变电站（所）电气一次部分设计（发电厂电气部分课程设计）

课程论文

变电站（所）电气一次部分设计

课 程 名 称： 发电厂电气部分课程设计 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 指 导 教 师： 成 绩：

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 1 页

目 录

第一部分 变电站（所）电气一次部分设计说明书

第一章 设计要求............................................................................ 2 第二章 电气主接线的设计............................................................ 3 第三章 主变压器选择.................................................................... 7 第四章 站用电设计........................................................................ 9 第五章 高压电气设备的选择........................................................ 11 第六章 防雷及过电压保护装置设计............................................ 20 第二部分 变电站（所）电气一次部分设计计算书

第一章 负荷计算............................................................................. 25 第二章 短路电流计算..................................................................... 27 第三章 电气设备校验计算............................................................. 32 第四章 防雷保护计算................................................................... 39 附录................................................................................................... 40

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 2 页

变电站（所）电气一次部分设计

第一部分

设计说明书 220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 1 页

第一章：设计要求 1.1 任务书

1.1.1 地区电网的特点

本地区变电站通过三回线（架空线50km）从系统获取电能，每回架空线的单位长度

等值电抗=0.5欧/km 1.1.2 建站规模

变电站类型：220kV变电工程 电压等级：220kV 、110kV、35kV 出线回数及传输容量 电压 负荷 名称 区变1 区变2 110KV A区 备用 乡区变 糖厂 加工厂 35KV 矿场 材料厂 备用

1.1.3 环境条件

变电所位于某城市， 地势平坦，交通便利，空气较清洁，区平均海拔300米，最高气温36℃，最低气温-18℃，年平均雷电日45日/年，土壤电阻率高达800?.M 1.1.4 电气主接线要求

尽量考虑设置熔冰措施 1.1.5 短路阻抗

系统作无穷大电源考虑

1000 800 0.89 0.9 2 2 2 架空 架空 10 2 3000 1000 1000 700 0.9 0.9 0.88 0.9 1 2 3 1 1 架空 架空 架空 架空 10 5 4 5 每回最大负荷（KW） 7000 6300 功率因数 0.9 0.88 回路数 1 2 供电方式 架空 架空 线路长度（km） 15 7 1.2 任务书分析

因为变电站在城市，交通便利，平均海拔较低，故不用担心大型设备的运输问题。但是由于在气温较低的地区，故出于安全考虑，主接线尽量使用双母线接线。该变电站在多雷区，对防雷措施也应到位。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 2 页

第二章：电气主接线的设计 2.1 概述

电气主接线又称为电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。它代表了变电站高电压、大电流的电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。它直接影响电力运行的可靠性、灵活性，同时对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式等诸多方面都有决定性的关系。因此，主接线设计必须经过技术与经济的充分论证比较，综合考虑各个方面的影响因素，最终得到实际工程确认的最佳方案。

电气主接线的设计应满足可靠性、灵活性和经济性这三个基本要求。 1. 可靠性

安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。但电气主接线的可靠性不是绝对的，要综合考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。不过通常要满足以下几个方面的要求。 （1）断路器检修时，不宜影响对系统供电；

（2）线路、断路器或母线故障时，以及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运出线回路数和停电时间，并能保证对全部I类及全部或大部分II类用户的供电； （3）尽量避免变电站全部停电的可能性；

（4）大型机组突然停运时，不应危及电力系统稳定运行。

2. 灵活性

灵活性指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。

（1）操作的方便性。电气主接线应该在服从可靠性的基本要求条件下，接线简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。

（2）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，方便地改变运行方式。并且在发生事故时，要能尽快地切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。

（3）扩建的方便性。对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。设计时不仅要考虑最终接线的实现，还要考虑到从初期接线过渡到最终接线的可能和分阶段施工的可行方案，使其尽可能地不影响连续供电或在停电时间最短的情况下，将来可顺利完成过渡方案的实施，使改造工作量最少。

3. 经济性

在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。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。

（1）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、选用价廉的电器或轻型电器，以便降低投资。

（2）占地面积少。主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽可能使占地面积少；同时应注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。对大容量发电厂或变电站，在可能和允许条件下采取一次设计，分期投资、投建，尽快发挥经济效益。

（3）电能损耗少。在发电厂或变电站中，电能损耗主要来自变压器，应经济合理地选择变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。

电气主接线的接线形式以电源和出线为主体。为了便于电能的汇集于分配，在进出线较多时（一般超过4回），采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，有利于安装和扩建。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 3 页

第四章：站用电设计 4.1 概述

变电站的主要站用电是变压器冷却装置，直流系统中的充放电装置和晶闸管整流设备，照明、检修及供水和消防系统，对500KV变电站，还包括高压断路器和隔离开关的操作机构电源。尽管这些负荷的容量并不太大，但出于运行安全的考虑，其站用电系统必须具有高度的可靠性。小型变电站大多只装一台站用变压器，从变压站低压母线上引接，站用变压器的二次侧为380/220V中性点直接接地的三相四线制系统。对于中型变电站或装有调相机的变电站，通常都装设两台站用变压器，分别接在变电站低压母线的不同分段上，380V站用电母线采用低压断路器（即自动空气开关）进行分段，并以低压成套配电装置供电。500KV变电站必须专设两台或两台以上的站用工作变压器。当有可靠的外接电源时，一般设置一台与站用工作变压器容量相同的备用变压器作为备用电源；当无可靠的外接电源时，可设一台自启动的柴油发电机组作为备用电源，其容量应至少满足主变压器的冷却装置负荷和断路器及隔离开关的操动机构电源的需要。当变电站设置站用备用变压器时，一般均装设备用电源自动投入装置，以保证工作变压器因故退出运行时备用变压器能自动投入运行。

4.2 站用变压器台数及容量选择

4.2.1 台数

本变电站属于中型变电站，又因为采用了两台装有强迫油循环风冷却的主变压器，出于可靠性的考虑，站用变压器应采用两台，且互为备用，即当一台站用变压器停运时，另一台的容量应承担全部负荷的功率输出。

4.2.2 容量

站用电电压为380V，容量为全部负荷的0.5%，根据计算书中的负荷计算可知 S∑=34821.65KVA

则S站=0.5%S∑=174.12KVA

考虑未来五年规划，按增长率每年为7%计算，则 S=S站×1.07^5=244.2KVA

由于主变压器的容量选择实际已经满足未来七年的规划，因此站用变压器的容量选择也同步考虑七年规划，即

S=S站×1.07^7=280.56KVA

4.2.3 型号

根据以上条件可选择站用变压器型号为S7-315/35 查表可得该变压器的具体参数如下所示 额定容量KVA 315 额定电压KV 高压 35 低压 0.4 阻抗电压% 6.5 连接组标号 Yyn0 损耗W 空载 760 短路 5300 空载电流% 2.2

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 9 页

4.3 站用电接线图

380KV母线 35KV母线

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 10 页

第五章：高压电气设备的选择 5.1 概述

导体和电气设备选择是电气设计的主要内容之一。尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样，具体的选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。电气设备要能可靠地工作必须按照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。同时，在根据工程实际情况和保证安全、可靠的前提下，积极稳妥地采用新技术，并兼顾经济性。电气设备的选择一般满足以下要求。

（1）正常工作状态下的电压和电流的要求； （2）安装地点和使用环境条件要求；

（3）短路条件下的热稳定和动稳定的要求； （4）考虑操作的频繁程度和开断负荷的性质；

（5）对电流互感器的选择应按其负载确定准确级别； （6）力求先进和经济合理； （7）选择导体时尽量减少品种；

（8）选用的新品，均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。 高压一次设备的选择检验项目和条件如下表所示 电气设备名称 高压熔断器 高压隔离开关 高压断路器 电流互感器 电压互感器 母线 选择校验的条件 电压KV 必须校验 必须校验 必须校验 必须校验 必须校验 不必校验 设备的额定电压应不小于装置地点的额定电压或最高电压（若设备额定电压按最高工作电压表示） 电流A 必须校验 必须校验 必须校验 必须校验 不必校验 必须校验 设备的额定电流应不小于通过设备的计算电流 断流能力KA或MVA 必须校验 不必校验 必须校验 不必校验 不必校验 不必校验 短路电流校验 动稳定度 不必校验 必须校验 必须校验 必须校验 不必校验 必须校验 热稳定度 不必校验 必须校验 必须校验 必须校验 不必校验 必须校验 按三相短路稳态电流或短路发热假想时间校验 设备的最大按三相短路开断电流（或冲击电流校功率）应不小验 于它可能开断的最大电流（或功率） 5.2 高压断路器的选择

5.2.1 一般原则

高压断路器主要功能是正常运行时倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，

起控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，起保护作用。

（1）种类和型式选择。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 11 页

根据断路器采用的灭弧介质可分为油断路器（多油、少油）、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器等。多油断路器的油同时兼做灭弧介质和带电体与不带电体之间的绝缘介质，耗油量大，现已淘汰；少油断路器的油只作灭弧和触头间弧隙的绝缘介质，油量少，占地少，价廉，已有长期运行经验，当前在110~220KV电压等级的配电装置中仍占有一席之地；压缩空气断路器采用压缩空气作为灭弧介质，具有大容量下开断能力强及开断时间短的特点，但结构复杂、尚需配置压缩空气装置，价格较贵，而且合闸时排气噪音大，所以主要用在220KV及以上电压的屋外配电装置；SF6断路器采用不可燃和有优良绝缘与灭弧性能的SF6气体作灭弧介质，具有优良的开断性能。SF6断路器运行可靠性高，维护工作量少，故适用于各电压等级，特别在220KV及以上配电装置中得到最广泛的运用；真空断路器利用真空的高介质强度灭弧，具有灭弧时间快，低噪音，高寿命及可频繁操作的优点，已在35KV及以下配电装置中获得最广泛的采用。

由于本电站位于城市，应尽量减少占地面积，因此采用占地面积较少，物美价廉且具有长期运行经验的少油断路器。

（2）额定电压和额定电流的选择

高压断路器的额定电压和额定电流选择需满足： UN ≥ USN，IN ≥ Imax

式中：UN、USN分别为断路器和电网的额定电压（KV）；IN、Imax分别为断路器的额定电流和电网的最大负荷电流（A），Imax?1.05SN 3Uav（3）开断电流选择

高压断路器的额定开断电流INbr是指在额定电压下能保证正常开断的最大断路电流，它是表征高压断路器开断能力的重要参数。高压断路器开断电流不能超过极限开断电流。一般中小型变电站采用中、慢速断路器，开断时间较长（≥ 0.1），短路电流非周期分量衰减较多，可不计入非周期分量影响，采用起始次暂态电流I”校验，即

INbr ≥ I”

在枢纽变电站使用快速保护和高速断路器，其开断时间小于0.1s，当在电源附近断路时，短路电流的非周期分量可能超多周期分量的20%，需要用短路开断计算时间对应的短路全电流IK’进行校验，即

INbr ≥ Ik’

本变电站由于重要负荷较多，因此采用快速保护和高速断路器，因此校验条件为INbr≧Ik’ （4）短路关合电流的选择

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，动、静触头间在为接触时即有巨大的短路电流通过（预计穿），更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏，且在断路器在关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电流是断路器的重要参数之一。为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定短路关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值ish，即

iNcl ≥ ish

（5）短路热稳定和动稳定校验 校验式为

It2t ≥ Qk，ies ≥ ish

220KV变电站（所）电气一次部分设计书 第 12 页

5.2.2 本变电站的选择结果

5.2.2.1 220KV侧断路器选择 型号 SW6-220 额定电压KV 220 最高工作额定电流电压KV A 252 1250 额定开断电流KA 31.5 动稳定电流峰值KA 53 4s热稳定电流KA 16 固有分闸时间s 0.04

5.2.2.2 110KV侧断路器选择 型号 SW6-110 额定电压KV 220 最高工作电压KV 126 额定电流A 1250 额定开断电流KA 16 短路关合电流KA 41 动稳定电流峰值KA 41 4s热稳定电流KA 16 固有分闸时间s 0.04

5.2.2.3 35KV侧断路器选择 型号 SW2-35

额定电压KV 35 最高工作额定电流电压KV A 40.5 1000 额定开断电流KA 16.5 动稳定电流峰值KA 1000 4s热稳定电流KA 16.6 固有分闸时间s 0.06 5.3 隔离开关的选择

5.3.1 一般原则

隔离开关也是变电站中常用的开关电气设备，一般配有电动及手动操动机构，单相或三相操作，它需与断路器配套使用。但隔离开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。隔离开关的工作特点是在有电压、无负荷电流情况下分、合线路。其主要功能有隔离电压、倒闸操作和分合小电流。

（1）型式的选择 隔离开关的型式较多，按安装地点不同可分为屋内式和屋外式，按绝缘支柱数目又可分为单柱式、双柱式和三柱式，此外还有V形隔离开关。它对配电装置和占地面积有很大的影响，选型时应根据配电装置特点和使用要求以及技术经济条件来确定。

本变电站根据电压等级的不同选用了不同型式的隔离开关，220KV侧采用三柱式水平双断口式，110KV和35KV侧则采用占地面积较小的双柱水平开户式。 （2）额定电压和额定电流的选择

隔离开关的额定电压和额定电流选择需满足： UN ≥ USN，IN ≥ Imax

式中：UN、USN分别为隔离开关和电网的额定电压（KV）；IN、Imax分别为断路器的额定电流和电网的最大负荷电流（A），Imax?1.05（3）短路热稳定和动稳定校验 校验式为

It2t ≥ Qk，ies ≥ ish

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 13 页

SN 3Uav

5.3.2 本变电站的选择结果

5.3.2.1 220KV侧隔离开关的选择 型号 GW7-220DW 额定电压KV 220 最高工作电压KV 252 额定电流A 600 动稳定电流峰值KA 55 4s热稳定电流有效值KA 16 5.3.2.2 110KV侧隔离开关的选择 型号 GW5-110GDW 额定电压KV 110 额定电流A 600 动稳定电流峰值KA 72 4s热稳定电流有效值KA 16

5.3.2.3 35KV侧隔离开关的选择

型号 GW5-35GDW 额定电压KV 35 额定电流A 600 动稳定电流峰值KA 72 4s热稳定电流有效值KA 16 5.4 电流互感器的选择

5.4.1 一般原则

电流互感器在电力系统中被广泛采用，工作原理与变压器相似。其特点有以下两点：电流互感器一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流大小无关；电流互感器的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运行。

（1）种类和型式选择

选择互感器时，应根据安装地点（如屋内、屋外）和安装方式（如穿墙式、支持式、装入式等）选择其型式。3~20KV屋内配电装置的电流互感器，应采用瓷绝缘或树脂浇注绝缘结构；35KV及以上配电装置宜采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立电流互感器；有条件安装于断路器或变压器瓷套管内，且准确级满足要求时，应采用价廉、动热稳定性好的套管式电流互感器。

当一次电流较小（在400A及以下）时宜优先采用一次绕组多匝式，以提高准确度；220KV及以上电压等级或采用微机监控系统时，二次额定电流宜采用1A。而强电系统均采用5A

综和各方面的考虑，本变电站采用有保护级的户外独立式电流互感器。 （2）一次回路额定电压和电流的选择。 一次回路额定电压UN和电流I1N应满足： UN ≥ USN，I1N ≥ Imax

测量用电流互感器的一次额定电流不应低于回路正常最大负荷电流，且应尽可能比电路中的正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪表在正常运行时，指示在刻度标尺的3/4最佳位置， 并且过负荷时能有适当指示。

（3）准确级和额定容量的选择 为了保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。对测量准确度要求较高的大容量发电机和变压器、系统干线、发电企业上网电量、电网或供电企业之间的电量交换的关口计量点，宜用0.2级；装于重要回路（如中小型发电机和变压器、调相机、厂用馈线、有收费电能计量的出线等）中的互感器，准确级应采用0.2~0.5级；对供运行监视、100MW级以下发电机组的厂用电、较小用电负荷以及供电企业内部考核经济指

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 14 页

标分析的电能表和控制盘上仪表，其电流互感器应为0.5~1级。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。

由于本变电站只使用到中小型变压器，并拥有收费电能计量的出线，没有准确度要求较高的变压器，综合考虑后，采用准确级为0.5级已经能满足要求。

（4）短路热稳定和动稳定校验 校验式为

It2t ≥ Qk，ies ≥ ish

5.4.2 本变电站的选择结果

5.4.2.1 220KV侧电流互感器的选择

型号 LB-220 额定电流比A 2×600/5 准确级 0.5 1s热稳定倍数 30 动稳定倍数 75

5.4.2.2 110KV侧电流互感器的选择

型号 LB-110 额定电流比A 2×600/5 准确级 0.5 1s热稳定倍数 35 动稳定倍数 92

5.4.2.3 35KV侧电流互感器的选择

型号 LB-35

额定电流比A 200/5 准确级 0.5 1s热稳定倍数 60 动稳定倍数 153 5.5 电压互感器的选择

5.5.1 一般原则

目前，电力系统广泛应用的电压互感器，主要有电磁式和电容分压式两种。其中电磁式电压互感器的工作原理和变压器相同，具有容量很小，结构上要求有较高的安全系数，二次侧仪表和继电器的电压线圈阻抗大，在近于空载状态下运行；电容式电压互感器实质上是一个电容分压器。

（1）电压互感器的种类和型式

电压互感器应根据装设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配电装置当容量和准确级满足要求时，宜采用电容式电压互感器，也可采用油浸式；500KV均为电容式；三相式电压互感器投资省，但仅20KV以下才有三相式产品。三相五柱式电压互感器广泛用于3~15KV系统，而三相三柱式电压互感器，为避免电网单相接地时，因零序磁通的磁阻过大，致使过大的零序电流烧坏电压互感器，则电压互感器的一次侧三相中性点不允许接地，不能用于测量相对地电压，故很少采用；用于接入精确度要求较高的计费电能表时，可采用三个单相电压互感器组或两个单相电压互感器接成不完全三角形（也称V-V接线图）而不宜采用三相式电压互感器。因为，三相式电压互感器当二次侧负荷不对称时，特别是在单相接地时三相磁路不对称，将增大误差。

因此，本变电站采用220KV和110KV侧采用单相三绕组瓷箱式串级绝缘的户外式电压互感器，35KV侧采用单相双绕组油浸式电压互感器。

（2）一次额定电压和二次额定电压的选择

电压互感器一次绕组额定电压U1N，应根据互感器的高压侧接线方式来确定其相电压或线电压。

电压互感器二次绕组电压通常是供额定电压为100V的仪表和继电器的电压绕组使用。因此，单相式电压互感器单独使用或接成V-V接线时，二次绕组电压为100V，而接线方式

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 15 页

为三相式的电压互感器，其二次绕组电压为100/3V，并可获得相间电压100V；当用于35KV及一下中性点不接地系统时电压互感器剩余电压绕组的电压为100/3V，110KV及以上中性点接地系统是剩余电压绕组电压为100V。

由于本变电站采用的电压互感器均为单相式的，因此二次绕组的电压均为100V。 （3）接线方式选择

一台单相电压互器用于110KV及以上中性点接地系统时，测量相对地电压；用于35KV及以下中性点不接地时，只能测量相间电压，不能测量相对地电压。三相式电压互感器（应用于3~15KV电压等级）及三台单相三绕组电压互感器构成YNynd11接线，或YNyd11接线（应用与各个电压等级），其二次侧星形绕组用于测量相间电压或相对地电压，需抽取同期并列电压时b相接地（y接地），否则为中性点接地（yn接线）；而剩余绕组三相首尾串联接成开口三角形，在中性点不接地的电力系统中，供交流电网绝缘监视仪表与信号装置使用，在中性点直接接地的电力系统中，供接地保护使用；两台单相电压互感器分别跨接于电网的UAB及UBC的线间电压上，接成不完全三角形，广泛应用在20KV以下中性点不接地的电网中，用来测量三个相间电压，节省一台电压互感器（仍不能测量相对地电压）。

（4）容量和准确级的选择

根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器的接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择电压互感器的准确级和容量。

在本变电站设计中，由于并没有要求进行相关的计算，因此选用的容量按照常规的2000VA和准确级选择0.5级。

5.5.2 本变电站的选择结果

5.5.2.1 220KV侧电压互感器的选择 型号 JCC5-220 额定电压比KV 2200.1 //0.133二次负荷VA 0.5级 300 3P级 300 1级 500 最大容量VA 2000

5.5.2.2 110KV侧电压互感器的选择 型号 JCC6-110 额定电压比KV 1100.1 //0.133二次负荷VA 0.5级 300 3P级 500 1级 500 最大容量VA 2000

5.5.2.3 35KV侧电压互感器的选择 型号 JD6-35

额定电压比KV 35/0.1 二次负荷VA 0.5级 150 1级 250 最大容量VA 2000 5.6 电压互感器的选择

5.6.1 一般原则

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，当系统出现过载和短路电流时，熔断器的熔体需要在规定的时间内熔断。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 16 页

（1）型式选择

按安装条件及用途选择不同类型高压熔断器，如屋外跌开式、屋内式。对用于F-C回路及保护电压互感器的高压熔断器应选专用系列。

本变电站35KV采用屋外跌开式。 （2）额定电压和额定电流选择

对于一般的高压熔断器，其额定电压UN必须大于或等于电网的额定电压USN。 额定电流的选择包括熔断器熔管的额定电流和熔体的额定电流的选择，为了保证熔断器壳不致损坏，高压熔断器的熔管额定电流IFTN应大于或等于熔体的额定电流IFSN，即

IFTN ≥ IFSN

保护35kv及以下电力变压的高压熔断器，，其熔体的额定电流应根据电力变压器回路最大工作电流Imax按下式选择

IFSN = KImax

式中：K为可靠系数，不记电动记自启动时K=1.1~1.3，考虑自启动K=1.5~2.0。 （3）开断电流和选择性校验 开断电流校验式为：INbr ≥ Ish

选择性校验：保护电压互感器用的高压熔断器只需按额定电压及断流容量两项来选择。

5.6.2 本变电站的选择结果 型号 RW-35B 额定电压KV 35 额定电流A 100 最大开断容量MVA 400 5.7 母线选择

5.7.1 一般原则

电流分布良好，散热良好，有利于提高电晕其实电压，安装检修方便，连接简单。 （1）导体选型

导体通常由铜、铝、铝合金制成。载流导体一般使用铝或铝合金材料。纯铝的成型导体一般为矩形、槽形和管形；铝合金导体有铝锰合金和铝镁合金两种，形状均为管形，铝锰合金载流量大，但强度较差，而铝镁合金载流量小，但机械强度大，其缺点是焊接困难，因此使用受到限制；铜导体只用在持续工作电流大，且出现位置特别狭窄或污秽，对铝有严重腐

2

蚀的场所。硬导体截面常用的有矩形、槽形和管形。矩形单条截面最大不超过1250mm，以减少集肤效应，大电流使用时可将2~4条矩形导体并列使用，矩形导体一般只用于35KV及以下、电流在4000A及以下的配电装置中；槽形导体机械强度好，载流量大，集肤效应系数较小，一般用于4000~8000A的配电装置中；管形导体肌肤效应系数最小、机械强度高，用于8000A以上的大电流母线或要求电晕放电电压高的110KV及以上的配电装置中。

矩形导体的散热和机械强度与导体布置方式有关。三相系统平行布置是，若矩形导体的长边垂直布置（竖放）方式，散热较好，载流量大，但机械强度较低，若矩形导体的长边是水平布置（平放），与前者则相反。因此，导体的布置方式应根据载流量的大小、短路电流水平和配电装置的具体情况而定。

软导线常用的有钢芯铝绞线、组合导线、分裂导线和扩径导线，后者多用于330KV及以上的配电装置。

综合考虑变电站的情况后220KV侧和110KV侧采用钢芯铝绞线软导线，而35KV侧则采用机械强度较大的矩形导线并且水平放置。

（2）导体截面选择

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 17 页

导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。 对于年负荷利用小时数大（通常指Tmax〉5000h），传输容量大，长度在20m以上的导体，如发电机、变压器的连接导线其截面一般按经济电流密度选择，而配电装置的汇流母线通常在正常运行方式下，传输容量不大，故可按长期允许电流来选择。

1.按导体长期发热允许电流选择，其计算公式为： Imax ≤ KIal

式中：Imax为导体所在回路中最大持续工作电流（A）；Ial为在额定环境温度θ0 = 25℃时导体允许电流（A）；K为与实际环境温度和海拔有关的综合修正系数。

综合修正系数K的计算公式为

K =

?al-?

?al-?。式中：θ、θ0分别为导体安装出的实际环境温度和导体额定载流量的基准温度；θal为导体长期发热允许最高温度。

2.按经济电流密度选择 经济截面SJ为

SJ =

Imax（mm2） J为节约投资允许选择小于经济截面的导体。按经济电流密度选择的导体截面的允许电流还必须满足按导体长期发热允许电流选择条件。

（3）电晕电压校验

110KV及以上裸导体需要按晴天不发生全面电晕条件校验，即裸导体的临界电压Ucr

应大于最高工作电压Umax。

（4）热稳定校验

在校验导体热稳定时，若计及肌肤效应系数Kf的影响，由短路时发热的计算公式可得到短路热稳定决定的导体最小截面Smin为

Smin =

1CQkKf

式中：C为热稳定系数，Qk为短路电流热效应（A2.S） （5）硬导体的动稳定校验

各种形状的硬导体通常都安装在支柱绝缘子上，短路冲击电流产生的电动力将使导体发生弯曲，因此导体应按弯曲情况进行应力计算。而软导体不必进行动稳定校验。

由于本变电站只有35KV采用矩形硬导体，因此只需对该电压等级母线进行动稳定校验。

导体最大相间计算应力бph为

fphL2M(Pa) бph = =

W10W式中：fph为单位长度导体上所受相间电动力（N/m）；L为导体支柱绝缘子间的跨距（m）；

M为导体所受的最大弯矩（N.m），当长边呈水平布置，每相为单条时，W = bh2/6。

导体最大相间应力应小于导体材料允许应力（硬铝70×106Pa），即 бph ≤ бal

当矩形导体平放时，为避免导体因自重而过分弯曲，所选跨距一般不超过1.5~2m。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 18 页

第四章：防雷保护计算 4.1 220KV侧避雷器校验

对于110KV及以上的中性点有效接地系统，灭弧电压取系统最大工作线电压的80%，即 80%×220=176KV≤200KV 因此所选避雷器满足要求

工频放电电压的下限应高于系统可能出现的大多数内过电压值，110KV及以上系统取3.0倍相电压，即

3.0×220/3=381.05KV≤448KV 因此所选避雷器满足要求

4.2 110KV侧避雷器校验

对于110KV及以上的中性点有效接地系统，灭弧电压取系统最大工作线电压的80%，即 80%×110=88KV≤100KV 因此所选避雷器满足要求

工频放电电压的下限应高于系统可能出现的大多数内过电压值，110KV及以上系统取3.0倍相电压，即

3.0×110/3=190.53KV≤224KV 因此所选避雷器满足要求

4.3 35KV侧避雷器校验

对于35KV及以下的中性点不接地系统和经消弧线圈接地的系统，灭弧电压分别取系统最大工作线电压的110%和100%，即

100%×220=35KV≤41KV 因此所选避雷器满足要求

工频放电电压的下限应高于系统可能出现的大多数内过电压值，35KV及以下系统取3.5倍相电压，即

3.0×35/3=70.73KV≤84KV 因此所选避雷器满足要求

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 39 页

附录

参考资料

1.发电厂电气部分/熊信银 主编. —4版. —北京：中国电力出版社，2009

2.高电压技术/杨保初，刘晓波，戴玉松编著. —2版. —重庆：重庆大学出版社，2012.1 3.工厂供电/刘介才 编. —5版. —北京：机械工业出版社，2009.12 4.电力系统基础/杨以涵 主编. —2版. —北京：中国电力出版社，2007 5.电力工程电气设备手册：电气一次部分/电力工业部西北电力设计院编 —北京：中国电力 出版社，1998

220KV变电站（所）电气一次部分设计书 第 40 页

5.7.2 本变电站的选择结果

5.7.2.1 220KV母线导体选择 型号 LGJ-120/20 5.7.2.2 110KV母线导体选择 型号 LGJ-210/10

5.7.2.3 35KV母线选择

63mm×6.3mm的矩形铝导线

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 19 页

直流电阻Ω·km 0.2496 计算拉断力N 41000 直流电阻Ω·km 0.1411 计算拉断力N 45140 第六章：防雷及过电压保护装置设计 6.1 概述

变电站是多条线路的交汇点和电力系统的枢纽。如果发生雷击事故，将造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活，因此变电所的防雷保护必须是十分可靠的。变电站遭受雷害可能来自两个方面：雷直击于变电站；雷击线路，沿线路向变电站入侵的雷电波。

据统计，我国35KV和110~220KV变电所由入侵雷电波而引起的事故率分别为0.67次/百所·年和0.5次/百所·年，直配电机的雷击损坏率约为1.25次/百台·年。

根据任务书可知，本变电站所属地区年平均雷电日45日/年，属于多雷区，土壤电阻率高达800Ω.M，因此本变站的防雷措施应着重考虑。

6.2 变电站直击雷防护

为了防止雷直击于变电站，可以装设避雷针，应该使所有设备都处于避雷针保护范围之内，此外，还应采取措施，防止雷击避雷针时的反击事故。

按照安装方式的不同，可将避雷针分为独立避雷针和装在配电装置架构上的避雷针（简称构架避雷针）两类。从经济观点出发希望采用构架避雷针，因为它既能节省支座的钢材，又能省去专用的接地装置（但必须满足构架避雷针的接地装置与变电站的接地网的连接点离主变压器接地装置与变电站的接地网的连接点之间的距离不应小于15m，目的在于防止主变压器被反击，由于变压器的绝缘较弱又是变电站中最重要的设备，故在变压器门型构架上不应专设避雷针），对于35KV及以下变电站宜专设独立避雷针，独立避雷针有自己专用的支座和接地装置，其接地电阻一般不超过10Ω。

我国规程规定：

（1）110KV及以上的配电装置，一般将避雷针装在构架上。但在土壤电阻率ρ〉1000Ω.M的地区，仍宜装设独立避雷针，以免发生反击；

（2）35KV及以下的配电装置应采用独立避雷针来保护；

（3）60KV的配电装置，在ρ〉500Ω.M的地区宜采用独立避雷针，在ρ〈500Ω.M的地区容许采用构架避雷针。

根据规程和兼顾经济性，本变电站的避雷针也将装设在门型构架上。

6.3 入侵波过电压防护

6.3.1 概述及一般原则

变电所内装设阀型避雷器是对入侵雷过电压波进行防护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。入侵波到达变压器处，在避雷器动作前末端开路，电压上升一倍，在具有正常防雷接线的110KV~220KV变电站中，流经避雷器的雷电流一般不超过5KA，故残压的最大值取5KA下的数值；在一般情况下，避雷器的冲击放电电压与5KA的残压基本相同。

由于避雷器直接接在主变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器上电压相同，若变压器的冲击耐压大于避雷器的冲击放电电压和5KA下的残压，则变压器将得到可靠的保护。

变电所中有很多设备，我们不可能在每个设备旁都装设一组避雷器，一般只在变电站母线上装设避雷器，由于变压器是最重要的设备，因此，避雷器应尽量靠近变压器。

对一般变电站的入侵雷电波防护设计主要是选择避雷器的安装位置，其原则是在任何可能的运行方式下，变电站的变压器和各设备距避雷器的电气距离皆应小于最大允许电气距离，若一组避雷器不能满足要求，则应考虑增设。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 20 页

6.3.2 本变电站的选择结果

6.3.2.1 220KV母线侧避雷器 型号 FZ-220J 额定电压有效值KV 220 灭弧电压KV 200 工频放电电压有效值KV 干燥 448 淋雨 536 冲击放电电压KV 630 冲击残压KV 664 6.3.2.2 110KV母线侧避雷器 型号 FZ-110J 额定电压有效值KV 110 灭弧电压KV 100 工频放电电压有效值KV 干燥 224 淋雨 268 冲击放电电压KV 310 冲击残压KV 332 6.3.2.3 35KV母线侧避雷器 型号 FZ-35 额定电压有效值KV 35 灭弧电压KV 41 工频放电电压有效值KV 干燥 84 淋雨 104 冲击放电电压KV 134 冲击残压KV 134 6.4 进线段保护

6.4.1 概述及一般原则

进线段保护是指在临近变电所1~2km的一段线路上加强防雷保护措施。当线路全线无避

o

雷线时，在1~2km线路上架设避雷线，保护角取20，使此段线路有较高的耐雷水平并减少由于绕击和反击的概率。这样进入变电站内的侵入波由于线路波阻抗及冲击电晕的作用使通过避雷器雷电流的赋值和陡度都有所降低。

6.4.2 本变电站的选择结果

本变电站由于系统作无穷大电源考虑，因此假设进线段已经全线装设避雷线，因此进线段保护选取35KV及以上变电站的进线保护典型接线，如下图所示：

FZ GB

其中阀型避雷器的技术参数如下表： 型号 FZ-220J

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 21 页

额定电压有效值KV 220 灭弧电压KV 200 工频放电电压有效值KV 干燥 448 淋雨 536 冲击放电电压KV 630 冲击残压KV 664 6.5 三绕组变压器和变压器中性点的防雷保护

6.5.1 三绕组变压器的防雷保护

当三绕组变压器的高压侧或中压侧有雷电过电压波来袭时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，其低压绕组上会出现一定的过电压最不利的情况是低压绕组处于开路状态，这时静电感应分量可能很大而危机绝缘，考虑到这一分量将使低压绕组的三相导线电位同时升高，所以只要在任一相低压绕组出线端加装一只该电压等级的阀型避雷器，就能保护好三相低压绕组。中压绕组虽然也有开路运行的可能，但其绝缘水平较高，一般不需加装避雷器来保护。

6.5.2 变压器中性点的保护

中性点绝缘水平可分为全绝缘和分级绝缘两种。凡中性点绝缘与相线端的绝缘水平相等，叫全绝缘。如果中心点绝缘低于相线端绝缘水平，叫分级绝缘。一般在110KV及以上时，大多变压器中性点是分级绝缘的。

我国110KV及以上电网的中性点一般是直接接地的，但为了继电保护的需要，其中一部分变压器中性点是不接地的，如中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点加装避雷器，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。如果变压器的中性点是全绝缘的，但变电站为单线且为单台变压器运行，也应在中性点加装避雷器。这些保护装置应同时满足下列条件：

（1）其冲击放电电压应低于中性点冲击绝缘水平；

（2）避雷器的灭弧电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的稳态值，以免避雷器爆炸。

（3）保护间隙的放电电压应大于电网一相接地而引起的中性点电位升高的暂态最大值，以免继电保护不能正确动作。

综合上述考虑，对于本变电站采用的主变压器的中性点绝缘水平为35KV级，因此采用FZ-40型避雷器，其具体参数如下表所示： 型号 FZ-40

额定电压有效值KV 40 灭弧电压KV 47 工频放电电压有效值KV 干燥 95 淋雨 118 冲击放电电压KV 151 冲击残压KV 151 6.6 接地装置设计

电气设备的接地，按其目的的不同，分为保护接地、工作接地和防雷接地。 （1）保护接地

为保证人身安全，无论是发、配电还是用电系统中都将电气设备的金属外壳接地，以保证金属外壳经常固定为地电位。人所站立的地点与接地设备之间的地位差称为接触电压，人的两脚着地点之间的电位差称为跨步电压。减少接地电阻或改进接地装置的结构形状可以降低接触电位和跨步电位，通常要求此两电位不超过

250V（t为作用时间，s） t（2）工作接地

工作接地是根据电力系统正常运行方式的需要而设置的接地，在工频对地短路时，要求流过接地网的短路电流I在接地网上造成的电位不致太大，在中性点直接接地中，要求

IR ≤ 2000V

如I >4000A时，可取R ≤ 0.5Ω，在大地电阻率太高，按R ≤ 0.5Ω的条件在技术经济上极不合理，允许将R值提高到R ≤ 5Ω，但在这种情况下，必须验证人身的安全。

由于本变电站的土壤电阻率高达800Ω·M，因此选择将R值提高到R ≤ 5Ω。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 22 页

（3）防雷接地

这时针对防雷保护的需要而设置的，目的是减少雷电流通过接地装置的地电位升高。变电站内必须要有良好的接地装置以满足工作、安全和防雷保护的接地要求。一般的做法是根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网，然后再避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷接地的要求。

接地网的总接地电阻可按下式估算：

R =

0.44?????0.5? LSS2

式中L是接地体（包括水平与垂直）总长度（m），S是接地网的总面积（m）。

变电站工频接地电阻的数值一般在0.5~5Ω。

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 23 页

变电站（所）电气一次部分设计

第二部分

设计计算书 220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 24 页

第一章：负荷计算 1.1 主变负荷计算

110KV侧负荷计算 P1?7000KW

Q1?7000?1?0.920.9?3390.25Kvar2?Q1???S1?70002?3390.252?U??X1??15?0.5?37.50KN?1000?1102var P2?6300?2?12600KW

Q2?12600?1?0.8820.88?6800.76Kvar

2?Q2???S2??U??X2?126002?6800.762?7?2N?1000?1102?0.5?118.60Kvar P3?3000KW

3?3000?1?0.92Q0.9?1452.97Kvar

2?Q3???S3?30002?1452.972?U??X3??10?0.5?4.59KvarN?1000?1102 P?110?P1?P2?P3?22600KW

Q?110?Q1?Q2?Q3??Q1??Q2??Q3?11804.67Kvar

S?110?Q?1102?P?1102?25497.26KVA

35KV侧负荷计算

P4?1000?3?3000KW

Q4?3000?1?0.920.9?1452.97Kvar

2?Q??S44???U??X4?30002?1452.972?5?3?0.5?68.03KvarN?1000?352 P5?1000KW

5?1000?1?0.882Q0.88?539.74Kvar

220KV变电站（所）电气一次部分设计书第 25 页

10002?539.742?S5??Q5????X5??4?0.5?2.11Kvar 2UN1000?35??P6?700KW

21?0.92Q6?700??339.03Kvar

0.97002?339.032?S6??Q6????X6??5?0.5?1.23Kvar 2UN1000?35??P7?1000?2?2000KW

21?0.892Q7?2000??1024.63Kvar

0.8920002?1024.632?S7??Q7????X7??10?2?0.5?41.22Kvar 2UN1000?35??P8?800?2?1600KW

21?0.92Q8?1600??774.92Kvar

0.916002?774.922?S8??Q8????X8??2?2?0.5?41.22Kvar 2UN1000?35??P?35?P4?P5?P6?P7?P8?8300KW

2Q?35?Q4?Q5?Q6?Q7?Q8??Q4??Q5??Q6??Q7??Q8?4249.04Kvar

S?35?Q?352?P?352?9324.39KVA S??S?110?S?35?34821.65KVA

1.2 站用变负荷计算

站用负荷为全部负荷的0.5%计算

S站?0.5%S??174.12KVA

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 26 页

第二章：短路电流计算 2.1 短路电流的计算步骤

（1）计算各元件电抗标幺值，并折算为同一基准容量下； （2）绘制系统等值网络图； （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，并计算短路电流标幺值、有名值；

（5）计算短路容量，短路电流冲击值； （6）列出短路电流计算结果。

2.2 基准值

电压基准值Ub/KV 220KV侧 230 110KV侧 115 35KV侧 37 380V侧 0.4 容量基准值Sb/MVA 100 2.3 各元件阻抗计算

2.3.1 系统进线的阻抗标幺值计算

Sb100X1?X2?X3?X1?2?50?0.5??0.047 Ub23022.3.2 变压器各绕组等值阻抗标幺值计算

根据变压器型号可知变压器的阻抗电压百分比如下表所示

阻抗电压% 高-中 8.2 高-低 31 中-低 21 即VS(1?2)%?8.2 VS(1?3)%?31 VS1%?0.5?VS(1?2)%?VS(1?3)%?VS(2?3)%??0.5?(8.2?31?21)?9.1 VS2%?0.5?VS(1?2)%?VS(2?3)%?VS(1?3)%??0.5?(8.2?21?31)??0.9 VS3%?0.5?VS(1?3)%?VS(2?3)%?VS(1?2)%??0.5?(31?21?8.2)?21.9

X4?X5?VS1%Sb9.1100????0.20 100SN10045VS2%Sb?0.9100X6?X7??????0.02

100SN10045VS3%Sb21.9100X8?X9?????0.49

100SN10045Vd%Sb6.5100????20.63 100SN1000.315查表可知站用变压器的阻抗电压百分比Vd%=6.5

X9?X10?

220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 27 页

2.4 系统等值网络图

d4 380V X X 1011d3 d2 35KV X6 X7 X8 X9 X4 X5 d1 220KV X1 X2 X3

2.5 各短路点短路电流计算

2.5.1 d1点短路电流计算

Ids1?Ids2?Ids3?1X?21.28

1短路电流标幺值：Id1?3?Ids1?63.83

短路电流有效值：Id1(3)?Id1Sb3U?16.02KA b短路电流最大有效值：Ish1?1.5Id1(3)?24.19KA

短路电流冲击值：ish1?2.55Id1（3）?40.86KA

短路容量：S1?SbX?6382.98MVA ? 220KV变电站（所）电气一次部分设计书

第 28 页110KV

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c0rf.html