220kV变电站设计说明书.docx
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220kV变电站设计说明书
220kV变电站设计说明书
1.1220kV变电站在国发展现状与趋势
电力工业是国民经济的重要部门之一，它是负责把自然界提供的能源转换为供人们直接使用的电能的产业。
它即为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。
电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。
但是，随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电力行业的发展水平越来越高，特别是在电的输送方面有了更高的要求。
因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。
在选择主变压器时，要根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济来选择主变压器。
1.2220kV变电站设计规
（1）国家电网公司《关于印发<国家电网公司110（66）～500kV变电站通用设计修订工作启动会议纪要>的通知》（基建技术〔2010〕188号）
（2）《国家电网公司220kV变电站典型设计》（2005版）
（3）《国家电网公司输变电工程通用设备（2009年版）》
（4）《国家电网公司输变电工程典型设计-220kV变电站二次系统部分》（2007年版）
（5）Q/GDW166-2007《国家电网公司输变电工程初步设计容深度规定》
（6）Q/GDW204-2009《220kV变电站通用设计规》
（7）Q/GDW383-2009《智能变电站技术导则》
（8）Q/GDW393-2009《110（66）～220kV智能变电站设计规》
（9）Q/GDW161-2007《线路保护及辅助装置标准化设计规》
1.3变电站位置的选择
图1为广西大学西校园用电量比较大的建筑物简化地图，对于变电站位置的选取，我们通常选择图形的几何中心位置，但根据实际情况，我们应该考虑到：
第一，为保证安全，变电站应该选择放在人少走动的位置。
第二，变电站的选择应该距离二级负荷比较近的位置,这样可以保证在发生故障的时候二级负荷仍然能够得到供电。
而查询资料可以知道，广西大学的教学楼、学院楼属于二级负荷，宿舍楼属于三级负荷。
由此我们就可以知道，变电站最合理的位置如图所示，应该放在综合楼的后面。
这样的安排可以大大减小布线的长度，既减小了前期的成本同时对线路的检修也有很大的帮助。
图1广西大学西校园大用电量建筑简图
1.4广西大学西校园各区域用电的分配情况
如图1所示，我们把广西大学西校园分为五个区域，由红色直线圈住的部分为一个区域，这部分的建筑物所需要的用电由同一变压器分配，共有五个变压器。
由外网输入的220kV电压经过变电站变为10kV送给各个变压器。
然后由变压器变为380V给予分配，变压器具体供电分配见表1。
这样的分配虽然要增加变压器的个数，增加部分成本，但是可以减少由于导线电阻产生的电能消耗，减小变压器负荷，从长期来考虑还是划算的。
表1各变压器供电区域
变压器名称
供电区域
变压器1
居民区、旧体育馆、新体育馆等区域
变压器2
大礼堂、土木学院、电气学院等区域
变压器3
二教、三教、新闻学院等区域
变压器4
宿舍楼1、2、3等区域
变压器5
综合楼、数信学院、五教等区域
1.5主变压器的选择
变压器是变电所中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统5～10年发展规划综合分析、合理选择。
如果主变压器容量选得过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，运行和检修不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。
因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。
1.5.1主变电器容量的选择
广西大学西校园居民楼集中在区域一中共21栋，学生宿舍楼25栋，教学楼共6栋，餐厅共4个，学院共11个，其他类包括综合楼、狗洞、超市等。
各楼最大负荷、功率因数和无功功率如表2所示：
表2广西大学西校园用电情况表
负荷名称
最大负荷（kW）
供电方式
无功Q（kvar）
宿舍楼
2160
电缆
0.85
1338.6
居民楼
2488.5
电缆
0.85
1542.2
教学楼
706.3
电缆
0.9
324.1
餐厅
.4
电缆
0.8
94.8
学院楼
3956
电缆
0.8
2967
其他
6400
电缆
0.85
3966.3
ΣP=15.837MW
ΣQ=10.233Mvar
各楼具体负荷计算如下：
宿舍楼：
每栋楼有个宿舍，每个宿舍三个灯100W,风扇60W，其他学生电脑和用电器总和320W,则每栋楼用电：
（1-1）
宿舍楼总用电：
（1-2）
（1-3）
居民楼：
每栋楼有间居民楼，每户居民用电功率平均点灯300W,冰箱120W，空调1600W，其他350W,每栋楼用电总共：
（1-4）
总用电：
（1-5）
（1-6）
教学楼区:
每栋楼有个教室，每个教室有20盏灯，共800W；14个风扇，共980W；电脑投影仪400W，每栋楼用电：
（1-7）
总共用电：
（1-8）
（1-9）
餐厅区:
空调，电灯，冰箱，其他12000W，因此每个食堂：
（1-10）
总共用电：
（1-11）
（1-12）
学院区：
每个学院有间办公室，每间办公室两盏灯80W，空调2000W，电脑140W，每栋楼用电：
（1-13）
所有的学院楼总用电：
（1-14）
（1-15）
其他区：
（1-16）
（1-17）
因此：
（1-18）
（1-19）
考虑负荷同率，取0.85,则视在功率为：
（1-20）
由计算结果可知广西大学西校园最大总视在功率为16.03MVA，从长期考虑，它应该占变电站容量的50%～60%左右，变电站容量应该选择30MVA。
主变容量一般按变电所建成近期负荷，5～10年规划负荷选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展。
对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后允许时间，应保证用户二级负荷，对学校的变电站，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的70%～80%，该变电站是按70%全部负荷来选择。
如果主变压器容量选得过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，运行和检修不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。
因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。
即：
（1-21）
其中，为变电所最大负荷n为变电所主变压器台数。
由于变电所最大负荷为30MVA，因此主变压器容量为：
（1-22）
在满足可靠性的前提下，结合经济性，从长期来烤炉，应该选择容量为30MVA的主变压器。
1.5.2主变压器型号的选择
根据以上条件选择，变电站的容量选取30MVA，电压等级是220V，确定采用型号为SFS11-30000/220的三绕组有载调压电力变压器，其具体参数如表3：
表3变压器详细参数表
型号
SFS11-30000/220
额定容量kVA
30000
容量比（%）
100∕100∕50
空载电流（%）
0.8
损耗（kW）
空载
短路
14.4
48.0
额定电压（kV）
高压
中压
低压
220±8×1.25%
121
11
联接组标号
YN，yn0，d11
阻抗电压％
高－中
高－低
中－低
12.4
22.0
7.7
注：
型号中各符号表示意义
S：
三相F：
风冷却S：
三绕组11：
性能水平号30000：
额定容量220：
电压等级
1.6主接线的选择
变电所的电气主接线应根据该变电所在电力系统中的地位、变电所的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。
并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。
1.6.1电气主接线的基本要求
1．可靠性：
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求。
主接线可靠性的具体要求：
（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电。
（2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对重要用户的供电。
（3）尽量避免变电所全部停运的可靠性。
2．灵活性：
主接线应满足在调度、检修、事故处理及扩建时的灵活性。
3．经济性：
主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。
电气主接线的可靠性、灵活性、经济性是一个综合概念，不能单独强调其中的某一特性，也不能忽略其中的某一种特性。
1.6.2电压母线接线方案拟定
1．220kV电压母线接线方案拟定：
220kV输入侧出线共2回，10kV输出侧出线共6回，其中五回分别给五个变压器，一回备用。
10kV负荷功率由220kV母线供应，负荷为12MWA。
其中二级负荷为29.4%，要求母线故障后要迅速恢复供电，母线或母线设备检修时不允许影响对用户的供电，由母线形式的适用围将用双母线不分段接线。
它的优点是检修任意母线时不会中断供电，检修任何回路的母线隔离开关时，只需要对该回路断电。
如图2所示，校外220kV电压进入变电站，变电站把它变为10kV，10kV的电压进入图2显示的变压器1、2、3、4、5。
在通过变压器把电分配到各个区域当中。
图2220kV输入接线图（变压器详情见表1）
2．10kV电压母线接线方案拟定：
10kV输入侧出线共2回，380V出线侧共13回，其中12回供各区域用电，1回备用，最大输送功率为15MW，由于它的进出线回路数比较多，且传输功率较大，短路电流较大，因此我们采用双母线分段接线方式，并且在分段断路器处联母线电抗器。
这样做的优点是：
第一，供电可靠、检修方便。
第二，当一组母线故障时，可以迅速切换到另一组，及时恢复供电。
第三，调度灵活、便于扩展。
我们以变压器1位置的接线举例，如图3所示，正常时按主母线工作，副母线作为备用的单母线方式运行，则
和
合闸，
和
处于分闸状态。
图3变压器10kV输入接线图（变压器详情见表1）
3．380V电压出线方案拟定：
380V出线侧共9回，其中1回备用，最大输送功率为1.1MW，所占负荷不大，故只需采用双电源单母线不分段接线式，如图4所示：
图4380V出线的线路图
图中的8条出线以西校园区域2、3（见图1）为例，分别接入的各楼如表4、5所示：
表4区域2各楼接线情况
出线口
1#出线
2#出线
3#出线
4#出线
5#出线
6#出线
7#出线
8#出线
接入楼层
中加
土木
电气
大礼堂
邵逸夫楼
计算机
四教
办公楼
表5区域3各楼接线情况
出线口
1#出线
2#出线
3#出线
4#出线
5#出线
6#出线
7#出线
8#出线
接入楼层
二教
三教
食堂1
食堂2
宿舍5
宿舍6
宿舍7
宿舍8
第二章短路电流的设计
计算短路电流的目的主要是为了选择断路器等电气设备或对这些设备提出技术要求。
评价确定网络方案，研究限制短路电流措施，为继电保护设计与调试提供依据，分析计算送电线路对通讯网络设施的影响等。
在电力系统设计中，短路电流的计算应按远景规划水平年来考虑，远景规划水平年一般取工程建成后5-10年中的某一年，计算容为系统在最大运行方式时枢纽点的三相短路电流。
2.1短路电流计算的容
1．短路点的选取：
各级电压母线、各级线路末端。
2．短路时间的确定：
根据电气设备选择和继电保护整定的需要，确定计算短路电流的时间。
3．短路电流的计算：
最大运行方式下最大短路电流、最小运行方式下最小短路电流、各级电压中性点不接地系统的单相短路电流。
计算的具体项目及其计算条件，取决于计算短路电流的目的。
2.2三相短路电流周期分量起始值的计算
1．短路电流计算的基准值
短路电流的计算采用标幺值计算。
取基准容量为10MWA，基准电压为平均额定电压。
2．网络模型
计算短路电流对所用的网络模型为简化模型，即：
忽略负荷电流，不计各元件的电阻，也不计送电线路的电纳及变压器的导纳。
发电机用次暂态电抗表示，并认为发电机电势模值标幺制为1，相角为0°。
3．三相短路电流周期分量起始值的计算步骤
第一步，计算各元件参数标幺值，作出等值电路。
前已选出了主变压器（三绕组），其阻抗电压百分比，如下表6：
表6主变压器阻抗百分比
绕组
高-中
高-低
中-低
阻抗电压
12-14
22-24
7-9
取=13,=23,=8，则有：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
取=10MVA，计算变压器各绕组的标幺值,有：
（2-4）
（2-5）
（2-6）
由于该工程只有两台主变运行。
所以，只需考虑2台变压器，2变的参数与1变的参数一致，因此做出等值电路图如图5所示：
图5等效电路图
第二步，当F1点（220kV母线）发生短路时的计算如下：
（2-7）
有名值：
（2-8）
冲击电流：
（2-9）
第三步，同理可算得当F2点（10kV母线）发生短路时,则有：
（2-10）
有名值：
（2-11）
冲击电流：
（2-12）
第四步，当F3点（380V母线）短路计算值：
有名值：
（2-13）
冲击电流：
（2-14）
第三章一次设备和导体的选择
3.1主接线的类型
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，任一元件故障或检修，均需使整个配电装置停电。
2.单母分段接线
优点：
母线分段后，对主要用户可从不同段供电，保证供电的可靠性，另外，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电。
缺点：
当母线故障时，该段母线的回路都要停电，同时扩建时需向两个方向均衡扩建。
3.单母分段带旁路母线
这种接线方式：
适用于进出线不多、容量不大的中小型电压等级为35～110kV的变电所较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。
4.双母线接线
优点：
具有供电可靠，调度灵活，扩建方便，便于试验。
缺点：
增加一组母线，每一回路增加一组母线隔离开关，从而增加投资，也容易造成误操作。
5.双母线分段带旁路接线
优点：
出线回路数较多时，提高了双母线工作的可靠性和灵活性。
缺点：
占地面积大，增加投资。
3.2220kV侧主接线的选择
表7220kV侧母线接线比较表
方案
项目
方案1：
双母线接线
方案2：
双母线接线带旁路
可靠性
母线检修时，电源和出线可继续工作，不会中断对用户供电。
工作母线故障时，所有回路能迅速恢复工作
任一出现故障或检修，均不致停电，其他任何QF故障或检修都不会中断供电
灵活性
母联QF可以断开运行，一组母线工作，另一组母线备用。
也可以闭合母联QF，双母线同时工作
运行调度灵活，但二次接线和继电保护较复杂
经济性
经济性较好，便于扩建
设备多，占地面积大，投资大
由表7比较结果，经过综合判断，220kV侧主接线宜采用方案1，双母线接线。
3.3电气总平面布置
图6电气总平面布置
3.4保护装置及整定计算
一、瓦斯保护
一般气体继电保护气体容积整定围是，本所主变压器容量为30MVA,整定值取为250；重瓦斯保护油流速度是，为防止穿越性故障时瓦斯保护误动作，将油流速度整定为1
。
二、纵联差动保护
计算各侧一次额定电流，选择电流互感器的变比，确定各侧互感器的二次额定电流。
计算结果见下表8：
表8电流互感器二次侧额定电流的计算结果
名称
各侧数值
额定电压/kV
额定电流/kA
电流互感器的连接方式
△
Y
电流互感器一次电流/kA
电流互感器变比选择
电流互感器二次额定电流/A
三、过电流保护
10kV侧复合电压起动的过电流保护。
过电流保护采用三相星形接线，电流互感器的变比。
动作电流按躲过变压器额定电流整定，即：
（3-1）
（3-2）
电流元件灵敏度校验：
按最小运行方式短路时，保护装置的最小短路电流计算，即：
（3-3）
由于3.89>1.25，符合要求。
低电压继电器动作电压按躲过电动机自起动的条件整定，即：
（3-4）
（3-5）
负序电压继电器的动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定，即
（3-6）
（3-7）
过电流保护动作时间可取3s。
第四章防雷保护
4.1直击雷防护
在制订发电厂变电站的过电压保护方案时，必须严格执行《电力设备过电压保护设计技术规程》。
为了防止雷直击变电所，本设计采用避雷针进行保护，避雷针与被保护物之间的距离应满足以下两个基本原则：
（1）应使发电厂，变电所所有被保护设备置于避雷针（线）的保护围以，以免遭受直接雷击。
（2）当雷直击于避雷针（线）时会在避雷针（线）上产生很高的对地电压，所以必须采取措施防止反击发生，才能实现良好的保护，对于220kV及以上的变电所，由于电气设备的绝缘水平较高，在土壤电阻率不高的地区不易发生反击，因此一般允许将避难所雷针装设在配电构架上。
在确定避雷针的位置及安装时，应满意下列规定的要求：
（1）独立避雷针与被保护物之间应保护一定的空间距离，以免雷击避雷革时，引起反击事故，在一般情况下，空间距离不应小于5，为了降低雷击避雷针时感应过电压的影响，在条件许可时，此距离宜适当增加。
（2）避雷针的接地与被保护物体的接地体之间也应保持一定的地中距离，一般情况下不应小于3。
（3）35kV及以下的配电装置，因为其绝缘水平较低，故其架构或房顶不宜装避雷针，在变压器的门型构架上也不应装设避雷针、避雷线。
4.2避雷针的保护围
本变电站设计装设两支避雷针，装设高度17，其具体位置（见图7）。
变电站被保护物体最大高度10.1，在10.1高度的水平面上单根避雷针保护半径为：
（4-1）
式中：
－－避雷针在高度Hx水平面上的保护半径（）
――被保护物体高度（）
――避雷针高度（）
――高度影响系数
其中：
（4-2）
（4-3）
图7避雷针设计图
两只避雷针间保护围上部边缘最低点的高度,表示两避雷针间的距离。
因此：
（4-4）
两只避雷针间保护围一侧的最小宽度,当避雷针之间满足大于或等于0时，避雷针设计满足要求，则有：
（4-5）
经过以上数据分析，满足>0，所以该避雷针的布置方案满足设计要求。
4.3雷电过电压的防护
变电站的雷电过电压，主要是侵入雷电波过电压，也就是线路上的直击雷或感应雷过电压行波沿导线传导至变电所，由于变配电所有大量的配电设备，侵入雷电波过电压对这些设备的绝缘构成了威胁，由雷电过电压行波行至变电所后，传输通道的特性发生变化，最明显的变化就是电气设备的波阻抗与传输线路的波阻抗不一致，使波的行为复杂化，再由于避雷针动作前后对过电压行波产生的不同作用，更使问题变得复杂化，因此对变配电所过电压及其防护的精确计算工是一个极为复杂的问题，因此这里化作定性的讨论。
4.3.1避雷器
避雷器的作用是限制过电压以保护电器设备，它实质上是一个放电器，当雷侵入波或操过过电压超过某一电压值时，避雷器将先于与其并联的被保护设备放电，使过电压值被限制，从而使电气设备得到有效保护。
4.3.2避雷器的选择
1.阀式避雷器选择的主要求参数如下：
（1）额定电压：
指与避雷器安装处电力系统电压等级的额定电压，避雷器只能安装在与其额定电压相应的电压等级上。
（2）灭弧电压
为保证工频续流电弧在每一次过零时间靠熄灭，所允许加在避雷器上的最高工频电压，避雷器的灭弧电压应大于其安装处相导体上可能出现的最高工频电压，这个可能出现的最高工频电压与系统中性点，运行线，不正常运行或故障类型等有关，当系统处于正常运行状态下发生过电压使避器动作时，避雷器状在相电压下灭弧，若避雷器动作时系统同
时有不对称短路，则全相的对地电压有可能高于相电压，这时避雷器就必须在高于相电压的条件下灭弧。
（3）工频电压
指国家规定的电力工业及供电设备的统一标准电压，其频率为50赫兹。
（4）冲击放电电压峰值
过电压保护设备或电气设备绝缘在规定的冲击电压作用下达到保护间隙或绝缘击穿的最大冲击电压。
2、选择避雷器型号参数：
根据以上的计算结果和设计要求，我们可以选择避雷针参数如图9所示：
表9避雷针参数选择
型号
额定电压（kV）
灭弧电压（kV）
工频电压（kV）
冲击放电电压峰值（kV）
FCZ3-220J
220
200
340≤Ug≤390
520
第五章总结
经过一个多月的课题设计，使我明白了一个道理：
无论问题有多么的难，只要我们肯付出时间，付出心血，我们总能够得到自己想要的答案。
拿到220kV变电站设计这个题目时，我一头雾水，完全摸不着头脑，于是我开始去图书馆了解关于变电站的知识，慢慢的，我开始对变电站有了初步的了解，从它的历史到近期的发展，从它的原理到如何去设计，我一步一个脚印的去掌握。
遇到有关电路方面的问题不理解，我又重新拿起电路书复习，有不懂的地方及时向同学和老师请教，慢慢的我的设计框架出来了，这个时候我及时去找海涛老师帮忙指导，他给予的我很大的帮助。
这次课程设计对我的人生也很重要，使我懂得了不要想当然，一切从实际出发，使我懂得了怎样使自己办事效率更高，使我懂得了跟同学合作和向老师请教的重要性。
我从中学得的不仅是知识，还有一种是做事的精神。
致谢
在这次的设计过程当中我遇到了很多困难，很多挫折，但是我都走了出来，也收获了很多，感谢各位同学和老师在我的设计过程中给予的帮助，让我能够克服困难，完成这篇课程设计。
再此特别感谢这篇课程设计的指导老师海涛老师给予我的帮助，他给我提供了很多资料，指引我论文的方向，帮助我改正不足的地方，让我有信心完成好这次的设计。
主要参考文献、资料：
[1]梁鹏.《220kV变电站设计》.钢铁集团.期刊[J].2014-12.
[2]郝超.《BIM在天津永定河220kV变电站设计中的应用》.电力经济技术研究院期刊[J].2012-09.
[3]邓晶晶.《浅析220kV变电站设计与应用》.华北电力大学.期刊[J].2013-12.
[4]姜光侠，罗婵.《220kV变电站
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