110kV变电站电气一次系统设计专科毕业论文

成人教育毕业设计(论文)

论文题目：110kV变电站电气一次系统设计

年级.专业.层次： 2011级 电气工程及其自动化 学生姓名： 学号 函授站： 指导教师姓名：

2013年09月

华北电力大学成人教育毕业设计（论文）

110kV变电站电气一次系统设计

摘要

变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中的间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线拟定直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。

本次设计建设一座110kV降压变电站，首先，根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求选择各个电压等级的接线方式，在技术方面和经济方面进行比较，选取灵活的最优接线方式。其次，进行短路电流计算，根据各短路点计算出各点短路稳态电流和短路冲击电流。最后，根据各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行设备选择，然后进行校验。

关键词：变电所；变压器；电力负荷；电气主接线；短路电流；电气设备

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目 录

1 绪论…………………………………………………………………………………………I 2 设计说明书 .................................................................. 2

2.1、电气主接线设计 ........................................................ 2

2.1.1 电气主接线设计的原则 .............................................. 2 2.1.2 电气主接线的设计程序 .............................................. 2 2.1.3 主接线形式的选择 .................................................. 4 2.2 主变压器的选择 ........................................................ 4 2.3 短路电流的计算及负荷计算 .............................................. 5

2.3.1 短路电流计算的目的和条件 .......................................... 5 2.3.2 短路时间的计算 .................................................... 6 2.3.3 等效电路阻抗及短路电流的计算 ...................................... 6 2.4、设备的选择与校验 ...................................................... 7

2.4.1 导体和电气设备选择的一般条件 ...................................... 7 2.4.2设备选择 .......................................................... 8 2.5、防雷保护的确定及接地网的设计 ......................................... 13

2.5.1避雷针的作用 ..................................................... 13 2.5.2防雷接地 ......................................................... 13 2.5.3防雷保护方案 ..................................................... 14 2.5.4地网的设计 ....................................................... 15

3 计算书 ..................................................................... 18

3.1 电力负荷的计算 ........................................................ 18 3.2、等效电路电抗的计算 ................................................... 19 3.3、等效电路短路电流的计算 ............................................... 19 3.4、设备的选择及校验 ..................................................... 23

3.4.1高压断路器 ....................................................... 23 3.4.2隔离开关 ......................................................... 25 3.4.3电流互感器 ....................................................... 27 3.4.4电压互感器 ....................................................... 28 3.4.5 导线 ............................................................. 29

总结 .......................................................................... 31 参考文献………………………………………………………………………………………32 致谢 .......................................................................... 33

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1 绪论

电能是现代工业生产的主要能源和核心动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。

本次设计为110kV 变电站电气一次部分初步设计，分为设计任务书、说明书、计算书、设计图纸等四部分。所设计的内容力求概念清楚，层次分明。！从主接线、短路电流计算、主要电气设备选择等几方面对变电站设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图。由于本人水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。

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2 设计说明书

2.1 电气主接线设计

电气主接线是发电厂、变电所的设计主体。采用何种形式的接线，与电力系统原始资料，发电厂、变电所本身的可靠性、灵活性、经济性的要求密切相关，并且对电气设备的选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定都有较大的影响。因此，主接线的设计必须根据电力系统、发电厂或变电站的具体情况，全面分析，正确地处理好各方面的关系，合理地选择主接线方案。

2.1.1 电气主接线设计的原则

电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以技术规定、标准为准绳，结合实际情况，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，尽可能的节省投资，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

在设计的过程中，将根据国家经济发展及电力负荷增长率的规划，给出所设计变电所的容量、机组台数、电压等级、出线回路数、主要负荷要求、电力系统参数和对电厂的具体要求，以及设计的内容和范围。设计的主接线应满足供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展的余地。设计时，在进行论证分析阶段，更应合理的统一供电可靠性与经济性的关系，以便使设计的主接线具有先进性和可行性。

2.1.2 电气主接线的设计程序

设计步骤和内容如下： 1）． 对原始资料分析：

(1) 工程情况，包括设计规划容量（近期、远景），变压器容量及台数，最大负荷利用小时数极可能的运行方式等。

(2) 电力系统情况，包括电力系统近期及远景发展规划（5-10年），变电站在电力系统中的位置（容量位置和地理位置）和作用，以及与电力系统连接方式和各级电压中性点接地方式等。

(3) 变压器的中性点接地方式与电压等级、单向接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响系统供电的可靠性。

2）． 对电气主接线的基本要求：

对电气主接线的基本要求，概括的应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。

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(1) 可靠性

在分析电气主接线可靠性时，要考虑变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质及类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。

(a) 电站在电力系统中的地位和作用。变电站是电力系统的重要组成部分，其可靠性应与系统相适应。此次设计的110kV变电所在10kV电压级有近区负荷，容量不大，此时10KV电压即宜采用供电可靠性较高的母线接线方式，以便适应近区各类负荷对供电可靠性的要求。

(b) 负荷性质和类别。负荷按其重要性有Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类之分。

(c) 设备的制造水平。电气设备制造水平决定的设备质量和可靠程度直接影响着电气主接线的可靠性。

(d) 长期实践运行经验。 (2) 灵活性

电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：

(a) 操作的方便性。电气主接线应该在满足可靠性的条件下，结线简单，操作方便，尽可能使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。

(b) 调度的方便性。电气主接线在正常运行时，要能根据调度要求，方便的改变运行方式，并且在发生事故时，要能尽快的切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多的影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。

(c) 扩建的方便性。对将来要扩建的变电站，其主接线必须具有扩建的方便性，应留有发展扩建的余地。

(3) 经济性

在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要从以下几方面考虑：

(a) 节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采用限制短路电流的措施，以节省开关电器数量、选用廉价的电器或轻型电器，以便降低投资。

(b) 占地面积小。

(c) 电能损耗少。在变电站中，电能损耗主要来自变压器，应经济合理的选择变压器的形式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。

(d) 负荷情况，包括负荷的性质、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。对电力的负荷不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测，对电力负荷预测的准确性，直接关系着变电站电气主接线设计成果的质量，一个设计应能经受当前及较长远时间（5-10年）的检验。

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2.1.3 主接线形式的选择

1）110kV电压等级主接线的确定 方案1：双母线接线 方案2：单母线分段 方案3：单母线分段带旁路

双母线接线：供电可靠、调度灵活。当母线检修时可以不停电，母线故障时、回路短路时停电。母线侧隔离开关检修时只停本回路的电。

单母线分段：母线故障或检修时，不会导致全部停电。断路器检修时会造成回路停电。但接线简单、操作维修方便、设备较少、经济性好。

单母线带旁路：单母线分段带有专用旁路断路器的旁路母线接线，可以减少设备、节省投资。随着高压配电装置广泛采用六氟化硫断路器及国产断路器、隔离开关的质量逐步提高，同时系统备用容量的增加、电网结构趋于合理和联系紧密、保护双重化的完善以及设备检测逐步由计划检修向状态检修过渡，为简化接线，总的趋势将逐步取消旁路设施。

此次110kV侧采用单母线分段的接线方式。这种接线，每一回路都通过一台断路器和一组隔离开关并连接到母线上。适用范围：110~220kV配电装置当出线回数不超过5回时。

与双母线接线相比，单母线分段接线具有下述优点：

(1) 可以轮流检修母线而不致中断供电。只需将要检修的那一段母线上的所有元件倒闸操作到另一组母线上。

(2) 检修任一回路隔离开关时，只停该回路，母线故障后，可迅速恢复供电。 (3) 调度灵活，各电源和各负荷回路可以任意分配到某一组母线上。 (4) 有利于扩建和便于试验。 2）10kV电压等级主接线的确定 采用单母线分段接线方式

此方案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，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常母线不间断供电，不致使重要用户停电，两段母线同时故障的几率很小，可以不予考虑。在可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一段母线故障时，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，完好段即可恢复供电。

2.2 主变压器的选择

降压变电所的变压器（或自耦变压器）额定容量和台数应以下述几点要求为依据： (1) 在计及变压器过负荷能力及负荷增长进程的条件下，充分利用所安装的变压器容量；

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(2) 使变电所的每个发展阶段，能达到投资最少计算费用最省，并且投资不集中； (3) 供电可靠； (4) 运行方便；

(5) 变电所扩建时无大改造，且不中断对用户的供电；

(6) 对变压器额定容量的选择，特别要重视确定计算负荷，尽量得到最准确地选择结果。

变压器的容量大小、型式、规格：

根据变电所主变压器选择的原则，对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，并且任一台变压器单独运行时变压器容量应满足总计算负荷的大约70% ~ 75%的需要，因此

变压器容量 S=70%(∑s+S所用)

=0.70×(42.266+12.734) =55×0.70

=38.5MVA (1) 相数

根据所计算的容量，选用两台双绕组无励磁调压电力变压器。 (2) 组数与结构

在110kV中性点直接接地系统中，凡需选用三绕组变压器的场所，均可优先选用自耦变压器，其损耗小，价格低，但主要潮流方向应为低高压同时向低压和中压送电，且变化不宜过大，并注意自耦变压器限制短路电流的效果较差，所以选用两台双绕组变压器。

2.3 短路电流的计算及负荷计算

2.3.1 短路电流计算的目的和条件

1）短路电流计算的目的

在发电厂和变电站的设计中，短路计算是其中的一个重要环节。其计算的目的主要有以下几个方面：

(1) 电气主接线的比较。 (2) 选择导体和电器。

(3) 在设计户外高型配电装置时，需要按短路条件校验软导线的相同和相对地的安全距离。

(4) 在选择继电保护装置和运行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。 (5) 接地装置的设计，也需要用短路电流。

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2）短路电流的计算条件

为使所选设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定的时期内适应电力系统发展的需要，做验算用的短路电流应按下列条件确定：

(1) 容量与接线。按设计的最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为建成后5~10年）；其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式。

(2) 短路种类。一般按三相短路计算，或其他种类较三相短路严重时，则按最严重的情况计算。

(3) 计算短路点。在计算电路图中，同电位的各短路点的短路电流值均相等，但通过各支路的短路电流将随着短路点的位置不同而不同。在校验电器和载流导体时，必须确定电气设备和载流导体处于最严重的短路点，使通过的短路电流校验值为最大。

2.3.2 短路时间的计算

效验热稳定的短路计算时间tk为急电保护动作时间tpr和相应短路器的全开断时间tbr

之和，即 tk?tpr?tbr

tpr一般取保护装备的后备保护动作时间，这是考虑到主保护有死区或拒动；而tbr指对

短路器的分闸脉冲传送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后的电弧完全熄灭为止的时间段。显然，tbr包括两个部分，即

tbr?tin?ta

式中，tin为断路器的分闸时间，它是由断路器接到分闸命令起，到灭弧触头刚分离的一段时间，此值可在相应手册中查出；ta为断路器开断时电弧持续时间，它是指由第一个灭弧触头分离瞬间起，到最后一级电弧熄灭为止的时间，对少油断路器为0.04~0.06s，对SF6断路器压缩空气断路器约为0.02~0.04s，真空断路器约为0.015s。

断路器不仅在电路中作为操作开关，而且在短路时要迅速可靠的切断短路电流，作为

't保护电器。为此，这种断路器应能在最严重的情况下开断短路电流，故短路计算的时间k应为主保护动作时间tpr1和断路器固有分闸时间tin之和，即

'tk?tpr1?tin

对于无延时保护，tpr1为主保护启动和执行机构动作时间之和，一般0.05~0.06s。

为方便设计，此处规定各电源在不同短路点的短路计算时间为tk=4s。

2.3.3 等效电路阻抗及短路电流的计算

用于设备选择的短路电流是按照变电所最终规模：两台40MVA主变压器及110kV远景

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系统阻抗，考虑两台主变并列运行的方式进行计算的。计算结果如下：

表一 等效电路阻抗计算结果表

阻抗名称 短路阻抗标幺值 系统X 发电机XG 变压器XT1 主变XT2 线路1XL1 0.045 0.06 0.075

表二 短路电流计算结果表

短路电流最大有效值（kA） 0.262 0.18 线路2XL2 0.12 短路短路点类型 编号 短路点位置 短路点平均电压（kV） 基准电流（kA） 短路电流周期分量起始有效值 短路电流冲击值（kA） 三相短路 f1 f2 110kV母线 10kV 母线 115 10.5 7.89 86.36 14.19 32.82 36.18 83.68 15.15 32.82 2.4、设备的选择与校验

2.4.1 导体和电气设备选择的一般条件

正确的选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳定的采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。

1）一般原则

(1) 应满足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核； (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型号一致；

(6) 选用的新产品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。 2）短路状态热稳定和动稳定的校验 1 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，满足热稳定的条件为

It2t?Qk

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式中 Qk…短路电流产生的热效应

It、t…电气设备允许通过的热稳定电流和时间 2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呢公里。亦称动稳定，满足动稳定的条件：

ies?ish,Ies?Ish

式中 ish、Ish…短路冲击电流幅值及其有效值

ies、Ies…电气设备允许通过的动稳定电流及其有效值

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：

(1) 用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断器时间保证，故可不验算热稳定 (2) 采用有限电流电阻熔断器保护的设备，可不校验动稳定

(3) 装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定 3）环境条件

环境条件主要有温度、日照、风速、冰雪、湿度、污秽、海拔和地震。由于设计条件有限，所以在设计中没有考虑温度因素。

按照工程上的规定，普通高压电器在环境温度为四十度时，允许按照额定电流长期工作。当电器安装点的环境高于四十度时，每增加一度建议额定电流减少1.8%；当低于四十度时，每降低一度建议额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。

2.4.2设备选择

结合以往110kV变电所设计及运行情况，本次选用110kV及10kV开关开断电流采用31.5kA。并依次对设备进行了选择和校验。主要设备参数如下：

表三 主变：（双绕组无励磁调压电力变压器）

型号 SFL-40000/110 额定容量 （kVA） 40000 额定高压 （kV） 110 ±2×2.5% 121 额定低压 空载电流 空载损耗 (kVA) (kVA) (kW) 10.5 0.7 45 负载损耗 (kV） 174 阻抗电压 （%） 10.5 110kV侧高压断路器：

高压断路器的功能是，不仅能通断正常负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切断短路故障。

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表四 选用SW4-110Ⅲ型断路器

型号 SW4-110Ⅲ 4s稳定电流(KA) 31.5 额定电压(kV) 110 自动重合闸无电流间隔时间(s) 0.3 最高工作电压(kV) 126 固有分闸时间(s) 0.05 额定电流(A) 1250 合闸时间(s) 0.4 额定开断电流(kA) 31.5 断路器本体质量 (三相)(kg) 3360 动稳定电流（kA) 80 油重(kg) 120

110kV侧高压隔离开关：

高压隔离开关的功能是，隔离高压电源，以保证其他设备和线路的安全检修，其特点是不允许带负荷操作。

表五 选用GW4-110DW型隔离开关

额定电压 (kV) 额定电流 (A) 动稳定电流峰值 (kA) 热稳定电流(kA) 2s 4s 5s 操动机构型号 接地刀闸 CS17G 单相质量(kg) 型号 主刀闸 CS17G、CJ2-G GW4-110DW 110 16000 100 31.5 255

110kV侧电流互感器：

电流互感器的功能是：(1) 将一次回路的大电流变为二次回路的小电流（5A或1A），使测量仪表和保护装置标准化，小型化，价格便宜和便于屏内安装；(2) 使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证设备和人身的安全。

表六 选用LCWB4-110型号的电流互感器

二次负荷(Ω) 型号 额定电流比(A) 级次组合 准确级次 0.5级 0.5 LCWB4-110 (2×500) 2 9 10%倍数 倍数(倍) 30 20 20 9 13二次负级 级 荷(Ω) 2.4 2.4 2 1s热稳定倍数(倍数) 质量(kg) 油质量 总质量 0.5/B B2/B3B1 B2 B3 75 145 580 华北电力大学成人教育毕业设计（论文）

110kV侧电压互感器：

电压互感器的功能：（1）将一次回路的高电压变为二次回路的低电压，使测量仪表和保护装置标准化，小型化，并使其结构巧，价格便宜和便于屏内安装；（2）使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证设备和人身的安全。

表七 选用Jcc2-110电压互感器

额定电压 型号 一次绕组 二次绕组 辅助绕组 0.1 一次绕组1额定容量(V.A) 0.2 0.5 1 3 二次绕组2 额定容量(V.A) 3P 6P 2000 最大容量(V.A) Jcc2-110 110/3 0.1/3 500 1000

10kV侧断路器：

应采用少油高压断路器，放置在户内，型号为SN10-10/3000-43.3

额定电压 (kV) 额定额定开额定断电流 断电流 流容量 (A) (kA) (MVA) 3000 43.3 750 极限通过电流峰值 (kA) 130 油重 热稳定电流有效值 (kA) 43.3(4s) 自重 (无油) 190 合闸故有分时间 闸时间 (s) (s) ≯≯0.06 0.2 配用操动机构型号 CD10Ⅲ 型号 SN10-10Ⅲ SN10-10/ 3000-43.3 10 操作循环 型号 SN10-10Ⅲ 机械寿命 (次) 1050 分-180s-合SN10-10/ 分-180s-合3000-43.3 分 13

10kV侧隔离开关：

采用GN2-10/3000型号的隔离开关 动稳定电流(kA) 型号 额定电压(kV) 额定电流(A) 有效值 GN2-10/3000 10 3000 30 峰值 2s 4s 5s 10s 100 40 20 70 50 154 热稳定电流 三相质量(kg)

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10kV侧电流互感器：

选择LMC-10型3000/5的电流互感器

二次负荷 准确准确等级 等级 0.5 1 3 10%倍数 1s热稳定 动稳定 长度二次倍电流倍电流倍H(mm) 负荷数 (kA) 数 (kA) 数 (Ω) 75 610 620 型号 额定电流比 级次组合 2000, 3000/5, 0.5/0.5 0.5 LMC-10 1.2 3 2 4000, 0.5及3 3 5000/5

10kV侧电压互感器：

选用型号为JSW-10三台单相三绕组电压互感器 额定电压 型号 一次绕组 JSW-10 10 二次绕组 0.1 辅助绕组 0.1/3 一次绕组1额定容量(V.A) 0.2 0.5 1 3 二次绕组2 额定容量(V.A) 3P 6P 960 最大容量(V.A) 120 200 480

110KV侧母线的选择：

选用LGJ-210/25型钢芯铝绞线 标称截面 半径 (mm) 重量(kg/km) 铝/钢(mm2) 19.98 789.1 LGJ-210/25

10kV侧母线的选择：

2mm选用槽形硬导体铝锰合金LMY3570型导线

标称截面 铝/钢(mm2) 外径(mm) 质量 (kg/m) LGJ-500/45 30 1688 截面尺寸 高度宽度厚度弯曲h b t 半径r (mm) (mm) (mm) (mm) 150 65 7 10 双槽导体截面S (mm) 3570 2集肤效导体载应系数 流量 kf (A) 1.075 5650 截面系数Wy (cm) 14.7 3惯性矩惯性半径ry (cm) 1.97 9.675 质量 (kg/m) Iy (cm) 68 4

高压熔断器

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110kV 选用RW6-110型

型号 额定电压 （kV） 110 额定电流 （A） 100 最大开端工频干耐容量（MVA） 受电压（kV） 1000 280 工频湿耐受电压（kV） 215 全波冲击耐受电压（kV） 460 质量（kg） RW6-110 150

10kV 选用RN2 10/0.5型

型号 额定电额定电流 开断容量不最大开断电压（kV） （A） 小于（MVA） 流（kA） 0.5 1000 85 熔管数 质量 熔断器 1 609 熔管 0.9 RN210/0.5 6 避雷器：

避雷器配置原则：

配电装置每组母线上，一般应装设避雷器；

220kV及以下的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台避雷器；

以下情况中性点应装设避雷器：

A： 直接接地系统中，变压器中性点分级绝缘，且装设有隔离开关时；

B： 直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时；

C： 不接地或经过消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点。 110kV，220kV线路侧一般不装设避雷器。 结果如下：

型号 组合方式 额定电压 kV 110 10 灭弧电压 kV 126 12.7 工频放电电压kV 255-290 26-31 预放电时间1.5-20μs 345 45 5kA冲击电流下的残压幅值 332 45 FCZ—110 单独元件 FZ—10 单独元件

所内变压器

选用S9-500/10型变压器 型号 S9-500/10 额定容量 （kVA） 500 额定高压 （kV） 10 ±2×2.5% 额定低压 空载电流 空载损耗 (kVA) (kVA) (kW) 0.4 12

1.4 1000 负载损耗 (kV） 5000 阻抗电压 （%） 4 12

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9er6.html