广东工业大学
本科毕业设计（论文）
220kV变电站一次部分的设计
2012年4 月
摘要
本次毕业设计的题目是《220kV变电站电气部分初步设计》。根据设计的要求，在设计的过程中，根据变电站的地理环境、容量和各回路数确定变电站电气主接线和站用电接线，并选择各变压器的型号；进行参数计算、画等值网络图，并计算各电压等级侧的短路电流，列出短路电流结果表；计算回路持续工作电流、选择各种高压电气设备，并根据相关技术条件和短路电流计算结果表校验各高压设备。
随着科学技术的发展，网络技术的普及，数字化技术成为当今科学技术发展的前沿，变电站数字化对进一步提升变电站综合自动化水平将起到极大促进作用，是未来变电站建设的发展方向。基于这种发展的需求，该变电站采用EDCS-6200型110kV变电站综合自动化。利用数字化技术来解决目前综合自动化变电站存在的问题已成为可能。本变电站就是利用数字化技术使变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化，并使通信网络化、模型和通信协议统一化、设备智能化、运行管理自动化。
通过本次设计，学习了设计的基本方法，巩固三年以来学过的知识，培养独立分析问题的能力，而且加深对变电站的全面了解。
关键词：主接线，短路电流，电气设备，主变保护，配电装置，EDCS-6200
Abstract
This graduation project topic is: "220kV Transformer substation Electricity Part Preliminary design".According to the design request, in the design process, according to the transformer substation geographical environment, the capacity and various return routes number determined the transformer substation electricity host wiring and the station use electricity the wiring, and chooses various transformers the model; Carries on the parameter computation, the picture equivalent network chart, and calculates various voltages rank side the short-circuit current, lists the short-circuit current result table; Calculates the return route continually operating current, chooses each kind of high pressure electrical equipment, and verifies various high pressure unit according to the correlation engineering factor and the short-circuit current computed result table.
Along with the science and technology development, the networking popularization,the digitized technology will become now the science and technology development the front, the transformer substation digitization to further promotes the transformer substation synthesis automation level to get up to the limit the big promoter action, is the future trans former substation construction development direction.Based on this kind of development demand, this transformer substation uses EDCS-6200 the 110kV transformer substation synthesis automation.Solves at present using the digitized technology to synthesize the automated transformer substation existence the question possibly to become.This transformer substation is causes the transformer substation using the digitized technology information gathering, the transmission, processing, the output process to digitize completely, and causes the correspondence network, the model and communication protocol unitizing, the equipment intellectualization, the movement management automation. Through this design, has studied the design essential method, since the consolidated four years have studied the knowledge, raises the independent analysis question ability, moreover deepens to the transformer substation comprehensive understanding.
Key words：Main wiring, Short-circuit current, Electrical equipment, The host changes the protection, Power distribution equipment,EDCS-6200
目录
绪论
电力行业是国民经济的基础工业，它的发展直接关系到国家经济建设的兴衰成败，它为现代工业、农业、科学技术和国防提供必不可少的动力。电力系统规划设计及运行的任务是：在国民经济发展计划的统筹安排下，合理开发、利用动力资源，用较少的投资和运行成本，来满足国民经济各部门及人民生活不断增长的需要，提供可靠、充足、质量合格的电能。所以在本次设计中选择变电站电气部分的初步设计，是为了更多的了解现代化变电站的设计规程、步骤和要求，设计出比较合理变电站。
根据设计要求的任务，在本次设计中主要通过变电站电气主接线、短路电流计算、设备选择与校验、无功补偿、主变保护和配电装置部分的设计，使我对三年来所学的知识更进一步的巩固和加强，并从中获得一些较为实际的工作经验。由于在设计中查阅了大量的相关资料，所以开始逐步掌握了查阅，运用资料的能力，又可以总结三年来所学的电力工业的部分相关知识，为我们日后的工作打下了坚实的基础。
第一章电气主接线的设计
发电厂和变电所的电气主接线是指由发电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线和电缆等电气设备，按一定顺序连接的，用以表示生产、汇集和分配电能的电路。电气主接线又称为一次接线或电气主系统，代表了发电厂和变电所电气部分的主体结构，直接影响着配电装置的布置、继电保护配置、自动装置和控制方式的选择，对运行的可靠性、灵活性和经济性起决定性的作用。
1.1电气主接线设计概述
变电所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，一国家经济建设方针、政策及有关技术规范为准则，结合工程具体特点，准确地掌握基础资料，做到既要技术先进，又要经济实用。
在工程设计中，经上级主管部门批准的设计任务书或委托书事必不可少的。它将根据国家经济发展及电力负荷增长率的规划，给出所设计的变电所的容量、电压等级、出线回路数、主要是负荷要求、电力系统参数和对变电所的而具体要求，以及设计的内容和范围，这些原始资料是设计的依据，必须进行详细的分析和研究，从而可以初步拟定一些主接线方案。国家方针政策、技术规范和标准是根据国家实际状况，结合电力工业的技术特点而制定的准则，设计时必须严格遵循。结合对主接线的基本要求，设计的主接线应供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展的余地。设计时，在进行论证分析阶段，更应该辩证的统一供电可靠性与经济性的关系，以使设计的主接线具有先进性和可行性。
我国《变电所设计技术规程》对主接线设计作了如下规定：
在满足运行要求时，变电所高压侧应尽量采用断路器较少的或不用断路器的接线。在110~220kV变电所中，当出现为2回时，一般采用桥型接线；当出线不超过4回时，一般采用单母线分段接线；当枢纽变电所的出线在4回及以上时，一般采用双母线。在35kv变电所中，当出线为2回时，一般采用桥型接线；当出线为2回以上时，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所，可采用双母线接线。在6~10kV变电所中，一般采用单母线接线或单母线分段接线。
旁路设施可按主接线基本形式中所述的情况设置。
1.2原始资料简要分析
1、建设规模：该变电所主变采用2×120MVA,其电压等级为220/110/38.5kV的变压器，220kV进出线四回，110kV进出线八回，35kV进出线八回。根据建厂规模，对本变电所的电气主接线进行设计确定出2～3种方案，进行技术和经济比较，确定出最佳方案。
2、该地区的负荷预测情况及发展：2001年负荷为60MW,负荷水平增长率为10%。根据负荷预测及发展情况，可了解该地区的负荷情况及发展，根据负荷情况对主变压器的台数、容量等进行选择。
3、220kV系统短路容量为5600MVA，110kV系统短路容量为600MVA。根据以上两系统的短路容量，可计算出两系统的综合电抗标幺值。进而进行短路电流的计算。收集、了解国内外电气设备的现状和发展趋势，了解设备和导体选择的条件，对本变电所进行电气设备和导体的选择。
4、本设计中各级电压侧年最大负荷利用小时数为：
220kV侧Tmax=3600小时/年
110kV侧Tmax=4600小时/年
35kV侧Tmax=4000小时/年
根据以上年最大负荷利用小时数，可查表得出导体经济电流密度，进而按照经济电流密度进行母线截面的选择。
5、所用负荷有：主控制室照明、主建筑物和辅助建筑物照明等为60kW，锅炉动力、检修间动力、主变冷却装置动力等为250kW。根据以上所用负荷，可确定所用电设计的相关情况，如对所用变压器和所用主接线进行设计。
6、所址概括：该变电所地势较平，占地面积大，交通便利，出线走廊开阔，地震烈度为7度，该所接近负荷中心，区域稳定可满足建所要求。根据以上所址概述，可了解到该设计中变电所的周边环境情况，可推测该所地处平原地区，占地面积大，由此根据变电所配电系统和配电装置的设计原则，对本变电所进行高压配电系统及配电装置设计；接近负荷中心，则要求供电的可靠性、调度的灵活性更高，由35kV电压送电，该负荷侧可采用双回路送电。
1.3电气主接线的选择
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。
方案一：220kV、110kV侧侧双母线带旁路母线接线，35kV侧单母线分段接线。
220kV进出线四回，而双母接线带旁路母线使用范围是110～220kV出线数为5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。
110kV进出线八回，110kV侧出线可向远方大功率负荷用户供电，其他出线可作为一些地区变电所进线。根据条件选择双母接线带旁路母线方式。
35kV进出线八回，可向重要用户采用双回路供电。选择单母线分段接线方式。
方案二：220kV侧双母线带旁路接线，110kV、35kV侧单母线带旁路母线接线。
220kV进出线四回，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。
110kV、35kV侧单母线带旁路母线接线，检修出线断路器时，可不中断对该出线的供电，提高了供电的可靠性。
方案三：220kV侧双母线带旁路接线，110kV侧双母接线、35kV侧单母线分段接线。
综合考虑三种电气主接线的可靠性，灵活性和经济性，结合实际情况，确定第一种方案为设计的最终方案。
第二章主变压器的选择
在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本所（厂）用的变压器，称为站（所）用变压器或自用变压器。本章是对变电站主变压器的选择。
2.1主变压器台数和容量的确定
2.1.1 主变压器台数的确定
主变压器的台数选择原则为：
1.对大城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两
台主变压器为宜。
2.对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，在设计时应考虑装设三台主变
压器的可能性。
3.对于规划只装设两台主变压器的变电所，以便负荷发展时，更换变压器的容量。
根据以上主变压器台数的选择原则以及本设计的要求，该变电所装设两台主变压器。
2.1.2主变压器容量的选择
1.主变压器容量的确定原则
1)主变压器容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展。对于城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。
2)根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%～80%。
3)同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多。应从全网出发，推行系列化、标准化。
2.本变电所主变压器容量的确定
本设计中该地区的负荷预测情况及发展：2001年负荷为60MW,负荷水平增长率为10%。
设该地区负荷的功率因数为0.9，则2001年该地区负荷的视在功率为：
)(67.669
.060cos MVA P S ===
?
。 (2.1)
根据该地区负荷水平增长率10%，可确定未来5～10年的规划负荷，如2002年该地区的负荷有功功率
)
(66%)101(60MW P =+?=,视在功率
)(33.739
.066cos MVA P S ===
?
； (2.2)
2003年该地区的负荷有功功率)(6.72%)101(602MW P =+?=,视在功率
)(67.809
.06.72cos MVA P S ===
?
； (2.3)
2004年该地区的负荷有功功率)(86.79%)101(603MW P =+?=,视在功率
)(73.889
.086.79cos MVA P S ===
?
； (2.4)
……
2011年该地区的负荷有功功率
)
(62.155%)
101(6010
MW P =+?=,视在功率
)(92.1729
.062.155cos MVA P S ===
?
(2.5)
根据主变压器容量的确定原则，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%～80%，可以确定单台变压器的额定容量。
2001年变电所单台主变压器的额定容量: SN =0.7×66.67=46.67(MVA) (2.6) 5—10年规划负荷：
2006年变电所单台主变压器的额定容量: SN-5=0.7×107.37=75.16(MVA) (2.7) 2011年变电所单台主变压器的额定容量: SN-10=0.7×172.92=121(MVA) (2.8)
综合考虑以上选择原则和本变电所的负荷情况，确定变电所单台主变压器的额定容量： SN=120MVA 。
2.2主变压器型式的选择
2.2.1 主变压器相数的的选择
选择主变压器的相数，需考虑如下原则：
1.当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂和变电站，均应选用三相变压器。
2.当发电厂与系统连接的电压为500kV时，已经技术经济比较后，确定选用三相变压器、两台半容量三相变压器或单相变压器组。对于单机容量为300MW、并直接升压到500kV的，宜选用三相变压器。
3.对于500kV变电所，除需考虑运输条件外，尚应根据所供负荷和系统情况，分析一台（或一组）变压器故障或停电检修时对系统的影响。尤其在建所初期，若主变压器为一组时，当一台单相变压器故障，会使整组变压器退出，造成全网停电；如用总容量相同的多台三相变压器，则不会造成所停电。为此要经过经济论证，来确定选用单相变压器还是三相变压器。
在发电厂或变电站还要根据可靠性、灵活性、经济性等，确定是否需要备用相。对于容量、阻抗、电压等技术参数相同的两台或多台主变压器，首先应考虑共用一台备用相。备用相是否需要采用隔离开关和切换母线与工作相相连接，可根据备用相在替代工作相的投入过程中，是否允许较长时间停电和变电所的布置条件等工程具体情况确定之。
根据以上选择原则以及原始资料分析，本变电站选用三相变压器作为主变压器。2.2.2 绕组数量和连接方式的选择
在具有三种电压等级的变电所中，如通过主变压器各侧的功率均达到该变压器额定容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但在变电所内需要装设无功补偿设备时，主变压器一般选用三绕组变压器。
变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式只有丫和△，高、中、低三侧绕组如何结合要根据具体工作来确定。我国110kV及以上电压，变压器绕组多采用丫连接；35kV亦采用丫连接，其中性点多通过消弧线圈接地。35kV以下电压，变压器绕组多采用△连接。由于35kV采用丫连接方式，与220、110系统的线电压相位角为0，这样当变压变比为220/110/35kV，高、中压为自耦连接时，否则就不能与现有35kV系统并网。因而就出现所谓三个或两个绕组全星接线的变压器，全国投运这类变压器约40～50台。
本设计中变电所具有三种电压等级，即220kV、110kV和35kV，需选用三绕组变压器，变压器绕组的连接方式为丫/丫/△。
2.3主变压器的选择结果
查《电力工程电气设备手册：电气一次部分》，选定变压器的额定容量为120MVA。这里选择三绕组变压器，所选变压器的技术参数如下所示：
型号：SFPS7-120000/220
额定容量(kV A)：120000
额定电压（kV）: 高压—220±2×2.5%±4×2.5%；
中压—121；
低压—38.5
连接组标号：YN/yn0/d11
空载损耗(kW)：129
负载损耗（kW）：高-中：477；高-低：150；中-低：102
阻抗电压（%）：高-中：14；高-低：23；中-低：7.2
空载电流（%）：0.5
所以选择两台SFPS7-120000/220型变压器为主变压器。
第三章 短路电流计
高压短路电流计算一般只计及各元件（即发电机、变压器、电抗器、线路等）的电抗，采用标幺值计算。
在为选择电气设备而进行的短路电流计算中，如果系统阻抗（即等值电源阻抗）不超过短路回路总阻抗的5%～10%，就可以不考虑系统阻抗，将系统作为“无限大”电力系统处理，按这种假设所求得的短路电流虽较实际值偏大一些，但不会引起显著误差以致影响所选电气设备的型式。另外，由于按无限大电力系统计算得到的短路电流是电气装置所通过的最大短路电流，因此，在初步估算装置通过的最大短路电流或缺乏必需的系统参数时，都可认为短路回路所接的电源容量是无限大电力系统。
由于在本设计的原始资料中未提及220kV 系统、110kV 系统的电源容量和等值电源内阻抗，因此，可近似将系统看作无限大电源系统。 3.1 电路各元件参数标幺值的计算
1. 主变压器的各绕组电抗标幺值计算如下：
()()9
.142.7231421%%%21%3
23
1211=-+=-+=---S S S S U U U U (3.1) ()()9.0232.71421%%%21%1
33
2212-=-+=-+=---S S S S U U U U (3.2)
()()1.8142.723
2
1%%%
2
1%2
13
2313
=-+=-+=---S S S S U U
U U
(3.3)
取av B U U =，MVA S B 1000=，则
242.11201000100
9.14100%1*1=?=?=
N B S T S S U X (3.4)
075.0120
10001009.0100%2*2-=?
-=
?=
N B S T S S U X (3.5)
675
.0120
1000100
1.8100
%3*3=?
=?=
N
B S T S S U X (3.6)
2. 系统的综合电抗标幺值计算：
已知220kV 系统短路容量为MVA S d 5600''1=，110kV 系统短路容量
MVA S d 600"
2=,则可求得两系统的综合电抗标幺值：
179.05600
1000'
'11*==
=
d B S S X (3.7)
667.1600
1000"22*==
=
d B S
S X (3.8)
3.2 三相短路电流计算
3.2.1 220KV 母线发生三相短路时的短路电流计算：
35
.1675.0675.0859=+=+=X X X (3.9)
三角形连接转化为星形连接：
402.035
.1242.1242.1242.1242.19
636
310=++?=
++=
X X X X X X (3.10)
437.035
.1242.1242.135.1242.19
639
311=++?=
++=
X X X X X X (3.11)
437.035
.1242.1242.135
.1242.19
639
612=++?=
++=
X X X X X X
(3.12)
()()()25
.2402.0667.1437.0075.02
110
212711413=+++-=++++=X X X X X X X ∥ (3.13)
1659.025
.2179.025.2179.013
11311311=+?=
+=
=∑X X X X X X X ∥ (3.14)
因为是无限大电源容量系统，所以次暂态短路电流为：
03.61659
.0111
'
'1==
=
∑*X
I (3.15)
有名值为：)(14.15230
3100003.6"1kA I =??
= (3.16)
冲击电流瞬时值：)(54.3814.1528.1kA i sh =??= (3.17) 短路电流的最大有效值：)(01.2314.1552.152.1"1kA I I sh =?==
(3.18)
短路容量：)(6030100003.6"11MVA S I S B t =?==* (3.19)
3.2.2 110KV 母线发生三相短路时的短路电流计算：
()()
()762
.0437.0075.02
1402.0179.0127114
10114=+-+
+=++++=X X X X
X X X ∥ (3.20)
523.0762
.0667.1762.0667.11422=+?=
=∑X X X ∥
(3.21)
因为是无限大电源容量系统，所以次暂态短路电流为：
912.1523
.0112
'
'2==
=
∑*X
I (3.22)
有名值：()kA I 60.9115
31000912.1"
2=??
= (3.23)
冲击电流瞬时值：)(44.2460.928.1kA i sh =??= (3.24) 短路电流的最大有效值：)(592.1452.1"2kA I I sh == (3.25) 短路容量：)(19121000912.1"11MVA S I S B t =?==* (3.26) 3.2.3 35KV 母线发生三相短路时的短路电流计算：
029
.1675
.0242
.1675.0675.0)075.0()075.0(242.15
3
5544
334=?+?-+-?=
++=
X X X X X X
X X (3.27)
559.03
3
5544345=++=
X X X X X X X X
(3.28)
261.94
5544353-=++=
X X
X X X X X X
(3.29) 029.13467==X X ， (3.30) 559.04578==X X ， (3.31) 261.95386-==X X (3.32)
5145
.0029.1212134=?==
X X
AB
(3.33)
2795.0559.0212145=?==X X BC (3.34) 6305.4)261.9(2
12
135-=-?=
=
X X CA
(3.35)
621.06305
.42795.05145.0)6305.4(5145.0=-+-?=
++=
CA
BC
AB
CA
AB
AO
X X
X
X X X
(3.36)
0375.06305.42795.05145.02795.05145.0-=-+?=BO X
(3.37) 337.08365
.3)
6305.4(2795.0=--?=
CO X
(3.38)
()()874
.0337.00375
.0667.11
621
.0179.011
111
2
1213
=+-+
+=
+++
+=
+++=∑CO
BO
AO
CO BO
AO
X X
X
X
X X X
X X X X
∥ (3.39)
三相短路电流：144.1874
.0113
"3*==
=
∑X
I (3.40)
有名值：()kA I 85.1737
31000144.1"3=??
= (3.41)
冲击电流：)(44.4585.1728.1kA i sh =??= (3.42) 短路电流的最大有效值： (3.43)
)(132.2752.1)18.1(21)1(21"
3"
3"
33kA I I K I I M M ==-+=-+= (3.44)
短路容量：)(11441000144.13MVA S t =?= (3.45) 短路电流计算结果列表于下：
3.3 两相短路电流计算
主要进行两相直接短路时的短路电流计算。 1. 220kV 母线发生两相短路时的短路电流计算：
设系统中K1点发生b 、c 两相直接短路，则故障处的短路电流：
=fa
I
(3.46)
)(11.1314.152
32
3"
1f kA I I I c fb =?=
==
(3.47)
2. 110kV 母线发生两相短路时的短路电流计算： 设系统中K2点发生b 、c 两相直接短路，则故障处的短路电流：
=fa
I
(3.48)
)(31.860.92
32
3"
2f kA I I I c fb =?=
==
(3.49)
3. 35kV 母线发生两相短路时的短路电流计算： 设系统中K3点发生b 、c 两相直接短路，则故障处的短路电流：
0=fa
I
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