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电气工程及其自动化-白城乔家220kV变电站电气一次设计
白城乔家220kV变电站电气一次设计
摘要
变电站是电能传输过程中非常重要的中转站，只有经过变电站的调压，发电厂生产的电能才能被用户使用。变电站可以将高压电调整为适合输送和分配的电压等级，并通过输电线路将电能传输到各个用电区域。变电站的运行状况会影响着电力系统的安全和稳定。本文以白城乔家220kV变电站作为研究对象，对变电站一次系统的设计展开一系列研究。首先对变电站的发展趋势进行介绍。然后分析了张家口电网现状，指出工程建设的必要性，并对变电站主接线方案进行分析研究；接着论述了变电站负荷的概念，研究分析了主变压器的台数、容量等参数；然后，论述了短路电流计算的目的和基本假设，完成本系统的三相短路电流计算；进而根据短路电流的计算结果分析电气设备的选型和校验；最后，分析说明了变电站防雷接地保护措施。
关键词：变电站；一次系统；短路电流计算；设计方案
变电站是电能传输过程中非常重要的中转站，只有经过变电站的调压，发电厂生产的电能才能被用户使用。变电站可以将高压电调整为适合输送和分配的电压等级，并通过输电线路将电能传输到各个用电区域。变电站的运行状况会影响着电力系统的安全和稳定。本文以白城乔家220kV变电站作为研究对象，对变电站一次系统的设计展开一系列研究。首先对变电站的发展趋势进行介绍。然后分析了张家口电网现状，指出工程建设的必要性，并对变电站主接线方案进行分析研究；接着论述了变电站负荷的概念，研究分析了主变压器的台数、容量等参数；然后，论述了短路电流计算的目的和基本假设，完成本系统的三相短路电流计算；进而根据短路电流的计算结果分析电气设备的选型和校验；最后，分析说明了变电站防雷接地保护措施。
关键词：变电站；一次系统；短路电流计算；设计方案
ABSTRACT
A substation is a very important transfer station in the process of power transmission. Only through the voltage regulation of the substation can the electricity produced by the power plant be used by users. The substation can adjust the high voltage to a voltage level suitable for transmission and distribution, and transmit electricity to various power consumption areas through transmission lines. The operation status of substations will affect the safety and stability of the power system.
This article takes the Baicheng Qiaojia 220kV substation as the research object and conducts a series of studies on the design of the primary system of the substation. Firstly, introduce the development trend of substations. Then, the current situation of Zhangjiakou power grid was analyzed, the necessity of engineering construction was pointed out, and the main wiring scheme of the substation was analyzed and studied; Next, the concept of substation load was discussed, and parameters such as the number and capacity of the main transformer were studied and analyzed; Then, the purpose and basic assumptions of short-circuit current calculation were discussed, and the three-phase short-circuit current calculation of this system was completed; Then analyze the selection and calibration of electrical equipment based on the calculation results of short-circuit current; Finally, the lightning protection and grounding protection measures for the substation were analyzed and explained.
KEYWORDS：Substation, Primary system, Short-circuit current calculation, Design scheme
A substation is a very important transfer station in the process of power transmission. Only through the voltage regulation of the substation can the electricity produced by the power plant be used by users. The substation can adjust the high voltage to a voltage level suitable for transmission and distribution, and transmit electricity to various power consumption areas through transmission lines. The operation status of substations will affect the safety and stability of the power system.
This article takes the Baicheng Qiaojia 220kV substation as the research object and conducts a series of studies on the design of the primary system of the substation. Firstly, introduce the development trend of substations. Then, the current situation of Zhangjiakou power grid was analyzed, the necessity of engineering construction was pointed out, and the main wiring scheme of the substation was analyzed and studied; Next, the concept of substation load was discussed, and parameters such as the number and capacity of the main transformer were studied and analyzed; Then, the purpose and basic assumptions of short-circuit current calculation were discussed, and the three-phase short-circuit current calculation of this system was completed; Then analyze the selection and calibration of electrical equipment based on the calculation results of short-circuit current; Finally, the lightning protection and grounding protection measures for the substation were analyzed and explained.
KEYWORDS：Substation, Primary system, Short-circuit current calculation, Design scheme
目 录
1 电气主接线设计方案
1.1 项目建设的必要性
本文涉及的乔家变，电压等级为220kV，主要用于通榆县及其附近村屯的供电供给。通榆县有2座220kV
。两座220kV变电站，均为2×180MVA，2021
99%和46%，前者运行中存在较大风险，
。两变电站主要电源分别来自于500kV乐胜变、傅家变，承担着该地区北部和东部供电任务。
城市发展需要更多的电力，白城市建设了多个66kV输变电工程，2022年向通榆县增加30兆瓦供电量。但是如果这些新增加的电力由昌盛变输送，那么昌盛变将面临满载甚至过载的困境，对供电的安全性和稳定性有较大影响。如果新增负荷由胡家变承担，胡家变的负载率将大幅度增加，接近满载。这是十分危险的，因为昌盛变和胡家变都将满载运行，电网随时可能崩溃。为了满足通榆县地区发展的需要，220kV变电站扩容和建设已经迫在眉睫。
本文涉及的乔家变，电压等级为220kV，主要用于通榆县及其附近村屯的供电供给。通榆县有2座220kV。两座220kV变电站，均为2×180MVA，202199%和46%，前者运行中存在较大风险，。两变电站主要电源分别来自于500kV乐胜变、傅家变，承担着该地区北部和东部供电任务。
城市发展需要更多的电力，白城市建设了多个66kV输变电工程，2022年向通榆县增加30兆瓦供电量。但是如果这些新增加的电力由昌盛变输送，那么昌盛变将面临满载甚至过载的困境，对供电的安全性和稳定性有较大影响。如果新增负荷由胡家变承担，胡家变的负载率将大幅度增加，接近满载。这是十分危险的，因为昌盛变和胡家变都将满载运行，电网随时可能崩溃。为了满足通榆县地区发展的需要，220kV变电站扩容和建设已经迫在眉睫。
1.2 电气主接线的基本接线形式
电气主接线的基本接线形式有两种基本形式，即无汇流母线和有汇流母线。无汇流母线的接线形式是指每个负载都直接从电源引出一对导线，不经过任何中间节点。这种接线形式的优点是简单、可靠，缺点是导线多、成本高、布线不方便。有汇流母线的接线形式是指在电源和负载之间设置一个或多个汇流母线，每个负载都从汇流母线上引出一对导线。这种接线形式的优点是导线少、成本低、布线方便，缺点是汇流母线的容量和位置要根据负载的数量和分布合理确定，否则会影响电气系统的安全和稳定。本此设计的白城乔家变电站是有汇流母线的接线方式，有汇流母线的接线方式有以下几种：
第一，单母线接线：这是最简单和最经济的接线方式，所有的负荷直接与母线相连。可以减少连接设备，施工简单，操作方便。但是系统的可靠性较低，如果母线故障将影响整条线路上所有的供电回路。适用于回路少、负荷小的系统。
第二，单母线分段接线：将母线分成两段或多段，并在分段之间设置分段断路器，在分段上可以采用单母线接线的方式。通过将母线分段，可以减小母线故障的影响范围，也就是说，当母线某处发生故障时，只影响分段内的供电，其他母线分段不受影响，提高了供电系统的可靠性。但是，需要增加断路器等分段设备，投资增大。另外，还需要进行分段断路器的操作和协调，操作难度较大，对操作人员要求更高。
第三，双母线接线：这是在单母线接线的基础上，增加了一组备用母线，并在每个回路上设置了两个断路器，一个连接工作母线，一个连接备用母线。这种方式进一步提高了系统可靠性，当工作母线发生故障或者需要检修时，备用母线可以代替完成供电任务。但是需要更多的母线和设备，投资较大，线路复杂。
第四，双母线分段接线：这种接线方式就是通过断路器将两条母线分段，然后在连接负荷。进一步提高了系统的可靠性，缩小了故障或检修时的停电范围，缺点是设备数量更多、投资更大、操作更复杂。
电气主接线的基本接线形式有两种基本形式，即无汇流母线和有汇流母线。无汇流母线的接线形式是指每个负载都直接从电源引出一对导线，不经过任何中间节点。这种接线形式的优点是简单、可靠，缺点是导线多、成本高、布线不方便。有汇流母线的接线形式是指在电源和负载之间设置一个或多个汇流母线，每个负载都从汇流母线上引出一对导线。这种接线形式的优点是导线少、成本低、布线方便，缺点是汇流母线的容量和位置要根据负载的数量和分布合理确定，否则会影响电气系统的安全和稳定。本此设计的白城乔家变电站是有汇流母线的接线方式，有汇流母线的接线方式有以下几种：
第一，单母线接线：这是最简单和最经济的接线方式，所有的负荷直接与母线相连。可以减少连接设备，施工简单，操作方便。但是系统的可靠性较低，如果母线故障将影响整条线路上所有的供电回路。适用于回路少、负荷小的系统。
第二，单母线分段接线：将母线分成两段或多段，并在分段之间设置分段断路器，在分段上可以采用单母线接线的方式。通过将母线分段，可以减小母线故障的影响范围，也就是说，当母线某处发生故障时，只影响分段内的供电，其他母线分段不受影响，提高了供电系统的可靠性。但是，需要增加断路器等分段设备，投资增大。另外，还需要进行分段断路器的操作和协调，操作难度较大，对操作人员要求更高。
第三，双母线接线：这是在单母线接线的基础上，增加了一组备用母线，并在每个回路上设置了两个断路器，一个连接工作母线，一个连接备用母线。这种方式进一步提高了系统可靠性，当工作母线发生故障或者需要检修时，备用母线可以代替完成供电任务。但是需要更多的母线和设备，投资较大，线路复杂。
第四，双母线分段接线：这种接线方式就是通过断路器将两条母线分段，然后在连接负荷。进一步提高了系统的可靠性，缩小了故障或检修时的停电范围，缺点是设备数量更多、投资更大、操作更复杂。
1.3 电气主接线设计方案
1.3.1 乔家220kV主接线方案
按照我国相关规定，220kV等级的变电站需要设置双母线，提高系统的可靠性和灵活性。本次设计的乔家220kV变电站出现8回，主变3台，设置一条工作母线，另一条为备用母线。通榆地区电网复杂，且现有变电站负载率较高，因此，对电力系统的可靠性和灵活性要求更高。因此，在双母线的基础上，设计了两种双母线分段接线接线方案，通过对比分析两种方案的优缺点，综合考虑实际需求，最终确定主线接线方案。具体方案如下：
方案一，如图1.1所示，其中线路L1为通榆胡家1回，L2和L3为新志2回，L4和L5为舍力风电2回，L6为Ⅰ回预留，L7和L8为洮河2回；B1～B14表示断路器；1EM、2EM、3EM表示母线；T1、T2、T3表示变压器。
图1.1 220kV侧方案一电气主接线图
图1.2 220kV侧方案二电气主接线图
方案二：如图1.2所示，将L5为舍力风电2回的连接位置进行了调整，将L5连接在2EM和3EM之间，当断路器B11断开时由变压器T3对其供电。其他部分的连接与方案一相同。
从图1.1和图1.2中可以看出，方案一的接线方式更加合理。第一，方案一中变压器的负荷分布更加均匀，方案二中变压器T3的负荷过多；第二，当断路器B11断开时，方案一中L5为舍力风电2回由变压器T1和T2供电，方案二中L5为舍力风电2回由变压器T3供电，明显方案一的可靠性跟更高。因此，本次设计选用方案一作为220kV侧主接线方案。
按照我国相关规定，220kV等级的变电站需要设置双母线，提高系统的可靠性和灵活性。本次设计的乔家220kV变电站出现8回，主变3台，设置一条工作母线，另一条为备用母线。通榆地区电网复杂，且现有变电站负载率较高，因此，对电力系统的可靠性和灵活性要求更高。因此，在双母线的基础上，设计了两种双母线分段接线接线方案，通过对比分析两种方案的优缺点，综合考虑实际需求，最终确定主线接线方案。具体方案如下：
方案一，如图1.1所示，其中线路L1为通榆胡家1回，L2和L3为新志2回，L4和L5为舍力风电2回，L6为Ⅰ回预留，L7和L8为洮河2回；B1～B14表示断路器；1EM、2EM、3EM表示母线；T1、T2、T3表示变压器。
图1.1 220kV侧方案一电气主接线图
图1.2 220kV侧方案二电气主接线图
方案二：如图1.2所示，将L5为舍力风电2回的连接位置进行了调整，将L5连接在2EM和3EM之间，当断路器B11断开时由变压器T3对其供电。其他部分的连接与方案一相同。
从图1.1和图1.2中可以看出，方案一的接线方式更加合理。第一，方案一中变压器的负荷分布更加均匀，方案二中变压器T3的负荷过多；第二，当断路器B11断开时，方案一中L5为舍力风电2回由变压器T1和T2供电，方案二中L5为舍力风电2回由变压器T3供电，明显方案一的可靠性跟更高。因此，本次设计选用方案一作为220kV侧主接线方案。
1.3.2 乔家110kV主接线方案
根据我国110kV变电站设计相关规定，当出线回路数小于或等于6回时，以采用更加经济的单母线接线方式；当出线回路数超过6回时，应该采用可靠性更高的双母线接线方式。本次设计中，110kV侧的出线回路如图1.3所示，本期共有12回，因此采用双母线的接线方式。
图1.3 110kV主线接线图
根据我国110kV变电站设计相关规定，当出线回路数小于或等于6回时，以采用更加经济的单母线接线方式；当出线回路数超过6回时，应该采用可靠性更高的双母线接线方式。本次设计中，110kV侧的出线回路如图1.3所示，本期共有12回，因此采用双母线的接线方式。
图1.3 110kV主线接线图
1.3.3 乔家35kV主接线方案
如图1.4所示，单母线分段接线适合用于35kV接线本期，单母分段+单母线单元接线适合用于远期。
图1.4 35kV主线接线图
如图1.4所示，单母线分段接线适合用于35kV接线本期，单母分段+单母线单元接线适合用于远期。
图1.4 35kV主线接线图
1.3.4 各级中性点的接地方式
2 负荷计算
2.1 电力负荷的分级
实际工作中，需要将电力负荷划分为不同的级别，以便确定合理的供电方式和配电回路。一般来说，电力负荷分为一级负荷、二级负荷和三级负荷。其中：一级负荷是指对电网稳定和用户生产、生活有重要影响的负荷，如工业生产、公共设施、医疗卫生等。一级负荷的特点是用电量大、用电规律明显、用电需求稳定。一级负荷通常不允许随意断电或调节，因为这会造成严重的经济损失或社会影响。二级负荷是指对社会经济发展和人民生活有一定影响但不属于一级负荷的用电客户，如工业、商业、居民等。在电力供应紧张的情况下，电力部门可以根据实际情况，对二级负荷实施限制或轮流停电，以保证一级负荷的正常供应。二级负荷的相关规定旨在合理分配电力资源，保障社会公共利益，维护电力市场秩序。最后，不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。
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