220kV变电站一次系统设计.doc

课程设计报告书

课题名称： 220kV变电站一次系统设计

学 院 电气工程学院
专 业 电气工程及其自动化
班 级 2009级
学 号
姓 名

指导教师（签名） 2013年1月25日

1.绪论
本设计讨论的是220kV变电站一次系统设计。首先根据任务书上所给内容，进行简要分析，确定主变压器型号，然后确定一次主接线形式。最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对断路器，隔离开关，母线进行选型，从而完成了变电站一次系统的设计。

2.课题的内容和要求
2.1内容：
220kV变电站一次系统的设计。一次系统主接线为：变电站220kV有2回电源进线和4回出线； 110kV有2回进出线和6回出线、10kV有2回进出线和24回出线；变电站有1＃、2＃主变两台，容量2×240MVA，220/110/10 kV三相变压器。并有一台相同容量的备用变。
（1）讨论各种一次主接线形式的优缺点和主要应用场合；
（2）设计并画出科园变电站一次主接线图；
（3）选择各回路母线、断路器和隔离开关并进行相应的校验；

2.2要求：
设计和选配出一次系统的户外配电装置设备配置，各选择参数列表。

2.3科园变电站片平面图

3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；只供本站用的变压器，称为站用变压器。本章是对变电站主变压器的选择。

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。
可靠性。

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》以及根据课题内容要求，选定变压器的容量为240MVA。
该变电站有三个电压等级，分别为220kV、110kV、10kV，所以选择的变压器为三绕组变压器，综合以上因素选择出的主变型号为SFS7-240000/220。

型 号
SFS7-240000/220
额 定 容 量(MVA)
240
额 定 电 压(kV)
2208×1.25% 121 10.5
空 载 电 流(%)
0.45
空 载 损 耗(kW)
193
阻 抗 电 压(%)
高-中：12-14 高-低：22-24 中-低：7-9
容量比
100/100/50
联 结 组 号
YNyn0d11

型号中符号表示意义：
S：三相
F：风冷却
P：强迫油循环
S：三绕组
Z：有载调压
7：性能水平号
240000：额定容量kVA
220：电压等级 kV

4电气主接线的设计
4.1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首要部分。发电厂、变电站主接线必须满足以下基本要求。
1、可靠性
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、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。包括：操作的方便性、调度的方便性、扩建的方便性。
3、经济性
主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上，还应使投资和年运行费用小，占地面积最少，使其尽地发挥经济效益。

4.2主接线的基本接线形式
变电站电气主接线的选择，主要决定于变电站在电力系统中的地位、环境、负荷的性质、出线数目的多少、电网的结构等。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.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。
该接线适用于：小容量发电厂的发电机电压配电装置，一般每段母线上所接发电容量为12MW左右，每段母线上出线不多于5回，变电站有两台主变压器时的6-10KV配电装置；35-63KV配电装置出线4-8回；110-220KV配电装置出线3-4回。

（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。

2.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。
由于双母线有较高的可靠性，广泛用于：进出线回路较多，容量较大，出线带电抗器的6-10KV配电装置；35-60KV出线超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110KV出线为6回以上时；220KV出线为4回以上时。
（2）双母线分段接线
为了缩小母线故障的停电范围，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。
用分段断路器将工作母线分为I 段和II段，比双母线接线增加了两台断路器，投资有所增加，但不仅具有双母线各种优点，并且任何时候有备用母线，有较高的可靠性和灵活性。
较多用于220KV配电装置。进出线为10~14回采用三分段，15回以上出线时采用四分段；在300-500KV大容量配电装置中，出线为6回以上一般也采用类似的双母线分段接线。
（3）双母线带旁路母线的接线
双母线带旁路接线就是在双母线接线的基础上,增设旁路母线，其特点是具有双母线接线的优点,当线路(主变压器)断路器检修时,仍有继续供电,但旁路的倒换操作比较复杂,增加了误操作的机会,也使保护及自动化系统复杂化,投资费用较大。110KV及以上的高压配电装置中，均需设置旁路母线，当110KV出线在6回以上，220KV出线在4回以上时，采用带专用旁路断路器的旁路母线。

3.一个半断路器接线
在每3个断路器中间送出2回回路，一般只用于500kV（或重要220kV）电网的母线主接线。它的主要优点是：
1.运行调度灵活，正常时两条母线和全部断路器运行，成多路环状供电；
2.检修时操作方便，当一组母线停支时，回路不需要切换，任一台断路器检修，各回路仍按原接线方式霆，不需切换；
3.运行可靠，每一回路由两台断路器供电，母线发生故障时，任何回路都不停电。
但是2/3断路器接线的缺点是使用设备较多，特别是断路器和电流互感器，造价高，经济性差，二次接线和继电保护整定复杂。当电压为330~550KV、出线回路数超过6回以上、且配电装置在系统中处于重要地位时，采用2/3断路器接线方式较为适宜。

4.3 主接线选择结果
电压等级 220/110/10kV
各电压侧出线回路数:
220kV 4回 接线方案：双母线接线
110kV 6回 接线方案：双母线接线
10kV 24回 接线方案：单母分段接线

4.4 一次主接线图
设计主接线图如下:

5 短路计算
短路是电力系统中较常发生的故障。短路电流直接影响电气设备的安全，危害主接线的运行，特别在大容量发电厂中，在发电机电压母线或发电机出口处，短路电流可达几万安至几十万安。为使电气设备能承受短路电流的冲击，往往需选用加大容量的电气设备。这不仅增加投资，甚至会因开断电流不能满足而选不到符合的高压电气设备，在主接线设计时，因计做好短路计算，以备考虑采取限制短路电流的措施。
5.1 短路点的选择
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。
220KV
110KV
Xs

X1
X2
X3
10KV
S2
d1
d2
d3

5.2短路电流计算
1. 基准值
在短路计算的基本假设前提下，选取Sj = 100MVA，VB 为各级电压平均值（ 230，115，10.5kv）
2.系统电抗
在Sj=100MVA下，取 Xs=0.09 Xs1=0.5x0.4x40x=0.015

3.变压器各绕组电抗取值
阻抗电压％
高－中
高－低
中－低
12
22
8
各绕组等值电抗
Vs(1-2)％＝12％，Vs（1-3）％＝22％，Ｖs（2-3）％＝8％
Vs1% = （Vs(1-2)% + Vs(1-3)%－Vs(2-3)%）
= （12+ 22－8）
=13
220KV
110KV
Xs2
Xs1
S1
X1
X2
d1
d2
图一
S2
Vs2% = （Vs(1-2)% Vs(2-3)%－Vs(1-3)%）
= （12+8－22）
=－1
Vs3% = （Vs(1-3)% + Vs(2-3)%－Vs(1-2)%）
= （22+8－12）
=9
各绕组等值电抗标么值为：
X1=×=×＝0.054
X2=×＝×＝-0.0042
X3=×＝×＝0.075

4.各短路点短路计算
a）d1点短路
10KV母线侧没有电源，无法向220KV侧提供短路电流，即可略去不计，如图一示，则短路电流
Id1＝

＝
＝9.524
换算到220KV短路电流有名值
I″=Id1 =9.524×= 2.391KA
根据《电力工程电气设计手册》的相关规定
取电流冲击系数Kch=1.8
当不计周期分量的衰减时，短路电流全电流最大有效值
Ich=2 I″=2 I″=1.51I″
Icj=1.51×2.391=3.610KA
当不计周期分量衰减时
冲击电流ish =KchI″=×1.87I″=2.55I″=2.55×2.391= 7.275KA
短路容量S=VBI″=×230×2.391=1159.262MVA
同理，有：
b）d2点短路
如d1处短路类似，10KV母线侧因没有电源，无法向110KV侧提供短路电流，即可略去不计，则短路电流
Id2 =
=
=7.752
换算到110KV短路电流有名值
I″=Id2 =7.752×= 3.892KA
取电流冲击系数Kch=1.8
当不计周期分量的衰减时，短路电流全电流最大有效值
Ich =2 I″=2 I″=1.51I″
Icj =1.51×3.892=5.877KA
当不计周期分量衰减时
冲击电流 ish =KchI″=×1.87I″=2.55I″=2.55×3.892= 9.925KA
短路容量 S =VBI″=×115×3.892= 775.231MVA

c）d3点短路
Id3 ===5.899

换算到10KV侧有名值
I″= Id3×=5.899×=32.436KA
短路电流全电流最大有效值及冲击值
Icj = 1.51I″ =1.51×32.436 =48.978KA
Ish = 2.55I″ = 2.55×32.436 = 82.712KA
短路容量：S = VB I″ = ×10.5×32.436=589.89MVA

6一次设备和导体的选择
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。
本设计中，电气设备的选择包括：断路器、隔离开关和母线的选择。
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，并在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，现一般选用真空、SF6、少油和压缩空气等断路器作为10kV～220kV的开关电器。

6.1 断路器的选择
（1）220kV侧：
经查表，220kV系列高压六氟化硫断路器技术数据中LW6-220/3150型号断路器的参数如下：

型号
电压kV

额定 电流
A
额定开断电流kA
极限通过电流，kA
热稳定电流，kA
固有分闸时间（s）
合闸时间（s）
峰值
有效值
1S
4S
5S
10S
LW6-220/3150
220
3150
50
125

40

0.03
0.09

额定电压：
额定电流：
短路电流：
对断路器进行检验：
动稳定校验：
。故动稳定校验合格。
热稳定校验：取继电保护装置后备保护动作时间=0.6s，220kV断路器分闸时间=0.03s，则=+=0.6s+0.03s=0.63s
=3.610×0.63=2.27kA<40kA,故满足热稳定要求。

（2）110kV侧：
经查表，LW14-110/2000的SF6断路器的技术数据为：
型号
电压kV

额定 电流
A
额定开断电流kA
极限通过电流（kA）
热稳定电流，kA
全开断时间 （s）
固有分闸时间（s）
峰值
有效值
1S
3S
5S
10S
LW14-110/2000
110
2000
31.5
80

31.5

0.05
0.025
额定电压：
额定电流：
短路电流：
110kV断路器的校验：
动稳定校验:，满足要求。
热稳定校验：
=5.877×0.65=3.82kA<31.5kA,故满足热稳定要求。

（3）10kV电压级：
经查表，LW14-110/2000的SF6断路器的技术数据为：
型号
电压kV

额定 电流
A
额定开断电流kA
极限通过电流（kA）
热稳定电流，kA
固有分闸时间（s）
合闸时间（s）
峰值
有效值
1S
3S
5S
10S
LW14-110/2000
10
8000
105
300

120

0.15
0.65

额定电压：
额定电流：
短路电流：
10kV断路器的校验：
动稳定校验：,满足条件。
热稳定校验:
=48.978×0.75=36.73kA<120kA,故满足热稳定要求。
6.2隔离开关的选择
1.隔离开关用途
隔离开关是一种最简单的高压开关，在实际中俗称闸刀。隔离开关没有专门的灭弧装置，不能用来开端负荷电流和短路电流。
在配电装置中，其主要用途有：
（1）保证装置中检修工作的安全，在需要检修的部分和其他带电部分，用隔离开关构成明显的空气绝缘间隔。
（2）在双母线和带旁路母线的主接线中，可利用隔离开关作为操作电器，进行母线切换或代替出线操作，但此时必须遵守“等电位原则”。
（3）由于隔离开关能通过拉长电弧的方法来灭弧，具有切断小电流的可能性，所以隔离开关可用于以下操作：
1）断开和接通电压互感器和避雷器
2）断开和接通母线或直接连接在母线上设备的电容电流
3）断开和接通励磁电流不超过2A的空载变压器或电容电流不超过5A的空载线路
4）断开和接通变压器中性点接地线（系统中没有接地故障时才能进行）。

（1）220 kV侧：
型号
额定电压（KV）
额定电流（A）
极限通过电流峰值(KA)
热稳定电流（KA）
4S
5S
GW6-220D/1000-50
220
1000
50

21

额定电压：
额定电流：<1000A
动稳定电流ish=7.275kA<50kA,满足动稳定要求.
热稳定电流Icj=3.610kA<21kA，满足热稳定要求.

（2）110 kV侧：
型号
额定电压（KV）
额定电流（A）
极限通过电流峰值(KA)
热稳定电流（KA）
4S
5S
GW4-110D/2000-80
110
2000
80

21.5

额定电压：
额定电流：
动稳定电流ish=9.925kA<80kA,满足动稳定要求.
热稳定电流Icj=5.877kA<21.5kA，满足热稳定要求.

（3）10 kV侧：
型号
额定电压（KV）
额定电流（A）
极限通过电流峰值(KA)
热稳定电流（KA）
4S
5S
GW4-10D/8000-160
10
8000
160

75

额定电压：
额定电流：<8000A
动稳定电流ish=82.712kA<160kA,满足动稳定要求.
热稳定电流Icj=48.978kA<75kA，满足热稳定要求.

7母线选择
7.1 220kV母线选择
选择LF-21Y-Φ60/54铝锰合金管型母线
导体尺寸
D1/D2(mm)
导体截面
(mm2)
导体最高允许温度为下值时的载流量
截面系数
W （cm3）
惯性半径
Ri（cm）
惯性矩
J （cm4）
+70℃
+80℃
7.29
2.02
21.9
Φ60/54
539
1240
1072
校验：
（1） 按长期发热允许电流选择：

KIal=0.88×1240=1091.2>Igmax=661.3，满足要求。
（2）热稳定校验：
=3.61/87×=18.55mm²<539mm²,满足要求。
（3） 按电晕电压校验：
晴天不可出现可见电晕要求管型母线最小截面积为Φ30mm<Φ60mm,满足要求。

7.2 110kV母线选择
选择LF-21Y-Φ100/90铝锰合金管型母线
导体尺寸
D1/D2(mm)
导体截面
(mm2)
导体最高允许温度为下值时的载流量
截面系数
W （cm3）
惯性半径
Ri（cm）
惯性矩
J （cm4）
+70℃

+80℃
33.8
3.36
169
Φ100/90
1491
2350
2054
校验：
（1）按长期发热允许电流选择：

KIal=0.88×2350=2068>Igmax=1322.6，满足要求。
（2）热稳定校验：
=5.877/87×=30.21mm²<1491mm²,满足要求。
（3）按电晕电压校验：
晴天不可出现可见电晕要求管型母线最小截面积为Φ20mm<100mm,满足要求。

7.3 10KV母线选择
选择3条TWB-120×10型矩形铜母线立放，允许载流量为8200A
校验：
（1）按长期发热允许电流选择：
<8200A，满足要求。
（2）热稳定校验：
=48.978/87×=251.7mm²,满足3条TWB-120×10型矩形铜母线要求。
（3）动稳定校验
相间距：

冲击电流：

母线相间应力：

母线同相间应力计算：
， ，

查导体形状系数曲线得，

则有：

所以，，满足动稳定要求。

8总结
本设计为220kV变电站一次系统设计，是在完成本专业所有课程后进行的综合能力考核。通过对设计内容及要求、主接线的选择及比较、短路电流的计算、主要电器设备的选择及校验、一次主接线图的绘制等步骤，最终确定了本变电站所需的主要电器设备、主接线图。
这是我第一次独立完成的变电站设计，在这过程中，我认真查阅资料，虽然遇到不少困难，但最终我都克服了。由于本设计中遇到的参数比较特别，在查阅相关资料后，做出了本设计。不仅掌握了设计方法，还学会了Visual Graph绘图软件的使用，巩固了课本知识，同时，我也发现了自身专业知识的缺陷，日后必定抓紧时间，提升自身专业水平。

9参考文献：
[1]姚春球.发电厂电气部分.北京：中国电力出版社.2007
[2]熊信银主编. 发电厂电气部分（第四版）北京：中国电力出版社.2008.
[3]华中工学院主编.发电厂.北京：电力工业出版社.1980

附录：220kV变电站一次主接线图