本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

　 题

　目： 110kV新发变电站一次电气部分设计

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　内容摘要

　 变电站作为电力系统中的重要组成部分，变电所电气一次部分设计包括变电所总体分析、主变选择、电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选择、配电装置和总平面设计等。

　本文设计的变电站是一座降压变电站，在系统中起着向该地区开发区及工厂供电的重要任务。该变电站的建成，增强了当地电网的网络结构，达到安全、可靠、经济地运行的目的。本论文《110kV新发变电站一次部分电气设计》，首先通过对原始资料的分析及根据变电站的总负荷选择主变压器，同时根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求，选择了两种待选主接线方案进行了技术比较，淘汰较差的方案，确定了变电站电气主接线方案。 其次进行短路电流计算，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，其短路稳态电流和冲击电流的值。再根据计算结果及各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行主要电气设备选择及校验 （包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等）。最后，并绘制了电气主接线图。

　关键词：电气一次部分；设计；毕业论文

　 目

　 录

　内容摘要 I 1

　绪论 1 1.1 110kV降压变电站的发展现状与趋势 1 1.2 110kV降压变电站的研究背景 1 1.3

　本次论文的主要工作 1 2

　电气设计的主要内容 2 2.1

　变电所的总体分析及主变选择 2 2.2

　电气主接线的选择 2 2.3

　短路电流计算 2 2.4

　电气设备选择 2 2.5

　补偿设备及防雷系统设计 2 3

　变电所的总体分析及主变选择 3 3.1

　变电所的总体情况分析 3 3.2

　主变压器容量的选择 3 3.3

　主变压器台数的选择 4 3.4

　主变压器参数表 4 4

　电气主接线设计 6 4.1

　引言 6 4.2

　电气主接线设计的原则和基本要求 6 4.3

　电气主接线设计说明 7 5

　短路电流计算 10 5.1

　短路计算的目的 10 5.2

　变电所短路短路电流计算 10 6

　结论 15 参考文献 16

　 1

　绪论

　 1.1 110kV降压变电站的发展现状与趋势

　 随着当前中国经济的发展和工业建设崛起，供电系统的设计越来越细化，工厂用电量迅速增长，对电能质量（特别是钢厂对频率波形的要求及影响），技术经济状况、供电的可靠性指标也日益提高， 因此对供电设计也有了更高、更完善的要求。设计是否合理，不仅直接影响基建投资，也会反映在供电的可靠性和安全生产方面。

　 随着计算机技术、制造水平、现代通 讯和网络技术的发展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态 提供了优化组合和系统集成的技术基础。特别是近几年，大量微机保护与网络的普及，变电站越来越朝向集约化、智能化的趋势发展。因此变电站的一次电气部分设计也在在新技术领域有了不同的发展。譬如：35kV及以下系统大多都采开关柜式电气结构。很多城区变电站已经逐步淘汰效率相对低的35kV系统，还有很多变电站采用更集约的GIS设备与智能化电子式互感器等。

　 1.2

　110kV降压变电站的研究背景

　110kV降压变电站属于高压网络，变电站的电气部分设计所涉及方面、考虑问题多，分析变 电所担负的任务及用户负荷等情况。利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。 同时确定变电站的接线方式， 进行主变压器的选择、 短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。选择变电站高低压电气设备，连接系统各部分。选择出各种保护方案对变电所中的主变压器、母线、线路可能遭受的各种不正常 状态、故障进行及时的检测、切除，以保护系统和设备的安全。随着国内外各种新电力技术发展，智能化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电、输电、供电、配电、用电的所有领域中，新技术改进、革新都正一步步深入到电力系统的每一个环节当中。

　1.3

　本次论文的主要工作

　 选110kV新发变电所作为设计对象，做有关这个变电所的电气设计。

　 本论文主要研究新发变电所的主变压器选择、主接线方案的技术比较与确定、短路电流计算，主要电气设备选择及校验部分，以及电气一次主接线图绘计。

　2

　电气设计的主要内容 电气设计包括强电和弱电两部分，强电部分的设计内容主要包括：变配电系统、电力和照明系统、防雷接地系统等。一般来说，变配电系统主要包括：高低压系统、变压器、备用电源系统等；电力系统主要包括电力系统配电及控制；照明系统则包括室内外各类照明；防雷接地系统包括防雷电波侵入、防雷电感应、接地、等电位联结和局部等电位联结、辅助等电位联结等等。 变电所是电力系统的重要组成部分。变电所电气一次部分设计包括变电所总体分析、主变选择、电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选择、配电装置和总平面设计等。

　2.1

　变电所的总体分析及主变选择

　本变电站设计为降压变电站，并考虑到城乡用户与工业用户系统采用三圈变，参照相关规定，一台变压器投入使用时应满足最大负荷的70%-80%主变容量，并考虑了远景发展，根据负荷情况，选择了主变容量为50000MVA的变压器，数量按照两台主变设计。

　 2.2

　电气主接线的选择

　 电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线直接影响运行的可靠性、灵活性，它的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护、自动装置和控制方式的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。 在下章节会详细介绍电气主接线的优劣比较与方案选择。

　2.3

　短路电流计算 2.4

　电气设备选择 2.5

　补偿设备及防雷系统设计

　3

　变电所的总体分析及主变选择

　3.1

　变电所的总体情况分析 本变电站设计地址位于城乡结合处开发区，负担开发区工业负荷及部分农用负荷。该变电站的建成，不仅增强了当地电网的网络结构，而且为当地的工农业生产提供了足够的电能。该电站负荷容量不大，该电站为地区一般性降压变电站，对其可靠性没有特殊的要求。

　对于城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。此设计中的变电所符合此情况，因此设计主变为两台。

　 待设计变电站的建设规模：

　（1）电压等级 110kV/35kV／10kV

　（2）线路回路数量 110kV 进出线共 2 回，为双回线架空线路，长 75 公里。 正常送电容量各为 60000KVA。

　（3）35kV 进出线共 3 回，同时预留2个出线间隔。 （4）10kV 进出线共 5 回，同时预留4个出线间隔。

　3.2

　主变压器容量的选择 （一）负荷预测： 35kV 出线 3 回：

　（1）负荷 10-15MW 线路长 20 公里，1 回。

　（2）负荷 10-12MW 线路长 15 公里，1 回。

　（3）负荷 8-10MW 线路长 20 公里，1 回。

　负荷功率因数 0.85

　 10kV 出线 5 回：

　（1）负荷 0.5-1MW 线路长 10 公里，1 回。

　（2）负荷 1.5-2.5MW 线路长 10 公里，1 回。

　（3）负荷 0.5-1.1MW 线路长 8 公里，1 回。

　（4）负荷 0.5-0.8MW 线路长 8 公里，1 回。

　（5）负荷 0.2-0.6MW 线路长 6公里，1 回。

　负荷功率因数 0.85

　（二)主变容量选择

　 35kV出线最大总负荷为P=P1+P2+P3=37MW；

　 10kV出线最大总负荷为：p=p1+p2+p3+p4+p5=6MW。

　 S=（P+p）/cosθ=（37+6）/0.85=50MW

　 考虑建变电所 15%的负荷发展 余地需要得到可能出现的的最大负荷为57.5MW。

　 参照相关规定一台变压器投入使用时应满足最大负荷的 70%-80%， 取负荷的 80%从而最终确定出主变容量为 50000 kVA。

　（三）主变型号选择

　该变电站有三个电压等级，分别为 110kV、35 kV、10kV，所以选择的变压器为三绕组变压器，其高、中、低压侧额定电压分别为 （110±8×1.25% kV/38.5±2×2.5% kV/10.5kV）。在降压变电站中主变一般采用 YN y n0 d11 接线综合以上因素选择出的主变型号为 SFSZ9-50000/110。

　3.3

　主变压器台数的选择 系统和各种高压设备可能出现各种故障及检修的需要，为保证供电的可靠性，不致 一台主变退出运行时所有负荷都停电，变电所装设两台主变压器。当系统处于最大运行方式时，两台变压器可以同时投入使用，最小运行方式或当一台变压器处于故障或检修时可以只投入一台变压器， 因此本论文设计为选择两台 SFSZ9-50000/110型变压器。

　3.4

　变压器参数表

　经查阅资料，变压器参数如下表： 变电站 110kV新发变电站 设备类型 主变压器 电压等级 交流110kV 间隔单元 #1主变 相数 三相 相别 ABC相 额定电压(kV) 110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 额定电流(A) 262.4 额定频率(Hz) 50 设备型号 SFSZ9-50000/110 生产厂家 江苏华鹏变压器有限公司 出厂编号 2007-185 用途 降压变压器 绝缘介质 油浸 绕组型式 三绕组 结构型式 芯式 冷却方式 风冷/自然冷却(ONAF/ONAN) 调压方式 有载调压 安装位置 地上室外 联接组标号 YNynod11 额定容量(MVA) 50 自冷却容量(%) 66% 电压比 110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 额定电流(中压)(A) 749.8 额定电流(低压)(A) 2749.3 短路阻抗高压－中压(%) 10.32 短路阻抗高压－低压(%) 18.22 短路阻抗中压－低压(%) 6.43 空载损耗(kW) 32.24 负载损耗(满载)(kW) 185

　 4

　电气主接线设计 4.1

　引言 电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线直接影响运行的可靠性、灵活性，它的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护、自动装置和控制方式的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。 变电站电气主接线是由变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、避雷器等电气设备按一定顺序连接而成的,电气主接线的不同形式，直接影响运行的可靠性、灵活性，并对电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定等都有决定性的影响。因此电气主接线的正确、合理设计，必须综合处理各个方面的因素，经过技术、经济论证比较方可。

　4.2

　电气主接线设计的原则和基本要求 （一）经查阅资料：变电站主接线设计原则： 变电站的高压侧接线， 应尽量采用断路器较少的接线方式。出线回路数不超过 2 回时，采用单母线接线。 在 6-10kV 配电装置中，出线回路数不超过 5 回时，一般采用单母线接线方式， 出线回路数在 6 回及以上时，采用单母分段接线。 在 35-66kV 配电装置中，当出线回路数不超过 3 回时，一般采用单母线接线， 当出线回路数为 4～8 回时，一般采用单母线分段接线。 当采用 SF6 等性能可靠、检修周期长的断路器，以及更换迅速的手车式断路器时，均可不设旁路设施。

　 变电站主接线设计的基本要求： （1）可靠性 供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，电气主接线的设计必须满足这个要求。 （2）灵活性 电气主接线不但在正常运行情况下能根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快的退出设备、切除故障，使停电时间最短、影响范围最小，并在检修设备时能保证检修人员的安全。 （3）操作应尽可能简单、方便，电气主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。复杂的接线不仅不便于操作，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，或造成不必要的停电。 （4）经济性主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上—，还应使投资和年运行费用最 小，占地面积最少，使变电站尽快的发挥经济效益。

　（5）应具有扩建的可能性 由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快，因此，在选择主接线时，应考虑到有扩建的可能性。

　4.3

　电气主接线设计说明 （一）110kV 电压级： 通常对一般性变电站主接线的高压侧，应尽可能采用断路器数目较少，以节省投资，可采用防止母线故障全停电的单母线分段接线和操作方便且可以节省投资的桥形接线

　方案一：单母接线图 方案二：内桥接线图

　 方案一：单母线接线的主要优缺点： （1）接线简单、清晰、运行操作方便且利于扩建， （2）可靠性和灵活性较差; 当母线或母线隔离开关发生故障或检修时，各回路必须陪停；

　（3）当一条进线开关或线路检修时，不影响另一条线路开关运行与供电。

　方案二：内桥接线主要优缺点： （1） 可靠性和灵活性较好，当一段母线发生故障时，仅故障母线停止工作，另一段母线仍继续工作；但不利于扩建。 （2） 接线稍复杂，某些操作不简单明了，如：先冲击母线再送主变的操作，或单独切除故障变压器。易发生带电合闸刀的误操作，需由操作需熟悉运行方式值班员。 （3） 任一出线的开关或线路检修时，不影响另一条线路开关运行与供电。 （4） 相比方案一，节约了一台断路器。

　结论：将两个方案对比可知，110kV 侧采用内桥接线，运行方式灵活，供电可靠性高，操作较方便且可以节省投资，熟悉设备及运行方式后操作也很易掌握。综合考虑：选择 B 方案内桥接线为 110KV 侧主接线方案。

　（二）35kV电压等级： 35kV侧3回出线，如采用单母线接线方式接线其优点是：简单清晰、设备少、操作方便；但在检修、事故等特殊状态下不能保证负荷可靠性。 单母线分段接线能够满足可靠性且能根据调度要求能够方便的改变运行方式的。考虑到预留备用出线间隔，同时保证供电可靠性。 结论：采用单母分段接线。

　（二）10kV电压等级： 10kV侧5回出线，加上预留4条备用间隔。共9条。与35kV系统接线考虑一样，如采用单母线接线方式接线在检修、事故等特殊状态下不能保证负荷可靠性。单母线分段接线能够满足可靠性且能根据调度要求能够方便的改变运行方式的，保证供电可靠性。 结论：采用单母分段接线。

　小结：本章通过对资料的分析与主接线图设计原则及要求，根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求，对110kV电压等级接线方式。选择了两种待选主接线方案进行了技术比较，淘汰较差的方案，选择经济可靠的内桥接线，对35kV、10kV电压等级根据设计原则确定单母分段接线，从而确定了变电站电气主接线方案。主接线图如下：

　新发变电站一次模拟主接线图

　 5

　短路电流计算 5.1

　短路计算的目的 为了使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性、灵活性并在一定的时期内满足电力系统发展的需要,应对不同点的短路电流进行校验。 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。

　5.2

　变电所短路短路电流计算 （一） 母线上发生短路时各短路点的短路电流计算

　 取基准容量 SB =100MVA，基准电压 UB= Uav。

　 式中 Uav 表示线路平均额定电压值

　 各绕组的短路电压百分数（参阅变压器参数表）：

　 Us1% = 1/2 [ Us(1-2)% + Us(3-1)% - Us(2-3)% ]

　 = (10.32+18.2-6.43)/2

　= 11.05

　Us2% = 1/2 [ Us(1-2)% + Us(2-3)% - Us(1-3)% ]

　 = (10.32+6.43-18.2)/2

　=-0.73

　 Us3% = 1/2 [ Us(1-3)% + Us(2-3)% - Us(1-2)% ]

　 = (18.2+6.43-10.32)

　 = 7.12

　式中 Us(1-2)%、Us(2-3)%、Us(1-3)%表示绕组间短路电压百分数。

　各电抗标幺值计算：

　XT1 =(Us1%/100)*（SB/SN）=（11.05/100)*(100*50) = 0.221 XT2 =(Us2%/100)*（SB/SN）=（-0.73/100)*(100*50) = -0.015 XT3 =(Us3%/100)*（SB/SN）=（7.12/100)*(100*50) = 0.14 式中 SN 表示变压器额定容量。

　 系统及进线阻抗标幺值：

　系统母线高压侧的最大三相短路容量为 2000MVA时， Xd1 = SB/SN = 100/2000 = 0.05

　双回75公里长的110kV高压架空进线线路阻抗标幺值均为： Xd2 =0.22

　 母线上发生短路时系统等值网络图

　系统等值网络简化图

　X'T1 = XT1/2 = 0.11

　 X'T2 = XT2/2 = -0.007 X'T3 = XT3/2 = 0.07

　 Xd = Xd1+Xd2 = 0.16

　 （1） 当系统在最大运行方式下,110kV 母线上K1点发生短路时：

　短路电流基准值：Ik1=SB/(UB)=100/(*115)=0.502(kA)

　 短路电流标幺值：I''k1=1/Xd =1/0.16=6.25

　 短路电流有名值：I'k1=Ik1*I''k1=3.14(kA)

　 冲击电流： ish =1.8* I'k1=8(kA)

　 （2） 当系统在最大运行方式下，35kV母线上K2点发生短路时：

　短路电流基准值： Ik2=SB/(UB)=100/(*37.5)=1.54(kA)

　 短路电流标幺值： I''k2 =1/（X1+X2+Xd）=1/(0.11-0.007+0.16)=3.8

　 短路电流有名值： I'k2 = Ik2*I''k2 =5.85(kA)

　 冲击电流：ish =1.8* I'k2=14.9(kA)

　（3） 当系统在最大运行方式下，10kV 母线上K3点发生短路时：

　 短路电流基准值： Ik3=SB/(UB)=100/(*10.5)=5.5(kA)

　短路电流标幺值： I''k3 =1/（X1+X3+Xd）=1/(0.11+0.07+0.16)=2.94

　 短路电流有名值： I'k3 =Ik3*I''k3 =16.17(kA)

　 冲击电流： ish =1.8* I'k3=41.2(kA)

　 最大运行方式下母线上各短路电流计算结果表: 短路点 110kV母线k1 35kV母线k2 10kV母线k3 短路电流基准值(kA) 0.502 1.54 5.5 短路电流标幺值 6.25 3.8 2.94 短路电流有名值(kA) 3.14 5.85 16.17 冲击电流(kA)

　8 14.9 41.2

　 （二） 线路上发生短路时各短路点的短路电流计算

　Xl1 = x1*l1 * SB/Uav= 0.4*20*100/37.5 =0.57 Xl2 = x2*l2 * SB/Uav= 0.4*15*100/37.5 =0.43 Xl3 = x3*l3 * SB/Uav= 0.4*20*100/37.5 =0.57 Xl4 = x4*l4 * SB/Uav= 0.4*10*100/10.5 =3.6 Xl5 = x5*l5 * SB/Uav= 0.4*10*100/10.5 =3.6 Xl6 = x6*l6 * SB/Uav= 0.4*8*100/10.5 =2.9 Xl7 = x7*l7 * SB/Uav= 0.4*8*100/10.5 =2.9 Xl8 = x8*l8 * SB/Uav= 0.4*6*100/10.5 =2.17

　式中Xl、x、l分别表示线路阻抗标幺值、单位长度阻抗、线路长度。

　 求元件电抗参数，取基准容量 Sd=100MVA Id1 = 100 × 10/Ud1 =100*1000/*10=5773.5(A) Id2 = 100 × 10/Ud2 =100*1000/*35=1649.6(A) Id3 = 100 × 10/Ud3 =100*1000/*110=524.9(A)

　式中 Ud、Id分别表示线路基准电压、基准电流。

　（图）线路上发生短路时系统等值网络图

　 (1) K1点短路电流的计算

　K1点在最大运行方式下发生三相短路时短路电流为：

　 Ik1max = Id1/X(k1max)= 5773.5/3.89 = 1485(A)

　K1点在最小运行方式下发生两相短路时短路电流为：

　 Ik1min = /2 *Id1/X(k1min)= /2 *5773.5/4.181 = 1195(A)

　（2）K2点短路电流的计算

　K2点在最大运行方式下发生三相短路时短路电流为：

　 Ik2max = Id2/X(k2max)= 1649.6/0.78 = 2114.5(A)

　K1点在最小运行方式下发生两相短路时短路电流为：

　 Ik2min = /2 *Id2/X(k2min)= /2 *1649.6/1.01 = 1442(A) 短路点 K1（A） K2（A） 最大运行方式下三相短路 1485 2114.5 最小运行方式下两相短路 1195 1442

　线路上短路电流计算结果表:

　6

　结论

　本人对电力系统的基本知识以及相关课程有了更深一步的了解，在此基础上进行本次毕业设计。通过专业学习和老师的悉心教导，再结合自己的实际工作，使自己的专业技术水平得到了提高。本次电力系统的专业知识学习，使我系统地了解了电力系统变电站的各种设备。比如变电站的主接线原理，各种接线方式的优缺点，怎样选择主接线、选择什么样的主接线既节省投资、又能满足供电可靠性和负荷的要求。 这是一个把自己所学专业知识得以施展验证的机会，从中找出自己的不足，也使自己的专业知识得以巩固。在本次设计过程中，我查阅了大量有关电力系统、变电站的信息资料，对今后的工作有很大的帮助。

　本设计还存在不足之处，首先，本次的设计的是一个 110kV 降压变电站，主要涉及的变电站内部电气部分的设计，其中负荷统计表相对比较简洁，也减少了电气主接线图的制作难度。还有由于资料所限对电气设备选择未做深入分析。另外，对电气二次保护部分没有涉及， 没有对变电站继电保护作更深的设计分析。由于本人水平有限，设计中难免有错误和疏漏的地方敬请各位老师批评指正。

　参考文献

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　[6]于永源,杨绮雯.电力系统分析第二版[M].北京：中国电力出版社，2004

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