备。 （1）配电装置的每组母线上，应装设避雷器，但进出线装设避雷器时除外。

（2）旁路母线上是否需要装设避雷器，应视在旁路母线投入运行时，避雷器到被保护设备的电气距离是否满足要求而定。

（3）220kV及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。

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山东科技大学学士学位论文 高压电器选择

（4）三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器。 下列情况的变压器中性点应装设避雷器：

（1）直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时。

（2）接地和经消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点上。

（3）发电厂变电所35kV及以上电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设避雷器。

（4）SF6全封闭电器的架空线路侧必须装设避雷器。 （5）110～220kV线路侧一般不装设避雷器。

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山东科技大学学士学位论文 配电装置

6 配电装置

配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。它是按主接线的要

求，由开关设备、保护和测量电器、母线装置和必要的辅助设备构成，用来接受和分配电能的装置。

6.1配电装置的基本要求

(1)保证运行安全可靠； (2)便于操作、巡视和检修； (3)保证工作人员的安全； (4)力求提高经济性； (5)具有扩建的可能性。

6.2 配电装置的种类及应用

(1)普通中型配电装置，施工、检修和运行都比较方便，抗震能力好，造价比较低，缺点是占地面积较大。

(2)半高型配电装置，占地面积为普通中型的47%而总投资为普通中型的98.2%，同时，该型布置在运行检修方面除设备上方有带电母线外，其余布置情形与中型布置相似。

(3)高型配电装置，一般适用于220kV及以上电压等级。 综上所述本变电站配电装置设计如下：

本变电站有二个电压等级，110kV侧单母分段带旁路母线接线，采

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山东科技大学学士学位论文 配电装置

用屋外中型单列布置,架空进出线；10kV侧单母线分段母线接线，采用屋内成套高压开关柜布置，电缆出线。

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山东科技大学学士学位论文 防雷保护设计

7 防雷保护设计

在自然界的雷击中，会使设备产生过电压、损坏绝缘等，给电力用户带来严重危害。因此，必须对变电站采取防雷措施。

[

7.1 防雷保护的特点

(1)变电站属于“集中型”设计，直接雷击防护以避雷针为主； (2)变电站设备与架空输电线相联接，输电线上的过电压波会运动至变电站，对电气设备过程威胁。因此变电站要对侵入波过电压进行防护，主要手段是避雷器；

(3)变电站内都安装有贵重的电气设备，如变压器等，这些电气设备一旦受损，一方面会对人民的生活和生产带来巨大损失，造成严重后果；另一方面，这些设备的修复困难，需要花费很长时间和大量金钱，给电力系统本身带来重大经济损失。所以变电站要采取周密的过电压防护措施；

(4)为了充分发挥防雷设备的保护作用，变电站应有良好的接地系统。

7.2 变电站直击雷防护

户外配电装置一般都采用避雷针作为直击雷保护，本变电站直击雷防护采用避雷针，变电站围墙四角各布置1支避雷针，共布置4支避雷针，每支避雷针高30m。本站东西向长92m，南北向宽75m，占地面积

6900m2，110kV配电装置构架高12.5m，35kV终端杆高13.5m。屋

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山东科技大学学士学位论文 防雷保护设计

内配电装置钢筋焊接组成接地网，并可靠接地。

7.3 进线保护

所谓进线段保护是指临近变电站1～2km一段线路上的加强型防雷保护措施。当线路无避雷线时，这段线路必须架设避雷线；当沿线路全长架设避雷线时，则这段线路应有更高的耐雷水平，以减少进线段内绕击和反击的概率。

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山东科技大学学士学位论文 变压器容量计算及选择

8 变压器容量计算及选择

8.1本站负荷计算

根据初步设计原始资料计算 SC?Kt?i?1np(1?a%) （8.1） cos?

sC——某电压等级的计算负荷 式中

Kt——同时系数10kV取0.85

а%——该电压等级电网的线损率，一般取5% P、cos?——各用户的负荷和功率因数 考虑电力系统的远景发展规划此变电站10kV侧负荷为

SC?(3.03.01.51.53.04.53.52.02.02.0?????????)?0.85?(1?5%).0800.800.800.780.750.780.800.800.750.80?34.77MVA

考虑到备用情况，因此本变电站的最终综合用电负荷为： Sm=SC+2+2=38.77MVA

8.2主变压器容量和型号的选择

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，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力允许时间内，应保证用户

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山东科技大学学士学位论文 变压器容量计算及选择

的一级和二级负荷。所以每台变压器的额定容量按Sn?0.7Pm选择，即

Sn=0.7×38.77=27.14kVA。

综上所述根据以上设计原则，本次设计变电站主变确定为双绕组有载调压电力变压器，相关数据如下表所示：

表8.1 主变压器的相关数据

变压器型号 额定电压(kV)

SFL7-31500/110 额定容量(kVA ) 110?8?1.25%/10.5 连接组标号

31500 YN，d11 1.1 148

短路阻抗%

10.5

空载电流%

空载损耗（kVA） 42.2

负载损耗（ kVA）

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山东科技大学学士学位论文 短路电流的计算

9 短路电流的计算

9.1 原始资料

系统供电到110kv母线上，10kV侧无电源，系统阻抗归算到

110kV侧母线上UB=Uav, SB=100MVA.

取基准容量为：SB=100MVA，基准电压为UB=Uav，又依公式：

IB?SB3UavU ；XB?B，计算基准值如出下表所示9.1：

SB2 表9.1 变电站网络等值电路参数基准值取值

电气量 SB(MVA)

关系式

基 准 值

100 115 0.502 132.25

10.5 5.50 1.10

UB(kV) IB(kA) XB(?)

UB=Uav

Ib?SB/3UB

XB?UB23SB

9.2 短路计算

9.2.1 短路计算过程

说明：在变电站的电气设计中，短路电流计算是其中一个重要环节，在选择和校验电器设备时，需要用到短路电流。其中一定要注意以下几点：

（1）接线方式：计算短路电流时式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，即最大运行方式。

（2）短路种类：一般按三相短路计算，在三绕组变压器回路中单

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山东科技大学学士学位论文 短路电流的计算

相或两相接地短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况进行校验。

（3）短路计算点的选择：短路计算点是指在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点。在该系统中分别选择了110kV高压侧母线d1、d2、d4、, 10kV低压侧母线d3，系统等值网络图如图

9.1。

0.056110kV0.03①④110kV0.06③0.040.020.06110kV 0.53

图9.1 系统等值网络图

将三角形化为Y形可得其系统等值网络图如下：

②10kV0.024110kV0.0120.056①0.06110kV0.28③E=1.0E=1.0

0.012④0.053②10kV110kV

图9.2 系统网络接线简图

9.2.2 各短路点电流短路电流计算

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l3k7.html