电力系统分析课程设计报告500KV变电站设计.doc

1、电力系统分析课程设计报告500kv变电站设计目 录摘 要ii引 言iii1 设计要求及任务11.1 设计要求11.2 设计任务12 电气主接线的设计22.1 主接线设计基本要求与设计原则22.2 主接线方案的选取33 负荷计算及主变压器选择73.1 主变压器的选择74 短路电流的计算94.1 短路计算的目的94.2 短路计算的结果95 电气设备的选择及校验105.1 断路器的选择105.2 隔离开关的选择115.3 母线的选择125.4 电流互感器与电压互感器的选择16总 结18参考文献19附 录20附录1 计算书20附录2 电气主接线图25500kv变电站设计摘 要：500kv变电站为枢纽变

2、电所，在电力输送和变配电系统中占有重要地位，变电站的电气一次设计在建立变电站及其安全运行又是不可或缺的一部分。本文首先通过对负荷资料的分析，从安全性、经济性及可靠性方面进行考虑，确定了500kv、220kv、35kv以及站用电的主接线，然后又通过负荷计算及供电区域确定了主变压器台数，容量及型号。最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压熔断器，隔离开关，母线，电压互感器，电流互感器进行了选型，从而完成了500kv变电站电气一次部分的设计，并画出了本次设计的电气主接线图。关键词：电气主接线；变电站；计算负荷；短路电流引 言 我国是世界能源消耗大国，煤炭消费总量居世界第一位，电力消费总

3、量居世界第二位，但一次能源分布和生产力发展水平却很不均匀。水能、煤炭主要分布在西部和北部，能源和电力需求主要集中在东部和中部经济发达地区。这种能源分布与消费的不平衡状况，决定了我国的能源配置上必须以大煤电基地、大水电基地为依托。实现煤电就地转换和水电大规模开发。而变电站担负着从电力系统受电，经过变压，然后分配电能的任务，是输送和分配电能的中转站，是供电系统的枢纽，在全国电网中占有特殊重要的位置。本设计对变电站内最重要的电气设备如主变压器、导线、电气设备等元器件，进行了比较和选择，主变压器最终为2台，追求设备寿命期内最优的经济效益。站内主接线分为500kv、220kv、和35 kv三个电压等级。

4、各个电压等级分别采用断路器接线、双母线和单母线分段的接线方式。电气主接线是发电厂和变电站的重要环节，电气主接线的拟定直接关系着全站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站投资大小的决定性因素。在短路电流方面，讲述了短路电流的危害以及三个电压等级处短路电流的计算。电气设备的选择以各种元器件如何选择参数为主，因为只要确定了器件的参数就能十分容易的根据电力手册查出元件型号。最后，还对导线截面的确定以及导线截面积的校验方法进行说明，使变电站电气一次部分基本完成。1 设计要求及任务1.1 设计要求 根据“电力系统分析”课程所学理论知识和电力系统规划设计的基本任务，在电源及负荷大

5、小及其相对地理位置已确定的情况下，完成一个区域电力网络的设计。要求对多个方案进行技术经济比较和分析，选择出最优方案，并对所选方案进行必要的技术计算（如调压计算、稳定性计算），提出解决技术问题的措施。本次课程设计的具体要求是：（1） 用标准符号绘制电气主接线图（2） 撰写计算书（负荷计算与短路计算）（3） 选择高压设备1.2 设计任务1.2.1 变电站原始资料500kv变电站为枢纽变电所，有三个电压等级。其500kv双回路进线，220kv馈线2回，35kv馈线12回。电源距变电站距离300km，两回路输电。220kv负荷资料：最大负荷60000kw，功率因数0.95，回路2回，距离变电站50km

6、；35kv负荷资料：分别为矿机厂、机械厂、汽车厂、电机厂、机车厂、煤矿厂回路各两回，功率因数都是0.95，距离变电站均按60km计算，重要负荷均是65%，前5个厂最大负荷均按2500kw计算，煤矿厂最大负荷25000kw。最大负荷时间分别是500kv侧为3000小时/年，220kv侧为3600小时/年，35kv侧为5000小时/年。500kv保护动作时间0.08s，220kv和35kv为0.15s，断路器灭弧时间按0.06s考虑。1.2.1 变电站负荷统计根据任务书，对变电站负荷统计和计算如下。线路中l2为500kv进线，34为220kv馈线，516为35kv馈线。根据任务书对负荷统计。表1

7、负荷统计表回路序号回路名称最大负荷功率因数线长供电回路1500kv进线甲线300km12500kv进线乙线300km13220kv馈线甲线60000kw0.9550km14220kv馈线乙线60000kw0.9550km1535kv煤矿厂甲线25000kw0.9560km1635kv煤矿厂乙线25000kw0.9560km1735kv矿机厂甲线2500kw0.9560km1835kv矿机厂乙线2500kw0.9560km1935kv机械厂甲线2500kw0.9560km11035kv机械厂乙线2500kw0.9560km11135kv汽车厂甲线2500kw0.9560km11235kv汽车厂乙

8、线2500kw0.9560km11335kv电机厂甲线2500kw0.9560km11435kv电机厂乙线2500kw0.9560km11535kv机车厂甲线2500kw0.9560km11635kv机车厂乙线2500kw0.9560km12 电气主接线的设计2.1 主接线设计基本要求与设计原则（1）保证必要的供电可靠性、要充分考虑一次设备和二次设备的大故障率及其对供电的影响。（2）具有调度灵活，操作方便，能满足系统在事故、检修及特殊方式下调整要求。（3）主接线应力求简单清晰，尽量节约一次设备的投资，节约占地面积减少电能损失，即具有经济性。（4）应能容易地从初期过度到最终接线，并在扩建过度时，

9、一次和二次设备所需的改造最小，即具有发展和扩建的可能性。（5）变电所的高压侧接线，应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线方式，在满足继电保护的要求下，也可以在区线路上采用分支接线，但在系统主干网上不得采用分支接线。 （6）在 35kv配电装置中，当线路为 3 回及以上时，一般采用单母线或单母线分段接线，若连接电源较多、出线较多、负荷较大或处于污秽地区，可采用双母线接线。 （7）220kv配电装置中，线路在 4 回以上时一般采用双母线接线。 （8）500kv配电装置中，对可靠性要求较高。当配电装置连接元件总数在 6 个及以上时，通常都采用一台半断路器接线或双母线分段带旁母的接线方式。 （9）当采

10、用sf6等性能可靠、检修周期长的断路器以及更换迅速的手车式断路器时，均可不设旁路设施。2.2 主接线方案的选取2.2.1 500kv 侧主接线方案的选取 该变电所为系统中的枢纽变，在系统中有较重要的地位，对可靠性要求高。且根据任务书要求，本电压等级负荷容量大，亦需要有较高的可靠性。经考虑，采用的主接线方案有：一台半断路器接线，角形接线，双母线分段带旁路接线。 方案： 角形接线t1t2wl1wl2图2.1 角形接线 角形接线的优点：所用断路器数目少，却具备较高的可靠性，任意一台断路器检修时，不会引起任何回路停电，不存在母线故障所产生的影响,一条回路发生故障时，不影响其它回路正常供电，且不会发生带

11、负荷断开隔离开关的事故。 缺点：检修任何一台断路器时，多角形就开环运行，容易造成供电紊乱，运行方式变化大，继电保护装置复杂，不便于扩建。 500kv系统主接线必须具有较高的可靠性，才能保证区域用电的稳定性，由角形接线的缺点可知系统运行时的可靠性得不到保障，故这种主接线方式可以排除。 方案： 双母线分段带旁路接线图2.2 双母线分段带旁路接线双母线分段带旁路接线的优点：除具备双母线分段接线的优点外，在双母线分段接线的基础上，增加了一条旁路母线，可保证当线路断路器检修时不停电，极大的提高了供电可靠性。缺点：旁路的倒换操作比较复杂，增加了误操作的机会，也使保护及自动化系统复杂化，双母线分段断路器所需

12、断路器数目多，投资费用较大。本高压变电站进出线为4回，双母线分段接线相对于其它接线方式需要更多的断路器，投资大，故不适合选用该接线方式。 方案： 一台半断路器接线一台半断路器接线的优点：有很高的可靠性，运行经验表明，在双重故障情况下，一台半接线都可以保护 80%的元件不停电，这是其他任何接线方式不可比的。有较高的运行灵活性，任何一个元件可根据运行的需要接在不同的母线系统中，母线系统之间的元件可任意分配，其操作程序简单，操作引起故障的几率小。运行操作方便，设备检修方便，总体上说，在保护及二次回路接线方面不比母线制接线复杂。对于本500kv高压变电站，进出线为4回，用断路器数目为6台，只比双母线接

13、线多一台，比双母线分段的断路器少一台，费用不高。综合各方面因素，500kv高压侧选用一台半断路器接线方式。图2.3 一台半断路器接线综上所述，确定方案为本变电站500kv高压侧的最终接线方式。2.2.2 220kv侧主接线方案的选取220kv为本变电站的中间电压等级，具有重要作用，且有2回进线，负荷线路6（一回备用线）回，为保证其可靠性，备选方案有以下2种：双母线单分段接线，单母线分段带旁母线接线。方案：双母线单分段接线图2.4 双母线单分段接线方案：单母线分段带旁母线接线图2.5 单母线分段带旁母线接线对图2.4及图2.5所示方案、综合比较，见表2.6。表2 220kv主接线方案比较表方案项

14、目双母线单分段接线单母分段带旁母接线可靠性相对于母线不分段而言，当其中一条母线故障，仅仅跳开该母线上的开关，可以将停电范围压缩在最小范围内；检修出线断路器，可以不停电检修，供电可靠性高用断路器把母线分段后,对重要用户可从不同段引出两个回路,保证不间断供电，可靠性相对要差一些灵活性当一回线路故障时,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当一回线路故障时,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经济性倒闸操作较简可靠，接线简单，增加了设备,投资较方案高接线简单,运行设备少，投资少，年运行费用少 由以上比较结果知，这两种方案都有较好的

15、可靠性和灵活性。由于本变电站在整个系统中占有较重要的地位，要求保证某些重要的用户不可中断供电，故要求系统有更好的供电可靠性，综合考虑，220kv侧宜采用方案。2.2.3 35kv侧电气主接线电压等级为35kv，出线为48回，可采用单母线分段接线，也可采用双母线接线。为保证线路检修时不中断对用户的供电，采用单母线分段接线和双母线接线时，可增设旁路母线。但由于设置旁路母线的条件所限，所以，35kv采用双母线接线时，不宜设置旁路母线，有条件时可设置旁路隔离开关。 鉴于此电压等级不高，可选用投资小的单母线分段带旁路母线接线。 图2.6 单母线分段带旁路母线接线 3 负荷计算及主变压器选择3.1 主变压

16、器的选择3.1.1 变压器选择原则变压器是变电所中最重要的和最贵重的是设备，变压器的选择在变电所中是比较重要的。它是变电站中关键的一次设备，其主要功能是升高或降低电压，以利于电能的合理输送，分配和利用。选择变压器时，须根据负荷情况，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统 510 年发展规划综合分析，合理选择。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，要根据原始资料和所要设计变电站的自身特点，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站以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。3.1.2 变压

17、器容量的确定根据选择原则和已确定选用两台主变压器，且考虑采用暗备用方式，即当一台变压器出现故障，另一台变压器单独运行时能满足 70%以上的负荷的电力需求。根据计算书指出，最大总负荷为 。根据变电站的发展规划，所以主变压器总负荷 。考虑到节能和留有余量，变压器的负荷率一般取70%85%。对有两台变压器运行的变电所，通常采用等容量的变压器，每台容量应同时满足以下两个条件：（1） 满足总计算负荷70%的需要，即 sn.t0.7sc （4-1）（2） 满足全部一、二级负荷sc（i+ii）的需要，即 sn.tsc（i+ii） （4-2）当选用不同容量的两台变压器运行时，每台容量可按下列条件选择： sn.

18、t1 + sn.t2 sc； sn.t1 sc（i+ii）； （4-3） sn.t2 sc（i+ii）在本次设计中选用两台同容量的变压器并联运行，每台主变的额定容量： 3.1.3 变压器调压方式的选择调压方式是指采用有载（带负荷）调压还是手动（不带负荷）调压方式。规程规定：在能满足电压正常波动情况下可以采用手动调压方式（手动调压方式的变压器便宜、维修方便）。近年来随着对电压质量的要求的提高和有载调压变压器的质量的提高，作为城市变电站，一般也都用有载调压方式。为保证供电质量，电压必须维持在允许范围内，手动调压调整范围通常在22.5%以内；有载调压，调整范围达30%，其结构比较复杂，价格较贵。综合

19、以上分析本设计中此变电站的主变宜采用降压变压器有载调压方式。表3 变压器的参数型号额定容量（kva）额定电压（kv）阻抗电压（%）连接组别号高压中压低压高中高-低中-低yny0d11odfps-250000/500250000/250000/8000050022.5%2203511.838.224.84 短路电流的计算4.1 短路计算的目的 短路故障对电力系统的正常运行影响很大，所造成的后果也十分严重，因此无论从设计、制造、安装、运行和维护检修等各方面来说，都应着眼于防止短路故障的发生，以及在短路故障发生后要尽量限制所影响的范围。这就要求必须了解短路电流的产生和变化规律，掌握分析计算短路电流的

20、方法。短路电流计算是电力系统最常用的计算之一，短路电流计算的具体目的有如下几个方面： 1.选择电气设备 电气设备(如开关电器、母线、绝缘子、电缆等)必须具有充分的电动力稳定和热稳定性，而电气设备的电动力稳定和热稳定的校验是以短路电流计算结果为依据的。 2.继电保护的配置和整定 电力系统中应配置哪些继电保护以及保护装置的参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算和分析，而且不仅要计算短路点的短路电流，还要计算短路电流在网络各支路中的分布。并要作多种运行方式的短路计算。 3.电气主接线方案的比较和选择 在发电厂和变电站的主接线设计中往往遇到这样的情况：有的接线方案由于短路电流太大以致要选用贵重

21、的电气设备，使该方案的投资太高，但如果适当改变接线方式或采取某些限制短路电流的措施就可能得到既可靠又经济的方案，因此，在比较和评价主接线方案时，短路电流计算是必不可少的内容。4.在设计及110kv以上电压等级的架空输电线路时，要计算短路电流，以确定电力线路对邻近架设的通信线是否存在危险及干扰影响。4.2 短路计算的结果 计算过程详见附录计算书，三相短路电流计算结果如表4.1所示表4 三相短路电流计算结果短路点(kv)(ka)(ka)(ka) 5252.757.012.752303.579.13.57376.516.5756.55 电气设备的选择及校验5.1 断路器的选择断路器型式的选择：除需满

22、足各项技术条件和环境条件外，还考虑便于安装调试和运行维护，并经技术经济比较后才能确定。根据我国当前制造情况，电压高于2kv电网，可选用sf6或空气断路器断路器选择的具体技术条件如下：（1）电压： -电网工作电压 （6-1）（2）电流: -最大持续工作电流 （6-2）（3）开断电流：当0.1s时， （6-4） -断路器实际开断时间t秒的短路电流周期分量（t1s）-断路器额定开断电流（4）动稳定： （6-5） -断路器极限通过电流峰值-三相短路电流冲击值（5）热稳定： （6-6）- 稳态三相短路电流 -短路电流发热等值时间 - 断路器t秒热稳定电流表5 断路器的型号及参数电压等级型号额定开断电流（

23、ka）额定闭合流峰值（ka）热稳定电流（ka）动稳定电流（ka）500kvlw12-500/25005012550125220kvlw2-220/2500401004010035kvlw6-35/315050125501255.2 隔离开关的选择选择隔离开关时应满足以下基本要求：（1）隔离开关分开后应具有明显的断开点，易于鉴别设备是否与电网隔开。（2）隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证过电压及相间闪络的情况下，不致引起击穿而危及工作人员的安全。（3）隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度。（4）隔离开关在跳、合闸时的同期性要好，要有最佳的跳、合闸速度，以尽可能降低

24、操作时的过电压。（5） 隔离开关的结构简单，动作要可靠。（6）带有接地刀闸的隔离开关，必须装设连锁机构，以保证隔离开关的正确操作。隔离开关形式的选择，应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合的技术经济比较然后确定。参数的选择要综合考虑技术条件和环境条件。选择的具体技术条件如下：（1）电压： -电网工作电压 （6-7） （2）电流: -最大持续工作电流 （6-8）（4）动稳定： （6-9）（5）热稳定： （6-10）表6 隔离开关的型号及参数电压等级型号动稳定电流（ka）热稳定电流有效值（ka）500kvgw6-500dw/25008040220kvgw6-220dw/25001004

25、035kvgw12-35/4000125505.3 母线的选择母线应根据具体使用情况按下列条件选择和校验：（1）型式：载流导体一般采用铝质材料，回路正常工作电流在4000a及以下时，一般选用矩形导体。在40008000a时，一般选用槽形导体。110kv及以上高压配电装置，一般采用软导线。当采用硬导体时，宜用铝锰合金管形导体。（2）按最大持续工作电流选择导线载面s，即 （6-11）式中 相应于某一母线布置方式和环境温度为+25时的导体长期允许载流量。 综合修正系数（3）热稳定校验：按上述情况选择的导体截面s，还应校验其在短路条件下的热稳定。 母线的校验公式为： () （6-12）式中 根据稳定决

26、定的导体最小允许截面（mm2）； c热稳定系数；（4）动态稳定校验： （6-13）式中 母线材料的相间允许应力（硬铝为69106pa,硬铜为157106）； 作用在母线上的最大计算应力。对于输电线路应校验线路电压损失。对于变电所内的导体，由于相对距离较短，电压损失不严重，所以可不较验。5.3.1 500kv侧母线的选择及校验 （1）按经济电流密度选择母线截面 最大长期工作电流：按经济电流密度选择母线截面 式中 经济截面， 经济电流密度，由于母线置于户外，考虑集肤效应和散热，由任务书已知最大负荷利用小时数为3000h，按经济电流密度选择母线截面。查表选择 故选择截面积800mm2的lgjqt-8

27、00mm2型钢芯铝绞线，其在25最大允许持续电流为1420a。 （2）热稳定校验取时，温度修正系数为：y母线最高长期允许温度，母线运行的实际温度，0规定的标准环境温度，13则母线运行的实际温度为35时的母线允许电流： 大于其长期最大工作电流（602.2a），满足长期工作时的发热条件。 校验:短路计算时间因tk小于1s，故应计算非周期电流热效应，查表的非周期分量时间常数ta=0.05，itk短路全电流的有效值查表得3.633，为3.806。周期分量热效应非周期分量热效应因此，短路电流的热效应 查表知，按热稳定条件所需最小母线截面为 式中 热稳定系数 集肤效应系数（取1）。小于所选母线的截面积，满

28、足热稳定要求，因所选母线为绞线，故不需要动稳定校验，所以选择截面积800mm2的lgjqt-800mm2型钢芯铝绞线。2.500kv侧进线母线的选择及校验 因与发电厂相连，进线的最大长期工作电流与500kv侧的母线相同，所以选用截面积800mm2的lgjqt-800mm2型钢芯铝绞线。5.3.2 220kv侧母线的选择选择的基本原理同5.2.1.（1）按长期发热允许电流选择截面积：1304.7mm2查表选用lgj-1500mm2型钢芯铝绞线，截面积1500mm2，70载流量为2350a，kf=1.15。 （2）热稳定校验则母线运行的实际温度为35时的母线允许电流：大于其长期最大工作电流（150

29、0.4a），满足长期工作时的发热条件。短路计算时间因tk小于1s，故应计算非周期电流热效应，查表的非周期分量时间常数ta=0.05。itk短路全电流的有效值查表得3.633，为3.806。非周期分量热效应因此，短路电流的热效应 经查表可知：c=87.2满足短路时发热的最小导体截面为：满足热稳定要求。因此220kv侧母线型号为lgj-1500mm2。5.3.3 35kv侧母线的选择 （1）按长期发热允许电流选择截面积：因此查表选用3lgjq- 5000矩形铝导体，平放允许电流为3284a,集肤效应系数=1.7。（2）热稳定校验 则母线运行的实际温度为35时的母线允许电流：大于其长期最大工作电流（

30、2621.5a），满足长期工作时的发热条件。短路计算时间因tk小于1s，故应计算非周期电流热效应，查表得非周期分量时间常数ta=0.05。itk短路全电流的有效值查表得2.023，为2.038。非周期分量热效应因此，短路电流的热效应经查表可知：c=90.5满足短路时发热的最小导体截面为：满足热稳定要求。（3）动稳定校验技术规程要求相间距35kv侧相间距a为0.5m，母线截面系数为7210-6m3。设绝缘子跨距为1.2m，由短路电流计算可知ka。 三相短路最大电动力n/m母线所受的最大应力满足动稳定要求。5.4 电流互感器与电压互感器的选择根据导体和电器选择设计技术规定第9.0.3条：320kv

31、屋内配电装置的电流互感器，应根据安装使用条件及产品情况，采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构。35kv及以上配电装置的电流互感器，宜采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器，在有条件时，应采用套管式电流互感器。根据电力工程电气设计手册（电气一次部分）第28节：a. 凡装有断路器的回路均应装设电流互感器。b. 发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口、桥形接线的跨条上等也应装设电流互感器。 c. 对直接接地系统，按三相配置；对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相装配。根据本变电站的要求，和所计算出来的短路电流数据，对各电压等级的电压互感器和电流互感器选择如下。500kv段采用jcc2-500，

32、lclwd2-220;220kv段采用jcc2-220，lcwb7220;35kv段采用jdjj-35，lcwb735。总 结本次设计建设一座500kv降压变电站，运用所学到的理论知识，通过对原始资料的分析和短路计算，掌握变电所的电气主接线方案的选择，主要电气设备的选型。主变压器台数、容量及型号的选择，以及各种保护的确定等。确定最终该500kv变电所电气主接线方案，完成对500kv变电所的初步设计。 经过半个多月的时间，顺利的完成了这次课程设计。从总体上来说，对自己的成果还是比较满意的，也基本上达到了老师的要求。这段时间翻阅了许多的书籍，从对变电站的生疏，到了解，再到深入研究，第一次完成了一件实际应用的设计。不过由于本人经历、阅历、实际操作能力有限。难免存在一些不近人意的地方