220kV区域变电所电气设计说明.docx
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220kV区域变电所电气设计说明
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220kV区域变电所电气部分设计
第一部分设计说明
前言……1第一章电气主接线选择……2第一节概述……2第二节主接线的接线方式选择……3主变压器容量、第二章主变压器容量、台数与形式的选择……4第一节概述……4第二节主变压器台数的选择……4第三节主变压器容量的选择……5第四节主变压器型式的选择……5第三章短路电流计算……7第一节概述……7第二节短路计算的目的与假设……7第四章电气设备的选择……8第一节概述……8第二节断路器的选择……10第三节隔离开关的选择……10第四节高压熔断器的选择……11第五节互感器的选择……11第六节母线的选择……14第七节支持绝缘子与穿墙套管的选择……15第八节限流电抗器的选择……16第五章电气总平面布置与配电装置的选择……17第一节概述……17第二节高压配电装置的选择……18第六章继电保护配置规划……20第七章防雷设计规划……21第一节概述……21第二节防雷保护的设计……21第三节主变中性点放电间隙保护……22
第二部分第二部分
设计计算
第八章主接线比较选择……22方案一……23方案二……23方案三……24第九章主变容量的确定计算……25第十章短路计算……26第十一章电气设备选择计算……30第一节断路器选择计算……30第二节隔离开关选择计算……33第三节220kV、110kV主母线与主变低压侧母线桥导体选择计算……35
第四节10kV最大一回负荷出线电缆……37第五节支持绝缘子与穿墙套管的选择……38第六节限流电抗器……39第七节10kv出线电流互感器选择计算……40第八节10KV电压互感器选择……41第十二章继电保护规划设计……41第一节变电所主变保护的配置……41第二节220KV、110KV、10KV线路保护部分……42第十三章避雷器参数计算与选择……42第十四章参考资料……44
前言
本设计为华南理工大学2003级电气工程与自动化专业的电力系统课程设计，设计题目为：
220kV220kV220区域变电所电气部分设计。
区域变电所电气部分设计此设计任务旨在体现我们对专业课程知识的掌握程度，培养我们对本专业课程知识的综合运用能力。
一、设计任务：
根据电力系统规划需新建一座220kV区域变电所。
该所建成后与110kV和220kV电网相连，并供给近区用户供电。
二、原始资料1、按规划要求，该所有220kV、110kV和10kV三个电压等级。
220kV出线6回（其中备用2回），110kV出线10回（其中备用2回），10kV出线12回（其中备用2回）。
变电所还安装两台30MVA调相机以满足系统调压要求。
2、110kV侧有两回出线供给远方大型冶炼厂，其容量为80000kVA，其他作为一些地区变电所进线，最大负荷与最小负荷之比为0.6。
10kV侧总负荷为35000kVA，ⅠⅡ类用户占60%，最大一回出线负荷为2500kVA，最大负荷与最小负荷之比为0.65。
3、各级电压侧功率因数和最大负荷利用小时数为：
220kV侧110kV侧10kV侧
cos?
=0.9cos?
=0.85cos?
=0.8
Tmax=3600小时/年Tmax=4600小时/年Tmax=4000小时/年
4、220kV和110kV侧出线主保护为瞬时动作，后备保护时间为0.15s，10kV出线过流保护时间为2s,断路器燃弧时间按0.05s考虑。
5、系统阻抗：
220kV侧电源近似为无穷大系统，归算至本所220kV母线侧阻抗为0.015（Sj=100MVA），。
110kV侧电源容量为500MVA，归算至本所110kV母线侧阻抗为0.36（Sj=100MVA）°°°°6、该地区最热月平均温度为28C，年平均气温16C，绝对最高气温为40C，土壤温度为18C。
7、该变电所位于市郊生荒土地上，地势平坦、交通便利、环境无污染。
三、设计容与要求：
1、主接线设计：
分析原始资料，根据任务书的要求拟出各级电压母线接线方式，选择变压器型式与连接方式，通过技术经济比较选择主接线最优方案。
2、短路电流计算：
根据所确定的主接线方案，选择适当的计算短路点计算短路电流并列表表示出短路电流计算结果。
3、主要电气设备选择：
（a）选择220kV主变侧、110kV侧最大一回负荷出线与110kV主变侧的断路器与隔离刀闸。
（b）选择220kV、110kV主母线与主变低压侧母线桥导体。
（c）选择220kV主母线的支持绝缘子与穿墙套管。
（d）选择限流电抗器（如有必要装设）与10kV最大一回负荷出线电缆。
（e）选择10kV主母线电压互感器。
（f）选择10kV出线电流互感器。
4、电气设备配置
1
（a）各电压等级电压互感器配置。
（b）各回路电流互感器配置。
5、其它设计（a）进行继电保护的规划设计。
（b）进行防雷保护的规划设计。
（c）220kV高压配电装置设计。
四、设计成果1、编制设计说明书。
2、编制设计计算书。
3、绘图若干。
（a）绘制变电所电气主接线图。
（b）绘制220kV或110kV高压配电装置平面布置图。
*（c）绘制220kV或110kV高压配电装置断面图（进线或出线）。
*（d）绘制继电保护装置规划图。
第一章电气主接线选择
第一节概述
主接线是变电所电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体与变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置、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关系。
我国《变电所设计技术规程》SDJ2-79规定：
变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点与负荷性质等条件确定，并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求，便于扩建。
一、可靠性：
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求。
1、主接线可靠性的具体要求：
（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电；
（2）断路器或母线故障以与母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对一级负荷全部和大部分二级负荷的供电；（3）尽量避免变电所全部停运的可靠性。
二、灵活性：
主接线应满足在调度、检修与扩建时的灵活性。
（1）为了调度的目的，可以灵活地操作，投入或切除某些变压器与线路，调配电源和负荷能够满足系统在事故运行方式，检修方式以与特殊运行方式下的调度要求；
（2）为了检修的目的：
可以方便地停运断路器，母线与继电保护设备，进行安全检修，而不致影响电力网的运行或停止对用户的供电；（3）为了扩建的目的：
可以容易地从初期过渡到其最终接线，使在扩建过渡时，无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。
2
三、经济性：
主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。
（1）投资省：
主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备的投资，要能使控制保宜，便于屏安装。
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2）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。
电流互感器的特点：
1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测量电路的负荷，而与二次电流大小无关；2）电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。
电压互感器的特点：
1）容量很小，类似于一台小容量变压器，但结构上需要有较高的安全系数；2）二次侧所接测量仪表和继电器电压线圈阻抗很大，互感器近似于空载状态运行，即开路状态。
互感器的配置：
1）为满足测量和保护装置的需要，在变压器、出线、母线分段与所有断路器回路中均装设电流互感器；2）在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，如：
发电机和变压器的中性点；3）对直接接地系统，一般按三相配制。
对三相直接接地系统，依其要求按两相或三相配制；4）6－220KV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感器；5）当需要监视和检测线路有关电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。
一、电流互感器的选择1、电流互感器由于本身存在励磁损耗和磁饱和的影响，使一次电流I1与-I′2在数值和相位上都有差异，即测量结果有误差，所以选择电流互感器应根据测量时误差的大小和准确度来选择。
2、电流互感器10%误差曲线：
是对保护级（BlQ）电流互感器的要求与测量级电流互感器有所不同。
对测量级电流互感器的要在正常工作围有较高的准确级，而当其通过故障电流时则希望早已饱和，以便保护仪表不受短路电流的损害，保护级电流互感器主要在系统短路时工作，因此准确级要求不高，在可能出现短路电流围误差限制不超过-10%。
电流互感器的10%误差曲线就是在保证电流互感器误差不超过-10%的条件下，一次电流的倍数入与电流互感器允许最大二次负载阻抗Z2f关系曲线。
3、额定容量为保证互感器的准确级，其二次侧所接负荷S2应不大于该准确级所规定的额定容量Se2。
即：
Se2≥S2=Ie2z2fz2f=Vy+Vj+Vd+Vc（Ω）Vy—测量仪表电流线圈电阻Vj—继电器电阻Vd—连接导线电阻Vc—接触电阻一般取0.1Ω4、按一次回路额定电压和电流选择电流互感器用于测量时，其一次额定电流应尽量选择得比回路中正常工作电流大1/3左右以保证测量仪表的最佳工作电流互感器的一次额定电压和电流选择必须满足：
Ve≤Vew保所供仪表的准确度，互感器的一次工作电流应尽量接近额定电流Vew—电流互感器所在电网的额定电压
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2
Ie1≥Igmax，为了确
VeIe1—电流互感器的一次额定电压和电流Igmax—电流互感器一次回路最大工作电流5、种类和型式的选择选择电流互感器种类和形式时，应满足继电保护、自动装置和测量仪表的要求，再根据安装地点（屋、屋外）和安装方式（穿墙、支持式、装入式等）来选择。
6、热稳定检验电流互感器热稳定能力常以1s允许通过一次额定电流Ie1的倍数Kr来表示，即：
（KrIe1）≥Itdz（或≥Qd）7、动稳定校验电流互感器常以允许通过一次额定电流最大值（部动稳定能力，故部动稳定可用下式校验：
2Ie1kd≥icj短路电流不仅在电流互感器部产生作用力，而且由于其邻相之间电流的相互作用使绝缘帽上受到外力的作用。
因此需要外部动稳定校验，即：
L2-7Fy≥0.5×1.73icy××10Nα对于瓷绝缘的母线型电流互感器（如LMC型）可按下式校验2Ljs-7Fy≥1.73×iy×10Nα在满足额定容量的条件下，选择二次连接导线的允许最小截面为：
PLjs2S≥mZe2-（Vy+Vj+Vc）二、电压互感器的选择1、电压互感器的准确级和容量电压互感器的准确级是指在规定的一次电压和二次负荷变化围，负荷功率因数为额定值时，电压误差最大值。
由于电压互感器本身有励磁电流和阻抗，导致测量结果的大小和相位有误差，而电压互感器的误差与负荷有关，所以用一台电压互感器对于不同的准确级有不同的容量，通常额定容量是指对应于最高准确级的容量。
2、按一次回路电压选择为了保证电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电网电压应在（1.1~0.9）Ve围变动，即应满足：
1.1Ve1>V1>0.9Ve13、按二次回路电压选择电压互感器的二次侧额定电压应满足保护和测量使用标准仪表的要求，电压互感器二次侧额定电压可按下表选择接线型式电网电压（KV）型式二次绕组电压（V）接成开口三角形辅助绕组电压IV2Ie1）的倍数kd—动稳定电流倍数，表示其
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13
一台PT不完全符形接线方式
3~35110J~500J
单相式单相式单相式三相五柱式
100100/3100/3100
无此绕组100100/3100/3（相）
Yo/Yo/□
3~603~15
4、电压互感器与型式的选择电压互感器的种类和型式应根据安装地点和使用条件进行选择，在6～35KV屋配电装置中一般采用油浸式或浇注式电压互感器。
110～220KV配电装置中一般采用半级式电磁式电压互感器。
220KV与以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。
5、按容量的选择互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级）2应不小于互感器的二次负荷S2，即：
，SeSe2≥S2S2=（∑po）+（∑Qo）
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Po、Qo—仪表的有功功率和无功功率
第六节母线的选择
母线在电力系统中主要担任传输功率的重要任务，电力系统的主接线也需要用母线来汇集和分散电功率，在发电厂、变电所与输电线路中，所用导体有裸导体，硬铝母线与电力电缆等，由于电压等级与要求不同，所使用导体的类型也不一样。
敞露母线一般按导体材料、类型和敷设方式、导体截面、电晕、短路稳定、共振频率等各项进行选择和校验。
1、裸导体应根据具体使用情况按下列条件选择和校验
（1）型式：
载流导体一般采用铝质材料，对于持续工作电流较大且位置特别狭窄的发电机，变压器出线端部，以与对铝有较严重腐蚀场所，可选用铜质材料的硬裸导体。
回路正常工作电流在400A与以下时，一般选用矩形导体。
400～8000A时，在一般选用槽形导体。
（2）配电装置中软导线的选择，应根据环境条件和回路负荷电流、电晕、无线电干扰等条件，确定导体的截面和导体的结构型式。
（3）当负荷电流较大时，应根据负荷电流选择导线的截面积，对220KV与以下配电装置，电晕对选择导体一般不起决定作用，故可采用负荷电流选择导体截面。
2、母线与电缆截面的选择除配电装置的汇流母线与较短导体按导体长期发热允许电流选择外，其余导体截面，一般按经济电流密度选择。
（1）按导体长期发热允许电流选择，导体能在电路中最大持续工作电流Igmax应不大于导体长期发热的允许电流Iy即：
Igmax≤kIy
（2）按经济电流密度选择，按经济电流密度选择导体截面可使年计算费用最低，对应不同种类
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的导体和不同的最大负荷年利用小时数Tmax将有一个年计算费用最低的电流密度—经济电流密度（J），导体的经济截面可由下式：
Igmax2J取0.9A/MMS=J（3）热稳定校验：
按上述情况选择的导体截面S，还应校验其在短路条件下的热稳定。
I∞2S≥Smm=tdz（mm）CC—热稳定系数取
I∞—稳态短路电流（KA）tdz—短路等值时间S（4）动稳定校验：
动稳定必须满足下列条件即：
δmax≤δyδy—母线材料的允许应力（硬铅δy为69×10P∞硬铜137×10Pa，铜为157×10Pa）提供电源，以获得较高的可靠性。
666
第七节支持绝缘子与穿墙套管的选择
1．型式选择根据装置地点、环境，选择屋、屋外或防污式与满足使用要求的产品型式。
一般屋外采用联合胶装多棱式，屋外采用棒式，需要倒装时，采用悬挂式。
2．额定电压选择无论支持绝缘子或套管均要负荷产品额定电压大于或等于所在电网电压要求3．穿墙套管的额定电流选择与窗口尺寸配合具有倒替的穿墙套管额定电流IN应大于或等于回路中最大持续工作电流Imax，当环境温度为θ，导体温度为θal，额定环境温度θ0为＋25℃，IN应按照一下公式修正
θal?
θIN≥Imaxθal?
θ0
母线型穿墙套管，只需保证套管的型式与穿过母线的窗口尺寸配合即可。
4．动热稳定校验
（1）穿墙套管的热稳定校验。
具有导体的套管，应对导体校验热稳定，其套管的热稳定能力Itt，
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应大于或等于短路电流通过套管所产生的热效应Qk，即Itt≥Qk母线型穿墙套管无需热稳定校验。
（2）动稳定校验。
无论是支持绝缘子或套管均要进行动稳定校验。
布置在同一平面三相导体，在发生短路时，支持绝缘子（或套管）所受的力为该绝缘子相邻跨导体上电动力的平均值。
例如某一绝缘子所受电动力Fmax为
Fmax=
F1+F22L=1.73ishc×10?
72a
（N）
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式中：
ish——冲击电流，
a——相邻线路距离
Lc——计算跨距（m）,Lc=（L1+L2）2，L1与L2是绝缘子与相邻绝缘子（或套管）的距离，
对于套管L2=Lca（套管长度）支持绝缘子的抗弯破坏强度Fde是按作用在绝缘子高度H处给定的，而电动力Fmax是作用在导体截面中心线H1上，折算到绝缘子帽上的计算系数为H1H，则应满足：
H1Fmax≤0.6FdeH
式中：
0.6——裕度系数，是计与绝缘材料性能的分散性；
H1——绝缘子底部导体水平中心线的高度（mm）H1=H+b+h2，而b是导体支持器下片，
厚度，一般竖放矩形导体b＝18mm，平放矩形导体与槽形导体b＝12mm，h为导体中心到支持器距离
第八节限流电抗器的选择
为了选择10KV侧各配电装置，因短路电流过大，很难选择轻型设备，往往需要加大设备型号，这不仅增强投资，甚至会因断流容量不足而选不到合乎要求的电器，选择应采取限制短路电流，即在10KV侧需加装设电抗器。
一般按照额定电压、额定电流、电抗百分数、动稳定和热稳定来进行选择和检验。
一、额定电压和额定电流的选择应满足Vek≥VewIek≥Igmax
Vek、Iek—电抗器的额定电压和额定电流Vew、Igmax—电网额定电压和电抗器最大持续工作电流二、电抗器百分数的选择1）电抗器的电报百分数按短路电流限制到一定数值的要求来选择，设要求短路电流限制到Iz，则电源至短路点的总电抗标么值X′∑为X∑＝Ij/izXK＝X∑—X′∑Ij—基准电流X′∑—电源至电抗器前系统电抗标么值
电抗器在其额定参数下的百分电抗IjIekVjXk%＝（—X′∑）×100%I′zIjvek2）电压损失检验：
普通电核器在运行时，电抗器的电压损失不大于额定电压的5%，即：
△V%≈IgmaxXk%U￠≤5%Iek￠—负荷功率因数角一般U=0.83）母线残压检验，为减轻短路对其他用户的影响，当线路电抗器后短路时，母线残压不能于电
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网额定值的60～70%即：
△Vcy=Xk%IZ≥60~70%Iek
三、热稳定和动稳定检验应满足下式Irt≥I∞tdzidw≥icj
Icj、I∞—电抗器后短路冲击电流和稳态电流Idw、Ir—电抗器的动稳定电流和短时热电流（t=Is）
第五章
电气总平面布置与配电装置的选择
第一节概述
配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。
它是按主接线的要求，由开关设备，保护和测量电器，母线装置和必要的辅助设备构成，用来接受和分配电能。
配电装置按电气设备装置地点不同，可分为屋和屋外配电装置。
按其组装方式，又可分为：
由电气设备在现场组装的配电装置，称为配式配电装置和成套配电装置。
屋配电装置的特点：
①由于允许安全净距小可以分层布置，故占地面积较小；②维修、巡视和操作在室进行，不受气侯影响；③外界污秽空气对电气设备影响较小，可减少维护工作量；④房屋建筑投资大。
屋外配电装置的特点：
①土建工程量和费用较小，建设周期短；②扩建比较方便；③相邻设备之间距离较大，便于带电作业；④占地面积大；⑤受外界空气影响，设备运行条件较差，顺加绝缘；⑥外界气象变化对设备维修和操作有影响。
成套配电装置的特点：
①电气设备布置在封闭或半封闭的金属外壳中，相间和对地距离可以缩小，结构紧凑，占地面积小；②所有电器元件已在工厂组装成一整体，大大减小现场安装工作量，有利于缩短建设周期，也便于扩建和搬运；③运行可靠性高，维护方便；④耗用钢材较多，造价较高。
配电装置应满足以下基本要求：
1）配电装置的设计必须贯彻执行国家基本建设方针和技术经济政策；2）保证运行可靠，按照系统自然条件，合理选择设备，在布置上力求整齐、清晰，保证具有足够的安全距离；3）便于检修、巡视和操作；4）在保证安全的前提下，布置紧凑，力求节约材料和降低造价；5）安装和扩建方便。
配电装置的设计原则：
1）节约用地；2）运行安全和操作巡视方便；3）考虑检修和安装条件；4）保证导体和电器在污秽、地震和高海拔地区的安全运行；5）节约三材，降低造价；6）安装和扩建方便。
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第二节高压配电装置的选择
配电装置的整个结构天寸，是综合考虑到设备外形尺寸，检修维护和搬运的安全距离，电气绝缘距离等因素而决定，对于敞露在空气中的配电装置，在各种间距中，最基本的是带电部分对地部分之间和不同相的带电部分之间的空间最小安全净距，在这一距离下，无论为正常最高工作电压或出现外过电压时，都不致使空气间隙击穿。
屋外配电装置的安全净距（mm）符号额定电压（KV）适用围图号31020020015-203003563110J110220J330J500J
A1
1、带电部分至接地部分之间2、网状遮栏向上延伸线距地2.5m处与遮栏上方带电部分之间1、不同相的带电部分之间2、断路器和隔离开关的断口两侧引线带电部分之间1、设备运输时，其外部至无遮栏带电部分之间2、交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间3、栅状遮栏至绝缘体和带电部分之间4、带电作业时的带电部分至接地部分之间
10-110-2
400
650
900
1010180025003800
A2
10-110-3
300
400
650
10001100200028004300
B1
10-110-210-3
950
10501150140016501750255032504550
B2
1、网状遮栏至带电部分之间
10-2
300
400
500
750
10001100190026003900
C
1、无遮栏裸导体至地面之间2、无遮栏裸体至建筑物、构筑物之
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