电气主接线优化设计

电气主接线设计概述

变电所的主接线是指变电所的变压器，输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电所的主接线是电力系统接线组成中的一个重要组成部分，它代表了变电站电气部分的主体结构，是电气设计的首要部分。同时，它也是构成电力系统的主要环节，是电力系统网络结构的重要组成部分。主接线设计的好坏，直接影响到电力运行的可靠性、灵活性和经济性，并直接影响到电气设备、配电装置布置和继电保护装置的选择。因此，要使主接线的设计能够正确、合理，就必须结合实际的情况进行分析，使其满足电力系统安全、稳定、灵活和经济运行的要求，保证工业的正常生产和人民的日常生活。

一、主接线设计的依据

   在设计变电所电气主接线时，应认真分析设计任务书给定的原始材料，以下列各点作为方案设计的依据

   1、变电所在电力系统中的作用

电力系统中的变电所有系统区域枢纽变电所、地方重要变电所和一般变电所三种类型。系统枢纽变电所汇集多各大电源各大容量联络线，进行系统巨大的功率交换并以超高压供电，在系统处于枢纽地位，对国家或省(区)电力能源联系和供应，起着很大的作用，因此，对主接线的运行灵活性和供电可靠性要求高，主接线也较复杂。地方重要和一般变电所，是为地方或企业供电，输送功率较小，要求较低，主接线也较简单。

2、变电所的分期和最终建设规模

变电所建设规模应根据电力系统5～10年发展规划进行设计，为了保证对用户供电的可靠性，在一期工程的设计中，变电所的主变压器不应多于两台。

3、负荷大小和重要性

变电所要根据用户负荷的性质确定供电电源，对一级负荷必须有两个独立的电源供电，且当一个电源失电后，能保证对全部一级负荷不间断供电。对二级负荷一般也要求要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电，对三级负荷一般只需要一个电源供电。

4、系统备用容量的大小

   装有两台及以上主变电压的变电所，当其中一台事故断开时，其余变压器的容量应保证该变电所的70％的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一.二级负荷供电。

5、系统规划设计对电气主接线提供的具体材料

(1)出线电压等级 ,回路数，每回输送容量和{zd0}负荷小时利用数

(2)主变压器的台数，容量和形式；变压器各侧的额定电压，阻抗，调压范围及各种运行方式下通过变压器的功率潮流

(3)调相机。静止补偿器。并联电抗器.串联电容补偿装置形式，数量，容量各运行方式的要求

(4)系统的短路容量和归算的电抗值。注明大小运行方式的正，负，零序电抗值。

(5)变压器中性点的接地方式及接地点的选择。

(6)系统过电压数值和限制内过电压的措施。

(7)初期和最终变电所与系统的连接方式，变电所的地理位置和环境条件。

二、 主接线的设计和基本要求

   我国电气设计的技术规程规定：主接线应根据变电所在电力系统中的地位，回路数，设备特点及负荷性质等条件确定，并且满足运行可靠，简单灵活，操作方便和节省投资等要求。以下就可靠性，灵活性和经济性的要求说明如下

1、可靠性：安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主

接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求。

主接线可靠性的具体要求：

（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电；

（2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对一级负荷全部和大部分二级负荷的供电；

（3）尽量避免变电所全部停运的可靠性。

2、灵活性：主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。

（1）为了调度的目的，可以灵活地操作，投入或切除某些变压器及线路，调配电源和负荷能够满足系统在事故运行方式，检修方式以及特殊运行方式下的调度要求；

（2）为了检修的目的：可以方便地停运断路器，母线及继电保护设备，进行安全检修，而不致影响电力网的运行或停止对用户的供电；

（3）为了扩建的目的：可以容易地从初期过渡到其最终接线，使在扩建过渡时，

无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。

3、经济性：主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。

主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备的投资，要能使控制保护不过复杂，以利于运行并节约二次设备和控制电缆投资；要能限制短路电流，以便选择价格合理的电气设备或轻型电器；在终端或分支变电所推广采用质量可靠的简单电器；

 电气主接线的初步方案选择设计

我国《变电所设计技术规程》SDJ2-79 规定：变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求，便于扩建。

一、主接线的接线方式选择

电气主接线是根据电力系统和变电所具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线路多时（一般超过四回）为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰、运行方便，有利于安装和扩建。而本所各电压等级进出线均超过四回，采用有汇流母线的连接方式连接。

1、各接线的适用范围

（1）单母线接线：

适用范围：一般只适用于一台发电机或一台主变压器

（2）单母线分段接线：

适用范围：

①6~10KV 配电装置出线回路数为6回及以上

②35~63KV 配电装置出线回路数为4~8回

③110~220KV 配电装置出线回路为3~4回

（3）双母线接线

适用范围：

6~10KV配电装置，当短路电流较大，出线需要带电抗器时;35~63KV配电装置，当出线回路数超过8回时，或连接的电源较多，负荷较大时;110~220KV配电装置出线回路数为5回及以上时，或当110~220KV配电装置在系统中居重要地位，出线回路数为4回及以上。

（4）双母线分段接线：

分段原则：

当进出线回路数为10~14回时，在一组母线上用断路器分段;当进出线回路数为15回及以上时，两组母线均用断路器分段;在双母线分段接线中，均装设两台母联兼旁路断路器;为了限制220KV母线短路电流或系统解列运行的要求，可根据需要将母线分段.

（5）增设旁路母线或旁路隔离开关的接线

为了保证采用单母线分段或双母线的配电装置在进出线断路器检修时，不中断对用户的供电时采用

变电站主接线方案的拟定

3个方案进行技术上的比较

方案一：220KV侧母线采用双母线接线方式；

        110KV侧母线采用双母线接线方式；

        10KV侧母线采用单母线分段接线形式。

方案二：220KV侧母线采用双母线带旁路母线接线方式；

        110KV侧母线采用双母线分段接线方式；

        10KV侧母线采用单母线分段接线形式。

方案三：220KV侧母线3/ 2母线接线方式；

        110KV侧母线采用双母线分段接线方式；

        10KV侧母线采用单母线分段接线形式。

电气主接线方案的经济技术比较

一、技术比较

1、单母线分段接线

优点：

用断路器把母线分段后，对重要的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，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

缺点：

当一段母线或母线隔离开关故障时或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电;当出线为双回路时，常使架空线出现交叉跨越;扩建时需向两个方向均衡扩建。

适用范围：6~10KV 配电装置出线回路数为6回及以上。

2、双母线接线

优点：

供电可靠性好。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致使供电中断；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，只停该回路;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，能灵活的适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要;扩建方便。像双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和符合均匀分配，不会引起原有回路的停电。当有双回架空线路时，可以顺序布置，以致连接不同的母线段时，不会如单母分段那样导致出线交叉跨越;便于试验。当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。

缺点：

增加一组母线，每回路就需要增加一组母线隔离开关;当母线故障或检修时，隔离开关作为倒闸操作电器，容易误操作。为了避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。

适用范围：110~220KV配电装置出线回路数为5回及以上时，或当110~220KV配电装置在系统中居重要地位，出线回路数为4回及以上。

3、双母线分段接线

适用范围：

当进出线回路数为10~14回时，在一组母线上用断路器分段;当进出线回路数为15回及以上时，两组母线均用断路器分段;在双母线分段接线中，均装设两台母联兼旁路断路器;为了限制220KV母线短路电流或系统解列运行的要求，可根据需要将母线分段

4、双母线带旁路接线

设置原则：

110KV及以上高压配电装置中，因为电压等级高，输送功率较大，送电距离较远，停电影响较大，同时高压断路器每台检修通常都需5-7天的较长时间，因而不允许因检修断路器而长期停电，设置旁路母线，从而使检修与它相连的任一回路的断路器时，该回路可以不停电，提高了供电的可靠性。

适用范围：

当110KV出线在6回及以上、220KV出线在4回及以上时，宜采用带专用旁路断路器的旁路母线。带有专用旁路断路器的接线，多装了断路器和隔离开关，增加了投资，而且操作复杂，容易误操作。

5、一个半断路器（3/2）接线

优点:高度可靠性，调度运行灵活，操作检修方便.任一母线故障或检修,均不导致停电.

缺点:造价高，而二次控制复杂，一般只在大容量变电站中使用.

6、比较结果

因为高可靠的SF6断路器，使得带旁路的接线方式反而因为容易造成误操作可靠性反而低，现在已经很少用，出于对变电站供电可靠性和供电需求的考虑，220KV侧宜采用双母线带旁路接线，所以淘汰方案二。剩下方案一与方案三进行经济比较。

二、经济比较

1、经济比较的原则

（1）、投资及年运行费用低，并且有分期投资的可能性

（2）、国家短缺的原材料消耗较少

（3）、建设工期短

2、从电气设备的数目及配电装置上进行比较

方 案 项  目		方案一	方案三
220KV配电装置		双母线	3/2接线
110KV配电装置		双母线	双母分段
10KV配电装置		单母线分段	单母分段
主变台数		2	2
断路器的数目	220KV	9	18
	110KV	13	15
	10KV	11	11
隔离开关的数目	220KV	6+3*6=24	32
	110KV	6+3*10=36	40
	10KV	4+2*8=20	20

 

3、计算综合投资Z

（1）  Z＝ (1＋ ) (元)

式中: —为主体设备的综合投资,包括变压器﹑高压断路器﹑高压隔离开关及配电装置等设备的中和投资;

a-    为不明显的附加费用比例系数,一般220取70％,110取90％.

（2）主体设备的综合投资如下：

①主变：

 

②220KV侧LW2—220型断路器：

 

③220KV侧GW6—220D/1000—80型隔离开关

 

④110KV侧SW4—110/1000型断路器  

 

⑤110KV侧GW4—110D/1000—80型隔离开关

 

⑥10KV侧SN4—10G/5000型断路器

 

⑦10kv侧GN10-10T/5000-200型隔离开关

 

⑧配电装置

⑨综合投资

4、计算年运行费用U

①   U＝a△A＋ ＋ (万元)

式中: —检修、维护费,一般取(0.022～0.042)Z

  —折旧费,一般取(0.05～0.058)

a--电能电价,一般可取0.1元/kw·h

△A—变压器电能损失(kw·h)

②三绕组变压器

△A＝n(△ ＋K△ )T＋ [(△ ＋K△ ) ＋(△ ＋K△ ) ＋(△ ＋K△ ) ]

式中: n—台数,T—三绕组变压器的年运行小时数,K—无功经济当量,系统中的变压器取0.1

      △ ﹑△ —分别为三绕组变压器的空载有功损耗和空载无功损耗 KW

     △ ﹑△ ﹑△ —分别为三绕组变压器一﹑二﹑三侧绕组的有功损耗 KW

     △ ﹑△ ﹑△ —分别为三绕组变压器一﹑二﹑三侧绕组的无功损耗 KVAR

     ﹑ ﹑ —分别为三绕组变压器一﹑二﹑三侧绕组{zd0}负荷损耗时间h

主变的参数如下表：

 

＝ ％× ＝0.7×1800＝1260

＝ ％× ＝14×1800＝25200

＝ ％× ＝－1×1800＝－1800

＝ ％× ＝8×1800＝14400

＝5500﹑ ＝5000﹑ ＝4000

＝n(△ ＋K△ )T＋ [(△ ＋K△ ) ＋(△ ＋K△ ) ＋(△ ＋K△ ) ]

方案一与方案二的年运行费用：

方案一： ＝a△A＋0.1Z＝3920000＋1454.11＝3921454.11 万元

方案二： ＝a△A＋0.1Z＝3920000＋2438.58＝3922438.58万元

5、方案的确定

经济的比较： ＜ ，方案一投资少，且能满足技术的要求。所以，从运行费用的角度考虑，选择方案一。

主变压器容量、台数及形式的选择

一、概述

在各级电压等级的变电所中，变压器是变电所中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统5～10 年发展规划综合分析，合理选择，否则，将造成经济技术上的不合理。如果主变压器容量造的过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦以及分xx压器等，在选择主变压器时，要根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选择主变压器。选择主变压器的容量，同时要考虑到该变电所以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。

二、主变压器台数的选择

由原始资料可知，本次所设计的变电所是220KV地区降压变电所，它是以220KV 受功率为主。把所受的功率通过主变传输至110KV 及10KV 母线上。若全所停电后，将引起下一级变电所与地区电网瓦解，影响整个市区的供电，因此选择主变台数时，要确保供电的可靠性。为了保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台主变压器。当装设三台及三台以上时，变电所的可靠性虽然有所提高，但接线网络较复杂，且投资增大，同时增大了占用面积，和配电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闸操作等许多复杂化。而且会造成中压侧短路容量过大，不宜选择轻型设备。考虑到两台主变同时发生故障机率较小。适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担70%的负荷保证全变电所的正常供电。故选择两台主变压器互为备用，提高供电的可靠性。

三、主变压器容量的选择

主变容量一般按变电所建成近期负荷，5～10 年规划负荷选择，并适当考虑远期10～20 年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，该所近期和远期负荷都给定，所以应按近期和远期总负荷来选择主变的容量，根据变电所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性能的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的70%～80%。该变电所是按70%全部负荷来选择。当一台变压器停运时，可保证对60%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证98%负荷供电，而高压侧220KV 母线的负荷不需要通过主变倒送，因为，该变电所的电源引进线是220KV 侧引进。其中，中压侧及低压侧全部负荷需经主变压器传输至各母线上。因此主变压器的容量应选择为：Se = 0.7（SⅡ+SⅢ）容量计算， 本系统中有 110kv 和10kv两个负荷等级：

110KV侧： ＝42+28*7＝238MVA）

10KV侧：  ＝1.8*8＝14.4（MVA）

主变压器的容量应选择为：

Se = 0.7（SⅡ+SⅢ）=0.7*(238+14.4)=176.68（MVA）

四、主变压器型式的选择

1、主变压器相数的选择

当不受运输条件限制时，在330KV 以下的变电所均应选择三相变压器。而选择主变压器的相数时，应根据原始资料以及设计变电所的实际情况来选择。单相变压器组，相对来讲投资大，占地多，运行损耗大，同时配电装置以及断电保护和二次接线的复杂化，也增加了维护及倒闸操作的工作量。本次设计的变电所，位于交通便利区，不受运输的条件限制，故选用三相变压器。

2、绕组数的选择

在具有三种电压等级的变电所，通过主变压器的各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但在变电所内需装设无功补偿设备，主变宜采用三绕组变压器。而在本设计中，高压侧，中压侧通过的功率都很大，低压侧则有无功补偿，可以采用三绕组变压器，而且一台三绕组变压器的价格及所用的控制和辅助设备，比相对的两台双绕组变压器都较少，而且本次所设计的变电所具有三种电压等级，考虑到运行维护和操作的工作量及占地面积等因素，该所选择三绕组变压器。

在生产及制造中三绕组变压器有：自耦变、分xx以及普通三绕组变压器。

自耦变压器：

它的短路阻抗较小，系统发生短路时，短路电流增大，以及干扰继电保护和通讯，并且它的{zd0}传输功率受到串联绕组容量限制，自耦变压器，具有磁的联系外，还有电的联系，所以，当高压侧发生过电压时，它有可能通过串联绕组进入公共绕组，使其它绝缘受到危害，如果在中压侧电网发生过电压波时，它同样进入串联绕组，产生很高的感应过电压。由于自耦变压器高压侧与中压侧有电的联系，有共同的接地中性点，并直接接地。因此自耦变压器的零序保护的装设与普通变压器不同。自耦变压器，高中压侧的零序电流保护，应接于各侧套管电流互感器组成零序电流过滤器上。由于本次所设计的变电所所需装设两台变压器并列运行。电网电压波动范围较大，如果选择自耦变压器，其两台自耦变压器的高、中压侧都需直接接地，这样就会影响调度的灵活性和零序保护的可靠性，故不选择自耦变压器。

分xx压器：

分xx压器约比同容量的普通变压器贵20%，分xx压器，虽然它的短路阻抗较大，当低压侧绕组产生接地故障时，很大的电流向一侧绕组流去，在分xx压器铁芯中失去磁势平衡，在轴向上产生巨大的短路机械应力。分xx压器中对两端低压母线供电时，如果两端负荷不相等，两端母线上的电压也不相等，损耗也就增大，所以分xx压器适用两端供电负荷均衡，又需限制短路电流的供电系统。由于本次所设计的变电所，受功率端的负荷大小不等，而且电压波动范围大，故不选择分xx压器。普通三绕组变压器：价格上在自耦变压器和分xx压器中间，安装以及调试灵活，满足各种继电保护的需求。又能满足调度的灵活性，它还分为无激磁调压和有载调压两种，这样它能满足各个系统中的电压波动。它的供电可靠性也高。所以，本次设计的变电所，选择普通三绕组变压器。

3、主变调压方式的选择

根据《电力工程电气设计手册电气一次部分>>可知:

(1).电压质量

220KV 及以上网络电压应符合以下标准：

① 枢纽变电所二次侧母线的运行电压控制水平应根据枢纽变电所的位置及电网电压降而定，可为电网额定电压的1～1.1 倍，在日负荷{zd0}、最小的情况下，其运行电压控制在水平的波动范围不超过10%，事故后不应低于电网额定电压的95%。

②    电网任一点的运行电压，在任何情况下严禁超过电网{zg}电压，变电所一次侧母线的运行电压正常情况下不应低于电网额定电压的95%～{bfb}。

(2).调压方式

变压器的电压调整是用分接开关切换变压器的分接头，从而改变变压器变比来实现的。切换方式有两种：不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在±5%以内，另一种是带负荷切换称为有载调压，调整范围可达30%。设置有载调压的原则如下：

对于220KV及以上的降压变压器，仅在电网电压可能有较大变化的情况下，采用有载调压方式，一般不宜采用，所以本设计采用无激磁调压。

4、连接组别的选择

变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

5、容量比的选择

由原始资料可知，110KV 中压侧为主要受功率绕组，而10KV 侧是无功补偿装置，所以容量比选择为：100/100/50。

6、主变压器冷却方式的选择

主变压器一般采用的冷却方式有：自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却。自然风冷却：一般只适用于小容量变压器。强迫油循环水冷却，虽然散热效率高，节约材料减少变压器本体尺寸等优点。但是它要有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。所以，选择强迫油循环风冷却。

7．变压器的技术参数

根据以上条件选择，查询设备手册，选出的设备如下表：

 

 

 

 

 

{zy}电气主接线绘制

主接线的绘制如下：