220kV变电所电气部分及线路过电流保护设计课程设计.docx

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220kV变电所电气部分及线路过电流保护设计课程设计

220kV变电所电气部分及

线路过电流保护设计

学院：

电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

姓名:

学号:

指导教师:

课程设计任务

1、题目：

220kV变电所电气部分及线路过电流保护设计

2、系统接线图：

2X20]M\TA

3、原始资料：

为满足某地区经济发展和人民生活对电力的需要，经系

统规划设计论证，新建一座220kV变电所，变电所与系统连接情况如上图所示。

3.1建设规模

3.1.1本所安装2台120MVA主变压器。

3.1.2电压等级220/110/10kV

3.1.3各电压侧出线回路数220kV本期4回最终4回

110kV本期5回最终6回

10kV本期12回最终16回

3.2各侧负荷情况

110kV侧有2回出线供给远方大型冶炼厂，其容量为50MVA；其他作为地区变电所进线，其最小负荷与最大负荷之比为0.6。

10kV总负荷为40MVA,I、U类负荷用户占70%;最大一回出线负荷为5MVA，最小负荷与最大负荷之比为0.65。

3.3各侧功率因数cos与最大负荷利用小时数Tmax分别为

220kV侧

cos=0£

Tmax=4800小时/年

110kV侧

cos=0.85

Tmax=4200小时/年

10kV侧

cos=0.8

Tmax=4500小时/年

3.4系统阻抗

220kV侧电源近似为无限大电源系统，以100MVA为基准容量，归算

至本所220kV母线阻抗为0.021;110kV侧电源容量为800MVA（学号为单数为火电系统，双数为水电系统），以100MVA为基准容量，归算至本所110kV母线阻抗为0.12。

3.5调压要求：

经规划计算认为本所220kV侧母线电压波动较大，宜采用带负荷调压变压器，10kV留2回出线为本所无功补偿用。

3.6气象条件：

该地区最热月平均气温为28T，年平均气温16C，绝对最高气温40C，土壤最热月平均气温18C，风速为25m/s，微风风速小于5m/s。

3.7该所位于生荒土地上，地势平坦，交通便利，空气无污染。

3.8本期施工电源从5km以外35kV变电所10kV母线引接。

3.9变电所外接线路采用三段式电流保护，相关参数如下：

Krel=1.2

3.9.1线路AB、BC、AD和CD的最大负荷电流分别为230A、150A、230

A、140A;负荷自启动系数Kst=1.5、Krel"2、Krel"2、（九3

Kre=0.85

3.9.2各变电所引出线上后备保护的动作时间如图所示；后备保护的t=0.5s

3.9.3线路的等值电抗为°4'/km

4、设计内容及要求

4.1拟定主接线方案：

分析原始资料，确定主变型式；技术经济比较；确定最佳方案；选择各侧接线方式；

4.2计算短路电流：

选择计算短路点，计算各点短路电流并列出短路电流计算结果表。

4.3选择主要电器设备：

选择110kV、220kV主母线；选择10kV母线桥

导体及绝缘子；选择主变三侧断路器和隔离开关；选择限流电抗器；选择10kV出线电流互感器；选择10kV主母线电压互感器。

选择各电压等级的避雷器

4.4配置主要电器设备：

配置各级电压的电压互感器和防雷装置；配置各支路的电流互感器

4.5各级电压等级的配电装置的选型与布置。

4.6继电保护方式的选择与整定：

保护1的保护方式采用三段式过电流保护，请计算它的lOp、lOP、lOP、丨m%和top。

5、设计成果：

编制设计说明书、设计计算书、绘制所设计变电所的电气主接线图。

6、主要参考资料

《电气工程基础》（上、下册）陈慈萱主编中国电力出版社

《发电厂电气部分》（第二版）范锡普编水电出版社

《电力工程电气设计手册（电气一次）》西北电力设计院编水电出版社

《发电厂电气部分课程设计参考资料》黄纯华编水电出版社

摘要

随着经济的快速发展，全国乃至全世界凸现缺电局面，如何进一步优化调度，加强电力资源的优化配置，最大限度满足电力需求成为人们探讨的问题之一；特别是随着计算机技术、通信技术、信息技术惊人的发展，变电站综合自动化技术进一步优化，整个电网运行的安全性和经济效益得到大幅提升。

这项技术将引起电力行业有关部门的重视，成为变电站设计核心技术之一，电力系统对变电站的更要求也越来越高。

本设计讨论的是220KV变电站电气部分的设计。

首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，进行简要分析，然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑,确定了220KV、110kV、10kV以及站用电的主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压熔断器，隔离开关，母线，绝缘子和穿墙套管，电压互感器，电流互感器进行了选型，从而完成了220kV电气一次部分的设计。

关键字：

变电站；短路计算；设备选择

目录I...

第1章引言1.

第2章主变压器的选择2

2.1主变压器的选择原则2

2.1.1主变压器台数的选择2

2.1.2主变压器容量的选择3

2.1.3主变压器型式的选择3

2.1.4主变压器中性点接地方式5

2.2主变压器选择结果.5.

第3章电气主接线的设计7

3.1主接线的基本要求7.

3.2主接线的基本形式8

3.3主接线选择10

3.3.1220KV侧11

3.3.2110KV侧11

3.3.310KV侧12

3.3.4主接线图12

第4章短路计算12

4.1短路计算目的12

4.2短路计算基本假设1.3

4.3短路电流计算的步骤1.4

4.4短路计算数据表15

第5章电气设备的选择1.7

5.1电气设备选择的一般条件1.7

5.2高压断路器和隔离开关的选择18

5.2.1高压断路器的选择1.8

522高压隔离开关的选择19

523高压熔断器的选择19

5.3限流电抗器的选择20

5.4互感器及接地开关的选择21

5.4.1电流互感器的选择21

5.4.2电压互感器的选择22

5.4.3接地刀闸的配置23

5.5母线、电缆及绝缘子的选择23

5.5.1母线、电缆等的选择23

5.5.2绝缘子的选择23

第6章防雷接地设计25

6.1防雷设计25

6.1.1防雷设计原则25

6.1.2避雷器的选择25

第7章继电保护的配备27

7.1变压器继电保护配置27

第8章电气总平面布置及配电装置的选择31

8.1概述31

8.1.1配电装置特点31

8.1.2配电装置类型及应用31

8.2配电装置的确定32

参考文献34

第1章引言

能源是社会生产力的重要基础，随着社会生产的不断发展，人类使用能源不仅在数量上越来越多，在品种及构成上也发生了很大的变化。

人类对能源质量也要求越来越高。

电力是能源工业、基础工业，在国家建设和国民经济发展中占据十分重要的地位，是实现国家现代化的战略重点。

电能也是发展国民经济的基础，是一种无形的、不能大量存储的二次能源。

电能的发、变、送、配和用电，几乎是在同时瞬间完成的，须随时保持功率平衡。

要满足国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界发展规律。

因此，做好电力规划，

加强电网建设，就尤为重要。

而变电站在改变或调整电压等方面在电力系统中起着重要的作用。

它承担着变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的责任。

变电站对电力的生产和分配起到了举足轻重的作用，学习和了解变电站的结构和运行对电力资源的可持续发展垫下了基础。

220KV变电站电气部分设计使其对变电站有了一个整体的了解。

该设计包括以下任务：

1、主接线的设计2、主变压器的选择3、短路计算4、导体和电气设备的选择5、所用电设计6防雷接地设计7、配电装置设计8继电保护的配置等。

第2章主变压器的选择

在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本所（厂）用的变压器，称为站（所）用变压器或自用变压器。

本章是对变电站主变压器的选择。

在生产上电力变压器制成有单相、三相；双绕组、三绕组；自耦、分列式变压器等、在选择变压器室，要根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选择主变。

2.1主变压器的选择原则

1、主变容量一般按变电所建成后5〜10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10〜20年的负荷发展。

2、根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。

对于有重要负荷的变电所，应考虑一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，保证用户的I级和U级负荷，对于一般变电所，当一台主变停运时，其他变压器容量应能保证全部负荷的70%〜80%。

3、为了保证供电可靠性，变电所一般装设两台主变，有条件的应考虑设三台主变的可能性。

2.1.1主变压器台数的选择

1、对大城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。

2、对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，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所，以便负荷发展时，更换变压器的容量。

任务书已明确指示本所安装2台120MVA主变压器。

根据原始资料，两台主变是合理的。

待设计变电站为大型城市变电站，负荷较重，又因是城市变电站，负荷较为重要，且为终端变电站。

为了保证供电可靠性，避免一台主变的故障或检修时影响供电，变电站一般应选择安装两台主变。

超过两台主变时，

可靠性虽有所提高，但是出现交叉过多会给安装和运行带来不便，以及投资增加，配电设备及用电保护的复杂性，维护及刀闸操作复杂化；两台主变同时故障的几率较小，使用远期负荷的增长以及扩建，故选择两台主变互为备用，提高供电可靠性。

2.1.2主变压器容量的选择

（1）主变压器容量一般按变电所建成后5〜10年的规划负荷选择，适当考虑到远期10〜20年的负荷发展。

对于城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。

（2）根据变电所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所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计其

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；对一般性变电所，当一台变压器停运时，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。

Sr503040=120MVA

同时率取0.85

容量确定：

SN=0.70.85S总e50.05

025

SN-0.70.85120e.-91.679MVA

2.1.3主变压器型式的选择

选择主变压器，需考虑如下原则：

（1）当不受运输条件限制时，在330KV及以下的发电厂和变电站，均应选用三相变压器。

（2）当发电厂与系统连接的电压为500KV时，已经技术经济比较后，确定选用三相变压器、两台50%容量三相变压器或单相变压器组。

对于单机容量为300MW、并直接升到500KV的，宜选用三相变压器。

（3）对于500KV变电所，除需考虑运输条件外，尚应根据所供负荷和系统情况，分析一台（或一组）变压器故障或停电检修时对系统的影响。

尤其在建所初期，若主变压器为一组时，当一台单相变压器故障，会使整组变压器退出，造成全网停电；如用总容量相同的多台三相变压器，贝U不会造成所停电。

为此要经过经济论证，来确定选用单相变压器还是三相变压器。

在发电厂或变电站还要根据可靠性、灵活性、经济性等，确定是否需要备用相。

相对三相变压器来说，三相变压器经济性好、占地少、损耗小。

本次变电所位于生荒土地上，地势平坦、交通便利，不受制造和运输条件限制，故采用三相变压器。

在本次设计中我们只对自耦变压器和三绕组变压器的综合性能及经济运行

等方面进行比较，选其中的一种：

三绕组变压器（SFS7-120000/220KV）与自

耦变压器（0SFPS7-120000/220的参数如下表：

型号

SFS7-120000/220KV

0SFPS7-120000/220KV

容量比

100/100/50

100/100/50

变比

220/121/10.5

220/121/11

空载电流（％）

0.8

0.5

空载损耗（KW

133

70

阻抗电压

高-中

14%

10%

高-低

24%

34%

中-低

8%

22%

短路损耗（KW

480

320

价格（万元/台）

1000

800

综合投资（万元）

1700

1360

年运行费用（万元）

462.676

345.01

规程规定：

具有三种电压等级的变电所，如各侧的功率均达到主变压器额

定容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但需要装设无功补偿设备时，主变压器一般选用三绕组变压器[5];符合上述条件，同时高中压侧又均为中性点直接接地系统时，在降压变电所应优先采用自耦变压器。

同容量的自耦变压器与普通变压器相比，不但尺寸小、材料消耗小、造价低，而且损耗小、阻抗小、效率高，并且变压器容量越大，电压越高•这个优点就越加突出。

而且还能扩大变压器极限制造容量，便于安装和运输。

随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大，自耦变压器由于其容量大、

损耗小、造价低而得到广泛应用

三绕组变压器：

价格介于自耦变压器和分裂变压器之间，安装以及调试灵活，满足各种继电保护的需求，又能满足调度的灵活性，它还分为无激励磁耦调压和有载调压两种，能满足各个系统中的电压波动，供电可靠性高。

综上比较，虽然三绕组变压器在综合投资、运行费用上比自耦变压器多，但是本次设计的变电所的原始资料看，电网电压波动范围较大，适合用三绕组变压器，而且I、U类用户站绝大部分，所以在电压波动范围大并要保证供电可靠地情况下适合用三绕组变压器作为主变。

2.1.4主变压器中性点接地方式

主要有直接接地、经消弧线圈接地和不接地三种方式。

主变中性点接地方式涉及到供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护和自动装置正确动作、通讯干扰、系统稳定等一系列问题，所以电力系统中性点接地方式是一个比较复杂的综合性技术经济问题。

通常按以下原则：

1、主变的110KV~500KV侧采用中性点直接接地方式

自耦变压器必须用在高中压侧是直接接地的系统；

普通变压器采用中性点通过隔离开关接地的方式；

选择接地点适应保证在任何故障形势下都不会使电网解列成为中性点不接地系统。

主变压器6KV~35KV侧采用中性点不接地方式

在6KV~10KV电网中，当单相接地电流大于30A，或在20~63KV电网中，当单相接地电流大于10KA时，中性点应经消弧线圈接地。

如果两台变压器合用一台消弧线圈时，应经隔离开关分别与变压器中性点相连，运行时，只合其中一组隔离开关。

综上所述，本所变压器220KV/110KV侧采用中性点直接接地，10KV侧采用中性点不接地方式。

2.2主变压器选择结果

查《电力工程电气设备手册：

电气一次部分》，选定变压器的容量为

120MVA。

由于升压变压器有两个电压等级，所以这里选择三绕组变压器，查《大型

变压器技术数据》选定主变型号为：

三绕组变压器（SFS7-120000/220KV）

主要技术参数如下：

额定容量：

120000（KVA）

容量比：

100/100/50

额定电压：

高压一220±2X2.5%;中压一121;低压一10.5（KV）

连接组标号：

YN/yn0/d11

空载电流（％）:

0.8

空载损耗：

133

所以一次性选择两台SFPS7-180000/220型变压器为主变。

第3章电气主接线的设计

3.1主接线的基本要求

电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主题。

它与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大的影响。

因此，主接线设计，必须结合电力系统和发电厂和变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理地选择主接线

电气主接线设计的基本原则是以设计任务为依据，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，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、实用、经济、美观的原则［8］。

现代电力系统是一个巨大的、严密的整体。

各类发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电、变电和配电的任务。

其主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电站和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民日常生活。

因此，发电厂、变电站主接线必须满足以下基本要求。

1运行的可靠

断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时，停电数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。

2具有一定的灵活性

主接线正常运行时可以根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快地退出设备。

切除故障停电时间最短、影响范围最小，并且再检修在检修时可以保证检修人员的安全。

3操作应尽可能简单、方便

主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。

复杂的接线不仅不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。

但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便或造成不必要的停电。

4经济上合理

主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上，还应使投资和年运行费用小，占地面积最少，使其尽地发挥经济效益。

5应具有扩建的可能性

由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快。

因此，在选择主接线时还要考虑到具有扩建的可能性。

3.2主接线的基本形式

变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。

电气主接线是由电气设备通过连接线，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。

用规定的电气设备图形符号和文字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。

主接线代表了发电厂或变电站电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。

1.单母线接线及单母线分段接线

1）单母线接线

单母线接线供电电源在变电站是变压器或高压进线回路。

母线既可保证电源并列工作，又能使任一条出线都可以从任一个电源获得电能。

各出线回路输入功率不一定相等，应尽可能使负荷均衡地分配在各出线上，以减少功率在母线上的传输。

单母接线的优点：

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。

缺点：

①可靠性差。

母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作，也就成了全厂或全站长期停电。

②调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流［3］。

综上所述，这种接线形式一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。

2）单母分段接线

单母线用分段断路器进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性；对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器自动将用户停电；两段母线同时故障的几率甚小，可以不予考虑在可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一母线故障时，将造成两段母线同时停电，在判别故障后，拉开分段隔离开关，完成即可恢复供电。

这种接线广泛用于中、小容量发电厂和变电站6〜10KV接线中。

但是，由于这种接线对重要负荷必须采用两条出线供电，大大增加了出线数目，使整体母线系统可靠性受到限制，所以，在重要负荷的出线回路较多、供电容量较大时，一般不予采用。

3）单母线分段带旁路母线的接线

单母线分段断路器带有专用旁路断路器母线接线极大地提高了可靠性，但这增加了一台旁路断路器，大大增加了投资。

2.双母线接线及分段接线

1）双母线接线

双母接线有两种母线，并且可以互为备用。

每一个电源和出线的回路，都装有一台断路器，有两组母线隔离开关，可分别与两组母线接线连接。

两组母线之间的联络，通过母线联络断路器来实现。

其特点有：

供电可靠、调度灵活、扩建方便等特点。

由于双母线有较高的可靠性，广泛用于：

出线带电抗器的6〜10KV配电装

置；35〜60KV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110〜220KV出线数为5回及以上时。

2）双母线分段接线

为了缩小母线故障的停电范围，可采用双母分段接线，用分段断路器将工作母线分为两段，每段工作母线用各自的母联断路器与备用母线相连，电源和出线回路均匀地分布在两段工作母线上。

双母接线分段接线比双母接线的可靠性更高，当一段工作母线发生故障后，在继电保护作用下，分段断路器先自动跳开，而后将故障段母线所连的电源回路的断路器跳开，该段母线所连的出线回路停电；随后，将故障段母线所连的电源回路和出线回路切换到备用母线上，即可恢复供电。

这样，只是部分短时停电，而不必短期停电。

双母线分段接线被广泛用于发电厂的发电机电压配置中，同时在220〜

550KV大容量配电装置中，不仅常采用双母分段接线，也有采用双母线分四段接线的。

3）双母线带旁路母线的接线

双母线可以带旁路母线，用旁路断路器替代检修中的回路断路器工作，使该回路不致停电。

这样多装了价高的断路器和隔离开关，增加了投资，然而这对于接于旁路母线的线路回数较多，并且对供电可靠性有特殊需要的场合是十分必要的。

3.一个半断路器接线

1又称3/2断路器接线。

就是在每3个断路器中间送出2回回路，一般只用于500kV（或重要220kV）电网的母线主接线。

它的主要优点是：

运行调度灵活，正常时两条母线和全部断路器运行，成多路环状供电；

2检修时操作方便，当一组母线停支时，回路不需要切换，任一台断路器检修，各回路仍按原接线方式霆，不需切换；

3运行可靠，每一回路由两台断路器供电，母线发生故障时，任何回路都不停电。

但是2/3断路器接线的缺点是使用设备较多，特别是断路器和电流互感器，造价高，经济性差，二次接线和继电保护整定复杂。

为防止联络断路器故障时，同时切除该串两回路供电，应将同名元件布置在不同串上。

2/3接线是双母线接线的一种特例，当回路多于三串时，有点较为突出。

2/3接线具有较高的可靠性和灵活性，在大型发电厂和变电所330~550KV超高压配电装置中得到广泛应用。

当电压为330~550KV出线回路数超过6回以上、且配电装置在系统中处于重要地位时，采用2/3断路器接线方式较为适宜。

3.3主接线选择

电压等级220/110/10kV

各电压侧出线回路数：

220kV

本期4回

最终4回

110kV