220kv变电站电气部分初步设计.docx
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220kv变电站电气部分初步设计
早稻田大学
电气工程基础设计
题目220kv变电站电气部分初步设计
专业名称电气工程及其自动化
指导教师
指导教师职称
班级电气01
学号20119450122
学生姓名
2014年6月19日
摘要
我国目前所使用的交流电能主要是由交流发电机提供的。
由于受绝缘水平的限制，发电机输出端发出的电压一般低于30kV。
用这样低的电压将电能进行远距离输送事实上是不可能的。
为此，需要利用升压变压器将电压升高后，再将电能进行远距离输送，到用电负荷所在地区以后，用电设备多是低压设备，所以用高电压将电能输送到用电地区后，还必须利用降压变压器降低电压，才能供给用户使用。
因此，变电站在电力生产过程中是一个重要的环节。
随着计算机技术和网络通信技术的快速发展，电力系统自动化建设发展越加完善，尤其是在电力系统变电站远程监控中，广泛采用了最新的计算机技术、通讯技术和图像处理等技术。
传统的变电站视受技术发展的局限，只能进行现场监视，简单的报警信息传输，无法实现远距离传输视频信号，对于前端具体情况的了解、事件的确认是非常困难的，无形中降低了系统的稳定性和安全性。
尤其是现在电力系统为提高劳动生产率，增强竞争力，在变电站系统平常的生产过程大量采用无人值守模式。
而对于变电站这样的行业来说，远程、实时的监控是行业系统安全运作必备的前提条件。
关键词：
变电站；主接线；变压器
第一章概述................................................4
第二章变电站分析.........................................5
第三章主变选择...........................................6
第四章电气主接线设计.....................................9
第五章电气设备选择.......................................15
第六章继电保护的设计.....................................20
第七章配电装置和总平面布置设计...........................23
第八章防雷设计...........................................25
参考文献..................................................27
220KV变电站设计
第1章概述
1.1概述
随着社会的发展，电能被日益广泛的应用于工农业生产以及人民的日常生活中。
电能可以方便的转化为期他形式的能源，例：
机械能、热能、光能、磁能等，并且电能的输送和分配易于实现，可以输送到需要它的人和工作场所和生活场所。
电能的应用规模也很灵活以电能作为动力，可以促进工农业的机械化和自动化。
保证产品质量大幅度提高劳动生产率。
同时提高电气化程度以电能代替其它形式的能源，是节约能源消耗的一个重要的途径
电力工业电能的生产、输送、分配和消费与其它工业的区别在于：
（一）、与国民经济各部门的关系非常密切。
（二）、电力系统从一种运行方式过度到另一种运行方式的过度，过程非常短促。
（三）、电能的生产、输送、分配和消费实际上同时完成的不能大量储存。
变电站是联系发电厂和电力用户的重要纽带，是将电能从产品变成商品的中间环节。
它担负着电能转换和电能重新分配的重要任务。
对国家经济的发展有着极其重要的作用。
本次所设计变电站担负着向开发区的炼钢厂供电及变电所附近的地区负荷供电，承担着该市的输变电任务。
根据《电力系统技术规程》中的有关部分，特别是：
第1.0.2条：
系统设计应在国家计划经济的指导下，在审议后的中期、长期电力规划的基础上，从电力系统整体出发，进一步研究提出系统设计的具体方案；应合理利用能源，合理布局电源和网络，使发、输、变电及无功建设配套协调，并为系统的继电保护设计，系统自动装置设计及下一级电压的系统等创造条件。
设计方案应技术先进、过度方便、运行灵活、切实可行，以经济、可靠、质量合格和充足的电能来满足国民经济各部门与人民生活不断增长的需要。
第1.0.6条：
系统设计的设计水平可为今后第五年至第十年的某一年，并应对过度年进行研究（五年内逐年研究），远景水平可为第十年至第十五年的某一年，且宜与国民经济计划的年份相一致。
系统设计经审查后，二至三年进行编制，但有重大变化时，应及时修改。
第2章变电站分析
2.1变电站总体分析
水力、火力及核能等发电站发出的的电能，由于经济上的原因把电压升高，用输电线送到变电站，在这里把电压降低，用输电线再送到其他变电站，或通过输电线和配电线路送到用户。
这样，在变电站除了把输电线送来的电压和电流进行变换，集中和分配外，为了使电能的质量良好以及设备安全，进行电压调整、电力潮流控制以及输配电线和变电站的保护。
2.2变电站设计要求
1.变电站的设计应根据工程的5—10年发展规划进行做到远，近期结合。
以近期为主，正确处理近期建设与远期发展的关系，适当考虑扩建的可能。
2.变电站的设计，必须以全出发，统筹兼顾。
按照负荷性质，用电容量，工程特点和地区供电条件，综合国情合理地确定设计方案。
3.变电站的设计，必须坚持节约用地的原则。
4.变电站设计除应执行本规范外，尚应符合现行的国家有关标准和规范的规定。
该变电所是一个220KV地区性城市变电所，向市区的炼钢厂及附近地区负荷供电，它由系统1（容量为200MVA）和系统2（容量为40MVA）和系统3（容量为2100MVA）供电，同时向变电站供电，与系统联系紧密。
（1）建设的必要性
该所位于市郊的工矿企业集中区的中心，为满足该地区经济发展及人民生活需要，决定再此建设此区域性变电所。
（2）建设规模
根据电力系统规划，本变电所的规模如下:
电压等级：
220/110/10KV
线路回数：
220KV近期3回，远景发展2回；
110KV近期2回，远景发展2回；
10KV近期10回，远景发展2回。
2.3电力系统出线断面图
图2-1
2.4负荷分析
根据负荷允许停电程度的不同，可以将负荷分为三个等级，即一级负荷、二级负荷、三级负荷。
负荷等级不同，对电力系统供电可靠性与稳定性的要求也不同。
如果停电，一级负荷将造成人身伤亡或会引起对周围环境严重污染；对工厂将造成经济上的巨大损失，如重要的大型的设备损坏，重要产品或用重要原料生产的产品大量报废，还可能引起社会秩序混乱或严重的政治影响。
二级负荷会造成较大的经济损失，如生产的主要设备损坏、产品大量报废或减产；还可能引起社会秩序混乱或较严重的政治影响。
三级负荷造成的损失不大或不会造成直接经济损失。
由此可知，供电的稳定性直接影响经济的发展，负荷等级不同，对供电的要求也不相同：
对于一级负荷，必须有二个独立电源供电，且任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。
对特别重要的一级负荷应该由二个独立电源点供电。
对于二级负荷，一般要有两个独立电源供电，且任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷供电。
对于三级负荷，一般只需一个电源供电。
在110kv负荷中炼钢厂的一类负荷比较大，发生断电时，会造成生产机械的寿命缩短和一定的经济损失.因此要尽可能保证其供电可靠性。
第3章主变的选择
3.1主变选择
变压器是变电所中最重要的和最贵重的是设备，变压器的选择在变电所中是比较重要的。
它是变电站中关键的一次设备，其主要功能是升高或降低电压，以利于电能的合理输送，分配和利用。
变压器的分类方法比较多，按功能分有升压变压器和降压变压器，按相数分有单相和三相变压器，按绕组导体的材质分有铜绕组和铝绕组变压器，按冷却方式和绕组绝缘分有油浸式，干式两大类，其中油浸式变压器又有油浸自冷式，油浸风冷式，油浸水冷式和强迫油循环冷却式等。
而干式变压器又有浇注式，开启式，充气压（SF6）等。
按用途又可分为普通变压器和特种变压器，按调压方式分有无载调压变压器和有载调压变压器。
安装在总降压变电所的变压器通常被称为主变压器，6~10KV/0.4KV的变压器常被叫做配电变压器。
在选择变压器时，应选用低损耗节能型变压器，如S9系列或S10系列。
高损耗变压器已被淘汰，不在采用，在多尘或有腐蚀性气体严重影响变压器安全的场所，应选择密闭型变压器或防腐型变压器，供电系统中没有特殊要求和民用建筑独立变电所常采用三相油浸自冷电力变压器（S9，S10-M，S11，S11-M等）；对于高建筑，地下建筑，发电厂化工等单位对消防要求较高的场所，宜采用干式电力变压器（SC，SCZ，SG3，SG10，SC6等）；对电网电压波动较大的，为改善电能质量应采用有载调压电力变压器（SZ7，SFSZ。
SGZ3等）降压变电所主变压器台数和容量的确定。
主变压器的选择原则
选择主变压器台数时应考率下列原则：
应满足用电负荷对供电可靠性的要求,对供有大量一、二级负荷的变电所,应采用两台变压器,以便当一台变压器发生故障或检修时,另一台变压器对一二级负荷继续供电.对只有二级负荷而无一级负荷的变电所,也可以只采一台变压器,但必须在低压侧敷设与其他变电所相连的联络线作为备用电源或另有自备电源。
（1）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所也可以考虑采用两台变压器。
（2）除上述两种情况外,一般车间变电所宜采用一台变压器.但是负荷集中且容量相当大的变电所,虽为三级负荷,也可以采用两台变压器。
（3）在确定变电所主要变压器台数时,应适当考虑负荷的发展留有一定的余地。
3.1.1变压器容量的选择
主变容量选择应考虑：
（参考《电力工程电气设计手册》一中的第五章）
（1）主变容量选择一般应按变电所建成后5-10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期几年发展，对城郊变电所，主变容量应与城市规划相结合。
（2）根据变电所带负荷性质和电网结构来确定主变容量，对有重要负荷的变电站应考虑一台主变压器停运时，其余主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、二级负荷；对一般性变电站，当一台主变停运时，其余主变压器应能保证全部负荷的60％。
（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。
（主要考虑备用品，备件及维修方便。
）
由计算结果得知应选择容量为SSP-360000/220型。
3.1.2主变台数的考虑原则及台数的选择：
（1）对大城市的一次变，在中、低压侧构成环网情况下，装两台主变为宜。
（2）对地区性孤立的一次变或大型的工业专用变电所，设计时应考虑装三台的可能性。
（3）对规划只装两台主变的变电所，其主变基础宜大于变压器容量的1-2级设计，以便负荷发展时更换主变。
由以上分析知应选择两台主变。
3.2变压器型式的选择
3.2.1相数的选择
由相应规程规定，若站址地势开阔，交通运输方便，也不是由于容量过大而无法解决制造问题宜采用三相变压器，结合以上分析，此变电所应采用三相变压器。
3.2.2绕组数和绕组连接方式的选择
参考《电力工程电气设计手册》和相应的规程中指出：
在具有三种电压的变电所中，如果通过主变各绕组的功率达到该变压器容量的15％以上，或在低压侧虽没有负荷，但是在变电所的实际情况，由主变容量选择部分的计算数据，明显满足上述情况。
故该市郊变电所主变选择三绕组变压器。
参考《电力工程电气设计手册》和相应规程指出：
变压器绕组的连接方式必须和系统电压一致，否则不能并列运行。
电力系统中变压器绕组采用的连接方式有Y和△型两种，而且为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组是△型的，我国110KV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中型点，所以都需要选择的连接方式。
而6-10KV侧采用△型的连接方式。
故该市郊变电所主变应采用的绕组连接方式为：
。
3.2.3主变阻抗和调压方式的选择
参考《电力系统电气设计手册》和相应规程中指出：
变压器各侧阻抗值的选择必须从电力系统稳定，潮流方向，无功分配，继电保护，短路电流，系统内的调压手段和并列运行等的方面进行综合考虑，并应以对工程起决定性作用的因素来确定。
变压器的阻抗选择实际上是指三个绕组在变压器铁心中缠绕的位置，由此变压器可以分为升压结构和降压结构两种类型。
调压方式是指采用有载（带负荷）调压还是手动（不带负荷）调压方式。
规程规定：
在能满足电压正常波动情况下可以采用手动调压方式（手动调压方式的变压器便宜、维修方便）。
近年来随着对电压质量的要求的提高和有载调压变压器的质量的提高，作为城市变电站，一般也都用有载调压方式。
综合以上分析本设计中此变电站的主变宜采用有载调压方式。
3.2.4主变压器的冷却方式
根据型号有：
自然风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫导向油循环等。
按一般情况，220KV变电站宜选用自然风冷式。
3.2.5变压器各侧电压的选择
作为电源侧，为保证向线路末端供电的电压质量，即保证在10%电压损耗的情况下，线路末端的电压应保证在额定值，所以，电源侧的主变电压按10%额定电压选择，而降压变压器作为末端可按照额定电压选择。
所以，对于220KV的变电站，考虑到要选择节能新型的，220KV侧应该选220KV,110KV侧选115kv。
10KV侧选10.5KV。
3.2.6全绝缘、半绝缘、绕组材料等问题的解决
在110KV及以上的中型点直接接地系统中，为了减小单相接地时的短路电流，有一部分变压器的中性点采用不接地的方式，因而需要考虑中性点绝缘的保护问题。
220KV，110KV侧采用分级绝缘的经济效益比较显著，并且选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护。
10KV侧为中性点不直接接地系统中的变压器，其中性点都采用全绝缘。
第4章电气主接线设计
4.1电气主接线设计
电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家的经济建设方针、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，尽可能的节省投资，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、适用、经济、美观的原则。
电气主接线是由高压电器通过连接线，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，它要求用规定的设备文字和图形符号，并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置全部基本组成和连接关系，代表该变电站电气部分的主体结构，是电力系统结构网络的重要组成部分。
设计的合理性直接影响电力系统运行的可靠性，灵活性及对电器的选择、配电装置、继电保护、自动控制装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。
因此，我们要重视电气主接线的设计。
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。
欲使主接线可靠、灵活，必然要选用高质量的设备和现化的自动装置，从而导致投资费用的增加。
因此，主接线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。
一般应当从以下几方面考虑：
（1）投资省主接线应简单清晰，以节省开关电器数量，降低投资；要适当采用限制短路电流的措施，以便选用价廉的电器或轻型电器；二次控制与保护方式不应过于复杂，以利于和节约二次设备及电缆的投资。
（2）占地面积少主接线设计要为配电布置创造节约土地的条件，经可能使占地面积减少。
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所，在可能和允许条件下，应采取一次设计，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所中，正常运行时，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。
因此,主接线的设计必须根据电力系统,发电厂或变电站的具体情况,全面分析正确处理好各方面的关系,通过技术经济比较,合理的选择主接线方案。
决定电压等级和出线回数。
因此,发电厂和变电站的主接线必须满足以下基本要求:
1.根据发电厂变电站在电力系统中的地位,作用和用户性质,保证必要的供电可靠行和电能质量的要求。
2.应力求接线简单,运行灵活和操作方便。
3.保证运行,维护和检修的安全和方便。
4.应尽量降低投资,节省运行费用。
5.满足扩建的要求,实现分期过度。
我们在比较各种电气主接线的优劣时，主要考虑其可靠性、灵活性、经济性三个方面。
我们可以遵循以下原则来满足其可靠性、灵活性及经济性。
首先，在比较主接线可靠性的时候，应从以下几个方面考虑：
（1）断路器检修时，能否不影响供电；
（2）线路、断路器或母线故障时以及母线或隔离开关检修时，停运出线回路数的多少和停电时间的长短，以及能否保证对Ⅰ、Ⅱ类用户的供电；
（3）变电站全部停电的可能性；
（4）大型机组突然停电时，对电力系统稳定性的影响与后果因素。
其次，电气主接线在满足可靠性与灵活性的前提下做到经济合理，应主要从以下几个方面考虑，来满足其经济性：
（1）投资省；
（2）占地面积小；
（3）电能损耗少；
（4）扩建和扩展的可能性。
4.2主接线设计应满足的基本要求
变电所的主接线应根据变电所所在电网中的地位、出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求。
4.3接线设计
结合本变电站的实际情况，220KV侧有3回出线，110KV侧有2回出线，10KV侧有12回出线.该变电站在整个电力网络中处于重要的地位，各侧均不允许断电。
故可对各电压等级侧主接线设计方案作以下处理：
（1）220KV侧
根据要求可以草拟以下两种方案：
方案
项目
方案I单母分段
方案II单母分段带旁母接线
可
靠
性
用断路器把母线分段后,对重要用户可从不同段引出两个回路,保证不间断供电，可靠；检修出线断路器，可以不停电检修，供电可靠性高
用断路器把母线分段后,对重要用户可从不同段引出两个回路,保证不间断供电，可靠
灵
活
性
当一回线路故障时,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
当一回线路故障时,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
经
济
性
接线简单，增加了设备,投资较方案Ⅱ高
接线简单,运行设备少，投资少，年运行费用少
由以上比较结果知，这两种方案都有较好的可靠性和灵活性。
由于本变电站在整个系统中占有较重要的地位，要求保证某些重要的用户不可中断供电，故要求系统有更好的供电可靠性，综合考虑，220KV侧宜采用方案2。
（2）110KV侧
根据要求可以草拟以下两种方案：
方案
项目
方案I单母分段带旁母接线
方案II单母分段
可
靠
性
用断路器把母线分段后,对重要用户可从不同段引出两个回路,保证不间断供电，可靠；检修出线断路器，可以不停电检修，供电可靠性高
用断路器把母线分段后,对重要用户可从不同段引出两个回路,可靠，适合用于屋内布置，可采用手车式断路器，这样可保证进出线检修时不中断供电
灵
活
性
当一回线路故障时,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
当一回线路故障时,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，且扩建方便
经
济
性
占地面积大，多一旁路增加了投资
占地面积小，但小车投资多
表中分析可以知道，110KV电压级，综合考虑主接线的基本要求，合理考虑市区电力负荷的基本情况以及市区的经济状况，通过比较，最后选择第
（1）方案，即采用单母分段的电气主接线形式。
这种主接线形式能够满足市郊对电力负荷的用电要求，考虑了今后随着经济的发展，还有扩建的可能，另外，在此用电负荷中有少量的一级负荷和二级负荷。
因此，选择了单母线分段带旁母的主接线形式。
（3）10KV侧
根据要求可以草拟以下两种方案：
基本要求/方案
方案（Ⅰ）单母分段
方案（Ⅱ）单母分段带旁母接线
可
靠
性
无论检修断路器或变压器故障时，均不会造成重要的电力负荷停电。
使用的电气设备比较多，出现故障的几率也比较大。
具有较强的供电可靠性。
选择轻型的电气设备。
使用的设备比较少，出现故障的几率比较底。
灵
活
性
电气主接线的结构简单，但调度灵活性较差。
易于扩建和扩展。
运行方式相对简单，并且具有较好的灵活性。
易于扩建和实现自动化。
经
济
性
使用的电气设备多，投资大，年运行费用高。
占地面积比较大。
使用的设备相对少，投资少，年运行费用不高。
占地面积比较小。
由表中分析可以知道，10KV电压级，综合考虑主接线的基本要求，合理考虑市区电力负荷的基本情况以及市区的经济状况，通过比较，最后选择第（Ⅱ）方案，即采用双母线接线的电气主接线形式。
这种主接线形式能够满足市区各级电力负荷的用电要求，考虑了今后随着经济的发展，还有扩建和扩展的可能，另外，由于进出线回路数比较多，且各回路出线的负荷等级中一，二级负荷较多。
综上分析可以得出：
市区新建变电站的电气主接线形式为，220KV电压级采用单母线分段带旁母的主接线形式，110KV电压级采用单母线分段带旁母的主接线形式10KV电压级采用单母线分段带旁母主接线形式。
变电站电气主接线图详见附录。
第5章短路电流的计算
供电系统要求正常的不间断对用电负荷供电，以保证生产和生活的正常进行。
然而，由于各种原因也难免出现故障，而使系统的正常运行遭到破坏。
电力系统中出现最多的故障形式是短路。
所谓短路既是指载流导体相与相之间发生非正常接触情况，在中性点直接接地的系统中还有各相与地之间的短路。
同时论述了短路电流的计算及电气设备的选择与校验。
造成短路的主要原因，是电气设备载流部分的绝缘损坏。
这种损坏可能是设备长期运行，绝缘自然老化或由于设备本身质量低劣，绝缘强度不够而被正常电压击穿，或设备质量合格，绝缘合乎要求而被过电压（包括雷电过电压）击穿，或者是设备绝缘受到外力损坏而造成短路。
工作人员由于违反安全操作规程而发生误操作，或者误将低电压设备接入较高的电压的电路中，也可能造成短路。
短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大的多。
在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几千万安。
如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害：
1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其它元件受到损害和破坏，甚至引发火灾事故。
2）短路时电路的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。
3）短路时保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路电越靠近电源，停电范围越大，造成的损失也越大。
4）严重的短路要影响电力系统运行
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