Design of Substation Transformer

Sabir Messalti , Fares Zitouni, Issam Griche

ABSTRACT

A substation is a part of an electrical generation, transmission, and distribution system. Substations generally have switching, protection and control equipment, and transformers. There are three types of substation: pole-mounted transformer substation, the substation in an envelope and substation in masonry. This paper presents a general description for different substation and a methodology to design the various elements making up the public distribution substation ( power transformer, circuit breakers, fuses, disconnect switch, conductors,...etc).

Keywords: Substation Transformer; Substation in Masonry, Pole-Mounted Transformer Substation

Introduction

A substation is a part of an electrical generation, transmission, and distribution system. Substations transform voltage from high to low, or the reverse, or perform any of several other important functions. Electric power may flow through several substations between generating plant and consumer, and its voltage may change in several steps. Substations generally have switching, protection and control equipment, and transformers. Distribution circuits are fed from a transformer located in an electrical substation, where the voltage is reduced from the high values used for power transmission [1].

Distribution networks are typically of two types, radial or interconnected. A radial network leaves the station and passes through the network area with no normal connection to any other supply. This is typical of long rural lines with isolated load areas. An interconnected network is generally found in more urban areas and will have multiple connections to other points of supply. These points of connection are normally open but allow various configurations by the operating utility by closing and opening switches. Operation of these switches may be by re- mote control from a control center or by a lineman. The benefit of the interconnected model is that in the event of a fault or required maintenance a small area of network can be isolated and the remainder kept on supply.

The substations are a node of a network, which includes a set of equipment designed to protect and facilitate the operation of the electrical energy [1-3].

substation transformer has two purposes:

• The interconnection between the lines of the same voltage level, it helps to distribute the power of the different lines from substations.
• The transformation of electrical power, processors can switch between voltage levels to another.

So, we can classify the substations over the networks on which they are used as well as the functions they perform. The realization of substations needs prior knowledge:

• • Standards of reference and statutory instruments ；
  • power plant availability, operation；
  • Constraints, installation and environment [2,3].

This paper presents the different substation transformer and a methodology to design the various elements making up the public distribution substation.

The Birth of Substation Transformer

The decision of a MV or LV supply will depend on local circumstances and considerations such as those mentioned above, and will generally be imposed by the utility for the district concerned. When a decision to supply power at MV has been made, there are two widely-fol- lowed methods of proceeding:

• The power-supplier constructs a standard substation close to the consumerrsquo;s premises, but the MV/LV transformer is located in transformer chamber inside the premises, close to the load centre.
• The consumer constructs and equips his own substation on his own premises, to which the power supplier makes the MV connection [3].

Project Studies

The consumer must provide certain data to the utility at the earliest stage of the project. (maximum anticipated power demand , layout plans and elevations show- ing location of proposed substation, degree of supply continuity required from the information provided by the consumer), the power-supplier must indicate:

• The type of power supply proposed, and define the kind of power-supply system: over headline or under- ground-cable network, the service connection details: single-line service, ring-main installation, or parallel feeders, and the power limit and fault current.
• The nominal voltage and rated voltage (Highest volt- age for equipment)
• Metering details which define: The cost of connection to the power network and tariff details (consumption and standing charges).

Implementation

Before any installation work is started, the official agreement of the power-supplier must be obtained. The request for approval must include the following information, largely based on the preliminary exchanges noted above:

• Location of the proposed substation;
• Single-line diagram of power circuits and connections, together with earthing-circuit proposals;
• Full details of electrical equipment to be installed, including performance characteristics;
• Layout of equipment and provision for metering components;
• Arrangements for power-factor improvement if required;
• Arrangements provided for emergency standby power plant if eventually required.

Commissioning

After testing and checking of the installation by an independent test authority, a certificate is granted which permits the substation to be put into service. When required by the authority, commissioning tests must be success- fully completed before authority is given to energize the installation from the power supply system. Even if no test is required by the authority it is better to do the fol- lowing verification tests:

• Measurement of ear

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  本科生毕业论文(设计)

  题 目 变电站的设计

  变电站的设计

  摘要：变电站是发电、输电和配电网络的一部分。变电站一般由开关、保护和控制设备、变压器等部件组成。变电站主要有三种类型：杆塔式变电站、箱内变电站和户内变电站。本文介绍了不同类型的变电站和组成公共配电变电站的各种元件（电力变压器、断路器、熔断器、断开开关和导体等）

  关键词：变电站、户内变电站、杆塔式变电站

  1 介绍

  变电站是发电、运输和配电系统的一部分。变电站将电压从高转换为低，或低转化为高，或实现其他重要功能。电力可以通过发电厂和用户之间的几个变电站传输，其电压在传输过程中可能会发生变化。变电站一般由开关、保护系统和控制设备和变压器等部件组成。在电力传输过程中电压降低时，分配电路由位于变电站内的变压器供电。

  配电网络通常有两种类型，径向或互连。一个径向网络离开变电站并通过供电区域，与其他电源没有正常连接。这是典型的长农村线与孤立的负载区。互联网络则更多地存在于城市地区，并与其他电源有多方面的联系。这些连接点通常是断开的，但允许通过闭合和断开开关进行操作。这些开关的操作可以通过控制中心或施工员的控制来实现。互连模型的好处是，在发生故障或需要维护的情况下，可以隔离小面积的区域，其余部分保持供电。

  变电站是电网的一个节点，它有着一套用于保护和分配电能的设备。

  变电站有以下两种功能：

  ⑴连接相同电压水平的线路，并给这些线路分配电能；

  ⑵转换电压，变压器可以让电压等级发生变化。

  我们可以根据变电站在电网中的地位或功能对其进行分类。设计变电站之前，需要了解：

  ⑴参考标准；

  ⑵发电厂的运行情况；

  ⑶安装条件和环境。

  本文介绍了几种不同变电站，以及构成公共配电变电站的各种要素的设计方法。

  2 变电站的论证

  是否建造变电所取决于当地的实际情况，一般由公用事业公司对有关地区强制执行。建造变电所提供电力，有两种广泛采用的方法：

  ⑴电力供应商在靠近用户的地方建造一个标准变电站，而主变压器位于所内的变压器室，靠近装载中心；

  ⑵可以为用户建造专用的变电站，与电网连接获得电能。

  2.1 项目研究

  在项目的开始阶段，公用事业部门要获取必要的数据。(最大预期电力需求，用于拟定变电站的位置的布局图)，电力供应商必须指出：

  ⑴电缆的类型：是架空电缆还是地下电缆；

  ⑵标称电压和额定电压（设备最高电压）；

  ⑶连接到电网的费用。

  2.2.执行情况

  在任何施工工作开始之前，必须取得电力供应商的正式许可。批准请求必须包括以下信息：

  ①建议的变电所的位置；

  ②电力线路连接单线图及接地线路方案；

  ③安装电气设备的详细情况，包括性能特点；

  ④设备布置和计量部件的配置；

  ⑤必要时提高功率因数的措施；

  ⑥以及提供应急备用动力装置的方案。

  2.3调试

  变电站投入使用时，要由权威机构进行测试和检查，授予合格证书。当权威机构要求时，必须在电源供应系统供电之前，完成调试测试。即使权威机构不需要测试，最好还是做一些验证性测试，比如：

  ①接地电阻测量；

  ②所有等所有机组的检查和功能测试；

  ③电位接地和安全接地导体的连续性；

  ④设备绝缘检查；

  ⑤变压器油的介电强度试验；

  安装和测试装置：

  ①检查所有联锁和所有自动顺序；

  ②检查正确的继电保护动作和设置；

  ③供电部门人员为设备供电，检查计量是否正确运行；

  ④安装承包商负责装置的测试和连接。变电站最终运行时，供电电源对变电站中的所有开关设备都有操作控制；

  ⑤管理人员不受限制地使用设备。

  进行变电站设备维护工作时，供电当局必须对设备进行隔离工作，以便允许维护工作继续进行。供电商必须签发签字许可证给维护人员，用隔离开关的钥匙等进行隔离工作。

  变电站研究指南：

  技术供给；

  变电站的布置图和平面图；

  单线图；

  电气设备图和平面图；

  杆塔的基础方案，变电站不同方向的视图；

  变电所接地系统及照明方案。

  3变电站的分类

  变电站主变压器可按计量装置和供电类型（架空线路或地下电缆）分类，变电站分为三种类型：

  户内变电站：安装在一个专用的预制件上，与室内设备（开关设备和变压器）连接；

  杆塔式变电站，与室外专用设备相连；

  箱内变电站。

  3.1杆塔式变电站

  这些变电站主要用于从架空线路配电系统提供隔离的用户。在这种类型的变电站中，最常见的跨变压器保护由熔断器提供。避雷器也对变压器和用户提供保护，如图1所示。如前所述，变电站的位置必须能够容易进入，还要方便车辆通过用于运输设备。

  户外变电站在一些国家是常见的，基于暴露元件的耐温条件。安装在杆塔的变电站是最简单的，它是在电力变压器小于或等于160千伏安的情况下使用的。该变电站允许缩短低压线路，安装与熔断器直接连接的变压器。变压器通过熔断器保护防止过电压，用低压断路器克服过流。断路器提供电网的绝缘和保护。

  变压器连接在杆塔上，断路器安装在一个密封的包装中，本身悬挂在杆塔上，除了它在低电压下的自动故障外，它还可以通过手动操作。绝缘电缆一方面连接着变压器和低压柜，另一方面连接着馈送网络的机柜和线路。杆塔式变电站如图1所示：

  图1 杆塔式变电站

  在杆塔式变电站中，最大起降电压是固定的两个数值。起落架配有热磁断路器用于开断160千伏安变压器和100千伏安的变压器。

  3.2 箱内变电站

  箱内变电站提供了一种特别简单、快速和有竞争力的选择。预制件采用：电池、变压器等，分组在箱内，其作用是保护内部设备免受外部影响，并保障用户的安全。

  箱内变电站在经过了厂家制造、连接和测试工作，其变压器和开关设备组装在金属外壳中，这些变电站非常紧凑，其施工速度非常快，这是它最主要的特点：

  ①简化土木工程；

  ②即时可用性；

  ③有限的空间和时间。

  ④箱内变电站由卡车运输。它被放置在混凝土板上。箱内变电站如图2所示：

  图2 箱内变电站

  3.3户内变电站

  配电网络有时需要操作变电站之外的开关，以便限制电路故障对电网的影响。户内配电变电站可分为三类：公用配电变电站；低压配电变电站；特定变电站。

  3.3.1公共配电变电站

  公共配电变电站指定用于公共用途（国内客户，建筑物，分区），以永久性地转换中等电压（30或10千伏）和低电压（380或220V）。

  公用配电变电站由三部分组成：连接设备；配电变压器；低压配电网下游连接点的偏离表。

  3.3.2具有低压计量的配电变电站

  该变电站具有与公共配电变电站几乎相同的特点，唯一不同的是，在低压计量中有两个接入面板和计数，对于公共配电变电站包含一个接入和一个配电面板。具有低压计量的变电站通常配有不超过630千伏安的单个变压器。

  3.3.3中压配电变电站

  该变电站用于大负荷的用户。户内变电站如图3所示：

  图3 户内变电站

  4公共配电变电站的设计

  带有预制电池的公共配电变电站的功能是由各个组成部分共同工作实现的。公共配电变电站包括：输入板；熔断器开关的组合或熔断；地下故障检测仪；低压断路器（公共配电表）；电源变压器；安全设备；偏导器；内外部箱体；电缆；备用保险丝。

  4.1 设备

  设备（断路器、开关、母线、hellip;hellip;等）集成在金属外壳中，便于安装和操作。这些封装的设备决定了变电站的运转。

  4.2 故障电流检测器

  故障电流检测器用于检测地下网络的永久性故障，覆盖所有类型的变电站系统。

  4.3 变压器的选择

  电力变压器通常是降压的，它们用来从高电压等级电网提供电能给低电压侧。它们的特征在于额定功率PN（50, 100, 160，250, 400, 630，800, 1000, 1250，1600 kVA，..）和额定初级和次级电压（架空线路的30 / 0.4千伏和地下线路的10 / 0.4千伏）。为了选择变压器的最佳功率（KVA）额定值，必须考虑以下因素：安装的耗电设备的功率、功率因数、利用率和同时性因数。

  4.4公共分配表

  公共分配表是低压配电站公用的，它用于低压线路的顶部，提供以下主要功能：

  用户的电力供应；

  乘以偏离数的分布；

  公共分配表包括一个开关装置，它可以是一个通用开关或一个断路器。

  4.5电缆和导线的选择

  电缆长度是通过测量变压器与低压断路器之间的距离来计算的。每相电缆的数量取决于由变压器提供的电流和电缆特性。电缆的最佳选择必须满足几个标准（额定电流、工作温度、时尚姿态、电压降和短路）。

  4.6熔断器的选择

  熔断器是一种非常广泛使用的保护配电变压器的装置，主要是由于它们的简单性，相应地降低了设备的成本。关于熔断器选择的规则，取决于熔断器类型的特性，包括以下标准：变压器的工作电压、开关电流和熔断器技术。

  4.7操作和安全材料

  变电站的安全设备主要包括：

  ①绝缘座；

  ②绝缘垫片；

  ③绝缘手套；

  ④电压检测器；

  ⑤接地附件；

  ⑥安全警报与及灭火装置。

  5.结论

  本文介绍了各种不同类型的变电站，详细研究了公共配电变电站。并且论述了变压器，断路器，电缆和必要的安全设备选择的方法。

  操作配电网络，需要变电站以外的交换点，以限制故障对电网的影响。为了建造一个变电站，有必要对多个参数进行尺寸化，以绘制正确的接线图。这些组件的开发必须满足一定的条件，需要满足操作安全性和较低的运营成本。电压、电流的热效应和操作人员的安全都是施工需要考虑的因素。

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