变电站课程设计说明书.docx

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变电站课程设计说明书

0工程概况1

0.1工程概述1

0.2研究目的1

0.3国内外研究现状1

0.4设计研究内容1

1主接线的选择1

1.1主接线的概述1

1.2主接线形式的确定2

2主变压器的选择3

2.1主变压器容量及台数的选择3

2.2主变压器的型式选择4

2.3主变压器的确定4

3短路电流计算4

3.1短路电流的概述4

3.2短路电流计算5

4导体及电气设备的选择8

4.1电气设备选择的一般条件8

4.2断路器和隔离开关的选择8

4.3电流互感器的选择14

4.4电压互感器的选择15

4.5导体的选择与校验16

5防雷接地设计19

5.1防雷设计19

5.2接地设计20

6电气总平面布置及配电装置的选择21

6.1配电装置的概述21

6.2配电装置的确定21

6.3电气总平面布置21

致谢22

参考文献23

附录24

0工程概况

0.1工程概述

为满足城市近郊的供电需要，向开发区的炼钢厂供电，根据系统发展，拟建设一座220/110/10kV的区域性降压变电所。

1、按规划要求，该所有220kV、110kV和10kV三个电压等级。

220kV出线3回，110kV出线2回，10kV出线10回。

2、110kV侧有两回出线供给50KM外的炼钢厂，10kV侧总负荷为20000kVA，其中共10回路，每回路为2000KVA。

0.2研究目的

变电站是电力系统的一个非常重要的组成部分，他是由电气设备及配电网络按一定的接线方式所构成，它从电力系统取得电能，通过实现其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转换场所。

随着经济大发展、第二产业蓬勃发展，作为电能传输与控制的中枢，变电站必须改变传统的设计和控制模式，才能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。

随着计算机技术、现代通讯和网络技术的发展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。

本设计拟根据设计题目，尽可能完善的设计出所需的变电站。

0.3国内外研究现状

随着我国电网规模不断扩大，复杂度越来越高，更加智能、互换性更高的变电站成为必然要求。

纵观近些年来，我国变电站建设中存在以下问题：

（1）在220kV变电所的建设中，土地、资金等资源浪费现象严重，存在重复建设、改造困难、无线电干扰和噪声等环保问题、电能质量差等问题已成为影响高压输变电工程建设成本和运行质量的重要因素。

（2）我国电力需求迅速增长，由于产业结构调整和居民生活水平的提高，第二产业蓬勃发展，越来越的工厂、设备需要开工，这就使的电网规模不断扩大，高电压、大机组、长距离输电、电网互联趋势、使电网结构越来越复杂，各级调度中心要求更多的信息，以便及时掌握电网及变电站的运行情况；提高变电站的可控性，要求更多的采用远方集中控制、操作，反事故措施等。

（3）变电站的维护需要大量人力、物力。

比如在恶劣的天气下，值守人员也要外出值守。

同时，由于智能化较低，当发生电力故障时，智能通过人力排查故障，不仅准确度较低，也极大的消耗人力。

国外变电站综合自动化的研究工作开始于70年代。

根据1981年5月在英国在开的第六届国际供电会议资料报道,英国、西德、意大利、法国、澳大利亚等国家,于70年代末,旧的变电站远动装置己开始淘汰,被微机远动装置所替代。

同时第六届国际供电会议的有关文章资料提出,监控系统的功能有扩大的趋势,供电网的监控功能正在以综合自动化为目标迅速发展。

目前国外正在积极探讨、研究、开发整套数字化变电站系统,并取得了一定的成绩。

数字化、智能化变电站系统是变电站综合自动化技术发展的方向。

我国虽然在这方面起步较晚，但是及时跟上了时代的步伐。

比如目前很多国内的厂家都在积极应对智能化变电站、模块化变电站，并见到了实际效果。

但是距离理想的水平，还有一定的距离。

0.4设计研究内容

（1）主接线的选择；

（2）主变压器的选择；

（3）所用电的设计；

（4）短路电流计算；

（5）导体及电气设备的选择；

（6）防雷接地设计；

（7）电气总平面布置及配电装置的选择。

1主接线的选择

1.1主接线的概述

主接线是变电所电气设计的非常重要的组成部分，他是由高压设备通过连接组成的接受电能的电路，也构成电力系统的重要环节。

主接线的确定对电力系统整体及变电所本体运行的可靠性，灵活性和经济性密切相关，并且对电器设备的选择，配电装置，及断电保护和控制方式的拟定有较大的影响。

所以，本设计第一步就是要通过提供的资料来确定其一次主接线。

1.2主接线形式的确定

根据《220kV～750kV变电站设计技术规程（DTL5218-2012）》规定：

220kv变电站中的220kV配电装置，当在系统中居重要地位、出线回路数为4回及以上时，宜采用双母线接线；当出现和变压器等连接元件总数为10～14回时，可在一条母线上装设风段断路器，15回及以上，在两条母线上装设分段断路器；也可根据系统将母线分段。

一般性质的220kV变电站220kV的配电装置，出线回路在4回及以下，可采用其他简单主接线。

220kV变电站中110kV、66kV配电装置，当出线回路在6回以下时，宜采用单母线及单母线分段接线，6回及以上时，可采用双母线接线或双母线分段接线，35kV、10kV配电装置宜采用单母线接线，并根据主变压器台数确定母线分段数量。

根据原始资料分析列出以下两种主接线形式：

方案一：

220kV侧单母线分段，110kV侧单母线分段、10kV侧单母线分段接线。

如图1-1所示。

图1-1方案一

方案二：

220kV侧双母线，110kV侧单母线分段、10kV侧单母线分段接线。

如图1-2所示。

图1-2方案二

现对两种方案比较如下:

表1-1主接线方案比较

方案比较

方案一：

220kV侧单母线分段，110kV侧单母线分段、10kV侧单母分段接线

方案二：

220kV侧双母线，110kV侧单母线分段、10kV侧单母线分段接线。

可靠性

220kV接线简单，设备故障率少，故障时停电时间较少

可靠性相比方案一高，

灵活性

220kV运行简单，灵活性差；各级电压都宜于扩建

各级接线灵活性好，220kV侧宜于扩建和实现自动化

经济性

设备较少投资少

设备多，投资较大，双母线带旁路接线占地面积较大

通过辨证的分析两种法案的可靠性，灵活性和经济性，确定方案一为最终方案。

理由为：

根据《220kV～750kV变电站设计技术规程（DTL5218-2012）》规定：

220kv变电站中的220kV配电装置，当在系统中居重要地位、出线回路数为4回及以上时，宜采用双母线接线。

而本设计的回路为3回，可以采用单母线分段。

在满足其使用的情况下，方案比较简单，便于维修、投资少。

2主变压器的选择

发电厂和变电所中，用于向电力系统或用户输送功率的变压器，成为主变压器；只用于两种升高电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器。

本设计主要研究变电站主变压器。

2.1主变压器容量及台数的选择

主变压器容量、台数直接影响主接线形式和配电装置的结构。

它的选择除依据基础资料外，主要取决于输送功率的大小、于系统联系的紧密程度、运行方式及负荷增长速度等因素，并至少考虑5年内负荷的发展需求。

如果容量选的过大、台数过多，则会增加投资，占地面积和耗损，不能充分发挥设备效益，并增加运行和检修的工作量；如果容量过小，台数过少，则可能限制变电所的负荷需求，影响不同电压等级之间的功率交换及运行可靠性，因此，应合理选择主变压器的容量及台数。

变电站主变压器的容量一般按照建成后5～10年的规划负荷考虑，并按照其中一台停用其余变压器能满足最大负荷Smax的60%～70%（35kV～110kV变电站为60%，220kV～500kV遍变电站为70%）或全部重要负荷（当Ⅰ、Ⅱ类负荷超过上述比例时）选择。

即：

SN≈（0.6～0.7）Smax/（n-1）（MVA）

式中n为变电站主变压器的台数。

根据提供的资料，可以知道，变压器的容量为50000KVA。

2.2主变压器的型式选择

2.2.1相数的确定

在330kV及以下的变电站中，一般选用三相变压器。

因为一台三相式变压器较三台单相式变压器投资小、占地少、损耗小、同时配电结构简单，运行维护比较方便。

如果收到制造、运输等条件（桥梁负重、隧道尺寸等）限制时，可选两台容量较小的三相变压器，在技术经济合理时，也可选用单相变压器组。

由原始资料分析：

本设计选用两台三相式变压器。

2.2.2绕组数及连接方式的选择

在有三种电压的变电站中，如果变压器各侧绕组的通过容量均达到变压器的额定容量的15%及以上，或低压侧虽无负荷，但需要在改侧装置无功补偿设备时，宜采用三绕组变压器。

当变压器需要与110kV及以上的俩不够格中性点直接接地系统相连时，可优先采用自耦变压器。

变压器的绕组连接方式必须使得其线电压与系统电压相位一致，负责不能并列运行。

电力系统变压器采用的绕组方式有星型“Y”和三角形“D”两种。

我国电力变压器的三相绕组常采用连接方式为：

110kV及以上电压侧均为YN,即有中性点引出并直接接地；35kV作为高、中压侧都可能采用Y,其中性点不接地或经消弧线圈接地，作为低压侧式可能采用Y或D；35kV以下的电压侧（不包括0.4kV及以下）一般为D，也有Y方式。

110kV～500kV均有三绕组变压器，其接线组别为“YN,y0,d11”、“YN,yn0,d11”、“YN,yn0，y0”等。

由原始资料分析：

本设计选用三绕组变压器，连接方式为YN,y0,d11。

2.3主变压器的确定

由220kV三绕组变压器技术数据选定主变型号为：

SFPS7-50000/220。

表2-1SFPS7-50000/220参数表

型号

容量kVA

额定电压

连接组号

损耗kW

阻抗电压（%）

总质量（t）

高压

中压

低压

空载损耗

短路损耗

高中

中低

高低

SFPS7-50000/220

50000

242±2*2.5%

121

15.75；

YN,yn0,d11

175

800

25.0

14.0

9.0

358

3短路电流计算

3.1短路电流的概述

为保障电力系统及工厂供配电的安全可靠运行，在设计中不仅要考虑系统的正常运行，而且要考虑在故障状态下运行的情况，尤其是发生短路故障情况。

例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。

大容量电力系统中，短路电流可达数万安。

这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

所以在变电站这几种短路电流的计算尤为重要。

3.1.1短路电流的分类

三相系统中发生的短路有4种基本类型：

三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。

其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。

在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90%。

在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。

3.1.2短路电流计算的目的

计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围。

在变电所和供电系统的设计和运行中，基于如下用途必须进行短路电流的计算：

⑴选择电气设备和载流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和动稳定性。

⑵选择和整定继电保护装置，使之能正确的切除短路故障。

⑶确定合理的主接线方案、运行方式及限流措施。

⑷保护电力系统的电气设备在最严重的短路状态下不损坏，尽量减少因短路故障产生的危害。

3.2短路电流计算

本设计中所选择的主变压器为SPFS7-240000/220查该变压器的参数可得该变压器的阻抗电压之比为25.0%；14.0%；9.0%。

即U（1-2）%=25.0%；U（1-3）%=14.0%；U（2-3）%=9.0%。

由原始资料可得：

220KV侧电源近似无穷大系统，归算至本所220KV母线侧阻抗为0.17（Sj=100MVA），110kV侧电源容量为600MVA，归算至本所110kV母线侧阻抗为0.38（Sj=100MVA）。

变压器各绕组电抗标幺值的计算：

短路电压为：

；

；

；

设SB=100MVA；电抗标幺值为：

；

；

；

画出系统图的等值电路为图3-1所示：

图3-1系统图的等值电路

3.2.1220kV侧短路电流的计算

当220kv侧发生短路时示意图如图3-2所示：

其中

XT*=0.5（XT1*+XT2*）=0.5（0.0625+0.0417）=0.0521；

XTB*=XT*+XBS*=0.0521+0.038=0.4321；

220kV侧为无穷大系统，其短路电流标幺值为：

；

计算阻抗:

；

图3-2f1发生短路等值电路

查汽轮发电机计算曲线IB0=0.512

所以短路电流的有名值为

冲击电流为：

；

短路容量为：

3.2.2110kV侧短路电流计算

当110kV侧发生短路时示意图如图3-3所示：

图3-3f2点发生短路故障时的等值电路

简化得：

图3-4f2点短路故障等值图简化

其中:

XAT*=XAS*+XT*=0.017+0.0521=0.038;

A侧系统为无穷大系统所以系统的短路电流标幺值为：

；

计算电抗：

=

；

查汽轮发电机计算曲线IB0=0.570；

短路电流有名值：

；

冲击电流:

Ish=2.55×If0=2.55×10.88=27.74kA；

短路容量:

Sk=

。

3.2.310kV侧短路电流的计算

当10kV侧发生短路故障时等值图如图3-5所示：

图3-5f3点短路故障等值图

其中：

；

；

；

通过三角形变星行的变换的：

图3-6f3点短路故障三角形变换

其中：

再做简化得图3-7：

其中：

图3-7f3点短路故障简化图

；

计算电抗:

；

查汽轮发电机的计算曲线0s时的标幺值为IB0*=0.390；

电源A为无穷大系统所以提供的短路电流:

；

短路电流有名值:

；

冲击电流:

ish=2.55If0=100.36（kA）；

短路电流容量:

。

计算结果如表3-1:

表3-1短路电流计算结果表

短路点

基准电压（kV）

短路电流（kA）

冲击电流（kA）

短路容量（MVA）

f1点

230

15.43

39.34

6230.54

f2点

115

10.88

27.74

4799.71

f3点

10.5

39.36

100.36

714.97

4导体及电气设备的选择

由于各种电气设备的具体工作条件、工作场所完全不同，所以，它们的具体选择方法也不相同，但基本要求是相同的。

即，第一要保证电气设备可靠的工作，必须按正常的工作条件选择，第二校验其热稳定和动稳定，第三要考虑其型号是否为成熟设备、或者是国内常用设备。

4.1电气设备选择的一般条件

4.1.1按正常工作条件选择

（1）按额定电压选择

（2）按额定电流选择；

4.1.2按短路情况校验

（1）短路热稳定校验

（2）电动力稳定校验

（3）短路电流计算条件

（4）短路计算时间

4.2断路器和隔离开关的选择

断路器选择的具体技术条件如下：

额定电压校验：

UN≥UNs

额定电流校验：

IN＞Imax

表4-1配电装置断路器的选型

安装使用场所

可选择主要型式

参考型号规范

6-10kV

少油、真空、SF6断路器

SN10-10、ZN-10系列、SN4-10G

35kV

多油、少油、真空、SF6断路器

DW-35、SN10-35、SW2-35、ZN-35、LN-35、LW-35系列

110-330kV

少油、空气、SF6断路器

SW-110-330、KW-110-330、LW110-330系列

500kV

SF6断路器

LW-500系列

开断电流：

INbr＞I″

动稳定：

ies＞ish

热稳定It2t>Qk同样，隔离开关的选择校验条件与断路器相同，并可以适当降低要求。

4.2.1220kV断路器及隔离开关的选择

（1）主变断路器的选择与校验

流过断路器的最大持续工作电流

具体选择及校验过程如下：

额定电压选择：

UN≥UNs=220kV

额定电流选择：

IN＞Imax=662.11A

开断电流选择：

INbr＞I″=15.43kA

选择SW6—220/1200，其SW6—220/1200技术参数如表4-2：

表4-2SW6—220/1200技术参数

型号

额定电压kV

额定电流A

额定断流量kA

极限通过

电流kA（峰值）

热稳定

电流kA（4S）

固有分

闸时间S

SW6-220/1200

220

1200

21

55

21

0.04

热稳定校验：

It2t>Qk

It2t=212×4=1764[（kA）2S]

电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为：

tk=1.5+0.04+0.06=1.6S

查计算电抗并计算短路电流为:

所以，It2t>Qk满足热稳校验。

动稳定校验：

ies=55kA＞ish=44.309kA满足校验要求。

具体参数如表4-3：

表4-3主变断路器计算校验表

计算数据

SW6-220/1200

UNs220kV

UN220kV

Imax662.11A

IN1200A

I″15.43kA

INbr21kA

QK1524.24[（kA）2s]

It2t212×4=1764[（kA）2s]

ish39.34kA

ies55kA

由表可知，所选断路器满足要求。

（2）出线断路器的选择与校验:

由上可知SW6-220I/1500满足出线断路器的选择。

其参数如表4-4：

表4-4SW6-220I/1500技术参数

型号

额定电压kV

额定电流A

额定断流

量kA

极限通过

电流kA（峰值）

热稳定

电流kA（4S）

固有分

闸时间S

SW6-220I/1500

220

1500

31.5

80

31.5

0.035

热稳定校验：

It2t>Qk；

It2t=31.52×4=3979[（kA）2S]

电弧持续时间取0.06热稳定时间为：

tk=1.6+0.035+0.06=1.695S

查计算电抗并计算短路电流为

所以，It2t>Qk满足热稳校验。

动稳定校验：

ies=80kA＞ish=44.309kA满足校验要求

具体参数如表4-5所示：

表4-5220kV出线断路器计算校验表

计算数据

SW6-220/1200

UNs220kV

UN220kV

Imax1261.17A

IN1500A

I″17.376kA

INbr31.5kA

ish44.309kA

INcl80kA

QK1524.24[（kA）2s]

It2t31.52×4=3979[（kA）2s]

（3）主变侧隔离开关的选择及校验过程如下：

1）额定电压选择：

UN≥UNs=220kV；

2）额定电流选择：

IN＞Imax=662.111A；

3）极限通过电流选择：

ies＞ish=39.24kA；

GW6—220D,其技术参数如表4-6：

表4-6GW6—220D技术参数

型号

额定电压kV

额定电流A

极限通过电流kA

热稳定电流kA

峰值

4S

GW6-220D/1000—80

220

2500

80

23.7

热稳定校验：

It2t>Qk

It2t=23.72×4=2246.76[（kA）2S]

所以，It2t>Qk满足热稳校验。

动稳定校验：

ies=80kA＞ish=39.34kA满足校验要求。

具体参数如表4-7：

表4-7220kV主变隔离开关计算校验表

计算数据

GW4-220D/1000—80

UNs220kV

UN220kV

Imax662.11A

IN1000A

QK1524.24[（kA）2S]

It2t23.72×4=2246.76[（kA）2S]

ish39.34kA

ies80kA

由表可知，所选隔离开关各项均满足要求。

（4）出线侧隔离开关的选择及校验过程如下：

由表4-7可知GW6—220D同样样满足出线隔离开关的选择。

其动稳定、热稳定计算与主变侧相同。

表4-7可知，所选隔离开关各项均满足要求。

4.2.2110kV侧隔离开关及断路器的选择

（1）断路器的选择与校验

流过断路器的最大持续工作电流

具体选择及校验过程如下：

额定电压选择：

UN≥UNs=110kV

额定电流选择：

IN＞Imax=1324.23A

开断电流选择：

INbr＞I″=10.88kA

初选SW6I—110/1500技术数据如表4-8所示：

表4-8SW6I—110/1500技术数据

型号

额定电压kV

额定电流A

额定断流量kA

极限通过电流kA

热稳定电流kA

固有分闸时间S

峰值

4S

SW6-110I/1500

110

1500

31.5

80

31.5

0.04

热稳定校验：

It2t>Qk

It2t=31.52×4=3969[（kA）2S]

灭弧时间取0.06S，热稳定计算时间：

tk=1.6+0.06+0.04=1.7S

查转移电抗并计算短路电流

所以，It2t>Qk满足热稳校验。

具体参数如表5-9：

表4-9110kV断路器计算校验表

计算数据

SW6-110I/1500

UNs110kV

UN110kV

Imax1324.23A

IN1500A

I″10.88kA

INbr31.5kA

QK691.02[（kA）2S]

It2t31.52×4=3969[（kA）2S]

ish27.74kA

ies80kA

由表可知，所选断路器满足要求。

（2）隔离开关的选择及校验过程如下：

额定电压选择：

UN≥UNs=110kV；

额定电流选择：

IN＞Imax=1324.23A；

极限通过电流选择：

ies＞ish=27.74kA；

选择GW5—110D/1600—100其技术数据如表4-10：

表4-10GW5—110D/1600—100技术数据

型号

额定电压kV

额定电流A

极限通过电流KA

热稳定电流kA

峰值

4S

GW5-110D/1600—100

110

1600

100

31.5

热稳定校验：

It2t>Qk；

It2t=31.52×4=3969[（KA）2s]；

所以，I