220kV变电所电气部分及线路过电流保护设计
学院：电气工程学院
专业：电气工程及其自动化
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课 程 设 计 任 务
1、 题目：220kV 变电所电气部分及线路过电流保护设计
2、系统接线图：
3、原始资料：为满足某地区经济发展和人民生活对电力的需要，经系统规划设计论证，新建一座220kV 变电所，变电所与系统连接情况如上图所示。
3.1 建设规模
3.1.1 本所安装2台120MV A 主变压器。
3.1.2 电压等级 220/110/10kV
3.1.3 各电压侧出线回路数 220kV 本期4回 最终4回
110kV 本期5回 最终6回
10kV 本期12回 最终16回
3.2 各侧负荷情况
110kV 侧有2回出线供给远方大型冶炼厂，其容量为50MV A ；其他作为地区变电所进线，其最小负荷与最大负荷之比为0.6。
10kV 总负荷为40MV A ，Ⅰ、Ⅱ类负荷用户占70%；最大一回出线负荷为5 MV A ，最小负荷与最大负荷之比为0.65。
3.3 各侧功率因数 cos 与最大负荷利用小时数max T 分别为
220kV 侧 ?
c o s =0.9 max T =4800小时/年 110kV 侧 ?
c o s =0.85 max T =4200小时/年 10kV 侧 ?
c o s =0.8 max T =4500小时/年 3.4 系统阻抗
220kV 侧电源近似为无限大电源系统，以100MV A 为基准容量，归算至本所220kV 母线阻抗为0.021；110kV 侧电源容量为800MV A （学号为单数为火电系统，双数为水电系统），以100MV A 为基准容量，归算至本所110kV 母线阻抗为0.12。
3.5 调压要求：经规划计算认为本所220kV 侧母线电压波动较大，宜采用带负荷调压变压器，10kV 留2回出线为本所无功补偿用。
3.6 气象条件：该地区最热月平均气温为28℃，年平均气温16℃，绝对最高气温40℃，土壤最热月平均气温18℃，风速为25m/s ，微风风速小于5m/s 。
3.7 该所位于生荒土地上，地势平坦，交通便利，空气无污染。
3.8 本期施工电源从5km 以外35kV 变电所10kV 母线引接。
3.9 变电所外接线路采用三段式电流保护，相关参数如下：
3.9.1线路AB 、BC 、AD 和CD 的最大负荷电流分别为230A 、150 A 、230
A 、140 A ；负荷自启动系数 1.5st K =、 1.2I rel K =、
1.2II rel K =、 1.3S K =、 1.2rel K =、0.85re K =
3.9.2各变电所引出线上后备保护的动作时间如图所示；后备保护的s t 5.0=?
3.9.3 线路的等值电抗为0.4Ω/km
4、设计内容及要求
4.1 拟定主接线方案：分析原始资料，确定主变型式；技术经济比较；确定最佳方案；选择各侧接线方式；
4.2 计算短路电流： 选择计算短路点，计算各点短路电流并列出短路电流计算结果表。
4.3 选择主要电器设备：选择110kV 、220kV 主母线；选择10kV 母线桥导体及绝缘子；选择主变三侧断路器和隔离开关；选择限流电抗器；选择10kV
出线电流互感器；选择10kV 主母线电压互感器。选择各电压等级的避雷器
4.4 配置主要电器设备：配置各级电压的电压互感器和防雷装置；配置各支路的电流互感器
4.5 各级电压等级的配电装置的选型与布置。
4.6 继电保护方式的选择与整定：保护1的保护方式采用三段式过电流保护，请计算它的I op I 、II
op I 、III op I 、%m l 和op t 。 5、设计成果：编制设计说明书、设计计算书、绘制所设计变电所的电气主接线图。
6、主要参考资料
《电气工程基础》（上、下册） 陈慈萱主编 中国电力出版社
《发电厂电气部分》（第二版） 范锡普编 水电出版社
《电力工程电气设计手册（电气一次）》西北电力设计院编 水电出版社 《发电厂电气部分课程设计参考资料》 黄纯华编 水电出版社
摘要
随着经济的快速发展，全国乃至全世界凸现缺电局面，如何进一步优化调度，加强电力资源的优化配置，最大限度满足电力需求成为人们探讨的问题之一；特别是随着计算机技术、通信技术、信息技术惊人的发展，变电站综合自动化技术进一步优化，整个电网运行的安全性和经济效益得到大幅提升。这项技术将引起电力行业有关部门的重视，成为变电站设计核心技术之一，电力系统对变电站的更要求也越来越高。
本设计讨论的是220KV变电站电气部分的设计。首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，进行简要分析，然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了220KV、110kV、10kV以及站用电的主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压熔断器，隔离开关，母线，绝缘子和穿墙套管，电压互感器，电流互感器进行了选型，从而完成了220kV电气一次部分的设计。
关键字：变电站；短路计算；设备选择
目录
目录 ....................................................................................................................... I 第1章引言 (1)
第2章主变压器的选择 (2)
2.1 主变压器的选择原则 (2)
2.1.1主变压器台数的选择 (2)
2.1.2主变压器容量的选择 (3)
2.1.3 主变压器型式的选择 (3)
2.1.4主变压器中性点接地方式 (5)
2.2 主变压器选择结果 (5)
第3章电气主接线的设计 (7)
3.1 主接线的基本要求 (7)
3.2主接线的基本形式 (8)
3.3 主接线选择 (10)
3.3.1 220KV侧 (11)
3.3.2 110KV侧 (11)
3.3.3 10KV侧 (12)
3.3.4 主接线图 (12)
第4章短路计算 (12)
4.1短路计算目的 (12)
4.2短路计算基本假设 (13)
4.3短路电流计算的步骤 (14)
4.4短路计算数据表 (15)
第5章电气设备的选择 (17)
5.1 电气设备选择的一般条件 (17)
5.2 高压断路器和隔离开关的选择 (18)
5.2.1高压断路器的选择 (18)
5.2.2高压隔离开关的选择 (19)
5.2.3 高压熔断器的选择 (19)
5.3限流电抗器的选择 (20)
5.4 互感器及接地开关的选择 (21)
5.4.1电流互感器的选择 (21)
5.4.2电压互感器的选择 (22)
5.4.3 接地刀闸的配置 (23)
5.5母线、电缆及绝缘子的选择 (23)
5.5.1母线、电缆等的选择 (23)
5.5.2绝缘子的选择 (23)
第6章防雷接地设计 (25)
6.1 防雷设计 (25)
6.1.1 防雷设计原则 (25)
6.1.2 避雷器的选择 (25)
第7章继电保护的配备 (27)
7.1 变压器继电保护配置 (27)
第8章电气总平面布置及配电装置的选择 (31)
8.1 概述 (31)
8.1.1 配电装置特点 (31)
8.1.2 配电装置类型及应用 (31)
8.2 配电装置的确定 (32)
参考文献 (34)
第1章引言
能源是社会生产力的重要基础，随着社会生产的不断发展，人类使用能源不仅在数量上越来越多，在品种及构成上也发生了很大的变化。人类对能源质量也要求越来越高。电力是能源工业、基础工业，在国家建设和国民经济发展中占据十分重要的地位，是实现国家现代化的战略重点。电能也是发展国民经济的基础，是一种无形的、不能大量存储的二次能源。电能的发、变、送、配和用电，几乎是在同时瞬间完成的，须随时保持功率平衡。要满足国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界发展规律。因此，做好电力规划，加强电网建设，就尤为重要。而变电站在改变或调整电压等方面在电力系统中起着重要的作用。它承担着变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的责任。变电站对电力的生产和分配起到了举足轻重的作用，学习和了解变电站的结构和运行对电力资源的可持续发展垫下了基础。
220KV变电站电气部分设计使其对变电站有了一个整体的了解。该设计包括以下任务：1、主接线的设计2、主变压器的选择3、短路计算4、导体和电气设备的选择5、所用电设计6、防雷接地设计7、配电装置设计8、继电保护的配置等。
第2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。
在生产上电力变压器制成有单相、三相；双绕组、三绕组；自耦、分列式变压器等、在选择变压器室，要根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选择主变。
2.1 主变压器的选择原则
1、主变容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展。
2、根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。对于有重要负荷的变电所，应考虑一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，保证用户的Ⅰ级和Ⅱ级负荷，对于一般变电所，当一台主变停运时，其他变压器容量应能保证全部负荷的70%～80%。
3、为了保证供电可靠性，变电所一般装设两台主变，有条件的应考虑设三台主变的可能性。
2.1.1 主变压器台数的选择
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。
任务书已明确指示本所安装2台120MV A主变压器。根据原始资料，两台主变是合理的。待设计变电站为大型城市变电站，负荷较重，又因是城市变电站，负荷较为重要，且为终端变电站。为了保证供电可靠性，避免一台主变的故障或检修时影响供电，变电站一般应选择安装两台主变。超过两台主变时，
可靠性虽有所提高，但是出现交叉过多会给安装和运行带来不便，以及投资增加，配电设备及用电保护的复杂性，维护及刀闸操作复杂化；两台主变同时故障的几率较小，使用远期负荷的增长以及扩建，故选择两台主变互为备用，提高供电可靠性。
2.1.2 主变压器容量的选择
（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，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其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。
503040120S MVA =++=总
50.05N 0.250.85
S =0.70.85S 0.70.8512091.679N S MVA ??=???=总同时率取容量确定：ｅ
ｅ
2.1.3 主变压器型式的选择
选择主变压器，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50%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。相对三相变压器来说，三相变压器经济性好、占地少、损耗小。本次变电所位于生荒土地上，地势平坦、交通便利，不受制造和运输条件限制，故采用三相变压器。
在本次设计中我们只对自耦变压器和三绕组变压器的综合性能及经济运行等方面进行比较，选其中的一种：三绕组变压器（SFS7-120000/220KV）与自耦变压器（OSFPS7-120000/220）的参数如下表：
型号SFS7-120000/220KV OSFPS7-120000/220KV
容量比100/100/50 100/100/50
变比220/121/10.5 220/121/11 空载电流(%) 0.8 0.5
空载损耗（KW）133 70
阻抗电压高-中14% 10% 高-低24% 34% 中-低8% 22%
短路损耗（KW）480 320
价格（万元/台）1000 800
综合投资（万元）1700 1360
年运行费用（万元）462.676 345.01
规程规定：具有三种电压等级的变电所，如各侧的功率均达到主变压器额定容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但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[5]；符合上述条件，同时高中压侧又均为中性点直接接地系统时，在降压变电所应优先采用自耦变压器。
同容量的自耦变压器与普通变压器相比，不但尺寸小、材料消耗小、造价低，而且损耗小、阻抗小、效率高，并且变压器容量越大，电压越高．这个优点就越加突出。而且还能扩大变压器极限制造容量，便于安装和运输。随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大，自耦变压器由于其容量大、
损耗小、造价低而得到广泛应用。
三绕组变压器：价格介于自耦变压器和分裂变压器之间，安装以及调试灵活，满足各种继电保护的需求，又能满足调度的灵活性，它还分为无激励磁耦调压和有载调压两种，能满足各个系统中的电压波动，供电可靠性高。
综上比较，虽然三绕组变压器在综合投资、运行费用上比自耦变压器多，但是本次设计的变电所的原始资料看，电网电压波动范围较大，适合用三绕组变压器，而且Ⅰ、Ⅱ类用户站绝大部分，所以在电压波动范围大并要保证供电可靠地情况下适合用三绕组变压器作为主变。
2.1.4主变压器中性点接地方式
主要有直接接地、经消弧线圈接地和不接地三种方式。主变中性点接地方式涉及到供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护和自动装置正确动作、通讯干扰、系统稳定等一系列问题，所以电力系统中性点接地方式是一个比较复杂的综合性技术经济问题。通常按以下原则：
1、主变的110KV~500KV侧采用中性点直接接地方式
自耦变压器必须用在高中压侧是直接接地的系统；
普通变压器采用中性点通过隔离开关接地的方式；
选择接地点适应保证在任何故障形势下都不会使电网解列成为中性点不接地系统。
主变压器6KV~35KV侧采用中性点不接地方式
在6KV~10KV电网中，当单相接地电流大于30A，或在20~63KV电网中，当单相接地电流大于10KA时，中性点应经消弧线圈接地。如果两台变压器合用一台消弧线圈时，应经隔离开关分别与变压器中性点相连，运行时，只合其中一组隔离开关。
综上所述，本所变压器220KV/110KV侧采用中性点直接接地，10KV侧采用中性点不接地方式。
2.2 主变压器选择结果
查《电力工程电气设备手册：电气一次部分》，选定变压器的容量为120MV A。
由于升压变压器有两个电压等级，所以这里选择三绕组变压器，查《大型
变压器技术数据》选定主变型号为：三绕组变压器（SFS7-120000/220KV）主要技术参数如下：
额定容量：120000（KV A）
容量比：100/100/50
额定电压：高压—220±2×2.5% ；中压—121；低压—10.5（KV）连接组标号：YN/yn0/d11
空载电流(%)：0.8
空载损耗：133
所以一次性选择两台SFPS7-180000/220型变压器为主变。
第3章电气主接线的设计
3.1主接线的基本要求
电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主题。它与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大的影响。因此，主接线设计，必须结合电力系统和发电厂和变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理地选择主接线方案。
电气主接线设计的基本原则是以设计任务为依据，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、实用、经济、美观的原则[8]。
现代电力系统是一个巨大的、严密的整体。各类发电厂、变电站分工完成整个电力系统的发电、变电和配电的任务。其主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电站和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民日常生活。因此，发电厂、变电站主接线必须满足以下基本要求。
1 运行的可靠
断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时，停电数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。
2 具有一定的灵活性
主接线正常运行时可以根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快地退出设备。切除故障停电时间最短、影响范围最小，并且再检修在检修时可以保证检修人员的安全。
3 操作应尽可能简单、方便
主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。复杂的接线不仅不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便或造成不必要的停电。