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建筑电气
110 kV变电站电气一次系统设计
添加时间: 2019-7-11 14:26:13 来源: 作者: 点击数:1676

           110kV变电站电气一次系统设计

摘要

变电站作为电力系统中的重要组成部分,它是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施,它通过变压器将各级电压的电网联系起来。它的安全运行直接影响到整个电力系统的安全性与经济性。

本论文设计的是一个降压变电站,在系统中起着汇聚和分配的电能的作用。本文首先分析了任务书上所给的数据,对原始资料进行分析,考虑到其可靠性、灵活性、经济性,确定了五种电气主接线方案,并从中选择了两种方案进行比较。

其次根据变电站的负荷要求,确定了变电站的主变压器容量、台数、型号。之后进行了短路电流计算,获得了短路发生在各级母线时,其稳态短路电流,冲击电流等值。然后根据计算结果、电压等级和最大工作持续电流进行断路器及隔离开关的选择,并将两种方案进行经济比较,得到最优方案,并选择出其他电气设备(包括电力互感器、电压互感器、绝缘子、穿墙套管等)。

最后绘制电气主接线图、电气总平面布置图、断面图、防雷接地图等图纸。

关键词变电站;主接线;短路电流;电气设备


A Preliminary Electrical Design for the 110kV Step-down Substation

Abstract

As an important part in the power system,substation is to transform the voltage of the power system,recerves and distributes power to the flow and adjust the voltage of the power electricity facilities.Through transformer of all levels,the grid is linked up together as a whole.The safe operation of the substation has a direct impact on the entire power system security and economy.

Designed in this paper is a step-down substation,it plays a role of the anggreation and distribution of electrical energy in the power system.This article first analyzes the data given in the mission statement and then analyzes the raw data.Taking into account its reliability,flexibility and economy five main electric connection schemes are identified,from which two schemes are selected to make further comparison.

Secondly,according to the load requirements of the substation,the capacity,number and model of the main transformer are identified.Followed by a short circuit current calculation and the steady-state short-circuit current,the impact of current and its like are obtained when short circuit occurs at all levels of buses.Then,according to the calculations,the voltage level and the maximum contimuous operating current,circuit breaker and isolating switch are selected.Comparing the economy of the two programs the opitmal program is identified and then,other electrical equipments,including power transformers,voltage transformers,insulators,wall bushing etc.,are selected in the end.

Finally the main electrical wiring diagram,electrical layout,lighting protection maps and other drawings are done.

Keywords:Substation,Main electrical wiring,Short-circuit current,Electrical equipment


 

摘要 I

Abstract II

1前言 1

2原始数据 2

3主变压器的选择 3

3.1概述 3

3.2主变压器容量和台数的确定原则 3

3.3主变压器型式的选择 3

3.3.1主变压器相数的选择 3

3.3.2绕组数的选择 4

3.3.3主变压器调压方式的选择 4

3.3.4主变压器冷却方式的选择 4

3.4主变压器的最终确定 5

4电气主接线的设计 6

4.1电气主接线概述 6

4.2主接线设计的基本要求 6

4.3主接线的接线拟定和选择 7

4.4主接线方案的拟定 8

5短路电流计算 14

5.1概述 14

5.2短路故障的危害 14

5.3短路电流计算的目的 14

5.4短路计算基本假设 15

5.5短路电流计算步骤 15

5.6短路电流计算 16

5.6.1选取基准值 16

5.6.2计算变压器各绕组电抗 16

5.6.3计算系统及线路阻抗 17

5.6.4等值网络 17

6电气设备的选择 20

6.1电气设备选择概述 20

6.2按正常工作条件选择电气设备 20

6.2.1电气设备选择的一般原则: 20

6.2.2额定电压要求 20

6.2.3额定电流要求 20

6.2.4环境条件对设备选择的影响 20

6.3按短路状态校验 21

6.3.1校验的一般原则 21

6.3.2短路热稳定校验 21

6.3.3电动力稳定校验 21

6.4断路器和隔离开关的选择 21

6.4.1概述 21

6.4.2断路器的选择与校验 22

6.4.3隔离开关的选择与校验 25

7最佳方案的确定 28

7.1综合投资 28

7.1.1综合投资概述 28

7.1.2综合投资的计算 28

7.2年运行费用 29

7.2.1年运行费用概述 29

7.2.2年运行费用的计算 29

7.3经济比较 31

8互感器、导体的选择与校验 32

8.1互感器的选择与校验概述 32

8.1.1 电流互感器的特点 32

8.1.2 电流互感器的选择标准 32

8.2电流互感器的选择 33

8.3电压互感器的选择以及校验 36

8.3.1 电压互感器的特点 36

8.3.2 电压互感器的选择标准 36

8.3.3 电压互感器的选择计算 36

8.4导体的选择与校验 38

8.4.1 裸导体的选择条件选择和校验 38

8.4.2 母线及电缆截面的选择 38

8.4.3 母线选择计算 39

8.4.4 电缆选择计算 44

8.5绝缘子与穿墙套管的选择与校验 45

8.5.1 支持绝缘子的选择标准 45

8.5.2 支持绝缘子选择计算 45

8.5.3 穿墙套管的选择 45

9屋内外配电装置设计 47

9.1概述 47

9.2配电装置的选择 48

10防雷及接地系统设计 50

10.1避雷器的选择与校验 50

10.1.1电压110kV避雷器的选择及校验 50

10.1.2电压35kV避雷器的选择及校验 51

10.1.3电压10kV避雷器的选择及校验 51

10.2避雷针的选择 52

10.3接地系统设计 53

10.3.1设计说明 53

10.3.2接地体设计 54

10.3.3接地网设计 54

11结论 56

参考文献 57

致谢 58


1前言

变电站是电力系统的重要组成部分,是联系发电厂和用户的中间环节,起着变换和分配电能的重要作用。它直接影响着整个电力系统运行的安全性与经济性。

由于现代科学技术的发展,电网容量的增大,电压等级的提高,综合自动化水平的需求,使得变电站设计问题变得越来越复杂。除了常规变电所之外,还出现了综合自动化变电所、小型化变电所、无人值班变电所、数字化变电站等。当前,随着我国城乡电网建设与改造的开展,对变电所设计也提出了更高、更新的要求。然而,所有的发展变化都要以变电站设计的基本原理为根据,因此对于变电设计基本原理的掌握才是创新的根本[1]

本毕业设计的题目为《110kV降压变电站电气一次系统设计》,设计的内容正是常规变电站。通过本次毕业设计,我不仅初步掌握了常规变电所的电气一次系统的原理及设计过程,而且培养了自己运用所学知识去分析和解决与本专业相关的实际问题的能力。通过对原始资料的分析、主接线的选择及技术经济比较、短路电流的计算、主要电气设备的选择及校验、绘制变电所平面布置图、防雷保护配置图等步骤,最终确定了110kV变电站电气一次系统的最优方案。

2原始数据

1)变电站类型:110kV降压变电站

2)电压等级:110/35/10 kV  

3)负荷情况:

35kV侧:最大35MW,最小25MWTmax = 5200小时,cosφ= 0.9  

10kV侧:最大15MW,最小10MWTmax =5000小时,cosφ= 0.80 

4)出线情况:

110kV侧:2(架空线)   LGJ-185/30km        

35kV侧:6(架空线) 

10kV侧:12(电缆)

5)系统情况:

①系统经双回线给变电所供电;

②系统110kV母线电压满足常调压要求;

③系统110kV母线短路电流标幺值为30)。

6)环境条件:    

①最高温度40℃,最低温度-30℃,年平均温度20℃ 

②土壤电阻率  ρ<400 欧米; 

③当地雷暴日  40/年。


3主变压器的选择

3.1概述

在各电压等级的变电所中,变压器是主要电气设备之一,其担任着向用户输送功率,或者两种电压等级之间交换功率的重要任务,同时兼顾电力系统负荷增长情况,并根据电力系统510年发展规划综合分析,合理选择,否则,将造成经济技术上的不合理。如果主变压器容量选的过大,台数过多,不仅增加投资,扩大占地面积,而且会增加损耗,给运行和检修带来不便,设备亦未能充分发挥效益;若容量选得过小,可能使变压器长期在过负荷中运行,影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。因此,确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证[2]

在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦以及分裂变压器等,在选择主变压器时,要根据原始资料和设计变电所的自身特点,在满足可靠性的前提下,要考虑到经济性来选择主变压器。

选择主变压器的容量,同时要考虑到该变电站以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。

3.2主变压器容量和台数的确定原则

主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除依据原始资料外,还应根据电力系统510年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素,进行综合分析和合理选择。

变电站主变压器容量的确定一般要考虑城市规划、负荷性质、电网结构等因素。对重要变电站,需考虑当一台主变压器停运时,其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内,应满足类及类负荷的供电;对一般性变电站,当一台主变压器停运时,其余变压器容量应能满足全部负荷的60%75%[2]

《电力工程电气设计手册》规定:与系统相连的主变压器一般选两台,只有当一个电源或变电所的一级负荷另有备用电源保证供电时,可装设一台主变压器。当不受运输条件限制时,在330kV及以下的发电厂和变电所,均应选用三相变压器。在具有三种电压的变电所中,如通过主变压器各侧绕组的功率达到该变压器容量的15%以上,或低压侧虽无负荷,但在变电所内需装设无功补偿设备时,主变压器宜采用三绕组变压器[3]

3.3主变压器型式的选择

3.3.1主变压器相数的选择

当不受运输条件限制时,在330kV以下的变电所均应选择三相变压器。而选择主变压器的相数时,应根据原始资料以及设计变电所的实际情况来选择。

单相变压器组,相对来讲投资大,占地多,运行损耗大,同时配电装置以及电保护和二次接线的复杂化,也增加了维护及倒闸操作的工作量。

本次设计的变电所,位于市郊区,负责工农业生产及城乡用电,不受运输的条件限制,故本次设计的变电所选用三相变压器。

3.3.2绕组数的选择

一台三绕组变压器的价格及所用的控制和辅助设备,比相对的两台双绕组变压器都较少,而且本次所设计的变电所具有三种电压等级,考虑到运行维护和操作的工作量及占地面积等因素,该所选择三绕组变压器。

在生产及制造中三绕组变压器有:自耦变、分裂变以及普通三绕组变压器。自耦变压器,它的短路阻抗较小,系统发生短路时,短路电流增大,以及干扰继电保护和通讯,并且它的最大传输功率受到串联绕组容量限制自耦变压器,具有磁的联系外,还有电的联系,所以,当高压侧发生过电压时,它有可能通过串联绕组进入公共绕组,使其它绝缘受到危害,如果在中压侧电网发生过电压波时,它同样进入串联绕组,产生很高的感应过电压。

本次所设计的变电所所需装设两台普通三绕组变压器并列运行。普通三绕组变压器价格上在自耦变压器和分裂变压器中间,安装以及调试灵活,满足各种继电保护的需求。又能满足调度的灵活性,它还分为无激磁调压和有载调压两种,这样它能满足各个系统中的电压波动。它的供电可靠性也高。

3.3.3主变压器调压方式的选择

为了满足用户的用电质量和供电的可靠性,110kV及以上网络电压应符合以下标准:

1枢纽变电所二次侧母线的运行电压控制水平应根据枢纽变电所的位置及电网电压降而定,可为电网额定电压的11.3倍,在日负荷最大、最小的情况下,其运行电压控制在水平的波动范围不超过10%,事故后不应低于电网额定电压的95%

2电网任一点的运行电压,在任何情况下严禁超过电网最高电压,变电所一次侧母线的运行电压正常情况下不应低于电网额定电压的95%100%

调压方式分为两种,不带电切换,称为无激磁调压,调整范围通常在±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%。由于该变电所的电压波动较大,故选择有载调压方式,才能满足要求。

3.3.4主变压器冷却方式的选择

主变压器一般采用的冷却方式有:自然风冷却,强迫油循环风冷却,强迫油循环水冷却。自然风冷却:一般只适用于小容量变压器。强迫油循环水冷却,虽然散热效率高,具有节约材料减少变压器本体尺寸等优点。但是它要有一套水冷却系统和相关附件,冷却器的密封性能要求高,维护工作量较大。综上所述,本设计选择强迫油循环风冷却[2]

3.4主变压器的最终确定

本变电站装设两台主变压器,每台变压器的额定容量按下式选择:

查阅《电力系统课程设计参考资料》,确定选择两台型号为的变压器其技术数据如表3-1所示。

3-1  型变压器技术参数

型    号

        

容    量

        50 MVA

容 量 比

100 /100/100

额定电压

110±8×1.25%

38. 5±2×2.5%

11

联结组标号

        Y0/Y0/D-12-11   

损    耗

空载

53.2kW

负载

350kW

空载电流

         0.8%

阻抗电压

17.5%

10.5%

6.5%

4电气主接线的设计

4.1电气主接线概述

电气主接线是将电气设备以规定的图形和文字符号,按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。它是变电站设计的首要任务,也是电力系统网络结构的重要组成部分。它直接影响着电力生产运行的可靠性、灵活性和经济性,同时与电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式等诸多方面都有决定性的关系。因此,主接线的设计必须综合考虑各个方面的因素,经过技术经济全面分析论证后,方能确定变电所主接线的最佳方案[2]  

4.2主接线设计的基本要求

1、可靠性

安全可靠是电力生产的首要任务,保证供电可靠是对电气主接线最基本的要求。在分析电气主接线的可靠性时,要充分考虑变电站在电力系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及长期实践运行经验等诸多因素。

分析主接线可靠性的具体要求如下:

1)断路器检修时,不宜影响对系统的供电;

2)断路器或母线故障以及母线检修时,尽量减少停运的回路数和停运时间,并要求保证对全部一级负荷和大部分二级负荷的供电;

3)尽量避免变电所全部停运事故的发生。

2、灵活性

电气主接线应具有一定的灵活性,以使其能够适应各种运行状态,并能灵活地进行运行方式的转换。电气主接线的灵活性包括操作的方便性、调度的方便性、扩建的方便性三个方面。

1)操作的方便性

电气主接线应该在满足可靠性的前提下,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。

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。在发生故障时,要能尽快地切除故障,使停电时间最短,不致过多地影响对用户的供电和破坏电网的稳定运行。

3)扩建的方便性

在变电站设计时,不仅要考虑最终接线的实现,还要考虑到从初期接线过渡到最终接线的可能和分阶段施工的可行方案,使扩建所需的改造工作量最小。

3、经济性

电气主接线在满足可靠性与灵活性的要求下,要力求做到经济合理。电气主接线的经济性主要从以下三个方面考虑:

1)节省一次投资

主接线应简单清晰,并要适当采用限制短路电流的措施,以节省电器数量、选用轻型设备,降低一次投资。

2)占地面积小

主接线要为配电装置布置创造条件,以节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。当运输条件许可时,一般都安装三相变压器以简化布置。

3)电能损耗少

在变电所中,电能损耗主要来自变压器,应经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量,尽量避免两次变压而增加电能损失。

4.3主接线的接线拟定和选择

根据设计任务书的要求,在原始资料分析的基础上,根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等的不同考虑,可拟定出若干个主接线方案。依据对主接线的基本要求,从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、又能满足任务书要求的方案,在进行经济比较和可靠性定量分析计算比较,最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。

1单母线接线

单母线接线的优点是:接线简单清晰、操作方便、设备少、经济性好,便于扩建和采用成套配电装置。而缺点是可靠性差,任一元件(母线及母线隔离开关等)故障或检修时,所有回路都要停止运行,造成全站长期停电;调度不方便电源只能并列运行,并且线路侧发生短路时,有较大的短路电流。

综上所述,这种接线形式一般只用在出线回路少,并且没有重要负荷的中小型变电站中。

一般的使用范围是:610kv配电装置的出线回路数不超过5回; 3566k配电装置的出线回路数不超过3回;1l0~220kv配电装置的出线回路数不超过2回。

2单母线分段接线

为了克服一般单母线接线存在的缺点,可以采用单母线分段接线。采用单母线分段接线的形式使重要用户有两个电源供电。单母线分段接法可以提供单母线运行,各段并列运行,各段分裂运行等运行方式,便于分段检修母线,减小母线故障影响范围。任一段母线发生故障,分段断路器自动将故障切除,保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。但是,检修一段母线或隔离开关时,会造成该段母线停电,而出线为双回时,常使架空线路出现交叉跨越,扩建时需向两个方向均衡扩建

一般单母分段适用范围是110220kV配电装置的出线回路数为343563kV可配电装置的出线回路数为48610kV配电装置出线为6回及以上。

3单母分段带旁路母线

断路器经过长期运行和切断数次短路电流后都需要检修。为了检修出线断路器,不止终断该回路供电,可增设旁路母线和旁路断路器。提高供电可靠性。

这种接线方式广泛的应用于出线数较多的110KV及以上的配电装置中。而35KV及以下配电装置一般不设旁路母线。

4双母线接线

它具有供电可靠、调度灵活、扩建方便等优点。但是,使用设备多(特别是隔离开关),配电装置复杂,投资较大,并且刀闸作为操作电器,容易发生误操作。对于110220kV输送功率较多,送电距离较远,其断路器或母线检修时,需要停电,而断路器检修时间较长,停电影响较大

一般使用范围是:110kV出线回路数6回及以上, 220kV出线数4回及以上,35~60kV出线数超过8回,或连接电源较大、负荷较大时,6~10kV进出线回数较多、容量较大、出线带电抗器的配电装置中。

5双母线分段接线

较多用于220kV配电装置中,当进出线回路数较多时,双母线需要分段,分段原则是:当进出线回路数为1014回时,采用三分段(仅在一组母线上用断路器分段);当进出线回路为15回及以上时,采用四分段(两组母线均用断路器分段)。在双母线分段中,均装设两台母联兼旁路断路器。为了限制220KV母线短路电流或系统解列运行的要求,可根据需要将母线分段。

4.4主接线方案的拟定

方案1见图4-1

4-1主接线方案1

此方案: 110kV单母分段带旁路接线,35kV侧和10kV侧均选用单母线分段接线

单母分段带旁路接线,具有很高的可靠性,但是增加了投资,经济性差,且倒闸操作复杂,容易误操作。广泛应用于出线数较多的110KV及以上的配电装置中。

单母线分段接线,两段母线分列运行,具有很高的可靠性与经济性适用范围是110kV配电装置的出线回路数为3435kV配电装置的出线回路数为48 10kV配电装置出线为6回及以上。

考虑此方案。

方案2见图4-2

4-2主接线方案2

此方案110kV35kV10kV选用单母线分段接线,可靠性好,较方案1具有更好的经济性。可以考虑此方案。

方案3见图4-3

4-3主接线方案3

此方案110kV侧选用单母线接线,35kV选用双母线接线,10kV侧选用单母线分段接线。

单母线接线经济性好,操作方便,但是可靠性差一般的使用范围是: 10kv配电装置的出线回路数不超过5回; 35kV配电装置的出线回路数不超过3回;1l0kv配电装置的出线回路数不超过2回。

双母线接线,供电可靠、调度灵活、扩建方便,但是不够经济一般使用范围是:110kV出线回路数6回及以上; 35kV出线数超过8回,或连接电源较大、负荷较大时;10kV进出线回数较多、容量较大、出线带电抗器的配电装置中。

故不考虑此方案。

方案4见图4-4

4-4主接线方案4

此方案110kV侧和35kV侧均选用单母线分段接线,10kV侧选用双母线接线

具有很高的可靠由于10KV侧馈线较多,故考虑选此方案。

方案5见图4-5

4-5主接线方案5

此方案:110kV侧选用双母线接线,35kV侧和10kV侧均选用单母线分段接线

可靠性较高,但是双母线接线适用于110kV6回出线及以上,经济性不如方案二,故不选用此方案。

方案6见图4-6

4-6主接线方案6

此方案110kV侧选用单母分段接线,35kV侧选用单母线分段带旁路母线接线10kV侧选用母线接线,可靠性较高,但经济性差。故不选用此方案。

初选出方案2和方案4,但由于两方案的差别仅在于35kv侧的接线方式不同。所以在下文将会对方案2和方案4进行经济比较。


5短路电流计算

5.1概述

电力系的电气设备,在其运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常运行状态,最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路,因为它们会破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行。

短路是电力系统的严重故障,所谓短路,是指一切不正常的相与相之间或相与地(对于中性点接地系统)发生通路的情况。

在三相系统中,可能发生的短路有:三相短路,两相短路,两相接地短路和单相接地短路。其中,三相短路是对称短路,系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态,其他类型的短路都是不对称短路。

电力系统的运行经验表明,在各种类型的短路中,单相短路占大多数,两相短路较少,三相短路的机会最少。但三相短路虽然很少发生,其情况较严重,应给以足够的重视。因此,我们都采用三相短路来计算短路电流,并检验电气设备的稳定性。

5.2短路故障的危害

电力系统发生短路后,电路阻抗比正常运行时阻抗小很多,短路电流通常超过正常工作电流几十倍甚至数百倍以上,它会带来以下严重后果[6]

1)短路电流的热效应

巨大的短路电流通过导体,短时间内产生很大热量,形成很高温度,极易造成设备过热而损坏。

2)短路电流的电动力效应

由于短路电流的电动力效应,导体间将产生很大的电动力。如果电动力过大或设备结构强度不够,则可能引起电气设备机械变形甚至损坏,使事故进一步扩大。

3)电网电压下降

短路还会引起电网中电压降低,特别是靠近短路点处的电压下降得最多,结果可能是使部分用户的供电受到破坏。例如,作为系统中最主要的电力负荷异步电动机,它的电磁转矩与端电压的平方成正比,电压下降时电磁转矩将显著降低,使电动机转速减慢甚至完全停转,从而造成产品报废及设备损坏等严重后果。

4)改变电网结构,破坏系统稳定性,造成短时停电甚至系统崩溃

短路造成的短时停电事故会给国民经济带来损失。短路可能造成的最严重的后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步,破坏系统稳定,最终造成系统崩溃,形成地区性或区域性大面积停电。

5.3短路电流计算的目的

在发电厂和变电站的电气设计中,短路电流计算是其中的一个重要环节。短路电流计算的目的主要有以下几方面[7]

1)在选择电气主接线时,为了比较各种接线方案,或确定某一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,为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作,同时又力求节约资金,这就需要进行全面的短路电流计算。例如:计算某一时刻的短路电流有效值,用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值;计算短路后较长时间短路电流有效值,用以校验设备的热稳定;计算短路电流冲击值,用以校验设备动稳定。

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的安全距离。

4)在选择继电保护方式和进行整定计算时,需以各种短路时的短路电流为依据。

5)接地装置的设计,也需用短路电流。

5.4短路计算基本假设

1)正常工作时,三相系统对称运行;

2)所有电源的电动势相位角相同;

3)电力系统中各元件的磁路不饱和,即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化;

4)不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流;

5)元件的电阻略去,输电线路的电容略去不计,及不计负荷的影响;

6)系统短路时是金属性短路[8]

5.5短路电流计算步骤 

短路电流计算的具体步骤如下:

1)选择短路计算点

在正常接线方式时,通过电器设备的短路电流为最大的地点,成为短路计算点。

对于带电抗器的6~10kV出线在选择母线至母线隔离开关之间的引线、套管时,短路计算点应该取在电抗器前。选择其余的导体和电器时,短路计算点一般取在电抗器后。

2)绘制等值网络图

①去掉系统中各元件的电阻、所有负荷分支以及不流通短路电流的分支

②选取基准容量和基准电压

③将各元件电抗换算为同一基准值下的标幺电抗

④绘出等值网络图,并将各元件电抗统一编号

3)化简等值网络

为计算不同短路点的短路电流值,需将等值网络分别化简,求出无穷大电源与短路点之间的电抗,即转移电抗

4)计算无穷大电源供给的短路电流周期分量

由于网络中无限大功率电源供给的短路电流周期是不衰减的,因此不必查运算曲线,短路电流由下式确定:

                                                                       5-1

5)计算短路电流周期分量的有名值

不同电压等级的母线发生短路时,系统提供的短路电流有名值计算如下:

                                                         5-2

6)计算短路电流冲击值和最大短路电流有效值

《发电厂电气部分课程设计参考资料》中表5-1规定了我国推荐的冲击系数如下[8]

5-1 我国推荐的冲击系数

短路地点

 (KA)

 (KA)

远离发电厂的地点(变电所)

1.8

2.55

1.51

5.6短路电流计算

5.6.1选取基准值

高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗,采用标幺值进行计算,为了计算方便选取如下基准值:

基准容量:

基准电压:

基准容量:

基准电压:

5.6.2计算变压器各绕组电抗

110kV

35kV

10kV

则三绕组变压器电抗分别为:

5.6.3计算系统及线路阻抗

系统110kV侧母线短路电流标幺值30,则110kV侧母线短路电抗为

110kV2回架空线为LGJ-185,长度为30km,查表得电抗为0.4,则30线路电抗标值为:

 

5.6.4等值网络

5-2等值电路图

1110kV母线发生短路,即d1点发生短路

等值网络为

5-3 d1点短路等值电路图

系统转移电抗:          = Xs=X* +Xl*=0.0333+1/20.0907=0.0708

次暂态短路电流标幺值: 

次暂态短路电流有名值: 

冲击电流:           

全电流最大有效值:   

短路容量:         

235kV母线发生短路,即K2点发生短路

等值网络为

5-4  d2点短路等值网络化简图

次暂态短路电流标幺值:      

次暂态短路电流有名值:     

冲击电流:          

全电流最大有效值:  

短路容量:          

310kV母线发生短路,即K3点发生短路

等值网络为

5-5  d3短路等值网络化简图

次暂态短路电流标幺值:  

次暂态短路电流有名值:  

冲击电流:             

全电流最大有效值:    

短路容量:             

6电气设备的选择

6.1电气设备选择概述

正确地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。电器要能可靠地工作,必须按正常工作条件进行选择,并按短路电流来校验热稳定和动稳定[9]

6.2按正常工作条件选择电气设备

6.2.1电气设备选择的一般原则:

·

6.2.2额定电压要求

电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化,有时会高于电网的额定电压,故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常,规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.11.15倍,而电气设备所在电网的运行电压波动,一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此,在选择电气设备时,一般可按照电气设备的额定电压不低于装置地点电网额定电压的条件选择。即

                                                                  6-1

6.2.3额定电流要求

电气设备的额定电流是在额定环境温度下,电气设备的长期允许电流。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,即:

                                                                 6-2

6.2.4环境条件对设备选择的影响

当电气设备安装地点的环境条件如温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆水度等超过一般电气设备使用条件时,应采取措施。

6.3按短路状态校验

6.3.1校验的一般原则

1)电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热校验。校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流。

2)用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器有限流作用时,可不验算动稳定。用熔断器保护的电压互感器回路,可不验算动、热稳定[8]

6.3.2短路热稳定校验

短路电流通过电器时,电气设备各部件温度(或发热效应)应不超过允许值。满足热稳定条件。

                                                            6-3

式中:

—稳态三相短路电流

—短路电流发热等值时间

—断路器t秒热稳定电流

,由和短路电流计算时间t,可在《发电厂电气部分课程设计参考资料》112页图5-1中查出短路电流周期分量等值时间,从而可计算出

6.3.3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,也称动稳定。满足动稳定的条件为:

                                6-4

式中:

—三相短路电流冲击值

—断路器极限通过电流峰值

6.4断路器和隔离开关的选择

6.4.1概述

断路器和隔离开关是发电厂和变电所中重要的开关电器。断路器的主要功能是:在正常情况下,把设备或线路接入电网或退出运行,起着控制作用;在电力系统发生故障时,能快速切除故障回路,保证电力系统无故障部分正常运行。而隔离开关的主要功能是保障高压电器及装置在检修工作时的安全,不能用于切断负荷电流或开断短路电流,仅可用于不产生强大电弧的切换操作。

1)高压断路器的选择

断路器型式的选择,除需满足各项技术条件和环境条件外,还应考虑便于安装调试和运行维护,并经技术经济比较后才能确定。根据当前我国生产制造情况,电压6220kV的电网一般选用少油断路器;电压110330kV的电网,当少油断路器技术条件不能满足要求时,可选用六氟化硫或空气断路器。

2)隔离开关的选择

隔离开关型式的选择应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素,进行综合的技术经济比较后确定。其选择的技术条件与断路器相同。

6.4.2断路器的选择与校验

110kV:选定断路器型号为LW25-126,其技术数据如表6-1

6-1断路器型号为LW4-126的技术数据

型号

电压,kV

额定   电流,A

额定断开

电流,kA

热稳定电流,kA

(4s)

动稳定电流,kA

额定

最大

LW25-126

126

126

1250

31.5

15.8

55

1)电压:

2)电流:

         

3)开断电流:

4)动稳定:      则满足动稳定;

5)热稳定:

则满足热稳定。

变压器35kV:选定断路器型号为LW16-40.5,其技术数据如表6-2

6-2断路器型号为LW16-40.5的技术数据

型号

电压,kV

额定   电流,A

额定关合

电流,kA

热稳定电流,kA

(4s)

动稳定电流,kA

额定

最大

LW16-40.5

40.5

40.5

1600

25

31.5

63.4

1)电压:

2)电流:

3)开断电流:

4)动稳定:       则满足动稳定;

5)热稳定:

则满足热稳定。

变压器10kV:选定断路器型号为SN4-10G,其技术数据见表6-3

6-3断路器型号为SN4-10G的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

额定断开

电流,kA

额定断开容量,MVA

极限通过电流,kA

热稳定电流,kA

合闸时间,s

固有分闸时间,s

最大

有效

1s

5s

10s

SN4-10G

10

5000

105

1800

300

173

173

120

85

0.65

0.15

1)电压:

2)电流:

3)开断电流:

4)动稳定:       则满足动稳定;

5)热稳定: 

       则满足热稳定。

35kV出线侧:选定断路器型号为LW8-40.5,其技术数据见表6-4

6-4断路器型号为LW8-40.5的技术数据

型号

额定电压kV

最高工作电压kV

额定电流,A

额定断开

电流,kA

4s热稳定电流kA

动稳定电流

kA

LW8-40.5

40.5

40.5

1000

20

25

41

1)电压:

2)电流: 

3)开断电流:

4)动稳定:      则满足动稳定;

5)热稳定:s

        则满足热稳定。

10kV出线侧:选定断路器型号为,其技术数据见表6-5

6-5断路器型号为的技术数据

型号

额定电压kV

最高工作电压kV

额定电流A

额定断开电流kA

5s热稳定电流kA

动稳定电流

kA

10

11.5

5000

105

120

300

1)电压:

2)电流: 

3)开断电流:

4)动稳定:       则满足动稳定;

5)热稳定:s

      则满足热稳定。

6.4.3隔离开关的选择与校验

110kV:选定隔离开关型号为,其技术数据见表6-6

6-6隔离开关型号为的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

动稳定电流,kA

热稳定电流s,(kA

110

600

50

14(5s)

1)电压:

2)电流: 

3)动稳定:        则满足动稳定;

4)热稳定:t=5s,则 =4.4s

s

       则满足热稳定。

变压器35kV侧:选定隔离开关型号为,其技术数据见表6-7

6-7隔离开关型号为的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

动稳定电流,kA

热稳定电流,kA(s)

35

1000

50

15.8(4)

1)电压:

2)电流:

3)动稳定:        则满足动稳定;

4)热稳定:s

           则满足热稳定。

变压器10kV侧:选定隔离开关型号为,其技术数据见表6-8

6-8隔离开关型号为的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

动稳定电流,kA

热稳定电流 kA(s)

10

4000

160

85(5)

1)电压:

2)电流:

3)动稳定:      则满足动稳定;

4)热稳定:s

       则满足热稳定。

35kV出线侧:选定隔离开关型号为,其技术数据见表6-9

6-9隔离开关型号为的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

动稳定电流,kA

热稳定电流,kA(s)

35

600

50

14(5)

1)电压:

2)电流:

3)动稳定:       则满足动稳定;

4)热稳定:s

       则满足热稳定。

10kV出线侧:选定隔离开关型号为,其技术数据见表6-10

6-10隔离开关型号为的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

动稳定电流,kA

热稳定电流,kA(s)

10

1000

80

31.5(4)

1)电压:        

2)电流:       

3)动稳定:                           则满足动稳定;

4)热稳定:s

                 则满足热稳定

7最佳方案的确定

7.1综合投资

7.1.1综合投资概述

所谓综合投资,包括设备本体价格、其他设备(如控制设备、母线)费、主要材料费、安装费等各项费用的总和[10]

综合投资的计算公式如下:

                             (万元)                         7-1

式中:

—为主体设备的综合投资,包括主变压器、开关设备、配电装置等设备的综合投资

为不明显的附加费用比例系数,一般110kV90

7.1.2综合投资的计算

1)主变压器的投资

7-1 技术数据及综合投资

型号

额定容量 (kVA)

重量 (t)

轨距(mm

价格(万元)

50000

44.1

2000/1435

42.54

由于变电站选用两台同型号、同容量的变压器,故主变压器的投资:

(万元)

2)配电装置的综合投资计算

110kV配电装置的综合投资

7-2 110kV单母分段接线综合投资

断路器型号

进出线数

单母线分段

电压( kV)

断路器型号

主变

馈线

总投资

增、减一个馈路的投资

110

2

4

70.8

9.27

35kV配电装置的综合投资

7-3 35kV单母分段接线综合投资

断路器型号

进出线数

单母线分段

电压( kV)

断路器型号

主变

馈线

总投资

增、减一个馈路的投资

35

2

6

27.36

2.79

10kV配电装置的综合投资

7-4 10kV单母分段接线综合投资

断路器型号

进出线数

单母线分段

电压( kV)

断路器型号

主变

馈线

总投资

增、减一个馈路的投资

10

2

6

7.5

0.55

7-5 10kV双母接线综合投资

断路器型号

进出线数

双线分段

电压( kV)

断路器型号

主变

馈线

总投资

增、减一个馈路的投资

10

2

6

15.1

1.0

3)综合投资计算结果

①方案二:

(万元)

②方案四:

(万元)

7.2年运行费用

7.2.1年运行费用概述

年运行费用的计算公式:

                        (万元)                        7-2

式中:

—小修、维护费

—折旧费

—电能电价,取

—变压器年电能损失总值(

7.2.2年运行费用的计算

1的计算

7-6 变电所折旧维护率

项目

使用年限(年)

残值占原价(%

每年折旧率(%

维护及小修(%

折旧维护率(%

基本折旧

大修折旧

合计

变电所

25

5

3.8

2

5.8

2.24.2

810

故方案二:

, 万元)

   (万元)

故方案四:

  万元)

   (万元)

2的计算

已知最大负荷,最大负荷利用小时数35kV侧:= 5200小时,=0.910kV侧:= 5000小时,=0.80。本变电所安装有两台同容量并联运行的三绕组变压器,且容量比为100/100/100,故计算公式如下:

       7-3

式中:

—为变压器台数

为一台变压器的空载有功损耗()、无功损耗(

—无功经济当量,变电所取0.10.15

—变压器全年实际运行小时数(),一般可取8000

为一台变压器的短路有功损耗()、无功损耗(

—为台变压器三侧分别担负的最大的总负荷(

—一台变压器的额定容量(

—第三绕组额定容量(

—最大负荷损耗时间(

                              7-4

 

3的计算

①方案二:

(万元)

②方案四:

(万元)

7.3经济比较

7.1节和7.2节的计算可知:

总投资:

(万元)

                    (万元)

年运行费用:

万元)

(万元)

综上所述可知: 方案二为最佳方案。

8互感器、导体的选择与校验

8.1互感器的选择与校验概述

8.1.1 电流互感器的特点

1)一次绕组串联在电路中,并且匝数很少,故一次绕组中的电流完全取决于被测量电路的负荷,而与二次电流大小无关;

2)电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小,所以正常情况下,电流互感器在近于短路状态下运行。

8.1.2 电流互感器的选择标准

1)电流互感器由于本身存在励磁损耗和磁饱和的影响,使一次电流在数值和相位上都有差异,即测量结果有误差,所以选择电流互感器应根据测量时误差的大小和准确度来选择。

2)电流互感器10%误差曲线:是对保护级BlQ电流互感器的要求与测量级电流互感器有所不同。对测量级电流互感器的要求是在正常工作范围内有较高的准确级,而当其通过故障电流时则希望早已饱和,以便保护仪表不受短路电流的损害,保护级电流互感器主要在系统短路时工作,因此准确级要求不高,在可能出现短路电流范围内误差限制不超过-10%。电流互感器的10%误差曲线就是在保证电流互感器误差不超过-10%的条件下,一次电流的倍数入与电流互感器允许最大二次负载阻抗Z2f关系曲线。

3) 为保证互感器的准确级,其二次侧所接负荷应不大于该准确级所规定的额定容量。

4)按一次回路额定电压和电流选择:

电流互感器用于测量时,其一次额定电流应尽量选择得比回路中正常工作电流大1/3左右以保证测量仪表的最佳工作,电流互感器的一次额定电压和电流选择必须满足:,为了确保所供仪表的准确度,互感器的一次工作电流应尽量接近额定电流。

5)种类和型式的选择:

  选择电流互感器种类和式时,应满足继电保护、自动装置和测量仪表的要求,再根据安装地点(屋内、屋外)和安装方式(穿墙、支持式、装入式等)来选择。

6)热稳定检验:

  电流互感器热稳定能力常以允许通过一次额定电流的倍数来表示,即:                    8-1

 7)动稳定校验:

   电流互感器常以允许通过一次额定电流最大值()的倍数(动稳定电流倍数)表示其内部动稳定能力,故动稳定可用下式校验:                             

 8.2电流互感器的选择

110kV侧:选定型号为,其技术数据见表8-1

8-1 LCWD-110的技术数据

型号

额定电流比,A

级次组合

准确级次

二次负荷,Ω

0.5

1s热稳定倍数

动稳定倍数

LCWD-110

(2×50)(2×600)/5

0.5

1.2

34

60

1)型式:户外独立式电流互感器

2)一次回路电压

3)一次回路电流:

 

4)准确等级:0.5

5)动稳定:

,满足动稳定;

6)热稳定:

s

,   则满足热稳定。

变压器35 kV:选, 定型号为,其技术数据见表8-2

8-2 的技术数据

型号

额定电流比,A

级次组合

准确级次 

二次负荷,Ω

10%倍数

1s热稳定倍数

动稳定倍数

0.5

1

3

151000/5

0.5/3

0.5

2

4

28

65

100

3

2

1)型式:支持式加大容量电流互感器

2)一次回路电压:

3)一次回路电流:

4)准确等级:0.5

5)动稳定:

,满足动稳定;

6)热稳定:s

,则满足热稳定。

变压器10kV:选定型号为,其技术数据见表8-3

8-3的技术数据

型号

额定电流比,A

级次组合

准确度 

二次负荷,Ω

10%倍数

1s热稳定

倍数

动稳定

倍数

0.5

1

3

20006000/5

0.5/D1

1/D

D/D

0.5

2.4

<10

50

90

1

2.4

<10

D

4.0

≥15

1)型式:支持式加大容量电流互感器

2)一次回路电压:

3)一次回路电流: 

4)准确等级:0.5

5)动稳定:,满足动稳定;

6)热稳定:s

,则满足热稳定

35kV出线侧:

选定型号为,其技术数据见表8-4

8-4 的技术数据

型号

额定电流比,A

级次组合

10%倍数

5s热稳定倍数

动稳定倍数

15600/5

D/0.5

35

65

100

1)型式:支持式加大容量电流互感器

2)一次回路电压:

3)一次回路电流:

  ),满足要求;

4)动稳定:   ,则满足动稳定;

5)热稳定:  s

,则满足热稳定。

10 kV出线侧:选定型号为,其技术数据见表8-5

8-5的技术数据

型号

额定电流比,A

级次组合

1s热稳定

倍数

动稳定

倍数

5400/5

0.5/D

85

153

1) 型式:复匝贯穿式电流互感器

2) 一次回路电压:

3) 一次回路电流:

,满足要求;

4)动稳定:,则满足动稳定;

5)热稳定:s

       ,则满足热稳定。

8.3电压互感器的选择以及校验

8.3.1 电压互感器的特点

1)容量很小,类似于一台小容量变压器,但结构上需要有较高的安全系数;

2)二次侧所接测量仪表和继电器电压线圈阻抗很大,互感器近似于空载状态运行,即开路状态。

8.3.2 电压互感器的选择标准

1)电压互感器的准确级和容量

电压互感器的准确级是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内,负荷功率因数为额定值时,电压误差最大值。

由于电压互感器本身有励磁电流和内阻抗,导致测量结果的大小和相位有误差,而电压互感器的误差与负荷有关,所以用一台电压互感器对于不同的准确级有不同的容量,通常额定容量是指对应于最高准确级的容量。

2)按一次回路电压选择

为了保证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应在1.10.9范围内变动。

3)按二次回路电压选择

电压互感器的二次侧额定电压应满足保护和测量使用标准仪表的要求,电压互感器二次侧额定电压可按下表8-6选择。

8-6电压互感器的选择方式

  线    

电网电压,

kV

  

二次绕组电压,V

接成开口三角形辅助绕组电压V

一台PT不完全符形接线方式

335

单相式

100

无此绕组

Yo/ Yo/□

110J500J

单相式

100/

100

360

单相式

100/

100/3

315

三相五柱式

100

100/3(相)

4)电压互感器及型式的选择

  电压互感器的种类和型式应根据安装地点和使用条件进行选择,在635kV屋内配电装置中一般采用油浸式或浇注式电压互感器。110220kV配电装置中一般采用半级式电磁式电压互感器。

8.3.3 电压互感器的选择计算

110kV侧:选定型号为,其技术数据见表8-7

1)型式:瓷绝缘窜级式电压互感器

8-7的技术数据

型式

额定变比

在下列准确等级下额定容量,VA

最大容量,VA

连接组

0.5

1

3

单相

(屋外式)

JCC-110

150

500

1000

2000

1/1/1-12-12

2)一次电压:

3)二次电压:根据使用情况选用所需二次额定电压

4)准确等级:0.5

变压器35kV及其出线侧:选定型号为JDJJ-35,其技术数据见表8-8

1)型式:油浸式电压互感器

8-8JDJJ-35的技术数据

型式

额定变比

在下列准确等级额定容量,VA

最大容量,VA

0.5

1

3

单相

(屋外式)

JDJJ-35

150

250

600

1200

2)一次电压:

3)二次电压:根据使用情况选用所需二次额定电压

4)准确等级:0.5

变压器10 kV及其出线侧:选定型号为JDZJ-10,其技术数据见表8-9

8-9 JDZJ-10的技术数据

型式

额定变比

在下列准确等级额定容量,VA

最大容量,VA

0.5

1

3

单相

()

JDZJ-10

40

60

150

300

1)型式:油浸式电压互感器

2)一次电压:

3)二次电压:根据使用情况选用所需二次额定电压

4)准确等级:0.5

8.4导体的选择与校验

母线在电力系统中主要担任传输功率的重要任务,电力系统的主接线也需要用母线来汇集和分散电功率,在发电厂、变电所及输电线路中,所用导体有裸导体,硬铝母线及电力电缆等,由于电压等级及要求不同,所使用导体的类型也不相同。

敞露母线一般按导体材料、类型和敷设方式、导体截面、电晕、短路稳定、共振频率等各项进行选择和校验。

8.4.1 裸导体的选择条件选择和校验

1)型式:载流导体一般采用铝质材料,对于持续工作电流较大且位置特别狭窄的发电机,变压器出线端部,以及对铝有较严重腐蚀场所,可选用铜质材料的硬裸导体。

回路正常工作电流在4000A及以下时,一般选用矩形导体。在40008000A时,一般选用槽形导体。110KV及以上高压配电装置,一般采用软导线.

2)配电装置中软导线的选择,应根据环境条件和回路负荷电流、电晕、无线电干扰等条件,确定导体的截面和导体的结构型式。

3)当负荷电流较大时,应根据负荷电流选择导线的截面积,对110kV及以下配电装置,电晕对选择导体一般不起决定作用,故可采用负荷电流选择导体截面。

8.4.2 母线及电缆截面的选择

除配电装置的汇流母线及较短导体按导体长期发热允许电流选择外,其余导体截面,一般按经济电流密度选择。

1)按导体长期发热允许电流选择,导体能在电路中最大持续工作电流应不大于导体长期发热的允许电流

2)按经济电流密度选择,按经济电流密度选择导体截面可使年计算费用最低,对应不同种类的导体和不同的最大负荷年利用小时数将有一个年计算费用最低的电流密度经济电流密度J,导体的经济截面可由下式:

                                                   8-2

J是导体的经济电流密度

3)热稳定校验:按上述情况选择的导体截面,还应校验其在短路条件下的热稳定。

≥Smin= 8-3

 — 热稳定系数  

 — 稳态短路电流kA

 — 短路等值时间(s)

4)动稳定校验:

式中:为母线材料的允许应力,硬铝为

为作用在母线上的最大计算应力,其值与母线的截面形状有关

本设计选的是单条矩形铝母线,则

                                 8-4

式中: 

  :短路冲击电流(kA)

 :支柱绝缘子间的跨距m

 :相间距离m

 :母线截面系数cm3

 :振动系数

8.4.3 母线选择计算

110kV进线侧采用钢芯铝绞线,型号LGJ-185/30其标称面积为185mm2, 80长期允许载流量为531A

实际环境温度为20,查发电厂电气部分课程设计参考资料 117页,可知修正系数K=1.05

K=1.05*531=557.55A>=276A

热稳定校验:    ≥Smin=                                        8-5

 查资料C=87,取=3.4s

于是,

满足热稳定性要求。

35kV侧母线

1) 初步选择型式:矩形铝导体(单条平放),其技术数据见表8-10

8-10矩形铝导体的技术数据

导体尺寸

,mm

单条

双条

三条

平放

竖放

平放

竖放

竖放

平放

638

995

1082

1511

1644

1908

2075

2)按最大持续工作电流选择导线截面S

                                8-6

其中为该母线布置方式和环境温度为+20度时的导体长期允许载流量,为温度修正系数,查表8-11可得=1.05

一次回路电流:

   

    符合长期发热要求。

8-11温度修正系数

实际环境温度,

母线最高允许温度为70

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1.29

1.24

1.20

1.15

1.11

1.05

1.00

0.94

0.88

0.81

0.74

0.67

3)按经济电流密度选择:(其技术参数见表8-12

公式:                              8-7

式中:为导体的经济电流密度,按此条件选择的导体截面应尽量接近经济计算的截面

8-12导体的经济电流密度

导体材料

最大负荷利用小时数

3000以下

30005000

5000以上

铝导体

铜导体

1.65

3.0

1.15

2.25

0.9

1.75

35 kV以下 

铝芯电缆

1.92

1.73

1.54

铜芯电缆

2.5

2.25

2.0

 =5200计算,则=0.9

 符合要求。

4)热稳定校验:

公式:                                        8-8

式中::按上述情况选择的导体截面

:根据热稳定决定的导体最小允许截面

:热稳定系数

:稳态短路电路,即为

:短路电流等值时间s

满足热稳定校验情况。

其中:

短路电流等值时间: tdz为主保护动作时间加断路器全分闸时间,取tdz=3.4

热稳定系数可由下表8-13查出:=87

8-13稳定系数

导体种类和材料

短路时导体允许最高温度,

导体长期允许工作温度,

热稳定系数(

母线

200

70

87

300

70

171

5)动稳定校验:                                             8-9

式中:为母线材料的允许应力,硬铝为

为作用在母线上的最大计算应力,其值与母线的截面形状有关

本设计选的是单条矩形铝母线,则

  

查《发电厂电气部分课程设计参考资料》146页,表5-19,可知单条矩形铝母线的截面系数:

惯性半径:

        

 满足动稳定的要求

   式中: 

  :短路冲击电流(kA), 35kV母线侧

 :支柱绝缘子间的跨距m

 :相间距离m

 :母线截面系数cm3

 :振动系数

10kV侧母线:

1)初步选择型式:矩形铝导体(条平放),其技术数据见表8-14

8-14矩形铝导体的技术数据

导体尺寸

,mm

单条

双条

三条

平放

竖放

平放

竖放

808

1249

1358

1858

2020

2355

2560

2)按最大持续工作电流选择导线截面S

    

其中为该母线布置方式和环境温度为+20度时的导体长期允许载流量,为温度修正系数,查表8-15可得=1.05

一次回路电流:

      符合长期发热要求。

8-15温度修正系数

实际环境温度,

母线最高允许温度为70

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1.29

1.24

1.20

1.15

1.11

1.05

1.00

0.94

0.88

0.81

0.74

0.67

3)按经济电流密度选择:(其技术参数见表8-16

公式:    

式中:为导体的经济电流密度,按此条件选择的导体截面应尽量接近经济计算的截面

8-16导体的经济电流密度

导体材料

最大负荷利用小时数

3000以下

30005000

5000以上

铝导体

铜导体

1.65

3.0

1.15

2.25

0.9

1.75

35 kV以下 

铝芯电缆

1.92

1.73

1.54

铜芯电缆

2.5

2.25

2.0

 =5000计算,则=0.9

 符合要求。

4)热稳定校验:

公式:        

式中::按上述情况选择的导体截面

:根据热稳定决定的导体最小允许截面

:热稳定系数

:稳态短路电路,即为

:短路电流等值时间s

   满足热稳定校验情况。

其中:

短路电流等值时间:

热稳定系数可由下表8-17查出:=87

8-17稳定系数

导体种类和材料

短路时导体允许最高温度,

导体长期允许工作温度,

热稳定系数(

母线

200

70

87

300

70

171

5)动稳定校验:

式中:为母线材料的允许应力,硬铝为

为作用在母线上的最大计算应力,其值与母线的截面形状有关, 铝为500-700

本设计选的是条矩形铝母线,则

                          

查《发电厂电气部分课程设计参考资料》146页,表5-19,可知单条矩形铝母线的截面系数:

惯性半径:

        

 满足动稳定的要求

式中:

:短路冲击电流(kA), 35kV母线侧

:支柱绝缘子间的跨距(m

:相间距离(m

:母线截面系数(cm3

:振动系数,

8.4.4 电缆选择计

10kV 侧:

,这里

A

满足要求。

选择10kV普通粘性浸渍绝缘三芯(铝)电力电缆,空气中敷设,截面积120mm2

热稳定校验:

公式:       SSmin=

查可得=95

     Smin==<

短路热稳定校验合格

由于出线是电缆,不进行动稳定校验

8.5绝缘子与穿墙套管的选择与校验

8.5.1 支持绝缘子的选择标准

1)型式选择

根据装置地点、环境,选择屋内、屋外或防污式及满足使用要求的产品型式。用于屋内时,一般采用联合胶装的多棱式支柱绝缘子。用于屋外时,一般采用棒式支柱绝缘子。

2)额定电压选择

无论支持绝缘子或套管均要负荷产品额定电压大于或等于所在电网电压要求,

8.5.2 支持绝缘子选择计算

110kV侧:

根据条件选取ZS-110绝缘子,其技术数据见表8-18

8-18 ZS-110绝缘子的技术数据

型号

额定电压,kV

绝缘子高度,mm

机械破坏负荷,kg

ZS-110

110

1200

2000

35kV侧:

根据条件选取ZS-35支柱绝缘子,其技术数据见表8-19

8-19 ZS-35绝缘子的技术数据

型号

额定电压,kV

绝缘子高度,mm

机械破坏负荷,kg

ZS-35

35

485

1000

10kV侧:

根据条件选取ZS-10支柱绝缘子,其技术数据见表8-20

8-20 ZS-10支柱绝缘子的技术数据

型号

额定电压,kV

绝缘子高度,mm

机械破坏负荷,kg

ZLD-10

10

215

2000

8.5.3 穿墙套管的选择

1)型式:一般采用铝导体穿墙套管  

2)电压:

3)电流:

35kV侧:母线的额定电压: kV

一次回路电流:

根据条件选取穿墙套管,其技术数据见表8-21

8-21穿墙套管的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

机械破坏负荷,g

35

1500

750

10kV侧:母线的额定电压:  kV

一次回路电流:    

根据条件选取穿墙套管,其技术数据见表8-22

8-22穿墙套管的技术数据

型号

额定电压,kV

额定电流,A

机械破坏负荷,kg

10

2000

2000

9屋内外配电装置设计

9.1概述

配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。它是按电气主接线的连接方式,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,达到接受和分配电能的作用。配电装置按电气设备装置地点不同,可分为屋内和屋外配电装置。按其组装方式,又可分为装配式配电装置和成套配电装置[2]

屋内配电装置的特点:①由于允许安全净距小可以分层布置,故占地面积较小;②维修、巡视和操作在室内进行,不受气候影响;③外界污秽空气对电气设备影响较小,可减少维护工作量;④房屋建筑投资大,建设周期长,但可采用价格较低的户内型设备。

屋外配电装置的特点:①土建工程量和费用较小,建设周期短;②扩建比较方便;③相邻设备之间距离较大,便于带电作业;④占地面积大;⑤受外界空气影响,设备运行条件较差,须加绝缘;⑥外界气象变化对设备维修和操作有影响。

其中根据电气设备和母线布置的高度,屋外配电装置可以分为中型、高型和高型三种

1)中型配电装置中型配电装置的所有设备都安装在同一水平面内,并装在一定高度的基础上,使带电部分对地保持必要的高度,以便工作员能在地面安全活动中型配电装置母线所在的水平面稍高于电气设备所在的水平面。这种布置特点是:布置比较清晰,不易误操作,运行可靠,施工和维修都比较方便,构架高度较低,抗震性能较好,造价低,但占地面积大。这种布置是我国屋外配电装置普遍采用的一种方式,而且运行和安装修方面积累了较丰富的经验。

2)半高型配电装置它是将母线及母线隔离开关抬高将断路器电压互感器等电气设备布置在母线下面,具有布置紧凑、清晰、占地少等优点

3)高型配电装置它是将一组母线隔离开关与另一组母线隔离开关上下重叠布置的配电装置。该型配电装置的断路器为双列布置,两个回路合用一个间隔,因此可大大缩小占地面积,但其耗钢多,安装检修及运行中条件均较差

配电装置应满足以下基本要求:

1)配电装置的设计必须贯彻执行国家基本建设方针和技术经济政策;

2)保证运行可靠,按照系统自然条件,合理选择设备,在布置上力求整齐、清晰,保证具有足够的安全距离;

3)便于检修、巡视和操作;

4)在保证安全的前提下,布置紧凑,力求节约材料和降低造价;

5)安装和扩建方便[13]

9.2配电装置的选择

配电装置的整个结构尺寸,是综合考虑设备外形尺寸、检修、维护和搬运的安全距离等因素而决定的,对于敞露在空气中的配电装置,在各种间隔距离中,最基本的是带电部分对地部分之间和不同相的带电部分之间的空间最小安全净距,在这一距离下,无论为正常最高工作电压或出现内外过电压时,都不致使空气间隙击穿。

9-1和表9-2中列出《高压配电装置设计技术规程》中所规定的A值,它表明带电部分至接地部分或相间的最小安全净距,保持这一距离无论正常或过电压的情况下,都不致发生空气绝缘的电击穿。其余的BCD值是在A值的基础上,加上运行维护、搬运和检修工具活动范围及施工误差等尺寸而确定的[14]

9-1屋外配电装置的安全净距mm

符号

适用范围

额定电压 (kV

310

35

110J

110

A1

1带电部分至接地部分之间

2网状遮栏向上延伸线距地2.5m,与遮栏上方带电部分之间

200

400

900

1000

A2

1不同相的带电部分之间

2断路器和隔离开关的断口两侧引线带电部分之间

200

400

1000

1100

B1

1设备运输时,其外部至无遮栏带电部分之间

2交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间

3栅状遮栏至绝缘体和带电部分之间

4带电作业时的带电部分至接地部分之间

950

1150

1650

1750

B2

网状遮栏至带电部分之间

300

500

1000

1100

C

1无遮栏裸导体至地面之间

2无遮栏裸体至建筑物、构筑物之间

2700

2900

3400

3500

D

1平行的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间

2带电部分与建筑物、构筑物的边沿部分之间

2200

2400

2900

3000

9-2屋内配电装置的安全净距(mm

符号

适用范围

额  定  电  压,KV

10

35

110J

110

A1

1带电部分至接地部分之间

2网状和极状遮栏向上延伸线距地2.3m处当遮栏上方带电部分之间

125

300

850

950

A2

1不同相的带电部分之间

2断路器和隔离开关的断口两侧带电部分之间

125

300

900

1000

B1

1栅状遮栏至带电部分之间

2交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间

875

1050

1600

1700

B2

网状遮栏至带电部分之间

225

400

950

1050

C

无遮栏裸导体至地(楼)面之间

2425

2600

3150

3250

D

平行的不同时停电检修的无遮栏裸导体之间

1925

2100

2650

2750

E

通向屋外的出线套管至屋外通道的路面

4000

4000

5000

5000

本变电站有三个电压等级:110kV35kV10kV根据《电力工程电气设计手册》规定,35kV以下配电装置一般采用室内配电装置,其中310kV配电装置大多采用成套配电装置,110kV及以上的配电装置大多采用室外配电装置。

本次所设计的变电站,其 110kV电采用屋外普通中型配电装置。同时,35kV采用屋外普通中型配电装置10kV采用室内成套高压开关柜并列布置。


10防雷及接地系统设计

变电所的雷害事故来自两个方面,一是雷直击变电所,二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路向变电所侵入。电力系统中最基本的防雷保护装置有:避雷针、避雷线、避雷器和防雷接地等装置。对直击雷的防护措施通常是装设避雷针或避雷线。避雷针(线)高于被保护的物体,其作用是吸引雷电击于自身,并安全地将雷电流引入大地,从而保护设备。避雷针可根据不同情况或装设在配电构架上,或独立装设。避雷线主要用于保护线路,一般不用于保护变电所[15] [16]

10.1避雷的选择与校验

避雷器是专门用来限制过电压的一种电气设备,它通常采用与被保护的电气设备并联的形式。当工作电压超过一定幅值时,避雷器先放电以限制过电压,从而保护了其它电气设备。其中,阀式避雷器在电力系统,尤其是在3220kV发电厂、变电所的配电装置中得到广泛应用。因氧化锌避雷器残压低,无法与放电间隙配合,故选用阀型避雷器。

阀型避雷器应按下列条件选择:

1)型式:选择避雷器型式时,应考虑被保护电器的绝缘水平和使用点。

2)额定电压:避雷器的额定电压应与系统额定电压一致。

3)灭弧电压:按照使用情况,校验避雷器安装地点可能出现的最大的导线对地电压,是否等于或小于避雷器的最大允许电压。

4)工频放电电压:在中性点绝缘或经阻抗接地的电网中,工频放电电压一般应大于最大运行相电压的3.5倍。在中性点直接接地的电网,工频放电电压应大于灭弧电压的1.8倍。

10.1.1电压110kV避雷器的选择及校验

kV,查《发电厂电气部分课程设计参考资料》,FZ-110 J阀型避雷器,如下表10-1所示:

10-1 的技术数据

型号

组合方式

额定电压(kV)

灭弧电压(kV)

工频放电电压(kV)

不小于

不大于

FZ-110

FZ-20+FZ-15

110

126

254

312

1灭弧电压

                                                          10-1

式中:

—灭弧电压

导线对地相电压

系数(当导线对地相电压最大时为1

  校验合格

2工频放电电压

                                                            10-2

式中:

—工频放电电压

      校验合格

FZ-110 J阀型避雷器

10.1.2电压35kV避雷器的选择及校验

kV,查《发电厂电气部分课程设计参考资料》,FZ-35阀型避雷器,如下表10-2所示:

10-2 的技术数据

型号

组合方式

额定电压(kV)

灭弧电压kV

工频放电电压kV

不小于

不大于

2×FZ-15

35

41

84

104

1灭弧电压

  校验合格

2工频放电电压 

            校验合格

阀型避雷器

10.1.3电压10kV避雷器的选择及校验

kV,查《发电厂电气部分课程设计参考资料》,FZ-10阀型避雷器,如下表10-3所示:

10-3 的技术数据

型号

组合方式

额定电压kV

灭弧电压kV

工频放电电压kV

不小于

不大于

单独元件

10

12.7

26

31

1灭弧电压

  校验合格

2工频放电电压

      校验合格

阀型避雷器

10.2避雷的选择

避雷针的保护原理是当雷云放电时使地面电场畸变,在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向,使雷电对避雷针放电,再经过接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物体免受雷击[17]

在对较大面积的变电所进行保护时,采用等高避雷针联合保护要比单针保护范围大。因此,本站采用四支等高的避雷针进行全方位的覆盖。被保护变电所总长76m,宽64m,门型架构高13米,避雷针的摆放如图所示:

10-1被保护变电所面积示意图

1)单支避雷针保护范围的保护半径的计算

                时,                                 10-3

                时,                             10-4

式中:

在被保护高度平面上的保护半径(m

被保护高度(m

避雷针高度(m

避雷针有效高度(m

高度影响系数(时,时,

本站被保护的最高高度为13m,避雷针高度30m,因此

又因为,所以

代入公式计算得: 

2 的确定:

                                                         10-5

式中:

—避雷针的高度(m

—被保护物体的高度(m

—为两避雷针之间的距离

3)保护范围计算

长:

宽:

对角线:

4保护全面积校验

                                                                10-6

中:

通过三支避雷针所形成的三角形顶点圆的直径

<

所以满足条件。

综上所述,该布置方案可以保护本站。

10.3接地系统设计

10.3.1设计说明

接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地保持等电位,电力系统的接地按其功能分为三类:

1)工作接地:根据电力系统正常运行的需要而设置的接地,它所要求的接地电阻值约在0.510Ω的范围内。

2)保护接地:不设这种接地,电力系统也能正常运行,但是为了人身安全而将电力设备的金属外壳等加以接地。它是在故障的条件下才发挥作用,它所要求的接地电阻值约在110Ω的范围内。

3)防雷接地:用来将雷电流顺利泄入大地,以减小所引起的过电压,它是防雷保护装置不可缺少的组成部分。它所要求的接地电阻值约在130Ω的范围内。

变电站需要有良好的接地装置,以满足工作安全和防雷保护接地要求。一般做法是根据安全和工作接地的要求,敷设一个统一的接地网,然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体,以满足防雷接地的要求。总的接地电阻为水平接地体接地电阻和垂直接地体接地电阻的并联等效阻值。一般要求总的接地电阻,才能保证运行的安全[18]

10.3.2接地体设计

工程实用的接地体主要由扁钢、圆钢、角钢或钢管组成,埋入地下0.51m。水平接地体多用扁钢,宽度一般为2040mm,厚度不小于4mm,或者用直径不小于6mm的圆钢。垂直接地体一般用角钢)或钢管,长度一般为2.5m由于本站的土壤电阻率,故水平接地体埋设深度取h=0.8m采用宽度为30mm厚度为4mm的扁钢;垂直接地体采用的角钢,长度为2.5m布置尽量利用配电室以外的空地。

10-2 接地体侧视图

10.3.3接地网设计

变电站主接地网的接地电阻应满足R0.5Ω的要求。如实测接地电阻值不能满足要求,则需扩大接地网面积或采取其他降阻措施。所有设备的底座或基础槽钢均采用Φ16的热镀锌圆钢焊接并接入主接电网,与主接地网可靠焊接。施工中应保证避雷针(网)引下线与主接地网的地下连接点至变压器和10KV及以下设备的接地线与接地网的地下连接点沿接地体的长度不小于15m

主控室内采取防静电接地及保护接地措施。

本次设计采用地下0.8m的水平面上敷设方格形状的水平接地体,如图10-3所示:(俯视图)

10-3接地网俯视图

设水平接地体的间距为4m则应敷设水平接地体根([]为取整符号)

垂直接地体的电阻阻值:

水平接地体的电阻值: 

                       

A=2.14得:  

总的接地电阻阻值为以上两个电阻的并联:

满足要求


11

变电站是电力系统的重要组成部分,是联系发电厂和用户的中间环节,起着变换和分配电能的重要作用。它直接影响着整个电力系统运行的安全性与经济性。

本毕业设计的题目为《110kV降压变电站电气一次系统设计》,设计的主要内容如下:

1对原始资料进行分析,并结合相关的设计手册,辅助资料和国家有关规程选择主变压器。

2根据对主接线经济可靠、运行灵活的要求,选择三到四种待选主接线方案进行技术经济比较,确定变电站最优的电气主接线方案。

3)以最优方案为例进行短路电流计算,从三相短路计算中得到当短路发生在各电压等级的母线时,其短路电流的稳态值和冲击电流值。综合计算结果、各电压等级的额定电压、最大持续工作电流三个方面进行主要电气设备选择及校验,进而完成配电装置的选择以及防雷保护的设计。

4)绘制电气主接线图、变电所平面布置图、110kV/35kV进出线断面图、防雷保护配置图等相关设计图纸。

通过本次毕业设计,我树立了工程观点,基本掌握了110kV 变电站一次系统设计的基本步骤和方法,并在分析、计算和解决实际工程能力等方面得到训练,进一步巩固了专业知识,掌握了CAD 绘图方面的知识、方法,掌握了科技论文写作的一般知识及科技文献资料的查找技巧,为以后从事设计、运行和科研工作,奠定了必要的知识基础。

在设计过程中,我查阅了大量的文献资料,积累了丰富的第一手材料,在主接线设计、电气设备选择、平面布置等具体设计任务中进行了大量的比较、计算、优化,有效地培养了自己分析问题、解决问题的能力。当然在本次设计中仍存在大量的不足与疏漏,我将在以后的工作、学习中扬长避短,发扬严谨的科学态度,使所学到的知识不断地升华。


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