课 程 设 计 报 告
题目 220KV变电站的电气设计
二级学院 电子信息与自动化 专 业 电气工程及其自动化
班 级
学生姓名
学 号
指导教师 时 间 2010.11.22~2010.12.10
摘要
本次 220KV 区域变电站的设计主要包括：主接线设计，短路电流计算和主要电气设备的选择。关于主接线部分的内容是基础部分，主要介绍了主接线的形式，综合比较各种接线方式的特点、各自的优缺点及变压器的选择原则等，根据任务书要求最终选择满足设计任务的主接线方案。短路电流是非常重要的部分，它主要介绍了不同运行方式下的对称短路计算的目的、原则、方法和具体的数据信息等，为设计中需要的高压电气设备的选择、整定、校验等方面做准备，电气设备的选择及校验主要是利用对称短路的计算结果进行高压电气设备（断路器、隔离开关）的校验。
关键词：220KV变电站，短路计算，设备选择
1.设计要求
(1)主接线设计：分析原始资料，根据任务书的要求拟出各级电
压母线接线方式，选择变压器型式及连接方式，通过技术经济比较选择主接线最优方案。
(2)短路电流计算：根据所确定的主接线方案，选择适当的计算短路点计算短路电流并列表表示出短路电流计算结果。 (3)主要电气设备选择，如高压断路器、隔离开关、电压/电流互感器、各级电压母线等。
2.设计目的
变电站对电力的生产和分配起到了举足轻重的作用，学习了解变电站的结构和运行对电力资源的可持续发展垫下了基础。通过实践引导我们把原理分析与工程设计结合，提高综合应用能力，培养我们独立完成一个课题或实际问题的能力，查阅资料文献手册的能力，锻炼撰写小论文和设计报告的能力。了解了电气工程专业的工作方向和内容。培养我们科学的工作作风和严谨务实的态度为电气工程毕业设计打下坚实的基础。
3．主接线设计
（1） 主接线设计
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等有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系。
按规定：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，便于扩建。
主接线的接线方式有单母线接线，单母线分段，单母线分段带旁路母线，桥型接线，双母线接线，双母线分段接线等。
根据设计任务书给定的原始资料，220KV出线5回，110KV出线8回，10KV出线10回。
220KV 侧按规定，220KV 配电装置出线在 4 回及以上时，宜采用双母线及其他接线。 110KV 出线 9 回，可采用双母线接线方式，出线断路器检修或任一母线故障时，可通另一母线供电。由于10KV侧有一二级负荷， 采用单母线分段，可以使重要负荷的供电从不同的母线分段取得，可靠性较高。
（2） 变压器选择
[1]
由原始资料可知，我们本次所设计的变电所是220KV 降压变电所，它是以220KV 受功率为主。把所受的功率通过主变传输至 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。考虑到两台主变同时发生故障机率较小。适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担 70%的负荷保证全变电所的正常供电。故选择两台主变压器互为备用，提高供电的可靠性。
主变容量一般按变电所建成近期负荷。但应按近期和远期总负荷来选择主变的容量，根据变电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允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，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全部负荷的70%～80%。该变电所是按 70%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：∑se = 2（0.7PM） = 1.4PM。 当一台变压器停运时，可保证对 70%负荷的供电，高压侧 220KV 母线的负荷不需要通过主变倒送，因为，该变电所的电源引进线是 220KV 侧引进。其中，中压侧及低压侧全部负荷需经主变压器传输至各母线上。
因此变压器的容量应选择为：S = 0.9（S110KV+S10KV）
Se= 0.7 S .
所以，选两台容量为150MVA，主变总容量为300MVA。 本设计主变为大型变压器，发热量大，散热问题不可轻佻，强迫油循环冷却效果较好，通风条件好，可选用强迫油循环风冷却方式。
根据以上的技术参数，变压器可以选择，型号为SFPSZ7-150000/220的220KV三绕组有载调压电力变压器，具体参数如下：
型号： SFPSZ7-150000/220 额定容量（MVA）： 150/150/75 额定电压（KV） ： 242 121 11 阻抗电压: 13.5 22.9 7.27 空载电流： 0.47 空载损耗（KW） ： 157
连接组别： YN yn d11 型号中个符号表示意义： S：三相 F：风冷却 P：强迫油循环 S：三绕组 Z：有载调压
[2]
7：性能水平号 150000：额定容量 220：电压等级
4. 短路电流计算基础
概述
在电力系的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路，因为它们会遭到破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行。短路是电力系统的严重故障，所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）发生通路的情况。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路，两相短路，两相接地短路和单相接地短路。其中，三相短路是对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称短路。 短路计算的目的及假设
一、短路电流计算是变电所电气设计中的一个重要环节。其计算目的是：
1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。
4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
5）按接地装置的设计，也需用短路电流。 二、短路电流计算的一般规定
1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5～10年）。确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
2）选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。
3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。
4）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验算。
三、短路计算基本假设
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）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；
4）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流； 5）元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；
6）系统短路时是金属性短路 四、基准值
高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，采用标幺值进行计算，为了计算方 便选取如下基准值： 基准容量：Sj = 100MVA
基准电压：Vg（KV） 10.5 115 230 五、短路电流计算的步骤
1）计算各元件电抗标幺值，并折算为同一基准容量下； 2）给系统制订等值网络图； 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。
标幺值：Id* =I/IJ (IJ=IB) 有名值：Idi = Id*Ij
5）计算短路容量，短路电流冲击值 短路容量：S = 3 VjI˝
短路电流冲击值：Icj = 2.55I˝ 6）列出短路电流计算结果 1. 基准值
在短路计算的基本假设前提下，选取Sj = 100MVA，VB 为各级电压平均值（230，115，
10.5kv）基准电流220KV 侧Ij1=0.251KA，110KV 侧Ij2=0.502KA，10KV 侧Ij3=5.5KA
基准电抗220KV 侧Xj=529 Ω , 110KV 侧Xj=132.25 Ω , 10KV 侧Xj=1.1025 Ω 2.系统电抗
由原始材料可知，在Sj=100MVA 下 X1＝X2＝0.015
3.计算变压器各绕组电抗
阻抗电压％ 高－中 高－低 中－低 13.5 22.9 7.27 各绕组等值电抗
Vs(1-2)％＝13.24％，Vs（1-3）％＝22.51％，Ｖs（2-3）％
＝7.85％
Vs1% =（Vs(1-2)% + Vs(1-3)%－Vs(2-3)%） =（13.5+ 22.9－7.27） =14.565
Vs2% =（Vs(1-2)% + Vs(2-3)%－Vs(1-3)%） =（13.5+7.27－22.9） =－1.065
Vs3% =（Vs(1-3)% + Vs(2-3)%－Vs(1-2)%） =（22.51+7.85－13.24） =8.335
各绕组等值电抗标么值为：
X3=X4= (Vs1%/100)* (Sj/SN)=0.121275 X5=X6= (Vs2%/100)* (Sj/SN)=0.008875 X7=X8= (Vs3%/100)* (Sj/SN)=0.069375
按设计要求只考虑最小运行方式
当d1处短路时(计算时先用一台变压器计算) 如图1所示，Ids1*=1/X1=66.67
有名值 Ids1=2* Ids1*×Ij1=66.67×0.251×2=1.84×2=34.47 当d2处短路时
如图2所示, Ids2*=1/X1+[(X36+X67)//X37]= 0.789
有名值 Ids2=2*Ids2*×Ij2=2×0.502×0.789=0.396×2=0.793
当d2处短路时
如图2所示, Ids3*=1/X1+[X36//(X37+X67)]=0.546 有名值 Ids3=2*Ids3*×Ij3=2×5.5×0.546=6.01
[3]
5.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术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。
电气设备的选择同时必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需要。 （1） 一般原则
1．应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要；
2．应按当地环境条件校核； 3．应力求技术先进和经济合理； 4．选择导体时应尽量减少品种；
5．扩建工程应尽量使新老电器的型号一致；
6．选用的新品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。
（2） 技术条件
1. 按正常工作条件选择
电压：所选电器和电缆允许最高工作电压Vymax不得低于回路所接电网的最高运行电压Vgmax
即 Vymax≥Vgmax
一般电缆和电器允许的最高工作电压，当额定电压在 220KV 及以下时为 1.15Ve，而实际电网运行的 Vgmax 一般不超过 1.1Ve。
电流：导体和电器的额定电流是指在额定周围环境温度Q0下，导体和电器的长期允许电流Iy应不小于该回路的最大持续工作电流Igmax
即 Iy≥Igmax
由于变压器在电压降低 5%时，出力保持不变，故其相应回路的Igmax=1.05Ie（Ie为电器额定电流）。
2. 按短路情况校验
电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，一般校验取三相短路时的短路电流，如用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定，用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。
a．短路热稳定校验 满足热稳定条件为
22≤ ≤QkQnIrtkIrt
Q：短路电流产生的热效应
kQ：短路时导体和电器允许的热效应
nI：t秒内允许通过的短时热电流
n验算热稳定所用的计算时间：
t=t+t
kprbrt：断电保护动作时间
prt：相应断路器的全开断时间
brb．短路的动稳定校验 满足动稳定条件为：
i≤idw
cjI≤I
cjdfi：短路冲击直流峰值（KA）
cjI：短路冲击电流有效值（KA）
cji、I：电器允许的极限通过电流峰值及有效值（KA）
dwdf（3） 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，用来接通和开断负荷电流，在某所电气主接线中，还担任改变主接线的运行方式的任务，故障时，断路器通常继电保护的配合使用，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 断路器比少油断路器，
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。
1.按开断电流选择
高压断路器的额定开断电流INbr应不小于其触头开始分离瞬间（td）的短路电流的有效值 Ie (td)
即： INbr≥Iz（KA）
I：高压断路器额定开断电流（KA）
NbrI：短路电流的有效值（KA）
z2.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，触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），更易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏，且断路器在关合短路电流时，不可避免地接通后又自动跳闸，此时要求能切断短路电流，为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值。
即： idw≥icj
i：断路器额定关合电流
Ncli：额定动稳定电流
dwi：短路冲击电流
cj3.关于开合时间的选择
对于 110KV 及以上的电网，当电力系统稳定要求快速切除
故障时，分闸时间不宜大于 0.045s，用于电气制动回路的断路器，其合闸时间大于 0.04 ~ 0.06s。
220KV侧
1．按额定电压选择
Vymax＝1.15Ve＞Vgmax=1.1Ve 2．按额定电流选择 Ie≥Igmax
考虑到变压器在电压降低 5％时其出力保持不变，所以相应回路的 Igmax＝1.05Ie。
3．按开断电流来选择
INbr≥I''=34.47KA 4．按短路关合电流选择
INcl≥Ich＝87.899KA
根据以上计算，可以初步选择LW6-220型断路器，其参数见下表：
额定电压/KV额定电流/A额定开断电流/KA额定关合电流峰值/KA100动稳电流峰值/KA1004s 热稳定电流/KA固有分闸时间/s燃弧时间/s型号LW6-220/3150220315050500.0360.05 5．校验热稳定，取后备保护动作时间tbr为 0.15s。
t＝0.2366s
k短路电流的热效应为：
Qk=I''2tk=281.124KAs＜Qn
6．校验动稳定
2
I＝87.8985KA＜100KA
ch
断路器满足要求。 110KV侧
1．按开断电流来选择
INbr≥I''=0.793KA 2．按短路关合电流选择
INcl≥Ich＝2.022KA
根据以上计算，可以初步选择LW14-110型断路器，其参数见下表：
额定电压/KV额定电流/A额定开断电流/KA额定关合电流峰值/KA80动稳电流峰值/KA804s 热稳定电流/KA固有分闸时间/s燃弧时间/s型号LW14-110/20011020031.531.50.0250.05 3．校验热稳定，取后备保护动作时间tbr为 0.15s。
t＝0.225s
k短路电流的热效应为：
2
Q=I''2tk=0.141KAs＜Q
kn4．校验动稳定
I＝2.022KA＜100KA
ch
断路器满足要求。
10KV最大一回
Igmax=151.554A
d3=6.01KA
选择SN10-10I型断路器，其参数见下表：
额定电压/KV额定电流/A额定开断电流/KA额定关合电流峰值/KA71动稳电流峰值/KA714s 热稳定电流/KA固有分闸时间/s燃弧时间/s型号SN10-10I/10001010002839290.060.05 经过动、热稳定及相关校验知 SN10-10I 断路器满足要求。 （4） 隔离开关的选择
隔离开关，配制在主接线上时，保证了线路及设备检修形成明显的断口，与带电部分隔离，由于隔离开关没有灭弧装置及开断能力低，所以操作隔离开关时，必须遵循倒闸操作顺序。
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，每段母上宜装设 1—2 组接地刀闸或接地器。63KV 及以上断路器两侧的隔离开关和线路的隔离开关，宜装设接地刀闸。应尽量选用一侧或两侧带接地
刀闸的隔离开关；
4.按在变压器引出线或中性点上的避雷器可不装设隔离开关；
5.当馈电线的用户侧设有电源时，断路器通往用户的那一侧，可以不装设隔离开关，但如费用不大，为了防止雷电产生的过电压，也可以装设。
220KV侧
1.按额定电压选择
Vymax＝1.15Ve＞Vgmax=1.1Ve
2.按额定电流选择
I数见下表：
型号GW7-220DW额定电压/KV220gmax=0.83KA
根据以上计算，可以初步选择GW7-220DW型隔离开关，其参
额定电流/A2500额定动稳定电额定热稳定电流峰值/KA流/KA10050 3．校验热稳定，取后备保护动作时间tbr为 0.15s。
t＝0.2366s
k短路电流的热效应为：
2
Q=I''2tk=130.329KAs＜Q
kn4．校验动稳定
I＝87.899KA＜100KA
ch
GW7-220DW隔离开关满足要求。
110KV侧
1.按额定电压选择
Vymax＝1.15Ve＞Vgmax=1.1Ve
2.按额定电流选择
I见下表：
型号GW5-100额定电压/KV110gmax=1.653KA
根据以上计算，可以初步选择GW5-100型隔离开关，其参数
额定电流/A2000额定动稳定电额定热稳定电流峰值/KA流/KA10031.5 3．校验热稳定，取后备保护动作时间tbr为 0.15s。
t＝0.225s
k短路电流的热效应为：
2
Q=I''2tk=0.141KAs＜Q
kn4．校验动稳定
I＝2.022KA＜100KA
ch
GW5-100隔离开关满足要求。 10KV侧
1.按额定电压选择
Vymax＝1.15Ve＞Vgmax=1.1Ve
2.按额定电流选择
Igmax=151.554A
根据以上计算，可以初步选择GN2-10/3000型隔离开关，其
参数见下表：
型号GN2-10/3000额定电压/KV10额定电流/A3000额定动稳定电额定热稳定电流峰值/KA流/KA10050 3．校验热稳定，取后备保护动作时间tbr为 0.15s。
t＝0.26s
k短路电流的热效应为：
Qk=I''2tk=9.391KAs＜Qn
4．校验动稳定
2
I＝12.356KA＜100KA
ch
GN2-10/3000隔离开关满足要求。 （5） 母线的选择
母线在电力系统中主要担任传输功率的重要任务，电力系统的主接线也需要用母线来汇集和分散电功率，在发电厂、变电所及输电线路中，所用导体有裸导体，硬铝母线及电力电缆等，由于电压等级及要求不同，所使用导体的类型也不相同。
敞露母线一般按导体材料、类型和敷设方式、导体截面、电晕、短路稳定、共振频率等各项进行选择和校验。
裸导体应根据具体使用情况按下列条件选择和校验 1.型式：载流导体一般采用铝质材料，对于持续工作电流较大且位置特别狭窄的发电机，变压器出线端部，以及对铝有较严重腐蚀场所，可选用铜质材料的硬裸导体。
回路正常工作电流在400A及以下时，一般选用矩形导体。
在400～8000A时，一般选用槽形导体。
2.配电装置中软导线的选择，应根据环境条件和回路负荷电流、电晕、无线电干扰等条件，确定导体的截面和导体的结构型式。
3.当负荷电流较大时，应根据负荷电流选择导线的截面积，对220KV及以下配电装置，电晕对选择导体一般不起决定作用，故可采用负荷电流选择导体截面。
220kV、110kV主母线及主变低压侧母线桥导体选择计算 220KV侧母线的选择 短路计算求得：
I=3.64KA
''最大负荷持续工作电流
Igmax=0.83KA
根据此侧Tmax＝3600h/y及经济电流密度表，选择经济电流密度J=0.91A则导体的经济截面为 Sj=1001
按以上计算选择和设计任务要求可选择2×LGJ-400型钢芯铝绞线。
110KV侧母线的选择 短路计算求得：I''=0.4KA 最大负荷持续工作电流
=1.653KA
Igmax根据此侧Tmax＝4600h/y及经济电流密度表，选择经济电流
密度J=0.83A则导体的经济截面为 Sj=2390
按以上计算数据可以选择2×LGJ-800/100型的钢芯铝铰线.
10KV侧桥导体选择
短路计算求得：I''=0.283KA，则10kv侧桥导体三相短路电流应为0.283KA。
1) 按最大工作持续电流：
Igmax= = 151.554A
据此侧Tmax＝4500h/y及经济电流密度表，选择经济电流密度J=0.86A则导体的经济截面为 Sj=5347
选择槽形铝导体。
6．结论
本文接线方式通过几种方案的对比，根据原始资料，最终选择220KV，110KV都采用双母线，10KV采用单母线分段，满足可靠性，灵活性，经济性的要求，符合本次设计要求。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路虽然很少发生，其情况较严重，应给以足够的重视。因此，我们都采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。电气设备要能可靠的工作，必须按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后选择的高压电器，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。在此次课程设计中，我基本圆满的完成了课程设计的要求，达到了设计的目的，对变电站基本设计过程要求有了比较深的认识。
参考文献
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147-157.
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国电力出版社，2007,27-37 .
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