220KV降压变电所的设计(电气课程设计)

220KV降压变电所的设计

宋旭升

摘要：随着我国国民经济的快速增长，用电已成为制约我国经济发展的重要因素。为保证正常的供配电要求，各地都在兴建一系列的供配电装置。本文针对220kV降压变电所的特点，阐述了220kV降压变电所的设计思路、设计步骤，并进行了相关的计算和校验。文中介绍的220kV降压变电所的设计方法、思路及新技术的应用可以作为相关设计的理论指导。

关键词：降压变电所；设计方法；供配电

Design of the 220 KV step-down substation

SONG Xu-sheng

Abstract：With the fast growth of the our country national economy，using the electricity also becomes important of the development and supervision in our country. Everywhere a series of electricity device are built. The text aims at the characteristics of the 220 KV step-down substation, elaborates design way of thinking, designs step of the 220 KV step-down substation and carries on the related calculation. The text introduces the design method on way of thinking and new technique of the 220 KV step-down substation which can be the theories of related design .

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Key words: step-down substation ; method of design ;

supply and distribution electricity

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前言

近十年来，随着我国国民经济的快速增长，用电也成为制约我国经济发展的重要因素，各地都在兴建一系列的用配电装置。变电所的规划、设计与运行的根本任务，是在国家发展计划的统筹规划下，合理的开发和利用动力资源，用最少的支出(含投资和运行成本)为国民经济各部门与人民生活提供充足、可靠和质量合格的电能。这里所指的“充足”，从国民经济的总体来说，是要求变电所的供电能力必须能够满足国民经济发展和与其相适应的人民物质和文化生活增长的需要，并留有适当的备用。变电所由发、送、变、配等不同环节以及相应的通信、安全自动、继电保护和调度自动化等系统组成，它的形成和发展，又经历了规划、设计、建设和生产运行等不同阶段。各个环节和各个阶段都有各自不同的特点和要求，按照专业划分和任务分工，在有关的专业系统和各个有关阶段，都要制订相应的专业技术规程和一些技术规定。但现代变电所是一个十分庞大而又高度自动化的系统，在各个专业系统之间和各个环节之间，既相互制约又能在一定条件下相互支持和互为补充。为了适应我国国民经济的快速增长，需要密切结合我国的实际条件，从电力系统的全局着眼，瞻前顾后，需要设计出一系列的符合我国各个地区的用以供电的变电所，用以协调各专业系统和各阶段有关的各项工作，以求取得最佳技术经济的综合效益。

本次所设计的课题是阜康地区220kV降压变电所的设计，该变电所是一个地区性重要的降压变电所，它主要承担220kV及110kV两个电压等级功率的交换，把接受功率全部送往110 kV侧线路。因此此次220 kV降压变电所的设计具有220 kV、110 kV及10kV三个电压等级。220kV侧为主功率输出，110kV侧以接受功率为主，10kV主要用于本所用电以及无功补偿。本次所设计的变电所是枢纽变电所，全所停电后，将影响整个地区以及下一级变电所的供电。

1 变电所的原始资料

1.1变电所的规模

本次变电所设计为一区域性变电所，以供给附近地区的工业，农业，民用电。本期工程一次建成，设计中留有扩建的余地；初步设计调相机为2×60MVA，本期先建成一台。考虑到实际情况，先建220kV出线本期5回，最终8回；110kV出线共10回，10kV出线以一次建成所用电的拖动设备为主来考虑。

1.2变电所的基本数据 1.2.1 220kV侧基本数据

系统负荷功率因数为0.9，最大负荷利用小时数为5300小时，同时率为0.9，阻抗为0.0328,每回最大负荷为：

第一回（阜康市I）输送200MW； 第二回（阜康市II）输送200MW； 第三回（吉木萨尔）输送180MW 第四回（准东）输送150MW

第五回（众和电厂）输送1000MW 第六回（西郊I）

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第七回（西郊II） 第八回（备用） 1.2.2 110kV侧基本数据

110 kV的最大地区负荷，近期为500MW，远期为800MW，负荷功率因数为0.85,阻抗为0.0502,最大负荷利用小时数为5300小时,同时率为0.9,每回最大负荷为:

第一回(米泉)输送80MW 第二回(煤矿)输送80MW 第三回(准东基地)输送40MW 第四回(天池)输送45MW 第五回(汽修厂)输送60MW

第六回(高速路收费站)输送60MW 第七回(甘河子电厂)输送500MW

第八回(油田作业区备用I)输送40MW 第九回(油田作业区备用II)输送40MW 第十回(油田作业区备用III)输送40MW 1.3 所址情况

变电所所在地区为平原地区，无高产农作物，土壤电阻率为0.8104cm,年雷暴日为165天,历年最高气温为38.5°C。变电所在系统中的地理位置如图1-1，图中220 kV侧用虚线表示，110 kV侧用实线表示。

图1-1 变电所的地理位置图

（注：图中地名只代表地理位置，无进出关系）

1.4 系统和保护要求

220kV各线在B、C相有载波通道，在A、B相有保护通道。线路对侧有电源，要求同期，电压互感器装于A相。

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110kV米泉、准东基地两回路对侧有电源，要求同期，电压互感器装于各线路A相。 1.5 设计依据

规程（包括《变电所（或发电厂）设计技术规程》、《继电保护和自动装置设计技术规程》、《电气测量仪表装置设计技术规程》等），《电力工程设计手册》[1]，《电力工业常用设备用册》，《发电厂电气部分》[6]等教材。

2 变电所的设计

2.1 主变压器容量，台数及形式的选择 2.1.1 概述

在各电压等级的变电所中，变压器是变电所中的主要电气设备之一，它担任着向用户输送功率，或者在两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统5～10年的发展规划综合分析，合理选择。否则，将造成经济技术上的不合理。如果主变压器容量过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且还会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备也未必能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。因此确定合理的变压器容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。

在生产上电力变压器分为单相、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，要根据原始资料和设计变电所的自身特点，在满足可靠性的前提下，从经济性方面来选择主变压器。

选择主变压器的容量，同时要考虑到该变电所以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。 2.1.2 主变压器台数的选择

由原始资料可知，本次所设计的是220kV降压变电所，它是以220kV输出功率为主。把所受的功率通过主变传输至110kV及10kV母线上。若全所停电后，将引起下一级变电所与地区电网瓦解，影响整个市区的供电，因此选择主变压器台数时，要确保供电的可靠性。

为了保证供电可靠性，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台主变压器。当装设三台及三台以上时，变电所的可靠性虽然有所提高，但接线网络较复杂，且投资增大，同时增大了占用面积和配电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闸操作等许多复杂化。而且还会造成中压侧短路容量过大，不宜选择轻型设备。考虑到两台主变压器同时发生故障机率较小。适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担70%的负荷保证全变电所的正常供电。故近期选择两台主变压器互为备用，远期再加一台变压器以提高供电的可靠性。

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2.1.3 主变压器容量的选择

主变压器容量一般按变电所建成近期负荷，5～10年的规划负荷选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，该所近期和远期负荷都给定，所以应按近期和远期总的负荷来选择主变压器的容量，根据变电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所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力允许时间内，保证用户的一级和二级负荷，对一般性能的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的70%～80%。该变电所是按70%全部负荷来选择。因此装设两台变压器以供变电所用。当一台变压器停运时，可保证对60%负荷的供电，考虑到变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证98%负荷供电，而高压侧220kV母线的负荷不需要跟主变压器倒送，因为该变电所的电源引进线是220kV侧引进的。其中，中压侧及低压侧全部负荷需经主变压器传输至各母线上。10kV母线上无负荷，主要用来无功补偿用。即：主变压器的容量为S总 = 0.7（S2.1.4 主变压器型式的选择 2.1.4.1 主变压器相数的选择

当不受运输条件限制时，在330kV以下的变电所均应选择三相变压器。而选择主变压器的相数时，应根据变电所的基本数据以及所设计变电所的实际情况来选择。

单相变压器组，相对来讲投资大，占地多，运行损耗大，同时配电装置以及继电保护和二次接线的复杂化，也增加了维护及倒闸操作的工作量。

本次设计的变电所，位于市郊区，交通便利，不受运输等条件限制，所址建在平原地区，故本次设计的变电所应选用三相变压器。 2.1.4.2 绕组数的选择

在具有三种电压等级的变电所，如通过主变压器的各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上或低压侧虽无负荷，但在变电所内需装设无功补偿设备，主变压器宜采用三绕组变压器。

一台三绕组变压器的价格及所用的控制和辅助设备，比相对的两台双绕组变压器都较少，而且本次所设计的变电所具有三种电压等级，考虑到运行维护中安装调试灵活，操作上满足各种继电保护的需求，工作量少及占地面积小，价格适宜等因素，故本次设计的变电所选择三绕组变压器。 2.1.4.3 主变调压方式的选择

为了满足用户的用电质量和供电的可靠性，220kV及以上网络电压应符合以下标准：

①枢纽变电所二次侧母线的运行电压控制水平应根据枢纽变电所的位置及电网电压降而定，可为电网额定电压的1～1.3倍，在日负荷最大、最小的情况下，其运行电压控制在水平的波动范围不超过10%，事故后不应低于电网额定

中压侧

+S低压侧）。

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电压的95%。

②电网中任一点的运行电压，在任何情况下严禁超过电网最高电压，变电所一次侧母线的运行电压正常情况下不应低于电网额定电压的95%～100%。

调压方式分为两种，一种是不带负荷切换,称为无载调压，调整范围通常在±5%以内；另一种是带负荷切换,称为有载调压，调整范围可达30%。

由于该变电所的电压波动较大，故选择有载调压方式，才能满足要求。 2.1.4.4 连接组别的选择

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。 全星形接线虽然有利于并网时相位一致的优点，而且全星形接法，零序电流没有通路，相当于与外电路断开，即零序阻抗相当于无穷大，对限制单相及两相接地短路都有利，同时便于接消弧线圈限制短路电流。但是三次谐波无通路，将引起正弦波的电压畸变，对通讯造成干扰，也影响保护整定的准确度和灵敏度。如果影响较大，还必须综合考虑系统发展才能选用。我国规定110kV以上的电压等级的变压器绕组常选用中性点直接接地系统，而且还要考虑到三次谐波的影响，会使电流、电压畸变。采用三角形接法可以消除三次谐波的影响。所以应选择Yo/Yo/△接线方式。故本次设计的变电所选用主变压器的接线组别为：Yo/Yo/△－12－11。 2.1.4.5 容量比的选择

由原始资料可知，110kV中压侧为接受功率绕组，而10kV侧主要用于本身所用电以及无功补偿装置，所以容量比选择为：100/100/50。 2.1.4.6 主变压器冷却方式的选择

主变压器一般采用的冷却方式有：自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却。

自然风冷却：一般只适用于小容量变压器。 强迫油循环水冷却：虽然散热效率高，节约材料减少变压器本体尺寸等优点。但是它要有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。所以，选择强迫油循环风冷却方式。 2.1.5 主变压器容量的确定计算

根据变电所的基本数据可得：

（1）110kV侧最大负荷：近期为500MW，同时率为0.9，其中一台事故停用后，其余主变压器的容量应保持该所全部负荷的60％以上。

PK0=5000.90.6=229.5（MVA） S10.85cos因选择两台主变压器，选择型号为：OSFPS7 —120000/220

额定电压： 高压220±2×2.5%kV，中压121kV，低压10.5kV 阻抗电压%： 高—中：28－34% 高—低：8－10% 中—低：18－24% 容量比为： 100/100 /50

连接组标号：Y0 / Y0 / △－12－11 空载电流： 0.8％ 空载损耗： 70kW

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短路损耗： 320kW 2.1.6 所用变压器容量的选择

对于枢纽变电站，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变电所，均装设两台所用变压器，分别接在最低一级母线的不同分段上，对装有两台所用变压器时，采用单母线分段接线方式。由于本次设计的变电所，采用两台120MVA的主变压器，故采用两台所用变压器，互为备用。且容量相等，一台停运时，另一台承受全部负荷。

所用变压器负荷计算采用换算系数法，不经常短时及不经常持续运行的负荷均可不列入计算负荷。当有备用所用变压器时，其容量应与工作变压器相同。

所用变压器容量按下式计算： SK1P1P2

S— 所用变压器容量（kVA） P1— 所用动力负荷之和（kW）

K1— 所用动力负荷换算系数，一般取K1= 0.85

P— 电热及照明负荷之和（kW）

2所用电的接线方式，在主接线设计中，选用为单母线分段接线，选两台所用变压器互为备用，每台变压器容量及型号相同，并且分别接在不同的母线上。 2.1.7 所用变压器容量的选择计算

名 称 第一段母线容量（kW） 第二段母线容量（kW） 变压器修理动力 P1 34.29

其他动力 P2 42.6 46.9 变电所空调动力 P3 15 15 电 热 P4 43.8 43.92 照 明 P5 27.13 27.57 调相机拖动设备 P6 ∵SK1P1P2 即第一段母线总容量：P1= 0.85（P1 + P2 + P3）+ P4 + P5 = 0.85（34.29+42.6+15）+43.8+27.13

= 149（kVA）

第二段母线总容量：P2= 0.85（P2 + P3）+ P4 + P5

= 0.85（46.9+15）+43.92+25.57 = 122.1（kVA）故变电站所用变压器的总容量为：SK1P1P2= 149 + 124.1 = 271.1（kVA） 所以选择两台Sq－315/10型号的所用变压器互为备用。 额定电压： 10 kV 阻抗电压（%）： 4

连接组标号： Y / Y0－12 2.2 电气主接线的选择

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2.2.1 概述

主接线是变电所电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的汇集和分配电能的电气主回路，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备的选择、配电装置、继电保护和控制方式的选定有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系。

我国《变电所设计技术规程》SDJ2－79规定：变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求，便于扩建。

（1）可靠性：安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本要求，而且也是电力生产和分配的首要要求。

主接线可靠性的具体要求：

1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电；

2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要求保证对一级负荷全部和大部分二级负荷的供电；

3）尽量避免变电所全部停运的可靠性。

（2）灵活性：主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。

1）为了调度的目的：可以灵活地操作，投入或切除某些变压器及线路，调配电源和负荷能够满足系统在事故运行方式，检修方式以及特殊运行方式下的调度要求；

2）为了检修的目的：可以方便地停运断路器，母线及继电保护设备，进行安全检修，而不致于影响电力网的运行或停止对用户的供电；

3）为了扩建的目的：可以容易地从初期过渡到其最终接线，使在扩建过渡时，无论在一次和二次设备装置等所需的改造为最小。

（3）经济性：主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。 1）投资省：主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备的投资，要能使控制保护不过复杂，以利于运行并节约二次设备和控制电缆投资；要能限制短路电流，以便选择价格合理的电气设备或轻型电器；在终端或分支变电所推广采用质量可靠的简单电器；

2）占地面积小：主接线要为配电装置布置创造条件，以节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。在不受运输条件许可下，都采用三相变压器，以简化布置。

3）电能损失少：经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量，避免两次变压而增加电能的损失。 2.2.2 主接线的方式选择

电气主接线是根据电力系统和变电所具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线路多时（一般超过四回）为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰、运行方便，有利于安装和扩建。而本所各电压等级进出线均超过四回，所以采用有母线的连接方式。 2.2.2.1 单母线接线

单母线接线虽然接线简单清晰、设备少、操作方便，便于扩建和采用成套配

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电装置等优点，但是不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关）等故障或检修时，均需使整个配电装置停电。单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，才能恢复非故障段的供电，并且电压等级越高，所接的回路数越少，一般只适用于一台主变压器。

单母线接线适用于110～220kV配电装置的出线回路数不超过两回，35～60kV，配电装置的出线回路数不超过3回，6～10kV配电装置的出线回路数不超过5回，才采用单母线接线方式，故不选择单母线接线方式。 2.2.2.2 单母线分段

用断路器，把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路；有两个电源供电。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电或不致于使重要用户停电。但是，一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电，而出线为双回时，常使架空线路出现交叉跨越，扩建时需向两个方向均衡扩建，单母线分段适用于：110kV～220kV配电装置的出线回路数为8～10回，35～60kV配电装置的出线回路数为4～8回，6～10kV配电装置出线为6回及以上，则采用单母线分段接线。 2.2.2.3 单母线分段带旁路

这种接线方式适用于进出线不多、容量不大的中小型电压等级35～110 kV的变电所较为实用，具有足够的可靠性和灵活性。 2.2.2.4 桥式接线

当只有两台变压器和两条输电线路时，采用桥式接线，所用断路器数目最少，它可分为内桥和外桥接线。

内桥接线适合于输电线路较长，故障机率较多而变压器又不需经常切除时，采用内桥式接线。当变压器故障时，需停相应的线路。

外桥接线适合于输电线路较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换或系统有穿越功率的线路。为检修断路器QF，不致引起系统开环，有时增设并联旁路隔离开关以供检修QF时使用。当线路故障时需停止运行相应的变压器。

所以，桥式接线可靠性较差，虽然它有使用断路器少、布置简单、造价低等优点，但是一般系统把具有良好的可靠性放在首位，故不选用桥式接线。 2.2.2.5 3/2断路器接线

两个元件引线用三台断路器接在两组母线上组成一个半断路器，它具有较高的供电可靠性和运行灵活性，任一母线故障或检修均不致停电，但是它使用的设备较多，占地面积较大，增加了二次控制回路的接线和继电保护的复杂性，且投资大。

2.2.2.6 双母线接线

它具有供电可靠、调度灵活、扩建方便等优点，而且，检修另一组母线时，不会停止对用户连续供电。如果需要检修某线路的断路器时，不装设“跨条”，则该回路在检修期需要停电。对于，110kV～220kV输送功率较多，送电距离

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较远，其断路器或母线检修时，需要停电，而断路器检修时间较长，停电影响较大，一般规程规定，110kV～220kV双母线接线的配电装置中，当出线回路数达7回，（110kV）或5回（220kV）时，一般应装设专用旁路断路器和旁路母线。

2.2.2.7 双母线分段接线

双母线分段，可以分段运行，系统构成方式的自由度大，两个元件可以完全分别接到不同的母线上，对大容量且在需相互联系的系统是有利的，由于这种母线接线方式是常用传统技术的一种延伸，因此在继电保护方式和操作运行方面都不会发生问题。而较容易实现分阶段的扩建等优点，但是易受到母线故障的影响，断路器检修时要停运线路，占地面积较大，一般当连接的进出线回路数在11回及以下时，母线不分段。

综上几种主接线的优缺点和可靠性及经济性，根据设计的原始资料可知该变电所选择双母线接线方式。

为了保证双母线的配电装置，在进出线断路器检修时（包括其保护装置和检修及调试），不中断对用户的供电，可增设旁路母线，或旁路断路器。

当110kV出线为7回及以上，220kV出线在4回以下时，可用母联断路器兼旁路断路器用，这样节省了断路器及配电装置间隔。 2.2.2.8 选择设计方案

由设计方案确定的负荷情况：220kV近期7回，远期1回，110kV近期8回，远期2回。可以确定该变电所主接线采用以下三种方案进行比较：

（1）方案一

220kV采用双母线带旁路母线接线方式，110kV也采用双母线带旁路母线接线，根据《电力工程电气设计手册》可知，220kV出线5回以上，装设专用旁路断路器，考虑到220kV近期7回，装设专用母联断路器和旁路断路器。根据《电力工程电气设计手册》、《发电厂电气部分》和变电所的基本数据，220kV主接线形式如图2-1：

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图2-1 220kV主接线形式图

110kV母线上近期负荷为8回出线，根据《电力工程电气设计手册》可知，110kV出线为8回及以上时装设专用旁路断路器。而由原始资料可知，110kV出线为8回，装设专用母联断路器和旁路断路器。根据《电力工程电气设计手册》、《发电厂电气部分》和原始资料，110kV主接线形式如图2-2：

图2-2 110kV主接线形式图

10kV，因只用来做无功补偿装置使用，可采用单母线分段接线方式。出线

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回路数为14回、接线形式图2-3：

图2-3 10kV主接线形式图

其接线特点：

1）220kV、110kV都采用双母线带旁路，并且设计专用的旁路断路器，使检修或故障时，不致于破坏双母线接线的固有运行方式并且不致于影响停电。

2）10kV虽然无负荷，但有所用电及无功补偿装置，如采用单母线接线时，接线简单清晰，设备少，操作方便等优点。如果某一元件故障或检修，均需使整个配电装置停电，将影响全变电所的照明及操作电源、控制电源保护等。

以上接线的缺点：

10kV采用单母线运行时，操作不够灵活、可靠，任一元件故障或检修，均需使整个配电装置停电。

（2）方案二

1）220kV采用3/2接线，每一回路经一台断路器接至母线，两回路间设一联络断路器形成一串，运行时，两组母线和全部断路器都投入工作，形成环状供电，具有较高的供电可靠性和运行灵活性。

2）110kV近期出线7回，可采用双母线接线方式，出线断路器检修时，可通过“跨条”来向用户供电。而任一母线故障时，可通过另一组母线供电。但由于双母线故障机率较小，故不考虑。

3）10kV采用单母线接法，线路用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障母线分开后才能恢复非故障的供电。

其接线的特点：

1）220kV采用3/2接线方式时，任一母线故障或检修，均不致于停电，除联络断路器故障时与其相连的两回线路短时停电外，其它任何断路器故障或检修都不会中断供电，甚至两组母线同时故障（或一组检修，另一组故障时）的极端情况下，功率仍能继续输送。

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2）110kV采用双母线接线方式，出线回路较多，输送和穿越功率较大，母线事故后能尽快恢复供电，母线和母线设备检修时可以轮流检修，不至中断供电，一组母线故障后，能迅速恢复供电，而检修每回路的断路器和隔离开关时需要停电。

3）10kV采用单母线隔离开关分段：不够灵活，当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电，当一段母线或母线隔离开关故障或检修，该母线的回路都在检修期间内停电。

优点：方案一 220kV、110kV都采用双母线带旁路，并且设计专用的旁路断路器，使检修或故障时，不致破坏双母线接线的固有运行方式，及不致影响停电。可靠性高于方案二，但方案一10kV采用单母线运行时，操作不够灵活、可靠，任一元件故障或检修，均需使整个配电装置停电。其可靠性不如方案二。

（3）方案三

1）220kV、110kV都采用双母线带旁路，并且设计专用的旁路断路器，使检修或故障时，不致于破坏双母线接线的固有运行方式及影响停电。

2）10kV虽无出线，但为了满足变电所用电的可靠性，有用装设两台所用变压器，为互备方式运行，其接线方式为单母线分段接线方式。

其接线方式的特点：

1）双母线带旁路母线，并设专用的旁路断路器，其经济性相对来是提高了，但是保证了各段出线断路器检修和事故不致影响供电的情况下，而且也不会破双母运行的特性，继电保护也比较容易配合，相对来可靠性即提高了。

2）10kV为了保证所用电可以从不同段两出线取得电源，同时一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电。

以上三种方案相比较，方案三的可靠性略高于方案一，其经济性略低于方案二，操作灵活性居于方案一、三之中，根据变电所的基本数据，方案三满足要求，而且根据可靠性、灵活性、经济性，只有方案三更适合于本次设计切身利益，故选择方案三。

3 变电所短路电流计算

3.1 概述

电力系统的电气设备在其运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路，因为它们会破坏用户的正常供电和电气设备的正常运行。

短路是电力系统的严重故障，所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）发生通路的情况。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路，两相短路，两相接地短路和单相接地短路。其中，三相短路是对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称短路。

电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路虽然很少发生，其情况较严重，应给以足够的重视。因此，我们都采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

3.2 短路计算的目的及假设

14

3.2.1 短路电流计算目的

短路电流计算目的是：

1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。

2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。

3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。

4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

5）按接地装置的设计，也需用短路电流。 3.2.2 短路电流计算的一般规定

短路电流计算的一般规定是：

1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5～10年）。确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按只在切换过程中可能并列运行的接线方式。

2）选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点时，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

4）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一般按三相短路验算。 3.2.3 短路计算基本假设

短路计算基本假设是：

1）正常工作时，三相系统对称运行； 2）所有电源的电动势相位角相同；

3）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小而发生变化；

4）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

5）元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响； 6）系统短路时是金属性短路。 3.2.4 短路电流计算基准值

高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，采用标幺值进行计算，为了计算方便选取如下基准值：

基准容量：Sg= 100MVA

基准电压：Ug（KV） 10.5 115 230 基准电流： Ij（KA） 0.502 0.251

15

3.2.5 短路电流计算的步骤

1）计算各元件电抗标幺值，并折算到同一基准容量下； 2）给系统制订等值网络图； 3）选择短路点；

4）对网络进行化简，把供电系统看成为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标幺值，并计算短路电流的标幺值、有名值；

1* = * 标幺值： IdXdi*有名值： IdiIdIj

5）计算短路容量、短路电流冲击值； 短路容量： S3UgI''

短路电流冲击值： Icj = 2.55I'' 6）列出短路电流计算并得出结果。 3.2.6 短路电流计算 3.2.6.1 短路计算的基本假设

选取Sg=100MVA，UB= 230kV，系统阻抗归算到基准容量：Ug= 100MVA，由变电所的基本数据及短路点的开断能力取220kV侧系统阻抗为0.0328，110kV侧系统阻抗为0.0502，即系统如图3-1：

220kV 110kV

10kV 图3-1 220kV侧-110kV侧系统阻抗图

3.2.6.2 计算参数

所选择变压器的参数如表3-1:

阻抗电压 高一中 % 8－10 各绕组等值电抗

16

中一低 高一低 18－24 28－34 表3-1 变压器的参数

Vs(12)％取10％，Vs(23)％取20％，Vs(31)％取30％

其中1代表高压端，2代表中压端。3代表低压端。则：

1

Vs1% = （Vs(12)% + Vs(31)%－Vs(23)%）

21

= （10+30－20）= 10

21

Vs2% = （Vs(12)% + Vs(23)%－Vs(31)%）

21

= （10+ 20－30）=0

21

Vs3% = （Vs(23)% + Vs(31)%－Vs(12)%）

21

= （20 + 30－10）=20

2

各绕组等值电抗标么值为：

10100Vs1%Sj = × = 0.083 X1100120100SN0100Vs%Sj = × = 0 X22100120100SN20100Vs3%Sj = × = 0.167 X3100120100SN根据上述计算结果可以制订系统网络图如图3-2：

图3-2 变压器各绕组等值电抗图

3.2.7等值网络简化及计算 3.2.7.1 220kV母线发生三相短路

当220kV母线发生三相短路时，即d1点短路时10kV母线侧因没有电源，无法向220kV侧提供短路电流，即可略去不计。网络简化如图3-3：

17

图3-3 220kV母线发生三相短路网络简化图

把X1∥X2∥X3计为X6，即：

X6=X1∥X2∥X3= 0.083∥0.083∥0.083 =0.028

把X4+ X5计为X6，即：

X7 = X5+ X6 = 0.0502+0.028 =0.0728

I11d1= 0.0328+ 0.0782= 56.16

换算到220kV短路电流有名值为：

I''= IS100d1B = = 14.10kA

3U56.16×b3230取 Kch = 1.8

短路电流全电流最大有效值为：

I2ch= 12(KU1)I″ = 1+2(1.8-1) 2 I″ = 1.51I″ Ich= 1.5110.39=16.29kA

当不计周期分量衰减时冲击电流为：

i''ch =2KchI=2 ×1.87I''

= 2.55 I''= 2.55×10.86 = 27.69（kA）

短路容量为：

S3UBI''=

3 ×230×10.86 = 4326.2（MVA）

3.2.7.2 110kV母线上发生三相短路

当110kV母线上发生三相短路时，即d2的等值网络简化如图3-4:

18

图3-4 110kV母线发生三相短路网络简化图

X6= X1∥X2∥X3 =

0.0832= 0.028 把X4 + X6 = X7即：

X7= X4 + X6 = 0.0328 + 0.028 = 0.0608

I*d2= 10.0608+10.0502= 52.16 换算到110kV的短路电流有名值为：

I\"= I*SBd23U =52.1610026.18(kA) b3115短路电流全电流最大有效值为：

Ich = 1.51I''= 1.5126.1839.53(kA) 短路电流的冲击值为：

I''ch = 2.55I=2.5526.1866.76(kA) 短路容量为：

S3UBI''= 311526.185214.5(MVA)

3.2.7.3 10kV母线值发生三相短路

当10kV母线值发生三相短路，即d3的等值网络简化如图3-5:

19

图3-5 10kV母线发生三相短路网络简化图

把 X1∥X2∥X3 = X9 X4∥X5∥X6 = X10

X0.0839= X1∥X2∥X3 = 3= 0.028

X∥X0.16710= X45∥X6 =3 = 0.0557

X11 = X7+ X9=0.0328+0.028=0.0608

把X11X8X10星形变换成三角形，即：

XXX1012= X11+ X10 + 11X

8 = 0.0608+0.0557+0.06080.05570.0502

= 0.184

XX8X1013 = X8 + X10+ X

11 = 0.0502+0.0557+0.05020.0557 0.0608

= 0.152

I*d3 = 10.184+10.152= 12.01 换算到10kV侧有名值：

I'' = I*SB100d33U=12.0166.04(kA)b310.5短路电流全电流最大有效值及冲击值：

I*ch= 1.51I =1.5166.04=99.72(kA)

ich = 2.55I''=2.5566.04168.4(kA)

20

短路容量：

S3UBI'' =310.566.041201.00(MVA)

则系统短路点的各个值如表3-1:

表3-1 短路电流

短路基准电基准电额定电点的压UB流Ij流Ij 编 号 （kV） （kA） （kA） I*''(kA) d1 d2 d3

230 115 10.5

0.25 0.5 5.5

0.25 0.5 5.5

43.28 52.16 12.01 短路电流标B 值短路电流有名值稳态短路电流标B值 Ich稳态短短路电路电流 流冲击 标有名值 ich 值

I''(kA) 10.86 26.18 66.04

(kA) 43.28 52.16 12.01

10.86 26.18 66.04

(kA) 27.69 66.76 168.4

短路 短 路 短路全电容量 点 的 流最大有S编 号 效值 (kA) d1 d2 d3

16.29 39.53 99.72

(MVA) 4326.2 5214.5 1201.0

4 变电所电气设备的选择

4.1 概述

导体和电器的选择是变电所设计的主要内容之一，正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济的重要条件。在进行设备选择时，应根据工程的实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。

电气设备的选择同时必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需要。电气设备要能可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定后选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下都能保持正常运行。 4.1.1电气设备的选择原则

21

电气设备选择的一般原则是：

1）应满足导体和电器正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要；

2）应按当地环境条件校验； 3）应力求技术先进和经济合理； 4）选择导体时应尽量减少品种；

5）扩建工程应尽量使新老电器的型号一致；

6）选用的新品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。 4.1.2电气设备选择的技术条件

（1）按正常工作条件选择导体和电器 1）电压：

所选电器和电缆允许最高工作电压Uymax不得低于回路所接电网的最高运行电压Ugmax

即：Uymax≥Ugmax

一般电缆和电器允许的最高工作电压，当额定电压在220kV及以下时为1.15Ue，而实际电网运行的Ugmax一般不超过1.1Ue。

2）电流：

导体和电器的额定电流是指在额定周围环境温度Q0下，导体和电器的长期允许电流Iy应不小于该回路的最大持续工作电流Igmax

即：Iy Igmax

由于变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Igmax= 1.05Ie（Ie为电器额定电流）。

3）按当地环境条件校核：

当周围环境温度Q和导体额定环境温度Q0不等时，其长期允许电流IyQ可按下式修正：

IyQy= Kiy

y0基中Kiy—修正系数

Qy—导体或电气设备正常发热允许最高温度

我国目前生产的电气设备的额定环境温度Q0= 40℃，裸导体的额定环境温度为+25℃。

（2）按短路情况校验

电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，一般校验取三相短路时的短路电流，如用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定，用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。

1）短路热稳定校验

22

满足热稳定条件为 Qol Qr

Ir2tdzIr2t

Qol —短路电流产生的热效应 Qr—短路时导体和电器允许的热效应 Ir——t秒内允许通过的短时热电流

验算热稳定所用的计算时间：tdz = tb+tol

tb —断电保护动作时间

110kV以下导体和电缆一般采用主保护时间

110kV以上导体电器和充油电缆采用后备保护动作时间 toL —相应断路器的全开断时间。 2）短路的动稳定校验 满足动稳定条件为：

ichidf IchIdf

ich— 短路冲击直流峰值（kA） Ich— 短路冲击电流有效值（kA）

idf、Idf —电器允许的极限通过电流峰值及有效值（kA）

4.2 断路器的选择

变电所中，高压断路器是重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和开断负荷电流，在变电所电气主接线中，还担任改变主接线的运行方式的任务，故障时，断路器通常以继电保护的方式配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。

高压断路器应根据断路器安装地点，环境和使用技术条件等要求选择其种类及型式，由于真空断路器、SF6断路器比少油断路器，可靠性更好，维护工作量更少，灭弧性能更高，目前得到普遍推广，故35kV～220kV一般采用SF6断路器。真空断路器只适应于10kV电压等级，10kV采用真空断路器。 4.2.1 按开断电流选择

高压断路器的额定开断电流Iekd应不小于其触头开始分离瞬间（td）的短路电流的有效值Ie(td)，即：

Iekd Iz(kA)

Iekd — 高压断路器额定开断电流（kA）

Iz — 短路电流的有效值（kA）

4.2.1.1 短路分断电流的选择

在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），更易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏，且断路器在关合短路电流时，不可避免地接通后又自动跳闸，此

23

时要求能切断短路电流，为了保证断路器在开断短路时的安全，断路器额定开断电流ieg不应小于短路电流的最大冲击值，即：

iegich或 idwicj

ieg — 断路器额定开断电流

idw — 额定动稳定电流 icj — 短路冲击电流

4.2.1.2 开断时间的选择

对于110kV及以上的电网，当电力系统稳定要求快速切除故障时，分闸时间不宜大于0.045s，用于电气制动回路的断路器，其合闸时间应大于0.04~ 0.06s。

4.2.2 断路器选择

考虑到检修、维护方便，220kV及110kV均选同类型产品。 4.2.2.1 220kV侧断路器

1）额定电压选择： UymaxUgmax2201.15253(kV) 2）额定电流选择： IeIgmax

考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以相应回路的Igmax =1.05Ie ，即：

Igmax =

1.052Se21201.050.661(kA) =3U32203）按开断电流选择：Iekd I''= 10.86（kA） 即Iekd10.86（kA） 4）按短路开断电流选择：iegich = 27.69（kA） 即ieg27.69（kA） 根据以上数据可以初步选择LW6－220型SF6断路器其参数如下：额定电

压220kV，最高工作电压245kV，额定电流3150A，额定开断电流40kA，短路关合电流55kA，动稳定电流峰值55kA，4S热稳定电流40kA，固有分闸时间0.042S，合闸时间0.2S，全开断时间0.075S。

5）校验热稳定，取后备保护为5S，则：

I''tb = tkd+ tb= 0.075 + 5 = 5.07（S） 1

I''因为td>1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间曲线，查得tz= 4.3S

tdz(td5)tz=（5.07－5）+ 4.3 = 4.37（S） QdI2tdz10.8624.37515.40（kA2S） QrI2rt40246400（kA2S）

24

即Qr>Qd满足要求；

IrItdz/t10.864.37/410.95(kA)<40(kA)满足要求。 6）检验动稳定：icjidw

icj= 27.69(kA)< 55(kA) 满足要求

故选择户外LW6－220型SF6断路器能满足要求，由上述计算可列出户外LW6

－220型SF6断路器数据如表4-1：

表4-1 户外LW6－220型SF6断路器数据 设备 项目 UmaxUg IeIgmax LW6－220 产品数据 252kV 3150A 55kA 40kA 55kA 5400kA2.S 计算数据 253kV 661A 27.69kA 10.86kA 27.69kA 515.40kA2.S IdwIck IekdI'' IegIcj QrQd

4.2.2.2 110kV侧断路器

考虑到两台主变压器及它们之间存在一定的交换功率可得：

1）额定电压： UymaxUgmax Ugmax= 1.15×110 = 126.5（kV）； 2）额定电流： IyIgmax

1.052Se1.05×2×120

Igmax= = =1.323（kA）；

3×1103U3）按开断电流选择：IekdI''= 26.18（kA） 即Iekd26.18（kA）； 4）短路开断电流：IegIcj= 66.76（kA） 即Ieg66.76（kA）； 根据以上数据可以初步选择SW6－110型少油断路器，其参数为：最高工

作电压126kV，额定电流2000A，额定开断电流31.5kA，短路开断电流80kA，动稳定电流峰值80kA，4S热稳定电流0.6kA，固有分闸时间0.035S，合闸时间0.2S，全开断时间0.06S；

5）检验热稳定取后备保护为5S

I''tb = tkd+ tb= 0.06 + 5 = 5.06（S） 1

I'' 25

因为td>1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间表，查得tz= 4.3S

tdz(td5)tz=（5.06－5）+ 4.3 = 4.36（S） QdI2dz26.1824.362988.3（kA2S） Qr=Ir2t31.5243969（kA2S）

即Qr>Qd满足要求。

由以上计算表明选择户外SW6－110型少油断路器能满足要求，由上述计算可列出户外SW6－110少油断路器数据如表4-2：

表4-2 户外SW6－110少油断路器数据 SW6－110 设备 产品数据 计算数据 项目 UyUgmax 126kV 126.5kV IeIgmax 2000A 31.5kA 80kA 80kA 3969kA2.S 21323A 26.18kA 66.76kA 66.76kA 2988.3kA.S IekdI'' IdwIcj IegIcj QrQd

4.2.2.3 10kV侧断路器

由于10kV侧装设了电抗器，则可以选择10kV户内真空断路器

1）额定电压： Ue10(kV)

0.630×1.051.05Se2）额定电流： IeIgmax=＝ = 0.038（kA）

3×103Ue因为装设电抗器后，短路电流限制在9.05(kA)

3）按开断电流选择：IekdI'' = 9.05（kA） 即Iekd9.05（kA） 4）按短路开断电流选择：IegIcj Icj= 2.55×9.05 =23.08 （kA） 即：Ieg 23.08（kA） 5）按短路容量选择：S = 3UjI''=

3 ×10.5×9.05 = 164.59（MVA）

即：选择断路器的短路容量应大于164.59MVA。

根据以上数据可以初步选择户内ZMD11－12/2500－40A型真空断路器，其参数如下：额定电压10kV，额定电流2500A，额定开断电流40kA，额定断

26

流容量727MVA，极限通过电流峰值80kA，2S热稳定电流31.5kA，固有分闸时间0.06S。

6）校验热稳定，取后备保护为1S

I''tb = tkd+ tb= 0.06 + 1 = 1.06（S） 1

I因td>1，故不计非周期分量，查周期分量等值时间曲线得tdz= 0.8S

''IrItdz/t Ir9.050.8/2= 5.723(kA)<40(kA) 满足要

求

7）检验动稳定：icjidw

icj= 23.08(kA)<80(kA) 满足要求。

故选择户内ZMD11－12/2500－40A型真空断路器能满足要求，由上述计算可列出户内ZMD11-12/2500-40A型真空断路器数据如表4-3：

表4-3 户内ZMD11-12/2500-40A型真空断路器数据 ZMD11－12/2500－40A 设备 产品数据 计算数据 项目 UeUN 10kV 10kV IeIgmax 2500A 31.5kA 80kA 43A 9.05kA 23.08kA 65.52kA2.S 164.59MVA IekdI'' IegIcj 2Ir2tItdz 1984.5kA2.S S1> S2 727MVA 4.3 隔离开关的选择 4.3.1 概述

隔离开关：配制在主接线上时，保证了线路或设备检修时形成明显的断口，

与带电部分隔离，由于隔离开关没有灭弧装置及开断能力低，所以操作隔离开关时，必须遵守倒闸操作顺序。

送电：首先合上母线隔离开关，其次合上线路侧隔离开关，最后合上断路器，停电则与上述相反。

隔离开关的配置：

27

1）断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时形成明显的断口，与电源侧隔离；

2）中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；

3）接在母线上的避雷器和电压互感器宜合用一组隔离开关，为了保证电器和母线的检修安全，每段母上宜装设1—2组接地刀闸或接地器。63kV及以上断路器两侧的隔离开关和线路的隔离开关，宜装设接地刀闸。应尽量选用一侧或两侧带接地刀闸的隔离开关；

4）按在变压器引出线或中性点上的避雷器可不装设隔离开关；

5）当馈电线的用户侧设有电源时，断路器通往用户的那一侧，可以不装设隔离开关，但如果费用不大，为了防止雷电产生的过电压，也可以装设。 4.3.2 隔离开关选择计算

选择隔离开关，跟选择断路器相同，其校验有所不同。为了维护及操作方便， 220kV、110kV、10kV都选同类型。 4.3.2.1 220kV侧隔离开关

1）额定电压: UymaxUgmax Ugmax= 1.15Ue

即: Ugmax= 1.15×220 = 253（kV）

21201.05 = 0.661（kA）

3220根据以上数据，可以初步选择户外GW7－220DW型隔离开关，其参数如下：额定电压220kV，最高工作电压252kV，额定电流1600A，动稳定电流80kA，热稳定电流3S为32kA，并带按地刀闸。

3）校验热稳定：td = tkd+ tb = 0.07 + 5 = 5.07（S）

2）额定电流：IeIgmax =跟断路器一样：tdz = 4.37S

QdI''2ddz= 10.862×4.37 = 515.40（kA2.S）

Qr=Ir2t= 322×3 = 3072（kA2.S）

QrQd 满足要求

4）校验动稳定：icj≤idw icj = 27.69（kA） idw = 80（kA） 即：idw＞icj 满足要求

由上述计算表明，选择GW7－220DW型隔离开关能满足要求，由计算可列出GW7－220DW型隔离开关数据如表4-4：

表4-4 GW7－220DW型隔离开关数据 设备 项目 UyUgmax IyIgmax SW10－10/1000－31.5 产品数据 252kV 1600A 计算数据 253kV 661A 28

QrQd 3072kA2.S 2515.40kA.S 27.69kA IcjIdw 80kA

4.3.2.2 110kV侧隔离开关

1）额定电压：UyUgmax= 1.5×110 = 126.5（kV）

2）额定电流：IyIgmax =

1.052Se3Ue=

1.052120= 1323（A）

3110根据以上计算数据可以初步选择户外GW5－110型隔离开关，其参数如下：额定电压110kV，最高工作电压126kV，额定电流2000A，动稳定电流100kA，4S热稳定电流有效值31.5kA。

3）检验热稳定：与110kV侧断路器相同 tdz= 4.36S

2QdItdz= 26.182×4.36 = 2988.3（kA2.S）

Qr=Ir2tdz＝31.52×4＝3969（kA2S）

即：QrQd满足要求 4）检验动稳定：icjidw

icj= 66.76（kA） idw= 100（kA）

即：idw＞icj 满足要求

由于上述计算选择GW4－110Ⅱ型户外隔离开关能满足要求，由计算可列出

GW4－110Ⅱ型户外隔离开关数据如表4-5：

表4-5 GW4－110Ⅱ型户外隔离开关数据 设备 项目 UyUgmax GW4－110Ⅱ 产品数据 126kV 2000A 3969kA.S 22计算数据 125kV 1323A 2988.3kA.S 66.7kA IyIgmax QrQd IdwIcj 4.3.2.3 10kV侧隔离开关

100kA 由于10kV回路装设了电抗器，即10kV侧可以选择轻型的户内隔离开关。 1）额定电压: Ue = 10(kV)

6301.052）额定电流: IeIgmax = = 34.6（A）

3Ue

29

由上述计算数据可以初步选择户内GN22Q型隔离开关，其参数如下：额定电压10kV，额定电流2000A，动稳态电流40KA，5S热稳态电流14kA。

3）校验热稳定电流，同10kV断路器一样，tdz= 0.8（S）

2QdItdz= 9.052×0.8 = 65.52（kA2.S）

Qr=Ir2t= 142×5 = 980（kA2.S） 即：QrQd满足要求。 4）校验动稳定电流：icj＜ idw

icj= 23.08（kA） idw= 40（kA） 即：icj＜idw满足要求

故选择GN22Q型户内隔离开关能满足要求，由计算可列出GN22Q型户内隔离开

关数据如表4-6：

表4-6 GN22Q型户内隔离开关数据 GN22Q 设备 产品数据 计算数据 项目 UyUgmax 10kV 2000A 980kA2.S 40kA S 10kV 34.6A 65.52kA2.23.08kA IyIgmax QrQd IdwIcj

4.4 高压熔断器的选择

熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害。屋内型高压熔断器在变电所中常用于保护电力电容器配电线路和配电变压器，也可常用于保护电压互感器。对一般的高压熔断器，其额定电压必须大于或等于电网额定电压。另外对于填充石英砂有限流作用的熔断器，只能用于等于其额定电压电网中。对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需按额定电压及断流量来选择。 4.5 互感器的选择

互感器包括电压互感器和电流互感器，是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障情况，其作用是：

1）将一次回路的高电压和电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜，便于屏内安装。

2）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设

30

备和人身的安全。

(一)电流互感器的特点：

1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测量电路的负荷，而与二次电流大小无关；

2）电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。

(二)电压互感器的特点：

1）容量很小，类似于一台小容量变压器，但结构上需要有较高的安全系数； 2）二次侧所接测量仪表和继电器电压线圈阻抗很大，互感器近似于空载状态下运行，即开路状态。

(三)互感器的配置：

1）为满足测量和保护装置的需要，在变压器出线、母线分段及所有断路器回路中均装设电流互感器；

2）在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，如：发电机和变压器的中性点；

3）对直接接地系统，一般按三相配制。对三相直接接地系统，依其要求按两相或三相配制；

4）60~220kV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感器； 5）当需要监视和检测线路有关电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。 4.5.1电流互感器的选择依据

（1）电流互感器由于本身存在励磁损耗和磁饱和的影响，使一次电流I1与I2在数值和相位上都有差异，即测量结果有误差，所以选择电流互感器应根据测量时误差的大小和准确度来选择。

（2）电流互感器10%误差曲线

是对保护级（BlQ）电流互感器的要求与测量级电流互感器有所不同。对测量级电流互感器的要求是在正常工作范围内有较高的准确级，而当其通过故障电流时则希望早已饱和，以便保护仪表不受短路电流的损害，保护级电流互感器主要在系统短路时工作，因此准确级要求不高，在可能出现短路电流范围内误差限制不超过10%。电流互感器的10%误差曲线就是在保证电流互感器误差不超过10%的条件下，一次电流的倍数与电流互感器允许的最大二次负载阻抗Z2f关系曲线。

（3）额定容量

为保证互感器的准确级，其二次侧所接负荷S2应不大于该准确级所规定的额定容量Se2。

即：Se2≥S2 =Ie22Z2f

Z2fZyZjZdZc（Ω） Zy— 测量仪表电流线圈电阻 Zj— 继电器电阻 Zd— 连接导线电阻

31

Zc— 接触电阻一般取0.1Ω

（4）按一次回路额定电压和电流选择 电流互感器用于测量时，其一次额定电流应尽量选择得比回路中正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪表的最佳工作电流互感器的一次额定电压和电流选择必须满足：UeUew ,Ie1Igmax，为了确保所提供仪表的准确度，互感器的一次工作电流应尽量接近额定电流。

Uew — 电流互感器所在电网的额定电压

Ue,Ie1— 电流互感器的一次额定电压和电流 Igmax — 电流互感器一次回路最大工作电流

（5）种类和型式的选择

选择电流互感器种类和形式时，应满足继电保护、自动装置和测量仪表的要求，再根据安装地点（屋内、屋外）和安装方式（穿墙式、支持式、装入式等）来选择。

（6）热稳定检验

电流互感器热稳定能力常以1s内允许通过一次额定电流Ie1的倍数Kr来表示，即：（KrIe1）2 ≥I2td（或≥Qd）

（7）动稳定校验

电流互感器常以允许通过一次额定电流最大值（

2 Ie1）的倍数kd—动稳

定电流倍数表示其内部动稳定能力，故内部动稳定可用下式校验：

2Ie1Kd≥icj

短路电流不仅在电流互感器内部产生作用力，而且由于其邻相之间电流的相互作用使绝缘帽上受到外力的作用。因此需要外部动稳定校验，即：

L2Fy≥0.5×1.73icy××10-7N

a对于瓷绝缘的母线型电流互感器（如LMC型）可按下式校验：

Ljs2Fy≥1.73×iy×10 -7N

a在满足额定容量的条件下，选择二次连接导线的允许最小截面为：

PLjsS≥2mm2

Ze(ZyZjZc)4.5.2电流互感器选择计算

电流互感器的一次工作电流应尽量接近额定电流。

4.5.2.1 220kV侧电流互感器

2S1.052401.050.661(kA) 额定电流：IeIgmax=e=

3Ue3220额定电压： UeUew Ue= 220kV

根据以上计算数据，可以初步选择LB7－220型电流互感器，其参数为额定

电流比1200/5，准确级0.5，二次负荷2，1S热稳定倍数26.25，动稳定倍

32

数67。

2tdz = 10.862×4.37 = 515.40（kA2.S） 热稳定校验：QdI（KrIe1）2 =（26.25×1200）2 = 992.25 （kA2.S）

2即： （KrIe1）2＞ Itdz 满足要求

动稳定校验：2 Ie1Kd= 即：

2 ×1.2×67 = 113.7（kA）

icj= 27.69（kA）

2 Ie1Kd＞ icj 满足要求

故选择LB7－220型电流互感器能满足要求，由计算可列出LB7－220型电流互感器数据如表4-7：

表4-7 LB7－220 型电流互感器数据 LB7－220 设 备 产品数据 计算数据 项 目 UeUew 220kV 220kV Ie1Igmax 1200A 992.25kA2.S 113.7kA 661A 515.40kA2.S 26.49kA (krIel)≥I∞tdz 222 Ie1Kd＞ icj

4.5.2.2 110kV侧电流互感器

额定电流：Ie1Igmax =2Se1.052401.051323A =

3Ue3110额定电压：UeUew = 110（kV）

根据以上计算数据，可初步选择LB7－110W型电流互感器，其参数为额定

电流比：2×1200/5，准确次级0.5，二次负荷阻抗为2，1S热稳定倍数为30，动稳定倍数75。

2ddz= 26.182×4.37 = 2995.16（kA2.S） 热稳定校验：QdI （KrIe1）2=（30×2400）2 = 1296 （kA2.S）

2ddz 满足要求 即 ： （KrIe1）2＞I验动稳定： 即：

2 Ie1Kd =

2 ×0.8276×75 = 87.78（kA）

icj = 66.76（kA）

2 Ie1Kd＞icj 满足要求

故选择LB7－110W型电流互感器能满足要求，由计算可列出LB7－110W型电

流互感器数据如表4-8：

33

表4-8 LB7－110W型电流互感器数据 设 备 项 目 UeUew Ie1Igmax LB7－110W 产品数据 110kV 21200A 2计算数据 110kV 1323A 2995.16kA2.S 66.76kA ×(krIel)2≥I2∞tdz 2 Ie1Kd＞ icj

4.5.2.3 10kV侧电流互感器

额定电流： Ie1Igmax=

1296kA.S 87.78kA 630×1.05 3×10

= 34（A）

额定电压： UeUew= 10（kV）

根据以上计算数据可以初步选择LDEB6－10型电流互感器，其参数为额定电流比为400/5，准确级次为0.5，2SS热稳定电流为31.5kA，动稳定电流为80kA。

校验热稳定：同样跟10kV断路器一样，tdz = 0.8S

2tdz = 9.052×0.8 = 65.52（kA2.S） 热稳定校验：QdI Qr=Ir2tdz= 31.52×2 = 1984.5（kA2.S）

Qr＞Qd 满足要求 校验动稳定：icjidw

icj= 23.08（kA） idw= 80（kA） 即： icj＜idw 满足要求

故选择户内LDZB6－10型电流互感器能满足要求，由计算可列出户内LDZB6

－10型电流互感器数据如表4-9：

表4-9 户内LDZB6－10型电流互感器数据 LDZB6－10 34

设 备 项 目 UeUew Ie1Igmax 产品数据 10kV 400A 1989.5kA2计算数据 10kV 34A 65.52kA2.S 23.08kA Qr＞Qd idw＞icj .S 80kA

4.5.3 电压互感器的选择

1）电压互感器的准确级和容量

电压互感器的准确级是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内，功率负荷因数为额定值时，电压误差的最大值。

由于电压互感器本身有励磁电流和内阻抗，导致测量结果的大小和相位有误差，而电压互感器的误差与负荷有关，所以用一台电压互感器对于不同的准确级有不同的容量，通常额定容量是指对应于最高准确级的容量。

2）按一次回路电压选择

为了保证电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电网电压应在（1.1~0.9）Ue范围内变动，即应满足：

1.1Ue1>U1>0.9Ue1

3）按二次回路电压选择

电压互感器的二次侧额定电压应满足保护和测量使用标准仪表的要求，电压互感器二次侧额定电压可按表4-10选择：

表4-10电压互感器二次侧额定电压 接 线 型 式 一台PT不完全星形接 线方式 Yo/ Yo/△

电网电压 （kV） 3~35 110J~500J 3~60 3~15 型 式 接成开口三二次绕组电压角形辅助绕（kV） 组电压（kV） 100 无此绕组 单相式 单相式 单相式 三相五柱式 100/3 100 100/3 100/3 100 100/3（相） 35

4）电压互感器及型式的选择

电压互感器的种类和型式应根据安装地点和使用条件进行选择，在6～35kV屋内配电装置中一般采用油浸式或浇注式电压互感器。110～220kV配电装置中一般采用半级式电磁式电压互感器。220kV及以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。

5）按容量的选择

互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级），Se2应不小于互感器的二次负荷S2 ，即：

Se2≥S2 S2 =

(P0)2(Q0)2

P0、Q0— 仪表的有功功率和无功功率

4.5.4 电压互感器的选择 4.5.4.1 220kV侧电压互感器

1）选用JCL－220电压互感器，采用单相串级油浸式全封闭结构，其初级绕组额定电压为220/3 kV，次级绕组额定电压为0.1/3 kV，二次负荷0.5级为100MVA，其接成220000/3 /100/3 /100。

2）220kV输电线路侧，电压互感器采用单相电容式电压互感器，其初级绕组额定电压为220/3 kV，次绕组额定电压为100/3 kV，二次负荷100MVA，准确级为0.5级，型式为TYD2203 －0.0075H。 4.5.4.2 110kV侧电压互感器

1）选用JCL6－110电压互感器，采用单相串级油浸式全密封结构，其初级绕组额定电压为110/3 kV，次绕组额定电压为0.1/3 kV，二次负荷0.5级，为100A，其接成11000/3 /1000/3 /100。

2）其110kV出线侧采用TYD110/3 －0.01H，单相单柱式，电容式电压互感器，其初级额定电压为110/3 KV，次级额定电压为0.1/3 kV，二次负荷0.5级为150MVA。 4.5.4.3 10kV侧电压互感器

10kV母线上电压互感器：采用JSJW－10，单相单柱式,电容式电压互感器, 其初级绕组额定电压为0.13 / kV，次绕组额定电压为二次阻抗为0.15，变比为10000/3 /1003 /100/3。 4.6 母线的选择

母线在电力系统中主要担任传输功率的重要任务，电力系统的主接线也需要用母线来汇集和分散电功率，在发电厂、变电所及输电线路中，所用导体有裸导

36

体，硬铝母线及电力电缆等，由于电压等级及要求不同，所使用导体的类型也不相同。

敞露母线一般按导体材料、类型和敷设方式、导体截面、电晕、短路稳定、共振频率等各项进行选择和校验。 4.6.1 裸导体的选择和校验

（1）型式：载流导体一般采用铝质材料，对于持续工作电流较大且位置特别狭窄的发电机，变压器出线端部，以及对铝有较严重的腐蚀场所，可选用铜质材料的硬裸导体。

回路正常工作电流在400A及以下时，一般选用矩形导体。在400～8000A时，一般选用槽形导体。

（2）配电装置中软导线的选择，应根据环境条件和回路负荷电流、电晕、无线电干扰等条件，确定导体的载面和导体的结构型式。

（3）当负荷电流较大时，应根据负荷电流选择导线的截面积，对220kV及以下配电装置，电晕对选择导体一般不起决定作用，故可采用负荷电流选择导体截面。

4.6.2母线及电缆截面的选择

除配电装置的汇流母线及较短导体按导体长期发热允许电流选择外，其余导体截面，一般按经济电流密度选择。

（1）按导体长期发热允许电流选择，导体能在电路中最大持续工作电流应Igmax不大于导体长期发热的允许电流Iy

即： IgmaxKIy

（2）按经济电流密度选择，按经济电流密度选择导体截面可使年计算费用最低，对应不同种类的导体和不同的最大负荷年利用小时数Tmax将有一个年计算费用最低的电流密度—经济电流密度（J），导体的经济截面可由下式：

ISj= gmax J取0.9(A/mm2)

J（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。

SSminItdz（mm2） CSmin—导体最小导体截面（mm2）

C— 热稳定系数

I— 稳态短路电流（kA）

tdz— 短路等值时间（S）

（4）动稳定校验：动稳定必须满足下列条件 即： maxy

y— 母线材料的允许应力（硬铅y为69×106P，硬铜y为137×106Pa，铜y为157×106Pa）提供电源，以获得较高的可靠性。

37

4.6.3母线的选择计算 4.6.3.1 220kV侧母线的选择

考虑到三台主变及一定功率交换，短路计算求得：I'' =10.86（kA） 1）最大负荷持续工作电流:

Igmax=(3×Se×1.05)/(3Ue)=(3×120×1.05)/( 3×220)=992（A）

2）按经济电流密度选择：取J=0.9(A/mm2) 即：S = Igmax/J= 992/0.9 =1102（mm2）

按以上计算选择和设计任务要求可选择2×LGJ-400型钢芯铝绞线，其集肤系数Kf=1，最高允许温度为70℃，长期允许载流量为1920A，即

Ig25c=1920A，基准环境温度为+25℃，S =501.2mm2,考虑到环境温度的修正

系数：

Ky7038.50.837

y07025Iy25c=1902×0.837 =1591.9（A） > Igmax

3）热稳定校验:

导体校验一般采用主保护时间 即 tb=0.05s

td = tkd+ tb=0.07 +0.05=0.12（s）

I//1 因为tb<1s，故要考虑非周期分量，查周期分量等值时间曲

I//线表：tz =0.15s

38

tfz=0.05//2 =0.05s

I2d(tztfZ)=10.862(0.15+0.05)=23.59（kA2·s）

tdztztfZ=0.15+0.05=0.2（S）

4）运行时导体最高温度：

'20(Y0)(Igmax/Iy)2=38.5+(70-38.5)(992/1591.9)

=58.13℃≈58℃

5）查表得C =93，满足短路时发热的最小导体截面

SI13.7minCtdzkfz930.2110365.88(mm2) 小于所选导体截面S =896.05 mm2 即能满足要求 6）按电晕电压校验: UgU0

2U0084m1m2K3nrajjk(10.301)lg 0r0rd2.859p273t1032.8951.01105273251030.98

K01r0d2(n1)sinn11.33.1412(11)sin11U840.90.850.960.98211.30.3011.031(11.30.98)lg262001.30.88=234.848（kV）

39

即：Ug故选择LGJ-400/95型钢芯铝绞线能满足要求，由计算可列出LGJ-400/95型钢芯铝绞线数据如表4-11：

表4-11 LGJ-400/95型钢芯铝绞线数据

设备 LGJ－400/95 项目 产品数据 计算数据 IgmaxKIy25c 960A 496A SSmin 501.2 mm2 65.88 mm2 UgU0 234.848kV 220kV

由以上数据表明，选择两条LGJ－400/95型钢芯铝绞线能满足要求7)动稳定校验：N5取2.86，L取单位长度1m，a取3m 即： F6.07102li221achN56.07103(34.9)70.64(N/m) 4.6.3.2 110kV侧主母线选择

由短路电流计算求得：I'' =26.18（kA） 1) 最大负荷持续工作电流：

Igmax=(1.05×3Se)/(3UN) =(1.05×3×120)/(3×110)

=1.984（kA）

2)按经济密度选择：取J =0.9(A/mm2)

40

即：S = Igmax/J= 1984/0.9 =2204（mm2）

按以上计算数据可以选择2×LGJ－300/100型的钢芯铝铰线,最高允许温度+70℃，Kf=1.2，长期允许载流量为1402A，即Iy25c=1402A，基准温度为+25℃，S =896.051mm2，考虑到环境温度的修正：

Ky7038.50.837

y07025Iy25c=2×1402×0.837 =2346kA >1984（kA）

3）热稳定校验：

I// td = tkd+ tb=0.07 +0.05=0.12s 1

I//因为td<1s，故需考虑非周期分量，查周期分量等值时间表：

tz=0.15s

tfz=0.05 B''2=0.05s

tdztztfZ=0.15 +0.05 =0.2（S）

4）运行时导体最高温度：

'0(Y0)(Igmax/Iy)2=38.5+(70-38.5)(1984/2346)2

= 61.14℃

5)查表得C =91，满足短路时发热的最小导体截面 SminI8.78tdzkfz0.21.210347.3(mm2) C91 小于所选导体截面S =715.51 mm2 ，满足要求

41

6)按动稳定校验 ：N5取2.86，L取单位长度1，a取1.5m

2 即：F =6.07×10-2 (L/a) ichN5 =6.07×10-2×1/1.5×20.692 ×2.86

=49.54(N/m)

7)按电晕电压校验:

UgU0

23U084m1m2Kanr00.301(1)lgjj k0rdr02.859p2.8951.011053101030.98

273t27325K01r01.33.142(n1)sin12(11)sin1dn11

2U0840.90.850.960.983(1 275.8(kV)

0.30118921.16)lg6.811.160.98

即: UgU0满足要求。

故选择LGJ－300/110型钢芯铝绞线能满足要求，由计算可列出LGJ－

300/110型钢芯铝绞线数据如表4-12：

表4-12 LGJ－300/110型钢芯铝绞线数据

设备 项目 LGJ－300/100(两根) 产品数据 计算数据 1984A IgmaxKIy25c 2027.21A 42

SSmin 896.05 mm2 47.3 mm2 UgU0 275.8kV 110kV

由以上计算表明，选择两根LGJ－300/110能满足要求。 4.6.3.3 10kV侧母线选择

1）按最大工作持续电流：Igmax =(1.05Se )/（3Ue）

=(1.05×315)/(3×10)=19.1（A）

选高相两条40×4的矩形铝母线平放、布置高相总截面为： S =2×40×4 =320 （mm2）

额定载流为480A，温度修正系数取0.94，修正后的载流量为： 480×0.94 =451（A）> Igmax 满足长期负荷发热的要求。

2）热稳定校验，满足热稳定最小允许截面为：

SminZtdZKf C取主保护时间为0.05S , 断路器的开断时间为0.06S 即：

tdtkbtb0.060.050.11(S)

I1，查周期分量等值时间曲线Itd<1S,故要考虑非同期分量的影响可知tz=0.1S

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而 tfz0.05tkb0.05S

tdztfztz0.15S 查表Kf=1.14 C=87

即Smin66.50.151.14103316(mm2) 87所选母线截面为S=2×40×4=320(mm2)，小于所选母线能满足热稳定要求。

3）校验动稳定

短路时冲击电流为169.58kA，取支持绝缘子间的跨距L=1m，母线相间距离a=0.7m，β=1截面系数为：W=0.333BL2=33.3×10-6(m3)

2BI2/ W×10-8=21.34×106（Pa） 相间作用力：Q41.73Ich同相各条间作用力Qs计算：

由母线的形状系数曲线图查得 b/h=0.1 （a-b）/（b+h）=0.09

Kx =0.45

单位长度上同相各条间的相互作用：

fs2.5Kxich/（b/h）×10-8×106=3235.2（N/m）

根据铝母线最大允许应力Qr=69×106 Pa来决定最大允许衬垫跨距

Lsmax，即：

LSmaxb2h(QrQ4)0.0120.148.611060.348(m)

fS3235.2LLSmax11.8241.8 0.548衬垫数为：n 44

因此，在每跨距间加2个衬垫： LSL0.5(m) 22fLLS临界跨距：LCb4b/fS7.57LS QS2S91108(Pa)

2bh2

QmaxQQS91.2108(Pa)

所查截面为2×(40×4)mm2铝母线能满足动稳定要求。

4.7无功补偿及补偿装置的选择 4.7.1概述

无功电源和有功电源一样是保证系统电能质量和安全供电不可缺少的因素。

据统计，电力系统用户所消耗的无功功率大约是它们所消耗的有功功率的50~100%。另外电力系统中的无功功率损耗也很大，在变压器内和输电线路上所消耗掉的总无功功率可达用户消耗的总无功功率的75%和25%。因此，需要由系统中各类无功电源供给的无功功率为总有功功率的1~2倍。

由无功功率的静态特性可知，无功功率与电压的关系较有功功率与电压的关系更为密切，从根本上来说，要维持整个系统的电压水平就必须有足够的无功电源。无功电源不足会使系统电压降低发送变电设备达不到正常出力，电网电能损失增大，故需要无功补偿。如图4-1所示为220kV变电所无功补偿装置的配置。

图4-1 220kV变电所无功补偿装置的配置

有功功率必须由发电厂送至负荷点，而无功功率则不宜由输电线路远距离输送，这有以下原因：

1）电压降增加而使电压控制复杂化；

2）由于加大电流而增加损失，使输电费用增加；

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3）由于加大电流而使变压器、架空线路和电缆等电气设备和导体的热容量不能充分利用。

所以，现代电力系统中的无功电源和无功负荷都在各级电压电网中的变电所和用户处逐级补偿，就地平衡，我国现行规程规定，以35kV及以上电压等级直接供电的工业负荷，功率因数不得低于0.9。

4.7.2 补偿装置的确定

4.7.2.1同步调相机：

调相机是吸收系统少量的有功功率来供给本身的能量损耗，向系统发出无功功率或吸收无功功率。调相机由定子、转子及励磁系统组成。电力系统中由于有大量的电磁设备(指电感性负荷，如感应电动机、电焊机、感应炉等)，除消耗一定数量的有功功率外，还要消耗一定数量的无功功率，因而需要装设一定数量的无功补偿装置— 调相机(或电容器)。

随着电力系统不断的发展，无功功率不断增加， 因而单靠发电机供给无功功率，要影响发电机的有功功率出力，这是不经济的。同时为了减少输电线往复传送中的各种损耗，有效地提高系统电压水平，提高稳定性， 提高发电设备的利用率，减少电力系统中的电力损失，改善功率因数，因而有必要在负荷中心或附近设置一定容量的无功电源设备， 以补偿无功功率的不足，提高电力系统的经济运行。

同步调相机在额定电压±5%的范围内，可发额定容量，在过励磁运行时，它向系统供给感性的无功功率起无功电源作用，能提高系统电压，在欠励磁运行时，它从系统吸收感性的无功功率起无功负荷作用，可降低系统电压。

装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸收）无功功率，进行电压调节，但是调相机的造价高，损耗大，维修麻烦，施工期长。

4.7.2.2串联电容补偿装置：

在长距离超高压输电线路中，电容器组串入输电线路，利用电容器的容抗抵消输电线中的一部分感抗，可以缩短输电线的电气距离，提高静稳定和动稳定度。但对负荷功率因数高（Oy＞0.95）或导线截面小的线路，由于PR/V分量的比重大，串联补偿的调压效果就很小。故串联电容器调压一般用在供电电压为35kV或10kV，负荷波动大而频繁，功率因数又很低的配电线路上。 4.7.2.3静电补偿器补偿装置：

它由静电电容器与电抗器并联组成电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）无功功率的静止补偿器，与同步调机相相比较，运行维护简单，功率 损耗小，但相对串联电容及并联电容补偿装置，其造价高维护较复杂，一般适用以较高的电压等级500kV变电所中。 4.7.2.4并联电容器补偿装置：

并联电容器是无功负荷的主要电源之一。它具有投资省，装设地点不受自然条件限制，运行简单可靠等优点，故一般首先考虑装设并联电容器。由于它没有旋转部件，维护也较方便，为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成

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若干组，根据负荷的变化，分组投入或切除。

由于本次设计的变电站为220kV降压变电站，以补偿的角度来选择，以上四种均能满足要求，但是在经济和检修方面来考虑，首先选择并联和串联补偿装置。而由原始资料可知，补偿装置主要补偿负荷的无功容量及平衡主变压器损耗。所以选择并联补偿装置。 4.7.3 补偿装置容量的选择

负荷所需补偿的最大容性无功量计算：

**Qcfm= PfmsinP2 / cosP2-PfmsinP1 1 /cosPQcfm— 负荷所需补偿的最大容性无功量（kvar） Pfm — 母线上的最大有功负荷（kW）

cosP1— 补偿前的功率因数

cosP2— 补偿后的功率因数

P1 , P2—阻抗功率角

主变压器所需补偿的最大容性无功量计算：

2Ud(%)ImI0(%)Qcb.m= （+ ）Se 2100I100Qcb.m—主变压器需要补偿的最大容性无功量（kvar）

Ud (%) —需要进行补偿的变压器一侧的阻抗电压的分值

Im — 母线装设补偿后，通过变压器需要补偿一侧的最大负荷电流值（A） Ie — 变压器需要补偿一侧的额定电流值（A）

I% — 变压器容截电流百分值（%）

Se — 变压器需要补偿一侧的额定容量（kVA） 所以本变电站所需要补偿的无功容量为： Q总 = Qcf.m+ Qcb.m

把总无功容量分为两组，这样才能更灵活地适应系统负荷以及电压变化，更有效地改善系统电压稳定，以及负荷大小所需的无功容量。

故综上所述可以得出220kV降压变电所的一次主接线原理图，如图4-2所示：

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图4-2 220kV降压变电所的220kV侧一次主接线原理图

5 变电所的保护设计

5.1主变压器保护 5.1.1 概述

电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响，而本次变电所设计的变电所是市区220kV降压变电所，如果不保证变压器的正常运行，将会导致全所停电，甚至影响到下一级降压变电所的供电可靠性。

变压器的故障可分为内部和外部两种故障。内部故障是指变压器油厢里面的各种故障，主要故障类型有：

1）各绕组之间发生的相间短路；

2）单相绕组部分线区之间发生的匝间短路；

3）单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地短路；

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4）铁芯烧损。

变压器的外部故障类型有：

1）绝缘套管网络或破碎而发生的单相接地（通过外壳）短路； 2）引出线之间发生的相间故障。 变压器的不正常运行情况主要有：

1）由于外部短路或过负荷而引起的过电流； 2）油箱漏油而造成的油面降低；

3）变压器中性点电压升高或由于外加电压过高而引起的过励磁。

为了防止变压器发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失，保证 系统安全连续运行，故变压器应装设一系列的保护装置。 5.1.2变电所主变保护的配置 5.1.2.1主变压器的主保护

1）瓦斯保护

对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器。如图5-1所示为瓦斯保护的原理接线图。

图5-1瓦斯保护的原理接线图

2) 差动保护

对变压器绕组和引出线上发生故障，以及发生匝间短路时，其保护瞬时动作，跳开各侧电源断路器。如图5-2所示为变压器差动保护线路原理接线图。

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图5-2 变压器差动保护线路原理接线图

5.1.2.2主变压器的后备保护

为了反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，所以需装设过电流保护。如图5-3所示为变压器过电流保护原理接线图。

图5-3 变压器过电流保护原理接线图

而本次所设计的变电所，电源侧为220kV，主要负荷在110kV侧，即可装设两套过电流保护，一套装在中压侧110kV侧并装设方向元件，电源侧220kV侧装设一套，并设有两个时限ts和t3，时限设定原侧为t3≥t2＋△t，用一台变压

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器切除三侧全部断路器。 5.1.2.3过负荷保护

变压器的过负荷电流，大多数情况下都是三相对称的，因此只需装设单相式过负荷保护，过负荷保护一般经追时动作于信号，而且三绕组变压器各侧过负荷保护均经同一个时间继电器。如图5-4所示为变压器过负荷保护原理接线图。

图5-4变压器过负荷保护原理接线图

5.1.2.4 变压器的零序过流保护

对于大接地电流的电力变压器，一般应装设零序电流保护，用作变压器主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护，一般变电所内只有部分变压器中性点接地运行，因此，每台变压器上需要装设两套零序电流保护，一套用于中性点接地运行方式，另一套用于中性点不接地运行方式。如图5-4所示为变压器零序电流保护原理接线图。

图5-4 变压器零序电流保护原理接线图

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