110KV降压变电所电气一、二次设计.doc

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1、前 言变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的场所。110KV变电站属于高压网络，电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线直关系着全厂电气设备的选择、是变电站电气部分投资大小的决定性因素。首先，根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求选择各个电压等级的接线方式来选择。根据主变容量选择适合的变压器，主变压器的台数、容量及形式的选择是很重要，它对发电厂和变电站的技术经济影响大。本变电所的初步设计包括了：（1）总体

2、方案的确定（2）短路电流的计算（3）高低压配电系统设计与系统接线方案选择（4）继电保护的选择与整定（5）防雷与接地保护等内容。最后，本设计根据典型的110kV发电厂和变电所电气主接线图，根据厂、所继电保护、自动装置、励磁装置、同期装置及测量表计的要求各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行设备选择，而后进行校验. 第1章 短路电流的计算11短路的基本知识所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。短路电流的大小也是比较主接线方案，分析运行方式时必须考虑的因素。系统短路时还会出现电压降低，靠近短路点处尤为严重，这将直接危害用户供电的安全性及可靠性。为限制故

3、障范围，保护设备安全，继电保护装置整定必须在主回路通过短路电流时准确动作。变电短路电流的大小也是比较主接线方案，分析运行方式时必须考虑的因素。系统短路时还会出现电压降低，靠近短路点处尤为严重，这将直接危害用户供电的安全性及可靠性。为限制故障范围，保护设备安全，继电保护装置整定必须在主回路通过短路电流时准确动作。所中的各种电气设备必须能承受短路电流的作用，不致因过热或电动力的影响造成设备损坏。例如：断路器必须能断开可能通过的最大短路电流；电流互感器应有足够的过电流倍数；母线要校验短路时承受的最大应力；接地装置的选择也与短路电流大小有关等。供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常

4、进行。电力系统正常运行方式的破坏，多数是由短路故障引起的，系统中将出现比正常运行时的额定电流大许多倍的短路电流，其数值可达几万甚至几十万安培。变电所设计中不能不全面地考虑短路故障的各种影响。、由于上述原因，短路电流计算成为变电所电气部分设计的基础。选择电气设备时，通常用三相短路电流；校验继电保护动作灵敏度时用两相短路、单相短路电流或或单相接地电流。工程设计中主要计算三相短路电流。12计算短路电流的目的短路故障对电力系统的正常运行影响很大，所造成的后果也十分严重，因此在系统的设计，设备的选择以及系统运行中，都应该着眼尽量限制所影响的范围。短路的问题一直是电力技术的基本问题之一，无论从设计、制造、

5、安装、运行和维护检修等各方面来说，都必须了解短路电流的产生和变化规律，掌握分析计算短路电流的方法。短路电流计算具体目的是；（1） 选择电气设备。电气设备，如开关电气、母线、绝缘子、电缆等，必须具有充分的电动力稳定性和热稳定性，而电气设备的电动力稳定性和热稳定性的效验是以短路电流计算结果为依据的。（2） 继电保护的配置和整定。系统中影配置哪些继电保护以及继电保护装置的参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算和分析，而且不仅要计算短路点的短路电流，还要计算短路电流在网络各支路中的分布，并要作多种运行方式的短路计算。（3） 电气主接线方案的比较和选择。在发电厂和变电所的主接线设计中，往往遇到这

6、样的情况：有的接线方案由于短路电流太大以致要选用贵重的电气设备，使该方案的投资太高而不合理，但如果适当改变接线或采取限制短路电流的措施就可能得到即可靠又经济的方案，因此，在比较和评价方案时，短路电流计算是必不可少的内容。（4） 通信干扰。在设计110KV及以上电压等级的架空输电线时，要计算短路电流，以确定电力线对临近架设的通信线是否存在危险及干扰影响。（5） 确定分裂导线间隔棒的间距。在500KV配电装置中，普遍采用分裂导线做软导线。当发生短路故障时，分裂导线在巨大的短路电流作用下，同相次导线间的电磁力很大，使导线产生很大的张力和偏移，在严重情况下，该张力值可达故障前初始张力的几倍甚至几十倍，

7、对导线、绝缘子、架构等的受力影响很大。因此，为了合理的限制架构受力，工程上要按最大可能出现的短路电流确定分裂导线间隔的安装距离。 1.3短路电流的计算步骤1.3.1基本假定1.3.1.1系统运行方式为最大运行方式。1.3.1.2磁路饱和、磁滞忽略不计。即系统中各元件呈线性，参数恒定，可以运用叠加原理。1.3.1.3在系统中三相除不对称故障处以外，都认为是三相对称的。1.3.1.4忽略对计算结果影响较小的参数，如元件的电阻、线路的电容以及网内的电容器、感性调和及高压电机向主电网的电能反馈等。1.3.1.5短路性质为金属性短路，过渡电阻忽略不计。1.3.1.6系统中的同步和异步电机均为理想电机。1

8、.3.2基准值的选择为了计算方便，通常取基准容量Sj100MVA；基准电压Uj取各级电压的平均电压，即UjUp1.05Ue；基准电流；基准电抗常用基准值如表1所示。表1 常用基准值表（Sj100MVA）基准电压Uj（kV）3.156.310.537115230基准电流Ij（kA）18.339.165.501.560.5020.251基准电抗Xj（）0.09920.3971.1013.71325301.3.3各元件参数标么值的计算电路元件的标么值为有名值与基准值之比，计算公式如下： 采用标么值后，相电压和线电压的标么值是相同的，单相功率和三相功率的标么值也是相同的，某些物理量还可以用标么值相等的

9、另一些物理量来代替，如I*=S*。电抗标么值和有名值的变换公式如表2所示。表2中各元件的标么值可由表1中查得。表2 各电气元件电抗标么值计算公式元件名称标 么 值备 注发电机调相机电动机为发电机次暂态电抗的百分值变压器为变压器短路电压百分值，为最大容量线圈额定容量电抗器为电抗器的百分电抗值线路线路长度系统阻抗Skd为与系统连接的断路器的开断容量；S为已知系统短路容量其中线路电抗值的计算中，为：6220kV架空线 取0.4 /kM35kV三芯电缆 取0.12 /kM610kV三芯电缆 取0.08 /kM表2中SN、Sb单位为MVA，UN、Ub单位为kV，IN、Ib单位为kA。1.3.4短路电流的

10、计算1.3.4.1网络变换计算公式串联阻抗合成：并联阻抗合成：，当只有两支时1.3.4.2短路电流计算公式短路电流周期分量有效值： 短路冲击电流峰值：短路全电流最大有效值：式中为冲击系统，可按表3选用。表3 不同短路点的冲击系数短路点推荐值发电机端1.902.69发电厂高压侧母线及发电机电抗器后1.852.62远离发电厂的地点1.802.55注：表中推荐的数值已考虑了周期分量的衰减。1.3.4.3最大运行方式下短路电流的计算最大运行方式下等值电路标么阻抗图见图2图3d1：d2：d3：d4：1.5短路电流计算结果110kV降压变电站相关短路电流计算结果见下表4。短路点短路电流周期分量(有效值)I

11、d(kA)短路冲击电流(峰值)ich(kA)短路全电流最大有效值Ich(kA)最大运行方式下d15.18713.2277.832d210.64327.1416.071d310.35226.39815.632d49.56824.39814.448最小运行方式下d13.639.2575.481d29.85125.1214.875d39.60224.48514.499d48.92422.75613.475图2 d1：d2：d3：d4：第2章 继电保护的配置21继电保护的基本知识在变电所的设计和运行中，当电力系统发生故障和不正常运行的可能性，如设备的相间短路、对地短路及过负荷等故障。为了保证用户的可靠

12、供电，防止电气设备的损坏及事故扩大，应尽快地将故障切除。这个任务靠运行人员进行手动操作控制是无法实现的，必须由继电保护装置自动地、迅速地、有选择性地将故障设备切除，而当不正常运行情况时，要自动地发出信号以便及时处理，这就是继电保护的任务。2.2 线路的继电保护配置2.2.1 110kV侧继电保护配置1.反映相间短路的保护配置：装设相间短路后备保护（相间距离保护）和辅助保护（电流速断保护）2.反映接地短路的保护配置:对110kV ,装设全线速动保护。3.距离保护是根据故障点距离保护装置处的距离来确定其动作电流的，较少受运行方式的影响，在110220kV电网中得到广泛的应用。 故在本设计中，采用三

13、段式阶梯时限特性的距离保护。距离保护的第一段保护范围为本线路长度的80-85，T约为0.1S，第二段的保护范围为本线路全长并延伸至下一线路的一部分，T约为0.50.6S，距离第一段和第二段构成线路的主保护。距离保护的第三段作为相邻线路保护和断路器拒动的远后备保护，和本线路第一段和第二断保护的近后备。 110kV以上电压等级的电网通常均为中性点直接接地电网，在中性点直接接地电网中，当线路发生单相接地故障时，形成单相接地短路，将出线很大的短路电流，所以要装设接地保护。2.2.2 35kV、10kV侧继电保护配置从电力装置的继电保护和自动装置设计规范中查得，在35kV、10kV侧无时限和带时限电流速

14、断保护配合，可作为本线路的主保护，但它不能起远后备保护的作用，为了能对线路起到近后备和对相邻线路起到运后备作用，还必须装设第三套电流保护，即定时限过电流保护。2.3变压器保护配置及整定计算2.3.1变压器保护配置电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。因此，我们必须研究变压器有哪些故障和不正常运行状态，以便采取相应的保护措施。变压器的故障可以分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路以及中性点直接接地侧的接地短路。这些故障的发生会危害电力系统的安全连续供电。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路

15、以及铁心的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。变压器外部短路引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线方式变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行方式下会发生变压器的过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。 主保护：电流差动保护、瓦斯保护后备保护：过电流保护/低压闭锁过电流保护/复合电压闭锁过流保护/阻抗

16、保护/零序过电流保护/零序过电压保护/过负荷保护/过激磁保护。两种配置模式：（1）主保护、后备保护分开设置（2）成套保护装置，重要变压器双重化配置2.3.2纵联差动保护以双绕组变压器为例来说明实现纵差动保护的原理，如图5所示。İ2İ2İ1nBnl 1nl 2İ1İ2- İ2I- I图5变压器纵差动保护的原理接线由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等，亦即在正常运行和外部故障时，差动回路的电流等于零。例如在图5中，应使 = 或=式中高压侧电流互感器的变比；低压侧电流互感器的变比；

17、 变压器的变比（即高、低压侧额定电 压之比）。由此可知，要实现变压器的纵差动保护， 就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比，这是与前述送电线路的纵差动保护不同的。这个区别是由于线路的纵差动保护可以直接比较两侧电流的幅值和相位，而变压器的纵差动保护则必须考虑变压器变比的影响。本次设计所采用的变压器型号为：SZ-25000/110。对于这种大型变压器而言，它都必需装设单独的变压器差动保护，这是因为变压器差动保护通常采用两侧电流差动，其中高电压侧电流引自高压侧电流互感器，低压侧电流引自变压器低压侧电流互感器，这样使差动保护的保护范围为二组电流互感器所限定的区域，从而可以更好地

18、反映这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故障。所以我们用纵联差动保护作为变压器的主保护，其接线原理图如图5所示。正常情况下,=即：（变压器变比）所以这时Ir=0，实际上，由于电流继电器接线方式，变压器励磁电流，变比误差等影响导致不平衡电流的产生，故Ir不等于0 ，针对不平衡电流产生的原因不同可以采取相应的措施来减小。尽管纵联差动保护有很多其它保护不具备的优点，但当大型变压器内部产生严重漏油或匝数很少的匝间短路故障以及绕组断线故障时，纵联差动保护不能动作，这时我们还需对变压器装设另外一个主保护瓦斯保护。图6纵联差动保护原理示意图2.3.3瓦斯保护瓦斯保护主要用来保护变压器的

19、内部故障，它由于一方面简单，灵敏，经济；另一方面动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与差动保护配合使用才能做到优势互补，效果更佳。瓦斯保护的工作原理：当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器KG的上触点闭合，作用于预告信号；当发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经中间继电器KC作用于信号继电器KS，发出警报信号，同时断路器跳闸。瓦斯继电器的下触点闭合，也可利用切换片XB切换位置，只给出报警信号。瓦斯保护的整定：瓦斯保护有重瓦斯和轻瓦斯之分，它们装设于油箱与油枕之间的连接导管上。其中轻瓦斯按气体容积进行整定，整定范围为：250300cm3,一般整定

20、在250cm3 。重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0.61.5m/s,一般整定在1m/s 。瓦斯保护原理如图7所示。图7瓦斯保护原理示意图2.3.4保护配置的整定 对于本次设计来说，变压器的主保护有纵联差动保护和瓦斯保护，其中瓦斯保护一般不需要进行整定计算，所以仅对纵联差动保护进行整定如下：(1)避越变压器的励磁涌流： 其中为可靠系数，取1.3，而为变压器的额定电流。(2)避越外部短路时的最大不平衡电流：其中Ktx为电流互感器同型系数，型号相同时取0.5，型号不同时取1，这里为避免以后更换设备的方便故取1；为非周期分量引起的误差，取1；建议采用中间值0.05；取0.1； 为变压器外部最大

21、运行方式下的三相短路电流，由前面的计算结果知=995。(3)躲过电流互感器二次回路断线的最大负荷电流： 而保护基本侧的动作电流取：(4)确定差动继电器的动作电流和基本侧差动线圈的匝数： 差动继电器的动作电流：其中为电流互感器的一次侧额定电流；为电流互感器的二次额定电流。差动线圈匝数： 实际整定匝数选用： 所以继电器的实际动作电流为： 保护装置的实际动作电流为： 变压器差动保护参数计算结果如下表7-1：变压器额定电压/kV11011110110额定电流 Ie/A互感器接线方式Ddyy互感器计算变比互感器选择变比100/5100/5400/5400/5电流互感器二次额定电流58/20=2.958/

22、20=2.9320/8=4320/80=4(5) 校验保护的灵敏系数:当系统在最小运行方式下,线路处开环运行发生两相短路时,保护装置灵敏系数最低,即:显然灵敏度满足要求。其中是变压器差动保护范围内短路时总的最小短路电流有名值(归算到基本侧)。是保护的接线系数,这里取1。第3章 继电保护的配置31继电保护的基本知识在变电所的设计和运行中，当电力系统发生故障和不正常运行的可能性，如设备的相间短路、对地短路及过负荷等故障。为了保证用户的可靠供电，防止电气设备的损坏及事故扩大，应尽快地将故障切除。这个任务靠运行人员进行手动操作控制是无法实现的，必须由继电保护装置自动地、迅速地、有选择性地将故障设备切除

23、，而当不正常运行情况时，要自动地发出信号以便及时处理，这就是继电保护的任务。3.3 10kV线路保护配置及整定计算3.3.1 110kV侧继电保护配置1.反映相间短路的保护配置：装设相间短路后备保护（相间距离保护）和辅助保护（电流速断保护）2.反映接地短路的保护配置:对110kV ,装设全线速动保护。3.距离保护是根据故障点距离保护装置处的距离来确定其动作电流的，较少受运行方式的影响，在110220kV电网中得到广泛的应用。 故在本设计中，采用三段式阶梯时限特性的距离保护。距离保护的第一段保护范围为本线路长度的80-85，T约为0.1S，第二段的保护范围为本线路全长并延伸至下一线路的一部分，T

24、约为0.50.6S，距离第一段和第二段构成线路的主保护。距离保护的第三段作为相邻线路保护和断路器拒动的远后备保护，和本线路第一段和第二断保护的近后备。 110kV以上电压等级的电网通常均为中性点直接接地电网，在中性点直接接地电网中，当线路发生单相接地故障时，形成单相接地短路，将出线很大的短路电流，所以要装设接地保护。3.3.2 35kV、10kV侧继电保护配置从电力装置的继电保护和自动装置设计规范中查得，在35kV、10kV侧无时限和带时限电流速断保护配合，可作为本线路的主保护，但它不能起远后备保护的作用，为了能对线路起到近后备和对相邻线路起到运后备作用，还必须装设第三套电流保护，即定时限过电

25、流保护。第4章 防雷与接地方案的设计4.1 防雷保护4.1.1 直击雷保护直击雷过电压：雷电直接击中电气线路、设备或建筑物而引起的过电压，又称直击雷。在雷电的主放电过程中，其传播速度极快（约为光速的50%-10%），雷电压幅值达10-100MV，雷电流幅值达数百千安，伴以强烈的光、热、机械效应和危险的电磁效应以及强烈的闪络放电，具有强烈的破坏性和对人员的杀伤性。110KV配电装置、主变压器为户外布置、采用在构架上设置2支避雷针，及其余设备均为户内布置，采用配电楼屋顶设避雷带，和避雷针联合作为防直击雷保护，确保户外主变压器、110KV配电装置在其联合保护范围内。避雷带采用16的热镀锌圆钢，避雷针

26、与建筑物钢筋隔离，并采用3根引下线与主接地网相连接，连接点与其他设备接地点的电气距离应满足规范要求。4.1.2 侵入波保护雷电波入侵(高电位侵入):架空线路遭受雷击或感应累的影响,在线路上形成沿线路传播的高电压行波.此种电压波入侵到建筑物内或进入电气设备造成过电压。据统计城市中雷击事故的50%-70%是由于这种雷电波侵入造成的。因此，在工厂中应予以重视，对其危害给予足够的防护。为防止线路侵入雷电波的过电压，在110KV进线，10KV母线桥及10KV每段母线上分别安装氧化锌避雷器。为保护主变压器中性点绝缘，在主变110KV侧中性点装设氧化锌避雷器。10KV并联电容器根据规定装设氧化锌避雷器保护。

27、4.2 接地装置的设计本变电站主接地网以水平接地体加垂直地极构成，水平接地体采用16热镀锌圆钢，垂直接地极用50502500和50503000两种长度的热镀锌角钢，布置尽量利用配电室以外的空地。变电站主接地网的接地电阻应满足R0.5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16的热镀锌圆钢焊接并接入主接电网，与主接地网可靠焊接。带有二次绕组的设备底座应采用两根接地引下线，与电网两个不同点可靠焊接。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。

28、变电站四周与人行道相邻处，设备与主网相连接的均压带。主控室内采取防静电接地及保护接地措施。参考资料1 王士正，冯金光.发电厂电气部分（第三版）.中国水利水电出版社.2004. 2 于永源，杨绮雯.电力系统分析.中国电力出版社.2007. 3 狄富清.变电设备合理选择与运行检修.机械工业出版社.2005. 4 卓乐友.电力工程电气设计200例.中国电力出版社.2003.附录1.2.设计有关参数序号变压器台数及容量(MVA)110KV线路长（KM）系统容量（MVA）系统电抗10KV出线回数最大利用小时Tmax所用变压器台数及容量（KVA）温度（）10KV出线电缆长度(KM)最大最小土壤温度室内最高

29、温度户外最高温度1216654200.80.5514450024029.133.839.27.12216603800.850.61444002402933.43973216553600.70.4214440024028.833.138.66.84220705200.780.4718460025028.433.540.27.65220645000.810.511845002502833.3407.46220604800.80.4918440025027.632.839.87.37231.5786400.840.5226470026329.233.438.97.58231.5726200.780.482646002632933.138.87.3 3. 图一 本变电所电气主接线图 图二 典型110kv变电所电气布局.忽略此处.