500kV降压变电所电气一次部分设计.doc

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

发电厂课程设计

题目：500kV降压变电所电气一次部分设计

学生姓名： 周 明
学 号： 200924050226
班 级： 电气0902班
专 业： 电气工程及其自动化
指导教师： 粟时平 蒋陆萍

2012年5月28日—6月8日

目 录

一、 课程设计任务书
1.1 课题内容（原始资料）………………………………………2
1.2 课题任务要求…………………………………………………4
二、 电气主接线设计
2.1 主接线设计基本要求与设计原则………………………….5
2.2 主接线方案的选取取 ………………………………………6
三、 负荷计算及变压器选择择
3.1 主变台数、容量和型式的确定…………………………….10
3.2 所用变压器的选择……………………………….…………14
四、 短路计算 ………………………………………………………..15
五、主要电气设备选择
5.1 断路器及隔离开关的选择…………………………………16
5.2 母线的选择………………………………………………….17
5.3 各主要电气设备选择结果一览表 ……………………..…18
六、计算书
七、心得
八、附录1：500KV变电所电气主接线原理图
附录2：500KV变电所电气配置图

一、课程设计任务书
1.1课题内容（原始资料）
1、建所目的：
由于地区负荷中心，电力系统的发展和负荷增长很快，故在该地区拟建一个500kv降压变电所，向该负荷中心用220kv和35kv电压供电。
2、拟建变电所联网情况如下图1所示：
变电所联网图
S2
S1

750MVA

Se=
=0
220kV 35kV
拟建
变电所
LGJQ-4*300
LGJQ-4*300
450KM
400KM
500kV
500kV

3、地区环境条件：
年最高气温：42℃；年最低气温：-4℃；海拔600米；污秽程度轻级；年雷暴日小于30天
4、负荷资料：
(1) 220kv线路6回，最大负荷利用时间为4200h，具体情况如下表1所示：
表1-1 220kv线路负荷情况
名称
最大负荷（MW）
功率因数
回路数
线路（架空）
甲变
200
0.89
1
150km
乙变
400
0.9
2
200km
丙变
400
0.89
3
250km
上述各负荷间的同时系数为0.85
（2）所用电负荷统计如下表2所示

表1-2 所用电负荷统计
名称
容量（kW）
功率因数
台数
备注
主变风扇
0.20
0.73
60
连续经常
主充电机
25
0.89
1
周期性
浮充电机
5
0.86
1
连续经常
蓄电池进风
1.5
0.88
1
连续经常
蓄电池排风
1.6
0.88
1
连续经常
锅炉房水泵
1.7
0.89
2
连续经常
空压机
24
0.85
1
短时经常
载波室
1.1
0.75
1
连续经常
500kv配电装置电源
20
1
1
短时不经常
220kv配电装置电源
15
1
1
短时不经常
500kv断路器冬天加热
1.5
1
1
连续
220kv断路器冬天加热
1
1
1
连续
室外配电装置照明
15
1

连续
室内照明
25
1

连续
（3）保护：各电器主要保护动作时间为0，后备保护动作时间为3.5秒。

1.2课题任务要求：
根据所学的知识，参考文献和给定的课题内容（原始资料）对500kv降压变电所的电气一次部分进行设计。具体为：
1. 确定变电所电气主接线（进行3~4种方案比较论证）
2. 确定变电所主变压器的台数和容量
3. 确定所用的点接线（进行2~3种方案比较论证）
4. 确定所用变压器的台数和容量
5. 确定各电压级配电装置
6. 确定各电压级各主要的电气设备
7. 确定电压互感器和电流互感器的配置
8. 按时独立完成设计任务书规定的内容， 对设计中所出现的问题进行综合分析并加以解决；
9. 按设计要求撰写课程设计论文报告书，文字通顺，排版合理，图纸符合国家规范。

二、 电气主接线设计
2.1 主接线设计基本要求与设计原则
（1） 保证必要的供电可靠性、要充分考虑一次设备和二次设备的大故障率
及其对供电的影响。
（2） 具有调度灵活，操作方便，能满足系统在事故、检修及特殊方式下调
整要求。
（3） 主接线应力求简单清晰，尽量节约一次设备的投资，节约占地面积，减少电能损失，即具有经济性。
（4） 应能容易地从初期过度到最终接线，并在扩建过度时，一次和二次设
备所需的改造最小，即具有发展和扩建的可能性。
（5） 变电所的高压侧接线，应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线方
式，在满足继电保护的要求下，也可以在区线路上采用分支接线，但在系统主干网上不得采用分支接线。
（6） 在 35kV配电装置中，当线路为 3 回及以上时，一般采用单母线或
单母线分段接线，若连接电源较多、出线较多、负荷较大或处于污秽地区，可采用双母线接线。
（7） 220kV配电装置中，线路在 4 回以上时一般采用双母线接线。
（8） 500kV 配电装置中，对可靠性要求较高。当配电装置连接元件总数在 6 个及以上时，通常都采用一台半断路器接线或双母线分段带旁母的接线方式。
（9）当采用SF6等性能可靠、检修周期长的断路器以及更换迅速的手车式断路器时，均可不设旁路设施。

2.2 主接线方案的选取

2..2.1 500kV 侧主接线方案的选取
该变电所为系统中的枢纽变，在系统中有较重要的地位，对可靠性要求高。且根据任务书要求，本电压等级负荷容量大，亦需要有较高的可靠性。经考虑，采用的主接线方案有：一台半断路器接线，角形接线，双母线分段带旁路接线。

方案①：角形接线

T
1
T
2
WL
1
WL
2

优点：所用断路器数目少，却具备较高的可靠性，任意一台断路器检修时，不会引起任何回路停电，不存在母线故障所产生的影响,一条回路发生故障时，不影响其它回路正常供电，且不会发生带负荷断开隔离开关的事故。
缺点：检修任何一台断路器时，多角形就开环运行，容易造成供电紊乱，运行方式变化大，继电保护装置复杂，不便于扩建。本变电站位于负荷中心，发展迅速，故多角形接线方式不适用。

方案②：双母线分段带旁路接线

优点：除具备双母线分段接线的优点外，在双母线分段接线的基础上，增加了一条旁路母线，可保证当线路断路器检修时不停电，极大的提高了供电可靠性。
缺点：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，双母线分段断路器所需断路器数目多，投资费用较大。本高压变电站进出线为4回，双母线分段接线相对于其它接线方式需要更多的断路器，投资大，故不适合选用该接线方式。

方案③：一台半断路器接线

优点：有很高的可靠性，运行经验表明，在双重故障情况下，一台半接线都可以保护 80%的元件不停电，这是其他任何接线方式不可比的。有较高的运行灵活性，任何一个元件可根据运行的需要接在不同的母线系统中，母线系统之间的元件可任意分配，其操作程序简单，操作引起故障的几率小。运行操作方便，设备检修方便，总体上说，在保护及二次回路接线方面不比母线制接线复杂。对于本500kV高压变电站，进出线为4回，用断路器数目为6台，只比双母线接线多一台，比双母线分段的断路器少一台，费用不高。综合各方面因素，500kV高压侧选用一台半断路器接线方式。

综上所述，确定方案③为本变电站500kV高压侧的最终接线方式。

2.2.2 220kV侧主接线方案的选取
220kV为本变电站的中间电压等级，具有重要作用，且有2回进线，负荷线路6（一回备用线）回，为保证其可靠性，备选方案有以下3种：单母线带旁路接线，双母线接线，双母线带旁路接线。

方案①：单母线带旁路接线
WL6
WL
4
WL
3
WL
2
WL
1
5
WL

优点：带有的专用旁路母线，出线断路器检修时，不会造成该线路停电，相比于单母线接线提高了供电可靠性。
缺点：这样的接线较单母线接线方式相比，增加了一台旁路断路器的投资，前期投资增大，当出线回路为双回路时，常使母线出现交叉跨越。当母线发生故障时，全部负荷停电，供电可靠性不高，本变电站为220kV，处于负荷中心，对供电可靠性要求较高，故该接线方式不满足要求。
1
WL
2
WL
3
WL

WL4
5
WL
WL6
方案②：双母线接线
优点：供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组导线而不致使供电中断，一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一母线隔离开关，只停该回路。调度灵活，各个电源和各个回路负荷可任意切换，分配到任一母线上工作，能够灵活地适应系统中各种运行方式调度和系统潮流变化的的需要。扩建方便，向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。当有双回架空线路时，可以顺序布置，以致连接不同的母线时，不会如单母线分段那样导致出线交叉跨越。便于实验，当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。
缺点：增加一组母线和每回路就需要增加一组母线隔离开关。当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。出现断路器检修时，须停止向该回路供电，供电可靠性有限。220kV侧由于负荷功率大，停电引起停电范围广，影响大，故需要带专用旁路，故该接线方式不适用本变电站。
方案③：双母线带旁路接线

WL
5
1
WL
2
WL
3
WL
4
WL
WL6备用

优点：除具有双线线接线的优点外，因其采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，极大地提高了供电可靠性。
缺点：旁路母线、旁路断路器及在各回路的旁路隔离开关，增加了配电设备，增加了占地，也增加了投资，而且倒闸操作复杂，容易产生误操作酿成事故。

220kV线路更加注重其供电可靠性，综上所述，选用方案③作为最终方案。

三、 负荷计算及变压器选择
3.1 主变台数、容量和型式的确定
3.1.1 概述
选择变压器时，须根据负荷情况，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统 5～10 年发展规划综合分析，合理选择。在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦以及分裂变压器等，在选择主变压器时，要根据原始资料和所要设计变电站的自身特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选择主变压器。选择主变压器的容量，同时要考虑到该变电站以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。
3.1.2 主变压器容量的确定
（1）选择原则
a.主变压器容量一般按变电站建成后 5～10 年的规划负荷选择，并应考虑
变压器正常工作和事故时的过负荷能力。
b.根据变电站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
要负荷的变电站，应考虑当一台变压器停运时，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对一、二级负荷的供电。
（2）容量确定
根据选择原则和已确定选用两台主变压器，且考虑采用暗备用方式，即当一台变压器出现故障，另一台变压器单独运行时能满足 70%以上的负荷的电力需求。根据指导书指出，220kV 侧最大总负荷为 1000MW。
两台变压器同时运行时每台承担的容量：

单台运行时，要满足总最大负荷的70%，需要变压器的容量为：

故选择两台容量为 750MVA 的主变压器
3.1.3 主变压器型式选择
变压器采用三相或单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性及运输条件等因素，本次设计的变电站，不受运输的条件限制，而且 500 kv 电力系统中的主变压器应综合考虑运输和制造条件，经技术比较，可采用三台单相组成三相变压器。同时，考虑到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。考虑到本变电所有 500kv、220kv 共 2 个电压等级，且从价格、损耗来说，也应该选用损耗小，价格低的自耦变压器。
3.1.4 绕组连接方式选择
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星形和三角形，如何组合要根据具体工程来确定。考虑到系统或机组的同步并列要求以及限制 3 次谐波对电源的影响等因素，联结组号选用 YN，a0，d11 常规接线。普通型的变压器调压范围很小，仅为±5%而且当调压要求的变化趋势与实际相反(如逆调压)时，仅靠调整普通变压器的分接头就无法满足要求，有载调压的调整范围较大，一般在 15%以上，而且，既要向系统传输功率，又可能从系统倒送功率，要求母线电压恒定保证供电质量的情况下，有载调压变压器可以实现， 因此选用有载调压变压器。

根据以上方式的选择，选用主变压器的特性参数如表：
表 3-1 主变压器特性参数
主变型号
额定容量
（KVA）
额定电压（KV）
空载损耗
负载损耗（KW）
阻抗电压%
连接组标号
高
中
低
高中
高低
中低
高中
高低
中低
ODFPSZ-250000/500
250000/250000/60000

35
144
540

11.8
38.2
24.8
YN,ao,d11

3.2 所用变压器的选择
一般变电所装设一台所用变压器，对于枢纽变电所，装有两台或以上主变压器的变电所中应装设两台容量相等的所用变压器，互为备用。如果能从变电所外引入一个可靠的低压备用电源时，也可装设一台所用变压器。根据以上规定，本变电所选用两台容量相等的所用变压器。每台所用变压器应能担负本段负荷的正常供电。当一台所用变压器故障或检修停电时，工作着的所用变压器还能担负另一段母线上的重要负荷甚至所有负荷，以保证变电所正常运行。

故两台所用变压器特性参数如表2-2

表 2-2 所用变压器参数特性
型号
额定容量
（KVA）
额定电压（KV）
空载损耗（kw）
负载损耗（KW）
阻抗电压%
连接组标号
高
低
S7-200/35
200
35
0.4
0.55
3.7
6.5
Y,yno

四、短路计算

4.1 短路电流计算点的确定

短路电流计算的目的是为了选择导体和电器，并进行有关的校验。为此，结合本设计任务书只要求对一次主设备选择和校验计算，而无须进行继电保护装置选择和进行整定计算等其它任务。本设计只按三相短路进行短路电流计算，并选择在 500kV、220kV、35kV 和 0.4kV 母线上，4 个可能发生最大短路电流的短路电流计算点分别为 k1、k2、k3 和 k4。短路计算结果如表4.1所示。

4.1 短路计算结果
计算参数
短路点
基准电压（kV）
短路瞬时电流(kA)
短路1.8s电流(kA)
短路3.6s电流(kA)
冲击电流(kA)
K1
525
3.646
3.62
3.762
9.80
K2
230
7.155
7.306
7.589
19.266
K3
37
11.715
11.598
11.598
31.477
K4
0.4
4.44
4.44
4.44
11.930

五、主要电气设备选择

5.1断路器及隔离开关的选择及校验
5.1.1断路器的选择
断路器型式的选择：除需满足各项技术条件和环境条件外，还考虑便于安装调试和运行维护，并经技术经济比较后才能确定。根据我国当前制造情况，电压2kV电网，可选用SF6或空气断路器断路器选择的具体技术条件如下：
（1）电压： ---电网工作电压
（2）电流: ---最大持续工作电流
（3）开断电流：
当<0.1s时，；
当>0.1s时，
---断路器实际开断时间t秒的短路电流周期分量（t>1s）
---断路器额定开断电流
（4）动稳定：
---断路器极限通过电流峰值
---三相短路电流冲击值
（5）热稳定：
--- 稳态三相短路电流
-----短路电流发热等值时间
--- 断路器t秒热稳定电流

5.1.2隔离开关的选择
隔离开关形式的选择，应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合的技术经济比较然后确定。
参数的选择要综合考虑技术条件和环境条件。
选择的具体技术条件如下：
（1）电压： ---电网工作电压
（2）电流: ---最大持续工作电流
（4）动稳定：
（5）热稳定：

5.2 母线的选择及校验
母线应根据具体使用情况按下列条件选择和校验：
（1）型式：载流导体一般采用铝质材料，回路正常工作电流在4000A及以下时，一般选用矩形导体。在4000～8000A时，一般选用槽形导体。110KV及以上高压配电装置，一般采用软导线。当采用硬导体时，宜用铝锰合金管形导体。
（2）按最大持续工作电流选择导线载面S，即

式中 ——相应于某一母线布置方式和环境温度为+25℃时的导体长期允许载流量。
——综合修正系数
（3）热稳定校验：按上述情况选择的导体截面S，还应校验其在短路条件下的热稳定。
母线的校验公式为：
()
式中 ——根据稳定决定的导体最小允许截面（mm2）；
C——热稳定系数；
（4）动态稳定校验：
式中 ——母线材料的相间允许应力（硬铝为69×106Pa,硬铜为157×106）；
——作用在母线上的最大计算应力。
对于输电线路应校验线路电压损失。对于变电所内的导体，由于相对距离较短，电压损失不严重，所以可不较验。

5.3 电气设备选择一览表

表5-1 断路器和隔离开关参数表
型号
额定电压(kV)
最高工作电压(kV)
额定电流 (A)
额定开断电流(kA)
额定关合电流(kA)
3s热稳定电流(kA)
额定动稳定电流峰值（kA）
额定开断时间(ms)
固有分闸时间(ms)

断路器
SFM
500
550
2000
40
100
40
100
40
20
LW-15-220
220
252
2000
31.5
80
31.5
80
60
30
LW4-220
220
252
3150
40
100
40
100
65
45
ZN-35/1250-16
35
40.5
1250
16
40
16(2s)
40
--
60
隔离开关
GW7-500
500
550
2500
----
----
40(4s)
100
----
----
GW7-220/600
220
252
600
----
----
16(4s)
55
----
----
GW7-220D(W)
220
252
2000
----
----
33(4s)
86
----
----
GW7-220DW
220
252
3150
----
----
50
125
----
----
GN2-35/600
35
40.5
600
----
----
20(4s)
50
----
----

表5-2 母线参数表

电压等级
形状
导体材料
导体形状

载流量（A）

条数
放置方式
截面系数
（）
惯性矩（）
质量（kg/m）
导体截面

500kV
圆管形
铝锰合金

1413

单条

10.2

35.5

1.722

631

220kV
圆管形
铝锰合金

3511

单条

79.0

513

7.38

2705
35kV
矩形
铝

1038
单条
平放

注：载流量系按导体最高允许工作温度，环温度为条件下的数据。

六、计算书
短路电流计算：
4.2.1 k1点（ 500KV侧）短路电流计算

发电机计算电抗：

冲击电流：
4.2.2 k2点（220KV 侧）短路电流计算

S
G
G
S
G
S
0.731
14
15
0.422
0.059
13
11
0.57
0.329
12
6
-0.221
-0.221
9
8
0.339
0.339
5
0.339
4
3
0.37
2
0
0.2
1

发电机计算电抗：

冲击电流：

4.2.3 k3点（35kV侧）短路电流计算

4.2.4 k4点（0.4kV侧）短路电流计算

五、主要电气设备选择
5.1.1 500kV高压断路器的校验

断路器、隔离开关选择表
计算数据
SFM型断路器
GW7—500型隔离开关

500KV

500KV

500KV

1.153KA

2KA

2.5KA

3.65KA

40KA
—

9.8KA

100KA
—

28.59

5680

6400

9.8KA

100KA

100KA
由表中数据可知，所选隔离开关也满足要求
5.1.2 220kV高压断路器的校验
5.1.2.1 220kV变压器出口断路器的校验
考虑一台故障退出，另一台满负荷运行的情况

用校验，

满足要求
断路器、隔离开关选择表
计算数据
LW15—220型断路器
GW7—220D(W)型隔离开关

231KV

220KV

220KV

1.968KA

2KA

2KA

7.16KA

31.5KA
—

19.2KA

80KA
—

190.4

3532.4

4356

19.2KA

80KA

86KA
由表中数据可知，所选隔离开关也满足要求
5.1.2.2 220kV母联断路器的校验

断路器、隔离开关选择表
计算数据
LW4—220型断路器
GW7—220DW型隔离开关

231KV

220KV

220KV

2.81KA

3.15KA

3.15KA

7.16KA

40KA
—

19.2KA

100KA
—

191.6

5720

7500

19.2KA

100KA

125KA
由表中数据可知，所选隔离开关也满足要求
5.1.2.3 220kV负荷出线断路器的校验

选用型断路器，其校验过程与变压器出口断路器相同，结果满足要求。
5.1.3 35kV断路器的校验

断路器、隔离开关选择表
计算数据
ZN—35/1250—16型断路器
GN2—35/600型隔离开关

37KV

35KV

35KV

0.246KA

1.25KA

0.6KA

11.72KA

16KA
—

31.48KA

40KA
—

481.9

915.2

1600

31.48KA

40KA

50KA
由表中数据可知，所选隔离开关也满足要求

5.2 母线的校验
5.3.1 500kV高压母线的校验

5.3.2 220kV高压母线的校验

5.3.3 35kV母线的校验

七、心得
发电厂课程设计心得

这次发电厂课程设计，从开始到结束，总共花了将近两周的时间，我们小组的每个成员，都付出了很多的努力，作为组长的我，责任更是重大，付出的努力也相对更多。回顾这几天的整个过程，感觉很充实很有收获。不仅学到了很多知识，加深了对课本知识的理解和知识在实践中的应用，还提升了分配、协调任务，引导成员共同努力完成任务的能力。
在设计过程中，不可避免的会遇到各种问题，出现错误是常有的事。我们就因为很多细节没有注意，结果好几次都做了很多无用功。发现了错误，唯一的办法就是从哪里跌倒从哪里爬起来。记得当我们算好短路电流，准备选断路器的时候，得知500kV降压必须使用单相变压器时，不得不舍弃那些已经完成的计算，去查找那根本不熟悉的单相变压器。而当我们用选好的单相变压器，了解清楚它的特点，重新计算好短路电流，选好全部断路器和隔离开关时，却发现计算变压器电抗时忽略了变压器高低压绕组容量不相等这个问题，没有按容量比进行归算，于是又一次不得不舍弃整版整版的计算结果，从变压器阻抗那里重新算起。类似的错误屡见不鲜，还有一些是因为计算时不仔细出现了错误，也增加了工作量。
然而，这都不是主要问题，最让人纠结的是，对有些实际问题，很难下手，很难在两个选择之间做决定。就像是220kV主接线问题，对于双母线带旁路和双母线分段带旁路，虽然说双母线分段比双母线可靠性高，但双母线可靠性也不差，在投资上，二者也没有特别明显的差别，而且对于具体工程问题，我们也不清楚220kV电压等级可靠性要求到底有多高，投资多少算是合理，根据学过的知识，很难在二者之间做出抉择。最后，不得不参考实际工程，根据实际情况，最终舍弃了双母线分段带旁路的接线方案。可是也由于没有很充分的理由来通过对比排除，所以最终我们没有把它列在备选方案中。
任务分配也是一个难题，成绩好的同学每个环节都有能力参与甚至独立完成，可是还是有相当一部分同学无法将其融入到其中的任何一个环节，不得不安排一些非常简单的任务，以致进度受到很大影响，由于没有人监督，出错的概率也大。不过还好大家能肯出力做自己力所能及的事情，还是能够减轻一些负担。
作为组长，不可避免的会付出的多一些，整个过程都要参与，从确定方案，计算，选设备，校验，整合成果，都要全力参与。不过虽然辛苦，却也自得其乐，很有收获，觉得很值得。总之，这次发电厂课程设计，让我学到了很多东西，是一次很宝贵的经验，我相信它会在毕业设计和以后工作的时候发挥巨大的作用。

电气0902 周明
200924050226
2012/6/10

八、 附录1：500KV变电所电气主接线原理图
附录2：500KV变电所电气配置图