110KV变电所电气一次部分设计毕业论文

2020-05-04 来源：钮旅网

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第一章设计任务书 ............................................................. 4

1.1设计资料 ................................................................ 4

1.1.1建所目的 .......................................................... 4 1.1.2环境条件： ........................................................ 4 1.1.3负荷资料 .......................................................... 4 1.2 设计要求 ............................................................... 5

1.2.1编写技术说明书 .................................................... 5 1.2.2编写计算书 ........................................................ 5 1.2.3绘制图纸 .......................................................... 5

第二章设计说明书 ............................................................. 9

2.1、电气主接线设计 ........................................................ 6

2.1.1 电气主接线设计的原则 .............................................. 6 2.1.2 电气主接线的设计程序 .............................................. 6 2.1.3 主接线形式的选择 .................................................. 8 2.2 主变压器的选择 ........................................................ 9 2.3 短路电流的计算及负荷计算 ............................................. 10

2.3.1 短路电流计算的目的和条件 ......................................... 10 2.3.2 短路时间的计算 ................................................... 11 2.3.3 等效电路阻抗及短路电流的计算 ..................................... 11 2.4、设备的选择与校验 ..................................................... 12

2.4.1 导体和电气设备选择的一般条件 ..................................... 12 2.4.2设备选择 ......................................................... 13 2.5、防雷保护的确定及接地网的设计 ......................................... 21

2.5.1避雷针的作用 ..................................................... 21 2.5.2防雷接地 ......................................................... 21 2.5.3防雷保护方案 ..................................................... 22

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2.5.4地网的设计 ....................................................... 24

第三章计算书 ................................................................ 24

3.1 电力负荷的计算 ........................................................ 24 3.2、等效电路电抗的计算 ................................................... 25 3.3、等效电路短路电流的计算 ............................................... 25 3.4、设备的选择及校验 ..................................................... 29

3.4.1高压断路器 ....................................................... 29 3.4.2隔离开关 ......................................................... 31 3.4.3电流互感器 ....................................................... 33 3.4.4电压互感器 ....................................................... 35 3.4.5 导线 ............................................................. 35

结束语 ...................................................................... 40 致谢语 ........................................................................ 41 参考文献 ...................................................................... 39

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前言

电能是现代工业生产的主要能源和核心动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。

本次设计为110kV 变电站电气一次部分初步设计，分为设计任务书、说明书、计算书、设计图纸等四部分。所设计的内容力求概念清楚，层次分明。！从主接线、短路电流计算、主要电气设备选择等几方面对变电站设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图。由于本人水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。

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第一章设计任务书

1.1设计资料

1.1.1建所目的

随着工农业生产的迅速发展，为满足该地区负荷日益增长的需要，提高对用户供电的可靠性和电能质量，根据系统发展规划，拟建设一座110/10kV的区域性降压变电所。向该地区供电。

1.1.2环境条件

该变电所所址位于平原地带，交通方便，无特殊环境污染。该地区最热月平均气温30℃，年最高气温为40℃，年平均气温15℃，土壤温度20℃。雷暴日：30日/年。

1.1.3负荷资料

该地区负荷情况:

夏季冬季

Smax=55 MVA Smax=39 MVA cos= 0.8 cos= 0.85 Smin=49 MVA Smin=33MVA cos=0.8 cos=0.85 10KV用户负荷统计资料:

名称 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 最大负荷（MW） 4.5 3.5 3 5 5 5.5 1.5 3 4 4 功率因数 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 回路数 2 2 2 2 2 2 1 1 1 华北电力大学成人教育毕业设计（论文） #10 #11 3 3 0.85 0.85 1 1 1.2 设计要求

1.2.1编写技术说明书

(1)电气主接线的设计 (2)负荷计算

(3)主变压器的台数和容量的确定 (4)各支路最大负荷电流 (5)短路电流计算结果表

(6)各电压级各主要的电气设备结果表

1.2.2编写计算书

(1)短路电流计算过程

(2)各电压级主要的电气设备选择计算

1.2.3绘制图纸

（1）确定电气主结线

（2）确定主变压器的台数和容量（3）确定所用电接线

（4）确定所变压器的台数和数量（5）确定各电压级配置

（6）确定各电压级各主要的电气设备（7）确定防雷保护及地网的设计

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第二章设计说明书 2.1、电气主接线设计

电气主接线是发电厂、变电所的设计主体。采用何种形式的接线，与电力系统原始资料，发电厂、变电所本身的可靠性、灵活性、经济性的要求密切相关，并且对电气设备的选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定都有较大的影响。因此，主接线的设计必须根据电力系统、发电厂或变电站的具体情况，全面分析，正确地处理好各方面的关系，合理地选择主接线方案。

2.1.1 电气主接线设计的原则

电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以技术规定、标准为准绳，结合实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节省投资，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

在设计的过程中，将根据国家经济发展及电力负荷增长率的规划，给出所设计变电所的容量、机组台数、电压等级、出线回路数、主要负荷要求、电力系统参数和对电厂的具体要求，以及设计的内容和范围。设计的主接线应满足供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展的余地。设计时，在进行论证分析阶段，更应合理的统一供电可靠性与经济性的关系，以便使设计的主接线具有先进性和可行性。

2.1.2 电气主接线的设计程序

设计步骤和内容如下： 1）．对原始资料分析：

(1) 工程情况，包括设计规划容量（近期、远景），变压器容量及台数，最大负荷利用小时数极可能的运行方式等。

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(2) 电力系统情况，包括电力系统近期及远景发展规划（5-10年），变电站在电力系统中的位置（容量位置和地理位置）和作用，以及与电力系统连接方式和各级电压中性点接地方式等。

(3) 变压器的中性点接地方式与电压等级、单向接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响系统供电的可靠性。 2）．对电气主接线的基本要求：

对电气主接线的基本要求，概括的应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。 (1) 可靠性

在分析电气主接线可靠性时，要考虑变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质及类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。

(a) 电站在电力系统中的地位和作用。变电站是电力系统的重要组成部分，其可靠性应与系统相适应。此次设计的110kV变电所在10kV电压级有近区负荷，容量不大，此时10KV电压即宜采用供电可靠性较高的母线接线方式，以便适应近区各类负荷对供电可靠性的要求。

(b) 负荷性质和类别。负荷按其重要性有Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类之分。

(d) 长期实践运行经验。 (2) 灵活性

电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：

(a) 操作的方便性。电气主接线应该在满足可靠性的条件下，结线简单，操作方便，尽可能使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。

(b) 调度的方便性。电气主接线在正常运行时，要能根据调度要求，方便的改变运行方式，并且在发生事故时，要能尽快的切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多的影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。

(3) 经济性

在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。通常设计应在满足可靠

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性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要从以下几方面考虑：

(a) 节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采用限制短路电流的措施，以节省开关电器数量、选用廉价的电器或轻型电器，以便降低投资。

(b) 占地面积小。

(d) 负荷情况，包括负荷的性质、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。对电力的负荷不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测，对电力负荷预测的准确性，直接关系着变电站电气主接线设计成果的质量，一个设计应能经受当前及较长远时间（5-10年）的检验。

2.1.3 主接线形式的选择 1）110kV电压等级主接线的确定

方案1：双母线接线方案2：单母线分段方案3：单母线分段带旁路

双母线接线：供电可靠、调度灵活。当母线检修时可以不停电，母线故障时、回路短路时停电。母线侧隔离开关检修时只停本回路的电。

单母线分段：母线故障或检修时，不会导致全部停电。断路器检修时会造成回路停电。但接线简单、操作维修方便、设备较少、经济性好。

单母线带旁路：单母线分段带有专用旁路断路器的旁路母线接线，可以减少设备、节省投资。随着高压配电装置广泛采用六氟化硫断路器及国产断路器、隔离开关的质量逐步提高，同时系统备用容量的增加、电网结构趋于合理和联系紧密、保护双重化的完善以及设备检测逐步由计划检修向状态检修过渡，为简化接线，总的趋势将逐步取消旁路设施。

此次110kV侧采用单母线分段的接线方式。这种接线，每一回路都通过一台断路器和一组隔离开关并连接到母线上。适用范围：110~220kV配电装置当出线回数不超过5回时。

与双母线接线相比，单母线分段接线具有下述优点：

(1) 可以轮流检修母线而不致中断供电。只需将要检修的那一段母线上的所有元件倒闸操作到另一组母线上。

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(2) 检修任一回路隔离开关时，只停该回路，母线故障后，可迅速恢复供电。 (3) 调度灵活，各电源和各负荷回路可以任意分配到某一组母线上。 (4) 有利于扩建和便于试验。

2）10kV电压等级主接线的确定

采用单母线分段接线方式

此方案可以提高供电可靠性和灵活性，对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常母线不间断供电，不致使重要用户停电，两段母线同时故障的几率很小，可以不予考虑。在可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一段母线故障时，将造成两段母线同时停电，在判别故障后，拉开分段隔离开关，完好段即可恢复供电。

2.2 主变压器的选择

降压变电所的变压器（或自耦变压器）额定容量和台数应以下述几点要求为依据：

(1) 在计及变压器过负荷能力及负荷增长进程的条件下，充分利用所安装的变压器容量；

(2) 使变电所的每个发展阶段，能达到投资最少计算费用最省，并且投资不集中； (3) 供电可靠； (4) 运行方便；

(5) 变电所扩建时无大改造，且不中断对用户的供电；

(6) 对变压器额定容量的选择，特别要重视确定计算负荷，尽量得到最准确地选择结果。

变压器的容量大小、型式、规格：

根据变电所主变压器选择的原则，对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，并且任一台变压器单独运行时变压器容量应满足总计算负荷的大约70% ~ 75%的需要，因此

变压器容量 S=70%(∑s+S所用)

=0.70×(42.266+12.734) =55×0.70

=38.5MVA

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(1) 相数

根据所计算的容量，选用两台双绕组无励磁调压电力变压器。 (2) 组数与结构

在110kV中性点直接接地系统中，凡需选用三绕组变压器的场所，均可优先选用自耦变压器，其损耗小，价格低，但主要潮流方向应为低高压同时向低压和中压送电，且变化不宜过大，并注意自耦变压器限制短路电流的效果较差，所以选用两台双绕组变压器。

2.3 短路电流的计算及负荷计算

2.3.1 短路电流计算的目的和条件 1）短路电流计算的目的

在发电厂和变电站的设计中，短路计算是其中的一个重要环节。其计算的目的主要有以下几个方面：

(1) 电气主接线的比较。 (2) 选择导体和电器。

(3) 在设计户外高型配电装置时，需要按短路条件校验软导线的相同和相对地的安全距离。

(4) 在选择继电保护装置和运行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。 (5) 接地装置的设计，也需要用短路电流。

2）短路电流的计算条件

为使所选设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定的时期内适应电力系统发展的需要，做验算用的短路电流应按下列条件确定：

(1) 容量与接线。按设计的最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为建成后5~10年）；其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式。

(2) 短路种类。一般按三相短路计算，或其他种类较三相短路严重时，则按最严重的情况计算。

(3) 计算短路点。在计算电路图中，同电位的各短路点的短路电流值均相等，但通过

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各支路的短路电流将随着短路点的位置不同而不同。在校验电器和载流导体时，必须确定电气设备和载流导体处于最严重的短路点，使通过的短路电流校验值为最大。

2.3.2 短路时间的计算

效验热稳定的短路计算时间tk为急电保护动作时间tpr和相应短路器的全开断时间tbr之和，

即 tktprtbr

这是考虑到主保护有死区或拒动；而tbr指对tpr一般取保护装备的后备保护动作时间，

短路器的分闸脉冲传送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后的电弧完全熄灭为止的时间段。显然，tbr包括两个部分，即

tbrtinta

式中，tin为断路器的分闸时间，它是由断路器接到分闸命令起，到灭弧触头刚分离的一段时间，此值可在相应手册中查出；ta为断路器开断时电弧持续时间，它是指由第一个灭弧触头分离瞬间起，到最后一级电弧熄灭为止的时间，对少油断路器为0.04~0.06s，对SF6断路器压缩空气断路器约为0.02~0.04s，真空断路器约为0.015s。

断路器不仅在电路中作为操作开关，而且在短路时要迅速可靠的切断短路电流，作为保护电器。为此，这种断路器应能在最严重的情况下开断短路电流，故短路计算的时间tk'应为主保护动作时间tpr1和断路器固有分闸时间tin之和，即

'tktpr1tin

对于无延时保护，tpr1为主保护启动和执行机构动作时间之和，一般0.05~0.06s。为方便设计，此处规定各电源在不同短路点的短路计算时间为tk=4s。

2.3.3 等效电路阻抗及短路电流的计算

用于设备选择的短路电流是按照变电所最终规模：两台40MVA主变压器及110kV远景系统阻抗，考虑两台主变并列运行的方式进行计算的。计算结果如下：

表一等效电路阻抗计算结果表

阻抗名称系统X 发电机XG 变压器XT1 主变XT2 线路1XL1 11

线路2XL2 华北电力大学成人教育毕业设计（论文）

短路阻抗标幺值 0.045 0.06 0.075 0.262 0.18 0.12 表二短路电流计算结果表

短路短路点类型编号短路点位置短路点平均电压（kV）基准电流（kA）短路电流周期分量起始有效值短路电流冲击值（kA）短路电流最大有效值（kA）三相短路 f1 f2 110kV母线 10kV 母线 115 10.5 7.89 86.36 14.19 32.82 36.18 83.68 15.15 32.82 2.4、设备的选择与校验

2.4.1 导体和电气设备选择的一般条件

正确的选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳定的采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。

1）一般原则

(1) 应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要； (2) 应按当地环境条件校核； (3) 应力求技术先进和经济合理； (4) 选择导体时应尽量减少品种；

(5) 扩建工程应尽量使新老电器型号一致；

(6) 选用的新产品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。

2）短路状态热稳定和动稳定的校验

1 短路热稳定校验

短路电流通过电器时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值，满足热稳定的条件为

It2tQk

式中 Qk…短路电流产生的热效应

It、t…电气设备允许通过的热稳定电流和时间

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2电动力稳定校验

电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的呢公里。亦称动稳定，满足动稳定的条件：

iesish,IesIsh

式中 ish、Ish…短路冲击电流幅值及其有效值

ies、Ies…电气设备允许通过的动稳定电流及其有效值

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：

(1) 用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断器时间保证，故可不验算热稳定 (2) 采用有限电流电阻熔断器保护的设备，可不校验动稳定

(3) 装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定

3）环境条件

环境条件主要有温度、日照、风速、冰雪、湿度、污秽、海拔和地震。由于设计条件有限，所以在设计中没有考虑温度因素。

按照工程上的规定，普通高压电器在环境温度为四十度时，允许按照额定电流长期工作。当电器安装点的环境高于四十度时，每增加一度建议额定电流减少1.8%；当低于四十度时，每降低一度建议额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。

2.4.2设备选择

结合以往110kV变电所设计及运行情况，本次选用110kV及10kV开关开断电流采用31.5kA。并依次对设备进行了选择和校验。主要设备参数如下：

主变：（双绕组无励磁调压电力变压器）

型号 SFL-40000/110 额定容量（kVA） 40000 额定高压（kV） 110 ±2×2.5% 121 额定低压空载电流空载损耗 (kVA) (kVA) (kW) 10.5 0.7 45 负载损耗 (kV） 174 阻抗电压（%） 10.5 110kV侧高压断路器：

高压断路器的功能是，不仅能通断正常负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切断短路故障。

选用SW4-110Ⅲ型断路器

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最高工作电压(kV) 126 固有分闸时间(s) 0.05 额定电流(A) 1250 合闸时间(s) 0.4 动稳定电流（kA) 80 型号 SW4-110Ⅲ 4s稳定电流(KA) 31.5 额定电压(kV) 110 自动重合闸无电流间隔时间(s) 0.3 额定开断电流(kA) 31.5 断路器本体质量 (三相)(kg) 3360 油重(kg) 120

110kV侧高压隔离开关：

高压隔离开关的功能是，隔离高压电源，以保证其他设备和线路的安全检修，其特点是不允许带负荷操作。

选用GW4-110DW型隔离开关

额定电压 (kV) 额定电流 (A) 动稳定电流峰值 (kA) 热稳定电流(kA) 2s 4s 5s 操动机构型号接地刀闸 CS17G 单相质量(kg) 型号主刀闸 CS17G、CJ2-G GW4-110DW 110 16000 100 31.5 255

110kV侧电流互感器：

电流互感器的功能是：(1) 将一次回路的大电流变为二次回路的小电流（5A或1A），使测量仪表和保护装置标准化，小型化，价格便宜和便于屏内安装；(2) 使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证设备和人身的安全。

选用LCWB4-110型号的电流互感器

二次负荷(Ω) 型号额定电流比(A) 级次组合准确级次 0.5级 0.5 B1 B2 2 10%倍数倍数(倍) 30 20 75 145 580 1s热稳定倍数(倍数) 质量(kg) 油质量总质量 13二次负级级荷(Ω) 14

LCWB4-110 (2×500) 0.5/B B2/B3 2.4 2.4 华北电力大学成人教育毕业设计（论文）

B3 2 20

110kV侧电压互感器：

电压互感器的功能：（1）将一次回路的高电压变为二次回路的低电压，使测量仪表和保护装置标准化，小型化，并使其结构巧，价格便宜和便于屏内安装；（2）使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证设备和人身的安全。

选用Jcc2-110电压互感器

额定电压型号一次绕组二次绕组辅助绕组 0.1 一次绕组1额定容量(V.A) 0.2 0.5 1 3 二次绕组2 额定容量(V.A) 3P 6P 2000 最大容量(V.A) Jcc2-110 110/3 0.1/3 500 1000

10kV侧断路器：

应采用少油高压断路器，放置在户内，型号为SN10-10/3000-43.3

额定电压 (kV) 额定额定开额定断电流断电流流容量 (A) (kA) (MVA) 3000 43.3 750 极限通过电流峰值 (kA) 130 油重热稳定电流有效值 (kA) 43.3(4s) 自重 (无油) 190 合闸故有分时间闸时间 (s) (s) ≯≯0.06 0.2 配用操动机构型号 CD10Ⅲ 型号 SN10-10Ⅲ SN10-10/ 3000-43.3 10 操作循环型号 SN10-10Ⅲ 机械寿命 (次) 1050 分-180s-合SN10-10/ 分-180s-合3000-43.3 分 13

10kV侧隔离开关：

采用GN2-10/3000型号的隔离开关

动稳定电流(kA) 型号额定电压(kV) 额定电流(A) 有效值 15

热稳定电流三相质量(kg) 峰值 2s 4s 5s 10s 华北电力大学成人教育毕业设计（论文）

GN2-10/3000 10 3000 30 100 40 20 70 50 154

10kV侧电流互感器：

选择LMC-10型3000/5的电流互感器

二次负荷准确准确等级等级 0.5 1 3 10%倍数 1s热稳定动稳定长度二次倍电流倍电流倍H(mm) 负荷数 (kA) 数 (kA) 数 (Ω) 75 610 620 型号额定电流比级次组合 2000, 3000/5, 0.5/0.5 0.5 LMC-10 1.2 3 2 4000, 0.5及3 3 5000/5

10kV侧电压互感器：

选用型号为JSW-10三台单相三绕组电压互感器

额定电压型号一次绕组 JSW-10 10 二次绕组 0.1 辅助绕组 0.1/3 一次绕组1额定容量(V.A) 0.2 0.5 1 3 二次绕组2 额定容量(V.A) 3P 6P 960 最大容量(V.A) 120 200 480

110KV侧母线的选择：选用LGJ-210/25型钢芯铝绞线

标称截面铝/钢(mm2) 半径 (mm) 19.98 重量(kg/km) 789.1 标称截面铝/钢(mm2) 外径(mm) 质量 (kg/m) LGJ-210/25

LGJ-500/45 30 1688 16

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10kV侧母线的选择：

选用槽形硬导体铝锰合金LMY3570mm2型导线

截面尺寸高度宽度厚度弯曲h b t 半径r (mm) (mm) (mm) (mm) 150 65 7 10 双槽导体截面S (mm) 3570 2集肤效导体载应系数流量 kf (A) 1.075 5650 截面系数Wy (cm) 14.7 3惯性矩惯性半径ry (cm) 1.97 9.675 质量 (kg/m) Iy (cm) 68 4高压熔断器

110kV 选用RW6-110型

型号额定电压（kV） 110 额定电流（A） 100 最大开端工频干耐容量（MVA）受电压（kV） 1000 280 工频湿耐受电压（kV） 215 全波冲击耐受电压（kV） 460 质量（kg） RW6-110 150

10kV 选用RN2 10/0.5型

型号额定电额定电流开断容量不最大开断电压（kV）（A）小于（MVA）流（kA） 0.5 1000 85 熔管数质量熔断器 1 609 熔管 0.9 RN210/0.5 6 避雷器：

避雷器配置原则：

配电装置每组母线上，一般应装设避雷器；

220kV及以下的变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一台避雷器；

以下情况中性点应装设避雷器：

A：直接接地系统中，变压器中性点分级绝缘，且装设有隔离开关时；

B：直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时；

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C：不接地或经过消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点。 110kV，220kV线路侧一般不装设避雷器。结果如下：

型号组合方式额定电压 kV 110 10 灭弧电压 kV 126 12.7 工频放电电压kV 255-290 26-31 预放电时间1.5-20µs 345 45 5kA冲击电流下的残压幅值 332 45 FCZ—110 单独元件 FZ—10 单独元件

所内变压器

选用S9-500/10型变压器

型号额定容量（kVA）额定高压（kV） 10 ±2×2.5% 0.4 额定低压空载电流空载损耗 (kVA) (kVA) (kW) 负载损耗 (kV）阻抗电压（%） 4 S9-500/10 500 0.4 1.4 1000 5000

2.5、防雷保护的确定及接地网的设计

2.5.1避雷针的作用

防直击雷最常用的措施是装设避雷针，它是由金属制成，比被保护设备高，具有良好

接地的装置，其作用是将雷吸引到自己身上并安全导入地中，从而保护了附近比它矮的设备，建筑免受雷击。

所谓避雷针的保护范围是指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击而言。它是在实验中用冲击电压下小模型的放电结果求出的，由于它与近似直流电压的雷云对空间极长间隙下的放电有很大差异，所以这一保护范围并没有得到科学界的公认，但我们可以把它看成一种用以决定避雷针高度与数目的工程办法。

2.5.2 防雷接地

接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地保持等电位,电力系统的接地按其功用可分三类:

(1) 工作接地:根据电力系统正常运行的需要而设置的接地，它所要求的接地电阻值

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约在0.5-10的范围内。

(2) 保护接地:不设这种接地，电力系统也能正常运行,但为了人身安全而将电气设备的金属外壳等加以接地,它是在故障的条件下才发挥作用的,它所要求的接地电阻值处于1-10的范围内。

(3) 防雷接地:用来将雷电流顺利泄入大地,以减小它所引起的过电压,它的性质似乎介于前两种接地之间,它防雷保护装置不可缺少的组成部分，它有些像工作接地;但它又是保障人身安全的有力措施,而且只有在故障下才发挥作用，它又有些像保护接地,它的阻值一般在1-30的范围内。

由此可见,接地电阻取10较合适。

查接地装置 i(冲击系数)与 i(接地装置的冲击利用系数)表,选用一字形的接地体。

查得:i＝0.45 , i＝

Ri (式中:Ri—冲击电流下的电阻; Re—工频电流下的电阻) Re10＝4.5 Ri＝0.45×

2.5.3 防雷保护方案

对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对雷电侵入波的防护的主要措施是阀式避雷器限制过电压幅值,同时辅之以相应措施,以限制流过阀式避雷器的雷电流和降低侵入波的陡度。

为了防止变电所遭受直接雷击,需要安装避雷针、避雷线和辅设良好的接地网。装设避雷针(线)应该使变电所的所有设备和建筑物处于保护范围内。还应该使被保护物体与避雷针(线)之间留有一定距离，因为雷直击避雷针(线)瞬间的地电位可能提高。如果这一距离不够大，则有可能在它们之间发生放电，这种现象称避雷针(线)对电气设备的反击或闪络。逆闪络一旦出现,高电位将加到电气设备上，有可能导致设备绝缘的损坏。为了避免这种情况发生,被保护物体与避雷针间在空气中以及地下接地装置间应有足够的距离。

按实际运行经验校验后，我国标准目前推荐d1和d2应满足下式要求:

d1≥0.2Ri＋0.1h, d2≥0.3Ri

d1≥0.2×4.5＋0.1×

d2≥0.3×4.5

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在对较大面积的变电所进行保护时,采用等高避雷针联合保护要比单针保护范围大。因此，为了对本站覆盖,采用四支避雷针。被保护变电所总长108.5m,宽79.5m,查手册，门型架构高15m。避雷针的摆放如图所示。

D12＝D34＝79.5m;D23＝D14＝108.5m

Dmax＝108.5279.52＝135m

h0＝h－

D 7所以,需要避雷针的高度h为:h＝15＋

135＝34.3m 7四只避雷针分成两个三只避雷针选择. 验算:首先验算123号避雷针对保护的高度:

79.5＝23m＞15m 7108.5

2﹑3号针之间的高度：h0＝34.3－＝18.8＞15m

1﹑2号针之间的高度：h0＝34.3－

108.5279.521﹑3号针之间的高度: h0＝34.3－＝34.3－19＝15.1m＞15m

7由上可见,对保护物的高度是能满足要求的。对保护宽度:

1﹑2号针的保护宽度:bx＝1.5 (h0－hx)＝1.5(23－15) ＝12＞0 2﹑3号针之间的宽度:bx＝1.5 (h0－hx)＝1.5(18.8－15) ＝5.7＞0

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由此可见,对保护物的宽度是能满足要求的。所以,123针是满足要求的。

由于4针的摆放是长方形,所以，134针也是满足要求的。即,四只高度选为35m的避雷针能保护整个变电所。

2.5.4 接地网的设计

（1）设计说明

变电站需要有良好的接地装置，以满足工作安全和防雷保护接地要求。一般做法是根据安全和工作接地的要求，敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体，以满足防雷接地的要求。总的接地电阻为水平接地体接地电阻和垂直接地体接地电阻的并联等效阻值。一般要求总的接地电阻R < 0.5，才能保证运行的安全。（2）接地体的设计

工程实用的接地体主要由扁钢、圆钢、角钢或钢管组成，埋入地表下0.5-1m。水平接地体多用扁钢，宽度一般为20-40mm，厚度不小于4mm，或者用直径不小于6mm的圆钢。垂直接地体一般用(20×20×3一50×5O×5mm)或钢管，长度一般为2.5m。（3）典型接地体的接地电阻计算

1)垂直接地体:

式中:l是接地体长度(m) ;d是接地体直径(m)。当采用扁钢时d=d/2,b为扁钢的宽度。当采用角钢时d=0.84b,b是角钢每边宽度。当有n根垂直接地体时，总接地电阻R∑按并联电阻计算:

式中: 称为利用系数，它表示由于电流互相屏蔽而使接地体不能充分利用的程度，一般为0.65-0.8.

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2)水平接地体:

式中:L是接地体的总长度((m); h是接地体埋设深度(m); A是表示因受屏蔽影响是接地体电阻增加的系数，其数值如下表:

屏蔽影响系数表

(4) 接地网的设计与计算

本次设计采用先在地下深为h的水平面上敷设方格形状的水平接地体，如下图（俯视）:

接地网俯视图

调整水平接地体的间距可以改变水平接地电阻的阻值，然后再在两水平接地体的相交处敷设垂直接地体，如下图(侧视)：

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设水平接地体的间距为4m，则应敷设水平接地体[63.5/4]×[66.2/4]=15×16根([]为取整符号)，水平接地体埋设深度取h=0. 8m，采用宽度为30m，厚度为4m的扁钢:垂直接地体采用40 x 40 x 4mm的角钢，长度为2.5m,

 = 400

.m

接地体侧视图

垂直接地体的电阻阻值：

水平接地体的电阻阻值：总的接地电

阻阻值为以上两个电阻的并联：

满足要求。

当间距取5m时算得RZ = 0.521 > 0.50不符合要求，若间距取得比4m小，则不符合经济性的要求，所以取4m最好。

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第三章计算书

3.1 电力负荷的计算

10KV侧负荷统计表：

功率因数负荷名称最大负荷(MW) #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 4.5 3.5 3 5 5 5.5 1.5 3 4 3 3 cos 0.85 0.85 0.85 0.85 0.89 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 tan 0.62 0.62 0.62 0.62 0.51 0.62 0.62 0.46 0.46 0.46 0.46 计算负荷回路数无功(Mvar) 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2.79 2.17 1.86 3.1 2.55 3.41 0.93 1.38 1.84 1.38 1.38 有功（Mw） 5.29 3.5 3 5 5 5.5 1.5 3 4 3 3.30

10KV侧总计算负荷：取负荷同期率Kt0.9，则 ∑S=K×∑pi/cos =0.9×(4.53.53555.51.5433) 0.850.850.850.850.850.850.850.850.850.85=42.266MVA

S所用=∑s×1%=0.4227MVA

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3.2、等效电路电抗的计算

采用标幺制法进行参数计算，取基准容量SB=100MVA UB=Uc 系统电抗为

X1=X×

发电机电抗为

\"XG=XdSB100=0.05×=0.045Ω

1100SdSBS100\"XdB 0.140.06

P200Sefef0.85cos变压器电抗为

XT1主变压器电抗为

UK%SB18100•0.075 100SN100240XT260km 线路电抗为

UK%SB10.5100•0.2625 100SN10040XL10.46040km 线路电抗为

SB1000.4600.18 22UB115XL20.440SB1000.4400.12 22UB1153.3、等效电路短路电流的计算

等效回路图如下：

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0.06 0.075 0.06 0.075 0.09 0.045 0.06 f1 110kV 0.1312 f2 10kV 0.0675 0.09 0.045 0.06 f1 110kV 0.1312 f2 10kV

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0.2175 0.045 f1 110kV 0.1312 f2 10kV 0.037 f1

110kV 0.1312 f2 10kV

1当f1发生短路时短路电路总电抗为

0.037(2Xjs因为Xjs=0.58<3 查发运算曲线得

2001100)0.850.58 100I*1.8kA*I21.75kA *I41.92kA系统额定电流为

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INS3UN220011000.857.89kA 3115计算短路电流有名值

I\"1.8IN1.87.8914.19kAI21.75IN1.757.8913.81kA I41.92IN1.927.8915.15kA在高压电路发生三相短路时，一般可取

ishim2.55I2.5514.1936.18kAIshIm1.52I1.5214.1921.57kA2当f2发生短路时短路电路总阻抗为

(0.0370.1312)(Xjs因为Xjs2.643 查发运算曲线得

10022001100)0.852.64

I*0.38kA*I20.38kA *I40.38kA系统额定电流为

S3UN220011000.8586.36kA

310.5IN计算短路电流有名值：

I\"0.38IN0.3886.3632.82kAI20.38IN0.3886.3632.82kA I40.38IN0.3886.3632.82kA在高压电路发生三相短路时，一般可取

ishim2.55I2.5532.883.68kAIshIm1.52I1.5232.849.89kA

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I\"短路次暂态电流有效值，即第一周期短路电流周期分量有效值式中 I2短路后2s的短路周期有效值I4稳态短路电流有效值

3.4、设备的选择及校验

3.4.1高压断路器

110KV侧：

(1)断路器的种类和形式的选择

采用选用SW4-110Ⅲ型少油断路器其主要参数：

型号 SW4-110Ⅲ 4s稳定电流(KA) 31.5 额定电压(kV) 110 自动重合闸无电流间隔时间(s) 0.3 最高工作电压(kV) 126 固有分闸时间(s) 0.05 额定电流(A) 1250 合闸时间(s) 0.4 额定开断电流(kA) 31.5 断路器本体质量 (三相)(kG) 3360 动稳定电流(kA) 80 油重(kG) 120

(2)额定电压额定电流的选择

UN126kVUNS110kV Imax1.05S3UN1.05403110220.4A

IN1250AImax

(3)开断电流的选择

INbv31.5kAI14.19kA

(4)短路关合电流的选择

INc180kAishim36.18kA

(5)短路热稳定和动稳定校验 (a)热稳定校验

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周期分量热效应

22I210I2I4Qk4It2X41222I210I2I4It13.96kA

12It31.5kA满足条件

因为所选tk1s，因此不需要计算非周期分量热效应，以下同。 (b)动稳定校验

ishim36.18kAies80kAiesish满足要求 10KV侧：

(1)断路器的种类和形式的选择

采用型号为SN10-10/3000-43.3少油断路器，其主要参数为：

额定电压 (kV) 额定额定开额定断电流断电流流容量 (A) (kA) (MVA) 3000 43.3 750 极限通过电流峰值 (kA) 130 油重热稳定电流有效值 (kA) 43.3(4s) 自重 (无油) 190 合闸故有分时间闸时间 (s) (s) ≯≯0.06 0.2 配用操动机构型号 CD10Ⅲ

型号 SN10-10Ⅲ SN10-10/ 3000-43.3 10 操作循环型号 SN10-10Ⅲ 机械寿命 (次) 1050 分-180s-合SN10-10/ 分-180s-合3000-43.3 分 13

(2)额定电压与额定电流的选择

UNUNS10kVIN3kAImaxImax(3)开断电流的选择

1.05S3UN1.05403102.4kA华北电力大学成人教育毕业设计（论文）

I32.82kAINbv43.3kAI

(4)短路关合电流的选择

ishim83.68kAiNc1130kAish(5)短路热稳定和动稳定校验 (a)热稳定校验

22I210I2I4Qk4It2X412It由所选断路器规模及参数知

I10II1222224

32.82kAIt=43.3kA

满足要求 (b)动稳定校验

ishim83.68kAies130kAiesish满足要求

3.4.2隔离开关

110KV侧：

(1)额定电压与额定电流的选择 (a)额定电压的选择

UNUNS110kV

(b)额定电流的选择

Imax1.05s3UN1.05403110220.4A

INImax

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(2)短路热稳定和动稳定校验 (a)热稳定校验

22I210I2I4QK4It2X41222I210I2I4It13.96kA

12It16kA满足要求

(b)动稳定校验

ishim36.18kAies50kAiesish满足要求 10KV侧：

(1)额定电压与额定电流的选择

UNUNS10kVINImaxImax1.05s3UN1.05403102.4A

采用GN2-10/3000型，其主要参数为：

动稳定电流(kA) 型号额定电压(kV) 额定电流(A) 有效值 GN2-10/3000 10 3000 30 峰值 2s 4s 5s 10s 100 40 20 70 50 154 热稳定电流三相质量(kg)

(2)短路热稳定和动稳定校验 (a)热稳定校验

22I210I2I4QK4It2X41222I210I2I4It32.82kA

12It70kA32

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满足要求

(b)动稳定校验

ishim83.68kAies100kAiesish满足要求

3.4.3电流互感器

110KV侧CT：

(1)额定电压和电流的选择 (a)额定电压

UNUNS110kV

(b)额定电流

一次侧 INImax220.4A

二次侧因为是强电流系统，所以电流为5A，准确等级为0.5级,(50~100)～(300~600)/5

选用LCWB4-110，其主要参数：

二次负荷(Ω) 型号额定电流比(A) 级次组合准确级次 0.5级 0.5 LCWB4-110 (2×500) 2 10%倍数倍数(倍) 30 20 20 75 145 580 1s热稳定倍数(倍数) 质量(kg) 油质量总质量 13二次负级级荷(Ω) 2.4 2.4 2 0.5/B B2/B3B1 B2 B3

(2)热稳定校验

22I210I2I4QK4It2X41222I210I2I4It13.96kA

12It60kA33

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满足要求 10KV侧CT：

(1)额定电压与额定电流的选择 (a)额定电压

UNUNS10kV

(b)额定电流

一次侧 INImax2.4kA 二次侧因为是强电流系统，所以电流为5A,准确等级为0.5级

初选LMC-10型 3000/5，其主要参数：

二次负荷准确准确等级等级 0.5 1 3 10%倍数 1s热稳定动稳定长度二次倍电流倍电流倍H(mm) 负荷数 (KA) 数 (KA) 数 (Ω) 75 610 620 型号额定电流比级次组合 2000, 3000/5, 0.5/0.5 0.5 LMC-10 1.2 3 2 4000, 0.5及3 3 5000/5 a)热稳定校验

22I210I2I4QK4It2X41222I210I2I4It32.82kA

12It75KA满足要求

b)动稳定校验

ishim83.68kAies3181.98kAiesish满足要求

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3.4.4电压互感器

选用三台单相三绕组电压互感器 110KV侧PT：

UNUNS110kV

10KV侧PT：

UNUNS10kV

满足电压条件

3.4.5 导线

110KV母线：

因为110KV侧为户外配电装置，所以母线选用软导线。 (1)按经济电流密度选择

SjImax220.4232mm2 J0.95选择LGJ-210/25型号的导线

(2)由于截面大于95mm，故不需要电晕电压校验。 (3)发热条件校验

查表得LGJ-185的允许载流量(假设环境温度为40℃)为416A>额定电流220.4A，则说明LGJ-210的允许载流量同样大于额定电流，满足要求。 (4)机械强度校验

查表得钢芯铝绞线在35KV以上的最小截面要求为35mm2〈Sj232mm2，因此所选导线满足机械强度要求 10KV母线：

10KV母线选用槽行硬导体铝锰合金材料 (1)按经济电流密度选择

SjImax24003200mm2 J0.7435

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选择3570mm型

h=150mm b=65mm t=7mm r=10mm

(2)由于截面大于91mm,故不需要电晕电压校验 (3)热稳定校验

11QKKf4308.61061.075687mm2 C99SSmin,故符合要求Smin2

(4)动稳定校验

1510883.682106fb510i2334.1N/mh0.15 WWY14.7cm382shlb1m计算应力

2ish•lb2fb•lb22334.11296b4.161013.210Pa 8hWY12WY1214.710允许应力 pha1b(7013.2)10656.8106Pa

选水平布置W2WY最大允许跨距

Lbmaxb2h(a1ph)fb20.1513.21060.0652.68m

2334.1lblbmax

满足动稳定要求

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结束语

通过毕业设计这样一个综合性的教学环节，我的综合素质与工程能力得到了提高，并会运用所学的理论知识与技能去分析与解决一些本专业范围具有一定复杂程度的工程技术问题。不光理解并掌握了现代设计方法，而且懂得了严谨认真的科学态度和工作作风才是完成各项工作的基础。

本设计题为“变电站电气一次系统设计”，在设计的过程中紧扣《电力系统分析》、《发电厂电气部分》、《高电压技术》等教材，这是对我们所学的专业知识的一次复习和实践。

在这次设计中，我熟悉并掌握了110kV变电站电气一次部分设计的一般程序，学会了查阅电气工程设计手册和各种参考资料。同时，也发现自己存在的一些缺点，主要表现在工作计划不够周全，为此浪费了许多不必要的时间；而且专业知识不够扎实，致使设计中存在着错误之处，还请各位尊敬老师给予批评和指正。

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致谢语

在王老师的联系指导下,经过近三个月的努力，终于完成了110kV变电站一次系统的总体设计，在此对王永强老师给予我的帮助表示衷心的感谢,并且感谢曾联系帮助我的同学。

变电站的一次系统我以前有所了解但实际设计中并不像我想象的那么简单，通过亲自计算和对一次系统的再学习，解决了的问题知识运用的更加熟练，掌握的更加牢固。同时也掌握了一定工程设计方法，为今后的工作和学习打下了基础。

设计中也遇到了不少问题。像在短路电流的计算中，许多参考书上没有特别的针对变电站的设计进行论述，因而在实际计算中遇到了一定的麻烦，以及在电气设备的选择上，书上所介绍的设备有些确已跟不上发展的需要了。为了解决这样的问题，经过我多次查阅不同的资料，以及及时向老师和与同学联系讨论，终于使问题得到了解决。

最后再次表示衷心的感谢，但由于水平有限，我的设计还存在许多不足之处，有许多地方需要完善,还望各位尊敬的老师多加指正。

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