220kV变电站设计-毕业设计.doc
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西华大学毕业设计说明书
电气与电子信息学院
毕业设计说明书
题目220kV降压变电站电气一次部分设计
专业：
电气工程与自动化
年级：
2013级
学生：
学号：
312013xxxxxxxxx
指导教师：
王萌
完成日期：
2017年5月25日
220kV变电站电气部分设计
摘要：
本文是对220kV变电站进行电气部分的总体设计与综合规划。
分析了相应的原始资料后，整理其相关数据，分别确立了220Kv，110kV以及10kV电压侧的主接线形式，使其满足电网稳定安全运行的基本条件。
再根据负荷的数据确定其主变压器型号，台数与容量等。
得到各元件的参数之后，再进行相应的网络简化，选择各电压侧的短路点进行短路电流计算，再根据最终的计算结果来选择和校验电气设备。
同时本次设计简单的进行了相应的防雷接地设计以及配电装置的设计，最后再绘制了电气主接线图
关键词:
220kV，变电站，电气主接线，电气设备选择
Abstract：
Thispaperistheoveralldesignandcomprehensiveplanningoftheelectricalpartofthe220kVsubstation.Therawdatawereanalyzedtoextracttherelevantdataneededforthedesign,confirmedthemainconnectionformof220kV,110kV,35kVandtheelectricalsubstationmainconnectiontomeettherequirementsofreliability,flexibilityandeconomy.Accordingtotheloaddata,itdeterminestheunits,capacityandthemodelofthemaintransformerandtheparametersofeachelement.Bytheequivalentnetworksimplification,choicethepointsofshort-circuitandcalculatethecurrentofshort-circuit,thecalculationresultsasabasisforselectionofcircuitbreaker,transformer,busandotherelectricalequipment;Thispaperhascarriedonthesimpleintroductionandtheanalysistothelightningprotectiongroundingandthedistributionunit,finallyhascarriedontheelectricalmainwiringdiagramdrawing.
Keywords：
220kV,substation,electricalmainwiring,electricalequipmentselection
目录
1.前言 1
1.1选题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1国内研究动态 1
1.2.2国外研究动态 1
1.3本文研究内容 2
2.原始资料 3
2.1站址地理位置介绍 3
2.2建设性质和规模 3
2.3负荷侧预测表 3
3.电气主接线 4
3.1主接线设计原则 4
3.2主接线设计的基本要求 4
3.3电气主接线的选择比较 5
3.4电气主接线的最终方案选择 8
4.主变压器的选择 9
4.1主变压器的选择原则 9
4.2主变压器的确定 9
4.3主变压器的型号参数 11
4.4站用变压器的选择 11
5.短路电流计算 13
5.1短路的类型 13
5.2短路电流计算目的 13
5.3短路电流计算方法 13
5.4云南元阳拟建变电站的短路电流计算书 14
5.4.1变电站短路电流计算条件基本假定 14
5.4.2基准值选取 14
5.6.3短路等值网络绘制 15
I
5.6.4各元件参数标幺值计算 16
5.6.5220kV母线短路电流计算 18
5.6.6110kV母线短路电流计算 20
5.6.710kV母线短路电流计算 22
5.8短路电流计算结果 23
6.导体和电气设备的选择 24
6.1高压断路器和隔离开关的选择和校验 24
6.1.1220kV侧断路器、隔离开关的选择和校验 25
6.1.2110kV侧断路器、隔离开关的选择和校验 28
6.1.310kV侧断路器、隔离开关的选择和校验 30
6.2电流互感器、电压互感器的选择与校验 33
6.2.1220kV侧电流互感器、电压互感器的选择和校验 34
6.2.2110kV侧电流互感器、电压互感器的选择和校验 36
6.2.310kV侧电流互感器、电压互感器的选择和校验 37
6.3导体的选择和校验 39
6.3.1220kV侧母线选择和校验 40
6.3.2110kV侧母线选择和校验 41
6.3.310kV侧母线选择和校验 42
6.4电气设备选型汇总 43
7.配电装置 44
7.1对配电装置的基本要求 44
7.2配电装置的类型 44
7.3.1屋外配电装置 44
7.3.2屋内配电装置 45
7.4此次设计配电方式的采用 45
8．防雷保护设计与接地设计 46
8.1防雷保护设计 46
8.2避雷器的选择与校验 46
8.2.1220kV侧避雷器的选择和校验 47
II
8.2.2110kV侧避雷器的选择和校验 48
8.2.310kV侧避雷器的选择和校验 48
8.3避雷针的配置 49
8.4接地 49
9.结论 51
10.总结与体会 52
11.谢辞（致谢） 53
12.参考文献 54
附录1.外文资料翻译
III
1.前言
1.1选题背景
从改革开放至今，在我国综合国力不断提高的背景下，整个城镇居民的生活质量也越发提高，随之其城镇地区的人均用电量也是在不停地迅猛增长中。
我国初期所建设成的变电站的总体容量早已不能适应如今飞速发展的经济状况所导致的电能需求的大幅度增量。
为解决供电量的问题，其重要的针对方法便是新建变电站。
本课题所拟建的220kV变电站将会为所建地云南元阳带来积极的经济增长。
在居民以及企业电能需求如此大的情况下，做到让电能能够有效安全的传输，供电质量的提高以及大电网的并列运行进行电能输送，以及对于自动化技术的进一步提升的空间都是如今建设变电站所需要一步步考虑的问题。
因此，如何合理的设计一个在技术和管理上能同时适应电力市场化体制和竞争需要的变电站，是这次设计的主要目的。
所以，我借助于这次毕业设计的机会，选择《220kV变电站电气一次部分设计》这个课题作为研究方向，不管是对我个人还是社会都具有非常重大的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究动态
现阶段而言，对于变电站典型方案的总体设计与规划是我国研究的主要方向。
在研究的过程中，对于以往已经建成的变电站进行评估与类比，在进行组合，最后制作出典型方案，并且进行相应的优化项目，最后能够满足整个电网的总体建设水平与供电能力。
对于标准化的较高要求，将其典型设计与我国如今的技术与管理相互结合，统一技术标准与工程的流程，一边降低建设成本，一边加快建设的总体进度，提高了工程的总体效应。
全国统一的联合电网是我国今后发展的目标。
1.2.2国外研究动态
在国外，有一些国家的经济发展一直处于一种十分缓慢的进程，其中的一部分原因与电能的极度紧张是密不可分的。
电力资源的紧张使得工厂企业的生产变得缓慢，也就阻碍了总体经济的增长。
因此为了满足国民用电的需求，这些国家采用各种方式例如提高电压来降低电能的损耗。
而一些发达国家正是由于对于电能的高度重视，不断的提高电能的质量以及输送能力，不断地提高变电站的灵活性，其经济也随之发展迅速。
1.3本文研究内容
本文基于拟建于云南元阳的220kV变电站向城市近郊供电的原始资料，着重对电气一次部分进行研究和设计。
设计重点在以下几个方面:
（1）选择变电所主变的相关类型。
（2）绘制适合实际的变电所的电气主接线方案，并选择一个较佳方案。
（3）进行短路电流计算。
（4）根据短路计算得出的结果所需的电气设备和导线进行选型和校验。
（5）进行配电装置的相关设计。
（6）进行防雷保护规划设计以及接地系统的设计。
本课题的框架结构，见图1.1。
图1.1本论文的整体研究思路
2．原始资料
2.1站址地理位置介绍
拟建的220kV变电站位于云南元阳，建成后主要为开发区绿春县，元阳县提供电力供应。
对元阳地方经济增长产生积极作用。
本工程区属于南阳地区的浅丘地貌，地势较为平坦，交通较为方便。
2.2建设性质和规模
.待建的云南元阳的220kV变电站的电源，是有由双回的220kV线路送到变电站；在本所的220kV侧母线，向负荷处输送出3回线路。
110kV侧母线共向负荷输送出2回线路；10kV侧母线共向负荷处输送出12回线路。
电压等级：
220/110/35kV
2.3负荷侧预测表
表2.1110KV用户负荷统计资料
负荷
最大负荷（）
回路数
同时率
炼钢厂
40000
0.95
2
0.85
表2.210KV用户负荷统计资料
负荷
最大负荷（）
回路数
同时率
生活园区
2700
0.95
2
0.85
商业街
1000
0.95
2
0.85
汽车厂
2300
0.95
2
0.85
自来水厂
2700
0.95
2
0.85
炼油厂
1300
0.95
2
0.85
饲料厂
3700
0.95
2
0.85
3．电气主接线
3.1主接线设计原则
电气主接线方案的设计与选择是变电站电气设计所需要考虑的首要部分，同时也是电力系统正常运行不可缺少的关键阶段。
在设计电气主接线时，待建的变电站在电网中的主要作用和综合性的地位是需要在建设变电站前所要思考的，而变电站整体的建设规模将决定变电站以后多年的供电效应与可提高的能力，设计时也需要考虑到变电站的重要负荷与本身所带的负荷、系统备用容量大小、甲方对乙方的相关技术要求等，然后基于这几点进行综合设计判定。
参照变电站所在地区电力系统未来5~10年发展规划以及该变电站未来所接负荷的特性，按照业主提供电力系统接线图进行综合设计。
一、主接线设计依据
1.变电站的相关分类
变电站按其重要性可分为三类。
（1）系统枢纽变电站。
其电压等级通常为330kV~500kV，在一般情况下有多个大型电源。
（2）地区重要变电站。
其电压等级通常为220kV~330kV。
（3）一般变电站。
此类的变电站电压等级通常为110kV。
一般为分支变电站。
2.变电站的整体建设规模
变电站的整个建设的规模的设计与论证主要是参考其所在地区电力系统的5~10年相关的发展规划。
在考虑到该地区的经济因素的前提条件下，一般将装设两台主变压器。
而装设3~4台主变压器一般用于330kV~500kV系统枢纽变电。
3．系统备用容量大小
对于有装设了多台主变压器而共同运行的变电站而言，当其中一台发生事故被继电保护装置切除或周期性停运检修时，剩下的主变压器容量可以至少承担该站所接负荷的70%，在计及整个变电站发生随机事故概率的情况下都必须保证对Ⅰ类负荷的供电和尽可能保障Ⅱ类负荷的电力供应。
3.2主接线设计的基本要求
一、可靠性
在电能生产、传输和分配的整个流通环节中首先应当满足供电的可靠性，这是变电站是否正常的安全稳定运行的前提条件。
主接线可靠性的具体要求为：
（1）尽量能够避免变电站全部停运解列这种恶性事故发生。
（2）检修时能保证电力供应。
二、灵活性
主接线的设计所要求的灵活性是指在变电站建成之后能够更为便捷方便的对它进行周期性检修。
同时，能够满足为增加当地经济增长而必要的扩建计划。
（1）检修必须安全迅速的停运相关的电气设备，同时依然保证对当地进行安全稳定的电力供应，使得当地的发展不会因此受到影响。
（2）能够完成灵活调度。
保证安全快速的投入或切除相关的电气设备。
同时能够按照基本要求或者计划迅速的使变压器进入到另一运行状态。
（3）能够安全的过渡到最终的接线设计方案。
在不增加停电时间或不影响对负荷的连续供电情况下，投入新的变压器。
同时，在工程结束后还应做到新的电力网的稳定运行，并且能够在扩建的整个过程中尽可能的缩小相关人员的工作量。
三、经济性
主接线在满足相对较高的可靠性和灵活性的前提下，尽量做到具有良好的经济效益、节约建设施工成本以及后期的扩建成本，力争做到经济效益最优化。
3.3电气主接线的选择比较
方案一：
侧采用双母线带旁路母线接线；和侧采用单母线分段接线。
其主要优点是：
双母线接线易于变电站相关负荷侧的平衡扩建，并且可以采用成套的配电装置，外带旁路母线极大的提高了供电可靠性，能保证在220kV侧停电或检修的时候能够保证持续供电。
而剩余的两个电压等级侧的接线方式能够保证在检修而导致行相关电气设备停运时有持续的电能供应，使得云南元阳附近的城镇内的重要负荷能够持续供电，同时在发生故障的时候，能迅速的恢复持续的供电状态，保证周边的经济发展不会因此受到影响。
其缺点是：
220kV侧的双母线接线待旁路母线的安装，维修，维护的费用过高，操作较为复杂，投资过大。
而110kV侧的单母线分段接线的维修和投资也比较大，后期不易扩展。
方案一简图，如图3.1。
图3.1主接线方案一
方案二：
侧采用双母线接线；和侧采用单母线分段接线。
其主要优点是：
220kV运行过程过程供电较为单母线接线可靠，调度较为灵活，即为一组母线运行时另一组母线备用。
而剩余的两个电压等级侧的接线方式的优点如方案一所诉。
其主要缺点依然是是：
其安装，维修，维护的费用过高操作较为复杂，投资过大。
方案二简图，如图3.2。
图3.2主接线方案二
方案三：
采用双母线带旁路母线接线；110kV侧采用单母线带旁路母线接线，侧采用单母线分段接线。
其220kV侧以及10kV侧的电气主接线方案的选择的主要的优点和缺点如方案一和方案二所诉。
110kV侧的接线方案的优点在方案一中对于单母线分段接线的优点再加上能够极大的提高了供电可靠性，能极大的保障周边经济发展必要的电力供应。
而其缺点也很明显，在经济建设这个角度而言依然是需要考虑的，如方案一和方案二指出的一样，对于外带旁路母线的设计，其安装维修的投资与费用都很大，检修的过程也是比较复杂。
方案三简图，如图3.3。
图3.3主接线方案三
方案四：
侧为双母线接线带旁路母线；侧采用单母线带旁路母线接线；侧采用单母线分段接线。
其主要的优缺点如方案一，方案二以及方案三所诉。
方案四简图，如图3.4。
图3.4主接线方案四
3.4电气主接线的最终方案选择
通过方案一，方案二以及方案三和方案四的优缺点比较，在考虑云元阳拟建的变电站的基本要求和相关设计说明以及地理条件。
以及此次设计的220kV变电站在云南元阳起着地区重要变电站的作用，为保证能够积极促进云南元阳周边的经济发展与相关的城镇建设等，其220kV侧应该保证有着较高的可靠性和灵活性，便于今后的扩展。
而110kV和10kV侧也应保持一定的可靠性和灵活性，但是有些其负荷不需要24小时持续供电。
在故障时近几件不会因为供电中断的原因而对其经济的建设与发展造成相应的损失。
因此此次云南元阳的220kV变电站的电气主接线采用方案一，即为220kV侧为双母线接线带旁路母线，110kV和10kV侧采用单母线分段接线。
第65页
4.主变压器的选择
4.1主变压器的选择原则
为了能够有效减少电能在传输过程中的损耗，提高电压等级是一个很好的解决方案，而变压器就很好地扮演了电压等级变化这一角色。
一、主变压器容量的选择
（1）主变压器容量一般按待建变电站所在地区电网对于未来5~10年的负荷规划进行选择，同时应适当估算未来10~20年后当地经济发展情况以及与之对应的电能需求。
（2）变电站所要选择的容量很大程度上是由采用该主变压器的变电站并入系统中的电网结构来决定的。
在由多台变压器共同工作的正常供电状态下，当其中的一台变压器因为事故或者检修而停运时，为保证该地区的正常的经济建设与经济发展，因此在此运行状态下，变电站的容量能满足所有接入该系统的负荷对于电能至少的需求。
（3）维修是否方便，用品与备件是否适用，标准化以及系列化是否符合要求也是主变压器容量的选择必须要考虑的方向。
二、主变压器台数的选择
（1）对大城市郊区的变电站，在中、低压侧已经构成环网的情况下，变电站的台数选为两台最为合适。
（2）对于地区孤立的变电站或者大型工业专用变电站，在考虑主变台数时，应评估装设三台的可能性。
（3）对于规划只装设两台主变的变电站，其容量应按大于变压器容量的1~2级进行设计规划，以便在负荷发展时，更换变压器的容量。
4.2主变压器的确定
（1）变压器台数的确定
首先根据上面所述的关于主变压器台数的选择原则，然后对原始的负荷侧的数据进行预测分析，并且已知本文所设计的220kV变电站为地区重要变电站。
通过综合性的分析，此次所设计变电站应装设两台主变压器。
（2）变压器容量的确定
最大综合负荷的计算公式：
（4-1）
式中，—各电压侧的最大负荷预测；
m—出线回路数；
—各出线的自然功率因数；
—同时系数，一般取值是在0.8～0.95之间。
根据原始数据，同时率取0.85；
—线损率，取5%。
由原始资料的负荷预测表可知：
110kV侧:
35kV侧:
则总的负荷
则最大综合计算负荷
考虑到此次设计的变电站应该考虑到5年的规划，其年负荷规划公式：
式中，—规划的年数，此处取值为5；
因此考虑到此变电站的五年内的规划要求可得
根据变压器选择对于容量的要求，考虑到该地区的负荷对于电能的愿景需求，则可以求出其最后的容量：
（3）主变压器相数的选择
本次设计中采用三相变压器。
三相变压器能够达到高度隔离，同时拥有容易转换的电压抽头，从该地的经济建设考虑，为达到稳定的电能供应，故采用三相变压器
（4）主变压器绕组数的选择
由于此次云南元阳待建的变电站有三个电压等级220kv/110kv/35kv，因此本次设计应当选择三绕组变压器。
（5）主变压器绕组连接方式的选择
由《电力工程设计手册》可知，主变压器绕组的连接方式分为两种。
即为星形连接以及三角形连接。
在考虑主变压器的连接方式时，其变电站的电力系统要求所接入的电网必须和该变电站的连接方式保持一致。
4.3主变压器的型号参数
根据上述分析结果以及最后的条件计算结果，查阅《电力工程电气设备手册（电气一次部分）》可得，负荷条件的主变压器型号为：
SFPSZ10-50000/220
技术参数如表4.1所示:
表4.1主变压器SFPSZ10-50000/220参数表
型号
SFPSZ10-50000/220
容量（kVA）
50000
额定电压（kV）
高压
220±8*1.25%
中压
121
低压
11
联结组标号
YN，yn0,d11
损耗（kW）
空载
46.2
负载
212.0
空载电流
0.26%
阻抗电压
高-中
14%
高-低
24%
中-低
9%
4.4站用变压器的选择
站用电的负荷通常在无特殊要求的情况下应该按照0.2%的变电站的总容量和变压站每侧的总负荷来确定，通常设置2台站用变压器相互备用。
已知总负荷为：
∴
由于本次设计变电站最低电压等级为10kV，所以可通过一级电压降落选用2台站用变压器。
查《电力工程电气设备手册：
电气一次部分》，所选站用变压器的型号为SL7-400/10。
技术参数如下:
表4.2站用变压器SL7-400/10参数表
型号
SL7-400/10
容量（kVA）
400
额定电压（Kv）
高压
10
低压
0.4
联结组标号
YN，yn0
损耗（W）
空载
980
负载
5800
空载电流
3.2%
阻抗电压
4%
5.短路电流计算
5.1短路的类型
在电力系统中的一般简单的短路故障可以分为四种类型：
三相短路、两相短路、两相短路接地以及单相接地短路。
在实际运行中得出结论，单相接地短路发生的可能性是最大的，大概占了70%左右；而两相短路相对少一点，三相短路发生的概率是最少的，但是三相短路发生的概率虽然是最少的，但是其后果却很严重，所以应该要有足够的重视。
5.2短路电流计算目的
（1）通过其计算结果可以进行高压电器的选择。
（2）短路电流计算得出的计算结果和结论是进行继电保护装置设计的必要数据。
（3）确定中性点接地方式。
（4）通过最终的计算结果进行分
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