220kV变电站电气一次系统设计毕业设计
220kV变电站电气一次系统设计
摘要
变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的专设场所。作为电能传输与控制的枢纽，变电站必须改变传统的设计和控制模式，才能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。随着计算机技术、现代通讯和网络技术的发展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。
220kV变电站属于高压网络，该地区变电所所涉及方面多，考虑问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。选择变电站高低压电气设备，为变电站平面及剖面图提供依据。本变电所的初步设计包括了：(1)总体方案的确定；(2)短路电流的计算；(3)高低压配电系统设计与系统接线方案选择；(4)防雷保护等内容。
关键词：变电站；输电系统；配电系统；高压网
A DESIGN OF ELETRIC SYSTEM FOR
220KV STEP-DOWN TRANSFORMER
SUBSTATION
ABSTRACT
The substation is an importance part of the electric power system, it is consisted of the electric appliances equipments and the Transmission and the Distribution. It obtains the electric power from the electric power system, through its function of transformation and assign, transport and safety. Then transport the power to every place with safe, dependable, and economical. As an important part of power’s transport and control, the transformer substation must change the mode of the traditional design and control, then can adapt to the modern electric power system, the development of modern industry and the of trend of the society life.
The region of 220-voltage effect many fields and should consider many problems. Analyse change to give or get an electric shock a mission for carrying and customers carries etc. circumstance, choose the address, make good use of customer data proceed then carry calculation, ascertain the correct equipment of the customer. At the same time following the choice of every kind of transformer, then make sure the line method of the transformer substation, then calculate the short-circuit electric current, choosing to send together with the electric wire method and the style of the wire, then proceeding the calculation of short-circuit electric current. This first step of design included:(1) ascertain the total project (2) the calculation of the short-circuit electric current . (3) the design of an electric shock the system design to connect with system and the choice of line project .(4) the contents to defend the thunder and so on.
Key words：substation; transmission system; distribution; high voltage network.
前言
目前，我国城市电力网和农村电力网进行大规模的改造，与此相应，城乡变电所也正不断的更新换代。我国电力网的现实情况是常规变电所依然存在，小型变电所，微机监测变电所，综合自动化变电所相继出现，并得到迅速的发展。然而，所有的变化发展都是根据变电设计的基本原理而来，因此对于变电设计基本原理的掌握是创新的根本。
本毕业设计的内容是220kV终端变电所电器一次系统设计。正是最为常见的常规变电所，并根据变电所设计的基本原理设计，务求掌握常规变电所的电气一次系统的原理及设计过程。通过对原始资料的分析、主接线的选择及比较、短路电流的计算、主要电气设备的选择及校验、线路图的绘制及避雷器、避雷针的选择等步骤、最终确定该变电所的主要电气设备、主接线图以及变电所防雷保护方案。
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (1)
前言 (2)
原始数据 (1)
1电气主接线选择 (2)
1.1概述 (2)
1.2主接线设计的基本要求 (2)
1.2.1主接线可靠性的要求 (2)
1.2.2主接线灵活性的要求 (2)
1.2.3主接线经济性的要求 (3)
1.2.4主接线的设计原则 (3)
1.3主接线的接线方式选择 (3)
1.3.1单母线接线 (3)
1.3.2单母分段 (3)
1.3.3单母分段带旁路母线 (4)
1.3.4桥形接线 (4)
1.3.5一台半断路器（3/2）接线 (4)
1.3.6双母接线 (4)
1.3.7双母分段接线 (4)
1.4电气主接线的设计步骤 (4)
2主变压器的选择 (6)
2.1概述 (6)
2.2主变压器选择的一般原则与步骤 (6)
2.2.1主变压器台数的确定 (6)
2.2.2主变压器型号的选择 (6)
2.2.3主变压器容量的确定原则 (7)
2.3主变压器型式的选择 (7)
2.3.1绕组数的选择 (7)
2.3.2主变调压方式的选择 (8)
2.3.4容量比的选择 (8)
3短路电流计算 (9)
3.1概述 (9)
3.2短路电流计算的目的 (9)
3.2.1短路电流计算的一般规定 (9)
4．电气设备的选择 (11)
4.1概述 (11)
4.1.1一般原则 (11)
4.1.2技术条件 (11)
4.2断路器选择原则与技术条件 (12)
4.3隔离开关的配置与技术条件 (13)
4.4互感器 (14)
4.4.1互感器的特点 (14)
4.4.2电流互感器的选择条件 (14)
4.4.3电压互感器的选择条件 (15)
4.5母线的选择 (16)
4.5.1裸导体的选择条件和校验 (16)
4.5.2母线及电缆截面的选择 (17)
4.6支柱绝缘子及穿墙套管的选择 (17)
4.6.1支柱绝缘子的选择 (17)
4.6.2穿墙套管的选择 (17)
5电气总平面布置及配电装置的选择 (18)
5.1概述 (18)
5.2配电装置方式及其特点 (18)
5.3配电装置的要求 (18)
5.4配电装置的应用 (19)
5.5高压配电装置的选择 (19)
6防雷保护 (21)
6.1防雷保护的设计 (21)
6.2避雷器的作用 (21)
6.3避雷针的作用 (21)
6.4变电站的直击雷保护 (21)
6.5变电站的侵入雷电波保护 (22)
6.6接地设计 (22)
6.6.1概述 (22)
6.62一般规定 (23)
6.6.3降低土壤电阻率的措施 (23)
6.6.4接地体的设计 (23)
6.6.4典型接地体的接地电阻计算 (23)
7主接线比较选择 (25)
7.1主接线方案的拟定 (25)
7.2主接线各方案的讨论比较 (25)
8主变容量的计算 (26)
8.1主变压器容量的确定计算 (26)
8.2主变压器型号的选择 (26)
9短路计算 (27)
9.1计算变压器各绕组电抗 (27)
9.2整体等值网络 (28)
10电气设备选择计算 (33)
10.1断路器选择与校验 (33)
10.2隔离开关选择与校验 (35)
11 经济性比较 (38)
12其他电气设备的选择 (41)
12.1电流互感器的选择 (41)
12.2电压互感器的选择 (44)
12.3各电压等级的线路选择 (45)
12.4支柱绝缘子的选择 (49)
12.5穿墙套管的选择 (50)
12.6避雷器的选择 (51)
12.7避雷针的选择 (52)
12.8本设计的接地设计 (53)
结论 (56)
参考文献................................................... 错误！未定义书签。设计图纸说明............................................... 错误！未定义书签。致谢....................................................... 错误！未定义书签。
原始数据
1.变电站类型：220kV 降压变电所
2.电压等级：220/110/10 kV
3.负荷情况：
110kV 侧：最大120MW ，最小60MW ，6000max =T 小时，85.0cos =?
10kV 侧：最大40MW ，最小15MW ， 5200max =T 小时，80.0cos =?
4.出线情况：
220kV 侧：2回(架空线)； km LGJ 50/300-；
110kV 侧：6回(架空线)；10kV 侧：16回(电缆)
5.系统情况：
(1)系统经双回线给变电所供电；
(2)系统220kV 母线电压满足常调压要求；
(3)系统220kV 母线短路电流标幺值为40(MVA S B 100=)。
6.环境条件：
(1)最高温度40℃，最低温度-30℃，年平均温度20℃
(2)土壤电阻率 ρ<400 欧米
(3)当地雷暴日 40日/年
1电气主接线选择
1.1概述
主接线是变电所电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系。
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。
1.2主接线设计的基本要求
变电站的电气主接线应根据该变电站所在电力系统中的地位，变电站的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。
1.2.1主接线可靠性的要求
可靠性的工作是以保证对用户不间断的供电。衡量可靠性的客观标准是运行实践。主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次部分在运行中可靠性的综合。因此，不仅要考虑一次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。评价主接线可靠性的标志是：
(1) 断路器检修时是否影响停电。
(2) 线路、断路器、母线故障和检修时，停运线路的回数和停运时间的长短，以及能否对重要用户的供电。
(3) 变电站全部停电的可能性。
1.2.2主接线灵活性的要求
主接线的灵活性有以下几个方面的要求：
(1) 调度要求。可以灵活的投入和切除变压器、线路，调配电源和负荷；能够满足系统在事故运行方式下、检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。
(2) 检修要求。可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备进行安全检修，且不致影响对用户的供电。
(3) 扩建要求。可以容易的从初期过渡到终期接线，使在扩建时，无论一次和二次设备改造量最少。
1.2.3主接线经济性的要求
在满足技术要求的前提下，做到经济合理。
(1) 投资省：主接线简单，以节约断路器、隔离开关等设备的投资；占地面积小：电气主接线设计要为配电装置布置创造条件，以节约用地、架构、导线、绝缘子及安装费用。
(2) 电能损耗少：经济选择主变压器型式、容量和台数，避免两次变压而增加电能损失。
1.2.4主接线的设计原则
变电站电气主接线是电力系统接线的主要组成部分。它表明了发电机、变压器、线路和断路器等的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输配电的任务。它的设计直接关系着全站电气设备的选择、配电装备的布置、继电保护和自动装置的确定，关系系统的安全、稳定、灵活和经济运行。主接线的设计着电力是一个综合性的问题，必须在满足国家有关技术经济政策的前提下，力争使其技术先进、经济合理、安全可靠。1.3主接线的接线方式选择
电器主接线是根据电力系统和变电所具体情况确定的，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。
1.3.1单母线接线
单母线接线虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配电装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，才能恢复非故障段的供电，并且电压等级越高，所接的回路数越少，一般只适用于一台主变压器。
1.3.2单母分段
用断路器，把母线分段后，对重要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切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。但是，一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电，而出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越，扩建时需向两个方向均衡扩建，单母分段适用于：
110～220kV配电装置的出线回路数为3～4回，35～63kV可配电装置的出线回路数为4～8回，6～10kV配电装置出线为6回及以上，则采用单母分段接线。
1.3.3单母分段带旁路母线
这种接线方式：适用于中小型电压等级为35～110kV的变电所较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。
1.3.4桥形接线
当只有两台变压器和两条输电线路时，采用桥式接线，所用断路器数目最少，它可分为内桥和外桥接线。
内桥接线：适合于输电线路较长，故障机率较多而变压器又不需经常切除情况。
外桥接线：适合于出线较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换，或系统有穿越功率，较为适宜。
1.3.5一台半断路器（3/2）接线
两个元件引线用三台断路器接往两组母上组成一个半断路器，它具有较高的供电可靠性和运行灵活性，任一母线故障或检修均不致停电，但是它使用的设备较多，占地面积较大，增加了二次控制回路的接线和继电保护的复杂性，且投资大。
1.3.6双母接线
它具有供电可靠、调度灵活、扩建方便等优点，而且，检修另一母线时，不会停止对用户连续供电。如果需要检修某线路的断路器时，不装设“跨条”，则该回路在检修期需要停电。由于双母线接线有较高的可靠性，广泛应用于：出现带电抗器的6-10kV配电装置；35-60kV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110-220kV出线数为5回及以上时。
1.3.7双母分段接线
双母线分段，可以分段运行，系统构成方式的自由度大，两个元件可完全分别接到不同的母线上，对大容量且在需相互联系的系统是有利的，由于这种母线接线方式是常用传统技术的一种延伸，因此在继电保护方式和操作运行方面都不会发生问题。而较容易实现分阶段的扩建等优点，但是易受到母线故障的影响，断路器检修时要停运线路，占地面积较大，一般当连接的进出线回路数在11回及以下时，母线不分段。
为了保证双母线的配电装置，在进出线断路器检修时（包括其保护装置和检修及调试），不中断对用户的供电，可增设旁路母线，或旁路断路器。
1.4电气主接线的设计步骤
电气主接线的设计伴随着发电厂或变电所的整体设计，即按照工程基本建设程序，经历可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计等四个阶段。在各阶段中随着要求、任务的不同，其深度，广度也有所差异，但总的设计思路，方法和步骤相同。
对原始资料进行综合分析
(1)变电所的情况，包括变电所的类型，在电力系统中的地位和作用，近期及远景规划容量，近期和远景与电力系统的连接方式和各级电压中性点接地方式，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。
(2)负荷情况，包括负荷的性质及其地理位置，输电电压等级，出线回路数及输送容量等。电力负荷的原始资料时涉及主接线的基础数据，应在电力负荷预测的基础上确定，其准确性直接影响主接线的设计质量。
(3)环境条件，包括当地的气温、湿度、污秽、覆冰、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素。这些对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响，必须予以重视；此外，对重型设备的运输，也应充分考虑。
(4)设备情况，为使所设计的主接线可行，必须对各主要电器的性能、制造能力、供货情况和价格等资料汇集并进行分析比较，保证设计具有先进性、经济性和可行性。
2主变压器的选择
2.1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、自耦以及分裂变压器等，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。
2.2主变压器选择的一般原则与步骤
2.2.1主变压器台数的确定
变压器的台数选择原则为：
(1)对大城市郊区的一次变电所，在中，低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。
(2)对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，在设计时应考虑装设三台主变压器的可能性。
(3)对于规划只装设两台主变压器的变电所，以便负荷发展时，更换变压器的容量。
根据以上变压器台数的选择原则以及本设计的要求，该变电所装设两台主变压器。2.2.2主变压器型号的选择
选择主变压器的相数，需考虑如下原则：
(1)当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂和变电站，均应选用三相变压器。
(2)当发电厂与系统连接的电压为500kV时，已经技术经济比较后，确定选用三相变压器、两台半容量三相变压器或单相变压器组。
(3)对于500kV变电所，除需考虑运输条件外，尚应根据所供负荷和系统情况，分析一台（或一组）变压器故障或停电检修时对系统的影响。尤其在建所初期，若主变压器为一组时，当一台单相变压器故障，会使整组变压器退出，造成全网停电，如用容量相同的多台三相变压器，则不会造成停电。为此要经过经济论证，来确定选用单相变压器还是三相
变压器。
在发电厂或变电站还要根据可靠性、灵活性和经济性等，确定是否需要备用相。对于容量，阻抗，电压等技术参数相同的两台或多台主变压器，首先应考虑共用一台备用相。备用相是否需要采用隔离开关和切换母线与工作相相连接，可根据备用相在替代工作相的投入过程中，是否允许较长时间停电和变电所的布置条件等和工程具体情况确定。
根据以上选择原则以及设计资料分析，本变电所选用三相变压器作为主变压器。
2.2.3主变压器容量的确定原则
(1)主变压器容量一般按变电所建成后5~10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期
10~20年的负荷发展。对于城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。
(2)根据变电所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，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%~80%。
(3)同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多。应从全网出发，推行系列化、标准化。
2.3主变压器型式的选择
2.3.1绕组数的选择
在具有三种电压等级的变电所，如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。
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、分裂变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，并且它的最大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。而自耦变压器的变化较小，由原始资料可知，该所的电压波动为±8%，故不选择自耦变压器。
分裂变压器：分裂变压器约比同容量的普通变压器贵20%，分裂变压器，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，在分裂变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。分裂变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，所以分裂变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，故不选择分裂变压器。
普通三绕组变压器：价格上在自耦变压器和分裂变压器中间，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。
2.3.2主变调压方式的选择
为了满足用户的用电质量和供电的可靠性，110kV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1～1.3倍，在日负荷最大、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最高电压，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%～100%。
调压方式分为两种，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%。
由于该变电所的电压波动较大，故选择有载调压方式，才能满足要求。
2.3.3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。
2.3.4容量比的选择
为保证供电质量及其使变压器充分利用，选用100/100/100。
3短路电流计算
3.1概述
在电力系的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生的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发生各种型式的短路，因为它们会破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行。
短路是电力系统的严重故障，所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）发生通路的情况。
在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路，两相短路，两相接地短路和单相接地短路。其中，三相短路是对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称短路。
电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路虽然很少发生，其情况较严重，应给以足够的重视。因此，我们都采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。
3.2短路电流计算的目的
(1)在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
(2)在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
(3)在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。
(4)按接地装置的设计，也需用短路电流。
3.2.1短路电流计算的一般规定
(1)验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5～10年）。确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
(2)选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。
(3)选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。
(4)导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一般按三相短路验算。