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220v变电站电气部分设计毕业论文

电子与电气工程系

毕业论文

题目220V变电站电气部分设计

专业供用电

班级0931

学号

学生XX

指导教师

完成日期2012.06

摘要

随着我国科学技术的发展，特别是计算机技术的进步，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。

首先对原始资料进行分析，选择主变压器，在此基础上进行主接线设计，再进行短路计算，选择设备，然后进行防雷接地以及保护、配电装置设计。

关键字：

变电站；短路计算；设备选择。

引言

毕业设计是我们在校期间最后一次综合训练，它将从思维、理论以及动手能力方面给予我们严格的要求。

使我们综合能力有一个整体的提高。

它不但使我们巩固了本专业所学的专业知识，还使我们了解、熟悉了国家能源开发策略和有关的技术规程、规定、导则以及各种图形、符号。

它将为我们以后的学习、工作打下良好的基础。

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。

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、主要设备的选择

5、无功补偿设计6、防雷接地设计7、配电装置设计8、继电保护的配置

第一章电气主接线的设计

1.1主接线概述

电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络。

用规定的电气设备图形符号和文字符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图。

主接线代表了发电厂或变电站电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。

1.1.1各级电压母线接线

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，操作方便、设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。

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。

综上所述，这种接线形式一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。

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电线路，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。

这种接线广泛用于中、小容量发电厂和变电站6～10KV接线中。

但是，由于这种接线对重要负荷必须采用两条出线供电，大大增加了出线数目，使整体母线系统可靠性受到限制，所以，在重要负荷的出线回路较多、供电容量较大时，一般不予采用。

3、单母线分段带旁路母线的接线

单母线分段断路器带有专用旁路断路器母线接线极大地提高了可靠性，但这增加了一台旁路断路器，大大增加了投资。

双母线接线及分段接线

1、双母线接线

双母接线有两种母线，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，可分别与两组母线接线连接。

两组母线之间的联络，通过母线联络断路器来实现。

其特点有：

供电可靠、调度灵活、扩建方便等特点[5]。

由于双母线有较高的可靠性，广泛用于：

出线带电抗器的6～10KV配电装置；35～60KV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110～220KV出线数为5回及以上时。

2、双母线分段接线

为了缩小母线故障的停电X围，可采用双母分段接线，用分段断路器将工

作母线分为两段，每段工作母线用各自的母联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。

双母接线分段接线比双母接线的可靠性更高，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切换到备用母线上，即可恢复供电。

这样，只是部分短时停电，而不必短期停电。

双母线分段接线被广泛用于发电厂的发电机电压配置中，同时在220～550KV大容量配电装置中，不仅常采用双母分段接线，也有采用双母线分四段接线的。

3、双母线带旁路母线的接线

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[7]。

1.2主接线设计原则

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]。

1.3主接线选择

方案一：

220KV侧双母接线，110KV侧双母接线、10KV侧单母分段接线。

220kV出线6回（其中备用2回），而双母接线使用X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出线10回（其中备用2回），110kV侧有两回出线供给远方大型冶炼厂，其容量为80000kVA，其他作为一些地区变电所进线，其他地区变电所进线总负荷为100MVA。

根据条件选择双母接线方式。

10kV出线12回（其中备用2回），10kV侧总负荷为35000kVA，Ⅰ、Ⅱ类用户占60%，最大一回出线负荷为2500kVA，最大负荷与最小负荷之比为0.65。

选择单母分段接线方式。

方案主接线图如下：

图2-1主接线方案一

方案二：

方案进行综合比较：

220KV侧双母带旁路接线，110KV侧双母接线、10KV侧单母分段接线。

220kV出线6回（其中备用2回），而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。

主接线如下图：

图2-2主接线方案二

现对两种方案比较如下：

表2-1主接线方案比较表

方案

项目

方案一：

220KV侧双母接线，110KV侧双母接线、10KV侧单母分段接线。

方案二、220KV侧双母带旁路接线，110KV侧双母接线、10KV侧单母分段接线。

可靠性

1.220KV接线简单，设备本身故障率少；

2.220KV故障时，停电时间较长。

1.可靠性较高；

2.有两台主变压器工作，保证了在变压器检修或故障时，不致使该侧不停电，提高了可靠性。

灵活性

1.220KV运行方式相对简单，灵活性差；

2.各种电压级接线都便于扩建和发展。

1.各电压级接线方式灵活性都好；

2.220KV电压级接线易于扩建和实现自动化。

经济性

设备相对少，投资小。

1.设备相对多，投资较大；

2.母线采用双母线带旁路，占地面增加。

通过对两种主接线可靠性，灵活性和经济性的综合考虑，辨证统一，现确定第二方案为设计最终方案。

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[11]。

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。

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%[12]。

（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。

（3-1）

2.1.3主变压器型式的选择

1.相数的选择

主变采用三相或单相,主要考虑变压器的制造条件,可靠性要求及运输条件等因素。

当不受运输条件限制时，在330kV及以下的变电所，均应选用三相变压器。

2.绕组的选择

在具有三种电压等级的变电站中，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到该变压器的15%以上，或低压侧虽无负荷，但在变电站内需装设无功补偿设备时，主变压器宜采用三绕组变压器。

根据设计要求，主变压器选用三绕组变压器。

3.用普通型还是自耦型

在220KV及以上的变电所中，宜优先采用自耦变压器。

因为自耦变压器与同容量的普通型变压器相比较，具有以下优点：

A、消耗材料少、等价低、有功、无功损耗小、较率高。

B、高中压线圈的自耦联系，阻抗小，对改善系统稳定性有一定作用。

C、还可扩大变压器极限制造容量，便利运输和安装。

4.调压方式的选择

对于220kV及以上的降压变压器，仅在电网电压可能有较大变化情况下，采用有载调压方式，一般不宜采用。

当电力系统运行确有需要时，在降压变电所亦可装设单独的调压变压器或串联变压器。

根据设计要求，本变电所采用有载调压方式。

2.1.4绕组数量和连接形式的选择

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。

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要有丫和△，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。

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180MVA。

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：

SFPS7-18000/220。

主要技术参数如下：

额定容量：

180000（KVA）

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

空载损耗：

178（KW）

阻抗电压（%）：

高中：

14.0；中低：

7.0；高低：

23.0

空载电流（%）：

0.7

所以一次性选择两台SFPS7-180000/220型变压器为主变。

第三章无功功率补偿设计

无功功率补偿装置的主要作用是：

提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量。

在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。

3.1　无功功率补偿技术的现状 目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。

就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿（如风机、水泵等），其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。

下面是几种常用的补偿装置。

3.1.1　同步调相机 早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。

同步调相机目前在现场仍有少量使用。

3.1.2　　静止补偿装置 

　静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。

　　静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。

静止补偿器（SVC）先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。

上述第二种又可分为：

固定连接电容器加可控硅控制的电抗器可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器。

　　实际上，由断路器（电磁型交流接触器）操作的电容器和电抗器在电网中正在大量使用，可以说这种补偿技术是静态的，因为它不能及时响应无功功率的波动。

这种装置以电磁型交流接触器为投切开关，由于受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级以及接触器操作频率、使用寿命等因素制约，因而无法避免以下不足：

（1）补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合；受交流接触器操作频率及寿命的限制，静态补偿装置一般均设有投切延时功能，其延时时间一般为30s。

对一般稳定负荷，即负荷变化周期大于30s的负荷，这类补偿装置是有效的，但对一些变化较快的负荷，如电梯、起重、电焊等，这类补偿装置就无法进行跟踪补偿。

（2）不能做到无涌流投入电容器，对于接触器加电抗器方案，增加损耗较大，对于容性接触器方案，事故率较大，对金属化电容器的使用寿命影响很大；目前，低压电力电容器以金属化自愈式电容器为主，这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力有限，因此，涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素。

　（3）运行噪声较大。

　（4）由于控制部分的负载是接触器的线圈，在投切过程中，造成火花干扰，影响补偿装置的可靠性和使用寿命。

　　针对上述问题，基于智能控制策略的TSC补偿装置正在引起关注。

TSC的基本结构如图1所示。

事实上，如果能够进行动态无功功率补偿则能够克服以上不足。

                                      图1　TSC的基本结构 

　　将微处理器用于TSC，可以完成复杂的检测和控制任务，从而使动态补偿无功功率成为可能。

基于智能控制策略的TSC补偿装置的核心部件是控制器，由它完成无功功率（功率因数）的测量及分析，进而控制无触点开关的投切，同时还可完成过压、欠压、功率因数等参数的存贮和显示。

因此，与断路器操作的电容器装置相比，尽管单台无触点开关的造价比交流接触器高，但该装置仍然有以下几个特点：

　　①无涌流，允许频繁操作； 

　　②跟踪响应时间快，动态跟踪时间0.02～2s（可调）； 

　　③采用编码循环式投切电容器，可均匀使用电容器，从而延长整个装置的使用寿命； 

　　④具有各种保护功能，如过压保护、缺相保护及谐波分量超限保护等。

3.1.3　　静止无功发生器 

　　静止无功发生器（static var generator，SVG）又称静止同步补偿器（STAT），是采用GTO构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，进行无功补偿。

与SVC相比，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。

　SVG的等效电路如图2所示。

其中，变压器与补偿器可看作逆变器电路。

从电力系统一侧来观察，我们可以把逆变器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源，控制补偿器基波电压大小与相位来改变基波无功电流的大小与相位。

当逆变器基波电压比交流电源电压高时，逆变器就会产生一个超前（容性）无功电流。

反之，当逆变器基波电压比交流电源电压低时，则会产生一个滞后（感性）无功电流，因此能与系统进行有功、无功之间的交换。

若控制方法得当，SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。

在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此直流只需要较小容量的电容即可。

此外，SVG装置用铜和铁较少，且有优良的补偿特性，因此是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。

                              图2　SVG等效电路 

　　我国首台20MvarSVG于1999年3月并入XX电网试运行。

3.2　　无功功率补偿技术的发展趋势 3.2.1　　电力有源滤波器 电力有源滤波器（active power filter，APF）的基本原理如图3所示。

                    图3　电力有源滤波器的基本原理 

电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电流型。

目前实用的装置90％以上为电压型。

从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。

并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数。

　　目前电力有源滤波器仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台容量低，成本较高等。

随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这类既能补偿谐波又能补偿无功的装置必然有很好的发展前景。

第四章220KV变电站电气部分短路计算

系统阻抗：

220KV侧电源近似为无穷大系统A，归算至本所220KV母线侧阻抗为0.015（Sj=100MVA）,110KV侧电源容量为500MVA，归算至本所110KV母线侧阻抗为0.36（Sj=100MVA）。

变压器型号为SFPS7—180000/220。

4.1短路的基本类型

指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间的短接。

三相系统中短路的基本类型有两相短路，单相接地短路，两相接地短路。

4.2短路电流计算的目的

（1）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下，能安全可靠地工作。

同时，又力求节约资金，这需要进行全面的短路计算。

（2）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施，均需要进行必要的短路电流计算。

（3）在设计屋外配电装置时，需按短路条件校验相间和相对地安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

（5）接地装置的设计，也需要短路电流。

4.3短路点的确定

计算短路点应选择在正常接线方式时，短路电流为最大的点。

比如变压器回路的断路器，应比较断路器前后短路时通过该断路器的电流值；母联断路器则应考虑母联断路器向备用母线充电时，备用母线故障，流过母联断路器的电流值。

在每个电压等级选一个短路点，220kV电压等级选在d1点，110kV电压等级选在d2点，10kV电压等级选在d3点。

4.4计算短路电流的步骤

（1）本所的最大运行方式为两台主变并列运行，此时阻抗最小；最小运行方式为单台主变运行，此时阻抗最大。

（2）本所的短路计算为近似计算，220kV侧系统可近似看成无穷大系统，而110kV、10kV侧正常情况下不接外来电源，所以d1、d2、d3短路时，该侧提供的短路电源可以忽略不计。

（3）计算时，基准容量取100MVA，基准电压取各级平均额定电压，即220kV侧取230kV，110kV侧取115kV，10kV侧取10.5kV。

（4）计算项目：

三相短路电流、冲击电流、全电流（具体计算过程详见设计计算书）。

（5）短路电流计算结果（见表）

短路电流

短路计算点

I∞（3）（kV）

ich（kV）

Ich（kV）

Iim（kV）

d1

6.57

16.72

11.83

9.92

d2

5.69

14.48

10.24

8.59

d3

47.98

122.12

86.36

72.45

第五章导体和电气设备的选择

正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。

在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电气设备。

尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求确是一致的。

电气设备要可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验动、热稳定性。

本设计，电气设备的选择包括：

断路器和隔离开关的选择，电流、电压互感器的选择、避雷器的选择，导线的选择。

气设备选择的一般原则：

应满足正常运行、检修、断路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要。

应按当地环境条件校验；

应力求技术先进与经济合理；

选择导体时应尽量减少品种；

扩建工程应尽量使新老电气设备型号一致；

选用新产品，均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。

技术条件：

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。

同时，所选择导线和电气设备应按短路条件下进行动、热稳定校验。

各种高压设备的一般技术条件如下表：

表5-1高压电器技术条件

序号

电器名称

额定

电压

额定

电流

额定

容量

机械

荷载

额定开

断电流

热稳定

动稳定

绝缘水

平

KA

A

KVA

N

A

1

断路器

√

√

√

√

√

√

√