220kV变电站初步设计——毕业设计

第一篇设计说明书
1 设计有关内容
1.1 原始资料
拟建变电所的概况
（1）建所的目的：
由于某地区电力系统的发展和负荷的增长，拟建一个220kV变电所，向该地区用110kV和10kV电压供电。

（2）与系统接线情况（见图1—1）:
图1—1：系统接线简图
（3）地区自然条件：
年最高气温：40℃，年最低气温：-5℃，年平均气温：18℃。

（4）出线方向：
220kV向北，110kV向西，10kV向东南。

负荷资料
（1）220kV线路5回，其中1回备用。

（2）110kV线路10回，其中2回备用（见表1—1）。

续表1-1
注：上述各负荷间的同时系数为0.85。

（3）10KV线路14回，其中2回备用（见表1—2）。

注：上述各负荷间的同时系数为0.8；且110kV负荷与10kV负荷同时系数为0.85。

（4）所用负荷资料（见表1—3）。

2 变电所电气主接线初步设计
变电所电气主接线是根据电能输送和分配的要求表示主要电气设备相互之间的连接关系，以及本变电所与电力系统的电气连接关系。

因此，电气主接线是构成电力系统的重要环节，是电力系统设计和发电厂、变电站设计的主要部分。

主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。

因此，必须正确处理好各方面的影响，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案。

本章主要从电气主接线的方式及特点等方面分析，确定220kV、110kV、及10kV母线采用的主接线方式，确保该变电所满足可靠性、灵活性和经济性三大要求。

2.1 变电所电气主接线设计的基本要求
在选择发电厂或变电所的电气主接线时,应注意其在系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件，并考虑下列基本要求：
供电的可靠性
当个别设备发生事故或需要停电检修时不宜影响对系统供电；断路器、母线等故障，母线检修时尽量减少停运回路数和停运时间，并保证对一级负荷或大部分二级负荷的供电。

运行上的安全性和灵活性
电气主接线要尽可能适应各种运行方式。

不但在正常运行时能很方便地投入或切换某些设备，而且在其中一部分电路检修时，应能尽量保证未检修的设备继续供电，同时又要保证检修工作的安全进行。

接线简单操作方便
电气主接线要在各种倒闸操作中操作步骤最少。

过于复杂的接线，会使运行人员操作困难，容易造成误操作而发生事故。

电气设备增多，也增加了事故点，同时复杂的接线也给继电保护的选择带来很大困难。

建设及运行的经济性
设计主接线除考虑技术条件外，还要考虑经济性，即基建投资和年运行费用、年电能损耗的多少，一般要对满足技术要求的几个方案，进行技术经济比较，然后从中选定。

电气主接线应考虑将来远景发展扩建的可能性
2.2 变电所电气主接线的设计原则
变电所在电力系统中的地位和作用
电力系统中的变电所有系统枢纽变电所、地区重要变电所和一般变电所三种类型。

一般系统枢纽变电所汇集多个大电源，进行系统功率交换和以中压供电，为330—500kV；地
区重要变电所，电压为220—330kV；一般变电所多为终端和分支变电所，电压为110kV，但也有220kV。

变电所的分期和最终建设规模
变电所根据5—10年电力系统发展规划进行设计。

一般装设两台（组）主变压器；当技术经济比较合理时，330—500kV枢纽变电所也可装设3—4台（组）变压器；终端或分支变电所如只有一个电源时，可只装设一台主变压器。

负荷大小和重要性
（1）对于一级负荷必须有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。

（2）对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电。

（3）对于三级负荷一般只需一个电源供电。

2.3 主接线的初步设计
2.3.1 220kV的接线方式的确定
6～220kV高压配电装置的接线方式，决定于电压等级及出线回路数。

按电压等级的高低和出线回路数的多少，有一个大致的适用范围。

根据《电力工程电气设计手册》中的明确说明：220kV配电装置出线回路数为5回及以上时；或当220kV配电装置，在系统中居重要地位，出线回路数为4回及以上时，应选择双母线接线方式。

本变电所为重要的枢纽变电所，有三个电压等级即：220kV、110kV及10kV。

220kV出线有5回，由于该变电所位于地区网络的枢纽点上，高压侧以交换或接受功率为主，供电给地区的中压侧和附近的低压侧负荷。

全所停电后，将引起地区电网瓦解，影响整个地区供电，所以，该变电所运行可靠性要求相当高。

根据以上分析，可供考虑的方案有双母线接线和双母带旁路接线方式。

技术比较：如果采用双母线接线方式，则当母线出现故障时，须短时切换较多电源和负荷；当检修220kV出线断路器时，会造成出线的停电，从原始资料中可以看出，220kV 侧为闭环运行。

任意一回出线的停电将会造成解裂而开环运行，这样，电流变化很大，设备选择难度大。

这会严重影响变电所运行的可靠性。

为此，必须采用增设旁路母线措施。

《设计手册》说明：当110kV出线为7回线及以上，220kV出线为5回及以上时；或对于在系统中居重要地位的配电装置，110kV出线为6回及以上，220kV出线4回及以上时，一般装设专用旁路断路器。

综合以上分析，所以本变电所220kV侧采用双母带旁路母线接线形式，且装设专用旁路断路器。

2.3.2 110kV的接线方式的确定
由负荷资料可知,110kV出线共10回,其中2回备用。

我们对所给数据进行计算,发现在110kV电压级上的负荷占变电所输出总负荷的大部分,说明要求设计的110kV接线方式
非常重要,从110kV侧负荷资料中,可以看出其各回出线均比较重要。

如石化厂、炼油厂均由两回出线供电，属于一类负荷，是不允许停电的；甲、乙、丙、丁四个县变电站中也占有一部分一类、二类负荷，所以本变电所对110kV接线的可靠性要求也是相当高的。

为使其出线断路器检修时不停电，应采用单母线分段带旁路接线方式或双母线带旁路接线，以保证其供电的可靠性和灵活性。

技术比较：（1）采用单母线带旁路接线方式，其优点是：接线简单清晰，设备少，设备本身故障率小，投资小，年费用低，占地面积相对小一些。

其缺点：当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，将导致一半容量停运；扩建时需向两个方向均衡扩建，而不能任意向一个方向扩建；运行方式相对简单，调度灵活性差。

（2）采用双母带旁路接线方式，其优点为：通过两组母线隔离开关的倒换操作，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。

运行方式比较多，从而运行调度灵活。

扩建时可以向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。

其缺点：投资高，设备数量多，年费用大。

经综合分析，决定采用双母线带旁路接线方式为最终方案，且装设专用旁路断路器。

2.3.3 10kV接线方式的确定
由负荷资料可知，10kV出线共有14回，其中2回备用。

在10kV出线上的负荷占变电所总负荷的比例较小，其中除了水厂是2回线路供电以外，其它均为一回出线供电，不属于一类负荷，要求其可靠性不是很高。

且电压较低，宜采用屋内配电装置，为节省建筑面积，降低造价，一般不设旁路母线。

故经济划算的接线方式初步拟定为单母接线和单母分段接线。

技术比较：单母接线可靠性太低，当母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开它所接的电源；与之相接的所有电力装置，在整个检修期间均需停止工作。

此外，在出线断路器检修期间，必须停止该回路的工作。

而采用单母分段接线，可以提高供电可靠性和灵活性。

对重要用户（如水厂）可以从不同段引出两回出线，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段隔离，保证正常段母线不间断供电，不致使重要用户停电。

故采用单母分段接线形式。

3 主变压器的选择
3.1 主变压器台数的确定
主变台数的确定原则
（1）对大城市郊区的一次变电站，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电站以装设两台主变压器为宜。

（2）对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，在设计时应考虑装设三台主
变压器的可能性。

（3）对于规划只装设两台主变压器的变电站，其变压器基础宜按大于变压器容量的1～2级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。

根据以上确定原则，分析本变电所的情况，可以看出220kV侧与系统构成环网，呈强联系方式，在一种电压等级下，主变应不少于2台。

因此，确定本变电所的主变台数为2台。

3.2 主变压器容量的选择
主变容量的确定原则
（1）主变压器容量一般按变电站建成后5—10年的规划负荷选择，并适当考虑到10—20年的负荷发展。

对于城郊变电站，主变压器容量应与城市规划相结合。

（2）根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。

对于有重要负荷的变电站，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电站，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%—80%。

（3）同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化。

（4）变压器最大负荷按下式确定：
P M≥K0∑P （3—1）其中：K0 为负荷同时系数；
∑P为按负荷等级统计的综合用电负荷。

由《设计计算书》可知本变电所的最终综合用电负荷容量为：S=245.58MVA(考虑10年的负荷规划)考虑变压器正常运行和事故时的过负荷能力，对装两台变压器的变电所，每台变压器额定容量一般按下式选择：
S n=0.6S （3—2）这样，当一台变压器停用时，可保证对60%的负荷供电，考虑到变压器的事故过负荷能力40%，则可保证对84%的负荷供电。

从原始资料分析，本变电所110kV电压等级的负荷中有甲、乙、丙、丁四个县变电站，这其中有相当比例的二类、三类负荷；10kV电压等级负荷也同样如此。

而本变电所重要的一类负荷只有石化厂、炼油厂和水厂，且所占比例不是很大，采用S n=0.6S，完全能够保证本所的重要负荷。

S n
×245580=147348kVA
故根据主变选择原则与要求，选两台主变，型号参数如表3—1所示：
注：由于所用负荷相对于整个综合用电负荷来说，所占比例很小（145350kVA>>84kVA）,故可以不考虑。

3.3 主变压器型式的选择
相数的选择
主变采用三相或单相,主要考虑变压器的制造条件,可靠性要求及运输条件等因素。

当不受运输条件限制时，在330kV及以下的变电所，均应选用三相变压器。

绕组数量的确定
在具有三种电压等级的变电站中，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到该变压器的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时，主变压器宜采用三绕组变压器。

根据设计要求，主变压器选用三绕组变压器。

绕组接线方式的确定
变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接方式只有Y和△，高、中、低三侧绕组如何组合要根据具体工程来确定。

我国110kV及以上电压，变压器绕组都采用Y n连接，35kV亦可采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地。

35kV以下电压，变压器绕组都采用△连接。

从以上原则可以看出，本变电所的主变压器连接方式可选择为 Y N/y n0/d11。

调压方式的选择
对于220kV及以上的降压变压器，仅在电网电压可能有较大变化情况下，采用有载调压方式，一般不宜采用。

当电力系统运行确有需要时，在降压变电所亦可装设单独的调压变压器或串联变压器。

根据设计要求，本变电所采用有载调压方式。

4所用电接线与所用变的设计
4.1 所用电接线的设计
通过对原始资料上关于所用负荷的分析，可知变电所的所用负荷比较小，其可靠性要求不如发电厂高，因此变电所采用380/220中性点直接接地的接线方式（三相四线制）
由《电力工程电气设计手册》中变电所“所用变压器数量及容量选择原则”可知，小型变电所，大多只装一台所用变压器；对大、中型变电所或装有调相机的变电所，通常都装设两台所用变压器。

由于在设计中我们给10kV 母线选择的是单母线分段接线方式，所以两台所用变的电源，可分别从10kV 母线上的不同段引入，即采用单母线分段接线。

在变电所中多采用暗备用方式，即不另设专用的备用变压器，而将每台工作变压器的容量加大。

正常运行时，每台变压器都不在满载状态下运行互为备用状态，当任一台工作变压器因故障而被迫停运后，所用负荷由完好的所用变压器承担。

4.2 所用变台数及容量选择
所用变压器的台数
在所用电接线形式的设计中，已经分析出，所用变压器的台数为2台。

所用变压器容量的确定
所用负荷的计算采用“换算系数法”，按下式运算：
S=∑(KP) （4—1） 由于该所用负荷容量均很小，故K=0.8（参照《发电厂电气部分》P 73表3-4）
计算功率P ，应根据负荷的运行方式及特点确定：
（1）对经常、连续运行的设备和连续而不经常运行的设备，即连续运行的电动机均应全部计入，按下式计算：
P=P N （4—2） （2）对经常短时及经常断续运行的电动机应按下式计算：
P N （4—3） （3）对不经常短时及不经常断续运行的设备，一般可不予计算：
P=0 （4—4）
（4）对照明负荷为：
P=K d P i （4—5）
式中K d ——
P i ——安装容量（kW ） 按以上原则，所用计算功率： ∑×2×××22+1.7+1+1+20+10=105kW 所用计算负荷S=K ∑×105=84kVA 所用变压器的容量： N t
S
S 2K
（4—6） 式中 S —各段上的所用计算负荷，假设所有的所用负荷平均分配在两段母线上，则两段
计算负荷为1
S 2
；
K t —温度修正系数，一般对装于屋外或由屋外进风小间内的变压器均可取K t =1。

因此，所用变压器每台的容量为：N 84
S =42kVA 21≥
⨯ 所用变压器型号的选择
由于所用变压器连接10kV 、380V 两个电压等级，因此采用双绕组变压器，其型号参数如表4—1所示：
5 短路电流计算
5.1 短路电流计算的目的
（1）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，能安全可靠地工作。

同时，又力求节约资金，这需要进行全面的短路计算。

（2）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，均需要进行必要的短路电流计算。

（3）在设计屋外配电装置时，需按短路条件校验相间和相对地安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

（5）接地装置的设计，也需要短路电流。

5.2 短路电流计算条件
为使所选电器具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作验算用的短路电流应按下列条件确定：
（1）容量和接线：按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为本工程建成后的5—10年），其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式。

（2）短路种类：一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。

（3）正常工作时，三相系统对称运行。

（4）所有电源的电动势相位角相同。

（5）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发
生变化。

（6）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

（7）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

（8）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。

（9）输电线路的电容略去不计。

5.3 短路点的确定
计算短路点应选择在正常接线方式时，短路电流为最大的点。

比如变压器回路的断路器，应比较断路器前后短路时通过该断路器的电流值；母联断路器则应考虑母联断路器向备用母线充电时，备用母线故障，流过母联断路器的电流值。

本变电所有三个电压等级，220kV、110kV侧为了检修、维护的方便，一般情况下，同一电压等级的所有断路器均选择同一型号。

10kV电压级的断路器选择则有所区别。

由于10kV两段母线所带负荷基本相同，且所用变互为备用，不存在两段10kV母线并列运行的可能性，两段的短路电流可近似认为相等，故出线处的短路电流可认为是变压器回路10kV 侧的2倍。

故取如下三个短路点（见图5—1）：
10kV 110kV
220kV
32
1
d d
d
图5—1 短路点
5.4 计算方法
（1）本所的最大运行方式为两台主变并列运行，此时阻抗最小；最小运行方式为单台主变运行，此时阻抗最大。

（2）本所的短路计算为近似计算，220kV侧系统可近似看成无穷大系统，而110kV、10kV侧正常情况下不接外来电源，所以d1、d2、d3短路时，该侧提供的短路电源可以忽略不计。

（3）计算时，基准容量取100MVA，基准电压取各级平均额定电压，即220kV侧取230kV，110kV侧取115kV，10kV侧取10.5kV。

（4）计算项目：三相短路电流、冲击电流、全电流（具体计算过程详见设计计算书）。

（5）短路电流计算结果（见表4—1）：
表4—1 短路电流
6 高压电器设备选择说明
6.1 电器选择的一般要求
高压电器设备选择的一般原则
（1）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要；
（2）应按当地环境条件校验；
（3）应力求技术先进和经济合理；
（4）同类设备应尽量减少品种；
（5）扩建工程应尽量使新老电气设备型号一致；
（6）与整个工程的建设标准应协调一致；
（7）选用的新产品均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。

在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经上级批准。

6.2 电器设备选择的技术条件
按正常工作条件选择电器
（1）额定电压和最高工作电压
电器所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电器允许最高工作电压U alm不得低于所接电网的最高运行电压U sm，即
U alm≥U sm (6—1) （2）额定电流
电器的额定电流I N是指在额定周围环境温度下，电器的长期允许电流。

I N应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流I max，即
I N≥I max（6—2）
由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的I max 为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍。

（3）按当地环境条件校核
在选择电器时，还应考虑电器安装地点的环境（尤须注意小环境）条件，当气温、风速、温度、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件
时，应采取措施。

例如：当地区海拔超过制造部门的规定时，由于大气压力、空气密度和温度相应减少，使空气间隙和外绝缘的放电特性下降，一般当海拔在1000—3500m范围内，若海拔比厂家规定值每升高100m，则电器允许最高工作电压下降1%。

当最高工作电压不能满足要求时，应采用高原型电器，或采用外绝缘提高一级的产品。

对于110kV及以下电器，由于外绝缘裕度较大，可在海拔2000m以下使用。

短路稳定条件
（1）校验的一般原则
电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验。

校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况校验。

用熔断器保护的电器可不验算热稳定。

当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定。

用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。

（2）短路的热稳定条件
Q d≤I t2t (6—3) 式中 Q d—在计算时间t js秒内，短路电流产生的热效应；
I t—t秒内设备允许通过的短时热电流；
t—设备允许通过的热稳定电流时间。

校验短路热稳定所用的计算时间t js按下式计算：
t js=t b+t d (6—4) 式中 t b—继电保护装置后备保护动作时间；
t d—断路器的全分闸时间。

（3）短路的动稳定条件
i es≥i sh (6—5)
I es≥I sh (6—6) 式中 i es、I es—电器允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值；
i sh、I sh—短路冲击电流幅值及其有效值。

6.3 高压断路器的选择说明
（1）额定电压选择：
U N≥U NS（6—7）（2）额定电流选择：
I N≥I gmax（6—8）
（3）开断电流选择：
I Nbr≥I pt或I Nbr≥I＇＇（6—9）式中 I Nbr—高压断路器的额定开断电流；
I pt—实际开断瞬间的短路电流周期分量（有效值）；
I＇＇—次暂态电流。

（4）短路关合电流的选择：
i Ncl≥i sh（6—10）式中i Ncl—断路器的额定关合电流；
i sh—短路电流最大冲击值。

（5）热稳定校验：
I2t t≥Ｑk （6—11）（6）动稳定校验：
i es≥i sh（6—12）
（7）断路器选择结果（见表6—1）：
表6—1 断路器参数
注：因主变10kV侧的实际负荷远小于它的额定负荷，所以它的实际持续工作电流远小于计算值，I N选为3150A足以满足要求。

6.4 隔离开关的选择说明
（1）额定电压选择：
U N≥U NS（6—13）（2）额定电流选择：
I N≥I gmax（6—14）
（3）动稳定校验：
i es≥i sh （6—15）
（4）热稳定校验：
I2t t≥Ｑk（6—16）
（5）隔离开关选择结果（见表6—2）：
表6—2 隔离开关参数
6.5 接地刀选择
为了保证电器和母线的检修安全，每段母线上宜装设1—2组接地闸刀或接地器；63kV 及以上QF两侧的隔离开关和线路隔离开关的线路侧，宜配置接地闸刀。

应尽量选用一侧或两侧带接地闸刀的隔离开关。

安装单柱隔离开关时，一般在主母线侧需配以单独的接地器。

对于35kV及以上隔离开关的接地闸刀，应根据其安装处的短路电流进行动、热稳定校验。

接地闸刀允许通过的热稳定电流，不一定与主闸刀的额定电流相同，校验时应向制造部门查询接地闸刀的允许数值。

根据以上的配置原则，本所220kV、110kV电压级的QF两侧均选用带接地刀的隔离开关；各级母线、旁母均设专用的接地刀，110kV旁路母线还设有熔冰刀闸（与接地闸刀共用）；此外，变压器中性点也需设接地刀闸。

专用接地刀选择如下：
6.6 电流互感器的选择说明
（1）一次回路额定电压和电流的选择：
U N≥U Ns （6—17）
I N≥I max （6—18）
式中I N、U N—电流互感器一次回路额定电压和电流；
U Ns—安装地点的电网电压；
I max—流过电流互感器的长期最大工作电流。

（2）二次额定电流的选择：
弱电系统用其1A，强电系统用5A。

（3）电流互感器准确级别和额定容量的选择：
为了保证测量仪表的准确度，互感器准确级不得低于所供测量仪表的准确级；而为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接负荷S2不大于该准确级额定容量S N2即 S N2≥S2=I N22Z2l （6—19） Z2l=r a+r l+r re+r e （6—20）式中 r a—仪表电流线圈电阻；
r re—继电器电阻；
r l—连接导线电阻；
r e—接触电阻。

（4）种类和型式的选择
在选择互感器时，应根据安装地点（如屋外、屋内）和安装方式（如穿墙式、支持式、装入式）选择其型式。

选用母线型时应注意校核窗口尺寸。

（5）热稳定和动稳定校验：
热稳定：
I t2≥Q k或(K t I N1)2≥Q k (t=1) （6—21）
内部动稳定：
i es≥i sh N1K es≥i sh （6—22）
外部动稳定：
F al≥××10-7i sh2L/a （6—23）
式中 F al—作用于电流互器瓷帽端部的允许力；
L—电流互感器出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距。

（6）电流互感器选择结果（见表6—4）：。