变电所一次系统最佳方案的设计

电气工程及其自动化专业课程设计

变电所一次系统最佳方案的设计

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一、设计要求

35KV 变电所简图如图所示，双电源供电，变电所为降压变电站，两台变压器，双回路进线，

引出多条出线

各元件参数为：

发电机：S N =30MV ∙A ，X d '' =0.186， cos ϕ=0.8；

变压器：S NT =12MV ∙A ，额定电压：35/10.5kV，U K %=7.5 ，∆P 0=10KW ， ∆P K =50KW ，I 0%=1，允许过载倍数：1.1；

线路L1：单位长度电抗X =0.4Ω/km ，L 1=20km ，L 2=5km ；

负载：X l '' =0.3，S NL =10MV ∙A 。

1. 设计35kV 降压变电所的的主接线方案（无需经济性比较）

2. 选择35kV 侧和10kV 侧断路器及隔离开关的型号

二、设计方案

变电所一次接线系统中所用设备最多的是高压断路器和高压隔离开关，为此一次系统方案

设计中主要以高压断路器和高压隔离开关等设备和一次接线方式的选择为主，分析一次系统的最佳方案确定。

在发电厂和变电所中，根据电能生产、转换和分配等各环节的需要，配置了各种电气设备

及一次接线系统。不同类别的电气设备承担的任务和工作条件各不相同，因此他们的具体选择方法也不相同。但是，为了保证工作的可靠性及安全性，在选择时的基本要求是相同的，即正常运行条件下选择，以短路条件校验其动稳定性和热稳定性。对于断路器、熔断器等还要校验其开断电流的能力。本次设计步骤如下：

1. 按照题目要求，分析变压器两端接线特点，根据各种主接线的适应范围，参照《中华人民共国国家标准35kV ～110kV 变电站设计规范》GB50059-2011，初步拟定主接线方案，然后从接线的可靠性、灵活性、操作简单程度及扩建简单程度等方面比较各种主接线方案，选择决定最终方案。

2. 通过负荷容量及变压器参数计算变压器两端最大电流。

3. 根据变压器两侧电压等级，及流过两侧线路的最大电流在正常状态下初步选定选择断路器、隔离开关的型号。

4. 通过计算电力系统各元件标幺值计算最大运行方式下变压器两端短路次暂态电流及短路冲

击电流，以用于短路器及隔离开关的校验。

5. 对于变压器两侧的断路器，最大运行方式下短路时，流过的短路电流最大，计算此时的短路电流和冲击电流，以校验热稳定性，动稳定性，开断能力。

6. 校验隔离开关的热稳定性，动稳定性是否满足要求

- I -

三、设计内容

1、主接线形式选择

根据《中华人民共国国家标准35kV ～110kV 变电站设计规范》GB50059-2011：

第3.2.1条：变压器的主接线，应根据变电站在电网中的地位、出线回路数、 设备特点及负荷性质等条件确定， 并应满足供电可靠、 运行灵活、操作检修方便、 节约投资和便于扩建等要求。 变电站在满足供电规划的条件下，宜减少电压等级和简化接线。

第3.2.2条：在满足变电站运行要求的前提下，变电站高侧宜采用断路器较少或不设置断路器的接线。

第3.2.3条：35kV ～110kV 电气接线宜采用桥形、扩大桥形、线路变压器组或线路分支接线、单母线或单母线分段的接线。

第3.2.4条：35kV ～66kV 线路为 8 回及以上时，宜采用双母线接线.110kV 线路为 6 回及以上是，宜采用双母线接线。

第 3.2.5条：当变压器装有两台及以上主变压器时，6kV ～10kV 电气接线宜采用单母线分段， 分段方式应满足当其中一台主变压器停运时， 有利于其他主变压器的负荷分配的要求。

1.1方案初步拟定

1.1.1变压器一次侧主接线

变压器一次侧主接线，两条进线，两条出线，初步拟定三种方案：内桥接线、外桥接线、全桥接线。

图 1 内桥接线 图 2 外桥接线

方案比较 ：

（1）内桥接线：

如图 1，内桥接线在发电机故障或切除、投入

时，不影响其余回路工作，操作简单。而在变

压器故障或切除、投入时，需暂时断开与之相

连的发电机出口断路器与联络线断路器，会使

相应线路短时停电且操作复杂。

（2）外桥接线：

如图 2,外桥接线在变压器故障或切除、投入

时，不影响其余回路工作，操作简单。而在发

电机故障或切除、投入时，需暂时断开与

之相连的变压器出口断路器与联络线断路器，

会使相应线路短时停电且操作复杂。

图3 全桥接线

（3）全桥接线：

如图 3，变压器一次侧使用全桥接线有较高的可靠性与灵活性。当任意发电机或变压器由于故障检修等原因退出运行时，只需断开与之相邻的断路器，操作简单，对整个系统影响较小。但是全桥接线需五套断路器，接线较复杂，成本较高。

（4）综上所述，经过技术比较，全桥接线满足灵活性与可靠性的需要，故一次侧采用全桥接线。

1.1.2变压器二次侧主接线

查各种主接线应用范围，得常见主接线适用35kv 电压等级变电装置的两条进线、多条出线主接线有单母线，单母线分段解线，双母线接线。且根据《中华人民共国国家标准35kV ～110kV 变电站设计规范》GB50059-2011有关内容，初步拟定两种方案：单母线分段解线，双母线接线。

图4 单母线分段接线

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方案比较：

（1） 单母线分段接线 ：

①优点：

接线简单，投资省，操作方便。用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路自动将故障段切断，保障正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电；

②缺点：

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。当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间停电；由于这种接线当进出线较多或需要对重要负荷采用两条出线供电时，增加了出线数目，且常使架空线交叉跨越，使整个母线系统可靠性受到限制

③适用范围：

小容量发电厂的发电机电压配电设备，一般每段母线上所接发电容量为12MW 左右，每段母线上出线不多于5回，变电站有两台主变压器时的6-10kV 配电装置； 35-63kV配电装置出线回路数为4-8回时；110-220kV 配电装置出线回路数为3-4回时。

图5 双母线接线

（2）双母线接线：

①优点：

·供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路的母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条电路和与此隔离开关相连的该组母线，其它电路均可通过另一组母线继续运行。

·调度灵活。各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活的适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要；通过倒换操作可以组成各种运行方式。

·扩建方便。向双母线左右任何方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，施工中也不会造成原有回路停电。

②缺点：

每一回路都增加了一组隔离开关, 使配电装置的构架及占地面积､投资费用都相应增加; 同时由于配电装置的复杂, 在改变运行方式倒闸操作时容易发生误操作, 且不宜实现自动化; ③适用范围：

进出线回数较多、容量较大、出线带电抗器的6-10kv 配电装置；35-60kv 、出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110kv 出线数为6回及以上时；220kv 出线数为4回及以上时。

（3）综上所述，经过技术比较，双母线接线满足可靠性、灵活性、经济型的需要，故二次侧采用双母线接线。

1.1.3最终方案

故最终主接线方案选定为全桥双母线接线，见图6

图6 全桥双母线接线

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2. 负载计算

根据《中华人民共国国家标准35kV ～110kV 变电站设计规范》GB50059-2011第3.1.3条、装有两台及以上主变压器的变电站，当断开一台变压器时，设其余主变压器的容量（包括过负荷能力）应满足全部一、二级负荷用电的要求。

故由需用系数法确定负载大小，当负载总容量S L =10MV ﹒A ，取其中一、二级负载占总容量的70%，即

10⨯70%=7MV ∙A

一台主变压器的容量（包括过负荷能力）满足全部一、二级负荷用电的要求。

变压器一次侧最大电流：I NT 1=10⨯106==164.96(A ) 31.732⨯35⨯10

过负载时的电流为：I T max1=1.1⨯164.96=181.46(A )

变压器二次侧最大电流：I NT 1=10⨯106==549.86(A ) 31.732⨯10.5⨯10

过负载时的电流为：I T max1=1.1⨯549.86=604.85(A )

3. 正常运行条件选设备

选择条件：设备电压、电流均大于等于实际值，设备选择如下：

3.1断路器参数

表1 断路器型号初步选择与参数列表

3.2隔离开关参数

表2 隔离开关型号初步选择与参数列表

4. 短路电流计算

4.1电气元件标幺值计算

取基准容量S B =100MV . A 。基准电压U B =U av （平均额定电压）。

（1）发电机电抗标幺值

X G *2" X G %U N S B X d S B ==2100S N U B S N '' 式中X G %——发电机电抗百分数，由发电机铭牌参数的X d ⨯100=X G %；

'' X d ——发电机铭牌参数的的次暂态电抗标幺值；

S B ——已设定的基准容量（基准功率），MV ∙A

P N ——发电机额定的有功功率，MV

发电机G ：

（2）负荷电抗标幺值 X G *2" X G %U N S B X d S B 0.186⨯100====0.622100S N U B S N 30

X L *=X L ''

S B S NL

100=3 10负载L ： X L *=0.3⨯

（3）变压器电抗标幺值

X T *2X K %U NT S B X K %S B ==2100S NT U B 100S NT

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式中 U K %——变压器阻抗电压百分数；

S B ——基准容量，MV ·A ；

S NT 、U NT ——变压器铭牌参数给定额定容量，MV ·A 、额定电压，kV ；

U B ——基准电压U B 取平均电压Uav ，kV 。

变压器T ： X T *=

（4）线路电抗标幺值 * X W =X K %S B 7.5⨯100==0.625 100S NT 100⨯12S B Xl 2U B

式中 X ——线路单位长度电抗；

l ——线路长度，km ；

S B ——基准容量， MV·A ；

U B ——输电线路额定平均电压，基准电压U B =U av ，kV 。

输电线路的等值电路中有四个参数，一般电抗X W >>R W , 故R W ≈0。由于不做特别说明，故电导、电纳一般不计，故而只求电抗标幺值。

L 1线路电抗标幺值 ： X L 1*=XL 1

L 2线路电抗标幺值： X L 2*=XL 2

4.2短路电流计算 S B 100=0.4⨯20⨯=0.584 22U B 137S B 100=0.4⨯5⨯=1.81 22U B 10.52

短路点选择：变压器高压侧端口K1短路，流过高压侧断路器的短路电流最大；变压器低压侧端口K2短路，流过低压侧断路器的短路电流最大。

系统的最大最小运行方式下的等值电路图如图：

图7 最小运行方式 图8 最大运行方式

（1）短路点的次暂态电流实际值I ''

I '' =I '' *⨯I B =

（2）冲击电流i M 的计算

I E ''

⨯I B =B （取电源电势标幺值E '' =1） X ff *X ff *

i M =K im ⨯I '' （ 短路冲击系数K im =1.8）

K1

点短路时I B 1=

==1.560；K2

点短路时I B 2===5.499 最小运行方式K1点短路时： 短路点的次暂态电流有名值：I '' =冲击电流i M 的计算：

i M =最大运行方式K1点短路时： 短路点的次暂态电流有名值：I '' =冲击电流i M 的计算：

i M =最小运行方式K2点短路时：

I B 1.560

==1.296(A ) X ff *1.204

K im ⨯I '' =2.55⨯1.296=3.304(A )

I B 1.560

==2.591(A ) X ff *0.602

K im ⨯I '' =2.55⨯2.591=6.608(A )

- IX -

短路点的次暂态电流有名值：I '' =冲击电流i M 的计算：

i M =最大运行方式K2点短路时： 短路点的次暂态电流有名值：I '' =冲击电流i M 的计算：

i M =

I B 5.499

==3.007(A ) X ff *1.829

K im ⨯I '' =2.55⨯2.87=7.667(A )

I B 5.449

==5.955(A ) X ff *0.915

K im ⨯I '' =2.55⨯5.74=15.186(A )

计算结果列入下表中：

5、设备校验

选择原则：正常运行条件下选择设备，在最大运行方式三相短路情况下校验设备的热稳定性、动稳定性与切断能力。

由于是变压器端口处短路，保护动作时间按后备保护校验。取引出线保护动作时间 2.0s，变压器一次侧保护动作时间 2.5s，变压器二次侧保护动作时间 3.0s；燃弧时间取 0.06s。 5.1一次侧设备校验

（1）断路器校验 SW2-35/600

对一次侧断路器短路热稳定计算时间：

t k =t pr +t in +t a =2.5+0.06+0.06=2.62(s )

t pr ：后备保护时间（取变压器一次侧保护动作时间 2.5s） t in ：固有分闸时间（取SW2-35/600固有分闸时间0.06） t a ：燃弧时间

对一次侧断路器热稳定校验：

因为t k > 1s ，则 非周期分量热效应Q np = 0 ，短路热效应Q k 等于周期分量热效应Q p ，即

Q K =Q p =I'' 2t k =2.5912⨯2.62=17.59kA 2⋅s

22

Q K

。

所以满足热稳定要求。 对一次侧断路器动稳定校验:

i M =2.55⨯I K 1=2.55⨯2.591=6.61KA

所以满足动稳定校验。 对一次侧断路器校验断开能力：

因为t k =2.62s ＞0.1s ，故可用I '' 校验，高压断路器额定开断电流

I Nbr =6.6KA

I '' =2.591KA

以上计算表明，一次侧选用SW2-35/1000型断路器满足要求。 （2）隔离开关校验GW5-35G/600A

对一次隔离开关热稳定校验：

因为t k > 1s ，则 非周期分量热效应Q np = 0 ，短路热效应Q k 等于周期分量热效应Q p ，即

Q K =Q p =I'' 2t k =2.5912⨯2.62=17.59kA 2⋅s

22

Q K

。

所以满足热稳定要求。 对一次侧隔离开关动稳定校验:

i M =2.55⨯I K 1=2.55⨯2.591=6.61KA

所以满足动稳定校验。

由于隔离开关不用来接通和切除短路电流，故无需进行开断电流能力校验。 综上，经校验隔离开关型号GW5-35G/600满足设计要求。 校验结果列入下表中：

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（1）断路器校验 SN3-10/2000

对二次侧断路器短路热稳定计算时间：

t k =t pr +t in +t a =3+0.14+0.5=3.64(s )

t pr ：后备保护时间（变压器二次侧保护动作时间 3.0s） t in ：固有分闸时间 t a ：燃弧时间

对二次侧断路器热稳定校验：

因为t k > 1s ，则 非周期分量热效应Q np = 0 ，短路热效应Q k 等于周期分量热效应Q p ，即

Q K =Q p =I'' 2t k =5.9552⨯3.64=129.08kA 2⋅s 。

22

Q K

所以满足热稳定要求。 对二次侧断路器动稳定校验:

i M =2.55⨯I K 1=2.55⨯5.955=15.19KA

所以满足动稳定校验。 对二次侧断路器校验断开能力：

因为t k =3.64s >0.1s ，故可用I '' 校验，高压断路器额定开断电流

I Nbr =29KA

I '' =5.955KA

以上计算表明，二次侧选用SN3-10G/2000 型断路器满足要求。 （2）隔离开关校验 GN6-10T/1000A

对二次隔离开关热稳定校验：

因为t k >1s ，则 非周期分量热效应Q np = 0 ，短路热效应Q k 等于周期分量热效应Q p ，即

Q K =Q p =I'' 2t k =5.9552⨯3.64=129.08kA 2⋅s 。

22

Q K

所以满足热稳定要求。 对二次侧隔离开关动稳定校验:

i M =2.55⨯I K 2=2.55⨯5.955=15.185KA

所以满足动稳定校验。

由于隔离开关不用来接通和切除短路电流，故无需进行开断电流能力校验。 综上，经校验隔离开关型号GN6-10T/1000A满足设计要求。 校验结果列于下表中

四、调试结果分析及结论

在电力系统设计中，电气主接线设计是一项十分复杂的综合性工作，必须遵循国家有关法律、法规、方针、政策，依据相应的国家规范、标准和设计规程，综合具体工种的不同情况、不同要求，并按严格的设计程序与其他专业相互协调，由宏观到微观逐步地细化和充实、反复地比较和优化，最后提出技术上合格、经济上合理的设计方案。

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电气主接线设计必须以设计任务书为据，以国家相关规程为准，结合工程上的具体特点，全面地、综合地加以分析，设计出可靠性高、运行方便、灵活而又经济合理的最佳方案。

综上所述，无论从技术比较，还是从经济比较上全桥双母线接线能满足可靠性和经济性的要求，故选择全桥双母线接线。

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