500kv变电站设计.docx
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500kv变电站设计
500kv变电站的设计
摘要
变电站是直接影响整个电力系统的安全性和经济性的一个重要组成部分，它是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
[1]本次毕业设计针对500kV变电站的特点，以电气设计部分为核心，通过分析拟建变电站的进出线方向和负荷等原始资料，从可靠性、安全性、经济性等其他方面的考虑，确定电气主接线方式，主变压器的容量、数量的确定，负荷分析及计算，以及短路电流的计算和变电所主要电气设备的选择（包括断路器，隔离开关，互感器等），并在选择时对电气设备进行了必要的计算和校验。
同时，针对本次设计，完成相应图纸的绘制。
[1][2]
关键词：
变电站；短路电流；电力系统
ABSTRACT
Substationistheimportantpartofpowersystem,itdirectlyinfluencesthewholepowersystemsafeandeconomicoperationofthepowerplantandtheuser,istheintermediatelink,playsaroleintransformationanddistributionofelectricity.Thegraduationdesignfor500kVthecharacteristicsofsubstation,electricaldesignasthecore,throughtheanalysisofthesubstationandtheorientationofalineandloaddatafromtheoriginal,reliability,safety,economicandotheraspectstoconsider,determinethemainelectricalwiringmode.Mainlyfromthemaintransformercapacity,quantitydetermination,loadanalysisandcalculation,andtheshortcircuitcurrentcalculationandsubstationmainelectricalequipmentselection（includingcircuitbreaker,isolatingswitch,transformerandsoon）,andthechoiceofelectricalequipmentisnecessarytocalculateandcheck.Atthesametime,accordingtothedesign,completethedrawing.
Keywords:
Substation；Shortcircuitcurrent；Powersystem
1前言
我国是世界能源消耗大国，煤炭消费总量居世界第一位，电力消费总量居世界第二位，但一次能源分布和生产力发展水平却很不均匀。
水能、煤炭主要分布在西部和北部，能源和电力需求主要集中在东部和中部经济发达地区。
这种能源分布与消费的不平衡状况，决定了我国的能源配置上必须以大煤电基地、大水电基地为依托。
实现煤电就地转换和水电大规模开发。
而变电站担负着从电力系统受电，经过变压，然后分配电能的任务，是输送和分配电能的中转站，是供电系统的枢纽，在全国电网中占有特殊重要的位置。
[3]
本设计对变电站内最重要的电气设备如主变压器、导线、电气设备等元器件，进行了比较和选择，主变压器最终为2台，追求设备寿命期内最优的经济效益。
站内主接线分为500kV、220kV、和35kV三个电压等级。
各个电压等级分别采用
断路器接线、双母线和单母线分段的接线方式。
电气主接线是发电厂和变电站的重要环节，电气主接线的拟定直接关系着全站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站投资大小的决定性因素。
在短路电流方面，讲述了短路电流的危害以及三个电压等级处短路电流的计算。
电气设备的选择以各种元器件如何选择参数为主，因为只要确定了器件的参数就能十分容易的根据电力手册查出元件型号。
最后，还对导线截面的确定以及导线截面积的校验方法进行说明，使变电站电气一次部分基本完成。
1.原始资料
500KV变电站为枢纽变电所，有三个电压等级。
其500KV双回路进线，220KV馈线2回，35KV馈线12回。
电源距变电站距离300KM，两回路输电。
220kv负荷资料：
最大负荷60000KW，功率因数0.95，回路2回，距离变电站50KM；35KV负荷资料：
分别为矿机厂、机械厂、汽车厂、电机厂、机车厂、煤矿厂回路各两回，功率因数都是0.95，距离变电站均按60KM计算，重要负荷均是65%，前5个厂最大负荷均按2500KW计算，煤矿厂最大负荷25000KW。
最大负荷时间分别是500kv侧为3000小时/年，220kv侧为3600小时/年，35kv侧为5000小时/年。
500kV保护动作时间0.08s，220kV和35KV为0.15S，断路器灭弧时间按0.06S考虑。
2.设计要求
（1）用标准符号绘制电气主接线图
（2）撰写计算书（负荷计算与短路计算）
（3）选择高压设备
2负荷统计及计算
根据任务书，对变电站负荷统计和计算如下。
线路中l～2为500kV进线，3~4为220kV馈线，5~16为35KV馈线。
2.1负荷统计
根据任务书对负荷统计，见表2.1
表2.1负荷统计表
回路序号
回路名称
最大负荷
功率因数
线长
供电回路
1
500KV进线甲线
300km
1
2
500KV进线乙线
300km
1
3
220KV馈线甲线
60000kw
0.95
50km
1
4
220KV馈线乙线
60000kw
0.95
50km
1
5
35KV煤矿厂甲线
25000kw
0.95
60km
1
6
35KV煤矿厂乙线
25000kw
0.95
60km
1
7
35KV矿机厂甲线
2500kw
0.95
60km
1
8
35KV矿机厂乙线
2500kw
0.95
60km
1
9
35KV机械厂甲线
2500kw
0.95
60km
1
10
35KV机械厂乙线
2500kw
0.95
60km
1
11
35KV汽车厂甲线
2500kw
0.95
60km
1
12
35KV汽车厂乙线
2500kw
0.95
60km
1
13
35KV电机厂甲线
2500kw
0.95
60km
1
14
35KV电机厂乙线
2500kw
0.95
60km
1
15
35KV机车厂甲线
2500kw
0.95
60km
1
16
35KV机车厂乙线
2500kw
0.95
60km
1
2.2负荷计算
本设计为500kV超高压变电所，负荷计算采用需用系数法。
其优点是：
公式简单，
计算方便，对于不同性质的供电用户的需用系数值是经过几十年的统计积累，数值比较完整和准确，为供电设计创造了很好的条件。
[4][9]率因数相同，则视在功率可表示为有功功率，采用需用系数法。
计算过程详见附录计算书，当期变电站计算负荷为
，远景最大计算负荷
3主变压器及电气主接线的选择
3.1主变压器的选择
1.绕组数量的确定原则
在具有三种电压的变电站中，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上或低压侧虽无负荷，但在变电站内需设无功补偿设备时，主变压器宜采用三绕组变压器。
2.主变压器台数的确定原则
（1）对于大城市郊区的一次变电站在中低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台变压器为宜。
（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变压器。
（3）对于规划只装设两台变压器的变电站，其变压器基础宜按大于变压器容量的1—2级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。
[3]
由前设计说明可知、正常运行时，变电站负荷由500kV系统供电，为提高负荷供电可靠性，并考虑到现今社会用户需要的供电可靠性的要求更高，最终应采用两台变压器并联运行。
3.变压器容量和型号确定
主变压器容量一般按照变电站建成后五到十年规划负荷选择，并适当考虑到远期十到二十年的负荷发展。
4.绕组连接方式的确定原则
变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能进行并列运行。
我国110kV及以上电压，变压器都采用Y0连接；35kV及以下电压等级变压器绕组都采用△连接。
根据选择原则可确定所选择变压器绕组接线方式为Y0/Y0/△接线。
接线组别为：
YN，y0,d11。
[6]
5.调压方式的确定
为保证供电质量，电压必须维持在允许范围内，调压方式分两种，一种是不带电切换，称无激磁调压，调整范围通常在±2×2.5%以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围达30%，其结构比较复杂，价格较贵，只有以下几种情况予以选用：
（1）连接到出力变化大的发电厂的主变压器，特别是潮流方向不固定而且要求变压器副边电压维持在一定水平时；
（2）连接到时而为输送端，时而为接受端，具有可逆工作的联络变压器，为了保证供电质量，要求母线电压恒定时；
（3）发电机经常低于功率因数运行时。
[8]
本变电所的变压器是具有可逆工作的联络变压器，正常情况下为降压方式运行，也可能短时内由220kV系统向500kV系统供电，固选有载调压方式。
6.冷却方式
电力变压器的冷却方式，根据容量和型式的不同，一般有以下几种类型：
自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。
大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却。
[10]
综上所述，装设两台主变压器并列运行的变电站，根据我国变电站运行实际经验，并参考经验，每台主变的额定容量：
综上所述，并考虑到本次设计的三个电压等级，查500kV三相三绕组电力变压器技术时数据表，选择变压器的型号为：
表3.1变压器的参数
型号
额定容量
（KVA）
额定电压（KV）
阻抗电压（%）
连接组别号
高压
中压
低压
高
中
高-
低
中-
低
YNy0d11
ODFPS-
250000/500
250000/250000/80000
37
11.8
38.2
24.8
根据负荷统计计算容量SN=161.14MVA可以选定主变的型号为ODFPSZ-250000/500（O-自耦、D-单相、F-风吹式、P-强迫油循环、S-三绕组、Z-有载调压），参数如上表所示。
3.2主接线的设计
发电厂和变电站的电气主接线是指发电厂或变电站中的一次设备按照设计要求连接而成的电路，也称为主系统或一次系统。
[7]它的形式会影响配电装置布置、供电可靠性、电能质量、运行灵活性、二次接线和继电保护等，对发电厂和变电站以及电力系统的安全、可靠和经济运行起着重要作用。
1.主接线设计的原则
变电所的主接线要以任务书为依据，按照国家经济建设的方针政策及技术规定，在保证供电可靠性、灵活性的前提下，尽可能的节省投资实现先进、适用、可靠、经济、美观的设计原则。
2.主接线方案的确定
主接线是根据发电厂或变电所的设计任务书，原始资料以及设计要求和原则来进行设计的，在保证满足技术要求条件下，力求经济性。
现初步选择三个方案进行可靠性、灵活性及经济性比较，确定最佳主接线方案。
方案一：
电气主接线采用双母线接线
图3.1为双母线接线。
双母线接线就是将工作线、电源线和出线通过一台断路器和两组隔离开关连接到两组（一次/二次）母线上，且两组母线都是工作线，而每一回路都可通过母线联络断路器并列运行。
和单母线相比，它的优点是供电可靠性大，可以在不切断电源的情况下实现母线的轮流检修，当一组母线故障时，只要将故障母线上的回路倒换到另一组母线上，就可迅速恢复供电，还具有调度、扩建、检修方便的优势；其缺点是每一回路都增加了一组隔离开关，使配电装置的占地面积和投资费用都有了相应的增加；同时配电装置也变得复杂，在改变运行方式倒闸操作时容易发生误操作，而且不宜实现自动化；特别是当母线故障时，要在短时间内切除较多的电源和线路，这在特别重要的大型发电厂和变电站是不允许的。
[10]
图3.1双母线接线
方案二：
电气主接线采用3/2断路器主接线
图3.2所示为一个半断路接线，每2回路经3台断路器接至2组母线上，又称3/2接线。
两个回路共用3台断路器，正常运行时，所有断路器都接通，两组母线保持同时工作状态。
当任何一组母线检修，或任何一台断路器检修时，各回路任然可以按照原接线方式运行，不需要切换任何回路，避免了大量通过隔离开关进行的倒闸操作。
当任一母线检修时，只有与故障母线相连的断路器自动分开闸，任何回路不会停电。
甚至当一组母线检修，另一组母线故障时，功率能继续保持输送；只有在联络断路器发生故障时，与其相连的两回线路短时停电。
所以这种接线操作简单，运行灵活，可靠性高，适合作为500kv电气主接线。
[10]
图3.2一个半短路器主接线
方案三：
电气主接线采用单母线带旁路母线接线
图3.3为单母线分段主接线，就是在单母线的基础用分段断路器进行分段。
单母线分段接线当一段母线发生故障或检修，仅停该段母线，非故障段母线仍可继续工作。
缺点主要是当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，接在该段母线上的回路必须全部停电；任何一个回路的断路器检修时，该回路必须停止工作。
此种接法适用于用35kv及以上的接线。
图3.3单母线分段主接线
双母线接线和3／2断路器主接线在运行方面的比较如下：
表3.2双母线和3／2断路器接线比较
项目
双母线主接线
3／2断路器主接线
可靠性
1）供电可靠，通过倒母线检修一组母线而不影响供电。
2）母线故障和断路器失灵切除该段母线所有设备，影响面大。
3）断路器误跳影响该回路供电。
1）供电可靠，检修母线或者任一单台断路器不影响供电。
2）母线故障不影响供电，断路器失灵仅仅影响本串内线路供电。
3）断路器偷跳不影响该回路供电。
灵活性
1）运行灵活，双同路或者环路可以接至不同母线运行。
2）刀闸作为操作电器，运行方式改变和事故处理都需要倒闸操作。
1）运行灵活，任一台断路器断开都不影响供电。
2）刀闸仅作为检修电器，不作为操作电器，事故处理仅需要操作断路器，处理迅速。
经济型
投资较省
投资较大
运行维护
1）设备布置清晰，停电范围容易确认。
2）二次同路、保护及通信回路较简单，没有远方跳闸需要，各间隔具有独立性，运行维护方便。
1）设备布置紧凑，停电范围不够够晰。
2）二次回路、保护及通信回路较复杂，有远方跳闸需要，通讯设备维护量大，运行维护有一定难度。
综合上述比较可以看出，3/2断路器接线比双母线在可靠性、灵活性更有优势，虽然经济投入比较大，但与一旦造成系统重大事故的经济损失相比，也是合适的。
所以本设计中500千伏侧采用一个半断路器主接线，220千伏侧接线采用双母线主接线，35千伏侧接线采用单母线分段接线。
4短路计算
4.1短路电流计算
短路电流计算中，容量和接线均按最终规模计算，短路种类按系统最大运行方式下三相短路较验。
本设计设备选择的短路电流是按变电所最终规模及500千伏、220千伏系统阻抗进行计算的。
4.2短路电流和短路容量
电力系统在运行中,相与相之间或相与地之间发生的非正常连接时流过的电流叫短路电流。
三相系统中发生短路的基本类型有三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。
三相短路时的三相回路是对称的，所以称为对称短路；其他几种短路时三相电路都是不对称的，故称为不对称短路。
当回路短路时，电源供电回路阻抗的减小以及突然短路时的暂态过程，会严重的增大短路电流并可能使其超过回路额定电流的数倍，从而造成设备的损坏。
短路电流的大小由短路点距电源的电气距离而决定。
[10][12]
反映电力系统某一供电点电气性能的一个特征量叫做短路容量。
表达式为：
Wk=UNIK
式中，Wk—短路容量，MVA；
UN—短路点正常运行故障前的线电压，kV
IK—发生三相短路故障时的短路电流，kA
若UN、IK取标么值UN*和IK*、则该点短路容量的标么值为Wk=UN*IK*；
由于UN接近于1,所以WK的倒数即该供电点的短路阻抗标么值为:
=
=K*；
4.3短路电流所引起的后果
（1）短路电流往往会伴随产生电弧，电弧不但会烧坏故障元件本身，还可能会烧坏周围设备伤及周围人员。
（2）当巨大的短路电流通过导体时，不但会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，还会产生巨大的点动力，使导体变形或损坏。
（3）短路会引起系统电压大幅度降低，尤其是靠近短路点处的电压，这将导致用户的供电遭到破坏。
网络电压的降低，还会使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。
（4）电力系统中出现短路故障时，系统电压的严重下降和功率分布的突然变化，会破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列。
会导致某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。
短路时电压下降的越大，持续时间越久，对整个电力系统稳定运行破坏也越大。
[10]
4.4限制短路电流的措施
为了确保系统的安全可靠运行，减少短路的影响，除了在操作和维修时应尽量减小短路的可能，还应尽快地切除短路故障部分在短时间内恢复系统电源到正常值。
因此需要采用动作快速的断路器和继电保护，以及装设有自动调节励磁装置的发电机等。
（1）对短路电流作出正确的计算,根据短路电流合理的选择及校验电气设备,
（2）正确地选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，使速断保护装置在发生短路时，能快速切断短路电流，减少损失。
（3）加强线路维护并保证架空线路施工质量，始终保持线路弧垂一致并符合规定。
（4）在变电站安装适合的避雷设备，减少雷击损害。
（5）及时清除导电粉尘，防止导电粉尘进入电气设备。
（6）在电缆埋设处设置标记，如果有人在附近挖掘施工，要派专人看护，并向施工人员说明电缆敷设位置，以防止对电缆造成损坏形成短路。
（7）加强管理,防止小动物进入配电室，造成对电气设备的损害。
（8）电力系统的运行和维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电气设备，禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸，线路施工，维护人员的工作完成后，应立即去除接地线。
要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，迅速进行检修。
[13]
4.5计算结果
计算过程详见附录计算书，短路电流计算结果列表
三相短路电流计算结果如表4.1所示
表4.1三相短路电流计算结果
短路点
（kV）
（kA）
（kA）
（kA）
525
2.75
7.01
2.75
230
3.57
9.1
3.57
37
6.5
16.575
6.5
5电气设备的选择及校验
5.1设备选择的一般原则
供配电系统中的电气设备的选择，既要满足在正常工作时能安全可靠运行，同时还要满足在发生短路故障时不至产生损坏，开关电器还必须具有足够的断流能力，并适应所处的位置（户内或户外）、环境温度、海拔高度，以及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件。
电气设备选择的主要原则有以下几条：
1.按工作环境及正常工作条件进行电气设备选择
（1）根据设备所在位置（户内或户外）、使用环境和工作条件，选择电气设备型号。
（2）按工作电压选择电气设备的额定电压。
[14]
（3）按最大负荷电流选择电气设备的额定电流。
电气设备的额定电流
应不小于实际通过它的最大负荷电流
（或计算电流
），即：
或者
。
2.按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定
为保证电气设备在短路故障时不至损坏，按最大可能的短路电流校验电气设备的动稳定和热稳定。
动稳定：
电气设备在冲击短路屯流所产生的电动力作用下，电气设备不至损坏。
热稳定：
电气设备载流导体在最大稳态短路电流作用下，其发热温度不超过载流导体短时的允许发热温度。
3.开关电器断流能力校验
断路器和熔断器等电气设备担负着可靠切断短路电流的任务，开关电器还必须校验断流能力，开关设备的断流容量不小于安装地点的最大三相短路容量。
5.2母线的选择
1.500KV侧母线的选择及校验
（1）按经济电流密度选择母线截面
最大长期工作电流：
按经济电流密度选择母线截面
式中
——经济截面，
——经济电流密度，
由于母线置于户外，考虑集肤效应和散热，由任务书已知最大负荷利用小时数为3000h，按经济电流密度选择母线截面。
查表选择
故选择截面积800mm2的LGJQT-800mm2型钢芯铝绞线，其在25℃最大允许持续电流为1420A。
（2）热稳定校验
取
时，温度修正系数为：
y——母线最高长期允许温度，℃
——母线运行的实际温度，℃
0——规定的标准环境温度，℃[13]
则母线运行的实际温度为35℃时的母线允许电流：
大于其长期最大工作电流（602.2A），满足长期工作时的发热条件。
校验:
短路计算时间
因tk小于1s，故应计算非周期电流热效应，查表的非周期分量时间常数Ta=0.05，Itk短路全电流的有效值查表得3.633，
为3.806。
周期分量热效应
非周期分量热效应
因此，短路电流的热效应
查表知
，按热稳定条件所需最小母线截面为
式中
—热稳定系数
—集肤效应系数（取1）。
小于所选母线的截面积，满足热稳定要求，因所选母线为绞线，故不需要动稳定校验，所以选择截面积800mm2的LGJQT-800mm2型钢芯铝绞线。
2.500KV侧进线母线的选择及校验
因与发电厂相连，进线的最大长期工作电流与500KV侧的母线相同，所以选用截面积800mm2的LGJQT-800mm2型钢芯铝绞线。
3.220kV侧母线的选择
选择的基本原理同5.2.1.
（1）按长期发热允许电流选择截面积：
1304.7mm2
查表选用LGJ-1500mm2型钢芯铝绞线，截面积1500mm2，70℃载流量为2350A，Kf=1.15。
（2）热稳定校验
则母线运行的实际温度为35℃时的母线允许电流：
大于其长期最大工作电流（1500.4A），满足长期工作时的发热条件。
短路计算时间
因tk小于1s，故应计算非周期电流热效应，查表的非周期分量时间常数Ta=0.05。
Itk短路全电流的有效值查表得3.633，
为3.806。
非周期分量热效应
因此，短路电流的热效应
经查表可知：
C=87.2满足短路时发热的最小导体截面为：
满足热稳定要求。
因此220KV侧母线型号为LGJ-1500mm2。
4.35kV侧母线的选择
（1）按长期发热允许电流选择截面积：
因此查表选用3×LGJQ-5000矩形铝导体，平放允许电流为3284A,集肤效应系数
=1.7。
（2）热稳定校验
则母线运行的实际温度为35℃时的母线允许电流：
大于其长期最大工作电流（2621.5A），满足长期工作时的发热条件。
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