220kV变电所电气一次系统设计

华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）0220kV 变电所电气一次系统设计摘要本设计是根据 2014 年华北电力大学函授毕业设计（论文）任务书要求进行编写，介绍了变电站设计的基本知识，包括设计原则、设计步骤和计算方法等。本设计分为四部分：设计说明书、短路电流计算书、设备表和图纸；设计说明书主要对设计的原则、要求及具体的方法以文本的形式来表达，是本设计的主要理论来源和设计基础，短路电流计算书通过对设计中涉及的各级电流的计算过程、方法等给以直观的数值分析，设计以220kV 变电站电气一次系统的设计为主线，将电力系统分析、发电厂变电站电气设备、高电压技术等相关课程中的内容联系起来，介绍了电力系统主接线设计、电力网络计算、短路计算及防雷接地的设计等内容，力求反映电力系统一次系统的设计、设备的选择等相关领域的知识。关键词：变电站、主变压器、电气主接线、电气设备、防雷接地。华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1目录摘要 .11 主变及站用变容量、型号和台数的选择 .41.1 概述 .41.2 主变压器台数的选择 .41.3 主变压器容量的选择 .41.3.1 变电站负荷计算 .51.3.2 变电站主变及站用变容量的确定 .51.4 主变压器型式的选择 .51.4.1 主变压器相数的选择 .51.4.2 绕组数的选择 .51.4.3 主变调压方式的选择 .61.4.4 联接组别的选择 .71.4.5 容量比的选择 .71.4.6 主变压器冷却方式的选择 .72 电气主接线选择 .82.1 概述 .82.2 主接线的接线方式选择 .92.3 主接线方式的比较选择 .102.4 变电站自用电接线设计 .122.4.1 对站用电源的要求 .122.4.2 站用电源的引接 .122.4.3 站用电接线及供电方式 .122.4.4 变电站的自用电接线 .123 短路电流计算 .123.1 概述 .123.2 短路电流计算的目的及假设 .133.2.1 短路电流计算的目的 .133.2.2 短路电流计算的一般规定 .133.2.3 短路计算基本假设 .133.2.4 基准值计算 .143.3 短路电流计算的步骤 .144 主要电气设备的选择 .154.1 一般原则 .154.2 技术条件 .154.3 校验的一般原则 .164.4 高压开关电器的选择 .164.5 隔离开关的选择 .174.6 互感器的选择 .174.6.1 电流互感器的选择 .184.6.2 电压互感器的选择 .194.7 导体的选择和校验 .194.7.1 导体材料、类型和布置方式 .19华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）24.7.2 导体截面选择 .204.7.3 电晕电压校验 .204.7.4 热稳定校验 .204.7.5 硬导体的动稳定校验 .205 屋内外配电装置设计 .215.1 概述 .215.2 屋内配电装置的特点 .215.3 屋外配电装置的特点 .215.4 成套配电装置的特点 .215.5 配电装置的选用 .226 防雷及接地系统设计 .236.1 雷电过电压的形成与危害 .236.2 电气设备的防雷保护 .236.3 避雷针保护范围计算及避雷器的保护配置 .236.3.1 避雷针的保护范围 .236.3.2 防雷保护的校验 .246.3.3 避雷器 .256.3.4 安全保护接地 .266.3.5 避雷器的选择与配置 .266.3.6 避雷器参数 .276.4 接地设计 .276.4.1 接地设计的原则 .276.4.2 接地网型式选择及优劣分析 .287 总平面布置设计 .287.1 变电所的总平面布置规定 .287.2 本变电站的电气设备布置 .298 设计计算书 .308.1 短路电流计算 .308.2 主要电气设备的选择 .328.2.1 各回路最大持续工作电流的计算 .328.2.2 断路器和隔离开关的选择与校验 .338.2.3 电流互感器的选择及校验 .368.2.4 电压互感器的选择及校验 .388.2.5 导体的选择和校验 .398.2.6 避雷器的选择 .42变电站主体设备型号表 .43致谢 .44参考文献 .45华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）31 主变及站用变容量、型号和台数的选择1.1 概述在各级电压等级的变电所中，变压器是变电所中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，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，否则，将造成经济技术上的不合理。如果主变压器容量造的过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。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，要根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选择主变压器。1.2 主变压器台数的选择由原始资料可知，本次所设计的变电所是 220kV 降压变电所，它是以 220kV 受功率为主。把所受的功率通过主变传输至 110kV 及 10kV 母线上。若全所停电后，将引起下一级变电所与地区电网瓦解，影响供电，因此选择主变台数时，要确保供电的可靠性。根据DLT 5218-2005 220kV500kV 变电所设计技术规程为了保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台主变压器。当装设三台及三台以上时，变电所的可靠性虽然有所提高，但接线网络较复杂，且投资增大，同时增大了占用面积，和配电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闸操作等许多复杂化。而且会造成中压侧短路容量过大，不宜选择轻型设备。考虑到两台主变同时发生故障机率较小。适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担 70%的负荷保证全变电所的正常供电。故选择两台主变压器互为备用，提高供电的可靠性。根据DLT 5155-2002 220kV500kV 变电所所用电设计技术规程规定对于220kV 变电站：有两台及以上主变压器时，宜从主变压器低压侧分别引接两台容量相同、互为备用、分列运行的占用工作变压器，每台工作变压器按全站计算负荷选择。1.3 主变压器容量的选择主变容量一般按变电所建成近期负荷，510 年规划负荷选择，并适当考虑远期1020 年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，该所负荷已给定，所以应按总负荷来选择主变的容量，根据变电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，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对于 220kV500kV华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）4的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的 70%。1.3.1 变电站负荷计算要选择主变压器的容量，确定变压器各出线侧的最大持续工作电流。首先必须要计算各侧的负荷，包括 10kV 侧负荷和 110kV 侧负荷。负荷容量可由以下公式得出： maxcosPS式中 最大负荷容量（ MVA） ；maxS最大负荷（ MW） ；P功率因数。cos因此根据原始资料各侧负荷情况可得（1）10kV 侧负荷容量为： max1023.5cos.8kVPSMVA（2）110kV 侧负荷容量为： ax1001.s.9kV所以变电所总负荷为： 1023.54.75kVSVA总1.3.2 变电站主变及站用变容量的确定由以上对变电站负荷的计算可得变电站的两台主变每台主变容量为： 70%.14750.310TSMVAk总站用电负荷一般按总负荷的 2%3%考虑，因此站用变压器容量为： 2.2.47.5站 总故选两台 120000kVA 的主变压器及两台 1600kVA 的站用变压器就可以满足负荷要求。1.4 主变压器型式的选择1.4.1 主变压器相数的选择当不受运输条件限制时，在 330kV 以下的变电所均应选择三相变压器。而选择主变压器的相数时，应根据原始资料以及设计变电所的实际情况来选择。单相变压器组，相对来讲投资大，占地多，运行损耗大，同时配电装置以及断电保护和二次接线的复杂化，也增加了维护及倒闸操作的工作量。本次设计的变电所为 220kV 降压变电所，故选用三相变压器。华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）51.4.2 绕组数的选择在具有三种电压等级的变电所，如通过主变压器的各侧绕组的功率均达到该变压器容量的 15%以上，或低压侧虽无负荷，但在变电所内需装设无功补偿设备，主变宜采用三绕组变压器。一台三绕组变压器的价格及所用的控制和辅助设备，比相对的两台双绕组变压器都较少，而且本次所设计的变电所具有三种电压等级，考虑到运行维护和操作的工作量及占地面积等因素，该所选择三绕组变压器。在生产及制造中三绕组变压器有：自耦变、分裂变以及普通三绕组变压器。自耦变压器，它的短路阻抗较小，系统发生短路时，短路电流增大，以及干扰继电保护和通讯，并且它的最大传输功率受到串联绕组容量限制，自耦变压器，具有磁的联系外，还有电的联系，所以，当高压侧发生过电压时，它有可能通过串联绕组进入公共绕组，使其它绝缘受到危害，如果在中压侧电网发生过电压波时，它同样进入串联绕组，产生很高的感应过电压。由于自耦变压器高压侧与中压侧有电的联系，有共同的接地中性点，并直接接地。因此自耦变压器的零序保护的装设与普通变压器不同。自耦变压器，高中压侧的零序电流保护，应接于各侧套管电流互感器组成零序电流过滤器上。由于本次所设计的变电所所需装设两台变压器并列运行。电网电压波动范围较大，如果选择自耦变压器，其两台自耦变压器的高、中压侧都需直接接地，这样就会影响调度的灵活性和零序保护的可靠性。而自耦变压器的变化较小，由原始资料可知，该所的电压波动为8%，故不选择自耦变压器。分裂变压器：分裂变压器约比同容量的普通变压器贵 20%，分裂变压器，虽然它的短路阻抗较大，当低压侧绕组产生接地故障时，很大的电流向一侧绕组流去，在分裂变压器铁芯中失去磁势平衡，在轴向上产生巨大的短路机械应力。分裂变压器中对两端低压母线供电时，如果两端负荷不相等，两端母线上的电压也不相等，损耗也就增大，所以分裂变压器适用两端供电负荷均衡，又需限制短路电流的供电系统。由于本次所设计的变电所，受功率端的负荷大小不等，而且电压波动范围大，故不选择分裂变压器。普通三绕组变压器：价格上在自耦变压器和分裂变压器中间，安装以及调试灵活，满足各种继电保护的需求。又能满足调度的灵活性，它还分为无激磁调压和有载调压两种，这样它能满足各个系统中的电压波动。它的供电可靠性也高。所以，本次设计的变电所，选择普通三绕组变压器。1.4.3 主变调压方式的选择为了满足用户的用电质量和供电的可靠性，220kV 及以上网络电压应符合以下标准：枢纽变电所二次侧母线的运行电压控制水平应根据枢纽变电所的位置及电网电压降而定，可为电网额定电压的 11.3 倍，在日负荷最大、最小的情况下，其运行电压控华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）6制在水平的波动范围不超过 10%，事故后不应低于电网额定电压的 95%。电网任一点的运行电压，在任何情况下严禁超过电网最高电压，变电所一次侧母线的运行电压正常情况下不应低于电网额定电压的 95%100%。调压方式分为两种，不带电切换，称为无励磁调压，调整范围通常在5%以内，另一种是带负荷切换称为有载调压，调整范围可达 30%。对于 220kV 及以上的降压变压器，仅在电网电压有较大变化的情况下使用有载调压，一般均采用无励磁调压。因本设计中系统 220kV 母线电压满足常调压要求，故选择无励磁调压就能满足要求。1.4.4 联接组别的选择变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。连接方式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方式只有星形“Y”和三角形“D”两种，因此，变压器三相绕组的连接方式应根据具体工程来确定，我国 110kV 及以上电压，变压器三相绕组都采用“YN”连接；35kV 都采用“Y”连接，其中性点多通过消弧线圈接地；35kV 以下电压，变压器三相绕组都采用“D”连接。若变压器低压侧电压等级为 380/220V，则三相绕组采用“yn0”连接。所以本变电站主变绕组连接方式为：220kV 侧“YN” ；110kV 侧“YN” ；10kV 侧“D” ；在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制 3 次谐波对电网的影响等因素，主变压器联结组别一般都选用 YNd11 常规接线；再因500、330、220、110kV 均系中性点直接接地系统，10kV 为中性点不接地系统，所以本变电站主变绕组联接组别应选为：YNyn0d11。站用变压器绕组联接组别为：Dyn0。1.4.5 容量比的选择由原始资料负荷情况可知，110kV 侧所供负荷远比而 10kV 侧所供负荷大，所以容量比选择为：100/100/50。1.4.6 主变压器冷却方式的选择主变压器一般采用的冷却方式有：自然风冷却，油浸风冷却、强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却。自然风冷却：一般只适用于小容量变压器。油浸风冷却：油浸风冷却是在散热器空挡内装上电风扇，增加散热效果。采用这种冷却方式的变压器一般容量在 1000kVA 以上。强迫油循环风冷却：当变压器容量达 100000kVA 时，常采用这种冷却方式。强迫油循环水冷却：这种冷却方式虽然散热效率高，节约材料减少变压器本体尺寸等优点。但是它要有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）7因此，本次设计的主变压器冷却方式采用强迫油循环风冷却。最终选择主变及站用变参数如下：表 1-1 主变选择三相三绕组强迫油循环风冷无励磁调压变压器，其参数如下表：额定电压（kV）阻抗电压（%）型号额定容量（kVA）高压 中压 低压空载损耗（kW）负载损耗（kW）空载电流（%）高中高低中低联结组标号SFPS11-120000/220120000/120000/6000022022.5%115 10.5 85 410 0.49 13 23 8YNyn0d11表 1-2 站用变选择 S9 系列三相油侵铜绕组变压器，其参数如下表：额定电压（kV） 损耗（kW）额定容量（kVA）高压 低压联接组标号 空载 负载阻抗电压（%）空载电流（%）1600 10.5 0.4 Dyn0 2.4 14.5 4.5 0.62 电气主接线选择2.1 概述主接线是变电所电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系。我国变电所设计技术规程SDJ2-79 规定：变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求，便于扩建。一、可靠性：安全可靠是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。1、主接线可靠性的具体要求：（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电；（2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对一级负荷全部和大部分二级负荷的供电；华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）8（3）尽量避免变电所全部停运的可靠性。二、灵活性：主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。（1）为了调度的目的，可以灵活地操作，投入或切除某些变压器及线路，调配电源和负荷能够满足系统在事故运行方式，检修方式以及特殊运行方式下的调度要求；（2）为了检修的目的：可以方便地停运断路器，母线及继电保护设备，进行安全检修，而不致影响电力网的运行或停止对用户的供电；（3）为了扩建的目的：可以容易地从初期过渡到其最终接线，使在扩建过渡时，无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。三、经济性：主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。（1）投资省：主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备的投资，要能使控制保护不过复杂，以利于运行并节约二次设备和控制电缆投资；要能限制短路电流，以便选择价格合理的电气设备或轻型电器；在终端或分支变电所推广采用质量可靠的简单电器；（2）占地面积小，主接线要为配电装置布置创造条件，以节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。在不受运输条件许可，都采用三相变压器，以简化布置。（3）电能损失少：经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量，避免两次变压而增加电能损失。2.2 主接线的接线方式选择电气主接线是根据电力系统和变电所具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线路多时（一般超过四回）为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰、运行方便，有利于安装和扩建。而本所各电压等级进出线均超过四回，采用有母线连接。1、单母线接线：单母线接线虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配电装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，才能恢复非故障段的供电，并且电压等级越高，所接的回路数越少，一般只适用于一台主变压器。单母接线适用于：110200kV 配电装置的出线回路数不超过两回，3563kV，配电装置的出线回路数不超过 3 回，610kV 配电装置的出线回路数不超过 5 回，才采用单母线接线方式，故不选择单母接线。2、单母分段：用断路器，把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路；有两个电源供电。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。但是，一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该华 北 电 力 大 学 成 人 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）9段母线的回路都要在检修期间内停电，而出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越，扩建时需向两个方向均衡扩建，单母分段适用于：110kV220kV 配电装置的出线回路数为 34 回，3563kV 配电装置的出线回路数为 48 回，610kV 配电装置出线为 6 回及以上，则采用单母分段接线。3、单母分段带旁路母线：这种接线方式：适用于进出线不多、容量不大的中小型电压等级为 35110kV 的变电所较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。4、桥形接线：当只有两台变压器和两条输电线路时，采用桥式接线，所用断路器数目最少，它可分为内桥和外桥接线