电气工程基础课程设计

电气工程基础课程设计题目：110kV降压变电站电气系统初步设计

学生姓名：林俊杰

专业：电气工程及其自动化

班级：电气0906班

学号：200911914

指导教师：罗毅

目录

变电站电气系统课程设计说明书

一、概述

1、设计目的————————————————————————————

2、设计内容

3、设计要求

二、设计基础资料

1、待建变电站的建设规模

2、电力系统与待建变电站的连接情况

3、待建变电站负荷

三、主变压器与主接线设计

1、各电压等级的合计负载及类型

2、主变压器的选择

四、短路电流计算

1、基准值的选择

2、各元件参数标幺值的计算

3、用于设备选择的短路电流计算

五、电气设备的选择

1、电气设备选择的一般条件

2、各回路的工作电流计算

3、断路器和隔离开关选择

4、导线的选择

5、限流电抗器的选择

6、电压互感器的选择

7、电流互感器的选择

8、电压熔断器的选择

9、支持绝缘子和穿墙套管的选择

10、消弧线圈的选择

11、避雷器的选择

一、概述

1、设计目的

（1）复习和巩固《电气工程基础》课程所学知识。

（2）培养和分析解决电力系统问题的能力。

（3）学习和掌握变电所电气部分设计的基本原理和设计方法。

2、设计内容

本课程设计只作电气系统的初步设计，不作施工设计和土建设计。

（1）主变压器选择：根据负荷主变压器的容量、型式、电压等级等。

（2）电气主接线设计：可靠性、经济性和灵活性。

（3）短路电流计算：电力系统侧按无限大容量系统供电处理；

用于设备选择时，按变电所最终规模考虑；用于保护整定计算时，按本期工程考虑；举例列出某点短路电流的详细计算过程，列表给出各点的短路电流计算结果S k、I”、I∞、I sh、T eq（其余点的详细计算过程在附录中列出）。

（4）选择主要电气设备：断路器、隔离开关、母线及支撑绝缘子、限流电抗器、电流互感器、电压互感器、高压熔断器、消弧线圈。每类设备举例列出一种设备的详细选择过程，列表对比给出选出的所有设备的参数及使用条件。

（5）编写“××变电所电气部分设计”说明书，绘制电气主接线图（＃2图纸）3、设计要求

（1）通过经济技术比较，确定电气主接线；

（2）短路电流计算；

（3）主变压器选择；

（4）断路器和隔离开关选择；

（5）导线（母线及出线）选择；

（6）限流电抗器的选择（必要时）。

（7）完成上述设计的最低要求；

（8）选择电压互感器；

（9）选择电流互感器；

（10）选择高压熔断器（必要时）；

（11）选择支持绝缘子和穿墙套管；

（12）选择消弧线圈（必要时）；

（13）选择避雷器。

二、设计基础资料

1、待建变电站的建设规模

⑴变电站类型：110 kV降压变电站

⑵三个电压等级：110 kV、35 kV、10 kV

⑶110 kV：近期线路2回；远期线路3回

35 kV：近期线路2回；远期线路4 回

10 kV：近期线路4回；远期线路8回

2、电力系统与待建变电站的连接情况

⑴变电站在系统中地位：地区变电站

⑵变电站仅采用110 kV的电压与电力系统相连，为变电站的电源

⑶电力系统至本变电站高压母线的标么电抗（S d=100MVA）为：

最大运行方式时0.28 ；

最小运行方式时0.35；

主运行方式时0.30;

⑷上级变电站后备保护动作时间为2.5s

3、待建变电站负荷

⑴110 kV出线：负荷每回容量10000 kVA，

cos?＝0.9，T max＝4000 h

⑵35 kV负荷每回容量5000 kVA，

cos?＝0.85，T max＝4000 h；

其中，一类负荷0回；二类负荷2回

⑶10kV负荷每回容量1500 kW，cos?＝0.95，T max＝4200 h；

其中，一类负荷0回；二类负荷2回

(4) 负荷同时率0.78

4、环境条件

⑴当地年最高气温400C，年最低气温-200C，最热月平均最高气温350C，年最低气温-50C。

⑵当地海拔高度：600m

⑶雷暴日：15日/年

5、其它

⑴变电站地理位置：城郊，距城区约10km

⑵变电站供电范围：110 kV线路：最长100 km，最短50 km；

35 kV线路：最长60 km，最短20 km；

10 kV低压馈线：最长15 km，最短3 km；

⑶未尽事宜按照设计常规假设。

三、主变压器与主接线设计

1、主变压器的选择

（1）变压器台数的选择

在大城市郊区的一次变电站，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电站以装设两台变压器为宜；对地区性孤立的一次变电站或复合较高的变电站，在设计时应该考虑装设三台变压器的可能性。考虑到该变电站为一重要中间变电站，与系统联系紧密，含有交大份额的一、二类负载，故一起工程选择两台主变压器，并列运行且容量相等。考虑到地区经济发展较快，远期增加负荷较多，负荷密度迅速增大，故而起工程增加一台主变压器。

变压器是变电站主要电气设备之一，其主要功能是升高或降低电压，以利于电能的合理输送、分配和使用。从电工学中知道，输电线路中流过的电流越大，损失的功率就越大。所以采用高压输电减少线路的功率损耗，故将发电厂发出的电力经变压器升压后输送，送到供电地区后经降压变压器变换成低电压供用户使用。

（2）变压器容量的选择

设计的变电站中，35kV侧负荷每回容量5000kVA,cosφ=0.85，T max=4000h；10kV

侧负荷每回容量1500KW ，cos φ=0.95，T max =4200h 。 近期系统负荷总量和类型统计如下： 35kV 侧的总负荷

S 35=5000×2kVA=10000kVA 10kV 侧的总负荷

S 10=（1500×4）/0.95kVA=6316kVA 近期的总负荷

S =0.78×（S 35 +S 10）=12726kVA

远期系统负荷总量和类型统计如下： 35kV 侧的总负荷

S 35=5000×4kVA=20000kVA 10kV 侧的总负荷

S 10=（1500×8）/0.95kVA=12632kVA 远期的总负荷

S =0.78×（S 35 +S 10）=25453kVA

拟选用三台（近期两台、远期增加一台）SFSL7-10000/110型三绕组变压器，其容量比为：100/100/50；电压比为110±2×2.5%/38.5±2×2.5%/11kV ；接线方式为YN,y0,d11，阻抗电压为：U k12%=10.5%,U k13%=18%,U k23%=6.5%。 （2） 校验变压器的负荷

① 近期工程的主变压器的负荷率：0

063

.63kVA

2000012726kVA

==

β。

② 远期工程的主变压器的负荷率：

084.84kVA 3000025453kVA

==

β

（3）事故情况下变压器过载能力的校验

三台主变，停一台，应承担全部负荷的70%～80

①远期时，三台主变，停一台，应承担全部负荷的70%～80%。此变电站一台出现故障时承担全部负荷为β=20000

25453=78.6% ③ 三绕组变压器各侧容量选择： 要求：各侧容量均应≥15%(远期)

110kV ： 25453/30000=84.84% 选S N 35kV ： 20000/30000=66.67% 选S N 10kV ： 12632/30000=42.11% 选0.5S N 变

压

器

容

量

比

50

100100

④ 接地方式：

在我国110KV 及以上的电压变压器绕组都采用Y 型联接；35KV 也采用Y 型联接，其中中性点多通过消弧线圈接地。35KV 以下电压变压器绕组都采用?型联接。 110kV ：经消弧线圈接地；

35kV：经消弧线圈接地；

10kV：不接地

不考虑自耦变压器

2、主接线的选择

根据国家标准《GB50059-9235——110KV变电所设计规范》，变电所的主接线应根基变电所在电网中的地位出线回路数、设备特点及负载性质等条件确定。并满足供电可靠性、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求。按照以上要求对主接线进行选择。

设计原则：应根据发电厂和变电所在电力系统中的地位和作用，首先应满足电力系统可靠运行和经济调度的要求。根据规划容量、本期建设规模、输送电压登记、进出线回数、供电负荷的重要性、保证供需平衡、电力系统线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规划与要求等条件确定。应满足可靠性、灵活性和经济性要求。

主接线的选择必须要保证向用户供给符合质量的电能，而且能够适应各种的运行方式（包括正常，事故和检修运行方式）并能够通过操作来实现运行方式的变化而且在某一基本回路检修时不影响其它回路的继续运行。其次，主接线还应该简明清晰，运行维护方便，在满足上述要求的前提下，主接线的设计应简单，投资少，运行管理费用低，一般情况下，应考虑节约电能和有色金属的消耗量。即考虑安全、可靠、经济性原则，按照以上原则对主接线进行选择。（1）110kV侧接线的选择

方案一：采用单母分段接线

段母线发生故障或者检修的时候另一段仍然可以继续运行。由于接线简单，操作人员发生误操作的可能性就要小。但是不够灵活可靠，当要一路母线检修或者出现故障时，该母线上的负荷会停电。

而双母线分段接线供电可靠，可以不停电而轮流检修每一组母线，一组母线故障后能够通过隔离开关的轮换操作来迅速恢复供电。当个别线路需要单独进行试验时，可将其接至备用母线，不直接影响工作母线的正常运行。）各电源和回路的负荷可以任意的分配到某一组母线上，可以灵活的调度以适应系统各种运行方式和潮流变化。但是投资较大，由于线路较为复杂，在隔离开关的倒换操作中很容易出现误操作，还需在隔离开关与断路器之间加装连锁装置，增加投资

比较结论：经过比较，在保证供电可靠性前提下，就必须适当的增加投资。采用方案一的供电可靠性太差，一旦发生故障，有可能导致全网停电。故选择双母线接线，即保证供电可靠性，同时投资也有一定的加大，但是在可以承受

的范围之内。.

（2）35kV侧接线的选择和10kV侧接线的选择

方案一：采用单母线接线

优点：接线简单清晰，使用设备少，经济性比较好。由于接线简单，操作人员发

生误操作的可能性就要小。

缺点：可靠性和灵活性差。当电源线路，母线或者母线隔离开关发生故障或者检

修的时候全部回路停止供电，造成很大的经济损失。

方案二：选择单母线分段接线

优点：母线发生故障时，仅故障母线停止供电，非故障母线仍可继续工作，缩小母线故障影响范围。对于双回路线路供电的重要用户，可将双回路接于不同的母线段上，保证重要用户的供电。

缺点：当一段母线故障或检修时，必须断开在此段的所有回路减少了系统的供电量，并使该回路的用户停电。

方案三：选择单母分段加旁路母线

优点：供电可靠，可以不停电而轮流检修每一组进出线，一组母线故障后能够通过隔离开关的轮换操作来迅速恢复供电。当个别线路需要单独进行试验时，可将其接至备用母线，不直接影响工作母线的正常运行。

缺点：投资大，由于线路较为复杂。在隔离开关的倒换操作中很容易出现误操作，还需在隔离开关与断路器之间加装连锁装置，增加投资。

比较结论：

由于该两个电压电压等级侧没有一类负荷，2回路的二类负荷，选择方案一可靠性太差，故采用方案二双母线接线。

比较结论：

经过比较，一方面要保证可靠性，另一方面要考虑到投资的多少，所以35kV 母线采用选择单母分段加旁路母线接线方式，而10kV母线采用单母线分段接线方式。

注：

35kV侧和10kV侧的二类负荷均由两个独立电源供电，其来自不同的变电站。

三、短路电流以及工作电流计算

1、主变压器各侧阻抗的百分值：

U k1%=(10.5+18-6.5)/2=11%

U k2 %=(10.5+6.5-18)/2=0

U k3 %=(18+6.5-10.5)/2=7%

其标幺值：(Sd=100 000kVA=100MVA)

7.010

10010070

1.110

10010011*

**

=?=

==?=X X

X ⅢⅡⅠ

各个电压等级基准电流： 1100kv 侧：KA kV

MVA Ud Sd I d 502.01153100131=?=

?=

35kv 侧：KA kV MVA Ud Sd I d 56.1373100232=?=?=

10kv 侧：KA kV

MVA

Ud Sd I d 5.55.1031003

33=?=

?=

2、三相短路电流的计算（远期）： （1）、三台主变同时运行的情况

A K1 点三相短路电流计算 最大运行方式

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 35710028

.01

*156.479.155.255.279.1502.028

.01*111=?==

=?=''==?==''短路功率：冲击电流：短路电流： 正常工作时运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 3.33310030

.01*127.467.155.255.267.1502.030

.01

*111=?==

=?=''==?==''短路功率：冲击电流：短路电流：

最小运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 7.28510035

.01*166.343.155.255.243.1502.035

.01

*111=?==

=?=''==?==''短路功率：冲击电流：短路电流：

B K2点三相短路电流计算 最大运行方式

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 64.1541003/1.128.01*114.641.255.255.241.256.13

/1.128.01

*111=?+==

=?=''==?+==''短路功率：冲击电流：短路电流：

正常工作时运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 0.1501003

/1.130.01*197.534.255.255.234.256.13

/1.130.01*111=?+==

=?=''==?+==''短路功率：冲击电流：短路电流：

最小运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 5.1391003

/1.135.01*155.517.255.255.217.256.13

/1.135.01

*111=?+==

=?=''==?+==''短路功率：冲击电流：短路电流：

C K3点三相短路电流计算 最大运行方式

MVA

MVA S X S kA

kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 64.1131003/)7.01.1(28.01

*19.1525.655.255.225.6499.53

/)7.01.1(28.01

*111=?++===?=''==?++==

''短路功率：冲击电流：短路电流： 正常工作时运行方式下：

MVA

MVA S X S kA

kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 1.1111003/)7.01.1(30.01

*158.1511.655.255.211.6499.53

/)7.01.1(30.01

*111=?++===?=''==?++==

''短路功率：冲击电流：短路电流：

最小运行方式下：

MVA

MVA S X S kA

kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 3.1051003/)7.01.1(35.01

*176.1479.555.255.279.5499.53

/)7.01.1(35.01*111=?++===?=''==?++==

''短路功率：冲击电流：短路电流： 三台变压器同时运行时最大运行方式下的短路电流如下表一所示：

表一：

（2）、一台主变停运情况

A K1 点三相短路电流计算 最大运行方式

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 35710028

.01

*156.479.155.255.279.1502.028

.01

*111=?==

=?=''==?==''短路功率：冲击电流：短路电流： 正常工作时运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 3.33310030

.01*127.467.155.255.267.1502.030

.01

*111=?==

=?=''==?==''短路功率：冲击电流：短路电流：

最小运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 7.28510035

.01*166.343.155.255.243.1502.035

.01*111=?==

=?=''==?==''短路功率：冲击电流：短路电流：

B K2点三相短路电流计算 最大运行方式

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 5.1201003/1.128.01*179.441.255.255.288.156.12

/1.128.01

*111=?+==

=?=''==?+==''短路功率：冲击电流：短路电流：

正常工作时运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 6.1171002

/1.130.01*169.434.255.255.284.156.12

/1.130.01

*111=?+==

=?=''==?+==''短路功率：冲击电流：短路电流：

最小运行方式下：

MVA MVA S X S kA kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 1.1111002

/1.135.01*141.417.255.255.273.156.12

/1.135.01

*111=?+==

=?=''==?+==''短路功率：冲击电流：短路电流：

C K3点三相短路电流计算 最大运行方式

MVA

MVA S X S kA

kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 7.841002/)7.01.1(28.01

*188.1125.655.255.266.4499.52

/)7.01.1(28.01*111=?++===?=''==?++==

''短路功率：冲击电流：短路电流： 正常工作时运行方式下：

MVA

MVA S X S kA

kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 3.831002/)7.01.1(30.01

*168.1111.655.255.258.4499.52

/)7.01.1(30.01

*111=?++===?=''==?++==''短路功率：冲击电流：短路电流： 最小运行方式下：

MVA

MVA S X S kA

kA I i kA kA I X I d k k sh dI k 801002/)7.01.1(35.01

*122.1179.555.255.240.4499.52

/)7.01.1(35.01

*111=?++===?=''==?++==

''短路功率：冲击电流：短路电流： 停运一台变压器时最大运行方式下的短路电流如下表二所示：

表二：

由以上数据可以得出最大运行方式下的短路电流，如下表三所示：

表三：

3、热稳定计算的等效时间

热稳定计算的等效时间等于三部分等效时间之和，即继电保护动作时间＋继电

器固有分闸时间＋断路器灭弧时间。系统中各处的热稳定计算的等效时间计算如下：

10kV出线：0.5S＋0.2S＋0.05S＝0.75S

10kV母联：1S＋0.2S＋0.05S＝1.25S

主变10kV侧：1.5S＋0.2S＋0.05S＝1.75S

35kV出线：1.0S＋0.15S＋0.05S＝1.20S

35kV母联：1.5S＋0.15S＋0.05S＝1.70S

主变35kV侧：2.5S＋0.15S＋0.05S＝2.70S

110kV出线：2S＋0.1S＋0.05S＝2.15S

主变110kV侧：2S＋0.1S＋0.05S＝2.15S

110kV进线：3S＋0.1S＋0.05S＝3.15S

结果统计见表二。

表二：热稳定等效时间（S）如表四所示

4、回路的工作电流计算： 主变压器110KV 侧：A KV kVA I 1.5511031000005.11=??

=

主变压器35KV 侧：A KV kVA I 5.1575.3831000005.12=??=

主变压器10KV 侧：A KV

kVA I 6.275113500005.13=??=

110KV 进线：()A KV

kVA I 7.328110395.0/15008500041000034=??+?+?=

110KV 出线：A KV kVA I 4.521103100005=?=

35KV 出线：A KV

kVA I 5.8235350006=?=

10KV 出线：A KV

kW I 2.911095.0315007=??=

10kV 母线分段开关按10kV 侧的总负荷的60%计算，分段开关流过的电

流：

A

KV

KVW I 5.473%601095.03150088=????=

35kV 母线分段开关按35kV 侧的总负荷的60%计算，分段开关流过的电

流：A

KV

KVA I 9.197%60353500049=???=

110KV 母线分段开关按总负荷和穿越功率和的60%，分段开关流过的电流：

A

KV

KVA

I 2.197%60110395.0/150085000410000310=???+?+?=

四、设备选择：

1、开关电器的选择：

（选择条件来源参见各短路点计算）

高压断路器是变电站的重要设备之一。正常情况下，断路器用来开断和关合电

路；故障时通过继电保护动作来断开故障电路，以保证电力系统安全运行；同时，

断路器又能完成自动重合闸任务，以提高供电可靠性。

为此，对高压断路器要求：

⑴在正常情况下能开断和关合电路。能开断和关合负载电流，能开断和关合空

载长线路或电容器组等电容性负荷电流，以及能开断空载变压器或高压电动机等电

感性小负载电流。

⑵在电网发生故障时能将故障从电网上切除。

⑶尽可能缩短断路器故障切除时间，以减轻电力设备的损坏，提高电网稳定性。

⑷能配合自动重合闸装置进行单重、综重的动作。

电力系统应在有电压无负荷电流的情况下，应用隔离开关分、合闸电路，达到

安全隔离的目的，因此隔离开关是高压电器中应用最多的一种电器。在选用时应考

虑的主要因素有以下几点：

⑴隔离开关一般不需要专门的灭弧装置。

⑵隔离开关在分闸状态下应有足够大的断口，同时不论隔离开关高压线端电压

是否正常，均要满足安全隔离的目的。

⑶隔离开关在合闸状态时应能耐受负荷电流和短路电流。

⑷在使用环境方面，户外隔离开关应能耐受大气污染并应考虑温度突变、雨、

雾、覆冰等因素的影响。

⑸在机械结构上，需考虑机械应力、风力、地震力与操作力的联合作用，其中

包括隔离开关高压接线端在三个方面耐受有机械力，以及支持绝缘子的机械强度要

求。此外，对垂直伸缩式隔离开关，还需考虑静触头接触范围的要求。

⑹隔离开关应具备手动、电动操动机构，信号及位置指示器与闭锁装置等附属

装置。

⑺隔离开关亦应配备接地刀闸，以保证线路或其他电气设备检修时的安全。

⑻应考虑配电装置尺寸的要求及引线位置与形式来选用合适的隔离开关。

（1）变压器110KV侧断路器和隔离开关：

1. 设备选型。根据设备参数列表，拟选用SW3-110G/1200型断路器，GW4-110/600型隔离开关。该两种型号的断路器和隔离开关的额定电流电压均可以满足要求。

2.校核动稳定性。断路器：i max=41kA>i sh=4.564kA

隔离开关：i max=50kA>i sh=4.564kA

3.校核热稳定性。断路器：I t2×T=15.82×4KA2*S>I t"2×T eq=1.7932×2.15KA2*S

隔离开关：I t2×T=142×5KA2*S >I t"2×T eq=1.7932×2.15KA2*S

4.校核开断能力。I Br=1

5.8KA>1.793KA

有关参数如表五、六所示：

表五：断路器：SW3-110G/1200

4

其他参数如下所示：

（2）110kV进线断路器和隔离开关：设备选择如表七，表八

表七断路器：SW3-110G/1200

4

（3）110kV出线断路器和隔离开关：设备选择如表九，表十

表九断路器：SW3-110G/1200

表十隔离开关：GW4-110/600

（4）110kV母线断路器和隔离开关：设备选择如表十一，表十二

4

（5）主变压器35kV侧断路器和隔离开关：设备选择如表十三，表十四

3

表十四隔离开关：GW2-35/600

（6）35KV出线断路器和隔离开关：设备选择如表十五，表十六

3

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