哈工大变电所课程设计

1、哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：电气工程 专 业：电力系统及其自动化 班 号： 任务起至日期： 2014 年 2 月 17 日至 2013年 2 月 28 日 课程设计题目： 220KV降压变电所电气部分设计 已知技术参数和设计要求：发电厂（A）4×FQN-100-224×SFPL-120000/2202×TQS-50-22×SFPL-63000/220发电厂（B）3×QFSN-200-23×SFPL-240000/220发电厂（C）4×TQN-100-24×SFPL-120000/220180

2、km2×LGJ-240160km2×LGJ-240一、 原始资料1 电力系统图2 设计变电所在系统中的地理位置240km160km165km180kmACB设计变电所150km 3 负荷资料 110KV：出线数：7；Tmax：4500h；综合最大负荷：145MW；综合最小负荷：118MW； cos:0.85。线路名称ABCDEFG最大负荷（MW）23192423222119最小负荷（MW）1814181916161535KV：出线数：8；Tmax：4000h；综合最大负荷：40MW；综合最小负荷：33MW； cos:0.8。线路名称abcdefgh最大负荷（MW）65576

3、656最小负荷（MW）44455545输送距离（KM）20202530201518154计算资料变电所与系统采用环网联结，且线路每公里阻抗按0.4/KM计算。二、 气象条件1 绝对最高温度36；2 最热月平均温度21；3 年平均温度6；4 风向：以东北风为主；5 地震烈度6级。三、 设计任务1. 变电所电气主接线设计；2. 所用电设计；3. 短路电流计算(变电所与电力系采用环网连接)； 3. 电气设备选择与校验： 变压器、母线、进出线、断路器、隔离开关。 工作量：1. 设计说明书和计算书各一份;2. 设计图纸电气主接线图1张; 工作计划安排： 同组设计者及分工： 指导教师签字_ 年 月 日 教

4、研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。 学号尾数为1、6的同学做此题！设计说明书一、概述本设计说明书的研究内容主要是根据原始资料和220kV降压变电所的特点，对其电气部分进行初步设计。设计内容主要包括与系统连接方式选择、变电所电气主接线设计、所用电接线设计、主变压器选择、短路电流计算、电气设备选择、配电装置选择、防雷保护设计、主变压器继电保护设计、全系统的继电保护规划等。二、主变压器选择主变压器是变电站中最主要的设备之一，在电气设备的投资中所占比例较大，同时与之相配套的电气装置的投资也与其密切相关。它也是主接线方案确定的基础。2.1 主变压器台数通常

5、而言，对于只供给类、类负荷的变电所，原则上只装设一台变压器；对于供电负荷较大或有类负荷时，应该选择两台相同容量的变压器，防止一台主变压器故障或检修时影响整个变电所的供电；对于与系统相连接的重要变电所，应装设两台相同容量的变压器。从本题的要求来看，选择两台相同容量的主变压器最为合适。2.2 主变压器相数由本题的要求来看，具有三种电压等级的变电所，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上，主变压器应采用三相三绕组变压器。2.3 主变压器容量变压器容量的选择是由供电地区计算负荷（综合最大负荷），求出变电所供电负荷。主变的最大负荷按下式确定： （2-1）式中 变电所最大负荷 负荷同时

6、系数，取0.9 按负荷等级统计的综合用电负荷主变的最小负荷按下式确定： （2-2）式中 主变最小容量； 平均功率因数，取0.85当一台变压器停运时可保证对70%负荷的供电。110kV侧容量：MVA35kV侧容量：MVA220kV侧容量：MVAMVA所以，可选两台容量为150MVA的主变压器。2.4 主变压器绕组联结组号一般来说，在发电厂和变电站中，考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，主变压器联结组号一般都选用YNd11常规接线。2.5 主变压器技术参数 综上所述，选择两台主变压器，所选变压器主要技术参数见表2-1 表2-1 主变技术参数表型号额定容量（kVA）额定电

7、压（kV）空载电流（%）空载损耗（kW）负载损耗（kW）阻抗电压（%）高压中压低压高中高低中低高中高低中低SFPS3-150000/22015000022022.5%12138.51.215564015247.6三、电气主接线的设计电气主接线是变电所设计的主要部分。采用何种主接线形式，与电力系统原始资料，变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性的要求等密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护的拟定都有较大的影响。主接线的设计必须根据电力系统、变电所的具体情况，全面分析，正确处理好各方面的关系，通过技术经济比较，合理地选择主接线方案。3.1 主接线设计的基本要求1、 可靠性：安全可靠是

8、电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求。2、 灵活性：满足可靠性的前提下，接线简单，操作方便；调度方便；扩建方便。3、 经济性：满足可靠性和灵活性前提下做到节省一次投资、占地面积小、电能损耗少。3.2 主接线的设计步骤1、 原始资料分析：根据下达的设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，拟订可采用的数个主接线方案；分析包括变电所在电力系统中的地位和作用、各电压等级的负荷性质、进出线回路数、输送容量、负荷组成、供电要求等。2、 方案比较：对拟订的各方案进行技术、经济比较，选出最好的方案。各主接线方案都应该满足系统和用户对供电可靠性的要求

9、，最后确定何种方案，要通过经济比较，选用年运行费用最小的作为最终方案，当然，还要兼顾到今后的扩容和发展。3、 绘制电气主接线图：电气主接线图表示了各主要设备的规格、数量，反映了各设备的作用、连接方式和各回路间的相互联系。3.3 主接线方案比较3.3.1 220kV电气主接线的设计220kV侧有两台主变压器和两条出线，可采用桥式接线。 1、 内桥接线：内桥接线如图3-1所示。图3-1 内桥接线优点：线路的投入和切除比较方便，并且当线路发生短路故障时，仅故障线路的断路器跳闸，不影响其他回路运行。缺点：当变压器故障时，与该变压器连接的两台断路器都要跳闸，从而影响了一回未发生故障线路的运行；此外，变压

10、器的投入与切除操作比较复杂，需投入和切除与该变压器连接的两台断路器，也影响了一回未故障线路的运行。2、 外桥接线：外桥接线如图3-2所示。图3-2 外桥接线优点：当变压器故障和进行切除操作时，不影响其他回路运行。缺点：当线路故障和进行投入或切除操作时，需操作与之相连的两台断路器，并影响一台未故障变压器的运行。3.3.2 110kV电气主接线的设计110kV侧出线数目为7回，而负荷一般为类负荷，在系统中居重要地位。故可采用双母线接线，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路母线。 1、 双母线接线：双母线接线如图3-3所示。优点：线路故障断路器拒动或母线故障只停一条母线及所连接的元件。将非永久性故障

11、元件切换到无故障母线，可迅速恢复供电；检修任一元件的母线隔离开关，只停该元件和一条母线，其他元件切换到另一母线，不影响其他元件供电；可在不停电的情况下轮流检修母线；断路器检修可加临时跨条，将被检修断路器旁路，用母联断路器代替被检修断路器减少停电时间；运行和调度灵活；扩建方便。缺点：断路器和保护装置检修时造成停电，影响重要用户用电。图3-3双母线接线 2、 双母线带旁路接线：双母线带旁路接线如图3-4所示 图3-4双母线带旁路接线优点：在母线引出各元件的断路器、保护装置需停电检修时，通过旁路母线由旁路断路器及其保护代替，而引出元件可不停电。缺点：旁路母线、旁路断路器及在各回路的旁路隔离开关，增加

12、了配电装置的设备，增加了占地，也增加了工程投资；旁路断路器代替各回路断路器的倒闸操作复杂，容易产生误操作，酿成事故；保护及二次回路接线复杂；旁路母线、旁路断路器及在各回路的旁路隔离开关增加了检修成本。3.3.3 35kV主接线的设计35kV侧出线数目为8回，一般线路上断路器检修机会多，可设旁路母线。负荷一般为、类负荷，在系统中居重要地位，但此电压等级较低，可采用单母线带旁路接线、单母线分段带旁路接线。1、 单母线带旁路接线：单母线带旁路接线如图3-5所示。图3-5 单母线带旁路接线优点：接线简单、清晰，采用设备少、造价低、操作方便、扩建容易。缺点：可靠性、灵活性不高，当任一连接元件故障，断路器

13、拒动或母线故障，都将造成整个配电装置全停。2、 单母线分段带旁路接线：单母线分段带旁路接线如图3-6所示。图3-6 单母线分段带旁路接线优点：用断路器将母线分段，分段后母线和母线隔离开关可分段轮流检修；对重要用户，可从不同母线段引双回路供电，当一段母线发生故障或当任一连接元件故障，断路器拒动时，由继电保护动作断开分段断路器，将故障限制在故障母线范围内，非故障母线继续运行，整个配电装置不会全停，保证对重要用户的供电。缺点：当分段断路器故障时，整个配电装置会全停。3.4 所用电接线方案考虑到所用电源由变电所较低电压等级引接，即由35kV等级引接。这一所用电源引接方式具有经济和可靠性较高的特点。又由

14、于本所是区域变电所，且容量较大，故装设两台所用变压器。两台所用变分别从两段35kV母线上直接引接。所用电接线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。所用电接线如图3-7所示。图3-7 所用电接线图3.5 主接线方案确定根据主接线设计的基本要求，对主接线方案进行可靠性、灵活性以及经济性比较，以优化组合的方式确定了满足系统和用户对供电可靠性的要求的最佳主接线方案，如表3-1所示。电气主接线图见设计图纸。表3-1 主接线方案表电压等级方案220kV内桥接线110kV双母线接线35kV单母线分段带旁路接线四、短路电流计算短路是电力系统中最严重的故障，所谓短路，是指一切不正

15、常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）之间未经负载而直接形成闭合回路。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。4.1短路电流计算的简化假设1、 正常工作时，三相系统对称运行。2、所有电源的电动势相位角相同。3、电力系统中各元件的磁路不饱和，即

16、带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小而发生变化。 4、不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。5、元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响。4.2 计算方法1、选择计算短路点。2、绘制等值网络图，并将各元件电抗统一编号。3、化简等值网络，并求出各电源与短路点之间的转移电抗。4、求出计算电抗。（4-1） 式中 转移电抗 电源额定容量 基准容量5、 由运算曲线查出各电源供给的短路电流周期分量的标幺值。6、 计算短路电流周期分量有名值。（4-2） 式中 各级电压基准值7、 列出短路电流计算表。4.3 计算步骤4.3.1总的短路等值网络图总的短路等值网络图如图4-1所示。图4-1 短路

17、等值网络图4.3.2 各元件电抗标幺值基准容量=100MVA基准电压取230kV，115kV，37kV1、 各电厂发电机电抗标幺值A厂： B厂：C厂：2、 各电厂变压器电抗标幺值A厂：B厂：C厂：3、 主变各绕组的等值电抗标幺值绕组1短路电压百分数绕组2短路电压百分数绕组3短路电压百分数 等值电抗4、 各线路等值电抗标幺值取架空输电线路单位电抗为 4.3.3 220kV母线短路点d1的短路电流计算1、 220kV母线短路等值电路图如图4-2所示。图4-2 220kV侧短路等值图其中 通过星网变换化简，如图4-3所示。图4-3 220kV侧短路等值化简图1 其中进一步化简，合并A、B，如图4-4

18、所示。图4-4 220kV短路等值化简图2 其中2、 各电厂对短路点d1的转移电抗值3、 各电厂对短路点d1的计算电抗 由公式（4-1）得4、 通过查计算曲线得04s内不同时间短路电流标幺值，然后根据公式（4-2）求其有名值。短路点d1的短路电流表如表4-1所示。表4-1 短路点d1的短路电流表时间（s）00.20.5124标幺值0.6220.5860.6060.6420.6420.6421.3901.2531.2251.3051.4841.596有名值(kA)3.1132.8762.9033.0833.2633.3764.3.4 110kV母线35kV母线的短路电流计算计算方法大致同上，计算

19、时可将三个发电厂电抗并联等效，简化计算。短路点d2、d3的短路电流表如表4-2所示。表4-2 短路点d2 、d3的短路电流表短路点时间（s）00.20.5124d2有名值2.5882.4152.4602.7122.7282.728d3有名值1.5781.5981.6301.6301.6301.630五、电气设备的选择导体和电气设备的选择是变电所设计的主要内容之一。正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济的重要条件。电气设备包括断路器、隔离开关、母线等。5.1 电气设备选择的一般条件5.1.1 正常工作条件1、 额定电压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额

20、定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.11.15倍，而电网运行电压的波动范围，一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压USN的条件选择，即（5-1）2、额定电流电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即（5-2）3、环境条件对设备选择的影响当电气设备安装地点的环境（尤其注意小环境）条件如温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰

21、厚度等环境条件超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。5.1.2 短路状态1、 短路热稳定校验短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。满足热稳定的条件为（5-3）式中 短路电流产生的热效应 电气设备允许通过的热稳定电流和时间2、 电动力稳定校验电动力稳定校验是电气设备承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条件为（5-4）式中 电气设备允许通过的动稳定电流的幅值 短路冲击电流幅值5.2 高压断路器和隔离开关的选择高压断路器和隔离开关是发电厂与变电站中主系统的重要开关电器。高压断路器主要功能是：正常运行时的倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，

22、起控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，起保护作用。高压断路器最大特点是能断开电气设备中负荷电流和短路电流。而高压隔离开关的主要功能是保证高压电气设备及装置在检修工作时的安全，不能用于切断、投入负荷电流或开断短路电流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。5.2.1 断路器的选择SF6断路器采用不可燃和有优良绝缘与灭弧性能的SF6气体作灭弧介质，具有优良的开断性能。SF6断路器运行可靠性高，维护工作量少，故适用于各电压等级。特别在220kV及以上配电装置中得到最广泛的运用。本设计一律采用SF6断路器。1、220kV电压等级断路器的选择额定电压和电流选

23、择kVA初步选择LW1220/2000，技术参数如表5-1所示。表5-1 LW1220/2000技术参数表型号额定电压（kV）额定电流（A）额定开断电流（kA）极限通过电流峰值（kA）热稳定电流（kA）LW1220/200022020004010040（4s）热稳定校验 短路热稳定计算时间tk=4s，不计非周期热效应（kA）2s 所选设备符合热稳定要求；动稳定校验kA所选设备符合动稳定要求。故所选LW1220/2000断路器合格。2、110kV及 35kV电压等级断路器的选择110kV及35kV电压等级断路器进行选择方法同上，断路器选择结果如表5-2所示。 表5-2 断路器选择结果表电压等级（

24、kV）型号额定电压（kV）额定电流（A）额定开断电流（kA）极限通过电流峰值（kA）热稳定电流（kA）220LW1220/200022020004010040（4s）110LW611011031504012550（3s）35LW8353516006312525（4s）5.2.2 隔离开关的选择1、220kV电压等级隔离开关的选择额定电压和电流选择kVA初步选择GW7220/2500，技术参数如表5-3所示。表5-3 GW7220/2500技术参数表型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流峰值（kA）热稳定电流（kA）GW7220/2500220250012550（3s）热稳定校验短路热稳

25、定计算时间tk=4s，不计非周期热效应（kA）2s所选设备符合热稳定要求；动稳定校验kA所选设备符合动稳定要求。故所选GW7220/2500隔离开关合格。 2、 110kV 及35kV电压等级隔离开关的选择110kV及35kV电压等级隔离开关的选择选择方法同上，隔离开关选择结果如表5-4所示。表5-4 隔离开关选择结果表电压等级（kV）型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流峰值（kA）热稳定电流（kA）220GW7220/2500220250012550（3s）110GW5110/160011016008031.5（4s）35GW435/20003520008031.5（4s）5.3 母线的选择导体通常由铜、铝、铝合金制成。一般来说，母线系统包括载流导体和支撑绝缘两部分。载流导体可构成硬母线和软母线。硬母线截面常用的有矩形、槽形和管形。矩形母线一般只用于35kV及以下、电流在4000A及以下的配电装置中；槽型母线一般用于40008000A的配电装置中；管形母线用于8000A以上的大电流母线或要求电晕放电电压高的110kV及以上的配电装置中。软母线常用的有钢芯铝绞线、组合导线、