摘 要

本说明书以220KV地区变电站设计为例，论述了电力系统工程中变电站部分电气设计（一次部分）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，主要电气设备型号及参数的确定，运行方式分析，防雷及过电压保护装置的设计，电气总平面及配电装置断面设计和无功补偿方案设计，较为详细地完成了电力系统中变电站设计。

限于毕业设计的具体要求和设计时间的限制，本毕业设计只对变电站电气一次部分做了较为详细的理论设计，而对其电气二次部分并没有涉及，这有待于在今后的学习和工作中进行研究。

关键词：变电站 短路电流 动稳定 热稳定 过电压保护装置 无功补偿

ABSTRACT

The statement about the 220kv transformer area substation design, discussed some electrical transformer stations design (one part) in power systems engineering of the entire process. Through the main transformer stations wiring design, stations wiring design stations, short circuit current calculations, check electrical equipment moving and thermal stability, set the main electrical equipment models and the parameters, the operating mode, design over-voltage protection and mine devices , design general electric graphic and distribution devices flood, and without power compensation. Lastly,completed substation design in power system.

Limited to the specific design requirements and design time of constraints, The design only is a part of the electrical transformer stations, and its second part did not involve, which research it in future study and work.

KEY WORDS: Substation, Short circuit currents , Moving stability，Thermal stability，Over-voltage protection devices，Without power compensation

目 录

摘 要 ............................................................ I ABSTRACT ......................................................... II 第1章 引言 ....................................................... 1 第2章 .主接线设计 ................................................. 2 ²2.1电气主接线的一般要求 .............................................. 2 ²2.2主接线选择的主要原则 .............................................. 3 ²2.3主接线方案设计 .................................................... 3 ²2.3.1 方案拟定及技术比较 ........................................... 3 ²2.3.2 方案的经济性比较 ............................................. 5 ²2.3.4主变的选择 .................................................... 9 ²2. 3. 4. 1选择原则 ............................................... 9 ²2.3.4.2容量计算 ................................................. 10 本章小结 ......................................................... 11 第3章 站用电接线及设备用电源接线方案 ............................... 12 ²3.1 所用电源数量及容量 ............................................... 12 ²3.2所用电源引接方式 ................................................. 12 ²3.3 所用变压器低压侧接线 ............................................. 12 ²3.4所站用电接线 ..................................................... 13 ²3.5备用电源 ......................................................... 13 本章小结 ......................................................... 14 第4章 短路计算................................................... 15 ²4.1短路故障产生的原因 ............................................... 15 ²4.2 短路故障的危害 ................................................... 16 ²4.3 短路电流计算的目的 ............................................... 16 ²4.4短路电流计算的内容 ............................................... 17 ²4.5 短路电流计算方法 ................................................. 17 ²4.6三相短路电流周期分量起始值的计算 ................................. 18 ²4.6.1短路电流计算的基准值 ......................................... 18 ²4.6.2网络模型 ..................................................... 18 ²4.6.3三相短路电流周期分量起始值的计算步骤 ......................... 18 本章小结 ......................................................... 22 第5章 设备的选择及动、热稳定校验 .................................. 23 ²5.1.按正常工作条件选择电气设备 ...................................... 23 ²5.2.按短路状态校验 .................................................. 24 ²5.3 断路器、隔离开关的选择原则 ....................................... 25 ²5.4.互感器的选择 .................................................... 28

²5.4.1电流互感器的选择 ............................................. 28 ²5.4.2 电压互感器的选择 ............................................ 30 ²5.4.3 熔断器的选择 ................................................ 30 ²5.4.4所设备如下表 ................................................. 31 ²5.5.裸导体的选择 ................................................ 33 ²5.5.1 一般要求: .................................................. 33 ²5.5.2导体的选择 ................................................... 34 ²5.5.3 截面的选择 .................................................. 34 ²5.6.运行方式分析 .................................................... 37 本章小结 ......................................................... 38 第6章 配电装置................................................... 39 ²6.1配电装置的基本要求: .............................................. 39 ²6.2配电装置的类型及特点 ............................................. 39 ²6.3配电装置的设计原则 ............................................... 40 ²6.4 配电装置设计的基本步骤 ........................................... 41 ²6.5配电装置的选用 ................................................... 41 ²6.6电气总平面布置 ................................................... 43 本章小结 ......................................................... 43 第7章 防雷及过电压保护装置设计 .................................... 44 ²7.1避雷针 ........................................................... 44 ²7.2避雷器 ........................................................... 45 ²7.3防雷接地 ......................................................... 46 ²7.4变电所的防雷保护 ................................................. 47 ²7.5变电所的进线段保护 ............................................... 48 ²7.6 接地装置 ......................................................... 48 本章小结 ......................................................... 48 第8章 无功补偿................................................... 49 ²8.1 提高功率因数的意义 ............................................... 49 ²8.2 补偿装置的确定： ................................................. 49 ²8.3功补偿容量计算 ................................................... 50 ²8.3.1补偿的最大容性无功量计算 ..................................... 50 ²8.3.2变压器补偿的最大的容性无功量 ................................. 51 本章小结 ......................................................... 53 第5章 结束语 .................................................... 54 致 谢............................................................ 55 参考文献 ......................................................... 56 附录 ............................................................ 57

第1章 引言

电力工业是国民经济的重要部门之一，它是负责把自然界提供的能源转换为供人们直接使用的电能的产业。它即为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。电力是工业的先行。电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。

我国具有极其丰富的能源。这些优越的自然条件为我国电力工业的发展提供了良好的物质基础。但是，旧中国的电力工业落后，无法将其利用。不过，随着改革开放的深入发展，我国电力工业的发展很快。到2000年，我国电力工业已跃升世界第2位，电力工业的发展为我国的国民经济的高速发展做出了巨大的贡献。不仅如此，目前我国的电力工业已开始进入“大电网”、“大机组”、“超高压交、直流输电”等新技术发展的新阶段，一些世界水平的先进的高新技术，已在我国电力系统中得到了相应的应用。

但是，随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电力工业的发展仍不能满足整个社会发展的需要，未能很好起到先行的作用，仅以2004年夏季的供电负荷高峰期为例，全国预计总共缺电3000万KW左右，有24个省区都先后出现拉闸限电的的情况，这样的局面预期还要过2～3年才可能得到较好的解决 。

另外，由于我国人口众多，由此在按人口平均用电方面，迄今不仅仍远远落后于一些发达国家，即使在发展中国家中，也只处于中等水平，尚不及全世界平均人口用电量的一半。因而，要实现在21世纪初全面建设小康社会的要求，我国的电力工业必须持续、稳步地大力发展，一方面是要大力加强电源建设，搞好“西电东送”，以确保电力先行，另一方面，要继续深化电力体制改革，实施厂网分开、竞价上网，并建立起符合社会主义市场经济法则的、规范的电力市场。

展望未来，我们坚信，在新世纪中，中国的电力工业必须持续、高速地发展，取得更加辉煌的成就。

第2章 .主接线设计

电所电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出一种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。变电所的电气主接线是电力系统接线的重要部分，它表明变电所内的变压器、各电压等级的线路 、无功补偿设备以最优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电所内各种电气设备之间的连接方式。

电气主接线的设计与所在电力系统及所采用的设备密切相关。随着电力系统的不断发展、新技术的采用、电气设备的可靠性不断提高 ，设计主接线的观念也应与时俱进、不断创新。

变电所电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出一种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。变电所的电气主接线是电力系统接线的重要组成部分。它表明变电所内的变压器、各电压等级的线路、无功补偿设备最优化的接线方式与电力系统连接，同时也表明在变电所内各种电气设备之间的连接方式。一个变电所的电气主接线包括高压侧、中压侧、低压侧以及变压器的接线。因各侧所接的系统情况不同，进出线回路数不同，其接线方式也不同。

·2.1电气主接线的一般要求

1）应按电源情况、负荷性质、容量大小及邻近变配电所联系等因素确定主接线型式。力求简单可靠，维护方便，使用灵活，便于发展。

2）架空进线避雷器设在靠近变压器的架空进线处；电缆进线的避雷器设在进线开关后的母线上。

3）一段母线设一组电压互感器。当分段的单母线在正常运行时不为分段，亦可仅设一组电压互感器。

4）设在母线上的电压互感器及避雷器可合用一组隔离开关。

5）按电业局要求必须设置高压计费时，则必须在计费处装设电流互感器及电压互感器专柜。

6）在所以进出线回路上按指示计量、继电保护的要求装设电流互感器。 7）单电源的主接线，可以仅在断路器靠电源侧、装设隔离开关或隔离触头。 8） 在电源进线上应装设带电指示装置。若采用真空断路器时，为防止操作过电压，应在供电变压器的10~35KV 线路上装设阻容吸收器或氧化锌避雷器。

另外，对电气主接线还要求可靠性、灵活性、经济性，这三者是一个综合概念，不能单独强调其中的某一种特性，也不能忽略其中的某一种特性。但根据变电所在系统中的地位和作用的不同，对变电所主接线的性能要求也不同的侧重。例如，系统中的超高压、大容量枢纽变电所，因停电会对系统和用户造成的损失较小，故对其主接线的经济性就特别重视。

·2.2主接线选择的主要原则

1）变电所主接线要与变电所在系统中的地位、作用相适应。根据变电所在系统中的地位，作用确定对主接线的可靠性、灵活性和经济性的要求。

2）变电所主接线的选择应考虑电网安全稳定运行的要求，还应满足电网出故障时应处理的要求。

3）各种配置接线的选择，要考虑该配置所在的变电所性质，电压等级、进出线回路数、采用的设备情况，供电负荷的重要性和本地区的运行习惯等因素。

4）近期接线与远景接线相结合，方便接线的过程。 5）在确定变电所主接线时要进行技术经济比较。

·2.3主接线方案设计 ·2.3.1 方案拟定及技术比较

1）单母线分段

优点: 母线经断路器分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个供电电源;一段母线故障时(或检修),仅停故障(或检修)段工作,非故障段仍可继续工作.

缺点:当一段母线或母线隔离开关故障或检修时,接在该段母线上的电源和出线,在检修期间必须全部停电;任一回路的断路器检修时,该回路必须停止工作.

通过该接线优缺点的分析,可见,方案一中35KV采用此接线方式，其优点是当一母线发生故障时,分段断路器能自动把故障切除,保证正常段母线不间断供电和不至于造成用户停电;缺点是当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时,接在该母线上的回路都要在检修期间停电,所以,该接线方式对于35KV侧可以考虑.另一方面是考虑到地区性一般变电所对经济性的考虑.

2）双母线接线

优点:供电可靠,可以轮流检修一组母线而不致使供电中断,一组母线故障后，能迅速恢复供电;调度灵活;扩建方便.

缺点:接线复杂,设备多,母线故障有短时停电.

通过该接线优缺点的分析,可见,在方案一和方案二中的应用此接线方式,主要是因为它对供电可靠性的保证.即是说,当一母线故障或检修的时候，由母联断路器向另一母线充电,直到完成母线转换过后，在断开母联断路器,使原工作母线退出运行.缺点是当母线故障或检修的时候,会有短时停电.但是对于方案中的用户侧是可以考虑的.

3)3/2接线

优点:高度可靠性，调度运行灵活，操作检修方便.任一母线故障或检修,均不导致停电.

缺点:造价高，而二次控制复杂

通过对该接线优缺点的分析，可见，在方案二中采用该种接线方式，主要是为了提高供电的可靠性.但此类接线造价比较高，所以，一般只在大容量变电站中使用.

从上述的比较可以看出,三种接线从技术的角度来看主要的区别是在可靠性上，双母线比单母线可靠性高，3/2接线比双母线的可靠性更高.但对于220KV地区性变电站来说，双母线接线的可靠性已能达到要求,且地区性变电站主要是要求经济性.所以,确定选择第一种接线方案.

在方案中，由于远期投入是3台主变,近期只要2台.所以,对第3台的设计,主要的区别在35KV侧,此时,第3台主变接在35KV的母线断路器上,这种接线的目的是为了减小投资.现在从技术的角度来讨论，当35KV母线故障或检修时,3号主变可以从另一母线向负荷供电.可见，它并不影响单母线接线的工作方式，所以，这种接线方式对35KV侧是可以考虑的.

·2.3.2 方案的经济性比较

1）从电气设备的数目及配电装置上进行比较

2）计算综合投资Z

（1） Z＝Z0(1＋a100) (元)

式中: Z0—为主体设备的综合投资,包括变压器﹑高压断路器﹑高压隔离开关及配电装置等设备的中和投资;

a— 为不明显的附加费用比例系数,一般220取70％,110取90％.

（2）主体设备的综合投资如下 ①主变

②220KV侧SW6 220型断路器

—80型隔离开关

③220KV侧GW4—220D

④110KV侧SW6 110 型断路器

⑤110KV侧GW4—110型隔离开关

⑥35侧SW2 35 型断路器

⑦35侧GW5—35G型隔离开关

⑧配电装置

⑨综合投资

(3)计算年运行费用U

① U＝a△A＋U1＋U2(万元) 式中: U1—检修、维护费,一般取(0.022～0.042)Z U2—折旧费,一般取(0.05～0.058)

a— 电能电价,一般可取0.1元/kw²h

△A—变压器电能损失(kw²h)

②三绕组变压器

△A＝n(△P0＋K△Q0)T＋(△P3k＋K△Q3k) 3max]

式中: n—台数,T—三绕组变压器的年运行小时数,K—无功经济当量,系统中的变压器取0.1

△P0﹑△Q0—分别为三绕组变压器的空载有功损耗和空载无功损耗 KW △P1k﹑△P2k﹑△P3k—分别为三绕组变压器一﹑二﹑三侧绕组的有功损耗 KW

△Q1k﹑△Q2k﹑△Q3k—分别为三绕组变压器一﹑二﹑三侧绕组的无功损耗 KVAR

1max﹑ 2max﹑ 3max—分别为三绕组变压器一﹑二﹑三侧绕组最大负荷损耗时间h

主变的参数如下表：

SN100SN100

1n

[(△P1k＋K△Q1k) 1max＋(△P2k＋K△Q2k) 2max＋

Q0＝I0％³

＝0.9³2400＝2160

Q1K＝U1％³

＝14³2400＝33600

Q2K＝U2％³

SN100

＝－1³2400＝－2400

Q3K

＝U3％³

SN100

＝9³2400＝21600

T＝6500, 1max＝6500﹑ 2max＝4500﹑ 3max＝4000

A

＝n(△P0＋K△Q0)T＋

1n

[(△P1k＋K△Q1k) 1max＋(△P2k＋K△

Q2k) 2max＋(△P3k＋K△Q3k) 3max]

＝40200000 kw²h

方案一与方案二的年运行费用：

方案一：U1＝a△A＋0.1Z＝4020000＋966.2＝4020966.2 万元 方案二：U2＝a△A＋0.1Z＝4020000＋1584.213＝4021584.2万元 （4）方案的确定

① 技术的比较：单母线分段接线简单，控制简单，有利于变电站的运行。双母线接线可靠性较高，能满足220KV变电站。所以，选择方案一

② 经济的比较：U1＜U2，方案一投资少，且能满足技术的要求。所以，从运行费用的角度考虑，选择方案一。

·2.3.4主变的选择

变电站主变容量，一般应按5—10年规划负荷来选择。根据城市规划、负荷性质，电网结构等综合考虑确定其容量。对重要变电站，应考虑当1台变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足一类及二类负荷的供电。对一般性变电站，当1台主变压器停运时，其余变压器容量，其余，变压器容量应满足全部负荷的60%~70%。

²2.3.4.1选择原则 1） 相数

容量为300MW及以下机组单元接线的变压器和330kv及以下电力系统中，一般

都应选用三相变压器。因为单相变压器组相对投资大，占地多，运行损耗也较大。同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。

2）绕组数与结构

电力变压器按每相的绕组数为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。

在一发电厂或变电站中采用三绕组变压器一般不多于3台，以免由于增加了中压侧引线的构架，造成布置的复杂和困难。

3）绕组接线组别

变压器三绕组的接线组别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有星形“Y”和三角形“D”。

在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列以要求限制3次谐波对电源等因素。根据以上原则，主变一般是Y，D11常规接线。

4）调压方式

为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内，通过主变的分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数。从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一种是不带电切换，称为无激磁调压。另一种是带负荷切换，称为有载调压。

通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压。因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220kv及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况时使用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况定。

5）冷却方式

电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。 ²2.3.4.2容量计算

本系统中有110kv 和35kv两个负荷等级，其最大负荷为200MW，cos =0.85，

和70MW，cos =0.8

S

＝200/0.85+70/0.8＝322.8（MVA）

需要选择的变压器容量S＝0.7³322.8＝225.96（MVA） 选用三绕组变压器，查手册，选出的设备如下表：

本章小结

本章先从大的方面介绍了电气主接线设计的基本要求和主接线的基本接线形式，然后根据要求提出了两个设计方案，最后从技术和经济的角度对两个方案进行了比较，得出本系统所需的主接线形式。

第3章 站用电接线及设备用电源接线方案

·3.1 所用电源数量及容量

1) 枢纽变电所﹑总容量为60MVA及以上的变电所﹑装有水冷却或强迫油循环冷却的主变压器以及装有同步调相机的边点所，均装设两台所用变压器.

采用整流操作电源或无人值班的变电所,装设两台所用变压器,分别接在不同等级的电源或独立电源上.

如果能够从变电所外引入可靠的380V备用电源，上述变电所可以只装设一台所用变压器.

2) 500KV变电所装设两个工作电源.当主变压器为两台时,可以分别接在每一台主变压器的第三绕组上。两台所用变压器的容量应相等,并按全所计算负荷来选择.当建设初期只有一台主变压器时,可只接一台工作变压器.

3) 当设有备用所用变压器时,一般均装设备用电源自动投入装置.

·3.2所用电源引接方式

1) 当所内有较低电压母线时,一般均由这类母线上引接1～2个所用电源,这一所用电源引接方式具有经济和可靠性较高的特点。如能由不同电压等级的母线上可分别引接两个电源,则更可保证所用电的不间断供电.当有旁路母线时,可将一台所用变压器通过旁路隔离开关接到旁路母线上。正常运行时,则倒换到旁路上供电.

2) 由主变压器第三绕组引接,所用变压器高压侧要选用大断流容量的开关设备，否则要加装限流电抗器。

3) 由于低压网络故障机会较多,从所外电源引接所用电源可靠性较低.有些工程保留了施工时架设的临时线路，多用于只有一台主变压器或一段低压母线时的过度阶段.500KV变电所多由附近的发电厂或变电所引接专用线作为所用电源.

·3.3 所用变压器低压侧接线