浅谈110KV变电站的设计Word格式.docx
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(1)需重视电力系统中变电站发挥的作用
主接线的设计取决于电力系统当中,变电站所发挥的重要作用[2]。
无论企业或分支变电所、地区或终端变电所,因其在电力系统中所发挥的作用大相径庭,故而使得各种不同类型的变电站对主接线在性能、经济性等方面的要求也存在明显差异性。
(2)需兼顾变电站短期与长期发展规模
在设计变电站主接线部分时,需要考虑电力系统5年至10年的发展规划要求。
应当以负荷的具体分布及大小,本地区网络实际情、负荷增速等为主要设计依据,并对变电站所有运行方式进行分析,从而对主接线形式、主接线连接的电源及出线回数进行统一明确。
(3)需重视负荷以及主接线所受分级、出线回数的影响程度
针对一级负荷,应具备两个供电电源,且二者均具有较高独立性。
当其中一个电源无法正常供电时,所有一级负荷供电仍然保持正常。
针对二级负荷,应具备两个供电电源,建议二者具有良好独立性。
即当其中一个电源无法正常供电时,绝大多数二级负荷供电可不受影响。
针对三级负荷,通常保障有一个供电电源即可。
(4)需重视主接线受主变台数的影响程度
变电站在选择主接线时,应当对其主变容量、台数予以高度重视[3]。
由于大型变电所通常传输容量巨大,要求供电具有较高的安全可靠性,故而其也大多要求主接线需要具备较高的安全可靠性和灵活性。
对于小型变电所,考虑其传输容量通常并不大,因此其对于主接线的灵活性和安全可靠性的要求也相对较低。
(5)需重视主接线受到备用容量的影响程度
发、送、变的备用容量以确保供电具有较高安全可靠性为主要目标。
且当负荷在短时间内大幅增长或是遇到设备检查维修等特殊情况导致无法正常运行时,需要依照是否具有发、送、变的备用容量及其具体大小,合理选择相适宜的主接线形式,保障正常、稳定供电。
例如在检修断路器或是母线的情况下,将根据是否具有备用容量及其具体大小,对允许线路和变压器停止运行与否进行准确判定,从而导致主接线形式发生变化。
1.2基本要求
电力系统运行的安全可靠性在很大程度上受到主接线设计是否合理、是否灵活等因素的影响,与此同时主接线设计的合理与灵活性,同样也会对配电装置和自动控制装置、电器选择等产生直接的影响作用[4]。
依照国家对电力工程电气设计中的电气一次部分设计提出的相关规定要求,在设计变电站主接线时,必须对电力系统中变电站所发挥的作用、变电站的具体规划容量等条件进行逐一明确。
在维护供电安全可靠的前提下,兼顾电力系统运行的灵活性以及运维检修的便捷性、主接线设计的经济实用性。
对主接线设计的基本要求如下:
1.2.1可靠性
主接线设计要求具有较高安全可靠性,即实现对用户的24小时高质量供电。
运行实践是检验主接线设计可靠性的一大重要标准,对于以往使用的所有主接线,应当优先选择使用在长时间运行实践下,仍然具备良好运行性能和较高可靠性的[5]。
而主接线当中所有组成元件在运行过程中所表现出的安全可靠性,则共同构成了主接线设计自身的可靠性。
另外,主接线设计的可靠性具有一定相对性,即在某些变电站当中表现出具有较高可靠性的主接线,在其他变电站当中可能并不可靠。
评价主接线方式可靠的标志是:
(1)在线路与母线因检修等原因导致其无法正常运行而出现停电现象时,停电的具体时长及其覆盖范围,及能否令一类和二类负荷实现正常供电。
(2)在线路与母线或是断路器等无法正常运行,而导致线路停运时,所受影响的具体线路回数和停运时长,及重要用户供电所受影响。
(3)变电所全部停电的可能性。
(4)在出现突发情况使得大型机组无法正常运行时,能否令电力系统维持安全稳定运行。
1.2.2灵活性
无论变电站处于何种运行状态,电气主接线均可以快速适应并且灵活转换运行方式的能力即为灵活性。
具体如下:
(1)操作便捷:
在具有较高安全可靠性的基础上,电气主接线应避免接线复杂、操作困难。
接线步骤最少化、简单化,方便运行人员熟练操作并将其高效、灵活地运用至实际操作中。
(2)调度自由:
在正常运行的前提下,电气主接线应当能够随时根据调度要求,自如转换运行方式。
尤其是在出现突发情况、安全事故等情况时,可以第一时间将故障彻底切除,将停电时间和停电范围最小化,避免影响大量用电用户的正常供电,将停电对电力系统安稳运行造成的不良影响降至最低。
(3)扩建方便:
在变电站主接线设计时还需兼顾短期和中长期改扩建的可能性,增强主接线设计灵活性以便于日后接线的改扩建。
例如火电厂中的主接线设计,需要从接线初期阶段直至其未来有可能出现的分段施工、接线扩建等方案,在尽量维护供电正常稳定的情况下,使得现有主接线设计能够顺利实现向日后接线改扩建设计方案实施的过度,避免日后出现大量改造工程而增加成本及实际工程量。
1.2.3经济性
主接线设计在保障安全可靠和自由灵活的基础上,同样需要节约成本、提升效率,具备良好的经济实用性[7]。
经济性主要从以下几个方面考虑:
(1)节省一次投资。
主接线需简洁明了,并根据实际情况采取相应措施对短路电流进行有效限制,避免出现过度使用开关电器的情况。
同时应尽可能采用性价比较高的电器,以有效控制投资成本。
(2)占地面积少。
主接线设计需与配电装置布设要求相吻合,避免占用大量土地面积。
在安装和搬迁等环节中,也需对其产生的相关费用进行有效控制。
对于容量较大的变电站、发电厂等,在条件允许的情况下,建议采用一次设计形式,并分期完成投资建设工作,由此实现变电站设计经济效益的最大化。
(3)电能损耗少。
对于变电站或发电厂而言,通常变压器会产生大量电能损耗。
因此在主接线设计中需要设计人员,充分结合实际情况,合理选择价格适宜、性能良好的变压器形式,并对其容量与台数进行相应明确,从源头上防止出现两次变压而产生大量电能损耗。
2短路电流计算
通常电力系统中的短路形式主要包括单相、两相与三相短路,其中单相和两相短路中还涉及单相与两相接地短路。
在实际计算短路电流时,其计算依据大多选取严重程度最高的短路形式。
为此,本文将以三相短路为例进行短路电流计算。
当供电系统中出现短路故障时,对于此时出现的短路回路,其电流远远大于额定电流,一般短路电流可以达到数千安。
瞬时经过电气设备和导线的短路电流将会产生巨大电动力,受这一电动力的影响,设备及电缆极有可能出现温升过快、过高的情况,最终出现烧损现象。
短路点周围电压则会快速降低,由此导致该区域供电或电动机无法正常运行。
在接地短路产生时,还会有非对称短路电流出现并严重干扰通信线路。
2.1计算的目的
在短路电流过大的情况下,需要采取有效的限流措施,同时整定计算继电保护装置,从而达到避免影响电力系统正常运行的目的。
为此,准确计算各短路参数尤为重要。
短路电流计算中的主要参数如下:
次暂态短路电流即I″,其不仅用于继电保护整定计算,同时也是断路器额定断流容量进行校验时的重要参数之一。
在实际对保护装置整定值进行计算时,需要在电力系统处于最大运行方式的前提下,采用安装继电保护位置处,在出现短路时产生的次暂态短路电流。
三相短路冲击电流和有效值即Isk与I,用来分别用于对电器、母线动稳定和热稳定进行检验。
次暂态三相短路容量即S″,是限流电抗器选型的重要参考依据,主要用于对断路器进行遮断容量的准确检验,并对母线短路容量在规定值内与否进行精准判定。
2.2计算的规定
为使得短路电流具有较高计算精度,且计算简单、方便快捷,在不考虑次要因素影响的情况下,需严格遵循如下规定:
(1)全部电源电动势相位角、电流频率均需保持高度一致。
在尚未出现短路时,电力系统电势与电流具有良好对称性。
(2)将变压器设定成理想状态下的变压器,即其铁心状态一直为不饱和,无论电流如何变化,电抗值始终不受影响。
(3)忽略输电线路分布电容。
(4)除电抗器外,每一个电压级采用平均电压,这个规定在计算短路电流时,所造成的误差很小。
(5)在高压系统短路电流的计算过程中,计算的电器元件电抗仅为发电机与变压器以及电抗器等。
因为这些元件在时,可以略去电阻的影响。
一旦短路点总电阻比1/3的总电阻要大时,电抗计算即为其阻抗。
(6)短路点临近同步调相机与电动机时,需对短路电流值产生的影响作用予以充分考虑。
对于容量较大的电动机,当其在母线周围运行时,如果母线出现三相短路,短路点电压将会骤降。
此时电动机和发电机保持相同运行状态,电动机反电势将明显比母线上的电压要高[11]。
(7)在对系统阻抗进行简化的过程中,无论电源与短路点距离近远均不允许电源合并
(8)当电抗标幺值在以供电电源为基准的情况下,仍然。
此时电源容量等同于无限大容量的系统,在整个短路过程中,短路电流周期分量为固定值。
2.3计算的步骤
在变电站设计当中对短路电流进行计算时,可采用的计算方法多种多样,但其中计算精度较高且计算相对简便的一种方法即为计算曲线法。
本文将以该种计算方法为例,对短路电流进行准确计算。
其具体计算步骤如下:
(1)先对各元件电抗标的幺值进行准确计算,随后折算至同一基准容量下;
(2)绘制等值网络,进行网络变换;
(3)选择短路点;
(4)化简网络,此时将供电系统视作无限大系统。
忽略短路电流周期分量的衰减,计算电流对短路点的电抗标幺值,将其代入至相应公式并对短路电流标幺值和有名值进行计算;
(5)计算短路容量,短路电流冲击值:
短路容量:
(4.1)
短路电流冲击值:
(4.2)
(6)列出短路电流计算结果。
具体短路电流计算详见计算说明书。
2.4计算的方法
在电力系统中,常见的短路类型及其计算方法为:
(1)三相短路电流的计算:
(4.3)
其有名值为:
(4.4)
在上述公式当中,
与
分别代表着电力系统中有三相短路出现时,短路点短路电流标幺值及其有名值。
则归算到短路点的综合正序等值电抗。
以下为简便起见,省略下标*。
两相短路电流的计算:
(4.5)
归算到短路点的负序综合电抗,
代表着两相短路时短路点的全电流,其各序分量电流值为:
(4.6)
依次代表着两相短路时,短路点的短路电流正序和负序分量。
(3)两相接地短路电流计算:
(4.7)
为两相短路接地时,短路点故障相全电流。
为两相短路接地时,短路点的正序电流分量。
(4.8)
(4.9)
(4.10)
依次代表着两相接地短路时,短路点的负序电流分量与零序电流分量。
3高压电器的选择
3.1高压断路器的选择
在高压回路当中,高压断路器作为其中的关键电气设备之一,承担着保护和控制的重要作用。
此次在变电站设计中,进行高压断路器选型时,为避免出现大量不同类型的备用件,使得后续设备运维管理变得复杂困难,本文设计选用的高压断路器均为相同型号[12]。
选择断路器时应满足以下基本要求:
(1)合闸运行时的高压断路器具有较高稳定性和可靠性,属于良导体,可长期承受负荷电流从中通过。
(2)在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。
(3)断路能力强,分段时间较短。
(4)机械与电气寿命均相对较长。
高压断路器结构简单、轻巧灵便,易于安装维护。
另外,此次在110kv降压变电站设计中,在其110kV侧还设计采用具有良好灭弧能力与绝缘性,体型小巧、质量安全、性能可靠且无任何安全质量问题的六氟化硫断路器。
在10kV侧则设计采用具有小巧低噪、动作速度快、开距与燃弧时间均相对短、对开断容性负荷电流具有良好适应性等诸多优势特征的真空断路器。
3.2隔离开关的选择
作为一种重要的高压开关设备,隔离开关多负责对电源进行有效隔离并根据实际情况,配合完成倒闸操作。
选择隔离开关时应满足以下基本要求:
(1)隔离开关分开后,需有断开点,且标记明显。
便于工作人员对设备与电网隔离与否进行快速、准确判别。
(2)隔离开关断开点间不应相隔较近,即应当保持一定绝缘距离。
(3)隔离开关应需具备良好的热稳定性和动稳定性。
同时也应当具有较高机械强度与绝缘强度。
(4)隔离开关的结构简单,动作要可靠。
(6)如果隔离开关自带接地刀闸,均需按规定要求规范设置连锁机构。
3.3各级电压母线的选择
110kV母线一般采用软导体型式。
考虑到本文所设计的110kV降压变电站中设有诸多最终回路,因此经过综合考量,最终选择型号为LMY-125型,具有良好热稳定性的矩形铝导线作为10kV母线。
各级电压母线选择的基本要求如下:
(1)选择母线的材料,结构和排列方式;
(2)选择母线截面的大小;
(3)检验母线短路时的热稳定和动稳定;
(4)如果母线千伏数超过35kV,则需在当地天气晴朗,气象情况良好的情况下对其是否有电晕出现进行检验。
(5)所有重要母线和大电流母线,需严格按照相关要求对其自振频率进行规范、准确检验。
3.4电流互感器的选择
3.4.1一次回路电压的选择
为保障电压互感器始终可以实现安全稳定运行,按照相关设计要求,电压互感器一次绕组所接电网电压UMS应变动范围应当控制在(0.81~1.2)UN1以内,即:
(4.11)
3.4.2二次回路电压选择
按照国家对变电站设计提出的相关规定要求,对于中性点接地系统超过110kV的,二次回路电压应当设定在100V。
对于单个单相式互感器,其二次绕组电压为100V。
其他能够获取的相间电压接线方式,二次绕组电压统一设定为100/V;
对于不超过35kV的中性点不接地系统,其二次回路电压应设定在100/3V。
(1)容量和准确级选择
要求电压互感器,其额定二次容量应至少为该设备的二次负荷,即
。
其中二次负荷为:
=
(4.12)
在上述公式当中,各仪表用功和无功功率分别用
进行表示。
各仪表视在功率则用
进行表示,其功率因数则用
电压互感器的具体选择和校验过程见计算书。
3.5电压互感器的选择
在二次回路当中,承担电压源的测量与保护作用的就是电压互感器。
即令一次高压转变为二次侧低电压,电压互感器可对系统整体运行情况进行真实反映[13]。
在配置电压互感器时需遵循以下几点要求:
(1)主接线方式及其数量,对配置电压互感器有直接影响关系,要求所配置的电压互感器应当和自动装置以及保护周期等规定要求相符合。
当运行方式出现变化时,要求电压互感器可以发挥保护作用,避免装置出现失压情况,并在周期点两侧顺利完成电压提取工作。
(2)当一组主母线的电压等级介于6kV至220kV之间时,需将电压互感器加设在其三相上,同时根据各回出线外侧的电压互感器装设需要、实际装设情况,对是否需要将电压互感器装设在旁路上进行准确判定。
(3)如果需要对线路测是否存在电压进行监测,则需要将电压互感器规范装设在出线侧的一相上。
电压互感器的型式应按下列使用条件选择:
①准确度等级。
②继电保护及测量的要求。
③对于3~20kV屋内配电装置,需采用绝缘性能较高的电磁式电压互感器。
④如果配电装置超过110kV,在其容量、准确度等级均与规定要求相符合的情况下,建议选择使用电容式电压互感器。
3.6避雷器的选择
在电力系统当中,避雷器作为其中一项重要电气设备,主要用于对过电压进行有效限制。
其和被保护电气设备处于并联状态,一旦工作电压超出规定允许值,避雷器将会自动放电,从而对过电压进行相应限制,避免影响其他电气设备的正常运行。
在配置避雷器时需注意以下几点:
(1)除进出线外,避雷器需设置在各配电装置各组母线上。
(2)当旁路母线处于运行状态,被保护设备和避雷器之间如果电器距离与规定要求相符合,即可不设置避雷器。
否则应装设避雷器。
(3)如果变压器不足220kV,并且其与避雷器之间的电气距离过大,即超出规定允许值,则需要将一组避雷器装设在变压器周围。
(4)110~220kV线路侧一般不装设避雷器。
4配电装置
配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分[14]。
其主要配置要求如下:
4.1配电装置的基本要求
(1)保证运行安全可靠;
(2)便于操作、巡视和检修;
(3)保证工作人员的安全;
(4)力求提高经济性;
(5)具有扩建的可能性。
4.2配电装置的种类及应用
(1)普通中型配电装置,具有安装简便、易于运维、抗震性良好、价格相对较低等优势特点。
但其也具有体积较大、质量较重等劣势。
(2)半高型配电装置,布置形式和普通中型配电装置大致相同,但其占地面积更小,且造价成本相对更低。
(3)高型配电装置,通常在电压等级超过220kV的系统中具有良好的适应性。
结合本次设计的110kV变电站的设计情况,该变电站内共有两个电压等级。
对于110kV侧单母分段带旁路母线接线,配电装置设计采用采用普通中型,其布设方式则为屋外单列设置,要求进出线架空布设。
对于10kV侧单母线分段母线接线,配电装置设计采用一整套高压开关柜,其布设方式则为屋内布设,要求电缆出线。
5防雷保护设计
为保障变电站设计及整体供电安全性,必须对变电站采取防雷措施。
5.1防雷保护的特点
(1)对于“集中型”变电站,设计使用避雷针作为主要防雷措施。
(2)当变电站设备联接着架空输电线时,过电压经由输电线运至变电站,极有可能对电气设备产生不利影响。
因此需要通过加设避雷器以达到变电站电压防护的效果。
(3)变电站内在安装有包括变压器在内的各种贵重电气设备的情况下,需要工作人员根据实际情况,严格按照相关规定要求合理采用周密的过电压防护措施,有效维护贵重电气设备及整体系统运行安全。
(4)变电站需具备完整、性能良好的接地系统,从而确保避雷针等各项防雷设备能够将自身防护效用发挥至最大。
5.2变电站直击雷防护
在此次变电站设计中,对于安装在户外的配电装置,选择使用避雷针进行直击雷防护。
即选用4支避雷针,将其依次布设在变电站围墙的四个角。
所使用的每一支避雷针均完全相同,其高度均为30m。
本文所设计的变电站其东西向的长度与南北向的宽度分别为92m与75m,总面积约为6900m2,110kV配电装置和35kV终端杆的高度分别为12.5m、13.5m。
屋内所有配电装置均采用钢筋焊接成网的方式,组成可靠性较高的接地网[15]。
5.3进线保护
进线段保护指的就是在距离变电站1km至2km的一段线路上,采用加强型防雷保护措施。
在无任何避雷防护措施的线路上,需架设避雷线。
对于沿着线路全程架设避雷线的线路,线路全长将与普通线路全长相比,具备更强的抗雷性,其进线段内因雷击出现绕击、反击的可能性也相对更低。
6结论
本文通过着重分析110kV变电站一次部分设计,指出说明书和计算书是构成110kV变电站一次部分设计的主要内容。
其中说明书设计涉及电气设备选择和计算短路电流等,计算书部分设计,则涵盖了变压器和各种变电站电气设备及电气计算的公式、计算步骤等。
最终得出结论,即在实际进行变电站设计时,需要设计人员以变电站设计任务书为根本依据,严格依照国家各项设计规程与相关设计规定,合理选用相应电气设备,准确进行短路电流计算。
同时坚持实用性与经济性、美观性与可靠性统筹兼顾的原则,采用就地取材、因地制宜的方式,尽可能节约设计成本。
通过规范设计使用各种性能优越、价格适中的高质量电气设备与电气线路,确保变电站各项工作能够始终安全、稳定进行,最终实现经济效益和社会效益最大化的根本目的。
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