110KV变电所系统设计.docx
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110KV变电所系统设计
第1章设计内容与任务
1.1原始资料
1.1.1课题名称:
110KV变电所系统设计
1.1.2建设性质及规模
待设计的变电所是按系统规划,为满足该地区工厂、农村供电的负荷需要而建设的终端变电所。
电压等级:
110/35/10KV;
进出线路回数:
110KV,2回;35KV,4回;10KV,12回;
1.1.3电力系统与本变电所的连接情况
本变电所距离110KV系统变电所(可视为大容量系统)60Km,正常运行时由110KV系统变电所向待设计变电所供电;本地区有一总装机容量12MW的35KV出线的火电厂一座,距本变电所12Km。
1.1.4负荷资料
35KV侧负荷:
近期负荷如下表,预计远期新增负荷6MW。
表1.135KV侧近期负荷资料
序号
用户名称
用户类别
最大负荷(MWA)
1
冶炼厂
I
5.5
2
河西边
II
15.5
10KV侧负荷:
近期负荷如下表,预计远期新增负荷5MW。
表1.210KV侧近期负荷资料
序号
用户名称
用户类别
最大负荷
备注
1
机械厂
III
1.3
2
医院
I
0.5
有备用电源
3
河东变
III
2.5
4
铁路用电
I
0.9
有备用电源
5
化工厂
II
2.0
6
电机厂
II
1.0
7
水泥厂
III
1.0
8
印染厂
III
1.2
9
农用电
III
0.5
1.35KV及10KV负荷功率因数均取0.85;
2.负荷同时率:
35KV,Kt=0.9;10KV,Kt=0.85;
3.年最大负荷利用小时数均取3500h;
4.网损率取A%=5%~8%;
5.变电所站用电计算负荷50KW,功率因数取0.87;
1.1.5气象条件
本变电所选址在市区的近郊边缘,年最低温度零下5摄氏度,年最高温度40摄氏度,年最日平均温度32摄氏度,地震裂度6度以下;
1.2设计任务
1.负荷计算与主变压器的选择;
2.变电所电气主接线设计;
3.短路电流的计算与电气设备的选择;
4.厂区高压配电系统设计;
5.改善功率因数装置设计;
6.继电保护装置的设计;
1.3设计成果
1.设计说明书一份,其中包括设计的原始资料,完成设计内容时所依据的原则,计算步骤及举例。
计算结果列表说明,以及插图等。
说明书要求简明扼要,整洁美观;
2.变电所电气主接线单线图;
第2章电气主接线设计
2.1电气主接线的设计
根据设计任务书的要求,在对原始资料进行详细分析的基础上,根据对电源和各电压侧出线回路数、电压等级以及母线结构等不同的考虑,对各电压等级拟定出若干个主接线方案(本期和远期)。
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,最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。
2.1.1110KV侧主接线的设计
110KV侧是本次待设计变电所的最高等级,直接与110KV系统供电电源相连接,一旦出现故障或检修而出现停电情况,将会影响下一级电压等级供电。
供电可靠是变电所的首要任务,而在出现故障、检修时也不能影响变电所的连续供电。
110KV侧主接线最终确定为采用双母线带旁路母线的接线。
采用此接线形式的优点是:
1.检修任一组母线时,可不中断供电;2.检修任一母线隔离开关时,只需停运该回路;3.母线发生故障后,能迅速恢复供电;4.运行方式灵活,扩建方便,且扩建施工时不需停电。
缺点是:
接线较复杂,容易发生误操作事故,占地面积大,投资大。
图2.1双母线带旁路母线接线
2.1.235KV侧主接线的设计
根据原始资料,在35KV等级的中压侧有属于I类的重要用户,所以不能出现在母线检修或故障的停电现象,这将对重要用户造成极大的影响。
又该地区有一总装机容量12MW的火电厂一座。
35KV侧主接线最终确定为单母线分段带旁路母线的接线。
采用此接线形式的优点是:
检修任一进出线断路器时,不中断对该回路的供电,和单母线分段接线方式相比,可靠性提高,灵活性增加。
缺点是:
增设旁路母线后,配电装置占地面积增大,增加了断路器和隔离开关的数目,接线复杂,投资增大。
图2.2单母线分段带旁路母线接线
2.1.310KV侧主接线的设计
根据原始资料,10KV等级低压侧主要向该地区的工业企业、居民生活、医院、铁路、农业用电等供电。
其中I类用户占13%,II类用户占28%,I类和II类用电占41%,所以最终确定10KV侧主接线方案时,保证供电的可靠性,即使在检修时也不能出现长时间的停电现象,和为以后远期负荷增加扩建提供方便。
10KV侧主接线最终确定为单母线分段带旁路母线的接线。
采用此接线的优点是:
可靠性高,灵活性强,在检修或出现故障是也不会出现长时间的停电现象。
缺点是:
设置旁路母线的同时,也造成了设备投资增加,配电装置结构及运行操作复杂等问题。
图2.3单母线分段带旁路母线接线图
第3章主变压器的选择
3.1变电所的负荷计算
(1)10KV侧计算负荷:
P总=1.3+0.5+2.5+0.9+2.0+1.0+1.0+1.2+0.5=10.9MW
则10KV侧有功功率为:
P10=P总*Kt10*(1+A%)=10.9*0.85*(1+0.05)+5+0.06=14.789MW
Kt10,为10KV侧负荷同时率;
故10KV侧视在功率为:
S10=P10/cosφ=9.789/0.85=11.517MVA
(2)35KV侧计算负荷:
P总=5.5+15.5=21MW
则35KV侧有功功率为:
P35=P总*Kt35*(1+A%)=21*0.9*(1+0.05)+6=25.845MW
注:
Kt35,35KV侧负荷同时率;A%为网损率,取A%=5%;
故35KV侧视在功率为:
S35=P35/cosφ=19.845/0.85=23.347MVA
(3)110KV侧计算负荷:
P总=P10+P35=14.789+25.845=40.634MW
P110=P总*(1+A%)=40.634*1.05=42.666MW
S110=P110/cosφ=42.666/0.85=50.195MVA
由以上计算得待设计变电所的视在功率为:
S总=50.195MVA
总的有功功率为:
P总=42.666MW
3.2变电所的无功补偿
无功补偿目的是由于系统功率因数低,降低了发电机和变压器的出力,增加的输电线路的损耗和电压的损失。
电力系统要求用户的功率因数不能低于0.9,因此,必须采取措施提高系统的功率因数。
目前,提高功率因数的的常用的办法是提高自然功率因数,采用无功补偿装置提高功率因数。
对10KV侧采用对变电所内集中补偿,取补偿后的COSφ=0.9,因此有:
Q10=∑P10(tgarccos0.85-taarccos0.9)=2554.38kvar
选用Y型接线,选择补偿电容器的型号为BGF11/
-100-1
表3.1电容器技术参数
型号
额定电压KV
额定容量Kvar
BGF11/
-100-1
11/
100
因为10KV母线采用单母线分段接线,Q10平均分两组,即每段母线每相并联5只电容器。
3.3主变压器的选择
3.3.1主变压器台数的确定
本次设计的变电所是终端变电所,电压等级110KV/35KV/10KV,在35KV侧和10KV侧均有属于I、II类的重要用户,为了防止在出现故障或检修时中断对重要用户的供电,提高对供电的可靠性,灵活以后远期负荷增加扩建。
因此,确定在本次设计中装设2台相同容量的主变压器。
3.3.2主变压器容量的确定
变电所主变压器的容量一般按变电所建成后5~10年的规划负荷来进行选择,并适当考虑远期10~20年的负荷发展。
根据该变电所所带负荷的性质和电力系统结构来确定变电所的主变压器的容量。
对于有重要负荷的变电所,应按照其中一台停用时,另一台变压器能满足变电所最大综合计算负荷Smax的60%,以及满足全部I类负荷SI和II类负荷SII的供电要求,即
SN=Smax*60%=50.195*60%=30.117(MVA)
I、II类总负荷为:
5.5+15.5+0.5+0.9+2.0+1.0=25.4(MVA)
所以主变压器的容量至少为30.117MVA。
3.3.3主变压器型号的确定
(1)主变压器相数的确定
主变压器有分单相变压器组和三相变压器组。
在330kv及以下的发电厂和变电所中,一般选择三相变压器。
由于单相变压器组由三个单相的变压器组成,占地多、造价高、运行维护费用高。
只有受变压器的制造和运输条件的限制时,才考虑采用单相变压器组,因此在本次设计中采用三相变压器组。
(2)主变压器绕组数的确定
当有三种电压的变电所,可以采用双绕组变压器或三绕组变压器。
因为2台双绕组变压器才能起到联系三种电压等级的作用,而1台三绕组变压器的价格、所用的控制电器及辅助设备比2台双绕组变压器少,运行维护也较方便。
由于待建变电所有三种电压等级,且是一座降压变电所,宜采用三绕组变压器。
(3)主变压器绕组接线组别的确定
主变压器的绕组连接方式必须使得变压器的线电压与系统线电压相位一致,否则不能并列运行。
电力系统主变压器采用的绕组连接方式有星形和三角形两种。
我国电力变压器的三相绕组所采用的连接方式为:
110KV及以上电压侧均为“YN”,即有中性点不接地或经消弧线圈接地;35KV作为中压侧时采用“Y”,其中性点不接地或经消弧线圈接地;10KV电压侧一般为“D”,也有“Y”方式。
变压器绕组接线组别,一般考虑系统或机组同步并列要求,为了限制3次谐波对电源的影响,因此决定本变电所采用YNy0d11的变压器连接方式。
(4)主变压器调压方式的确定
为了确保变电所供电量的可靠性,供电电压必须维持在允许范围内,通过变压器的分接头开关切换,改变变压器高压侧绕组匝数,从而改变主变压器的变比,实现电压调整。
切换的方式有两种:
无励磁调压变压器的分接头较少,调压范围只有10%(±2*2.5%),且分接头必须在停电的情况下才能调节;另一种是有载调压,变压器分接头较多,调压范围可达30%,且分接头可在带负荷的情况下调节。
考虑到待设计的变电所的负荷属于I、II类重要负荷占的比重较大,为了确保供电的可靠,有较大的调整范围,确定采用有载调压方式。
(5)主变压器冷却方式的确定
电力变压器的冷却方式,随其型式和容量不同而异,有以下几种类型:
①自然风冷却;②强迫空气冷却,简称风冷却;③强迫油循环风冷却;④强迫油循环水冷却;⑤强迫油循环导向冷却;⑥水内冷;
考虑到冷却系统的供电可靠性,及减少维护的工作量,确定自然风冷却为本变电所主变压器的冷却方式。
(6)主变压器中性点接地
电网的中性点接地方式,决定了主变压器的接地方式。
110KV侧采用中性点直接接地或经小阻抗接地;35KV侧采用中性点不接地;10KV侧采用中性点不接地。
(7)普通型和自耦型的选择
自耦型变压器的特点是,其中两个绕组除有电磁联系外,在电路上也有联系。
由于自耦型变压器的结构简单、经济,在110KV及以上中性点直接接地系统中,应用非常广泛。
因此,综合考虑选用自耦型变压器。
3.3.4主变压器的确定
根据以上计算和分析结果,选择的主变压器型号为:
SFSZ7—31500/110。
表3.2主变压器技术参数
型
号
额
定
容
量
(KVA)
额定电压
(KV)
损耗
(KW)
阻
抗
电
压
(%)
空
载
电
流(%)
连
接
组
别
高压
中压
低压
空载
短路
SFSZ7-31500/110
31500
110
35
10.5
8.2
41
1
3.4变电所自用电变压器
本待设计变电所自用电电源的引线方式为由变电所低压母线上引接,在母线上引接1到2个自用电源,这样的用电引接方式,具有经济性和可靠性较高的特点。
而如果在不同的电压等级的母线上分别引接两个自用电源,则更保证变电所自用电的不间断供电。
因为有旁路母线,可将一台自用变压器通过旁路隔离开关接到旁路母线上,正常运行时,由工作母线供电。
在工作母线检修或进行试验时,则倒换到旁路母线上供电。
变电所自用电的接线形式,低压侧多采用单母线接线形式,当有两台自用变压器时,采用单母线分段接线方式,平时分列运行,以限制故障范围,提高供电可靠性。
变电所自用电视在功率为:
S自=0.05/0.87=57(KVA)
考虑到远期负荷的增加,变电所自用电变压器10KV侧选择两台S9—80/10型号变压器。
额定容量:
80KVA
连接组别号:
Yyn0
调压范围为:
高压±5%
阻抗电压:
4%
第4章短路电流的计算
4.1短路电流计算的目的
(1)选择变电所的导体和电气设备;
(2)电力系统接线和变电所电气主接线的比较及选择;
(3)选择主变压器、母线、各输电线路的继电保护装置及整定计算;
(4)验算变电所接地装置的接触电压和跨步电压;
(5)为确定输送电力线路对附近通信线路的电磁危险影响提供计算资料;
4.2短路电流的计算
4.2.1基准值的选定
1.取基准容量Sb=100MV•A;
2.取各级电压的基准电压Ub=115KV,37KV,10.5KV;
3.短路点的选择:
为了方便选择电气设备及校验,选择最大短路电流点在各级电压母线上。
4.2.2网络参数标幺值的计算
图4.1等值网络图
1.由原始资料可知,110KV无限大供电系统距离本变电所60Km;装机容量12MW的35KV出现的火电厂,距离本变电所12Km;
X1*=X2*=X*(Sb/Uav2)=0.4*60*(100/1152)=0.182
X9*=X10*=X*(Sb/Uav2)=0.4*12*(100/352)=0.392
由主变压器的技术数据,可计算出主变压器的电抗标幺值:
110KV侧
X3*=X4*=1/200*(Uk12%+Uk13%-Uk23%)*Sb/SN
=1/200*(10.5+17.5-6.5)*100/31.5
=0.342
35KV侧
X5*=X6*=1/200(Uk12%+Uk23%-Uk13%)*Sb/SN
=1/200*(10.5+6.5-17.5)*100/31.5
=-0.008
10KV侧
X7*=X8*=1/200*(Uk23%+Uk13%-Uk12%)*Sb/SN
=1/200*(6.5+17.5-10.5)*100/31.5
=0.214
4.2.3最大运行方式下的三相短路电流计算
1.K1点短路时
根据图,得到K1点的总电抗为
X∑*=1/2X1*=0.182*1/2=0.091
短路电流标幺值
Ik*=1/X∑*=1/0.091=10.989KA
短路电流有名值
Ik=Ik**Sb/
Ub=10.989*100/
*115=5.517KA
稳态电流有效值
Is”=Is=Ik=5.517KA
短路电流冲击值
ish=2.55Ik=2.55*5.517=14.068KA
短路电流有效值
Ish=1.51Ik=1.51*5.517=8.331KA
110KV侧母线的短路容量
Sk=
UbIk=
*115*5.517=1098.876MVA
2.K2点短路时
根据图,得到K2点的总电抗为
X∑*=1/2(X1*+X3*+X5**X9*/X5*+X9*)=1/2*(0.182+0.342-0.008)=0.266
短路电流标幺值
Ik*=1/X∑*=1/0.266=3.759KA
短路电流有名值
Ik=Ik**Sb/
Ub=3.759*100/
*37=5.866KA
稳态电流有效值
Is”=Is=Ik=5.866KA
短路电流冲击值
ish=2.55Ik=2.55*5.866=14.958KA
短路电流有效值
Ish=1.51Ik=1.51*5.866=8.858
35KV侧母线的短路容量
Sk=
UbIk=
*37*5.866=375.917MVA
3.K3点短路时
根据图得到K3点的总电抗为
X∑*=1/2(X1*+X3*+X7*)=1/2(0.182+0.342+0.214)=0.369
短路电流标幺值
Ik*=1/X∑*=1/0.369=2.71KA
短路电流有名值
Ik=Ik**Sb/
Ub=2.71*100/
*10.5=14.902KA
稳态电流有效值
Is”=Is=Ik=14.902KA
短路电流冲击值
ish=2.55Ik=2.55*14.902=38.000KA
短路电流有效值
Ish=1.51Ik=1.51*14.902=22.502KA
10KV侧母线的短路容量
Sk=
UbIk=
*10.5*14.902=271.008MVA
4.2.4最小运行方式下的三相短路电流计算
1.K1点短路时
总电抗
X∑*=X1*=0.182
短路电流标幺值
Ik*=1/X∑*=1/0.182=5.495KA
短路电流有名值
Ik=Ik**Sb/
Ub=5.495*100/
*115=2.759KA
稳态电流有效值
Is”=Is=Ik=2.759KA
短路电流冲击值
ish=2.55Ik=2.55*2.759=7.036KA
短路电流的有效值
Ish=1.51Ik=1.51*2.759=4.166KA
110KV侧母线的短路容量
Sk=
UbIk=
*115*2.759=549.538MVA
2.K2点短路时
总电抗
X∑*=X1*+X3*+X5**X9*/X5*+X9*=0.182+0.342-0.008=0.516
短路电流标幺值
Ik*=1/X∑*=1/0.516=1.938KA
短路电流有名值
Ik=Ik**Sb/
Ub=1.938*100/
*37=3.024KA
稳态电流有效值
Is”=Is=Ik=3.024KA
短路电流冲击值
ish=2.55Ik=2.55*3.024=7.711KA
短路电流有效值
Ish=1.51Ik=1.51*3.024=4.566KA
35KV侧短路容量
Sk=
UbIk=
*37*3.024=193.790MVA
3.K3短路时
总电抗
X∑*=X1*+X3*+X7*=0.182+0.342+0.214=0.738
短路电流标幺值
Ik*=1/X∑*=1/0.738=1.355KA
短路电流有名值
Ik=Ik**Sb/
Ub=1.355*100/
*10.5=7.451KA
稳态电流有效值
Is”=Is=Ik=7.451KA
短路电流冲击值
ish=2.55Ik=2.55*7.451=19.000KA
短路电流有效值
Ish=1.51Ik=1.51*7.451=11.251
10KV侧母线的短路容量
Sk=
UbIk=
*10.5*7.451=135.503MVA
表4.1三相对称短路电流计算结果汇总
短路点
短路电流周期分量有效值(KA)
稳态短路电流有效值(KA)
短路电流冲击值(KA)
短路电流最大有效值(KA)
短路容量(MVA)
K1
最大运行
5.517
5.517
14.068
8.331
1098.876
最小运行
2.759
2.759
7.036
4.166
549.538
K2
最大运行
5.866
5.866
14.958
8.858
375.917
最小运行
3.024
3.024
7.711
4.566
193.790
K3
最大运行
14.902
14.902
38.000
22.502
271.008
最小运行
7.451
7.451
19.000
11.251
135.503
第5章电气设备的选择
5.1导体的选择和校验
5.1.1110KV母线的选择及校验
根据设计要求及相关资料可知110KV及以上的配电装置在户外,所以不宜采用硬导体。
因此110KV母线采用钢芯铝绞线LGJ软母线,按最大工作电流选择导线截面S:
Imax=1.05In=1.05*46.77/1.732*115=246(A)
由原始资料知该地区年最高温度40摄氏度,年最高日平均32摄氏度,即
K=
=0.84则Iy=Imax/K=246/0.84=292.86(A)
110KV最大负荷利用小时为3500h,由相关资料查的钢芯铝绞线的经济电流密度为:
J=1.38A/mm2,则经济截面为:
S=Imax/J=178.261mm2;
热校验:
S>
=51.9mm2;满足要求。
因此,110KV侧母线选择LGJ—120型钢芯铝绞线。
5.1.235KV母线的选择及校验
根据设计要求及有关规定一般选矩形铝母线的连接线,按最大负荷利用小时数3500h,得经济电流密度J=1.38A/mm2;
按最大工作电流选择导线截面S:
Imax=1.05*30.018/1.732*37=492(A)
Ial=Imax/K=492/0.84=585.72(A)
Imax S=492/1.38=356.52mm2;热校验S> =32.6mm2,满足热稳定要求。 母线采取水平排列平放,取L=1M,a=0.7M,Ish=21.1A σmax=1.73*Ish2*β12/aw*10-8=57*105pa 上式中,即震动系数β取1,W为截面系数,W=0.167bh2b=5h=50 查有关资料得硬铝线的最大应力σy=69*106pa,即σmax<σy故满足动稳定要求。 因此,35KV母线选用100*8单条矩形铝线平放。 5.1.310KV侧母线的选择及校验 根据设计要求,本变电所10KV的最终回路较多,因此10KV母线应选硬导体为宜,其截面应按最大持续工作电流选择。 Imax=1.05*16.695/1.732*10.5=963.92(A) Ial=963.92/0.84=1147.52(A) Imax 取L=1M,a=0.25M,ish=57.66KA,则作用在母线上的最大计算应力按公式: Σmax=1.73*ish2*β12/aw*10-8=9.202*106pa 上式中β=1,即震动系数取1;W为截面系数,W=0.167bh2b=10mmh=125mm 查有关资料得,硬铝线的最大应力σy=69*106pa 即: σmax<σy故满足动稳定要求。 截面S=Imax/J=698.49mm2S> =78.99mm2 因此,10KV母线选用100*8双条矩形铝母线平放。 5.2断路器和隔离开关的选择 5.2.1110KV侧 110KV侧断路器选择型号为: SW6-110,技术参数如表5.1所示。 表5.1断路器技术参数 型号 额定电压(KV) 最高工作电压(KV) 额定电流(A) 额定短路开断电流(KA) 额定关合电流(KA) 4s热稳定电流(KA) 合闸时间(s) 分闸时间(s) SW6-110 110 126 1250 31.5 80 31.5 0.2 0.05
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- 110 KV 变电所 系统 设计
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