220kV变电所电气部分一次系统设计.docx

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220kV变电所电气部分一次系统设计

东北电力学院毕业设计论文

220kV变电所电气部分一次系统设计

专业：

2002级电力系统及其自动化

姓名：

学校：

东北电力学院

一、变电所设计任务书…………………………………

二、设计说明书…………………………………………

1、原始资料分析…………………………………………

2、主接线方案及主变的确定……………………………

3、短路电流的计算分析及表格…………………………

4、电气设备的选择………………………………………

5、防雷保护………………………………………………

6、主接线上继电器保护及自动装置……………………

三、设计计算书…………………………………………

1、短路电流的计算………………………………………

2、电气设备的校验………………………………………

3、防雷保护计算…………………………………………

变电所设计任务书

（1）

一、题目220kV区域变电所设计

二、设计原始资料

1．变电所性质：

系统枢纽变电所，与水火两大电力系统联系。

2．地理位置：

本变电所建于机械化工区，直接以110kV线路供地区工业用户负荷为主。

3．自然条件：

所区地势较平坦，海拔800米，交通方便，有铁路、公路经过本所附近。

最高气温＋38℃，最低气温－30℃。

年平均温度＋10℃，最大风速20m/s。

覆冰厚度5mm，地震裂度＜6级。

土壤电阻率＜500Ω·m

雷电日30

周围环境较清洁，化工厂对本所影响不大。

冻土深度1.5m，主导风向夏南，冬西北。

4．负荷资料：

220kV侧共4回线与电力系统联接。

110kV侧共12回架空出线，最大综合负荷256MV，cosφ=0.85。

用户名称

最大负荷MW

线路长度kM

回路数

重型机械厂

机床厂

军工机器厂

汽车制造厂

化工机械厂

化工厂

化肥厂

市区变电所

10kV侧装设TT-30-6型同期调相机两台。

5．系统情况：

原始资料分析

设计依据：

1）220kV区域变电所设计任务书。

2）变电所设计规程。

一、变电所在系统中的作用及负荷分析

1、变电所分析：

本所最大综合负荷为：

110kV侧：

256MW，COSφ=0.85

本所属于系统枢纽变电所，与水火两大电力系统联系。

本所直接以110kV线路供地区工业用户负荷为主。

本所是地区重要变电所位于地区网络枢纽点上，高压侧以交换或接收功率为主，供电给地区中的中压侧和附近的低压侧负荷。

全所停电后，将引起地区电网瓦解，影响整个地区供电。

2、系统情况：

系统共有两台TT-30-6型同期调相机。

3、负荷情况分析：

本所所用的供电负荷主要是城市的机械化工区的重要工业用户，停电后会造成很大的经济损失，因此，要求本所具有较高的供电可靠性。

二、环境分析

1、地理位置：

所区地势平坦，交通方便，有铁、公路经过本所附近，故可以考虑选择廉价、较笨重的设备。

空气清洁，虽有化工厂但对本所影响不大，故可采用屋外配电装置，考虑到土地的经济性，地表裂度等因素，屋外配电装置拟采用普通中型装置。

2、气象分析：

本所所在地区主导风向夏季为南风，冬季为西北风，所以变电所间隔及母线布置应为东南、西北走向，最大风速20m/s，小于35m/s，因此对屋外配电装置可不考虑风速对布置形式的影响。

地区最高温度+38℃，最低气温-30℃，在此温度范围内，普通变压器即可正常运行，无需做特殊考虑。

本地的土壤电阻率＜500Ω.m，不属于高土壤电阻率，无需特殊考虑。

主接线方案的拟定及主变的确定

一、主接线方案的拟定：

主接线的确定对变电所本身运行的可靠性、灵活性、经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置，继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。

根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并在满足运行可靠性，简单灵活，操作方便和节约投资等要求，有扩建的还应在布置上为过渡到最终接线准备条件（无需做特殊考虑）。

1、各电压等级的接线：

规程要求：

110kV～220kV配电装置出线回路为3～4回时，一般采用单母线分段接线；当110kV～220kV配电装置，在系统中具有重要地位，并出线回路在四回及以上时，一般采用双母线接线；对于在系统中具有重要地位的配电装置，220kV出线为四回及以上的，一般可装设专用旁路断路器。

1）、220kV电压等级

本所特点：

（1）与水火两大电力系统联系，属于系统枢纽变电所。

（2）供电给地区一类负荷。

（3）220kV为本所唯一的电源进线。

根据规程规定，拟选单母线分段接线或双母线接线或双母带旁路接线。

①单母线分段接线（图如下）：

（图1）

优点：

A、用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。

B、当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

缺点：

A、当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间停电。

B、当出线为双回路时，常使架空线路出线交叉跨越。

C、扩建时须向两方面均衡扩建。

②双母线接线（图如下）：

（图2）

优点：

A、供电可靠。

通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任意回路的母线隔离开关，只停该回路。

B、调度灵活。

各个电源和回路负荷可以任意恢复到某一组母线上，能灵活的使用系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。

C、便于试验。

当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。

缺点：

A、增加一组母线和使用每回路就需要增加一组母线隔离开关。

B、当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。

作为避免隔离开关误操作，须在隔离开关和断路器之间装设联锁装置。

③双母线带旁路接线：

优点：

A、110kV～220kV线路输送功率较多、送电距离较远、停电影响较大，并且110kV及220kV少油断路器平均每台每年检修时间约需5至7天，停电时间较长，因此，一般需设置旁路母线或旁路隔离开关。

首先讨论双母带旁路（母联兼旁路）：

（图3）

优点：

节约专用旁路断路器和配电装置空间。

缺点：

当进出线断路器检修时，就要用母联断路器代替旁路断路器，双母线变为单母线，破坏了双母线固定的连接运行方式，增加了进出线回路母线隔离开关的倒闸操作。

其次讨论双母带旁路（专用旁路断路器）：

（图4）

优点：

A、检修任意一条线路不需停电。

B、运行调度灵活。

缺点：

增加专用旁路断路器和配电装置空间。

④评价：

对于在系统中居重要地位的配电装置，220kV出线为四回及以上的，一般可装设专用旁路断路器。

本所与水火两大电力系统联系，属于系统枢纽变电所。

同时供电给地区一类负荷。

本所是地区重要变电所，位于地区网络枢纽点上，全所停电后，将引起地区电网瓦解，影响整个地区供电。

经综合比较，选方案③，即双母线带旁路（专用旁路断路器）。

2）、110kV电压等级

规程规定：

110kV～220kV配电装置出线回路在5回及以上时，一般采用双母线接线。

当110kV出线为7回及以上时，一般装设专用旁路断路器。

①双母线接线：

优点：

A、供电可靠。

B、调度灵活。

C、扩建方便。

D、便于试验。

（图5）

缺点：

增加一组母线，使每回路就需要增加一组母线隔离开关。

②双母线带旁路（母联兼旁路）

（图6）

优点：

节约专用旁路断路器和配电装置空间。

缺点：

③双母带旁路（专用旁路断路器）

（图7）

优点：

A、检修任意一条线路不需停电。

B、运行调度灵活。

缺点：

增加专用旁路断路器和配电装置空间。

④评价：

当110kV出线为7回及以上回路时，一般采用装设专用旁路断路器，此电压等级共12回线出线，均为地区重要工业用户及市区变电所，其中有重型机械厂、机床厂、军工机器厂、汽车制造厂、化工机械厂、化工厂、化肥厂等重要负荷。

从可靠性考虑，拟用双母线带旁路接线方式，并且110kV母线间隔大，发生故障几率小，所以不宜分段，而且设旁路断路器，这样不仅节省投资，同时也减少占地面积。

由于出线回路多，设专用旁路断路器，所以选用方案③，即双母线带旁路（专用旁路断路器）。

3）、10kV电压等级

规程规定：

6kV和10kV配电装置中，一般采用分段单母线或单母线接线。

①单母线接线

优点：

接线简单清晰，设备少，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。

缺点：

不够灵活可靠，任一元件（母线、母线间隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，才能恢复非故障段的供电。

（图8）

②单母线分段接线

（图9）

优点：

1）、用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。

2）、当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电，不致使重要用户停电。

缺点：

当一段母线或母线隔离开关检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。

综合考虑，拟选单母线分段接线。

二、主变的选择与确定。

1、

（1）、主变容量的确定：

规程规定：

变电所中主变压器一般采用三相式变压器，其中容量应根据电力系统5—10年的发展进行选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展。

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，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；当变压器容量应能保证全部负荷的60%。

（2）、主变台数的确定：

规程规定：

变电所（两个电源）中一般装设两台主变压器。

（3）、主变负荷计算：

SN=0.6PMPM：

变电所最大负荷

SN=0.6（256/0.85）=180.71MVA

2、主变型式的确定：

本所特点：

直接以110kV线路供地区工业用户负荷为主。

规程规定：

有两种电压与110kV及以上中性点直接接地的电力网连接的变电所，加技术经济合理，一般采用自耦变压器，所以选两OSFPS—240000/220变压器。

短路电流的计算：

（图10）

（图11）

短路计算的一般规定：

（一）、验算导体和电器动稳定性、热稳定性以及电器开断电流所用的短路电流，应该按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展、规划（一般为本工程建成后5—10年）。

确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常界线方式，而不应该按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

（二）、选择导体和电气时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

（三）、导体和电器的动稳定性、热稳定性以及电器的开断电流，一般按三相短路计算，自耦变压器回路的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况计算。

（四）、选择导体和电器的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

短路电流计算结果表：

短路点

平均电压

支路点

I”（KA）

I2.0（KA）

I4.0（KA）

Ich（KA）

230

1.826

2.109

2.855

4.402

4.8198

4.873

6.833

故障点

6.228

6.928

6.56

9.738

115

1.06

1.117

1.657

2.156

2.623

3.934

故障点

3.576

3.74

5.591

10.5

1.394

1.529

2.18

3.331

3.583

5.12

故障点

4.725

5.112

7.39

电气设备的选择

一、断路器、隔离开关的选择：

断路器的型式的选择：

除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装调试和运行维护，并经技术，经济比较后才能确定。

根据我国当前生产制造情况，电压6～220kV的电网一般选少油断路器，电压110～330kV的电网，当少油断路器的技术条件不能满足要求时，可选用六氟化硫或空气断路器，大容量机组采用封闭母线，如果需要装设设备断路器，宜选用发电机专用断路器。

断路器选择的具体技术条件简述如下：

1、电压UNS（电网工作电压）≤UN

2、电流Imax（最大持续工作电流）≤IN

3、I”≤INbr（额定断开电流）

4、ish＜iNc1（额定关合电流）

校验：

5、热稳定校验QK≤It2t

6、动稳定校验ish≤ies

隔离开关型式的选择技术条件与断路器技术1、2、5、6相同。

1、220kV侧

根据额定电压、最大工作电流选SW2—220、GW6—220G

设备名称、型号

记算数据

断路器

隔离开关

SW2—220

GW6—220G

UNS

220kV

Imax

661A

1000A

7000A

I＂

6.228kA

INbr

15.8

ish

15.8814kA

INC1

59kA

187.26[（kA）2·S]

It2·t

1764（kA）2·S

It2·t

2205（kA）2·S

ish

15.8814kA

ics

59kA

ish

50kA

经动稳、热稳校验满足要求。

2、110kV侧

根据额定电压、最大工作电流选SW2—110I、GW5—110GK

设备名称、型号

记算数据

断路器

隔离开关

SW2—110I

GW5—110GK

UNS

110kV

Imax

1323A

1500A

I＂

3.576kA

INbr

31.5

ish

9.1188kA

INC1

80kA

55.55[（kA）2·S]

It2·t

4961（kA）2·S

It2·t

2500（kA）2·S

ish

9.1188kA

ics

80kA

ish

83kA

经动稳、热稳校验满足要求。

3、10kV侧

根据额定电压、最大工作电流选SN4—10G/8000、GN10—10T/8000

设备名称、型号

记算数据

断路器

隔离开关

SN4—10G/8000

GN10—10T/8000

UNS

10kV

Imax

6628A

8000A

I＂

4.725kA

INbr

87kA

ish

12.049kA

INC1

300kA

103.26[（kA）2·S]

It2·t

72000（kA）2·S

It2·t

32000（kA）2·S

ish

12.049kA

ics

300kA

ish

250kA

经动稳、热稳校验满足要求。

二、电压互感器的型式应根据使用条件选择：

6～20kV屋内配电装置一般采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注绝缘结构的电压互感器。

35～110kV配电装置，一般采用油浸绝缘结构的电压互感器。

220kV及以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。

在需要检查和监视一次回路单相接地时，应选用三相五柱式电压互感器具有第三绕组的单相电压互感器。

型号

电压等级

额定变比

YDR—220

220kV

（220000/√）/（100/√3）/100

YDR—110

110kV

（110000/√3）/（100/√3）/100

JDZJ—10

10kV

（10000/√3）/（100/√3）/100

三、电流互感器的选择

电流互感器的选择，互感器一次回路额定电压和电流应满足：

UN1≥UNSUN1：

电流互感器额定电压。

IN1≥ImaxIN1：

电流互感器额定电流。

热稳、动稳定校验：

It2≥QK或QK≤（kt*IN）2（t=1）

Kt：

热稳定校验倍数

内部稳定：

ies≥ish或Kes*√2*IN≥ish

外部稳定：

Fa1≥0.5*1.73*10-7*i2sh≥ish*1/a

电流互感器型号选择如下：

型号

额定电流比

热稳定倍数（kt）

动稳定倍数（kes）

LCW—220

4*300/5

LCWD—110

2*600/5

LMC—10

500/5

四、接地开关的选择：

35kV及以上电力系用中必须设置接地开关、选择结果如下：

220kV：

JW1—220

110kV：

JW1—110

五、母线选择：

型式：

载流导体一般采用铝质材料。

回路正常工作电流在400A及以下时，一般采用矩形导体。

在4000A～8000A时，一般选用槽形导体。

110kV及以上高压配电装置，一般采用软导线。

1）按导线长期发热允许电流选择Imax≤KIa1

k=[（θa1_θ）/（θa1_θ0）]1/2

2）按经济电流密度选择：

S=Imax/J

3）电晕校验：

Ucr≥Umax

4）热稳定校验：

Smin≥（KSQK）1/2/C

5）硬导体的动稳定校验

6）导体共振校验：

Imax≥[Nf（EI/m）1/2/f1]1/2

1、220kV侧

据Imax=661A选LGJQ—400型钢芯铝绞线。

设备/名称/型号

计算参数

计算数据

钢芯铝绞线

LGJQ—400

载流量

661A

825A

685A

热稳定

164mm2

400mm2

2、110kV侧

据Imax=1323A选LGJQ—800型钢芯铝绞线。

设备/名称/型号

计算参数

计算数据

钢芯铝绞线

LGJQ—800

载流量

1323A

1600A

1328A

热稳定

427.9mm2

800mm2

3、10kV侧

据Imax=6982A选双槽型2*（175*80*8）

设备/名称/型号

计算参数

计算数据

双槽型

2*（175*80*8）

载流量

6982A

热稳定

1228.9mm2

4800mm2

动稳定

合格

六、避雷器的选择：

型式：

选择避雷器型式时，应考虑被保护电器的绝缘水平和使用特点，FZ（电站用普通阀型）。

额定电压：

避雷器的额定电压应与系统额定电压一致。

按照使用情况，校验避雷器安装地点可能出现的最大导线对地电压是否等于或小于避雷器的最大允许电压。

在中性点非直接地的电网中应不低于设备最高运行线电压，在中性点直接接地的电网中应取设备最高运行线电压的80%。

工频放电电压：

工频放电电压应小于最大运行相电压的3.5倍。

工频放电压应大于灭弧电压的1.8倍。

电压等级

型号

灭弧电压

工频放电电压

220kV

FZ—220J

220

488—536

110kV

FZ—110J

110

224—268

10kV

FZ—10

12．7

26—31

变压器中性点避雷器

电压等级

型号

形式

220kV

FZ—110J

分级绝缘

110kV

FZ—40

分级绝缘

七、支柱绝缘子与穿墙管的选择：

支柱绝缘子应该按额定电压和类型的选择，并进行短路时动稳定校验，软导线不用动稳定校验，穿墙套管应按额定电压、额定电流和类型选择，按短路条件校验动热稳定。

屋外式不用校验热稳定。

支柱绝缘子：

型号

电压等级

机械破坏负荷

备注

ZS—220

220kV

XP—16型盘形悬式磁绝缘子

ZS—110

110kV

ZS—10（户内）

10kV

19600N

ZPD—10（户外）

10kV

19600N

穿墙套管

型号

额定电压

额定电流

机械破坏负荷

CMWF2—20

220kV

800A

39200N

八、高压熔断器选择：

选择的技术条件：

1）电压：

Ug≤Un

限流式高压熔断器不宜使用在工作电压低于其额定电压的电网中。

以免因过电压而使电网中的电器损坏，故应为Ug=Un。

2）电流：

Igmax≤If2n≤If1n

If2n：

熔体的额定电流

If1n：

熔断器的额定电流

3）具保护动作选择性的要求，校验熔体额定电流应保护前后两级熔断器之间或熔断器与电源侧继电保护之间，以及熔断器与负荷侧继电保护之间动作的选择性。

4）断流容量：

Ich（或I＂）＜Icd

Ird：

熔断器的开断电流

Ird：

三相短路冲击电流的有效值

保护电压互感器的熔断器，只需按额定电压和断流容量选择。

选择结果如下：

型号

额定电压

最大切断电流

备注

RN2

10kV

50kA

保护屋内TV

配电装置

高压配电装置的设计必须认真贯彻国家的技术经济条件，遵循上级颁布发的有关规定、规范及技术规定，并根据电力系统条件、自然环境特点和运行、检修、施工方面的要求，合理制定、布置方案和选用设备，积极谨慎地采用新布置，新设备，新材料，新结构，使配电装置设计不断创新，做到技术先进，经济合理，运行可靠，维护方便。

变电所的配电装置型式选择，应考虑所在地区的合理地理情况及条件。

因地制宜、节约用地、并结合运行，检修和安装要求，通过制定技术经济比较予以确定，在配电该装置型式时，必须满足下列四点要求：

1）节约用地

2）运行安全和操作巡视方便

3）便于检修和安装

4）节约三材，降低造价

变电所整体布局如（图12）。

1、220kV侧：

现有220kV配电装置，分普通型布置和分相中型布置两种。

对于普通中型布置，其母线下部不布置任何电气设备；而分相中型布置的特点是将母线隔离开关直接安装在各项母线的下面。

普通中性配电装置，其电气设备都安装在地面支架上，施工运行和检修都比较方便，所以使用广泛。

各方面的经验比较丰富，但占地面积过大。

从70年代以来，通过配电装置的不断革新，普通型布置已逐渐被其他个性占地较少的配电装置所取代，从而大大限制了它的使用范围。

图13所示220kV双母线带旁路普通中型配线装置典型设计，该型布置以8个间隔计，占地面积为16.4亩。

2、110kV侧：

采用双母线带旁路普通中型配线装置典型设计，该型布置间隔宽为3米，断路器单列布置，进出线均可带旁路。

3、10kV侧：

10KV配电装置一般均为屋内布置。

当出线不带电抗器时，一般采用成套开关柜单层布置。

由于受国产开关柜规

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