220kV变电站电气一次部分.docx

内容提要 本次设计为220kV变电站电气一次部分的初步设计。根据原始资料，以设计任 务书和国家及行业有关电力工程设计的规程规范为设计依据，并结合该地区实际情 况设计该变电站，设计的内容符合国家有关经济技术政策，所选设备全部为国家推 荐的新型产品，技术先进、运行可靠、经济合理。本期该变电站设有两台主变压器， 远期该变电站设有三台主变压器。站内主接线分为 220kV、110kV 和 10kV 三个 电压等级。 设计正文分设计说明书和设计计算书两个部分，设计说明书包括电气主接线设 计、变压器选择说明、短路电流计算说明、电气设备选择说明、配电装置设计、电 气总平面布置和防雷保护设计；设计计算书包括变压器选择、短路电流计算、电气 设备选择及校验等，并附有电气主接线图及其它相关图纸。 关键词： 220kV变电站； 短路计算； 主接线； 设备选择。 目 录 内容摘要 . I Summary . II 第一部分 设计说明书 1 原始资料 . 1 1.1 建站的必要性 . 1 1.2 系统接入方式 . 1 1.3 变电工程规模 . 2 1.4变电站站址选择 . 2 1.5系统短路阻抗及本期出线潮流估计 . 2 2 变压器选择 . 5 2.1 主变压器选择 . 5 3 电气主接线设计 . 9 3.1 主接线设计的原则和要求 . 9 3.2 主接线基本接线方式 . 9 3.3 主接线设计步骤 . 10 3.4 本站主接线设计方案 . 11 4 短路电流计算说明 . 18 4.1 短路电流计算概述 . 18 4.2 常见短路电流计算 . 19 4.3 短路电流计算结果 . 21 5 高压电器设备选择 . 23 5.1 电气设备选择一般条件 . 23 5.2 高压断路器的选择 . 24 5.3 隔离开关的选择 . 26 5.4 互感器的选择 . 27 5.5 母线的选择 . 28 6 配电装置设计 . 29 6.1配电装置应满足以下基本要求. 29 6.2配电装置设计的基本步骤 . 29 6.3配电装置的种类及应用 . 29 6.4本变电站配电装置设计 . 29 7 防雷保护设计 . 31 7.1变电站防雷保护的特点 . 31 7.2防雷防护类型 . 31 第二部分 设计计算书 8 短路电流计算 . 33 8.1 等值电路计算 . 33 8.2 对称短路电流计算 . 34 8.2 不对称短路电流计算 . 43 9 电气设备选择及校验计算 . 51 9.1 高压断路器选择及校验计算 . 51 9.2 隔离开关选择及校验计算 . 53 9.3 互感器选择及校验计算 . 54 9.4 母线选择及校验计算 . 55 10 防雷保护计算 . 58 总结 . 59 参考文献 . 60 致谢 . 62 邵阳学院毕业设计（论文） 第一部分 设计说明书 1 原始资料 1.1 建站的必要性 考虑到目前花垣县供电现状及将来的网络发展格局，提高了电源外送和用户供 电的可靠性，加强了地区 220KV 电网，新建花垣 220KV 变电站主要为地区中间变电 站，给花垣县供电并为保靖、水顺、龙山4县水电外送提供接入点。 1.2 系统接入方式 新建万溶江220kV变一回，岩人坡万溶江剖进花垣形成花垣万溶江、花 垣岩人坡各一回，备用三回。其中花垣万溶江50公里; 花垣万溶江50公 里;花垣岩人坡 17 公里。新建花垣里耶一回，花桥佳民剖进花垣变形成花 垣花桥、花垣佳民各一回，漾水坪天堂湾剖进花垣形成花垣天堂湾一回， 并将漾水坪双T至新建的花垣民乐双回线上，形成花垣民乐（漾水坪）T接双 回线，备用六回；花垣佳民线 3.3 公里；花垣花桥线 7 公里；花垣里耶 线41公里；花垣天堂湾线13公里；花垣民乐线（漾水坪）线27.5公里； 花垣民乐（漾水坪）线27.5公里。10kV本期、终期均不考虑出线。 图1.1 系统 接入方案 0 邵阳学院毕业设计（论文） 图1.1系统接入方式 1.3 变电工程规模 远景规模 （1）220kV进出线6回: 新建至万溶江220kV变一回，岩人坡万溶江剖进 花垣形成花垣万溶江、花垣岩人坡各一回，备用三回； （2）110kV 终期出线十二回：新建花垣里耶一回，花桥佳民剖进花垣 花桥、花垣佳民各一回，漾水坪天堂湾剖进花垣形成花垣天堂湾一回，并将 漾水坪新建的花垣民乐双回线上，形成花垣民乐（漾水坪）工接双回线，备 用六回； （3）三绕组有载调压变压器三台，容量3×180MVA。 (4)无功补偿：本期装设57.6Mvar容性无功补偿，10Mvar感性无功补偿； 远期装设86.4Mvar容性无功补偿，不另装设感性无功补偿。 本期规模 （1）本期出线三回：新建万溶江220kV变一回，岩人坡万溶江剖进花垣 万溶江、花垣岩人坡各一回； （2）新建花垣里耶一回，花桥佳民剖进花垣变形成花垣花桥、花垣佳 民各一回，漾水坪天堂湾剖进花垣形成花垣天堂湾一回，并将漾水坪双 T 至新 建的花垣民乐双回线上，形成花垣民乐（漾水坪）T接双回线； （3）三绕组有载调压变压器两台，容量2×180MVA。 注：10kV本期、末期均不考虑出线。 1.4 变电站站址选择 当地最高气温35,最低气温5，年平均气温25；站址选在花垣县美 惹村二组，地面原始标高为 179.36201.08 米，总占地面积：1.967 8，原始地 貌属于低缓丘陵地貌，耕地与农田，地形起伏不大，目前场地尚未整平，交通运输 方便，站址地势较高，排水系统良好，具有较强的防洪能力。 1 邵阳学院毕业设计（论文） 1.5 系统短路阻抗及本期出线潮流估计 计算条件 （1）全省220kV及以上网络参与计算。 （2）短路水平年按远景水平年考虑。 （3）短路阻抗不含变电站本身阻抗。 （4）短路阻抗为标幺值，其基准值为： Sj=100MVA，Uj=Ucp。 （5）花垣220kV变电站系统短路阻抗 （6）大方式系统短路阻抗 图1.2系统正序图 2 邵阳学院毕业设计（论文） 图1.3系统零序图 本期出线潮流估计 变电站本期出线潮流估计如表1.1： 表1.1出线潮流估计 电压等级 间隔方向 线型 长度 (km) 110kV 输送潮流 (MW) 220kV 花垣万溶江 LGJ-2×300 50 -395+100 花垣万溶江 LGJ-400 50 -234+100 花垣岩人坡 LGJ-400 17 -234+234 花垣佳民 LGJ-185 3.3 -40+70 花垣花桥 LGJ-185 7 -40+70 花垣里耶 LGJ-185 41 -40+70 花垣天堂湾 LGJ-240 13 -50+80 花垣民乐（漾水坪） LGJ-240 27.5 -50+80 花垣民乐（漾水坪） LGJ-240 27.5 -50+80 注：潮流由首端流入末端为“+”，反之为“-”。 3 邵阳学院毕业设计（论文） 2 主变压器的选择 在各级电压等级的变电站中，变压器是变电站中的主要电气设备之一，其担任 着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系 统负荷增长情况，并根据电力系统 510 年发展规划综合分析，合理选择，否则， 将造成经济技术上的不合理。如果主变压器容量选的过大，台数过多，不仅增加投 资，扩大占地面积，而且增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥 效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命 和电力系统的稳定性。因此，确定合理的变压器容量是变电站可靠供电和网络经济 运行的保证。 2.1 主变压器的选择 2.1.1 变压器容量及台数的选择 变电站内变压器容量和台数是影响电网结构、供电安全可靠性和经济性的重要 因素，而容量大小和台数多少的选择往往取决于区域负荷的现状和增长速度，取决 于一次性建设投资的大小，取决于周围上一级电网或电厂提供负载的能力，取决于 负荷本身的性质和对供电可靠性要求的高低，取决于变压器单位容量造价、系统短 路容量和运输安装条件等等，近几年随着变压器制造技术的不断提高，变压器自身 质量和安全运行水平大幅度提高变压器空载损耗下降的幅度大，变压器经济运行的 负载率得到不断降低又国家节能减排政策，鼓励企业开展经济运行工作建设、扩建 和变压器增容的台数和容量的选择，国内尚无明确具体的规定，也是随技术水平提 高不断完善的一个系统工程，一般根据常规经验和规划者的观点来进行结合相关规 程制度。 首先变压器额定容量应能满足供电区域内用电负荷的需要，即满足全部用电设 备总计算负荷的需要，避免变压器长期处于过负荷状态运行。新建变电站变压器容 量应满足510年规划负荷的需要，防止不必要的扩建和增容，也减少因为扩建增容 造成的大面积和长时间停电对较高可靠性供电要求的变电站一次最好投入两台变压 4 邵阳学院毕业设计（论文） 器，变压器正常的负载率不大于50%为最好。 对于供电区域内有重要用户的变电站，应考虑一台变压器在故障或停电检修状 态下，其它变压器在计及过负荷能力后的允许时间内，保证用户的一级和二级负荷， 对一般负荷的变电站，任何一台变压器停运，应能保证全部负荷的70%至80%的电力 供应不受影响，城区变电站变压器台数和容量应满足N-1的要求。 虽然大容量变压器单位容量造价低，在高负荷密度供电区域建设大容量变电站 能够节省投资，容量越大，效果就越明显但为保证供电运行方式灵活，应考虑采用 多台变压器，单台变压器容量的选择不宜过大和过小，要预留负荷发展而扩建的可 能，实现变电站容量由小到大，变压器的台数由少到多城区变电站 3 台变压器供电 的运行方式最为灵活可靠。 为保证变电站运行方式灵活可靠，减少和方便备用容量储备，便于与相联结配 电装置的配合，便于检修维护，达到变电站整体规范统一，选择变压器容量的种类 应尽量减少，一般不超过两种，在此，建议对城市供电的一个变电站内最好统一变 压器容量等级。 在一定容量范围内，容量增大变损降低，但节约的电费可能难以补偿投资费用 的增加，与之配套的开关等设备的开断能力的要求大，所以变压器容量的选择要考 虑变压器及其配套装置的一次性投资。行国家降损节能政策，必要时，要进行经济 运行方式的计算。 由于供电企业要求城区供电满足 N-1 的可靠性准则，变压器容量的选择，除符 合上述条件外，要考虑事故和检修状态下，减少供电引起的经济损失和对社会的影 响，最少应满足一台变压器停电后，部分负荷可以调至周围变电站，而不影响对全 部用户的正常用电需求。 对供电企业变电站密集区，由于变电站之间存在联络供电线路，变电站之间可 以拉手互供，变压器的容量选择可以适当减小，正常条件下分区域各自供电，当不 能满足供电输出时，可以靠周边的变电站通过联络线带部分负荷，但最终要考虑增 加变电站布点或增加变压器台数来逐步满足负荷供出的要求。 对低压侧有发电机组并网的变电站，变压器容量也可以适当减小，但容量选择 时要考虑，满足发电机组的额定容量在区域负荷最小时，能够通过变压器向电力系 统正常输出，变压器的容量必须大于机组发电容量。变压器和发电机组的额定容量 5 邵阳学院毕业设计（论文） 之和大于该地区的最大负荷。发电机组停运，变压器应能保证全部负荷的70%至80% 的电力供应不受影响，并保证一级和二级负荷正常用电。与上一级电网的设备参数 配合得当，满足系统短路容量的要求 2.1.2 主变压器相数的选择 容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330kV及以下的电力系统 中，一般都选择三相变压器。但是在选择主变压器的相数时，应根据原始资料以及 设计变电所的实际情况来选择。本次设计的变电所，站址海拔高度 179.36201.08m，占地1.967hm2 ，原始地貌属于低缓丘陵地貌，耕地与农田，地 形起伏不大，目前场地尚未整平，交通运输方便。站址地势较高，排水系统良好， 具有较强的防洪能力和防洪抗震能力。故本次设计的变电站选用三相变压器。 2.1.3 主变压器绕组与结构的选择 在具有三种电压等级的变电所中，如通过主变压器的各侧绕组的功率均达到该 变压器容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但在变电站内需装设无功补偿设备，主 变宜采用三绕组变压器。而本变电站具有三种电压等级，考虑到运行维护和操作的 工作量及占地面积等因素，该站选择普通三绕组变压器。 生产制造中的三绕组变压器有：自耦变、分裂变以及普通三绕组变压器几种类 型。 （1）自耦变压器：短路阻抗较小，系统发生短路时，短路电流增大，以及干扰 继电保护和通讯，并且它的最大传输功率受到串联绕组容量限制，自耦变压器，具 有磁的联系外，还有电的联系，所以，当高压侧发生过电压时，它有可能通过串联 绕组进入公共绕组，使其它绝缘受到危害，如果在中压侧电网发生过电压波时，它 同样进入串联绕组，产生很高的感应过电压。自耦变压器，高中压侧的零序电流保 护，应接于各侧套管电流互感器组成零序电流过滤器上。由于本次所设计的变电所 所需装设两台变压器并列运行，电网电压波动范围较大，如果选择自耦变压器，其 两台自耦变压器的高、中压侧都需直接接地，这样就会影响调度的灵活性和零序保 护的可靠性，由原始资料可知不宜选择自耦变压器。 （2）分裂变压器：分裂变压器约比同容量的普通变压器贵20%。分裂变压器中 6 邵阳学院毕业设计（论文） 对两端低压母线供电时，如果两端负荷不相等，两端母线上的电压也不相等，损耗 也就增大，所以分裂变压器适用两端供电负荷均衡，又需限制短路电流的供电系统。 由于本次所设计的变电所，受功端的负荷大小不等，故不选择分裂变压器。 （3）三绕组变压器：价格上在自耦变压器和分裂变压器之间，安装以及调试灵 活，供电可靠性高，满足各种继电保护的需求，又能满足调度的灵活性。 2.1.4 主变压器调压方式的选择 由于花垣220kV变电站在整个地区的位置相当重要，需要连续提供高质量的变电 效果，另外还需要带负荷调整电压，而电压时有偏差，供电电压不稳定，负荷不稳 定，本身对电压质量的要求还比较高，则选用有载调压变压器会提高供电的可靠性。 还需要经常调整电压，则应选用有载载调压型变压器 2.1.5 主变压器冷却方式的选择 主变压器一般采用的冷却方式有：自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循 环水冷却。 （1）自然风冷却：依靠装在变压器油箱上的片状或管形辐射式冷却器及电动风 扇散发热量的自然风冷却及强迫风冷却，适用于中、小型变压器。 （2）强迫油循环水冷却：虽然有散热效率高、减少变压器本体尺寸等优点。 但它须有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。 （3）强迫油循环风冷却：实用于大型变压器高效率的冷却方式。 本设计主变为大型变压器，发热量大，虽然本变电站地势平坦，通风条件好， 但考虑到安全性还是使用强迫油循环风冷却。 综上所述，本变电站选择三绕组无励磁调压自然风冷却方式型号为 SFSZ9-180000/220型的变压器3台，容量为180000，具体参数如表2.1所示。 表 2.1 主变压 器技术参数 型号 SFPSZ4-18 0000/220 联接组标YN, 7 邵阳学院毕业设计（论文） 号 yn0,d11 额定容量 (kVA) 空载电流 180/ 180/90 0.8 121 11 (%) 空载损耗 （kW） 46 175 负载损耗 （kW） 额定电压 (kV) 阻抗电压 (%) 高中 高-低 中-低 785 高 中 低 230±8× 1.25% 高中 高-低 中-低 1214 79 2224 3 电气主接线设计 变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。为满足 生产需要，变电站中安装有各种电气设备，并依照相应的技术要求连接起来。电气 主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为 传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统2。用规定的设备文字 和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和 连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。 3.1主接线设计的原则及要求 主接线代表了变电站电气部分主体结构，是电力系统接线的主要组成部分，是 8 邵阳学院毕业设计（论文） 变 电站电气设计的首要部分。它的设计，直接关系着全所电气设备的选择、配电装置 的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济 运行。由于电能生产的特点是发电、变电、输电和用电在同一时刻完成，所以主接 线设计的好坏，直接影响到工农业生产和人们的日常生活。为此，主接线的设计必 须在满足国家有关技术经济政策的前提下，正确处理好各方面的关系，全面分析相 关因素，力争使其技术先进、经济合理、安全可靠3。 电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、 技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电安全可靠、运行灵活、经 济美观等基本要求下，兼顾运行、维护方便。 3.2 主接线的基本接线方式 主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种连接方式，它以电源和出线 为主体。由于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输 的功率也不一样，为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简 单清晰、运行方便，有利于安装和扩建，下面介绍几种常用的主接线方式。 （1）单母线接线： 单母线接线虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配电 装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件故障或检修时，均需使整个配电装置停 电，一般只适用于一台主变压器。 （2）单母分段： 用断路器，把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，由两个电 源供电。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间 断供电。当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期 间内停电，而出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越，扩建时需向两个方向均 衡扩建。 （3）单母分段带旁路母线: 这种接线方式：适用于进出线不多、容量不大的中小型电压等级为35110kV 的变电所较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。 9 邵阳学院毕业设计（论文） （4）一个半断路器（3/2）接线: 两个元件引线用三台断路器接往两组母上组成一个半断路器，它具有较高的供 电可靠性和运行灵活性，任一母线故障或检修均不致停电，但是它使用的设备较多， 占地面积较大，增加了二次控制回路的接线和继电保护的复杂性，且投资大，一般 在超高压电网中使用。 （5）双母接线: 双目接线有两组母线，并且可以相互备用。每一电源和出线的回路，都装有一 台断路器，有两组母线隔离开关，可分别与两组母线相连。它具有供电可靠、调度 灵活、扩建方便等优点，而且检修另一母线时，不会停止对用户连续供电。但在检 修某线路的断路器时，如果不装设“跨条”，则该回路在检修期需要停电。 （6）桥形接线： 当只有两台变压器和两条输电线路时，宜采用桥形接线，所用断路器数目最少， 它可分为内桥和外桥接线。 内桥接线：在线路故障或切除、投入时，不影响其他回路工作，且操作简单； 而变压器故障或切除、投入时，要使相应线路短时停电，且操作复杂。适合于输电 线路较长，故障机率较多而变压器又不需经常切除的情况4。 外桥接线：适合于出线较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换，或系统 有穿越功率，较为适宜。 3.3 主接线的设计步骤 电气主接线的具体设计步骤如下： （1）分析原始资料，对变电站主变容量、电力系统情况、负荷情况 、环境条 件 、设备选择等情况进行分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。 （2）拟定主接线方案，在分析原始资料的基础上，可拟定若干个主接线方案， 因为对出线回路数、电压等级、主变容量、容量以及母线结构等考虑不同，会出现 多种接线方案。 （3）短路电流计算，对拟定的主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流 计算。 （4）主要高压电器设备选择 10 邵阳学院毕业设计（论文） （5）绘制电气主接线图，将最终确定的主接线图，按工程要求绘制。 3.4 本变电站电气主接线设计 3.4.1 220kV侧接线 由原始资料可知，在正常运行时，本变电站220kV侧主要是由青山220kV变电 站和下桥220kV变电站两个电源来供电,110220kV变电所设计规范规定， 110220kV线路为两回及以下时，宜采用单母线分段接线。超过两回时，宜采用 双母线接线。在采用单母线、单母线分段或双母线的35110kV主接线中，当不允 许停电检修断路器时，可设置旁路设施。本变电站220kV侧线路6回，可选择双母线 带旁路接线或双母线接线两种方案，如图3.1 所示。 WL1 W2 W3 W4 QD1 QFCQFC QF1 QF2 方案一 11 WP W1 W2 邵阳学院毕业设计（论文） WL1 WL2 WL3 WL4 QFCQFC W2 W1 QF1 QF2 方案二 图3.1 220kV 电压侧接线方案 方案二，接线简单，操作方便、设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸， 扩建方便。分段断路器QFD进行分段，可以稍微供电可靠性和灵活性。可以轮流检修 一组母线而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任一回路的 母线隔离开关室，只需断开此隔离开关相连的该组母线，其他电路均可通过另一组 母线继续运行。调度灵活，各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上， 能灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要；通过倒换操作可以 组成各种运行方式。方案一为双母线带旁路接线供电可靠，通过两组母线隔离开关 12 邵阳学院毕业设计（论文） 的倒换操作，除了具备方案二的操作方便外，还增加了其可靠性。但其投资较大， 扩建也不方便采用方案一虽然能很好的满足其可靠性的要求但并不适合，故选用供 电可靠、扩建方便、投资量小的方案二。 3.4.2 110kV电压侧接线 本变电站110kV侧线路有12回，可选择双母线接线或单母线分段带旁路母线接 线两种方案，如图3.2所示。方案二供电可靠、调度灵活，但是倒闸操作复杂，容易 误操作，占地面积大，设备多，配电装置复杂，投资大。方案一简单清晰，操作方 便，不易误操作，设备少，投资小，占地面积小，旁路断路器可以代替出线断路器， 进行不停电检修出线断路器，保证重要回路特别是类负荷不停电。且方案一具有 良好的经济性，供电可靠性也能满足要求。 WL1 WL2 WP QSP QSP QSP QS3 QS3 QF3 QS3 QFP QF4 QS3 QSPQSP WI WII QSPQSPQSPQSP QF1 QFD QF2 方案一 QSPQSP 方案一 13 邵阳学院毕业设计（论文） 方案二 方案二 图3.2 110kV电压侧接线方案 方案一为单母线分段带旁路母线接线，当检修出线断路器时可不停电，因其进 行了分段且是断路器分段，所以当一段母线发生故障时，可以保证正常段母线不间