220kV變電站設計摘 要本設計書主要介紹了220kV區域變電所電氣一次部分的設計內容和設計方法。設計的內容有220kV區域變電所的電氣主接線的選擇，主變壓器、所用變壓器的選擇，母線、斷路器和隔離開關的選擇，互感器的配置，220kV、110kV、35kV線路的選擇和短路電流的計算。設計中還對主要高壓電器設備進行了選擇與計算，如斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器等。此外還進行了防雷保護的設計和計算，提高了整個變電所的安全性。關鍵詞：變電站；主接線；變壓器ABSTRACTThe design of the book introduces the regional 220kV electrical substation design a part of the content and design. The design of the contents of the electrical substation 220kV main regional cable choice, the main transformer, the transformer used in the choice of bus, circuit breakers and isolation switch option, the configuration of transformer, 220kV, 110kV, 35kV line choice and short-circuit current calculations. The design of the main high pressure also had a choice of electrical equipment and computing, such as circuit breakers, isolating switches, voltage transformers, current transformers and so on. In addition, a lightning protection design and computing, increased the safety of the entire substation.Keywords: substation; main connection; transformer第一章 原始資料設計條件：1. 變電所的性質及其在電力系統中的地位：本所系220kV區域性降壓變電所，供電電壓分別為110kV和35kV兩個電壓等級。由系統以兩回220kV線路向本所送電，并由兩回220kV線路向后繼的兩個變電所轉送40000kVA容量。2. 電力系統提供的原始資料：1) 電力系統短路容量：最大運行方式時，由系統供給的短路容量為2500MVA；最小運行方式時，由系統供給的短路容量為1800MVA。2) 電力系統的電源情況：220kV側為雙電源供電，兩回負荷線路分別供給后繼的兩個不同的220kV降壓變電所；110kV及35kV側無電源。3. 本變電所的負荷情況及出線回路數：1) 220kV出線（包括兩回電源線）4回，方向向北，通過兩回負荷線，每回線路向后繼變電所轉送20000kVA。2) 110kV出線6回，方向向東，每回線路負荷為18MW，功率因數為0.9，負荷同時率取0.9。3) 35kV出線10回，方向向南，每回線路負荷為2.4MW，功率因數為0.85，負荷同時率取0.85。第二章 變電所電氣主接線的確定電氣主接線是電力系統的重要組成部分，它的設計形式直接關系全所電氣設備的選擇和配電裝置的布置。它的設計應以設計任務書為依據，以國家有關經濟建設方針、政策及有關技術規范為準則，結合工程具體特點來確定，要求安全可靠、穩定靈活、方便經濟。2.1 主變壓器容量和臺數的選擇2.1.1 主變壓器的臺數：待設計變電所為大型的區域變電所，要求電壓質量是可以調節的，現在市場上生產的變壓器的容量，選擇2臺變壓器能滿足負荷的要求。2.1.2主變壓器容量：根據運行經驗，變壓器的容量應保證在有一臺檢修的情況下，其他變壓器能帶全部負荷的70%，即主變的容量應滿足70%的負荷需求。110kV 側： P1=108kV, Q1=P1*tan1=52.31kVar35kV 側： P2=24kV, Q2=P2*tan2=14.88kVar則 =131.90MVASN0.7=92.33MVA因此選擇主變容量為120MVA變壓器。2.1.3主變型式：本設計220kV降壓到110kV和35kV兩個電壓等級，因此采用三繞組變壓器。2.1.4調壓方式：根據地區及負荷的要求，變壓器選擇有載調壓方式。根據以上原則，查閱有關資料，選擇的主變壓器技術數據如表2-1：型 號 SFPSZ7 -120000 / 220容 量 120 MVA容 量 比 120/120/120額定電壓高壓22081.25%中壓121低壓38.5聯結組標號 YN，yn0,d11損 耗空載144 kW負載480 kW空載電流 0.9 %阻抗電壓高-中14 %高-低24 %中-低8 %2.2 電氣主接線方案的選擇2.2.1電氣主接線的概述電氣主接線是由電氣設備通過連接線，按其功能要求組成接受和分配電能的電路，成為傳輸強電流、高電壓的網絡，故又稱為一次接線或電氣主系統。主接線代表了發電廠或變電站電氣部分的主體結構，是電力系統網絡結構的重要組成部分，直接影響運行的可靠性、靈活性并對電器選擇、配電裝置布置、繼電保護、自動裝置和控制方式的擬定都有決定性的關系。因此，主接線的正確、合理設計，必須綜合處理各個方面的因素，經過技術、經濟論證比較后方可確定。2.2.2電氣主接線的基本要求對電氣主接線的基本要求，概括地說應包括可靠性、靈活性和經濟性三方面。這三者是一個綜合概念，不能單獨強調其中的某一種特性，也不能忽略其中的某一種特性。但根據變電所在系統中的地位和作用的不同，對變電所主接線的性能要求也不同的側重。2.2.3電氣主接線設計的原則電氣主接線設計的基本原則是以設計任務為依據，以國家經濟建設的方針、政策、技術規定、標準為準繩，結合工程實際情況，在保證供電可靠、調度靈活、滿足各項技術要求的前提下，兼顧運行、維護方便，盡可能地節省投資，就近取材，力爭設備元件和設計的先進性與可靠性，堅持可靠、先進、實用、經濟、美觀的原則。2.2.4 電氣主接線的選擇本變電所220kV側出線4回，可選用雙母線接線、雙母線帶旁路接線；110kV側出線6回，可選用雙母線接線、雙母線帶旁路接線；35kV側出線10回，可選用雙母線接線、單母線分段接線。按照要求進行分析，現列出以下兩種主接線設計方案。方案一：220kV、110kV側雙母線帶旁路母線接線，35KV側單母線分段接線。220kV進出線四回，由于本回路為重要負荷停電對其影響很大，因而選用雙母帶旁路接線方式。雙母線帶旁路母線，用旁路斷路器替代檢修中的回路斷路器工作，使該回路不致停電。這樣多裝了價格高的斷路器和隔離開關，增加了投資，然而這對于接于旁路母線的線路回數較多，并且對供電可靠性有特殊需要的場合是十分必要的。35kV側選用單母線分段接線，對主要用戶可從不同段供電，保證供電的可靠性，另外，當一段母線發生故障，分段斷路器自動將故障段切除，保證正常段母線不間斷供電。但當母線故障時，該段母線的回路都要停電，同時擴建時需向兩個方向均衡擴建。方案二：220KV側雙母線帶旁路接線，110KV側雙母接線、35KV側單母線分段接線。110kV側采用雙母線接線具有供電可靠，調度靈活，擴建方便，而且檢修另一組母線時不會停止對用戶持續供電，投資相對雙母線帶旁路接線要少，經濟性更好一些。現對兩種方案列表2-1，比較如下：表2-1 電氣主接線方案比較項目方案可靠性靈活性經濟性方案一：220kV、110kV側雙母帶帶旁路母線接線、35kV側單母線分段接線 較高好差方案二：220kV側雙母線帶旁路接線，110kV側雙母接線、35kV側單母線分段接線。較高較好好綜合考慮兩種電氣主接線的可靠性，靈活性和經濟性，結合實際情況，確定第二種方案為設計的最終方案。主接線圖如圖所示：第三章 短路電流的計算3.1 短路電流計算的目的及規定3.1.1 短路電流計算的目的：在變電所的電氣設計中，短路電流計算是其中的一個重要環節。在選擇電氣設備時，為保證在正常運行和故障情況下都能安全、可靠地工作，需要進行全面的短路電流計算。例如：計算某一時刻的短路電流有效值，用以校驗開關設備的開斷能力和確定電抗器的電抗值；計算短路后較長時間短路電流有效值，用以校驗設備的熱穩定值；計算短路電流沖擊值，用以校驗設備動穩定。3.1.2 短路電流計算的一般規定：1. 電力系統中所有電源均在額定負荷下運行；2. 短路種類：一般以三相短路計算；3. 接線方式應是可能發生最大短路電流的正常方式（即最大運行方式），而不能用僅在切換過程中可能并列運行的接線方式。4. 短路電流計算點：在正常接線方式時，通過電氣設備的短路電流為最大的地點。5. 計算容量：應按工程設計規劃容量計算，并考慮系統發展規劃。3.2 短路電流的計算取基準容量為：Sj=100MVA，基準電壓為UB1=230kV, UB2 = 115kV, UB3=37kV.3.2.1 計算變壓器電抗：0.5 (14+24-8)=150.5 (14+8-24)=-100.5（8+24-14）=9各繞組等值電抗標幺值為：15/120=0.1259/120=0.075系統等值電路圖為：220kV110kVXt1*Xt3*Xt2*d1d2d3圖3-13.3 各短路點短路計算 1.d1 點（220kV 側)短路 等值電路圖可簡化為： 圖3-2 系統阻抗標幺值為：短路電流標幺值： 折算到220kV 側短路電流有名值：kA取電流沖擊系數 Kch=1.8，當不計周期分量的衰減時，短路全電流最大有效值：kA沖擊電流 : kA短路容量: MVA 2.d2 點（110kV 側)短路 等值電路圖可簡化為： 圖3-3 短路電流標幺值：kA折算到110kV 側短路電流有名值：kA取電流沖擊系數 Kch=1.8，當不計周期分量的衰減時，短路全電流最大有效值：kA沖擊電流 : kA短路容量: MVA3.d3 點（35kV 側)短路 等值電路圖可簡化為： 圖3-4短路電流標幺值：kA折算到110kV 側短路電流有名值：kA取電流沖擊系數 Kch=1.8，當不計周期分量的衰減時，短路全電流最大有效值：kA沖擊電流 : kA短路容量: MVA第四章 電氣設備的選擇4.1 選擇設計的一般規定電氣設備的選擇設計，同樣必須執行國家的有關技術經濟政策，并應做到技術先進，經濟合理，安全可靠，運行方便和適當的留有余地，以滿足電力系統安全經濟運行的需求。電氣設備的選擇，應依據以下規定：4.1.1 電氣設備選擇的一般原則：（1）應滿足正常運行、檢修、短路和過電壓情況下的要求，并考慮遠景發展；（2）應按當地環境條件校核；（3）應力求技術先進和經濟合理；（4）與整個工程的建設標準應協調一致；（5）同類設備應盡量減少品種；（6）擴建工程應盡量使新老電氣設備型號一致；（7）選用新產品，均應具有可靠的實驗數據，并經正式鑒定合格。4.1.2 其它相關的一些規定正確選擇電氣設備是電氣主接線和配電裝置達到安全、經濟運行的重要條件。在進行電器選擇時，應根據工程實際情況，在保證安全、可靠的前提下，積極而穩妥地采用新技術，并注意節省投資，選擇合適的電氣設備。盡管電力系統中各種電器的作用和工作條件并不一樣，具體選擇方法也不完全相同，但對它們的基本要求確是一致的。電氣設備要可靠地工作，必須按正常工作條件進行選擇，并按短路狀態來校驗動、熱穩定性。本設計中，電氣設備的選擇包括：斷路器和隔離開關的選擇，電流、電壓互感器的選擇、避雷器的選擇，導線的選擇。4.2電氣設備的選擇與校驗4.2.1主變壓器持續工作電流的計算:220kV高壓側：A110KV中壓側：A35 KV低壓側: A4.2.2斷路器的選擇變電所中，高壓斷路器是重要的電氣設備之一，它具有完善的滅弧性能，正常運行時，用來接通和開斷負荷電流，在變電所電氣主接線中，還擔任改變主接線的運行方式的任務 ，故障時，斷路器通常以繼電保護的方式配合使用，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的穩定性。高壓斷路器應根據斷路器安裝地點，環境和使用技術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，維護工作量更少，滅弧性能更高，目前得到普遍推廣，故35kV220kV一般采用SF6斷路器。4.2.2.1 按開斷電流選擇高壓斷路器的額定開斷電流應不小于其觸頭開始分離瞬間（）的短路電流的有名值，即： 高壓斷路器額定開斷電流（kA） 短路電流的有名值（kA）4.2.2.2 短路分斷電流的選擇在斷路器合閘之前，若線路上已存在短路故障，則在斷路器合閘過程中，觸頭間在未接觸時即有巨大的短路電流通過（預擊穿），更易發生觸頭熔焊和遭受電動力的損壞，且斷路器在關合短路電流時，不可避免地接通后又自動跳閘，此時要求能切斷短路電流，為了保證斷路器在開斷短路時的安全，斷路器額定開斷電流不應小于短路電流的最大沖擊值，即：或 斷路器額定開斷電流 額定動穩定電流 短路沖擊電流4.2.2.3 開斷時間的選擇對于110kV及以上的電網，當電力系統穩定要求快速切除故障時，分閘時間不宜大于0.045s，用于電氣制動回路的斷路器，其合閘時間應大于0.04 0.06s。1.220kV側斷路器:1）額定電壓選擇：=230kV2）額定電流選擇： =330.66A3）按開斷電流選擇： = 6.276（kA） 4）按短路開斷電流選擇： = 15.975（kA） 根據以上數據可以初步選擇LW6220型SF6斷路器其參數如下：額定電壓220kV，最高工作電壓245kV，額定電流3150A，額定開斷電流40kA，短路關合電流55kA，動穩定電流峰值55kA，4S熱穩定電流40kA，固有分閘時間0.042S，合閘時間0.2S，全開斷時間0.075S。5）校驗熱穩定，取后備保護為5S，則：= 0.075 + 5 = 5.07（S） 因為1，故不考慮非周期分量，查周期分量等值時間曲線，查得= 4.3s=（5.075）+ 4.3 = 4.37s kA2s kA2s即 滿足要求；6）檢驗動穩定： 15.975(kA)1，故不考慮非周期分量，查周期分量等值時間表，查得= 4.3s=（5.065）+ 4.3 = 4.36（s）（kA2s）（kA2s）即滿足要求。6）檢驗動穩定： 12.47(kA)滿足要求。檢驗動穩定： 42.842(kA) 滿足要求；4）檢驗動穩定： 15.975(kA) 80(kA) 滿足要求由上述計算表明，選擇GW7220DW型隔離開關能滿足要求，由計算可列出GW7220DW型隔離開關數據如表4-4：表4-4 GW7220DW型隔離開關數據 設備項目GW7220DW產品數據計算數據252kV230kV1600A661A3072kA2s515.40kA2s80kA15.975kA2. 110kV側隔離開關:1）額定電壓：=115（kV）2）額定電流： =661.33（A）根據以上計算數據可以初步選擇戶外GW5110型隔離開關，其參數如下：額定電壓110kV，最高工作電壓126kV，額定電流2000A，動穩定電流100kA，4S熱穩定電流有效值31.5kA。3）檢驗熱穩定： = 4.36S（kA2s）（kA2s）即：滿足要求4）檢驗動穩定： 12.47(kA)滿足要求。檢驗動穩定： 42.842(kA)0.93）電壓互感器及型式的選擇電壓互感器的種類和型式應根據安裝地點和使用條件進行選擇，在635kV屋內配電裝置中一般采用油浸式或澆注式電壓互感器。110220kV配電裝置中一般采用半級式電磁式電壓互感器。220kV及以上配電裝置，當容量和準確級滿足要求時，一般采用電容式電壓互感器。4）按容量的選擇互感器的額定二次容量（對應于所要求的準確級），應不小于互感器的二次負荷，即：= 、 儀表的有功功率和無功功率1.220kv母線電壓互感器:220KV側母線所連的電壓互感器的選擇，選用JCC-220型電壓互感器：型式額定變比在下列準確等級下的額定容量最大容量（VA）屋外單相JCC2200.51320005001000校驗：（1）一次電壓：198kVU242kV 滿足要求（2）二次電壓：根據情況而定（3）準確級：選用0.5級，保證設備對準確級的要求 （4）保證二次負荷在允許范圍時S22.110kv 母線電壓互感器:110KV側母線所連的電壓互感器的選擇，選用JCC-110型電壓互感器：型式額定變比在下列準確等級下的額定容量最大容量（VA）屋外單相JCC1100.51320005002000校驗：（1）一次電壓：98kVU121kV 滿足要求（2）二次電壓：根據情況而定（3）準確級：選用0.5級，保證設備對準確級的要求 （4）保證二次負荷在允許范圍時S23.35kv 母線電壓互感器:35KV側母線所連的電壓互感器的選擇，選用JDJJ-35型電壓互感器：型式額定變比在下列準確等級下的額定容量最大容量（VA）屋外單相JDJJ350.5131200150250600校驗：（1）一次電壓：31.5kVU38.5kV 滿足要求（2）二次電壓：根據情況而定（3）準確級：選用0.5級，保證設備對準確級的要求 （4）保證二次負荷在允許范圍時S2 4. 熱穩定校驗5.硬導體的動穩定校驗導體最大計算相間應力不應超過導體材料允許應力，即1. 220KV母線的選擇: A按長期發熱允許電流選擇截面，查表初選單條矩形鋁導體，豎直布置。由于戶外裝置，最高溫度為36，得到K=0.87。I=0.871168=1016AA型號截面70度時長期載流量（環境溫度25度）6301168A熱穩定校驗： 滿足熱穩定要求動穩定校驗： ；滿足動穩定校驗。 2.110KV母線的選擇:A按長期發熱允許電流選擇截面，查表初選單條矩形導體，豎直放置。由于戶外裝置，最高溫度為36，得到K=0.87。I=0.87586=509.82AA型號截面70度時長期載流量（環境溫度25度）200586A熱穩定校驗：滿足熱穩定要求。動穩定校驗：；滿足動穩定校驗。3.35KV母線的選擇:A查表初選單條矩形導體，豎直放置。由于戶外裝置，最高溫度為36，得到K=0.87。I=0.871542=5742AA型號截面70度時長期載流量（環境溫度25度）巨型鋁母線LMY-24880mm26600A熱穩定校驗：滿足熱穩定要求動穩定校驗：；滿足動穩定校驗。4.2.7 防雷保護的簡單設計4.2.7.1變電站的直擊雷保護為了避免變電站的電氣設備及其他建筑物遭受直接雷擊，需要裝設避雷針或避雷線，使被保護物體處于避雷針或避雷線的保護范圍之內；同時還要求雷擊避雷針或避雷線時，不應對被保護物發生反擊。（一） 變電站應裝設直擊雷保護裝置的設施1 屋外配電裝置，包括組合導線和母線廊道；2 油處理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、裝設油臺、大型變壓器修理間、易燃材料倉庫等建筑物；3 雷電活動特殊強烈地區的主廠房、主控制室和高壓屋內配電裝置室。（二） 直擊雷保護的措施1. 對主廠房需裝設的直擊雷保護，或為了保護其他設備而在主廠房上裝設的避雷針，應采取如下措施： （1）加強分流：用扁鋼將所有避雷針水平連接起來，并與主廠房內鋼筋焊接成一體。在適當地方接引下線，一般應每隔1020m引一根。引下線數目盡可能多些；（2）防止反擊：設備的接地點盡量遠離避雷針接地引下線的入地點，避雷針接地引下線盡量遠離電氣設備；（3）裝設集中接地裝置：上述接地應與總接地網連接，并在連接處加裝集中接地裝置，其工頻接地電阻應不大于10。2.主控制室及屋內配電裝置直擊雷的保護措施：（1）若有金屬屋頂或屋頂上有金屬結構時，將金屬部分接地；（2）屋頂為鋼筋混泥土結構，將其鋼筋焊接成網接地。綜上，對變電所必須進行防雷保護的對象和措施，可見下表： 表8-1 變電所必須進行防雷保護的對象和措施建筑物及構筑物名稱建筑物的結構特點防雷措施110kV及以上配電裝置金屬結構在架構上裝設避雷針或獨立避雷針鋼筋混泥土結構在架構上裝設避雷針或獨立避雷針。當在架構上裝設避雷針時，可將架構支柱主鋼筋作引下線接地，作引下線的鋼筋不少于2根屋外安裝的變壓器裝設獨立避雷針屋外組合導線及母線橋裝設獨立避雷針；在不能裝設獨立避雷針時，考慮在附近主廠房屋頂裝設避雷針主控制樓（室）金屬結構金屬架構接地但在雷電活動特殊強烈地區應設獨立避雷針鋼筋混泥土結構鋼筋焊接成網并接地屋內配電裝置鋼筋混泥土結構鋼筋焊接成網并接地變壓器檢修間鋼筋混泥土結構鋼筋焊接成網接地本設計中采用220KV、110KV配電裝置構架上裝設避雷針，35KV屋內配電裝置上裝設獨立避雷針進行直接保護，鋼筋混泥土結構焊接成網并接地，為了防止反擊，主變構架上不設置避雷針。4.2.7.2變電站的侵入雷電波保護 （一）配置原則 變電站采用避雷針保護后，電氣設備幾乎可以免受直接雷擊。而在與變電站相連的長達數十、數百公里的輸電線路上，雖然有避雷線保護，但由于雷電的繞擊和反擊，仍然會危及變電站中的電氣設備。雷擊線路時無論發生繞擊還是反擊，都會自雷擊點產生向變電站方向傳播的入侵電壓波，入侵電壓波的最大幅值等于線路絕緣的沖擊放電電壓，而變電站電氣設備的絕緣水平通常低于低壓線路的絕緣水平，因此入侵波對變電站的電氣設備會構成嚴重威脅。變電站中限制雷電入侵波過電壓的主要措施是裝設避雷器。在母線上裝設避雷器是限制雷電入侵波過電壓的主要措施。對于220kV及以下的一般變電站，無論變電站的電氣主接線形式如何，實際上只要保證每一段可能單獨運行的母線上都裝有一組避雷器，就可以使整個變電站得到保護。只有當母線或設備連接線很長的大型變電站，或靠近大跨越、高桿塔的特殊變電站，經過計算或驗證證明以上布置不能滿足要求時，才需要考慮是否在適當位置增設避雷器。根據避雷器的配置原則，本設計中配電裝置的每組母線上，應裝設避雷器。此外，變壓器中性點接地必須裝設避雷器，并接在變壓器和斷路器之間。避雷器的類型選擇為閥式避雷器。（二）避雷器的選擇1、磁吹閥式避雷器的電氣參數如下：（1）額定電壓Ube：避雷器的額定電壓應與其安裝地點系統的額定電壓等級相同。（2）滅弧電壓Umi：對35kV及以下的中性點不接地系統，滅弧電壓取為最高工作線電壓的100%110%；對110kV及以上的中性點直接接地系統，滅弧電壓取為系統最大工作線電壓的80%。（3）工頻放電電壓Ugf：指在工頻電壓作用下，避雷器發生放電的電壓值。在中性點絕緣或經阻抗接地的電網中，工頻放電電壓一般大于最大運行相電壓的3.5倍；在中性點直接接地的電網中，工頻放電電壓應大于最大運行相電壓的3倍。工頻放電電壓應大于滅弧電壓的1.8倍。（4）殘壓Ubc：按計算來確定。（5）沖擊放電電壓Uchfs：我國生產的避雷器其沖擊放電電壓與5kA的殘壓基本相同。2、避雷器的選擇與校驗（1）220KV側避雷器的選擇與校驗型式的選擇 根據規程及本設計，選用FCZ系列磁吹閥式避雷器。額定電壓的選擇： 因此選 FCZ-220避雷器，其參數如下表8-2所示。滅弧電壓校驗：最高工作電壓：直接接地：，滿足要求。表8-2 避雷器參數型號額定電壓（kV）滅弧電壓有效值（kV）工頻放電電壓有效值（kV）沖擊放電電峰值（1.5/20）不大于（kV）沖擊殘壓不大于（kV）不小于不大于FCZ-220220252503580710740工頻放電電壓校驗：下限值：上限值： 580kV上、下限值均滿足要求。殘壓校驗：，滿足要求。沖擊放電電壓校驗：,滿足要求。綜上，所選FCZ-220 型避雷器滿足要求（2）110KV側避雷器的選擇和校驗型式的選擇 根據規程及本設計，選用FCZ系列磁吹閥式避雷器。額定電壓的選擇： 因此選FCZ-110避雷器，其參數如下表8-3所示。滅弧電壓校驗：最高工作電壓： 直接接地： KV，滿足要求。表8-3 避雷器參數型號額定電壓（kV）滅弧電壓有效