220kV变电站电气设备选择

摘要 .......................................................... 2 关键字 ........................................................ 2 第一章 引言 ................................................... 2 第二章 电气主接线设计 ......................................... 3 2.1电气主接线的概念及其重要性 ................................ 3 2.2 电气主接线的基本形式 ...................................... 3 第三章 主变压器的选择 ......................................... 5 3.1主变压器的台数和容量选择 .................................. 6 3.2主变压器形式的选择 ........................................ 6 3.3连接方式 .................................................. 7 3.4选择原则 .................................................. 7 3.5主变压器选择的结果 ........................................ 8 第四章 220kV电气部分短路电流计算 ............................. 8 4.1变压器的各绕组电抗标么值计算 ............................. 10 4.2 10kV侧短路电流计算 ...................................... 11 4.3 220kV侧短路电流计算 ..................................... 14 4.4 110kV侧短路电流计算 ..................................... 16 第五章 导体和电气设备的选择 .................................. 17 5.1电气设备选择的要求 ....................................... 17 5.2 220kV侧设备的选择和校验 ................................. 18 5.3 110kV侧设备的选择和校验 ................................. 21 5.4 10kV侧设备的选择和校验 .................................. 23 小 结 ....................................................... 26 参考文献 ..................................................... 27 附 录 ........................................................ 28

220kV变电站电气设备选择

张洋洋

摘要：随着我国科学技术的发展，电力系统对变电站的要求也越来越高，本设计讨论的220KV变电站电气设备的选择设计，首先对原始资料进行分析，然后选择合适的主变压器，在此基础上进行主接线设计，短路电流计算等一系列相关工作。

关键字：变电站 短路电流计算 设备选择 第一章 引言

毕业设计是我们在校期间最后一次综合训练，它从思维，理论以及动手能力方面给予我们严格的要求，使我们的综合能力有了进一步的提高。

能源是社会生产力的重要组成部分，随着社会生产的不断发展，人类对使用能源质量要求也越来越高。电力是工业的基础，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。如果要满足国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界发展的规律。因此，做好电力规划，加强电网建设，就很尤为重要。同时，电气设备的选择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，控制电力流向和调整电压的责任。220kV电气设备选择设计使其对边边站有了一个整体的了解。该设计包括以下任务：1、主接线的设计 2、主变压器的选择 3、短路电流的计算 4、导体和电气设备的选择。

第二章 电气主接线设计

2.1电气主接线的概念及其重要性

在发电厂和变电所中，发电机，变压器，断路器，隔离开关，电抗器，电容器等高压电气设备中，以及将它们连接在一起的高压电缆和母线，构成了电能生产、汇集和分配的电气回路，这个电气主回路被称为电气一次系统，又叫做电气主接线。

用规定的设备图形和文字符号，按照各电气设备实际的连接顺序而绘成的能够全面表示电气主接线的电路图，称为电气主接线图。发电厂、变电所的电气主接线可有多种形式。选择何种电气主接线，是发电厂、变电所电气部分设计中的最重要的问题，对各种电气设备的选择、配电装置的布置继电保护和控制方式的拟定等都有决定性影响，并将长期地影响电力系统运行的可靠性、灵活性和经济。

2.2 电气主接线的基本形式

1、单母线接线

这种主接线最简单，只有一组母线，所有进、出线回路均连接到这组母线上。

优点：接线简单清晰，设备少，投资低，操作方便，便于扩建，也便于采用

成套配电装置。另外，隔离开关仅仅用于检修，不作为操作电器，不

易发生操做。

缺点：可靠性不高，不够灵活。断路器检修时该回路需停电，母线或母线隔离开关故障或检修时则需全部停电。

适用范围：单母线接地不能作为惟一电源承担一类负荷，在此前提下可用以下情形：

（1）6~10kV 配电装置的出现不超过5回时。 （2）35~60kV 配电装置的出线不超过3回时。 （3）110kV~220kV 配电装置的出线不超过2回时。 2、单母线分段接线

及一般单母线接地相比，单母线分段接地增加了一台母线分段断路器以及两侧的隔离开关。当负荷量较大且出线回路很多时，还可以用几台分段断路器将母线分成多段。

优点及适用范围

优点：单母分段接地能提高供电的可靠性。当任一段母线或某一台母线隔离开关故障及检修时，自动或手动跳开分段断路器，仅有一半线路停电，领一段母线上的各回路仍可正常运行。重要负荷分别从两段母线上各引出一条供电线路，就保证了足够的供电可靠性。

范围：（1）6~10kV配电装置总出线回路数为6回及以上，每一分段所接容纳不宜超过25MW。

（2）35~60kV配电装置总出线回路数为4~8回时。 （3）110kV~220kV配电装置总出线回路数为3~4回时。 3、双母线带旁路母线接线

双母线带旁路母线的几种接线形式

母线联络断路器，又有专用旁路断路器，2回电源进线也参加旁路接

线。

（1）母线断路器兼作旁路断路器的接线形式。 （2）旁路断路器兼作母联断路器的接线形式。

（3） 适用范围：110kV~220kV配电装置的出线送电距离较长，输送功率较大，停电影响较大，且常用的少油断路器年均检修时间长达5~7天，因此较多设置旁路母线。如果采用检修周期可以长达20年的SF6断路器，亦不必设置旁母。

220kV出线6回，而由于本回路为重要负荷对其影响很大，因而选用双母线带旁路接线方式。

第三章 主变压器的选择

发电厂中用来向电力系统或用户输送电能的变压器称为主变压器，其中用于沟通两个升高电压等级并可互相交换功率的变压器称为联络变压器;而只供发电厂本身用电的变压器则称为厂用变压器。

除发电机外，主变压器是发电厂中最为宝贵的大型电气设备。主变压器台数、容量和形式的选择是否合理，对发电厂的安全经济运行至关重要。

3.1主变压器的台数和容量选择

当采用扩大单元接线时，应采用低压分裂绕组变压器，其容量也及所连接的发电机容量相配套。

(1)、容量为200MW及以上的发电机及主变压器为单元连接时，该变压器的容量可按下列两种条件中的比较大者选择:

①、按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷，且变压器绕组的温升在标准环境温度或冷却温度下不超过55℃。

②、按发电机的最大联系输出容量扣除本机组的常用负荷，且变压器的绕组的温升不超过65℃。

(2)、发电机及主变压器为单位连接时，主变压器的容量可按下列条件的较大者选择：

①、按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的欲度。 ②、按发电机的最大连续输出容量扣除本机组的厂用负荷。

3.2主变压器形式的选择

在容量相同的情况下，一台三相变压器比由三台单相变压器组成的变压器组便宜许多，且占地和运行损耗都小，因此，凡能够采用三相变压器时都应首先选择三相变压器。

当机组为125MW及以下容量的发电厂有两级升高电压时，一般优先考

虑采用三绕组变压器。但当两种升高电压德负荷相差很大，经常流过三绕组变压器某一侧德功率小于该变压器额定容量的15%时，则宜选两台双绕组变压器。

及同容量的普通变压器相比，自耦变压器消耗材料省，体积小。重量轻，造价低，同时功率损耗也低，输电效率较高，可以扩大变压器的制造容量，便于运输和安装。在220kV及以上降压变电所中应用很广泛。

3.3连接方式

发电厂中大多数大容量主变压器都采用Y，d接线或者Y，y，d，接线，其低压侧绕组总是接成三角形。

3.4选择原则

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，并适当的考虑远期10~20年的负荷发展。根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变容量。对于有种要负荷的变电所，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的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对于一般性变电所，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%。

S总=80+100+35=215MVA同时率取0.85

容量确定：Sn =0.70.85215e0.25 =164.5MVA

3.5主变压器选择的结果

查阅《发电厂电气部分》，选定变压器的容量为180MVA

由于升变压器有两个电压等级，所以选择三绕组变压器，选定主变压器的

型号为：SFPS7-18000/220。 主要技术参数如下： 额定容量：18000kVA

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SFPS7-18000/220型变压器为主。 第四章 220kV电气部分短路电流计算一、短路电流计算目的

为了保证电力系统安全运行,在设计选择电气设备时，都要用可能流经该设备的最大短路电流进行热稳定校验和动稳定校验，以保证该设备在运行中能够经受住突发短路引起的发热和电动力的巨大冲击。同时，为了尽快切断电源对短路点的供电，继电保护装置将自动地使有关断路器跳闸，继电保护装置的奠定和断路器的选择，也需要准确的短路电流数据。 二、短路电流计算的条件

（1）短路类型。通常按三相短路验算。当单相短路电流比三相短路电流更大时可按短路单相短路检验。

（2）系统容量和接线。为使选定设备在系统发展时仍能继续适用，可按5~10年远景规划。

（3）短路点计算。使被选定设备通过最大短路电流的短路点称为设备的短路计算点。 三、短路电流计算的步骤

（1） 画出以标么值电抗的等值电路图（取Sd=100MVA，Ud=Uav）,原始网络中所有的负荷均认为是断开的。

（2）进行等值的网路化简，最终要简化成各个电源及短路点之间都是只经过一个电抗直接相连。这个直连电抗就称为该电源对短路点的“转移电抗”。

（3）将各个“转移电抗”分别换算成以各自的电源总容量为基准容量的新标么值，即为各电源到短路点的“计算电抗”Xca。

（4）用各“转移电抗”在“运算曲线”上查出各电源供给的短路电流周期分量任意时刻的标么值。

（5）将各电源供给的短路电流标么值乘以各自的电流基准值，就得到短路点处由各电源供给的短路电流周期分量有名值。

（6）将各电源点供出的短路电流有名值相加，就得到了短路点总的三相短路电流有名值。

系统阻抗：在最大运行方式下，220kV侧电源近似为无穷大A，归算至本220kV母线侧阻抗为0.015（S₁=100MVA）,110kV侧电源容量为500MVA，归算至本所110kV母线侧阻抗为0.36（S₁=100MVA），变压器型号为SFPS7

—180000/220。

SN=180MVA,高中，高低，中低阻抗电压分别为14%，23%，7%，简化如图

所示：

4.1变压器的各绕组电抗标么值计算

Us1%=

1Us12%Us(31)%Us(23)= 21Us(12)%Us(23)%Us(31)%==-1 2Us₂%=

Us₃%=Us(31)%Us(23)%Us(12)%==8

设SB100MVA,UBUav XT1*=

Us1%SB151000.083 100SN100180XT2*=Us2%SB-1100==-0.006 100SN100180XT3*=Us3%SB8100==0.044 100SN1001804.2 10kV侧短路计算

f(3)-1短路时, 示意图如下

'X1=(XT1*+ XT2*+)=(0.0830.006*12120.0060.083)=0.033

0.044XX1X'2*=(XT2*+XT3*+T2*T3*)2XT1*

1-0.0060.044=(-0.006+0.044+）=0.018 20.083XT1*XT3*1X'3*=(XT1*+XT3*+)2XT2*

10.0830.044(0.083+0.044+) =-0.241 2-0.006三角形转变为星形：

0.033(0.24)0.0330.0180.2410.042 

0.018(0.241)0.0330.0180.2410.023 X'2*X'1*X'1*+X'2*+X'3*0.0180.0330.0330.0180.241

X3*=0.003

f(3)-1短路的等值电路图

再次简化

因为 X1=0.042 XAs0.015 XBS=036 所以 XAXAsX1

=0.015+0.042 =0.057

XBXBSX30.360.0030.357

示意图如下所示：

做三角形变换：

XAF*=XA*+XC*+XA*XC*XB*0.0570.0230.357

XB*XC*0.3570.0230.3570.0230.524 XA*0.0570.0570.23

0.084XBF*=XB*+XC*+示意图如下：

计算电抗： XjsB=XBF*SNi5000.5242.62 SN100汽轮发电机计算曲线，0s时标么值为

IBO=0.390

因为A电源为无穷大系统所以提供的短路电流为

IP*=1111.90 XAF*0.084所以短路电流有名值为

IFO0.390500310.511.90

冲击电流

ish2.5576.154194.193

4.3 220kV侧短路计算

f-2短路时，示意图如下：

(3)

短路等值电路为：

XB*=XT*=XBS*=0.039+0.36=0.399

A电源的短路电流为：

IP*=11 = =66.667 XAS*0.015500=2.00 100XjSB= 0.399IB0=0.512

所以短路电流有名值为：

If00.512500323066.667100323017.376kA

冲击电流为：

ish2.5517.37644.309kA

4.4 110kV侧短路计算

f(3)-3短路时

XA*=XT*+XAS*=0.039+0.015=0.054 上图简化图如下：

A为无穷大系统所以有

IP*=1118.519 XA*0.054而

查汽轮发电机的计算曲线得 IB0=0.570

所以短路电流有名值为

Ifo0.570500311518.519100311510778kA

冲击电流：ish2.5510.77827.484kA

短路容量：Sk311510.7782146.825MVA 短路电流计算列表如下：

短路点 基准电压 (kA) 10.5 230 短路电流 (kA) 76.154 17.376 冲击电流 (kA) 194.193 44.309 f-1 f-2 f-3 115 10.778 27.484 第五章 导体和电气设备的选择

5.1电气设备选择的要求

一．选择的一般要求：

（1）、应满足正常运行、检修、短路和过电压情况的要求，并考虑远景的发展。

（2）、应按当地环境条件校核。 （3）、应力求技术先进和经济合理。 （4）、及整个工程的建设标准应协调一致； （5）、同类产品应尽量减少品种； 二、按正常工作条件选择电器：

1、额定电压和最高工作电压：

所选电器允许最高工作电压Ua1m不得低于所接电网的最高运行电压 2、额定电流：

电器德额定电流IN是指在额定周围环境温度下，电器的长期允许电流。IN应不小于该回路下最大长期工作电流：INUNS 三、按短路条件校验设备的动稳定和热稳定

1.短路动稳定校验

制造厂一般直接给出定型设备允许的动稳定峰值电流，动稳定条件为 ish<=imax

Ish<=Imax

2.短路热稳定校验

通常制造厂直接给出的设备热稳定电流I，及允许的时间t，热稳定的条件为

Itima<=Itt 四、断路器的选择

断路器德选择内容包括:选择形式；选择额定电压；选择额定电流；校验开断能力校验动稳定；校验热稳定。

1.选择形式

断路器型式的选择，应在全面了解其使用环境的基础上，结合产品的价格和已行设备的使用情况加以确定。

2.具体技术条件如下： 额定电压校验：UN≥UNs 额定电流校验：IN＞Imax 开段电流：INbr＞I″″ 动稳定：ies＞ish 热稳定：It2t> Qk

2

2

5.2 220kV侧设备的选择和校验

流过断路器的最大持续工作

Imax1.05180000496.01A

32201.额定电压选择：UN≥UNs=220kV

2.额定电流选择：IN＞Imax=496.01A 3.开断电流选择：INbr＞I″=17.376kA

选择SW6—220/1200，其SW6—220/1200技术参数如下表：

型号 额定电额定 压kV 断流容 额定断极限通热稳定 流 量kA 固有分 闸时电流A 量MVA 过 电流kA 峰值 21 55 电流kA 4S 21 间S SW6-220/1200 220 1200 6000 0.04 4.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

I0.80.5195003230500323066.667100323010032301003230100323017.319kA

I1.60.51266.66717.321kA

QKtk1217.37621017.319217.321221.6所以，Itt> Qk

122120.252[（KA）S]I\"210I2tk/2I2tk满足热稳校验，所选断路器满足要求。

5.动稳定校验：ies=55kA＞ish=44.309kA满足校验要求 主变侧隔离开关的选择及校验过程如下：

1.额定电压选择：UN≥UNs=220kV 2.额定电流选择：IN＞Imax=496.01A 3.极限通过电流选择：ies＞ish=44.309kA GW6—220D/1000—80，其技术参数如下表：

型号 额定 电压 kV 额定 电流 A 峰值 GW6—220D/1000—80 4.热稳定校验：It2t> Qk

It2t=23.72×4=2246.76[(kA)2s] 所以, It2t> Qk 满足热稳校验。

5.动稳定校验：ies=80kA＞ish=44.309kA满足校验要求。 所以所选隔离开关满足要求。

220 1000 80 极限通过电流kA kA 4S 23.7 热稳定 电流 5.3 110kV侧

断路器的选择及校验

流过断路器的最大持续工作电流

Imax1.05180000992.02A

3110具体选择及校验过程如下： 1.额定电压选择：UN≥UNs=110kV 2.额定电流选择：IN＞Imax=992.02A 3.开断电流选择：INbr＞I″=10.778kA 初选SW4—110/1000技术数据如下表所示：

型号 额定电压kV 额定断流容额定断极限通热稳定固有分闸电流kA 时间S 电流A 量MVA 流量kA 过电流 kA 峰值 5S 21 0.06 SW4—110/1000 110 1000 3500 18.4 55 4.定校验：It2t>Qk

It2t=212×5=2205[（kA）2S]

时间取0.06S，热稳定计算时间：tk=1.5+0.06+0.06=1.62S

查转移电抗并计算短路电流

I1.620.5845003115500311518.5191003115100311510.762kA

I0.810.57518.51910.730kA

I\"210I2tk/2I2tkQktk

1210.77821010.730210.76221.62 =

12=186.747(kA)2•S

所以，It2t> Qk满足热稳校验。

5.动稳定校验：ies=55kA＞ish=27.484kA满足校验要求。 所以所选断路器满足要求。 隔离开关的选择及校验过程如下

1.额定电压选择：UN≥UNs=110kV 2．额定电流选择：IN＞Imax=992.02A 3．极限通过电流选择：ies＞ish=27.484kA 选择GW4—110D/1000—80其技术数据如下表：

型号 额定电压额定电流极限通过电流kV A kA 峰值 热稳定电流kA 4S GW4—110D/1000—80 110 1000 80 21.5 4.热稳定校验：Itt> Qk

It2t=21.52×5=2311.25[（kA）2s] 所以，It2t> Qk满足热稳校验

5.动稳定校验：ies=55kA＞ish=27.484kA满足校验要求

110kV母联断路器及隔离开关的最大工作条件及变中110KV侧应满足相同的要求，故选用相同设备。即选用SW4-110/1000型少油断路器和GW4-110D/1000—80型隔离开关。

2

5.4 10kV侧

流过断路器的最大工作电流：

Imax1.05351414.4A310.5

具体选择及校验过程如下： 1.额定电压选择：UN≥UNs=10kV 2.额定电流选择：IN＞Imax=1414.4A 3.开断电流选择：INbr＞I″=20kA

选择SN4—10G/5000，其技术参数如下表所示：

型号 额定电额定 压kV 断流容 额定断极限通热稳定 流 量kA 固有分 电流A 量MVA 过 电流kA 峰值 电流kA 闸时间 4S 120 0.15 SW4-10G/5000 10 5000 1800 105 300 4.热稳定校验

It2t=1202×5=72000[（kA）2S]

设后备保护时间为1.5S，灭弧时间为0.06S

tk1.50.150.061.71S

查短路电流计算曲线并换算成短路电流有名值：I″=20kA

I1.710.37500310.5500310.511.9100310.5100310.575.6kA

I0.8550.3811.976.1kA

2I\"210I22021076.1275.62t/2It/2Qktk1.719123.9(kA)2s

1212 It2t> Qk 满足要求。

5.校验：ies=300kA＞ish=51kA满足校验要求, 所选断路器满足要求. 隔离开关的选择及校验过程如下：

1.额定电压选择：UN≥UNs=10kV 2.额定电流选择：IN＞Imax=1414.4A 3.极限通过电流选择：ies＞ish=51kA 选择GN10—10T/5000—200，其技术参数如下

型号 额定电压kV 额定电流 极限通过热稳定电流kA A 电流 kA 峰值 200 5S 100 GN10-110T/5000-200 10 5000 4.热稳定校验：It2t> Qk It2t=1002×5=50000[（kA）2s]

所以，It2t> Qk= 9123.9 [（kA）2s]，满足热稳校验。 5.动稳定校验：ies=200kA＞ish=51kA满足校验要求。

10kV母联断路器及隔离开关最大工作条件及变低10kV侧条件一致，故选用相同设备。即选用SN4-10G/5000型少油断路器和GN-10T/5000-200型隔离开关。

小 结

经过三个多月的时间，我顺利的完成了这次毕业设计。从总体上来说，我对自己的成果还是比较满意的，也基本上达到了老师的要求。这段时间我翻阅了许多的书籍，从对变电站的生疏，到了解，再到深入研究，第一次完成了一件实际应用的设计。不过由于本人经历、阅历、实际操作能力有限。难免存在一些不近如人意的地方，请各位老师指点。

通过本次设计，不仅丰富了我的专业知识，还让我深深体会到了认识事物的过程。从拿到题目，再查阅资料，对题目进行设计、论证、修改到设计的完成。体现了理论联系实际的重要性。更重要的是这次设计让我学会了让自己独立完成一件事情，为将来参加工作做好基础。当然这次设计从开始到结束都离不开郑老师的帮助，在此表示谢意。

参考文献

[1]胡国根，王战铎，高压电技术[M].重庆：重庆大学出版社2008年 [2]马永翔，蓝蔚，兰琴，电力系统继电保护[M].重庆：重庆大学出版社2004年

[3]王士政，冯金光，发电厂电气部分[M]北京：中国水利水电出版社2002年

[4]关金峰，李加护，发电厂动力部分[M]北京：中国电力出版社2007年 [5]娄志清，王永强，刘洋，电力电子技术[M]北京：中国电力出版社2009年

[6]丁书文，变电站综合自动化现场技术[M]北京：中国电力出版社2008年

附 录:

220kV侧 序 号 1 2 隔离开关 110kV侧 3 4 隔离开关 10kV侧 5 6 断路器 隔离开关 变压器 7 主变压器 所用变压器 SFPS7—180000/220 S9—250/10 SN10—10G/5000 GN10—10T/5000 断路器 SW4—110/1000 GW4—110D/10000—80 设 备 断路器 型 号 SW6—220/1200 GW4—220D/1000—80 8