220kV降压变电站电气一次部分设计毕业设计

毕业设计（论文）报告题目220kV降压变电站电气一次部分设计

摘要

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摘要

近年来,我国的工业得到了飞速的发展，电能的需求量也伴随着工业的发展在不

断增加。变电站作为电网输电、变电、配电这三个环节中一个至关重要的部分，对整

个电网甚至是整个社会的影响都不可谓不大。

本次的设计任务为220KV降压变电站的电气一次部分设计。先对实际要求对变电

站作总体分析，并在此基础上设计电气主接线方式，选择主变压器，计算短路电流，选择电气设备，最后设计接地与防雷保护的配置。

关键词：变电站；主变压器；短路计算；防雷保护

ABSTRACT

With the rapid development of China's industry, the electric power demand is more and more big, the promotion of the national economy of electric power industry has played a huge role. The substation as the power transmission, substation, distribution is a crucial part of the three links, to the whole power grid and even influence the whole society is not big.

According to the design requirements, the design for the 220kV step-down substation electrical part design. First on the overall analysis of substation main electrical wiring design requirements, and on this basis, the selection of main transformer, calculation of short circuit current, selection of electrical equipment, the final design of grounding and lightning protection configuration.

Keywords: substation; transformer; short circuit calculation; lightning protection

目录

绪论 (1)

第1章变电站总体分析 (2)

1.1 设计任务 (2)

1.2 原始资料 (2)

1.3 负荷分析 (2)

1.4 变电站连接图 (3)

第2章电气主接线设计 (4)

2.1电气主接线设计的基本原则 (4)

2.2电气主接线设计的基本要求 (5)

2.3电气主接线设计的依据 (5)

2.4电气主接线设计的步骤 (6)

2.5电气主接线的设计 (6)

第3章主变压器的选择 (10)

3.1主变压器台数的选择 (10)

3.2主变压器容量的选择 (10)

3.3主变压器型式的选择 (12)

第4章短路电流的计算 (13)

4.1 短路产生的原因及后果 (13)

4.2短路的类型 (13)

4.3各元件电抗标幺值 (13)

4.4母线短路电流 (15)

4.5短路电流计算结果 (20)

第 5 章主要电气设备的选择 (21)

5.1 电气设备选择的一般条件和原则 (21)

5.2 高压一次设备的选择 (21)

5.3 互感器的选择 (24)

5.4 导体的选择 (27)

5.5 主要电气设备选择汇总 (29)

第 6 章防雷保护设计 (31)

6.1雷电的型式及危害 (31)

6.2接地与防雷保护设计 (31)

绪论

绪论

电能是对整个国民经济最重要的能源之一，变电站作为电网输电、变电、配电这三个环节中一个重要的部分，主要功能是汇集电能、升降电压以及对电能进行合理分配，同时亦是连接用电负荷和发电厂的枢纽。关系到整个电力系统能否正常稳定运行。

变电站一般分为两大类：1、发电厂的升压变电站，负责将发电厂发的有功功率和无功功率经过升高电压等级送入电网。2、电网公司的降压变电站，选择降压变压器，根据不同电压等级其任务和功能也不同。

降压变电站共分为四种：1、枢纽变电站。2、中间变电站。3、地区变电站。4、终端变电站

本文设计的是220KV电压等级的地区变电站，该变电站的下一级负荷为110kV和10kV级工厂以及城区负荷。工厂主要有钢铁厂、汽车厂及机械厂等，城区负荷主要有政府、医院、及周边居民用户等。这些负荷对电能质量的要求不同，采用的电压等级也不同，但都需要同时保证这些负荷的供电可靠性及稳定性，可靠性和稳定性是变电站设计最基本也是最重要的要求。

以前的变电站一般都采用常规装置，常规装置可靠性较低，但是结构却很复杂，导致日常维护工作量很大，变电站需要的值班人员也较多。随着我国经济的飞速发展，人民对生活质量的要求也在不断提高。以前的变电站存在很多不足，有些信息量不能实时传送到电网公司的调度中心，导致调度中心无法及时获取运行参数从而无法准确而及时的发出指令。变电站自身的调控手段和自控手段也较为落后，导致无法进行实时的调控，系统的安全稳定运行无法得到保障。

为了满足工业负荷快速增长的需求，以及降低线路损，输电的电压等级越来越高。中国现在采用较多的电压等级主要有110kV、220kV、500kV三种电压等级，西北地区使用较多的是330kV。220kV级别的变电站属于电力系统中的中间变电站和地区变电站，承担着系统中功率交换，高压长距离输电线路分段以及给地区用户供电的责任。随着电力系统中的诸如继电器、隔离开关、断路器等电气元件性能的提高，变电站现今变得越来越完善，可靠性和灵活性都得到了很大的提高。在未来的发展道路上，220kV变电站将趋向于无人化和数字化方向，同时也将承担起越来越多的任务。

在本次设计中，共分为六个部分：1、对变电站作设计总体分析；2、变电站主接

第1章变电站总体分析

线的设计；3、主变压器的选择；4、短路电流的计算；5、主要电气设备（高压断路器、熔断器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、母线、绝缘子和穿墙套管）的选择；6、接地与防雷保护设计。

第1章变电站总体分析

1.1设计任务

根据要求，现需要在某地区建造一座220kV地区变电站，为市区的大型工厂和城区负荷供电，该变电站能否可靠和稳定运行对该地区工业的正常生产和居民的生活质量具有重大的影响。

1.2原始资料

(1)该变电站定址在城市的南郊，对工业园的钢铁厂、机械厂、汽车厂以及变电所周围地区用户供电。

(2)该变电站有220kV、110kV、10kV三种电压等级，220kV是一次侧进线电压（电源侧电压），110kV和10kV是二次侧出线电压（负荷电压）。

（3）该站的电源是由某发电厂接入的双回路220kV输电线路，中压侧的110kV母线有2回出线端，低压侧10kV母线有12回出线端。

（4）年负荷利用时间T≥5500h。

绪论

1.3 负荷分析

表1-1 110kV负荷资料分析

负荷名称最大运行负

荷（kW）线路全长

（km）

重要负荷百

分比（%）

回路数cosφ

钢铁厂42000 50 65 2 0.95 大型矿山32000 80 70 2 0.95

表1-2 10kV负荷资料分析

负荷名称最大运行负

荷（kW）线路全长

（km）

重要负荷百

分比（%）

回路数cosφ

机械厂2100 4

62 2

0.95

汽车厂2400 2 2

水泥厂1800 8 2

化肥厂2000 5 2

纺织厂A 900 3 2

纺织厂B 600 3 2

根据不同负荷对供电质量的要求不同，以及停电能够造成的影响不同，可以将负荷分为三种级别：一级负荷、二级负荷、三级负荷。

一级负荷出现停电事故会对用户造成重大人身伤亡，或使用户造成巨大的经济损失损失；

二级负荷出现停电事故会对用户造成较大的经济损失，如生产设备损坏，生产出的产品成为无价值的废品；

三级负荷出现停电事故对用户造成的影响很小，甚至无影响。

供电的稳定性和可靠性直接影响到用户，不同负荷等级对电能质量要求也有较大差异：

一级负荷须设有两个独立电源，两个电源中的任何一个电源出现故障时，另外那个电源能够继续对所有负荷供电；

二级负荷通常也需要设立两个独立电源，两个电源中的任何一个电源出现故障时，另外那个电源能够继续对大部分负荷供电；

三级负荷通常只设立一个电源。

1.4 变电站连接图

第1章变电站总体分析

图1.1 变电站与电网的连接图

第2章电气主接线设计

2.1电气主接线设计的基本原则

电气主接线的设计是整个变电站设计的主体。其基本原则须以设计任务书为依据，以国家的技术规定为标准，并结合变电站具体情况，在保证变电站的四个基本要求下来选择尽可能完善的方案。

变电站的稳定性和可靠性与主接线方式密切相关，并对变电站的平面布置和继电保护有重要影响。合理的主接线方案必须结合变电站的实际情况，这样才能保证变电站运行灵活、维护方便，降低成本，以达到经济性的要求。

变电站电气主接线的设计需考虑到的综合因素有：变电站母线的电压等级；变电站的地理位置；变电站与电力系统的连接方式；变电站出线回路数；变压器的接地方式和调压范围；短路电流及其限制措施。

绪论

在110kV—220kV电压等级的配电装置中，当出线回路数小于或等于2回时，采用单母线接线方式；当出线回路数为3到4回时，采用单母线分段接线方式；当出线回路大于等于5回，或者当110kV-220kV电压等级配电装置在电力系统中占据重要地位时；出线回路数大于等于4回，一般采用双母线接线方式。

2.2电气主接线设计的基本要求

1. 根据变电站在电力系统中的作用、地位和负荷性质，必须保证供电可靠（即电能质量必须满足该变电站所供负荷的要求）；

2. 在保证运维、检修的安全和方便下；主接线应力求简单，操作方便、运行灵活。；

3. 应尽量降低投资成本，节省日常运行维护费用，满足经济型的要求；

4. 同时也要满足日后的扩建要求，实现建设的分期过渡。

5. 变电站的占地面积尽量要小，在设计电气主接线方案时要同时考虑配电装置的布局，以达到减小占地面积，节省材料以及施工费用的目的。在交通运输条件允许的情况下，尽量使用三相变压器。

6.尽量减少电能的损耗，在变电站日常运行时，变压器损耗占整个变电站电能损耗的比重最大。因此，合理选择主变压器的型式、容量和台数对有效减少变电站电能损耗至关重要。

2.3电气主接线设计的依据

电气主接线的设计依据是设计任务书，共包括了如下内容：

1．变电站在系统中的作用和地位；

2．变电站的容量和分期建设情况；

3．负荷的性质

①对于一级负荷，需要两个独立电源供电，在其中任何一个电源断电时，另一个

第1章变电站总体分析

负荷能继续为全部负荷供电。

②对于二级负荷，一般也需要两个独立电源供电，在其中任何一个电源断电时，另一个负荷能继续为大部分负荷供电。

③对于三级负荷，通常情况下只设立一个电源。

4．电力系统对电气主接线提供的基础数据资料以及电力系统备用容量；

5．地理位置及当地气候条件，如海拔、风向、温度、地质、湿度等，外部环境对主接线时选择电气装置都有一定影响。

2.4电气主接线设计的步骤

变电站电气主接线与变电站整体设计是同时进行的，按工程建设的标准程序，共经历四个阶段：可行性研究、初步设计、技术设计以及施工设计。

可行性探讨关系到后面的设计能否满足主接线的设计要求，包括了初步可行性研究、可行性研究、撰写项目建议书、撰写设计任务书。初步设计以及技术设计属于具体设计阶段。施工阶段不属于电气部分初步设计本文不予探讨。

设计主要步骤如下：

1.搜集、整理、分析基础数据，包括负荷特性、输电电压等级、变电站的地理位置以及出线回路数；

2．确定主变的台数、型式然后确定可能采取的主接线方式；

3.变电站自用电源的引接；

4计算短路电流及电气设备的选择；

5.对比各方案的经济性和合技术性，选择最优方案；

6.确定对应的平面布置和配电方案。

2.5电气主接线设计

2.5.1电气主接线的基本形式

绪论

主接线的基本接线形式分为两大类：有汇流母线和无汇流母线。有汇流母线又分为单母线和双母线，单母线共有四种接线方式（单母线、单母线分段、单母线带旁路、单母线分段带旁路），双母线共有五种接线方式（双母线、双母线分段、双母线带旁路、双母线双断路器、3/2断路器接线）。

下表是一些设计本变电站可能应用到的接线方式：

表2-1 主接线一般接方式式特点比较

母线故障或检修时，母线上所有回路断电检修出现回路

断路器时，该

回路断电

检修任一回

路母线隔离

快关，该回

路断电

适用情况

单母线存在存在

不存在

出线回路数：

10kV≤5回110-220kV≤2回

单母线分段减少停电回路

数目存在出线回路数：

10kV≥6回

110-220kV≤2回

单母线分段带

旁路减少停电回路

数目

不存在适用35-110kV，

220kV也可用

双母线短时停电存在（短时停

电）110-220kV出线回路

≥5回

特

点主

接

线

第1章 变电站总体分析

双母线分段 短时停电（范

围减小） 不存在 存在 常用于大型发电机厂的发电机电压配

电装置

双母线带旁路 短时停电 不存在 不存在 经济性差，一般用于

旁路母线回路数较

多的场合

2.5.2主接线型式的选择

根据所设计变电站的实际情况（220kV 侧3回出线、110kV 侧四回出线、10kV 侧12回出线）以及表2-1可以大致拟定如下草案：

表2-2 初步拟定的3种草案 220kV 侧 110kV 侧 10kV 侧

草案1 双母线接线 单母线带旁路母线

接线 单母线分段接线

草案2 双母线接线 单母线分段带旁路

母线接线 双母线接线

草案3 双母线接线 双母线接线 单母线分段接线

各 侧 接 线

草 案

绪 论

三种草案综合对比如下表

表2-2 三种草案综合对比 可靠性 灵活性 经济性 综合评级

草案1 可靠性较高 灵活性较高 经济性较低 B+ 草案2 可靠性较高 灵活性较高 经济性低，操作

较复杂 B

草案3 可靠性高，故障

出现时能迅速

恢复供电 灵活性较高 经济性高，操作简单 A

根据表2-2的对3种草案可靠性、灵活性和经济性的综合比较，草案3优于草案1和草案2，因此选定草案3为该变电站最终的主接线方案。

特 性

草 案

第1章变电站总体分析

第3章主电变压器的选择

在变电站建设的总投资中主变压器的投资占的比列很大。因此，主变的选择决定了变电站建设能否满足经济性的要求。同时主变的合理选择对变电站运行的可靠性同样至关重要，主变压器的容量和台数不足会影响电网运行的可靠性，而容量和台数超过要求又会增加变电站建设成本，经济性降低，配电装置也会变得更加复杂。主变的选择是由变电站在系统中的作用及其本身的的性质所决定，合理的选择主变需要考虑到三个方面：台数、容量以及主变压器的型式。

3.1主变压器台数的选择

在变电站建设过程中对于主变的台数应该尽量满足增大单台变压器容量，从而减少变压器台数。减少台数增大单台容量可以降低投资成本，并且由于变压器台数减少，与变压器配套的电气设备也随之减少，能够简化变电站整体布局和减小变电站的占地面积，降低电能损耗，进一步提高经济性。

一般情况下变电站主变压器台数选择情况：

（1）在一般的非孤立地区变电站中，当110kV侧和10kV侧都与电网连接的情况下，变电站一般选择两台主变压器。

（2）而在特殊的孤立地区变电站中或者如本变电站的110kV级所接的负荷（钢铁厂）等大型工业专设的变电站中，为了保证供电可靠性，需要考虑多装设一台备用变压器，即考虑装3台主变压器。

（3）在变电站只装了两台主变压器的情况下，当地区负荷出现增长，变电站无法满足负荷增长需求时，可以考虑增大主变压器的容量，一般不考虑增加台数。

3.2主变压器容量的选择

3.2.1主变压器容量选择的依据

绪 论

（1）变电站主变压器容量容量按照与电网连接的两侧正常运行状态与出现故障或需要检修时理论最大交换功率来确定。

（2）变电站主变压器的运行可靠性很高，一般检修周期为5-10年，因此主变压器的备用要求可以适当合理的降低。在两台变压器并联运行的变电站中，应该满足当其中一台变压器停止运行时另一台变压器能够在较短的时间内（一般为2小时）正常运行（一台变压器的容量能够达到总负荷容量的60%-80%）。

3.2.2主变压器容量选择的计算

根据变电站设计要求中的负荷分析资料：

表3-1 变电站主要负荷资料 用户名称

最大负荷（kW ） 线路长（km ） 重要负荷百分比（%） 回路数 cos φ 钢铁厂

42000 50 65 2 0.95

大型矿山

32000 80 70 2 机械厂

2100 4 62 2 汽车厂

2400 2 2 水泥厂

1800 8 2 化肥厂

2000 5 2 纺织厂A

900 3 2 纺织厂B

600 3 2

根据负荷资料可以计算出变压器的额定容量以及确定变压器型号,计算过程如下:

第1章 变电站总体分析

0max max

max 0max =0.9

6%

0.74200032000+2100240018002000900+

60083800W=83.8MW

83.80.90.7+%=0.7cos 0.95

p

e e K P S P P k K P S ?0≥K ∑==+++++=??=??1.16?同时率线损取（变压器额定容量）（负荷总功率）（变压器额定容量）（16） =60.58MV A

?

根据计算出的额定电压结果，本次选择的主变压器型号为SFPZ7-63000/220（S-三相 F-风冷 P-强迫油循环 Z-有载调压 额定容量63000KVA 高压侧220KV ）。

3.3主变压器型式的选择

（1）相数：本变电站设计在市区南郊，交通方便，一般情况下只要交通允许都选择三相变压器，故本变电站采用三相变压器，SFPZ7-63000/220符合要求。

（2）绕组数：本变电站具有三种电压等级，故选用三绕组变压器，SFPZ7-63000/220符合要求。 （3）绕组连接方式：SFPZ7-63000/220型号的变压器连接组别为YN,a0,d11（高压侧星接带中性点引出；中压侧采用自耦绕组接法；低压侧采用三角形接法，组别号为11点接线）。

（4）各侧电压：考虑到电压损耗，220KV 侧为220×110%=242KV

110KV 侧为110×110%=121KV

10KV 侧为10×105%=10.5KV

（5）冷却方式：SFPZ7-63000/220变压器冷却方式有风冷、强迫油循环、自冷等。