220kV变配电站的设计

220kV变配电站的设计摘要：变电站作为电力系统中的纽带，通过它来变换电压、分配电能、控制电力的流向，使各级系统联络起来，同时也是系统功率交换的电力设施。本毕业设计是对220kV普通降压变电站一次系统设计的综合讨论。首先是对基本资料的分析，根据220kV变电站设计的基本要求对主变压器容量、台数及形式进行选择。其次对主接线类型的比较来选择变电站最佳电气主接线的设计，然后进行短路电流计算，为设计中需要的高压电气设备的选择、整定及校验等方面做准备，从而进行主要电气设备的校验与选择。最后进行继电保护配置以及防雷保护的设计等。关键字：一次系统；变电站；短路计算一、绪论电力工业作为一种先进的生产力和基础性产业，在推进国民经济的发展和社会进步中起到了承前启下的作用。并与国家经济和社会发展有着紧密的联系，它不仅是关系国家经济、能源安全的战略问题，而且与普通老百姓的日常生活息息相关。随着我国经济能力的大幅提升，对电能的需求量也相应地大幅增加，电力销售市场的份额又刺激了整个电力行业的发展。本次设计的是220kV常规降压变电所，按资料为基本依据，以提出地区供电质量，减少供电损失，满足该地区的负荷增长需要为目的，本着经济、安全的原则进行设计，由于本地人口集中，工业负荷比重较大，以及各种用电较多，此变电站就要求各种配套设备齐全，并考虑到十年规划，从而使变电站的设计更加严密，跟的上时代发展的步伐二、电气主接线设计对与发电厂来说，电气主接线设计接线方式能反映正常和故障情况下的供电情况。（一）电气主接线的基本要求主接线应满足可靠性、灵活性、经济性和发展性等四方面的要求。(1)可靠性。所谓可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断供电。运行实践才是主接线的可靠性的衡量标准。(2)灵活性。电气主接线的设计，在维护时，可以方便地停运断路器，且不影响用户供电。在扩建时，可以以最小的改造量来完成一、二次设备的更替。(3)经济性。体现在投资省、占地面积少、电能损耗少。（二）电气主接线设计结合数据，权衡各种接线方式的优缺点，将各电压等级使用的主接线方式列出：220KV有4回进线，且为降压变电所，有穿越功率，从可靠性和经济性来定，适用的接线方式为单母线接线、单母线分段带旁路接线（因进线数不足5回，装设旁路断路器兼作分段断路器）、双母线接线。据此，拟定主接线方案：电压等级220/110/10kV各电压侧出线回路数:220kV4回接线方案：双母线接线方案主接线图如下：图2-1主接线方案一变电站的主要站用电负荷是变压器冷却装置，直流系统中的充放电装置和晶闸管整流设备，照明、检修及供水和消防系统，小型变电站，大多只装1台站用变压器，从变电站低压母线引进，站用变压器的二次侧为380/220V中性点直接接地的三相四线制系统。对于中型变电站或装设有调相机的变电站，通常都装设2台站用变压器，分别接在变电站低压母线的不同分段上，380V站用电母线采用低压断路器进行分段，并以低压成套配电装置供电。因而本设计两台所用变分别接于10KV母线的Ⅰ段和Ⅱ段，互为备用，平时运行当一台故障时，另一台能够承担变电所的全部负荷。接线图如下所示。图2-2主接线方案二三、主变压器选择（一）主变压器形式选择1.主变压器通常采用三相变压器，如果有制造和运输条件的限制，在220kV的变电站中，是允许采用单相变压器组的，但是要考虑是否装设备用相。如果主变超过一组，并且各组容量保证全站负荷的75%时，则可以不装备用相。2.对系统有调压要求的情况时，要应采用有载调压变压器。对新建的变电站，从网络经济运行的角度分析，要应采用有载调压变压器。对其所额外增加的工程造价，一般在短时间内是可以回收的。3.如果变压器与两个中性点直接接地系统相连接，通常用自耦变压器，但仍需作技术经济比较。（二）主变压器台数选择当变电站装设两台及以上主变时，每台变压器容量的选择要依据它们当中任一台非工作时，其余容量最少能保证一级负荷的要求或满足变电站全部负荷的70%-80%。通常一次变电站所采用80%，二次变电站采用70%。（三）主变压器容量选择主变容量应能保证用户的一、二级负荷的需要，对于那些普通变电站，在同样的问题下，其余变压器容量要满足全部负荷的70%～80%。该变电站是按70%全部负荷来选择，即：—变电所最大负荷，MVA，—变电所主变压器台数由于变电所最大负荷为100MVA，因此主变压器容量为：在满足可靠性的前提下，结合经济性，选择容量为90MVA的主变压器。（四）主变压器选择结果查《电力工程电气设备手册：电气一次部分》并根据以上条件选择，选用变压器容量为90MVA。本次设计的变电站有220kV、110kV、10kV三个电压等级，故选择的变压器为三绕组变压器，综合以上因素选择出的主变型号为SFPSZ10-90000/220。表3-1主变压器型号型号SFPSZ10-90000/220额定容量kVA90000容量比（%）100∕100∕50额定电压(kV)高压中压低压24212111空载损耗70（kW）空载电流（%）0.22联接组标号YN，yn0，d11阻抗电压％高－中高－低中－低13.022.08.0四、电气短路部分计算电力系统的电气设备在其运行中都必须考虑到可能出现的各种事故和非正常运行状态，最容易发生的故障是发生各种形式的短路，从而损坏用户的正常供电和电气设备的正常运行。本设计采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。（一）短路电流计算220KV110KV220KV110KVXsX1X2X310KVS2d1d2d3已知所选变压器容量比为90/90/45MVA，额定电压为220/110/10(kV)的三绕组变压器。根据查变压器型号得知实验数据:，，，,，下面所计算的是归算到220kV侧的变压器参数。公式查《电力系统分析》得。1.系统电抗在下，取；（L取30km）；变压器各绕组电抗取值表5-1电抗取值表阻抗电压％高－中高－低中－低13228各绕组等值电抗，，各绕组等值电抗标么值为：在短路计算的基本假设前提下，选取；各短路点短路计算图3-2短路等值电路总图1）d1点短路10kV母线侧没有电源，无法向220KV侧提供短路电流，即可略去不计，如图一示，则短路电流＝＝换算到220kV短路电流有名值根据《电力工程电气设计手册》的相关规定，取电流冲击系数=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当不计周期分量衰减时，冲击电流和短路容量同理，有：d2点短路得：d3点短路得：五、电器设备的设计（一）高压系统计算和继电保护变电所中，高压断路器是重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和开断负荷电流，在变电所电气主接线中，还担任改变主接线的运行方式的任务，故障时，断路器通常以继电保护的方式配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。高压断路器应根据断路器安装地点，环境和使用技术条件等要求选择其种类及型式，由于真空断路器、SF6断路器比少油断路器，可靠性更好，维护工作量更少，灭弧性能更高，目前得到普遍推广，故35kV～220kV一般采用SF6断路器。10kV采用少油断路器。⑴220kV电压等级高压断路器的选择1）额定电压和电流选择①额定电压UN=220kV；②额定电流IN=2kA；其中；故有：IN≥Imax。2）开断电流的选择高压断路器的额定开断电流INbr不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量IPt,为了简化计算可应用此暂态电流I"进行选择,即INbr≥I"。INbr=40kA≥I"=6.776kA3）短路关合电流的选择为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定关合电流INcl不应小于短路电流最大冲击值Ish，即INcl≥Ish；INcl=100kA≥Ish=kimI"=6.776KA××1.85=17.725kA4）热稳定校验It2t≥Qk；取Tk(短路切除时间)=4s；Qk=(+10I22+I42)×Tk/12=（6.7762+10×6.7932+6.7932）×4/12=184.503(kA)2·sIt2t=402×4=6400(kA)2·s5）动稳定校验ies=100kA≥ish=17.725kA⑵110kV电压等级断路器的选择1）额定电压和电流选择①额定电压UN=110kV；②额定电流IN=3kA；其中；故有：IN≥Imax。2）开断电流的选择高压断路器的额定开断电流INbr不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量IPt,为了简化计算可应用此暂态电流I"进行选择,即INbr≥I"。INbr=40kA≥I"=5.964kA3）短路关合电流的选择为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定关合电流INcl不应小于短路电流最大冲击值Ish，即INcl≥Ish；INcl=100kA≥Ish=kimI"=5.964kA××1.85=15.601kA4）热稳定校验It2t≥Qk；取tk(短路切除时间)=4s；Qk=(+10I22+I42)×Tk/12=(5.9642+10×5.9642+5.9642)×4/12=142.277(kA)2·sIt2t=402×4=6400(kA)2·s5）动稳定校验ies=100kA≥ish=15.601kA⑶10kV电压等级断路器的选择1）额定电压和电流选择①额定电压UN=10kV；②额定电流IN=3kA；其中；故有：IN≥Imax。2）开断电流的选择高压断路器的额定开断电流INbr不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量IPt,为了简化计算可应用此暂态电流I"进行选择,即INbr≥I"。INbr=31.5kA≥I"=24.315kA3）短路关合电流的选择为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定关合电流INcl不应小于短路电流最大冲击值Ish，即INcl≥Ish；INcl=80kA≥Ish=kimI"=24.315kA××1.85=63.606kA4）热稳定校验It2t≥Qk；取tk(短路切除时间)=4s；Qk=(+10I22+I42)×Tk/12=(24.3152+10×24.3152+24.3152)×4/12=2364.877(kA)2·sIt2t=31.52×4=3967(kA)2·s5）动稳定校验ies=80kA≥ish=63.606kA（二）继电保护(1)母线保护经查表，220kV系列高压六氟化硫断路器技术数据中LW6-220/3150型号断路器的参数如下：图5-1母线保护原理图额定电压：额定电流：短路电流：对断路器进行检验：动稳定校验：故动稳定校验合格。热稳定校验：取继电保护装置后备保护动作时间，220kV断路器分闸时间，则：故满足要求。线路保护图5-2线路保护网络图图5-3无时限电路速断原理图额定电流：短路电流：110kV断路器的校验：动稳定校验:故满足动稳定要求。热稳定校验：取继电保护装置后备保护动作时间，110kV断路器分闸时间，则：故满足要求。(3)限时电流图5-4限时电流速断原理图额定电流：短路电流：10kV断路器的校验：动稳定校验：故满足动稳定条件。热稳定校验:故满足要求。图5-5原理接线图隔离开关是一种最简单的高压开关，在实际中俗称闸刀。隔离开关没有专门的灭弧装置，不能用来启动负荷电流和短路电流。在配电装置中，其主要用途有：（1）保证装置中检修工作的安全，在需要检修的部分和其他带电部分，用隔离开关构成明显的空气绝缘间隔。（2）在双母线和带旁路母线的主接线中，可利用隔离开关作为操作电器，进行母线切换或代替出线操作，但此时必须遵守“等电位原则”。（3）由于隔离开关能通过拉长电弧的方法来灭弧，具有切断小电流的可能性，所以隔离开关可用于以下操作：1）断开和接通电压互感器和避雷器2）断开和接通母线或直接连接在母线上设备的电容电流3）断开和接通励磁电流不超过2A的空载变压器或电容电流不超过5A的空载线路。4）断开和接通变压器中性点接地线（系统中没有接地故障时才能进行）。（三）电流互感器的设计电流互感器的设计需要经过以下几个容量的校验。1.校验二次负荷的容量为保证电流互感器工作时的准确度符合要求，电流互感器的二次负荷不超过（某准确度下）允许的最大负荷。电流互感器的二次总负荷包括二次测量仪表、继电器电流线圈、二次电缆和接触电阻等部分的电阻。当电流互感器的二次负荷不平衡时，应按最大一相的二次负荷校验。校验二次负荷的公式：按容量校验：按阻抗校验：式中——电流互感器二次的最大一相负荷，；——电流互感器的二次额定负荷，；——电流互感器二次的最大一相负荷，Ω；——电流互感器的额定二次负荷，Ω；计算电流互感器二次的最大一相负荷时，通常不计阻抗中的电抗，只计其电阻。在发电厂或变电所中，互感器用连接导线应采用铜芯控制电缆，根据机械强度要求，导线截面积不得小于。2.校验热稳定电流互感器的热稳定能力用热稳定倍数表示，热稳定倍数等于互感器1s热稳定电流与一次额定电流之比，故热稳定条件为式中——短路热效应。3.校验动稳定电流互感器的内部动稳定能力用动稳定倍数表示，动稳定倍数等于互感器内部允许通过的极限电流（峰值）与倍一次额定电流之比。故互感器内部动稳定条件为式中——通过电流互感器一次侧绕组的最大冲击电流。此外，还应校验电流互感器外部动稳定（即一次侧瓷绝缘端部受电动力的机械动稳定）。电流互感器外部动稳定条件式中——电流互感器一次侧端部允许作用力；——电流互感器一次侧瓷绝缘端部所受最大电动力；表6-8电流互感器选择结果电压等级型号额定电流比（A）准确级1S热稳定电流（KA）额定动稳定电流（KA）额定输出（VA）220KVLCLWD3—220600∕50.5356550110KVLCLWB6—1101000∕50.5451155010KV进线LZZBJ9—101000∕50.58013030∕4010KV出线LFZD2—10200∕50.5120(倍数)210（倍数）—（四）电压互感器设计1.型式的选择根据电压互感器安装的场所和使用条件，选择电压互感器的绝缘结构和安装方式。为了节省投资，如有些220kV线路不设电压互感器，利用220kV电流互感器绝缘套管末屏抽取电压。1.按额定电压选择为保证测量准确性，电压互感器一次额定电压应在所安装电网额定电压的90%-110%之间。电压互感器二次额定电压应满足测量、继电保护和自动装置的要求。通常，一次绕组接于电网线电压时，二次绕组额定电压选为100V；一次绕组接于电网相电压时，二次绕组额定电压选为。当电网为中性点直接接地系统时，互感器辅助副绕组额定电压选为；当电网为中性点非直接接地系统时，互感器辅助副绕组额定电压选为。2.按容量和准确度级选择电压互感器按容量和准确度级选择的原则与电流互感器的选择相似，要求互感器二次最大一相的负荷，不超过设计要求准确度级的额定二次负荷，而且应该尽量接近，因过小也会使误差增大。电压互感器的二次负荷的计算为式中、——同一相仪表和继电器电压线圈的有功功率、无功功率。统计电压互感器二次负荷时，首先应根据仪表和继电器电压线圈的要求，确定电压互感器的接线，并尽可能将负荷分配均匀。然后计算各相负荷，取其最大一相负荷与互感器的额定容量比较。在计算各相负荷时，要注意互感器与负荷的接线方式。电压互感器不校验动、热稳定性。3.电压互感器的设计表5-9电压互感器选择结果电压等级设备型号额定变比（KV）二次绕组准确级额定容量最大容量220kVTYD220∕—0.01H测量0.52002000保护3P100剩余3P100110kVTYD2110∕—0.015H测量0.51002000保护3P100剩余3P10010kVJDZX11—10B二次绕组0.2406000.51001200剩余绕组6P100型号中各字母表示含义：TYD220∕—0.01H中:T—成套式，Y—电容式,D—单相JDZX11—10B中：J—电压互感器，D—单相，Z—浇注式，X—带剩余绕组，B—三柱带补偿绕组（五）避雷针的设计电力系统中电气设备绝缘所承受的雷电过电压如表7-1所示：表7-1电气设备绝缘所承受雷电过电压表过电压分类持续时间电压数值直击雷过电压感应雷过电压侵入雷电波过电压几十微妙至几百微妙最高3000kV最高500-600kV线路50%冲击放电电压1.避雷器的选择计算由于金属氧化物避雷器（简称MOA）一般是无间隙避雷器，与阀式避雷器相比，它没有灭弧和工频续流的问题，且具有优异的非线性伏安特性，因此，本次设计选用ZnO避雷器。1）避雷器额定电压的选择：式中，—切除短路故障时间系数，10S以内取,以内取；—暂时过电压,.2）避雷器最大持续运行电压的选择。一般情况下,不得低于以下规定值：直接接地：非直接接地:10S内切除故障：2h内切除故障：；整体平面图电器主接线图第9章结语本次设计的是220kV常规降压变电所，按资料为基本依据，满足该地区的负荷增长需要为目的，本着经济、安全的原则进行设计，由于本地人口集中，工业负荷比