220kv变电站电气主接线系统设计－－优秀毕业设计.doc

220kv 变电站电气主接线系统设计 i 摘 要 本说明书以220kv地区变电站设计为例，论述了电力系统工程中变电站部分电气 设计（一次部分）的全过程。通过对变电站的主接线设计，站用电接线设计，短路电 流计算，电气设备动、热稳定校验，主要电气设备型号及参数的确定，运行方式分析， 防雷及过电压保护装置的设计，电气总平面及配电装置断面设计和无功补偿方案设计， 较为详细地完成了电力系统中变电站设计。 限于毕业设计的具体要求和设计时间的限制，本毕业设计只对变电站电气一次部 分做了较为详细的理论设计，而对其电气二次部分并没有涉及，这有待于在今后的学 习和工作中进行研究。 关键词：变电站 短路电流 动稳定 热稳定 过电压保护装置 无功补偿 220kv 变电站电气主接线系统设计 ii abstract the statement about the 220kv transformer area substation design, discussed some electrical transformer stations design (one part) in power systems engineering of the entire process. through the main transformer stations wiring design, stations wiring design stations, short circuit current calculations, check electrical equipment moving and thermal stability, set the main electrical equipment models and the parameters, the operating mode, design over- voltage protection and mine devices , design general electric graphic and distribution devices flood, and without power compensation. lastly,completed substation design in power system. limited to the specific design requirements and design time of constraints, the design only is a part of the electrical transformer stations, and its second part did not involve, which research it in future study and work. key words: substation, short circuit currents , moving stability，thermal stability，over-voltage protection devices，without power compensation 220kv 变电站电气主接线系统设计 iii 目 录 摘摘 要要 i i abstractabstract iiii 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 第第 2 2 章章 . .主接线设计主接线设计 2 2 2.1 电气主接线的一般要求.2 2.2 主接线选择的主要原则.3 2.3 主接线方案设计.3 2.3.1 方案拟定及技术比较 3 2.3.2 方案的经济性比较 5 2.3.4 主变的选择.9 2. 3. 4. 1 选择原则9 2.3.4.2 容量计算10 本章小结本章小结 1111 第第 3 3 章章 站用电接线及设备用电源接线方案站用电接线及设备用电源接线方案 1212 3.1 所用电源数量及容量 .12 3.2 所用电源引接方式12 3.3 所用变压器低压侧接线 .12 3.4 所站用电接线13 3.5 备用电源13 本章小结本章小结 1414 第第 4 4 章章 短路计算短路计算 1515 4.1 短路故障产生的原因15 4.2 短路故障的危害 .16 4.3 短路电流计算的目的 .16 4.4 短路电流计算的内容17 4.5 短路电流计算方法 .17 4.6 三相短路电流周期分量起始值的计算18 4.6.1 短路电流计算的基准值18 4.6.2 网络模型18 4.6.3 三相短路电流周期分量起始值的计算步骤18 本章小结本章小结 2222 第第 5 5 章章 设备的选择及动、热稳定校验设备的选择及动、热稳定校验 2323 5.1.按正常工作条件选择电气设备 .23 5.2.按短路状态校验 .24 5.3 断路器、隔离开关的选择原则 .25 5.4.互感器的选择 .28 220kv 变电站电气主接线系统设计 iv 5.4.1 电流互感器的选择28 5.4.2 电压互感器的选择 .30 5.4.3 熔断器的选择 .30 5.4.4 所设备如下表31 5.5.5.5.裸导体的选择裸导体的选择 3333 5.5.1 一般要求: .33 5.5.2 导体的选择34 5.5.3 截面的选择 .34 5.6.运行方式分析 .37 本章小结本章小结 3838 第第 6 6 章章 配电装置配电装置 3939 6.1 配电装置的基本要求:.39 6.2 配电装置的类型及特点39 6.3 配电装置的设计原则40 6.4 配电装置设计的基本步骤 .41 6.5 配电装置的选用41 6.6 电气总平面布置43 本章小结本章小结 4343 第第 7 7 章章 防雷及过电压保护装置设计防雷及过电压保护装置设计 4444 7.1 避雷针44 7.2 避雷器45 7.3 防雷接地46 7.4 变电所的防雷保护47 7.5 变电所的进线段保护48 7.6 接地装置 .48 本章小结本章小结 4848 第第 8 8 章章 无功补偿无功补偿 4949 8.1 提高功率因数的意义 .49 8.2 补偿装置的确定： .49 8.3 功补偿容量计算50 8.3.1 补偿的最大容性无功量计算50 8.3.2 变压器补偿的最大的容性无功量51 本章小结本章小结 5353 第第 5 5 章章 结束语结束语 5454 致致 谢谢 5555 参考文献参考文献 5656 附录附录 5757 220kv 变电站电气主接线系统设计 1 第 1 章 引言 电力工业是国民经济的重要部门之一，它是负责把自然界提供的能源转换为供人 们直接使用的电能的产业。它即为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提 供不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。电力是工业的先行。 电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。 我国具有极其丰富的能源。这些优越的自然条件为我国电力工业的发展提供了良 好的物质基础。但是，旧中国的电力工业落后，无法将其利用。不过，随着改革开放 的深入发展，我国电力工业的发展很快。到 2000 年，我国电力工业已跃升世界第 2 位， 电力工业的发展为我国的国民经济的高速发展做出了巨大的贡献。不仅如此，目前我 国的电力工业已开始进入“大电网” 、 “大机组” 、 “超高压交、直流输电”等新技术发 展的新阶段，一些世界水平的先进的高新技术，已在我国电力系统中得到了相应的应 用。 但是，随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电力工 业的发展仍不能满足整个社会发展的需要，未能很好起到先行的作用，仅以 2004 年夏 季的供电负荷高峰期为例，全国预计总共缺电 3000 万 kw 左右，有 24 个省区都先后出 现拉闸限电的的情况，这样的局面预期还要过 23 年才可能得到较好的解决 。 另外，由于我国人口众多，由此在按人口平均用电方面，迄今不仅仍远远落后于 一些发达国家，即使在发展中国家中，也只处于中等水平，尚不及全世界平均人口用 电量的一半。因而，要实现在 21 世纪初全面建设小康社会的要求，我国的电力工业必 须持续、稳步地大力发展，一方面是要大力加强电源建设，搞好“西电东送” ，以确保 电力先行，另一方面，要继续深化电力体制改革，实施厂网分开、竞价上网，并建立 起符合社会主义市场经济法则的、规范的电力市场。 展望未来，我们坚信，在新世纪中，中国的电力工业必须持续、高速地发展，取 得更加辉煌的成就。 220kv 变电站电气主接线系统设计 2 第 2 章 .主接线设计 电所电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出一种 与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。变电所的电气主接线是电力系统 接线的重要部分，它表明变电所内的变压器、各电压等级的线路 、无功补偿设备以最 优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电所内各种电气设备之间的连接方 式。 电气主接线的设计与所在电力系统及所采用的设备密切相关。随着电力系统的不 断发展、新技术的采用、电气设备的可靠性不断提高 ，设计主接线的观念也应与时俱 进、不断创新。 变电所电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出一 种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。变电所的电气主接线是电力系 统接线的重要组成部分。它表明变电所内的变压器、各电压等级的线路、无功补偿设 备最优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电所内各种电气设备之间的连 接方式。一个变电所的电气主接线包括高压侧、中压侧、低压侧以及变压器的接线。 因各侧所接的系统情况不同，进出线回路数不同，其接线方式也不同。 2.1 电气主接线的一般要求 1）应按电源情况、负荷性质、容量大小及邻近变配电所联系等因素确定主接线型 式。力求简单可靠，维护方便，使用灵活，便于发展。 2）架空进线避雷器设在靠近变压器的架空进线处；电缆进线的避雷器设在进线开 关后的母线上。 3）一段母线设一组电压互感器。当分段的单母线在正常运行时不为分段，亦可仅 设一组电压互感器。 4）设在母线上的电压互感器及避雷器可合用一组隔离开关。 5）按电业局要求必须设置高压计费时，则必须在计费处装设电流互感器及电压互 220kv 变电站电气主接线系统设计 3 感器专柜。 6）在所以进出线回路上按指示计量、继电保护的要求装设电流互感器。 7）单电源的主接线，可以仅在断路器靠电源侧、装设隔离开关或隔离触头。 8） 在电源进线上应装设带电指示装置。若采用真空断路器时，为防止操作过电 压，应在供电变压器的 1035kv 线路上装设阻容吸收器或氧化锌避雷器。 另外，对电气主接线还要求可靠性、灵活性、经济性，这三者是一个综合概念， 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。例如，系统中 的超高压、大容量枢纽变电所，因停电会对系统和用户造成的损失较小，故对其主接 线的经济性就特别重视。 2.2 主接线选择的主要原则 1）变电所主接线要与变电所在系统中的地位、作用相适应。根据变电所在系统 中的地位，作用确定对主接线的可靠性、灵活性和经济性的要求。 2）变电所主接线的选择应考虑电网安全稳定运行的要求，还应满足电网出故障 时应处理的要求。 3）各种配置接线的选择，要考虑该配置所在的变电所性质，电压等级、进出线 回路数、采用的设备情况，供电负荷的重要性和本地区的运行习惯等因素。 4）近期接线与远景接线相结合，方便接线的过程。 5）在确定变电所主接线时要进行技术经济比较。 2.3 主接线方案设计 2.3.1 方案拟定及技术比较 方案220kv110kv35kv主变台数 方案一双母线双母线单母线分段 2 220kv 变电站电气主接线系统设计 4 方案二3/2 接线双母线分段双母线 2 1）单母线分段 优点: 母线经断路器分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两 个供电电源;一段母线故障时(或检修),仅停故障(或检修)段工作,非故障段仍可继续 工作. 缺点:当一段母线或母线隔离开关故障或检修时,接在该段母线上的电源和出 线,在检修期间必须全部停电;任一回路的断路器检修时,该回路必须停止工作. 通过该接线优缺点的分析,可见,方案一中 35kv 采用此接线方式，其优点是当 一母线发生故障时,分段断路器能自动把故障切除,保证正常段母线不间断供电和不 至于造成用户停电;缺点是当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时,接在该母线 上的回路都要在检修期间停电,所以,该接线方式对于 35kv 侧可以考虑.另一方面是 考虑到地区性一般变电所对经济性的考虑. 2）双母线接线 优点:供电可靠,可以轮流检修一组母线而不致使供电中断,一组母线故障后，能 迅速恢复供电;调度灵活;扩建方便. 缺点:接线复杂,设备多,母线故障有短时停电. 通过该接线优缺点的分析,可见,在方案一和方案二中的应用此接线方式,主要是 因为它对供电可靠性的保证.即是说,当一母线故障或检修的时候，由母联断路器向 另一母线充电,直到完成母线转换过后，在断开母联断路器,使原工作母线退出运行. 缺点是当母线故障或检修的时候,会有短时停电.但是对于方案中的用户侧是可以考 虑的. 3)3/2 接线 优点:高度可靠性，调度运行灵活，操作检修方便.任一母线故障或检修,均不导致停 电. 缺点:造价高，而二次控制复杂 220kv 变电站电气主接线系统设计 5 通过对该接线优缺点的分析，可见，在方案二中采用该种接线方式，主要是为了 提高供电的可靠性.但此类接线造价比较高，所以，一般只在大容量变电站中使用. 从上述的比较可以看出,三种接线从技术的角度来看主要的区别是在可靠性上，双 母线比单母线可靠性高，3/2 接线比双母线的可靠性更高.但对于 220kv 地区性变电站 来说，双母线接线的可靠性已能达到要求,且地区性变电站主要是要求经济性.所以,确定 选择第一种接线方案. 在方案中，由于远期投入是 3 台主变,近期只要 2 台.所以,对第 3 台的设计,主要的 区别在 35kv 侧,此时,第 3 台主变接在 35kv 的母线断路器上,这种接线的目的是为了减 小投资.现在从技术的角度来讨论，当 35kv 母线故障或检修时,3 号主变可以从另一母 线向负荷供电.可见，它并不影响单母线接线的工作方式，所以，这种接线方式对 35kv 侧是可以考虑的. 2.3.2 方案的经济性比较 1）从电气设备的数目及配电装置上进行比较 方 案 项 目 方案一方案二 220kv 配电装置双母线3/2 接线 110kv 配电装置双母线双母线 35kv 配电装置单母线分段双母线 主变台数22 220kv913 110kv 1416 断路器的 数目 35kv 1512 220kv2326 110kv3434 隔 离开关 的数目 35kv1627 220kv 变电站电气主接线系统设计 6 2）计算综合投资 z （1） z(1) (元) 0 z100a 式中: 为主体设备的综合投资,包括变压器高压断路器高压隔离开关及配 0 z 电装置等设备的中和投资; a 为不明显的附加费用比例系数,一般 220 取 70,110 取 90. （2）主体设备的综合投资如下 主变 主变容量 mva每台主变的参考价格(万元/台)变压器的投资(万元) 240820 28201640 220kv 侧型断路器220 6 sw 每台断路器的参数价格 (万元/台) 方案一断路器投资 (万元) 方案二断路器的投资 (万元) 105 9105945131051365 220kv 侧型隔离开关80 1000 220 4 d gw 每台隔离开关的参数价格(万元 /台) 方案一隔离开关投资 (万元) 方案二隔离开关的投资 (万元) 5.5 235.5126.5265.5143 110kv 侧型断路器 110 6 sw 每台断路器的参数价格 (万元/台) 方案一断路器投资 (万元) 方案二断路器的投资 (万元) 65 146591016651040 110kv 侧型隔离开关110 4 gw 220kv 变电站电气主接线系统设计 7 每台隔离开关的参数价格(万元 /台) 方案一隔离开关投资 (万元) 方案二隔离开关的投资 (万元) 2.5 342.585342.585 35 侧型断路器35 2 sw 每台断路器的参数价格 (万元/台) 方案一断路器投资 (万元) 方案二断路器的投资 (万元) 30 15304501230360 35 侧型隔离开关ggw35 5 每台隔离开关的参数价格(万元 /台) 方案一隔离开关投资 (万元) 方案二隔离开关的投资 (万元) 1.7 161.727.2271.745.9 配电装置 接线方式单母分段双母线3/2 接线双母分段 投资(万元)56094025001200 综合投资 方案一 方案二 主体设备总 投资 (万元) 2820945126.59 0 z 108545027.256094 05683.7 28201365143104085 0 z 36045.9120025009409318.9 综合投资 (万元) z(1) 0 z100a 5683.7（10.7） 9662.3 z(1) 0 z100a 9318.9（10.7）15842.13 (3)计算年运行费用 u uaa(万元) 1 u 2 u 220kv 变电站电气主接线系统设计 8 式中: 检修、维护费,一般取(0.0220.042)z 1 u 折旧费,一般取(0.050.058) 2 u a 电能电价,一般可取 0.1 元/kwh a变压器电能损失(kwh) 三绕组变压器 an(k)t(k)(k) 0 p 0 q n 1 k p 1k q1 max1 k p2 k q2 (k) max2 k p3 k q3 max3 式中: n台数,t三绕组变压器的年运行小时数,k无功经济当量,系统中的变 压器取 0.1 分别为三绕组变压器的空载有功损耗和空载无功损耗 kw 0 p 0 q 分别为三绕组变压器一二三侧绕组的有功损耗 k p 1k p2 k p3 kw 分别为三绕组变压器一二三侧绕组的无功损耗 k q1 k q2 k q3 kvar 分别为三绕组变压器一二三侧绕组最大负荷损耗 max1 max2 max3 时间 h 主变的参数如下表： 阻抗电压%空载损 耗 负载损 耗 高中高低中低 13572012-1422-247-9 0.924002160 0 q 0 i 100 n s 220kv 变电站电气主接线系统设计 9k q1 1 u 100 n s 124002400 k q2 2 u 100 n s 9240021600 k q3 3 u 100 n s t6500, 650045004000 max1 max2 max3 n(k)t(k)(k)a 0 p 0 q n 1 k p 1k q1 max1 k p2 k q2 (k) max2 k p3 k q3 max3 40200000 kwh 方案一与方案二的年运行费用： 方案一：aa0.1z4020000966.24020966.2 万元 1 u 方案二：aa0.1z40200001584.2134021584.2 万元 2 u （4）方案的确定 技术的比较：单母线分段接线简单，控制简单，有利于变电站的运行。双 母线接线可靠性较高，能满足 220kv 变电站。所以，选择方案一 经济的比较：，方案一投资少，且能满足技术的要求。所以，从 1 u 2 u 运行费用的角度考虑，选择方案一。 2.3.4 主变的选择 变电站主变容量，一般应按 510 年规划负荷来选择。根据城市规划、负荷性 质，电网结构等综合考虑确定其容量。对重要变电站，应考虑当 1 台变压器停运时， 其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足一类及二类负荷的供电。对一 般性变电站，当 1 台主变压器停运时，其余变压器容量，其余，变压器容量应满足全 部负荷的 60%70%。 220kv 变电站电气主接线系统设计 10 2.3.4.1 选择原则 1） 相数 容量为 300mw 及以下机组单元接线的变压器和 330kv 及以下电力系统中，一般 都应选用三相变压器。因为单相变压器组相对投资大，占地多，运行损耗也较大。同 时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。 2）绕组数与结构 电力变压器按每相的绕组数为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构 分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。 在一发电厂或变电站中采用三绕组变压器一般不多于 3 台，以免由于增加了中 压侧引线的构架，造成布置的复杂和困难。 3）绕组接线组别 变压器三绕组的接线组别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有星形“y”和三角形“d” 。 在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列以要求限制 3 次谐波对电 源等因素。根据以上原则，主变一般是 y，d11 常规接线。 4）调压方式 为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内，通过主变的 分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数。从而改变其变比，实现电压调整。切换 方式有两种：一种是不带电切换，称为无激磁调压。另一种是带负荷切换，称为有载 调压。 通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压。因为可以通过调节发电机励磁来实 现调节电压，对于 220kv 及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况时使 用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况定。 5）冷却方式 电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫 220kv 变电站电气主接线系统设计 11 风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。 2.3.4.2 容量计算 本系统中有 110kv 和 35kv 两个负荷等级，其最大负荷为 200mw，cos=0.85，和 70mw，cos=0.8 200/0.85+70/0.8322.8（mva） 总 s 需要选择的变压器容量 s0.7322.8225.96（mva） 选用三绕组变压器，查手册，选出的设备如下表： sfps7 型 220kv 级三相三圈无载调压变压器 阻抗电压%额定 容量 mva 容量比电压比组别空载 损耗 负载 损耗 高中高低中低 240100/100/50 24222.5%/ 121/38.5 yn，yn，d 11 13572012-1422-247-9 本章小结 本章先从大的方面介绍了电气主接线设计的基本要求和主接线的基本接线形 式，然后根据要求提出了两个设计方案，最后从技术和经济的角度对两个方案进行了 比较，得出本系统所需的主接线形式。 220kv 变电站电气主接线系统设计 12 第 3 章 站用电接线及设备用电源接线方案 3.1 所用电源数量及容量 1) 枢纽变电所总容量为 60mva 及以上的变电所装有水冷却或强迫油循环冷却 的主变压器以及装有同步调相机的边点所，均装设两台所用变压器. 采用整流操作电源或无人值班的变电所,装设两台所用变压器,分别接在不同等级 的电源或独立电源上. 如果能够从变电所外引入可靠的 380v 备用电源，上述变电所可以只装设一台所用 变压器. 2) 500kv 变电所装设两个工作电源.当主变压器为两台时,可以分别接在每一台主 变压器的第三绕组上。两台所用变压器的容量应相等,并按全所计算负荷来选择.当建 设初期只有一台主变压器时,可只接一台工作变压器. 3) 当设有备用所用变压器时,一般均装设备用电源自动投入装置. 3.2 所用电源引接方式 1) 当所内有较低电压母线时,一般均由这类母线上引接 12 个所用电源,这一所 用电源引接方式具有经济和可靠性较高的特点。如能由不同电压等级的母线上可分别 引接两个电源,则更可保证所用电的不间断供电.当有旁路母线时,可将一台所用变压器 通过旁路隔离开关接到旁路母线上。正常运行时,则倒换到旁路上供电. 2) 由主变压器第三绕组引接,所用变压器高压侧要选用大断流容量的开关设备， 否则要加装限流电抗器。 3) 由于低压网络故障机会较多,从所外电源引接所用电源可靠性较低.有些工程保 220kv 变电站电气主接线系统设计 13 留了施工时架设的临时线路，多用于只有一台主变压器或一段低压母线时的过度阶段. 500kv 变电所多由附近的发电厂或变电所引接专用线作为所用电源. 3.3 所用变压器低压侧接线 所用电系统采用 380/220v 中性点直接接地的三相四线制,动力与照明合用一个电 源. 1) 所用变压器低压侧多采用单母线接线方式.当有两台所用变压器时,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. 2) 500kv 变电所设置不间供电装置，向通讯设备交流事故照明及监控计算机等 负荷供电,其余负荷都允许停电一定时间,故可不装设失压启动的备用电源自投装置,避 免备用电源投合在故障母线上扩大为全所停电事故. 3) 具备条件时,调相机专用负荷优先采用由所用变压器低压侧直接支接供电的方 式. 3.4 所站用电接线 站用电接线应按照运行、检修和施工的要求，考虑全厂发展规划，积极慎重地 采用成熟的新技术和新设备，使设计达到经济合理、技术先进、安全、经济地运行。 变电站的站用电源，是保证正常运行的基本电源。通常不少于两个。其引接方 式有两种：一种是从母线侧引入，另一种是从主变低压侧引入。本站由于没有具体说 明，因此采用通过断路器和隔离开关从低压侧引入。 本站是用两台 500kva 变压器接入，为此，查手册，选出站变，如下表： 型号高压 kv低压 kv组别空载损耗负载损耗空载电流 a s7500/35350.4 y，yn0 1.087.701.9 3.5 备用电源 站用备用电源用于工作电源因事故或检修而失电时替代工作电源，起后备作用。 220kv 变电站电气主接线系统设计 14 备用电源应具有独立性和足够的容量，最好能与电力系统紧密联系，在全厂停电情况 下仍能从系统取得备用电源。 备用分为名备用和暗备用。本站是地区性变电所。所以，采用暗备用的方式， 两台变压器相互备用，当一台退出运行时，由另一台承担负荷。 本章小结 所用电是比较重要的负荷，其电能重要取自电站本身，它的安全运行一定程度上 影响着整个变电站的安全运行。为此，我们应谨细的考虑。在本章中重要论述了变电 站站用电的电源的选择、引接线及备用电源的设计。 220kv 变电站电气主接线系统设计 15 第 4 章 短路计算 计算短路电流的目的主要是 为了选择断路器等电气设备或对这些设备提出技术要 求；评价确定网络方案，研究限制短路电流措施；为继电保护设计与调试提供依据； 分析计算送电线路对通讯网络设施的影响等。 在电力系统设计中，短路电流的计算应按远景规划水平年来考虑，远景规划水平 年一般取工程建成后 510 年中的某一年。计算内容为系统在最大运行方式时，个枢 纽点的三相短路电流。 4.1 短路故障产生的原因 工业与民用建筑中正常的生产经营办公等活动以及人民的正常生活，都要求供 电系统保证持续安全可靠地运行.但是由于各种原因，系统会经常出现故障，使正 常运行状态遭到破坏。 短路是系统常见的严重故障。所谓短路，就是系统中各种类型不正常的相与相 之间或地与相之间的短接。系统发生短路的原因很多，主要有 ： 1）设备原因 电气设备、元件的损坏。如：设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常 运行时被击穿短路；以及设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路的 功能。 2）自然原因 气候恶劣，由于大风、低温、导线覆冰引起架空线倒杆断线；因遭受直击雷或 220kv 变电站电气主接线系统设计 16 雷电感应，设备过电压，绝缘被击穿等。 3）人为原因 工作人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作 规程带接地刀闸合闸，造成金属性短路；人为疏忽接错线造成短路或运行管理不善造 成小动物带电设备内形成短路事故等。 4.2 短路故障的危害 供电系统发生短路后，电路阻抗比正常运行时阻抗小很多，短路电流通常超过正 常工作电流几十倍直至数百倍以上，它会带来以下严重后果： 1）短路电流的热效应 巨大的短路电流通过导体，短时间内产生很大热量，形成很高温度，极易造成设 备过热而损坏。 2）短路电流的电动力效应 由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的电动力。如果电动力过大或 设备结构强度不够，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，使事故进一步扩大。 3） 短路系统电压下降 短路造成系统电压突然下降，对用户带来很大影响。例如，异步电动机的电磁 转矩与端电压平方成正比。同时电压降低能造成照明负荷诸如电灯突然变暗及一些气 体放电灯的熄灭等，影响正常的工作、生活和学习。 4）不对称短路的磁效应 当系统发生不对称短路时，不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻 近的电路内能感应出很大的电动势。 5）短路时的停电事故 短路时会造成停电事故，给国民经济带来损失。并且短路越靠近电源，停电波 及范围越大。 220kv 变电站电气主接线系统设计 17 6）破坏系统稳定造成系统瓦解 短路可能造成的最严重的后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步，破坏 系统稳定，最终造成系统瓦解，形成地区性或区域性大面积停电。 4.3 短路电流计算的目的 1）电主接线比选 短路电流计算可为不同方案进行技术经济比较，并为确定是否采取限制短路电 流措施等提供依据。 2）选择导体和电器 如选择断路器、隔离开关、熔断器、互感器等。其中包括计算三相短路冲击电 流、冲击电流有效值以校验电气设备动力稳定，计算三相短路电流稳态有效值用以校 验电气设备及载流导体的热稳定性，计算三相短路容量以校验短路器的遮断能力等。 3）确定中性点接地方式 对于 35kv 、10kv 供配电系统，根据单相短路电流可确定中性点接地方式。 4） 选择继电保护装置和整定计算 在考虑正确、合理地装设保护装置，在校验保护装置灵敏度时，不仅要计算短 路故障支路内的三相短路电流值，还需知道其他支路短路电流分布情况；不仅要算出 最大运行方式下电路可能出现的最大短路电流值，还应计算最小运行方式下可能出现 的最小短路电流值；不仅要计算三相短路电流而且也要计算两相短路电流或根据需要 计算单相接地电流等。 4.4 短路电流计算的内容 1） 短路点的选取：各级电压母线、各级线路末端。 2） 短路时间的确定：根据电气设备选择和继电保护整定的需要，确定计算短路 电流的时间。 3） 短路电流的计算：最大运行方式下最大短路电流；最小运行方式下最小短路 220kv 变电站电气主接线系统设计 18 电流；各级电压中性点不接地系统的单相短路电流。计算的具体项目及其计算条件， 取决于计算短路电流的目的 。 4.5 短路电流计算方法 供配电系统某处发生短路时，要算出短路电流必须首先计算出短路点到电源的回 路总阻抗值。电路元件电气参数的计算有两种方法：标幺值法和有名值法。 1）标幺值法 标幺制是一种相对单位制，标幺值是一个无单位的量，为任一参数对其基准值 的比值。标幺值法，就是将电路元件各参数均用标幺值表示。由于电力系统有多个电 压等级的网络组成，采用标幺值法，可以省去不同电压等级间电气参量的折算。在电 压系统中宜采用标幺值法进行短路电流计算。 2） 有名值法 有名值法就是以实际有名单位给出电路元件参数。这种方法通常用于 1kv 以下 低压供电系统短路电流的计算。 4.6 三相短路电流周期分量起始值的计算 4.6.1 短路电流计算的基准值 短路电流的计算通常采用近似标幺值计算。取=100mw，各级基准电压为平 b s 均额定电压。 4.6.2 网络模型 计算短路电流对所用的网络模型为简化模型，即：忽略负荷电流；不计各元件 的电阻，也不计送电线路的电纳及变压器的导纳；发电机用次暂态电抗表示，并认为 发电机电势模值标幺制为 1，相角为 0。 4.6.3 三相短路电流周期分量起始值的计算步骤 1）计算各元件参数标幺值，作出等值电路 220kv 变电站电气主接线系统设计 19 前已选出了主变压器（三绕组） ，其阻抗电压百分比，如下表： 绕组高中高低中低 阻抗电压% 1214222479 计算每个绕组的短路电压百分数： （）（13238）14% 1s v 2 1 % )21( s v% )13( s v% )32( s v 2 1 （）（13823）-1% 2s v 2 1 % )21( s v% )32( s v% )13( s v 2 1 （）（82313）9% 3s v 2 1 % )32( s v% )13( s v% )21( s v 2 1 取=100mva，=计算变压器各绕组的标幺值 b s b u av u 0.0583 11t x 100 % 1s v 240 100 100 14 240 100 -0.0042 21t x 100 % 2s v 240 100 100 1 240 100 0.0375 31t x 100 % 3s v 240 100 100 9 240 100 由于一期工程，只有两台主变运行。所以，只需考虑 2 台变压器。 2 变的参数与 1 变的参数一致。 做出等值电路图： 220kv 变电站电气主接线系统设计 20 e“ xt1-1 t2-1x (f-1) x x x x t1-2 t1-3 t2-2 t2-3 (f-2) (f-3) x 2）当（f-1）点（220kv 母线）发生短路时的计算 55.6 f i x e 018. 0 1 有名值：55.655.614（ka） f i av b u s 3 3 100 230 1 冲击电流：142.5535.7（ka） im i 2im k f i i“f (f-1) e“ x 3）当（f-2）点（110kv 母线）发生短路时的计算 220kv 变电站电气主接线系统设计 21 (f-2) e“ x x x x x x x t2-1 t2-2 t1-1 t1-2 t e“ 0.05830.00420.0541 1t x 2t x 11t x 21t x /0.0271 t x 1t x 2t x 0.0180.0271 1 x x t x 22.17 f i 1 x e 有名值：22.1722.1711.1（ka） f i av b u s 3 1153 100 冲击电流：2.5511.128.3（ka） im i 2im k f i 4）当（f-3）点（35kv 母线）短路计算 220kv 变电站电气主接线系统设计 22 e“ x x x x x x x t2-1 t2-3 t1-1 t1-3 t e“ (f-3) 0.05830.03750.0958 1t x 2t x 11t x 31t x /0.0479 t x 1t x 2t x 0.0180.0479 1 x x t x 15.2 f i 1 x e 有名值：15.215.223.7（ka） f i av b u s 3 373 100 冲击电流：2.5523.760.44（ka） im i 2im k f i 短路电流表 计算参数 短路点 短路电流有 名值 ka 冲击电流 ka 220kv1435.7 110kv11.128.3 220kv 变电站电气主接线系统设计 23 35kv23.760.44 本章小结 本章对变电站系统中的各个电压等级下的母线发生三相短路时，所流过的短路电 流进行了分别计算。这为下步设备选择奠定了基础。 第 5 章 设备的选择及动、热稳定校验 尽管电力系统中各种设备的工作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却是一致的。电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条 件进行选择，并按短路状态来校验人稳定和动稳定。 5.1.按正常工作条件选择电气设备 1）电器选择的一般原则 220kv 变电站电气主接线系统设计 24 （1）应满足正常运行、检修、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）选用的新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。 2）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。因此，在 电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压 不低于装置地点电网额定电压 n u 的条件选择。即 ns u n u ns u 3）额定电流 电气设备的额定电流是在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。应 n i n i 不小于该贿赂在各种合理运行方式下的最大持续工作电流，即： max i n i max i 4）环境条件对设备选择的影响 当电气设备安装地点的环境条件如温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度 和覆水度等超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。 5）机械荷载 所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。 5.2.按短路状态校验 220kv 变电站电气主接线系统设计 25 1）校验的一般原则 （1）电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热校验。校验的短路 电流一般取三相短路时的短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系 统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况 校验。 （2）用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器有限流作用时，可不验算 动稳定。用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。 2）短路热稳定校验 短路电流通过电器时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。满 足热稳定条件。 tit2 k q 式中：短路电流产生的热效应 k q 、t电气设备允许通过的热稳定的电流和时间 t i 3）电动力稳定校验 电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。满足动稳定的条 件为： es i sh i 式中： 短路冲击电流幅值 sh i 电气设备允许通过的动稳定电流幅值 es i 4）短路计算时间 验算热稳定的短路计算时间为继电保护动作时间和相应断路器的全开断时 k t pr t 220kv 变电站电气主接线系统设计 26 间之和，即： br t k t pr t br t 一般取保护装置的后备保护动作时间 pr t 5）绝缘水平 在工作电压和过电压的作用下，电器的内、外绝缘应保证必要的可靠性。 电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确 定。但所选电器的绝缘水平低于国家规定的 标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用 适当的过电压保护设备。 5.3 断路器、隔离开关的选择原则 项目参数 正常工作条件电压电流频率机械荷载 电路稳定性动稳定电流热稳定电流和持续时间 承受过电压能力对地和断口间的绝缘水平泄漏比距 技术条件 操作性能开断电流短路关合电流操作循环操作次数操作相 数分合时间及周期性对过电压的限制某些的开断电 流操作机构 环境环境温度日温差最大风速相对湿度污秽海拔高 度地震强度 环境条件 环境保护噪声电磁干扰 1）种类 采用的灭弧介质可分为油断路器（多油、少油） 、压缩空气断路器、断路器、 6 sf 真空断路器等。选用少油断路器，其特点运行经验丰富，易于维护，噪声低。 2）额定电压和额定电流 220kv 变电站电气主接线系统设计 27 ， n u ns u n i max i 由下式确定: max i max i n max u s 3cosu p n max 3 各母线的最大电流如下表： 母线 110kv35kv220kv max i ka 85 . 0 1103 200 1.23 1.44 8 . 0353 70 1.231.44 220 110 0.845 220 35 式中：，分别为电气设备和电网的额定电压 kv n u ns u ，分别为电气设备的额定电流和电网的最大负荷电流 a n i max i 3）开断电流选择 校验断路器的断流能力,宜取断路器实际开断时间的短路电流,所为校验条件。因此, 高压断路器的额定开断电流，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量，即： nbr i pt i nbr i pt i 4）短路关合电流的选择 为了保证断路器在关合短路电流时的安全断路器的额定关合电流不应小于短 ncl i 路电流最大冲击值，即： sh i ncl i sh i 5）短路热稳定和动稳定校验 220kv 变电站电气主接线系统设计 28 在短路电流过断路器时,产生大量热量,由于来不及向外散发,全部用来加热断路器, 使其温度迅速上升,严重时会使断路器触头焊住,损坏断路器。因此产品标准规定了断路 器的热稳定电流,例如 1s4s 的热稳定电流，其物理意义为:当热稳定电流通过断路器 时,在规定的时间内,断路器各部分温度不会超过国家规定的允许发热温度,保证断路器不 被损坏。 校验： ， tit2 k q es i sh i 当1s 时，可不考虑非周期分量的热效应，只计周期分量。 k t k q 2 pt i p t 式中：短路电流周期分量 pt i 短路电流周期分量发热的等值时间 p t 6）动稳定校验 断路器在闭合状态能承受通过的最大电流峰值,不会因电动力的作用而发生任何 机械损坏。该最大电流峰值称为稳定电流。 es i sh i 7）隔离开关的选择 隔离开关是发电厂和变电站中常用的开关电器。它需与断路器配套使用，但隔离 开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。 隔离开关与断路器相比，项目相同。但由于隔离开关不用来接通和切除短路电流， 故无需进行开断电流和短路关合