-500kV变电站电气部分设计(2)

2014届毕业生 毕业设计说明书

题 目: 500kV变电站电气部分设计

院系名称： 电气工程学院 专业班级： 电气F1001班 学生姓名： 学 号：

指导教师： 教师职称： 讲师

2014 年 5 月 12 日

目 次

1． 绪论 ........................................................... 3

1.1 课题研究意义................................................ 3

1.2 国内外发展现状.............................................. 3 1.3 本文研究内容................................................ 4 2． 电气主接线的确定 ............................................... 5

2.1 主接线的选取原则与设计依据.................................. 5 2.2 各电压等级侧接线选择....................................... 5 3．负荷计算与变压器选择 ........................................... 10

3.1 主变压器选择............................................... 10 3.2站用变压器的选择 ........................................... 11 4. 最大持续工作电流以及相关短路电流计算 ........................... 12

4.1 最大持续电流计算.......................................... 12 4.2 确定短路电流点以及短路电流的计算........................... 13 5. 主要电气设备的选择与校验 ....................................... 19

5.1 方案设计设备的选取依据..................................... 19 5.2 断路器选择................................................. 19 5.3 隔离开关选择............................................... 22 5.4 互感器选择................................................. 23 5.5 母线及架空线路选择......................................... 25 6 变电站与线路防雷保护 ............................................ 27 总 结 ............................................................ 28 致谢 .............................................................. 29 参考文献 .......................................................... 30 附录 .............................................................. 32

附表A：所用主要设备表 ......................................... 32 附表B：短路计算结果整理 ....................................... 32 附图C：主接线 ................................................. 33

1． 绪论

1.1 课题研究意义

在一套输配电系统中变电站占据着重要的地位，它不仅承担了电压变换与电能分配任务，还能够将不同电压等级的输电网连接起来构成一整个输电网络的重要组成部分。从最初建设选取确定各个电压等级侧的主接线方案到各个电气设备与元器件的选择都必须进过严密的计算并进行校验才能确定最终的方案。从发电机侧考虑，为了实现长远距离输电并以此来减小输电过程中线路上的电能损耗，必须借助于升压变电站将电压升高到一定等级将电能输送出去另一方面提高电压等级也是为了解决大容量输送中存在的电压降问题和提高电力系统的稳定性；对于负荷侧来说，要想得到需求的电压级别，则必须去借助于降压变压站，按照需求将电压变换至10kV、35kV、以及220kV等等然后进一步输送至不同负荷侧。而一次设备的连接必须借助于主接线才能完成，不仅要考虑运行平稳性，还要顾及到成本、是否运行人员操作、是否便于装设等等。对于不同级别的线路，在保证运行性能的基础之上，考虑的侧重也是不同的，必须在各种方案之中加以比较，确定最合适的方案。

1.2 国内外发展现状

现代电力系统电压等级不断提高，尤其是近年来特高压发展越来越成熟，一系列特高压输变电工程日益上马并被提上日程。而目前来来说500kV电压等级是枢纽级而且发展日趋成熟，因此是当前高压站的主力军，对国民生产具有重大影响，变电站安全性与稳定运行性则是其建设所需要考虑的首要内容。发展特高压输电，首先必须掌握元器件的制造技术。作为整个电力系统的重要部分，我国的电力线缆也发展到了一定的成熟地步。对于不超过220kV的线缆，基本上都能够实现自给自足；对于超过220kV尤其是特高压级的电缆依然对外依赖严重。我国对于电力设备的开发与研究都投入了巨大的精力，例如国网南瑞、国电南自等一大批企业对于软硬件开发取得了长足的进步，对电力事业做出了巨大贡献。

我国高压项目起步晚，1981年才建成第一条500kV级高压输电线路，经过

多年的学习与摸索，当前阶段无论是装机容量还是发电量，我国都已经位居世界第二。当前世界上交流和直流输电等级已经分别达到了750kV和?600kV，我国人口众多，为了满足电能供应大力发展超高压及特高压(UHVAC和UHVDC)是非常有必要的。输电交流方面我国已经建成了相当大的规模的500kV输电系统，也是目前建设的主力，多条750kV输电线路也已建成或处于投建阶段；直流输电方面?500kV处于快速建设阶段，都有着广阔的发展前景。

当前电力系统的运行日益走向智能化的道路。不仅要实现设备运行的智能化（早期的无人值班等），对于二次侧的监测设备也要实现智能控制。要实现智能化、数字化，必然要比传统的变压站引进更大量电子设备，如何实现功能允许，建设并行网络则直接关系到安全可靠性运行，都是需要继续努力的地方。

1.3 本文研究内容

主要进行了两方面的设计，一方面是必须要进行主接线方案的确定，因为在500kV变电站中往往涉及到多个电源（此处设计为两个）长距离输电，通过500kV级汇流母线把电能进行分配、输送到不同的电压等级。而主接线的确定不仅要去考虑现实可行性，还要考虑到由于可能增加的高压设备（诸如断路器等）所带来成本费用增加以及是不是便于操作人员进行操作和是不是方便以后可能进行的改建等等，而这些都是现实中切实要去考虑的内容，因此本文从不同的电压等级考虑分别进行了方案的比较与最终选取。另一方面是设备的选择，其中最重要的是短路计算的问题。电气设备最基本的要求是正常运行时安全可靠，而对于主接线来说由于各种设备以及各个电压等级回路馈线上可能因故障发生短路现象，因此需要通过短路计算求出可能点的短路电流并以此为根据去确定是否需要采取限流措施；设备选择时，为了保证正常运行以及故障状态下均能可靠安全运行，同

时考虑到资金等问题也需要进行短路计算以选出最合适的设备参数。

2． 电气主接线的确定

2.1 主接线的选取原则与设计依据

在整个输变电运行中需要用到一系列电气设备。主要分为两大块，分别称为一次设备和二次设备。发电机用来生产电能，变压器则负责按照既定的方案升高或降低电压并分配到不同的电压等级去，断路器则是和隔离开关相互配合用来实现关合和开断，这些称为一次设备，构成了输电网的主干部分。在系统运行中还需要对系统实施实时的监控与测量等，并加设一系列保护装置，称之为二次设备。而电气接线正是用来把这些设备串联到一块共同实现电力运行的平稳性。主接线指的是连接一次设备的电路部分。相对应的连接二次设备的则称之为二次接线。 主接线的选取必须遵循其严格的原则和依据。综合来说主要是三个方面：

首先考虑到电能输送在国民生活中的地位，设计的主接线必须能够保证系统运行的可靠性，必须保证电力输送的平稳性，尤其是对于重要用户必须留有备用电源保证能够实现连续不间断供电。由于断路器、隔离开关等设备需要定期检查，这就需要退出运行，因此也就必须加以考虑。基本原则是保证停运期间的备用能够保证到全部Ⅰ类及大部分Ⅱ类用户的电力供应，并尽可能的缩短停运时长。

其次是便于操作，最后还要考虑到成本等问题，尽量做到经济合理，电能损耗小：变电站中的主要电能损耗来自于大型变压器。应选取台数和容量合适的主变和站变，尽量避免二次变压。

2.2 各电压等级侧接线选择

对于500kv高压侧，根据前边所述，该变电站为枢纽变，在电力系统中占有重要地位，因此对可靠性有较高要求。根据任务书的要求，本级担负着较大的负荷容量。经考虑，拟定两种方案进行比较。

方案一 ：采用双母线四分段专用旁路母线如图2-1所示

图2-1 双母线四分段专用旁路母线

采用这种接线方式主要是考虑到该级别的重要性。一方面利用母联断路器将两组母线连接起来，当一组母线故障时，可以把供电切换到另一组母线上，两组之间可以互为备用。这样一来不仅增加了供电的可靠性能，也方便于操作，而且在以后的改建中可以在双母线两侧中的任意方向进行。考虑到断路器等需要定期检测，加装一条旁路母线，这样一来当断路器处于检修状态时，对正常供电影响也不会太大。

方案二 ：采用一台半断路器接线方式如图2-2（略去断路器两端的隔离开关）所示：

图2-2 一台半断路器接线方式

拟定采取这种方案更多的也是考虑到运行的稳定与可靠性方面。断路器两端的任意一条母线因故需要退出（检修或发生运行故障）时均不会影响供电，极端的情况是两组母线同时故障，假设一条线路发生故障的几率是0.05，那么这种情况出现的概率不足千分之一，因此这种几率是非常小的，即便发生这样的故障功率也能够继续输送，可见可靠性非常之高。

比较两种接线方式，一台半式运行的平稳可靠性更高，并且双母线加装专用旁路接线也显得更加复杂，在使用断路器台数一样的情况下，选择前者更为合适。因此选取一台半断路器的接线方式运行。

中间侧（220kV）作为重要的电压等级，也拟定三种方案并进行比较选出最佳方案。

方案一 ：单母线带旁路母线接线如图2-3所示：

图2-3 单母线带旁路母线接线

相比较于500kV侧，220kV也是重要电压等级，但要求的可靠性没有500kV高，因此把这种接线方式纳入到拟定的方案中去。相比较于单纯的单母线，方案一采用了分段接线方式，这样做的好处是提高了电力供应的可靠性与操作的灵活性。假设分段的母线I段和II段，在1段发生故障时，切除与1段母线相连接负荷后，II段不受影响可以正常供电。

方案二：采用的是双母线接线方式，如图2-4所示：

图2-4 双母线接线

对于整个供电负荷，任一条回路都与两条母线通过中间的断路器和隔离开关相连接， 两条母线通过一组母联断路器相互连接。这种接线的好处是相较于单母线大大的提高了供电平稳性。在调度方面假设正常运行时的是第I段母线，第 II段为备用，如果此时I段需要检测时，可以通过母联断路器根据隔离开关先通后断的原则进行母线切换，而且在以后的改建中可以在双母线两侧中的任意方向进行。

方案三：双母线带旁路母线接线如图2-5所示：

WPQFP

2-5 双母线带旁路母线接线

这种方案的接线方式实在方案2的基础之上加装了一条旁路，这也是考虑到其稳定性方面。加装旁路母线后也更便于实现断路器的退出检测，但是也增加了成本和接线的复杂性。主要从可靠性出发，选择方案三更为合适，因此在此电压侧采用带旁路的双母线接线方式。

在低压侧选用双母线接线，将分段断路器兼作旁母。如图2-6所示。采取这样做主要是由于1.单母线分段适用范围一般线路不超过8回，而此次有12回出线，因此考虑到双母线2.从经济性考虑，如果采用图2-3的接法，必然会增大投资和设备的投入量并且会带来操纵上的繁琐。基于这两方面综合考虑采用如图2-4所示的双母线接线方式。

3．负荷计算与变压器选择

500kV侧出线2回，负荷800-1000MVA；220kV为中间电压等级，具有重要的作用设计有10回负荷线路，最大负荷为1000MVA，其中各负荷之间的同时系数为0.85， 35kV电压等级侧：设计出线12回，最大负荷80MVA,最低负荷为60MVA.为便于计算系统视为无穷大。

3.1 主变压器选择

①主变压器容量的确定：对于单机容量为600MW的发电机组，考虑到加接临时负荷的问题，因此必须留有10%-15%的裕度，因此确定变压器容量为700MVA左右。根据选择原则确定两台主变压器。按照惯用原则进行计算：

第一：两台变压器容量之和必须足以承担最大负荷即满足每台变压器容量必须大于500MVA，

第二：单台变压器能够承担重要负荷的全部供电以及最大负荷的0.6-0.7倍即： 600-700MVA

综合以上两条确定两台主变的容量为750MVA。

②主变型式的确定：变压器的连接有两种，一是三相变压器，另一种是采用三台单相变压器。本次方案按照惯例采取后者，并采取常见的自耦变压器。而500kV自耦变压器一般都是Y--Y型接法。而由于受到铁芯饱和的影响，二次侧的感应电压会产生一系列谐波，其中主要是三次谐波。并且增设一个电压为6——35kV的第三绕组，这样做的好处是除了可以用以消除三次谐波外还能用来对附近区域供电以及连接无功补偿装置。

③接线方式：上述已经提到要用Y—Y接法以此来尽可能限制三次谐波的影响，同时也是考虑到系统或机组的同步并列运行，联接组号选用YN,a0，d11常规接线。普通的变压器调压范围十分有限通常都是5%左右并且当调压的要求与实际运行相反时（也即逆调压）仅仅依靠分接头的作用是远远不够的，因此考虑有载调压方式，通常调压可达到额定值的15%左右，大大提高了调压范围，而且不仅可以向系统输送功率也可以从系统倒送功率。

综合以上三条所述，所用主变压器如表3-1所示：

短路电流最大有效值：

Iimp=1.52?Iw=1.52?1.08kA=1.64kA

220kV侧的短路电流计算：其等值网络图如图4.3所示

500kV母线0.0504

图4-3 220kV侧的短路电流

起始暂态电流为

I??k2=1=7.981

0.1+0.0504?2Ik2=I??k2?IB=1.081?100?2.01kA

3?230冲击电流为：

iimp=2.55?Ik2=2.01?2.55kA=5.11kA

短路电流最大有效值：

Iimp=1.52?Iw=1.52?2.01kA=3.05kA

35kV侧短路电流计算：等值网络图如图4.4所示

500kV母线0.05040.10235kV

图4-4 35kV侧短路电流

起始（0s时）暂态电流为：

I??k3=1=5.67

0..1+（0.0504+0.102）?2Ik3=I??k3?IB=5.67?100?8.84kA 3?37冲击电流为：

iimp=2.55?Ik3=8.84?2.55kA=22.56kA

短路电流最大有效值：

Iimp=1.52?Iw=1.52?8.84kA=13.43kA

0.4kV侧短路电流计算：等值网络图如图4-5所示

500kV母线0.05040.10235kV7.27负荷端0.4kV

图4-5 0.4kV侧短路电流计算

起始暂态电流为：

I??k4=1=0.26

0.1+（0.0504+0.102）?2+7.27?2Ik4=I??k4?IB=0.26?100?37.87kA 3?0.4 冲击电流：

iimp=2.55?I??4=37.87?2.55kA=96.57kA

短路电流最大有效值：

Iimp=1.52?Iw=1.52?37.87kA=57.56kA

5. 主要电气设备的选择与校验

5.1 方案设计设备的选取依据

电气设备选择包含以下两个方面。

按正常工作条件选择电气设备：一是流经隔离开关和断路器的电流不能超过设备装设点所允许的最大长时持续工作电流；二是运行电压也不得超过装设处电网的额定电压。也即满足：UNS?UN和Igmax?IN

按短路电流进行校验：包含两方面。一是热稳定的校验；因为电气设备运行时可能会由于流过短路电流电流而造成的过热效应，引起部件设备温度升高。对此必须加以限制，因此要用到此校验。即满足Qts?Qk，也可写为I2ts?tts?I??ti

其中：Qts---电气设备允许通过的热效应，单位KA2?S . Qk---短路电流热效应

Its---电气设备的额定热稳定电流 tts---热稳定时间，以s为单位 I?---稳态短路电流

二是动稳定校验：任何元件都有其可承受的机械强度。需要用到动稳定校验去校验设备承受的力效应。即满足条件：Ies?Ish其中

Ies---额定运行时动稳定电流的有效值 Ish---冲击电流有效值。

5.2 断路器选择

在不同电压侧采用不同的断路器并依据上边所述进行设备校验。 （1）馈线断路器选择与校验：

本方案中500kV侧采用通常使用的LW13-500型断路器，根据前边最大持续电流计算与断路器自身参数比较如表5-1所示：

表5-1 馈线高压侧断路器校验表

所用断路器 额定电压UN=500kV 额定电流IN=2000A 计算结果 实际工作电压500kV 最大持续工作电流271.7A 比较结果 √ √ 开断电流INbr=40kA 额定关合电流INcl 热稳定的校验

次暂态电流周期分量1.08kA 短路冲击电流2.75kA √ √ 热稳定电流Its=20kA ，

短路第一个周期周期分量I?=1.08kA

?1s 热稳定时间 tts=（3+0.029） 假想时间取为2.55s

经计算满足1.082?2.55?3.029?202也即满足：

Its?tts?I??ti

2动稳定校验：63kA?冲击电流2.75k

220kV侧采用LW15-220 型断路器，同前边500kV侧列表5-2所示： 表5-2 馈线中压侧断路器校验表

所用断路器 额定电压UN=220kV 额定电流IN=2500A 开断电流INbr=40kA 额定关合电流计算结果 实际工作电压220kV 最大持续工作电流308.7A 次暂态电流周期分量2.01kA 短路冲击电流5.11kA 比较结果 √ √ √ √ INcl=100kA 热稳定的校验

热稳定电流Its=40kA(4s) ，

短路第一个周期周期分量I?=2.01kA 热稳定tts=（3.4+0.025）s 〉1s 假想时间取为3.45s

经计算满足2.012?2.55?402?4.025也即满足：

Its?tts?I??ti

2动稳定校验：

100kA?冲击电流5.11kA

35kV侧采用LW8-35 型断路器，列写表格比较如下：

表5-3 馈线低压侧校验表

所用断路器 额定电压35kV 额定电流1600A 开断电流40kA 额定关合电流3kA 计算结果 实际工作电压35kV 最大持续工作电流129.7A 次暂态电流周期分量8.84kA 短路冲击电流22.56kA 比较结果 √ √ √ √ 热稳定的校验

热稳定电流Its?40kA?4s? ， 短路第一个周期周期分量I?=8.84kA 热稳定时间tts=（3.4+0.025）s 〉1s 假想时间取为3.45s

经计算满足8.842?3.45?3.425?402也即满足：

Its?tts?I??ti

2动稳定校验：63kA?冲击电流22.56kA （2）主变压器断路器选择与校验

主变压器高压侧选取与500kV馈线型号相同的LW13-500 型 断路器。列写比较表格如下：

表5-4 变压器高压侧断路器校验表

所用断路器 额定电压500kV 额定电流000A 开断电流40kA 额定关合电流 热稳定的校验

热稳定电流Its=20kA ，

计算结果 实际工作电压500kV 最大持续工作电流909.34A 次暂态电流周期分量1.08kA 短路冲击电流2.75kA 比较结果 √ √ √ √ 短路第一个周期周期分量I?=1.08kA 热稳定时间tts=（3+0.029）s 〉1s 假想时间取为2.55s

经计算满足1.082?2.55?3.029?202也即满足：

Its?tts?I??ti

2

5.3 隔离开关选择

隔离开关主要是用来和断路器相互配合，校验类似于断路器，不同的是由于隔离开关没有灭弧装置，因此不能带电进行拉闸合闸操作，也就不需要进行开断和关合能力校验，具体校验如下

500kV侧：此处选用GW10-500DW型隔离开关，进行校验如5-5所示：

表5-5 高压侧隔离开关参数

所用隔离开关 额定电压UN=500kV 额定电流IN=2500A 计算结果 实际工作电压500kV 最大持续工作电流271.7A 比较结果 √ √ 热稳定校验如下：

Its=20kA ，

短路第一个周期周期分量I?=1.08kA

热稳定时间tts=（3+0.029）s 〉1s 假想时间取为2.55s

经计算满足1.082?2.55?202?3.029也即满足：

Its?tts?I??ti

2动稳定校验：63kA?冲击电流2.75kA 也满足条件。

在220kV侧和35kV侧校验同于500kV侧，分别选择型号为GW6-220D和GW5-35型隔离开关，并经过比对校验合格。

5.4 互感器选择

包括电压互感器和电流互感器两部分。互感器的主要作用是实现大电流、

高电压向小电流和低电压的变换，变换的目的是为了获得回路信息，并传递给二次侧的测量与检测设备。 电压互感器选择：

500kV侧（包含母线和馈线）：采用电容式电压互感器，其一次侧的额定电压为500Kv; 220kV侧也采用电容式电压互感器，其额定电压为220kV；35kV侧采用油浸绝缘结构式的电压互感器，其一次侧的额定电压为35kV。 所用电压互感器具体列写如表5-6所示：

表5-6 所用电压互感器参数

位置 500kV侧 型号 额定变比 JDQX8-500ZHD 5000.1//0.1kV 332200.1//0.1kV 33220kV侧 JCC—220 35kV侧 JDJ-35 35/0.1kV 电流互感器选择：

500kV侧采用型号为LBF-500W2型，将其参数与前边电流计算比较并列写如表5-7所示：

表5-7 高压侧所用电流互感器校验

LBF-500W2 额定电压UN=500kV 一次额定电流IN=750A 动稳定电流125kA 计算结果 实际工作电压500kV 最大持续工作电流271.7A 短路冲击电流2.75kA 比较结果 √ √ √ 热稳定校验：对LB2-500W2型

ti=3s时，热稳定电流为50kA tts=（2.5+0.05）s=2.55s 经计算1.082?2.55?502?3 也即满足： I2ts?tts?I??ti 因此符合要求。

同样的对于220kV一侧：选用型号为LCW-220型互感器。

表5-8 中压侧电流互感器校验

LBF-500W2 额定电压UN=220kV 一次额定电流计算结果 实际工作电压500kV 最大持续工作电流308.7A 比较结果 √ √ IN=1250A 短路冲击电流5.11kA √ 动稳定电流125kA 热校验：对LBF-500W2型

ti=3s时，热稳定电流为50kA tts=（2.5+0.05）s=2.55s

经计算满足2.012?2.55?502?3也即满足：

Its?tts?I??ti

2因此符合要求。

在35kV一侧选用LCW-35型互感器。校验同于500kV侧和220kV侧，经计算比对，合格。在220kV和35kV处母联电流互感器的选择和变压器中压侧与低压

侧选择相同，采用相同的方法步骤校验合格。

5.5 母线及架空线路选择

（1）由前边计算可知，500kV、220Kv 、35kV母线的最大持续工作电流为271.7A、308.7A、729.7A。各级所用母线如表5-9所示

表5-9 所选母线参数

等级侧 高压侧 中压侧 低压侧 型号 LGJ－4×300 LGJQ-800/100 LGJ-70钢芯 导体截面 273 795.17 960 最高允许温度 850A 1402A 2650A 对于500kV侧最大长时负荷电流（此处取分配系数为0.8，穿墙套管轴心距0.25m）为： I850A＞271.7A ?K?Imax=0.8×

符合要求

动稳定校验：

2L2750母线所受最大电动力Fmax=0.173?i=0.173?=52.3N a0.252sh最大弯矩为Mmax=Fmax5.23N?M

10bh水平放置母线抗弯矩W?=4.2×

65.23?1.245?106?7?106符合要求 短路时最大应力为?max=Mmax?-6W4.2?102导体截面热稳定校验：设定假想时间为ti=tpr+tbr=2.1s 热稳定系数C=89 求得最小的热稳定截面为：

Smin=I?tiC=1.08?2.1=176＜273，满足要求，故热稳定满足 89对于中压侧和低压侧，校验方法同于500kV侧。 （2）架空线路选择

500kV最大输送容量1000MVA，两回路，每回分配500MVA。导线的截面按照

[20] 韩廷臣，工厂供电 ，北京 机械工业出版社 1992 [21] 肖登明，电气工程概论 中国电力出版社 2007

[22] N Tayfun Amur.Cost guest，impact drive terrorism-security plans[J]. Hotel and Motel .Management.Vol.220.No.20.Jun.2005

[23] 焦留成.供配电设计手册[M].北京：中国计划出版社，1999

附录

附表A：所用主要设备表

设备名称 高压侧断路器 中压侧断路器 低压侧断路器 中压侧母联断路器 低压侧母联断路器 高压侧隔离开关 中压侧隔离开关 低压侧隔离开关 高压侧电流互感器 中压侧电流互感器 低压侧电流互感器 高压母线 中压母线 低压母线 型号 LW13-500 LW15-220 LW8-35 LW15-220 LW8-35 GW10-500DW GW6-220 GW5-35 LBF-500W2 LCW-220 LCW-35 LGJ-4×300 LGJQ-800/100 LGJ-70

附表B：短路计算结果整理

项目 电压级 500kV 220kV 35kV 次暂态起始电流 1.08kA 2.01 kA 8.84 kA 2.75 kA 5.11 kA 22.056 kA 1.64 kA 3.05 kA 13.43 kA 冲击电流 短路电流最大有效值 附图C：主接线

#1#2#9#10FZ-22JJCC-220GW6-220DLCW-220LW15-220220kV#1\\#2进线

FZ-35避雷器GW5-35LW835

LCW-35JDJ-35

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