220kv降压变电所电气一次部分设计

1、220降压变电所电气一次部分设计电气工程与自动化一班 陈强 指导教师 方重秋摘要变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。为保证电能的质 量以及设备的安全，在变电所中还需进行电压调整、潮流控制以及输配电线路和主要电工设备的保 护。随着我国国民经济的快速增长，我国工业农业用电量在快速的增加。地区负荷也发生了很多的变 化，要求电压等级的差异很多。以往的变电所不能较好的满足用电的需求。因此需要设计一个较适宜的 地区降压变电所以满足需求。在此本所设计为220/110/10三个电压等级。主要对变电所主变压器 容量 台数及形式的选择，三侧短路电流的计算，设备的选择校验，电气主接线方案

2、的确定和继电保护设计 等。在设计过程中提出了多种设计方案进行了供电可靠性和经济性的比较；对设备要求也进行了严格 的各种参数的校验；进行了变压器主保护整定和后备保护的计算；还进行了变压器保护的二次回路设 计；最后设计了保护的规划设计。关键词 电压等级，降压变电所，继电保护，二次回路1绪论近十年来，随着我国国民经济的快速增长，用电也成为制约我国经济发展的重要因素，各地都 在 兴建一系列的用配电装置。变电所的规划、设计与运行的根本任务，是在国家发展计划的统筹规划下， 合理的开发和利用动力资源，用最少的支出（含投资和运行成本）为国民经济各部门与人民生活提供充足、可靠和质量合格的电能。这里所指的“充足”

3、，从国民经济的总体来说，是要求变电所 的供电能力必须能够满足国民经济发展和与其相适应的人民物质和文化生活增长的需要，并留有适当的 备用。变电所由发、送、变、配等不同环节以及相应的通信、安全自动、继电保护和调度自动 化等系统 组成，它的形成和发展，又经历了规划、设计、建设和生产运行等不同阶段。各个环节和 各个阶段都有 各自不同的特点和要求，按照专业划分和任务分工，在有关的专业系统和各个有关阶段，都要制订相应 的专业技术规程和一些技术规定。但现代变电所是一个十分庞大而又高度自动化 的系统，在各个专业 系统之间和各个环节之间，既相互制约又能在一定条件下相互支持和互为补充。为了适应我国国民经 济的快速

4、增长，需要密切结合我国的实际条件，从电力系统的全局着眼，瞻前顾后，需要设计出一系列 的符合我国各个地区的用以供电的变电所，用以协调各专业系统和各阶段 有关的各项工作，以求取得最 佳技术经济的综合效益。2主变压器容量、台数及形式的选择21主变压器台数容、量和形式的确定计算220kV侧通过主变向llOkV侧输送功率piio 42000 0. 05 2. 1MWpnomax 42000 2100 44. 1MWQno pno tan220kV侧通过主变44100 0. 33 14.553MVAR10kV侧输送功率辿 9800 0. 9 8. 2MWp10p100. 05 0. 441MW?10max

5、p10p1088204419. 261MWQ10p lOmaxtan92610. 333. 175MVAR主变压器输送的最大容量Quzio 14533 3175 17. 708MVARSCW CoP 533612 177082根据设计任务书要求，本期采用两台主变，选择容量时应满足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。由此可得单台主变最小容量：Smin =562233X 0.7 =39. 356MVA。220kV变电所常用的单台主变容量为20、31.5、40MVAo由此可选择两台容量为40MVA的主变。2.21 . II级负荷校验 llOkV狈I

6、I、II级负荷p110 pno 0. 65 28. 665MW 10kV侧I、II级负荷10p10 P10 0. 62 5. 742MW I、II级总负荷110 10p p110 p10 34. 409MWQ P tan 34409 0. 33 11. 355MVARs ( P )2 ( Q )23 4 4 092 113 552 3 6. 2 34MVAI、II级总负荷与主变额定容量之比：36234/40000=0.91 这样，全部I、II级负荷为额定容量91%,满足单台主变长期运行要求，符合要求。所以，选择两台容量为40MVA的主变，主变总容量为80MVA2.3变压器的技术参数根据以上条件

7、选择，确定采用中山ABB变压器厂的型号为SFSZ10-40000/220的220kV三绕组有载调压电力变压器，具体参数如表2.1 o表2. 1主变压器的参数型号SFSZ10-40000/220联接组标号YN， ynO, dll空载电流%1. 1空载损耗(kW)65短路损耗(kW)210额定电压(KV)高压中压低压220+8X1.25%121 2X 1.25%10. 5额定容量MVA404020阻抗电压高一中高一低中一低11218型号中个符号表示意义:从左至右S：三相F ：风冷却S :三绕组Z :有载调压10 :设计序列号40000 ：额定容量220：电压等级 3电气主接线的选择3. 1主接线比

8、较选择由设计任务书给定的负荷情况：220kV出线4回，110kV岀线2回，10kV出线12回，该变电站主接线可以采用以下两种方案进行比较。出线4GWt- 220DWLW3 - 22011 i fl(220LW 220LGJ-240母线1Lj1平2LWa- 220 .GW 220DW10kVLW3- 12GWCW1O TOTLW25-LW25- 110ZW12- 12ZW1-12ZW12-12二LW3- 12LGJQ 一 500110kV母线1母线2125*10矩形铝母线GW10 10TLW25- 110LW25- 110.GAA- 110.GW- 110出线2220KV变电所主接线图图3. 1

9、方案一主接线图GW 220DW隔离开关到六个工厂出线到六个工厂出线220kv变电所方案二主接线图图32方案二主接线 图3. 1. 1方案一二比较 两种方案所用主要设备数量对比表3. 1两方案设备比较隔离开关断路器220kV双母线三分段接线双母线接线双母线三分段接线双母线接线侧242097llOkV双母线三分段接线分段断路器兼旁路断路器旁路母线接线双母线接线分段断路器兼旁路断路器旁路母线接线侧121455合计36311112方案一二接线故障停电范围比较220RV侧表3.2两方案220kV侧停电范围比较接线方式双母线三分段双母线接线图图3. 1图3.2故障类型停电回数停电百分比停电回数停电百分比母

10、线故障1316. 7%50%350%母联断路器故障1一566. 7%83. 3%6100%方案一二接线故障停电范围比较llOkV侧表3.3两方案llOkV侧停电范围比较接线方式双母线方式分段短路器兼作旁路断路器旁路母线接线方式接线图图3. 1图3.2故障类型停电回数停电百分比停电回数停电百分比母线故障250%250%母联断路器故障1100%1100%综上所述对方案一二的比较，可知方案一的220kV侧要比方案二220kV侧供电可靠性更高，运 行方式更为灵活。克服了方案二的由于母联断路器检修时造成的全所停电的结果，但是方案一设计 的投 资要比方案二投资高，根据原始资料可知本所为本地区的重要负荷供电

11、，而且为单电源供电系统，综上 所述，方案一要比方案二更合理。11ORV侧两方案的投资差不多，但是方案一的操作更为方便灵活，更利于扩建，所以在11ORV侧方 案一较合理。1ORV侧两方案一样，都是当母线分段接线方式。接线简单清楚，设备少，操作方便简单，易于扩建。重要用户可以用双回线接在不同于母线段保证不间断供电。能够满足供电要求。 方案确定 根据上述对比可以看出，在运行可靠性方面方案一优于方案二，经过综合比较，确定方案方案图接线图见图3. Io4短路电流计算4.1短路计算的目的及假设 在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措 施等，均需进行必要的短路电流

12、计算。 在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。 在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。 在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。按接地装:的设计，也需用短路电流。42短路电流计算的步骤计算各元件电抗标幺值，并折算为同一基准容量下。 给系统制订等值网络图。 选择短路点。 对网络进行化简，把供电系统看为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对 短 路点的电抗标幺值，并计算短路电流标幺值、有名值。标幺值：I dd X di沁 I di =I

13、 d* I j 计算短路容量，短路电流冲击值。短路容量：s= 3 Ucj Icj短路电流冲击值：Icj =2. 551 ? 列出短路电流计算结果。4. 3短路电流具体计算在短路计算的基本假设前提下，选取基准容量Sb二100MVA, Ub为各级电压平均值(230RV,U5kV,10. 5kV ),线路阻抗取 0. 4 Q /km。短路点分别选取变电站的三级电压汇流母线：220kV dl, llOkVd2, 10kVd3。系统化简Xeql0. 11X30.0160.02“X50.019Xeq20. 094lOkV图4. 1系统初步化简图 0.028X*0.15丿X80.124I X910kV图4.

14、2 Y型变三角形10kV1图4.3变电所系统完整图三相短路时各侧短路电流计 算l) 220kV侧短路电流计算图4.4 220kV侧短路电流图-1 1 1dlA 7 Q 1 2R 7只VO vn根据电力工程电气设计手册的相关规定，远离发电厂的地点(变电所)取电流冲击 系数Kch 1. 8 ,当不计周期分量的衰减时，短路电流全电流最大有效值。Ich I di 1 2 (kch l)2 1.51Idi76. 3当不计周期分量衰减时，短路电流冲击电流ichi 2kchl di 2. 551 di 128. 8Sb3iib1003 2300. 25kA化为有名值为:zdl50.5 Ib12. 5kAch

15、i128.8 I32kAxchl76. 3 I b19.lkAsdl3u220 9I d 12) 110kV侧短路电流计算 1Hl50.X8 X9 x4 5图X10 X8 X90.02sios8s10X90. 130. 161,故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间曲线，查得tz二1.8stdz t z =1. 8(S)Qd I2 tdz 12 . 52 1. 8 281. 25 (kAs)Qr I 2rt 4()2 4 6400 (kA2s)w Qr Qd满足要求；Ir I tdz/t 12. 5 1. 8/ 4 8. 38 (kA) 40 (kA)满足要求。6 )检验动稳定：icj idw

16、icj =32 (kA) Qd满足要求动稳定校验：idw =80 ( kA) icj =32 ( kA) idwicj 满足要求故选择LBo-220型电流互感器能满足要求，由计算可列出LBe-220型电流互感器数据如表5.9。表5.9 LB 6- 220型电流互感器数据设备项目LB6 220产品数据计算数据UUe ew220kV220kVzel 1 gmax600A220AQrQd2992. 23kA 2. s2281kA2. sldw 八c j80kA32kA 110kV侧电流互感器选择LB7110W型电流互感器能满足要求，LB 7 110W型电流互感器数据如表5.10。表5-10 LB 7

17、. 110W型电流互感器数据项目设备LBt-IIOW产品数据计算数据V ev ewUOkVllOkV：el1 gmax2X600440A22Qr Qd1225kA s12. 2kA 2. s：dwi CJ89kA6. 7kA 10kV侧电流互感器选择户外LMC10型电流互感器能满足要求，户内LMC 10型电流互感器数据如表5.11 o表5. 11户外LMC10型电流互感器数据设备项目LMC-10产品数据计算数据TJe v ueewlOkVlOkVI el 1 gmax3000A24000AVel 2 2 F tdz250265kA s2290kA2. s21 elsd tj280kA32. 5

18、kA5. 3.2电压互感器的选择 220kV侧电压互感器1）选用JCL 220电压互感器，采用单相串级油浸式全封闭结构，其初级绕组额定电压为220/ 3 kV,次 级绕组额定电压为0. 1/ 3 kV ,二次负荷0.5级为100MVA,其接成220000/ 3 /100/ 3 /100。2) 220RV输电线路侧，电压互感器采用单相电容式电压互感器，其初级绕组额定电压为220/ 3 kV,次绕组额定电压为100/ 3 kV ,二次负荷100MVA,准确级为0.5级，型式为TYD220 3 -0. 0075H。 110kV侧电压互感器1) 选用JCL6 110电压互感器，采用单相串级油浸式全密封

19、结构，其初级绕组额定电压为110/ 3 kV ,次绕组额定电压为0. 1/ 3 kV ,二次负荷0.5级，为100A,其接成11000/ 3 /1000/ 3 /100。2) 其llOkV出线侧采用TYD110/ 3 -0. 01H,单相单柱式，电容式电压互感器，其初级额定电压为110/ 3 KV ,次级额定电压为0. 1/ 3 kV ,二次负荷0. 5级为150MVA。 10kV侧电压互感器10kV母线上电压互感器：采用JSJW-10,单相单柱式，电容式电压互感器，其初级绕组额定电压为0.1 3 kV，次绕组额定电压为二次阻抗为0. 15Q,变比为10000/ 3 /100 3 /100/3

20、。5. 4母线的选择 220kV侧母线的选择短路计算求得：I =12.5 (kA)1)最大负荷持续工作电流I gmax = (2 X Se X 1.05) / ( 3U e) = (2 X40X 1.05) / (3 X220)二220 (A)2)按经济电流密度选择 取J二0.9 (A/mm 2)即：S=I g max /J= 220/0. 9=244(mm2)按以上计算选择和设计任务要求可选择LGJ-400型钢芯铝绞线，其集肤系数K f二1,最高允许温度为 70C,长期允许载流量为610A,即Ig25c =610A,基准坏境温度为+25C, S=240mm2,考虑到坏 境温度的修正系 数：I

21、 y25 c =610X0. 88=537卩0 40V70 253) 热稳定校验导体校验一般采用主保护时间即tb =0. 05s td =I /tkd+ t b =0. 06+0. 05=0. 11(s)1因为tb ls,故要考虑非周期分量，查周期分量等值时间曲线表：tZ=O. 15s/2t fz =0. 05 =0. 05stdz tz tfz =0. 15+0. 05=0. 2 (s)2 2 2Qd I2(tz tfZ) =12.5 (0. 15+0. 05)=31.25 (kA s)4)运行时导体最高温度22T 、2 -/ic丄(rc_二 45 C5)查表得097,满足短路时发热的最小导

22、体截面Smin c tdz kfzI 12 7 3 297 0. 2 1 103 58. 5 (mm-)6)小于所选导体截面S二244mm?即能满足要求动稳定校验取相间距离a=3m,绝缘子跨距L二1. 5m电助Fb 1. 7310iczh88. 7Na.最大弯矩MPL21013. 3p Fbl 88.71. 5590. Id30. 1 (21.28MPWppL210W6=14 10W13. 3P y满足要求。7）按电晕电压校验Ug UoUo 49. 3mim2 lg_3 76mrdm 3 DabDbcDca 3 3 6rd 1.06si 1, m2 0. 92. 859p io 3273 t护

23、 1 & 1031376U o47. 5 lg 47. 5 5. 9 278. 9kV0 1.06即：Ug U 0满足要求选择LGJ-240型钢芯铝绞线能满足要求，由计算可列岀LGJ-240型钢芯铝绞线数据如表5. 12。表5. 12 LGJ-240型钢芯铝绞线数据设备项目LG J- 240产品数据计算数据IKI n-gmax y25 c610A220Assmin2240 mm258. 5 mmUg Uo278. 9kV253kV由以上数据表明，选择LGJ-240型钢芯铝绞线能满足要求 110kV侧主母线选择选择LGJQ- 500型钢芯铝绞线能满足要求，LGJQ-500型钢芯铝绞线数据如表5.

24、13。表5. 13 LGJQ -500型钢芯铝绞线数据设备项目LGJQ-500产品数据计算数据I KI gmax y25 c945A440As s mm2500mm12. 1mmU g Uo112. 5kV126. 5kV由以上计算表明，选择两根LGJQ-500能满足要求。 10kV侧母线选择选择两条125 10矩形铝母线能满足要求，125 10矩形铝母线数据如表5. 14 o表5.14 125 10矩形铝母线数据项目设备125 10矩形铝线产品数据计算数据1 gmax11 y25 c3630A2400AS Smjn22500mm66.2 mm2由以上讣算表叨，选择两根 125 10矩形铝母线

25、能满足要求。6主变压器保护6.1变压器保护具体配置本所变压器容量为40MVA,三个绕组的电压等级为220kV、110kV、10kV llOkV侧为有载调压，10kV侧 直接向用户供电。从图6.1中可以清楚的看出各个电流互感器的安装位置、编号和用途。变压器以差动保护为主保护，该保护装置由TAI、TA6、TA10三个电流互感器的二次电流供电。由于TAI、TA6、TA10都安装在隔离开关的外侧，所以差动保护的范围包括这些隔离开关，当隔离开关发生故障 时，差动保护也将动作。220kV侧装有方向过流和过负荷保护。方向过流保护是以复合电压来启动的，可参在图6. 1的交流二次电 压回路。在这里，加装方向元件

26、的目的是当220RV进线和母线发生短路时，只应切除断 路器QFlo方向过流保 护作为相间短路的后备保护，作用于跳闸，而过负荷保护只作用于信号。同理，110RV侧装有复合电压启动的过流保护和过负荷保护。复合电压启动的过流保护作为110RV线路相 间短路的后备保护作用于跳闸，过负荷保护只作用于信号。220kV侧装有中点零序方向过流保护，llOkV侧装有零序过流保护，其分别由电流互感器TA5、TA13提供二次电流，并分别作为线路接地保护的后备保。在220kV侧加装方向元件的目的，与220kV侧方向过流保护的道理是一致的。10kV侧装有过电流。过负荷保护。过流保护10kV线路的后备保护，作用于跳闸，负

27、荷保护作 用于信号。TAITA2TA3QF1QF2主变差动备用仪表TA6主变差动TA7仪表O()()主变差动TA10QF3丿备用TA12遥测TA11图6.1主变压器保护配置图6. 2主变压器的主保护瓦斯保护对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产 生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器。差动保护KCOKCOKGWS信号至延时电路Rb变压器其他保KGTC2%s XB保护回路可兆1跳闸回路KSWSN-轻气体保护挂牌为复归气体保护直流展开图图6.2瓦斯保护接线原理图和展开图对变压器绕组和引出线上发生故障，以及发生匝间短路时

28、，其保护瞬时动作，跳开各侧 电源断 路器。图6.3差动保护接线原理图主变压器差动保护的整定计算1）变压器各侧额定电流e220ellO3ubSe40.1.732 230 100, 4 A403uBKk(Ki1. 732 115 21Ad乙11. 3(1 0. 1d maxdmax 八 dmax0. 1 0. 05)Mmaxf 1 d maxdmax0. 3751223Amo Se2100A3hr17Q9112) 各侧接线220kV YN , llOkV yn , 10kV dll3）各侧电流互感器二次侧接线220kV , UOkV , lOkV Y4) 各侧电流互感器的计算变比3 1 e220

29、1 73222055353 1 eiio 1. 732 201tio 5570n 3 zeio 1.732 2100 420555) 实际变比meoonnnn220 120 r-1101OH ecGOOA1 cA6)各侧二次电流:e2201 nn a220A OCT A120120110：ell02010.85A240240To 1 nn10elO2 R A士治为毎1 HbV /Rill炸苴2)计算10KV侧的一次动作电流按躲过励磁涌流：Idz.i 1.3 I eb 1. 3 2100 2730A按躲过二次回路断线：Idz.i 1.3 Ieb 1. 3 2100 2730A按躲过外部最大短路不

30、平衡电流：26Kk (Kts f I dmax III dmax III dmax血恥:dz.j 3 - 6. 88A600 600式中 uu变电所高压，中压侧由于改变分接头所引起的相对误差，一般取调压范围的一T, 半。丄T d maxf :, f 黝删整鳗丿莺郭釁槪酬瞬财綁齡流的周期分量。I血切I dmax 外部短路时，相应地流过第，侧电流互感器的周期分量电流。*dz. 1dmax1 1123I dmax最大外部短路电流周期分量。K tsKk-可靠系数，取电流互感器同型系数。1. 3 o乙 1 hK hts fI dmax1. 3(1 0. 1U I JU I 1dmax dmax0. 05

31、)I dmaxf 1 dmaxdmax0. 375 12. 74128A故选择 I dz.1 =4128A3)确定差动继电器的动作电流和基本动作线圈的匝数差动继电器动作电流1 4128方乙 jdz. i 6. 88A石 600Wed基本侧差动线圈的计算匝数，BCH 2的动作安匝为AWo 60 AWo 608. 7 (01)Idz. j 62合符要求。主变压器的后备保护为了反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护 和瓦斯保护的后备，所以需装设过电流保护。而本次所设计的变电所，电源侧为220RV,主要负荷在110RV侧和10kv狈IJ,即可装设两套过电流保护，

32、一套装在中压侧UOkV侧并装设方向元件，电源 侧220RV侧装设一套，并设有两个时限ts和t3 ,时限设定原侧为ts t2 + t ,用一台变压器 三侧全部断路器。1）带时限的过电流保护整定计算：过电流保护采用三相式接线，且保护应装设在电源侧。保护的动作电流Idz- j应该躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即KkK jX sA：arT 1. 3 131m（1051 dz. j0551301 dz . j 式取 5 （ A）中：Kk：可靠系数，用于过电流保护时DL型和GL型继电器分别为1.2和1.3 ,用于电流速断保 护时分别为13和1.5 ,用于低压侧单相接地保护时（在变压器中性线上装设

33、1.2 ,用于过负荷保护时取1.051. 1 ；K jx :接线系数，接于相电流时取1,接于相电流差时取3 oK gh :过负荷系数，一般取23,当无自起动电动机时取131.5 o828m :电流互感器变比。IlrT :高压侧额定电流。则一次侧保护装置的动作电流为:I dz . j “dz 110xdz . jK jx1 dz 10 I dz . j dz . ik jx保护装置的灵敏系数为：0. 866 I d3 min 3) K mllOdzmio0. 866 Id3 min5 12016005 3000(1600( A)A)0. 366 67006000. S66 127001. 51. 53. 7所以保护装置的动作时艮取0. 5s。图6.4过电流保护接线原理图过负荷保护变压器的过负荷电流，大多数情况下都是三相对称的，因此只需装设单相式过负荷保 护，过负荷保护一般经延时动作于信号，而且三绕组变压器各侧过负荷保护均经同一个时间 继电器。1）过负荷保护整定计算：流：1 IrT220kV 侧1 dz j K k K xK hn 1llOkV 侧1 IrTdz j k xK h m10kV 侧1 IrT1 dz.j K k K x K h Hi保护装置的动作电流应躲过变压器的额定电1051. 1( A)1. 0510. 851201.052102.2( A)10.