毕业论文（设计）
220kV变电所设计
摘 要
变电所是电力转换站，用以提高或降低电压，并分配用电量。本选题所设计的是某220kV降压变电所电气部分规划设计，主要担任220kV及110kV两电压等级功率交换，把接受功率全部送往110kV侧线路。根据变电所的设计任务，对主变变压器容量、台数，电气主接线，电气设备及无功补偿装置进行了选择分析，对短路电流等主要参数进行了计算，在此基础上设计了相关保护系统，最后给出了电气总平面布置方案。
关键词：变电所；变压器；短路电流
ABSTRACT
The substation is a station that changes electric power, improves or reduces voltage, and distributes electricity consumption. The electrical planning and design of a 220kV dropping voltage transformer is carried on in this paper. Its main function is to exchange power between the 220kV and 110kV two voltage grades and to send all power accepted to 110kV。According to the substation design task, this paper analysis and choose the capacity and number of major transformer, the power main circuits, electrical equipment and reactive compensation device. Also the main parameters such as short-circuit current and so on are calculated. Above all, the protection system is designed and finally the electric general layout scheme is given.
Key words: substations；transformers；short-circuit current
目 录
1 变电所设计任务 ................................................... 1
1.1 变电所的规模 ............................................... 1 1.2 回路 ....................................................... 1 1.3 系统计算资料 ............................................... 1 2 变电所具体设计内容 ............................................... 2
2.1 主变压器容量，台数及形式的选择 ............................. 2 2.2 电气主接线的选择 ........................................... 3 2.3 短路电流计算 ............................................... 4 2.4 电气设备的选择 ............................................. 9 2.5无功补偿及补偿装置的选择 ................................... 15 2.6 变电所主变保护的配置 ...................................... 16 2.7 防雷保护的设计 ............................................ 17 2.8 接地装置的设计 ............................................ 18 2.9 电气总平面布置 ............................................ 18 3 总结 ............................................................ 19 参考文献 .......................................................... 20 附录 .............................................................. 21 谢辞 .............................................................. 23
1 变电所设计任务
本次所设计变电所以110kV侧向地区负荷供电，除220kV侧电源与系统联系之外，110kV侧电源的部分出线也与系统有联系。
1.1 变电所的规模
近期主变初步设为2×120MVA，电压比为22012110.5kV，容量比为10010050，本期工程一次建成，设计中留有扩建的余地，110kV出线共8回，一次建成。
1.2 回路
110kV的最大地区负荷，近期为200MW，远期300MW，负荷功率0.85,最大负荷利用小时数为5300小时,同时率为0.6,每回最大负荷见表1。
表1 变电所输出功率表
1.3 系统计算资料
系统阻抗，当取基准容量S1 ﹦100MVA，基准电压U1为各级电压平均值（230，115，
37，10.5„„）时,系统的阻抗按两台变压器的总阻抗考虑，如图1所示。
图1 系统阻抗简化图
2 变电所具体设计内容
2.1 主变压器容量，台数及形式的选择
我们所设计的变电所是市郊220kV降压变电所，它是以220kV受功率为主。把所受的功率通过变压器输送至110kV及10kV母线上。若全所停电后，将引起下一级变电所与地区电网瓦解，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，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台主变压器。
主变容量一般按变电所建成近期负荷考虑，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后的允许时间内，保证用户的一级和二级负荷正常运行，对一般性能的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证承担全部负荷的70%～80%[1,4]。该变电所是按承担70%的全部负荷来选择。因此，装设两台变压器变电所的总装容量为：∑SN﹦2×0.7PM﹦1.4PM。
110kV侧负荷为最大地区负荷，近期200MW，同时率为0.6。其中一台事故停用后，其余主变的容量应保该所全部负荷的60％以上。
表2 变电所内部消耗功率
∵S =∑P1＋∑P2
即第一段母线总容量：
S1﹦0.85(P1+P2+P2)＋P4＋P5
﹦0.85(34.92+42.6+15)＋43.8＋27.13﹦149kVA
第二段母线总容量：
S2﹦0.85(P2+P3)+P4+P5
﹦0.85(46.9+15)＋43.92＋25.57﹦124.1kVA
故变电站所用变的总容量为：
S总﹦S1＋S2
﹦149＋124.1﹦273.1kVA
因选择两台主变压器，选择型号为：OSFPS7 —120000220，其参数：
额定电压：高压220±2×2.5%kV，中压121kV，低压10.5kV；阻抗电压%：高-中28-34%，高-低：8-10%，中-低：18-24%；容量比为：10010050；联结组标号：Y0Y0△-12-11；空载电流：0.8％；空载损耗：70kW；短路损耗：320kW。
2.2 电气主接线的选择
主接线是变电所电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，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。变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，
并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求[5,6]。
为了保证双母线配电装置，在对进出线断路器检修时（包括其保护装置和检修及调试），不中断对用户的供电，可增设旁路母线，或旁路断路器。根据可靠性、灵活性和经济性的原则，我们采取以下方案：220kV、110kV都采用双母带旁路，并且设计专用的旁路断路器，使检修或故障时，不致破坏双母接线的固有运行方式，及不影响停电[2,5]。
其接线方式的特点：双母线带旁母，并设专用的旁路断路器，其经济性相对提高，而且保证了各段出线断路器检修和发生故障时不致影响供电，也不会破双母运行的特性，继电保护也比较容易配合，相对来说可靠性也提高了[3]。
2.3 短路电流计算
（1）在短路计算的基本假设前提下，取S1﹦100MVA，UB﹦UA
系统阻抗归算到基准容量：S1﹦100MVA，由原始资料可知220kV侧系统阻抗为0.0328，110kV侧为0.0502，即系统图1。
（2）计算参数
由所选择变压器的参数可得：
表3 各绕组等值电抗
Us(1-2)﹪取10％，Us(2-3)％取20％，US(3-1)﹪取30％，
Us1﹪﹦
1
U%+Us(2-3)%-Us(3-1)% 2s(1-2)
()
﹦
Us2﹪＝
1
(10+30-20)﹦10 2
1U%+Us(3-1)%-Us(2-3)% 2s(1-2)
()
﹦
Us3﹪﹦
1
(10+20-30)﹦0 2
1
Us(2-3)%+Us(3-1)%-Us(1-2)% 2
()
﹦
各绕组等值电抗标幺值为：
1
(20+30-10)﹦20 2
X1﹦﹦
US1%Sj
× 100Sn
10100×＝0.083 100120
X2﹦﹦
US2%Sj
× 100Sn
0100×﹦0 100120
X3﹦﹦
US3%Sj
× 100Sn
20100×﹦0.167 100120
（3）根据系统图可以制订系统网络图2如下：
图2 系统简化网络图
（4）根据等值网络进行简化及计算
a.当220kV母线发生三相短路，即d1点短路时，其等值网络为图3：
图3 d1点短路等值网络图
把X1∥X2∥X3计为X6即
X6﹦X1∥X2∥X3﹦0.083∥0.083∥0.083﹦0.028
把X4 ＋X5 计为X6即
X7﹦X5 ＋X6
﹦0.0502＋0.028﹦0.0782 Id1#﹦
11
＋ 0.03280.0782
﹦43.28
换算到220kV短路电流有名值
I''﹦ Id1#
﹦43.28
﹦10.86kA
取Kch﹦1.8
短路电流全电流最大有效值
Ich
''''﹦1.51I''
Ic﹦1.51×10.39﹦16.29kA
当不计周期分量衰减时 冲击电流：
ichchI
''1.87I''﹦2.55I''﹦2.55×10.86﹦27.69kA
短路容量：
SbI
''230⨯10.86﹦4326.2MVA
b.当110kV母线发生三相短路时，即d2点短路时，其等值网络为图4。
图4 d2点短路等值网络图
X6﹦X1∥X2∥X3﹦0.028
把X4＋X6﹦X7 即：
X7﹦X4＋X6﹦0.0328＋0.028﹦0.0608 Id2﹦
11
＋﹦52.16 0.06080.0502
换算到110kV的短路电流有名值：
I''﹦Id2﹦52.16﹦26.18kA 短路电流全电流最大有效值：
Ich﹦1.51I''﹦1.51×26.18﹦39.53kA
短路电流的冲击值：
ich﹦2.55I﹦2.55×26.18﹦66.76kA
短路容量为：
SbI'115×26.18﹦5214.5MVA
c.10kV母线发生三相短路，即d3点短路时，它的等值网络如图5。
图5 d3点短路等值网络图
.
把X1∥X2∥X3﹦X9 X4∥X5∥X6﹦X10
X9﹦X1∥X2∥X3﹦0.28 X10﹦X4∥X5∥X6﹦
0.167
﹦0.0557 3
X11﹦X7＋X9﹦0.0328＋0.028﹦0.0608
把X11、X8、X10星形变换成三角形，即：
X12﹦X11＋X10＋
﹦0.0608＋0.0557＋
X11X10
X5
0.0608⨯0.0557
﹦0.184
0.0502
X13﹦X8＋X10＋
﹦0.0502＋0.0557＋
Id3*﹦
换算到10kV侧有名值
I″﹦Id3*
X8X10
X11
0.0502⨯0.0557
﹦0.152
0.0608
11
＋﹦12.01 0.1840.152
b﹦12.01
﹦66.04kA
短路电流全电流最大有效值及冲击值：
Ich﹦1.51I''﹦1.51×66.04﹦99.72kA
ich﹦2.55I''﹦2.55×66.04﹦168.4kA
短路容量：
S
bI''
10.5×66.04﹦1201.00MVA
表4 各短路点计算数据
2.4 电气设备的选择
导体和电器的选择是变电所设计的主要内容之一，正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济的重要条件。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，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备[6,7]。 2.4.1 断路器的选择
变电所中，高压断路器是重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和断开负荷电流，在电气主接线中，还担任改变主接线运行方式的任务。故障时，断路器通常和继电器配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。
高压断路器应根据断路器的安装地点、环境和使用技术条件等要求选择其种类及型式，由于真空断路器、SF6断路器与少油断路器相比，可靠性更好，维护工作量更少，灭弧性能更高，目前得到普遍推广。故35～220kV一般采用SF6断路器。真空断路器只适
应于10kV电压等级，10kV采用真空断路器[12]。
（1）220kV侧断路器 （a）额定电压选择：
Umax≥UN＝220×1.15＝253kV
（b）额定电流选择：IN＞Igmax
考虑到变压器在电压降低5%时其输出功率保持不变，所以相应回路的Igmax﹦1.05IN
即：Igmax
﹦0.661kA
（c）按开断电流选择：Iekd≥I'﹦10.86 kA 即Iekd≥10.86kA （d）按短路关合电流选择：ieg≥ich﹦27.69kA 即ieg≥27.69kA
根据以上数据可以初步选择LW6－220型SF6断路器，其参数如下：额定电压220kV，最高工作电压245kV，额定电流3150A，额定开断电流为40kA，短路关合电流55kA，动稳定电流峰值55kA，4s热稳定电流40kA，固有分闸时间0.042s，合闸时间0.2s，全开断时间0.075s。
（e）校验热稳定，取后备保护为5s
td ﹦tkd＋tb﹦0.075＋5﹦5.07s
β'﹦
I''
﹦1 I∞
因td＞1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间曲线，查得tz﹦4.3s
tdz﹦(td-5)＋tz﹦(5.07-5)＋4.3﹦4.37s Qd﹦I2×dz﹦10.862×4.37﹦515.40kA2s
Qr﹦Ir2t﹦402×4﹦5400kA2s
即Qr > Qd 满足要求 Ir
≥I﹦10.864.37/4 ﹦10.95＜40满足要求
（f）检验动稳定：icj≤idw
icj﹦27.69＜55 满足要求 故选择户外LW6－220型SF6断路器能满足要求。
（2）110kV侧断路器
考虑到2台主变压器及一定的交换功率
（a）额定电压：UN≥Ugmax Ugmax﹦1.15×110﹦126.5kV；
（b）额定电流：IN≥Igmax
Igmax
﹦1.323kA；
（c）按开断电流选择：Iekd≥I''﹦26.18KA 即Iekd≥26.18kA； （d）短路关合电流：ieg≥icj﹦66.76kA 即ieg≥66.76KA；
根据以上数据可以初步选择SW6－110I型少油断路器，其参数为：最高工作电压126kV，额定电流2000A，额定开断电流31.5kA，短路关合电流80kA，动稳定电流峰值80KA，4s热稳定电流35kA，固有分闸时间为0.035s，合闸时间0.2s，全开断时间0.06s。
（e）检验热稳定，取后备保护为5s
td'﹦tkd'＋tb﹦0.06＋5﹦5.06s
β'﹦
I''
﹦1 I∞
因td>1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间表，查得tz﹦4.3s
'﹦td'-5＋tz(5.06-5)＋4.3﹦4.36s tdz
()
'2﹦26.182×4.36﹦2988.3KA2s Qd﹦tdz
Qr﹦Ir2t﹦31.52×4﹦3969KA2s
即Qr＞Qd 满足要求
由以上计算表明选择户外SW6－110I少油断路器能满足要求 2.4.2 隔离开关的选择
隔离开关装设在主接线上时，保证了在线路及设备检修时形成明显的断口，与带电部分隔离。由于隔离开关没有灭弧装置并且分断能力低，所以操作隔离开关时，必须遵守倒闸操作顺序。送电时首先合上母线隔离开关，其次合上线路侧隔离开关，最后合上断路器，停电则与上述相反。
隔离开关的配置：
（1）断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时形成明显的断口，与电源侧隔离；
（2）中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；
（3）接在母线上的避雷器和电压互感器宜合用一组隔离开关，为了保证电器和母线的检修安全，每段母线上宜装设1～2组接地刀闸或接地器。63kV及以上断路器两侧和
线路的隔离开关，应尽量选用一侧或两侧带接地刀闸[11]；
（4）接在变压器引出线或中性点上的避雷器可不装设隔离开关。
选择隔离开关方法与选择断路器相同，其校验有所不同。为了维护及操作方便，同理220kV、110kV、10kV都选同类型。
（1）220kV侧隔离开关
（a）UN≥Umax Umax﹦1.25UN UN≥1.15×220﹦253kV （b）额定电流：IN≥Igmax
﹦
﹦661A
根据以上数据，可以初步选择户外GW7－220DW型隔离开关，其参数如下：额定电压220kV，3s热稳定电流为32kA，并带接地刀闸。
（c）校验热稳定：td﹦tkd＋tb﹦0.07＋5﹦5.07s 跟断路器一样：tdz﹦4.37s
Qd﹦I'2×tdz﹦10.862×4.37﹦515.40kA2.s
Qr﹦Ir2.t﹦322×3﹦3072kA2.s
Qr≥Qd 满足要求
（d）校验动稳定：icj≤idw icj﹦27.69KA idw﹦80kA 即：idw＞icj 满足要求
由上述计算表明，选择GW7－220DW型隔离开关能满足要求。
（2）110kV侧隔离开关
（a）额定电压：UN≥Umax﹦1.5×110﹦126.5kV （b）额定电流：IN≥Igmax
﹦
1.05⨯2⨯120
﹦1323A
3⨯110
根据以上计算数据可以初步选择户外GW5－110型隔离开关，其参数如下：额定电压110kV，最高工作电压126kV，额定电流2000A，动稳定电流100kA，4s热稳定电流有效值31.5kA。
（c）检验热稳定，同110kV侧断路器相同tzd'﹦4.36s 即：
Qd﹦I2∞tzd'﹦26.182×4.36﹦2988.3KA2.s Qr﹦Ir2tzd'＝31.52×4.36＝3969kA2s
Qr＞Qd 满足要求 （d）检验动稳定：icj≤idw
icj﹦66.76kA idw﹦100kA
即：idw＞icj 满足要求
由于上述计算选择GW4－110Ⅱ型户外隔离开关能满足要求。 2.4.3 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测量器件，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运行情况，其作用有
[9][10]
：
（a）将一次回路的高电压和高电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜，便于房内安装。
（b）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。
（1）电流互感器的选择： 电流互感器的一次侧工作电流应尽量接近额定电流 （a）220kV侧电流互感器 额定电流：IN≥Imax
661A
额定电压：UN≥Uw UN＝220kV
根据以上计算数据，可以初步选择LB7－220型电流互感器，其参数为：额定电流比12005，准确级次为0.5，二次负荷阻抗为2，1s热稳定倍数26.25，动稳定倍数67。
热稳定校验：Qd﹦I2∞tdz﹦10.862×4.37﹦515.40kA2.s
(KrIel)
2
2∞
2
﹦(26.25⨯1200)﹦992.25 kA2.s
2
即 (KrIel)＞Itdz 满足要求
elkd
1.2×67﹦113.7kA
icj﹦27.69kA
elkd＞icj 满足要求 （b）110kV侧电流互感器
额定电流：IN≥Igmax
﹦
1323A
额定电压：UN≥Uw﹦110kV
根据以上计算数据，可初步选择LB7－110W型电流互感器，其参数为：额定电流比2×12005，准确级次为0.5，二次负荷阻抗为2，1s热稳定倍数为30，动稳定倍数75。
热稳定校验：Qd﹦I2∞tdz﹦26.182×4.37﹦2995.16kA2.s (KrIel)﹦(30⨯2400)﹦1296kA2.s 即 (KrIel)＞I2∞tdz 满足要求
elkd
0.8276×75﹦87.78kA icj﹦66.76kA
elkd＞icj 满足要求 （2）电压互感器的选择 （a）220kV侧电压互感器
①选用Jcl－220电压互感器，单相串级油浸式全封闭结构，
其初级绕组额定电压为
2
2
2
，次级绕组额定电压为，准确级 0.5级，二次额定负荷为300VA，
其接成
。
②220kV输电线路侧，电压互感器采用单相电容式电压互感器，其初级绕组额定电压为
，次绕组额定电压为
，二次额定负荷200VA，准确级为0.5级，型式为
0.0075
H。
0.0075
（b）110kV侧电压互感器
①选用Jcl6－110电压互感器，单相串级油浸式全密封结构，其初级绕组额定电压为
，次级绕组额定电压
， 准确级0.5级，二次额定负荷为300A，其接成
。
②其110kV出线侧采用
0.01，单相单柱式，电容式电压互感器，其初级额定电压为
，次级额定电压为
， 准确级0.5级，二次额定负荷为150VA。
2.5 无功补偿及补偿装置的选择
由于本次设计的变电站为220kV降压变电站，补偿装置主要补偿负荷消耗的无功功率及平衡主变损耗，所以选择并联补偿装置。其特点：并联电容器是无功负荷的主要电源之一。它具有投资省，装设地点不受自然条件限制，运行简便可靠等优点，故一般首先考虑装设并联电容器。由于它没有旋转部件，维护也较方便，为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，分组投入或切除[15]。
按规定，变电所高压侧的cosϕ≥0.9，考虑到变压器本身的无功功率损耗∆QT远大于其有功功率损耗∆PT，一般∆QT﹦(4~5)∆PT，，因此变压器在低压侧无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应在0.90左右，这里取cosϕ'﹦0.9，Kd﹦0.8
P30﹦KdPN﹦0.8×200MW﹦160MW。
变压器的功率损耗由公式：
⎛S⎫1
∆Pb＝n∆P0+∆Pd 30⎪
n⎝Se⎭⎛S30⎫1
∆Qb＝n∆Q0+∆Qd ⎪
nS⎝e⎭
22
其中∆Q0=
I0%U%
Se，∆Qd=dSe， 计算可求得： 100100
1⎛160000⎫
∆Pb＝2⨯70+⨯320⨯ ⎪﹦424.4kW
2⎝120000⎭1⎛160000⎫
∆Qb＝2⨯960+⨯3240⨯ ⎪﹦4080kVar
2120000⎝⎭
110kV线路上的功率等于计算负荷与变压器损耗之和：
2
2
'﹦160＋0.424﹦160.424MW P30
'﹦136＋4.08﹦140.08MVar Q30
'
S30
212.97MVA
160.424
﹦0.752≤0.9
212.97
负荷所需补偿的最大无功容量计算：
此时功率因数cosϕ=
'(tanϕ-tanϕ') Qc＝Q30－Q'30＝P30
＝160.424MW×(0.578-0.464)﹦18.254MVar
补偿后的计算负荷：
'
(2)S30
201.438MVA
因此主变压器容量可改选为10000kVA。 此时变压器的功率损耗：
'∆PT﹦0.015S30(2) ﹦0.015×201.483﹦3.022MW
'(2) ∆QT﹦0.06S30
﹦0.06×201.483﹦12.089MVar
变压器高压侧的计算负荷：
'﹦160.424＋3.022﹦163.446MW P30(1)
'(1)﹦140.08＋12.089﹦152.169MVar Q30
'﹦176.23MVA P30(1
)
补偿后的功率因数：cosϕ＝
163.446
﹦0.927≥0.9 满足要求
176.23
2.6 变电所主变保护的配置
2.6.1 主变压器的主保护
（1）瓦斯保护
对变压器油箱内的出现各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它由于油箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器。
（2）差动保护
当变压器绕组和引出线上发生故障，以及发生匝间短路时，其保护瞬时动作，跳开各侧电源断路器。
2.6.2 主变压器的后备保护
毕业论文（设计）
220kV变电所设计
摘 要
变电所是电力转换站，用以提高或降低电压，并分配用电量。本选题所设计的是某220kV降压变电所电气部分规划设计，主要担任220kV及110kV两电压等级功率交换，把接受功率全部送往110kV侧线路。根据变电所的设计任务，对主变变压器容量、台数，电气主接线，电气设备及无功补偿装置进行了选择分析，对短路电流等主要参数进行了计算，在此基础上设计了相关保护系统，最后给出了电气总平面布置方案。
关键词：变电所；变压器；短路电流
ABSTRACT
The substation is a station that changes electric power, improves or reduces voltage, and distributes electricity consumption. The electrical planning and design of a 220kV dropping voltage transformer is carried on in this paper. Its main function is to exchange power between the 220kV and 110kV two voltage grades and to send all power accepted to 110kV。According to the substation design task, this paper analysis and choose the capacity and number of major transformer, the power main circuits, electrical equipment and reactive compensation device. Also the main parameters such as short-circuit current and so on are calculated. Above all, the protection system is designed and finally the electric general layout scheme is given.
Key words: substations；transformers；short-circuit current
目 录
1 变电所设计任务 ................................................... 1
1.1 变电所的规模 ............................................... 1 1.2 回路 ....................................................... 1 1.3 系统计算资料 ............................................... 1 2 变电所具体设计内容 ............................................... 2
2.1 主变压器容量，台数及形式的选择 ............................. 2 2.2 电气主接线的选择 ........................................... 3 2.3 短路电流计算 ............................................... 4 2.4 电气设备的选择 ............................................. 9 2.5无功补偿及补偿装置的选择 ................................... 15 2.6 变电所主变保护的配置 ...................................... 16 2.7 防雷保护的设计 ............................................ 17 2.8 接地装置的设计 ............................................ 18 2.9 电气总平面布置 ............................................ 18 3 总结 ............................................................ 19 参考文献 .......................................................... 20 附录 .............................................................. 21 谢辞 .............................................................. 23
1 变电所设计任务
本次所设计变电所以110kV侧向地区负荷供电，除220kV侧电源与系统联系之外，110kV侧电源的部分出线也与系统有联系。
1.1 变电所的规模
近期主变初步设为2×120MVA，电压比为22012110.5kV，容量比为10010050，本期工程一次建成，设计中留有扩建的余地，110kV出线共8回，一次建成。
1.2 回路
110kV的最大地区负荷，近期为200MW，远期300MW，负荷功率0.85,最大负荷利用小时数为5300小时,同时率为0.6,每回最大负荷见表1。
表1 变电所输出功率表
1.3 系统计算资料
系统阻抗，当取基准容量S1 ﹦100MVA，基准电压U1为各级电压平均值（230，115，
37，10.5„„）时,系统的阻抗按两台变压器的总阻抗考虑，如图1所示。
图1 系统阻抗简化图
2 变电所具体设计内容
2.1 主变压器容量，台数及形式的选择
我们所设计的变电所是市郊220kV降压变电所，它是以220kV受功率为主。把所受的功率通过变压器输送至110kV及10kV母线上。若全所停电后，将引起下一级变电所与地区电网瓦解，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，避免一台主变压器故障或检修时影响供电，变电所中一般装设两台主变压器。
主变容量一般按变电所建成近期负荷考虑，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后的允许时间内，保证用户的一级和二级负荷正常运行，对一般性能的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证承担全部负荷的70%～80%[1,4]。该变电所是按承担70%的全部负荷来选择。因此，装设两台变压器变电所的总装容量为：∑SN﹦2×0.7PM﹦1.4PM。
110kV侧负荷为最大地区负荷，近期200MW，同时率为0.6。其中一台事故停用后，其余主变的容量应保该所全部负荷的60％以上。
表2 变电所内部消耗功率
∵S =∑P1＋∑P2
即第一段母线总容量：
S1﹦0.85(P1+P2+P2)＋P4＋P5
﹦0.85(34.92+42.6+15)＋43.8＋27.13﹦149kVA
第二段母线总容量：
S2﹦0.85(P2+P3)+P4+P5
﹦0.85(46.9+15)＋43.92＋25.57﹦124.1kVA
故变电站所用变的总容量为：
S总﹦S1＋S2
﹦149＋124.1﹦273.1kVA
因选择两台主变压器，选择型号为：OSFPS7 —120000220，其参数：
额定电压：高压220±2×2.5%kV，中压121kV，低压10.5kV；阻抗电压%：高-中28-34%，高-低：8-10%，中-低：18-24%；容量比为：10010050；联结组标号：Y0Y0△-12-11；空载电流：0.8％；空载损耗：70kW；短路损耗：320kW。
2.2 电气主接线的选择
主接线是变电所电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，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。变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，
并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求[5,6]。
为了保证双母线配电装置，在对进出线断路器检修时（包括其保护装置和检修及调试），不中断对用户的供电，可增设旁路母线，或旁路断路器。根据可靠性、灵活性和经济性的原则，我们采取以下方案：220kV、110kV都采用双母带旁路，并且设计专用的旁路断路器，使检修或故障时，不致破坏双母接线的固有运行方式，及不影响停电[2,5]。
其接线方式的特点：双母线带旁母，并设专用的旁路断路器，其经济性相对提高，而且保证了各段出线断路器检修和发生故障时不致影响供电，也不会破双母运行的特性，继电保护也比较容易配合，相对来说可靠性也提高了[3]。
2.3 短路电流计算
（1）在短路计算的基本假设前提下，取S1﹦100MVA，UB﹦UA
系统阻抗归算到基准容量：S1﹦100MVA，由原始资料可知220kV侧系统阻抗为0.0328，110kV侧为0.0502，即系统图1。
（2）计算参数
由所选择变压器的参数可得：
表3 各绕组等值电抗
Us(1-2)﹪取10％，Us(2-3)％取20％，US(3-1)﹪取30％，
Us1﹪﹦
1
U%+Us(2-3)%-Us(3-1)% 2s(1-2)
()
﹦
Us2﹪＝
1
(10+30-20)﹦10 2
1U%+Us(3-1)%-Us(2-3)% 2s(1-2)
()
﹦
Us3﹪﹦
1
(10+20-30)﹦0 2
1
Us(2-3)%+Us(3-1)%-Us(1-2)% 2
()
﹦
各绕组等值电抗标幺值为：
1
(20+30-10)﹦20 2
X1﹦﹦
US1%Sj
× 100Sn
10100×＝0.083 100120
X2﹦﹦
US2%Sj
× 100Sn
0100×﹦0 100120
X3﹦﹦
US3%Sj
× 100Sn
20100×﹦0.167 100120
（3）根据系统图可以制订系统网络图2如下：
图2 系统简化网络图
（4）根据等值网络进行简化及计算
a.当220kV母线发生三相短路，即d1点短路时，其等值网络为图3：
图3 d1点短路等值网络图
把X1∥X2∥X3计为X6即
X6﹦X1∥X2∥X3﹦0.083∥0.083∥0.083﹦0.028
把X4 ＋X5 计为X6即
X7﹦X5 ＋X6
﹦0.0502＋0.028﹦0.0782 Id1#﹦
11
＋ 0.03280.0782
﹦43.28
换算到220kV短路电流有名值
I''﹦ Id1#
﹦43.28
﹦10.86kA
取Kch﹦1.8
短路电流全电流最大有效值
Ich
''''﹦1.51I''
Ic﹦1.51×10.39﹦16.29kA
当不计周期分量衰减时 冲击电流：
ichchI
''1.87I''﹦2.55I''﹦2.55×10.86﹦27.69kA
短路容量：
SbI
''230⨯10.86﹦4326.2MVA
b.当110kV母线发生三相短路时，即d2点短路时，其等值网络为图4。
图4 d2点短路等值网络图
X6﹦X1∥X2∥X3﹦0.028
把X4＋X6﹦X7 即：
X7﹦X4＋X6﹦0.0328＋0.028﹦0.0608 Id2﹦
11
＋﹦52.16 0.06080.0502
换算到110kV的短路电流有名值：
I''﹦Id2﹦52.16﹦26.18kA 短路电流全电流最大有效值：
Ich﹦1.51I''﹦1.51×26.18﹦39.53kA
短路电流的冲击值：
ich﹦2.55I﹦2.55×26.18﹦66.76kA
短路容量为：
SbI'115×26.18﹦5214.5MVA
c.10kV母线发生三相短路，即d3点短路时，它的等值网络如图5。
图5 d3点短路等值网络图
.
把X1∥X2∥X3﹦X9 X4∥X5∥X6﹦X10
X9﹦X1∥X2∥X3﹦0.28 X10﹦X4∥X5∥X6﹦
0.167
﹦0.0557 3
X11﹦X7＋X9﹦0.0328＋0.028﹦0.0608
把X11、X8、X10星形变换成三角形，即：
X12﹦X11＋X10＋
﹦0.0608＋0.0557＋
X11X10
X5
0.0608⨯0.0557
﹦0.184
0.0502
X13﹦X8＋X10＋
﹦0.0502＋0.0557＋
Id3*﹦
换算到10kV侧有名值
I″﹦Id3*
X8X10
X11
0.0502⨯0.0557
﹦0.152
0.0608
11
＋﹦12.01 0.1840.152
b﹦12.01
﹦66.04kA
短路电流全电流最大有效值及冲击值：
Ich﹦1.51I''﹦1.51×66.04﹦99.72kA
ich﹦2.55I''﹦2.55×66.04﹦168.4kA
短路容量：
S
bI''
10.5×66.04﹦1201.00MVA
表4 各短路点计算数据
2.4 电气设备的选择
导体和电器的选择是变电所设计的主要内容之一，正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济的重要条件。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，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备[6,7]。 2.4.1 断路器的选择
变电所中，高压断路器是重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和断开负荷电流，在电气主接线中，还担任改变主接线运行方式的任务。故障时，断路器通常和继电器配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。
高压断路器应根据断路器的安装地点、环境和使用技术条件等要求选择其种类及型式，由于真空断路器、SF6断路器与少油断路器相比，可靠性更好，维护工作量更少，灭弧性能更高，目前得到普遍推广。故35～220kV一般采用SF6断路器。真空断路器只适
应于10kV电压等级，10kV采用真空断路器[12]。
（1）220kV侧断路器 （a）额定电压选择：
Umax≥UN＝220×1.15＝253kV
（b）额定电流选择：IN＞Igmax
考虑到变压器在电压降低5%时其输出功率保持不变，所以相应回路的Igmax﹦1.05IN
即：Igmax
﹦0.661kA
（c）按开断电流选择：Iekd≥I'﹦10.86 kA 即Iekd≥10.86kA （d）按短路关合电流选择：ieg≥ich﹦27.69kA 即ieg≥27.69kA
根据以上数据可以初步选择LW6－220型SF6断路器，其参数如下：额定电压220kV，最高工作电压245kV，额定电流3150A，额定开断电流为40kA，短路关合电流55kA，动稳定电流峰值55kA，4s热稳定电流40kA，固有分闸时间0.042s，合闸时间0.2s，全开断时间0.075s。
（e）校验热稳定，取后备保护为5s
td ﹦tkd＋tb﹦0.075＋5﹦5.07s
β'﹦
I''
﹦1 I∞
因td＞1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间曲线，查得tz﹦4.3s
tdz﹦(td-5)＋tz﹦(5.07-5)＋4.3﹦4.37s Qd﹦I2×dz﹦10.862×4.37﹦515.40kA2s
Qr﹦Ir2t﹦402×4﹦5400kA2s
即Qr > Qd 满足要求 Ir
≥I﹦10.864.37/4 ﹦10.95＜40满足要求
（f）检验动稳定：icj≤idw
icj﹦27.69＜55 满足要求 故选择户外LW6－220型SF6断路器能满足要求。
（2）110kV侧断路器
考虑到2台主变压器及一定的交换功率
（a）额定电压：UN≥Ugmax Ugmax﹦1.15×110﹦126.5kV；
（b）额定电流：IN≥Igmax
Igmax
﹦1.323kA；
（c）按开断电流选择：Iekd≥I''﹦26.18KA 即Iekd≥26.18kA； （d）短路关合电流：ieg≥icj﹦66.76kA 即ieg≥66.76KA；
根据以上数据可以初步选择SW6－110I型少油断路器，其参数为：最高工作电压126kV，额定电流2000A，额定开断电流31.5kA，短路关合电流80kA，动稳定电流峰值80KA，4s热稳定电流35kA，固有分闸时间为0.035s，合闸时间0.2s，全开断时间0.06s。
（e）检验热稳定，取后备保护为5s
td'﹦tkd'＋tb﹦0.06＋5﹦5.06s
β'﹦
I''
﹦1 I∞
因td>1，故不考虑非周期分量，查周期分量等值时间表，查得tz﹦4.3s
'﹦td'-5＋tz(5.06-5)＋4.3﹦4.36s tdz
()
'2﹦26.182×4.36﹦2988.3KA2s Qd﹦tdz
Qr﹦Ir2t﹦31.52×4﹦3969KA2s
即Qr＞Qd 满足要求
由以上计算表明选择户外SW6－110I少油断路器能满足要求 2.4.2 隔离开关的选择
隔离开关装设在主接线上时，保证了在线路及设备检修时形成明显的断口，与带电部分隔离。由于隔离开关没有灭弧装置并且分断能力低，所以操作隔离开关时，必须遵守倒闸操作顺序。送电时首先合上母线隔离开关，其次合上线路侧隔离开关，最后合上断路器，停电则与上述相反。
隔离开关的配置：
（1）断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时形成明显的断口，与电源侧隔离；
（2）中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；
（3）接在母线上的避雷器和电压互感器宜合用一组隔离开关，为了保证电器和母线的检修安全，每段母线上宜装设1～2组接地刀闸或接地器。63kV及以上断路器两侧和
线路的隔离开关，应尽量选用一侧或两侧带接地刀闸[11]；
（4）接在变压器引出线或中性点上的避雷器可不装设隔离开关。
选择隔离开关方法与选择断路器相同，其校验有所不同。为了维护及操作方便，同理220kV、110kV、10kV都选同类型。
（1）220kV侧隔离开关
（a）UN≥Umax Umax﹦1.25UN UN≥1.15×220﹦253kV （b）额定电流：IN≥Igmax
﹦
﹦661A
根据以上数据，可以初步选择户外GW7－220DW型隔离开关，其参数如下：额定电压220kV，3s热稳定电流为32kA，并带接地刀闸。
（c）校验热稳定：td﹦tkd＋tb﹦0.07＋5﹦5.07s 跟断路器一样：tdz﹦4.37s
Qd﹦I'2×tdz﹦10.862×4.37﹦515.40kA2.s
Qr﹦Ir2.t﹦322×3﹦3072kA2.s
Qr≥Qd 满足要求
（d）校验动稳定：icj≤idw icj﹦27.69KA idw﹦80kA 即：idw＞icj 满足要求
由上述计算表明，选择GW7－220DW型隔离开关能满足要求。
（2）110kV侧隔离开关
（a）额定电压：UN≥Umax﹦1.5×110﹦126.5kV （b）额定电流：IN≥Igmax
﹦
1.05⨯2⨯120
﹦1323A
3⨯110
根据以上计算数据可以初步选择户外GW5－110型隔离开关，其参数如下：额定电压110kV，最高工作电压126kV，额定电流2000A，动稳定电流100kA，4s热稳定电流有效值31.5kA。
（c）检验热稳定，同110kV侧断路器相同tzd'﹦4.36s 即：
Qd﹦I2∞tzd'﹦26.182×4.36﹦2988.3KA2.s Qr﹦Ir2tzd'＝31.52×4.36＝3969kA2s
Qr＞Qd 满足要求 （d）检验动稳定：icj≤idw
icj﹦66.76kA idw﹦100kA
即：idw＞icj 满足要求
由于上述计算选择GW4－110Ⅱ型户外隔离开关能满足要求。 2.4.3 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测量器件，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运行情况，其作用有
[9][10]
：
（a）将一次回路的高电压和高电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜，便于房内安装。
（b）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。
（1）电流互感器的选择： 电流互感器的一次侧工作电流应尽量接近额定电流 （a）220kV侧电流互感器 额定电流：IN≥Imax
661A
额定电压：UN≥Uw UN＝220kV
根据以上计算数据，可以初步选择LB7－220型电流互感器，其参数为：额定电流比12005，准确级次为0.5，二次负荷阻抗为2，1s热稳定倍数26.25，动稳定倍数67。
热稳定校验：Qd﹦I2∞tdz﹦10.862×4.37﹦515.40kA2.s
(KrIel)
2
2∞
2
﹦(26.25⨯1200)﹦992.25 kA2.s
2
即 (KrIel)＞Itdz 满足要求
elkd
1.2×67﹦113.7kA
icj﹦27.69kA
elkd＞icj 满足要求 （b）110kV侧电流互感器
额定电流：IN≥Igmax
﹦
1323A
额定电压：UN≥Uw﹦110kV
根据以上计算数据，可初步选择LB7－110W型电流互感器，其参数为：额定电流比2×12005，准确级次为0.5，二次负荷阻抗为2，1s热稳定倍数为30，动稳定倍数75。
热稳定校验：Qd﹦I2∞tdz﹦26.182×4.37﹦2995.16kA2.s (KrIel)﹦(30⨯2400)﹦1296kA2.s 即 (KrIel)＞I2∞tdz 满足要求
elkd
0.8276×75﹦87.78kA icj﹦66.76kA
elkd＞icj 满足要求 （2）电压互感器的选择 （a）220kV侧电压互感器
①选用Jcl－220电压互感器，单相串级油浸式全封闭结构，
其初级绕组额定电压为
2
2
2
，次级绕组额定电压为，准确级 0.5级，二次额定负荷为300VA，
其接成
。
②220kV输电线路侧，电压互感器采用单相电容式电压互感器，其初级绕组额定电压为
，次绕组额定电压为
，二次额定负荷200VA，准确级为0.5级，型式为
0.0075
H。
0.0075
（b）110kV侧电压互感器
①选用Jcl6－110电压互感器，单相串级油浸式全密封结构，其初级绕组额定电压为
，次级绕组额定电压
， 准确级0.5级，二次额定负荷为300A，其接成
。
②其110kV出线侧采用
0.01，单相单柱式，电容式电压互感器，其初级额定电压为
，次级额定电压为
， 准确级0.5级，二次额定负荷为150VA。
2.5 无功补偿及补偿装置的选择
由于本次设计的变电站为220kV降压变电站，补偿装置主要补偿负荷消耗的无功功率及平衡主变损耗，所以选择并联补偿装置。其特点：并联电容器是无功负荷的主要电源之一。它具有投资省，装设地点不受自然条件限制，运行简便可靠等优点，故一般首先考虑装设并联电容器。由于它没有旋转部件，维护也较方便，为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，分组投入或切除[15]。
按规定，变电所高压侧的cosϕ≥0.9，考虑到变压器本身的无功功率损耗∆QT远大于其有功功率损耗∆PT，一般∆QT﹦(4~5)∆PT，，因此变压器在低压侧无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应在0.90左右，这里取cosϕ'﹦0.9，Kd﹦0.8
P30﹦KdPN﹦0.8×200MW﹦160MW。
变压器的功率损耗由公式：
⎛S⎫1
∆Pb＝n∆P0+∆Pd 30⎪
n⎝Se⎭⎛S30⎫1
∆Qb＝n∆Q0+∆Qd ⎪
nS⎝e⎭
22
其中∆Q0=
I0%U%
Se，∆Qd=dSe， 计算可求得： 100100
1⎛160000⎫
∆Pb＝2⨯70+⨯320⨯ ⎪﹦424.4kW
2⎝120000⎭1⎛160000⎫
∆Qb＝2⨯960+⨯3240⨯ ⎪﹦4080kVar
2120000⎝⎭
110kV线路上的功率等于计算负荷与变压器损耗之和：
2
2
'﹦160＋0.424﹦160.424MW P30
'﹦136＋4.08﹦140.08MVar Q30
'
S30
212.97MVA
160.424
﹦0.752≤0.9
212.97
负荷所需补偿的最大无功容量计算：
此时功率因数cosϕ=
'(tanϕ-tanϕ') Qc＝Q30－Q'30＝P30
＝160.424MW×(0.578-0.464)﹦18.254MVar
补偿后的计算负荷：
'
(2)S30
201.438MVA
因此主变压器容量可改选为10000kVA。 此时变压器的功率损耗：
'∆PT﹦0.015S30(2) ﹦0.015×201.483﹦3.022MW
'(2) ∆QT﹦0.06S30
﹦0.06×201.483﹦12.089MVar
变压器高压侧的计算负荷：
'﹦160.424＋3.022﹦163.446MW P30(1)
'(1)﹦140.08＋12.089﹦152.169MVar Q30
'﹦176.23MVA P30(1
)
补偿后的功率因数：cosϕ＝
163.446
﹦0.927≥0.9 满足要求
176.23
2.6 变电所主变保护的配置
2.6.1 主变压器的主保护
（1）瓦斯保护
对变压器油箱内的出现各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它由于油箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器。
（2）差动保护
当变压器绕组和引出线上发生故障，以及发生匝间短路时，其保护瞬时动作，跳开各侧电源断路器。
2.6.2 主变压器的后备保护