220kv变电站电气一次部分初步设计

目录

前言

第1章设计原始材料及设计任务 (2)

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参考文献

心得体会

前言

本毕业设计为二○○六级电力系统及自动化专业自学考试毕业设计，设计题目为：220KV变电站电气一次部分初步设计。此设计任务旨在体现我对本专业各科知识的掌握程度，培养我对本专业各科知识进行综合运用的能力设计（一次部分）的全过程。通过对变电站的主接线设计，站用电接线设计，短路电流计算，电气设备动、热稳定校验，主要电气设备型号及参数的确定，运行方式分析，防雷及过电压保护装置的设计和无功补偿方案设计，较为详细地完成了电力系统中变电站设计。

第1章设计原始材料及设计任务

1、本次设计的变电站为地区性220KV降压变电站,

有三个电压等级,即220KV、110KV、35KV；

2、本系统中有110kv和35kv两个负荷等级, 其最大负荷为200MW，cosφ=0.85，和70MW，cosφ=0.8；

3、所用电系统采用380/220V中性点直接接地的三相四线制,动力与照明合用一个电源；

4、远期投入是3台主变,近期只要2台；

5、待设计变电所为长方形，环境温度最高为42°C；

6、本变电所主要由屋外配电装置，主变压器、二次室、静止补偿装置及辅助设施构成。

第2章变电站主接线设计

变电站电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出一种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。变电所的电气主接线是电力系统接线的重要组成部分。它表明变电所内的变压器、各电压等级的线路、无功补偿设备最优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电所内各种电气设备之间的连接方式。一个变电所的电气主接线包括高压侧、中压侧、低压侧以及变压器的接线。因各侧所接的系统情况不同，进出线回路数不同，其接线方式也不同。

2.1主接线选择的主要原则

1）变电所主接线要与变电所在系统中的地位、作用相适应。根据变电所在系统中的地位，作用确定对主接线的可靠性、灵活性和经济性的要求。

2）变电所主接线的选择应考虑电网安全稳定运行的要求，还应满足电网出故障时应处理的要求。

3）各种配置接线的选择，要考虑该配置所在的变电所性质，电压等级、进出线回路数、采用的设备情况，供电负荷的重要性和本地区的运行习惯等因素。

4）近期接线与远景接线相结合，方便接线的过程。

5）在确定变电所主接线时要进行技术经济比较。

2.2主接线方案设计

2.2.1 方案拟定及技术比较

1）单母线分段

优点: 母线经断路器分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个供电电源;一段母线故障时(或检修),仅停故障(或检修)段工作,非故障段仍可继续工作.

缺点:当一段母线或母线隔离开关故障或检修时,接在该段母线上的电源和出线,在检修期间必须全部停电;任一回路的断路器检修时,该回路必须停止工作.

通过该接线优缺点的分析,可见,方案一中35KV采用此接线方式，其优点是当一母线发生故障时,分段断路器能自动把故障切除,保证正常段母线不间断供电和不至于造成用户停电;缺点是当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时,接在该母线上的回路都要在检修期间停电,所以,该接线方式对于35KV侧可以考虑.另一方面是考虑到地区性一般变电所对经济性的考虑.

2）双母线接线

优点:供电可靠,可以轮流检修一组母线而不致使供电中断,一组母线故障后，能迅速恢复供电;调度灵活;扩建方便.

缺点:接线复杂,设备多,母线故障有短时停电.

通过该接线优缺点的分析,可见,在方案一和方案二中的应用此接线方式,主要是因为它对供电可靠性的保证.即是说,当一母线故障或检修的时候，由母联断路器向另一母线充电,直到完成母线转换过后，在断开母联断路器,使原工作母线退出运行.

缺点是当母线故障或检修的时候,会有短时停电.但是对于方案中的用户侧是可以考虑的.

3)3/2接线

优点:高度可靠性，调度运行灵活，操作检修方便.任一母线故障或检修,均不导致停电.

缺点:造价高，而二次控制复杂

通过对该接线优缺点的分析，可见，在方案二中采用该种接线方式，主要是为了提高供电的可靠性.但此类接线造价比较高，所以，一般只在大容量变电站中使用.

从上述的比较可以看出,三种接线从技术的角度来看主要的区别是在可靠性上，双母线比单母线可靠性高，3/2接线比双母线的可靠性更高.但对于220KV地区性变电站

来说，双母线接线的可靠性已能达到要求,且地区性变电站主要是要求经济性.所以,确定选择第一种接线方案.

在方案中，由于远期投入是3台主变,近期只要2台.所以,对第3台的设计,主要的区别在35KV侧,此时,第3台主变接在35KV的母线断路器上,这种接线的目的是为了减小投资.现在从技术的角度来讨论，当35KV母线故障或检修时,3号主变可以从另一母线向负荷供电.可见，它并不影响单母线接线的工作方式，所以，这种接线方式对35KV侧是可以考虑的.

2.2.2主变的选择

变电站主变容量，一般应按5—10年规划负荷来选择。根据城市规划、负荷性质，电网结构等综合考虑确定其容量。对重要变电站，应考虑当1台变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足一类及二类负荷的供电。对一般性变电站，当1台主变压器停运时，其余变压器容量，其余，变压器容量应满足全部负荷的60%~70%。

2.2.2.1选择原则

1）相数

容量为300MW及以下机组单元接线的变压器和330kv及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。因为单相变压器组相对投资大，占地多，运行损耗也较大。同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。

2）绕组数与结构

电力变压器按每相的绕组数为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。在一发电厂或变电站中采用三绕组变压器一般不多于3台，以免由于增加了中压侧引线的构架，造成布置的复杂和困难。

3）绕组接线组别

变压器三绕组的接线组别必须和系统电压相位一致。否则，不能并列运行。电力系统采用的绕组连接有星形“Y”和三角形“D”。在发电厂和变电站中，一般考虑系

统或机组的同步并列以要求限制3次谐波对电源等因素。根据以上原则，主变一般是Y，D11常规接线。

4）调压方式

为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内，通过主变的分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数。从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一种是不带电切换，称为无激磁调压。另一种是带负荷切换，称为有载调压。

通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压。因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220kv及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况时使用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况定。

5）冷却方式

电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。

2.2.2.2容量计算

本系统中有110kv和35kv两个负荷等级,其最大负荷为200MW，cosφ=0.85，和70MW，cosφ=0.8

总

S＝200/0.85+70/0.8＝322.8（MV A）

需要选择的变压器容量S＝0.7×322.8＝225.96（MV A）

选用三绕组变压器，查手册，选出的设备如下表：

SFPS—7型220kv级三相三圈无载调压变压器

额定容量MV A 容量比电压比组别空载

损耗

负载

损耗

阻抗电压%

高中高低中低

240 100/100/50 242±2×

2.5%/121/38.5 YN，yn，

d11

135 720 12-14 22-24 7-9

第3章变电站用电接线及设备用电接线

3.1 所用电源数量及容量

1) 枢纽变电所﹑总容量为60MVA及以上的变电所﹑装有水冷却或强迫油循环冷却的主变压器以及装有同步调相机的变电所，均装设两台所用变压器.

采用整流操作电源或无人值班的变电所,装设两台所用变压器,分别接在不同等级的电源或独立电源上.如果能够从变电所外引入可靠的380V备用电源，上述变电所可以只装设一台所用变压器.

2) 500KV变电所装设两个工作电源.当主变压器为两台时,可以分别接在每一台主变压器的第三绕组上。两台所用变压器的容量应相等,并按全所计算负荷来选择.当建设初期只有一台主变压器时,可只接一台工作变压器.

3) 当设有备用所用变压器时,一般均装设备用电源自动投入装置.

3.2所用电源引接方式

1)当所内有较低电压母线时,一般均由这类母线上引接1～2个所用电源,这一所用电源引接方式具有经济和可靠性较高的特点。如能由不同电压等级的母线上可分别引接两个电源,则更可保证所用电的不间断供电.当有旁路母线时,可将一台所用变压器通过旁路隔离开关接到旁路母线上。正常运行时,则倒换到旁路上供电.

2) 由主变压器第三绕组引接,所用变压器高压侧要选用大断流容量的开关设备，否则要加装限流电抗器。

3) 由于低压网络故障机会较多,从所外电源引接所用电源可靠性较低.有些工程保留了施工时架设的临时线路，多用于只有一台主变压器或一段低压母线时的过度阶段.500KV变电所多由附近的发电厂或变电所引接专用线作为所用电源.

3.3 所用变压器低压侧接线

所用电系统采用380/220V中性点直接接地的三相四线制,动力与照明合用一个电

源.因此:

1)所用变压器低压侧多采用单母线接线方式.当有两台所用变压器时,采用单母线分段接线方式，平时分列运行，以限制故障范围,提高供电可靠性.

2) 500KV变电所设置不间供电装置，向通讯设备﹑交流事故照明及监控计算机等负荷供电,其余负荷都允许停电一定时间,故可不装设失压启动的备用电源自投装置,避免备用电源投合在故障母线上扩大为全所停电事故.

3) 具备条件时,调相机专用负荷优先采用由所用变压器低压侧直接支接供电的方式.

3.4所站用电接线

站用电接线应按照运行、检修和施工的要求，考虑全厂发展规划，积极慎重地采用成熟的新技术和新设备，使设计达到经济合理、技术先进、安全、经济地运行。

变电站的站用电源，是保证正常运行的基本电源。通常不少于两个。其引接方式有两种：一种是从母线侧引入，另一种是从主变低压侧引入。本站由于没有具体说明，因此采用通过断路器和隔离开关从低压侧引入。

本站是用两台500KVA变压器接入，为此，查手册，选出站变，如下表：

3.5备用电源

站用备用电源用于工作电源因事故或检修而失电时替代工作电源，起后备作用。备用电源应具有独立性和足够的容量，最好能与电力系统紧密联系，在全厂停电情况下仍能从系统取得备用电源。

备用分为名备用和暗备用。本站是地区性变电所。所以，采用暗备用的方式，两台变压器相互备用，当一台退出运行时，由另一台承担负荷。

第4章 设备的选择及动、热稳定校验

尽管电力系统中各种设备的工作和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验人稳定和动稳定。

4.1.按正常工作条件选择电气设备

1）电器选择的一般原则

（1）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。 （2）应按当地环境条件校核。 （3）应力求技术先进和经济合理。 （4）与整个工程的建设标准应协调一致。 （5）同类设备应尽量减少品种。

（6）选用的新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。 2）额定电压

在电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压 N

U 不低于装置地点电网额定电

压

NS

U 的条件选择。即

N

U ≥

NS

U

3）额定电流 电气设备的额定电流

N

I 是在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。

N

I 应

不小于该贿赂在各种合理运行方式下的最大持续工作电流

m ax

I ，即：

N

I ≥

m ax

I

4）环境条件对设备选择的影响

当电气设备安装地点的环境条件如温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆水度等超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。

5）机械荷载

所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。

4.2.按短路状态校验

1）校验的一般原则

（1）电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热校验。校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况校验。

（2）用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定。用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。

2）短路热稳定校验

短路电流通过电器时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。满足热稳定条件。

t I t 2≥k Q

式中：k

Q —短路电流产生的热效应

t

I 、t —电气设备允许通过的热稳定的电流和时间

3）电动力稳定校验

电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。满足动稳定的条件为：

es

i ≥

sh

i

式中： sh

i —短路冲击电流幅值

es

i —电气设备允许通过的动稳定电流幅值

4）短路计算时间

验算热稳定的短路计算时间k

t 为继电保护动作时间pr t

和相应断路器的全开断时

间

br

t 之和，即：

k

t ＝

pr

t ＋

br

t

pr

t 一般取保护装置的后备保护动作时间

5）绝缘水平

在工作电压和过电压的作用下，电器的内、外绝缘应保证必要的可靠性。 电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。但所选电器的绝缘水平低于国家规定的 标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用适当的过电压保护设备。

4.3 断路器、隔离开关的选择原则

1）种类

采用的灭弧介质可分为油断路器（多油、少油）、压缩空气断路器、

6

SF 断路

器、真空断路器等。选用少油断路器，其特点运行经验丰富，易于维护，噪声低。

2）额定电压和额定电流

N

U ≥

NS

U ，

N

I ≥

m ax

I

m ax

I 由下式确定:

m ax

I ＝N MAX

U S 3＝φCOS U P N MAX

3

各母线的最大电流如下表：

式中：N

U ，

NS

U —分别为电气设备和电网的额定电压KV

N

I ，

m ax

I —分别为电气设备的额定电流和电网的最大负荷电流A

3）开断电流选择

校验断路器的断流能力,宜取断路器实际开断时间的短路电流,所为校验条件。因此,高压断路器的额定开断电流nbr

I ，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量

pt

I ，

即：

nbr

I ≥

pt

I

4）短路关合电流的选择

为了保证断路器在关合短路电流时的安全断路器的额定关合电流

ncl

i 不应小于短

路电流最大冲击值

sh

i ，即：

ncl

i ≥

sh

i

5）短路热稳定和动稳定校验

在短路电流过断路器时,产生大量热量,由于来不及向外散发,全部用来加热断路器,使其温度迅速上升,严重时会使断路器触头焊住,损坏断路器。因此产品标准规定了断路器的热稳定电流,例如1s ﹑4s 的热稳定电流，其物理意义为:当热稳定电流通过断路器时,在规定的时间内,断路器各部分温度不会超过国家规定的允许发热温度,保证断路器不被损坏。

校验：

t I t 2≥k Q ，es i ≥ sh i

当

k

t ＞1S 时，可不考虑非周期分量的热效应，只计周期分量。

k

Q ＝

2pt I p

t

式中：pt

I —短路电流周期分量

p

t —短路电流周期分量发热的等值时间

6）动稳定校验

断路器在闭合状态能承受通过的最大电流峰值,不会因电动力的作用而发生任何机械损坏。该最大电流峰值称为稳定电流。

es

i ≥

sh

i

7）隔离开关的选择

隔离开关是发电厂和变电站中常用的开关电器。它需与断路器配套使用，但隔离开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。

隔离开关与断路器相比，项目相同。但由于隔离开关不用来接通和切除短路电

流，故无需进行开断电流和短路关合电流的校验。

4.4.互感器的选择

互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器，互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100，100/3）和小电流（5，1A），其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护等。

互感器包括电流互感器和电压互感器两大类。

4.4.1电流互感器的选择

电流互感器的作用是将一次回路中的大电流转换为1A或5A的小电流以满足继电保护﹑自动装置和测量仪表的要求。

1）种类和型式的选择

电流互感器根据使用环境可分为室内式﹑室外式,根据结构可分为瓷绝缘结构和树脂浇注式结构，根据一次线圈的型式又可分为线圈式和母线式﹑单匝贯穿式﹑复匝贯穿式。选择电流互感器时，应根据安装地点和安装方式选择其型式。

2）一次回路额定电压的选择 一次回路额定电压

N

U 和

N

I 1应满足：

N

U ≥

NS

U

3）一次额定电流的选择

当电流互感器用于测量时,其一次侧额定电流应尽量选择比实际正常工作电流大1/3左右,以保证测量仪表的最佳工作，并在负荷时有适当的指示。电力变压器中性点电流互感器的一次额定电流应按大于变压器允许的不平衡电流选择。一般情况下可按变压器额定电流的1/3进行选择。

N

I 1≥

m ax

I

4）动稳定校验

动稳定校验是对产品本身带有一次回路导体的电流互感器进行校验,对于母线从窗口穿过且无固定板的电流互感器可不校验动稳定。由同一相的电流相互作用产生的内部电动力校验。

es

i ≥

sh

i 或es N K I 12≥sh i

4.4.2 电压互感器的选择

电压互感器是把一次回路高电压呀转换为100V 的电压,以满足继电保护﹑自动装置和测量仪表的要求。在并联电容器装置中，电压互感器除作测量外，还作为放电元件。

1）种类和型式选择

应根据装设地点和使用条件进行选择电压互感器的种类和型式。 2）额定电压和电流的选择 N

U ≥

NS

U ，

N

I 1≥

m ax

I

3）准确级

规程规定，用于变压器，所用馈线，出线等回路中的电度表，供所有计算电费的电度表，其准确等级要求为0.5级，供运行监视估算电能的电度表，功率表和电压继电器等，期准确等级要求一般为1级，在电压二次回路上，同一回路接有几种不同型式和用途的表计时，应按要求等级高的仪表，确定为电压互感器工作的最高准确等级。

4.4.3 熔断器的选择

高压熔断器是一种保护电器，当其所在电路的电流超过规定值并经一定时间后，它的熔体熔化而分断电流﹑开断电路，熔断器主要用来进行短路保护,用来保护线路﹑变压器及电压互感器等设备。有的熔断器具有过负荷保护功能。

熔断器由熔体﹑支持金属体的触头和保护外壳三部分组成。

熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害 。 在本站中，熔断器只用于保护电压互感器 ，其只需按额定电压及断流容量（S ＝

3N U nbr I ）两项来选择。当短路容量较大时，可考虑在熔断器前串联限流电阻。

短路时各级保护设备之间应选择动作，其配合要求如下： 1）熔断器与熔断器配合

一般按上、下级熔件正负误差叠加，并计及10%配合裕度计算配合级差。

2）断路器与断路器配合

断路器过流脱扣器配合级差可取0.1~0.2s，即负荷断路器为瞬动。厂用变压器和低压侧无分支时，低压电源短路器可不装保护，则利用高压侧保护跳低压侧断路器，或仅装延时动作欠电压保护。

3）断路器与熔断器配合

断路器与熔断器配合时，应将其保护曲线与熔断器曲线进行比较，以保证可能出现的各种短路电流下能选择行动作。

4.4.4所设备如下表

4.5.裸导体的选择

硬导体截面常用的有矩形、槽形和管形。单条矩形导体截面最大不超过

12502

mm，以减小集肤效应，使用大于电流时，可将2—4条矩形导体并列使用，矩形导体一般只用于35KV及以下电流在4000A及以下的配电装置中；槽形导体机械强度好，载流量大，集肤效应系数小，一般用于4000~8000A的配电中。

矩形导体的散热和机械强度与导体布置方式有关。三相系统平行布置时，若矩形导体的长边垂直布置（竖放）方式，散热较好，载流量大，但机械强度较低；若矩形导体的长边呈水平布置（平放），则与前者相反。因此，导体的布置方式应根据载流量大小；短路电流水平和配电装置的具体情况而定。

4.5.1 一般要求:

1）裸导体应根据下列技术条件进行选择和校验:

(1)工作电流 (2)动稳定和机械强度 (3)热稳定

2）裸导体尚应按下列使用环境条件校验:

(1)环境温度 (2)日照 (3)风速 (4)海拔高度

4.5.2导体的选择

导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。

对年负荷利用小时数大（＞5000h），传输容量大，长度在20m以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。对传输容量不大，可按长期允许电流来选择。

4.5.3 截面的选择

1）220KV级

选择导体

I＝845A

m ax

按长期发热允许电流选择截面

查手册：

选用单条矩形铝导体，竖放允许电流1082A，截面为63×8（h×b）mm, 集肤效