1、220kV降压变电站电气部分设计摘要展望未来，我国能否在本世纪中叶基本实现现代化，相当大的程度上取决 于能源。电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业，它与国家的兴衰和 人民的有着密切的关系，随着经济的发展和现代工业的建设的迅速崛起，供电 系统的设计越来越全面、系统，工厂用电量迅速增长，对电能质量、技术经济 状况、供电的可靠性指标也日益提高，因此对供电设计也有了更高、更完善的 要求。变电站作为电能传输与控制的枢纽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。本设计讨论的是 220kV 变电站电气部分设计（一次系统） ，首先根据原始资料进行分析，负荷
2、计 算选择主变压器，然后在此基础上进行主接线设计，再进行短路计算，导体和 电气设备的选择，最后进行防雷接地设计。关键词 ：变电站； 负荷计算； 短路电流； 设备选择；前言 1第一章 负荷计算和主变压器的选择 31.1负荷计算 41.2主变压器的选择原则 51.2.1主变压器台数的选择 51.2.2主变压器容量的选择 51.2.3主变压器型式和结构的选择 61.3主变压器的确定 7第二章 电气主接线的设计 82.1电气主接线的概述 82.2电气主接线的基本要求 82.3电气主接线设计的原则 82.4电气主接线的方案选择 82.4.1方案拟定 . 9主接线图附后 9第三章 电气部分短路计算 103
3、.1短路故障的危害 . 103.2短路电流计算的目的 113.3短路电流计算的容 113.4短路电流计算方法 113.5三相短路电流周期分量起始值的计算 123.5.1短路电流计算的基准值 123.5.2网络模型 . 123.5.3三相短路电流周期分量起始值的计算步骤 12第四章 电气设备的选择 124.1断路器和隔离开关的选择原则 184.1.1断路器的选择 . 184.1.2隔离开关的选择 194.2110KV侧断路器隔离开关的选择与校验 194.2.1110KV 主变压器侧断路器的选择与校验 204.2.2主变压器侧隔离开关的选择与校验 214.310KV 侧断路器隔离开关的选择与校验
4、224.3.1主变压器侧断路器的选择与校验 224.4220KV侧断路器隔离开关的选择与校验 224.4.1主变压器侧断路器的选择与校验 224.4.2220KV 主变压器侧隔离开关的选择与校验 234.5互感器的选择 . 244.5.1电流互感器的选择 244.6电压互感器的选择 304.7母线及变压器下引线的选择与验 33第五章 防雷及过电压保护装置设计 385.1避雷针 385.2避雷器 405.3防雷接地 415.4变电所的防雷保护 415.5变电所的进线段保护 425.6接地装置 42总结 44参考文献 46前言电力事业的日益发展紧系着国计民生。 它的发展水平和电气的程度， 是衡量一
5、个 国家的国民经济发展水平及其社会现代化水平高低的一个重要标志。 党的十六大提出 了全面建设小康社会的宏伟目标，从一定意义上讲，实现这个宏 伟目标， 需要强有力的电力支撑， 需要安全可靠的电力供应， 需要优质高效的电力服 务。本毕业设计是在完成本专业所有课程后进行的综合能力考核。 通过对主接线的选 择及比较、 负荷计算和主变压器的选择及短路电流的计算、 主要电器设备的选择及校 验、线路图的绘制以及避雷器针高度的选择等步骤、 最终确定了 220kV 变电站所需的 主要电器设备、 主接线图以及变电站防雷保护方案。 通过本次毕业设计， 达到了巩固 “发电厂电气部分”课程的理论知识， 掌握变电站电气部
6、分和防雷保护设计的基本方 法，体验和巩固我们所学的专业基础和专业知识的水平和能力， 培养我们运用所学知 识去分析和解决与本专业相关的实际问题， 培养我们独立分析和解决问题的能力的目 的。务求使我们更加熟悉电气主接线， 电力系统的短路计算以及各种电力手册及其电 力专业工具书的使用， 掌握变电站电气部分和防雷保护设计的基本方法， 并在设计中 增新、拓宽。提高专业知识， 拓宽、提高专业知识， 完善知识结构， 开发创造型思维， 提高专业技术水平和管理，增强计算机应用能力。220kV 降压变电站电气部分初步设计一、设计题目： 220kV 降压变电站电气部分初步设计二、待建变电站原始资料1、设计变电站在城
7、市近郊，向开发区的炼钢厂和铝厂供电，在变电 站附近还有地区负荷。2、确定本变电站的电压等级为 220kV/110kV/10kV，220kV 是本 变电站的电源电压， 110kV和 10kV 是二次电压。3、待设计变电站的电源，由对侧 220kV 变电站双回线路及一系统双回线路送到变电站；在中压侧 110kV 母线，送出 2 回线路 至炼钢厂， 2回线路至铝厂； 在低压侧 10kV母线，送出 11回线路至地区 负荷。4、该变电站的地址，地势平坦，交通方便。5、该地区年最高气温 40，最热月平均最高气温 30。三、用户负荷统计资料如下（ kW）：表 1、110kV 用户负荷统计资料序号用户名称最大
8、负荷（ kW）cos回路数重要负荷百分数（ %）1炼钢厂250000.952652铝厂300000.95270表 2、10kV 用户负荷统计资料序号用户名称最大负荷（ kW）cos回路数重要负荷百分数 （%）1矿机厂20000.852502机械厂20000.852453汽车厂20000.852724电机厂16000.852365炼油厂16000.852766饲料厂16000.8510最大负荷利用小时数 T=5600h,同时率取 0.9 ，线路损耗取 6%。四、待设计变电站与电力系统那个的连接图见附图一五、设计任务：1、选择本变电站主变的台数、容量和型号；2、设计本变电站的电气主接线；3、进行必
9、要的短路电流计算；4、选择和校验所需的电气设备；5、选择和校验 10kV 硬母线；六、设计图纸要求：绘制变电站电气主接线图；第一章 负荷计算和主变压器的选择在发电厂和变电站中， 用来向电力系统或用户输送功率的变压器， 称为主变压器； 用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本所（厂）用的变 压器，称为站（所）用变压器或自用变压器。本章是对变电站主变压器的选择。1.1负荷计算负荷计算的必要性：为一个企业或用户供电， 首先要解决的是企业要用多少度电， 或选用多大容量变 压器等问题， 这就需要进行负荷的统计和计算， 为正确地选择变压器容量与无功补偿 装置，选择电气设备与导线、以及继
10、电器保护的整定等提供技术参数。对于用电户或一组用电设备， 当在大负荷运行时， 所安装的所有用电设备 （不包 括备用） 不可能全部同时运行， 也不可能全部以额定负荷运行， 再加之线路在输送电 力时必有一定的损耗， 而用电设备本身也有损耗， 故不能将所有设备的额定容量简单 相加来作为用电户或设备组的最大负荷， 必须要对相加所得到的总额定容量 PN 打一 定的折扣。所谓需用系数法就是利用需用系数来确定用电户或用电设备组计算负荷的 方法。其实质是用一个小于 1 的需用系数 K d对用电设备组的总额定容量 PN 打一定 的折扣，使确定的计算负荷 Pca 比较接近该组设备从电网中取用的最大半小时平均负 荷
11、 Pmax 。其基本计算公式为 Pca Kd PN110KV侧负荷的统计：铝 厂：SD30MW /0.9531.58MVA炼钢厂：SC25MW /0.9526.32MVA10KV侧负荷的统计 :矿机厂：SE2MW /0.852.353MVA机械厂：SF2MW /0.852.353MVA汽车厂：SG2MW /0.852.353MVA电机厂：SH1.6MW /0.851.88MVA炼油厂：SI1.6MW /0.851.88MVA饲料厂：SJ1.6MW /0.851.88MVA110KV总负荷： S110 (26.32 31.58)MVA 57.9MVA10 KV 总负荷 : S10 (2.353
12、1.88) 3MVA 12.7MVA1.2主变压器的选择原则根据 220KV-500KV变电所设计规程( DL/T 5218-2005 )准则规定 : 主变压器的容量和台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。 它的确定除依 据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统 5-10 年发展规划、输送功率大小、 馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。 如果变压器容量选得过大、台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了 运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得过小，将可能“封锁”发电机剩 余功率的输出或者会满足不了变电站负荷的需要， 这在技术上是不合理
13、的， 因为每千 瓦的发电设备投资远大于每千瓦变电设备的投资。1.2.1主变压器台数的选择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。1.2.2主变压器容量的选择根据 220KV-500KV变电所设计规程( DL/T 5218-2005 )准则规定 :(1)主变压器容量一般按变电所建成后 510 年的规划负荷选择， 适当考虑到远 期 1020 年的负荷发展。对于城郊变电所，主变压器
14、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其过负荷能力后 的允许时间，应保证用户的一级和二级负荷； 对一般性变电所， 当一台变压器停运时， 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。(4)还需考虑同时率 0.9 和线路损耗 6%的影响：S总 (S110 0.9 S10 0.9) 0.9 e5 0.08 1.06 0. 8 (12.7 0.9 57.9 0.9) 0.9 e5 0.08
15、1.06 0. 8 72.15MVA1.2.3主变压器型式和结构的选择以下参考电力工程电气设计手册第 5-2 主变压器型式的选择(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)绕组数与结构分为普 通双绕组、 三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。 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；按电磁结构在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
16、)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围， 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
17、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。1.3 主变压器的确定该变电站供应有较多的一级用户 , 综上所述，则采用两台变压器。选用三绕组变 压器，查手册，选出的设备如下表：表 3-1 SFPZT-/220 型变压器技术参数SFPZSFPZT-90000/220型调压变压器额定容量阻抗电压负载损耗空载损耗kW空载电流%电压 %MVA高-高-中-高-高-
18、中-低高中低中低低中低90000/13.421.37.24244663191100.522012110.590000/8*1.545000%变压器的校验： 按十年规划进行校验：S总 (S110 0.9 S10 0.9) 0.9 e10 0.08 1.06 0.7 (12.7 0.9 57.9 0.9) 0.9 e10 0.08 1.06 0.7 77.03MVA 显见，满足要求。第二章 电气主接线的设计2.1电气主接线的概述电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电 路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。 主接线代表了发电厂或变电站电气部分的
19、主体结构， 是电力系统网络结构的重要组成 部分，直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自 动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。因此，主接线的正确、合理设计，必须 综合处理各个方面的因素，经过技术、经济论证比较后方可确定。2.2电气主接线的基本要求对电气主接线的基本要求， 概括地说应包括可靠性、 灵活性和经济性三方面。 这 三者是一个综合概念， 不能单独强调其中的某一种特性， 也不能忽略其中的某一种特 性。但根据变电所在系统中的地位和作用的不同， 对变电所主接线的性能要求也不同 的侧重。2.3电气主接线设计的原则电气主接线设计的基本原则是以设计任务为依据， 以国家
20、经济建设的方针、 政策、 技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项 技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备 元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、实用、经济、美观的原则。以上参考电力工程电气设计手册第 2-1 主接线的设计原则2.4电气主接线的方案选择2.4.1方案拟定（1）单母线分段接线优点：单母线用分段断路器进行分段，对重要用户尅有从 不同段引出两回馈电线路， 由两个电源供电；当一段母线发生故障， 分段断路器自动 将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电，不致使重要用户停电；缺点: 当一段母线或母线隔离开关故障或检修
21、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。（2）双母线接线优点：供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，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。 其次是调度 灵活，各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上， 能灵活地适应电力系 统中各种运行方式调度和潮流变化的需要； 通过倒换操作可以组成各种运行方式。 最 后就是扩建方便， 向双母线左右任何方向扩建， 均不会影响两组母线的电源盒负荷自 由自合分配，在施工中也不会造成原有回路停电。 缺点：接线复杂 ,设备多 , 母线故障有短时停电
22、。 根据电气设备设计手册中的以上选择原则，可知：10 KV侧总容量： S总=11.9MVA12MV，A且总出线回路数为 11 回，所以，选择单 母分段接线，且 1-5 厂分别从每段上引接一回线， 6 厂从任意一段引接；110KV 侧总容量： S 总 =52.68MVA，出线回路数为四回，考虑到未来负荷的发展 , 地区负荷备用负荷的重要性， 且重要负荷所占百分数较大， 采用双母线接线需要投入 的设备多,且接线复杂 ,会造成资源浪费 ,综合考虑所以选择单母线分段接线。220KV侧总容量：由发电厂流入变电所 C的传输功率为 270 2 540MW ，本变 电所最大使用容量为 90 2 180MVA
23、，所以在 220KV 侧母线上的穿越功率为 540-180=360MVA。穿越功率较大， 母线故障后要求迅速恢复故障， 所以要求选用双母 线供电。主接线图附后第三章 电气部分短路计算3.1 短路故障的危害供电系统发生短路后，电路阻抗比正常运行时阻抗小很多，短路电流通常超过 正常工作电流几十倍直至数百倍以上，它会带来以下严重后果：(1)短路电流的热效应 巨大的短路电流通过导体， 短时间产生很大热量， 形成很高温度， 极易造成设备 过热而损坏。(2)短路电流的电动力效应 由于短路电流的电动力效应， 导体间将产生很大的电动力。 如果电动力过大或设 备结构强度不够，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，
24、使事故进一步扩大。(3)短路系统电压下降 短路造成系统电压突然下降， 对用户带来很大影响。 例如，异步电动机的电磁转 矩与端电压平方成正比。 同时电压降低能造成照明负荷诸如电灯突然变暗及一些气体 放电灯的熄灭等，影响正常的工作、生活和学习。(4)不对称短路的磁效应当系统发生不对称短路时， 不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻近 的电路能感应出很大的电动势。(5)短路时的停电事故短路时会造成停电事故， 给国民经济带来损失。 并且短路越靠近电源， 停电波及 围越大。(6)破坏系统稳定造成系统瓦解 短路可能造成的最严重的后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步， 破坏系 统稳定，最终造成系统
25、瓦解，形成地区性或区域性大面积停电。3.2短路电流计算的目的(1)电气主接线的比较选择 短路电流计算可为不同方案进行技术经济比较， 并为确定是否采取限制短路电流 措施等提供依据。(2)选择导体和电气设备如选择断路器、 隔离开关、熔断器、互感器等。 其中包括计算三相短路冲击电流、 冲击电流有效值以校验电气设备动力稳定，计算三相短路电流稳态有 效值用以校验电气设备及载流导体的热稳定性， 计算三相短路容量以校验短路器的遮 断能力等。(3)确定中性点接地方式对于 110kV 、10kV 供配电系统，根据单相短路电流可确定中性点接地方式。3.3短路电流计算的容(1)短路点的选取：各级电压母线。(2)短路
26、时间的确定：根据电气设备选择和继电保护整定的需要，确定计算短路 电流的时间。(3)短路电流的计算：最大运行方式下最大短路电流；最小运行方式下最小短路 电流；各级电压中性点不接地系统的单相短路电流。计算的具体项目及其计算条件， 取决于计算短路电流的目的。3.4短路电流计算方法采用标幺值法进行短路电流计算。3.5三相短路电流周期分量起始值的计算以下参考电力工程电气设计手册第 4-1 节电力系统短路电流的计算3.5.1短路电流计算的基准值S=500MV，A 各级基准电压为平均短路电流的计算通常采用近似标幺值计算。取 额定电压。3.5.2网络模型计算短路电流对所用的网络模型为简化模型， 即：忽略负荷电
27、流； 不计各元件的 电阻，也不计送电线路的电纳及变压器的导纳； 发电机用次暂态电抗表示， 并认为发 电机电势模值标幺值为 1，相角为 0。3.5.3三相短路电流周期分量起始值的计算步骤(1)计算各元件参数标幺值，作出等值电路发电机： 4 200MW cos 0.85 xd 0.148SN P/cos 200 / 0.85 235.29MVA* * 2 2 2 2X*G XN* UN2 SB /SNUB2 0.148 2202 500/(235.29 2302) 0.288 发电机 : 2 300MW cos 0.85 xd 0.171SN P/cos 300 / 0.85 352.94MVA*
28、 * 2 2 2 2X*G XN*UN2 SB /SNUB2 0.171 2202 500/(352.94 2302) 0.2216 变压器： 4 240MVA UK (00) 14X*T US(00)SB /(100SN ) 14 500 /(100 240) 0.292变压器： 2 370MVA UK (00) 14.02X*T US(00)SB /(100SN ) 14.02 500 /(100 370) 0.189 线路电抗计算 ( 从电气设备设计手册上查得 ):L1:LGJ400x10.4/kmXL10.43012L2:LGJ300x10.4/ kmXL10.4208L3:LGJ30
29、0x10.4/kmXL10.4104L4:LGJ300x10.4/ kmXL10.4208L5:LGJ185x10.4/kmXL10.43012L6:LGJ185x10.4/ kmXL10.4208前已选出了主变压器（三绕组） ，其阻抗电压百分比，如下表：绕组高中高低 中低阻抗电压 %13.421.3 7.2计算每个绕组的短路电压百分数：US1%1/2(U1 2% US3 1%U S2 3 %)1/ 2(13.4 21.3 7.2) 13.75US2%1/2(U1 2% U S2 3%U S1 3%)1/2(13.4 7.221.3) 0.35US3%1/2(U3 1% US2 3%U S1 2 %)1/2(21.3 7.213.4) 7.55XT1 1(U S1% /100) /(500 / 90)(13.75 / 100) /(500 / 90)0.764XT1 2(U S2% /100) /(500 / 90)( 0.35/100) /(500 /90)00.0194XT1 3(US3% / 100) /(500 / 90)(7.55/100)/(500/90)0.419由于一期工程，只有两台主变运行。所以，只需考虑2 台变压器。2#变的参数与 1#变的参数一致做出等值电路图
