自井220kV变电站电气部分设计-毕业设计论文.doc

四川理工学院本科毕业（设计）论文 四川理工学院毕业设计（论文） 自井220kV变电站电气部分设计学 生：学 号：专 业：电气工程及其自动化班 级：2008.4指导教师： 二O一二年六月71 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越来越高，自动化与智能化的程度也越来越高。本设计讨论的是220kV降压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；保护ABSTRACTWith the development of science and technology in China, particularly computing technology has advanced, the power system demands on substation more and more.The design is refer to the part of 220kV electrical substation design. First of all, analyze the original data and choose the main transformer, based on it , design the main wiring and Short Circuit Calculation, at last choose equipment, then mine and the protection of earth and distribution device.Key words: Substation；Short circuit calculation；Equipment selection；Protect.目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言1第2章 电气主接线的设计22.1 主接线概述22.2 主接线设计原则22.3电气主接线方案的选择2第3章 主变压器的选择53.1 主变压器的选择原则53.1.1 主变压器台数的选择53.1.2 主变压器容量的选择53.1.3 主变压器型式的选择63.1.4 绕组数量和连接形式的选择63.2 主变压器选择结果7第4章 所用电设计84.1 所用变选择84.2 所用电接线图8第5章 220kV变电站电气部分短路计算105.1 变压器的各绕组电抗标幺值计算105.2 输电线路的电抗标幺值计算105.3 220kV侧短路计算115.4 110kV侧短路计算135.5 10kV侧短路计算165.5 短路计算结果如下18第6章 导体和电气设备的选择196.1 断路器和隔离开关的选择206.1.1 220kV进线、主变侧断路器216.1.2 220kV进线、主变侧隔离开关236.1.3 110kV进线、出线侧断路器256.1.4 110kV进线、出线侧隔离开关286.1.5 10kV进线、出线侧断路器306.1.6 10kV进线、出线侧隔离开关326.2 电流互感器的选择346.2.1 220kV侧电流互感器的选择356.2.2 110kV侧的电流互感器的选择366.2.3 10kV侧电流互感器的选择376.3 电压互感器的选择386.3.1 220kV侧母线电压互感器的选择396.3.2 110kV母线设备PT的选择396.3.3 10kV母线设备电压互感器的选择406.4 导体的选择与校验406.4.1 220kV母线选择校验406.4.2 110kV母线选择与校验416.4.3 10kV母线的选择与校验426.4.4 变压器220kV侧引接线的选择与校验436.4.5 变压器110kV侧引接线的选择与校验446.4.6 变压器10kV侧引接线的选择与校验456.5电容补偿装置的选择46第7章 防雷接地设计477.1 防雷设计477.1.1 防雷设计原则477.1.2 避雷器的选择477.1.3 避雷针的配置507.2 接地设计517.2.1 接地设计的原则517.2.2 接地网型式选择及优劣分析52第8章 电气总平面布置及配电装置的选择538.1 概述538.1.1配电装置特点538.1.2 配电装置类型及应用538.2 配电装置的确定548.3 电气总平面布置568.3.1 电气总平面布置的要求568.3.2 电气总平面布置568.3.3 给排水、消防及其他578.3.4 环境保护与绿化57第9章 电气二次部分说明589.1 计算机监控系统589.2 二次设备布置629.3 直流系统629.4 交流不停电电源（UPS）系统63第10章继电保护配置6410.1主变压器保护配置6410.2 线路保护配置6410.3 220kV母线保护配置6410.4 220kV母联保护配置6410.4 10kV电容器保护配置6510.5 110kV出线的继电保护装置的整定和选型65第11章 结束语68致谢69参考文献70第1章 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、规则以及各种图形、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、选择主变压器的台数、容量及型号 2、主接线选择3、确定无功补偿方式 4、选择所用变压器的容量、台数及接线方式 5、确定主变压器中性点的运行方式。若需装设消弧线圈，应选择消弧线圈的容量、台数及型号 6、配电装置的规划 7、短路电流计算 8、主要电气设备的选择 9、变电所的防雷规划，并配置主接线中常规避雷器 10、配置继电保护及自动装置 11、任选一条低压侧架空出线的继电保护整定计算 12、自选题的设计。第2章 电气主接线的设计2.1 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。2.2 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1。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1。2.3电气主接线方案的选择根据原始资料分析，现在选择三种方案设计，进行比较选择。方案一：在220kV侧采用双母接线，在110kV侧采用双母接线、10kV侧采用单母分段接线。方案分析：在220kV侧采用双电源进线，两回线路出线，根据稳定性的要求能够满足稳定性的要求，采用双电源回路，当一个电源发生故障后，但是另一个电源还是可以正常工作，这样就能保证重要负荷的供电。而采用双母线的好处，就是当正常情况下由主母线供电，而当主母线出线故障的时候，可以用备用母线供电，这样就缩小了停电的范围和停电的时间，从而减小了由于停电而造成的损失1。在10kV侧有三个变电站、一个钢铁厂、一个化肥厂，出线回路总共有11路（2路备用），考虑到10kV侧的负荷情况，所以采用单母线分段的方式，这样提高了供电的可靠性还有让负荷的分布更加合理1。图2-1 电气主接线图方案二：在220kV侧采用双母接线，在110kV侧采用双母分段接线、10kV侧采用单母分段接线。方案分析：在220kV侧采用双电源进线，两回线路出线，根据稳定性的要求能够满足稳定性的要求，采用双电源回路，当一个电源发生故障后，但是另一个电源还是可以正常工作，这样就能保证重要负荷的供电。而采用双母线的好处，就是当正常情况下由主母线供电，而当主母线出线故障的时候，可以用备用母线供电，这样就缩小了停电的范围和停电的时间，从而减小了由于停电而造成的损失1。图2-2 电气主接线图方案三：在220kV侧采用双母接线带旁路母线的方式，在110kV侧采用双母接线、10kV侧采用单母分段接线。方案分析：在220kV侧有两路进线两路出线，所以采用按照规范上采用单母分段就可以达到要求，单母分段在以后的扩建中也有较好的延展性1 。 图2-3 电气主接线方案比较： 表2-1 方案比较比较方案一：220kV侧采用双母接线，110kV侧采用双母接线，10 kV侧采用单母分段接线。方案二：220kV侧采用双母接线，110kV侧采用双母接线，10kV侧采用单母分段接线。方案三：220kV侧采用单母线带旁路母线的接线方式，110kV侧采用单母接线，10kV侧采用单母分段接线。可靠性1、220kV侧接线简单，故障率低。2、当220kV发生故障时，停电时间较长1、220kV侧接线简单，故障率低。2、当220kV发生故障时，停电时间较长1、220kV侧接线简单，故障率低。2、当220kV发生故障时，停电时间较长灵活性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。1.220kV运行方式相对简单，灵活性差，110kV侧灵活性相对较高；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相对较差；2.220kV电压级接线易于扩建。经济性接线简单，所用器件相对较少，所以比较经济。接线简单，所用器件增多，占地面积增大，所以投资增大。接线简单，所用器件增多，占地面积小，所以投资比较节约。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，现确定第三方案为设计最终方案。第3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1。3.1 主变压器的选择原则1、主变容量一般按变电所建成后510年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期1020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，保证用户的级和级负荷，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。3.1.1 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。3.1.2 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510年的规划负荷选择，适当考虑到远期1020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。变压器的容量： （3-1） （3-2）3.1.3 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。3.1.4 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4050台。3.2 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150MVA。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：SFPZ9-150000/220。主要技术参数如下：额定容量：150000（kVA）额定电压：高压22022.5% ；中压121； 低压10.5（kV）连接组标号：YN/yn0/d11空载损耗：80(kW)阻抗电压（%）：高中：12.0；中低：7.0；高低：22.0空载电流（%）：0.7所以一次性选择两台SFPZ9-150000/220型变压器为主变。S：三相F：风冷却P：强迫油循环S: 三绕组9：性能水平代号150000：额定容量220：额定电压等级第4章 所用电设计变电站站用母线采用单母分段接线方式。当有两台站用变采用单母线接线方式，平时分列运行，以限制故障，在变压器的低压侧采用三锁两钥匙的方式闭锁，保证任何时候低压总路和母联断路器都只能投入两个。对于容量不大的变电站，为了节省投资，所用变压器高压侧可用高压熔断器代替高压断路器。4.1 所用变选择1.选择原则：所用电负荷按0.2%变电所容量计，设置2台所用变相互备用。2.所用电负荷:S=2000000.2%=400kVA 3.所用变容量计算：=0.7S=380kVA 所用变压器参数:型号：S11M400/10U1e=6.35%（kV） U2e=0.4（kV）连接组别：D，yn11空载损耗：0.70（kW）阻抗电压：4（%）空载电流：1.5（%）4.2 所用电接线图变电站的主要站用电负荷是变压器冷却装置，直流系统中的充放电装置和晶闸管整流设备，照明、检修及供水和消防系统，小型变电站，大多只装1台站用变压器，从变电站低压母线引进，站用变压器的二次侧为380/220V中性点直接接地的三相四线制系统，接地采用TN-C系统。对于中型变电站或装设有调相机的变电站，通常都装设2台站用变压器，分别接在变电站低压母线的不同分段上，380V站用电母线采用低压断路器进行分段，并以低压成套配电装置供电。因而本设计两台所用变分别接于10kV母线的段和段，互为备用，平时运行当一台故障时，另一台能够承担变电所的全部负荷。两台变压器之间的切换在高压侧通过高压备自投来实现。接线图如下所示。 图4-1 所用电接线图第5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和B，归算至本所220kV母线侧阻抗为最大运行方式下为0.2和0.18（=100MVA）,在最小运行方式下为0.25和0.32。变压器型号为SFPSZ11150000/220。=180MVA其中高中、高低、中低阻抗电压（%）分别为12，22，7。简化图如下图所示： 图5-1 系统等值电路图5.1 变压器的各绕组电抗标幺值计算 所以变压器的个绕组电抗标幺值如下：设=100MVA， 5.2 输电线路的电抗标幺值计算在本次设计中有两条220kV输电线路，长度分别为70Km和50Km，所以电抗标幺值计算如下： 5.3 220kV侧短路计算当系统在最大运行方式时：图5-2 系统等值电路系统的等值电路为：图5-3 系统简化图等值电抗的计算： 图5-4 系统简化图等值电路计算： 短路电流计算： 三相短路电流标幺值： 三相短路电流有效值： 取冲击系数，则冲击电流为 短路容量为： 当系统为最小运行方式时： 图5-5 系统等值电路系统的等值电路为：图5-6 系统简化图等值电抗的计算： 图5-7 系统简化图等值电路计算： 短路电流计算： 三相短路电流标幺值： 三相短路电流有效值： 取冲击系数，则冲击电流为 短路容量为： 5.4 110kV侧短路计算当系统在最大运行方式下时： 图5-8 系统等值电路系统的等值电路为：图5-9 系统简化图等值电抗的计算： 图5-10 系统简化图等值电路计算： 短路电流计算： 三相短路电流标幺值： 三相短路电流有效值： 取冲击系数，则冲击电流为 短路容量为： 当系统在最小运行方式下时： 图5-11 系统等值电路系统的等值电路为：图5-12 系统简化图等值电抗的计算： 图5-13 系统简化图等值电路计算： 短路电流计算： 三相短路电流标幺值： 三相短路电流有效值： 取冲击系数，则冲击电流为 短路容量为： 5.5 10kV侧短路计算当系统在最大运行方式下时： 图5-14 系统等值电路系统的等值电路为：图5-15 系统简化图等值电抗的计算： 图5-16 系统简化图等值电路计算： 短路电流计算： 三相短路电流标幺值： 三相短路电流有效值： 取冲击系数，则冲击电流为 短路容量为： 当系统在最小运行方式下时： 图5-17 系统等值电路系统的等值电路为：图5-18 系统简化图等值电抗的计算： 图5-19 系统简化图等值电路计算： 短路电流计算： 三相短路电流标幺值： 三相短路电流有效值： 取冲击系数，则冲击电流为 短路容量为： 5.5 短路计算结果如下表5-1 短路计算成果表短路点基准电压短路电流冲击电流短路容量S(kV)(kA)(kA)(MVA)K-310.528.472.42515K-21152.94 7.49584.79K-12302.085.304829.87第6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。电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6-1 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kAAkVANA1断路器2隔离开关3组合电器4负荷开关5熔断器6PT7CT8电抗器9消弧线圈10避雷器11封闭电器12穿墙套管13绝缘子6.1 断路器和隔离开关的选择断路器的选择，除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑到要便于安装调试和运行维护，并经济技术方面都比较后才能确定。根据目前我国断路器的生产情况，电压等级在10kV220kV的电网一般选用少油断路器，而当少油断路器不能满足要求时，可以选用SF6断路器。断路器选择的具体技术条件如下：额定电压校验： （6-1）额定电流校验： （6-2）开断电流： （6-3）动稳定： （6-4）热稳定： （6-5）同样，隔离开关的选择校验条件与断路器相同，并可以适当降低要求。6.1.1 220kV进线、主变侧断路器主变断路器的选择与校验流过断路器的最大持续工作电流 具体选择及校验过程如下：1.额定电压选择：2.额定电流选择： 3.开断电流选择：选择SW6220/1200，其SW6220/1200技术参数如下表：表6-2 SW6220/1200技术参数表型号额定电压kV额定电流A断流容量MVA额定断流量kA极限通过电流kA热稳定电流kA固有分闸时间S峰值4SSW6-220/1200220120080002155210.044.热稳定校验： （6-6）=2124=1764（kA）2S 电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为： (6-7)=1.5+0.04+0.06=1.6S 式中：短路计算时间； ：继电保护动作时间；：断路器固有分闸时间； ：断路器开断时电弧持续时间；短路电流热稳定效应为： 所以，满足热稳校验。5.动稳定校验：=55kA=5.304kA,满足校验要求。具体参数如下表：表6-3 具体参数表计算数据SW6-220/1200 220kV 220kV 413.34A 1200A 2.08kA 21kA 5.304kA 55kA 6.922（kA）2s 2124=1764（kA）2s 5.304kA 55kA由表可知，所选断路器满足要求。主进线断路器的选择与校验流过断路器的最大持续工作电流 具体选择及校验过程如下：1.额定电压选择：2.额定电流选择： 3.开断电流选择： 选择SW6220/1200，其SW6220/1200技术参数如下表：表6-4 SW6220/1200技术参数表型号额定电压kV额定电流A断流容量MVA额定断流量kA极限通过电流kA热稳定电流kA固有分闸时间S峰值4SSW6-220/1200220120080002155210.044.热稳定校验： (6-8)=2124=1764（kA）2S 电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为： （6-9） =1.5+0.04+0.06=1.6S 式中：短路计算时间； ：继电保护动作时间；：断路器固有分闸时间； ：断路器开断时电弧持续时间；短路电流热稳定效应为： 所以，满足热稳校验。5.动稳定校验：=55kA=5.304kA满足校验要求具体参数如下表：表6-5 具体参数表计算数据SW6-220/1200 220kV 220kV 826.68A 1200A 2.08kA 21kA 5.304kA 55kA 6.922（kA）2s 2124=1764（kA）2s 5.304kA