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2013届本科生毕业设计 分类号：TM645

题 目: 220kv变电站电气主接线系统设计

作 者 姓 名： XXXXXX
学 号： XXXXXXXXXXXXX
学 院： 机械与电子工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
指导教师姓名： 穆海芳
指导教师职称： 助教（硕士）

2013年5月1日

摘 要

展望未来，我国能否在21世纪中后期基本上实现现代化，很大程度上取决于能源，而电力能源又占未来能源的主导地位。电力工业是国民经济发展的基础，作为支柱产业的它与国家的兴衰和人民的安康有着紧密的联系，随着经济快速发展和现在化工业建设的迅速崛起，工厂用电量持续增加，在伴随不可再生能源日益减少的情况下，对电能的质量、电能技术要求和供电的可靠性等指标也日益提高，因此对供电系统也有了更高、更完善的要求。
本设计以220KV变电站设计为例，论述了电力系统工程中变电站部分电气设备的（一次系统）的全过程，通过对变电站的主接线设计，站用电接线设计，短路电流计算，电气设备动、热稳定校验，主要电器设备的型号和参数的确定，运动方式的分析，此外还进行防雷保护的设计和计算，较为详细的完成了电力系统中变电站设计。
关键词：变电站；过电压保护装置； 无功补偿； 短路电流； 电气设备

ABSTRACT

Looking to the future, our country whether in late twenty-first Century basically realize modernization, a very large extent depends on energy, and the electric energy is the dominant energy future. Power industry is the foundation of national economy, as a pillar industry of it and the rise and decline of the state and the people of Ankang are closely linked, with the fast development of economy and the rapid rise of industry construction now, the factory electricity consumption continued to increase, with non-renewable energy is reduced circumstances, to the quality of electric energy, electrical energy technique requirement and power supply reliability index is also increasing, so the power supply system is also higher, better requirements.
The design of 220KV substation design, discussed power system substation parts electrical equipment ( a system ) throughout the process, through to the transformer substation main wiring design, stations wiring design, short-circuit current calculation, fixed electrical equipment, thermal stability check, the main electrical equipment models and the parameters, movement analysis, in addition to the lightning protection design and calculation, a detailed complete the power system in the substation design.
Key words： substation; vervoltage protection; reactive power compensation; short circuit current; electrical equipment
目 录
绪 论 1
1 电气主接线的设计 1
1.1 主接线的选择 1
1.2 主变压器选择结果 2
1.3 所用电设计 3
1.3.1 所用电选择 3
1.3.2 所用电接线图 3
2 变电站电气部分短路计算 4
2.1 变压器的各绕组电抗标幺值计算 4
2.2 10KV侧短路计算 5
2.3 220KV侧短路的计算 6
3 导体和电气设备的设计 7
3.1 断路器和隔离开关 8
3.1.1 220KV出线、主变侧 8
3.1.2 220KV侧电流互感器 9
3.2 导体的校验 10
3.2.1 220KV母线 10
3.2.2 变压器220KV侧引接线的选择与校验 10
4电气总平面布置及配电装置 11
4.1防雷接地设计 11
4.2 配电装置的确定 12
4.3 电气总平面布置 13
结 论 13

宿州学院毕业设计 220kv变电站电气主接线系统设计
绪 论
电力是能源工业、又是基础工业，在国家发展建设和国民经济发展中占据非常重要的地位，是实现国家现代化的战略重点。电能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。要满足未来国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界的发展规律。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大的作用。它承担着变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的责任。本文主要对220KV变电站电气部分进行设计，该设计包括以下任务：主接线的设计；主变压器的选择；短路计算；导体和电气设备的选择；所用电设计；防雷接地设计；配电装置设计等。
1 电气主接线的设计
1.1 主接线的选择
根据原始资料的分析现列出两种主接线的方案。
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），而双母接线使用范围是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[1]。方案主接线图如下：

图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 主接线方案二
现对两种方案比较如下[2]：
表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，保证在变压器检修或故障时，不致使该侧不停电，提高可靠性。
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。
1.2 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。
1.3 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。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[3]。
1.3.1 所用电选择
(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=215000×0.2%=430KVA
(3)所用变容量计算：
SB=0.7×S=301KVA
所用变压器参数:
型号：S9—315/10
U1e=6.3±5%（KV） U2e=0.4（KV）
连接组别：Y，yn0；
空载损耗：0.70（KW）；
阻抗电压：4（%）；
空载电流：1.5（%）；
1.3.2 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。对于中型变电站或装设有调相机的变电站，通常都装设两台站用变压器，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Ⅰ段和Ⅱ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。接线图如下所示。

　　　图3 所用电接线图
2 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。
SN=180MVA其中高中、高低、中低阻抗电压（%）分别为14，23，7。简化图如下图所示：

　　　图4 系统图的等值电路
2.1 变压器的各绕组电抗标幺值计算

设SB=100MVA，UB=Uav

2.2 10KV侧短路计算
f(3)-1短路时, 示意图如下：

图5 f(3)-1短路的等值电路图(1)

图6 f(3)-1短路的等值电路图(2)
再做三角形变换：

示意图如下：

图7 f(3)-1短路的等值电路图(3)
计算电抗：

汽轮发电机计算曲线，0s时标么值为
IB0*=0.390
因为A电源为无穷大系统所以提供的短路电流为：

所以短路电流有名值为[11]：

冲击电流：
短路容量：
2.3 220KV侧短路的计算
f(3)-2短路时，示意图如下图所示。

图8 f(3)-2短路的等值电路图(1)

图9 f(3)-2短路的等值电路图(1)
3 导体和电气设备的设计
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[4-5]。
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[6-8]：
表2 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
√
√

√
√
√
√
√
2
隔离开关
√
√

√

√
√
√
3
组合电器
√
√

√

√
√
√
4
负荷开关
√
√

√

√
√
√
5
熔断器
√
√

√
√

√
√
6
PT
√
√

√
7
CT
√

√

√
√
√
√
8
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

√

3.1 断路器和隔离开关
3.1.1 220KV出线、主变侧
（1）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为：

具体选择及校验过程如下：
a.额定电压：UN≥UNs=220KV
b.额定电流：IN＞Imax=496.01A
c.开断电流：INbr＞I″=17.376KA
选择SW6—220/1200，其SW6—220/1200技术参数如下表：
表3 SW6—220/1200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
4S
SW6-220/1200
220
1200
6000
21
55
21
0.04
d. 热稳定校验：It2t> Qk
It2t=212×4=1764[(KA)2S]
电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为：tk =1.5+0.04+0.06=1.6S
查计算电抗并计算短路电流为

所以，It2t> Qk，满足热稳校验。
e.动稳定校验：ies =55kA＞ies =44.309KA满足校验要求
具体参数如下表：
表4 动稳定参数表
计算数据
SW6-220/1200
UNs 220KV
UN 220KV
Imax 496.01A
IN 1200A
I″ 17.376KA
INbr 21KA
ish 44.309KA
INcl 55KA
QK 120.252[(KA)2s]
It2t 212×4=1764[(KA)2s]
ies 44.309KA
ies 55KA
（2）隔离开关的选择及校验过程如下：
a.额定电压选择：UN≥UNs=220KV
b.额定电流选择: IN＞Imax=496.01A
c．极限通过电流选择：ies＞ish=44.309KA
选择GW4—110D/1000—80其技术数据如下表：
表5 GW4—110D/1000—80技术数据
型号
额定电压KV
额定电流A
极限通过电流KA
热稳定电流KA
峰值
4S
GW4—110D/1000—80
220
1000
80
23.7
d.热稳定校验：It2t> Qk
It2t=21.52×5=2246.76[(KA)2s]
所以，It2t> Qk满足热稳校验
e.动稳定校验：ies=55kA＞ish=44.309kA满足校验要求
具体参数如下表：
表6 具体参数
计算数据
GW4-220D/1000—80
UNs 220KV
UN 220KV
Imax 496.01A
IN 1000A
QK 115.743[(KA)2S]
It2t 23.72×4=2246.76[(KA)2S]
ish 44.309KA
ies 80KA
3.1.2 220KV侧电流互感器
一次回路电压：
二次回路电流：
根据以上两项，初选 户外独立式电流互感器，其参数如下:
动稳定校验：

热稳定校验：

表7 LCW-220（4×300/5）参数
设 备
项 目
LCW-220
产品数据
计算数据
un≥ug
220KV
220KV

1200A
496.01A
＞
518KAS
115.743KAS
＞
101.81KA
44.309KA
3.2 导体的校验
3.2.1 220KV母线
采用钢芯铝绞线导体按最大持续工作电流选择查设备手册选LGJ型钢芯铝绞线，其标称截面为800/100 ，长期允许载流量为1402A。

温度修正系数

热稳定校验。正常运行时导体温度

查发电厂电气部分表C=89，则满足短路时发热的最小导体截面为

电晕校验：

3.2.2 变压器220KV侧引接线的选择与校验
按经济电流密度选择导体截面积：

查经济电流密度曲线，当Tmax=3600h时，经济电流密度 ，则

查阅资料选取LJ-800铝绞线。
当环境温度为40℃时
（考虑日照影响：取80℃）
按长期发热允许电流校验：

热稳定校验，正常运行时导体温度

查表得：

4电气总平面布置及配电装置
4.1防雷接地设计
220KV侧避雷器的选择和校验:
（1）型式选择：根据设计规定选用FCZ系列磁吹阀式避雷器。
（2）额定电压的选择：

因此选 FCZ-220避雷器，其参数如下表8：
表8 避雷器参数
型号
额定
电压
（kv）
灭弧电压有效值（kv）
工频放电
电压有效值（KV）
冲击放电电峰值（1.5/20）不大于（KV）
冲击残压不大于（KV）
不小于
不大于
FCZ-220
220
252
503
580
710
740
（3）灭弧电压校验：
最高工作允许电压：
直接接地：
（4）工频放电电压校验：
下限值：
上限值：＜580KV
上、下限值均满足要求。
（5）残压校验：＜740KV，满足要求。
（6）冲击放电电压校验：＜710KV，满足要求。
4.2 配电装置的确定
根据《电力工程电气设计手册》规定，110KV及以上多为屋外配电装置，35KV及以下的配电装置多采用屋内配电装置，故本所220KV[9-11]。
设计的变电站位于市郊区，地质条件良好，所用土地工程量不大，且不占良田，所以该变电所220KV电压等级均采用普通中型配电装置，具有运行维护、检修且造价低、抗震性能好、耗钢量少而且布置清晰，运行可靠，不易误操作，各级电业部门无论在运行维护还是安装检修，方面都积累了比较丰富的经验。
若采用半高型配电装置，虽占地面积较少，但检修不方便，操作条件差，耗钢量多。选择配电装置，首先考虑可靠性、灵活性及经济性，所以，本次设计的变电所，适用普通中型屋外配电装置，该变电所是最合适的。
表9 屋内配电装置的安全净距
符号
适用范围
额定电压10KV
A1
（1）带电部分直接接地部分之间
（2）网状和栅状遮栏向上延伸线距地2.3m处，与遮栏上方带电部分之间
125
A2
（1）不同相的带电部分之间
（2）断路器和隔离开关的断口两侧带电部分之间
125
B1
（1）栅状遮栏至带电部分之间
（2）交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间
875
B2
网状遮栏至带电部分之间
225
C
无遮栏裸导体至地面之间
2425
D
平行的不同时停电检修的无遮栏裸导体之间
1925
E
通向屋内的出线套管至屋外通道的路面
4000
表10 屋外配电装置的安全净距（mm）
符号
适用范围
额定电压（KV）
110J
220J
A1
（1）带电部分直接接地部分之间
（2）网状和栅状遮栏向上延伸线距地2.5m处
1000
1800
A2
（1）不同相的带电部分之间
（2）断路器和隔离开关的断口两侧引线带电部分之间
1100
2000
B1
（1）设备运行时，其外廓至无遮栏带电部分之间
（2）交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间
（3）栅状遮栏至绝缘体和带电部分之间
（4）带电作业时的带电部分至接地部分之间
1750
2550
B2
网状遮栏至带电部分之间
110
1900
C
（1）无遮栏裸导体至地面之间
（2）无遮栏裸导体至建筑物、构筑物顶部之间
3500
4300
D
（1）平行的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间
（2）带电部分与建筑物、构筑物的边沿部分之间
3000
3800
4.3 电气总平面布置
本变电所主要由屋外配电装置，主变压器、主控制室、及10KV屋内配电装置和辅助设施构成，屋外配电装置在整个变电所布置中占主导地位，占地面积大，本所有220KV、110KV各电压等级集中布置，将220KV配电装置布置在北侧， 110KV配电装置布置在南侧，这样各配电装置位置与出线方向相对应，可以保证出线顺畅，避免出线交叉跨越，两台主变位于电压等级配电中间，以便于高中低压侧引线的连接，便于运行人员监视控制，主控制楼布置在10KV屋内配电装置并排在南侧，有利于监视220KV及主变。
1)220KV高压配电装置
220KV同样采用屋外普通中型单列布置，它共有8个间隔，近期出线2个间隔，远期没有，两台主变进线各一个间隔，电流互感器及避雷器占一个间隔，母联和旁路断路器各占一个间隔，间隔宽度为8米[12]。
2)道路
因设备运输和消防的需要，主控楼、主变220KV、110KV侧配电装置处铺设环形行车道路，路宽4米，“丁”型、“十”字路口弧形铺设，各配电装置主母线与旁母之间道路宽3米，为方便运行人员操作巡视检修电器设备，屋外配电装置内设0.8～1米环形小道，电缆沟盖板也可作为部分巡视小道，行车道路弧形处转弯半径不小于7米。
结 论
本设计以220KV变电站设计为例，论述了电力系统工程中变电站部分电气设备的（一次系统）全过程，主要是主接线系统的设计，此外包括以下几个设计内容，主变压器的选择、短路计算、导体和电气设备的选择、所用电设计、防雷接地设计、配电装置设计等。
通过对变电站的主接线设计，站用电接线设计，短路电流计算，电气设备动、热稳定校验，主要电器设备的型号和参数的确定，运动方式的分析，对变电站有了一个整体的基本的了解，较为详细的完成了电力系统中变电站主接线系统的设计。

13

致 谢
本设计的顺利完成，自己付出了许多劳动，但与穆老师的细心指导是分不开的。在过程中体现出穆老师的渊博专业知识，更体现出了穆老师的宽厚待人的品质。我在设计过程中不但学会了勤奋求实的工作精神，更懂得了待人的品质。这一切将在我以后的工作生涯中起着重要的作用。借此机会，向帮助过我的老师及同学表示衷心的谢意！

参 考 文 献

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[4] 付明芝. 关于110kV变电站电气设计方案的探讨[J]. 民营科技, 2012(12):42-43
[5] 刘胜男. 浅谈110kV变电站电气一次系统设计[J]. 科技信息, 2012(27):401-402
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