变电站(所)电气一次部分设计(发电厂电气部分课程设计)

课程论文
变电站（所）电气一次部分设计
课程名称：发电厂电气部分课程设计专业：电气工程及其自动化
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目录
第一部分变电站（所）电气一次部分设计说明书
第一章设计要求 (2)
第二章电气主接线的设计 (3)
第三章主变压器选择 (7)
第四章站用电设计 (9)
第五章高压电气设备的选择 (11)
第六章防雷及过电压保护装置设计 (20)
第二部分变电站（所）电气一次部分设计计算书
第一章负荷计算 (25)
第二章短路电流计算 (27)
第三章电气设备校验计算 (32)
第四章防雷保护计算 (39)
附录 (40)
变电站（所）电气一次部分设计
第一部分
设计说明书
第一章：设计要求
1.1 任务书
1.1.1 地区电网的特点
本地区变电站通过三回线（架空线50km）从系统获取电能，每回架空线的单位长度等值电抗=0.5欧/km
1.1.2建站规模
变电站类型：220kV变电工程
电压等级：220kV 、110kV、35kV
出线回数及传输容量
电压负荷
名称
每回最大负
荷（KW）
功率因数回路数供电方式
线路长度
（km）
110KV 区变1 7000 0.9 1 架空15 区变2 6300 0.88 2 架空7 A区3000 0.9 1 架空10 备用 2
35KV 乡区变1000 0.9 3 架空 5 糖厂1000 0.88 1 架空 4 加工厂700 0.9 1 架空 5 矿场1000 0.89 2 架空10 材料厂800 0.9 2 架空 2 备用 2
1.1.3 环境条件
变电所位于某城市，地势平坦，交通便利，空气较清洁，区平均海拔300米，最高气温36℃，最低气温-18℃，年平均雷电日45日/年，土壤电阻率高达800 .M 1.1.4电气主接线要求
尽量考虑设置熔冰措施
1.1.5短路阻抗
系统作无穷大电源考虑
1.2 任务书分析
因为变电站在城市，交通便利，平均海拔较低，故不用担心大型设备的运输问题。

但是由于在气温较低的地区，故出于安全考虑，主接线尽量使用双母线接线。

该变电站在多雷区，对防雷措施也应到位。

第二章：电气主接线的设计
2.1 概述
电气主接线又称为电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。

它代表了变电站高电压、大电流的电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。

它直接影响电力运行的可靠性、灵活性，同时对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式等诸多方面都有决定性的关系。

因此，主接线设计必须经过技术与经济的充分论证比较，综合考虑各个方面的影响因素，最终得到实际工程确认的最佳方案。

电气主接线的设计应满足可靠性、灵活性和经济性这三个基本要求。

1.可靠性
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。

但电气主接线的可靠性不是绝对的，要综合考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。

不过通常要满足以下几个方面的要求。

（1）断路器检修时，不宜影响对系统供电；
（2）线路、断路器或母线故障时，以及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运出线回路数和停电时间，并能保证对全部I类及全部或大部分II类用户的供电；
（3）尽量避免变电站全部停电的可能性；
（4）大型机组突然停运时，不应危及电力系统稳定运行。

2.灵活性
灵活性指电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。

灵活性包括以下几个方面。

（1）操作的方便性。

电气主接线应该在服从可靠性的基本要求条件下，接线简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。

（2）调度的方便性。

电气主接线在正常运行时，要能根据调度要求，方便地改变运行方式。

并且在发生事故时，要能尽快地切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。

（3）扩建的方便性。

对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。

设计时不仅要考虑最终接线的实现，还要考虑到从初期接线过渡到最终接线的可能和分阶段施工的可行方案，使其尽可能地不影响连续供电或在停电时间最短的情况下，将来可顺利完成过渡方案的实施，使改造工作量最少。

3. 经济性
在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。

通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。

经济性主要从以下几方面考虑。

（1）节省一次投资。

主接线应简单清晰，并要适当采用限制短路电流的措施，以节省开关电器数量、选用价廉的电器或轻型电器，以便降低投资。

（2）占地面积少。

主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽可能使占地面积少；同时应注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。

对大容量发电厂或变电站，在可能和允许条件下采取一次设计，分期投资、投建，尽快发挥经济效益。

（3）电能损耗少。

在发电厂或变电站中，电能损耗主要来自变压器，应经济合理地选择变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。

电气主接线的接线形式以电源和出线为主体。

为了便于电能的汇集于分配，在进出线较多时（一般超过4回），采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，有利于安装和扩建。

2.2 接线方式选择
考虑本变电站所处的地理位置和负荷性质的要求，初步确定以下两个方案：
方案一：220KV侧采用单母线分段接线，110KV侧采用双母线接线，35KV侧采用双母线接线。

方案二：220KV侧采用双母线接线，110KV侧采用双母线带专用旁路断路器的旁路母线接线，35KV侧采用双母线接线。

2.2.1 方案一分析
220KV侧采用单母线分段接线。

优点：经济，并具有一定的可靠性和灵活性，对于重要负荷能同时从两段母线引出两回路进行供电，当一段母线故障时，可通过分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段的不间断供电，不致使重要负荷停电；
缺点：一段母线中任何一个母线隔离开关出线故障将会导致所在母线段所有回路全部停电，重要负荷的两条回路必须交叉布置，扩建须向两端均衡扩建。

110KV和35KV侧采用双母线接线
优点：供电可靠，调度灵活，扩建方便。

缺点：经济性较差。

该方案主接线图如下所示：
110KV母线
35KV母线
220KV母线
2.2.2 方案二分析
220KV 和35KV 侧采用双母线接线
优点：供电可靠，调度灵活，扩建方便。

缺点：经济性较差。

110KV 侧采用双母线带专用旁路断路器的旁路母线接线
优点：供电可靠，调度灵活，扩建方便，检修出线断路器时回路能不间断供电。

缺点：经济性较差，操作复杂。

该方案主接线图如下所示：
220KV 母线 110KV 母线 35KV 母线 110KV 旁路母线
2.3 接线方式的确定
两种方案进行比较：
220KV侧采用单母线分段时，占地面积较小，也较之双母线减少母线的长度和隔离开关的数量，但是单母线分段在母线隔离开关检修时和进行融冰时必须将该段停电，这样将所有负荷转移到一台主变上，若检修时间比较长，则将对系统的可靠性造成极大的挑战。

双母线虽然占地面积较大，投资也较高，但其供电可靠性和扩建便利性，对于本变电站承担较多I类和II类负荷而言是极其必须的。

通过上述比较，220KV侧最终确定采用双母线接线形式。

110KV侧采用双母线带专用旁路断路器的旁路母线接线则可以保证在检修出线断路器时不会造成该回路停电，对于本站的110KV侧作为其他区变的电源而言，这样更能保证其他区域变电站的供电可靠性。

通过上述比较，110KV侧最终确定采用双母线带专用旁路断路器的旁路母线接线。

由于35KV侧的负载有较多的I类负荷，同时也是站用电的供电侧，其重要性不言而喻，为保证其供电可靠性，35KV侧也采用双母线接线。

第三章：主变压器选择
3.1 概述
在变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器称为主变压器。

主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。

它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统5~10年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。

若变压器容量选得过大、台数过多，不仅增加投资、增大占地面积，而且也增加了运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得过小，将可能“封锁”发电机剩余功率的传输或者满足不了变电站负荷的需求。

对于重要变电站，需考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在记及过负荷能力允许时间内，应满足I类和II类负荷的供电；对于一般性变电站，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的70%~80%。

本变电站属于一般性变电站，故当一台变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部符合的70%~80%。

3.2 主变压器技术参数的确定
3.2.1 台数
根据任务书可知，本变电站是220KV降压变电站，它是以把220KV侧接受的功率通过主变压器传输到110KV和35KV母线上。

若全站停电后，则导致110KV侧下一级区变和35KV 侧下一级乡区变和它们所涉及的电网瓦解，影响非常大。

因此在选择主变压器台数时，着重考虑确保其供电可靠性。

为了保证其供电可靠性，避免当一台主变压器故障或检修时影响供电，变电站一般装设两台主变压器。

当装设三台及三台以上时，变电站的可靠性虽然提高，但是会增加中压侧引线的架构，造成布置的复杂和困难，同时也增大了一次性投资和运行投资。

因此本变电站选择两台主变压器互为备用，在保证供电可靠性的同时也兼顾经济性。

3.2.2 相数
当不受运输条件限制时，330KV以下的电力系统一般都选择三相变压器，本变电站位于城市，地势平坦，交通便利，故选用三相变压器。

3.2.3 绕组数与结构
本变电站具有三种电压等级，如果通过变压器的各侧绕组的功率均达到该变压器额定容量的15%及以上，则宜采用三绕组变压器。

综合考虑到运行维护和操作的难易程度以及占地面积等因素，本变电站选择三绕组变压器。

按电磁结构分为普通三绕组变压器、自耦变压器以及低压绕组分裂式变压器。

（1）普通三绕组变压器。

价格在自耦变压器和低压绕组分裂式变压器之间，安装及调试灵活。

分为无激磁调压和有载调压两种，能满足各个系统的电压波动，供电可靠性也高。

（2）自耦变压器。

造价低，损耗小，效率高。

它的最大传输功率受到串联绕组容量限制，自耦变压器除具有磁的联系外，还有电的联系，所以当某侧发生过电压时，有可能通过串联绕组进入公共绕组，使其它绝缘受到危害。

同时电压波动不已过大，自耦变压器限制短路电流的效果也很差。

（3）低压绕组分裂式变压器。

低压绕组分裂式变压器价格约比普通三绕组变压器价格高20%，低压绕组分裂式变压器的短路阻抗较大，当低压侧绕组产生接地故障时，很大的电流向一侧绕组流去，会在分裂变压器铁心中失去磁势平衡，在轴向上产生巨大的短路机械应力；同时低压绕组分裂式变压器对两端低压母线供电时，如果两端负荷不想等，两端母线上
的电压也不想等，损耗也就增大，故低压绕组分裂式变压器适用于两端供电负荷均衡又需要限制短路电流的供电系统。

综上所述，本变电站采用普通三绕组变压器。

3.2.4 绕组联结组号
变压器三相绕组的联结组号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联结方式只有星形和三角形两种。

全星形接线变压器用于中性点不接地系统时，三次谐波无通路，将引起正弦波电压畸变，并对通信设备发生干扰，同时对继电保护整定的准确度和灵敏度均有影响。

在我国，全星形接线变压器均为自耦变压器。

考虑系统或机组的同步并列要求以及限制三次谐波对电源的影响等因素，主变压器联结组号一般都选用YNd11常规接线。

故本变电站采用YNd11常规接线。

3.2.5 调压方式
为保证变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内。

通过变压器的分接头开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。

切换方式有两种，一种是不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在±2⨯2.5%以内。

另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30%，其结构较复杂，价格较贵，只在一下情况下才予以选用。

（1）接于输出功率变化大的发电厂的主变压器，特别是潮流方向不固定，且要求变压器二次电压维持在一定水平时。

（2）接于时而为送端、时而为受端、具有可逆工作特点的联络变压器，为保证供电质量，要求母线电压恒定时。

由于本变电站的潮流方向固定，电压波动范围不大，故选用无激磁调压方式。

3.2.6 冷却方式
主变压器的冷却方式随其型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。

容量在31.5MV.A及以上的大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却，在水源充足的情况下，为压缩占地面积，也可采用强迫油循环水冷却。

由于本变电所位于城市，城市用水需求较多，故水源不一定充足。

再加上通过负荷计算得知，本变电站的主变压器的容量高于31.5MV.A，因此采用强迫油循环风冷却的冷却方式。

3.2.7 容量
根据计算书中的负荷计算所得
S max=S∑+S站=34995.77KVA
S主=（70%~80%）S MAX=24497.04~27996.62KVA
考虑未来五年规划，增长率按每年7%计算，则单台变压器容量为
S=S主⨯1.075^5=39266.7KVA
3.2.8 型号
根据以上条件可选择主变压器型号为OSFPS7-45000/220
查表可得主变压器的具体参数如下：
额定容量KVA
额定电压KV 空载
电
流%
空载
损耗
KW
负载损耗KW 阻抗电压%
高压中压低压高-中高-低中-低高-中高-低中-低
45000 220±2
⨯2.5121 38.5
0.19 41 245 8.2 31 21
第四章：站用电设计
4.1 概述
变电站的主要站用电是变压器冷却装置，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，对500KV变电站，还包括高压断路器和隔离开关的操作机构电源。

尽管这些负荷的容量并不太大，但出于运行安全的考虑，其站用电系统必须具有高度的可靠性。

小型变电站大多只装一台站用变压器，从变压站低压母线上引接，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有调相机的变电站，通常都装设两台站用变压器，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（即自动空气开关）进行分段，并以低压成套配电装置供电。

500KV变电站必须专设两台或两台以上的站用工作变压器。

当有可靠的外接电源时，一般设置一台与站用工作变压器容量相同的备用变压器作为备用电源；当无可靠的外接电源时，可设一台自启动的柴油发电机组作为备用电源，其容量应至少满足主变压器的冷却装置负荷和断路器及隔离开关的操动机构电源的需要。

当变电站设置站用备用变压器时，一般均装设备用电源自动投入装置，以保证工作变压器因故退出运行时备用变压器能自动投入运行。

4.2 站用变压器台数及容量选择
4.2.1 台数
本变电站属于中型变电站，又因为采用了两台装有强迫油循环风冷却的主变压器，出于可靠性的考虑，站用变压器应采用两台，且互为备用，即当一台站用变压器停运时，另一台的容量应承担全部负荷的功率输出。

4.2.2 容量
站用电电压为380V，容量为全部负荷的0.5%，根据计算书中的负荷计算可知
S∑=34821.65KVA
则S站=0.5%S∑=174.12KVA
考虑未来五年规划，按增长率每年为7%计算，则
S=S站×1.07^5=244.2KVA
由于主变压器的容量选择实际已经满足未来七年的规划，因此站用变压器的容量选择也同步考虑七年规划，即
S=S站×1.07^7=280.56KVA
4.2.3 型号
根据以上条件可选择站用变压器型号为S7-315/35
查表可得该变压器的具体参数如下所示
额定容量
KVA
额定电压KV 阻抗电
压%
连接组标
号
损耗W 空载电
流% 高压低压空载短路
315 35 0.4 6.5 Yyn0 760 5300 2.2
4.3 站用电接线图
380KV 母线
35KV 母线
第五章：高压电气设备的选择
5.1 概述
导体和电气设备选择是电气设计的主要内容之一。

尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样，具体的选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。

电气设备要能可靠地工作必须按照正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

同时，在根据工程实际情况和保证安全、可靠的前提下，积极稳妥地采用新技术，并兼顾经济性。

电气设备的选择一般满足以下要求。

（1）正常工作状态下的电压和电流的要求；
（2）安装地点和使用环境条件要求；
（3）短路条件下的热稳定和动稳定的要求；
（4）考虑操作的频繁程度和开断负荷的性质；
（5）对电流互感器的选择应按其负载确定准确级别；
（6）力求先进和经济合理；
（7）选择导体时尽量减少品种；
（8）选用的新品，均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。

高压一次设备的选择检验项目和条件如下表所示
电气设备名称电压KV 电流A 断流能力KA
或MVA 短路电流校验
动稳定度热稳定度
高压熔断器必须校验必须校验必须校验不必校验不必校验高压隔离开关必须校验必须校验不必校验必须校验必须校验高压断路器必须校验必须校验必须校验必须校验必须校验电流互感器必须校验必须校验不必校验必须校验必须校验电压互感器必须校验不必校验不必校验不必校验不必校验母线不必校验必须校验不必校验必须校验必须校验
选择校验的条件设备的额
定电压应
不小于装
置地点的
额定电压
或最高电
压（若设备
额定电压
按最高工
作电压表
示）
设备的额定
电流应不小
于通过设备
的计算电流
设备的最大
开断电流（或
功率）应不小
于它可能开
断的最大电
流（或功率）
按三相短路
冲击电流校
验
按三相短路
稳态电流或
短路发热假
想时间校验
5.2 高压断路器的选择
5.2.1 一般原则
高压断路器主要功能是正常运行时倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，起保护作用。

（1）种类和型式选择。

根据断路器采用的灭弧介质可分为油断路器（多油、少油）、压缩空气断路器、SF 6断路器、真空断路器等。

多油断路器的油同时兼做灭弧介质和带电体与不带电体之间的绝缘介质，耗油量大，现已淘汰；少油断路器的油只作灭弧和触头间弧隙的绝缘介质，油量少，占地少，价廉，已有长期运行经验，当前在110~220KV 电压等级的配电装置中仍占有一席之地；压缩空气断路器采用压缩空气作为灭弧介质，具有大容量下开断能力强及开断时间短的特点，但结构复杂、尚需配置压缩空气装置，价格较贵，而且合闸时排气噪音大，所以主要用在220KV 及以上电压的屋外配电装置；SF 6断路器采用不可燃和有优良绝缘与灭弧性能的SF 6气体作灭弧介质，具有优良的开断性能。

SF 6断路器运行可靠性高，维护工作量少，故适用于各电压等级，特别在220KV 及以上配电装置中得到最广泛的运用；真空断路器利用真空的高介质强度灭弧，具有灭弧时间快，低噪音，高寿命及可频繁操作的优点，已在35KV 及以下配电装置中获得最广泛的采用。

由于本电站位于城市，应尽量减少占地面积，因此采用占地面积较少，物美价廉且具有长期运行经验的少油断路器。

（2）额定电压和额定电流的选择
高压断路器的额定电压和额定电流选择需满足： U N ≥ U SN ，I N ≥ I max
式中：U N 、U SN 分别为断路器和电网的额定电压（KV ）；I N 、I max 分别为断路器的额定电流和电网的最大负荷电流（A ），av
N
ax U S 305
.1I m （3）开断电流选择
高压断路器的额定开断电流I Nbr 是指在额定电压下能保证正常开断的最大断路电流，它是表征高压断路器开断能力的重要参数。

高压断路器开断电流不能超过极限开断电流。

一般中小型变电站采用中、慢速断路器，开断时间较长（≥ 0.1），短路电流非周期分量衰减较多，可不计入非周期分量影响，采用起始次暂态电流I ”校验，即
I Nbr ≥ I ”
在枢纽变电站使用快速保护和高速断路器，其开断时间小于0.1s ，当在电源附近断路时，短路电流的非周期分量可能超多周期分量的20%，需要用短路开断计算时间对应的短路全电流I K ’进行校验，即
I Nbr ≥ I k ’
本变电站由于重要负荷较多，因此采用快速保护和高速断路器，因此校验条件为I Nbr ≧I k ’ （4）短路关合电流的选择
在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在为接触时即有巨大的短路电流通过（预计穿），更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏，且在断路器在关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电流是断路器的重要参数之一。

为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定短路关合电流i Ncl 不应小于短路电流最大冲击值i sh ，即
i Ncl ≥ i sh
（5）短路热稳定和动稳定校验 校验式为
I t 2t ≥ Q k ，i es ≥ i sh
5.2.2.1 220KV 侧断路器选择 型号 额定电压KV 最高工作电压KV 额定电流A 额定开断
电流KA 动稳定电流峰值KA 4s 热稳定电流KA 固有分闸时间s SW6-220
220
252
1250
31.5
53
16
0.04
5.2.2.2 110KV 侧断路器选择 型号 额定电压KV 最高工作电压KV 额定电流A 额定开断电流KA 短路关合电流KA 动稳定电流峰值KA 4s 热稳定电流KA 固有分闸时间s SW6-110
220
126
1250
16
41
41
16
0.04
5.2.2.3 35KV 侧断路器选择 型号 额定电压KV 最高工作电压KV 额定电流A 额定开断
电流KA 动稳定电流峰值KA 4s 热稳定电流KA 固有分闸时间s SW2-35 35
40.5
1000
16.5
1000
16.6
0.06
5.3 隔离开关的选择
5.3.1 一般原则
隔离开关也是变电站中常用的开关电气设备，一般配有电动及手动操动机构，单相或三相操作，它需与断路器配套使用。

但隔离开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。

隔离开关的工作特点是在有电压、无负荷电流情况下分、合线路。

其主要功能有隔离电压、倒闸操作和分合小电流。

（1）型式的选择 隔离开关的型式较多，按安装地点不同可分为屋内式和屋外式，按绝缘支柱数目又可分为单柱式、双柱式和三柱式，此外还有V 形隔离开关。

它对配电装置和占地面积有很大的影响，选型时应根据配电装置特点和使用要求以及技术经济条件来确定。

本变电站根据电压等级的不同选用了不同型式的隔离开关，220KV 侧采用三柱式水平双断口式，110KV 和35KV 侧则采用占地面积较小的双柱水平开户式。

（2）额定电压和额定电流的选择
隔离开关的额定电压和额定电流选择需满足： U N ≥ U SN ，I N ≥ I max
式中：U N 、U SN 分别为隔离开关和电网的额定电压（KV ）；I N 、I max 分别为断路器的额定电流和电网的最大负荷电流（A ），av
N
ax U S 305.1I m （3）短路热稳定和动稳定校验 校验式为
I t 2t ≥ Q k ，i es ≥ i sh。