2、220kv变电所设计

1、220降压变电所电气一次部分设计摘要 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

2、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”，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

3、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

4、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2.1 主变压器台数容、量和形式的确定计算220kV侧通过主变向110kV侧输送功率220kV侧通过主变向10kV侧输送功率 主变压器输送的最大容量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：5622330.739.356MVA。220kV变电所常用的单台主变容量为20、31.5、40MVA。由此可选择两台容量为40MVA的主变。2

5、.2 I、II级负荷校验110kV侧I、II级负荷10kV侧I、II级负荷I、II级总负荷I、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。表2.1 主变压器的参数型号SFSZ10-40000/220联接组标号YN，yn0，d11空载电流%1.1空载损耗(kW)65短路损耗(

6、kW)210额定电压(KV)高压中压低压22081.25%12121.25%10.5额定容量MVA404020阻抗电压高中高低中低14248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 主接线比较选择由设计任务书给定的负荷情况：220kV出线4回，110kV出线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。图3.1 方案一主接线图图3.2 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侧双

7、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242097110kV侧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121455合计36341412方案一二接线故障停电范围比较220kV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线故障1-316.7%-50%350%母联断路器故障4-566.7%-83.3%6100%方案一二接线故障停电范围比较110kV侧表3.3 两方案110kV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

8、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4100%4100%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，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。110kV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110kV侧方案一较合理。10kV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，

9、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，确定方案一。方案图接线图见图3.1。4 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

10、时，需以各种短路时的短路电流为依据。按接地装置的设计，也需用短路电流。4.2 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：有名值： =Id*计算短路容量，短路电流冲击值。短路容量：S=短路电流冲击值：=2.55I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 =100MVA，UB为各级电压平均值（230kV，115kV，10.5kV），线路阻抗取0.4/km。短

11、路点分别选取变电站的三级电压汇流母线：220kVd1，110kVd2，10kVd3。 系统化简图4.1 系统初步化简图图4.2 Y型变三角形图图4.3 变电所系统完整图 三相短路时各侧短路电流计算1）220kV侧短路电流计算 图4.4 220kV侧短路电流图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，当不计周期分量的衰减时，短路电流全电流最大有效值。当不计周期分量衰减时，短路电流冲击电流化为有名值为：2）110kV侧短路电流计算图4.5 110kV侧短路电流图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，当不计周期分量的衰减时，

12、短路电流全电流最大有效值当不计周期分量衰减时，短路电流冲击电流化为有名值：3）10kV侧短路电流计算图4.6 10kV侧短路电流图则短路电流标幺值为：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，当不计周期分量的衰减时，短路电流全电流最大有效值。当不计周期分量衰减时，短路电流冲击电流化为有名值为综上计算可得出短路电流汇总表, 表4.1。表4.1 短路电流计算汇总表短路点的编号基准电压（kV）基准电流（kA）额定电流In（kA）短路电流标么值I*短路电流有名值IkA稳态短路电流标么值稳态短路电流标有名值短路电流冲击值 (kA)短路全电流最大有效值 (kA)短路容量

13、S( MVA)表达式平均值I* 2.55I1.51I220kV2300.250.2550.512.550.512.53219.14979.511kV1150.50.55.22.65.22.66.73.9517.910kV10.55.55.52.312.72.312.732.519.82315 变电所电气设备的选择5.1 断路器选择220kV侧断路器1）额定电压选择：2）额定电流选择：考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以相应回路的，即：=3）按开断电流选择：=12.5kA,即12.5kA4）按短路开断电流选择：=32kA,即32kA根据以上数据可以初步选择LW23252型SF6断路器

14、其参数如下：额定电压220kV，最高工作电压252kV，额定电流1250A，额定开断电流40kA，短路关合电流100kA，动稳定电流峰值100kA，4s热稳定电流40kA，合闸时间0.1s，全开断时间0.06s。5）校验热稳定，取后备保护为2s，则：=0.06+2=2.06（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= 1.8s=1.8（s）（kA2s）（kA2s）即满足要求；(kA)40(kA)满足要求。6）检验动稳定：=32(kA)3）热稳定校验导体校验一般采用主保护时间 即=0.05s=0.06+0.05=0.11（s）因为1s，故要考虑非周期分量，查周期分量等值时间

15、曲线表：=0.15s=0.05=0.05s=0.15+0.05=0.2（s）=12.52(0.15+0.05)=31.25（kA2s）4）运行时导体最高温度=40+(70-40)(220/537)2=455）查表得C=97，满足短路时发热的最小导体截面小于所选导体截面S =244mm2即能满足要求6）动稳定校验取相间距离a=3m，绝缘子跨距L=1.5m电动力最大弯矩=满足要求。7）按电晕电压校验,即：2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220kV，主

16、要负荷在110kV侧和10kv侧，即可装设两套过电流保护，一套装在中压侧110kV侧并装设方向元件，电源侧220kV侧装设一套，并设有两个时限和，时限设定原侧为t，用一台变压器切除三侧全部断路器。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。保护的动作电流应该躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即 取5（A）式中：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1.3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的）取1.2，用于过负荷保护时取1.051.1；：接线系数，接于相电流时取1，接于相电流差

17、时取。：过负荷系数，一般取23，当无自起动电动机时取1.31.5。：电流互感器变比。：高压侧额定电流。则一次侧保护装置的动作电流为： 保护装置的灵敏系数为： 所以保护装置的动作时限取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：保护装置的动作电流应躲过变压器的额定电流：220kV侧 110kV侧10kV侧 保护装置的动作时间一般定为915s。图6.5过负荷保护接线原理图变压器的零序过流保护对于大接地电流的电

18、力变压器，一般应装设零序电流保护，用作变压器主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护，一般变电所内只有部分变压器中性点接地运行，因此，每台变压器上需要装设两套零序电流保护，一套用于中性点接地运行方式，另一套用于中性点不接地运行方式。图6.6零序电流保护接线原理图7 变压器保护的二次回7.1 本所交流二次电压回路交流二次电压回路如图变压器保护交流电压回路 所示。图中各电压小母线来自各级电压互感器，供给变压器的测量和保护装置。例如，110kV侧的电压小母线A630,B630,C630和A640,B640,C640。分别来自电压互感器TV1和TV2的A,B,C三相。按设计规程规定，电压互感器按母

19、线分段来分别设置，即每段母线连接一台电压互感器。在这里使用了两台电压互感器，说明母线分为两段或是双母系统。对220kV和110kV侧情况也是如此。在双母线和母线分段的系统中，二次电压回路应与一次回路的运行情况相匹配，即当第一组母线运行时，二次电压回路应由第一组母线上的电压互感器供电，否则，当母线联络断路器分断时，第二组母线停运，二次电压回路将失去电源；即使当第二组母线由其他电源供电也在运行，使由于一次系统与二次系统不对应，会造成计量仪表不准，且会使有关继电器保护和自动装置误动或拒动。为此二次电压回路能在上述情况下自动切换，一般将该一次回路本身的隔离开关的辅助触点串接在二次电压回路中。图中KMA

20、1KMA4为隔离开关辅助触点所动的中间继电器触点。在户外配电装置中常用这种方式，这是因为户外配电装置隔离开关的运行条件差，其辅助触点可靠性也较差，为了提高可靠性，常把两个辅助触点并联起来去启动一个或两个中间继电器，再把中间继电器的触点串入二次回路。图7.1 电压回路图。7.2 本所主控回路主控回路包括三组断路器的控制回路，其一为，220kV侧的QF1，分相操作，但在变压器中仍为联动控制.其二为110kV侧的QF2，液压操动；其三为，10kV侧QF3,为了实现三相同时手动跳、合闸，三相共用一个控制开关SA1,增加了手动合闸继电KMC和手动跳闸继电器KTC，以增加触点数目。当操作SA1进行跳、合闸

21、时KTC或KMC首先动作，然后，由它们的接点去接通各相的跳、合线圈。KMC为电压启动电流自保持中间继电器，每相合闸回路都有其串联自保持电流线圈，1KTB/A1KTB/C的自保持回路，故KTC以保持合闸可靠性。各相跳闸回路中由于有防跳继电器未采用电流自保护线圈。因为三相联动，所以继保装置的跳闸脉冲与SA1并联。QF1和QF2所不同的是QF2取消了KTM和KMC。这是因为其三相由一个合、跳闸线圈控制。因为其为液压操动，增加了液压监视回路，图中KP1为压力表接点，其在液压低于10.78MPa是自动合闸。KP2在液压高于24.5MPa闭合。使中间继KAM电器励磁，接通信时闭合，使中间继电器时闭合，压力

22、表接点在液压低于号回路压力表接点KP4低于在液压低于12.5MPa时断开，以闭锁合闸回路。QF2的油泵电机控制回路中，为接触器，为热继电器，为行程开关。当压力低于16.66MPa时，ST1接通，电机启动，储油。当压力升至16.66MPa当压力低于时，ST1虽然开断，但因ST2为零油压闭锁，当油压突然降至0时，为防止因油泵启动造成断路器缓慢跳闸而设置的保护环节KAM的常闭延时断开触点是当液压低于10.78MPa或高于24.5MPa，在预告报警的同时，延时跳开油泵电机。因为这种情况说明液压系统有故障。QF3控制回路QF1与QF2控制回路基本相同。图7.2 控制回路图7.3 本所信号回路信号回路包括

23、预告信号回路、事故信号回路、保护回路预告信号和断路器机构的预告信号。信号。图7.3 信号回路图8 防雷保护规划设计8.1 防雷保护的设计变电所的雷击害来自两个方面，一是雷直击变电所，二是雷击输电线路后产生的雷电波沿线路向变电所侵入，对直击雷的保护，一般采用避雷针和避雷线，使所有设备都处于避雷针（线）的保护范围之内，此外还应采取措施，防止雷击避雷针时不致发生反击。对侵入波的防护主要措施是变电所内装设阀型避雷器，以限制侵入变电所的雷电波的幅值，防止设备上的过电压不超过其中击耐压值，同时在距变电所适当距离内装设可靠的进线保护。避雷针的作用：将雷电流吸引到其本身并安全地将雷电流引入大地，从而保护设备，

24、避雷针必须高于被保护物体，可根据不同情况或装设在配电构架上，或独立装设，避雷线主要用于保护线路，一般不用于保护变电所。避雷器是专门用以限制过电压的一种电气设备，它实质是一个放电器，与被保护的电气设备并联，当作用电压超过一定幅值时，避雷器先放电，限制了过电压，保护了其它电气设备。8.2 避雷针的设计由原始资料可知本所建在城市郊区，周围没有自然的接地建筑物。考虑到本所设计的规模为中型变电所，占地面积较大，因为地势比较平坦，所以本所平面图形应该是建成近似正方形。设计一针、两针和三针避雷针不太适宜。可以设计四针避雷保护。其设计概图见图8.1： 图 8.1变电所四针保护图8.3 避雷器选择计算8.3.1

25、 220kV避雷器选择计算避雷器的灭弧电压：避雷器的工频放电电压： 直接接地110220kV，=3避雷器的残压：避雷器的冲击放电电压：根据以上计算数据选取FZ-220J型阀型避雷器能满足要求。8.3.2 110kV避雷器选择计算避雷器的灭弧电压：避雷器的工频放电电压： 直接接地110220KV，=3避雷器的残压：避雷器的冲击放电电压：根据以上计算数据选取FZ-110J型阀型避雷器能满足要求。8.3.3 10kV避雷器选择计算避雷器的灭弧电压：避雷器的工频放电电压：避雷器的残压： 避雷器的冲击放电电压： 根据以上计算数据选取FZ-10型阀型避雷器能满足要求。具体数据见表8.1。表8.1 各级电压

26、等级避雷器参数如下表型号额定电压有效值kV灭弧电压kV工频放电电压有效值kV冲击放电电压峰值(1.5/20s及1.5/40s)不大于kV8/20s雷电冲击波残压峰值不大于kV不小于不大于5kV10kVFZ-220J220200448536620652715FZ-110J110100224268326326358FZ-101012.72631454550由于本次所设计选择变压器为分级绝缘，即220KV中性点绝缘等级为110KV，110中性点绝缘等级为35kv，所以220kv中性点应与中性点绝缘等级相同的避雷器，故220KV中性点装设FZ-110，110中性点装设FZ-40避雷器。9 高压配电装置

27、设计9.1 电气总平面布置9.1.1 电气总平面布置的要求充分利用地形，方便运输、运行、监视和巡视等。出线布局合理、布置力求紧凑，尽量缩短设备之间的连线。符合外部条件，安全距离要符合要求。9.1.2 电气总平面布置本变电所主要由屋外配电装置，主变压器、主控制室及10kV屋内配电装置和辅助设施构成，屋外配电装置在整个变电所布置中占主导地位，占地面积大，本所有220kV、110kV各电压等级集中布置，将220kV配电装置布置在北侧，110kV配电装置布置在西侧，这样各配电装置位置与出线方向相对应，可以保证出线顺畅，避免出线交叉跨越，两台主变位于电压等级配电中间，以便于高中低压侧引线的连接，便于运行

28、人员监视控制，主控制楼布置在10kV屋内配电装置并排在南侧，有利于监视220kV配电装置及主变压器。220kV高压配电装置采用屋外普通中型布置，断路器单列布置，中间共有8个间隔，每个间隔宽度为14米，近期出线5个间隔。母联断路器间隔，电压互感器和避雷器共占一个间隔。110kV高压配电装置110kV同样采用屋外普通中型单列布置，它共有6个间隔，近期出线2个间隔，远期没有，每台主变进线各占一个间隔，电感互感器及避雷器各占一个间隔，母联断路器和旁路断路器各占一个间隔，每个间隔宽度为8米。10 结论本设计按预定要求完成了变压器的选择、短路电流的计算、一次设备及导线的选择与校验、变压器保护及变电所的防雷

29、降压变电所的设计的重要内容。通过此次毕业设计，使我更进一步学习和了解了这四年来在大学所学习的知识，有了一个整体的把握。更重要的是在设计过程中让我懂得了脚踏实地，实事求是的学习态度、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。参 考 文 献1 丁毓山等主编.中小型变电所实用设计手册M.北京:中国水利水电出版社,2005.52 何首贤等主编.供配电技术M.北京:中国水利水电出版社,20053 谷水清主编.电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社,20054 杜文学主编.电力工程M.北京:中国电力出版社,20065 宋继成著.220-500KV变电所电气接线设备M.北京：中国电力出版社,20

30、046 江日洪等主编.发、变电所防雷保护及应用实例M.北京:中国电力出版社,20057 刘笙主编电气工程基础（上、下册）M北京：科学出版社，20028 An American National IEEE Guide for of shunt Capacitor Banks American: ANSI IEEE C379919809 Miller JEReactivepowerControlin ElectricPowerSystemJohnWiley&Sons，198210 Song Y H&John A TFlexible actransmissionSystems(FACTS)IEEPo

31、werand Energy Series 30T J International Ltd Padstow corwall，1999Design of the 220 KV step-down substationChen Qiang Instructor：Fang Chong qiuAbstract Substation of the power system voltage and current power to transform is the concentration and distribution of places. In order to ensure the quality of energy security as well as equipment in the substation needs to be carried out in voltage regulator, flow control, as well as the main transmission and distribution lines and electrical equipment protection. With the rapid growth of Chinas economy, Chinas agricultural and industries are rapid