500KV变电站电气部分毕业设计.doc

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500kV变电站电气部分设计

摘要

随着近些年来我国经济的高速发展，能源的重要性日趋凸显。

电力系统在整个行业中所占的比例逐渐增大，现代电力系统是一个庞大且有领导性地位的整体。

各类发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电，变电和配电任务。

电力系统是国民经济的重要能源部门，而变电站的设计是电力工业建设中必不可少的一个项目。

本毕业设计是500kV（500/220/35）变电站工程电气部分初步设计。

其中500kV、220kV侧采用GIS方案，为了保证供电的可靠性和一次性满足远期负荷的要求，按照远期负荷规划进行设计建设，从而保证变电站能够长期可靠供电。

设计过程中完成了500kV枢纽变电站的电气主接线的选择、主变压器选择、电气主接线的拟定、短路计算、电气设备选择、配电装置的规划、继电保护和自动装置的规划和防雷保护的规划等主要工作。

本设计书包括原始资料分析、设计说明书、计算书等。

关键词：

500kV变电站GIS方案电气主接线配电装置变压器

THEDESIGNOFTHEELECTRICALPARTABOUTTHE500KVTRANSFORMERSUBSTATION

Abstract

China'seconomyinrecentyearswiththecontinueddevelopmentofincreasinglyhighlightedtheimportanceofenergy.Powersystemintheindustryincreasestheproportionofthemodernpowersystemisalargeandtheoverallpositionofleadership.Varioustypesofpowerplants,substationscompletethepowersystemdivisionofpowergeneration,substationanddistributiontasks.Powersystemisanimportantnationalenergysector,andsubstationdesignisessentialfortheconstructionofthepowerindustryasaproject.

Thisgraduatedesignthesisisa（500/220/35）kVadecliningtopresstochangetogiveorgetanelectricshockanelectricitypartsoffirststepsdesign.Forthesakeofdependablethatguaranteethepowersupplywitharequestthatcontentedlong-termburthen,carriesaccordingtotheforwardtheprogrammingproceedingdesigndevelopments,frombutguaranteetochangetogiveorgetanelectricshockcanlong-termdependablepowersupply.

Thedesignprocesstocompletetheregional500kVelectricalsubstationdesignapartofthecontentanddesign,themainliningselection,thedevelopmentofmainpower,shortcircuitcalculations,electricalequipmentselection,powerdistributionequipmentplanning,relayprotectionandautomaticprotectiondevicesandmineplanningforplanningmajorwork.Thedesignofthebookincludingthedesigningspecification,calculatingandselectingbookandthedrawings.

Keywords：

500kVsubstationGISschemeMainelectricalconnectionPowerdistributionequipmentTransformer

II

目录

中文摘要 I

英文摘要 II

1 绪论 1

1.1引言 1

1.2变电站原始资料分析 1

2变电站各电压等级电气主接线选择 3

2.1概述 3

2.2主接线的设计原则及基本要求 3

2.3电气主接线的选择 6

3主变压器的选择 12

3.1主变压器选择的有关规定及原则 12

3.2本设计主变压器的选择 13

4短路计算 14

4.1短路电流计算 14

4.2短路电流和短路容量 14

4.3短路电流所引起的后果 14

4.4限制短路电流的措施 15

4.5计算结果 15

5电气设备和导体的选择 16

5.1电气设备选择的一般要求 16

5.2断路器的选择 19

5.3隔离开关的选择 21

5.4互感器选择 23

5.5电抗器的选择 28

5.6电容器的选择 29

5.7导体的选择 30

5.8避雷器的选择 31

5.9配电装置及电气平面布置 32

6设计计算书 34

6.1短路电流计算 34

6.2断路器选择 38

7总结 40

参考文献 41

致谢 42

附录1外文参考文献（原文） 43

附录2外文参考文献（译文） 50

1绪论

1.1引言

我国是世界能源消耗大国，煤炭消费总量居世界第一位，电力消费总量居世界第二位，但一次能源分布和生产力发展水平却很不均匀。

水能、煤炭主要分布在西部和北部，能源和电力需求主要集中在东部和中部经济发达地区。

这种能源分布与消费的不平衡状况，决定了我国的能源配置上必须以大煤电基地、大水电基地为依托。

实现煤电就地转换和水电大规模开发。

而变电站担负着从电力系统受电，经过变压，然后分配电能的任务，是输送和分配电能的中转站，是供电系统的枢纽，在全国电网中占有特殊重要的位置。

近年来，电力在能源和经济发展中的作用日益增长，它已成为现代社会实用最广、需要最快的能源。

变电站的合理设计与建设是一个极其重要的组成部分。

针对自己的专业相关性选择了本毕业设计课题：

500kV变电站工程电气部分设计，为自己以后的工作打下一定的专业基础，让自己以后能尽快地适应工作，融入工作环境中，更加得心应手的工作，，为以后的工作打下必需的基础。

鉴于所学的专业知识有限，只是对变电站电气部分进行初步的设计，初步设计将宏观勾画出工程概貌，控制工程投资，初步设计是工程设计中的主要阶段。

设计应基本达到实际工程设计的要求，具有一定的可实践性。

此次设计是在查阅大量有关资料的基础上，综合运用所学理论知识，根据设计任务书提供的资料，结合电力工程设计手册、设计规程、规范等资料进行设计的。

主要内容包括有电气主接线方案的确定、电气设备的配置和选择、高压配电装置的设计、还有相关图纸的绘制。

500kV变电站的配电装置采用的是GIS，是一种新型的配电装置，所以得更加需要学习关于GIS的资料。

1.2变电站原始资料分析

变电站规划：

该变电站主变压器采用2×750MVA,其电压等级为500/220/35kV的变压器，500kV进出线两回，220kV进出线八回，35kV无进出线，其中35kV作为站用电源和无功补偿。

无功补偿方案：

500kV电压级：

为1组高压电抗器，其容量为150Mvar；35kV电压级：

为1组电抗器,容量为60Mvar；2组电容器，容量为60Mvar。

各级电压的短路电流水平：

500kV短路电流水平按63kA考虑；220kV短路电流水平按50kA考虑；35kV短路电流水平按40kA考虑；

设备和导体选择，以及间隔宽度等，均按上述短路电流水平进行校核。

本变电站设计占地面积较小，并且性能要优于传统变电站，在有限的资金下尽可能的采用智能型设计方案，故500kV和220kV侧均采用GIS方案设计。

由于本设计500kV变电站采用GIS方案设计，我们首先得对GIS设备有一定的了解。

GIS（gasinsulatedsubstation）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。

GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。

GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。

与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。

GIS制造技术在不断进步和发展，各GIS生产厂家围绕着提高经济性和可靠性这两个主要目标，在元件结构、组合形式、制造工艺以及使用和维护方面进行了大量研究、开发。

随着大容量单压式SF6断路器的研制成功和氧化锌避雷器的应用，GIS的技术性能与参数已超过常规开关设备，并且使结构大大简化，可靠性大大提高，为GIS进一步小型化创造了十分有利的条件。

GIS设备的优点：

（1）GIS具有占地面积小、体积小，重量轻、元件全部密封不受环境干扰。

（2）操作机构无油化，无气化，具有高度运行可靠性。

（3）GIS采用整块运输，安装方便，周期短，安装费用较低；检修工作量小时间短。

共箱式GIS全部采用三相机械联动，机械故障率低。

（4）优越的开断性能——断路器采用新的灭弧原理为基础的自能灭弧室（自能热膨胀加上辅助压气装置的混合式结构）,充分利用了电弧自身的能量。

（5）损耗少、噪音低——GIS外壳上的感应磁场很小，因此涡流损耗很小，减少了电能的损耗。

弹簧机构的采用，使得操作噪音很低。

2变电站各电压等级电气主接线选择

2.1概述

发电厂和变电站的电气主接线是多种主要电气设备（如变压器、隔离开关、断路器、互感器、母线、避雷器等）按一定顺序要求连接而成的，是变换和分配电能的电路，称为变电站一次接线或电气主系统。

将电路中各种电气设备统一规定的图形符号和文字符号绘制成的电气连结图，称为电气主接线图。

变电站的电气主接线是电力系统接线的主要部分。

主接线的确定对变电所的安全、稳定、灵活、经济运行以及对电气设备选择、配电装置布置、继电保护拟定等起决定性作用。

由于发电、变电、输配电和用电是同时完成的，所以主接线设计的好坏不仅影响电力系统和变电站本身，同时也影响到工农业生产和人民生活。

因此，主接线设计是一个综合性问题。

2.2主接线的设计原则及基本要求

2.2.1主接线的设计原则

根据《220---500KV变电站设计技术规程》（DL／T5218-2005）规定，变电站电气主接线应根据该变电站在电力系统中的地位、电压等级、回路数、所选设备特点、负荷性质等因素确定，满足运行可靠性，简单灵活，操作方便，节约投资等要求。

变电站在电力系统中的地位和作用

变电站在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素，变电站是枢纽变电所、地区变电所、终端变电站、企业变电站还是分支变电站，由于他们在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的技术要求也不同。

（1）考虑近期和远期的发展规模

变电站主接线设计应根据5-10年电力系统发展规划进行。

应根据负荷的大小和分布，负荷增长速度以及地区网络情况和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。

（2）考虑负荷的重要性分布和出线回数多少对主界线的影响

对一级负荷必须布两个独立的电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级负荷不间断供电；对二级负荷，一般有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级负荷供电，三级负荷一般只需一个电源供电。

（3）考虑主变台数对主接线的影响

变电站主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。

通常对大型变电所，基于传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高，而容量小的变电所，其传输容量小，对住接线的可靠性、灵活性要求低。

（4）考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响

发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增，设备检修，故障停运情况下的应急要求。

电气主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同，例如：

当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时，允许切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。

2.2.2主接线设计的基本要求和步骤

变电站主接线的设计必须满足上述四个基本要求，以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

我国《变电站设计技术规程》对主接线设计作了如下规定：

在满足运行要求时，变电站高压侧应尽量采用断路器较少的或不用断路器的接线。

在200~500kV枢纽变电站中，当500kV出线2回及以上时，一般采用双母线分段带旁路或者3/2断路器接线；当200kV出线超过8回时，一般采用双母线分段接线、双母线接线或者双母线带旁路。

在500kV变电站中，35kV配电装置所连接的元件总数不超过8个时，一般采用单母线分段或单母线接线。

出线回路数和电源数较多的污秽环境中的变电站，可采用双母线接线。

在6~10kv变电站中，一般采用单母线接线或单母线分段接线。

电气主接线的设计伴随着发电厂或变电站的整体设计，即按照工程基本建设程序，经历可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计等四个阶段。

在各阶段中随要求、任务的不同，其深度，广度也有所差异，但总的设计思路、方法和步骤相同。

1、对原始资料进行综合分析

（1）变电站的情况，包括变电站的类型，在电力系统中的地位和作用，近期及远景规划容量，近期和远景与电力系统的连接方式和各级电压中性点接地方式及可能的运行方式等。

（2）负荷情况，包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。

电力负荷的原始资料室设计主接线的基础数据，应在电力负荷预测的基础上确定，其准确性直接影响主接线的设计质量。

（3）环境条件，包括当地的气温、湿度、污秽、覆冰、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素。

这些对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响，必须予以重视；此外，对重型设备的运输，也应充分考虑。

（4）设备情况。

为使所设计的主接线可行，必须对各主要电器的性能、制造能力、供货情况和价格等资料汇集并进行分析比较，保证设计具有先进性、经济性和可行性。

2、确定主变压器的容量和台数

变电站主变压器的容量，一般应按5~10年规划负荷来选择，根据城市规划、负荷性质、电网结构等综合考虑确定。

对重要变电站，应考虑当1台主变压器停运时，其余变压器容量在记及过负荷能力允许时间内，应满足Ⅰ类及Ⅱ类负荷的供电；对一般性变电站，当1台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的70﹪至80﹪。

变电站主变压器的台数，对于枢纽变电站在中、低压侧已形成环网的情况下，以设置2台主变压器为宜；对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，可设3台主变压器，以提高供电可靠性。

3、主接线方案的拟定与选择

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源盒出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等，可拟定出若干个主接线方案。

依据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2～3个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，在进行经济比较。

对于在系统中占有重要地位的大容量变电站的主接线，还应进行可靠性定量分析计算比较，最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。

4、站用电源的引接方式。

5、短路电流计算和主要电气选择

对所选的电气主接线进行短路电流计算，并选择合理的电气设备。

6、绘制电气主接线图

对最终确定的主接线，按工程要求绘制工程图。

2.3电气主接线的选择

2.3.1主接线基本接线形式及特点

电气主接线的型式是多种多样的，可分为单母线接线及单母线分段接线、双母线接线及双母线分段接线等。

1、单母线接线及单母线分段接线

（1）单母线接线

单母线接线供电电源在变电站是变压器或高压进线回路。

母线既可保证电源并列工作，又能使任一条出线都可以从任一个电源获得电能。

各出线回路输入功率不一定相等，应尽可能使负荷均衡地分配在各出线上，以减少功率在母线上的传输。

单母接线的优点：

接线简单清晰、设备少、操作方便、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便和采用成套配电装置。

缺点：

①可靠性差。

母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作，也就成了全厂或全站长期停电。

②调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。

适用范围：

一般只适用于一台发电机或一台主变压器的以下三种情况：

6～10kV配电装置的出线回路数不超过5回；35～63kV配电装置的出线回路数不超过3回；110～220kV配电装置的出线回路数不超过两回。

（2）单母分段接线

单母线用分段断路器进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性；对重要用户可以从不同段引出两回馈线路，由两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器自动将用户停电；两段母线同时故障的几率甚小，可以不予考虑。

在可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一母线故障时，将造成两段母线同时停电，在判别故障后，拉开分段隔离开关，完成即可恢复供电。

（3）单母线带旁路母线的接线

为了检修出线断路器，但不中断对该出线的供电，可增设旁路母线。

当检修电源回路断路器期间不允许断开电源时，旁路母线还可以与电源回路连接，此时还需在电源回路加装旁路隔离开关。

有了旁路母线，提高了供电的可靠性，但旁路系统造价昂贵，同时使配电装置运行复杂化，另外检修母线或母线故障期间中断供电。

2、双母线接线及双母线分段接线

（1）双母线接线

双母线接线有两组母线，并且可以互为备用。

每一个电源和出线的回路，都装有一台断路器，有两组母线隔离开关，可分别与两组母线连接。

两组母线之间的联络，通过母线联络断路器来实现。

由于有了两组母线，运行的可靠性和灵活性大为提高。

其优点主要有：

①检修母线时不影响正常供电；②检修任一组母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属回路和与此隔离开关相连的该组母线，其他回路均可通过另一组母线继续运行；③工作母线发生故障后，所有回路能迅速恢复供电；④检修任一出线断路器时，可用母线联络断路器代替检修的断路器，回路只需短时停电；⑤调度灵活；⑥扩建方便等特点。

缺点:

①在倒母线的操作过程中，隔离开关作为操作电器，容易发生误操作；②检修任一回路的断路器或母线故障时，仍将短时停电；③所使用的设备多（母线隔离开关的数目多），并且使配电装置结构复杂，所以经济性能差。

（2）双母线分段接线

为了缩小母线故障的停电范围，可采用双母线分段接线，用分段断路器将工作母线分为两段，每段工作母线用各自母线联络断路器与备用母线相连，电源和出线回路均匀地分布在两段工作母线上。

这种接线具有单母线分段和双母线的特点，比双母线接线具有更高的可靠性和灵活性。

正常运行时工作母线工作，备用母线不工作，它是单母线分段接线方式，当一段工作母线发生故障后，在继电保护作用下，分段断路器先自动跳开，而后将故障段母线所连的电源回路的断路器跳开，该段母线所连的出线回路停电；随后，将故障段母线所连的电源回路和出线回路倒至备用母线上，即可恢复供电，这样，只是部分短时停电，而不必短期停电，仍是单母线分段运行方式。

双母线分段接线主要用于大容量进出线较多的配电装置中，如220KV进出线达10～14回时，就可采用双母线三分段的接线。

在330～500KV的配电装置中，也有采用双母线四分段的。

（3）双母线带旁路母线的接线

为了不停电检修出线断路器，双母线可以带旁路母线，用旁路断路器替代检修中的回路断路器工作，使该回路不致停电。

这种接线运行操作方便，不影响双母线正常运行，但多装了一组断路器和隔离开关，增加了投资和配电装置的占地面积，然而这对于接于旁路母线的线路回数较多，并且对供电可靠性有特殊需要的场合是十分必要的。

（4）3/2断路器接线

每两个元件（出线、电源）用3台断路器构成一串接至两组母线，称为一台半断路器接线，又称3/2接线，在一串中，两个元件各自经一台断路器接至不同母线，而两回路之间的断路器称为联络断路器。

3/2断路器接线的优点：

较高的可靠性、高度的运行灵活性、运行操作方便、设备检修方便。

3/2断路器接线具有上述优点，但选用时应注意：

3/2断路器接线各元件之间联系比较紧密，各元件之间可通过中间断路器、母线断路器沟通。

如在系统发生故障时，为保障系统的稳定安全运行，要将系统分成几个互不连接的部分，则在接线上不容易实现。

不如双母线分段接线可通过母线联络或分段断路器，方便地实现系统接线的分割。

采用3/2断路器接线，当回路数较多时，根据系统运行的需要，可在母线上装设分段断路器，清除上述的欠缺。

2.3.2主接线方案确定

根据对原始资料的分析以及对主接线的认识，现列出以下三种主接线方案。

方案一：

500kV侧3/2断路器接线、220kV侧双母线接线、35kV侧单母线接线。

500kV出线两回，而3/2断路器接线使用范围是出线数为2回及以上时，满足主接线的要求。

且具备供电可靠、调度灵活、扩建方便等特点。

220kV出线八回，220KV配电装置的接线变化较大,由经验得出采用双母线接线。

35kV进出线两回，接无功补偿装置和站用变压器，没有供电线路引出。

在500KV变电站中，每台主变压器的35KV配电装置互不连接，可考虑选择单母线接线方式。

方案主接线图如图2-1所示：

图2-1方案一电气主接线

方案二：

500kV侧3/2断路器接线、220kV侧双母线带旁路接线，35kV侧单母线接线。

220kV出线八回，由于本回路为重要负荷停电对其影响很大，因而选用双母带旁路接线方式。

双母线带旁路母线，用旁路断路器替代检修中的回路断路器工作，使该回路不致停电。

这样多装了价高的断路器和隔离开关，增加了投资，然而这对于接于旁路母线的线路回数较多，并且对供电可靠性有特殊需要的场合是十分必要的。

主接线如图2-2所示：

图2-2方案二电气主接线

图2-3方案三电气主接线

方案三：

500kV侧双母线分段带旁路接线、220kV侧双母线带旁路接线，35kV侧单母线接线。

500kV两回进线，由于本电压等级对系统及其重要，因而选用双母带旁