220kV变电所电气部分设计.docx
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220kV变电所电气部分设计
电力系统自动化专业
毕业设计
设计题目：
220kV变电所电气部分设计
六、图纸
毕业设计任务书
一.设计题目:
220kV变电所电气部分设计
二.待建变电所基本资料
1.设计变电所在城市近郊,向开发区的炼钢厂供电,在变电所周边还有地域负荷。
2.确定本变电所的电压等级为220kV/110kV/10kV，220kV是本变电所的电源电压，110kV和10kV是二次电压。
3.待设计变电所的电源，由对侧220kV变电所双回线路及另一系统双回线路送到本变电所；在中压侧110kV母线，送出2回线路至炼钢厂；在低压侧10kV母线，送出11回线路至地域负荷。
4.该变电所的所址，地势平坦，交通方便。
5.该地域年最高气温40℃，最热月平均最高气温36℃。
三．用户负荷统计资料以下：
110kV用户负荷统计资料以下：
表1110kV用户负荷统计资料
用户名称
最大负荷（kW）
cosΦ
回路数
重要负荷百分数（％）
炼钢厂
42000
0．95
2
50
10kV用户负荷统计资料以下：
表110kV用户负荷统计资料
序号
用户名称
最大负荷（kW）
cosΦ
回路数
重要负荷百分数（％）
1
矿机厂
1900
0．91
2
70
2
机械厂
1200
2
40
3
汽车厂
2100
2
35
4
电机厂
2100
2
55
5
炼油厂
1900
2
60
-
最大负荷利用小时数Tmax=5256h，同时率取0.9，线路耗费取6％。
四．待设计变电所与电力系统的连接情况：
图中线路参数以下：
L1=18km、L2=15km、L3=20km、L4=19km、L5=10km
图1待设计变电所与电力系统的连接电路图
五．设计任务
1．选择本变电所主变的台数、容量和型号；
2．设计本变电所的电气主接线；
3．进行必要的短路电流计算；
4．选择和校验所需的电气设施；
5．选择和校验10kV硬母线；
6．进行继电保护的规划设计；
7．进行防雷保护的规划设计；
8．配电装置设计。
六．图纸要求
1．绘制变电所电气主接线图
2．220kV或110kV高压配电装置平面部署图
3．220kV或110kV高压配电装置断面图（进线或出线）
第二部分设计说明书
一.待设计变电所简要介绍
待建变电所位于城市南郊，所址地势平坦，交通方便。
变电所电源由对侧220kV变电所双回线路及另一系统双回线路送到本变电所；以110kV双回线路向炼钢厂送电，炼钢厂以阻性负荷为主，功率因数0.95；以10kV共11回线路向地域负荷供电，负荷最大利用小时数5256小时，同时率为0.9。
该变电所为220kV降压变电所，没有转功。
变电所所处地域年最高气温40℃，最热月平均最高气温36℃。
二.主变压器的选择
依照《电力工程电气设计手册》的要求，并结合本变电所的详尽情况和可靠性的要求，采用两台同样型号的有载调压三绕组自耦变压器。
1）主变容量的选择
110kV最大负荷为Pm1=K0∑P=1.0×42000=42000kW
110kV重要负荷Pi1=Ki×P=0.50×42000=21000kW
10kV最大负荷为Pm2=K0∑P=0.9×（P1+P2+P3+P4+P5）
=0.9×（1900+1200+2100+2100+1900）=8280kW
10kV重要负荷Pi2=∑Ki×P=K1×P1+K2×P2+K3×P3+K4×P4+K5×P5
=0.7×1900＋0.4×1200＋0.35×2100＋0.55×2100＋0.6×1900
=1330+480+735+1155+1140=4840kW
对于拥有两台主变的变电所，其中一台主变的容量应大于等于70％的全部负荷或全部重要负荷，两者中，取最大值作为确定主变容量的依照。
70％负荷容量为Se=0.7×
=0.7×（
+
）=37316kVA
全部重要负荷容量为Si=
=
+
=
+
=27424kVA
Se＞Si应依照Se选择主变容量。
经计算一台主变应接带的负荷为37316kVA，应采用两台40000kVA的三相自耦变压器。
因40000kVA＞37316kVA,故所选主变容量满足大于等于70％的全部负荷要求。
因此确定采用主变型号为OSFSZ-40000/220，主要参数以下表：
额定容量
kVA
电压组合和分接范围
连接组又名
空载耗费kW
负载耗费kW
空载电流％
容量分配％
阻抗电压（％）
高压kV
中压kV
低压kV
高-中
高-低
中-低
40000
220
121
11
YN，a0，d11
33
135
0.8
100
100
50
9
30
20
三.主接线选择
1）220kV配电装置主接线选择。
依照SDJ2-88《220～500kV变电所设计技术规程》规定，“220kV配电装置出线在4回及以上时，宜采用双母线及其他接线”。
由于待建变电全部6回出线，可采用双母线接线。
两台主变分别接在不同样母线上，负荷分配平均，调换灵便方便，运行可靠性高，任一条母线或母线上的设施检修，均不需停掉线路。
同时，本工程220kV断路器采用SF6断路器，其检修周期长，可靠性高，故可不设旁路母线。
又由于每个电源点都有两回线路，一回线路停运时，仍满足N-1原则。
因此，本设计220kV配电装置采用双母线接线。
2）110kV配电装置主接线选择。
110kV出线仅为两回，依照规程要求，宜采用桥式接线。
以双回线路向炼钢厂供电。
考虑到主变不会经常投切和对线路操作及检修的方便性，110kV配电装置采用内桥式接线。
3）10kV配电装置主接线选择。
10kV出线共11回，依照规程要求，采用单母线分段接线，对重要回路，均以双回线路供电，保证供电的可靠性。
考虑到减小配电装置占地和占用空间，除掉火灾、爆炸的隐患及环境保护的要求，主接线不采用带旁路的接线，且断路器采用性能比少油断路器更好的真空断路器，配电装置采用封闭性好集成度高的成套配电装置。
本设计的变电所电气主接线图以以下图所示。
四.短路电流计算
依照本变电所电源侧5～10年的发展规划，计算出系统最大运行方式下的短路电流。
系统最大运行方式为:
4×50MW机组满负荷，2×200MW机组满负荷，系统容量为100MVA，220kV各条线路均投入运行。
计算过程见《短路电流计算书》。
参照数据：
断路器的全分闸时间为0.1秒
短路电流最大连续时间：
220kV侧为3.6秒
110kV侧为3.1秒
10kV侧为2.1秒
短路电流计算结果见附表。
五.电气设施的选择
1）220kV电气设施选择
a.220kV断路器
形式：
室外SF6
额定电压：
UN≥UNS
额定电流：
IN≥Imax
按一台主变最大连续工作电流考虑
Imax=1.05×
=1.05×
=102.83A
依照以上条件,选择LW1-220/2000型FS6断路器
额定开断电流校验INbr=40KA＞I＂=11.336KA
热牢固校验：
Qk=Qp=tk×（I＂2+10Itk/22+Itk2）/12
=3.6×（11.3362+10×11.24452+11.18422）/12
=455.39kA2s
选择：
4s热牢固电流=40KA
INbr2t=402×4=6400kA2s
INbr2t≥Qk
因此选择4s热牢固电流=40KA满足要求
动牢固校验极限经过峰值电流ies=100KA＞28.9068KA
应选择LW1-220/2000型SF6断路器能满足要求
b.220kV隔走开关
形式：
室外
额定电压：
UN≥UNS
额定电流：
IN≥Imax
按一台主变最大连续工作电流考虑
Imax=1.05×
=1.05×
=102.83A
依照以上条件,选择GW7-220/1250隔走开关
热牢固校验：
Qk=Qp=tk×（I＂2+10Itk/22+Itk2）/12
=3.6×（11.3362+10×11.24452+11.18422）/12
=455.39kA2s
选择：
4s热牢固电流=31.5KA
INbr2t=31.52×4=3969kA2s
INbr2t≥Qk
因此选择4s热牢固电流=31.5KA满足要求
动牢固校验极限经过峰值电流ies=80KA＞28.9068KA
应选择GW7-220/1250型隔走开关能满足要求
考虑到变电所远景发展、各个设施间性能相当合以及从经济技术等多方面考虑，选择GW7-220/2000型（或GW7-220/2500型）隔走开关
2）110kV电气设施选择
a.110kV断路器
形式：
室外SF6
额定电压：
UN≥UNS
额定电流：
IN≥Imax
按一条线路带110kV全部负荷考虑
Imax=1.05×
=1.05×
=243.65A
依照以上条件,选择SFM110-110/2000型FS6断路器
额定开断电流校验INbr=31.5KA＞I＂=3.9361KA
热牢固校验：
Qk=Qp=tk×（I＂2+10Itk/22+Itk2）/12
=3.1×（3.93612+10×3.93612+3.93612）/12
=48.03kA2s
选择：
3s热牢固电流=31.5KA
INbr2t=31.52×3=2976kA2s
INbr2t≥Qk
因此选择3s热牢固电流=31.5KA满足要求
动牢固校验极限经过峰值电流ies=80KA＞10.0371KA
应选择SFM110-110/2000型SF6断路器能满足要求
b.110kV隔走开关
形式：
室外
额定电压：
UN≥UNS
额定电流：
IN≥Imax
按一条线路带110kV全部负荷考虑
Imax=1.05×
=1.05×
=243.65A
依照以上条件,选择GW5-110/630隔走开关
热牢固校验：
Qk=Qp=tk×（I＂2+10Itk/22+Itk2）/12
=3.1×（3.93612+10×3.93612+3.93612）/12
=48.03kA2s
选择：
4s热牢固电流=20KA
INbr2t=202×4=1600kA2s
INbr2t≥Qk
因此选择4s热牢固电流=20KA满足要求
动牢固校验极限经过峰值电流ies=80KA＞10.0371KA
故GW5-110/630隔走开关能满足要求
考虑到变电所远景发展、各个设施间性能相当合以及从经济技术等多方面考虑，选择GW5-110/1250型（GW5-110/1600或GW5-110/2000）隔走开关
3）10kV电气设施选择
a.10kV断路器（主变进线及母联）
形式：
室内真空
额定电压：
UN≥UNS
额定电流：
IN≥Imax
按一台开关带主变10kV全部负荷考虑
Imax=1.05×
=1.05×
=1212.5A
依照以上条件,选择ZN12-10/2500型真空断路器
额定开断电流校验INbr=31.5KA＞I＂=14.0901KA
热牢固校验：
Qk=Qp=tk×（I＂2+10Itk/22+Itk2）/12
=2.1×（14.09012+10×14.09012+14.09012）/12
=416.91kA2s
选择：
3s热牢固电流=31.5KA
INbr2t=31.52×3=2976.8kA2s
INbr2t≥Qk
因此选择3s热牢固电流=31.5KA满足要求
动牢固校验极限经过峰值电流ies=80KA＞35.9298KA
应选择ZN12-10/2500型真空断路器能满足要求
b.10kV断路器（出线）
形式：
室内真空
额定电压：
UN≥UNS
额定电流：
IN≥Imax
按一台开关带10kV全部负荷考虑
Imax=1.05×
=1.05×
=551.61A
依照以上条件,选择ZN12-10/1250型真空断路器
额定开断电流校验INbr=31.5KA＞I＂=14.0901KA
热牢固校验：
Qk=Qp=tk×（I＂2+10Itk/22+Itk2）/12
=2.1×（14.09012+10×14.09012+14.09012）/12
=416.91kA2s
选择：
3s热牢固电流=31.5KA
INbr2t=31.52×3=2976.8kA2s
INbr2t≥Qk
因此选择3s热牢固电流=31.5KA满足要求
动牢固校验极限经过峰值电流ies=80KA＞35.9298KA
应选择ZN12-10/1250型真空断路器能满足要求
c.10kV母线
按母线带10kV全部负荷考虑
Imax=1.05×
=1.05×
=551.61A
配电装置室内部署，按环境温度36℃考虑，需温度修正+5℃。
选50×4铝母线，单条竖放Iy=594,温度修正后Iy=594×（1-1.8％）=583.3＞Imax=551.61A。
热牢固校验短路电流最大连续时间tk=2.1s，可以不考虑非周期重量影响
因此Qk=Qp=tk（I＂2+10Itk/22+Itk2）/12
=2.1×（14.09012+10×14.09012+14.09012）/12
=416.91kA2s
Smin=
=
（由设计指南表5-6查出）
=0.206mm2
S=50×4=200＞Smin满足热牢固要求
动牢固校验开关采用成套开关柜，支柱绝缘子之间距离L=0.8m，相间距离a=0.35m，导体的截面系数W=b2h/6=42×50×10-9/6=0.13×10-6
动向应力计算f1=（Nf/L2）√（EI/m）
E=70×106Pa
Nf=3.56
m=h×b×ρw=0.05×0.004×2700=0.54kg/m
I=bh3/12=0.004×0.053/12=4.2×10-8m4
f1=（3.56/0.82）×√（70×106×4.2×10-8/0.54）
=12.98＜150故β=1
导体最大相间计算应力σph=fphl2/10W
=（1.73×10-7×140902/0.35）×0.82/（10×0.13×10-6）
=48.30×106＜70×106
母线满足动牢固要求
d.10kV支柱绝缘子和穿墙套管选择
支柱绝缘子应按电压和种类选择，并进行短路时动牢固校验。
穿墙套管应按额定电压、额定电流和种类选择，按短路条件校验动、热牢固性。
按额定电压选支柱绝缘子和穿墙套管UN≥UNS
按额定电流选穿墙套管Imax≤kIn，按环境温度36℃考虑，需温度修正+5℃，最高环境温度为41℃，故k=0.74
Imax=1.05×
=1.05×
=551.61A
In＝Imax/k=551.61/0.74=745.5A
依照安装地点，绝缘子和穿墙套管选室内型。
依照以上条件，支柱绝缘子选ZNA-10型，UN=10，绝缘子高度125mm，机械破坏负荷375kg。
穿墙套管选择CWLB-10型，额定电压10kV，额定电流1000A，套管长度600mm，机械破坏负荷750kg，5s热牢固电流18kA。
热牢固校验主变并列运行短路电流为14.0901kA＜18kACWLB-10穿墙套管满足热牢固要求。
动牢固校验Fmax=（F1+F2）/2=1.73×ish2lc/a×10-7
lc=（l1+l2）/2，a=0.35m，ish=35.893kA
Fco=Fmax
H1=H+b+h/2导线平放b=12mm
ZNA-10型支柱绝缘子，H=125mm，母线h=4mm
Fmax=1.73×ish2lc/a×10-7=1.73×359292×1.2/0.35×10-7
=765.68N
Fco=FmaxH1/H2=765.68×{（125+12+（4/2））}/125
=851.44N=85.14kg＜375kg
支柱绝缘子满足动牢固要求。
CWLB-10穿墙套管lca=600mm机械破坏负荷750kg
lc=（l1+lca）/2=（1.2+0.6）/2=0.75m
F=1.73×ish2lc/a×10-7=1.73×359292×0.715/0.35×10-7
=456.22N=45.62kg＜750kg
穿墙套管满足动牢固要求
所选电气设施一览表
电压等级
设施名称
型号
主要参数
220kV
断路器
LW1-220/2000
220/2000A-40KA/4S
隔走开关
GW7-220/2000
220/2000A-31.5KA/4S
110kV
断路器
SFM110-110/2000
110/2000A-40KA/3S
隔走开关
GW5-110/1600或GW5-110/2000
GW5-110/1600A-40KA/4S或GW5-110/2000A-40KA/4S
10kV
真空开关
ZN12-10/2500ZN12-10/1250
31.5KA/3S
母线
50×4铝母线
50×4
支柱绝缘子
ZNA-10
高度125mm
穿墙套管
CWLB-10
10/1000套管长度600mm
六.所用变选择
所用变的选择是依照变电所内充电装置、照明、生活、检修以及主变冷却电源和调相机等负荷容量大小确定。
因详尽资料不全，按指导老师介绍型号采用两台SG10-200变压器。
Se=200kVA，连接组别Y/yn0，变比11/0.4，I％=1.4。
为保证所用电可靠性，两台所用变电源分别从两段10kV母线引接。
Ie=
=
=10.498A
I0=I％Ie/100=10.498×1.4/100=0.147＜2A故可以用隔走开关拉合空载电流，配熔断器保护。
熔断器选择：
额定电压UN≥UNS
熔体额定电流INfs≥KImax
Imax=1.05Ie=1.05×10.498=11.023AK=1.5
KImax=1.5×11.023=16.535A
应选RN3-10型熔断器，额定电压10kV，额定电流10～150A，断流容量200MVA。
10kV并列运行短路容量为255.98MVA，摆列运行短路容量为131.61MVA。
主变低压侧摆列运行熔断器可以满足要求。
由于存在主变低压侧并列运行工况，而并列运行时熔断器短路容量不够，因此，所用变必定使用开关开断。
七.配电装置选择
待建变电站位于城市南郊，交通便利，地势平坦，地域广阔，线路进出方便。
为此220kV配电装置部署在变电所南侧，采用架空线向南出线；110kV配电装置部署在变电所西侧，采用架空线向西出线；10kV配电装置部署在变电所北侧，采用室内配电装置电缆出线。
大门在北侧，主控楼部署在10kV配电装置楼上。
部署图以下：
220kV配电装置采用室外高型部署，110kV配电装置采用室外半高型部署，10kV配电装置为室内配电装置。
主变部署在变电所中心，为满足放火要求，两主变中心距离为45米。
主变于道路间部署7米宽混凝土路面，重型设施可以进入，方便检修，有利安全。
10kV配电装置部署在三层建筑的一楼，二楼为蓄电池室、保护室、及电缆夹层，三楼为主控室。
八.互感器的配置
为满足监察、测量、保护、同期和自动装置要求，并考虑运行方式变化需要，互感器配置以下：
1）220kV和10kV两段母线各装设一组电压互感器，110kV两条出线开关线路侧各装设一组电压互感器。
2）全部断路器回路均设有电流互感器，220kV、110kV全部开关和10kV电源进线开关各装设4组电流互感器，三相部署。
10kV线路开关装设两组电流互感器，两相部署，并装设两只零序电流互感器供接地保护用。
主变220kV和110kV侧中性点装设两组零序电流互感器。
九.继电保护规划
1、220kV线路
均配置双套不同样原理、拥有独立选相功能的微机保护；
一套为南自厂生产的GPSL602-102Y型高频方向微机线路保护屏，包含纵联距离、零序保护（主保护）及距离、零序方向保护（后备保护）等；
一套为南瑞生产的PRC01-22型高频方向线路保护屏包含纵联变化量方向、纵联零序方向的主保护及距离、零序方向的后备保护；并配有线路保护重合闸装置、收发讯机和断路器失灵保护等；
2、220kV母联开关保护
220kV母联开关配置南自厂生产的GPSL-121型保护屏，其含有过流、充电、失灵启动及不一致保护；
3、220kV母线保护
配置南瑞生产的RCS-915型母差保护；
别的220kV采用拥有远传功能的南京银山有限公司生产的YA-88A型微机故障录波、测距装置一台；
4、110kV线路保护采用南自厂生产的PSL621C型微机保护屏，其含有相间距离、零序方向及三相重合闸等并配置备用电源自投装置。
分别配有速断、过流、零序和距离保护等。
110kV开关配有失灵保护，非全相保护，并配自动重合闸装置。
5、10kV线路配置微机保护
线路分别配有速断、过流、接地和过负荷保护等。
电源开关配有过流和接地保护，过流时限与线路配合。
10kV母线配有接地保护，低电压保护，备用电源自投装置。
6、主变压器保护：
主变配置双差动、双后备微机保护，单独配置一套非电量保护。
采用南瑞生产的RCS-978系列变压器成套保护一套为PRC78JS-15A柜，装备RCS-978JS微机保护；一套为PRC78JS-15B柜，装备RCS-978JS、RCS-974微机保护、LFP-974电压切换操作装置。
RCS-978JS电量保护配有比率差动、差动速断、复压方向过流，零序过压、缝隙零序过流保护等。
RCS-974非电量保护配置重瓦斯，轻瓦斯，压力释放，绕组温度高，油温高保护等。
十.防雷及过电压规划
防直击雷保护采用避雷针和避雷线，220kV线路和110kV线路全线架设避雷线。
所内配电装置和建筑采用避雷针保护。
220和110kV配电装置构架上设避雷针，10kV配电装置设独立避雷针，为了防范反击，主变构架上不设避雷针。
采用避雷器来防范雷电入侵波对电气设施造成危害。
避雷器的选择，考虑到氧化锌避雷器的非线性伏安特点优于氧化硅避雷器，且没有串通缝隙，保护特点好，没有工频续流、灭弧等问题，因此，本工程采用氧化锌避雷器。
由于金属氧化物避雷器没有串通缝隙，正常工频相电压长远施加在金属氧化物电阻片上，为保证使用寿命，长远施加在避雷器上的运行电压不可以高出避雷器赞同的连续运行电压。
依照以上要求，本工程220kV、110kV和10kV母线各装设一组避雷器，三绕组变压器为保护低压侧在B相装设一台避雷器，主变220kV、110kV侧中性点直接接地，不设避雷器。
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