220kV降压变电站电气一次部分设计(七)

      设备

项目 GW4－110(D)W GW16-110(D、DW)
 产品数据 计算数据
Ie≥Igmax 1250A 992A
ish≤ ies 80kA 36.08kA
I2 t t ≥Qk 3969 kA2·S
2977 kA2·S 180 kA2·S

11.4． 220kV、110kV主母线及10kV主变低压侧母线桥导体选择计算
11.4.1．220kV侧母线的选择
 本站220kV装置选用户外常规中型配电装置，同时在母线上有大量的功率穿越，持续工作电流较大，为便于设备布置及运行维护的方便，因此相应的户外汇流母线选用三相水平布置的LF21-铝锰合金管型母线。
11.4.1.1．母线截面的选择
 按照最大负荷持续工作电流进行选择：
Igmax =1.05 ×=1.05 ×=1.488kA
 考虑系统在220kV母线上的功率穿越，因此长期允许载流量选择2350A（+70℃），相应的参数为：导体尺寸 Φ100/90mm，导体截面 1491mm2，截面系数 W=33.8cm3，惯性半径ri= 3.36cm，惯性矩j= 169cm4，导体采用双跨的简支梁，每两跨做一过渡软连接，计算跨距ljs=11.5m，相间距离a=3m。
11.4.1.2．导体截面的校验
11.4.1.2.1．热稳定校验
 由于本站址的最高月平均气温为+23℃、绝对最高温度为+40℃，因此假设导体短路前的发热温度为：
 θ′=θ0 + (θy–θ0)( Igmax/ Iy)2 =40+(70-40) ×(1488/2350)2=52.03℃
 则热稳定系数C值为：
 C= ==94.62
 满足短路时发热的最小导体截面
  Smin= ==260.11<1491 mm2
   即能满足要求
11.4.1.2.2．动稳定校验
11.4.1.2.2.1．短路状态时母线所受的最大弯矩Md和应力σd的计算
11.4.1.2.2.1.1．短路电动力产生的水平弯矩Msd和短路电动力fd：
 fd===1.005kg/m
 Msd===162.82Nm
11.4.1.2.2.1.2．在内过电压情况下的风速产生的水平弯矩M’sj和风压f’v：
 f’v===1.69kg/m
 M’sj===273.8Nm
11.4.1.2.2.3．短路状态时母线所受的最大弯矩Md和应力σd
 Md===1071Nm
 （其中和两值取自设计手册P346）
 σd===3168.64N/cm2
 此值小于铝锰合金的最大允许应力8820 N/cm2，满足要求。
11.4.2．110kV侧母线的选择
 本站110kV装置同220kV一样，选用户外常规中型配电装置，持续工作电流较大，同样选用三相水平布置的LF21-铝锰合金管型母线。
11.4.2.1．母线截面的选择
 按照最大负荷持续工作电流进行选择：
Igmax =1.05 ×=1.05 ×=2.976kA
 长期允许载流量选择3511A（+70℃），相应的参数为：导体尺寸 Φ130/116mm，导体截面 2705mm2，截面系数 W=79.0cm3，惯性半径ri=4.36cm，惯性矩j=513cm4，导体采用双跨的简支梁，每两跨做一过渡软连接，计算跨距ljs=7.75m，相间距离a=1.4m。
11.4.2.2．导体截面的校验
11.4.2.2.1．热稳定校验
 由于本站址的最高月平均气温为+23℃、绝对最高温度为+40℃，因此假设导体短路前的温度为+40℃，则通过持续工作电流时导体短路前的温度为：
 θ′=θ0 + (θy–θ0)( Igmax/ Iy)2 =40+(70-40) ×(2976/3511)2=65℃<70℃
 则热稳定系数C值为：
 C= ==89.58
 满足短路时发热的最小导体截面
  Smin= ==149.76<2705 mm2
   即能满足要求
  
11.4.2.2.2．动稳定校验
11.4.2.2.2.1．短路状态时母线所受的最大弯矩Md和应力σd的计算
11.4.2.2.2.1.1．短路电动力产生的水平弯矩Msd和短路电动力fd：
 fd===0.64kg/m
 Msd===47.09Nm
11.4.2.2.2.1.2．在内过电压情况下的风速产生的水平弯矩M’sj和风压f’v：
 f’v===1.69kg/m
 M’sj===124.34Nm
11.4.2.2.2.3．短路状态时母线所受的最大弯矩Md和应力σd
 Md===993.68Nm
 （其中和两值取自设计手册P346）
 σd===2939.88N/cm2
 此值小于铝锰合金的最大允许应力8820 N/cm2，满足要求。
11.4.3．10kV侧母线的选择
 本站10kV装置选用户内XGN-10型成套开关柜布置，同时10kV侧变低持续工作电流较大，为便于设备布置及运行维护的方便，因此选用三相水平布置的TMY型铜排母线。
11.4.3.1．母线截面的选择
 按照最大持续工作电流进行选择：
根据变电站运行方式的要求，在一台主变退出运行时，另一台主变将带全所负荷的70%，另外主变10kV变低侧额定负荷限制在60MVA，则最大持续工作电流：
Igmax =1.05 ×=1.05 ×=5.092kA
 计及环境温度修正，
 Imax=K×Igmax==4.156kA
  则选用铜导体，选用每相3条120×10mm（=3600mm）矩形铜导体，平放时长期允许载流量4780A（+70℃），趋肤系数KS=1.78，相间距离a=0.35m，支持绝缘子间距l=0.65m。
11.4.3.2．导体截面的校验
11.4.3.2.1．热稳定校验
 由于本站址的最高月平均气温为+23℃、绝对最高温度为+40℃，因此假设导体短路前的发热温度为：
 θ′=θ0 + (θy–θ0)( Igmax/ Iy)2 =40+(70-40) ×(4156/4780)2=62.68℃
 则热稳定系数C值为：
 C= ==175
 满足短路时发热的最小导体截面
  Smin= ==319.33<3600 mm2
   即能满足要求
11.4.1.2.2．动稳定校验
11.4.1.2.2.1．相间应力fph：
 fph===4896.5N/m
 Wph===78.13×10-6m3
 Mph===206.88N.m
 σph===2.65×106Pa
 由b/h=0.08，(2b-b)/(h+b)=10/(10+125)=0.074，(4b-b)/(h+b)=30/(10+125)=0.222，查图得K12=0.37，K13=0.56
同条相间电动力
 fb===7370.23N/m
 Lmax==
 Lcr===0.74m
满足动稳定
 
 11.5．10kV最大一回负荷出线电缆
 11.5.1．最大负荷持续工作电流（双回电缆，当其中一回故障退出时，另一回能带全部负荷。）
 Imax===180A
 11.5.2．根据此侧负荷为自来水厂，性质属于城市生活用电，查设计手册可得Tmax＝2500h/y，所以按最大持续工作电流选择，按以上计算和设计任务要求可选择10kV铜芯交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套钢带铠装电力电缆型号为YJV22-8.7/10-3×50，缆芯截面为50，载流量为190A。正常允许最高温度为60℃，20℃时直流电阻r=0.370Ω/km ，x=0.079Ω/km。
 11.5.3．按长期发热允许电流校验
 电缆载流量的校正系数为=1.09（取土壤的温度为20℃），当双回电缆间距取300mm时,查表得=1，=1.08。
 则单根直埋电缆允许载流量为
         ==1.09×1×1.08×190=223.67A>180A  满足设计要求
 11.5.4．热稳定校验 
 对于电缆线路有中间接头，应按接头处短路校验热稳定。
 短路前电缆最高运行温度为
 θ=θ。+（θal-θ。）=20+（60-20）×＝45.9℃  
 由C=135
 则   =×/C=×/135=41.7mm2<50 mm2  满足导线的最小截面的要求。
 11.5.5．电压降校验      △U=L（rCOSφ+xSINφ）
 =*180*8（0.37*0.8+0.079*0.6）
 =3.1<5
可见，选用YJV22-8.7/10-3×50电缆能够满足要求。 

11.6． 支持绝缘子及穿墙套管的选择
 11.6.1．220kV支柱绝缘子
 选用防污型大-小伞棒式支柱绝缘子，型号为ZSW-220/4，技术参数为额定电压220kV，干耐受工频试验电压不低于550kV，湿耐受工频试验电压不低于425kV，全波冲击试验电压幅值电压不低于950kV，抗弯4kN，抗扭2kN。
 11.6.1.1．动稳定校验
 取总高H＝2160mm，计算跨距m，相距a＝3m
     N<=2400N
即
满足任务要求
 11.6.2．110kV支柱绝缘子
 选用防污型大-小伞棒式支柱绝缘子，型号为ZSW-110/4，技术参数为额定电压220kV，干耐受工频试验电压不低于295kV，湿耐受工频试验电压不低于215kV，全波冲击试验电压幅值电压不低于480kV，抗弯4kN，抗扭2kN。
 11.6.2.1．动稳定校验
 取总高H＝1060mm，计算跨距m，相距a＝1.4m
     N<=2400N
即
满足任务要求

 11.6.2．10kV穿墙套管
 母线的额定电压UB＝10kv，额定电流Ie＝3464A，选用户外母线式穿墙套管，型号为2448，其技术参数为，额定电压为10kV，额定电流为4000，抗弯强度不小于16kN，穿墙套管长度670mm。
   N<=9600N
即
满足要求

11.7． 限流电抗器
11.7.1．选择限流电抗器
 选取限流电抗器型号为XKK-10-4000-6，其参数如下
额定电压kV 额定电流A 额定电抗％ 通过容量
kVA 动稳定电流峰值kA 4s热稳定电流kA
10 4000 6 3*23094 204 80
（计算过程见10.4.4.1.1.）

11.7.2．电压损耗校验
电抗标幺值X L*=0.0786
电压损失检验：普通电核器在运行时，电抗器的电压损失不大于额定电压的5%
U(%)=XL(%)＝6×3464×0.6÷4000=3.12%＜5%  符合要求。
11.7.3．残压校验
母线残压检验：为减轻短路对其他用户的影响，当线路电抗器后短路时，母线残压不能于电网额定值的60～70%
 I″ = I d3*〞× =7.098× =39.03KA
==85%
11.7.4．动，热稳定校验：
 Qk = Ik2×dz = 39.032×2.09 =3183.78kA2·S
 I2r t = 802×4 =25600kA2·S 
 即I2 t t > Qk ，满足要求。
 ish= ich=99.53≤ ies= idw =204kA, 满足要求
 由此可见，电压损失、残压，动、热稳定均能满足要求

 第12章  继电保护规划设计
12.1． 变电站主变保护的配置
 12.1.1．电力变压器是电力系统的重要电气设备之一，它的安全运行直接关系到电力系统的连续稳定运行，特别是大型电力变压器，由于其造价昂贵，结构复杂，一旦因故障而遭到损坏，其修复难度大，时间也很长，必然造成很大的经济损失。所以，本设计中主变保护配置如下：
 12.1.1.1．主变压器的主保护
 12.1.1.1.1．瓦斯保护
 对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应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。
 12.1.1.1.2．差动保护
 对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。
 12.1.1.2．主变压器的后备保护
 12.1.1.2.1．过流保护
 为了反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，所以需装设过电流保护。
 而本次所设计的变电站，电源侧为220kV，主要负荷在110kV侧，即可装设两套过电流保护，一套装在中压侧110kV侧并装设方向元件，电源侧220kV侧装设一套，并设有两个时限ts和tⅢ，时限  定原侧为tⅢ≥tⅡ+△t，用U切除三侧全部断路器。
 12.1.1.2.2．过负荷保护
 变压器的过负荷电流，大多数情况下都是三相对称的，因此只需装设单相式过负荷保护，过负荷保护一般经追时动作于信号，而且三绕组变压器各侧过负荷保护均经同一个时间继电器。
 12.1.1.2.3．变压器的零序过流保护
 对于大接地电流的电力变压器，一般应装设零序电流保护，用作变压器主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护，一般变电站内只有部分变压器中性点接地运行，因此，每台变压器上需要装设两套零序电流保护，一套用于中性点接地运行方式，另一套用于中性点不接地运行方式。

12.2．220、110、10kV线路保护部分
 12.2.1．220kV线路保护
 220kV线路的安全运行，对整个电力系统有着相当重要的影响，所以，本工程为220kV线路配置的保护如下：光纤纵联差动保护、距离保护、零序过流保护、过电流保护
 12.2.2．110kV线路保护
 由于110kV侧有6回出线供给远方大型工厂，其他作为一些地区变电站进线，所以稳定性要求较高，所以，110kV线路保护配置如下：距离保护、 零序方向保护、过电流保护
 12.2.3．220、110kV母线保护
 对于220、110kV母线接线方式均为双母线，可以配置母线差动保护。
 12.2.4．10kV出线保护
 10kV出线一般配置电流保护、过电流保护、过负荷保护。

第13章  避雷器参数计算与选择
13.1．220kV避雷器选择计算
避雷器的灭弧电压：
避雷器的工频放电电压：
   直接接地110~220kV，K0=3

避雷器的残压：
避雷器的冲击放电电压：
根据以上计算数据选取FZ-220J型阀型避雷器能满足要求。

13.2．110kV避雷器选择计算
（1）避雷器的灭弧电压：
避雷器的工频放电电压：
   直接接地110~220KV，K0=3

避雷器的残压：
避雷器的冲击放电电压：
根据以上计算数据选取FZ-110J型阀型避雷器能满足要求。
13.3．10kV避雷器选择计算
（1）避雷器的灭弧电压：
（2）避雷器的工频放电电压：
避雷器的残压：
避雷器的冲击放电电压：
根据以上计算数据选取FZ-10型阀型避雷器能满足要求。

13.4．各级电压等级避雷器参数如下表：

型号 额定电压有效值KV 灭弧电压KV 工频放电电压有效值KV 冲击放电电压峰值(1.5/20μs及1.5/40μs)不大于kV 8/20μs雷电冲击波残压峰值不大于kV
   不小于 不大于  5kA 10kA
FZ-220J 220 200 448 536 620 652 715
FZ-110J 110 100 224 268 326 326 358
FZ-10 10 12.7 26 31 45 45 50

13.4.1．由于本次所设计选择变压器为分级绝缘，即220KV中性点绝缘等级为110KV，110中性点绝缘等级为35KV，所以220KV中性点应与中性点绝缘等级相同的避雷器，故220KV中性点装设FZ-110，110中性点装设FZ-40避雷器。

 第14章 接地电阻、接地装置、避雷针保护范围计算
 14.1．接地电阻选型计算
14.1.1．220kV系统属于有效接地系统，220kV侧短路电流起始值为43.83kA，因此接地跨步电压Uu≤2000V，接地电阻Ru≤0.5欧姆。
14.1.2．工频接地电阻的计算
 1）人工接地体工频接地电阻的简易计算
 根据原始资料提供的数据，实测的土壤电阻率为ρ=1.5×102欧·米；根据全站电气设备平面布置图可知，220kV区域占地面积为220×54=11880m2，110kV区域占地面积为180×56=10080m2，10kV区域占地面积为220×41=9020m2，闭合接地网总面积为11880+10080+9020= 30980m2
 R2=0.5×=0.5×=0.426
 由此可见，采用人工接地体的复合式接地网的接地电阻满足要求。
14.2．接地装置的选型计算
14.2.1．根据土质情况，考虑本站接地装置采用复合式接地网，即避雷针接地网、水平接地网、低压电气设备接地网三网合一的接地网，接地网选用2.5m长的镀锌角钢（50×50×5mm）为垂直接地体，选用直径16mm的镀锌圆钢为水平接地体。
14.3．避雷针保护范围的计算
 第15章 参考资料
[1] 《发电厂电气部分》  姚春球编 中国电力出版社[2] 《电力工程设计手册  电气一、二次部分》 水利电力部西北电力设计院编  中国电力出版社    
[3] 《电力继电保护原理》中国水利水电出版社[4] 《发电厂电气部分课程设计参考资料》天津大学黄纯化编  中国电力出版社
[5] 《电力工程电气设备手册  电气一次部分》电力工业部西北电力设计院编  中国电力出版社

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