220kV变电站的电气一次部分进行设计

摘要近年来，由于我国的工业发展速度增快，人们的用电量也显著提高。发电、变电、输电、配电和用电这五个环节共同实现一个完整可靠的电力系统。其中，为了提高输电电压，提高经济效益，减少电能在传输过程中的损耗，变电站起到了不可替代的作用。本次设计是对220kV变电站的电气一次部分进行设计。在设计时首先选择变压器的容量和数量，然后对220kV侧和66kV侧的主接线进行分析，并设计四种不同的主接线方案，在选择时考虑220kV侧和66kV侧供电地区的负荷等级，选择经济且合理的电气主接线方式。在变电站的运行中难免会因为人为或者自然因素发生各种各样的困难，其中短路会产生很大的电流，对系统及电气设备的威胁极大，由于短路产生的电流远远大于正常工作的电流大小，可能会使变压器等重要的设备损坏，导致大面积且长时间的停电，因此需要计算短路电流大小，以便对重要的设备进行选择和校验，还要对变电站的继电保护以及防雷和接地保护进行设计来保障变电站安全可靠的运行。关键词：220kV变电站；变压器；短路电流；主接线Designof220kVsubstationAbstractInrecentyears,asChina'sindustrialdevelopmentspeedincreased,people'selectricityconsumptionalsoincreasedsignificantly.Thefivelinksofpowergeneration,transformation,transmission,distributionandutilizationworktogethertoachieveacompleteandreliablepowersystem.Amongthem,substationplaysanirreplaceableroleinordertoimprovethetransmissionvoltage,improveeconomicbenefitsandreducethelossofelectricenergyinthetransmissionprocess.Thisdesignistodesigntheprimarypartof220kVsubstation.Firstly,thecapacityandquantityoftransformersareselected,andthenthemainwiringonthe220kVsideand66kVsideareanalyzed,andfourdifferentmainwiringschemesaredesigned.Whenselecting,loadlevelsofthepowersupplyareaonthe220kVsideand66kVsidearetakenintoconsideration,andtheeconomicandreasonablemainwiringmodeisselected.Inevitablyintheoperationofthetransformersubstationallkindsofdifficultiesbecauseofartificialornaturalfactors,includingashortcircuitwillproducealargecurrent,thesystemandthethreatofelectricalequipmentisgreat,becauseofshortcircuitcurrentisgreaterthanthatofnormalworkcurrentsize,maymakethetransformerandotherimportantequipmentdamage,leadtolargeareaandlongtimeofpoweroutage,soneedtocalculateshortcircuitcurrentsize,sothattheimportantequipmentselectionandcalibration,andrelayprotectionandlightningprotectionandgroundingprotectionofthetransformersubstationdesigntoprotectthesubstationsafeandreliableoperation.Keywords:220kVsubstation，transformer，shortcircuitcurrent，electricalconnection目录TOC\o"1-3"\h\u26686摘要 116523第1章绪论 5263931.1论文选题背景及研究意义 5310351.2国内外研究现状 6135421.3本文研究内容 624927第2章主变压器的选择 8236672.1主变压器的选择原则 8196912.2主变压器的确定 8278672.3主变压器的型号参数 9137482.4变压器各侧电压的选择 10110362.5无功补偿 1015675第3章电气主接线 11187593.1主接线设计原则 11208893.2主接线设计的基本要求 1161963.3电气主接线的选择比较 12140453.4电气主接线的最终方案选择 144071第4章短路电流计算 161024.1短路的类型 16112714.2计算短路电流的目的 1686984.3计算短路电流 1717681第5章导体和电气设备的选择 23160425.1高压断路器和隔离开关的选择和校验 2351715.1.1220kV侧断路器、隔离开关的选择和校验 24193985.1.266kV侧断路器、隔离开关的选择和校验 26161175.2电流互感器、电压互感器的选择与校验 2841975.2.1220kV侧电流互感器、电压互感器的选择和校验 29289425.2.266kV侧电流互感器、电压互感器的选择和校验 3036715.3导体的选择和校验 32322915.3.1220kV侧母线选择和校验 3319125.3.266kV侧母线选择和校验 3346745.4电气设备选型汇总 3410935第6章变电站的保护与接地设计 35284936.1继电保护的概述 3536736.2220kV侧继电保护配置 35262986.366kV侧继电保护配置 3523606.4变压器的继电保护配置 36313106.5变电站的防雷保护概述 36192116.6避雷器的选择与校验 3691546.7220kV侧避雷器的选择和校验 37215116.866kV侧避雷器的选择和校验 386206.9变电站的接地设计 39118546.9.1接地概述 39264736.9.2变电站的接地原则 398196总结 4115322致谢 42787参考文献 43绪论1.1论文选题背景及研究意义目前，电能已经代替了化石能源作为工业上和日常生活中最主要的能源。经过全世界科学家长年的研究，电能和其他形式的能量之间的转换已经非常方便快捷；电能还可以做到精准的控制，这样可以对能量实现更准确的控制和分配，实现自动化的能量控制。目前最新的科技和最前沿的研究工作都离不开对电能的应用，而平时最常用的工具也离不开电能，甚至失去了电能，连正常有序的生活秩序也难以保障[[]刘介才[]刘介才.《工厂供电第3版》[M].北京：机械工业出版社，2014.07发电厂需要用大量的一次能源给用电地区发电，通常一次能源的产地距离城区较远。例如，只有水位落差大而且水量丰富的河流才能建立水力发电厂，这些地区并不适合人类居住，因此建站选址远离城市，燃料资源又大多数集中在矿区，离城市还是很远，但是电能用户却都集中在远离山区的大城市或者大工业区，因此一次能源产地和电能用户往往离得很远[[]陈慈萱.《电气工程基础上》[M].北京：中国电力出版社，2012.07[]陈慈萱.《电气工程基础上》[M].北京：中国电力出版社，2012.07[]陈慈萱.《电气工程基础》（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2016.04电力系统是一个复杂的网络，在庞大而复杂的电力系统中，会有各种各样的、数量繁多的电气设备紧紧联系起来。由于人为或者外界各种因素的干扰，发生故障是在所难免的。而电力系统很复杂，由于电能无法大量存储，因此电力系统中的各个环节几乎同步运行、同时完成。因此电力系统中不管任何一处出现故障，都会破坏电力系统运行，使电气设备的正常运行受到影响，同时会妨碍电能用户正常的用电[[]黄胜.《变电站综合自动化改造存在的问题》[M].四川电力技术，2010]。220kV供电系统的受电地区通常很重要，就要求必须要安全、可靠、稳定地运行，才能使用户正常用电。所以要全面地执行各地区[]黄胜.《变电站综合自动化改造存在的问题》[M].四川电力技术，20101.2国内外研究现状国外在很早就研究变电站自动化管理系统的新技术。美国某公司耗时多年研制出SPCS变电站控制和保护自动化系统。目前来看，日本、瑞士、德国、美国、法国等国家的著名大型电气公司研究自动化控制变电站较早，目前取得了成熟的运行经验。而它们的主要特点可以概括为：系统由站控级和元件/间隔级组成，继电保护装置下放到就地，系统一般采用分层分布式，大部分系统在站控级和元件/间隔级的通信采用星形光纤连接，主控制室仅用光缆与配电装置连接，不光节约了电缆的成本，还防止精密的设备遭受干扰，一举两得，同时对运行水平的安全可靠提高了很多[[]杨平,姚勤丰.构建智能电网技术思考[J].山东工业技术,2014（19）:193.]。

在国内，上世纪70年代末中国发生了翻天覆地的变化，经济飞速增长，对基础设施的建设也越来越重视[]杨平,姚勤丰.构建智能电网技术思考[J].山东工业技术,2014（19）:193.常规变电站的继电保护等装置采用质量和占用空间很大的电磁式或者晶体管式装置，因此常规变电站的控制系统和它的继电保护装置占用了很大的空间，这就导致需要耗费大量的人力物力进行维护[[]孙亮.变电站电压无功自动控制策略与系统设计[D].天津大学,2016.11.]。显然，这种变电站无法适应现在快速发展的，需要研究一种新型的变电站满足社会发展对电量的需求。变电站综合自动化技术就这样诞生了，而且在最近几年随着技术水平的提高已经让越来越多的国家重视起来，变电站综合自动化技术[]孙亮.变电站电压无功自动控制策略与系统设计[D].天津大学,2016.11.目前，我国对电力系统的要求主要是提高220kV及以下的变电站供电的可靠性，也就是要用新型变电站全面取代传统落后的变电站，而变电站综合自动化就可以很好的满足这个要求了。变电站综合自动化相比于传统变电站的主要优势有：供电质量得到显著提高、安全可靠地运行变电站，减少投资节约经济等[[]张丽.《浅谈综自变电站自动化规范化管理》[M].现代经济信息，2015]。本次220kV变电站的设计依据最权威的设计规范，同时选择质量、性能优质的电气设备。本文将会借鉴国外先进技术，并且结合我国的目前发展的实际情况，[]张丽.《浅谈综自变电站自动化规范化管理》[M].现代经济信息，20151.3本文研究内容本文是对某地区220kV变电站电气部分进行设计。在设计中，首先对设计要求进行深入了解，然后确定变压器的台数和容量，再对电气主接线的方式进行比较和选择，同时对系统进行无功补偿，为了选择出能够让系统安全可靠运行的电气设备，需要计算短路电流以便对各电气设备进行选择和校验。在选择完设备后，还要设计变电站的继电保护，为了防止自然灾害对电力系统的危害，要进行防雷设计，同时设计接地网保证安全。 主变压器的选择2.1主变压器的选择原则为了能够有效减少电能在传输过程中的损耗，提高电压等级是一个很好的解决方案，而变压器就很好地扮演了电压等级变化这一角色。

一、主变压器容量的选择主变压器容量一般按待建变电站所在地区电网对于未来5~10年的负荷规划进行选择，同时应适当估算未来10~20年后当地经济发展情况以及与之对应的电能需求。

2.变电站所要选择的容量很大程度上是由采用该主变压器的变电站并入系统中的电网结构来决定的。通常一个地区的供电是由多台变压器共同完成的，在这种状态下虽然可以增加系统运行的稳定性，但是也要考虑到由于人为的检修停运或者外界因素使其中一台变压器退出供电，在这种情况下，为了不影响受电地区的正常用电，就对每一台变压器的容量提出了要求：必须满足该地区所有负荷所需电能的70%[[]任志锋.《变电所无功补偿设计的探究与实现》[M].华东科技，2015]。

3.维修是否方便，用品与备件是否适用，系列化以及[]任志锋.《变电所无功补偿设计的探究与实现》[M].华东科技，2015选择变压器台数时要对不同地区，不同负荷等级加以考虑，要在满足可靠性的前提下尽可能地降低建设成本，满足经济性的要求，所以具体的要求如下：1.中、低压侧构成环网的郊区，2台最合适。

2.有些偏远地区由独立的一个变电站供电，还有些工厂用特殊的电压等级需要设立特殊的变电站，这种情况下需要装3台。

3.如果已经确定了装设2台主变压器，选择容量的时候需要留出一定裕度，这样即便未来该地区发展规模扩大，仍能保证供电可靠性，同时扩建变电站。2.2主变压器的确定一、变压器台数的确定1.选择时，一个地区规划的未来5~10年的负荷增长，同时应适当估算未来10~20年后当地经济发展情况以及与之对应的电能需求[[]孙秋野[]孙秋野,王占山,马大中.《电力系统自动化》[M].北京：人民邮电出版社，2014.042.变电站所要选择的容量很大程度上是由采用该主变压器的变电站并入系统中的电网结构来决定的。在由多台变压器共同工作的正常供电状态下，当其中的一台变压器因为事故或者检修而停运时，为保证该地区的正常的经济建设与经济发展，因此在此运行状态下，变电站的容量能满足所有接入该系统的负荷对于电能至少的需求。3.变电站的标准化和自动化是否符合要求，设备是否安全，维修是否方便，也是选择主变压器台数时必须要考虑的方向。二、变压器容量的确定最大综合负荷的计算公式:式中，—各电压侧预测到出的最大负荷；—各出线自然功率因数；m—出线回路数；—同时系数，在0.8~0.95之间，这里取同时率为0.85；—线损率，取5%。根据设计要求，本次设计使用一台120MVA主变压器。三、主变压器相数选择在这次设计中采用三相变压器，三相变压器可以达到高度隔离，同时还拥有方便转换的电压抽头，符合该地经济建设方面的考虑。四、主变压器绕组数的选择本次设计的变电站电压为220kV变到66kV，所以选择双绕组变压器。五、选择双绕组变压器绕组连接方式参考《电力工程设计手册》，我国变压器绕组的连接方式为星形连接或者三角形连接[[]西北电力设计院;东北电力设计院.《电力工程设计手册上》[M].[]西北电力设计院;东北电力设计院.《电力工程设计手册上》[M].上海：上海科学技术出版社，1981.012.3主变压器的型号参数220kV双绕组无励磁调压电力变压器技术数据表：型号额定容量（kVA）额定高压（kV）额定低压（kV）空载电流（%）空载损耗（kW）负载损耗（kW）阻抗电压（%）SFP-400000/220400000236±2×2.5%180.825097014SFP7-360000/220360000242±2×2.5%180.2819086014.3SFP3-340000/220340000242±2×2.5%201.019086014.3SFP2-260000/220260000242±2×2.5%15.750.7255155314SFP7-240000/220240000242±2×2.5%15.750.418562014SFP3-120000/220120000242±2×2.5%691.220083014根据设计要求本次设计选择主变压器型号为SFP3-120000/220。2.4变压器各侧电压的选择在变压器的电源侧在输送电压到输电线路末端的时候会有大概10%的损耗，因此为了保证末端供电的可靠性，电源侧电压要提高10%，末端电压取额定值即可，本次设计的变压器为220kV到66kV的降压变压器，所以是66kV侧向用户或者下级输电线路供电。因此，本次设计的220kV变电站，220kV侧电压为220kV，66kV侧电压为69kV。2.5无功补偿电力系统不光传送有功功率，还会传送无功功率。无功功率在电力系统中也起着十分重要的作用，当无功功率不足时，整个电网的电压都会随之降低。当电压低于额定电压的时候，电网中的电气设备均不能以正常功率工作，大大损失电网的电能，严重时将会使电网发生震荡导致解列，影响大面积地区的供电。如果电压降低为电压额定值的60%~70%，电动机将不能正常启动，甚至有很大的可能性损坏电机[[]孙亮.变电站电压无功自动控制策略与系统设计[D].天津大学,[]孙亮.变电站电压无功自动控制策略与系统设计[D].天津大学,2016.11.提高功率因数主要有以下几种方法：1.使电动机的容量与其机械负载相匹配；2.限制电动机的空载运行；3.以同步电动机代替异步电动机；4.绕线式异步电动机同步化。当系统无法自动调节功率因数时，要通过人为的方式对电力系统进行补偿，通常使用的无功补偿方式是并联电容器，采用分散补偿方式进行补偿。电气主接线3.1主接线设计原则在设计变电站时，不同的电压等级，不同的负荷等级需要用到不同的主接线方式，因此本次设计的首要任务就是确定电气主接线方式，在设计电气主接线时，待建的变电站在电网中的主要作用和综合性的地位是需要在建设变电站前所要思考的，而变电站整体的建设规模将决定变电站以后多年的供电效应与可提高的能力，设计时也需要考虑到变电站的重要负荷与本身所带的负荷、系统备用容量大小、甲方对乙方的相关技术要求等，然后基于这几点进行综合设计判定[[]董洁茹.220kV变电站精益化运行研究[J].中小企业管理与科技(旬),2014(08).[]董洁茹.220kV变电站精益化运行研究[J].中小企业管理与科技(旬),2014(08).一、变电站的相关分类变电站按其重要性可分为三类：1.系统枢纽变电站。其电压等级通常为330kV~500kV，在一般情况下有多个大型电源。2.地区重要变电站。其电压等级一般在330kV以下220kV以上。3.一般变电站。此类的变电站电压等级通常为110kV。二、变电站的整体建设规模在对变电站进行用地预测和扩建预测与论证主要是参考其所在地区电力系统的5~10年相关的发展规划。在考虑到该地区的经济因素的前提条件下，一般将装设两台主变压器。而装设3~4台主变压器一般用于330kV~500kV系统枢纽变电[[]RajNagarsheth[]RajNagarsheth,Sushant,Singh.Studyofgasinsulatedsubstationanditscomparisonwithairinsulatedsubstation[J].Internationaljournalofelectricalpowerandenergysystems,2014,55（Feb）:481-485.三、系统备用容量大小对于有装设了多台主变压器而共同运行的变电站而言，当其中一台发生事故被继电保护装置切除或周期性停运检修时，剩下的主变压器容量可以至少承担该站所接负荷的70%，在计及整个变电站发生随机事故概率的情况下都必须保证对Ⅰ类负荷的供电和尽可能保障Ⅱ类负荷的电力供应[[]穆国华.浅谈电力一次设备的选择方法[]穆国华.浅谈电力一次设备的选择方法[J].《黑龙江科技信息》2010,(02):31-31.3.2主接线设计的基本要求一、可靠性在电能生产、传输和分配的整个流通环节中首先应当满足供电的可靠性，这是变电站是否正常的安全稳定运行的前提条件。可靠性主要要求了：1.任何情况下不能使系统裂解。2.即便是正常的检修，也不能影响供电。二、灵活性主要指在变电站建成之后能够更为便捷方便的对它进行周期性检修。同时，能够满足为增加当地经济增长而必要的扩建计划。1.能够不停电检修设备，被检修设备能够快速退出运行，且不影响正常供电，使得当地的发展不会因此受到影响。2.能够完成灵活调度。保证安全快速的投入或切除相关的电气设备。同时能够按照基本要求或者计划迅速的使变压器进入到另一运行状态。3.在变电站进行扩建时，仍然可以稳定供电，要求投切设备安全迅速。在扩建结束后运行高效稳定，并且能够在扩建的整个过程中尽可能减少人工工作量。三、经济性首先必须满足上述可靠性和灵活性，同时尽量做到具有良好的经济效益、节约建设施工成本以及后期的扩建成本，力争做到经济效益最优化。3.3电气主接线的选择比较方案一：220kV侧采用双母线带旁路母线接线；66kV侧采用单母线分段接线。其主要优点是：双母接线易于平衡扩建变电站负荷侧，并且可以采用成套的配电装置，外带旁路母线极大的提高了供电可靠性，能保证在220kV侧停电或检修的时候能够保证持续供电[[]韩学山;张文.《电力系统工程基础》[M].北京：机械工业出版社，2008.01[]韩学山;张文.《电力系统工程基础》[M].北京：机械工业出版社，2008.01方案一简图，如图3.1：图3.1主接线方案一方案二：220kV侧采用双母线接线；66kV侧采用单母线分段接线。其主要优点是：220kV运行过程过程供电较为单母线接线可靠，调度较为灵活，即为一组母线运行时另一组母线备用。而66kV侧电压等级侧的接线方式的优点如方案一所诉。其主要缺点依然是是：其安装，维修，维护的费用过高操作较为复杂，投资过大。方案二简图，如图3.2：图3.2主接线方案二方案三：220kV采用双母线带旁路母线接线；66kV侧采用单母线分段带旁路母线接线其220kV侧的电气主接线方案的选择的主要的优点和缺点如方案一和方案二所诉。66kV侧的接线方案的优点在方案一中对于单母线分段接线的优点再加上能够极大的提高了供电可靠性，能极大的保障周边经济发展必要的电力供应。而其缺点也很明显，在经济建设这个角度而言依然是需要考虑的，如方案一和方案二指出的一样，对于外带旁路母线的设计，其安装维修的投资与费用都很大，检修的过程也是比较复杂。方案三简图，如图3.3：图3.3主接线方案三方案四：220kV侧采用双母线接线；66kV侧采用单母线分段带旁路母线接线其主要的优缺点如方案一，方案二以及方案三所诉。方案四简图，如图3.4：图3.4主接线方案四3.4电气主接线的最终方案选择通过方案一，方案二以及方案三和方案四的优缺点比较，在考虑拟建的变电站的基本要求和相关设计说明，以及此次设计的220kV变电站通常向一类负荷地区供电，供电质量严重影响到经济建设，因此220kV侧对可靠性和灵活性有着很高的要求。66kV侧虽然也要满足一定的可靠性和灵活性，但是其供电地区通常不是一类负荷，允许停电检修。即便是因故障停电也不会造成人员伤亡和过大的财产损失。因此此次该地区的220kV变电站的电气主接线采用方案一。短路电流计算4.1短路的类型当今社会，人们对电能的依赖越来越深，要求24小时不停供电才能满足人们的日常生活正常进行，生活秩序井井有条。但是，由于各种各样的原因也难免会出现一些故障，而使系统正常运行受到破坏。一般来说，电力系统的大部分损毁都与短路有关，短路就是电路中的某一部分被短接，这时产生的电流会比正常运行时的电流大几倍甚至几十倍，从而使设备烧毁，所以我们要避免短路的发生。短路之所以会对电力系统造成严重的威胁，是因为短路电流通常会达到正常电流的几十倍，会严重损坏电气设备。分类：三相短路，两相短路，两相短路接地，单相短路。损害：由于一些误操作或者其他原因，会导致系统回路的短路，会使回路电流迅速增大，甚至会达到正常电流的许多倍以上。首先，电流过大会产生热效应，会产生很多的热量，使电气设备故障或者烧毁，还会使绝缘破损。其次，短路存在电动力效应，会使设备扭曲变形，无法工作。然后，电流会产生磁效应，会对系统的正常工作产生影响。最后，短路会造成电网电压的降低，会影响到用电设备从而威胁人身安全[[]孙少达.河东66kV输变电工程电气一次系统设计[D].长春工业大学,2018.[]孙少达.河东66kV输变电工程电气一次系统设计[D].长春工业大学,2018.4.2计算短路电流的目的在发生短路时，短路电流会达到很大的数值，只有选择重型电气设备才能满足动稳定和热稳定的需求，这会大大增加变电站的投资，计算短路电流可以为选择电气设备提供基础，选择合适的设备不光提高供电稳定性还能节约资金[[]XinluDong,DaowuYang,XiaoxiaoGuanetal.Cathodicprotectiondesignofthe220kVsubstationgroundinggrids[J].Anti-CorrosionMethodsandMaterials,2013,60（3）[]XinluDong,DaowuYang,XiaoxiaoGuanetal.Cathodicprotectiondesignofthe220kVsubstationgroundinggrids[J].Anti-CorrosionMethodsandMaterials,2013,60（3）:143-147.一、短路电流的计算条件1.在设计变电站的时候首要任务是确定电气主接线，其次需要选择设备，选择设备时要校验它的动稳定性和热稳定性，这些都需要通过计算短路电流的值才能确定。2.在计算对地安全距离的时候，需要计算短路电流的值，避免在发生短路时输电线路上流过的电流过大，在周围的空气中产生过大的电场，威胁附近经过的人的人身安全。3.一个完整的可靠的供电系统不能无继电保护运行，而选择继电保护装置的时候需要计算整定值，这需要考虑所有的短路情况下，短路电流何时最大，而接地保护的设计更是离不开对短路情况的分析和对短路电流的计算。二、计算短路电流时的一般规定1.在选择电气设备的时候，要考虑到当前地区未来发展前景，尽量在扩建时仍不需要替换原有的电气设备，因此要考虑到所有的短路情况，并选择短路电流最大的短路方式进行考虑。2.在复杂的电力系统中，可能会用到具有反馈作用的异步电动机，会对短路电流的大小有影响，如果用到要特别注意，并进行相关计算。3.无功补偿时需要并联电容器，对短路电流的影响需要加以考虑。4.短路电流的大小并不是处处相等，因此对电器元件进行选择时应该以出现最大短路电流的地方为基准。5.由于三相短路电流通常大于其他类型的短路电流，在选择电气设备时，以三相短路电流为基础进行校验。4.3计算短路电流一、电路元件参数计算1.基准值的计算：高压短路电流计算一般只计元件的电抗，采用标么值计算。通常取基准容量或，基准电压一般取平均额定电压，即[[]注册电气工程师执业资格考试复习指导教材编委会.《注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书发输变电专业》[M].北京：中国电力出版社，2007.06]。[]注册电气工程师执业资格考试复习指导教材编委会.《注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书发输变电专业》[M].北京：中国电力出版社，2007.06表4-1线性额定电压与平均额定电压额定电压103566110154220平均额定电压10.53766115162230本次设计取，可以选择不同基准电压下的基准电流，常用基准值见表4-2。表4-2常用基准值表基准电压10.53766115162230基准电流5.51.560.8750.5020.3560.251标幺值标幺值的计算公式：容量标幺值：；（4-1）电压标幺值：；（4-2）电流标幺值：；（4-3）额定标幺值：在电气设备的技术数据中，往往给出以其自身额定参数为基准的标幺值[[]刘从爱[]刘从爱，慕志恒.《电力工程基础》[M].济南：山东科学技术出版社，1997.01电抗的额定标幺值：；（4-4）电压的额定标幺值：；（4-5）电流的额定标幺值：。（4-6）容量的额定标幺值：；（4-7）二、选择短路点并计算1.电抗标幺值的计算以某供电公司提供的220kV变电站原始数据为例，其66kV侧出口处的短路容量为。以此为例：电路图及等效网络图如图4-1所示：图4-1短路计算电路图及等值网络图1）66kV侧出口处电抗标幺值：（4-8）2）66kV输电线的电抗标幺值：（4-9）3）电力变压器的电抗标幺值：（4-10）2.本文选择的短路点及该点的用处d1：变电站66kV侧母线（该母线作为短路点可以校验66kV侧的电气设备及继电保护装置等）。d2：220kV变电站220kV侧母线（该母线作为短路点可以校验220kV侧的电气设备及继电保护装置等）。d3：受电侧两台并列运行变压器10kV母线（该母线作为短路点可以用来校验10kV的母联的电气设备等）。d4：受电侧两台分列运行变压器10kV母线（该母线作为短路点可以用来校验10kV的母联电气设备等）。3.计算短路电流1）当d1点发生短路时：先计算等效电阻：（4-11）短路电流的周期分量的标幺值为：（4-12）D1点电流基准值为：（4-13）冲击电流的有名值为：（4-14）短路电流的周期分量的有名值为：（4-15）短路电流的全电流有效值为：（4-16）短路容量：（4-17）2）D2点短路时的情况：等效电阻：（4-18）短路电流的周期分量的标幺值为：（4-19）D2点电流基准值为：（4-20）冲击电流的有名值为：（4-21）短路电流的周期分量的有名值为：（4-22）短路电流的全电流有效值为：（4-23）短路容量：（4-24）3）两台主变压器并列运行D3点短路时的情况等效电阻：（4-25）短路电流的周期分量的标幺值为：（4-26）D3点是电流基准值为：（4-27）冲击电流的有名值为：（4-28）短路电流的周期分量的有名值为：（4-29）短路电流的全电流有效值为：（4-30）短路容量：（4-31）4）两台主变压器分列运行D3点短路时的情况：等效电阻：（4-32）短路电流的周期分量的标幺值为：（4-33）D3点是电流基准值为：（4-34）短路电流的周期分量的有名值为：（4-35）冲击电流的有名值为：（4-36）短路电流的全电流有效值为：（4-37）短路容量：（4-38）5）计算结果各短路点短路计算结果见表4-3：表4-3短路计算汇总表短路点的编号d1d2d3d4基准容量100基准电压666610.510.5稳态短路电流标幺值1/0.1421/0.1961/0.2811/0.39稳态短路电流有名值6.165.1819.5413.96短路电流冲击值15.7113.2149.8235.59短路全电流最大有效值9.307.8229.5121.08短路容量704591355254

导体和电气设备的选择在设计变电站时，要考虑到未来随着经济的发展变电站扩建的可能性，对电气设备的选择是对提升当地的经济发展的一个系统工程，也是电气总体设计的重要内容。变电站的可靠运行，电网的对用户的提供的电能质量的保证以及电力系统运行的安全性都取决于导体的电气设备的有关选择。为了让所选的电气设备与导体能够长期处于正常的安全稳定的运行状态，其选型必须具备拥有较高的可靠性及经济性。在通过额定电压，额定电流以及环境因素对其设备等选型结束后，必须对三相短路条件下的校热稳定性和动稳定性进行校验。此次拟建的220kV变电站设计中的导体和电气设备选型包括：高压断路器和隔离开关的选型、电流和电压互感器的选型，导体的选型。并对所选导体和部分电气设备进行校热稳定性和动稳定性校验。5.1高压断路器和隔离开关的选择和校验在电力系统发生故障的时候，如果不能快速切除故障，会使用电设备或者电气设备损坏，而切除故障就要用到高压断路器和隔离开关，可见其在电力系统中的重要作用[[]孟毅,严涛,彭军.高压电力互感器缺陷故障现状及措施[]孟毅,严涛,彭军.高压电力互感器缺陷故障现状及措施[J].《湖北电力》2017,(7):4-4在选择对高压断路器和隔离开关的时候，要求满足正常工作时稳定运行，且可以周期性地检修断路器及隔离开关，在发生故障时能够准确跳闸切除故障点，同时应结合该地区环境条件和远景规划综合考虑。最终所选择的高压电器应是便于安装调试和维护，且具有较好的经济性。给出相对应的技术条件，根据《电力工程电气设备手册（电气一次部分）》以及图书馆及网上查询到到220kV变电站原始资料，选择并校验高压断路器和隔离开关。高压断路器的选择：1.额定工作电流(5-1)其中，—电网的最大负荷电流2.额定工作电压(5-2)其中，—电网的额定电压3.额定开断电流(5-3)其中，—短路电流有名值4.额定关合电流(5-4)其中，—短路冲击电流5.热稳定校验(5-5)6.动稳定校验(5-6)接通和开断短路电流和负荷电流的装置必须具有灭弧功能才能熄灭电弧实现电气隔离，而隔离开关并不能灭弧，不需要校验开断电流和关合电流，隔离开关的额定电压、额定电流选择和热稳定性、动稳定校验和断路器一致[[]芮静康[]芮静康.《现代工业与民用供配电设计手册》[M].北京：中国水利水电出版社，2004.025.1.1220kV侧断路器、隔离开关的选择和校验一、断路器的选择和校验1.断路器的选择为变压器总容量，故故流过断路器的最大持续电流故额定工作电压额定工作电流额定开断电流额定关合电流根据上述计算比较结果，查《电力工程电气设备手册（电气一次部分）》，选择满足要求的高压断路器的型号为LW12-220，技术参数如下表5.1：表5.1LW12—220技术参数表型号额定工作电压（kV）额定工作电流（A）额定开断电流（kA）额定闭合电流（kA）LW12-220220200040100型号热稳定电流（kA）动稳定电流（kA）额定开断时间（s）固有分闸时间（s）LW12-220401000.030.032.断路器的校验校验220kV侧断路器的热稳定性：设主保护动作时间，后备保护动作时间。同时根据表5-1数据，得额定开断时间，固有分闸时间。故短路时间因为，因此不计非周期热效应。则短路电流的热效应等于周期分量的热效应。其周期分量热效应的公式为(5-7)根据公式（5-7）可得：同时根据表5-1数据，得因为，，所以满足热稳定校验。校验220kV侧断路器的动稳定性：由表5.1数据得。220kV侧的短路电流计算结果为。，满足断路器所需要的动稳定性。二、隔离开关的选择和校验1.隔离开关选择由上文计算数据可以得到流过断路器持续电流最大值为因此额定工作电压为额定工作电流为由计算结果选择型号为GW4—220，其参数如下表5.2：表5.2GW4—220技术参数表型号额定工作电压（kA）额定工作电流（A）热稳定电流（kA）动稳定电流（kA）GW4—22022060014502.隔离开关的校验校验220kV侧隔离开关的热稳定性：根据表5-2数据，得因为，，所以满足热稳定校验。校验220kV侧隔离开关的动稳定性：根据表5.2数据，同时可知，满足断路器所需要的动稳定性。5.1.266kV侧断路器、隔离开关的选择和校验一、断路器的选择和校验1.断路器的选择应取66kV侧的负荷综合，根据原始资料，其负荷总和为40000kW，因此。故流过断路器的最大持续电流额定工作电压额定工作电流额定开断电流额定关合电流以上述计算结果为要求，通过查阅《电力工程电气设备手册（电气一次部分）》，可以找到最能满足条件的高压断路器的型号为LW11-66，技术参数如下表5.3：型号额定工作电压（kV）额定工作电流（A）额定开断电流（kA）额定闭合电流（kA）LW11-6666160031.580型号热稳定电流（kA）动稳定电流（kA）额定开断时间（s）固有分闸时间（s）LW11-6631.5800.050.04表5.3LW11-66技术参数表2.断路器的校验校验66kV侧断路器的热稳定性：设主保护动作时间，后备保护动作时间。同时根据表5.3数据，得额定开断时间，固有分闸时间故短路时间为因为，不计非周期热效应。则等于。其周期分量热效应为同时根据表5.3数据，得因为，，所以满足热稳定校验。校验66kV侧断路器的动稳定性：根据表5.3数据得。由短路计算结果得。因为，，满足断路器所需要的动稳定性。二、隔离开关的选择和校验1.隔离开关的选择断路器流过的最大持续电流因此额定工作电压为额定工作电流为根据上述条件查手册，选择的满足要求的隔离开关的型号为GW4—66，其技术参数如下表5.4：表5.4GW4-66技术参数表型号额定工作电压（kA）额定工作电流（A）热稳定电流（kA）动稳定电流（kA）GW4-666663020502.隔离开关的校验校验66kV侧隔离开关的热稳定性：根据表5.4数据，得因为，，满足隔离开关所需要的热稳定性。校验66kV侧隔离开关的动稳定性：由表5.4数据得。而且，满足隔离开关所需要的动稳定性。5.2电流互感器、电压互感器的选择与校验由于电能在传送时往往需要提高电压等级来减少电能的损耗，而为了保证供电可靠性，需要实时监控输电线路是否出现故障，通常测量用的仪表并不能承受如此大的电流，这就需要用到互感器将大电流、高电压转换为小电流、低电压，才能实现对电力系统的监控。互感器其实就是传感器的一种，它的输入量输出量都是电气量，只是将他们按比例缩小。互感器的一次侧接电气一次侧，接收高电压、大电流，二次侧接电气二次侧，输出低电压、小电流。目前常用的互感器为电磁式互感器。互感器根据输入量不同分为两类：以大电流为输入量、小电流为输出量的互感器为电流互感器；以高电压为输入量、以低电压为输出量的互感器为电压互感器。一、电流互感器的选择条件：1.对于20kV以下的室内配电系统用到的TA用树脂浇筑绝缘结构的互感器或瓷绝缘结构的TA；35kV及以上的配电装置可以使用油浸式绝缘的独立TA[[]焦留成[]焦留成.《供配电设计手册》[M].北京：中国计划出版社，1999.072.电流互感器二次侧的输出电流通常为1安培或者5安培。3.其一次侧的额定工作电压和额定工作电流满足：；4.在选择额定容量及准确度时，TA的准确级一定要高于输出仪表的准确级才能准确检测输电状态。其0.2级准确度适用于大容量发电机和变压器或电网以及供电企业之间的电能交换等。0.2～0.5级的准确度适用于装于重要回路中的互感器；0.5～1级一般用于100MW以下发电机组的厂用电或者小容量的负荷。TA校验条件：；二、电压互感器的选择条件：1. 对于35kV以下的室内配电装置的TV，通常选择油浸式或者浇筑式；油浸式TV常用于110～220kV的配电网；电容式TV常用于110kV以上的配电网[[]Steven.Stoft.Powersystemeconomics:designingmarKetsforelectricity.NewYorK:Wiley-IEEEPress,2012.3（5）:25-30.[]Steven.Stoft.Powersystemeconomics:designingmarKetsforelectricity.NewYorK:Wiley-IEEEPress,2012.3（5）:25-30.2.二次侧电压应满足：3.在选择额定容量及准确度时，TV的准确级一定要高于输出仪表的准确级才能准确检测输电状态。其0.2级准确度适用于大容量发电机和变压器或电网以及供电企业之间的电能交换等。0.2～0.5级的准确度适用于装于重要回路中的互感器；0.5～1级一般用于100MW以下发电机组的厂用电或者小容量的负荷。5.2.1220kV侧电流互感器、电压互感器的选择和校验一、电流互感器的选择和校验1.TA的选择额定工作电流额定工作电压上文提到：35kV及以上的配电装置可以使用油浸式绝缘的独立TA，由计算结果可知220kV侧选择油浸磁箱式的绝缘结构的独立TA，220kV变电站220kV侧通常是向重要地区供电，受电地区属一级负荷，属于重要回路，因此选择0.2～0.5级准确度，选出符合要求的TA型号LCWB-220，详见表5.5：表5.5LCWB-220电流互感器参数表型号额定电流比（A）次级组合准确级次10%倍数热稳定电流（kA）动稳定电流（kA）二次负荷倍数（倍）3SLCWB-2202600/5B/B/B/0.20.240VA15401002.电流互感器的校验校验220kV侧TA的热稳定性：首先求短路电流周期分量产生的热效应：同时根据表5.5数据，得因为，，所以满足电流互感器需要的热稳定性。校验220kV侧TA的动稳定性：由表5.5得。计算220kV侧短路电流得。因为，，所以满足电流互感器需要的动稳定性。二、电压互感器的选择由于220kV侧的TV属于户外配电装置，因此选用的互感器应该为电容式互感器或者油浸式电压互感器，并且其二次侧的电压满足。根据以上的需要，选出符合要求的电压互感器型号，详见表5.6：表5.6电流互感器参数表型号额定电压（kA）二次负荷（kA）最大容量（VA）初级绕组次级绕组剩余电压绕组0.2级0.5级1.0级3.0级0.11503001200 5.2.266kV侧电流互感器、电压互感器的选择和校验一、电流互感器的选择和校验1.TA的选择额定工作电流额定工作电压上文提到：35kV及以上的配电装置可以使用油浸式绝缘的独立TA，由计算结果可知66kV侧选择油浸磁箱式的绝缘结构的独立TA，220kV变电站66kV侧通常是向重要地区供电，受电地区属一级负荷，属于重要回路，因此选择0.2～0.5级准确度，选出符合要求的TA型号LCWD2-66，详见表5.7：表5.7LCWD2-66电流互感器参数表型号额定电流比（A）次级组合准确级次二次负荷（）10%倍数1s热稳定倍数（倍）动稳定倍数（倍）0.5级1级3级一次负荷（）倍数（倍）LCWD2-662300/50.5/B/B0.522152587.52.电流互感器的校验热稳定校验：其周期分量热效应为同时根据表5.7数据，得因为，，所以满足热稳定校验。动稳定校验：根据表5.7数据计算拟建的变电站的短路电流得。因为，，所以满足电压互感器需要的动稳定性。二、电压互感器的选择由于66kV侧为户外配电装置，所以互感器应该选择用电容式互感器或者油浸式电压互感器，并且其二次侧的电压满足。根据以上的需要，选出符合要求的电压互感器型号，详见表5.8：表5.8电流互感器参数表型号额定电压（kA）二次负荷（kA）最大容量（VA）初级绕组次级绕组剩余电压绕组0.2级0.5级1.0级3.03导体的选择和校验一、选择导体此次设计220kV母线的布置为户外布置，66kV母线的布置也为户外布置，参照以往相关变电站设计经验，220kV和66kV侧母线应选用钢芯铝绞线（即软母线）。软母线的选择是以（计算出的导体所在回路最大持续工作电流）为主要依据，查表《LGJ钢芯铝绞线规格及长期允许载流量》选出各电压等级母线型号。二、选择导体截面积1.需要考虑导体长期发热允许通过的最大电流：（5-8）式中，—本输电线路中能持续流过导体的最大电流；—在额定温度时可以通过导体的电流；—综合修正系数，可以通过计算所得。2.按经济电流密度选择：（5-9）式中，J—经济电流密度。三、校验电晕电压本次设计的变电站选择导体时校验的条件要求是要按晴天不发生全面电晕校验，即满足：（5-10）式中，—临界电压；—最大工作电压。四、热稳定校验需要通过导体短路时发热的公式得到短路热稳定来决定最小的横截面积：（5-11）式中，C—热稳定系数。5.3.1220kV侧母线选择和校验一、选择220kV母线最大持续工作电流分析原始资料，综合修正系数取由可推得设定导体最高允许工作温度为，考虑一定裕量，结合长期工程实践，参考《LGJ钢芯铝绞线规格及长期允许载流量》表，选取220kV母线型号为LGJ－210/25钢芯铝绞线。二、220kV母线的校验短路电流热效应导体热稳定截面计算时，在忽略集肤效应且取值为87的情况下，其的计算过程为故所选择的管型母线截面完全符合热稳定的要求。5.3.266kV侧母线选择和校验一、66kV母线的选择最大持续工作电流为根据原始资料分析，其最热月温度为，因此取温度为时的综合修正系数，取再根据导体在额定温度时的允许电流计算：设定导体最高允许工作温度为，考虑一定裕量，结合长期工程实践，参考《LGJ钢芯铝绞线规格及长期允许载流量》表，选取66kV母线型号为LGJ－70/40钢芯铝绞线。二、66kV母线的校验短路电流热效应导体热稳定截面计算时，在忽略集肤效应且取值为87的情况下，其的计算过程为故可以热稳定满足本此设计的变电站要求。5.4电气设备选型汇总本次设计所需的电气设备选材如表5.9所示：220kV侧电气设备型号断路器LW12-220隔离开关GW4-220电流互感器LCWB-220电压互感器导线LGJ-210/25钢芯铝绞线66kV侧电气设备型号断路器LW11-66隔离开关GW4-66电流互感器LCWD2-66电压互感器导线LGJ-70/40钢芯铝绞线表5.9电气设备汇总

变电站的保护与接地设计6.1继电保护的概述电能无法大量储存，因此发电、输电、用电几乎是在同一时间完成。目前人们生产生活都离不开对电能的依赖，因此要保证供电不间断，即便出现必须断电的情况，也要提前预知，发布停电通知，防止人们生产生活出现混乱。电能在传输时需要将电压提高到很高的数值，一旦发生故障可能会造成很严重的后果，所以必须实时全程监控电力系统，而这种能够监控并作出相应保护措施的系统就是继电保护[[]都洪基[]都洪基.《电力系统继电保护原理》[M].南京：东南大学出版社，2007.04它主要由两部分构成，主保护和后备保护，主保护的可靠性要求较高，要在各种运行方式下仍能保证快速清除故障。而在主保护拒动形势下,主要由后备保护进行切除故障。后备保护又分为近后备和远后备。一般来说，继电保护可分成三部分，测量比较、逻辑判别、出口执行。继电保护四性：选择性，速动性，灵敏性，可靠性。6.2220kV侧继电保护配置220kV侧主保护采用电流差动保护，其作用原理是输入线路两侧流进电流互感器TA的电流矢量当作比较量，在达到提前设定的动作值的时候启动动作元件，可以瞬时切除故障。这里差动保护其实是利用基尔霍夫电流定律作为原理进行工作的，它能反应保护区内出现故障，而正常工作或者保护区外发生故障的时候，差动保护不会发生误动作[[]詹红霞[]詹红霞.《电力系统继电保护原理及新技术应用》[M].北京：人民邮电出版社，2011.096.366kV侧继电保护配置66kV侧采应该用距离保护作为主保护，同时设零序保护，过电压保护等。距离保护：首先要确定故障发生的位置，再通过线路阻抗间接计算出距离，即可得出保护动作时间的一种保护措施。它也由三段式构成：距离一段，与阶段式电流保护的一段类似，也能瞬时动作，同时也不能单独作为主保护；距离二段，与一段结合作为主保护，存在小时限；距离Ⅲ段起动阻抗的选择原则通常按照躲开电力系统正常运行的时候的负荷，也正是如此动作时限要比整个保护范围内的其他各种保护类型的最大动作时限高出一个△t，常做后备保护[[]马春华[]马春华.《线路避雷器和绝缘子串的伏秒特性配合问题研究》[M].20076.4变压器的继电保护配置变压器一般发生故障的概率不高，但也需要装置来保护。通常以发生在油箱内外来区分故障类型。油箱内的故障通常发生在绕组上，油箱外的故障一般在套管上发生。变压器也会异常运行，所以也需针对异常情况装设保护。保护措施：1.瓦斯保护：在油箱附近装设一个气体继电器，当异常运行时，采用轻瓦斯保护，继电器内的油会下降，达到动作值的时候，发出信号。发生严重故障时，故障点周围的温度剧增而迅速产生大量的气体，变压器内部压力升高，迫使变压器油从邮箱经过管道向油枕方向冲去，气体继电器感受到的油速达到动作门槛时，重瓦斯保护，瞬时作用于跳闸回路，切除变压器，以防事故扩大[[]高慧[]高慧,张璨璨.220kV变电站用电设计的优化探析[J].科技创新导报.2015(14).在油箱附近装设一个气体继电器，当异常运行时，采用轻瓦斯保护，继电器内的油会下降，达到动作值的时候，发出信号。2.纵联差动保护能对各种电气类故障做出反应，非电气类故障不能起到保护作用，所以该保护也是主保护。通常来说，大容量变压器采用该保护，而变压器容量在10MVA以下的则采用电流速断保护。3.相间短路的后备保护：如果长时间的异常运行会让变压器温度缓慢升高，绝缘在这种状态下会破损，严重时会引起故障，所以本设计采用复合电压起动过流保护，该保护具有良好的灵敏度而且就算TV二次侧断线也不会误动[[]褚晓锐;钱波[]褚晓锐;钱波.《数字式电力变压器继电保护技术》[M].成都：四川大学出版社，2013.124.接地短路的后备保护：采用接地零序保护。5.过负荷保护，动作于发信号。6.5变电站的防雷保护概述自然界中雷电灾害虽然很少，但是一旦发生造成的危害十分严重，雷电产生的电流和电压特别大，一旦击中电力系统的任何部分，都会造成严重的破坏，有可能导致大面积的停电，严重影响人们的日常生产生活，因此如何防止雷击事故的发生是一个必须要解决的问题。经过前人无数次的实验和探索，目前主要的防雷措施有装设避雷器、避雷针、避雷线[[]黄雨鑫;戴明雪[]黄雨鑫;戴明雪.《工厂变配电设备安装与调试》[M].北京：中国水利水电出版社，2014.03变电站连接着输电网和配电网，一旦发生雷击事故，必将导致大面积停电事故发生。变电站内的电气设备的绝缘能力更是经受不住雷击，因此一旦由于雷电过电压而发生击穿，造成的后果将会非常严重。正因为如此，变电所的防雷保护跟输电线路比起来，要求也就更加的严格、措施也就更应该严密可靠。6.6避雷器的选择与校验本次设计变电站的防雷措施采用阀型避雷器。在选择型号的时候，一定要优先考虑到被保护电器的特点或者绝缘的水平。常见的阀型避雷器的类型的选择如表6.1所示：表6.1阀型避雷器类型型号型式适用范围FS配电用普通阀型10kV以下配电系统FZ电站用普通阀型3~220kV配电系统FCZ电站用磁吹阀型330kV配电系统或者需要限制类操作的220kV及以下配电系统阀型避雷器选择的技术条件：（1）额定工作电压(6-1)（2）灭弧电压校验(6-2)（3）工频放电电压校验下限值：(6-3)上限值：(6-4)式中：—电网的额定压电；—接地系数。对于1此次防雷设计，均取0.8；—最高允许电压，一般；—工频放电电压系数，此次防雷设