110kvGIS变电站设计

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1、摘 要随着市场经济的推进和城市建设的发展，城市电网建设已经成为当前电力建设的重要内容。传统的110kV变电站大部分都采用户外构架布置方式，考虑到城市规划、环保、节约土地资源、减少日常维护工作量等各方面因素，原来的户外构架型式布置的变电站已经不能满足要求，放置于户外的变压器所产生的噪声及户外设备与城市景观的不协调也成为比较突出和亟待解决的问题。相对于常规变电站，SF6气体绝缘全封闭组合电器GIS（Gas Insulation Switchgear）装置技术属国内领先，并且具有占地少、建设快、结构紧凑、环境适应能力强、检修周期长、运行安全可靠等诸多优点。因此，全户内GIS变电站设计模式将逐步成为变

2、电站设计的首选。本文以某110kV GIS变电站工程设计为课题，详细描述了全户内GIS设计模式下变电站的电气主接线设计、短路计算、设备选择、继电保护、配电装置、站用电设计等方面的内容。通过综合分析表明，在当前的发展形势下，采用全户内GIS布置的变电站已成为未来电网建设的趋势。关键词：GIS，电气主接线，开关柜，继电保护ABSTRACTWith the market economy promotion and the development of urban construction, urban power grid construction has become an important a

3、spect of power construction. Oita traditional use 110kV outdoor substation layout framework, taking into account the urban planning, environmental protection, conservation of land resources and reduce the workload of day-to-day maintenance and other factors, the original layout of the outdoor substa

4、tion type frame can no longer meet the requirements placed on the outdoor noise generated by transformers and outdoor equipment and lack of co-ordination of the urban landscape has become more prominent and urgent problems. Compared to conventional substations, SF6 gas-insulated GIS （Gas Insulation

5、Switchgear） is a national leader in device technology, and has an area of small, fast construction, compact structure, strong ability to adapt to the environment, maintenance cycle length, such as safe and reliable operation advantages. Therefore, all indoor GIS substation design pattern will gradua

6、lly become the preferred substation design.In this paper, a 110kV GIS substation engineering design for the subject, a detailed description of the entire indoor GIS substation design mode, the main electrical wiring design, short circuit calculation, equipment selection, relay protection, power dist

7、ribution devices, power stations and other aspects of the design through comprehensive analysis of development in the current circumstances, the use of GIS within the plenary session of the substation layout has become the trend of the future construction of power grids.KEY WORDS: GIS, the main elec

8、trical wiring, switchgear, relay protection目 录第1章 绪论11.1、概述11.2、GIS的主要优点11.3、设计任务2第2章 电气主接线设计32.1、电气主接线的设计32.1.1概述32.1.2电气主接线的基本要求42.1.3电气主接线的基本原则52.1.4电气主接线的设计程序52.2、电气主接线的选择72.2.1 110kV侧电气主接线的选择72.2.2 35kV侧电气主接线的选择82.2.3 6kV侧电气主接线的选择92.3、GIS变电站电气主接线图10第3章 短路计算113.1、短路电流计算的目的113.2、短路计算的一般原则113.3、短路

9、计算的假定条件123.4、拟建变电站的短路计算12第4章 电气设备的选择174.1、电气设备选择概述174.2、主要电气设备选择184.2.1 110kV侧电气设备选择184.2.2 35kV侧电气设备选择214.2.3 6kV侧电气设备选择22第5章 继电保护设计245.1、继电保护概述245.1.1继电保护的任务245.1.2对继电保护的一般要求245.1.3继电保护的灵敏系数255.1.4变电站继电保护的配置265.2、拟建变电站的继电保护41第6章 防雷与接地保护设计436.1、防雷及过电压保护436.1.1 直击雷保护436.1.2 雷电入侵波过电压保护446.2、接地保护446.3

10、、电缆敷设44第7章 配电装置467.1、配电装置的基本要求467.2、配电装置的最小安全净距477.3、配电装置的类型477.4、拟建变电站的配电装置48第8章 所用电设计49工作总结51参考文献52致谢5459第1章 绪论1.1、概述SF6气体绝缘开关装置（Gas Insulation Switchgear）也称封闭式组合电器，简称GIS，是由断路器、隔离开关、互感器、避雷器、母线（单相或三相）、连接管、电缆连接头、出线套管、与变压器的连接装置等多种高压电器组合而成的成套装置，其基本结构是以金属筒为外壳，将上述高压电器和绝缘件封闭在金属筒内部并冲入一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。相

11、对于常规户外110kV配电装置,SF6气体绝缘全封闭组合电器GIS装置技术属国内领先,并具有占地少、建设快、检修周期长、运行安全可靠等诸多优点。因此,在市区,优先建设占地面积小、施工安装方便快捷又性能可靠的SF6封闭式组合电器成为变电站选型的首选方向。随着市场经济的推进和城市建设的发展,城市电网建设成为当前电力建设的重要内容。GIS变电站具有最大限度地缩小占地面积和空间体积、结构紧凑、环境适应能力强、可免受雨雷、尘沙及盐雾等各种恶劣自然条件的影响、灵活性强等多种优点,所以在城网建设中,尤其是征地难且费用昂贵的城市中心电网建设中, GIS变电站也成为规划设计的首选模式。1.2、GIS的主要优点（

12、1）.占地面积及安装空间小由于采用SF6气体作为绝缘介质，导电体与金属地电位壳体之间的绝缘距离大大缩小，因此GIS的占地面积和安装空间只有相同电压等级常规电器的百分之几到百分之二十左右。（2）.安全可靠性高全部电器元件都被封闭在接地的金属壳体内，带电体不暴露在空气中，运行中不受自然条件的影响，其可靠性和安全性比常规电器好得多。SF6气体是不燃不爆的惰性气体，所以GIS属防爆设备，适合在城市中心地区和其他防爆场合安装使用。（3）.安装周期短GIS主要组装调试工作已在制造厂内完成，现场安装和调试工作量较小，因而可以缩短变电所的安装周期（4）.无需检修只要产品的制造和安装调试质量得到保证，在使用过程

13、中除了断路器需要定期维修外，其他元件几乎无需检修，因而维修费用和年运行费用大为降低。但GIS的事故后平均停电检修时间则比常规变电所要长。（5）.具有控制、计量和保护等多种功能（6）.结构复杂，价格比较贵GIS设备结构比较复杂，要求设计制造安装调试水平高。GIS价格也比较贵，变电所建设一次性投资大。但选用GIS后，变电所的土建费用和年运行费用很低，因而总体效率讲，选用GIS有很大的优越性。1 161.3、设计任务（1）.设计说明拟建110kV GIS变电站一座，设计容量为360MVA，电压等级110/35/6kV本期安装2台主变，主变型号为SFSZ9-50000/110,变电站电源由110kV双

14、回线引入。本期新建110kV架空线路6回，35kV出线间隔5回，预留2回，6kV出线间隔20回，预留10回。（2）.设计要求.拟定电气主接线图.进行短路电流计算，并选择主要电气设备.完成变压器、母线的保护设计.完成所用电设计.完成防雷设计.完成主接线图、厂用电接线图，并做其保护配置图第2章 电气主接线设计2.1、电气主接线的设计2.1.1概述变电所电气主接线根据变电所电能输送和分配的要求，表示主要电气设备相互之间的连接关系，以变电所与电力系统的电气连接关系，通常以单线图表示。电气主接线中表示的主要电气设备有：电力变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、接地装置以及各种无

15、功补偿装置等。常用的主接线形式分为有汇流母线和无汇流母线两大类，具体又有多种形式，如图2-1所示。图2-1 电气主接线的基本形式电气主接线的主体是电源（进线）回路和线路（出线）回路。当进线和出线数超过4回时，为便于连接，常需要设置汇流母线来汇集和分配电能。设置母线后使运行方便灵活，也利于安装、检修和扩建；但另一方面，又使断路器等设备增多，配电装置占地扩大，投资增大，因此又有无汇流母线的主接线形式。电气主接线通常是根据变电所在电力系统中的地位和作用，首先满足电力系统的安全运行与经济调度的要求，然后根据规划容量、供电负荷、电力系统短路容量、线路回路数以及电气设备特点等条件确定，并具有相应的可靠性、

16、灵活性和经济性。变电所电气主接线方式的选择，将直接影响着变电所电气设备的选择。选择何种电气主接线，是发电厂、变电站电气部分设计中的重要问题，对各种电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定等都有决定性的影响，并将长期地影响电力系统运行的可靠性、灵活性和经济性。因此，必须在合理选择确定变电所的电气主接线方案后，才能做到合理的选择变电所的电气设备。2.1.2电气主接线的基本要求（1）.可靠性 可靠性是指一个元件、设备或系统，在预定的时间内完成规定功能的能力，常用可靠度表示无故障（成功）的概率，用不可靠度表示故障（失败）的概率。各级电压变电所电气主接线的可靠性要与电力系统的可靠性相协调

17、。当任一电气设备发生单一故障时，要避免电力系统发生非同步运行，避免发生频率和电压崩溃的事故。为了避免破坏电力系统运行稳定和便于电力系统在发生事故后能迅速恢复正常运行，在确定电气主接线时需要考虑以下的可能情况：故障时断路器拒绝动作；故障时继电保护装置和自动装置误动作；发生多重性故障。变电所电气主接线应根据变电所的实际情况和用电需要，尽量达到简单和供电可靠。做到断路器检修时，不影响供电；断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路和停运的时间，并保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。一般衡量主接线可靠性的具体标志包括：.断路器检修时，能否不影响供电；.线路、断路器甚至母线故障时以及母线

18、检修时，停运的回路数和停运时间的长短，能否保证对重要用户的供电；.发电厂或变电站全部停运的概率有多大。（2）.灵活性变电所电气主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。.满足调度时的灵活性要求。应能根据安全、优质、经济的目标，灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，灵活地调配电源和负荷，满足系统正常运行的需要。而在发生事故时，则能迅速方便地转移负荷或恢复供电。.满足检修时的灵活性要求。在某一设备检修时，应能方便地将其退出运行，并使该设备与带电运行部分有可靠的安全隔离，保证检修人员检修时方便和安全。.满足扩建时的灵活性要求。大的电力工程往往要分期建设。从初期的主接线过渡到最终的主接线，每次过渡都应

19、比较方便，对已运行部分影响小，改建的工程量不大。（3）.经济性 在主接线满足必要的可靠性和灵活性的前提下，应尽量做到经济合理。.为了节省变电所的建设投资，电气主接线应力求简单，尽量节省断路器、隔离开关、电流互感器和电压互感器、避雷器等一次电气设备。要使继电保护和二次回路不过分复杂，以节省二次设备和控制电缆。有时应采取限制短路电流的措施，以便可以选用便宜的轻型电器，并减少出线电缆的截面。.变电所占地面积要小。主接线选择设计要为配电装置布置创造条件，尽量减少占地面积。.变电所运行中能量损耗要小。经济合理地选择主变压器的种类、容量、台数，达到变电所经济运行之目的。应避免迂回供电。2.1.3电气主接线

20、的基本原则 电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主体。它与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式都有较大的影响。因此，主接线设计，必须结合电力系统中发电厂或变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理的选择主接线方案。电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，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，就近取材，力争设备原件和设计的先进性与可靠性

21、，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。2.1.4电气主接线的设计程序 电气主接线的设计伴随着发电所或变电所的整体设计进行，即按照工程基本建设程序，历经可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计等四个阶段，设计的基本步骤和内容如下：（1）.对原始资料进行分析.工程情况，包括发电厂或变电站的类型，设计规划容量（近期、远景），单机容量及台数，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。.电力系统情况，包括电力系统近期及远景发展规划（510年），发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。.负荷情况，包括负荷的性质及地理位置、输电电压等

22、级、出线回路数及输送容量等。电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，电力负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基础。对电力系统负荷预测的准确性,直接关系着发电厂和变电站电气主接线设计成果的质量,一个优良的设计,应能经受当前及较长远时间（510年）的校验。.环境条件，包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素，对主接线中电气设备的选择和配电装置的实施均有影响，因此，应予以考虑。.设备的供货情况。为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较。（2）.主接线方案的拟定与选择 根据设计任务书的要

23、求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出回路数、电压等级、变压器台数、容量及母线结构等不同的考虑，可拟定出若干个主接线方案（本期和远景）。根据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留23个技术上相当，又能满足任务书要求的方案，再进行经济比较。对于在系统中占有重要地位的大容量发电厂或变电站主接线，还应进行可靠性定量分析计算比较，最终确定出在技术上合理、经济上可行的方案。（3）.短路电流计算和主要电器选择对选定的电气主接线进行短路电流计算，并选择合理的电气设备。（4）.绘制电气主接线图对最终确定的主接线，按工程要求，绘制工程图。（5）.编制工程概算对于工程设计，无论哪

24、个设计阶段，概算都是必不可少的组成部分。它不仅反映工程设计的经济性与可靠性的关系，而且为合理地确定和有效控制工程造价创造条件，为工程付诸实施，为投资包干、招标承包、正确处理有关各方面的经济利益关系提供基础 3 。2.2、电气主接线的选择2.2.1 110kV侧电气主接线的选择 由于站用电要从110kV侧引入，且计划新建架空线路6回，考虑到供电的可靠性，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路母线。综合分析后，选出以下两种可能的接线方案，主接线方案接线图如图2-2（a）、（b）所示。 图2-2（a）单母分段带旁母接线 （b）双母带旁母接线两种接线方式的比较见表2-1。表2-1 主接线方案比较接线形式

25、方案一：单母分段+旁母方案二：双母+旁母特点简单清晰、操作方便、易于扩展可靠性、灵活性差旁路断路器还可以代替出线断路器，保证重要用户供电设备少，投资少运行可靠、运行方式灵活、便于事故处理，易扩建母联断路器可代替需检修的出线断路器工作倒闸操作复杂，易误操作占地大、设备多、投资大母联断路器兼做旁路断路器节省投资综合考虑后，鉴于拟建变电站要从110kV侧引入电源，应具有较高的可靠性和灵活性。所以选择方案二：双母+旁母。2.2.2 35kV侧电气主接线的选择35kV侧要求出线5回，预留两回，可采用单母分段接线，也可采用双母线接线，为保证线路检修时不中断对用户的供电，采用单母分段接线和双母线接线时，可增

26、设旁路母线。根据以上分析，有以下两种接线方案，如图2-3（a）、（b）所示。 图2-3（a）单母分段带旁母接线 （b）双母接线两种接线方式的比较见表2-2。表2-2 主接线方案比较接线形式方案一：单母分段+旁母方案二：双母特点简单清晰、操作方便、易于扩展可靠性、灵活性差旁路断路器还可以代替出线断路器，保证重要用户供电设备少，投资少供电可靠调度灵活扩建方便便于试验易误操作设备多，配电装置复杂占地面积和投资大经比较两种方案的特点，无论是从可靠性，还是经济性考虑，方案一明显优于方案二，因此选择单母分段接线+旁路母线方案。2.2.3 6kV侧电气主接线的选择6kV侧要求出线间隔20回，预留10回，可采

27、用单母分段接线和双母接线，如图2-4（a）、（b）所示。 图2-4（a）单母分段接线 （b）双母接线两种接线方式的比较见表2-3。表2-3 主接线方案比较接线形式方案一：单母分段方案二：双母特点不会造成全部停电调度灵活任一断路器检修，该回路必须停止工作保证对重要用户供电设备少，投资少供电可靠调度灵活扩建方便便于试验易误操作设备多，配电装置复杂占地面积和投资大经过综合比较，方案一比方案二好，且调度灵活，也可保证供电可靠性，所以选择方案一。62.3、GIS变电站电气主接线图经过分别对110kV、35kV、6kV各侧电气主接线的选择，最终确定出拟建变电站的电气主接线图如附录一所示。第3章 短路计算短

28、路是电力系统中最常见的且非常严重的故障。短路故障将使系统电压降低和回路电流大大增加，它不仅会影响用户的正常供电，而且会破坏电力系统的稳定性，并损坏电气设备。因此，在发电厂变电站以及整个电力系统的设计和运行中，都必须对短路电流进行计算 4 。3.1、短路电流计算的目的为了保证电力系统安全运行，在设计选择电气设备时，都要用可能流经该设备的最大短路电流进行热稳定校验和动稳定校验，以保证该设备在运行中能够经受住突发短路电流引起的发热和电动力的巨大冲击。同时，为了尽快切断电源对短路点的供电，继电保护装置将自动地使有关断路器跳闸。继电保护装置的整定和断路器的选择，也需要准确的短路电流数据。由于三相短路时故

29、障最严重，短路电流最大，所以按三相短路进行短路电流计算。本设计中可能发生最大短路电流的短路电流计算点有个，见图3-1，即110kV母线短路（k1点），35kV母线短路（k2、k3点），6kV母线短路（k4、k5点）。3.2、短路计算的一般原则（1）.计算短路电流用于验算电器和导体的开断电流、动稳定和热稳定时，应按本工程的设计规划内容计算。一般以最大运行方式下的三相短路电流为依据；（2）.计算短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式进行计算。短路点应选择在短路电流为最大的地点；（3）.导体和电器的动稳定、热稳定及电器的开断电流，一般按三相短路电流验算；（4）.计算10kV及以上高压电网

30、短路时，一般将元件的电阻略去不计，如果短路电路中总电阻大于总电抗的1/3时，则线路和其他元件的有效电阻仍应计入；（5）.计算某一电压级的短路电流时，应用平均电压；（6）.计算高压系统短路时，一般采用标幺值方法、短路功率法进行计算。计算1000V以下低压配电网的短路电流时，一般采用有名值方法计算。3.3、短路计算的假定条件短路过程是一种暂态过程。影响电力系统暂态过程的因素很多，若在实际计算中把所有因素都考虑进来，将是十分复杂也是不必要的。因此，在满足工程要求的前提下，为了简化计算，通常采取一些合理的假设，采用近似的方法对短路电流进行计算。基本假设条件如下：（1）.在短路过程中，所有发电机电势的相

31、位及大小均相同，亦即在发电机之间没有电流交换，发电机供出的电流全部是流向短路点的，而所有负荷支路则认为都已断开。（2）.不计磁路饱和。这样，系统中各元件的感抗便都是恒定的、线性的，可以运用叠加原理。（3）.不计变压器励磁电流。（4）.系统中所有元件只计入电抗。但在计算短路电流非周期分量衰减时间常数，或者计算电压为1kV以下低压系统短路电流时，则需计及元件的电阻。（5）.短路皆为金属性短路，即不计短路点过渡电阻的影响。（6）.三相系统是对称的。对于不对称短路，可应用对称分量法，将每序对称网络简化成单相电路进行计算。以上假设，使短路电流计算结果稍偏大一些，但最大误差一般不超过10%15%，这对于工

32、程设计所要求的准确度来说是允许的。123.4、拟建变电站的短路计算根据主变型号SFSZ9-50000/110，其主要参数如下表3-1所示：该变压器为三相三绕组油浸风冷，有载调压，低损耗，中性点半绝缘的变压器。阻抗电压为uk1-2%=10.5%，uk2-3%=6.5%，uk1-3 %=17.5 %。系统最高电压等级为110 kV，若采用中性点直接接地的运行方式，可使过电压较低，降低绝缘水平，减少设备投资，但同时降低了供电可靠性，增加了断路器负担。综合考虑经济性和安全性，确定为中性点直接接地运行方式。正常运行时，两台主变压器必须有一台中性点直接接地运行。表3-1 SFSZ9-50000/110型变

33、压器的主要参数表型号额定容量/kVA额定电压/kV联结组标号空载损耗/Kw负载损耗/Kw空载电流（%）SFSZ9-50000/11050000高压11081.25%，中压38.52.5%，低压6.3Ynyn0d1149.52225.000.91（1）.选取基准值取基准容量SB=100MVA,由UB=Uav得基准电压Uj1=115kV，Uj2=37kV，Uj1=6.3kV，根据S= UI可得基准电流分别为：（2）.系统电抗标幺值的计算根据城市电力网规划设计导则，110kV系统短路电流取IK=20 kA，则短路容量为:SK= UavIK=11520 MVA=3979 MVA系统电抗标幺值为：（3）

34、.主变压器电抗标幺值的计算 变压器三侧绕组电抗百分比为：变压器三侧绕组电抗标幺值为：图3-1短路系统电抗标幺值等效电路图作短路系统电抗标幺值等效电路如图3-1所示。（4）.短路电流的计算.k1点短路电流的计算a.三相短路电流周期分量有效值为：b.三相短路电流周期分量稳态值为：c.三相短路冲击电流最大值为：d.三相短路冲击电流有效值为：e.三相短路容量为：.k2、k3点短路电流的计算首先，k2 =k3，计算k2、k3点短路处电抗标幺值总和，即a.三相短路电流周期分量有效值为：b.三相短路电流周期分量稳态值为：c.三相短路冲击电流最大值为：d.三相短路冲击电流有效值为：e.三相短路容量为：.k4、

35、k5点短路电流的计算首先，k4 =k5，计算k4、k5点短路处电抗标幺值总和，即a.三相短路电流周期分量有效值为：b.三相短路电流周期分量稳态值为：c.三相短路冲击电流最大值为：d.三相短路冲击电流有效值为：e.三相短路容量为：综上,该变电所三相短路电流计算值如表3-2所示。表3-2 变电所三相短路电流计算值12短路点编号短路点额定电压UN/kV短路点平均电压Uav/kV短路电流周期分量短路冲击电流短路容量Sk/MVA有效值稳态值有效值最大值/kA /kA/kA /kAk111011520.08020.08030.32151.2043825.642k2、k335374.1604.1606.28

36、210.608252.179K4、k566.339.00039.00058.89099.450405.288第4章 电气设备的选择4.1、电气设备选择概述电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。正确的选择电气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。在进行电气设备选择时必须符合国家有关经济技术政策。技术要先进，经济要合理，安全要可靠，运行要灵活，而且要符合现场的自然条件要求。所选设备正常时应能可靠工作，短路时应能承受多种短路效应。电气设备的选择应遵循以下两个原则：按正常工作状态选择；按短路状态校验。按正常工作状态选择的具体条件：（1）.额定电压：电气设备的最高允许

37、工作电压不得低于装设回路的最高运行电压。一般可以按照电气设备的额定电压Ue不低于装设地点的电网的额定电压Uew，即 UeUew；（2）.额定电流：所选电气设备的额定电流Ie不得低于装设回路最大持续工作电流Imax，即IeImax。计算回路的Imax应该考虑回路中各种运行方式下的持续工作电流：变压器回路考虑在电压降低5时出力保持不变，所以Imax1.05 Iet；母联断路器回路一般可取变压器回路总的Imax；出线回路应该考虑出线最大负荷情况下的Imax。按短路状态校验的具体条件：（1）.热稳定校验：当短路电流通过所选的电气设备时，其热效应不应该超过允许值：QyQd；（2）.动稳定校验：所选电气设

38、备通过最大短路电流值时，不应因短路电流的电动力效应而造成变形或损坏：ichidw。其次，电气设备的选择还应该考虑：所选设备应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求并考虑远景发展；应满足安装地点和当地环境条件校核；应力求技术先进和经济合理；设备应按照主接线形式进行配置；选用的产品均应具有可靠的试验数据等一系列的问题。4.2、主要电气设备选择4.2.1 110kV侧电气设备选择由于拟建变电站为GIS变电站，变电站所用设备必须是成套的，以满足全封闭组合电气柜的技术要求，它将断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线等按接线要求组合在一起，构成高压配电装置，并充SF6气体作为绝缘和断

39、路器的灭弧介质。GIS与常规敞开式电气设备相比，其组成的配电装置具有占地面积小、运行可靠、检修周期长，不受外界环境影响等优点。适用于城市电网、严重污秽区和缩小占地后有明显经济价值的变电所。因此110kV侧选择封闭式开关柜。（1）.额定电压：Ue=110kV（2）.额定电流：IeGIS变电站最大长期工作电流Igmax，即（3）.根据以上分析，选择西安高压开关厂的ZF7A-126型 GIS绝缘金属封闭开关柜，有关参数如表4-1所示。表4-1 ZF7A-126型 GIS绝缘金属封闭开关柜参数表14序号元件及项目名称单位参数1成套装置额定电压kV110最高工作电压kV1262断路器型式单压式（气压式）

40、额定电流kA1250额定开断电流kA31.5额定关合电流（峰值）kA80额定热稳定电流kA31.5额定动稳定电流（峰值）kA80额定开断时间Hz2/3SF6气体压力Pa49104操动机构形式气动续表4-13隔离开关型式直接插入式额定电流A1250额定热稳定电流kA31.5额定SF6气体压力Pa39.2104操动机构形式手力、电动、弹簧、气动4接地 开关型式直接插入式额定热稳定电流kA31.5操动机构形式手力、电动、弹簧、气动5电流互感器型式套管式（环形式）额定一次电流A2000额定二次电流A56电压互感器型式电磁式或电容式额定一次电压kV110/ 额定二次电压V100/ 7避雷器型式氧化锌额定

41、电压kV96额定放电电流kA108母线外壳型式三相额定电流A1250额定热稳定电流kA31.5（4）.校验.断路器的校验a. Ue=110kV，I=1250AGIS变电站最大长期工作电流Igmax=262.432Ab. 额定开断电流校验110 kV侧母线三相短路稳态电流I=20.08 kA所选开关柜断路器的额定开断电流为31.5 kA所以,符合要求。c. 动稳定校验110 kV侧母线三相短路冲击电流Ich=51.204 kA所选开关柜断路器的额定动稳定电流I=80 kAIchI，符合动稳定要求。d. 热稳定校验取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.6s，断路器分闸时间t0=0.03s，则：短

42、路等效持续时间te=tr+ t0=0.6 s+0.03s=0.63s。110 kV侧短路热稳定电流为该值小于所选开关柜断路器额定热稳定电流31.5 kA，也小于短路电流周期分量稳态值I=20.08 kA，所以满足热稳定要求。.隔离开关的校验a. Ue=110kV，I=1250AGIS变电站最大长期工作电流Igmax=262.432Ab. 动稳定校验110 kV侧母线三相短路冲击电流Ich=51.204 kA所选开关柜隔离开关的额定动稳定电流I=80 kAIchI，符合动稳定要求。c. 热稳定校验取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.6s，断路器分闸时间t0=0.03s，则：短路等效持续时间t

43、e=tr+ t0=0.6s+0.03s=0.63s。110 kV侧短路热稳定电流为该值小于所选开关柜隔离开关额定热稳定电流31.5 kA，所以满足热稳定要求。.接地开关的校验a. Ue=110kV，I=1250AGIS变电站最大长期工作电流Igmax=262.432Ab. 动稳定校验110 kV侧母线三相短路冲击电流Ich=51.204 kA所选开关柜接地开关的额定动稳定电流I=80 kAIchI，符合动稳定要求。c. 热稳定校验取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.6s，断路器分闸时间t0=0.03s，则：短路等效持续时间te=tr+ t0=0.6 s+0.03s=0.63s.110 kV

44、侧短路热稳定电流为该值小于所选开关柜接地开关额定热稳定电流31.5 kA，所以满足热稳定要求.电流互感器（CT）的校验a. 动稳定校验所选开关柜的动稳定电流为80kA，大于该GIS变电110kV系统短路冲击电流51.204kA，故满足动稳定要求。b. 热稳定校验所选开关柜的热稳定电流为31.5kA，大于该GIS变电110kV系统短路热稳定电流20.08kA，故满足热稳定要求。.母线的校验a. Ue=110kV,I=1250AGIS变电站最大长期工作电流Igmax=262.432Ab. 110 kV侧母线三相短路稳态电流I=20.08 kA所选开关柜断路器的额定热稳定电流为31.5 kA所以符合

45、要求。电压互感器（PT）、避雷器不需要检验其动稳定性和热稳定性，因此此处未做校验。4.2.2 35kV侧电气设备选择（1）.额定电压：Ue=35kV（2）.额定电流：IeGIS变电站最大长期工作电流Igmax，即（3）.根据以上分析，选择西安高压开关厂的KYN7-40.5型铠装移开式户内交流金属封闭开关柜，有关参数如表4-2所示。表4-2 KYN7-40.5型铠装移开式户内交流金属封闭开关柜主要参数表17项目单位参数额定电压kV40.5主母线额定电流A1600额定热稳定电流（有效值）kA20额定动稳态电流（峰值）kA50工频耐受电压kV95雷电冲击耐受电压kV185（4）.校验. Ue=35k

46、V，I=1600AGIS变电站最大长期工作电流Igmax=824.786A. 动稳定校验35 kV侧母线三相短路冲击电流Ich=10.608 kA所选开关柜的额定动稳定电流I=50 kAIchI，符合动稳定要求。. 热稳定校验取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.6s，断路器分闸时间t0=0.03s，则：短路等效持续时间te=tr+ t0=0.6 s+0.03s=0.63s。35 kV侧短路热稳定电流为该值小于所选开关柜的额定热稳定电流20 kA，所以满足热稳定要求。4.2.3 6kV侧电气设备选择（1）.额定电压：Ue=6kV（2）.额定电流：IeGIS变电站最大长期工作电流Igmax，即

47、（3）.根据以上分析，选择西安高压开关厂的KYN7-40.5型铠装移开式户内交流金属封闭开关柜，有关参数如表4-3所示。表4-3 KYN36-12型铠装移开式户内交流金属封闭开关柜主要参数表项目单位参数额定电压kV7.2额定频率Hz50额定电流A5000额定短时耐受电流kA50额定峰值耐受电流kA125额定短路持续时间s4额定绝缘水平1min工频耐受电压kV42雷电冲击耐受电压75辅助回路额定1min工频耐受电压kV2（4）.校验. Ue=6kV，I=5000AGIS变电站最大长期工作电流Igmax=4811.252A. 动稳定校验6 kV侧母线三相短路冲击电流Ich=99.450 kA所选开

48、关柜的额定动稳定电流I=125 kAIchI，符合动稳定要求。.热稳定校验取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.6s，断路器分闸时间t0=0.03s，则：短路等效持续时间te=tr+ t0=0.6s+0.03s=0.63s。35 kV侧短路热稳定电流为该值小于所选开关柜隔离开关额定热稳定电流50 kA，所以满足热稳定要求。第5章 继电保护设计5.1、继电保护概述继电保护是一种能反应电力系统中电气元件发生短路故障或异常状态，动作于跳闸或发出信号的一种自动装置，继电保护基本原理是利用被保护线路或设备故障前后某些变化的物理量为信息量，当信息量达到一定值时，起动逻辑环节，发出相应的命令，如图5-1所

49、示。图5-1继电保护原理示意图5.1.1继电保护的任务（1）.当电力系统被保护对象发生故障时，能自动地、有选择地、快速地通过断路器将故障元件从电力系统中切除。（2）.当电力系统出现异常运行状态时，并根据运行维护条件，动作于发出信号、减负荷或跳闸。5.1.2对继电保护的一般要求继电保护在技术上一般应满足可靠性、选择性、速动性、灵敏性四个基本要求。（1）.可靠性 要求保护装置动作可靠，既不误动也不拒动。宜选择最简单的保护方式，应采用由可靠的元件和尽可能简单的回路构成的性能良好的装置，便于检测调试、整定和维护。（2）.选择性 首先由故障设备或线路本身的保护（本级保护）切除故障。当本级保护拒动时，才允

50、许由相邻元件保护（上一级保护）切除故障。为保证选择性，相邻元件的动作电流和动作时间应相互配合。（3）.速动性 保护装置应尽快地切除故障，以提高系统稳定性、减轻故障设备或线路的损坏程度、缩小故障波及范围。（4）.灵敏性 在设备或线路保护区内发生故障时，保护装置反应故障能力，保护装置应具有必要的灵敏系数。各类短路保护的灵敏系数应不小于GB50062-1992电力装置的继电保护和自动装置设计规范的要求。继电保护的基本要求是互相联系而又互相矛盾的 。继电保护是随着电力系统的发展，在不断解决保护装置应用中出现的对基本要求之间的矛盾，使之在一定条件下达到辩证统一的过程中发展起来的。充分发挥和利用继电保护的

51、科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、稳定性和经济性发挥最大效能。配电系统中的电力设备和线路应装设短路故障保护和反应异常运行的继电保护和自动装置，短路故障保护应有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。主保护是为了满足系统稳定和设备安全要求，以便最迅速有选择性地切除被保护设备和线路的故障；后备保护是在主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护，后备保护可分为远后备保护和近后备保护两种方式。如果为了满足相邻区末端短路时灵敏性要求，将使保护过分复杂或在技术上难以实现，可按下列原则处理：（1）.在变压器后短路的情况下，可缩短后备保护作用范围；（2）.后备保护灵敏系数可仅按常见运行方

52、式或故障类型进行验算；（3）.后备保护可无选择性动作，但应尽量采用自动重合闸或备用电源自动投入装置进行补救。辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或为主保护和后备保护退出运行时而增设的简单保护720。5.1.3继电保护的灵敏系数保护装置的灵敏系数，应按不利的正常运行方式和不利的故障类型进行计算。保护装置灵敏系数计算式为：式中-电力系统最小运行方式下，保护区内的最小短路电流，A； -继电保护的一次动作值，A。GB50062-1992电力装置的继电保护和自动装置设计规范关于继电保护的最小灵敏系数的部分规定，如下表5-1所示。表5-1 部分继电保护装置的最小灵敏系数保护分类保护类型组成元件计算条件最

53、小灵敏系数主保护发电机、变压器、线路及电动机的纵联差动保护差电流元件按被保护区末端金属性短路计算2变压器、线路及电动机的纵联差动保护电流元件按保护安装处金属性短路计算2电流保护和电压保护电流元件、电压元件按被保护区末端金属性短路计算1.5带方向的电流保护或电压保护零序、负序方向元件按被保护区末端金属性短路计算2主保护的个别元件中性点非直接接地保护电流元件按被保护区末端金属性短路计算1.5后备保护电流保护和电压保护电流元件、电压元件按相邻电力设备和线路末端金属性短路计算1.25.1.4变电站继电保护的配置（1）.主变压器的保护15在电力系统中广泛地用变压器来升高或降低电压。变压器是电力系统不可缺

54、少的重要电气设备。它的故障对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。因此应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。变压器的故障可以分为油箱外和油箱内故障。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路以及接地短路。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应能尽快地将变压器切除。变压器不正常运行状态主要有：变压器外部短路引起的过电流，负

55、荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力下降等。这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，打出警告信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。图5-2主变压器保护原理图1LJ6LJ-电流继电器；ZJ-中间继电器；SJ-时间继电器；1XJ3XJ-电流式信号继电器；4XJ5XJ-电压式信号继电器；1LP3LP-连接片；R-管形电阻；WSJ-瓦斯继电器；WJ-温度信号计.主变压器的保护配置a. 瓦斯保护：作为变压器的主保护，反应变压器油箱内部故障，包括绕组的相间短路，接地短路，匝间短路以及铁芯烧损，油面降低

56、等，轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于断开变压器各侧断路器。b. 纵差保护：作为变压器的主保护，反应变压器绕组、套管和引出线上的相间短路，大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路以及绕组匝间短路，采用三相CT分别装于主变三侧四点上，用专用的CT。c. 复合电压启动时的定时限过流保护：是瓦斯保护、纵差保护的后备保护，反应发生各种不对称短路时出现的负序电压。d. 零序电流保护：反应变压器外部接地短路。e. 过负荷保护：反应变压器对称过负荷，保护接于一相电流上，常延时动作于信号，和过电流保护共用一个CT。主变压器保护原理图如图5-2所示。22.变压器过电流保护的整定计算a. 过电流保护动作电流的整定计

57、算公式式中 -线路保护的最大负荷电流，可取为1.53倍变压器一次额定电流；-保护装置的可靠系数，对定时限，取1.2，对反时限，取1.3；-保护装置的接线系数，对相电流接线取1，对相电流差接线取；-电流继电器的返回系数，一般取0.8；-电流互感器的变流比。必须注意：对感应式继电器，应整定为整数，且在10A以内。b. 过电流保护动作时间的整定计算公式式中 -在变压器低压母线发生三相短路时高压侧继电保护的动作时间；-变压器低压侧保护在低压母线发生三相短路时最长的一个动作时间；-前后两级保护装置的时间级差，对定时限过电流保护，可取0.5s，对反时限过电流保护，可取0.7s。必须注意：对反时限过电流保护

58、装置，由于其过电流继电器的整定时间只能是“10倍动作电流的动作时间”，因此整定时必须借助继电器的动作特性曲线，以确定对应的实际动作时间，或由实际动作时间确定整定时间。c. 过电流保护灵敏系数的检验公式式中-最小运行方式下，低压母线两相短路电流折合到变压器高压侧的值；-继电保护动作电流折算到一次电路（即变压器高压侧）的值。若作为后备保护，则灵敏系数1.2即可。110 kV侧：过电流保护动作电流的整定过电流保护动作时间的整定过电流保护灵敏系数的检验35 kV侧：过电流保护动作电流的整定过电流保护动作时间的整定过电流保护灵敏系数的检验6 kV侧：过电流保护动作电流的整定过电流保护动作时间的整定过电流

59、保护灵敏系数的检验 .变压器电流速断保护的整定计算a. 电流速断保护动作电流的整定计算公式式中 -变压器低压母线三相短路电流周期分量有效值；-可靠系数，对DL型继电器1.21.3，对GL型继电器1.41.5；-变压器的变比；其他符号含义同上。对GL型继电器，速断电流通常用对的倍数（速断电流倍数）来表示，。b. 电流速断保护灵敏系数的检验公式式中 -在电力系统最小运行方式下，变压器高压侧的两相短路电流；-速断电流折算到一次电路（变压器的高压侧）的值。 若2有困难时，可1.5。110 kV侧：电流速断保护动作电流的整定： 电流速断保护灵敏系数的检验：35 kV侧：电流速断保护动作电流的整定： 电流速断保护灵敏系数的检验：6 kV侧：电流速断保护动作电流的整定： 电流速断保护灵敏系数的检验：.变压器过负荷保护的整定计算a. 过负荷保护动作电流的整定计算公式式中 -变压器的额定一次电流；-电流互感器的变流比。b. 过负荷保护动作时间的整定公式110 kV侧：过负荷保护动作电流的整定过负荷保护动作时间的整定35 kV侧：过负荷保护动作电流的整定过负荷保护动作时间的整定6 kV侧：过负荷