220KV变电站主接线设计.doc

目 录摘要IIIAbstractIV第1章 前言- 1 -第2章 主接线设计- 2 -2.1电气主接线的选择原则和要求- 2 -2.1.1概述- 2 -2.1.2电气主接线的要求- 2 -2.1.3电气主接线选择的主要原则- 3 -2.2电气主接线的基本形式- 3 -2.2.1单母线接线- 3 -2.2.2单母线分段接线- 4 -2.2.3单母线带旁路接线- 4 -2.2.4单母线分段带旁路接线- 4 -2.2.5双母线不分段接线- 4 -2.2.6双母线带旁路母线接线- 4 -2.2.7桥形接线- 4 -2.3主接线的选择- 5 -第3章 站用电接线及备用电源接线方案- 6 -3.1站用电源数量及容量- 6 -3.2站用电源引线方式- 6 -3.3站用变压器低压侧接线- 6 -3.4站用电接线- 7 -3.5备用电源- 7 -第4章 主变压器的选择- 8 -4.1变压器的介绍- 8 -4.1.1概述- 8 -4.1.2三相三绕组变压器- 8 -4.2主变压器容量和台数的确定- 8 -4.2.1原始资料- 8 -4.2.2主变压器台数的选- 9 -4.2.3主变压器容量的选择- 9 -4.2.4容量选择计算部分- 10 -4.2.5主变压器技术参数选择- 12 -4.2.6主变压器型号选择- 13 -4.3主变压器抗短路能力的选择- 13 -4.3.1抗短路动稳定能力- 13 -4.3.2抗短路热稳定能力- 14 -第5章 短路电流计算- 15 -5.1短路电流- 15 -5.1.1概述- 15 -5.1.2短路故障的危害- 15 -5.1.3短路电流计算的目的- 16 -5.1.4短路电流计算的一般原则- 16 -5.2短路电流计算- 16 -5.2.1基本数据- 16 -5.2.2短路电流计算- 17 -第6章 高压设备的选择- 20 -6.1高压设备选择的一般原则及技术要求- 20 -6.1.1电气设备选择的一般原则- 20 -6.1.2技术条件- 20 -6.2断路器选择- 21 -6.2.1几种断路器比较- 21 -6.2.2断路器选择及校验- 21 -6.3隔离开关选择- 24 -6.3.1隔离开关的用途- 24 -6.3.2选用隔离开关的原则- 25 -6.3.3 隔离开关选择- 25 -6.4互感器选择- 27 -6.4.1互感器概述- 27 -6.4.2电流互感器选择的一般原则- 27 -6.4.3电流互感器选择- 29 -6.4.5电压互感器选择的一般原则- 30 -6.4.6电压互感器选择- 31 -6.5其他高压设备选择- 32 -6.5.1高压熔断器的选择- 32 -第7章 母线的选择- 34 -7.1220KV主母线的选择- 34 -7.2110KV主母线的选择- 35 -7.335KV主母线的选择- 35 -第8章 防雷及过电压保护装置选择- 38 -8.1过电压及其危害- 38 -8.2间隙保护及避雷器的选择- 38 -8.2.1 间隙保护- 38 -8.2.2避雷器- 39 -8.2.3 避雷器选择- 39 -结束语- 43 -参考文献- 44 -致 谢- 45 -附 录- 46 -V220KV变电站主接线设计电子信息工程学院 电气051502 李 勇 指导教师：潘 峰摘要：本次设计以220KV地区变电站为例，论述了电力系统工程中变电站部分电气设计（一次部分）的全过程。通过对变电站的主接线设计，站用电接线设计，主变压器选择，短路电流计算，主要电气设备型号及参数的确定，电气设备动、热稳定校验，防雷及过电压保护装置的设计，较为详细地完成了电力系统中变电站一次系统的设计。该变电站采用三台主变压器，近期上两台，一台备用，分为三个电压等级，分别为：220KV、110KV、35KV。关键词：变电站，短路电流，动、热稳定性，过电压及防雷保护The Main Wiring Design of 220KV Transformer SubstationSchool of Electronical Engineering Electricity engineer and automation Li yong Director :Pan fengAbstract: Taking the 220KV district transformer substation as an example, this design elaborated entire process of the transformer substation electricity design in the electrical power system project. This paper includes the main wiring design of the transformer substation, the wring design using for the electricity station, the main transformer choice, the short-circuit current computation, the main electrical equipment model and the parameter determination, the electrical equipment dynamic-thermal stability verification, overvoltage and lightning protection installment .After this ,the specific design of primary system of a transformer substation has been achieved. Three main transformers are chosen for this transformer substation. Two of them will be installed in the near future, and the other is spare. Three voltage ranks can be converted, respectively as follows: 220KV, 110KV, 35KV.Key words: Transformer substation, Short-circuit currents, Dynamic-thermal stability, Overvoltage and lighting protection 第1章 前言电力工业是国民经济发展战略中的重点和先行行业，在国民经济中占有十分重要的地位，它的发展，是社会进步和人民物质文化生活现代化的需要。电能是一种十分重要的二次能源，它由蕴藏于自然界的煤、石油等一次能源转换而来，又可以方便地转换成机械能、光能等其他形式的能量供人们使用。因此，电能已成为工业、农业、交通运输、国防科技及人民生活等各方面不可缺少的能源。同时，电力工业的发展水平，也是一个国家经济发达程度的重要标志。因此，电力工业必须优先于其他工业部门的发展而发展，只有这样，国民经济各部门才能够快速而稳定地发展。我国具有极其丰富的能源。这些优越的自然条件为我国电力工业的发展提供了良好的物质基础。新中国成立以来，尤其是随着改革开放的深入发展，我国电力工业的发展迅猛。到2000年，我国电力工业已跃升世界第2位，电力工业的发展为我国国民经济的高速发展做出了巨大的贡献。2008年底，我国首条1000KV特高压线路（晋东南-南阳-荆门）正式试运行，标志着我国电力工业进入了新的时代。但是，随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电力工业的发展仍不能满足整个社会发展的需要。发电容量、电能质量、电能运输、经济运行等方面还亟待加强和改进。因而，要实现在21世纪初全面建设小康社会的要求，我国的电力工业必须持续、稳步地大力发展，一方面是要大力加强电源建设，搞好“西电东送”，以确保电力先行，另一方面，要继续深化电力体制改革，实施厂网分开、竞价上网，并建立起符合社会主义市场经济法则的、规范的电力市场。变电站的运行和维护在电力系统中占有重要地位。目前，220KV变电站仍是我国绝大部分地区的枢纽变电站。因此，搞好220KV变电站的设计、运行、维护和检修有着现实意义。第2章 主接线设计2.1电气主接线的选择原则和要求2.1.1概述变电所电气主接线根据变电所电能输送和分配的要求，表示主要电气设备相互之间的直接关系，以及本变电所与电力系统的电气连接关系，通常以单线图表示。常用的主接线方式有：单母线接线、单母线分段接线、单母线分段带旁路母线接线、双母线接线、双母线带旁路接线、双母线分段接线、双母线分段带旁路母线接线、桥式接线等。电气主接线通常是根据变电所在电力系统中的地位和作用，首先满足电力系统的安全运行与经济调度的要求，然后根据规划容量、供电负荷、电力系统短路容量、线路回路数以及电气设备特点等条件确定，并具有相应的可靠性、灵活性和经济性。2.1.2电气主接线的要求 1、基本要求 对电气主接线的基本要求是：可靠性、灵活性和经济性。（1）可靠性各级电压变电所电气主接线的可靠性要与电力系统的可靠性相协调。当任意电气设备发生单一故障时，要避免电力系统发生非同步运行，避免发生频率崩溃和电压崩溃的事故。因此要考虑以下的可能情况：故障时断路器拒绝动作；故障继电保护装置和自动装置误动作；发生多重性故障。 （2）灵活性变电所电气主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。（3）经济性为了节省变电所的建设投资，电气主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次电气设备。2、具体要求（1）按变电所在电力系统中的地位和作用选择。电力系统中一般分为枢纽变电所、地区变电所、一般变电所、终端变电所以及用户变电所。本次设计为地区变电所。（2）考虑变电所近期和远期的发展规划。变电所的电气主接线选择应根据地方经济及电网5-10年发展规划进行选择设计，能够适应分期建设和方便扩建。（3）按负荷性质和大小来选择。在选择变电所电气主接线时，应该考虑该变电所供电负荷的重要性及供电负荷的大小等因素。同时要考虑地区电力负荷的分布情况、负荷增长速度和今后规划建设的发展趋势。对于一级负荷和绝大部分的二级负荷要保证不间断供电。（4）按变电所主变压器台数和容量选择。变压器的台数和容量能满足规划期间供电负荷的需要，并能满足当变压器故障或检修时供电负荷的需要。220KV变电所最终建设规模一般为三台，单台主变压器容量可取120MVA-180MVA。（5）当变电所中出线三级电压且中压或低压侧符合超过变压器额定容量的15%时，通常采用三绕组变压器。（6）当母线上电压变化较大而且不能用增加无功补偿容量来调整电压时，为了保证电压质量，则采用有载调压变压器。（7）如果不受运输条件的限制，变压器采用三相式，否则选用单相变压器组。（8）各级电压的规划短路电流不能超过所采用断路器的额定开端电流。2.1.3电气主接线选择的主要原则 1、变电所主接线要与变电所在系统中的地位、作用相适应。根据变电所在系统中的地位，作用确定对主接线的可靠性、灵活性和经济性的要求。 2、变电所主接线的选择应考虑电网安全稳定运行的要求，还应满足电网出故障时应处理的要求。 3、各种配置接线的选择，要考虑该配置所在的变电所性质，电压等级、进出线回路数、采用的设备情况，供电负荷的重要性和本地区的运行习惯等因素。 4、近期接线与远景接线相结合，方便接线的过程。 5、在确定变电所主接线时要进行技术经济比较。2.2电气主接线的基本形式2.2.1单母线接线单母线接线形式的主接线主要优点是接线简单、清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。该接线方式的主要缺点是供电可靠性差，运行不够灵活，当母线及母线隔离开关等设备故障或检修时，均需要将整个配电装置停电，影响供电。2.2.2单母线分段接线单母线分段接线方式有用隔离开关分段、用断路器分段两种。该接线方式由双电源供电，故供电可靠性较高，同时具有接线简单、操作方便、投资较少等优点。当一段母线发生故障时，分段断路器将故障切除，保证正常段母线不间断地供电，不致使重要用户停电，提高了供电的可靠性。该接线方式的缺点是，当一端母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。2.2.3单母线带旁路接线单母线带旁路界限的最大优点是供电可靠性高。短路故障检修时，可不停负荷进行检修，供电可靠，运行灵活，适用于向重要用户供电，出线回路较多的变电站尤为适用。2.2.4单母线分段带旁路接线单母线分段带旁路母线的接线方式，采用主母线分段断路器和旁路母线断路器，供电可靠性更高，运行更加灵活。旁路母线是为检修断路器而设的。 2.2.5双母线不分段接线双母线不分段接线这种接线方式具有许多优点，供电可靠，通过两组母线隔离开关的刀闸操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断。一组母线故障后，能迅速恢复供电。检修任意回路的母线隔离开关，只停该回路。这种接线方式调度更加灵活，当双母线的两组母线同时工作时，通过母线联络断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上。这种接线方式的缺点是当母线故障或检修时，将隔离开关进行倒闸操作，容易发生操作事故。为了防止误操作隔离开关，须在隔离开关和断路器之间装设可靠的连锁装置。2.2.6双母线带旁路母线接线双母线带旁路母线的接线方式，最大的优点是提高供电的可靠性，当出现断路器需要停电检修时，可将专用旁路断路器投运，是旁路母线带电，从而将检修断路器的出线由旁路母线供电。220KV变电所可采用这种双母线分段带旁路母线的接线方式，近年来，随着SF6断路器和气体绝缘金属封闭开关设备的普遍使用，旁路母线的使用越来越少。2.2.7桥形接线1、内桥接线变电所由双电源供电，安装两台主变压器，一般可选用内桥接线，其优点是线路的投入和切除比较方便。当线路发生故障时，仅线路断路器断开，不影响其他回路运行。缺点是当变压器发生故障时，与该台变压器相连的两台断路器都断开，从而影响了其他未发生故障线路的运行。2、外桥接线外桥接线的特点是当线路发生故障时，需动作与之相连的两台断路器，从而影响一台未发生故障的变压器运行。因此，外桥接线只能用于线路短、检修和故障较少的线路中。2.3主接线的选择对比这几种接线方式，结合该变电站的用途，考虑经济运行及安装、维护费用，主接线选择如下：220KV选用双母线接线，一次建成，接线图见图2-1；110KV选用双母线接线，一次建成；接线图见图2-1；35KV选用单母线分段带旁路母线接线，一次建成，接线图见图2-2。图2-1 双母线不分段接线方式 图2-2 单母线分段带旁路接线方式第3章 站用电接线及备用电源接线方案3.1站用电源数量及容量1) 枢纽变电所总容量为60MVA及以上的变电所装有水冷却或强迫油循环冷却的主变压器以及装有同步调相机的边点所，均装设两台所用变压器。采用整流操作电源或无人值班的变电所,装设两台所用变压器,分别接在不同等级的电源或独立电源上。如果能够从变电所外引入可靠的380V备用电源，上述变电所可以只装设一台所用变压器。2) 500KV变电所装设两个工作电源。当主变压器为两台时，可以分别接在每一台主变压器的第三绕组上。两台所用变压器的容量应相等，并按全所计算负荷来选择。当建设初期只有一台主变压器时,可只接一台工作变压器.3) 当设有备用所用变压器时,一般均装设备用电源自动投入装置.3.2站用电源引线方式1) 当所内有较低电压母线时,一般均由这类母线上引接12个所用电源,这一所用电源引接方式具有经济和可靠性较高的特点。如能由不同电压等级的母线上可分别引接两个电源,则更可保证所用电的不间断供电.当有旁路母线时,可将一台所用变压器通过旁路隔离开关接到旁路母线上。正常运行时,则倒换到旁路上供电.2) 由主变压器第三绕组引接,所用变压器高压侧要选用大断流容量的开关设备，否则要加装限流电抗器。3) 由于低压网络故障机会较多,从所外电源引接所用电源可靠性较低.有些工程保留了施工时架设的临时线路，多用于只有一台主变压器或一段低压母线时的过度阶段.500KV变电所多由附近的发电厂或变电所引接专用线作为所用电源.3.3站用变压器低压侧接线所用电系统采用380/220V中性点直接接地的三相四线制,动力与照明合用一个电源. 1) 所用变压器低压侧多采用单母线接线方式.当有两台所用变压器时,采用单母线分段接线方式，平时分列运行，以限制故障范围,提高供电可靠性. 2) 500KV变电所设置不间断供电装置，向通讯设备交流事故照明及监控计算机等负荷供电,其余负荷都允许停电一定时间,故可不装设失压启动的备用电源自投装置,避免备用电源投合在故障母线上扩大为全所停电事故. 3) 具备条件时,调相机专用负荷优先采用由所用变压器低压侧直接供电的方式.3.4站用电接线站用电接线应按照运行、检修和施工的要求，考虑全厂发展规划，积极慎重地采用成熟的新技术和新设备，使设计达到经济合理、技术先进、安全、经济地运行。变电站的站用电源，是保证正常运行的基本电源，通常不少于两个。其引接方式有两种：一种是从母线侧引入，另一种是从主变低压侧引入。本站由于没有具体说明，因此采用通过断路器和隔离开关从低压侧引入。本次设计是用三台500KVA变压器接入，查手册，选出站用变，如表3-1所示：表3-1 站用变选择型号高压低压组别空载损耗负载损耗空载电流S500/3535KV0.4KVY，yn01.087.701.9A3.5备用电源站用备用电源用于工作电源因事故或检修而失电时替代工作电源，起后备作用。备用电源应具有独立性和足够的容量，最好能与电力系统紧密联系，在全厂停电情况下仍能从系统取得备用电源。备用分为名备用和暗备用。本站是地区性变电所。所以，采用暗备用的方式，两台变压器相互备用，当一台退出运行时，由另一台承担负荷。第4章 主变压器的选择4.1变压器的介绍4.1.1概述县市级电网、110KV农村变电站、220KV郊区变电所一般都采用三个电压等级供电。随着电网的发展与要求也出现了较多的三项三绕组变压器。当每侧通过的负荷超过变电站总容量的15%以上时，一般采用三绕组变压器供电，比用两个双绕组的变压器供电，不但提高了供电的可靠性、灵活性，而且制造上节省了变压器材料，运行上降低了电能损耗。本次设计由三个电压等级，因此，采用三相三绕组变压器。4.1.2三相三绕组变压器1、绕组连接方式三绕组变压器的标准连接组别标号一般为YN yn0 d11。220KV侧绕组为星形联结，中性点直接接地，110KV侧绕组为星形联结，中性点经消弧线圈或避雷器接地，35KV侧绕组为三角形联结。2、运行方式三绕组变压器的运行方式一般为高压侧向中亚侧和低压侧供电。当220KV侧电源进线停电检修时，才考虑由中压110KV侧向变电所供电。4.2主变压器容量和台数的确定4.2.1原始资料220KV侧电源进线两回，一回备用；110KV侧负荷： 本期6回 最大负荷130MW 最小负荷100MW 远期8回 最大负荷200MW 最小负荷160MW35KV侧负荷：本期8回 最大负荷100MW 最小负荷60MW 远期12回 最大负荷150MW 最小负荷100MW功率因数：4.2.2主变压器台数的选择 变电所主变压器台数的选择，应根据地区供电条件、负荷性质、供电负荷大小、运行方式、供电可靠性等条件进行综合性分析比较后确定。变电所当一台变压器退运时，其余变压器必须保证向下一级配电网供电，即满足N-1的电网安全供电原则，满足变电所供电的可靠性。35-220KV变电所一般应配置两台或以上变压器，当一台变压器退运是，其负荷自动转移至正常运行的变压器，此时变压器的负荷不应超过其短路时允许的过载容量，以及通过电网操作将变压器的过载部分转移至冲压电网。负荷这种要求的变压器运行率可用式（4-1）计算，即 (4-1)式中 T变压器运行率； K变压器短路时的允许过载率； N变压器台数； P单位变压器额定容量、当变压器过载率K=1.3，过载时间为2h，按式（3-1）计算变压器的运行率为：N=2时，T=65%；N=3时，T=87%； N=4时，T=100%。变压所中变压器越多，其利用率愈高，供电可靠性也愈高。变电所主变压器台数不宜少于两台，最多不易多余4台，一般情况系下，3台主变压器就能满足供电要求。在本设计中，选择3台主变压器，本期上2台，一台备用。4.2.3主变压器容量的选择1、按电网发展规划选择主变压器容量 主变压器容量一般按变电所建成后5-10年的发展规划负荷选择，并适当考虑到远期10-20年的负荷发展。对于城市郊区变电所，选择的主变压器容量英语城市发展规划相结合。2、按电压等级选择主变压器容量 变电所主变压器容量选择的一般原则为电压等级高，变电所密度低，主变压器的容量就要选择大些。3、根据变电所所带负荷的性质和电网结构来选择主变压器的容量对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力时，在允许的时间内应保证用户的一级和二级负荷供电；对于一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部符合的70%-80%。4、按变压器的负荷率选择主变压器容量低负荷率运行的变压器，年运行费用高于高负荷率运行的变压器，若选用小容量变压器，需提高变压器负荷率，降低建设投资和运行成本。4.2.4容量选择计算部分1、按本期最大负荷选择：（本期上2台主变） 110KV侧负荷最大值：130MW； 35KV侧负荷最大值：100MW。 每台主变压器负荷情况： 110KV侧：65MW; 35KV侧：50MW。 确定负荷率：按照公式（4-1）计算得，T=87%（N=3，K=1.3），故按最有负荷率为0.87选择主变容量。 主变压器额定容量为： 或： 选，容量比为100/100/50.计算负荷率： 公式为 110KV侧： 最大负荷时 最小负荷时 35KV侧： 最大负荷时 最小负荷时 总负荷率： 最大负荷时 最小负荷时 2、按远期最大负荷选择（远期为三台主变压器）110KV侧负荷最大值：200MW35KV侧负荷最大值：150MW每台主变负荷情况：110KV侧：66.7MW； 35KV侧： 50MW.主变压器额定容量为：选,容量比为100/100/50。计算负荷率：110KV侧最大负荷时： 35KV侧最大负荷时： 综上所述，不论是从本期负荷还是远期负荷考虑，主变压器容量均选择，容量比为100/100/50。因为：所以，每台主变可以带总负荷的60%。过载倍数： 经查表，变压器过载倍数为1.6时过载能力为45分钟，过载倍数为1.7时过载能力为20分钟，过载倍数为2.0时过载能力为10分钟。4.2.5主变压器技术参数选择1、相数和频率的选择220KV及以下的电力变压器、配电变压器，一般都选用三相、50Hz的变压器。2、绕组联结组别变压器三绕组的接线组别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有星形“Y”和三角形“D”。在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列以要求限制3次谐波对电源等因素。根据以上原则，主变一般是Y，D11常规接线。本次设计所用的三绕组变压器联结组别编号为：YN，yn0，d11。3、调压方式变压器的一次侧接在电力网上，由于电网系统电压会因种种原因发生波动，因此，变压器的二次电压也要相应的波动，而影响用电设备的正常运行。接在变压器二次侧的负载，由于用电设备负荷的大小或负荷功率因数的不同，也会影响变压器二次电压的变化，给用电设备的正常运行带来影响。因此，需要变压器有一定的调压能力，以适应电力网运行及用电设备的需要。调压的工作原理是改变绕组的全书，也就是改变变压器一、二次测的电压比。调压方式有两种：一种是不带电切换，称为无激磁调压。另一种是带负荷切换，称为有载调压。在电网电压可能有较大变化的220KV及以上的降压变电所及联络变压器，可采用带负荷调压方式。本次设计采用有载调压方式。 4、冷却方式 变压器的冷却方式有冷却介质种类及其循环种类标志。冷却方式分为干式自冷式、干式风冷式、油浸自冷式、油浸风冷式、强油风冷式、强油水冷式、强油导向风、冷或水冷式。本次设计采用强油导向风，代号标志为：ODAF。4.2.6主变压器型号选择根据上述主变压器台数、容量和技术参数的选择，确定主变压器型号为：SFPSZ9-150MVA/220KV，即三相三绕组有载调压变压器，冷却方式为强油导向风（ODAF），容量为150MVA，高压绕组额定电压等级为220KV。技术参数见表4-1.4.3主变压器抗短路能力的选择4.3.1抗短路动稳定能力电力变压器在电网中运行时，一旦出现短路损坏事故，则影响到该地区电网的正常供电，影响用户正常用电。因此，选择具有较强抗短路能力的变压器，为选择变压器的重要技术指标之一。在本次设计中，变压器最高电压为245KV，查表得高压侧短路容量为20,000MVA，220KV侧一旦发生短路时，将会受到较大的短路电流冲击，没有足够抗短路能力的变压器将会损坏。变压器220KV侧三相短路电流有效值为表4-1 SFPSZ9-150MVA/220KV主变压器参数电压/KV容量/KVA150/150/75空载损耗/KW96负载损耗/KW491阻抗电压高-中 13%高-低 23%中-低 8%冷却方式ODAF联结组别编号YN yn0 d11取短路电流冲击系数K=1.9，则三相短路电流冲击值为说明该变压器应该具有抗126.91kA短路电流的能力，才能满足其短路时的动稳定要求。4.3.2抗短路热稳定能力根据IEC60076-5-2000-07新标准规定，变压器绕组的平均温度最好应在10-40当变压器一旦发生短路故障时，绕组平均温度最大允许值为250（油浸式变压器，铜制绕组），绝缘系统温度为105.因此，选用的电力变压器必须满足其短路后的热稳定要求，不致变压器发生短路事故，使绕组绝缘系统受到损坏。第5章 短路电流计算5.1短路电流5.1.1概述电力系统中可能发生的短路故障，主要有三相短路、两相短路和单相短路。一般情况下，三相短路电流都大于两相和单相短路电流。在计算短路电流时，通常把电源容量视为无限大电力系统。在这样的系统内，当某处发生短路时，电源电压维持不变，即短路电流周期分量在整个短路过程中不衰减。5.1.2短路故障的危害供电系统发生短路后，电路阻抗比正常运行时阻抗小很多，短路电流通常超过正常工作电流几十倍直至数百倍以上，它会带来以下严重后果： 1）短路电流的热效应巨大的短路电流通过导体，短时间内产生很大热量，形成很高温度，极易造成设备过热而损坏。 2）短路电流的电动力效应由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的电动力。如果电动力过大或设备结构强度不够，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，使事故进一步扩大。 3）短路系统电压下降短路造成系统电压突然下降，对用户带来很大影响。例如，异步电动机的电磁转矩与端电压平方成正比。同时电压降低能造成照明负荷诸如电灯突然变暗及一些气体放电灯的熄灭等，影响正常的工作、生活和学习。 4）不对称短路的磁效应当系统发生不对称短路时，不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻近的电路内能感应出很大的电动势。 5）短路时的停电事故短路时会造成停电事故，给国民经济带来损失。并且短路越靠近电源，停电波及范围越大。 6）破坏系统稳定造成系统瓦解短路可能造成的最严重的后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步，破坏系统稳定，最终造成系统瓦解，形成地区性或区域性大面积停电。5.1.3短路电流计算的目的1、电气主接线比较和选择 短路电流计算可为不同方案进行技术经济比较，并为确定是否采取限制短路电流措施等提供依据。2、选择导体和电器如选择断路器、隔离开关、熔断器、互感器等。其中包括计算三相短路冲击电流、冲击电流有效值以校验电气设备动力稳定，计算三相短路电流稳态有效值用以校验电气设备及载流导体的热稳定性，计算三相短路容量以校验断路器的断路能力等。3、确定中性点接地方式 对于35KV 、10KV供配电系统，根据单相短路电流可确定中性点接地方式。4、选择继电保护装置和整定计算 在考虑正确、合理地装设保护装置，在校验保护装置灵敏度时，不仅要计算短路故障支路内的三相短路电流值，还需知道其他支路短路电流分布情况；不仅要算出最大运行方式下电路可能出现的最大短路电流值，还应计算最小运行方式下可能出现的最小短路电流值；不仅要计算三相短路电流而且也要计算两相短路电流或根据需要计算单相接地电流等。5.1.4短路电流计算的一般原则1、计算短路电流用于验算电器和导体的开断电流、动稳定和热稳定时，一般应以最大运行方式下的三相短路电流为依据。2、计算短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式进行计算。短路点应选择在短路电流为最大的地点。3、导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路电流计算。4、计算10KV及以上高压电网短路电流时，一般将元件的电阻略去不计。5、计算某一电压级的短路电流时，应用平均电压。6、计算高压系统短路电流时，一般采用标幺值方法进行计算。5.2短路电流计算5.2.1基本数据 1、220KV电力系统：额定电压：220KV 短路电流： 40KA短路容量：15224MVA 系统电抗： 系统电抗标幺值： 2、变压器阻抗计算 取 5.2.2短路电流计算1、系统等效电路图如图5-1所示：图5-1 系统等效电路图 2、短路电流计算：1）当（f-1）点（220KV母线）发生短路时的计算等效电路如图5-2所示：标幺值： 有名值： 冲击电流： 图5-2 220KV母线短路等效电路2）当（f-2）点（110KV母线）发生短路时的计算等效电路如图5-3所示：标幺值： 有名值： 冲击电流： 3）当（f-3）点（35KV母线）发生短路时的计算等效电路如图5-4所示：标幺值： 有名值： 图5-3 110KV母线短路等效电路冲击电流： 图5-4 35KV母线短路等效电路短路电流计算结果如表5-1所示：表5-1 短路电流计算值短路点 计算值短路电流/kA冲击电流/kA220KV母线110KV母线35KV母线第6章 高压设备的选择6.1高压设备选择的一般原则及技术要求高压设备的选择因工作环境、选用的目的等不同而不同。为了能可靠地工作，又能满足经济性的要求，须按照正常工作条件来进行选择，并按短路状态来校验动、热稳定性。此外，还要遵循电气设备选择的一般原则。6.1.1电气设备选择的一般原则1）应满足在正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。2）应按当地环境条件校核。3）应力求技术先进和经济性。4）与整个工程的建设标准应协调一致。5）同类设备应尽量减少品种。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。7）结构简单、体积小、质量轻，便于安装和检修。8）在制造厂给定的技术条件下，能长期可靠地运行，有一定的机制寿命和电气寿命。6.1.2技术条件选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。各种高压电器的一般技术条件见表6-1.表6-1 选择电器的一般条件序号电 器名 称额 定电 压/KV额 定电 流 /A机 械荷 载/N额定断开电流/KA短路稳定性绝 缘水 平动稳定热稳定1高压断路器2隔离开关3熔断器4电流互感器5电压互感器6.2断路器选择6.2.1几种断路器比较真空断路器因为具有许多优点，它广泛用于10KV电力系统。在35KV电力系统中，也大量选用真空断路器。在本次设计中，不选用真空断路器。SF6气体绝缘开关装置（Gas Insulation Switchgear）也称封闭式组合电气，简称GIS，它是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接管、电缆连接头、出线套管、与变压器的连接装置等多种高压电器组合而成的成套装置。它具有占地面积及安装空间小、安全可靠性高、安装周期短、无需检修、能实现控制、计量和保护功能等这些优点，但是它结构复杂，价格昂贵，因此本次设计选择SF6断路器。SF6断路器采用气体作为绝缘和灭弧介质，因此，该类型的断路器具有端口耐压高，允许的开端次数多，检修周期长，开端电流大，灭弧时间短，操作时噪声小，寿命长等优点。随着国民经济的快速增长，电网容量的不断增加，安全可靠性要求越来越高，SF6断路器和真空断路器会逐步取代油断路器。尤其是在110KV及以上的电力系统将会广泛采用SF6断路器和GIS全封闭组合电路。6.2.2断路器选择及校验 1、220KV断路器型号及规格的选择：选用LW30-252型断路器。该断路器采用了自能式灭弧原理，配用弹簧操作机构。灭弧原理先进，开端性能优良；介电强度恢复快不易产生重击穿和重燃现象，燃弧时间短，电寿命长；采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质，无燃烧、爆炸风险，可用于人口密集地区；该断路器为单端口结构，且配用的弹簧操作机构，结构简单紧凑，因此整体可靠性高、维护量小。查表该断路器主要参数为：额定电压220KV，最高电压252KV，额定电流3150kA，额定开端电流50 kA，短时额定耐受电流(热稳定电流)50 kA，额定动稳定电流125 kA。1）按额定电压选择：选择的断路器最高工作电压为252KV，大于变电所电源进线额定电压220KV，故满足额定电压要求。2）按额定电流选择：各母线的最大电流如表6-2所示：由上表可知，选择SF6断路器额定电流3150A，故满足额定电流的要求。3）按额定开断电流选择 选择断路器的额定开端电流，大于系统三相短路电流周期分量有效值38.03kA，故满足要求。表6-2 各母线最大电流值母线110KV35KV220KV/kA0.721.040.721.040.8454）动稳定校验：选择断路器的额定动稳定电流为125kA，大于系统三相短路电流冲击电流96.98kA，故满足动稳定要求。5）热稳定校验：查表得LW30-252型断路器全开短时间=0.06s，取继电保护装置后备保护动作时间，则， 38.03，该值小于断路器额定短时耐受电流50kA，故满足热稳定要求。6）短路容量选择：SF6断路器的额定开断电流：，7）220kV侧计算短路容量，即，选择的断路器满足短路容量的要求。2、110KV断路器型号及规格的选择：选用LW30-126型SF6断路器。LW30-126户外高压SF6断路器是三相交流50Hz的户外高压开关设备。该断路器采用了“热膨胀+助吹”的自能式灭弧原理，配用一台CT26型弹簧操动机构，开端性能优良；燃弧时间短，电寿命长，操作噪声小。采用绝缘及灭弧性能优异的SF6气体作为绝缘介质，无燃烧、爆炸危险，可用于人口密集地区。断路器配用弹簧操作机构，结构简单紧凑，安全可靠。 查表该断路器主要参数为：额定电压110KV，最高电压126KV，额定电流3150kA，额定开端电流40 kA，短时额定耐受电流(热稳定电流)40 kA，额定动稳定电流100 kA。1）按额定电压选择：选择的断路器最高工作电压为126KV，大于变电所电源进线额定电压110KV，故满足额定电压要求。2）按额定电流选择：选择SF6断路器额定电流为3150A，大于110KV母线电流最大值720A，故满足额定电流要求。3）按额定开端电流选择 选择断路器的额定开端电流，大于系统三相短路电流周期分量有效值10.77kA，故满足要求。4）动稳定校验：选择断路器的额定动稳定电流为100kA，大于系统三相短路电流冲击电流27.46kA，故满足动稳定要求。5）热稳定校验：查表得LW30-126型断路器全开短时间=0.03s，取继电保护装置后备保护动作时间，则 ，10.77，该值小于断路器额定短时耐受电流40kA，故满足热稳定要求。6）短路容量选择：SF6断路器的额定开断电流：，7）220kV侧计算短路容量，即，选择的断路器满足短路容量的要求。2、35KV断路器型号及规格的选择：选用LW8-35A(T)型SF6断路器。该断路器是三相交流50Hz的户外电气设备，配用CT14型交直流两用弹簧操动机构，开断性能优良，燃弧时间短，电寿命长，在额定电压下连续开断短路电流20次不检修，不更换SF6气体；绝缘可靠，机械可靠性高，合闸能力强，能频繁操作；结构简单，体积小，不检修周期长。1）按额定电压选择：选择的断路器最高工作电压为40.5KV，大于变电所电源进线额定电压35KV，故满足额定电压要求。2）按额定电流选择：选择SF6断路器额定电流为2000A，大于110KV母线电流最大值1040A，故满足额定电流要求。3）按额定开端电流选择 选择断路器的额定开端电流，大于系统三相短路电流周期分量有效值5.04kA，故满足要求。4) 动稳定校验：选择断路器的额定动稳定电流为63kA，大于系统三相短路电流冲击电流12.84kA，故满足动稳定要求。5) 热稳定校验：查表得LW30-126型断路器全开短时间=0.08s，取继电保护装置后备保护动作时间，则 ，5.04，该值小于断路器额定短时（4s）耐受电流25kA，故满足热稳定要求。6）短路容量选择：SF6断路器的额定开断电流：，7）220kV侧计算短路容量，即，选择的断路器满足短路容量的要求。综上所述，断路器选择如表6-3所示：6.3隔离开关选择6.3.1隔离开关的用途变电所在有电压无负荷电流的情况下，应用隔离开关分、合电路，达到安全隔离的目的，因此，隔离开关是高压电器设备中应用最多的一种。主要用途为检修与分段隔离，倒换母线，开、和空载电力线路等。6.3.2选用隔离开关的原则（1）隔离开关一般不需要专门的灭弧装置。（2）隔离开关在分闸状态下应有足够大的断口，同时，不论隔离开关高压接线端电压是否正常，均要满足安全隔离的目的。（3）隔离开关在合闸状态时应能耐受负荷电流及短路电流。（4） 在使用环境方面，户外隔离开关应能耐受大气污染并应能考虑到温度突变、雨、雾、覆冰等因素的影响。（5）隔离开关应具备手动、电动（气动）操动机构，信号机位置指示器与联、闭锁装置等附属装置。（6）隔离开关应配备接地开关，以保证线路或其他电气设备检修时的安全。表6-3 断路器选择及主要参数参数 电压220KV侧110KV侧35KV侧断路器型号LW30-126LW30-252LW8-35A(T)额定电压/KV22011035额定电流/kA315031502000最高电压/KV25212640.5额定短路开断电流/kA504025额定短时持续电流(热稳定值)/kA504025额定峰值耐受电流(动稳定值)/kA12510063全开断时间/ms开断容量/MVA19053762115166.3.3 隔离开关选择 1、220KV母线侧隔离开关型号及参数选择如表6-4所示： 220KV隔离开关主要技术参数的选择与校验： 由表6-2知，所选隔离开关额定电流2000A，大于220KV主母线最高电流为845A，故满足额定电流要求。 选择隔离开关的最高工作电压252KV，大于220KV额定工作电压。 220KV母线侧三相短路电流周期分量稳态值为38.03kA，选择隔离开关4s短时耐受电流为40kA，故所选择的隔离开关满足热稳定要求。表6-4 220KV侧隔离开关型号选择及参数参数 型号GW4-220WGW4-220DW额定电压/KV220220最高电压/KV252252额定电流/A20002000峰值耐受电流/kA100100短时耐受电流 (4s)/kA4040备注右接地不接地 极限通过峰值耐受电流100kA，大于短路电流冲击值96.98kA，满足动稳定性要求。2、110KV母线侧隔离开关型号及参数选择如表6-5所示： GW4-40.5126型隔离开关采用水平旋转方式，从而受力平衡稳定，操作轻巧可靠，结构简单合理；导电性能、绝缘性能与接卸强度均能满足标准要求。110KV隔离开关主要技术参数的选择与校验：由表6-2知，所选隔离开关额定电流1600A，大于110KV主母线最高电流为720A，故满足额定电流要求。表6-5 110KV侧隔离开关型号选择及参数参数 型号GW4-126WGW4-126DW额定电压/KV110110最高电压/KV126126额定电流/A16001600峰值耐受电流/kA8080短时耐受电流 (4s)/kA31.531.5备注右接地不接地选择隔离开关的最高工作电压126KV，大于110KV额定工作电压。110KV母线侧三相短路电流周期分量稳态值为10.77kA，选择隔离开关4s短时耐受电流为31.5kA，故所选择的隔离开关满足热稳定要求。极限通过峰值耐受电流80kA，大于短路电流冲击值27.46kA，满足动稳定性要求。 3、35KV母线侧隔离开关型号及参数选择如表6-6所示：35KV隔离开关主要技术参数的选择与校验： 由表6-2知，35KV主母线持续穿越电流为1040A，小于所选隔离开关额定电流2000A，故满足额定电流要求。选择隔离开关的最高工作电压40.5KV，大于35KV额定工作电压。35KV母线侧三相短路电流周期分量稳态值为5.04kA，选择隔离开关4s短时耐受电流为40kA，故所选择的隔离开关满足热稳定要求。表6-6 35KV侧隔离开关型号选择及参数参数 型号GW4-35WGW4-35DW额定电压/KV3535最高电压/KV40.540.5额定电流/A20002000峰值耐受电流/kA100100短时耐受电流 (4s)/kA4040备注右接地不接地极限通过峰值耐受电流100kA，大于短路电流冲击值12.84kA，满足动稳定性要求。6.4互感器选择6.4.1互感器概述互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备和获取电气一次回路信息的传感器，互感器将高电压、大电流按比例变换成低电压（100V或）和小电流（5A或1A），其中一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表和继电保护等。互感器包括电流互感器和电压互感器两大类，其特点如下：1）电流互感器：一次绕组串在电路中，且匝数少，电流互感器在近于短路状态下运行。2）电压互感器：容量小 ，近似于一台小容量的变压器，电压互感器在近于空载状态下运行。6.4.2电流互感器选择的一般原则1）额定电压选择：选择的电流互感器一次回路允许最高工作电压应大于或等于该回路的最高运行电压，即。2）一次额定电流选择：电流一次额定电流有5、10、15、20、30、40、50、75、100、150、200、300、400、600、800、1000、1200、1500、2000、3000、4000、5000、6000、8000、10000、15000、20000、25000A。当电流互感器用于测量、计算时，起一次额定电流应尽量选择的比回路中正常工作电流大