華北水利水電大學220kv南陽變電站畢業(yè)設計

華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第1頁頁共共50頁頁 第一部分 設計說明書 1. 論證 220kV 桐柏變電站建設的必要性與可行性 1.1 變電站建設的必要性 滿足負荷發(fā)展的需要 由于南陽東南部三縣（唐河、社旗、桐柏）和河南油田聯(lián)系緊密，整體屬于唐河 青臺變的供電區(qū)域。因此對東南部三縣一區(qū)進行電力平衡，校核電網的變電容量和供 電能力。 宛東南部區(qū)域 220kV 電力平衡 表 1-1單位：MW 20062007200820092010 東南部最高供電負荷315342371398425 其中：社旗縣4448525661 唐河縣778594104115 桐柏縣728396104113 河南油田129133137141145 轉供方城負荷4040000 市區(qū)轉供油田負荷3032000 需 220kV 電網供電負荷325350371398425 宛東南區(qū)域 220kV 變電容量480480480480480 220kV 容載比1.481.371.291.211.13 2005 年唐河變的最大負荷為 176MW，青臺變的最大負荷為 175MW，負荷都重要。 根據宛東南部的負荷預測，2008 年宛東南部的負荷為 370MW，該區(qū)域現(xiàn)有 220kV 變電容 量 480MVA，如果不建設桐柏 220kV 變電站，則東部區(qū)域的容載比為 1.29。2010 年宛東 南部的負荷為 425MW，如果不建設桐柏 220kV變電站，則東部區(qū)域的容載比僅為 1.13， 唐河變與青臺變將滿載運行。如果 2008 年 220kV 桐柏站建成投運，則宛東南部區(qū)域的整 體容載比為 1.7。考慮該地區(qū)域唐河、社旗縣已有 220kV變電站，因此，“十一五”期間 建設桐柏 220kV變電站是必要的。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第2頁頁共共50頁頁 改善電網網架，提高供電可靠性的需要 桐柏電網通過兩回 110kV 線路（唐桐線、青大線）與系統(tǒng)相聯(lián)絡，其中青大線的導 線型號為 LGJ120，已運行 34年，故障頻繁。唐桐線作為桐柏縣電網的主供電源，運行 壓力較大。由于田園變 T 接于唐桐線，在唐桐線故障檢修的情況下，桐柏變可由大河變 轉供，而田園變將沒有第二電源而全站停電。至 2008 年，唐桐線最大負荷將達 96MW， 如果兩回線路任一線路故障，將壓限大量負荷。因此，目前桐柏縣的供電可靠性較低。 由于桐柏縣近期負荷發(fā)展較快，為滿足負荷的用電需求和提高供電可靠性的需要， 如果不建桐柏 220kV 變電站，則需要建設新的 110kV 線路。若建設新的 110kV 線路仍需 要由唐河變或青臺變提供電源，線路長度均 60 公里以上，投資較大，而且從長遠的角度 考慮，將來桐柏 220kV 變電站建成后，建設長距離 110kV 線路將造成投資浪費。而且依 靠 110kV線路供電將造成長距離的輸電，線損較高，電壓質量較低。 如果建設桐柏 220kV 變電站，利用桐柏 220kV 變電站的 110kV 送出，可以滿足負荷 的供電需求外，還可以完善桐柏縣的 110kV網架結構，提高了公用負荷供電可靠性。 降低線損，提高電壓質量 桐柏電網位于電網末端，供電距離長，電能質量差，損耗大，已不能滿足人民生活 和工農業(yè)發(fā)展需要。桐柏 220kV 變電站投運之后，對于桐柏電網，避免了長距離的輸 電，縮短了 110kV電壓等級的輸電半徑，降低了損耗，提高了桐柏縣的電壓質量。 綜上所述，從南陽供電區(qū)、東南部三縣及桐柏縣負荷的供電需求，提高供電可靠性 和電能質量的需求，以及電網發(fā)展的需要等方面考慮，非常有必要建設桐柏 220kV 變電 站及輸電工程。 1.2 變電站規(guī)模的確定 根據導則規(guī)定容載比在 1.61.9之間，確定桐柏 220kV變電站主變規(guī)模2 150MVA 本期1 150MVA。2008 年桐柏縣 220kV 變電站投運后，宛東南部區(qū)域的整體容載比為 1.7。 1.3 變電站低壓側電壓等級的確定 對于主供縣一級的 220kV 變電站，其低壓側的電壓等級應根據縣電網的建設與發(fā) 展，合理確定。桐柏縣電網目前高壓輸電網電壓等級為 110kV、35kV。35kV 電網以 110kV 變電站為主供電源，形成聯(lián)絡，主要向鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級供電。位于縣城附近的 110kV 變 電站，低壓側以 10kV 出線主供城區(qū)負荷。對于桐柏 220kV 變電站，其低壓側可以選擇 35kV或 10kV。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第3頁頁共共50頁頁 桐柏 220kV 變電站選下南莊為站址。下南莊站址距離縣城約 15km，但距離安棚化工 城約 25km，因此桐柏 220kV 變電站的低壓側不適宜直接對安棚化工城的用戶供電。下南 莊站址位于田園變與 110kV 桐柏變之間，田園變與 110kV 桐柏變目前均為單臺主變運 行。參考南陽供電區(qū)“十一五”電網規(guī)劃及 2015 年展望及其審查意見，該站址附近 至 2015 年無規(guī)劃的 110kV 變電站。桐柏 220kV 變電站的低壓側選擇 35kV 電壓等級也無 法替代一座 110kV 變電站。同時，低壓側選擇 35kV 電壓等級，將使銅柏變的投資增大 （包括主變壓器、低壓側配電裝置、無功補償裝置、占地、相關 35kV 電網改造引起的新 增投資）。因此，桐柏 220kV 變的低壓側宜選擇 10kV 電壓等級，主要用于站用負荷及無 功補償，同時考慮周邊 10kV 負荷的用電需要。 1.4 變電站接入系統(tǒng)方案的確定 220kV 出線方案 由于桐柏縣位于南陽供電區(qū)的東南部，因此桐柏 220kV 變電站的定位為末端站，其 主要供電范圍為桐柏縣的負荷。 根據桐柏變周邊的 220kV 及以上電網的情況及桐柏變的負荷性質，初步考慮桐柏 220kV 變電站的出線方案如下： 本期出線 1 回，最終 4 回，其中 3 回備用。220kV 桐柏變周邊有 220kV 變電站兩座 （青臺變、唐河變），考慮距唐河變距離較近，新建至唐河 220kV 變電站的線路。遠期 桐柏 220kV 變電站擴建時，建設第二電源線路，可考慮由唐河變或青臺變出線。另外兩 回備用主要考慮為桐柏縣的第二座 220kV 變電站提供電源。 110kV 出線方案 桐柏 220kV 變電站建成后，主要供電范圍將為桐柏縣的負荷。桐柏變 110kV 出線應 遵循滿足供電負荷需求，同時提高供電可靠性的原則。根據桐柏 220kV 變周邊的 110kV 變電站與線路情況，其 110kV 出線方案如下： 本期出線 3 回，最終 10 回。桐柏 220kV 變電站距 110kV 唐桐線較近，所以接 110kV 唐桐線。為縮短供電距離，降低線路損耗，110kV 大河站改由新建 220kV 桐柏站供 電，新建至 110kV 青大線的 T 接線路，同時改造 T 接點至大河 110kV 變電站的線路。 10kV 出線方案 本期暫不出線，最終出線 4 回，主要用于站用負荷及無功補償。 2. 電氣主接線設計 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第4頁頁共共50頁頁 2.1 變壓器型號的選擇 變電站變壓器型號的選擇應從如下幾個方面考慮： 相數：220330kV 變壓器，若不受運輸條件限制，應選用三相式。所以，本變電 站主變采用三相變壓器。 繞組數：220330kV 具有三種電壓的變電站中，如通過主變壓器各側繞組的功率 可達到該變壓器額定容量的 15%以上，或者第三繞組需要裝設無功補償設備時，均宜采用 三繞組變壓器。所以，本變電站主變采用三繞組變壓器。 繞組連接方式：變壓器繞組的連接方式必須和系統(tǒng)電壓相位一致，否則不能并列 運行。電力系統(tǒng)采用的繞組連接方式一般是 Y 和，高、中、低壓三側繞組如何組合要 根據具體工程來確定。 我國 110kV 及以上電力變壓器繞組都采用 Y 連接，35kV 亦采用 Y 連接，其中性點多 通過消弧線圈接地，35kV 及以下電壓，變壓器繞組都采用連接。 所以，本變電站主變采用 Y-Y-接線方式。 調壓方式：由于本變電站為降壓變電站，位于電網的末端，為保證供電電壓質 量，主變采用有載調壓方式。 冷卻方法：電力變壓器的冷卻方式隨變壓器型式和容量不同而異，一般有自然風 冷卻、強迫風冷卻、強迫油循環(huán)水冷卻、強迫油循環(huán)風冷卻、強迫油循環(huán)導向冷卻。本 變電站主變采用強迫油循環(huán)風冷。 中性點絕緣水平：變壓器的中性點絕緣水平分為全絕緣和分級絕緣。全絕緣即中 性點的絕緣水平與繞組首端的絕緣水平相同，分級絕緣即中性點的絕緣水平低于繞組首 端的絕緣水平。在 220kV 及更高的變壓器中采用分級絕緣的效益是比較顯著的，而且運 輸、安裝方便。但必須采用變壓器中性點裝設專用避雷器加以絕緣保護，并且所選的中 性點避雷器必須與中性點絕緣水平相當。 所以，本變電站主變采用中性點分級絕緣。 綜上所述，選用以下型號變壓器： 表 2-1 型號SFPSZ10150000kVA/220 額定容量（kVA）150000/150000/75000 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第5頁頁共共50頁頁 額定電壓(kV) 高壓 2208 1.25% 中壓121 低壓10.5 阻抗電壓（%） 高中14.5 中低7.5 高低24 連接組YN，Yn0，d11 2.2 電氣主接線方案設計 2.2.1 電氣主接線設計的基本要求 主接線應滿足可靠性、靈活性和經濟性三項基本要求： 可靠性 通常定性分析和衡量主接線可靠性時，從以下幾個方面考慮： 斷路器檢修時，能否不影響供電 線路斷路器或母線故障時以及母線或母線隔離開關檢修時，停運出線回路數的多 少和停電時間長短，以及能否保證對 I、II 類負荷的供電。 變電站全部停電的可能性。 靈活性 電氣主接線應能適用各種運行狀態(tài)，并能靈活地進行運行方式的轉換，包括以下幾 個方面： 操作的方便性。電氣主接線應在滿足可靠性的條件下，接線簡單，操作方便，盡 可能地使操作步驟減少，以便運行人員掌握，不致在操作過程中出差錯。 調度的方便性。電氣主接線在正常運行時，要能根據調度的要求，方便地改變運 行方式，并且在發(fā)生事故時，要能盡快地切除故障，使停電時間最短，影響范圍最小， 不致過多地影響對用戶的供電和破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 擴建的方便性。對將來要建的發(fā)電廠和變電站，其主接線必須具有擴建的方便 性。尤其是火電廠和變電站，在設計主接線時應留有發(fā)展擴建的余地。設計時不僅要考 慮最終接線的實現(xiàn)，還要考慮從初期接線過渡到最終接線的可能性和分階段施工的可行 方案，使其盡可能地不影響連續(xù)供電或在停電時間最短的情況下，將來可順利完成過渡 方案的實施，使改造工作量最少。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第6頁頁共共50頁頁 經濟性 在設計主接線時，主要矛盾往往發(fā)生在可靠性與經濟性之間。通常設計應在滿足可 靠性和靈活性的前提下做到經濟合理。經濟性主要從以下幾個方面考慮： 節(jié)省一次投資。主接線應簡單清晰，并要適當采用限制短路電流的措施，以節(jié)省 開關電器數量，選用廉價的電器或輕型電器，以便降低投資。 占地面積少。主接線設計要為配電裝置布置創(chuàng)造節(jié)約土地的條件，盡可能使占地 面積少，同時應節(jié)約搬遷費用、安裝費用和外匯費用。對大容量發(fā)電廠和變電站，在可 能和允許條件下，應采用一次設計，分期投資、建設，盡快發(fā)揮經濟效益。 電能損耗少。在發(fā)電廠或變電站中，電能損耗主要來自變壓器，應經濟合理地選 擇變壓器的型式、容量和臺數，盡量避免兩次降壓而增加電能損耗。 2.2.2 電氣主接線設計的選擇原則 變電站主接線要與變電站在系統(tǒng)中的地位和作用相適應。根據變電站在系統(tǒng)中的 地位、作用確定對主接線的可靠性、靈活性和經濟性的要求。 變電站主接線的選擇應考慮電網安全運行的要求，還應滿足電網出現(xiàn)故障時應急 處理的要求。 各種配電裝置接線的選擇，要考慮該配電裝置所在的變電站性質、電壓等級、進 出線回路數、采用的設備情況、供電負荷的重要性和本地區(qū)的運行習慣等因素。 近期接線與遠景接線相結合，方便接線的過渡。 在確定變電所主接線時要進行技術經濟比較。 2.2.3 電氣主接線設計 220kV 220kV 降壓變電站中的 220kV 配電裝置，當 220kV 線路 4 回及以上，變壓器 2 組的 情況下，一般采用雙母線接線，不帶旁路。 110kV 220kV 降壓變電站中的 110kV 配電裝置，通常是地區(qū)配電網的電源點，出線回路比 較多。當出線回路數超過 6 回，總元件數 8 個以上時，一般采用雙母線接線，不帶旁路。 當地區(qū) 110kV 電網較薄弱，斷路器檢修有可能造成重要用戶停電時，通常也不通過設旁 路母線來解決，而是通過加強地區(qū)電網結構或對重要用戶采用雙回路供電方式來解決斷 路器檢修問題。 10kV 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第7頁頁共共50頁頁 在降壓變電站中，610kV 側所連接的元件是到用戶去的饋電線，無功補償設備，站 用變壓器等，對重要用戶都采用雙回或多回供電，通常采用單母線分段接線。 2.2.4 方案比較 方案一：220kV 采用雙母線接線 110kV 采用雙母線接線 10kV 采用單母線分段接線 方案一：220kV 采用單母線分段接線 110kV 采用雙母線線分段接線 10kV 采用單母線接線 表 2-2 方案 電壓等級 方案一方案二 220kV 雙母線接線 可以輪流檢修一組母線而不致使供 電中斷；一組母線故障后能迅速恢 復供電；檢修任一回路的母線的隔 離開關時，只需斷開此隔離開關相 連的該組母線，其它線路均可通過 另一組母線繼續(xù)運行。 單母線分段接線 母線或母線隔離開關檢修或故障時， 整個配電裝置全停。 110kV 雙母線接線 可以輪流檢修一組母線而不致使供 電中斷；一組母線故障后能迅速恢 復供電；檢修任一回路的母線的隔 離開關時，只需斷開此隔離開關相 連的該組母線，其它線路均可通過 另一組母線繼續(xù)運行。 雙母線線分段接線 一段工作母線發(fā)生故障后，將故障段 母線所連接的電源回路和出線回路切 換到備用母線上，即可恢復供電，所 以只是部分短時停電，而不必全部短 時停電；但比雙母線接線增加了兩臺 斷路器，投資有所增加。 10kV 單母線分段接線 母線和母線隔離開關可分段輪流檢 修；對重要用戶可從不同母線段引 雙回路供電，當一段母線發(fā)生故障 單母線接線 母線或母線隔離開關檢修，整個配電 裝置將全停，可靠性不高；當任一連 接元件故障，斷路器拒動或母線故障 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第8頁頁共共50頁頁 或任一連接元件故障，斷路器拒動 時，由繼電保護動作斷開分段斷路 器，將故障限制在故障母線范圍 內，非故障母線繼續(xù)運行，整個配 電裝置不會全停，也保證對重要用 戶供電，提高了可靠性。 都將造成整個配電裝置全停。 綜上所述，通過在技術經濟上對每個電壓等級電氣主接線的兩個方案的比較，方案 一比方案二更加合理，且可靠性，靈活性滿足要求。所以，綜合分析，選用方案一為最 終設計方案，即 220kV，110kV采用雙母線接線，10kV采用單母線分段接線。 3.短路電流的計算 3.1 短路計算的目的 為了保證電力系統(tǒng)安全運行，在設計選擇電氣設備時，都要用可能流經該設備的最 大短路電流進行熱穩(wěn)定校驗和動穩(wěn)定校驗，以保證該設備在運行中能夠經受住突發(fā)短路 引起的發(fā)熱和電動力的巨大沖擊。同時，為了盡快切斷電源對短路點的供電，繼電保護 裝置將自動地使有關斷路器跳閘。繼電保護裝置的整定和斷路器的選擇，也需要準確的 短路電流數據。 3.2 短路計算的假設條件 電力系統(tǒng)規(guī)劃設計的遠景短路電流一般是采用簡化或近似計算。在計算時有以下假 設： 故障前為空載，即負荷略去不計，只計算短路電流的故障分量 故障前所有節(jié)點電壓均等于平均額定電壓，其標幺值等于 1 系統(tǒng)各元件的電阻忽略不計（1kV以上的高壓電網） 只計算短路電流基頻的周期分量 3.3 短路計算的步驟 一般三相短路電流產生的熱效應和電動力最大，所以只對三相短路短路電流進行計 算。計算步驟如下： 畫等值電路圖 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第9頁頁共共50頁頁 網絡化簡(消去中間節(jié)點)，得到各電源對短路點的轉移阻抗 由于系統(tǒng)為無窮大電源，所以轉移阻抗的倒數即為短路點電流的標幺值 求各電源送至短路點電流的有名值之和，即為短路點的短路電流 3.4 短路點的選擇 選取短路點主要依據變電站的電壓等級，本變電站有三個電壓等級，所以選擇三個 短路計算點，分別代表 220kV、110kV、10kV 工作母線上的短路點。然后根據這三個短路 點依次計算對應的短路電流值，并利用這三個短路電流值分別校驗對應電壓等級母線上 以及與母線相連的進出線上的電氣設備。 3.5 短路計算結果(),100 avBB UUMVAS 表 3-1 短路編號短路位置 短路電流 I“=I （kA） 沖擊電流 shi（kA） 基準電壓 BU（kV） 1K220kV母線5.3913.72230 2K110kV母線5.1713.16115 3K10kV母線4411210.5 4.電氣設備與母線的選擇與校驗 4.1 電氣設備的選擇與校驗 4.1.1 電氣設備選擇的一般條件 4.1.1.1 按正常工作條件選擇電氣設備 額定電壓 電氣設備所在電網的運行電壓因調壓或負荷的變化，有時會高于電網的額定電壓， 故所選電氣設備的允許最高工作電壓不得低于所接電網的最高運行電壓。通常，規(guī)定一 般電氣設備允許的最高工作電壓為設備額定電壓的 1.11.15 倍，而電氣設備所在電網的 運行電壓波動，一般不超過電網額定電壓的 1.15。因此，在選擇電氣設備時，一般可按 照電氣設備的額定電壓 N U不低于裝置地點電網額定電壓 S N U的條件選擇，即 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第10頁頁共共50頁頁 S NN UU 額定電流 電氣設備的額定電流 N I是指在額定環(huán)境溫度 0 下，電氣設備的長期允許電流。 N I應 不小于該回路在各種合理運行方式下的最大持續(xù)工作電流 max I，即 max IIN 由于發(fā)電機、調相機和變壓器在電壓降低 5%時，出力保持不變，故其相應回路的 max I應為發(fā)電機、調相機和變壓器的額定電流的 1.05 倍；若變壓器有可能過負荷運行 時， max I應按過負荷確定（1.32 倍變壓器額定電流）；母聯(lián)斷路器回路一般可取母線 上最大一臺發(fā)電機或變壓器的 max I；母線分段電抗器 max I應為母線上最大一臺發(fā)電機跳閘 時，保證該段母線負荷所需的電流，或最大一臺發(fā)電機額定電流的 50%80%；出線回路 的 max I除考慮正常負荷電流外，還應考慮事故時有其他回路轉移過來的負荷。 環(huán)境條件對設備選擇的影響 當電氣設備安裝地點的環(huán)境（尤其注意小環(huán)境）條件如溫度、風速、污穢等級、海 拔高度、地震強度和覆冰厚度等超過一般電氣設備使用條件時，應采取措施。 一般非高原型的電氣設備使用環(huán)境的海拔高度不超過 1000m，當地區(qū)海拔超過制造 廠家的規(guī)定值時，由于大氣壓力、空氣密度和濕度相應減少，使空氣間隙和外絕緣的放 電特性下降。一般當海拔在 10003500m 范圍內，若海拔制造廠家規(guī)定值每升高 100m， 則電氣設備允許最高工作電壓要下降 1%。當最高工作電壓不能滿足要求時，應采用高原 型電氣設備或采用外絕緣提高一級的產品。對于 110kV 及以下電氣設備，由于外絕緣裕 度較大，可在海拔 2000m以下使用。 電氣設備的額定電流是指在基準環(huán)境溫度下能允許長期通過的最大工作電流。此 時，電氣設備的長期發(fā)熱溫升不超過其允許溫度。而在實際運行中，周圍環(huán)境溫度直接 影響電氣設備的發(fā)熱溫度，所以電氣設備的額定電流必須經過溫度修正。我國生產的電 器設備一般使用的額定環(huán)境溫度 0 =+40,如周圍環(huán)境溫度高于+40(但+60)時,其 允許電流一般可按每增高 1,額定電流減少 1.8%進行修正；當環(huán)境溫度低于+40時， 環(huán)境溫度每降低 1，額定電流可增加 0.5%，但其最大電流不得超過額定電流的 20%。 此外，還應按電器的裝置地點、使用條件、檢修和運行等要求，對電器進行種類 （屋內或屋外）和型式（防污型、防爆型、濕熱型等）的選擇。 4.1.1.2 按短路狀態(tài)校驗設備 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第11頁頁共共50頁頁 短路熱穩(wěn)定校驗 短路電流通過電器時，電氣設備各部件溫度（或發(fā)熱效應）應不超過允許值。滿足 熱穩(wěn)定的條件為 K QtI 2 式中 K Q短路電流產生的熱效應， 2 kAs t I、t電氣設備允許通過的熱穩(wěn)定電流和時間，kA，s 短路動穩(wěn)定校驗 動穩(wěn)定是電器承受短路電流機械效應的能力。滿足動穩(wěn)定的條件為 shes ii 式中 sh i短路沖擊電流幅值，kA es i電氣設備允許通過的動穩(wěn)定電流幅值，kA 下列幾種情況可不校驗熱穩(wěn)定或動穩(wěn)定： 用熔斷器保護的電氣設備，其熱穩(wěn)定有熔斷時間保證，故可不驗算熱穩(wěn)定。 采用有限流電阻的熔斷器保護的設備，可不校驗動穩(wěn)定。 裝設在電壓互感器回路中的裸導體和電氣設備可不校驗動、熱穩(wěn)定。 4.1.2 具體設備的選擇 各高壓電器的一般技術條件如下表所示： 表 4-1 設備名稱額定電壓額定電流 額定開斷 電流 熱穩(wěn)定動穩(wěn)定 斷路器 隔離開關 電流互感器 電壓互感器 熔斷器 絕緣子 避雷器 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第12頁頁共共50頁頁 本設計要求選擇的設備有斷路器、隔離開關、互感器、熔斷器、絕緣子、避雷器 等。所有的設備應滿足正常工作及短路狀態(tài)的要求。 4.1.2.1 斷路器 選擇種類和型式 選擇斷路器種類和型式時，應依據各類斷路器的特點及使用環(huán)境、條件決定。 額定電壓和電流選擇 S NN UU， maxN II 式中 N U、 S N U分別為電氣設備和電網的額定電壓，kV N I、 max I分別為電氣設備的額定電流和電網的最大負荷電流，A 校驗開斷電流 ktbr II 式中 br I斷路器的額定開斷電流，kA kt I斷路器實際開斷瞬間的短路電流周期分量，kA 當斷路器的 br I較系統(tǒng)短路電流大很多時，簡化計算時可用 “ IIbr進行選擇，I“為短 路電流值。 校驗動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定 shes ii， K QtI 2 式中 sh i短路沖擊電流幅值，kA es i電氣設備允許通過的動穩(wěn)定電流幅值，kA K Q短路電流產生的熱效應， 2 kAs t I、t電氣設備允許通過的熱穩(wěn)定電流和時間，kA，s 4.1.2.2 隔離開關 隔離開關與斷路器相比，額定電壓、額定電流的選擇及短路動、熱穩(wěn)定校驗的項目 相同。但由于隔離開關不用接通和切斷短路電流，故無需進行開斷電流的校驗。 4.1.2.3 電流互感器 重要的 220kV 變電站的 220kV 母線、線路、變壓器，因其重要性，為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定 性要求，一般配置雙套保護。故 220kV 出線的電流互感器要帶有 6 個二次繞組，其中 2 個供線路或變壓器保護用，2 個供母線保護用，1 個供失靈和故障錄波用，1 個供測量 用。110kV 出線的電流互感器要帶有 5 個二次繞組，其中 2 個供線路或變壓器保護用，1 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第13頁頁共共50頁頁 個供母線保護用，1 個供失靈和故障錄波用，1 個供測量用。10kV 出線為站用變壓器和無 功補償設備回路，電流互感器帶有兩個二次繞組，供保護和測量儀表用。 220kV、110kV 變壓器回路配置帶有兩個二次繞組的電流互感器，分別用于繞組測溫 和備用。10kV 變壓器回路配置兩組電流互感器，供 4 個二次繞組，其中 3 個普通保護級 和一個測量級，普通保護級供變壓器保護用，測量級供測量用。 變壓器 220kV、110kV 中性點配置用于零序過電流保護的電流互感器，經放電間隙接 地時，增設用于間隙零序過流保護的電流互感器。 選擇種類和型式 選擇電流互感器種類和型式時，應根據安裝地點和安裝方式選擇。 選擇一次回路額定電壓和電流 S NN UU， max1 II N 式中 N U、 S N U分別為電流互感器和電網的額定電壓，kV N I1電流互感器一次回路額定電流，A max I電網的最大負荷電流，A 選擇準確級 為了保證測量儀表的準確度，電流互感器準確級不得低于所供測量儀表的準確級。 校驗動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定 shes ii， K QtI 2 式中 sh i短路沖擊電流幅值，kA es i電流互感器允許通過的動穩(wěn)定電流幅值，kA K Q短路電流產生的熱效應， 2 kAs t I、t電流互感器允許通過的熱穩(wěn)定電流和時間，kA，s 4.1.2.4 電壓互感器 220kV和 110kV 側每段母線上分別裝設一組電容式電壓互感器，有 3 個二次繞組，2 個二次繞組接成星形，為保護、測量表計和同期提供二次電壓，剩余繞組接成開口三角 形，供接地保護用。10kV 側每段母線上裝設一組電磁式電壓互感器，分別有 2 個二次繞 組，1 個二次繞組接成星形，為保護、測量表計和同期提供二次電壓，剩余繞組接成開口 三角形，供接地保護用。220kV 和 110kV 側為監(jiān)視和檢測線路有無電壓，每回出線上裝 設單相電容式電壓互感器。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第14頁頁共共50頁頁 選擇種類和型式 應根據裝設地點和使用條件選擇電壓互感器的種類和型式。 選擇一次額定電壓和二次額定電壓 電壓互感器一次繞組額定電壓 N U，應根據互感器的接線方式來確定。電壓互感器的 二次繞組額定電壓通常是供額定電壓為 100V 的儀表和繼電器的電壓繞組使用。單個單相 式電壓互感器的二次繞組電壓為 100V，而其余可獲得相間電壓的接線方式，二次繞組電 壓為 100/3V。電壓互感器開口三角形的輔助繞組電壓用于 35kV及以下中性點不接地系 統(tǒng)的電壓為 100/3V，而用于 110kV及以上的中性點接地系統(tǒng)為 100V。 選擇準確級 根據儀表和繼電器接線要求選擇電壓互感器的接線形式，并盡可能將負荷均勻分布 在各相上，然后計算負荷大小，按照所接儀表的準確級和容量選擇電壓互感器的準確級 和額定容量。 4.1.2.5 熔斷器 保護電壓互感器的高壓熔斷器，一般選用 2 RN型，其額定電壓應高于或等于所在電 網的額定電壓（但限流式只能電網電壓），額定電流通常均為 0.5A，其開斷電流 br I應滿 足 “ br II。 4.1.2.6 絕緣子 支持軟母線應選用懸式絕緣子，支持硬母線應選用支柱絕緣子。 懸式絕緣子 根據所在電網的電壓選擇絕緣子的額定電壓，并根據電壓等級選擇絕緣子片數。 支柱絕緣子 選擇型式 根據裝設地點、環(huán)境，選擇屋內、屋外式或防污式及滿足使用要求的產品型式。 選擇額定電壓 支柱絕緣子的額定電壓應大于或等于所在電網的額定電壓。 校驗動穩(wěn)定 P FF H H 6 . 0 max 1 式中 1 H絕緣子底部導體距導體水平中心線的高度，m H絕緣子高度，m 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第15頁頁共共50頁頁 P F絕緣子抗彎破壞強度，N max F發(fā)生短路時，絕緣子受力，N 4.1.2.7 避雷器 避雷器的配置： 在 220kV、110kV、10kV的每段母線上裝設避雷器。 變壓器的 220kV 側距母線避雷器較遠，裝設避雷器。變壓器的低壓側在一相上裝 設避雷器。 變壓器的中性點為分級絕緣，且裝有隔離開關，可接地或不接地運行，裝設避雷 器。 10kV的出線在電纜頭附近裝設避雷器。 氧化鋅避雷器是當前最先進的過電壓保護設備，與傳統(tǒng)碳化硅閥式避雷器相比，具 有優(yōu)良的非線性，動作迅速，殘壓低，通流量大，無續(xù)流，結構簡單，可靠性高。耐污 性強，維護簡便等優(yōu)點，是傳統(tǒng)碳化硅閥式避雷器的更新?lián)Q代產品，因此本設計均采用 氧化鋅避雷器。 4.1.2.8 補償設備 電能質量好壞的指標是頻率和電壓是否穩(wěn)定。維持電力系統(tǒng)的頻率和電壓在允許范 圍之內變動，對保證電力系統(tǒng)負荷的正常運行和電力系統(tǒng)自身的安全至關重要。電力系 統(tǒng)的頻率和有功功率的平衡情況密切相關；電力系統(tǒng)的電壓水平則是與無功功率的平衡 情況密切相關。在負荷側裝有無功功率補償裝置和有載調壓變壓器，使電力系統(tǒng)的無功 功率處于平衡狀態(tài)，以及系統(tǒng)中各電壓控制點的電壓維持在給定水平。 為了減少輸送無功功率造成的電能損失，提高電網運行的經濟性，對電力系統(tǒng)的無 功功率盡可能做到就地平衡。在電力系統(tǒng)中，按以下方式配置無功補償裝置： 在降壓變壓器低壓側裝設可投切的并聯(lián)電抗器或并聯(lián)電容器。 直接接在輸電線路兩端的并聯(lián)電抗器。 可連續(xù)調節(jié)的晶閘管靜止補償裝置。 在輸電線路中間串聯(lián)電容補償裝置。 發(fā)電機或同步調相機。 在大容量電力負荷處裝設就地補償裝置。 在降壓變電站中設置的無功功率補償裝置和有載調壓變壓器，是實現(xiàn)無功功率就地 平衡和保證電壓質量的主要手段。無功功率補償裝置一般都接在降壓變壓器的低壓側。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第16頁頁共共50頁頁 在新設計的 220500kV 變電站中，由于具有經濟性、維護和安裝上的優(yōu)點，多采用電力 電容器、電抗器或靜止補償裝置作為無功功率補償。通過對有載調壓變壓器的變比和無 功功率補償裝置輸出無功功率的控制，可以調節(jié)電力系統(tǒng)電壓和無功功率補潮流。 所以，本變電站選用并聯(lián)電容器組在變壓器低壓側補償無功功率。 4.2 母線的選擇與校驗 試驗和分析表明，電壓越高電場強度越大，母線越容易發(fā)生電暈。此外，母線表面 有棱角或不光滑，曲率半徑太小，都容易出現(xiàn)高電場集中，也容易發(fā)生電暈，電壓等級 較高的母線一般不采用有棱角的截面形狀，而廣泛采用表面比較光滑的圓形截面形狀， 如鋼芯鋁絞線，圓管形鋁合金硬母線等，而且直徑不可太小。所以本設計 220kV、110kV 母線采用軟母線，10kV母線采用硬母線。 4.2.1 母線的選擇 選型 導體通常由銅、鋁、鋁合金制成，載流導體一般使用鋁或鋁合金材料，銅導體只用 在持續(xù)電流大，且出線位置特別狹窄或污穢對鋁有嚴重腐蝕的場所。 硬導體截面常用的有矩形、槽形和管形。其中槽形導體機械強度好，載流量大，集 膚效應系數較小，一般用于 40008000A 的配電裝置中。 導體的布置方式應根據載流量的大小，短路電流水平和配電裝置的具體情況而定。 截面積 導體截面積可按長期發(fā)熱允許電流或經濟電流密度選擇。 對負荷利用小時數大（通常指 Tmax5000h），傳輸容量大，長度在 20m 以上的導 體，其截面一般按經濟電流密度選擇。而配電裝置的匯流母線通常在正常運行方式下， 傳輸容量不大，可按長期工作電流選擇。 4.2.2 母線的校驗 校驗電暈電壓 對 110kV 及以上裸導體，需要按照晴天不發(fā)生全面電暈條件校驗，即裸導體的臨界 電壓 cr U應大于最高工作電壓 max U?？刹贿M行電暈校驗的最小導體型號及外徑，可從相關 資料中獲得。 校驗熱穩(wěn)定 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第17頁頁共共50頁頁 滿足熱穩(wěn)定要求的導體最小截面積 2 min 1 mmQK C S Kf ，只需實際選用的導體截面 積 min SS ，導體便是熱穩(wěn)定的。 校驗動穩(wěn)定 各種形狀的硬導體通常都安裝在支柱絕緣子上，短路沖擊電流產生的電動力將使導 體發(fā)生彎曲，因此，導體應按彎曲情況進行應力計算。而軟導體不必進行動穩(wěn)定校驗。 4.3 電氣設備和母線的選擇結果 根據原始資料和以上的有關條件選擇的電氣設備和母線結果如下： 表 4-2 220kV110kV10kV 斷路器LW220LW110 4 SN10G 隔離開關 GW220 GW220DW GW7220D2W GW110 GW110DW GW5110D2W 10 GN10T/ 5000 電壓互感器 TYD2220/3 0.01H TYD2110/3 0.01H JDZX10 電流互感器LCWB220LCWB110LZZBJ910 熔斷器 2 RN10 絕緣子 p X -7 p X -7 ZC10 避雷器 Y10W204/532 W Y10W1102/26 6W Y5W12.7/50 并聯(lián)電容器成套裝置 TBB10- 10000/334-AK 母線LGJ300/15LGJ400/20 槽形截面 2 2740mm 5. 變電站主變壓器的保護 5.1 變壓器可能發(fā)生的故障和不正常運行方式 電 壓 等 級 設 備 名 稱 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第18頁頁共共50頁頁 本變電站的變壓器容量為 150MVA，屬于大型變壓器，是電力系統(tǒng)中的重要電力電 氣設備，其故障對電力系統(tǒng)和用戶影響都很大。因此，必須對它配備完善的保護 裝置， 在出現(xiàn)危及變壓器安全的不正常運行狀態(tài)時，能及早地發(fā)出報警信號或切除變壓器，防 止故障的發(fā)生。當變壓器發(fā)生故障時，能盡快地切除變壓器，使故障造成的損失減到最 小，使故障后的變壓器更容易修復。變壓器可能發(fā)生的故障和不正常運行方式可分為三 種類型。 5.1.1 變壓器內部的各種短路故障 各側繞組的相間短路故障。 中性點直接接地繞組的單相短路。 各側繞組的匝間短路。 變壓器內部的各種短路都將產生電弧，引起主絕緣燒毀，絕緣油分解，內壓增大， 有可能引起油箱爆炸起火。因此，對變壓器內部故障應盡快地切除。 5.1.2 變壓器附屬設備引起的不正常運行 變壓器冷卻系統(tǒng)故障引起變壓器油溫升高，繞組及鐵芯過熱。 調壓開關系統(tǒng)故障引起的局部繞組過熱，調壓開關滅弧機構不良引起的內部故 障。 變壓器鐵芯局部過熱，甚至產生電弧，引起絕緣油分解。 漏油引起的油面下降。 變壓器油質不正常，主要表現(xiàn)在含水量超過規(guī)定值，可燃性氣體超過規(guī)定值以及 其他化學成分的比例超過規(guī)定值等。 附屬設備故障引起的不正常運行狀態(tài)，往往不需要立即切除變壓器。但要及時發(fā)出 預告信號，由運行人員處理。如不能盡快消除不正常運行狀態(tài)，可由運行人員根據運行 規(guī)程的要求手動切除變壓器。 5.1.3 外部短路引起的變壓器過電流 外部短路引起的變壓器過電流，可分為近區(qū)故障和遠區(qū)故障。對 220kV 變壓器，因 220kV 線路都配備有完善的保護裝置，且 220kV 系統(tǒng)線路故障引起變壓器過電流的作用 時間一般較短，所以遠區(qū)故障對變壓器的影響較小。對變壓器影響較大的是近區(qū)故障， 尤其是變壓器中、低壓側的母線短路故障，對變壓器的危害更大。這種短路故障不僅引 起變壓器繞組過熱，而且由于短路電流大，有可能引起變壓器繞組動穩(wěn)定的破壞，造成 嚴重的內部故障。對外部故障引起的過電流應裝設保護，延時切除變壓器。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第19頁頁共共50頁頁 變壓器的過負荷也是繼電保護裝置應保護的內容之一。變壓器的過負荷可能由于負 荷的自然增長，也可能由于切除并聯(lián)變壓器后，造成剩余的變壓器過負荷。過負荷超過 允許的限度，會引起絕緣的老化，壽命降低，故應裝設過負荷保護 ，動作于信號。 5.2 變壓器保護裝設的原則 220kV變壓器應配備下列繼電保護裝置： 反應變壓器油箱內部各種故障和油面下降的瓦斯保護。瓦斯保護分重瓦斯和輕瓦 斯保護，重瓦斯保護動作于跳閘，輕瓦斯只動作于信號。 對于帶負荷調壓變壓器，調壓開關也應裝瓦斯保護。 為保護變壓器的引線、套管以及內部的各種短路故障應裝設縱聯(lián)差動保護。縱聯(lián) 差動保護應瞬時動作并跳開變壓器的各側斷路器。 為提高 220kV 及以上大型變壓器差動保護的可靠性，差動保護可采用雙重化配置。 雙套差動保護可采用相同原理，也可采用不同原理。 為保護變壓器外部相間短路引起的過電流，并作為變壓器內部相間短路故障的后 備，應裝設相間故障后備保護。因 220kV 變壓器外部及內部相間短路的幾率較少，故相 間后備保護應簡化配置。首先應考慮采用簡單的電流/電壓作為相間故障后備，當電流/電 壓保護不能滿足靈敏度或需要滿足保護配合的要求時，可考慮裝設阻抗保護。 220kV 變壓器的 220kV 側為中性點直接接地系統(tǒng)，應裝設單相接地短路保護，作 為變壓器內部和外部單相接地故障的后備保護 。 裝設反應變壓器各側繞組過負荷的過負荷保護，動作于信號。 變壓器應裝設下列輔助保護： 冷卻系統(tǒng)故障、油溫升高超過允許值時，應動作于信號或跳閘。 變壓器繞組油溫過高，超過允許值時，應動作于信號或跳閘。 有載調壓變壓器，調壓系統(tǒng)故障應動作于信號或跳閘。 變壓器油箱的壓力釋放裝置動作，應動作于信號或跳閘。 5.3 瓦斯保護 瓦斯保護是變壓器油箱內各種故障的主要保護。運行實踐證明，在裝有瓦斯保護的 情況下，凡是油箱內故障，瓦斯保護幾乎都有反應。尤其是在變壓器發(fā)生鐵芯故障、匝 間短路等情況下，反應電氣量的繼電保護裝置往往靈敏度不夠或根本不反應，此時主要 靠瓦斯保護切除故障。瓦斯保護在運行中出現(xiàn)的主要問題是誤動作幾率較高，所以提高 瓦斯保護的可靠性是提高整套變壓器保護可靠性的關鍵。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第20頁頁共共50頁頁 5.4 縱差動保護 220kV變壓器的縱差動保護應滿足以下要求： 縱差動保護應反應保護區(qū)內各種短路故障，動作速度快，一般動作時間不應大于 30ms。 應有防止變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時誤動作的措施，以避免在變壓器空載投入或切除 穿越性短路后出現(xiàn)勵磁涌流時，縱差動保護誤動作。 在發(fā)生穿越性短路，差動回路內出現(xiàn)最大不平衡電流時，總差動保護不應該動 作。 在保護區(qū)內發(fā)生短路，電流互感器飽和時，縱差動保護不應該拒動或延遲動作。 在保護區(qū)內發(fā)生短路故障，在短路電流中含有諧波分量時，縱差動保護不應該拒 動或延遲動作。 5.5 變壓器的相間故障后備保護 變壓器的相間故障后備保護的作用主要是防御外部相間短路引起的變壓器過電流。 其保護范圍延伸到母線和線路，保護的定值和動作時間要與相鄰元件的保護相配合。 在滿足靈敏性和選擇性要求的情況下，應優(yōu)先選用簡單可靠的電流、電壓保護作為 短路后備保護。選擇的順序是：過電流保護、復合電壓（負序電壓和線間電壓）啟動的 過電流保護、復合電流保護（負序電流和單相式電壓啟動的過電流保護）。 根據變壓器的容量、電壓等級、在電力系統(tǒng)中的作用不同，配置相應的相間短路后 備保護通常按以下原則配置： 66kV及以下變壓器采用過流保護作為相間短路后備保護。 110kV220kV 降壓變壓器、升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器，用過電流保護不能滿足靈 敏性要求時，采用復合電壓啟動的過電流保護和復合電流保護。 對降壓變壓器、升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器，根據各側接線、連接的系統(tǒng)和電源 情況不同，應配置不同的相間短路后備保護，該保護宜考慮能反應電流互感器與斷路器 之間的故障。 單電源三繞組降壓變壓器相間短路后備保護應裝于低壓側和電源側。低壓側保護可 設兩段時限，以較短時限斷開低壓側母聯(lián)或分段斷路器，以較長時間斷開變壓器低壓側 斷路器。當母聯(lián)或分段斷路器上裝有解列保護時，低壓側保護只設一個時限，只斷開變 壓器低壓側斷路器。電源側相間短路后備保護應設兩段時限，以較短時限（應考慮與低 壓及中壓側保護相配合）斷開中壓側斷路器，以較長時間斷開變壓器各側斷路器。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第21頁頁共共50頁頁 5.6 接地故障后備保護 110kV及以上中性點直接接地電網連接的降壓變壓器、升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器 應裝設接地短路后備保護。其目的是作為變壓器繞組內部、引線、母線和線路接地故障 地后備保護。變壓器的接地保護方式與變壓器的形式、中性點接地方式以及所連接的系 統(tǒng)的中性點接地方式有關。 在中性點直接接地電網中，變壓器接地保護是電網接地保護的一個組成部分，所以 變壓器接地保護要與線路的接地保護相配合。 變壓器接地保護的配置原則： 在 220kV 中性點直接接地電網中，若變壓器的中性點可能直接接地或不接地運行， 同時低壓側或中壓側有電源。此時接地保護的配置要考慮可能出現(xiàn)的各種運行情況 ，不 僅要考慮對變壓器可能出現(xiàn)的過電流，同時還要考慮變壓器中性點可能出現(xiàn)的過電壓。 接地保護的配置與變壓器中性點絕緣水平有關。此種情況一般按以下原則配置保護： 中性點為全絕緣變壓器。配置兩段式零序過電流保護，每段各帶兩個時限。同 時，還要增加零序過電壓保護，作為變壓器中性點不接地時的保護。當變壓器中性點不 接地，而且所在系統(tǒng)也失去接地中性點，發(fā)生接地故障時，零序過電壓保護經 0.30.5s 斷開變壓器各側斷路器。 分級絕緣變壓器。為保護分級絕緣變壓器的中性點，一般中性點裝設放電間隙。 當中性點接地刀閘斷開時，經放電間隙接地。在這種情況下，對直接接地和經間隙接地 應分別裝設保護。直接接地時，配置兩段式零序過電流保護，每段各帶兩個時限。經放 電間隙接地時，應增設反應零序電壓和間隙放電電流的零序電流電壓保護。 當分級絕緣的變壓器中性點不設放電間隙時，接地保護的配置與全絕緣變壓器相 同。但零序過電壓保護的動作時限應盡可能的短，只需躲過暫態(tài)過電壓的時間。 5.7 過負荷保護 為監(jiān)視過負荷，應根據實際運行情況在變壓器的一側或幾側裝設過負荷保護。 單側電源的三繞組變壓器，當三側容量相同時，過負荷保護只裝在高壓側。當三側 容量不相同時，在電源側和容量較小的一側裝設過負荷保護。 綜上所述，本變電站擬采用以下保護： 瓦斯保護。用于反應變壓器油箱內部各種故障和油面下降。重瓦斯動作于跳閘， 輕瓦斯只動作于信號。 華北水利水電學院畢業(yè)設計華北水利水電學院畢業(yè)設計 第第22頁頁共共50頁頁 由于本變電站采用的主變?yōu)橛休d調壓變壓器，所以調壓開關也裝設瓦斯保護。 縱聯(lián)差動保護。為用于保護變壓器的引線、套管以及內部的各種短路故障，當發(fā) 生短路故障時，縱聯(lián)差動保護瞬時動作并跳開變壓器的各側斷路器。為提高縱聯(lián)差動保 護的可靠性，采用雙重化配置。 相間故障后備保護。用于保護變壓器外部相間短路引起的過電流，并作為變壓器 內部相間短路故障的后備。因 220kV 變壓器外部及內部相間短路的幾率較少，故相間后 備保護簡化配置，采用過電流保護作為相間故障后備保護。 本變電站的主變相間故障后備保護裝于低壓側和電源側。低壓側保護設兩段時限， 以較短時限斷開低壓側分段斷路器，以較長時間斷開變壓器低壓側斷路器。電源側保護 應也設兩段時限，以較短時限斷開中壓側斷路器，以較長時間斷開變壓器各側斷路器。 單相接地短路保護。作為變壓器內部和外部單相接地故障的后備保護 。本變電站 的主變的中性點可能直接接地或不接地運行，中性點接地刀閘斷開時，經放電間隙接 地。直接接地時，采用兩段式零序過電流保護，經放電間隙接地時，增設反應零序電壓