220kv变电所设计

1、220kV变电站设计摘 要本设计书主要介绍了220kV区域变电所电气一次部分的设计内容和设计方法。设计的内容有220kV区域变电所的电气主接线的选择，主变压器、所用变压器的选择，母线、断路器和隔离开关的选择，互感器的配置，220kV、110kV、35kV线路的选择和短路电流的计算。设计中还对主要高压电器设备进行了选择与计算，如断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等。此外还进行了防雷保护的设计和计算，提高了整个变电所的安全性。关键词：变电站；主接线；变压器ABSTRACTThe design of the book introduces the regional 220kV electric

2、al substation design a part of the content and design. The design of the contents of the electrical substation 220kV main regional cable choice, the main transformer, the transformer used in the choice of bus, circuit breakers and isolation switch option, the configuration of transformer, 220kV, 110

3、kV, 35kV line choice and short-circuit current calculations. The design of the main high pressure also had a choice of electrical equipment and computing, such as circuit breakers, isolating switches, voltage transformers, current transformers and so on. In addition, a lightning protection design an

4、d computing, increased the safety of the entire substation.Keywords: substation; main connection; transformer第一章 原始资料设计条件：1. 变电所的性质及其在电力系统中的地位：本所系220kV区域性降压变电所，供电电压分别为110kV和35kV两个电压等级。由系统以两回220kV线路向本所送电，并由两回220kV线路向后继的两个变电所转送40000kVA容量。2. 电力系统提供的原始资料：1) 电力系统短路容量：最大运行方式时，由系统供给的短路容量为2500MVA；最小运行方式时，由系

5、统供给的短路容量为1800MVA。2) 电力系统的电源情况：220kV侧为双电源供电，两回负荷线路分别供给后继的两个不同的220kV降压变电所；110kV及35kV侧无电源。3. 本变电所的负荷情况及出线回路数：1) 220kV出线（包括两回电源线）4回，方向向北，通过两回负荷线，每回线路向后继变电所转送20000kVA。2) 110kV出线6回，方向向东，每回线路负荷为18MW，功率因数为0.9，负荷同时率取0.9。3) 35kV出线10回，方向向南，每回线路负荷为2.4MW，功率因数为0.85，负荷同时率取0.85。第二章 变电所电气主接线的确定电气主接线是电力系统的重要组成部分，它的设计

6、形式直接关系全所电气设备的选择和配电装置的布置。它的设计应以设计任务书为依据，以国家有关经济建设方针、政策及有关技术规范为准则，结合工程具体特点来确定，要求安全可靠、稳定灵活、方便经济。2.1 主变压器容量和台数的选择2.1.1 主变压器的台数：待设计变电所为大型的区域变电所，要求电压质量是可以调节的，现在市场上生产的变压器的容量，选择2台变压器能满足负荷的要求。主变压器容量：根据运行经验，变压器的容量应保证在有一台检修的情况下，其他变压器能带全部负荷的70%，即主变的容量应满足70%的负荷需求。110kV 侧： P1=108kV, Q1=P1*tan1=52.31kVar35kV 侧： P2

7、=24kV, Q2=P2*tan2=14.88kVar则 =131.90MVASN0.7=92.33MVA因此选择主变容量为120MVA变压器。主变型式：本设计220kV降压到110kV和35kV两个电压等级，因此采用三绕组变压器。调压方式：根据地区及负荷的要求，变压器选择有载调压方式。根据以上原则，查阅有关资料，选择的主变压器技术数据如表2-1：型 号 SFPSZ7 -120000 / 220容 量 120 MVA容 量 比 120/120/120额定电压高压22081.25%中压121低压38.5联结组标号 YN，yn0,d11损 耗空载144 kW负载480 kW空载电流 0.9 %阻抗

8、电压高-中14 %高-低24 %中-低8 %2.2 电气主接线方案的选择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。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

9、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。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。2.2.4 电气主接线的选择本变电所220kV侧出线4回，可选用双母线接线、双母线带旁路接线；110kV侧出线6回，可选用双母线接线、双母线带旁路

10、接线；35kV侧出线10回，可选用双母线接线、单母线分段接线。按照要求进行分析，现列出以下两种主接线设计方案。方案一：220kV、110kV侧双母线带旁路母线接线，35KV侧单母线分段接线。220kV进出线四回，由于本回路为重要负荷停电对其影响很大，因而选用双母带旁路接线方式。双母线带旁路母线，用旁路断路器替代检修中的回路断路器工作，使该回路不致停电。这样多装了价格高的断路器和隔离开关，增加了投资，然而这对于接于旁路母线的线路回数较多，并且对供电可靠性有特殊需要的场合是十分必要的。35kV侧选用单母线分段接线，对主要用户可从不同段供电，保证供电的可靠性，另外，当一段母线发生故障，分段断路器自动

11、将故障段切除，保证正常段母线不间断供电。但当母线故障时，该段母线的回路都要停电，同时扩建时需向两个方向均衡扩建。方案二：220KV侧双母线带旁路接线，110KV侧双母接线、35KV侧单母线分段接线。110kV侧采用双母线接线具有供电可靠，调度灵活，扩建方便，而且检修另一组母线时不会停止对用户持续供电，投资相对双母线带旁路接线要少，经济性更好一些。现对两种方案列表2-1，比较如下：表2-1 电气主接线方案比较项目方案可靠性灵活性经济性方案一：220kV、110kV侧双母带带旁路母线接线、35kV侧单母线分段接线 较高好差方案二：220kV侧双母线带旁路接线，110kV侧双母接线、35kV侧单母线

12、分段接线。较高较好好综合考虑两种电气主接线的可靠性，灵活性和经济性，结合实际情况，确定第二种方案为设计的最终方案。主接线图如图所示：第三章 短路电流的计算3.1 短路电流计算的目的及规定3.1.1 短路电流计算的目的：在变电所的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。在选择电气设备时，为保证在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，需要进行全面的短路电流计算。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定值；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。3.1.2 短路电流计算的一般规定：1. 电力系

13、统中所有电源均在额定负荷下运行；2. 短路种类：一般以三相短路计算；3. 接线方式应是可能发生最大短路电流的正常方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。4. 短路电流计算点：在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点。5. 计算容量：应按工程设计规划容量计算，并考虑系统发展规划。3.2 短路电流的计算取基准容量为：Sj=100MVA，基准电压为UB1=230kV, UB2 = 115kV, UB3=37kV.3.2.1 计算变压器电抗：0.5 (14+24-8)=150.5 (14+8-24)=-100.5（8+24-14）=9各绕组等值电抗标幺值为：1

14、5/120=0.1259/120=0.075系统等值电路图为：220kV110kVXt1*Xt3*Xt2*d1d2d3图3-13.3 各短路点短路计算 1.d1 点（220kV 侧)短路 等值电路图可简化为： 图3-2 系统阻抗标幺值为：短路电流标幺值： 折算到220kV 侧短路电流有名值：kA取电流冲击系数 Kch=1.8，当不计周期分量的衰减时，短路全电流最大有效值：kA冲击电流 : kA短路容量: MVA 2.d2 点（110kV 侧)短路 等值电路图可简化为： 图3-3 短路电流标幺值：kA折算到110kV 侧短路电流有名值：kA取电流冲击系数 Kch=1.8，当不计周期分量的衰减时，

15、短路全电流最大有效值：kA冲击电流 : kA短路容量: MVA3.d3 点（35kV 侧)短路 等值电路图可简化为： 图3-4短路电流标幺值：kA折算到110kV 侧短路电流有名值：kA取电流冲击系数 Kch=1.8，当不计周期分量的衰减时，短路全电流最大有效值：kA冲击电流 : kA短路容量: MVA第四章 电气设备的选择4.1 选择设计的一般规定电气设备的选择设计，同样必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进，经济合理，安全可靠，运行方便和适当的留有余地，以满足电力系统安全经济运行的需求。电气设备的选择，应依据以下规定：4.1.1 电气设备选择的一般原则：（1）应满足正常运行、检修

16、、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）扩建工程应尽量使新老电气设备型号一致；（7）选用新产品，均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。 其它相关的一些规定正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电气设备。尽管电力系统中各种电器的作用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确是一致的。电气设备

17、要可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验动、热稳定性。本设计中，电气设备的选择包括：断路器和隔离开关的选择，电流、电压互感器的选择、避雷器的选择，导线的选择。4.2电气设备的选择与校验主变压器持续工作电流的计算:220kV高压侧：A110KV中压侧：A35 KV低压侧: A断路器的选择变电所中，高压断路器是重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和开断负荷电流，在变电所电气主接线中，还担任改变主接线的运行方式的任务 ，故障时，断路器通常以继电保护的方式配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。高压断路器应根据断路器安

18、装地点，环境和使用技术条件等要求选择其种类及型式，由于真空断路器、SF6断路器比少油断路器，可靠性更好，维护工作量更少，灭弧性能更高，目前得到普遍推广，故35kV220kV一般采用SF6断路器。4.2.2.1 按开断电流选择高压断路器的额定开断电流应不小于其触头开始分离瞬间（）的短路电流的有名值，即： 高压断路器额定开断电流（kA） 短路电流的有名值（kA）4.2.2.2 短路分断电流的选择在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），更易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏，且断路器在关合短路电流时，不可避免地接通后又自动跳闸，此

19、时要求能切断短路电流，为了保证断路器在开断短路时的安全，断路器额定开断电流不应小于短路电流的最大冲击值，即：或 断路器额定开断电流 额定动稳定电流 短路冲击电流4.2.2.3 开断时间的选择对于110kV及以上的电网，当电力系统稳定要求快速切除故障时，分闸时间不宜大于0.045s，用于电气制动回路的断路器，其合闸时间应大于0.04 0.06s。1.220kV侧断路器:1）额定电压选择：=230kV2）额定电流选择： =330.66A3）按开断电流选择： = 6.276（kA） 4）按短路开断电流选择： = 15.975（kA） 根据以上数据可以初步选择LW6220型SF6断路器其参数如下：额定

20、电压220kV，最高工作电压245kV，额定电流3150A，额定开断电流40kA，短路关合电流55kA，动稳定电流峰值55kA，4S热稳定电流40kA，固有分闸时间0.042S，合闸时间0.2S，全开断时间0.075S。5）校验热稳定，取后备保护为5S，则：= 0.075 + 5 = 5.07（S） 因为1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间曲线，查得= 4.3s=（5.075）+ 4.3 = 4.37s kA2s kA2s即 满足要求；6）检验动稳定： 15.975(kA)1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间表，查得= 4.3s=（5.065）+ 4.3 = 4.36（s）（kA2

21、s）（kA2s）即满足要求。6）检验动稳定： 12.47(kA)满足要求。检验动稳定： 42.842(kA) 满足要求；4）检验动稳定： 15.975(kA) 80(kA) 满足要求由上述计算表明，选择GW7220DW型隔离开关能满足要求，由计算可列出GW7220DW型隔离开关数据如表4-4：表4-4 GW7220DW型隔离开关数据 设备项目GW7220DW产品数据计算数据252kV230kV1600A661A3072kA2s515.40kA2s80kA15.975kA2. 110kV侧隔离开关:1）额定电压：=115（kV）2）额定电流： =661.33（A）根据以上计算数据可以初步选择户外

22、GW5110型隔离开关，其参数如下：额定电压110kV，最高工作电压126kV，额定电流2000A，动稳定电流100kA，4S热稳定电流有效值31.5kA。3）检验热稳定： = 4.36S（kA2s）（kA2s）即：满足要求4）检验动稳定： 12.47(kA)满足要求。检验动稳定： 42.842(kA)0.93）电压互感器及型式的选择电压互感器的种类和型式应根据安装地点和使用条件进行选择，在635kV屋内配电装置中一般采用油浸式或浇注式电压互感器。110220kV配电装置中一般采用半级式电磁式电压互感器。220kV及以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。4）按容量的

23、选择互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级），应不小于互感器的二次负荷，即：= 、 仪表的有功功率和无功功率1.220kv母线电压互感器:220KV侧母线所连的电压互感器的选择，选用JCC-220型电压互感器：型式额定变比在下列准确等级下的额定容量最大容量（VA）屋外单相JCC2200.51320005001000校验：（1）一次电压：198kVU242kV 满足要求（2）二次电压：根据情况而定（3）准确级：选用0.5级，保证设备对准确级的要求 （4）保证二次负荷在允许范围时S22.110kv 母线电压互感器:110KV侧母线所连的电压互感器的选择，选用JCC-110型电压互感器：型式额定

24、变比在下列准确等级下的额定容量最大容量（VA）屋外单相JCC1100.51320005002000校验：（1）一次电压：98kVU121kV 满足要求（2）二次电压：根据情况而定（3）准确级：选用0.5级，保证设备对准确级的要求 （4）保证二次负荷在允许范围时S23.35kv 母线电压互感器:35KV侧母线所连的电压互感器的选择，选用JDJJ-35型电压互感器：型式额定变比在下列准确等级下的额定容量最大容量（VA）屋外单相JDJJ350.5131200150250600校验：（1）一次电压：31.5kVU38.5kV 满足要求（2）二次电压：根据情况而定（3）准确级：选用0.5级，保证设备对准

25、确级的要求 （4）保证二次负荷在允许范围时S2 4. 热稳定校验5.硬导体的动稳定校验导体最大计算相间应力不应超过导体材料允许应力，即1. 220KV母线的选择: A按长期发热允许电流选择截面，查表初选单条矩形铝导体，竖直布置。由于户外装置，最高温度为36，得到K=0.87。I=0.871168=1016AA型号截面70度时长期载流量（环境温度25度）6301168A热稳定校验： 满足热稳定要求动稳定校验： ；满足动稳定校验。 2.110KV母线的选择:A按长期发热允许电流选择截面，查表初选单条矩形导体，竖直放置。由于户外装置，最高温度为36，得到K=0.87。I=0.87586=509.82

26、AA型号截面70度时长期载流量（环境温度25度）200586A热稳定校验：满足热稳定要求。动稳定校验：；满足动稳定校验。3.35KV母线的选择:A查表初选单条矩形导体，竖直放置。由于户外装置，最高温度为36，得到K=0.87。I=0.871542=5742AA型号截面70度时长期载流量（环境温度25度）巨型铝母线LMY-24880mm26600A热稳定校验：满足热稳定要求动稳定校验：；满足动稳定校验。4.2.7 防雷保护的简单设计变电站的直击雷保护为了避免变电站的电气设备及其他建筑物遭受直接雷击，需要装设避雷针或避雷线，使被保护物体处于避雷针或避雷线的保护范围之内；同时还要求雷击避雷针或避雷线

27、时，不应对被保护物发生反击。（一） 变电站应装设直击雷保护装置的设施1 屋外配电装置，包括组合导线和母线廊道；2 油处理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、装设油台、大型变压器修理间、易燃材料仓库等建筑物；3 雷电活动特殊强烈地区的主厂房、主控制室和高压屋内配电装置室。（二） 直击雷保护的措施1. 对主厂房需装设的直击雷保护，或为了保护其他设备而在主厂房上装设的避雷针，应采取如下措施： （1）加强分流：用扁钢将所有避雷针水平连接起来，并与主厂房内钢筋焊接成一体。在适当地方接引下线，一般应每隔1020m引一根。引下线数目尽可能多些；（2）防止反击：设备的接地点尽量远离避雷针接地引下线的入地点，避

28、雷针接地引下线尽量远离电气设备；（3）装设集中接地装置：上述接地应与总接地网连接，并在连接处加装集中接地装置，其工频接地电阻应不大于10。2.主控制室及屋内配电装置直击雷的保护措施：（1）若有金属屋顶或屋顶上有金属结构时，将金属部分接地；（2）屋顶为钢筋混泥土结构，将其钢筋焊接成网接地。综上，对变电所必须进行防雷保护的对象和措施，可见下表： 表8-1 变电所必须进行防雷保护的对象和措施建筑物及构筑物名称建筑物的结构特点防雷措施110kV及以上配电装置金属结构在架构上装设避雷针或独立避雷针钢筋混泥土结构在架构上装设避雷针或独立避雷针。当在架构上装设避雷针时，可将架构支柱主钢筋作引下线接地，作引下

29、线的钢筋不少于2根屋外安装的变压器装设独立避雷针屋外组合导线及母线桥装设独立避雷针；在不能装设独立避雷针时，考虑在附近主厂房屋顶装设避雷针主控制楼（室）金属结构金属架构接地但在雷电活动特殊强烈地区应设独立避雷针钢筋混泥土结构钢筋焊接成网并接地屋内配电装置钢筋混泥土结构钢筋焊接成网并接地变压器检修间钢筋混泥土结构钢筋焊接成网接地本设计中采用220KV、110KV配电装置构架上装设避雷针，35KV屋内配电装置上装设独立避雷针进行直接保护，钢筋混泥土结构焊接成网并接地，为了防止反击，主变构架上不设置避雷针。变电站的侵入雷电波保护 （一）配置原则 变电站采用避雷针保护后，电气设备几乎可以免受直接雷击。

30、而在与变电站相连的长达数十、数百公里的输电线路上，虽然有避雷线保护，但由于雷电的绕击和反击，仍然会危及变电站中的电气设备。雷击线路时无论发生绕击还是反击，都会自雷击点产生向变电站方向传播的入侵电压波，入侵电压波的最大幅值等于线路绝缘的冲击放电电压，而变电站电气设备的绝缘水平通常低于低压线路的绝缘水平，因此入侵波对变电站的电气设备会构成严重威胁。变电站中限制雷电入侵波过电压的主要措施是装设避雷器。在母线上装设避雷器是限制雷电入侵波过电压的主要措施。对于220kV及以下的一般变电站，无论变电站的电气主接线形式如何，实际上只要保证每一段可能单独运行的母线上都装有一组避雷器，就可以使整个变电站得到保护

31、。只有当母线或设备连接线很长的大型变电站，或靠近大跨越、高杆塔的特殊变电站，经过计算或验证证明以上布置不能满足要求时，才需要考虑是否在适当位置增设避雷器。根据避雷器的配置原则，本设计中配电装置的每组母线上，应装设避雷器。此外，变压器中性点接地必须装设避雷器，并接在变压器和断路器之间。避雷器的类型选择为阀式避雷器。（二）避雷器的选择1、磁吹阀式避雷器的电气参数如下：（1）额定电压Ube：避雷器的额定电压应与其安装地点系统的额定电压等级相同。（2）灭弧电压Umi：对35kV及以下的中性点不接地系统，灭弧电压取为最高工作线电压的100%110%；对110kV及以上的中性点直接接地系统，灭弧电压取为系

32、统最大工作线电压的80%。（3）工频放电电压Ugf：指在工频电压作用下，避雷器发生放电的电压值。在中性点绝缘或经阻抗接地的电网中，工频放电电压一般大于最大运行相电压的3.5倍；在中性点直接接地的电网中，工频放电电压应大于最大运行相电压的3倍。工频放电电压应大于灭弧电压的1.8倍。（4）残压Ubc：按计算来确定。（5）冲击放电电压Uchfs：我国生产的避雷器其冲击放电电压与5kA的残压基本相同。2、避雷器的选择与校验（1）220KV侧避雷器的选择与校验型式的选择 根据规程及本设计，选用FCZ系列磁吹阀式避雷器。额定电压的选择：因此选 FCZ-220避雷器，其参数如下表8-2所示。灭弧电压校验：最

33、高工作电压：直接接地：，满足要求。表8-2 避雷器参数型号额定电压（kV）灭弧电压有效值（kV）工频放电电压有效值（kV）冲击放电电峰值（1.5/20）不大于（kV）冲击残压不大于（kV）不小于不大于FCZ-220220252503580710740工频放电电压校验：下限值：上限值： 580kV上、下限值均满足要求。残压校验：，满足要求。冲击放电电压校验：,满足要求。综上，所选FCZ-220 型避雷器满足要求（2）110KV侧避雷器的选择和校验型式的选择 根据规程及本设计，选用FCZ系列磁吹阀式避雷器。额定电压的选择：因此选FCZ-110避雷器，其参数如下表8-3所示。灭弧电压校验：最高工作电压： 直接接地： KV，满足要求。表8-3 避雷器参数型号额定电压（kV）灭弧电压有效值（kV）工频放电电压有效值（kV）冲击放电电峰值（1.5/20）不大于（kV）冲击残压不大于（kV）不小于不大于FCZ-110110126255290345365工频放电电压校验：下限值： 上限值： 290kV上、下限值均满足要求。残压校验：365KV，满足要求。冲击放电电压校验：345KV，满足要求。综上，所选FCZ-110