1、河南机电高等专科学校毕业设计论文 1 绪 论 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作用，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。电气主接线是变电站设计的首要任务，也是构成电力系统的重要环节。电气主接线的拟订直接关系着全站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。 本次设计为 北郊 110kV 变电站设计，分为设计说明书、设计计算书、设计图纸等三部分。本次设计属于毕业设计，是在学习了相关的专业课程（如：电力系统分析、电力系统继电保护原理等）的基 础上，并且对各类变电站有所了解之后开始设计的。本次设计
2、是为了我们在走上工作岗位前对电气工程设计有些细致的了解，并且掌握一定的工程设计方法而进行的。 本次设计主要包括电力系统总体分析、变电站总体分析、主接线的选择、主变压器的选择、站用变压器的选择、短路电流的计算、高压电器设备的选择、变电站防雷设计等。在主接线的设计时，主要从接线方式的经济性、灵活性、可靠性三个方面进行比较。主变压器选择时，首先要根据现有的负荷方面考虑，其次还要考虑变电站的过负荷能力，还有变电站的发展前景等。 本文从主接线、短路电流计算、主要电 气设备选择等几方面对变电站设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图、电气总平面布置图、 110KV变电站断面图、直击雷防护图 等相关设计图纸。由
3、于本人水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 2 第 1 章 电力系统及变电站总述 1.1 系统的构成 电力系统是由发电机、变压器、输配电线路和电力用户的电器装置连接而成的整体，它完成了发电、输电、变电、配电、用电的任务。电力系统加上热力发电厂中的热能动力装置、热能用户和水电厂的水能动力装置，也就是加上锅炉、汽轮机、水库、水轮机以及原子能发电厂的反应堆等，称 为动力系统。电力系统中各种电压的变电站及输配电线路组成的统一体，称为电力网。电力网的主要任务是输送和分配电能，并根据需要改变电压。 1.2 对电力系统的基本要求 1、 满足用电需求 满足
4、国民经济各部门及人民生活不断增长的用电需求，保障供给是电力部门的重要任务。电力工业的发展迅速，应超前于其他部门的发展速度，起到先行作用，应该竭力避免由于缺电而使工业企业不能充分发挥其生产能力的情况，应尽量满足用户的用电需要。 2、 电力生产应遵循安全第一，预防为 主 的原则 电力系统中发生的事故是导致供电中断的主要原因，但是要杜绝事 故的发生非常困难。由于各种用户对供电的要求不同，我们可以按负荷的重要程度将其分为三类，以此决定保证供电的顺序和接线方式。 一类负荷 中断供电将造成人身事故和重大设备损坏，且难以修复，给国民经济带来重大损失。由于一类负荷重要，在正常运行和故障情况之下，系统接线方式必
5、须有足够的可靠性和灵活性，保证对 用户的连续供电。一类负荷要求有两个以上的独立电源供电，电源间应能自动切换，以便在任一电源发生故障时，对这类用户的供电不至中断。 二类负荷 中断供电将造成大量减产和废品，以至损坏设备，在经济上造成重要损失。二类负 荷需要双回线路供电。但是当双回线路有困难时，允许有一回专用线路供电。 三类负荷 不属于一类、二类负荷的用户均属于三类负荷。三类负荷对供电没有特殊要求，允许长时间停电，可用单回线路供电，但是也不能随意停电。 3、 保证电能质量 电能的质量指标主要是电压、频率和波形等变化不得超出允许范围。电压容许变化的范围是额定电压的 5%；频率的允许偏差为 50（ 0.
6、2 0.5） Hz；波形河南机电高等专科学校毕业设计论文 3 应该是正弦波形，波形的畸变率非常小。电能质量合格，用电设备能正常并且具有最佳的技术经济效果；如果变动范围超过允许值，虽然还没有中断供电， 但是已经严重影响到产品的质量和数量，甚至会造成人身和设备故障，同时对电力系统本身的运行也有危险。因此，必须通过调频及调压措施来保证频率和电压的稳定。 4、 保证电力系统运行的经济性 电能产生的规模很大。在其生产、 输送和分配过程中，本身消耗的能源占国民经济能源中的比例相当大， 因此，最大限度的降低每 1KW/h 电能所消耗的能源和降低输送、分配电能过程中的损耗，是电力部门一项极其重要的任务。电能成
7、本的降低不仅意味着能源的节省，还将降低各用电部门的成本，对整个国民经济带来很大的好处。现在最广泛的做法是实行电力系统的经济 运行。按照最优化原则分配发电厂、发电机组之间的发电出力及输电和配电路径，充分利用水力资源，尽可能采取节能降耗措施，力争取得整个现在电力系统最大的、综合的经济效益。 1.3 变电站概述 在电力系统不同电压的电力网间，电压升高、降低，是通过变压器完成的。安装变压器及开关、测量、保护与控制设备的地方称为变电站。为了保持电压质量，有些变电站还安装了电力系统所需要的电力电容器、静止补偿装置或调相机等无功补偿设备。 变电站的类型按其地位和作用、电压、结构型式的不同等有不同的种类。 河
8、南机电高等专科学校毕业设计论文 4 第 2 章 原始资料 2.1 建站规 模 本 次设计要求是 为满足工业发展的需要 新建一个 110KV的变电站，向变电站供电的电源 ： 一个为 无穷大 电源，距离变电站 30km； 另一个为 2*50MW电源，距离变电站 5km； 要建变电站的一些原始数据有： 1、 变电站类型： 110KV变电站； 2、 电压等级： 110/10KV； 3、 主变台数量为： 2台 ， 16000KVA; 4、 出线回数和传输容量： (1) 110KV出线 2回 (2) 10KV出线 10回 平原机械厂 2000KW； 开拓水泥厂、 各 2000KW； 太行纺 纱厂、 各 3
9、000KW； 电器设备厂 1000KW； 铸造厂 2000KW； 宾馆 1000KW； 市化肥厂、 1500KW。 2.2 环境条件 1、 站址位于 北郊 ，临近负荷中心，交通方便 ； 2、 有充足的水源平均海拔 180米 ； 3、 年最高气温： +40；年最低气温 -6 ， 最热月平均最高气温 35 ;年最热月平均温度为 25 。 4、最大风速 : 30m/s,属于我国级标准气象区 。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 5 第 3 章主变压器的选 择 在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本厂（站）使
10、用的变压器，称为厂（站）用变压器或自用变压器。 3.1 变 压器容量和台数的确定原则 主变压器容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除了依据传递容量的基本原始资料外，还应该根据电力系统 5 10 年发展规划、传输功率大小、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。如果变压器容量选的过大，台数过多， 不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了运行电能的损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选的过小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出或者会满足不了变电站负荷的需要 ，这在技术上是不合理的，因为每千瓦的发电设备投资远大于每千瓦变电设备的投资。 变电站主变压
11、器的容量，一般按 5 10 年规划负荷来选择。根据城市规划，负荷性质，电网结构等综合考虑确定其容量。对重要变电站，应该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 I 类及 II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 应该能满足全部负荷的 70% 80%。 1、 与系统有强联系的大、中型枢纽变电站，在一种电压等级下，主变压器应不少于 两 台。 2、 与系统联系较弱的中、小型变电站或与系统联系只作为备用的可以选用一台变压器。 3、 对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站可以投入三台变压器。 主变压器容量的选择的计算： 根据相关规范规
12、定：选择变压器容量要满足两个条件： (1) m a x7.06.0( sse ） （ 2） impe ss 其中 maxs 为变电站最大负荷容量。 imps 为变电站的全部重要负荷容量。因此这个变电站的为炼钢厂用的变电站，负荷全部为重要负荷，上述条件，满足一个就可以。所以要选用两台主变压器，这次设计的全部负荷如下： 河南机电高等专科学校毕业设计论文 6 表 3-1 变电站 负荷 分析 序号 用户 Pmax(kW) cos 1 平原机械厂 2000 0.90 2 开拓水泥厂 2000 0.85 3 开 拓水泥厂 2000 0.90 4 太行纺纱厂 3000 0.85 5 太行纺纱厂 3000 0
13、.85 6 电器设备厂 1000 0.80 7 铸造厂 2000 0.80 8 宾馆 1000 0.85 9 市化肥厂 1500 0.85 10 市化肥厂 1500 0.80 合计 19000 10P =P1max+P2max+P3max+P4max+P5max+P6max+P7max+P8max+P9max+P10max =2000+2000+2000+3000+3000+1000+2000+1000+1500+1500 19000（ KW） 10Q =Q1max+Q2max+Q3max+Q4max+Q5max+Q6max+Q7max+Q8max+Q9max+Q10max =960+1240
14、+960+1860+1860+750+1500+620+930+1125 11805（ KVar） S10MAX= 2 m a x102 m a x10 QP = 21 1 8 0 521 9 0 0 0 =22368（ KVA） 10Cos =MAXSP1010 =1900011805 =0.85 考虑到负荷的同时率， 10kV 侧最大负荷应为： MAXS10 =S10MAX 10 =22368 0.85=19012.8(KVA) 根据 35-110kV 变电所设计规范 3.1.2 条 规定“在有一、二级负荷的变电所宜装设两台及以上主变压器。如变电所可由中、低压侧电力网取得足够容量的备用电源
15、时，可装设一台主变压器。” 本设计为 110KV 变电所， 10kV 侧为负荷，故考虑安装两台主变压器。 若以一个元件故障作为可靠进行统计，则两个元件及三个元件的可靠性如下： （ S 表示可靠度， R 表示故障率） SII =S2+2SR=S2+2S（ 1-S） = 2S- S2 SIII = S3+3S2R= S3+3S2（ 1-S） = 3S2- 2S3 河南机电高等专科学校毕业设计论文 7 SII- SIII =2S- S2-（ 3S2- 2S3） = 2S- 4S2+2S3 = 2S(S-1)2 0 可见当以一个元件故障作为可靠统计的话，两台变压器并联运行的可靠度要超过三台变压器并联，
16、因此应优先考虑安装两台主变压器。 主变容量的确定： 根据 35-110kV 变电所设计规范 3.1.3 条规定“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。” 故本设计满足两个条 件： 1、两台总容量 S MAXS10 2、 S （ 60 75） MAXS10 本变电所按建成后 5 年进行规划，预计负荷年增长率为 7%，因此： S MAXS10 （ 1+m） t=19012.8 （ 1+0.07） 5=26666(KVA) 式中 t 为规划年限， m为增长率 S=60% S 0.6 26666=15999.6(KVA)
17、查产品目录，选择两台变压器容量一样，每台容量为 16000KVA。 根据以上分析结果，最终选择型号如下： SZ9 16000/110，其型号意义及技术参数如下： S Z 9 16000 / 110 高压绕组额定电压等级： 110kV 额定容量： 16000KVA 性能水平代号 有载调压方式 相数：三相 表 3.2 变压器参数 型 号 额定容量 电 压 组 合 （ kV） 联结组 标 号 阻抗电压 其它参数 SZ916000/110 16000 kVA 高压 121 2 1.25% Yn,d11 10.5 空载电流 % 负载损耗 空载损耗 低压 10.5 0.9 95.4 18.5kW 外形尺寸
18、： 610034705480 河南机电高等专科学校毕业设计论文 8 第 4 章 变电站主接线基本形式的选择 4.1 主接线的基本要求 变电站的电气主接线是由变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线和电缆等电气设备，按一定的顺序连接的，用以表示生产和分配电能的电路。电器主接线又称为一次接线。电器主接线图则是用规定的设备文字符号和图形符号，按其实际连接顺序绘制而成的接线图，考虑到三相系统对称，为了分析清晰和方便起见， 通常主接线图用单线图表示。如果三相不尽相同，则局部可以用三线图表示。在电器主接线图中不仅表示了各主要设备的规格、数量，而且反映了各设备的作用、连接方式和各回路间的相互联系，从而构成了变
19、电站的主体。 对 主接线的基本要求 如下 ： 1、 保证供电的可靠性。变电站一次接线应根据用电负荷的等级，保证在各种运行方式下提高供电的可靠性。供电因事故而被迫中断的机会越少，影响的服务越小，停电时间越短，则主接线的供电可靠性就越高。 2、 具有一定的灵活性和方便性。主接线有 的 可以适应各种运行方式，并且可以灵活的进行方式转换，不仅在正常 运行时可以安全可靠的供电，而且在系统故障或设备检修时，也能保证非故障和非检修回路的继续供电；改变运行方式简便、灵活、迅速，停电的时间最短，影响范围最小；运行中倒闸操作方便。 3、 具有经济性。设计主接线的时候，可靠性和经济性之间是矛盾的。欲使主接线可靠、灵
20、活，将导致投资增加。所以必须把技术与经济两者综合考虑，在满足供电可靠、运行灵活方便的基础上，尽量使设备的投资费用和运行费用最少。 主要从一下三个方面考虑： 1.投资省。主接线要力求简单，以节省一次设备的使用数量；继电保护和二次回路在满足技术要求的前提下，简化 配置、优化控制电缆的走向、以节省二次设备和控制电缆的长度；采取措施，限制短路电流，得以选用价廉的轻型设备，节省开支。 2.占地面积小。主接线的选型和布置方式，直接影响到整个配电装置的占地面积。 3.电能损耗小。经济合理的选择变压器的类型（双绕组、三绕组、自耦变、有载调压等）、容量、数量和电压等级。 4.具有发展和扩建的可能性。在设计主接线
21、时 要留 有发展的余地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到分期过渡接线的可能和施工方便。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 9 4.2 主接线的形式 主接线的形式是多种多样的，其基本形式可以划分如图 4.1所 示 。 根据国家有关规定：对 110KV 变电站的接线方式，出线为两回，可以用单母线方式 ，也 可以用桥式接线 ； 而单母线接线方式又可以分为单母线接线和单母线分段接线。桥式接线根据连接桥断路器的位置又分为内桥和外桥接线两种方式，接线形式分别简述如下 。 4.2.1 单母线方式接线 单母线接线是一种最原始、简单的接线 ,单母线接线所有电源及出线均在同一母线上。其优点是简单明显，采用
22、的设备少，操作方便，便于扩建，造价低。缺点是供电的可靠性低。母线及母线隔离开关等任一个元件故障或者检修时，均需要整个配电装置停电。因此，单母线接线 方式一般只在变电站建设初期没有重要用户时或者出线回路数不多的单电源小容量的厂（站）中采用。单母线也可以用隔离开关分段 。 单母线用隔离开关分段中当母线故障时，虽然全部配电装置仍需要停电，但是可以用隔离开关将故障的母线分开后，很快恢复非故障段母线的供电。 所以，单母线和用隔离开关分段的单母线接线只适用于出线回路少的配电装置，并且，电压等级越高所接的回路数越少。 6 10KV 级的接线回路数不超过 5回； 35KV 60KV 级不超过 3回； 110
23、220KV 级不超过 2回 。 4.2.2 单母线分段接线 单母线分段接 线是采用断路器将母线分段，通常是分成两段 。 单母线采用断路器将母线分段后可以进行轮换检修，对于重要用户，可以从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器在继电保护作用下自动将故障迅速切除，从而保证正常母线段不间断供电和重要用户 不 停电。 单母线分段接线既有单母线接线的简单明显，方便经济的优点，又在一定程度上提高了供电的可靠性。但是它的缺点是当一段母线隔离开关故障或者检修时，该段母线上的所有回路都要长时间停电，所以其连接的回路数一般可以比单母线增加一倍。 6 10KV 级的接线回路数为 6回及以上； 35
24、KV 60KV 级一般为 4 8回；110 220KV 级为 4回。 4.2.3. 桥式接线方式 当有两台变压器和两条线路时，在变压器 线路接线的基础上，在其中间加一连接桥，则成为桥式接线 。 桥式接线按照连接桥断路器的位置，可以分为内桥河南机电高等专科学校毕业设计论文 10 和外桥接线两种接线。桥式接线中，四个回路只有三台 断路 器，所以用的断路器数量最少，接线也最经济。 内桥式接线的特点是连接桥断路器在变压器侧，其它两台断路器接在线路上。因此，线路的投入和切除比较方便，并且当线路发生短路故障时，仅故障线路的断路器调闸，不影响其他回路的运行。但是，当变压器故障时 ，则与该变压器连接的两台断路
25、器都要调闸，从而影响了一回未发生故障线路的运行。此外，变压器的投入与切除的操作比较复杂，需要投入和切除与该变压器连接的两台断路器，也影响了一回未故障线路的运行。鉴于变压器属于可靠性高的设备，故障率远较线路小，一般不经常切换，因此系统中应用内桥接线的较为普遍。 外桥接线的特点恰好与内桥式接线相反，连接桥断路器在线路侧，其他两台断路器接在变压器的回路中。所以，当线路故障和进行投入与切除操作时，不影响其他回路运行，故外桥接线只适合于线路短，检修和倒闸操作 频繁 以及设备故障率较小，而变压器 由于按照经济运行的要求需要经常切换的情况。此外，当电网有穿越性功率经过变电站时，也有采用外桥接线的，因为穿越性
26、功率仅经过连接桥上的一台断路器。 为了在检修出线和变压器回路中的断路器时不中断线路和变压器的正常运行，有时再在桥行接线中附加一个正常工作时断开的带隔离开关的跨条。在跨条上装设两台隔离开关的目的是可以轮换停电检修任何一组隔离开关。 桥式接线可以展成为单母线分段或双母线接线，但是需要设计好预留今后发展时增加的间隔位置，同时扩建时继电保护和二次回路更改较多，需要在设计时采取措施。 4.2.4 110KV 电 压等级接线方式的确定 该变电所 110kV 出线回路为 2 回，且本所选择了两台主变压器，故考虑内、和单母线分段接线或双母线分段接线 。 4.2.5 10KV 电压等级主接线的确定 10KV 此电压级出线回路数偏中，也多为直接馈线、电压较低，而且供电负荷中含有大量的一级负荷和二级负荷，为了保证供电的可靠性及灵活性，不至于对重要的电力负荷中断供电，经过初步考虑采用单母分段主接线形式 或 单母分段带旁母的主接线形式 ； 10KV 电压等级较低，综合考虑主接线的基本要求和此电压等级的出线回路不是太多，通过比较最后选择方案 单母分段接线 ，即采用单母线分段的主接线形式，这种电气主接线能够满足市郊区各级电力负荷用电要求。
