220KV变电所电气部分及继电保护设计

湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文) 诚 信 承 诺 书 本人慎重承诺和声明：所撰写的《220kV变电站电气部分及继电保护的设计》是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。 设计(论文)的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日

毕业设计（论文）任务书

题目： 220kV变电站电气部分及继电保护的设计 一、基本任务及要求：

1）依据原始资料设计220kV变电所的一次电气部分，包括主接线方案确定及电气设备

的选型与校验；采用博超软件给出220kV变电所的一次接线图；

2）短路电流计算；采用博超软件给出短路电流计算书； 3）变电所及与之相连络部分接线继电保护的配置及整定；采用博超软件给出变电所及 与之相连络部分接线继电保护的配置图；

4) 撰写设计报告

二、进度安排及完成时间：

1、 1月1日----1月8日 下达任务书，查阅资料 、撰写文献综述 2、 2月 27日---3月4日 查阅资料、撰写文献综述和开题报告并交电子文档 3、 3月5日----3月20日 毕业实习、撰写实习报告 4、 3月20日----5 月20日 毕业设计 5、 5月 20日----5月30日 撰写毕业设计论文 6、 5月31号——6月9号 指导教师评阅、电子文档上传FTP 7、 6月10号——6月12 号 毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）

湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文） 目 录

摘 要 .............................................................. I ABSTRACT ........................................................... II 第1章 绪 论 ....................................................... 1 1.1 现代电网的主要特征 ............................................ 1 1.2 现代电网运行状态 .............................................. 2 1.3 现代电网发展趋势 .............................................. 2 第2章 电气主接线的设计 ............................................. 3 2.1 概述 .......................................................... 3 2.2 主接线设计原则 ................................................ 3 2.2.1主接线的设计依据 ........................................... 3 2.2.2主接线设计的基本要求 ....................................... 3 2.3 基本接线设计 .................................................. 4 2.3.1 单母线接线 ................................................ 4 2.3.2 单母线分段接线 ............................................ 4 2.3.3 单母线分段带旁路母线的接线 ................................ 5 2.3.4双母线接线 ................................................. 5 2.3.5 双母线分段接线 ............................................ 5 2.3.6 双母线带旁路母线的接线 .................................... 5 2.4 主接线选择 .................................................... 6 2.5 主变压器的选择 ................................................ 8 2.5.1主变压器台数的选择 ......................................... 8 2.5.2主变压器容量的选择 ......................................... 8 2.5.3 主变压器型式的选择 ........................................ 9 2.5.4 主变压器的选择结果 ........................................ 9 第3章 220KV变电所电气部分短路计算 ................................ 11 3.1短路电流的计算条件 ........................................... 11

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 3.2 电路元件参数计算 ............................................. 11 3.3 10KV侧短路计算 ............................................... 12 3.4 220KV侧短路计算 .............................................. 16 3.5 110KV侧短路计算 .............................................. 17 3.6 短路计算结果 ................................................. 18 第4章 所用电气设备选择 ............................................ 19 4.1 电气设备选择的一般要求 ....................................... 19 4.1.1 一般原则 ................................................. 19 4.2 断路器的选择 ................................................. 21 4.2.1 变压器220kV侧断路器的选择 ............................... 22 4.2.2 变压器110kV侧断路器的选择 ............................... 24 4.2.3 变压器10kV限流电抗器、断路器的选择 ...................... 26 4.3 隔离开关的选择 ............................................... 30 4.3.1 变压器220kV侧隔离开关的选择 ............................. 30 4.3.2 变压器110kV侧隔离开关的选择 ............................. 31 4.3.3 变压器10kV侧隔离开关的选择 .............................. 33 4.4 电流互感器的选择 ............................................. 34 4.4.1电流互感器 ................................................ 34 4.4.2 220kV侧电流互感器的选择 .................................. 35 4.4.3 110kV侧电流互感器的选择 .................................. 37 4.4.4 10kV侧电流互感器的选择 ................................... 38 4.5 电压互感器的选择 ............................................. 39 4.5.1电压互感器的选择和配置应按下列条件： ...................... 39 4.5.2 220kV侧母线电压互感器的选择 .............................. 40 4.5.3 110kV侧母线电压互感器的选择 .............................. 40 4.5.4 10kV母线设备电压互感器的选择 ............................. 41 4.6 母线的选择与校验 ............................................. 41 4.6.1 母线 ..................................................... 41 4.6.2 220kV母线的选择与校验 .................................... 44 4.6.3 110kV母线选择和校验 ...................................... 45 4.6.4 10kV母线选择和校验 ....................................... 46

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湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文） 4.7 高压电器选择结果 ............................................. 48 第5章 防雷接地设计 ................................................ 49 5.1 防雷设计 ..................................................... 49 5.1.1 防雷设计原则 ............................................. 49 5.1.2 避雷器的选择 ............................................. 50 5.1.3 220kV侧避雷器的选择和校验 ................................ 50 5.1.4 110kV侧避雷器的选择和校验 ................................ 51 5.1.5 10kV侧避雷器的选择和校验 ................................. 52 5.1.6避雷针的配置 .............................................. 53 5.2 接地设计 ..................................................... 54 5.2.1接地设计原则 .............................................. 54 5.2.2 接地网型式选择及优劣分析 ................................. 55 第6章 电气总平面布置及配电装置的选择 .............................. 56 6.1概述 ......................................................... 56 6.1.1配电装置特点 .............................................. 56 6.1.2配电装置类型及应用 ........................................ 56 6.2 配电装置的确定 ............................................... 57 6.3 电气总平面布置 ............................................... 59 6.3.1 电气总平面布置的要求 ..................................... 59 6.3.2 电气总平面布置 ........................................... 59 第7章 继电保护的配备 .............................................. 61 7.1 继电保护的概述 ............................................... 61 7.1.1 继电保护的作用 ........................................... 61 7.1.2 继电保护装置满足的基本要求 ............................... 62 7.2 变电所继电保护原理 ........................................... 63 7.2.1 变压器保护原理 ........................................... 63 7.2.2 线路保护 ................................................. 64 7.3 变电所继电保护 ............................................... 64 7.3.1 继电保护整定公式 ......................................... 64 7.3.2 变压器保护 ............................................... 65

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 结束语 ............................................................. 67 参考文献 ........................................................... 68 致 谢 ............................................. 错误！未定义书签。 附 图：220kV电气主接线图

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湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文） 220kV变电站电气部分及继电保护的设计

摘要：变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行交换、集中和分配的场所，它担负着电力系统受电，经过变压，然后配电的任务。显然，变电所是供电系统的枢纽，在供电系统中占有重要的地位。

此毕业设计的目的是让我巩固在大学里所学的只是，从而让我有一个系统的了解和掌握。首先对原始资料进行分析，选择主变压器，在此基础上进行主接线设计，再进行短路计算，选择设备，然后进行防雷接地以及保护、配电装置设计。

关键字：变电站，电气主接线，电器设备

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 Design on electrical and relay protection of 220kV

substation

Abstract: A substation is a site in the electric system where electric voltage and current are commutated, centralized and distributed. It bears the task of reception, voltage transformation and distribution of electricity. Evidently, it is one of the hinges and plays an important part in the power supply system.

The goal of the substation be designed to graduate design issues is aimed at consolidating the knowledge I have learned in university, let me have a more comprehensive and systematic master. First of all, analyze the original data and choose the main transformer, based on it, design the main wiring and short circuit calculation, at last choose equipment, then mine and the protection of earth and distribution device.

Key Word: substation, electric main wiring, electric equipment

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第1章 绪 论

现代工农业生产和人民生活的各个方面都广泛应用电能。发电厂把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他能量。这些生产、输送、分配和消费电能的各种的各种电气设备以及相应的专用通信、安全自动、继电保护、调度自动化等设施连接在一起而组成的整体，称为电力系统。电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网，它包括升降压变压器和各种电压的输配电线路。

1.1 现代电网的主要特征

现代电网具有一个坚强的500KV及以上电压等级网络构成的主网架。由于发电机组 的容量愈来愈大，传输距离愈来愈远，电力网覆盖的区域愈来愈光，输电的电压等级也愈来愈高。随着新技术，特别是空间技术的发展，超导和陶瓷材料的问世，交流输电距离已可增加到2500KM，超高压直流输电距离已可增加到6500KM。电压等级也已由500KV向更高发展。

各电网之间也有较强的联系，而且这种联系愈来愈紧密。通过实践，人们认识到，从充分发挥现代大电网的优越性，充分合理利用资源，提高现代电网运行的经济性，实现事故状态下互相支援的要求看，强联系比弱联系有更大的优越性。为了克服强联系带来的事故状态下可能波及另一电网的弱点，目前世界上应用超高压直流输电网络将大电网之间背靠背地连接起来的做法，已经得到了迅速的发展。

电压等级简化和供电电压提高。为了便于设备生产、管理和提高电网运行的经济性，减少变压次数，各国正在进行电压等级的整顿、简化和统一。最近投产的岩滩水电厂就只有15.75、500KV两个电压等级。随着城市用电量的增长，城市中高层建筑的增多，负荷密度的增高，城市供电电压有10KV升高的趋势。

维确保现代电网的安全、稳定、优质、经济运行，提高供电可靠性，配置了一整套与一次系统相适应的安全稳定的控制系统，一电子计算机为核心的调度自动化监控系统，电力专用通信系统，气象、水文、雷电监测系统。这些系统是构成现代电网不可分割的重压组成部分。

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 1.2 现代电网运行状态

当电力系统中的各种发电、变电、输电、配电及用电设备之间的相互连接情况已经 确定时，电力系统的运行状态是由一些运行变量的变化规律来描述的。这些运行变量包括有功功率、无功功率、频率、电压、电流、磁链、电动势及发电机转子间的相对位移角。电力系统的运行状态一般可分为稳态和暂态。实际上，由于电力系统存在各种随机扰动因素，绝对的稳态是不存在的，在电力系统运行的某一段时间内，如果运行蚕食只在某一恒定的平均值附近发生微小的变化我们就称这种状态为稳态。电力系统暂态一般是指从一种运行状态变到另一种运行状态的过渡过程。在暂态中，所有运行参数都发生变化，有些则发生剧烈变化。此外，运行参数发生震荡的运行状态，也是一种暂态。

1.3 现代电网发展趋势

随着电力工业建设规模的扩大，坑口火电厂或大型水电厂的建设，必然会打破历史形成的地方电力系统的疆域，逐渐练成大区域或跨区域的现代电网，也只有依靠现代电网才能把诸如水利、煤炭、石油、天然气、核能等一次能源转化为电能，并把它们有效地联系在一起，通过长距离输送，进行分配，互相支援，彼此配合，取得最大的经济效益。现代电网的另一个发展趋势是大机组不断增多。为降低火电厂的投资减少运行费用，提高经济效益，首先是增肌单机容量。一般而言，设备投资增长速度比设备容量慢，这是由于设备制造黑色和有色金属消耗量随单机容量增加而减少。现代电网的第三个发展趋势是自动化程度越来愈高。电网调度自动化系统是近30年发展起来的。这个刺痛的范围和功能还在不断发展。为了进一步提高现代电网的稳定性已经使用了低频减载、振荡切机、振荡解列、远方切机或切复符合、电器制动、气机气门快关系统稳定等装置。

根据设计要求的任务，在本次设计中主要通过变电站电气主接线、短路电流计算、设备选择与校验、主变保护和配电装置部分的设计，使我对三年来所学的知识更进一步的巩固和加强，并从中获得一些较为实际的工作经验。由于在设计中查阅了大量的相关资料，所以开始逐步掌握了查阅，运用资料的能力，又可以总结三年来所学的电力工业的部分相关知识，为我们日后的工作打下了坚实的基础。

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第2章 电气主接线的设计

2.1 概述

电气主接线是发电厂、变电所电气设计的首要部分，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发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案。

2.2 主接线设计原则

2.2.1主接线的设计依据

电力系统中的变电所有系统枢纽变电所、地区重要变电所和一般变电所三种类型。一般系统枢纽变电所汇集多个大电源，进行系统功率交换和以中压供电，电压为330~500kV；地区重要变电所，电压为220~330kV；一般变电所多为终端和分支变电所，电压为110kV，但也有220kV。

变电所根据5~10年电力系统发展规划进行设计。一般装设两台主变压器；当技术经济比较合理时，330~500kV枢纽变电所也可装设3~4台主变压器；终端或分支变压所如只有一个电源时，可只装设一台主变压器。

2.2.2主接线设计的基本要求

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

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 2.3 基本接线设计

2.3.1 单母线接线

单母线接线供电电源在变电站是变电器或高压进线回路。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。个出现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线上，以减少功率在母线上的传输。

单母线的优点：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，也就成了全厂或全站长期停电。2）调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路发生短路时，有较大的短路电流。

使用范围：一般只适用于一台发电机或一台主变器的一下三种情况： 1）6~10kV配电装置的出线回路数不超过5回； 2）35~63kV配电装置的出线回路数不超过3回； 3）110~220kV配电装置的出线回路数不超过2回。

2.3.2 单母线分段接线

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线路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器自动将用户停电；两分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，任一母线故障时，将造成两端母线同时停电，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现供电，大大增加了出现数目，使整体母线系统可靠性受到限制，所以在重要负荷的出线回路较多、供电容量较大时，一般不予采用。

使用范围：

1）6~10kV配电装置出线回路数为6回及以上时； 2）35~63kV配电装置出线回路数为4~8回时； 3）110~220kV配电装置出线回路数为3~4回时。

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2.3.3 单母线分段带旁路母线的接线

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

2.3.4双母线接线

母线接线有两种母线，并且可以互为备用。每个电源和出现回路，都装有一台短路器，有两组母线隔离开关，可分别于两组母线接线连接。两组母线之间的联络，通过母线联络断路器来实现。其优点：供电可靠、调度灵活、扩建方便等特点。缺点：1）增加一组母线和使每回路就需要增加一组母线隔离开关；2）当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电气，容易误操作。为了避免隔离开关误操作，需要在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。

适用范围：1）6~10kV配电装置，当短路电流较大、出线需要带电抗器时； 2）35~63kV配电装置，当出线回路数超过8回时，或连接的电源较多、负荷较大时； 3）110~220kV配电装置出线回路数为5回及以上时，或当110~220kV配电装置，在系统中具重要地位，出线回路数在4回及以上时。

2.3.5 双母线分段接线

为了缩小母线故障的停电范围，可采用双母线分段接线，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线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。双母线分段接线比双母线接线的可靠性更高，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，该段母线所连的出现回路停电；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，而不必短期停电。

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大容量配置装置中，不仅采用双母线分段接线，也有采用双母线分四段接线的。

2.3.6 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，是该回路不致停电。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

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 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。

2.4 主接线选择

根据原始资料的分析现列出两种主接线方案。

方案一：220kV侧双母接线，110kV侧双母接线、10kV侧单母分段接线。 220kV出线数为4回，由于220kV配电装置在系统中居重要位置，所以选择回路线为4回。且具备供电可靠、调度灵活、扩建方便等特点。

110kV出线5回，110kV侧有两回出线供给远方大型冶炼厂，其容量为60000kVA，其他作为一些地区变电所进线，其最小负荷和最大负荷之比为0.6。根据条件选择双母接线方式。

10kV出线12回（其中备用2回），10kV侧总负荷为50000kVA，Ⅰ、Ⅱ类用户占70%，最大一回出线负荷为5000kVA，最大负荷与最小负荷之比为0.65。选择单母分段接线方式。

方案一主接线图如下：

图2-1 主接线方案一

方案二：220kV侧双母带旁路接线，110kV侧双母接线、10kV侧单母分段接线。 220kV出线4回（其中备用2回），而由于本回路为重要负荷停电对其影响很大，因而选用双母带旁路接线方式。双母线带旁路母线，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

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的。

方案二主接线图如下：

图2-2 主接线方案二

现对两种方案比较如下：

表2-1 主接线方案比较表

方案 项目 可靠性 1）220kV接线简单，设备本身故1）可靠性较高； 障率少； 2）有两台主变压器工作，保证了在变2）220kV故障时，停电时间较长。 压器检修或故障时，不致使该侧不停电，提高了可靠性。 1）220kV运行方式相对简单，灵1）各电压级接线方式灵活性都好； 活性差； 2）220kV电压级接线易于扩建和实现2）各种电压级接线都便于扩建和自动化。 发展。 设备相对少，投资小。 经济性 1）设备相对多，投资较大； 2）母线采用双母线带旁路，占地面增加。 方案一：220kV侧双母接线，110kV侧双母接线、10kV侧单母分段接线。 方案二、220kV侧双母带旁路接线，110kV侧双母接线、10kV侧单母分段接线。 灵活性 通过对两种主接线可靠性，灵活性和经济性的综合考虑，辨证统一，现确定第二方

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 案为设计最终方案。

2.5 主变压器的选择

在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本所（厂）用的变压器，称为站（所）用变压器或自用变压器。本章是对变电站主变压器的选择。

2.5.1主变压器台数的选择

变电所主变压器台数设为一台时，其适用范围：1）供总计算负荷不大于1250kVA

的三级负荷变电所；2）变电所另有低压联络线或有其他备用电源，而总计算负荷不大于1250kVA的含有部分一、二级负荷的变电所。

当变压器台数为两台时，其使用范围：1）供含有大量一、二级负荷的变电所；2）

供总计算负荷大于1250kVA的三级负荷变电所；3）季节性负荷变化比较大，从技术经济上考虑经济运行有利的三级负荷变电所。

而对于地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，在设计时应考虑装设3台

主变压器的可能性。

2.5.2主变压器容量的选择

变压器台数为一台时，主变压器容量选择条件为

SN?T?S30 （2-1）

式中，SN?T—单台变压器容量，S30—变电所总的计算负荷。

变电所为2台主变压器时，根据变电所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，应当考虑一台主变压器停运时，其余变压器容量在计其过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%~80%。故主变压器容量的选择条件为

?SN?T?0.7S30SN?T?S30?????? （2-2）

式中，S30??????—变电所的一、二级负荷计算负荷。

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2.5.3 主变压器型式的选择

2.5.3.1 相数的选择

主变压器采用三相或是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求以及运输条

件等因素。特别是大型变压器，尤其需要考查其运输可能性，保证运输尺寸不超过隧洞、涵洞、桥洞的允许通过限额，运输重量不超过桥梁、车辆、船舶等运输工具的允许承载能力。

选择主变压器的相数，需要考虑如下原则：

（1）当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂和变电站，均应选用三相变压器。

（2）当发电厂与系统连接的电压为500kV时，已经技术经济比较后，确定选用三相变压器、两台50%容量三相变压器或单相变压器组。对于单机容量为300MW、并直接升到500kV的，宜选用三相变压器。

（3）对于500kV变电所，除需考虑运输条件外，尚应根据所供负荷和系统情况，分析一台（或一组）变压器故障或停电检修时对系统的影响。尤其在建所初期，若主变压器为一组时，当一台单相变压器故障，会使整组变压器退出，造成全网停电；如用总容量相同的多台三相变压器，则不会造成所停电。为此要经过经济论证，来确定选用单相变压器还是三相变压器。

2.5.3.2 绕组数量和连接方式的选择

具有三种电压等级的变电所，如各侧的功率均达到主变压器额定容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但需要装设无功补偿设备时，主变压器一般选用三绕组变压器。

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丫和△，高、中、低三侧绕组如何结合要根据具体工作来确定。我国110kV及以上电压，变压器绕组多采用丫连接；10kV亦采用丫连接，其中性点多通过消弧线圈接地。10kV以下电压，变压器绕组多采用△连接。由于10kV采用丫连接方式，与220、110系统的线电压相位角为0，这样当变压变比为220/110/10kV，高、中压为自耦连接时，否则就不能与现有10kV系统并网。因而就出现所谓三个或两个绕组全星接线的变压器，全国投运这类变压器约40～50台。

2.5.4 主变压器的选择结果

根据原始资料，本所安装2台120MVA主变压器，查《电力工程电气设备手册：电气

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220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 一次部分》，选定变压器的容量为120MVA。

由于升压变压器有两个电压等级，所以这里选择三绕组变压器，查《大型变压器技术数据》选定主变型号为：SFPS7-12000/220。

主要技术参数如下： 额定容量：120000（kVA）

额定电压：高压—220±2×2.5% ；中压—121； 低压—10.5（kV） 连接组标号：YN/yn0/d11 空载损耗：129(KW)

阻抗电压（%）：高中：14.0；中低：7.0；高低：23.0 空载电流（%）：0.7

所以一次性选择两台SFPS7-120000/220型变压器为主变。

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第3章 220kV变电所电气部分短路计算

3.1短路电流的计算条件

短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则： 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）系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机的磁饱和、磁滞、涡流及导体肌肤效应等影响。转子结构完全对称。定子三相绕组空间位置相差120°电气角度；

4）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁心的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；

5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；

6）同步电机都有自动调整励磁装置（包括强行励磁）； 7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间； 8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；

10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围； 11）输出线路的电容略去不计；

12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。

3.2 电路元件参数计算

系统阻抗：220kV侧电源近似为无穷大系统，归算至本所220kV母线侧阻抗为0.021（Sj=100MVA）,110kV侧电源容量为800MVA，归算至本所110kV母线侧阻抗为0.12（Sj=100MVA）。变压器型号为SFPS7—120000/220。

SN=120MVA其中高中、高低、中低阻抗电压（%）分别为14，23，7.2。简化图如下图所示：

11

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计

图3-1 系统图的等值电路

变压器各绕组电抗标幺值：

11Us?1?2?%?Us?3?1?%?Us?2?3?%??14?23?7.2??14.92211Us1%?Us?1?2?%?Us?2?3?%?Us?3?1?%??14?7.2?23???0.9

2211Us1%?Us?3?1?%?Us?2?3?%?Us?1?2?%??23?7.2?14??8.122Us1%???????设基准容量SB=100MVA，UB?UAV

XT1??XT2??XT3??Us1%SB14.9100????0.124100SN100120Us2%SB?0.9100?????0.008 100SN100120Us3%SB8.1100????0.068100SN1001203.3 10kV侧短路计算

f(3)-1短路时, 示意图如下：

12

湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）

图3-2 f-1短路的等值电路图

(3)

X?X?1?X??XT1??XT2??T1T22?XT3??'1?X'2?1???XT2??XT3?2???1????0.124?0.008?0.124???0.008????0.051?2?0.068??XT2?XT3??1?????0.008?0.068?0.068???0.008?????0.028 XT1??20.124????????1?0.124?0.068???0.124?0.068???0.431????0.008??2?XT1?XT3?1?'?X3?X?X??T1?T3?2?XT2??三角形变星形：

X1??X2??X3??其等效图形如下所示：

'X1'?X3?''X1'??X2??X?3''X2?X?3''X1'??X2??X?3''X2?X?1''X1'??X2??X?3???0.051???0.431??0.0630.051?0.028???0.431?0.028???0.431??0.034 0.051?0.028???0.431?0.028?0.051??0.0040.051?0.028???0.431? 13

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计

图3-3 f-1短路的等值电路图

(3)

再次简化，因为X1??0.063,XAS??0.021,XBS??0.12,所以：

XA??XAS??X1??0.021?0.063?0.084 XB??XBS??X3??0.12?0.004?0.116

XC??X2??0.023

其示意图如下：

AXAS*0.021XB*0.116XC*0.034f-1BC

图3-4 f-1短路的等值电路图

(3)

再做三角形变换：

14

湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）

XAF??XA??XC??XBF??XB??XC??XA?XC?XB?XB?XC?XA?0.084?0.034?0.1430.116

0.116?0.034?0.116?0.034??0.1970.084?0.084?0.034?示意图如下：

图3-5 f-1短路的等值电路图

(3)

计算电抗：

XjsB?XBF??SNi800?0.197??1.576 SB100式中，SNi—各电源合并总的额定容量/MVA,查《电力工程电气设计手册：电气一次部分》图4-8汽轮发电机运算曲线，得0秒时标幺值为IB0??0.67,因为电源为无穷大系统所以提供的短路电流为：

IP??所以短路电流有名值为：

IF0?0.67?1XAF??1?6.99 0.143800100?6.99??67.907

3?10.53?10.5冲击电流：ish?2.55?69.907?152.791(KA) 短路容量：Sk?3?10.5?69.907?1271.366(MVA)

15

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 3.4 220kV侧短路计算

f(3)-2短路时，示意图如下图所示。

AXAS*0.021220KVXT1*0.124XT1*0.124XT2*0.008XT2*0.008110KVXBS*0.12B

图3-6 f-2短路的等值电路图

(3)

将其化简：XT??11?XT1??XT2????0.124?0.006??0.058，其等效示意图如下： 22

图3-7 f-2 短路的等值电路图

(3)

令XB??XT??XBS??0.058?0.12?0.178,将上图进一步简化为如下所示：

16

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 热稳定： It2t?Qk （4-10） 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。

4.2.1 变压器220kV侧断路器的选择

1）主变断路器的选择与校验 流过断路器的最大持续工作电流：Imax=具体选择及校验过程如下：

（1）额定电压选择：UN?UNs=220 （KV）（2）额定电流选择：IN?Imax=330.66 （A）（3）开断电流选择：INbr?I''=13.421 （KA）选择LW1-220/2000，其LW1-220/2000技术参数如下表：

表4-2 LW1-220/2000技术参数表

型号 额定电压(kV) 额 定 电 流 (A) LW1-220/2000 220 2000 额定断流 量（KA） 31.5 极限通过 电流（KA） 峰值 80 热稳定电流（KA） 固有分 闸时间（S） 1.05?120000 =330.66（A）3?2204S 40 0.04 （4）热稳定校验： It2t?Qk

2It2t=402?4=6400[（KA）?S]

令主保和后备保护的动作时间为0S和1.5S，电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为：tk =1.5+0.04+0.06=1.6S。由短路计算得知220kV的额定计算电抗XjsB?1.424,查《电力工程电气设计手册：电气一次部分》表4-7得0.8秒的标幺值I0.8?0.732和1.6秒的标幺值I1.6?0.77并计算短路电流为

800100+47.619?=13.421(KA)3?2303?23022

I0.8=0.732?

湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）

I1.6=0.77?800100+47.619?=13.499(KA)

3?2303?230QK?I\2?10I2tk/2?I2tk1213.4212?10?13.4212?13.49922tk??1.6?288.477[（KA）?S]所以，

12It2t> Qk，满足热稳校验。

（5）动稳定校验：ies=80kA＞ish=34.224KA满足校验要求具体参数如下表：

表4-3 具体参数表

计算数据 UNs 220kV Imax 330.66A I″ 13.421KA LW1-220/2000 UN 220kV IN 2000A INbr 80KA INcl 80KA 2ish 34.224KA QK 288.477[（KA）s] Itt 6400[（KA）s] 22ish 34.223KA ies 80KA 由表可知，所选断路器满足要求。

2）出线断路器的选择与校验

Imax?2?120000?629.837A

3?220由上表可知LW1-220/1200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。具体参数如下表所示：

表4-4 具体参数表

计算数据 UNs 220kV Imax 629.8378A I″ 13.421KA LW1-220/2000 UN 220kV IN 2000A INbr 80KA INcl 80KA 2ish 34.224KA QK 288.477[（KA）s] Itt 6400[（KA）s] 22ish 34.224KA ies 80KA 23

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 4.2.2 变压器110kV侧断路器的选择

1）主变断路器的选择与校验 流过断路器的最大持续工作电流 Imax=具体选择及校验过程如下：

（1）额定电压选择：UN?UNs=110 （KV）（2）额定电流选择：IN?Imax=661.328 （A）（3）开断电流选择：INbr?I''=10.737 （KA）初选LW-110Ⅱ/3150技术数据如下表所示：

表4-5 LW-110Ⅱ/3150技术数据

1.05?120000 =661.328（A）3?110型号 额定电压(kV) 额 定 电 流 (A) 额定断流极限通过热稳定电固有分 闸时间（S） 量（KA） 电流（KA） 流（KA） (峰值) 3S 5S 0.06 LW-110Ⅱ/3150 110 3150 40 125 50 （4）热稳定校验： It2t?Qk

2It2t=502?3=7500[（KA）?S]

令主保和后备保护的动作时间为0S和1.5S，电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为：tk =1.5+0.06+0.06=1.62S。由短路计算得知220kV的额定计算电抗XjsB?0.96,查《电力工程电气设计手册：电气一次部分》表4-7得0.81秒的标幺值I0.81?1.054和1.62秒的标幺值I1.6?1.167并计算短路电流为

800100+12.658?=10.588KA 3?1153?115I0.81=1.054? 24

湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）

I1.62=1.167?800100+12.658?=11.042KA 3?1153?115QK?I\2?10I2tk/2?I2tk1210.7372?10?10.5882?11.0422tk??1.62?183.366[KA2.S]

12所以，It2t> Qk满足热稳校验。

（5）动稳定校验：ies=125kA＞ish=27.379KA满足校验要求。 初选LW-110Ⅱ/3150技术数据如下表所示

表4-5 具体参数表 计算数据 UNs 110kV Imax 661.328A I″ 10.737KA LW-110Ⅱ/3150 UN 110kV IN 3150A INbr 40KA INcl 125KA 2ish 27.379KA QK 186.759[（KA）S] Itt 7500 [（KA）S] 22ish 27.379KA ies 125KA 由表可知，所选断路器满足要求。

2）出线断路器的选择与校验

Imax?2?120000?1259.673A

3?110由上表可知LW-110Ⅱ/3150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。具体参数如下表所示：

表4-6 具体参数表

计算数据 UNs 110kV Imax 1259.673A I″ 10.737KA LW-110Ⅱ/3150 UN 110kV IN 3150A INbr 40KA INcl 125KA 2ish 27.379KA QK 186.366[（KA）s] Itt 7500 [（KA）S] 22 25

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 ish 27.379KA ies 125KA 4.2.3 变压器10kV限流电抗器、断路器的选择

1）限流电抗器的选择

由于短路电流过大需要装设限流电抗器

IN?50?2.749KA

3?10.5UN?UNS?10KV

设将电抗器后的短路电流限制到I″=20KA

（1）初选型号

根据以上条件初选XKK—10—4000—4，电抗器标么值：X*∑=

IB?100?5.5KA

3?10.5IB 其中：I”（2）选择电抗值

电源至电抗器前的系统标么值：

X′*??XAF*//XBF*?0.143?0.197?0.0829

0.143?0.197XL%= （INUBIB5.54000?10500-X′ ）?100%?（-0.0829）??11.2% *∑I″IBUN205500?10000曾运用4%的电抗器，计算结果表明不满足动稳定要求，故改为XKK-10-4000-12。

表4-7 XKK—10—4000—12技术数据

型号 额定电压 额定电流 电抗率 动稳定电kV A 流峰值KA XKK—10—4000 10kV 4000 12% 204 热稳定电流KA 4S 80 0.17 固有分闸时间S 26

湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）

（3）电压损失和残压校验

当所选电抗值大于计算值时，应重算电抗器后短路电流，以供残压校验。 为计算短路电流，先计算电抗标么值为

X*L?XL%IdUn5500?10000?0.12??0.157InUd4000?10500

X*∑?X′*∑?X*L?0.0829?0.157?0.239

其中tk=2+0.17+0.05=2.22S，查短路电流计算曲线并换算成短路电流有名值：I″=76.154KA I2.22=76.23KA I1.11=76.23KA

则电压损失和残压分别为

?U%=?U%=XL%Imax2749sin??0.012??0.6?4.9%＜5% IN4000?Ure%=XL%I″76.154?0.12??228%＞60%～70% IN4.0（4）动、热稳定校验

2I″?10I2tk/2?I2tkQK=1276.1542?10?76.232?76.2322?tk??2.22?12898.306[（KA）s]12ish=KshI″=2.55?76.154=194KA＜204KA 表 4-8 具体参数

计算数据 UNs 10kV Imax 2749A QK 12898.306[（KA）s] 22XKK—10—4000—12 UN 10kV IN 4000A QK 80×4=25600 [（KA）s] 2ish 152.791KA ies 204KA 根据以上校验，选择满足要求。限流后I″=20KA ish=2.55×20=51KA。

2）主变断路器的选择与校验

27

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 流过断路器的最大持续工作电流 Imax=具体选择及校验过程如下：

（1）额定电压选择：UN?UNs=10 （KV）1.05?50000 =2886.751（A）3?10.5（2）额定电流选择：IN?Imax=2886.751 （A）（3）开断电流选择：INbr?I''=20 （KA）选择SN4—10G/6000，其技术参数如下表所示：

表4-9 SN4—10G/6000技术参数

型号 额定电压kV 额定 电流A 额定断流 量KA SN4-10G/6000 10 6000 105 极限通过 电流KA 峰值 300 热稳定 电流KA 1S 173 固有分 闸时间S ?0.06 （4）热稳定校验： It2t?Qk

2It2t=1732?1=29929[（KA）?S]

令主保和后备保护的动作时间为0S和1.5S，电弧持续时间取0.06S，热稳定时间为：tk =1.5+0.06+0.06=1.62S。由短路计算得知220kV的额定计算电抗XjsB?1.42,查《电力工程电气设计手册：电气一次部分》表4-7得0.81秒的标幺值I0.81?0.71和1.62秒的标幺值I1.6?0.74并计算短路电流为

800100+6.99?=70.986KA

3?10.53?10.5800100+6.99?=69.667KA

3?10.53?10.5I1.62=0.71?I0.81=0.74? 28

湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）

QK?I\2?10I2tk/2?I2tk12202?10?69.6672?70.9862tk??1.62?7286.479[KA2.S]

12所以，It2t?Qk满足热稳校验。

（5）动稳定校验：ies=125kA＞ish=27.379KA满足校验要求。 初选SN4-10G/6000技术数据如下表所示

表4-10 具体参数表

计算数据 UNs 110kV Imax 2886.751A I″ 20KA SN4-10G/6000 UN 110kV IN 6000A INbr 105KA INcl 300KA 2ish 152.791KA QK 7286.479[（KA）S] Itt 29929 [（KA）S] 22ish 51KA ies 300KA 由表可知，所选断路器满足要求。

3）出线断路器的选择与校验

Imax?2?50000?5773.5A 3?10由上表可知SN4-10G/6000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。具体参数如下表所示：

表4-11 具体参数表

计算数据 UNs 10kV Imax 5773.5A I″ 20KA SN4-10G/6000 UN 110kV IN 6000A INbr 105KA INcl 300KA 2ish 152.791KA QK 7286.479[（KA）S] Itt 29929 [（KA）S] 22ish 51KA ies 300KA 29

220kV变电所电气部分及线路电流保护的设计 4.3 隔离开关的选择

4.3.1 变压器220kV侧隔离开关的选择

1) 主变侧隔离开关的选择及校验： （1）额定电压选择：UN?UNs=220 （KV）（2）额定电流选择：IN?Imax=330.66 （A）（3）极限通过电流选择：ies?ish?34.224(KA) GW4—220D/2000，其技术参数如下表：

表4-12 GW4—220D/2000技术参数表

型号 额定 电压 kV 额定 电流 A 峰值 GW4—220/2000—100 220 2000 100 极限通过电流KA 热稳定 电流 KA 4S 40

（4）热稳定校验：It2t?Qk

2It2t=402?4=6400[（KA）?S]，所以满足热稳校验。

（5）动稳定校验：ies=100KA＞ish=34.224KA满足校验要求。 具体参数如下表：

表4-13 具体参数表

计算数据 UNs 220kV Imax 330.66A QK 288.477[（KA）S]

30

2GW4-220D/2000 UN 220kV IN 2000A Itt 6400[（KA）S] 22湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）

ish 34.224KA ies 100KA 由表可知，所选隔离开关各项均满足要求。

2）出现侧隔离开关的选择及校验

Imax?2?120000?629.837A

3?220由上表可知GW4-220D/2000同样满足出线隔离开关的选择。其动稳定、热稳定计算与主变侧相同。具体参数如下表所示：

表4-14 具体参数表

计算数据 UNs 220kV Imax 629.837A QK 228.477[（KA）S] 2GW4-220D/2000 UN 220kV IN 2000A Itt 6400[（KA）S] 22ish 34.224KA ies 100KA 由表可知，所选隔离开关各项均满足要求。

4.3.2 变压器110kV侧隔离开关的选择

1) 主变侧隔离开关的选择及校验： （1）额定电压选择：UN?UNs=110 （KV）（2）额定电流选择：IN?Imax=661.328 （A）（3）极限通过电流选择：ies?ish?27.379(KA) GW4—110D/2000，其技术参数如下表：

表4-15 GW4—110D/2000技术参数表

型号 额定 电压 kV 额定 电流 A 极限通过电流KA 热稳定 电流 KA 31

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