220KV变电站一次系统设计及防雷保护研究 (1).doc

摘要目前，不管是个人还是企业对电网稳定性的要求越来越高变电站作为电网的重要环节其运行状态对于电网有着很大的影响。变电站的一次设备是直接对电网进行调控的设备其运行情况直接影响到电网的稳定性。在这样的背景下，本文对220KV变电站的一次系统设计的重要性、防雷保护进行了较为全面的论述。关键词 220KV变电站；一次系统设计；防雷保护AbstractKEY WORD 220KV substation; Primary system design; Lightning protection 目录摘要IAbstractII第一章 引言1第二章 220kV变电站一次系统的重要性分析2第三章 220 kV变电站一次系统的设计要点3第一节 加强系统设计论证3第二节 重视变压器的选择3第三节 优化电气接线形式3第四节 完善配电装置设计5第四章 220kV变电站遭受雷击的危害及原因6第一节 雷击的危害6第二节 受雷击的原因6一、感应过电压6二、直接雷过电压6三、雷电波6第五章 220 kV变电站一次系统防雷保护设计要点及保护措施7第一节 防雷设计要点7一、避雷器种类7二、避雷器的选择7第二节 保护措施8一、进线保护8二、内加装避雷针8三、变压器保护8结束语10谢辞11参考文献12III电子科技大学毕业论文（设计） 220KV变电站一次系统设计及防雷保护研究第一章 引言经济在发展，不管是个人还是企业，人们对电力安全稳定性的要求都在提高。电力对社会的影响也越来越明显。可以说安全稳定的电力系统是维持社会稳定的关键因素之一。如何保证电力系统的安全稳定是目前我国电力企业面临的重要课题。变电站的一次设备是直接对电网进行协调控制的设备，其运行状况直接影响到电力系统的安全稳定。电力系统中变电站担负着变换电压、汇集电能及输送电能的重任，其中一次系统的设计水平直接影响着电力系统运行的安全性和可靠性，因此在220kV变电站一次系统设计过程中，应重视工程选址分析，做好变压器、电气接线、主要设备及配电装置等的选择和设计，提高一次系统设计的合理性，使其更好地服务于电力生产与系统运行。第二章 220kV变电站一次系统的重要性分析电力系统主要包括发电、变电、输电、配电以及用电等环节。变电站的作用是变化电压、接收电能、分配电能及控制电力流向。如果一次系统设计存在缺陷，如变电站位置不合理、变压器规格不适用、设备性能差及线路连接有问题等，均会给变电站和整个电力系统埋下安全隐患，所以220kV变电站一次系统设计不容忽视。220kV变电站一次系统设计过程中，不仅要立足所在区域的实际需求和变电站建设要求，还应遵循一定原则，包括安全可靠性、效益最大化、协调性、特殊性以及可持续发展等原则。要求变电站一次系统的设计方案是全面分析和优化后的最佳方案，可满足具体功能和需求，并与周围环境相协调。第三章 220 kV变电站一次系统的设计要点第一节 加强系统设计论证对于220kV变电站一次系统设计，变电站总体结构是设计重点，因此应分析站址的水文条件、气象条件及地址条件，以提高选址的合理性。根据水平年、负荷水平、潮流方式、功率因数及电压控制范围等确定接入系统，对变电站总体结构进行设计论证，同时将变电站位置、系统作用、运行要求、发展规模、负荷分级、主变台数、电压等级以及系统备用容量等纳入考虑和论证范围，以保证变电站设计的可靠性和可行性。第二节 重视变压器的选择变电站中的变压器可实现不同电压等级之间的功率交换和功率输送，若选用不当，不仅影响电气主接线和配电装置，还会造成经济损失，因此要结合区域用电原始资料和未来发展规划对新增负荷和出现回路数进行科学预测，并从变压器相数、绕组数、连接组别、调压方式及冷却方式等方面确定规格型号。为保证可靠供电，建议至少设置两台变压器，以免因检修或故障引发大面积、长时间停电。例如，某220kV变电站决定近期安装1台180MVA容量的变压器，远期规划则为3台180MVA容量的变压器作为主变规模，其中容量是由调相调压计算结果确定的。该地区最终设定的主变压器参数如表1所示。表1 某一220k变电站中主变压器的主要参数参数名称主变容量主变压器额定抽头抗阻电压调压方式接线组别参数及内容180MVA230±8×1.25%/121/11KVUk12%=14%Uk13%=54%Uk23%=38%有载调压方式YN，yn0，d11220kV主变电站要求必须可靠接地，常用的方式为中性点接地，出现单相短路时可瞬时自动重合闸切断故障，既保证了设备安全，又减少了事故影响和损失。出于安全考虑，该变电站中主变压器的110kV和220kV一侧的中性点经隔离开关直接接地。此外，容性与感性无功补偿技术，强化了电力系统的无功平衡，以适应峰值和低谷的负荷运行变化。第三节 优化电气接线形式电气主接线形式设计水平不仅影响变电站和整个电力系统运行的安全性和经济性，而且很大程度地决定了配电装置、电气一次设备及电气二次设备的选型，所以需格外重视和具体分析。电气主接线形式主要有两种：第一种是双母线接线及其分段接线，虽然灵活性好，可靠性高，但操作和保护复杂；第二种是单母线接线及其分段接线，虽然操作方便，但灵活性和可靠性难以保障。所以，设计时应从可靠性、灵活性及经济性综合权衡，选择最优设计方案。例如，某地变电站针对220kV侧主接线考虑到当地电网结构复杂、运行调整难度较大及对可靠性要求较高，提出了双母线接线和双母线双分段接线两种设计方案。通过条件假设，对事故状态下和检修状态下的两者的可靠性进行分析和计算，结果发现虽然双母线接线形式投资成本较低，占地面积略小，但可靠性不如双母线双分段接线，且双母线双分段接线运行较灵活，容易扩建。因此，综合分析该变电站的系统地位、可靠性、灵活性以及投资占地等相关因素后选择了双母线双分段接地，主接线形式如图1所示。图1 某一变电站220 kV侧电气主接线形式变电站长期运行中，难免发生短路故障。该故障破坏力强，危害性大，且成因复杂，不仅可能引发停电事故，还可能破坏系统稳定，因此需采取有效措施加以预防和治理。（1）科学计算短路电流。该措施的目的是为后续的设备选择、继电保护及接地设计等提供数据参考。三相对称短路电流虽然故障概率仅有2%5%，但其影响和危害却是最严重的。不管是主接线方式的选择，还是电气设备热稳定性和电气设备动稳定性的校验，均必须以三相短路电流为重要依据，以保障短路故障下电力系统依旧能安全运行。具体地，需根据系统专业提供的初始条件，对220kV和110kV侧的不对称短路电流加以计算。（2）优化电气设备选择。获得相应的短路电流计算结果后，便是电气设备的选择。此时要求电气设备的工作电压、额定频率、额定电流及长期载流量等能满足正常运行状态与故障及时切除的需要，且经济可靠，能适应实际环境，最好同类设备为同一型号，如某220kV变电站中的GIS出线间隔采用的是3150A/50kA规格的断路器、3150A规格的隔离开关以及2×800/1A5P30/5P30/0.2s/0.2s3150A规格的电流互感器，避雷器采用的是规格为204/532kV的氧化锌避雷器。第四节 完善配电装置设计配电装置指的是用于测量和保护的辅助设备，可在系统故障状态下及时有效的切断故障源，保护系统运行正常。应遵循运行可靠、方便检修、安全经济及便于扩建的要求，合理选择和切实完善配电装置，一般需满足220kV的过电压控制水平应为1.3p.u.，220kV进出线间隔需设置避雷器，设备绝缘配置需符合规定值，电气设备内部绝缘对地额定冲击电压与避雷器动作过电压应至少具备1.15的匹配系数等。在防雷与接地设计环节，避雷针除与主接地网连接外，还应连接附近的集中接地装置，沿接地体长度应大于15m，接地阻值低于10；为防止发生反击，主变压器构架无需设置避雷针。对于接地设计，应根据实际需求做好接地网的部署，如材料、边长、间距及埋深等。此外，站用电源和照明等配电装置也应予以合理设计。第四章 220kV变电站遭受雷击的危害及原因第一节 雷击的危害变电站是电力系统供电的枢纽，一旦变电站发生故障势必会引发局部区域供电系统瘫痪，甚至引发电力事故，造成严重的经济损失，尤其是雷击对变电站造成的危害，更是不可估量的。据统计在某市20l3年整年发生的变电站事故中，有55的故障是雷击引起的，可见，雷击对变电站造成的威胁是较为严重的。在雷电直击变电站设备或线路上时，会对变电设备造成击穿、绝缘子损坏等现象，严重影响到变电站设备的正常运行，而且，在雷云之下，感应过电压以及雷电波等也会对变电站的电力设备造成很大的影响，雷击对220kV变电站造成了极大的威胁，电力企业应高度重视变电站防雷的综合保护。第二节 受雷击的原因一、感应过电压感应过电压是220kV变电站受到雷击影响的主要因素，这类现象的形成主要是因为变电站架空导线上方存在雷云时，由于静电感应的原因，架空导线上会聚集大量的异性电荷，而且，这些异性电荷会被束缚到架空导线上，一旦雷云对大地放电时，架空线路上的异性电荷也会得到释放，异性电荷释放会形成自由电荷向架空线路的两端流去，在这个过程中会产生对变电站线路危害的过电压，这就是所谓的感应过电压。二、直接雷过电压直接雷过电压对变电站造成的危害极大，主要是在雷云放电的过程中，雷击会直击变电站的电力设备，强大的雷击电流会流入到电力设备中，对变电站电力设备造成较高的过电压，而且，雷击电流在通过物体的过程中，还会对物理产生热效应、机械效应的破坏情况，为了保证220kV变电站运行的安全性，应将直接雷过电压问题重视起来。三、雷电波雷电波主要是架空线路在受到雷电感应过电压、直接雷过电压的情况下产生的雷电波，雷电波会沿着架空线路入侵变电站，如果220kV变电站防雷水平偏低的话，就会对变电站的一些电气设备造成严重的破坏，甚至引发变电站的电力事故，给电力企业造成极大的经济损失。第五章 220 kV变电站一次系统防雷保护设计要点及保护措施第一节 防雷设计要点一、避雷器种类变电站防雷主要从两方面来设计：一是直击雷直击变电站；二是雷击线路，产生雷电波沿线路入侵变电站。对于第一种情况的防雷，我们需要架设避雷针和避雷线。给220KV全线架设避雷线，110KV全线架设避雷线，35KV以下一般不需要装设避雷线，但需要独立避雷针来保护。110KV以上的避雷针需要装于架构或房顶上，形成架构避雷针。对于第二种情况的防雷，需要装设避雷器。避雷器是用来限制过电压的一种电气设备，避雷器与被保护的设备并联，当电压超过一定幅值时，避雷器先放电，从而限制了过电压，保护了电气设备。避雷器可分为四种：保护间隙、管式避雷器、阀式避雷器、MOA金属氧化物避雷器。（1）保护间隙：需要和自动重合闸配合使用，缺点就是启动时间长，残压比较高，没有断流能力从而会产生续流。间隙放电的伏秒特性很陡，所以它不能保护伏秒特性平坦的设备。（2）管式避雷器：实际上是保护间隙的高配版，具有较强的熄弧能力。但缺点是保护动作后会产生截波，对设备绝缘产生巨大威胁。以上两种避雷器都不能保护主变压器和发电机等重要电气设备，只能用于线路保护。（3）阀式避雷器：分为普通型和磁吹型。它只用于220KV以下电力系统来限制雷电过电压。（4）金属氧化物避雷器（MOA）：也称氧化锌避雷器，是现今为止被全世界公认的最好的保护电气设备的避雷器。有相当优异的伏秒特性，体积小，残压低，具有很强的吸收过电压的能力。MOA广泛用于变电站的防雷保护。二、避雷器的选择避雷器选择技术条件：（1）额定电压Un：避雷器的额定电压应与与其相对应系统额定电压一致。（2）灭弧电压Umh：避雷器在工作时，可能会产生过电压，校验此过电压是否等于或小于避雷器的灭弧电压。（3）工频放电电压Ugf：在中性点不接地的电网中，工频放电电压应大于最大运行相电压的3.5倍。在中性点直接接地的电网中，工频放电电压应大于最大运行相电压的3倍。工频放电电压应大于灭弧电压的1.8倍。（4）冲击放电电压Ucf：冲击放电电压是指放电在1.5-20us之内，避雷器的最小放电电压值。一般国产阀型避雷器的保护性能与各种绝缘均适配，所以不需校验。（5）残压Ure：残压是指冲击电流流过阀片上产生的电压降。所以残压的大小与阀片的电阻阻值和片数有关。 避雷器安装原则，一般应在每组母线上都装设避雷器，中性点直接接地的变压器必须装设避雷器；110、35kV线路不配置避雷器。而220kV、110kV的架构上设避雷针，10kV设独立避雷针进行直接保护。避雷器的选择与校验。第二节 保护措施一、进线保护进线保护是220kV变电站防雷综合保护措施的一种，主要是对流经避雷器的雷击电流幅值以及雷电波进行控制和保护，从而实现对变电站电气设备的保护目的。一般来说，雷击电流在经过避雷器的过程中，如果进线保护水平偏低的话，就会导致雷击电流幅值、雷电波的波度对变电站的运行造成影响，因此，要做好进线保护措施。可以在接近220kV变电站进出线位置附近加装避雷线等保护措施，具体的加装位置要根据变电站以及线路的实际情况来定，一般选在变电站进出线12km距离的吸纳路上。二、内加装避雷针避雷针是防御雷击的有效措施之一，通过避雷针将强大的雷击电流引入到大地，避免雷击电流流入到线路或电力设备中对变电站的安全运行造成威胁。避雷针主要防御对象是直接雷，保证变电站的电力设备以及附近的线路不会受到直接雷击，而且，在雷击直击避雷针之后，避雷针并不会出现反击的现象，其保护效果非常有效”。另外，在变电站安装避雷针时，需要注意避雷针应与附近的电缆、电力设备接地装置等金属物体要保证大于5m，避雷针引下线的接地电阻要小于10Q，同时还要根据变电站的实际需求来设置，要满足避雷针不会发生反击事故的要求，这样才能进一步提高220kV变电站防雷水平，避免或降低雷击电流对变电站造成危害。三、变压器保护变压器是变电站的重要组成设备，一般来说，对变压器构成威胁的主要是雷电波，如果雷电波侵入到变压器内，不仅会对变电器的性能造成影响，甚至导致变压器的故障发生，严重影响到变电站运行的安全性、可靠性，因此，应做好220kV变电站内变压器的防雷保护措施。可以在接近变压器线路处安装避雷器，用以防止雷电波的入侵。在变压器附近加装避雷器的过程中需要注意的是，要尽可能的减少避雷器的连线长度，主要目的是减少雷击电流在连线段的压降，提高变压器的防雷水平。另外，为了提高220kV变电站的防雷水平，应在变电站的每一组分段母线以及主母线上加装阀式避雷器，以此来保护电气设备和变压器，与此同时，还要将变电站内的各组避雷器连接到变电装置的接地总地网上，还需保证接地连接线的最短接线长度，为了发挥出避雷针防雷的功能，要尽可能的将避雷针安装到需要保护设备的中间位置。此外，安装在变压器上的避雷器在接地过程中需要注意的是，应将避雷器的接地线与变压器的金属外壳、低压侧中性点共同连接到一起并接入到地网上，这样做的主要目的是为了较小高低压绕组间以及高压绕组对变压器外壳产生的击穿事故，进一步提高变压器的防雷水平，保证变电站的安全运行。结束语220kV变电站一次系统设计直接影响电力生产效率的提高和供电质量的保障。因此，需立足实际，把握一次系统设计原则，选择合适的变压器和电气设备，优化主接线方式，准确计算短路电流，采取有效的保护措施，以促进220kV变电站一次系统更加稳定、高效地运行。同时，还应220kV变电站的防雷保护措施应高度重视，如果变电站发生雷击事故的话，不仅会造成变电站内变电设备的损坏引发大量的经济损失，甚至会造成大范围停电影响到供电的可靠性，对220kV变电站造成威胁的主要有感应过电压、直击雷过电压、雷电入侵波等，对此，作者结合自身多年经验对220kV变电站防雷综合保护措施进行详细的阐述，希望通过本文的研究对提高220kV变电站防雷水平有着一定的作用。谢辞参考文献1郭约华.变电站一次系统电气主接线设计分析J.低碳世界,2020,10(11):77-78.2王树清,崔磊,曾江华,徐则诚,董晓宁,刘江.巴基斯坦卡洛特水电站电气一次设计J.水利水电快报,2020,41(03):86-91.3陈赛男.变电站一次系统电气主接线设计方案分析J.科技创新与应用,2020(03):96-97.4张健. 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