1  某区域变电所电气部分设计

1.1  区域变电所电气部分设计意义

变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用．变电所和输电线路作为电力系统的变电部分同其他部分一样，是电力系统重要的组成部分，电力系统要安全可靠经济运行，就需要变电部分安全可靠运行，这些正是建立在变电工程设计和施工准确先进的基础上的。

我国电力工业的技术水平和管理水平正在逐步提高，现在已有许多变电站实现了集中控制和采用计算机监控．电力系统也实现了分级集中调度，所有电力企业都在努力增产节约，降低成本，确保安全远行。随着我国国民经济的发展，电力工业将逐步跨入世界先进水平的行列。变电所是生产工艺系统严密、土建结构复杂、施工难度较大的工业建筑。电力工业的发展,单机容量的增大、总容量在百万千瓦以上变电所的建立促使变电所建筑结构和设计不断地改进和发展。变电所结构的改进、新型建材的采用、施工装备的更新、施工方法的改进、代管理的运用、队伍素质的提高、使火电厂土建施工技术及施工组织水平也相应地随之不断提高。我选择设计本课题，是对自己已学知识的整理和进一步的理解、认识，学习和掌握变电所电气一次部分设计的基本方法培养独立分析和解决问题的工作能力及实际工程设计的基本技能。电力工业的迅速发展，对变电所的设计提出了更高的要求，更需要我们提高知识理解应用水平，认真对待。

110kv变电站电气一次部分初步设计是电网建设和电网络改造中非常重要技术环节，所以做好110kv变电站的设计是我国电网建设的重要环节。在目前的电网建设中，尤其是在110kv变电所的建设中，土地、资金等资源浪费现象严重，存在重复建设、改造困难、工频电磁辐射、无线电干扰和噪声等环保问题、电能质量差等问题已成为影响高压输变电工程建设成本和运行质量的重要因素。这已经违背了我国的可持续发展战略。所以110kv变电站需要采用节约资源的设计方案,要克服通信干扰和噪声、既要保证电能质量和用电安全等问题，同时还要满足以后电网改造简单、资源再利用率高的要求。

1.2  国内外配电自动化发展和现状

1.2.1  概述

当今世界各方面因素正冲击着全球电力工业，在国外变电所技术有十分剧烈的竞争，而世界范围内的变电所都采用了新技术; 其次，不同的环境要求给所有的电力供应商增加了额外的责任，使电力自动化设备尤其是高压大功率变电站的市场开发空间大大拓展。另外高压变电所的最终用户对变电站的自动控制、节能、环保意识越来越强烈，迫使其上游提供者尤其是系统集成商更加重视地区性电能分配技术方面的需要，所以变电所在世界上飞速的发展，从而要求我国变电技术上也要加入世界先进的变电技术行业。

随着电网建设改造和110kV变电所深入负荷中心与电网配电自动化系统的实施，要求电网变电所既要安全可靠地向用户供电，又能与配电网自动化系统资源共享，实现变电所远动通信，实时数据测量和采集，电气设备运行监控，一、二次设备实时运行状态监测，防误操作闭锁、电容器的自动投退，主变有载开关的自动调节，小电流接地系统的选线以及继电保护和自动装置的投退，定值的检查和远方修改等功能，从而在配电网络正常运行时，能监视各种运行工况，优化运行方式，合理控制负荷，调整电压和无功功率，自动计量计费。在配电网发生异常或故障时，能迅速查出异常情况并快速切除，隔离故障，迅速恢复非故障线路供电。要实现这些功能，采用常规变电所的一、二次设计，选用传统的二次设备是很难满足要求的，必须利用先进的计算机技术， 研制和开发变电所自动化系统，以全微机化的新型二次设备代替常规设备，尽量做到硬件资源、信息资源共享，用不同的模块软件实现常规设备的各种功能，用计算机局域网代替大量信号电缆的联接，用主动模式代替常规设备的被动模式。

随着科学技术的不断进步，断路器交流操作技术的成熟，保护和监控系统安全可靠性的提高和对室外环境的适应范围扩大，小型化无人值班110kV变电所必然向"三无"(即无人值班、无房屋建筑、无电缆沟道) 方向发展。

1.2.2  国外配电自动化发展和现状  

在一些发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电自动化系统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远程抄表等系统于一体的配电网管理系统（DMS），其功能多达140余种。

国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉及配电自动化领域，如德国西门子公司、法国施奈德公司、美国Cooper公司、摩托罗拉公司、美国ABB公司、日本东芝公司等，均推出了各具特色的配电网自动化产品。

日本从20世纪50年代开始在配电线上采用自动隔离故障区，并向健全区（无故障区）恢复送电的按时限自动顺序送电装置；60~70年代研究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制装置；70年代后半期开始利用计算机构成自动控制系统；其后由于电子技术、计算机技术及信息传送技术的发展，配电自动化计算机系统及配电线远方监视控制系统在实际应用中得到了很大的发展。

新加坡公用电力局（PUB）在20世纪80年代中期投运并在90年代加以发展和完善的大型配电网的SCADA系统，其规模最初覆盖其220kv配电网的1330个配电所。目前已将网络管理功能扩展到6.6KV配电网，进而覆盖约4000个配电所。芬兰“Espoo Sahko”电力配电公司的配电自动化覆盖了该公司的85000个用户，8座110/20kv的一次变电所，1100km的20kv馈电线和1400个20/0.4kv的配电变电所。

从国外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好的满足于配电系统自动化的需要。在一个配电自动化系统中，往往有多种通信技术组合成综合的通信系统，各个层次按实际需求采用合适的通信方式。目前，国外正致力于配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等的研究，并且在研究通过负荷分配的优化来减少损耗，对变压器负荷进行管理，以最大限度的利用变压器容量并降低系统有功损耗，以及按及时电价对用户负荷进行管理等。

1.2.3  国内配电自动化的现状

20世纪90年代以来，国内电力系统35kv变电所逐步实现了四遥功能，其规模覆盖变电所自动化、馈线的故障定位和自动恢复供电、负荷控制、远程自动读表、最低网损、电压、无功优化。配电投资系统、变电配电和用电管理信息系统的配电玩综合管理系统，则是近年来才起步的。

上海市供电局在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，第一期工程采用法国施奈德集团生产的PR环网开关柜9台，基本达到了遥控、遥信和遥测的目的。但规模较小，且设备依赖进口，造价高，不便于推广普及。另外，北京供电局、沈阳电业局等采用进口设备进行了一定规模的尝试。银川城区配电自动化系统全部采用自行研制的国产设备，实现了配电网中30余条进线、几十条馈线和7个开闭所及小区的全面控制，取得了大量经验，该系统于1998年8月20日通过国家电力公司组织的技术鉴定，达到国内领先水平。这是我国第一套通过技术鉴定的配电自动化系统。

2  电气主接线的设计

2.1  原始资料分析

本设计的变电站为降压变电站,有三个电压等级：高压侧电压为110kv,有二回线路；中压侧电压为35kv,有六回出线；其中有四回出线是双回路供电。低压侧电压为10kv,有八回出线,其中有六回是双回路供电。从以上资料可知本变电站为配电变电站。

2.2  主接线设计

配电变电站多为终端或分支变电站，降压供给附近用户或一个企业，其接线应尽可能采用断路器数目较少的接线，以节省投资和减少占地面积。随着出线数的不同，可采用桥形、单母分段等。低压侧采用单母线和单母线分段。可按一下几个原则来选：

（1） 运行的可靠

（2）具有一定的灵活性

（3）操作应尽可能简单、方便

（4） 经济上合理。

（5）应具有扩建的可能性。

变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。

（一）110KV侧

根据原始资料，待设变电站110kv侧有两回线路。按照《发电厂电气部分课程设计参考资料》规定：在110~220kv配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥形接线；当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。待设变电所可考虑以下几个方案，并进行经济和技术比较。

方案1：采用单母线分段带旁路接线

其优缺点：⑴对重要用户可采用从不同母线分段引出双回线供电电源。

⑵当母线发生故障或检修时，仅断开该段电源和变压器，非故障段仍可继续工作，但需限制一部分用户的供电。

⑶单母线分段任一回路断路器检修时，该回路必须停止工作。

⑷单母线分段便于过渡为双母线接线。

⑸采用的开关、刀闸较多，某一开关检修时，对有穿越电流的环网线路有影响。

〔6〕开关检修时，可用旁路代路运行，无需停电。

〔7〕易于扩建，利于以后规划。

方案2：采用内桥接线

其优缺点：⑴两台断路器1DL和2DL接在电源出线上，线路的切除和投入是比较方便。

⑵当线路发生故障时，仅故障线路的断路器断开，其它回路仍可继续工作。

⑶当变压器故障时，如变压器1B故障，与变压器1B连接的两台断路器1DL和3DL都将断开，当切除和投入变压器时，操作也比较复杂。

⑷较容易影响有穿越功率的环网系统，内桥接线适用于故障较多的长线路，且变压器不需要经常切换运行方式的变电所。

方案3：采用外桥接线

其优缺点：⑴当变压器发生故障或运行中需要切除时，只断开本回路的断路器即可。

⑵当线路故障时，例如引出线1X故障，断路器1DL和3DL都将断开，因而变压器1B也被切除。

⑶外桥接线适用于线路较短、变压器按经济运行需要经常切换且有穿越性功率经过的变电所。

以上三个方案所需110KV断路器和隔离开关数量：

表2—1    断路器和隔离开关数量

经以上三种方案的分析比较：

方案1虽然所用设备多，不经济，（单母线分段带旁路接线）但当任一回路的断路器检修时，该电站无需停电，对有重要负荷的地方有重要意义。

方案2（内桥式接线）虽然所用设备少、节省投资，但以后扩建最终发展为单母线分段或双母线接线方式，且继电保护装置整定有点复杂。

方案3（外桥式接线）虽然具有使用设备最少，且装置简单清晰和建造费用低等优点。但变压器随经济运行的要求需经常切换，当电网有穿越功率流经本站时比较适宜。

由于110kv只有2条进线，出于经济考虑，综合以上各个方案优缺点，决定采用单母分段带旁路接线方式.

图2—1  单母线分段带旁路接线

（二）10KV侧(8回出线)

分析：6-10KV配电装置出线回路数为6回及以上时，一般采用单母线分段接线

220KV及以下的变电所，供应当地负荷的6-10KV配电装置，由于采用了制造厂制造的成套开关柜，地区电网成环的运行检修水平迅速提高，采用单母分段接线一般均能满足运行需求。（出线回路数增多时，单母线供电不够可靠）

图2—1  单母线分段接线

（三）35KV 侧（6回出线）

35kv送出六回线路,可采用单母线接线或单母线分段接线方式。但单母线接线方式只适用于6~220kv系统中只有一台发电机或一台主变压器的发电厂或变电所。一般主变不少于2台，故选用单母分段带旁路接线方式。

图2—3  单母线分段带旁路接线

主接线：  由以上分析比较，可得变电站的主接线方案为：110KV采用单母分段带旁路接线方式，10KV采用单母分段接线，35KV采用单母分段带旁路接线方式。

3  负荷计算

要选择主变压器和站用变压器的容量，确定变压器各出线侧的最大持续工作电流。首先必须要计算各侧的负荷，包括站用电负荷（动力负荷和照明负荷）、10kV负荷、35kV负荷和110kV侧负荷。

计算公式为：

有功功率： =                                         （3-1）

无功功率： =                                       （3-2）

视在功率：                                      （3-3）

计算电流:                                       （3-4）

根据原始资料，在线路上有多个工厂同时工作，在求计算负荷时应再计入一个同时系数，当计算负荷小于5000kW时，同时系数在0.9～1.0之间变动。计算时，取同时系数为1.0。

需用系数法所用公式为：

式中：、、--为用电设备组的有功、无功和视在计算负荷；

--同时系数；

m-所低压母线上所接用电设备组总数；

、、--对应于某一用电设备组的需用系数、功率因数角正切，总设备容量；

--该用电设备组的计算电流；

--额定电压。

4  短路电流的计算

4.1  三绕组变压器阻抗

4.2  计算思路

当在最大运行方式下时，

取SB=100MVA  UB=Uav

系统标幺阻抗XG*未知时，用公式，取XG*=0.8，E"取1.08

在最小运行方式下：

系统标幺电抗取1  即XG*=1 短路计算方法同最大运行方式相同

5  电气设备的选择布置

5.1  变配电装置的选择与布置

配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。它是根据主接线的联结方式，由开关电器、保护和测量电器、母线和必要的辅助设备组建而成，用来接受和分配电能的装置。

配电装置按电器装设地点不同，可分为屋内和屋外配电装置。

配电装置的型式选择，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜、节约用地，并结合运行及检修要求，通过技术经济比较确定。一般情况下，在大、中型发电厂和变电所中，35KV及以下的配电装置宜采用屋内式；110KV及以上多位屋外式。当在污秽地区或市区建110KV屋内和屋外配电装置的造价相近时，宜采用屋内型，在上述地区若技术经济合理时，220KV配电装置也可采用屋内型。

发电厂和变电所中6~10KV的屋内配电装置，按其布置型式，一般可以分为三层、二层和单层式。三层式是将所有电器依其轻重分别布置在各层中，它具有安全、可靠性高，占地面积少等特点，但其结构复杂，施工时间长，造价较高，检修和运行不大方便。二层式是将断路器和电抗器布置在底层。与三层式相比，它的造价较低，运行和检修较方便，但占地面积有所增加。三层式和二层式均用于出线有电抗器的情况。单层式占地面积较大，如容量不太大，通常采用成套开关柜，以减少占地面积。

屋外配电装置的型式除与主接线有关外，还与场地位置、面积、地址、地形条件及总体不知有关，并受到设备材料的供应、施工、运行和检修要求等因素的影响和限制。

普通中型配电装置，国内采用较多，施工、检修和运行都比较方便，抗震能力较好，造价比较低；缺点是占地面积较大。广泛应用于110~500KV电压级。

高型配电装置的最大优点是占地面积少，一般比普通中型节约50%左右。但耗用钢材较多，检修运行不及中型方便。半高型布置节约占地面积不如高型显著，但运行、施工条件稍有改善，所用钢材比高型少。一般高型适用于220KV配电装置，而半高型宜于110KV配电装置。

根据以上原则，选择配电装置如下：

图5—1  配电装置选择表

5.2  变压器的继电保护

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研总的影响。同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。

变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障，油箱内部故障包括相间短路，绕组的匝数短路和单相接地短路，外部故障包括引线及套管处会产生各相间短路和接地故障。变压器的不正常工作状态主要是由外部短路或过负荷引起的过电流油面降低和过励磁等。

根据DL400--91《继电器保护和安全起动装置技术规程》的规定，变压器应装设以下保护：

（1）瓦斯保护

为了反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低，对0.8MVA及以上油浸式变压器和户内0.4MVA以上变压器应装置设瓦斯保护。

（2）纵差动保护或电流速断保护

为了反应变压器绕组和引出线的相间短路以及中性点直接接地电网侧绕组和引线的接地短路及绕组匝间短路，应装设纵差保护或电流速动保护。

纵差动保护适用于：并列运行的变压器，容量为6300KVA以上时；单独运行的变压器，容量为10000KVA以上时；发电厂常用工作变压器和工业企业中的重要变压器，容量为6300KVA以上时。

电流速断保护适用于1000KVA以下的变压器，且其过电流保护的时限大于0.5S时。

（3）外部相间短路时，应采用的保护：

过电流保护，一般用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流；

复合电压启动的过电流保护，一般用于升压变压器及过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器上；

负序电流及单相式低电压启动的过电流保护，一般用于大容量升压变压器和系统联络变压器；

阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器，当采用前两种保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。

（4）系统外部接地短路时，应采用的保护

对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。

对自耦变压器和高中压侧中性点都直接接地的三绕组变压器，当有选择性要求时，应该增设零序方向元件。

当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地短路时，中性点接地的变压器跳开后，中性点不接地的变压器（低压侧有电源）仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护等。

（5）过负荷保护

对400KVA以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。

（6）过励磁保护

对400KVA及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。

5.3 防雷设计与避雷器选择

根据避雷器配置原则，配电装置的每组母线上，一般应装设避雷器；变压器中心点接地必须装设避雷器，并应接在变压器与断路器之间；110、35KV线路侧一般不装设避雷器。

本工程采用110KV、35KV配电装置构架上设避雷针；10KV配电装置设独立避雷针进行直接雷保护。

为了防止反击，主变构架上不设置避雷针。

避雷器选择情况见下表：

图5—2  避雷器选择表