电气工程及其自动化-110kv变电站电气部分设计与实现

110kv变电站电气部分设计与实现

1 前言

1.1 研究的目的和意义

1.1 变电站电气设计研究背景

随着我国经济的飞速发展和现代工业的迅速崛起，我国各地的居民用电量也在迅猛增长中。这导致我国初期建设的变电所的总体容量已经远远无法适应如今对电能需求的大幅度增量。为了解决供电量不足的问题，最主要的解决方法便是建立新的变电所。另外随着对电能要求、技术发展、资金投入和供电可靠性的要求逐渐增加，对变电所的设计也有了更加多维、更加严格的要求。

能源产业是国民经济中最重要的能源产业，也是国民经济中第一个构成公民关系基础的基础产业，是国家发展战略的优先发展点。电力工业作为先进的生产力和基础企业，在促进人民的经济和社会进步方面发挥着重要作用[1]。与社会经济和社会发展密切相关的不仅是国家经济安全的战略问题，而且是人民的日常生活和社会稳定。随着中国经济的增长和能源需求的增加，能源消耗的增加刺激了整个电力系统[2]。变压器是电气网络中电路的连接点，充当变压器、开关性能以及集电和配电选择，直接影响整个电力系统的安全经济运行。发电厂的电气部分通常分为一部分和二部分。发电的特点是发电、发电、发电和电力的需求系数和并发性。110kv变电站是电网供电的重要节点，其电气系统设计的合理性和科学性，能够有效地提高电网供电质量，降低线路损耗和电能消耗，提高电能转换效率。

通过科学的110kv变电站电气系统设计，减少系统故障和停电时间，提高系统稳定性，可降低电网的运行成本，提高能源利用效率。110kv变电站电气系统设计对电力工业的发展具有重要的推动作用。通过引进先进的设计理念、技术和设备，不断提高变电站电气系统的科学性和智能化程度，有利于推动电力工业的技术创新和产业升级。本文主要介绍了110kV变电站电气部分的设计方法和技术。该论文重点讲解了110kV变电站的构成原理、电气设备选型、电缆敷设和接线、自动化控制及保护等方面，并且从理论与实践相结合的角度出发，详细分析了每一个环节的设计和实现过程。

1.2 变电站电气设计国内外研究现状

建立全国统一的联合电网是我国今后发展的目标。对于现阶段而言，我国研究变电所的主要方向是对于其典型方案的规划与设计。在研究过程当中，先对以往已经建成的变电所进行比较与评估，再进行组合，最后作出典型方案并进行相应的局部优化以满足整个电网的总体水平与供电要求。对于较高要求的标准化变电所，将典型方案与我国当今的管理技术相结合，统一工程技术标准和流程，降低建设成本的同时加快建设总体进程，提高工程总体效率[4]。

另外，国家也格外重视智能电网的建设，对很多变电所进行了改造，逐渐结合人工智能技术和自动化技术，向电网智能化、自动化方向发展。

现如今，我国变电所的综合自动化系统的设计标准还没有统一，而国外的厂商对系统的标准制定和技术规范格外注重，这也是今后我国在变电所自动化发展中迫切面临解决的问题。

国家电力系统能源消耗发生明显变化后，发现了一些未能满足社会主义市场经济需要的弊端。我国农村地区出现巨大的电力波动，电力结构发生变化，发电速度高于城市，我国农村电网大多薄弱，终端厂数量少，供电半径长，线路严重损坏，线路末端消费者电压弱，电力质量影响生活和生产，导致电价高，严重影响我国农村电力的发展。为了提高电网的可靠性，减少停电，提高电压质量，提高电力企业的经济效益，促进电力工业的发展，提高各经济体的总体竞争力，以及加快电力系统改革进程的必要性。在国外，偏远的小型电网运行只是为了保护目的，而不是为了监测目的。电力电流的实时数据采用传统的手动方式处理，所有开关设备都是手动控制的。旧发电机的自动重组是在现有第二台设备的基础上提供远程数据采集和控制的RTU。110kV线路采用SF6断路器或断路器操作，每条线路均采用常规微保护和测量系统，在该系统中，实时数据通过点对点连接从变频器传输到调度控制。这是断路器。变频器配置了更高级别的继电器保护。110kV电力线采用了一种载波装置，该装置以前有助于配电自动化，其实时数据必须从点到点配电装置传输到父配电系统或父配电系统。变压器的输入和输出线路使用断路器或隔离开关进行偏移。它们负责采集、控制、传输和故障检测、故障隔离、电源恢复等，在该区域内的供电中为电源变压器供电，这种电力是网络自动化的核心，规模更大[5]。

1.3 本文主要工作内容

本文主要介绍了110kV电厂建设的基本程序和方法。主要内容如下：

第一章结论，对课题的研究背景及现状进行了说明；

第二章负荷计算及主接线方案确定，首先在设计中对负载进行了评估，然后根据评估结果选取了所需的主接线设计方案。其次，选择电源线路是电气设计的主线后，进行了短路计算，确保线路的安全性，与电厂运行的可靠性、经济性和灵活性要求密切相关；

第三章短路计算，110kV短路电源计算是选择电气设备装置的基础；

第四章电气设备的选择及校验，根据短路电流调整和校验装置参数的能力。

第五章继电保护配置及防雷保护，对发电厂的继电保护控制和避雷装置的概念进行了集中阐述，并根据实际情况进行了选型；

第六章结论，总结全文。

2 负荷计算及主接线方案确定

2.1 变电所的总体分析

由于本地区经济发展的需要电力供不应求的情况下，为了适应本地区经济的发展要在本地区建设110kV变电站。具体要求如下。该变电所所用电压为0.4kV，厂区配电电压为110kV：

表2-1负荷如下表

主变容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330kV及以下电力系统中，一般都应选用三相式变压器。因为一台三相式变压器较同容量的三台单相式变压器投资小、占地少、损耗小，同时配电装置结构较简单，运行维护较方便。因此本项目110kV电房设计在满足供电可靠性的前提下，为减少投资，故选用三相变压器。

2.2 电气主接线的设计原则

变电站是用于变换电压或调节电压的设施，主要是将高压输电线路所传输的电能，经过变压器的降压变压或升压变压，转换成适合分配和使用的中、低压电能，以满足工业、农业、居民和公共设施等用电需求。在变电所中，为满足功率传送及运行等要求而设计的电能传送电路叫做电气主接线。不同的变电所因各个电压等级侧所接的系统情况、进出线回路数以及负荷等级不同，其主接线形式也不一样[6]。对电气主接线设计的基本要求主要分为可靠性、灵活性和经济性三个方面。110kV变电站是一种大型的电力设施，主要是用于将高压电能转换为低压电能，以供给终端用户使用。在电力系统中，110kV变电站通常是电网中级节点，承担着电力输送、配电、调节和保护等重要工作。

110kV变电站的主要构成部分包括变压器、断路器、电容器、熔断器等设备，同时还包括保护、测量、控制、通信等配套设备，以及相应的建筑物、道路及其它设施。

为了确保变电站的正常运行，变电站设计需要按照国家和行业标准进行，并且需要经过严格的电气设计、土建设计、安全评估、环境评估等检验和审批。同时，变电站还需要定期检修、维护和升级，以保障系统的安全、可靠和高效运行。变电站一般由进线、变压器、配电系统、控制系统和通信系统等部分组成。

进线：将输电线路中高压电流引入变电站。

变压器：将高压电流通过变压器降压、升压，变成适合生产和生活用电的低压电流。

配电系统：将变压器输出的电流分配到各个用电设备。

控制系统：用于对变电站的状态、工作过程、运行环境等进行监测和控制。

通信系统：用于与上级电网和下级用户进行通信，完成信息传递和控制命令下达。

变电站的原理

变电站的基本原理是将输送到变电站的高压电流通过变压器降压、升压，变成适合生产和生活用电的低压电流。同时，变电站还必须具有对电流进行配电、控制和通信等功能，以确保电网的正常运行和供电质量。

变电站在电网中的作用主要有以下几个方面：

（1）制定电能组合方式，满足不同用户需求。

（2）维持电网稳定，保障电能供应质量。

（3）协调上下级电网，实现安全、稳定的能量传输。

（4）实现对电能的测量、计量和收费。

2.2.1 结构布局

变电所安全稳定运行的前提条件就是主接线设计的可靠性。停电对国民经济的损失不可估量。主接线可靠性的具体要求为：

①尽量避免发电厂、变电所全部停电的可能性。

②在断路器进行故障检修时，不影响对用户的正常电能供应。

③尽量减少断路器短路故障或母线检修时，故障部分的停电范围和时间，保证Ⅰ级负荷和绝大多数Ⅱ级负荷的电能供应。

④对于重要用户能保证电能的特殊供应需求和电能质量。变电站结构和布局是变电站设计中非常重要的一部分，它直接影响着变电站的安全可靠运行以及维护和管理的便捷程度。

变电站的结构和布局应该考虑以下因素：

周围环境和地形，包括地质条件、洪水防护和风险评估等因素；

建筑材料的选择，应该满足抗震、防火和防腐等要求，保证变电站设备的安全可靠运行；

运行平稳和管道布置，为了确保变电站设备的正常运行，变电站内部应该尽可能地平稳有序，所有管道也需要布置得简洁明了；

安全和保护要求，变电站要有清晰的安全设施和防火防爆措施，确保员工的生命安全和电力设备的运行稳定；

维护和管理要求，变电站的布局应该尽可能地简单明了，容易进行维护和管理，这有助于提高变电站设备的使用寿命和可靠性，同时能够减少管理和维护的成本。

变电站的布局通常分为室外布局和室内布局。室外布局包括主变压器、变压器、断路器和熔断器等设备的布置。室内布局包括供电室、控制室、电容器室和维修室等。

通常，设计师应该遵循以下原则：

不要把变电站设计得太拥挤，可以为重要设备留出足够的空间，并确保安全通道通畅；

将接线口和设备布局规划得让工作人员方便维护每个部件和装置；

考虑好排水和地基的问题，以避免水源、洪水及土壤下滑等问题的发生；

确保配电站的设计符合地区法规和标准以免影响供电能力，产生安全问题。

2.2.2 灵活性

在变电所建成之后能够方便的进行周期性检修，同时能够满足因当地经济增长而扩建计划即表现了主接线的设计的灵活性。主接线灵活性的具体要求为：

①能灵活、简便、快速地根据调度要求切换运行方式并投切相应的线路或设备。同时能够按照要求和计划使变压器迅速地进入到下一个运行状态。

②检修时，可以安全迅速的停运相关电气设备，安全检修时同也能保证对当地的用户电力供应，不影响当地的发展建设。

③扩建时，能安全地从原始规划发展到最终方案。新变压器的使用不会增加停机时间和负载持续供电。同时，新电网可在项目结束后稳定运行，从而最大限度地减少员工工作量，减少投资。

2.2.3 经济性

在满足相对较高的可靠性和灵活性的前提情况下，尽量提高经济效益，节约建设过程的投资费、施工成本以及扩建成本。主接线经济性的具体要求为：

①节约材料，减少人力物力的投入从而节省投资。实现安全可靠的运行的前提下避免不必要的检修和维护。

②通过合理的接线、紧凑的布置、附属设备的简化来优化设计，减小变电所的占地面积。

③减少电能传输过程中产生的损耗，提高电能质量。

另外，主接线的设计还要具有一定的安全性和利于扩建发展的方便性。

2.3 主接线设计方案

电力系统的主要电气设备的连接方法叫做主接线的接线方式。选取合适的主接线方式不但能满足变电所在供电可靠性、电能质量投资经济性等方面的需求，而且方便在日后的维修和扩建[7]。母线系统在变电站中起着集电、分配电力的作用，因此它的设计对于电气系统的运行和安全具有重要的影响。母线系统应考虑的参数包括：

额定电流：母线系统的额定电流应根据所连接的变电站主变容量和负荷进行设计，其数值应能满足实际使用情况下的电流需求。

短路容量：母线系统应能承受最大短路电流而不损坏，其短路容量应根据变电站的短路容量进行设计，以确保母线系统的安全性能。

电压等级：母线系统的电压等级应根据所连接的变电站主变电压等级进行设计，以确保母线系统能够稳定运行。

母线材料：母线系统的导体材料应能够承受母线系统的额定电流和电压，同时还要具备良好的导电性和抗腐蚀性能。常用的母线材料有铜和铝。

母线支持结构：母线系统的支架结构应能够承受母线的自重和负荷，同时还要具备良好的抗风、抗震和耐久性能。

母线连接：母线系统的连接方式应能够保证连接处的接触性好、接触面积大、接触电阻小，以确保母线系统的运行稳定和安全。

母线绝缘：母线系统的绝缘应根据变电站的标准进行设计，以确保母线系统能够安全运行。

总之，在设计母线系统时，应综合考虑电气、力学和材料等方面的因素，以确保母线系统能够稳定、安全地运行。几种较为常见的典型主接线形式如下：

2.3.1 单母线接线

同一组母线上连接着所有引出线和电源进线。母线既能保证电源并列运行，又能使所有出线回路都可以从其中一条线路获取电能。输入功率在各出线回路不一定均等，尽量使各出线回路上的负荷分布均匀，以减少在线路传输上产生的能量损耗。

优点：接线简单清晰、需要的设备少、一次投资少，所以经济性好，且有利于扩建。

缺点：供电可靠性差，母线检修或故障时，所在回路停止工作，造成全站长期停电；电源只能并列不能分列，灵活性差。

应用：6~10kV电压等级的出线回路数小于等于5回，110~63kV电压等级的出线回路数不超过3回，110~220kV电压等级的出线回路数小于等于两回。

2.3.2 单母分段接线

用分段断路器接通两个电源运行。两端分别引出两条线路，两个电源分别向重要用户供电。当某段母线发生故障时，分段断路器自动断开。两段母线一起故障的几率很小，可以忽略。

优点：既可以并列运行又可以分列，提高了灵活性；缩小了母线故障的检修范围。

缺点：在母线故障或进行检修时，其上所有的回路全部都要停止供电；双回出线时须要两个方向均衡扩建。

应用：6~10kV配电装置的出线为6回及以上，110~63kV配电装置的出线回路数为 4~8回，110~220kV电压等级的出线回路数3~4回。

2.3.3 单母线分段带旁母线接线

带有旁路母线可以在任一进出线上的断路器检修时，避免停电影响负荷供电优点：带有专用旁路断路器母线能大大地提高供电可靠性。

缺点：附加的旁路断路器会提高投资，经济性不好。

应用：进出线数量较少、电压等级为110~110kV的中小型变电所。

2.3.4 双母线接线

断路器设在每个电源和出线的回路，两组母线隔离开关与两组母线分别相连。母线之间通过母线联络断路器进行联络。两根母线互为备用。

优点：比起单母线接线供电更为可靠，调度灵活、容易实现扩建。

缺点：使用的设备繁多，配电装置较为复杂，很容易误操作，且需要的投资较大。

应用：广泛用于出线带电抗器的6~10kV 配电装置；110~63kV出线数超过 8回，或电源较大、负荷较大的情况；110~220kV 侧的出线数不少于5回时。

2.3.5 双母线分段接线

母线由分段断路器分成两截，每截连接相应的备用母线及母联断路器，两段母线上的电源和出线均匀分布。当一段母线出现故障后，分段断路器会先断开，其次电源回路的断路器自动跳开，最后相应出线回路停电。若想恢复供电，将故障母线所连的回路接到备用母线上。

优点：可以实现短时停电，缩小停电范围，避免短期停电。缺点：使用的设备和装置繁多复杂，投资相对较高。

应用：广泛应用于发电厂6~10kV的配置中，同时也用在220~550kV电压等级较高、容量较大的配电装置中。

2.3.6 双母线带旁路母线接线

回路断路器检修时用旁路断路器代替，以防回路停电影响对重要用户的电能供应。但增设的隔离开关增加了投资，倒闸操作变得复杂。

优点：节省一台断路器，运行灵活性较高且较为可靠。缺点：占地面积大且投资较多，经济性不好。

应用：适用于旁路母线的线路回数较多且对供电可靠性要求较高的场合。

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