220kV降压变电站主变压器选型与参数计算.docx
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220kV降压变电站主变压器选型与参数计算
长沙电力职业技术学院2014届毕业论文（设计）
题目：
220kV降压变电站主变压器
选型与参数计算
专业：
发电厂及电力系统
姓名：
纪翰林
学号：
2
班级：
电气1138班
指导老师：
王芳媛
2013年11月
长沙电力职业技术学院
毕业设计（论文）课题任务书
（2013年下学期）
系部名称：
电力工程系
课题名称
220kV降压变电站主变压器选型与参数计算
学生姓名
纪翰林
专业
发电厂及其电力系统
学号
2
指导教师
王芳媛
任务书下达时间
2013年9月26日
课题概述：
本课题要为一个电压等级为220/110/35KV的变电站选择主变压器型号，并对主变压器进行参数计算。
本次设计的变电站的类型为降压变电站，要求根据老师给出的设计资料和要求，并结合所学的基础知识和文献资料完成设计和计算。
通过本设计，使学生加强对所学知识的理解和掌握，并掌握变电站主变压器的选型方法，为以后从事电力工作打下一定的基础。
一、课题任务：
1、分析设计任务书中给定的基本条件，熟悉题目要求，查阅相关科技文献；
2、选择本变电所的主变压器（确定变压器的型号、台数、容量）；
3、对变压器进行参数计算。
2、课题的原始资料及主要参数
变电站参数：
1、电压220KV
2、Tmax=6000h
3、110KV系统有10回出线，带有负荷60MW
4、35KV系统有8回出线，带有负荷40MW
5、变电站不受场地限制，设计条件为标准状态。
要求阅读或检索的参考资料及文献：
[1]丁毓山.10～220kV变电所设计[M].辽宁科学技术出版社，1993
[2]刘笙.电气工程基础[M].科学出版社，2002
[3]水利电力部西北电力设计院.电气工程设计手册电气一次部分[M].中国电力出版社，1989
[4]电力工业部西北电力设计院.电气工程设计手册电气一次部分[M].中国电力出版社，1998
[5]弋东方.电气设计手册电气一次部分[M].中国电力出版社，2002
[6]孟祥萍.电力系统分析[M].高等教育出版社，2004
[7]何仰赞.电力系统分析[M].华中科技大学出版社，2002
[8]张建业.电力设备选型手册[M].中国水利水电出版社，2006
[9]狄富清.变电设备合理选择与运行检修[M].机械工业出版社，2005
设计（论文）成果要求：
一、内容要求
1、论文及电子文档；
2、论文要求包含封面、目录、前言、摘要、关键词、正文和参考文献。
二、格式要求
1、论文内容完整，写作规范。
2、论文篇幅应在10000字以上
3、应交电子文稿及用长沙电力职院专用论文纸张打印的打印稿。
进度及要求
起止日期
要求完成的内容及质量
第5~16周
第13周：
学习毕业设计任务书、指导书，选择确定课题、调查分析、收集原始资料，找有关文献，完成开题报告；
第14－15周：
撰写毕业论文；
第16周：
整理毕业论文，进行毕业答辩。
审核
系主任（盖章）
批准
教务处（盖章）
长沙电力职业技术学院毕业设计（论文）评阅表
指导教师意见
指导教师签名：
201年月日
评阅教师意见
评阅教师签名：
201年月日
答辩成绩
答辩组长签名：
201年月日
总评成绩
指导教师签名：
201年月日
前言
电力已成为人类历史发展的主要动力资源，要科学合理地驾驭电力，必须从电力工程的设计原则和方法上来理解和掌握其精髓，提高电力系统的安全可靠性和运行效率，从而达到降低生产成本、提高经济效益的目的。
通过本次的电力系统课程设计，便可以很好的体现上述观点。
本课题要为一个电压等级为220/110/35KV的变电站选择主变压器型号，并对主变压器进行参数计算。
本次设计的变电站的类型为降压变电站，要求根据老师给出的设计资料和要求，并结合所学的基础知识和文献资料完成设计和计算。
通过本设计，使我加强对所学知识的理解和掌握，并掌握变电站主变压器的选型方法，为以后从事电力工作打下一定的基础。
电力系统专业的毕业设计是一次比较综合的训练，它是我们将在校期间所学的专业知识进行理论与实践的很好结合，运用理论知识和所学到的专业技能进行工程设计和科学研究，提高分析问题和解决问题的能力。
在完成此设计过程中，我们可以学习电力工程设计、技术问题研究的程序和方法，获得搜集资料、查阅文献、调查研究、方案比较、设计制图等多方面训练，并进一步补充新知识和技能。
摘要
本毕业设计论文是220kV降压变电站主变压器选型与参数计算。
为了保证供电的可靠性和一次性满足远期负荷的要求，按照远期负荷规划进行设计建设，从而保证变电所能够长期可靠供电。
根据毕业设计任务书的要求，综合所学专业知识及《电力系统分析》等书籍的有关内容，设计过程中完成了主变压器选型与参数计算主要工作。
在此期间，遇到的种种问题均通过反复比较、验算，并请教老师得以解决。
内容较为详细，对今后扩建有一定的参考价值。
本设计通过对变压器一些常规的名词解释，让普通的人也能理解变压器的一些简单的数据。
通过对变压器的选型、容量计算计算和选择以及一些主要参数的计算明确了变电站所需要的主变压器。
近年来，电力在世界各国能源和经济发展中的作用日益增长，它已成为现代社会实用最广、需要最快的能源。
变压器的合理选择是一个极其重要的部分。
本次设计是根据毕业设计任务书的要求，综合所学专业知识及《电力系统分析》等书籍的有关内容，在指导老师的帮助下，通过本人的精心设计论证完成的。
整个设计过程中，全面细致的考虑可靠性、经济性、灵活性等诸多因素，最终完成本设计方案。
通过完成此毕业设计论文，进一步领会我国电力工业建设的政策观念和经济观点，培养对工程技术、经济进行较全面的综合分析能力。
[关键词]:
变压器选型；容量选择；参数的计算
第1章主变压器的选择
1.1原始材料
（1）变电所为一地区性枢纽变电所，根据系统地区负荷的要求，拟装两台主变压器，设计容量为100MVA，变电所要求一次建成，变电所电压等级共分为三级：
220KV、110KV、35KV，变电所进出线110KV侧10回；35KV侧8回。
（2）变电所的负荷情况（最大负荷持续时间6000h）：
110KV侧最大负荷60MVA；
35KV侧最大负荷40MVA。
1.2变电所与系统联系情况
（1）新建的220KV变电站，连接着220KV、110KV和35KV三个电力系统，担负着一个地区的供电，是一座变电站。
（2）110KV以10回线供110KV地区负荷，35KV侧负荷以8回线供35KV负荷。
（3）设计原则：
在保证安全、经济、灵活、方便的条件下力求接线简单、布置紧凑，具有较高的自动化水平。
（4）所址选择要求：
尽量接近负荷中收，不占或少占良田、高低压设备进出线方便（考虑到交通运输方便性）。
（5）变电所拟装设两台主变，其中一台主变断开时另一台主变承担70％以上的全部负荷[1]。
1.3变电所在系统中的地位分析
变电系统及装置的设计，不仅要满足正常运行方式下的各种工作状及运行条件的要求而且这要考虑在故障条件下如何缩小或限制故障的范围及影响,并保证电气设备故障状态下可靠的工作。
本设计为大型地区性枢纽变电所，要考虑可靠性、灵活性和经济性，由于属于枢纽变电所，从而该变电所在未来电力系统中的作用和地位是至关重要的。
从负荷点和电压等级可知，它具有220kv、110kv、35kv三级电压负荷。
该变电所220kv电压级的接线对可靠性要求较高，为保证检修出线断路器不致对该回路停电，应采取旁路接线为宜；110kv等级的接线由于出线回路较多，直接与110kv系统相连的回路，正常情况下起联络作用，而故障情况下也向系统供电，所以也比较重要，也应采用带旁路形式为宜；35kv线为8回出线供给负荷，故也应带旁路母线。
地区枢纽变电所位于地区网络的枢纽点上，高压以交换或接受功率为主，供电给地区的中压侧和附近的低压侧负荷。
全所停电后，将引起电网瓦解，影响整个地区的供电。
所设计的变电所为一地区性枢纽变电所。
它位于电力系统的枢纽点，连接系统的高压和中压的几个部分，汇集多个电源，全所停电后，将引起系统解列，甚至出现瘫痪。
从负荷特点和电压等级可知，此变电所具有三个电压等级，三侧连接电源系统，三侧向外供应负荷。
其高压220kv侧进出线，交换系统间的巨大功率潮流并向中压侧输送大量电能，对主接线要求比较高，要保证在母线及开关检修不停电，需采用可靠性较高的主接线。
中压110kv侧十回进出线，地位也十分重要，也应采用可靠性较高的主接线方案。
而低压35kv侧进出线回路数较多，为八回，主要向负荷供电，在经济允许的条件下应尽可能采用可靠性高的主接线方案。
在变压器母线选择上，应考虑两台主变压可以并列，并在运行中可以灵活的切换。
1.4主变压器选择的相关原则
根据DJ2-88规程中关于变电所主变压器选择的规定如下:
[2]
（1）主变压器容量和台数的选择，应根据《电力系统设计技术规程》SDJ161-85有关规定和审批的电力系统规划设计决定进行。
凡装有两台（组）及以上主变压器的变电站，其中一台（组）事故停运后，其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的70%，在计及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。
（2）与电力系统连接的220～330kV变压器，若不受运输条件的限制，应选用三相变压器。
500kV主变压器选用三相或单相，应根据变电所在系统中的地位、作用、可靠性要求和制造条件、运输条件等，经经济技术比较确定。
当选用单相变压器组时，可根据系统和设备情况确定是否装备用相；此时，也可以根据变压器的参数、运输条件和系统情况，在一个地区设置备用相。
（3）对深入市区的城市电力网变电所，结合城市供电规划，为简化变压器层次和接线，也可采用双绕组变压器。
（4）在330kv及以下的电力系统中,一般应选用三相变压器,因为单相变压器组相对来讲,投资大、占地多，运行损耗也大。
同时，配电装置结构复杂，也增加了维修工作量，但是由于变压器的制造条件和运输条件限制，特别是大型变压器，尤其要考察其运输的可能性，从制造厂到发电厂（或变电所）之间，变压器尺寸是否超过运输中的隧道、涵洞、桥洞的允许通过限额；变压器重量是否超过运输途中车辆船舶、码头等运输工具或设施的允许承载能力，若受到限制时，则宜选择两台小容量的三相变压器取代一台大容量变压器，或者选用单相变压器组，如果以两台升高电压级向用户供电或系统连接时，可以采用两台双绕组变压器或三绕组变压器，因为一台三绕组变压器的价格及所使用的控制电器和辅助设备与相应的两台双绕组变压器相比都较小。
在此次变电所设计中有三种电压等级且通过主变压器侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上，可选用两台三绕组变压器或两台自耦变压器的组合。
（5）主变压器的调压方式的选择，应符合《电力系统设计技术规程》SDJ161的有关技术规定。
[2]
1.4.1主变压器选择的一般原则
1.主变压器台数的选择
（1）为保证供电的可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所一般装设两台主变压器，但一般不超过两台变压器。
（2）应满足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，应选用两台变压器，以便当一台故障或检修时，另一台能对一、二级负荷继续供电。
对只有少量二级而无一级负荷的变电所，如低压侧有与其他变电所相联的联络线作为备用电源时，亦可只采用一台变压器。
（3）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，无论负荷性质如何，均可选用两台变压器。
（4）除上述情况外，一般供三级负荷的变电所可只采用一台变压器。
但集中负荷较大者，虽为三级负荷，亦可选用两台变压器。
（5）在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。
从可靠性的计算结果表明，降压变电所中设置两台变压器，不间断的供电是有保证的。
2.变压器型式的选用
（1）变电所的主变压器一般采用三相变压器，如因制造和运输条件限制，在220KV的枢纽变电所中，一般采用单相变压器组。
当装设一组单相变压器时，应考虑装设备用相。
当主变压器超过一组，且各组容量满足全所负荷的75%要求时，可不装备用相。
（2）变电所中的主变压器在系统中有调压要求时，一般采用有载调压变压器。
有载调压变压器可以带负载调压，有利于变压器的经济运行。
因此，在新设计的变电所中，大都采用这种型式的变压器。
（3）与两个中性点直接接地系统连接的变压器，除低压负荷较大或与高中压间潮流不定的情况外，一般采用自耦变压器，但仍需作技术经济比较。
3.主变容量的选择
（1）为了正确的选出变压器的额定容量，要绘制变电所的年及日负荷曲线，并从该曲线得出变电所的年及日最高负荷和平均负荷。
（2）主变压器的容量确定应根据电力系统5～10年的发展规划进行选择，因此，为了确定合理的变压器容量，必须尽可能把5～10年负荷发展规划做得正确，这是最根本的。
（3）变压器的最大负荷按下式确定为
（1-1）
式中：
PM——变电所的最大负荷；
K0——负荷同时系数；
∑P——按负荷等级统计的综合用电负荷。
（4）对两台变压器的变电所，变压器的额定容量可按下式确定为
（1-2）
即按70%的全部负荷选择，因此变电所的总安装容量为
（1-3）
当一台主变压器停运时，可保证对70%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证98%负荷供电。
当变电所装设两台以及以上主变压器时，每台容量的选择应按照其中任意一台主变压器停运时，其余变压器容量至少能保证所供的一级负荷或为变电所全部负荷的60%～75%。
通常一次变电所采用75%，二次变电所采用60%。
若取Se=0.6PM，则当一台变压器停运时，可保证对60%的负荷供电，考虑变压器的过负荷能力为40%，则可保证对84%负荷的供电。
由于一般变电所中，大约有25%的非重要负荷，在事故状态下可以切除，因此，采用Se=0.6PM，对变电所保证重要负荷来说是可行的。
1.5三相三绕组电力变压器的绕组顺序
按阻抗电压uk%的第一种组合方式一般应该认为是升压变压器的的一种绕组排列方式：
即由内向外的顺序为：
中压绕组——低压绕组——高压绕组。
此种方式中压绕组阻抗最大。
按阻抗电压uk%的第二种组合方式一般应该认为是降压变压器的的一种绕组排列方式，即由内向外的顺序为：
低压绕组——中压绕组——高压绕组此种方式低压绕组的阻抗最大。
排列方式的原则是为了绝缘结构的合理，一般的是将低压、中压绕组排在最里面，高压绕组必须在最外面。
在三绕组升压变压器中，低压绕组是一次侧，高、中压绕组是二次侧，低压绕组排列在高、中压绕组的中间位置，即从铁心柱往外排列的绕组，依次为中压绕组、低压绕组和高压绕组。
在三绕组降压变压器中，高压绕组是一次侧，中、低压绕组均为二次侧，中压绕组排列在高、低压绕组的中间位置，即从铁心柱往外排列的绕组，依次为低压绕组、中压绕组和高压绕组。
三绕组变压器绕组排列
（a）升压变压器（b）降压变压器
图1-1三绕组升压变压器和降压变压器的绕组排列
为了叙述方便起见，我们把高、中、低压绕组分别编号为1、2、3。
高、中压绕组间的电抗用x12表示，中、低压绕组间的电抗用x23表示，高、低压间的电抗则用x13表示，而各绕组的等值电抗则分别用x1、x2和x3来表示。
在三绕组升压变压器中，x12最大，x13次之，x23最小。
而在三绕组降压变压器中，x13最大，x12次之，x23最小【7】。
1.6主变压器的选定
1.6.1主变压器容量的确定
通过对原始资料的分析，根据远期负荷及经济发展的要求。
分析原始资料P=100000KW。
由《规程》得
S=（P/cosθ）×70%≈82.36MVA（1-4）
根据查《电力系统设计技术规程》[1]得：
cosθ一般取0.85。
若选两台容量为90000kVA的变压器，当一台停运时，仍能保证70%的重要负荷供电。
1.6.2主变压器型号的确定
查《电力工程电气设备手册：
电气一次部分》[3]确定两台主变压器为额定容量：
90000/90000/45000KVA，容量为90000kVA三绕组有载调压变压器；其型号为SFPSZ10-90000/220。
所以一次性选择两台SFPSZ10-90000/220型变压器为主变。
正常运行时，两台变压器全部投入。
当其中一台停运检修时，考虑变压器的过负荷能力，另一台完全能达到保证全部负荷供电的70%。
1.6.3主变压器的技术参数
查《电力工程电气设备手册：
电气一次部分》[3]，选定变压器的容量为90000VA。
由于降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：
SFPSZ10-90000/220。
主要技术参数如下：
额定容量：
90000（KVA）
额定电压：
高压—220±8×1.25%；中压—110；低压—35（KV）
连接组标号：
Yn/yn0/d11
空载损耗：
70（KW）
短路阻抗（%）：
高-中H.V.-M.V.12-14；高-低H.V.-L.V.22-24；中-低M.V.-L.V.7-9
空载电流（%）：
0.22
第2章变压器损耗
变压器损耗是现代物理学领域的概念，是指空载损耗P。
和短路损耗PK之和。
2.1变压器损耗
2.1.1杂散损耗
是指发生在引线和外壳以及其他结构性的金属零件上的损耗，杂散损耗与负荷有关。
一般来说，变压器的空载损耗和短路损耗占到变压器损耗的绝大部分，所以我们在计算变压器损耗时，只考虑这两部分。
以上几个概念的单位都为千瓦（KW）.
2.1.2变压器损耗的特征
PO——空载损耗，主要是铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗；
磁滞损耗与频率成正比；与最大磁通密度的磁滞系数的次方成正比。
涡流损耗与频率、最大磁通密度、矽钢片的厚度三者的积成正比。
PC——负载损耗，主要是负载电流通过绕组时在电阻上的损耗，一般称铜损。
其大小随负载电流而变化，与负载电流的平方成正比；（并用标准线圈温度换算值来表示）。
负载损耗还受变压器温度的影响，同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗，并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。
变压器的全损耗：
ΔP=Pc+Po（2-1）
η=PZ/（PZ+ΔP）（2-2）
其中：
PZ为变压器二次侧输出功率；
η为变压器效率,以百分比表示。
2.2变损电量的计算
变压器的损失电量有铁损和铜损两部分组成。
铁损与运行时间有关，铜损与负荷大小有关。
因此，应分别计算损失电量。
2.2.1铁损电量的计算
不同型号和容量的铁损电量，计算公式是：
铁损电量（千瓦时）=空载损耗（千瓦）×供电时间（小时）（2-3）
配变的空载损耗（铁损），由附表查得，供电时间为变压器的实际运行时间，按以下原则确定：
（1）对连续供电的用户，全月按720小时计算。
（2）由于电网原因间断供电或限电拉路，按变电站向用户实际供电小时数计算，不得以难计算为由，仍按全月运行计算，变压器停电后，自坠熔丝管交供电站的时间，在计算铁损时应予扣除。
（3）变压器低压侧装有积时钟的用户，按积时钟累计的供电时间计算。
2.2.2铜损电量的计算
当负载率为40%及以下时，按全月用电量（以电能表读数）的2%计收，计算公式:
铜损电量（千瓦时）=月用电量（千瓦时）×2%（2-4）
因为铜损与负荷电流（电量大）小有关，当配变的月平均负载率超过40%时，铜损电量应按月用电量的3%计收。
负载率为40%时的月用电量，由附表查的。
负载率的计算公式为：
负载率=抄见电量/S*T*cosθ（2-5）
式中：
S——配变的额定容量（千伏安）；T——全月日历时间、取720小时；cosθ——功率因数，取0.80。
电力变压器的变损可分为铜损和铁损。
铜损一般在0.5%。
铁损一般在5~7％。
干式变压器的变损比油侵式要小。
合计变损：
0.5+6=6.5（2-6）
计算方法：
1000KVA×6.5%=65KVA（2-7）
65KVA×24小时×365天＝569400（度）（2-8）
2.3变压器空载损耗
空载损耗指变压器二次侧开路，一次侧加额率与额定电压的正弦波电压时变压器所吸取的功率。
一般只注意额定频率与额定电压，有时对分接电压与电压波形、测量系统的精度、测试仪表与测试设备却不予注意。
对损耗的计算值、标准值、实测值、保证值又混淆了。
空载损耗又叫变压器的铁损，是指发生于变压器铁芯叠片内，周期性变化的磁力线通过材料时，由材料的磁滞和涡流产生的，其大小与运行电压和分接头电压有关。
空载损耗：
当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率正弦波形的额定电压时，所消耗的有功功率称空载损耗。
算法如下：
空载损耗=空载损耗工艺系数×单位损耗×铁心重量（2-9）
如将电压加在一次侧，且有分接时，如变压器是恒磁通调压，所加电压应是相应接电源的分接位置的分接电压。
如是变磁通调压，因每个分接位置时空载损耗都不相同，必须根据技术条件要求，选取正确的分接位置，施加规定的额定电压，因为在变磁通调压时，一次侧始终加一个电压于各个分接位置。
一般要求施加电压的波形必须为近似正弦波形。
所以，一是用谐波分析仪测电压波形中所含谐波分量，二是用简便办法，用平均值电压表，但刻度为有效值的电压表测电压，并与有效值电压表读数对比，二者差别大于3%时，说明电压波形不是正弦波，测出的空载损耗，根据新标准要求应是无效了。
对测量系统而言，必须选合适的测试线路，选合适的测试设备与仪表。
因为导磁材料的发展，每公斤损耗的瓦数在大幅度下降，制造厂都选用优质高导磁晶粒取向硅钢片或甚至选用非晶合金作为导磁材料，结构上又发展了诸如阶梯接缝与全斜无孔，工艺上采用不叠上铁轭工艺，制造厂都在发展低损耗变压器，尤其空载损耗已在大幅度地下降。
因此对测量系统提出新的要求。
容量不变，空载损耗下降是意味着空载时变压器功率因数的下降，功率因数小就要求制造厂改变和改造测量系统。
宜用三瓦特表法测，选用0.05-0.1级互感器，选用犄低功率因数的瓦特表，只有这样，才能保证测量精度。
在功率因数为0.01时，互感器的相位差为1分时会引起功率误差2.9%。
所以，在实际测量时还要正确选择电流互感器与电压互感器的电流比与电压比。
实际电流远小于电流互感器所接的电流时，电流互感器的相位差与电流误差越大，这会导致实测结果有较大的误差，所以，变压器吸取的电流应接近于电流互感器的额定电流。
另外，在设计中根据规定程序，参照所选用硅钢片的单位损耗与工艺系数所算得的空载损耗，一般叫计算值。
这个值要与标准中规定的标准值或与合同中规定的标准值或保证值对比。
计算值必须小于标准值或保证值，不能在计算上吃宽裕度，尤其批量生的变压器。
另外计算值只对设计员或设计科内有效，没有法律效应，不能用计算值来判断产品的损耗水平。
而标准上规定的标准值或合同上规定的保证值是法律效应的。
超过标准值加允许偏差，或者叫保证值（保证值等于标准值加允许偏差）的产品即为不合格产品。
如有损耗评价制度时，一般在合同上会指出，尤其出口产品，超过规定损耗值要罚款，空载损耗的罚款最高。
这就是法律效应，并与经济效益直接挂钩。
对实测值的概念也要正确理解，不是伏特表的读数（或叫功率转换器的读数），而是实测值要换算到额定条件，并要有足够的精度。
对空载损耗的实测值而言，主要是电源的电压波形要正弦波，平均值电压表读数与有效值电压读数之差小于3%。
4]
2.4变压器负载损耗、阻抗电压的计算
负载损耗：
当变压器二次绕组短路（稳态），一次绕组流通额定电流时所消耗的有功功率称为负载损耗。
算法如下：
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