摘要: 随着工业时代的发展，电力已成为人类历史发展的主要动力资源。要科学合理的驾驭电力必须从电力工程的设计原则和方法上理解和掌握其精髓，提高电力系统的安全可靠性和运行效率，从而达到降低生产成本提高经济效益的目的。变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，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。目前，国内110kv及以下中低压变电所的主接线为了安全、可靠起见多选单母线接线。另外，合理的选择各种一次设备也能够提高变电所的安全系数及其经济性。 关键词: 变电所；安全；可靠；经济
The 110KV Substation Design Literature
Review
Abstract: With the development of the industrial era, power has become the main driving force of the development of resources in the history of mankind. It must be scientific and rational manage electricity from the power engineering design principles and methods to understand and grasp its essence so to improve the safety and reliability of the power system and operating efficiency, reduce production costs so as to achieve the purpose of improving economic efficiency. The substation is an important part of the power system and it directly affects the security and economic operation of the electricity system as a whole, so it is the contact intermediate links of power plants and the user. It plays the role of the transformation and distribution of electric energy. At present, domestic of 110kv and following in the low-voltage substation, the main wiring for safety, reliability sake of multi-menu Busbar. In addition, a reasonable choice of a variety of primary equipment can improve the safety factor of the economy of the substation.
Keywords: substations; safety; reliable; economic
0 前言
变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，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。 变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。我国电力系统的变电站大致分为四大类：升压变电站，主网变电站，二次变电站，配电站。我国电力工业的技术水平和管理水平正在逐步提高，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。
现阶段：全面做好“十二五”发展规划，加快电网重点工程建设，进一步加强企业经营管理，推进“三集五大”体系建设，加大科技创新和管理创新力度，继续加强“三个建设”。
电力力布局由注重就地平衡向全国乃至更大范围优化统筹转变，电力结构由过度依赖煤电向提高非化石能源发电比重转变，推进集约化发展和标准化建设，充分发挥国家电网在电力市场化、能源清洁化、经济低碳化、生活方式现代化中的基础性作用；实现供配电输送无缝隙，无错误。 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，用户对供电质量的要求日益提高。国家提出了加快城网和农网建设及改造、拉动内需的发展计划[1]。变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过其变压器将各级电压的电网联系起来，在电力系统中起着至关重要的作用。近年来110kV变电站的建设迅猛发展。科学的变电站设计方案能够提升配电网的供电能力和适应性，降低配电网损耗和供电成本，减少电力设施占地资源，体现“增容、升压、换代、优化通道”的技术改造思路[2]。同时可以增加系统的可靠性，节约占地面积，使变电站的配置达到最佳，不断提高经济效益和社会效益[3]。
本次设计是在掌握变电站生产过程的基础上完成的。通过它可以复习巩固了专业课程的有关内容，拓宽了知识面，增强了工程观念，培养了变电站设计的能力。同时对能源、发电、变电和输电的电气部分有个详细的概念，能熟练的运用有些知识，如短路计算的基本理论和方法、主接线的设计、导体电气设备的选择等。
1 变电站建设的国内外现状和发展趋势
为了保障我国经济的高速发展，以及持续的城镇化进程，我国电力系统进入了一个快速发展阶段，电网建设得到进一步完善。由于我国电力建设起步比较晚，目前我国变电站主要现状是老设备向新型设备转变，有人值班向无人值班变电站转变，交流传输向直流输出转变，在城市变电站建设中，户内型变电站大幅增加。国外变电站主要是交流输出向直流输出转变。而数字化智能变电站也是国内外变电站未来发展趋势。 1.1 无人值守变电站
同西方发达国家相比，由于我国变电站自动化系统应用起步较晚，变电站运行管理的理念也有很大差异，使我们的变电站无人值守运行水平与之相比还有很大的差距。在我国，许多220 kV及以下电压等级变电站已经开始由监控中心进行监控，基本上实现了变电站无人值守。但作为国内电网中最高电压等级的500 kV和330 kV变电站，即使采用了变电站自动化系统的，也都是实行有人值守的管理方式。而在欧美发达国家，各个电压等级变电站都能实现变电站无人值守。由此发现，在国内外无人值守变电站之间、国内外变电站自动化系统之间都还有很大
的差异[4]。全面实现变电站无人值守对我国电网建设有非常明显的技术经济效益: 1、提高了运行可靠性；2、加快了事故处理的速度；3、提高了劳动生产率；4、降低了建设成本。[5] 1.2城市变电站建设
随着城市中心地区的用电负荷迅速增长，形势迫使在城市电网加快改造和建设的同时，在中心城区要迅速地建设一批高质量的城市变电站，在多种变电站的型式中户内型变电站受到各方面的重视，在这几年中得到飞速发展[6]。由于户内变电站允许安全净距小且可以分层布置而使占地面积较小。室内变电站的维修、巡视和操作在室内进行，可减轻维护工作量，不受气候影响。 1.3数字化智能变电站
在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，变电站自动化技术即将进入新阶段[7]。变电站自动化系统是在计算机技术和网络通信技术基础上发展起来的。它以其简单可靠、可扩展性强、兼容性好等特点逐步为国内用户所接受，并在一些大型变电站监控
[8]
项目中获得成功的应用。随着智能化开关，光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测及自诊断、变电站运行操作培训仿真这些新技术的日趋成熟以及广泛应用必将对现有变电站自动化技术产生深刻的影响，带来全数字化的变电站新概念[9]。2009年9月11日华北电网首家220千伏数字化智能变电站郭家屯变电站正式启动，它的建成对国内数字化变电站技术的发展及智能电网的建设具有重要意义[10]。
2 变电站设计要求
变电站的设计要认真执行国家的有关技术经济政策，符合安全可靠、技术先进和经济合理的要求。变电站的设计应根据工程的5～10年发展规划进行，做到远、近期结合，以近期为主，正确处理近期建设与远期发展的关系，适当考虑扩建的可能。变电站的设计，必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，结合国情合理的确定设计方案。变电站的设计，必须坚持节约用地的原则。其次，变电站站址的选择，应根据要求，综合考虑确定。[11]
3 变电站设计内容及原则
110kV变电站电气一次系统设计主要包括以下步骤：电气主接线设计、配电装置、电气平面布置、系统保护 、电气设备选择。[12]
变电站设计原则[13]：
(1)足够的变电容量以满足供电区域内中长期规划预测的负荷要求； (2)结构紧凑，设备体积小，占地面积小； (3)自动化程度高，通信误码率低，可靠性高； (4)可靠灵活的主接线方式；
(5)主设备技术性能优越，可靠性高，检修频率低，噪声低。 在变电站设计中要考虑到雷电对变电站的危害，在变电站中至少要安装一台避雷器来保护变压器，最佳选择是在变电站入口处安装避雷器。此时，即使在瞬时有极高电流出现，也能最大限度地保证变压器上的电压水平在安全极限内[14]。
变电站设计是个综合系统工程，是电力系统项目设计的重要组成部分。一份成功的变电站设计方案可以在实际工程中取得最优的效益:增加系统的可靠性，节约占地面积以及建设成本，使变电站的配置达到最佳，保证较高的经济效益和社会效益。
4 设计方案
4.1 电气主接线方案的选定
电气主接线是整个变电所电气部分的主干。变电所电气主接线指的是变电所中汇集、分配电能的电路，通常称为变电所一次接线，是由变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、避雷器等电气设备按一定顺序连接而成的。[15]它是电力系统总体设计的重要组成部份。变电站主接线形式应根据变电站在电力系统中的地位、作用、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且应满足运行可靠、简单灵活、操作方便和节约投资等要求。[16]主接线设计的基本要求为：
(1)供电可靠性。主接线的设计首先应满足这一要求；当系统发生故障时，要求停电范围小，恢复供电快。
(2)适应性和灵活性。能适应一定时期内没有预计到的负荷水平变化；改变运行方式时操作方便，便于变电站的扩建。
(3)经济性。在确保供电可靠、满足电能质量的前提下，要尽量节省建设投资和运行费用，减少用地面积。
(4)简化主接线。配网自动化、变电站无人化是现代电网发展必然趋势，简化主接线为这一技术全面实施，创造更为有利的条件。 (5)设计标准化。同类型变电站采用相同的主接线形式，可使主接线规范化、标准化，有利于系统运行和设备检修。[11] 随着电力系统的发展、调度自动化水平的提高及新设备新技术的广泛应用，变电站电气主接线形式亦有了很大变化。目前常用的主接线形式有：单母线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分段带旁路、1个半断路器接线、桥形接线及线路变压器组接线等。[17]
电气主接线方案的选定对变电所电气设备的选择，现场布置，保护与控制所采取的方式，运行的可靠性、灵活性、经济性，检修、运行维护的安全性等，都有直接的影响，因此，选择优化的电气主接线方式，具有特别重要的意义。 4.2 选择更安全可靠的一次电气设备。 变电所主要电气设备及其作用：
(1)高压断路器（或称高压开关）线路正常时，用来通断负荷电流；线路故障时，用来切断巨大的短路电流。断路器具有良好的灭弧装置和较强的灭弧能力。按灭弧介质划分，断路器分为油断路器、空气断路器、SF6断路器等。
(2)负荷开关线路正常时，用来通断负荷电流，但不能用来切断短路电流。负荷开关只有简易的灭弧装置，其灭弧能力有限。负荷开关在断开后具有明显的断开点。
(3)隔离开关（或称高压刀闸）隔离开关没有灭弧装置，其灭弧能力很小。仅当电气设备停电检修时，用来隔离电源，造成一个明显的断开点，以保证检修人员的工作安全。
(4)高压熔断器 在过负荷或短路时，能利用熔体熔断来切除故障。在某些情况下，熔断器可与负荷开关或隔离开关配合使用，以代替价格昂贵的高压断路器，以节约工程投资。[18]
(5)电流互感器 将主回路中的大电流变换为小电流，供计量和继电保护用。电流互感器二次侧额定电流通常为5A或1A，[19]使用中二次侧不允许开路。 (6)电压互感器 将高电压变换成低电压，供计量和继电保护用。电压互感器二次侧额定电压通常为100V，[19]使用中二次侧不允许短路。
(7)避雷器 避雷器主要用来抑制架空线路和配电母线上的雷电过电压可操作过电压，以保护电器设备免受损害。
(8)所用变压器向变电所内部动力及照明负荷、操作电源提供电力。[20] 如上所述，各种电器对我们的变电站设计都有至关重要的作用。所以合理的配置是关键中的关键。 4.3 隔离开关的配置
(1)中小型发电机出口一般应装设隔离开关：容量为220MW及以上大机组与双绕组变压器为单元连接时，其出口不装设隔离开关，但应有可拆连接点。[21] (2)在出线上装设电抗器的6—10KV配电装置中，当向不同用户供电的两回
[21]
线共用一台断路器和一组电抗器时，每回线上应各装设一组出线隔离开关。 (3)接在发电机、变压器因出线或中性点上的避雷器不可装设隔离开关。 (4)中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；自藕变压器的中性点则不必装设隔离开关。[22] 4.4 电压互感器的配置
(1)电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足测量、保护、同期和自动装置的要求。电压互感器的配置应能保证在运行方式改变时，保护装置
[21]
不得失压，同期点的两侧都能提取到电压。
(2)6—220KV电压等级的每组母线的三相上应装设电压互感器。旁路母线上是否需要装设电压互感器，应视各回出线外侧装设电压互感器的情况和需要确定。[21]
(3)当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。[23]
(4)当需要在330KV及以下主变压器回路中提取电压时，可尽量利用变压器电容式套管上的电压抽取装置。[23] 4.5 电流互感器的配置
(1)凡装有断路器的回路均应装设电流互感器其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。
(2)在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器：发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口、桥形接线的跨条上等。
(3)对直接接地系统，一般按三相配置。对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相配置。
(4)一台半断路器接线中，线路—线路串可装设四组电流互感器，在能满足保护和测量要求的条件下也可装设三组电流互感器。线路—变压器串，当变压器的套管电流互感器可以利用时，可装设三组电流互感器。[21] 4.6 避雷器的装置
(1)配电装置的每组母线上，应装设避雷器，但进出线装设避雷器时除外。 (2)旁路母线上是否需要装设避雷器，应视在旁路母线投入运行时，避雷器到被保护设备的电气距离是否满足要求而定。
(3)220KV及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。
(4)三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器。
(5)下列情况的变压器中性点应装设避雷器：1直接接地系统中，变压器中性点为分级绝缘且装有隔离开关时；2 直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时；3 接地和经消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点上。
(6)发电厂变电所35KV及以上电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设避雷器。
(7)SF6全封闭电器的架空线路侧必须装设避雷器。
(8)110—220KV线路侧一般不装设避雷器。[21] 4.7 做好变电站的防雷和保护接地
变电所的防雷设计应做到设备先进、保护动作灵敏、安全可靠、维护试验方便，并在在保证可靠性的前提下力求经济性。[24]防止雷电直击的主要电气设备是避雷针，避雷针由接闪器和引下线、接地装置等构成。[25]避雷针的位置确定，是变电所防雷设计的关键步骤。首先应根据变电所电气设备的总平面布置图确定，避雷针的初步选定安装位置与设备的电气距离应符合各种规程范围的要求，初步
[25]
确定避雷针的安装位置后再根据公式进行，校验是否在保护范围之内。同时做好变电站的接地电网，也可以有效的防止电力事故的发生。 4.8 所用变的设置
为保证重要变电所的安全用电，所以需装设两台所用变以备用。为了保证供电的可靠性应在低电压等级即10KV母线上各装设一台变压器（每段各一台）。这样就可以避免由于低压线路故障率较高所引起的所内停电事故，从而保证变电所
[21]
的不间断供电。 4.9 继电保护的配置
在电力系统的运行中，变电所可能出现各种故障和不正常运行状态。最常见同时也是最危险的故障是各种类型的短路，其中包括相间短路和接地短路。此外，还可能发生输电线路断线，旋转电机、变压器同一绕组的匝间短路等，这样，供电系统就不能顺利完成输送电。此时，继电保护就显的很重要。继电保护系统的主要作用：保护作用、控制作用、监视作用、事故分析与事故处理作用、自动化作用。继电保护装置在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统可靠性，是电力系统中重要的组成部分，是保证电力系统安全可靠运行的重要技术措施之一。在现在电力系统中，如果没有继电保护装置，就无法维持系统正常运行。[26]
鉴于其在系统中的重要性，有如下要求：（1）选择性，即仅将故障元件从系统中切除，保证非故障元件正常运行，提高系统供电可靠性；（2）速动性，快速地切除故障元件可以提高系统并列运行的可靠性，减少用户在电压降低的情况下的工作时间，以缩小故障元件的损坏程度。只要求速动性是不行的，要根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况来确定，例如当发电厂或母线电压低于允许值时，继电保护动作等；（3）灵敏性，它要求保护装置在事先规定的保护范围内发生故障时，不论短路点的位置，短路类型，以及短路点是否有过渡电阻，都应敏锐感觉，正确反应；（4）可靠性，它主要针对保护装置本身的质量和运行维护水平而言，一般来说，保护装置的组成元件的质量越高，回路中继电器的触电就越少，保护装置的可靠性就越高，同时，正确的设计和整定计算，保证安装、调试试验的质量，提高运行维护水平，对提高保护装置的可靠性有重要作用。[27]因此在电气设计中将继电保护配置好是一个很重要的环节，同时我们应该按照要求进行合理配置。
5 面临的问题
现如今在我国，变电所设计还存在很多不足，面临很多问题比如损耗和可靠性问题。我国经济的发展也电力带来了很多问题比如：1、对电能的需求日益增长，城市和农村用电密度每天都在变化，所以给变电所的容量设计带来了很多麻烦。2、我国国土面积大，尤其是西北地区电力用户较分散，电力的传输需要导线，这样就会使线路的功率损耗增加。3、建立稳定的变电所必须占用较大的土地，然而在城市土地单价昂贵环境要求严格在用电用户稠密的地域建设变电所相对较困难，从而增加了在线路上的电能损耗。以上所说的问题都是我国先目前变
电手面临的问题，这些问题正期待我们的解决。[16]
如果上面所述的部分我们都能够很好的综合考虑那么变电站的初步设计就会相对来说比较安全经济。这也就达到我们的提高电力系统的安全可靠性和运行效率，从而达到降低生产成本提高经济效益的目的。
6 结束语
电网运行的最基本要求是安全与稳定。电网安全稳定的核心问题是要建立一个与该供电网络相适应的、合理的电网结构。[28]110kV电力网络和变电站在系统中的地位和功能发生了很大变化。110kV电力网络已下降为配电网络，大多数110KV变电站也沦为负荷型的终端变电站。[29]配电电压升高，电力系统安全更要时刻抓紧。建设变电站时，在保证安全的前提下还要保证其经济性和灵活性。随着电力人不断的努力，变电站的设计一定会不断完善的。
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