220kV變配電站的設(shè)計(jì)

220kV變配電站的設(shè)計(jì)摘要：變電站作為電力系統(tǒng)中的紐帶，通過它來變換電壓、分配電能、控制電力的流向，使各級系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)起來，同時(shí)也是系統(tǒng)功率交換的電力設(shè)施。本畢業(yè)設(shè)計(jì)是對220kV普通降壓變電站一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合討論。首先是對基本資料的分析，根據(jù)220kV變電站設(shè)計(jì)的基本要求對主變壓器容量、臺數(shù)及形式進(jìn)行選擇。其次對主接線類型的比較來選擇變電站最佳電氣主接線的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行短路電流計(jì)算，為設(shè)計(jì)中需要的高壓電氣設(shè)備的選擇、整定及校驗(yàn)等方面做準(zhǔn)備，從而進(jìn)行主要電氣設(shè)備的校驗(yàn)與選擇。最后進(jìn)行繼電保護(hù)配置以及防雷保護(hù)的設(shè)計(jì)等。關(guān)鍵字：一次系統(tǒng)；變電站；短路計(jì)算一、緒論電力工業(yè)作為一種先進(jìn)的生產(chǎn)力和基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，在推進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會進(jìn)步中起到了承前啟下的作用。并與國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有著緊密的聯(lián)系，它不僅是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)、能源安全的戰(zhàn)略問題，而且與普通老百姓的日常生活息息相關(guān)。隨著我國經(jīng)濟(jì)能力的大幅提升，對電能的需求量也相應(yīng)地大幅增加，電力銷售市場的份額又刺激了整個(gè)電力行業(yè)的發(fā)展。本次設(shè)計(jì)的是220kV常規(guī)降壓變電所，按資料為基本依據(jù)，以提出地區(qū)供電質(zhì)量，減少供電損失，滿足該地區(qū)的負(fù)荷增長需要為目的，本著經(jīng)濟(jì)、安全的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于本地人口集中，工業(yè)負(fù)荷比重較大，以及各種用電較多，此變電站就要求各種配套設(shè)備齊全，并考慮到十年規(guī)劃，從而使變電站的設(shè)計(jì)更加嚴(yán)密，跟的上時(shí)代發(fā)展的步伐二、電氣主接線設(shè)計(jì)對與發(fā)電廠來說，電氣主接線設(shè)計(jì)接線方式能反映正常和故障情況下的供電情況。（一）電氣主接線的基本要求主接線應(yīng)滿足可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展性等四方面的要求。(1)可靠性。所謂可靠性是指主接線能可靠的工作，以保證對用戶不間斷供電。運(yùn)行實(shí)踐才是主接線的可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。(2)靈活性。電氣主接線的設(shè)計(jì)，在維護(hù)時(shí)，可以方便地停運(yùn)斷路器，且不影響用戶供電。在擴(kuò)建時(shí)，可以以最小的改造量來完成一、二次設(shè)備的更替。(3)經(jīng)濟(jì)性。體現(xiàn)在投資省、占地面積少、電能損耗少。（二）電氣主接線設(shè)計(jì)結(jié)合數(shù)據(jù)，權(quán)衡各種接線方式的優(yōu)缺點(diǎn)，將各電壓等級使用的主接線方式列出：220KV有4回進(jìn)線，且為降壓變電所，有穿越功率，從可靠性和經(jīng)濟(jì)性來定，適用的接線方式為單母線接線、單母線分段帶旁路接線（因進(jìn)線數(shù)不足5回，裝設(shè)旁路斷路器兼作分段斷路器）、雙母線接線。據(jù)此，擬定主接線方案：電壓等級220/110/10kV各電壓側(cè)出線回路數(shù):220kV4回接線方案：雙母線接線方案主接線圖如下：圖2-1主接線方案一變電站的主要站用電負(fù)荷是變壓器冷卻裝置，直流系統(tǒng)中的充放電裝置和晶閘管整流設(shè)備，照明、檢修及供水和消防系統(tǒng)，小型變電站，大多只裝1臺站用變壓器，從變電站低壓母線引進(jìn)，站用變壓器的二次側(cè)為380/220V中性點(diǎn)直接接地的三相四線制系統(tǒng)。對于中型變電站或裝設(shè)有調(diào)相機(jī)的變電站，通常都裝設(shè)2臺站用變壓器，分別接在變電站低壓母線的不同分段上，380V站用電母線采用低壓斷路器進(jìn)行分段，并以低壓成套配電裝置供電。因而本設(shè)計(jì)兩臺所用變分別接于10KV母線的Ⅰ段和Ⅱ段，互為備用，平時(shí)運(yùn)行當(dāng)一臺故障時(shí)，另一臺能夠承擔(dān)變電所的全部負(fù)荷。接線圖如下所示。圖2-2主接線方案二三、主變壓器選擇（一）主變壓器形式選擇1.主變壓器通常采用三相變壓器，如果有制造和運(yùn)輸條件的限制，在220kV的變電站中，是允許采用單相變壓器組的，但是要考慮是否裝設(shè)備用相。如果主變超過一組，并且各組容量保證全站負(fù)荷的75%時(shí)，則可以不裝備用相。2.對系統(tǒng)有調(diào)壓要求的情況時(shí)，要應(yīng)采用有載調(diào)壓變壓器。對新建的變電站，從網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度分析，要應(yīng)采用有載調(diào)壓變壓器。對其所額外增加的工程造價(jià)，一般在短時(shí)間內(nèi)是可以回收的。3.如果變壓器與兩個(gè)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)相連接，通常用自耦變壓器，但仍需作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。（二）主變壓器臺數(shù)選擇當(dāng)變電站裝設(shè)兩臺及以上主變時(shí)，每臺變壓器容量的選擇要依據(jù)它們當(dāng)中任一臺非工作時(shí)，其余容量最少能保證一級負(fù)荷的要求或滿足變電站全部負(fù)荷的70%-80%。通常一次變電站所采用80%，二次變電站采用70%。（三）主變壓器容量選擇主變?nèi)萘繎?yīng)能保證用戶的一、二級負(fù)荷的需要，對于那些普通變電站，在同樣的問題下，其余變壓器容量要滿足全部負(fù)荷的70%～80%。該變電站是按70%全部負(fù)荷來選擇，即：—變電所最大負(fù)荷，MVA，—變電所主變壓器臺數(shù)由于變電所最大負(fù)荷為100MVA，因此主變壓器容量為：在滿足可靠性的前提下，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，選擇容量為90MVA的主變壓器。（四）主變壓器選擇結(jié)果查《電力工程電氣設(shè)備手冊：電氣一次部分》并根據(jù)以上條件選擇，選用變壓器容量為90MVA。本次設(shè)計(jì)的變電站有220kV、110kV、10kV三個(gè)電壓等級，故選擇的變壓器為三繞組變壓器，綜合以上因素選擇出的主變型號為SFPSZ10-90000/220。表3-1主變壓器型號型號SFPSZ10-90000/220額定容量kVA90000容量比（%）100∕100∕50額定電壓(kV)高壓中壓低壓24212111空載損耗70（kW）空載電流（%）0.22聯(lián)接組標(biāo)號YN，yn0，d11阻抗電壓％高－中高－低中－低13.022.08.0四、電氣短路部分計(jì)算電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備在其運(yùn)行中都必須考慮到可能出現(xiàn)的各種事故和非正常運(yùn)行狀態(tài)，最容易發(fā)生的故障是發(fā)生各種形式的短路，從而損壞用戶的正常供電和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用三相短路來計(jì)算短路電流，并檢驗(yàn)電氣設(shè)備的穩(wěn)定性。（一）短路電流計(jì)算220KV110KV220KV110KVXsX1X2X310KVS2d1d2d3已知所選變壓器容量比為90/90/45MVA，額定電壓為220/110/10(kV)的三繞組變壓器。根據(jù)查變壓器型號得知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):，，，,，下面所計(jì)算的是歸算到220kV側(cè)的變壓器參數(shù)。公式查《電力系統(tǒng)分析》得。1.系統(tǒng)電抗在下，?。唬↙取30km）；變壓器各繞組電抗取值表5-1電抗取值表阻抗電壓％高－中高－低中－低13228各繞組等值電抗，，各繞組等值電抗標(biāo)么值為：在短路計(jì)算的基本假設(shè)前提下，選?。桓鞫搪伏c(diǎn)短路計(jì)算圖3-2短路等值電路總圖1）d1點(diǎn)短路10kV母線側(cè)沒有電源，無法向220KV側(cè)提供短路電流，即可略去不計(jì)，如圖一示，則短路電流＝＝換算到220kV短路電流有名值根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》的相關(guān)規(guī)定，取電流沖擊系數(shù)=1.8當(dāng)不計(jì)周期分量的衰減時(shí)，短路電流全電流最大有效值當(dāng)不計(jì)周期分量衰減時(shí)，沖擊電流和短路容量同理，有：d2點(diǎn)短路得：d3點(diǎn)短路得：五、電器設(shè)備的設(shè)計(jì)（一）高壓系統(tǒng)計(jì)算和繼電保護(hù)變電所中，高壓斷路器是重要的電氣設(shè)備之一，它具有完善的滅弧性能，正常運(yùn)行時(shí)，用來接通和開斷負(fù)荷電流，在變電所電氣主接線中，還擔(dān)任改變主接線的運(yùn)行方式的任務(wù)，故障時(shí)，斷路器通常以繼電保護(hù)的方式配合使用，斷開短路電流，切除故障線路，保證非故障線路的正常供電及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高壓斷路器應(yīng)根據(jù)斷路器安裝地點(diǎn)，環(huán)境和使用技術(shù)條件等要求選擇其種類及型式，由于真空斷路器、SF6斷路器比少油斷路器，可靠性更好，維護(hù)工作量更少，滅弧性能更高，目前得到普遍推廣，故35kV～220kV一般采用SF6斷路器。10kV采用少油斷路器。⑴220kV電壓等級高壓斷路器的選擇1）額定電壓和電流選擇①額定電壓UN=220kV；②額定電流IN=2kA；其中；故有：IN≥Imax。2）開斷電流的選擇高壓斷路器的額定開斷電流INbr不應(yīng)小于實(shí)際開斷瞬間的短路電流周期分量IPt,為了簡化計(jì)算可應(yīng)用此暫態(tài)電流I"進(jìn)行選擇,即INbr≥I"。INbr=40kA≥I"=6.776kA3）短路關(guān)合電流的選擇為了保證斷路器在關(guān)合短路時(shí)的安全，斷路器的額定關(guān)合電流INcl不應(yīng)小于短路電流最大沖擊值Ish，即INcl≥Ish；INcl=100kA≥Ish=kimI"=6.776KA××1.85=17.725kA4）熱穩(wěn)定校驗(yàn)It2t≥Qk；取Tk(短路切除時(shí)間)=4s；Qk=(+10I22+I42)×Tk/12=（6.7762+10×6.7932+6.7932）×4/12=184.503(kA)2·sIt2t=402×4=6400(kA)2·s5）動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)ies=100kA≥ish=17.725kA⑵110kV電壓等級斷路器的選擇1）額定電壓和電流選擇①額定電壓UN=110kV；②額定電流IN=3kA；其中；故有：IN≥Imax。2）開斷電流的選擇高壓斷路器的額定開斷電流INbr不應(yīng)小于實(shí)際開斷瞬間的短路電流周期分量IPt,為了簡化計(jì)算可應(yīng)用此暫態(tài)電流I"進(jìn)行選擇,即INbr≥I"。INbr=40kA≥I"=5.964kA3）短路關(guān)合電流的選擇為了保證斷路器在關(guān)合短路時(shí)的安全，斷路器的額定關(guān)合電流INcl不應(yīng)小于短路電流最大沖擊值Ish，即INcl≥Ish；INcl=100kA≥Ish=kimI"=5.964kA××1.85=15.601kA4）熱穩(wěn)定校驗(yàn)It2t≥Qk；取tk(短路切除時(shí)間)=4s；Qk=(+10I22+I42)×Tk/12=(5.9642+10×5.9642+5.9642)×4/12=142.277(kA)2·sIt2t=402×4=6400(kA)2·s5）動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)ies=100kA≥ish=15.601kA⑶10kV電壓等級斷路器的選擇1）額定電壓和電流選擇①額定電壓UN=10kV；②額定電流IN=3kA；其中；故有：IN≥Imax。2）開斷電流的選擇高壓斷路器的額定開斷電流INbr不應(yīng)小于實(shí)際開斷瞬間的短路電流周期分量IPt,為了簡化計(jì)算可應(yīng)用此暫態(tài)電流I"進(jìn)行選擇,即INbr≥I"。INbr=31.5kA≥I"=24.315kA3）短路關(guān)合電流的選擇為了保證斷路器在關(guān)合短路時(shí)的安全，斷路器的額定關(guān)合電流INcl不應(yīng)小于短路電流最大沖擊值Ish，即INcl≥Ish；INcl=80kA≥Ish=kimI"=24.315kA××1.85=63.606kA4）熱穩(wěn)定校驗(yàn)It2t≥Qk；取tk(短路切除時(shí)間)=4s；Qk=(+10I22+I42)×Tk/12=(24.3152+10×24.3152+24.3152)×4/12=2364.877(kA)2·sIt2t=31.52×4=3967(kA)2·s5）動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)ies=80kA≥ish=63.606kA（二）繼電保護(hù)(1)母線保護(hù)經(jīng)查表，220kV系列高壓六氟化硫斷路器技術(shù)數(shù)據(jù)中LW6-220/3150型號斷路器的參數(shù)如下：圖5-1母線保護(hù)原理圖額定電壓：額定電流：短路電流：對斷路器進(jìn)行檢驗(yàn)：動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)：故動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)合格。熱穩(wěn)定校驗(yàn)：取繼電保護(hù)裝置后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，220kV斷路器分閘時(shí)間，則：故滿足要求。線路保護(hù)圖5-2線路保護(hù)網(wǎng)絡(luò)圖圖5-3無時(shí)限電路速斷原理圖額定電流：短路電流：110kV斷路器的校驗(yàn)：動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn):故滿足動(dòng)穩(wěn)定要求。熱穩(wěn)定校驗(yàn)：取繼電保護(hù)裝置后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，110kV斷路器分閘時(shí)間，則：故滿足要求。(3)限時(shí)電流圖5-4限時(shí)電流速斷原理圖額定電流：短路電流：10kV斷路器的校驗(yàn)：動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)：故滿足動(dòng)穩(wěn)定條件。熱穩(wěn)定校驗(yàn):故滿足要求。圖5-5原理接線圖隔離開關(guān)是一種最簡單的高壓開關(guān)，在實(shí)際中俗稱閘刀。隔離開關(guān)沒有專門的滅弧裝置，不能用來啟動(dòng)負(fù)荷電流和短路電流。在配電裝置中，其主要用途有：（1）保證裝置中檢修工作的安全，在需要檢修的部分和其他帶電部分，用隔離開關(guān)構(gòu)成明顯的空氣絕緣間隔。（2）在雙母線和帶旁路母線的主接線中，可利用隔離開關(guān)作為操作電器，進(jìn)行母線切換或代替出線操作，但此時(shí)必須遵守“等電位原則”。（3）由于隔離開關(guān)能通過拉長電弧的方法來滅弧，具有切斷小電流的可能性，所以隔離開關(guān)可用于以下操作：1）斷開和接通電壓互感器和避雷器2）斷開和接通母線或直接連接在母線上設(shè)備的電容電流3）斷開和接通勵(lì)磁電流不超過2A的空載變壓器或電容電流不超過5A的空載線路。4）斷開和接通變壓器中性點(diǎn)接地線（系統(tǒng)中沒有接地故障時(shí)才能進(jìn)行）。（三）電流互感器的設(shè)計(jì)電流互感器的設(shè)計(jì)需要經(jīng)過以下幾個(gè)容量的校驗(yàn)。1.校驗(yàn)二次負(fù)荷的容量為保證電流互感器工作時(shí)的準(zhǔn)確度符合要求，電流互感器的二次負(fù)荷不超過（某準(zhǔn)確度下）允許的最大負(fù)荷。電流互感器的二次總負(fù)荷包括二次測量儀表、繼電器電流線圈、二次電纜和接觸電阻等部分的電阻。當(dāng)電流互感器的二次負(fù)荷不平衡時(shí)，應(yīng)按最大一相的二次負(fù)荷校驗(yàn)。校驗(yàn)二次負(fù)荷的公式：按容量校驗(yàn)：按阻抗校驗(yàn)：式中——電流互感器二次的最大一相負(fù)荷，；——電流互感器的二次額定負(fù)荷，；——電流互感器二次的最大一相負(fù)荷，Ω；——電流互感器的額定二次負(fù)荷，Ω；計(jì)算電流互感器二次的最大一相負(fù)荷時(shí)，通常不計(jì)阻抗中的電抗，只計(jì)其電阻。在發(fā)電廠或變電所中，互感器用連接導(dǎo)線應(yīng)采用銅芯控制電纜，根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度要求，導(dǎo)線截面積不得小于。2.校驗(yàn)熱穩(wěn)定電流互感器的熱穩(wěn)定能力用熱穩(wěn)定倍數(shù)表示，熱穩(wěn)定倍數(shù)等于互感器1s熱穩(wěn)定電流與一次額定電流之比，故熱穩(wěn)定條件為式中——短路熱效應(yīng)。3.校驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定電流互感器的內(nèi)部動(dòng)穩(wěn)定能力用動(dòng)穩(wěn)定倍數(shù)表示，動(dòng)穩(wěn)定倍數(shù)等于互感器內(nèi)部允許通過的極限電流（峰值）與倍一次額定電流之比。故互感器內(nèi)部動(dòng)穩(wěn)定條件為式中——通過電流互感器一次側(cè)繞組的最大沖擊電流。此外，還應(yīng)校驗(yàn)電流互感器外部動(dòng)穩(wěn)定（即一次側(cè)瓷絕緣端部受電動(dòng)力的機(jī)械動(dòng)穩(wěn)定）。電流互感器外部動(dòng)穩(wěn)定條件式中——電流互感器一次側(cè)端部允許作用力；——電流互感器一次側(cè)瓷絕緣端部所受最大電動(dòng)力；表6-8電流互感器選擇結(jié)果電壓等級型號額定電流比（A）準(zhǔn)確級1S熱穩(wěn)定電流（KA）額定動(dòng)穩(wěn)定電流（KA）額定輸出（VA）220KVLCLWD3—220600∕50.5356550110KVLCLWB6—1101000∕50.5451155010KV進(jìn)線LZZBJ9—101000∕50.58013030∕4010KV出線LFZD2—10200∕50.5120(倍數(shù))210（倍數(shù)）—（四）電壓互感器設(shè)計(jì)1.型式的選擇根據(jù)電壓互感器安裝的場所和使用條件，選擇電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)和安裝方式。為了節(jié)省投資，如有些220kV線路不設(shè)電壓互感器，利用220kV電流互感器絕緣套管末屏抽取電壓。1.按額定電壓選擇為保證測量準(zhǔn)確性，電壓互感器一次額定電壓應(yīng)在所安裝電網(wǎng)額定電壓的90%-110%之間。電壓互感器二次額定電壓應(yīng)滿足測量、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的要求。通常，一次繞組接于電網(wǎng)線電壓時(shí)，二次繞組額定電壓選為100V；一次繞組接于電網(wǎng)相電壓時(shí)，二次繞組額定電壓選為。當(dāng)電網(wǎng)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)時(shí)，互感器輔助副繞組額定電壓選為；當(dāng)電網(wǎng)為中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)時(shí)，互感器輔助副繞組額定電壓選為。2.按容量和準(zhǔn)確度級選擇電壓互感器按容量和準(zhǔn)確度級選擇的原則與電流互感器的選擇相似，要求互感器二次最大一相的負(fù)荷，不超過設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確度級的額定二次負(fù)荷，而且應(yīng)該盡量接近，因過小也會使誤差增大。電壓互感器的二次負(fù)荷的計(jì)算為式中、——同一相儀表和繼電器電壓線圈的有功功率、無功功率。統(tǒng)計(jì)電壓互感器二次負(fù)荷時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)儀表和繼電器電壓線圈的要求，確定電壓互感器的接線，并盡可能將負(fù)荷分配均勻。然后計(jì)算各相負(fù)荷，取其最大一相負(fù)荷與互感器的額定容量比較。在計(jì)算各相負(fù)荷時(shí)，要注意互感器與負(fù)荷的接線方式。電壓互感器不校驗(yàn)動(dòng)、熱穩(wěn)定性。3.電壓互感器的設(shè)計(jì)表5-9電壓互感器選擇結(jié)果電壓等級設(shè)備型號額定變比（KV）二次繞組準(zhǔn)確級額定容量最大容量220kVTYD220∕—0.01H測量0.52002000保護(hù)3P100剩余3P100110kVTYD2110∕—0.015H測量0.51002000保護(hù)3P100剩余3P10010kVJDZX11—10B二次繞組0.2406000.51001200剩余繞組6P100型號中各字母表示含義：TYD220∕—0.01H中:T—成套式，Y—電容式,D—單相JDZX11—10B中：J—電壓互感器，D—單相，Z—澆注式，X—帶剩余繞組，B—三柱帶補(bǔ)償繞組（五）避雷針的設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備絕緣所承受的雷電過電壓如表7-1所示：表7-1電氣設(shè)備絕緣所承受雷電過電壓表過電壓分類持續(xù)時(shí)間電壓數(shù)值直擊雷過電壓感應(yīng)雷過電壓侵入雷電波過電壓幾十微妙至幾百微妙最高3000kV最高500-600kV線路50%沖擊放電電壓1.避雷器的選擇計(jì)算由于金屬氧化物避雷器（簡稱MOA）一般是無間隙避雷器，與閥式避雷器相比，它沒有滅弧和工頻續(xù)流的問題，且具有優(yōu)異的非線性伏安特性，因此，本次設(shè)計(jì)選用ZnO避雷器。1）避雷器額定電壓的選擇：式中，—切除短路故障時(shí)間系數(shù)，10S以內(nèi)取,以內(nèi)??；—暫時(shí)過電壓,.2）避雷器最大持續(xù)運(yùn)行電壓的選擇。一般情況下,不得低于以下規(guī)定值：直接接地：非直接接地:10S內(nèi)切除故障：2h內(nèi)切除故障：；整體平面圖電器主接線圖第9章結(jié)語本次設(shè)計(jì)的是220kV常規(guī)降壓變電所，按資料為基本依據(jù)，滿足該地區(qū)的負(fù)荷增長需要為目的，本著經(jīng)濟(jì)、安全的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于本地人口集中，工業(yè)負(fù)荷比