500kV变电站电气部分设计2

2014届毕业生毕业设计说明书题目:500kV变电站电气部分设计院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1001班学生姓名：学号：指导教师：教师职称：讲师2014年5月12日目次TOC\o"1-3"\h\z\u1．绪论31.1课题研究意义31.2国内外发展现状31.3本文研究内容42．电气主接线的确定52.1主接线的选取原则与设计依据52.2各电压等级侧接线选择53．负荷计算与变压器选择103.1主变压器选择104.最大持续工作电流以及相关短路电流计算124.1最大持续电流计算124.2确定短路电流点以及短路电流的计算135.主要电气设备的选择与校验195.1方案设计设备的选取依据195.2断路器选择195.3隔离开关选择225.4互感器选择235.5母线及架空线路选择256变电站与线路防雷保护27总结28致谢29参考文献30附录32附表A：所用主要设备表32附表B：短路计算结果整理32附图C：主接线331．绪论1.1课题研究意义在一套输配电系统中变电站占据着重要的地位，它不仅承担了电压变换与电能分配任务，还能够将不同电压等级的输电网连接起来构成一整个输电网络的重要组成部分。从最初建设选取确定各个电压等级侧的主接线方案到各个电气设备与元器件的选择都必须进过严密的计算并进行校验才能确定最终的方案。从发电机侧考虑，为了实现长远距离输电并以此来减小输电过程中线路上的电能损耗，必须借助于升压变电站将电压升高到一定等级将电能输送出去另一方面提高电压等级也是为了解决大容量输送中存在的电压降问题和提高电力系统的稳定性；对于负荷侧来说，要想得到需求的电压级别，则必须去借助于降压变压站，按照需求将电压变换至10kV、35kV、以及220kV等等然后进一步输送至不同负荷侧。而一次设备的连接必须借助于主接线才能完成，不仅要考虑运行平稳性，还要顾及到成本、是否运行人员操作、是否便于装设等等。对于不同级别的线路，在保证运行性能的基础之上，考虑的侧重也是不同的，必须在各种方案之中加以比较，确定最合适的方案。1.2国内外发展现状现代电力系统电压等级不断提高，尤其是近年来特高压发展越来越成熟，一系列特高压输变电工程日益上马并被提上日程。而目前来来说500kV电压等级是枢纽级而且发展日趋成熟，因此是当前高压站的主力军，对国民生产具有重大影响，变电站安全性与稳定运行性则是其建设所需要考虑的首要内容。发展特高压输电，首先必须掌握元器件的制造技术。作为整个电力系统的重要部分，我国的电力线缆也发展到了一定的成熟地步。对于不超过220kV的线缆，基本上都能够实现自给自足；对于超过220kV尤其是特高压级的电缆依然对外依赖严重。我国对于电力设备的开发与研究都投入了巨大的精力，例如国网南瑞、国电南自等一大批企业对于软硬件开发取得了长足的进步，对电力事业做出了巨大贡献。我国高压项目起步晚，1981年才建成第一条500kV级高压输电线路，经过多年的学习与摸索，当前阶段无论是装机容量还是发电量，我国都已经位居世界第二。当前世界上交流和直流输电等级已经分别达到了750kV和600kV，我国人口众多，为了满足电能供应大力发展超高压及特高压(UHVAC和UHVDC)是非常有必要的。输电交流方面我国已经建成了相当大的规模的500kV输电系统，也是目前建设的主力，多条750kV输电线路也已建成或处于投建阶段；直流输电方面500kV处于快速建设阶段，都有着广阔的发展前景。当前电力系统的运行日益走向智能化的道路。不仅要实现设备运行的智能化（早期的无人值班等），对于二次侧的监测设备也要实现智能控制。要实现智能化、数字化，必然要比传统的变压站引进更大量电子设备，如何实现功能允许，建设并行网络则直接关系到安全可靠性运行，都是需要继续努力的地方。1.3本文研究内容主要进行了两方面的设计，一方面是必须要进行主接线方案的确定，因为在500kV变电站中往往涉及到多个电源（此处设计为两个）长距离输电，通过500kV级汇流母线把电能进行分配、输送到不同的电压等级。而主接线的确定不仅要去考虑现实可行性，还要考虑到由于可能增加的高压设备（诸如断路器等）所带来成本费用增加以及是不是便于操作人员进行操作和是不是方便以后可能进行的改建等等，而这些都是现实中切实要去考虑的内容，因此本文从不同的电压等级考虑分别进行了方案的比较与最终选取。另一方面是设备的选择，其中最重要的是短路计算的问题。电气设备最基本的要求是正常运行时安全可靠，而对于主接线来说由于各种设备以及各个电压等级回路馈线上可能因故障发生短路现象，因此需要通过短路计算求出可能点的短路电流并以此为根据去确定是否需要采取限流措施；设备选择时，为了保证正常运行以及故障状态下均能可靠安全运行，同时考虑到资金等问题也需要进行短路计算以选出最合适的设备参数。2．电气主接线的确定2.1主接线的选取原则与设计依据在整个输变电运行中需要用到一系列电气设备。主要分为两大块，分别称为一次设备和二次设备。发电机用来生产电能，变压器则负责按照既定的方案升高或降低电压并分配到不同的电压等级去，断路器则是和隔离开关相互配合用来实现关合和开断，这些称为一次设备，构成了输电网的主干部分。在系统运行中还需要对系统实施实时的监控与测量等，并加设一系列保护装置，称之为二次设备。而电气接线正是用来把这些设备串联到一块共同实现电力运行的平稳性。主接线指的是连接一次设备的电路部分。相对应的连接二次设备的则称之为二次接线。主接线的选取必须遵循其严格的原则和依据。综合来说主要是三个方面：首先考虑到电能输送在国民生活中的地位，设计的主接线必须能够保证系统运行的可靠性，必须保证电力输送的平稳性，尤其是对于重要用户必须留有备用电源保证能够实现连续不间断供电。由于断路器、隔离开关等设备需要定期检查，这就需要退出运行，因此也就必须加以考虑。基本原则是保证停运期间的备用能够保证到全部Ⅰ类及大部分Ⅱ类用户的电力供应，并尽可能的缩短停运时长。其次是便于操作，最后还要考虑到成本等问题，尽量做到经济合理，电能损耗小：变电站中的主要电能损耗来自于大型变压器。应选取台数和容量合适的主变和站变，尽量避免二次变压。2.2各电压等级侧接线选择对于500kv高压侧，根据前边所述，该变电站为枢纽变，在电力系统中占有重要地位，因此对可靠性有较高要求。根据任务书的要求，本级担负着较大的负荷容量。经考虑，拟定两种方案进行比较。方案一：采用双母线四分段专用旁路母线如图2-1所示图2-1双母线四分段专用旁路母线采用这种接线方式主要是考虑到该级别的重要性。一方面利用母联断路器将两组母线连接起来，当一组母线故障时，可以把供电切换到另一组母线上，两组之间可以互为备用。这样一来不仅增加了供电的可靠性能，也方便于操作，而且在以后的改建中可以在双母线两侧中的任意方向进行。考虑到断路器等需要定期检测，加装一条旁路母线，这样一来当断路器处于检修状态时，对正常供电影响也不会太大。方案二：采用一台半断路器接线方式如图2-2（略去断路器两端的隔离开关）所示：图2-2一台半断路器接线方式拟定采取这种方案更多的也是考虑到运行的稳定与可靠性方面。断路器两端的任意一条母线因故需要退出（检修或发生运行故障）时均不会影响供电，极端的情况是两组母线同时故障，假设一条线路发生故障的几率是0.05，那么这种情况出现的概率不足千分之一，因此这种几率是非常小的，即便发生这样的故障功率也能够继续输送，可见可靠性非常之高。比较两种接线方式，一台半式运行的平稳可靠性更高，并且双母线加装专用旁路接线也显得更加复杂，在使用断路器台数一样的情况下，选择前者更为合适。因此选取一台半断路器的接线方式运行。中间侧（220kV）作为重要的电压等级，也拟定三种方案并进行比较选出最佳方案。方案一：单母线带旁路母线接线如图2-3所示：图2-3单母线带旁路母线接线相比较于500kV侧，220kV也是重要电压等级，但要求的可靠性没有500kV高，因此把这种接线方式纳入到拟定的方案中去。相比较于单纯的单母线，方案一采用了分段接线方式，这样做的好处是提高了电力供应的可靠性与操作的灵活性。假设分段的母线=1\*ROMANI段和=2\*ROMANII段，在=1\*Arabic1段发生故障时，切除与=1\*Arabic1段母线相连接负荷后，=2\*ROMANII段不受影响可以正常供电。方案二：采用的是双母线接线方式，如图2-4所示：图2-4双母线接线对于整个供电负荷，任一条回路都与两条母线通过中间的断路器和隔离开关相连接，两条母线通过一组母联断路器相互连接。这种接线的好处是相较于单母线大大的提高了供电平稳性。在调度方面假设正常运行时的是第=1\*ROMANI段母线，第=2\*ROMANII段为备用，如果此时=1\*ROMANI段需要检测时，可以通过母联断路器根据隔离开关先通后断的原则进行母线切换，而且在以后的改建中可以在双母线两侧中的任意方向进行。方案三：双母线带旁路母线接线如图2-5所示：2-5双母线带旁路母线接线这种方案的接线方式实在方案2的基础之上加装了一条旁路，这也是考虑到其稳定性方面。加装旁路母线后也更便于实现断路器的退出检测，但是也增加了成本和接线的复杂性。主要从可靠性出发，选择方案三更为合适，因此在此电压侧采用带旁路的双母线接线方式。在低压侧选用双母线接线，将分段断路器兼作旁母。如图2-6所示。采取这样做主要是由于1.单母线分段适用范围一般线路不超过8回，而此次有12回出线，因此考虑到双母线2.从经济性考虑，如果采用图2-3的接法，必然会增大投资和设备的投入量并且会带来操纵上的繁琐。基于这两方面综合考虑采用如图2-4所示的双母线接线方式。3．负荷计算与变压器选择500kV侧出线2回，负荷800-1000MVA；220kV为中间电压等级，具有重要的作用设计有10回负荷线路，最大负荷为1000MVA，其中各负荷之间的同时系数为0.85，35kV电压等级侧：设计出线12回，最大负荷80MVA,最低负荷为60MVA.为便于计算系统视为无穷大。3.1主变压器选择=1\*GB3①主变压器容量的确定：对于单机容量为600MW的发电机组，考虑到加接临时负荷的问题，因此必须留有10%-15%的裕度，因此确定变压器容量为700MVA左右。根据选择原则确定两台主变压器。按照惯用原则进行计算：第一：两台变压器容量之和必须足以承担最大负荷即满足每台变压器容量必须大于500MVA，第二：单台变压器能够承担重要负荷的全部供电以及最大负荷的0.6-0.7倍即：600-700MVA综合以上两条确定两台主变的容量为750MVA。=2\*GB3②主变型式的确定：变压器的连接有两种，一是三相变压器，另一种是采用三台单相变压器。本次方案按照惯例采取后者，并采取常见的自耦变压器。而500kV自耦变压器一般都是Y--Y型接法。而由于受到铁芯饱和的影响，二次侧的感应电压会产生一系列谐波，其中主要是三次谐波。并且增设一个电压为6——35kV的第三绕组，这样做的好处是除了可以用以消除三次谐波外还能用来对附近区域供电以及连接无功补偿装置。=3\*GB3③接线方式：上述已经提到要用Y—Y接法以此来尽可能限制三次谐波的影响，同时也是考虑到系统或机组的同步并列运行，联接组号选用YN,a0，d11常规接线。普通的变压器调压范围十分有限通常都是5%左右并且当调压的要求与实际运行相反时（也即逆调压）仅仅依靠分接头的作用是远远不够的，因此考虑有载调压方式，通常调压可达到额定值的15%左右，大大提高了调压范围，而且不仅可以向系统输送功率也可以从系统倒送功率。综合以上三条所述，所用主变压器如表3-1所示：表3-1主变参数主变型号（单相）额定容量（KVA各级额定电压（KV）空载损耗阻抗电压%联接组号高中低高中高低中低ODFPSZ-250000/500250000/250000/80000500/220/%35144设计选用两台容量相等的站用变压器，每台变压器应能单独担负本段负荷的正常用电。当一台故障或需退出检修时，工作状态的变压器应能承担退出段重要负荷的供电甚至全部负荷，以此保证供电的可靠连续性。所用站变压器如表3-2所示：表3.2站用变压器参数型号额定容量(KVA)额定电压(kV)空载损耗（KW负载损耗（KW阻抗电压%所用联结组高压侧低压侧S-200/3520035Y,yn0图3-1站用变压器接线4.最大持续工作电流以及相关短路电流计算4.1最大持续电流计算那么即有如下计算：.高压侧最大工作电流：.中压大持续工作电流：.低压大持续工作电流：对于各个电压等级回路：由前边已知500kV出线5回，220kV侧容量1000MVA，出线10回；35kV侧80MVA，出线12回。于是有：500kV馈线最大持续电流：200kV馈线最大持续电流：35kV馈线最大持续电流:站用变压器高压侧：低压侧：4.2确定短路电流点以及短路电流的计算短路计算结果：以100MVA和500kV为基准值归算主变压器各绕组短路电压百分数的计算：主变压器阻抗计算：化为标幺值：站用变压器参数计算：取基准值=100MVA,=37K500kV电力线路使用如下导线结构：型号：LGJ－4×300分裂导线直径：24.2mm分裂间距：450mm三相导线水平排列，相间距离13m。每公里线路电抗：线路电抗化为标幺值则有等值网络图如图4-1所示：图4-1等值网络图1.500kV侧的短路电流计算：图4-2500kV侧的短路电流视为无穷大电源计算，令电源电动势标幺值为1，对短路点的转移电抗为0.1那么三相短路点起始次暂态电流（也即第一个周期内短路电流周期分量）：冲击电流为：短路电流最大有效值：图4-3220kV侧的短路电流起始暂态电流为冲击电流为：短路电流最大有效值：35kV侧短路电流计算：等值网络图如图4.4所示图4-435kV侧短路电流起始（0s时）暂态电流为：冲击电流为：短路电流最大有效值：0.4kV侧短路电流计算：等值网络图如图4-5所示起始暂态电流为：冲击电流：短路电流最大有效值：5.主要电气设备的选择与校验5.1方案设计设备的选取依据电气设备选择包含以下两个方面。按正常工作条件选择电气设备：一是流经隔离开关和断路器的电流不能超过设备装设点所允许的最大长时持续工作电流；二是运行电压也不得超过装设处电网的额定电压。也即满足：和按短路电流进行校验：包含两方面。一是热稳定的校验；因为电气设备运行时可能会由于流过短路电流电流而造成的过热效应，引起部件设备温度升高。对此必须加以限制，因此要用到此校验。即满足，也可写为其中：---电气设备允许通过的热效应，单位.---短路电流热效应---电气设备的额定热稳定电流---热稳定时间，以s为单位---稳态短路电流二是动稳定校验：任何元件都有其可承受的机械强度。需要用到动稳定校验去校验设备承受的力效应。即满足条件：其中---额定运行时动稳定电流的有效值---冲击电流有效值。5.2断路器选择在不同电压侧采用不同的断路器并依据上边所述进行设备校验。（1）馈线断路器选择与校验：本方案中500kV侧采用通常使用的LW13-500型断路器，根据前边最大持续电流计算与断路器自身参数比较如表5-1所示：表5-1馈线高压侧断路器校验表所用断路器计算结果比较结果额定电压=500kV实际工作电压500kV√额定电流=2000A√开断电流=40kA√额定关合电流√热稳定的校验热稳定电流=20kA，短路第一个周期周期分量热稳定时间经计算满足也即满足：动稳定校验：63kA220kV侧采用LW15-220型断路器，同前边500kV侧列表5-2所示：表5-2馈线中压侧断路器校验表所用断路器计算结果比较结果额定电压=220kV实际工作电压220kV√额定电流=2500A√开断电流=40kA√额定关合电流=100kA√热稳定的校验热稳定电流=40kA(4s)，短路第一个周期周期分量热稳定=（3.4+0.025）s〉1s经计算满足也即满足：动稳定校验：100kA35kV侧采用LW8-35型断路器，列写表格比较如下：表5-3馈线低压侧校验表所用断路器计算结果比较结果额定电压35kV实际工作电压35kV√额定电流1600A√开断电流40kA√额定关合电流3kA√热稳定的校验热稳定电流，短路第一个周期周期分量热稳定时间=（3.4+0.025）s〉1s经计算满足也即满足：动稳定校验：63kA（2）主变压器断路器选择与校验主变压器高压侧选取与500kV馈线型号相同的LW13-500型断路器。列写比较表格如下：表5-4变压器高压侧断路器校验表所用断路器计算结果比较结果额定电压500kV实际工作电压500kV√额定电流000A√开断电流40kA√额定关合电流√热稳定的校验热稳定电流=20kA，短路第一个周期周期分量热稳定时间=（3+0.029）s〉1s经计算满足也即满足：5.3隔离开关选择隔离开关主要是用来和断路器相互配合，校验类似于断路器，不同的是由于隔离开关没有灭弧装置，因此不能带电进行拉闸合闸操作，也就不需要进行开断和关合能力校验，具体校验如下500kV侧：此处选用GW10-500DW型隔离开关，进行校验如5-5所示：表5-5高压侧隔离开关参数所用隔离开关计算结果比较结果额定电压=500kV实际工作电压500kV√额定电流=2500A√热稳定校验如下：=20kA，短路第一个周期周期分量热稳定时间=（3+0.029）s〉1s经计算满足也即满足：动稳定校验：63kA冲击电流2.75kA也满足条件。在220kV侧和35kV侧校验同于500kV侧，分别选择型号为GW6-220D和GW5-35型隔离开关，并经过比对校验合格。5.4互感器选择包括电压互感器和电流互感器两部分。互感器的主要作用是实现大电流、高电压向小电流和低电压的变换，变换的目的是为了获得回路信息，并传递给二次侧的测量与检测设备。电压互感器选择：500kV侧（包含母线和馈线）：采用电容式电压互感器，其一次侧的额定电压为500Kv;220kV侧也采用电容式电压互感器，其额定电压为220kV；35kV侧采用油浸绝缘结构式的电压互感器，其一次侧的额定电压为35kV。所用电压互感器具体列写如表5-6所示：表5-6所用电压互感器参数位置型号额定变比500kV侧JDQX8-500ZHD220kV侧JCC—22035kV侧JDJ-35电流互感器选择：500kV侧采用型号为LBF-500W2型，将其参数与前边电流计算比较并列写如表5-7所示：表5-7高压侧所用电流互感器校验LBF-500W2计算结果比较结果额定电压=500kV实际工作电压500kV√一次额定电流=750A√动稳定电流125kA√热稳定校验：对LB2-500W2型=3s时，热稳定电流为50kA经计算也即满足：因此符合要求。同样的对于220kV一侧：选用型号为LCW-220型互感器。表5-8中压侧电流互感器校验LBF-500W2计算结果比较结果额定电压=220kV实际工作电压500kV√一次额定电流=1250A√动稳定电流125kA√热校验：对LBF-500W2型=3s时，热稳定电流为50kA经计算满足也即满足：因此符合要求。在35kV一侧选用LCW-35型互感器。校验同于500kV侧和220kV侧，经计算比对，合格。在220kV和35kV处母联电流互感器的选择和变压器中压侧与低压侧选择相同，采用相同的方法步骤校验合格。5.5母线及架空线路选择（1）由前边计算可知，500kV、220Kv、35kV母线的最大持续工作电流为271.7A、308.7A、729.7A。各级所用母线如表5-9所示表5-9所选母线参数等级侧型号导体截面最高允许温度高压侧LGJ－4×300273850A中压侧LGJQ-800/1001402A低压侧LGJ-70钢芯9602650A对于500kV侧最大长时负荷电流（此处取分配系数为0.8，穿墙套管轴心距0.25m）为：×850A＞271.7A符合要求动稳定校验：母线所受最大电动力最大弯矩为水平放置母线抗弯矩=4.2×短路时最大应力为符合要求导体截面热稳定校验：设定假想时间为热稳定系数C=89求得最小的热稳定截面为：=176＜273，满足要求，故热稳定满足对于中压侧和低压侧，校验方法同于500kV侧。（2）架空线路选择500kV最大输送容量1000MVA，两回路，每回分配500MVA。导线的截面按照经济电流密度来进行选取。查课本经济电流密度为。并由此计算得到，选取线路参数如表4-6：表5-10500kV架空线路参数型号截面股数、股径计算外径安全电流直流电阻LGJ－4×300分裂导线400铝钢28840A0.08Ω/kM（20℃）220kV和35Kv分别采用LGJ-630/45和LGJ-800/100型。6变电站与线路防雷保护在雷电天气变电站设备和线路可能会因为受到雷电冲击波I的袭击发生故障，而这是不允许的，因此需要加设防雷装置。防雷分为两部分，一是对直击雷的防护，即要加装避雷针，当雷击作用发生时为了防止避雷针可能向被防护装置放电，避雷针与被防护的装置之间应留有一定的距离，空气距离与被防护物上距离避雷针最近的一点（设为A点）决定，即有式反击距离应该满足。另一部分是对于雷电入侵波的防护，主要装置是阀式避雷器，阀式避雷器分为两种，普通阀式和磁通阀式对于超过330kV的变电站采取FCD即变电所型。对于雷电波的防护。一是设置一定距离的避雷线，这是非理想状况下因为雷电冲击波沿导线传输时会产生损耗，以此来消弱冲击波的幅值与陡度，进线长度的计算如下：（km）其中U表示行波初始幅值，表示此进线段距离地面的垂直高度.查阅相关资料选择避雷器如表4-6所示：表6-1避雷器选择额定电压避雷器型号（kV）(kA)35kVFZ-35350220kVFZ-220J1200-1400500kVFCZ-500J2060-3010总结这次的毕业设计主要来说完成了来那个大块的内容。一是主接线选取，从重要性、可靠性与经济性综合考虑并结合从课本学到的知识，确定了主接线的方式。即高压侧采用一台半断路器接线方式；中压侧采取加了旁路母线的双母线接线方式；低压侧采用双母线接线。二是选取各种高压设备。这是按照正常时安全可靠，故障时流过短路电流设备不致损坏的原则选取的，因此进行了最大持续电流和短路电流计算，并由此为根据选取了设备并进行了校验。500kV变电站在国民生产中占据重要地位，高压、大容量、高效率是以后的发展趋势。实现大规模跨区输电和新能源发电并网、推动智能电网建设是解决和完善电能供应的重要内容，作为连接不同电压等级的重要纽带，研究如何使500kV变电站更加稳定的运行具有重要的意义。致谢经过几个月的努力，终于能够顺利的完成整个大学四年的最后一项作业。回顾这几个月首先最应该感谢的是邵锐老师。作为一名教学任务繁重的专业课教师，不仅在这么长的时间里每周都定时悉心指导我们的作业，提出指导意见，而且时时关注着我们的进度，对于不懂的地方以及每一个细节都详细讲解，对于整个毕业设计的完成给予了巨大的帮助，她严谨的教学态度和耐心的指导使我受益匪浅。还有我身边的同学们，尽管不是一个题目或者相似的内容，遇到问题大家也都会一起探讨研究。由于我自己过去几年的专业课学习不踏实，结果遇到很多不懂的问题，还有作图方面遇到的问题等等这些都得到了周围一大帮同学的无私帮助。完成这次毕业设计，大学生活也就基本上宣告结束，无论是生活上还是学习上都学到了很多东西。即将离开校园踏上新的旅程，我一定会铭记老师们的教诲，无论在哪里都会虚心做人、踏踏实实做事将自己所学回报国家和社会。参考文献[2]唐涛，诸伟楠，杨仪松等，发电厂与变电站自动化技术及其运用.北京：中国电力出版社，2005[3]张惠刚，变电站