220kV变电站电气主接线设计

邵阳学院毕业设计（论文）

枢纽变电站电气主接线

摘要：

电能作为一种二次能源，是一种不能储存的能量。电能的开发应用是人类征服自然过程中所取得的具有划时代意义的光辉成就，而现在，电能已成为工业生产不可缺少的动力，并广泛应用到生产部门和日常生活方面。

而电能的传输离不开变电站，电经过升压变电站、传输线路、降压变电站， 然后才能到用户。这其中变电站担当着一个极其重要的枢纽。

而对于枢纽变电站，它位于电力系统的枢纽点，电压等级一般为330kV及以上，联系多个电源，出现回路多，变电容量大；全站停电后将造成大面积停电，或系统瓦解，枢纽变电站对电力系统运行的稳定和可靠性起到重要作用。

本次《发电厂电气部分》课程设计的题目正是枢纽变电站的电气主接线设计，按照老师上课所将设计步骤，首先分析原始资料，通过分析拟建变电站的进出线方向和负荷等原始资料，从可靠性、安全性、经济性等其他方面的考虑，确定电气主接线方式，主变压器的容量、数量的确定，负荷分析及计算，以及短路电流的计算和变电所主要电气设备的选择（包括断路器，隔离开关，互感器等），并在选择时对电气设备进行了必要的计算和校验。同时，针对本次设计，完成相应图纸的绘制。

I

目 录

内容提要 ......................................................................... 错误！未定义书签。 Summary ......................................................................................................... Ⅱ 1 概述 ............................................................................................................... 1 1.1 所址情况 .................................................................................................... 1 1.2 变电站出线情况 ........................................................................................ 1 1.3 变电站的基本数据 .................................................................................... 1 2 电气主接线的设计 ....................................................................................... 2 2.1 单母线接线及单母线分段接线 ................................................................ 2 2.2 双母线接线及双母分段接线 .................................................................... 3 2.3 主接线设计原则 ........................................................................................ 4 2.4 主接线选择 ................................................................................................ 4 3 主变压器的选择 ........................................................................................... 6 3.1 变压器台数选择 ........................................................................................ 6 3.2 主变容量选择 ............................................................................................ 6 3.3 主变压器型式的选择 ................................................................................ 7 3.4 主变压器的配置原则 ................................................................................ 8 3.5 主变压器选择结果 .................................................................................... 9 4 变电站电气部分短路计算 ......................................................................... 10 4.1 短路计算目的及假定 .............................................................................. 11 4.2 各种短路电流计算步骤 .......................................................................... 12 4.3 短路计算过程 .......................................................................................... 13 5 导体和电气设备的选择 ............................................................................. 19 5.1 按正常工作条件选择电气设备 .............................................................. 19 5.2 按短路状态校验 ...................................................................................... 20 5.3 断路器与隔离开关的选择 ...................................................................... 21 5.4 互感器的选择 .......................................................................................... 28 5.5 母线的选择 .............................................................................................. 33 5.6 避雷器的选择 .......................................................................................... 40 总结 ................................................................................................................. 46 参考文献 ......................................................................................................... 46 附 录 ............................................................................................................... 48 致 谢 ............................................................................................................... 49 附图1 附图2 附图3

邵阳学院毕业设计（论文）

1 概述

本次设计的课题是某地区220kV变电站电气主接线设计，该站主要承担

220kV、110kV及35kV三个电压等级功率的交换，把接受的功率全部送往110 kV

与35kV侧线路。因此此次220 kV降压变电所的设计具有220 kV、110kV及35kV三个电压等级。220kV侧为主功率输出，110kV、35kV侧以接受功率为主。本次设计的变电站是地区变电站，全站停电后，将影响整个地区的供电。

1.1 所址情况

变电所所在地区为平原地区，气象条件一般，非地震多发区。无高产农作物,年雷暴日为165天, 年最低温度-24℃，最高温度+35℃，最热月平均最高温度+25℃，历年最高气温为38.5°C。海拔高度200m，温度校正系数为0.83，最大负荷利用小时数5300小时。

1.2 变电站出线情况

本次变电所设计为一区域性变电站，以供给附近地区的工业，农业，民用电。本工程分为近期与远期，设计中留有扩建的余地；考虑到实际情况，先建220kV出线远期6回，近期3回；110kV出线远期10回，近期4回；35kV出线远期8回，近期4回。

1.3 变电站的基本数据

⑴220kV侧负荷情况，近期输送容量是300MW，远期输送容量是500MW。

X?x?0.006569，cos?=0.9。

cos?=0.85。⑵110kV侧负荷情况，近期负荷是120MW，远期负荷是300MW，

⑶35kV侧负荷情况，近期负荷30MW，远期负荷为60MW，cos?=0.8。

2.负荷统计及计算

1

邵阳学院毕业设计（论文）

根据任务书，对变电站负荷统计和计算如下。线路中l～4为500kV进线，5~6为500KV联络线，7~14为220KV出线，15~20为110KV出线。 2.1 负荷统计

根据任务书对负荷统计，见表2.1 回路序号 回路名称 l～4 5~6 500KV进线 \\ 500KV联络 \\ 线 220KV出线 400MW 110KV出线 200MW \\ \\ \\ \\ 最大负荷 最小负荷 功率因数 7~14 15~20

2.2 负荷计算

300MW 150MW 0.85 0.80 2 电气主接线的设计

变电站电气主接线根据变电站电能输送和分配的要求，表示主要电气设备相互之间的连接关系[1]，以及本变电站与电力系统的电气连接关系，通常以单线图表示。电气主接线中表示的主要电气设备有：电力变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、接地装置以及各种无功补偿装置等。常用的主接线方式有：单母线接线、单母线分段接线、单母线分段带旁路母线、双母线接线、双母线带旁路母线接线、双母分段接线、双母线分段带旁路母线、桥形接线、双断路器接线等。

2

邵阳学院毕业设计（论文）

电气主接线通常是根据变电站在电力系统中的地位和作用，首先满足电力系统的安全运行与经济调度的要求，然后根据规划容量、供电负荷、电力系统短路容量、线路回路数以及电气设备特点等条件确定，并具有相应的可靠性、灵活性和经济性。

变电站电气主接线方式的选择，将直接影响着变电站电气设备的选择。因此，必须在合理选择确定变电站的主接线方案后，才能做到合理选择变电站的电气设备。

2.1 单母线接线及单母线分段接线[2]

2.1.1 单母线接线

单母线接线的母线既可保证电源并列工作，又能使任一条出线都可以从任一个电源获得电能。各出线回路输入功率不一定相等，应尽可能使负荷均衡地分配在各出线上，以减少功率在母线上的传输。

单母接线的优点：接线简单，操作方便、设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。缺点：①可靠性差，母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作，这样全厂或全站都得长期停电。②调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流[3]。

综上所述，这种接线形式一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。 2.1.2 单母分段接线

单母线用分段断路器进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性；对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器自动将用户停电；两段母线同时故障的几率甚小，可以不予考虑。在可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一母线故障时，将造成两段母线同时停电，在判别故障后，拉开分段隔离开关，完成即可恢复供电。

这种接线广泛用于中、小容量发电厂和变电站6～10kV接线中。但是，由于这种接线对重要负荷必须采用两条出线供电，大大增加了出线数目，使整体母线系统可靠性受到限制，所以，在重要负荷出线回路较多、供电容量较大时，一般不予采用[4]。 2.1.3 单母线分段带旁路母线的接线

单母线分段断路器带有专用旁路断路器母线接线极大地提高了可靠性，但这增加了一台旁路断路器，大大增加了投资。

3

邵阳学院毕业设计（论文）

2.2 双母线接线及双母分段接线

2.2.1 双母线接线

双母接线方式有主母线和副母线，并且可以互为备用。每一个电源和出线的回路，都装有一台断路器，有两组母线隔离开关，可分别与两组母线接线连接。两组母线之间的联络，通过母线联络断路器来实现。其特点有：供电可靠、调度灵活、扩建方便等特点[5]。

由于双母线有较高的可靠性，广泛用于：出线带电抗器的6～10kV配电装置；

35～60kV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110～220kV出线数

为5回及以上时。 2.2.2 双母线分段接线

为了缩小母线故障的停电范围，可采用双母分段接线，用分段断路器将工作母线分为两段，每段工作母线用各自的母联断路器与备用母线相连，电源和出线回路均匀地分布在两段工作母线上。双母接线分段接线比双母接线的可靠性更高，当一段工作母线发生故障后，在继电保护作用下，分段断路器先自动跳开，而后将故障段母线所连的电源回路的断路器跳开，该段母线所连的出线回路停电；随后，将故障段母线所连的电源回路和出线回路切换到备用母线上，即可恢复供电。这样，只是部分短时停电，而不必长期停电[6]。

双母线分段接线被广泛用于发电厂的发电机电压配置中，同时在220～550kV大容量配电装置中，不仅常采用双母分段接线，也有采用双母线分四段接线[1]。 2.2.3 双母线带旁路母线的接线

双母线可以带旁路母线，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。

[7]

2.3 主接线设计原则

电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主题。它与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大的影响。因此，主接线设计，必须结合

4

邵阳学院毕业设计（论文）

电力系统和发电厂和变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术比较，合理地选择主接线方案。

电气主接线设计的基本原则是以设计任务为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、实用、经济、美观的原则[8]。

2.4 主接线选择

2.4.1 本站主接线设计方案

经过对原始资料的分析可以了解到，本次设计的变电站属于地区比较重要的变电站。电压有220kV、110kV、35kV三个等级，220kV为电源侧，110kV侧和35kV侧为负荷侧。220kV侧出线近期3回，远期6回；110kV侧出线近期4回，远期

10回；35kV侧出线近期4回，远期8回。其中220kV侧负荷情况，近期输送容

量是300MW，远期输送容量是500MW ；110kV侧负荷情况，近期负荷为

120MW，远期负荷是300MW；35kV侧负荷情况，近期负荷是30MW，远期负

荷是60MW。

⑴为保证供电可靠性，变电所装设三台主变。

⑵220kV侧出线近期3回，远期6回，不允许停电检修断路器，采用六氟化硫断路器，性能好且检修周期长，因此采用双母接线，不带旁路，既满足了供电可靠与调度灵活，而且也减少了占地面积，同时也便于今后的扩建与发展。由规程易知，对于变电站的电气主接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线。由于220kV专用旁路短路器价格昂贵，而本站220kV侧进出线回路又不多。因此，综合考虑经济性和可靠性，根据规程220kV侧选用双母接线。

⑷110kV侧出线近期4回，远期10回，不允许停电检修断路器，须保证其供电可靠性，根据规程同样亦采用双母接线。

⑸35kV侧出线近期4回，远期8回，根据规程选择单母分段接线[9]。 2.4.2 本站主接线特点

本站220kV与110kV侧均采用双母线分段的接线方式。每回线路都经一台断路器和两组隔离开关分别与两组母线相连接，有两组母线后使运行的可靠性和灵活性

5

邵阳学院毕业设计（论文）

大为提高；35kV采用单母分段的接线方式，具体电气主接线图见附图1。

该主接线的主要特点如下：

⑴供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒闸操作，可以不停电检修母线一组母线故障后，能迅速恢复供电，不停电检修隔离开关。

⑵调度灵活，各个电源和各个回路的负荷可以任意分配在某一组母线上，能灵活地适应电力系统中各种运行方式的调度和潮流变化的需要。

⑶扩建方便，本站将扩建为3台150MVA主变，届时将实行倒闸操作，不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工中也不会造成原有的回路停电。

⑷无压自投，在110kV母线的母联断路器和35kV母线的母联断路器处加装无压自投装置。当一段母线发生故障时确保其负荷能够继续运行。

⑸中性点接地，变压器220kV和110kV侧绕组采用中性点直接接地，35kV侧中性点不接地。本站避雷器按小电阻接地系统的过电压水平降低了雷电冲击残压等相关参数,有益于变电站的安全运行,并提高了配电装置的绝缘裕度。

3 主变压器的选择

在各级电压等级的变电站中，变压器是变电所中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者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。如果主变压器容量造的过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥效益；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

6

邵阳学院毕业设计（论文）

统的稳定性。因此，确定合理的变压器的容量是变电站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制成有单相、三相、双绕组、三绕组、普通、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，要考虑到经济性来选择主变压器。选择主变压器的容量，同时要考虑到该变电站以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。

[10]

3.1 变压器台数选择

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，变电站中一般装设两台主变压器，有条件的应考虑设三台主变 [11]。由原始资料可知，本次设计的变电站是市郊区220kV变电站，它是以220kV受功率为主。把所受的功率通过主变传输至110kV与35kV母线上。若全所停电后，将引起该地区电网瓦解，影响整个市区的供电，因此选择主变台数时，要确保供电的可靠性。为了保证供电可靠性和该站的负荷要求，并结合该变电站自身的特点，最终选择三台主变。当一台主变压器故障或检修时，其余两台主变压应能保证全变电站70%的负荷正常供电，且三台主

变压器互为备用。

3.2 主变容量选择

同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化[12]。而主变容量的大小一般按变电所建成近期负荷，5～10年规划负荷选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展，对于城郊变电站主变压器容量应当与城市规划相结合。该站近期和远期负荷都给定，所以应按近期和远期总负荷来选择主变的容量。该系统中有110kV和35kV两个负荷等级，其中110kV侧近期负荷为120MW，远期负荷为300MW，cos?=0.85；35kV侧近期最负荷30MW，远期为

60MW,cos?=0.8。

近期负荷需要选择的变压器总容量 S==179MVA

0.8?30060?远期负荷需要选择的变压器总容量 S=0.7??+?=299MVA

0.850.8??0.85+12030综合以上可知，从长远考虑总共选择三台主变，容量都为150MVA，近期先上

7

邵阳学院毕业设计（论文）

两台，另一台备用，其主变总容量为450MVA。

3.3 主变压器型式的选择

3.3.1 主变压器相数的选择

当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂和变电站，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，这样该站选择三相变压器。 3.3.2 绕组数数量和连接方式的选择

1.主变压器绕组数量的选择

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，主变宜采用三绕组变压器[5]。本次所设计的变电站具有三种电压等级，且通过主变压器的各侧绕组的功率均达到了该变压器容量的15%以上，所以该站选择三绕组变压器。

2.变压器绕组的连接方式和组别选择

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。电力系统采用的绕组连接方式只要有Y和△，高、中、低三侧绕组如何结合要根据具体工作来确定。我国35kV及以上电压，变压器绕组多采用Y连接；35kV以下电压，变压器绕组多采用△连接，于是该站主变采用全星型连接。

根据以上原则，该站主变选YN/yn0/ yn0接线。 3.3.3 主变中性点接地方式

⑴所有普通变压器中性点都应经隔离开关接地，以便于运行调度灵活选择接地点。当变压器中性点可能断开运行时，若该变压器中性点绝缘不是按线电压设计，应在中性点装设避雷器保护。

⑵选择接地点时应保证任何故障形式都不应使电网解列成为中性点不接地的系统。双母线接线有两台及以上变压器时，可考虑两台主变压器中性点接地。 3.3.4 主变调压方式的选择

电网任一点的运行电压，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%。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

8

邵阳学院毕业设计（论文）

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，称为无励磁调压，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%。

根据规程规定，在电网电压可能有较大变化的220kV及以上的降压变压器及联络变压器，可采用有载调压，一般不宜采用带负荷调压，于是该变电站采用无励磁调压。

3.3.5 主变压器冷却方式的选择

主变压器常用的冷却方式有：自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却，强迫、导向油循环冷却。

小容量变压器一般采用自然风冷却，大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却，在发电厂水源充足的情况下，为了压缩占地面积，大容量变压器也有采用强迫油循环水冷却。

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。

近年来随着变压器制造技术的发展，在大容量变压器中，采用了强迫油循环导向风冷却方式。它是用潜油泵将冷油压入线圈之间、线饼之间和铁芯的油道中，故此冷却效率更高。所以，该站主变选择强迫油循环导向风冷却方式。

3.4 主变压器的配置原则

⑴电力变压器外壳不带电，故采用落地布置，安装在变压器基础上。 ⑵变压器基础一般制成双梁形并铺以铁轨，轨距等于变压器的滚轮中心距。为了防止变压器发生事故时，燃油流失使事故扩大，单个油箱油量超过1000kg以上的变压器，按照防火要求，在设备下面需设置贮油池或挡油墙，其尺寸应比设备外廓大

1m，贮油池内一般铺设厚度不小于0.25m的卵石层。

⑶主变压器与建筑物的距离不应小于1.25m，且距变压器5m以内的建筑物，在变压器总高度以下及外廓两侧各3m的范围，不应有门窗和通风孔。当变压器油量超过25000kg以上时，两台变压器之间的防火净距不应小于5～10m，如布置有困难，应设防火墙。

9

邵阳学院毕业设计（论文）

⑷主变压器在工程的具体布置见附图1所示。

3.5 主变压器选择结果

查《电力工程电气设计手册 电气一次部分》、《电力设备选型手册》选定主变型号为：SFPSZ10-150000/220。

主要技术参数如下：

额定容量：150/150/75MVA 调压方式：无励磁调压 额定电压（kV）：高压220±8×1.25% 中压117 低压37±5% 连接组标号：YN/yn0/ yn0 空载损耗：96kW 阻抗电压（%）：高中：13 高低：23 中低：8 负载损耗： 491 kW 冷却方式：ODAF强油导向风冷 所以选择三台SFPSZ10-150000/220型变压器为主变,本期先上一台。

4 变电站电气部分短路计算

⑴电力系统短路概述

在电力系的电气设备，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影响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。

10

邵阳学院毕业设计（论文）

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。

⑵常见短路因素

①设备绝缘损坏，正常运行时电力系统各部分绝缘是足以承受所带电压的，且具有一定的裕度。但电气设备在制造时可能存在某些缺陷；在运输、保管和安装的过程中，绝缘可能受到机械损伤；长期低电压过电流运行的设备绝缘会迅速老化等原因，使电气设备的绝缘受到削弱或损坏，造成带电部分的相与相或相与地形成通路。 ②恶劣的自然条件，大气过电压（雷击）引起闪络，大风和覆冰引起倒杆和断线等造成短路。

③工作人员误操作如设备检修未拆除地线就加电压、运行人员带负荷拉刀闸等。

⑶三相短路计算值

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。三相短路虽然很少发生，可其情况却比较严重，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。

选择和校验电气设备、载流导体，一般应计算下列短路电流值。

Ik为短路电流周期分量有效值，单位为kA； I?为稳态短路电流有效值，单位为kA； ib为短路全电流最大瞬时冲击值，单位为kA； Ib为短路全电流最大有效值，单位为kA； Sk为短路容量，单位为MVA。

4.1 短路计算的目的及假定

4.1.1 短路电流计算的目的

⑴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。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。

11

邵阳学院毕业设计（论文）

⑵在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相相对地的安全距离。

⑶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。 ⑷接地装置的设计，也需用短路电流。 4.1.2 短路电流计算的一般规定

⑴验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，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

按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

⑵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机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

⑶选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

⑷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。 4.1.3 短路计算基本假定

⑴正常工作时，三相系统对称运行； ⑵所有电源的电动势相位角相同；

⑶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发生变化；

⑷不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

⑸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； ⑹系统短路时是金属性短路。

4.2 各种短路电流计算步骤

4.2.1 短路计算应考虑的因数

⑴接线方式，计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

⑵计算容量，应按本工程设计规划容量计算，考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑工程建成后5～10年）

12

邵阳学院毕业设计（论文）

⑶短路种类，一般按三相短路计算，若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应该按严重情况的进行校验

⑷短路计算点，在正常接线方式中，通过电器设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。对于带电抗器的6～10kV出线与厂用分支线回路母线至母线隔离开关之间的引线、套管时，短路计算点应该取电抗器前。选择其导体和电器时，短路计算点一般取在电抗器后。 4.2.2 短路电流计算方法

供配电系统某处发生短路时，要算出短路电流必须首先计算出短路点到电源的回路总阻抗值。电路元件电气参数的计算有两种方法：标幺值法和有名值法。

⑴标幺值法是一种相对单位制，它是一个无单位的量，为任一参数对其基准值的比值。标幺值法，就是将电路元件各参数均用标幺值表示。由于电力系统有多个电压等级的网络组成，采用标幺值法，可以省去不同电压等级间电气参量的折算。在电压系统中宜采用标幺值法进行短路电流计算。

⑵有名值法就是以实际有名单位给出电路元件参数。这种方法通常用于1kV以下低压供电系统短路电流的计算。 4.2.3 短路电流的计算步骤

⑴短路故障选取

⑵基准值选择与系统电抗标幺值计算； ⑶各短路电流值计算公式；

⑷变压器电阻标幺值、电抗标幺值计算； ⑸各故障点短路电流计算。

4.3 短路计算过程

4.3.1 短路故障点选取

根据电气设备选择的需要，选择短路情况最严重的三相短路来进行短路电流计算；结合该站的实际情况，按最大运行方式，即三台主变同时投入运行考虑，且主变绕组的接线方式为全星型连接；故障点分别选择在220kV母线上k1点、110kV母线上k2点和35kV母线上k3点，故障点的具体分布见图4.1。

13

邵阳学院毕业设计（论文）

4.3.2 基准值选择与系统电抗标幺值计算

⑴基准值选择

基准容量： Sj?100MVA

基准电压： Vj（kV） 37 115 230 由基准电流公式Ij?SjUj3100373 可得Ij1??????kA 同理可得

各基准电流：Ij（kA） 1.56 0.50 0.25 ⑵系统短路容量的计算

系统电抗标幺值： X?x?0.006569 则短路容量： Sk?4.3.3 各短路电流值计算公式

⑴短路电流冲击系数

?tSjX?x?1000.006569?15244MVA

Kb=1+eT

?R13=RT1+RT2+RT3=0.528+0.528+3.6967=4.7527

?X=13?XT1+XT2+XT3+X?x?=?45.173?3.227+29.04+0.006569?=23.664

31在工程设计中，当短路电路的总电阻较小，即?R?1X时，T?3f?0.05s，

t＝0.01，则: Kb=1+e0.05⑵三相短路冲击电流

3?0.01=1.8

ib=Kb?Ik???2=1.82Ik??=2.55Ik??33 （4.1）

3?⑶三相短路全电流最大有效值

Ib?1?2?Kb?1?Ik???1?2?1.8?1?Ik???1.51Ik?2323

（4.2）

⑷三相短路容量

?? Sk=3?Un?Ik1 （4.3）

34.3.4 变压器电阻、电抗标幺值计算

⑴变压器电阻标幺值的计算

负载损耗：?Pk?491kW，该变压器低压侧容量为75MVA，而额定容量为

150MVA，则将变压器负载损耗?Pk换算到额定容量时的负载损耗

14

邵阳学院毕业设计（论文）

?S??150?22?Pk1?3=?P′k?n1?S?=491???=n3??75?1964kW

22?Pk2?3=?P′??Sn2??S??=491???150?k?=1964kW

n3?75?变压器三绕组负载损耗

?P1k1=2??Pk1?2+?Pk1?3??Pk2?3? =12?491+1964?1964? =245.5kW?P1k2=2??Pk1?2+?Pk2?3??Pk1?3? =12?491+1964?1964? =245.5kW?P1k3=2??Pk1?3+?Pk2?3??Pk1?2? =12?1964+1964?491? =1718.5kW则变压器三绕组的电阻值

2RT3=103??P221728.5?220k1?Un/Sn?1500002?103???????R245.5?2202T2=103??Pk2?U2n/S2n?1500002?103???????

RT3=103??P221718.5?2202k3?Un/Sn?1500002?10?3???????

⑵变压器电抗标幺值的计算

变压器阻抗电压（%）： U12%：13； U23%：8； U13%：则主变是全星型连接，则三侧绕组电抗

U111%=2?U1%2+U?U%?2=32?13+23?8?=14%

U12%=12?U12%+U23%?U13%?=2?13+8?23?=?1% U3%=12?U13%+U23%?U12%?=12?23+8?13?=9%

15

23

邵阳学院毕业设计（论文）

所以 XT1=10?U1%?U?100?SN?=32n32n14?2202100?150000?1?2202100?150000?1?2202100?150000?103=45.173?

XT2?10?U2%?U?100?SN???100?SN???103??3.227?XT2?10?U3%?U32n?103?29.04?

而变压器三侧绕组电抗标幺值

X?T1=U1%Sj/?100?SN?=X?T2=U2%Sj14?100100?150?1?100?0.09334

/?100?SN?=100?1509?100??0.00667 ?0.06

X?T3=U3%Sj/?100?SN?=100?150短路系统电抗标幺值等效电路图如图4.1

16

邵阳学院毕业设计（论文）

图4.1 短路系统电抗标幺值等效电路图

4.3.5 各短路点具体计算过程

⑴220kV母线上k1点短路电流的计算

三相短路电流周期分量有效值

Ik?1?=3Ij1X?x=0.250.006569=38.06kA

三相短路电流周期分量稳态值

??I?=Ik?1?=38.06kA k133三相短路冲击电流最大值

??ib=2.55Ik1=2.55?38.06=97.05kA

3三相短路冲击电流有效值

??Ib=1.51Ik?1?=1.51?38.06=57.47kA 133三相短路容量

Sk=??3?Un?I=1k33?22?0 485MVA38.06=14⑵110kV母线上k2点短路电流的计算 先计算k2点短路处电抗标幺值总和

131?X?= =?X?T1+X?T2?+X?x?0.09334?0.00667?+0.006569

3 =0.035459三相短路电流周期分量有效值

Ik?2?=3Ij2?X3=?0.50.035459=14.10kA

三相短路电流周期分量稳态值

??I?=Ik?2?=14.10kA k23 三相短路冲击电流最大值

?ib=2.5Ik?523 35.955kA=?2.5514.10=三相短路冲击电流有效值

Ik?2?=1.51?14.10=21.291kA

3 三相短路容量

17

邵阳学院毕业设计（论文）

?3? Sk=3?Un?I=3?11?014.10=26 86.3MVA2k⑶35kV母线上k3点短路电流的计算，则k3点短路处电抗标幺值

?X?=131?X?T1+X?T3?+X?x?0.09334+0.06?+0.006569 3 =0.057683 =三相短路电流周期分量有效值

Ik3=?3?Ij3?X3=?1.560.057683=27.044kA

三相短路电流周期分量稳态值

??I?=Ik?3?=27.044kA k33三相短路冲击电流最大值

??ib=2.55Ik3=2.55?27.044=68.96kA

3三相短路冲击电流有效值

Ib3=1.51Ik?3?=1.51?27.044=40.836kA

3三相短路容量

?3? Sk=3?Un?I 9.41MVA=3?3?527.044=1633k由以上计算结果，可得表4.1即该变电站三相短路电流计算值。

表4.1 变电站三相短路电流计算值

短路点编号

短路点额定电压

短路点平均电压

短路电流周期分量 有效值

?3?/kA Ik短路冲击电流 有效值

最大值

短路容量

稳态值

?3?/kA I?Sk/MVA

Un/kV Uav/kV

230 115 37

Ib/kA

57.47 21.29 40.836

ib/kA

97.05 35.955 68.96

14485 2686.3 1639.41

k1 k2 k3

220 110 35

38.06 14.10 27.044

38.06 14.10 27.044

18

邵阳学院毕业设计（论文）

5 导体和电气设备的选择

正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电气设备。尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求确是一致的。电气设备要可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验动、热稳定性[13]。

本设计中，需选择的主要电气设备有：断路器和隔离开关，电流、电压互感器，导线、避雷器等等。

5.1 按正常工作条件选择电气设备[14]

⑴电器选择的一般原则

①应满足运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。 ②应按当地环境条件校核。 ③应力求技术先进和经济合理。

19

邵阳学院毕业设计（论文）

④与整个工程的建设标准应协调一致。 ⑤同类设备应尽量减少品种。

⑥选用的新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。 ⑵额定电压

电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。因此，在电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压 UN不低于装置地点电网额定电压

UNS的条件选择

UN?UNS （5.1）

⑶额定电流

电气设备的额定电流IN是在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。IN应不小于该设备在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax

IN?Imax （5.2）

⑷环境条件对设备选择的影响

当电气设备安装地点的环境条件如温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆水度等超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。

⑸机械荷载

所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。

5.2 按短路状态校验

⑴校验的一般原则

①电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热校验。校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况校验。

②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。

③电动力稳定校验

电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。满足动稳定的条件

20

邵阳学院毕业设计（论文）

UN?UNS （5.3） 式中： ies—电气设备的额定动稳定电流 ib—电气设备三相短路冲击电流最大值 ⑶短路计算时间

验算热稳定的短路计算时间tk为继电保护动作时间tr和相应断路器的全开断时间t0之和

te=tr+t0 （5.4） 式中： tr一般取保护装置的后备保护动作时间 ⑷短路热稳定校验

短路电流通过电器时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。满足热稳定条件

It2t>Qk （5.5）

式中：It—电气设备允许通过的热稳定电流 t—热稳定电流时间

I?—电气设备三相短路电流周期分量稳态值 ⑸绝缘水平

在工作电压和过电压的作用下，电器的内、外绝缘应保证必要的可靠性。 电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。但所选电器的绝缘水平低于国家规定的标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用适当的过电压保护设备。

5.3 断路器与隔离开关的选择

5.3.1 断路器的配置原则

⑴按照断路器在配置中所占据的位置，可分为单列、双列和三列布置。断路器的排列方式，必须根据主接线、场地地形条件、总体布置和出线方向等多种因数选择。

⑵断路器有低式和高式两种布置。低式布置的断路器安装在0.5～1m的混凝土基础上，其优点是检修比较方便，抗震性能好，但低式布置必须设置围栏，因而影响通道的畅通。在中型配电装置中，断路器多采用高式布置，即把断路器安装在约2m的混凝土基础上，基础高度应满足：①电气设备支柱绝缘子最低裙边的对地距离为

21

邵阳学院毕业设计（论文）

2.5m；②电气设备间的连线对地距离应符合C值要求。

⑶断路器在工程的具体布置见附图1所示。 5.3.2 隔离开关的配置原则

⑴接在母线上的避雷器和电压互感器宜合用一组隔离开关。 ⑵断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时隔离电源。 ⑶中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地。

⑷隔离开关均采用高式布置，其要求与断路器相同。隔离开关的手动操动机构装在其靠边一相基础上。

⑸隔离开关在工程的具体布置见附图1所示。 5.3.3 断路器与隔离开关的选择与校验原则

断路器的选择，除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑到要便于安装调试和运行维护，并经过经济技术比较后才能确定。根据目前我国断路器的生产情况，电压等级在10kV～220kV的电网一般选用SF6断路器[15]。

断路器选择的具体技术条件如下： 额定电压校验

UN?UNS （5.6）

额定电流校验 IN>Imax （5.7） 开断电流

热稳定

Ike>I?3?k （5.8）

2 Itt>Qk （5.9）

动稳定

ies>ib

（5.10）

同样，隔离开关的选择校验条件与断路器相同，并可以适当降低要求。 5.3.4 220kV侧断路器与隔离开关的选择与校验

⑴主变侧高压侧断路器的选择与校验 1.额定电压选择： UN?UNS=220kV

22

邵阳学院毕业设计（论文）

2.额定电流选择：IN>Imax ，Imax=1.05In=1.05?Sn3Un=1.05?1503?220=0.4138kA

则： IN>Imax=0.4138kA

?3?3.开断电流选择： Ike>Ik1=38.06kA

选择LW30-252型 SF6断路器，其主要参数如表5.1。

表5.1 LW30-252型 SF6 断路器参数表

型号

额定电压 额定电流 额定短路

额定短路

动稳定电

4s热稳定电流 50 kA

全开断时间t0

开断电流 关合电流 流

LW30-252 252 kV

3.150kA

50 kA

125 kA

125 kA

?0.06s

4.热稳定校验：由上表可知LW30-252型 SF6断路器的全断时间t0=0.06s，取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.15s，则：

te=tr+t0=0.06+0.15=0.21s

2222于是热稳定电流Itt=50?4=10000J，而Qk=I?te=38.06?0.21=304.2J，

则Itt>Qk，故选择的断路器满足热稳定要求。

5.动稳定校验 选择断路器的额定动稳定电流：ies=125kA>ib=97.05kA，故选择的断路器满足动稳定要求。

6.短路容量的选择 SF6断路器的额定开断容量

2 SN=3UNIk=3?220?50=19052MVA

220kV侧短路容量由表4.1可知为14485MVA，则选择的断路器满足短路容

量的要求。

7．由以上数据与表4.1可得所选断路器的参数校验表5.2。

表5.2 断路器参数校验表

LW30-252 UN 252kV IN 3150A

计算数据 UNs 220kV Imax 413.8A

?3? 38.06kA Ik

Ike 50kA

ies 125kA

ib 97.05kA

23

邵阳学院毕业设计（论文）

Q 304.2J k Itt 10000J

2

SN 19052MVA

Pmax Sk 2904.3MVA

由表5.2可知，所选断路器满足要求。

⑵出线与母联断路器的选择与校验 Imax=3Uncos?，其中Pmax为220kV侧的负

荷为500MW,cos?是220kV侧负荷的功率因数其值为0.9。

则： Imax=Pmax3Uncos?=5003?220?0.9=1.458kA

由表5.2可知LW30-252型 SF6断路器同样满足出线断路器的选择，其动稳定、热稳定计算与主变侧相同。

⑶220kV隔离开关选择与校验

1.额定电压选择： UN?UNS=220kV

2.额定电流选择：IN>Imax，其中Imax为220kV系统按最大运行方式时的工作电流，由上易知Imax=1.458kA。

则选择SPOT—252隔离开关，其主要参数如表5.3。

表5.3 SPOT—252隔离开关参数

型号 SPOT-252

额定电压 252 kV

额定电流 2.5 kA

额定峰值耐受电流

100kA

3s热稳定电流

50kA

3.热稳定校验：220kV侧三相短路电流周期分量稳态值为38.06kA，选择的隔

?3?离开关3s热稳定电流为50kV，即I?

4.动稳定校验 选择断路器的额定动稳定电流为ies=100kA>ib=97.05kA，故选择的断路器满足动稳定要求。

5.3.5 110kV侧断路器与隔离开关的选择与校验

⑴主变侧中压侧断路器的选择与校验 1.额定电压选择： UN?UNS=110kV 2.额定电流选择：IN>Imax，Imax=1.05In=1.05?Sn3Un=1.05?1503?110=0.8267kA

则： IN>Imax=0.8267kA

24

邵阳学院毕业设计（论文）

?3?3.开断电流选择： Ike>Ik2=14.10kA

选择LW36-126型 SF6断路器，其主要参数如表5.4。

表5.4 LW36-126型SF6 断路器参数表

型号

额定电压 额定电流 额定短路

额定短路

动稳定电

3s热稳定电流 40 kA

全开断时间

开断电流 关合电流 流

LW36-126 126 kV

3.150kA

40 kA

100kA

100 kA

?0.06s

4.热稳定校验：由上表可知LW36-126型 SF6断路器的全断时间t0=0.06s，取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.15s，则

te=tr+t0=0.06+0.15=0.21s

22222于是热稳定电流Itt=40?3=4800J，而Qk=I?te=14.10?0.21=41.75J，则Itt>Qk，故

满足热稳定要求。

5.动稳定校验 选择断路器的额定动稳定电流为ies=100kA>ib=35.955kA，故选择的断路器满足动稳定要求。

6.短路容量的选择 SF6断路器的额定开断容量， 即： SN=3UNIk=3?110?40=7620.8MVA

110kV侧短路容量由表4.1可知为2686.3MVA，则选择的断路器满足短路容

量的要求

7．由以上数据与表4.1可得所选断路器的参数校验表5.5。

表5.5 断路器参数校验表

LW36-126 UN 126kV IN 3150A

计算数据 UNs 110kV Imax 826.7A

?3? 14.10kA I kIke 40kA

ies 100kA

ib 35.955kA

2

Q 41.75J

k Itt 4800J

SN 7620.8MVA Sk 2686.3MVA

由表可知，所选断路器满足要求。

25

邵阳学院毕业设计（论文）

⑵出线、母联断路器的选择与校验 Imax=Pmax3Uncos?，其中Pmax为110kV侧的近

期最大负荷为300MW, cos?为110kV侧的负荷功率因数其值是0.85。

则 Imax=Pmax3Uncos?=3003?110?0.85=1.853kA

由表5-5可知LW36-126型SF6断路器同样满足出线断路器的选择，其动稳定、热稳定计算与主变侧相同。 ⑶110kV隔离开关选择与校验

1.额定电压选择： UN?UNS=110kV

2.额定电流选择：IN>Imax，其中Imax为110kV系统按最大运行方式时的工作电流，由上易知Imax=1.853kA。

则选择GW16A—126隔离开关，其主要参数如表5.6。

表5.6 GW16A—126隔离开关参数

型号 GW16A-126

额定电压 126kV

额定电流 2.0 kA

额定峰值耐受电流 额定短时耐受电流 80kA

31.5kA

3.热稳定校验：110kV侧三相短路电流周期分量稳态值为14.10kA，选择的隔

?3?离开关额定短时耐受电流为31.5kV，即I?

4.动稳定校验 选择断路器的额定动稳定电流为ies=80kA>ib=35.955kA，故选择的断路器满足动稳定要求。 5.3.6 35kV侧断路器选择与校验

⑴主变侧低压侧断路器的选择与校验 1.额定电压选择： UN?UNS=35kV 2.额定电流选择：IN>Imax，Imax=1.05In=1.05?Sn3Un=1.05?753?35=1.299kA

26

邵阳学院毕业设计（论文）

则： IN>Imax=1.299kA

?3?3.开断电流选择： Ike>Ik3=27.044kA

选择LW8-35型 SF6断路器，其主要参数如表5.7。

表5.7 LW8-35型 SF6 断路器参数表

型号

最高电压 额定电流 额定短路

额定短路

动稳定电流 80 kA

4s热稳定电流 31.5 kA

全开断时间

开断电流 关合电流

LW8-35

40.5kV

2.50kA

31.5 kA

80kA

?0.08s

4.热稳定校验：由上表可知LW8-35型 SF6断路器的全断时间t0=0.08s，取继电保护装置后备保护动作时间tr=0.15s，则：

te=tr+t0=0.08+0.15=0.23s

2222于是热稳定电流Itt=31.5?4=3969J，而Qk=I?te=27.044?0.23=168.22J，

则Itt>Qk，故选择的断路器满足热稳定要求。

5.动稳定校验 选择断路器的额定动稳定电流为ta=0.2s，故选择的断路器满足动稳定要求。

6.短路容量的选择 SF6断路器的额定开断容量，

即： SN=3UNIk=3?35?31.5=1909.53MVA

235kV侧短路容量由表4.1可知为1639.41MVA，则选择的断路器满足短路容

量的要求。

7．由以上数据与表4.1可得所选断路器的参数校验表5.8。

表5.8 断路器参数校验表

LW8-35 UN 40.5kV IN 2500A

计算数据 UNs 35kV Imax 1299A

?3? 27.044kA Ik

I 31.5kA

keies 80kA

Itt 3969J

2

ib 68.96kA Sk 1639.41MVA

Qk 168.22J

SN 1909.53MVA

27

邵阳学院毕业设计（论文）

由表可知，所选断路器满足要求。

⑵出线、母联断路器的选择与校验 Imax=Pmax3Uncos?，其中Pmax为35kV侧的近期

最大负荷为60MW, cos?为35kV侧负荷功率因数为0.8。

则: Imax=Pmax3Uncos?=603?35?0.8=1.2372kA

由表5.8可知LW8-35型 SF6断路器同样满足出线断路器的选择，其动稳定、热稳定计算与主变侧相同。

⑶35kV隔离开关的选择与校验

1.额定电压选择： UN?UNS=35kV

2.额定电流选择：IN>Imax，其中Imax为35kV系统按最大运行方式时的工作电流，由上易知Imax=1.2999kA。

则选择GW4－40.5隔离开关，其主要参数如表5.9。

表5.9 GW4－40.5隔离开关参数

型号 GW4－40.5

额定电压 40.5kV

额定电流 2.0 kA

额定峰值耐受电流

80kA

额定短时耐受电流

31.5kA

3.热稳定校验：35kV侧三相短路电流周期分量稳态值为27.044kA，选择的隔

?3?离开关额定短时耐受电流为31.5kV，即I?

4.动稳定校验 选择断路器的额定动稳定电流为ies=80kA>ib=68.96kA，故选择的断路器满足动稳定要求。

5.4 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，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，其作用有：

⑴将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪

28

邵阳学院毕业设计（论文）

和分裂导线，三相呈水平布置，用悬式绝缘子悬挂在母线过架上。软母线可选用较大的挡距，但一般不超过三个间隔宽度，挡距越大，导线弧垂越大，因而导线相间及对地距离就要增加，母线及跨越线构架的宽度和高度均需要加大。

⑵硬母线常用的有矩形和管形。矩形母线用于35kV及以下配电装置，管形则用于110kV及以上的配电装置。管形硬母线一般安装柱式绝缘子上，母线不会摇摆，相间距离可缩小，与剪刀式隔离开关配合可以节省占地面积。管形母线直径大，表面光滑，可提高电晕起始电压，但易产生微风共振和存在端部效益，对基础不均匀下沉比较敏感，支柱绝缘子抗震能力较差。

⑶母线在工程中的具体布置见附图1所示。 5.5.2 母线的选择和校验原则

⑴型式

载流导体一般采用铝质材料，回路正常工作电流在4000A及以下时，一般选用矩形导体。在4000～8000A时，一般选用槽形导体。110kV及以上高压配电装置，一般采用软导线。当采用硬导体时，宜用铝锰合金管形导体。

⑵按母线长期工作电流选择

母线长期工作电流要小于该母线在最高温度工作时长期的允许载流量。 ⑶按经济电流密度J选择

在选择导体载面S时，除配电装置的汇流母线、厂用电动机的电缆等外，长度在20m以上的导体，其截面S一般按经济电流密度选择。即:

Sj=Ijmm? （5.15）? j2式中 j—导体的经济电流密度，其值可按表5.11所列数值选取。

表5.11 经济电流密度

导体种类 裸铝导线和母线(A/mm)

2最大负荷年利用小时数/h

3000以下 1.65

3000-5000 1.15

5000以上 0.90

按此条件选择的导体截面S，应尽量接近经济计算截面Sj，当无合适规格导体时，允许小于Sj。

34

邵阳学院毕业设计（论文）

⑷热稳定要求最小面积校验

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，母线的校验公式

= S?SminI?Ca2tmm? ? （5.16）

式中 Smin—根据稳定决定的导体最小允许截面?mm2?；

C—热稳定系数；

； I?—稳态短路电流（kV）

ta—短路电流等值时间?s?。

⑸按电晕电压校验，110kV及以上电压的变电站母线均应以当地气象条件下晴天不出现全面电晕为控制条件，使导线安装处的最高工作电压小于临界电晕电压。海拔不超过1000m，在常用相间距离情况下，如导线的型号或外径不小于表5.12所列数值时，可不进行电晕校验。

表5.12 可不进行电晕校验的最小导体型号及外径

电压/kV 软导线型号 管形导线外径/mm

110 LGJ—70

?20

220 LGJ—300

?30

5.5.3 220kV侧母线选择

1.220kV主母线的选择 ⑴母线类型的选择

220kV主母线选择6063G—?150/136管型母线。

⑵按主母线长期工作电流选择

220kV主母线长期工作电流易知为1458A，按导体长期允许载流量选择，选

择的?150/136管型母线，环境温度+25℃，导体最高温度+80℃，其允许载流量为3140A, 故满足要求。

⑶热稳定要求最小面积

220kV母线k1点三相短路电流周期分量稳态值I?=38.06kA热稳定，热稳定系数C=83，假想时间选ta=0.2s，按式进行母线热稳定要求最小截面积计算

35

邵阳学院毕业设计（论文）

Smin= =I?C38.0683ta?1030.2?103

=205mm2所选择的管型母线

2大于热稳定最小截面?150/136的截面S=3143mmSmin=205mm2，故选择的母线满足热稳定要求。

⑷按电晕电压校验

220kV软导线晴天不可出现可见电晕要求管型母线最小截面积由表5.12易知

为?30，选择的母线型号为?150，满足电晕校验要求。

2.220kV主变压器进线的选择 ⑴母线类型的选择

220kV主变压器进线选择LGJ－500/35钢芯铝绞线 ⑵按主母线长期工作电流选择

220kV主变进线长期工作电流易知为413.8A，LGJ－500/35型导线，在环境温度+40℃，导体最高温度+80℃，其允许载流量为1024A,故满足要求。

⑶热稳定要求最小面积

进行母线热稳定要求最小截面积计算

Smin= =I?C38.0683ta?1030.2?103

=205mm22所选择的LGJ－500/35型母线的截面S=531.37mm，大于热稳定最小截面

Smin=205mm2，故选择的母线满足热稳定要求。

⑷按经济电流密度选择 由原始资料易知最大负荷利用小时数T=5300h，则由《电力工程电气设计手册》查得经济电流密度j=0.9A/mm2，而220kV主变压器进线持续电流为413.8A，则经济截面为

Sj=Ijj=413.80.9=459.78mm2

选择LGJ－500/35型导线输送经济电流为

36

邵阳学院毕业设计（论文）

I=jSj=0.9?531.7=478.5A

经济输送容量为

Sj=3UNI=3?220?478.5=182.3MVA

220kV主变压器进线负荷，远期输送容量为500MVA，共有三台主变，当一

台主变压器故障或检修停运时，其余两台主变压应能保证全变电站70%的负荷正常供电，则仍需输送的容量

S=500?0.72=175MVA

由于Sj>S，满足经济运行的要求。 ⑸按电晕电压校验

220kV电晕校验最小导体型号由表5.12易知为LGJ－300，故选择的LGJ－500型导线满足晴天不出电晕的要求。

5.5.4 110kV侧母线选择

1.110kV主母线的选择 ⑴母线类型的选择

110kV主母线选择6063G—?130/116管型母线。

⑵按主母线长期工作电流选择

110kV主母线长期工作电流易知为1853A，按导体长期允许载流量选择，选

择的?130/116管型母线，环境温度+25℃，导体最高温度+80℃，其允许载流量为2976A, 故满足要求。

⑶热稳定要求最小面积

110k母线k2点三相短路电流周期分量稳态值I?=14.10kA热稳定，热稳定系数

C=83，假想时间选ta=0.2s，按式进行母线热稳定要求最小截面积计算

Smin= =I?C14.1083ta?1030.2?103

=75.97mm2所选择的管型母线

大于热稳定最小截面?130/116的截面S=2705m2mSmin=75.97mm2，故选择的母线满足热稳定要求。

37

邵阳学院毕业设计（论文）

⑷按电晕电压校验

110kV软导线晴天不可出现可见电晕要求管型母线最小截面积由表5.12易知

为?20，选择的母线型号为?130，满足电晕校验要求。

2.110kV主变压器进线的选择

⑴母线类型的选择 ，110kV主变进线选择2×LGJ－400/25钢芯铝绞线。 ⑵按主母线长期工作电流选择

110kV主变进线长期工作电流易知为Imax=826.7A，LGJ－400/25型导线在

最高允许工作温度+80℃的载流量为882A，在环境温度+40℃，温度校正系数为

0.81，则导线长期允许载流量，Ixu=882?0.81=714.4A。

双分裂2×LGJ－400/25型导线长期允许载流量

I=1.03nIxu =1.03?2?714.4 =1471.66A则Imax

进行母线热稳定要求最小截面积计算

Smin= =I?C14.1083ta?1030.2?103

=75.97mm2所选择的管型母线2×LGJ－400/25的截面S=419.01mm2大于热稳定最小截面

Smin=75.97mm2，故选择的母线满足热稳定要求。

⑷按经济电流密度选择 由原始资料易知最大负荷利用小时数T=5300h，则由《电力工程电气设计手册》查得经济电流密度j=0.9A/mm，而110kV主变压器进线持续电流为826.7A，则经济截面

Sj=Ijj=826.70.9=918.56mm2

2

选择2×LGJ－400/25型导线输送经济电流

I=jSj=0.9?918.56=826.7A

38

邵阳学院毕业设计（论文）

经济输送容量为 Sj=3UNI=3?110?826.7=182.3MVA

110kV主变压器进线负荷，远期负荷容量为300MVA，共有三台主变，当一

台主变压器故障或检修停运时，其余两台主变压应能保证全变电站70%的负荷正常供电，则仍需输送的容量

S=300?0.72=105MVA

由于Sj>S，满足经济运行的要求。 ⑸按电晕电压校验

110kV电晕校验最小导体型号由表5.12易知为LGJ－300，故选择的LGJ－400型导线满足晴天不出电晕的要求。

5.5.5 35kV侧母线的选择

⑴母线类型的选择

35kV侧主母线与主变进线都选用2×LGJ－500/35钢芯铝绞线。

⑵按主母线长期工作电流选择

35kV主变进线长期工作最大电流易知为1299A，LGJ－500/35型导线长期允许载流量为1024A，在环境温度+40℃，温度校正系数为0.81，则导线长期允许载流量 Ixu=1024?0.81=829.4A

双分裂2×LGJ－500/35型导线长期允许载流量

I=1.03nIxu =1.03?2?829.4 =1708.56A则Imax

进行母线热稳定要求最小截面积计算

Smin= =I?C27.0483ta?1030.2?103

=145.69mm2所选择的管型母线2×LGJ－500/35的截面S=531.37mm2大于热稳定最小截面

Smin=100.97mm2，故选择的母线满足热稳定要求。

39

邵阳学院毕业设计（论文）

⑷按经济电流密度选择

由原始资料易知最大负荷利用小时数T=5300h，则由表《电力工程电气设计手册》查得经济电流密度j=0.9A/mm2，而35kV主变压器母线持续最大电流为1299A，则经济截面

Sj=Ijj=12990.9=1443.33mm2

选择2×LGJ－500/35型导线输送经济电流

I=jSj=0.9?1443.33=1298.97A

经济输送容量 Sj=3UNI=3?35?1443.33=86.89MVA

35kV主变压器进线负荷，远期输送容量为60MVA，共有三台主变，当一台

主变压器故障或检修停运时，其余两台主变压应能保证全变电站70%的负荷正常供电，则仍需输送的容量

S=60?0.72=21MVA

由于Sj>S，满足经济运行的要求。 ⑸按电晕电压校验

35kV电晕校验最小导体型号由表5.12易知为LGJ－300，故选择的LGJ－500型导线满足晴天不出电晕的要求。 5.6 避雷器的选择

目前在新建或技术改造的变电站中，一般都选用氧化锌避雷器，作为电力变压器等电气设备的大气过电压、操作过电压及事故过电压的保护设备。

氧化锌避雷器，是一种与传统避雷器概念完全不同的新型避雷器。传统的避雷器都采用碳化硅阀片，正常运行时靠间隙将其同电源隔开，出现过电压时间隙被击穿，阀片放电泄流。氧化锌避雷器不带间隙，从而解决了由于间隙放电时限即放电稳定性所引起的各种问题，使避雷器的特性和结构发生了重大的变革。金属氧化物构成的电阻片主要成分是氧化锌，正常工频电压下呈高电阻，从而限制了正常运行工况的泄漏电流；在大的放电电流下呈低电阻，从而限制加在避雷器上的电压。由于这种电阻片具有非常优良的非线性伏安特性，比传统避雷器有更好的保护性能。

40

邵阳学院毕业设计（论文）

5.6.1 氧化锌避雷器的物理量

1.保护特性

表征避雷器保护作用的特性数值，由以下四个方面构成 ⑴避雷器的雷电冲击放电伏秒特性； ⑵标称放电电流下避雷器的残压； ⑶避雷器的操作冲击放电伏秒特性 ⑷在操作冲击放电电流下避雷器的残压。 2.避雷器的额定电压

避雷器的额定电压是指有动作负载试验确定的避雷器上、下两端子允许的最大工频电压，避雷器在该电压下应能正常工作。

3.避雷器持续运行电压

避雷器持续运行电压是指允许持续施加在避雷器两端子间的工频电压有效值，一般小于避雷器的额定电压。

4.避雷器的持续电流

避雷器的持续电流是指在持续运行电压下，流过避雷器的电流，包含电阻性电流分量和电容性分量。持续电流随温度的变化而变化，并受对地杂散电容的影响。

5.残压

放电电流通过避雷器时，其端子间所呈现的电压称为残压。它可分为： ⑴标称放电电流下的残压，其电流参数为波形8/20us，峰值5、10、15、20kA。 ⑵操作冲击放电电流下的残压，其电流参数为波形30/60us，峰值1.5、2、3kA。 ⑶110kV及220kV金属氧化物避雷器在标称放电电流下的残压分别为260kV和520kV。

5.6.2 避雷器的选择与校验原则

1.按额定电压选择

选择的避雷器额定电压应大于或等于所在保护回路的标称额定电压，

Ubn?UsN （5.17）

式中 Ubn—避雷器的额定电压，单位为kV；

UsN—系统标称额定电压，单位为kV。

41

邵阳学院毕业设计（论文）

2.按持续运行电压选择

为了保护选择的避雷器具有一定的使用寿命，长期施加与避雷器上的运行电压不得超过避雷器的持续运行电压，即：

U?Uxg by （5.18）式中 Uby—金属氧化物避雷器的持续运行电压有效值，单位为kV；

Uxg—系统最高相电压有效值，单位为kV。

3.按雷电冲击残压选择

避雷器的额定电压UbN选定之后，避雷器在流过标称放电电流而引起的雷电冲击残压Uble便是一个确定的数值。它与设备绝缘的全波雷电冲击耐压水平(BIL)比较，应满足绝缘配合的要求，即：

Uble?BILKc（5.19）

式中 Uble—避雷器额定雷电冲击电流下残压峰值，单位为kV；

BIL—各类设备绝缘全波雷电冲击耐压水平，单位为kV；

根据GB311.1-1997国家标准取Kc?1.4。

Kc—雷电冲击绝缘配合因数，4.按标称放电电流选择

10kV配电设备过电压保护选用的氧化锌避雷器标称放电电流一般5kA；35kV

的一般选用5kA、10kA；110kV的一般选用5kA、10kA；220kV的一般选用10kA。

5.校核陡波冲击电流下的残压

避雷器应满足截断雷电冲击耐受峰值的配合，

′Uble?

BIL′1.15BIL=KcKc（5.20）

′

式中 Uble—避雷器陡波冲击电流下残压峰值，单位为kV；

L—变压器类设备内绝缘截断雷电冲击耐受电压峰值，单位为kV； BI′ BIL—各类设备额定雷电冲击(内、外绝缘)耐受电压峰值，单位为kV；

根据GB311.1-1997国家标准取Kc?1.4。 Kc—雷电冲击绝缘配合因数，6.按操作冲击残压选择

220kV及以下氧化锌避雷器操作冲击残压按式（5.21）选择，即

42

邵阳学院毕业设计（论文）

Us?SILKc=1.35UgsKc（5.21）

式中 Us—避雷器操作冲击电流下残压峰值，单位为kV； —变压器线端操作波试验电压，单位为kV； SILU gs—各类电气设备短时(1min)工频试验电压，单位为kV；

Kc—操作绝缘配合因数，根据GB311.1-1997国家标准规定取Kc?1.15。

5.6.3 避雷器的配置原则

⑴配电装置的每相母线上，应装设避雷器，但进出线都装设避雷器除外。 ⑵330kV及以上变压器和并联电抗器处必须装置避雷器，并应尽可能靠近设备本体。

⑶220kV及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。

⑷三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器。

⑸在变压器中性点直接接地系统中，变压器中性点为分级绝缘且装有隔离开关时，应装设避雷器。

⑹110～220kV线路侧一般不装设避雷器。330～500kV的线路侧如操作过电压超过操作波保护水平，应设置避雷器。当不超过时，是否需装设避雷器，应根据进线侧的设备、本地区雷电活动并通过摸拟试验或计算确定。

⑺避雷器也有高式和低式两种布置。110kV及以上的阀型避雷器由于器身细长，多落地安装在0.4m的基础上。磁吹避雷器及35kV阀型避雷器形体矮小，稳定度较好，一般采用高式布置。

⑻避雷器在工程中的具体布置见附图1所示。 5.6.4 避雷器选择

1.220kV侧避雷器的选择

⑴按额定电压选择，220kV系统最高电压为252kV，则避雷器相对地电压为

0.75×252kV=189kV，取避雷器的额定电压为200kV，故满足要求。

⑵按持续运行电压选择，220kV系统相电压为252kV/3=145kV，选

Y10W5-200/520型无间隙氧化锌避雷器持续运行电压有效值为146kV，故满足持

43

邵阳学院毕业设计（论文）

续运行电压的要求。

⑶标称放电电流的选择，220kV氧化锌避雷器标称放电电流选10kA。 ⑷雷电冲击残压的选择，220kV变压器额定雷电冲击耐受电压值为850kV，则避雷器标称放电电流引起的雷电冲击残压

Uble?BILKe=8501.4kV=607kV

而Y10W5-200/520型氧化锌避雷器雷电冲击电流下残压值不大于520kV，该值小于607kV，故选择的氧化锌避雷器满足雷电冲击残压的要求。

⑸校核陡波冲击电流下的残压，220kV变压器类设备的内绝缘截断雷电冲击耐受电压为950kV，则陡波冲击电流下的残压

U'ble=BIL'Ke=9501.4kV=678kV

而Y10W5-200/520型氧化锌避雷器雷电陡波冲击电流下残压值不大于

582kV，该值小于678kV，故选择的氧化锌避雷器满足陡波冲击电流下残压的要求。

⑹操作冲击电流下残压的选择，220kV变压器线端操作波试验电压值

SIL=750kV，根据GB311.1-1997国家标准取操作冲击因数Kc?1.15，则操作冲

击电流下残压

Us?SILKc?7501.15kV?652kV

而Y10W5-200/520型氧化锌避雷器操作冲击电流下残压值为442kV，该值小于652kV，故选择的氧化锌避雷器满足冲击电流下残压的要求。

2.110kV侧避雷器的选择

⑴按额定电压选择，110kV系统最高电压为126kV，则避雷器相对地电压为

0.75×126kV=94.5kV，取避雷器的额定电压为100kV。

⑵按持续运行电压选择，110kV系统相电压为126kV/3=73kV，故选氧化锌避雷器持续运行电压有效值为73kV。

⑶标称放电电流的选择，110kV氧化锌避雷器标称放电电流选10kA。 ⑷雷电冲击残压的选择，110kV变压器额定雷电冲击外绝缘耐受电压值为

44

邵阳学院毕业设计（论文）

450kV，内绝缘耐受电压值为480kV，则避雷器标称放电电流引起的雷电冲击残压

Uble?BILKe=4501.4kV=321kV

选择的氧化锌避雷冲击电流下残压峰值不大于260kV。

⑸校核陡波冲击电流下的残压，110kV变压器类设备的内绝缘截断雷电冲击耐受电压为530kV，则陡波冲击电流下的残压

U'ble=BIL'Ke=5301.4kV=378kV

选择氧化锌避雷器雷电陡波冲击电流下残压值不大于291kV。

⑹操作冲击电流下残压的选择，110kV变压器线端操作波试验电压值

SIL=375kV，根据GB311.1-1997国家标准取操作冲击因数Kc?1.15，则操作冲

击电流下残压

Us?SILKc?3751.15kV????kV

取氧化锌避雷器操作冲击电流下残压锋值不大221kV。

⑺根据上述选择校验，选择Y10W5-100/260型氧化锌避雷器。 3.35kV侧避雷器的选择

⑴按额定电压选择，35kV系统最高电压为40.5kV，避雷器相对地电压为

1.25Um?1.25?40.5kV?????kV，取避雷器的额定电压为53kV。

⑵按持续运行电压选择，35kV系统相电压为40.5kV/3=23.4kV，故选氧化锌避雷器持续运行电压有效值为40.5kV，此值大于23.4kV。

⑶标称放电电流的选择，35kV氧化锌避雷器标称放电电流选5kA。 ⑷雷电冲击残压的选择，35kV变压器额定雷电冲击外绝缘耐受电压值为

185kV，内绝缘耐受电压值为200kV，则避雷器标称放电电流引起的雷电冲击残

Uble=BIL1KeBIL1Ke=1851.42001.4kV=132kV

Uble==kV=142kV

选择的氧化锌避雷冲击电流下残压峰值不大于132kV。

45

邵阳学院毕业设计（论文）

⑸校核陡波冲击电流下的残压，35kV变压器类设备的内绝缘截断雷电冲击耐受电压为220kV，则陡波冲击电流下的残压

U'ble=BILKe'=2201.4kV=157kV

选择氧化锌避雷器雷电陡波冲击电流下残压值不大于154kV。

⑹操作冲击电流下残压的选择，35kV变压器线端操作波试验电压值

SIL=170kV，根据GB311.1-1997国家标准取操作冲击因数Kc?1.15，则操作冲

击电流下残压

Us?SILKc?1701.15kV????kV

取氧化锌避雷器操作冲击电流下残压锋值不大114kV。 ⑺根据上述选择校验，选择YH5W-51/134型氧化锌避雷器。

总 结

本设计是参考国网公司220kV变电站的典型设计，根据该站的具体情况，完成某地区220kV变电站的电气主接线设计，其具体设计内容如下：

⑴对原始资料进行分析，选择比较合理的主接线形式。 ⑵根据该站的地区性质与负荷确定主变容量与数量。

⑶选择主要的电气设备，包括断路器、隔离开关、互感器、母线、避雷器等，然后校验它们的动、热稳定性。

⑷最后设计出本站的主接线图、电气总平面图和配电装置断面图，其具体图纸分别见附图1、附图2、附图3。

通过本次设计，不仅丰富和巩固了我的专业知识，还锻炼和提高了我发现问题，分析问题，解决问题的能力，同时也体现出了理论与实际相结合的重要性，这些都将

46

邵阳学院毕业设计（论文）

在我以后的工作中发挥举足轻重的作用。

参考文献：

[1] 熊信银.发电厂电气部分[M].中国电力出版社，2004.

[2] 丁毓山.10～220kV变电所设计[M].辽宁科学技术出版社，1993. [3] 刘笙.电气工程基础[M].科学出版社，2002.

[4] 水利电力部西北电力设计院.电气工程设计手册电气一次部分[M].中国电力出版社，1989. [5] 电力工业部西北电力设计院.电气工程设计手册电气一次部分[M].中国电力出版社，1998. [6] 文锋.现代发电厂概论[M].中国电力出版社，1999. [7] 黄益庄.变电站综合自动化技术[M].中国电力出版社，2001.

[8] 丁德劭.怎样对新技术标准电气一次接线图[M].中国水利水电出版社，2001. [9] 弋东方.电气设计手册电气一次部分[M].中国电力出版社，2002. [10] 孟祥萍.电力系统分析[M].高等教育出版社，2004. [11] 陈庆红.变电运行[M].中国电力出版社，2005.

47

邵阳学院毕业设计（论文）

[12] 何仰赞.电力系统分析[M].华中科技大学出版社，2002. [13] 张建业.电力设备选型手册[M]. 中国水利水电出版社，2006. [14] 狄富清.变电设备合理选择与运行检修[M].机械工业出版社，2005. [15] 李建基.高压断路器及其选用[M].电力系统装备，2003.

附 录

主要设备选择汇总表如附表1.1所示

1.1 主要设备清单表

序列号 1 2 3 4 5 6 7 8

110kV侧 220kV侧

设备

断路器 隔离开关 电压互感器 电流互感器 主母线 主变进线 避雷器 断路器

型号 LW30-252 SPOT-252 TYD220/3—0.01H

LVQB（T）-252 6063G—Φ150/136 LGJ-500/35 Y10W5-200/500 LW36-126

48

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2w4r.html