《电气设备》课程设计2

《电气设备》课程设计2

《电气设备及运行维护》课程设计2

一、课程设计题目

变压器接地保护装置的展开图与安装接线图设计。

二、设计任务

据附图所示有关变压器接地保护装置原理接线图的资料，并查阅其它相关信息，画出其相应的展开图、安装接线图（包括屏面布置图、端子排图、屏背面接线图）。

三、设计成果

1.说明书一份；

2.将展开图、安装接线图（包括屏面布置图、端子排图、屏背面接线图）可以画在一张3#图纸上。

四、设计步骤

1.熟悉保护原理图，绘制展开式原理接线图，并进行正确的回路编号。根据回路编号原则，分别对直流及交流回路进行编号。在编号过程中，并不需要对二次回路展开图中的每一个结点都进行编号，而只对引至端子排上的回路加以编号即可。

2.设计屏面布置图①确定屏的形式例如：控制屏可采用直立屏，屏高2360mm，深550mm，宽有600mm、800mm两种。注意应根据所需布置的设备的数量多少来选择相应的屏宽。②确定布置在屏面上的设备

例如：变压器控制屏设计时，应确定全部屏面上布置设备的种类，并按照相关规定确定其布置位置。同时依据控制屏设计的要求按一定比例画出。

3.设计端子排

①确定端子排图布置位置

例如：设计控制屏端子排，先应考虑该端子排放在屏后的左侧还是右侧，若屏内仅有一个安装单位，放在哪一侧均可。若屏内有数个安装单位，那么根据屏面布置图，设备靠何侧，端子排也应设置在那一侧。

②确定需经过端子排的回路编号及需经端子排转接的回路。

根据展开式原理图，将图中设备记清，哪些放在屏上，然后把屏内设备连接的编号一一记录下来。

③根据端子排设计原则画控制屏端子排图。

4.设计屏背面接线图

①据屏面布置图，按在屏上的实际安装位置把各设备的背视图画出来。②将端子排图画在屏背接线图的两侧。左侧端子排图仍画在左侧，反之亦然。③运用“相对编号法”给屏内设备之间和屏内设备到端子排间的连线进行编号。注意两个屏之间的相互关系。

附图：

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电气设备课程设计

题目电气设备课程设计办学学院校外学习中心

专业电气工程及其自动化

年级指导教师学生姓名学号

201*年03月03日

题目：电气设备课程设计

学生：**指导教师：曾仲凡

摘要

发电厂是电力系统的重要组成部分，也直接影响整个电力系统的安全与运行。在发电厂中，一次接线和二次接线都是其电气部分的重要组成部分。

在本设计中，主要针对了一次接线的设计。从主接线方案的确定到厂用电的设计，从短路电流的计算到电气设备的选择都作了详尽的阐述。二次接线则以发电机的继电保护的设计为专题，对继电保护的整定计算做了深入细致的介绍。

设计中，综合考虑了经济性、可靠性等多方面因素，在确保可靠性的前提下，力争经济性。设计说明书中所采用的属于、符号也都完全遵循了现行电力工业标准中所规定的术语和符号。

课程设计任务书

一、原始资料：

1、发电厂类型：**水电站2、发电机组（变压器）台数与容量：365MW3、设计年利用小时数4492小时

4、电力负荷：

（1）、低压负荷：厂用电率0.45%，待建电站邻近7km处有一已建电站，可做备用厂用电源。

（2）、高压负荷：220kV电压级，出线1回，为I级负荷，最大输送容195MW，cos=0.85；4、设计电厂（变电所）接入电力系统情况：

（1）、待设计发电厂接入系统电压等级为220kV，距系统220kV发电厂7km；出线回路数为1回；5、环境条件：

海拔<2500m；本地区污秽等级2级；地震裂度<7级；最高气温36°C；最低温度8°C；年平均温度12°C；最热月平均地下温度20°C；年平均雷暴日T=56日/年；其他条件不限。二、设计内容：参照设计指示书。

课程设计正文目录

前言---------------------------------------------5第一章发电厂电气主接线设计---------------------6第一节主接线的方案概述---------------------6第二节初步拟定供选择的主接线方案-----------9第三节主接线的方案的技术经济比较----------10第四节厂用电源接线及坝区供电方式----------12第二章短路电流计算----------------------------14第一节短路电流计算概述--------------------14第二节短路电流计算------------------------15第三章导体、电器设备选择及校验----------------23第一节导体、设备选择概述------------------24第二节导体的选择与校验-------------------24第三节电器设备的选择与校验---------------27第四节导体和电气设备的选择成果表---------35第四章发电厂（升压站）配电装置设计-------------37第一节配电装置类型及特点-----------------37第二节配电装置的设计----------------------38第五章继电保护、自动装置、测量表计及同期系统的配

置规划----------------------------------39

第六章过电压保护和接地------------------------48参考文献----------------------------------------50

前言

一、本课程设计的目的与要求：

本课程设计是电气工程及其自动化专业学生在完成本专业教学计划的全部课程教学、生产实习、毕业实习的基础上，进一步培养学生综合运用所学理论知识与技能，解决实际问题能力的一个重要环节。通过课程设计，使学生理论联系实际，系统、全面的掌握所学知识，培养学生分析问题的能力、工程计算的能力和独立工作的能力。使学生树立工程观点、社会主义市场经济观点，初步掌握发电厂（变电所）电气部分的设计方法，并在计算、分析和解决工程问题的能力方面得到训练，为今后从事电力系统有关设计、运行、科研等工作奠定必要的理论基础。二、设计内容：

1、电气主接线的设计；2、短路电流计算；3、电器选择；

4、高压配电装置的布置与电厂电气设施的总平面布置设计；5、继电保护装备、自动装置与测量表计配置设计；6、同期方式设计；7、避雷器的选择和设计；三、设计成品：

1、说明书，包含总论、主接线选择、短路电流计算、电器设备选择、高压配电装置设计、继电保护自动装置配置、同期方式、防雷保护等；2、图纸，包括：电气主接线图、全厂继电保护自动装置测量表计图、

高压配电装置平面图和断面图、发电厂的全厂手动准同期接线图。四、原始资料：

1、发电厂（变电所）类型：**水电站2、发电机组（变压器）台数与容量：365MW3、电力负荷：

（1）、低压负荷：厂用电率0.45%，待建电站邻近7km处有一已建电站，可做备用厂用电源。

（2）、高压负荷：220kV电压级，出线1回，为I级负荷，最大输送容195MW，cos=0.85；4、设计电厂（变电所）接入电力系统情况：

（1）、待设计发电厂接入系统电压等级为220kV，距系统220kV发电厂7km；出线回路数为1回；

（2）、电力系统的总装机容量为47000MVA、归算后的电抗标幺值为0.3，基准容量Sj=100MVA；5、环境条件：

海拔<2500m；本地区污秽等级2级；地震裂度<7级；最高气温36°C；最低温度8°C；年平均温度12°C；最热月平均地下温度20°C；年平均雷暴日T=56日/年；其他条件不限。

第一章发电厂电气主接线设计

1-1主接线的方案概述

简述：电气主接线代表了发电厂或变电站电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，其直接影响发电厂或变电站运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟订有决定性的关系。

对电气主接线的基本要求包括可靠性、灵活性和经济性三个方面，本次设计根据《水电站机电设计手册》、《电力工程设计手册》以及相关参考书目的规定，结合设计任务的要求拟订2-3个可行的主接线方案，进行技术和经济比较，得出最佳接线方案。

本次设计所给皂角湾水电厂原始资料如下：

1、装机台数和容量为：365MW取额定电压UN=13.8kV2、机组年利用小时数；T=4492小时

3、气象条件；海拔<2500m；本地区污秽等级2级；地震裂度<7级；最高气温36°C；最低温度8°C；年平均温度12°C；最热月平均地下温度20°C；年平均雷暴日T=56日/年；其他条件不限。

4、功率因数；cos=0.855、接入系统电压等级；220KV6、220KV输电距离7km；

7、接入系统容量和归算后电抗；S=47038MVA，X*=0.3

一、对原始资料的分析：

本设计水电站为中、小型水力发电厂，其容量为365MW，年利用小时数为TMAX=4492小时。当电站建成投产后，其装机容量将占系统总容量的

0.04%；说明该厂在未来电力系统中的作用和地位并非十分重要，从而该厂主接线设计的侧重点应该在经济性和灵活性。

本次设计的重点是：水电厂高低两级电压电气主接线的拟订和水电厂机端13.8KV电压配电装置、220KV高压配电装置、厂用电配电装置等设备的选择。难点是：对电厂整个电气主接线的短路电流计算及各种电器的继电保护配置。

二、发电机与主变压器的接线形式的确定：

本次设计发电机的形式根据水电厂实际情况采用合适型号，因其单机容量为65MW，有厂用电分支，其机端电压等级采用13.8KV。根据发电厂主变压器确定原则：本次设计按以有扩建可能和机组台数较多等因数考虑，发电厂主变台数定为23台，总容量应大于或等于电厂总装机容量（>=195MVA）。采用13.8kV/220kV两级电压，三相双绕组变压器。

三、主接线方案初步拟订：

在对设计原始资料分析的基础上，结合对电力系统电气主接线的可靠性、经济性及灵活性等基本要求综合考虑，在满足技术、经济政策的前提下，本次设计力争使其成为技术先进，发电可靠、经济合理的主接线方案。可靠发电是本设计水电厂应该考虑的首要问题，兼顾到经济性和水电厂升压站场地狭窄等问题，设计主接线应保证其丰期满发，不积压发电能力。主接线方案从以下几个方面考虑：

1、线路、断路器、主变或母线故障或检修时，对机组的影响，对发电

机出力的影响。

2、本水电厂有无全厂停电的可能性。

3、主接线是否具有足够的灵活性，能适应各种运行方式的变化，且在检修事故状态下操作方便，调度灵活，检修安全等。

4、在满足技术要求的前提下，尽可能考虑投资省、占地面积小，电能损失小和年运行费用少。

5、是否适宜于实现自动化和实现无人值守。

通过对原始资料的分析，现将各电压等级可能的较佳方案列出，进而优化组合，形成最佳可比方案。

1-2初步拟定供选择的主接线方案

根据电站的装机台数和出线回路数及上述资料，拟定两个电气主接线方案进行比较：

1、接线方案：

方案Ⅰ：发电机变压器采用扩大单元接线，通过一台容量为1800MVA的主变压器升压至220kV，220kV侧采用单母线接线。

方案Ⅱ：发电机变压器采用单元接线，分别接容量为90MVA的主变压器各一台，220kV侧母线采用单母线接线。

电气主接线方案比较见图：主接线方案比较图。

1-3主接线的方案的技术经济比较

电气主接线方案的技术、经济比较如下：一、技术比较（一）、方案Ⅰ：

发电机、变压器采用扩大单元接线，220kV侧采用单母线接线，其优缺点如下：

1、优点：

①接线简单清晰，运行方便，只有两台主变压器；②升压站占地面积相对较小，布置方便；③220kV设备相对少、投资较少，维护费用低；④继电保护比较简单，维护工作量小。2、缺点：

①主变压器或断路器检修或故障时，必须两台机组停机，对本站出力影响较大。

②运行灵活性、供电可靠性较方案Ⅱ略差。

③2B主变单位占地较大，不利于洞内安装，散热困难。（二）、方案Ⅱ：

发电机、变压器采用发变组单元接线，220kV侧母线采用单母线接线；其优缺点如下：

1、优点：

①接线简单清晰、供电可靠性高；

②一台主变故障或检修只影响一台发电机运行，仍有部分电能送出；③厂用电源分别从主变低压侧取得，提高了厂用电的可靠性。④后期扩建容易2、缺点：

①需设三台主变，占地面积较大；②投资和年运行维护费相对较高。二、经济比较

各方案经济比较见表1-1

方案经济比较表

表1-1

序号12345678

项目主变压器(台)13.8KV断路器柜(台)13.8KV互感器柜(台)220kV断路器设备（组）主要设备投资（万元）主要设备投资差（万元）年运行维护费（万元）年运行维护费差（万元）11

方案Ⅰ2583231033.020方案Ⅱ35942966540.74+7.91011主变年电能损失（万kWh）主变年电能损失费（万元）主变年电能损失费差（万元）48.4812.12056.5314.13+2.01经过技术和经济比较：方案I投资较低，方案Ⅱ投资较高；方案Ⅱ的接线简单清晰、运行方便，供电的可靠性、灵活性比方案I略高；方案Ⅱ的供电可靠性、灵活性较高，但是占地面积大。方案I单体主变占地较大、主变散热困难，扩建困难。根据该电站高压侧出线回路数少，高压侧接线应简单、清晰、操作方便等特点，推荐采用方案Ⅱ为主接线方案，即：发电机变压器单元接线，220kV侧采用单母线接线。推荐发电机、变压器组合接线方案见“电气主接线图”。

1-4发电机、主变及厂变的选择

一、发电机的选择及主要参数：

根据设计题目所给参数，查阅相关资料，本设计确定发电机形式如下：

发电机型号SF65-10/4250台数3额定容量65MW额定电压13.8KV额定功率因数0.85电抗标么值0.204

二、主变压器的选择及主要参数：

主变压器型号：SSP9-90000/220；额定容量：90000KVA；

额定电压比：242/13.8kV调压形式：无载调压

调压范围：(242±22.5%)/13.8kV接线组别：Yn,d11冷却方式：强迫有循环水冷

三、厂变选择：

根据题目要求，厂用电率为0.45%，即为P=1950.0045=0.8775MW，本厂无高压电机之类负荷，厂用电电压等级按0.4/0.22KV考虑。查阅相关资料，选取厂变型号及参数如下：

型号：SCB9-1000/13.8；额定容量：1000KVA；

额定电压比：13.8/0.4kV调压形式：无载调压调压范围：(13.8±22.5%)/0.4kV

接线组别：Yn,d11

1-5厂用电源接线方式

为提高厂用电的可靠性，在厂房内设置三回厂用电源，一回通过一台厂用变压器接于13.8KVI段母线上，第二回通过一台厂用变压器接于13.8KVII段母线上，另一回电源取自7KM处已建成电站作为备用厂用电源。前两回电源作为全厂低压设备的主电源，后一回电源作为备用电源。在母线廊道I段、II段设置UR4高压开关柜分别向11B、12B供电，洞外35KV开关

站设置35KV高压开关向31B供电；低压侧设置400VHY3000型低压开关。

本电站闸首距厂址25km，首部枢纽可靠性要求高，通过厂用13.8KV母线，通过一台35kV升压变及35kV线路供电，设上有九架棚电站为第一回备用电源，一台柴油发电机为第二回备用电源。

第二章短路电流计算

2-1短路电流计算概述

一、短路电流计算的目的和意义

电力系统短路的危害：在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小及突然短路时的暂态过程，使短路电流值大大增加，短路点的电弧有可能烧坏电器设备。另外，导线也会受到很大的电动力的冲击，致使导体变形，甚至损坏。短路还会引起电网中电压降低，使用户的供电受到破坏。短路还会引起系统功率分布的变化，影响发电机输出功率的变化。

电力系统短路的种类有：①三相短路；②两相短路；③单相短路接地；④两相短路接地。

计算短路电流的目的主要是为了选择断路器的电气设备或对这些设备提出技术要求；评价并确定网络方案；研究限制短路电流措施，为继电保护设计与调试提供依据，分析计算送电线路对通讯设施的影响等。二、短路电流计算的基本假定和计算方法

①、本次设计短路电流计算只考虑三相短路为最严重的情况，只对三相短路进行计算。

②、各台发电机均用次暂态电抗d″作为其等值电抗。③、正常工作时，三相系统对称运行。④、所有电源的电动势相位角相同

⑤、电力系统中所有电源都在额定负荷下运行。

⑥、电力系统中各元件的磁路不饱和，带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。

⑦、同步电机都具有自动调整励磁装置。短路发生在短路电流为最大值瞬间，而不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

⑧、除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都忽略不计。

⑨、元件的确计算参数均取其定额值，不考虑参数的误差和调整范围。⑩、输电线路的电容忽略不计。本设计短路电流计算采用运算曲线法。三、短路点的选择

因本设计水电厂电压等级不多，接线简单，220KV接线为单母线接线，13.8KV为单元接线，故在220KV（主变高压侧）及13,8KV（主变低压侧）母线各选取一点作为短路计算点。

2-2短路电流计算

在本设计中，短路电流计算只计算三相短路电流，短路电流计算时间为：0s；0.2s；和4s（∞）。一、短路电流计算的方法：

本次设计短路电流计算运用运算曲线法，采用电路元件的标幺值进行。二、短路电流计算电路图：

计算电路图如上图所示，根据上图，计算给出短路电流计算网络图，

如下：

元件参数如下表：

电气元件发电机F1~F3主变压器1B~3B线路系统参数365MWXd”=0.204Ω390MVAUd%=13.87km0.4Ω/km47058MVAX*=0.3图中主要

备注1）、本设计取基准功率SB=100MVA，取电压基准为Uj=Up（各段平均额定电压），则系统各计算元件电抗如下表所示：

编号X1X3X6X11X12元件名称发电机F1~3主变压器1B线路系统标么值0.204100÷65=0.31390.105100÷90=0.153470.4100÷115=0.02120.3100÷40000=0.00072备注发电机F1~3视在功率S=P/cosф=76.47MVA

2）、短路电流计算电抗图：

三、短路电流计算过程：1、计算d1点短路电流，网络简化变换和计算

过程如下：

X4=X1∥X2∥X3=0.1047X5=X11+X12=0.0219X6=X10+X4=0.1559（1）、计算电抗：Xjs5=X5=0.0219

Xjs6=X6*Se1-3/Sj=0.15593(65÷0.8)÷100=0.38

（2）、各电源供给的短路电流标么值查水轮机运算曲线得：发电机F13：

I*”=3.2I*0.2=2.64I*∞=2.85系统：

I*”=I*0.2=I*∞=1/X5=45.6221

由此，总的I*”=3.2+45.6621=48.8621；I*0.2=2.64+45.6621=48.3021；I*∞=2.85+45.6621=48.5121；

（3）、各电流换算至220KV的额定电流和基准电流为：Ij=Sj/(1.732220)=0.2625；Ie=(SeIj)/Sj；

对于发电机F13：Ie1-3=(Se1-3Ij)/Sj=0.3634KA；（4）、三相短路电流周期分量起始有效值：公式：I”=I*”Ie

对于发电机F13：I”=I*”Ie=3.20.3634=1.1629KA；I0.2=I*0.2Ie=2.640.3634=0.9594KA；I∞=I*∞Ie=2.850.3634=1.0357KA；对于系统：I”=I0.2=I∞=I*Ij=45.66210.2625=11.9863KA；小计：I”=1.1625+11.9863=13.1492KA；I0.2=0.9594+11.9863=12.9457KA；I∞=1.0357+11.9863=13.022KA；（5）、短路容量：

计算公式：S”=1.732I”Uj

对于发电机F13：S”=1.732I”Uj=443.1115MVA；S0.2=1.732I0.2Uj=365.5698MVA；S∞=1.732I∞Uj=394.6432MVA；对于系统：S”=S0.2=S∞=1.732I”Uj=4567.2598KVA；小计：S”z=5010.3713MVA；S0.2z=4932.8296MVA；S∞z=4961.9020MVA；

（6）、短路全电流最大有效值及冲击值：

发电机F13：Ich=1.7676KA；ich=2.9654KA；系统：Ich=18.2192KA；ich=30.5651KA；小计：Ichz=19.9868KA；

20

ichz=33.5305KA；

2、计算d2点短路电流，网络简化变换和计算过程如下：

Xb=X12+X11=0.219Xa=Xc=X1+X7=0.4673X4=Xa//Xb//Xc+X8=0.0201；（1）、计算电抗：Xjs4=X4=0.0201；

Xjs2=(X2Sρ2）/Sj=（0.313965÷0.85）/100=0.2401；（2）、各电源供给的短路电流标么值查水轮机运算曲线得：

发电机F13：

I*”=4.4I*0.2=3.3I*∞=3.25系统S：

I*”=I*0.2=I*∞=1/X4=49.7513；

（3）、各电流换算至13.8KV的额定电流和基准电流为：Ij=Sj/(1.73210.5)=4.1839；Ie=(SeIj)/Sj；

对于发电机F13：Ie1-3=(Se1-3Ij)/Sj=3.1995KA；

其计算步骤同前，计算结果见下表：《发电厂短路电流计算成果表》。

第三章导体、电器设备选择及校验

参考《电力工程设计手册》、《水电站机电设计手册》、的有关要求和方法，根据《导体和电器选择设计技术规定》进行导体和电器选择。查《电力工程设备手册》得出设备数据。

3-1导体、设备选择概述

一、导体、电器选择在发电厂和发电厂电气设计中的地位和作用：电气装置中的载流导体和电气设备，在正常运行和短路状态时都必须安全可靠的运行，为了保证电气装置的可靠性和经济性，必须正确地选择电气设备和载流导体。

二、本次设计中选择的导体、电器：

根据第一章中主接线的设计方案，本次设计中要进行选择的导体和电器主要是：

1、线路、引线及汇流母线的选择；2、绝缘子、穿墙套管的选择；3、断路器、隔离开关的选择；4、电流、电压互感器及其熔断器；5、阻波器、耦合电容器的选择；6、其他电器的选择；

3-2导体的选择与校验

一、连接导体的选择：

1、发电机-变压器导体选择：

导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择，一般按长期发热允许电流选择，对于年负荷利用小时数较大，传输容量较大，长度在20米以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。

根据以上原则，本次设计因10KV侧无汇流母线，仅对发电机出口开关柜至主变之间的导体进行选择。按长期允许发热电流选择：

1）、发电机F1～F3至变压器之间导体选用单条矩形铝导体，其中截面按公式Imax≤kIal确定：

Imax765004206.5325310.5Kal-70201.05

al-07025

计算得：Ial≥4006.224

查表选择得导体截面为：单条250（mm）竖放。①、热稳定校验：

2

运用简化公式进行校验。公式中取短路电流持续时间

tdz=0.25s，取70℃时热稳定系数C=87；Smin为满足热稳定的最小允许截

面积，查短路计算结果：I∞49.7513则：

Smin49.75130.25285.926987=

满足热稳定要求。②、动稳定校验：根据动稳定校验条件：σσ

max

max

=σy

作用在母线上的最大计算应力

6

σy－母线材料的允许应力。取σy=7010（Pa）

对于单条矩形母线：

其中：支持绝缘子间的跨距L=1.2；

截面系数w=bh/6=1.67104；冲击电流ich=26.108KA；2

母线相间距离α=0.75m；振动系数β≈1；

则有：

max1.732ich2L2aw1081.3518105

σ

max

查短路计算结果：I∞7.515KA则：

Smin=152mm2>150mm2；

不能满足热稳定要求，为此，选用LGJQ-185导线能满足设计要求。二、母线的选择：

与变压器-母线连接线引线选择步骤相同，本设计220KV母线选择型号为ZF16-252/Y的GIS成套设备自带母线。三、线路导体选择：

与变压器-母线连接线引线选择步骤相同，本设计220KV母线选择型号为LGJQ-185的钢芯铝绞线，其热稳定、电晕的校验均能满足要求。

3-3电器设备的选择与校验

一、断路器及操作机构的选择：

断路器的作用是正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备或线路接入或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路，保证无故障部分正常运行，起保护作用。断路器的形式有多油、少油、真空、六氟化硫等。

断路器型式选用的原则是：除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装和运行维护，并经经济比较后确定。

1、220KV断路器的选择：（包括主变高压侧断路器及线路断路器）220KV母线上变压器开关通过的最大持续工作电流为：214.7A；

=

220KV线路开关通过的最大持续工作电流为：214.7A；220KV母线发生三相短路，即d1点短路时的短路参数如下：S′=5010.3713MVAI′=13.1492KAI∞13.022KAich=33.5304KAIch=19.9868KA

查阅相关资料，试选断路器型号为：TGFM-15，其主要参数为：

型号TGFM-15额定电压(KV)252额定电流(A)2500额定开断电流(KA)50额定关合电流(KA)125热稳定电流(KA)31动稳定电流(KA)63=

断路器及隔离开关校验标准：

①、最大持续工作电流小于额定电流。

②、断路器t秒的开断容量小于或等于断路器额定开断容量。

③、动稳定校验。ich≤imax。imax极限峰值。

④、热稳定校验。Itdz2

①、F1～F3发电机出口侧断路器选择：

试选13.8KV断路器型号为：150VCP-WRG50其技术参数为：

型号150VCP-WRG50额定电压(KV)15额定电流(A)4000额定开断电流(KA)40额定关合电流(KA)125热稳定电流(KA)40动稳定电流(KA)125根据校验条件和断路器参数校验：

Igmax

二、隔离开关的选择：

1、隔离开关的作用有；①、隔离电压；②、倒闸操作；③、分、合小电流。隔离开关的形式较多；有屋内式、屋外式、单柱式、双柱式、三柱式等。其选用原则是除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装和运行维护，并经经济比较后确定。2、选择与校验：

隔离开关一般与断路器配套使用，其选择用的最大持续工作电流可以参照断路器选择时的最大持续工作电流。①、220KV隔离开关选择：

按d1点短路条件试选：ZF16-252/Y用于220KV出线侧）。其技术参数为：

型号ZF16-252/Y额定电压(KV)252额定电流（A）2500热稳定电流(KA)30动稳定电流(KA)70根据校验条件和断路器参数校验：

Igmax

I∞tdzI∞tdz在13.8KV母线上装设一组（三相五柱式）Y/Y/△接线电压互感器供保护、同期、测量用②、电流互感器配置：

发电机F1～F3出口侧装设6组电流互感器，按三相式配置，每组为双绕组，分别用于发电机差动，发电机机房测量仪表，发电机过流保护和发电机自动调节励磁用。

主变高压侧；配置2组电流互感器，按三相配置，每组为双绕组，分别用于测量、电流保护和主变差动保护。

主变中性点：设一只电流互感器，用作变压器中性点零序电流保护。220KV出线侧配置3组电流互感器（三相双绕组）分别用于测量、计量电流保护或距离保护。

电压、电流互感器的配置情况，详见电气主接线图。2、电压互感器的选择：

①、110KV母线电压互感器选择：

根据使用条件，查《发电厂电气部分》附表4，P228选择220KV母线电压互感器的型号为：JDQXF3-220其技术参数如下表：

型号JDQXF3-220额定电压(KV)原绕组副绕组辅助绕组2203

②、发电机出口13.8KV电压互感器选择：

发电机出口处电压互感器配置有2组，分别用于自动调节、励磁、测

量、保护、测速用，选用JDZX11-15型其技术参数如下表：

型号JDZX11-15额定电压(KV)原绕组15副绕组辅助绕组

③、13.8KV母线电压互感器选择：

型号JDZX11-15额定电压(KV)原绕组15副绕组辅助绕组

3、电流互感器选择：

根据使用条件，查《发电厂电气部分》教材选择电流互感器。①、220KV出线侧电流互感器：最大负荷电流：

Imax=365/(1.732220)=511.7573(A)；

选择互感器型号为：LRB-220900/5A；②、220KV主变侧电流互感器：最大负荷电流：

Imax=90000/(1.732220)=236.1957(A)；

选择互感器型号为：LRB-220300/5A；③、13.8KV侧电流互感器：a、发电机出口侧最大负荷电流：

Imax=65/(1.73213.8)=2719.5(A)；

选择互感器型号为：LZZB8-204000/5A；b、13.8KV母线侧最大负荷电流：

Imax=65/(1.73213.8）=2719.5(A)；

选择互感器型号为：LZZB8-204000/5A；c、厂用变高压侧最大负荷电流：

Imax=1/(1.73213.8)=41.9(A)；

选择互感器型号为：LZZB9-24/220b/4100/5A；④、主变中性点电流互感器：

其一次额定电流按大于变压器允许的不平衡电流选择，一般情况下，可按变压器额定电流的1/3选择。

Ied=90000/(1.732220)=236.1957(A)；I=236.1957÷3=78.7319(A)；

选择互感器型号为：LCW-12100/5A；

五、高压熔断器的选择：

根据有关规程规定，220KV母线电压互感器和避雷器组，不用熔断器，而只用隔离开关开断。对于13.8KV电压互感器保护用熔断器，只需按照额定电压和开断容量来选择。通过查《发电厂电气部分》附表十：13.8KV电压互感器选用RTB-RC/13.8型限流式熔断器，其技术参数如下：

型号RTB-RC/13.8额定电压（KV）13.8额定电流（A）0.5开断容量（MVA）200最大切断电流（KA）50六、阻波器耦合电容器的选择：

查阅相关资料，220kV阻波器、电容器型号如下：阻波器：ZXK-630-2.2/16-B4630A；耦合电容器：OWF220/-0.01H0.01亨；

3-4导体和电气设备的选择成果表

一、导体选择成果表：

导体名称发电机-变压器导体厂用电高压侧导体110KV变压器连接体110KV母线110KV线路导体型号12510YJV-10-350电缆ZF16-252/YZF16-252/YLGJQ-185安装位置发电机出口厂变高压侧主变高压侧220KV母线220KV线路

二、电器设备选择成果表：

1、断路器，隔离开关选择成果表：

型号TGFM-15150VCP-WRG50150VCP-W50WZF16-252/YGN19-13.8/1000-31.5额定电压（KV）252151525213.8额定电流（A）25004000125025001000额定开断电流（KA）504040额定关合电流（KA）125125125热稳定电流（KA）3140403031.5(10s)动稳定电流（KA）6312512570752、电流、电压互感器选择成果表（1）电流互感器选择一览表

安装地点

型号额定电(A)35

次级组合220KV220KVF1F313.8KV母线侧厂变高压侧主变中性点LRB-220LRB-220LZZB8-20LZZB8-20LZZB9-24/220b/4LCW-12900/5300/54000/54000/5100/5100/50.2/0.50.2/0.50.2/0.50.2/0.50.2/0.50.2/0.5

（2）电压互感器选择一览表

额定电压(KV)安装地点型号原绕组副绕组辅助绕组220KV母线发电机出口JDQXF3-220JDZX11-152203151513.8KV母线侧JDJZ-10

3、熔断器的选择成果表

型号RJB-RC/13.8额定电压（KV）13.8额定电流（A）0.5开断容量（MVA）200最大切断电流（KA）50

4、绝缘子、穿墙套管的选择成果表

安装地点高压室屋内屋外110KV母线型号CMWD2-20ZC-10ZCP-35XP-7数量3额定电压（KV）201*35110片数9

5、阻波器、耦合电容器的选择成果表

安装地点220KV出线220KV出线型号ZXK-630-2.2/16-B4OWF220/-0.01H数量220/额定电压（KV）201*额定电流/电容630A0.01亨

第四章发电厂（升压站）配电装置设计

根据电气主接线和《高压配电装置设计技术规程》进行配电装置设计，确定配电装置的总体平面布置，断面结构，屋内，屋外配电装置，校验安全距离。

4-1配电装置类型及特点

配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。它是根据主接线的连接方式，由开关电器、保护和测量电器、母线和必要的辅助设备组建而成，用来接受和分配电能的装置。

配电装置按电器装设地点不同分为户内和户外配电装置，按组装方

式，可分为装配式和成套式，屋外配电装置可分为中型、半高型和高型。配电装置的特点按其形式不同而不同：

屋内配电装置的特点：①、由于允许安全净距小和可以分层布置而使占地面积较小；②、维修、巡视和操作在室内进行，不受气候影响；③、外界污秽空气对电器影响小，可减少维护工作量；④、房屋建筑投资较大。屋外配电装置的特点：①、土建工作量和费用较少建设周期短；扩建比较方便；②相邻设备之间距离大，便于带电作业；③、占地面积较大；④、受外界环境影响，设备运行条件差，须加强绝缘；⑤、不良气候对设备维修和操作有影响。成套配电装置的特点：①、电器布置在封闭或半封闭的金属外壳中，相间和对地距离可以缩小，结构紧凑，占地面积小；②、所有电器元件已在工厂组装成一体，大大减少现场安装工作量，有利于缩短建设周期，也便于扩建和搬迁；③、运行可靠性高，维护方便；④耗用钢材较多，造价较高。

4-2配电装置的设计

一、本次设计的要求：

本次设计根据主接线设计导体选择及电器设计选择的结果，13.8KV配电装置选择屋内式成套配电装置，对于220KV配电装置则采用屋外式中型布置。根据主接线和相关规程规定，针对13.8KV配电装置采用屋内式成套配电装置是由于其13.8KV设备较少和屋内式布置的特点确定的。二、配电装置设计的步骤和原则：

本设计13.8KV配电装置采用屋内成套配电装置，13.8KV高压室与水电厂主厂房、付厂房控制室等一起配套建成，开关柜型式采用目前较先进的UR4系列。13.8KV厂用变也可以考虑安装在室内。400V厂用电屏也采用成套配电装置，选用8面PSM型固定式低压开关柜，向全厂厂用负荷供电。

对于220KV配电装置，采用室内GIS中型布置，按主接线型式，不考虑升压站地形起伏。三、配电装置布置：

1、配电装置的最小安全距离按以下表格进行校验。

屋内配电装置的安全净距（mm）

符号适用范围1、带电部分与接地部分之间；2、网状或板状遮栏向上延伸2.3m处；与遮栏上方带电部分之间1、不同带电部分之间；2、断路器和隔离开关的断口两侧带电部分之间；1、栅状遮栏与带电部分之间；2、交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间；网状遮栏与带电部分之间；无遮栏裸导体至地面之间；平行的不同时停电的裸导体之间；通向屋外的穿墙导管至屋外通道的路面；额定电压(KV)10125220J850备注A1A2B1B2CDE1258752252425192540009001600950315026505000“J”是指中性点直接接地系统第五章继电保护、自动装置、测量表计

及同期系统的配置规划

一、继电保护配置：

**水电站的继电保护配置根据现行的规程规范要求，保护装置选用微机型，结合本电站的实际情况，各主要电气设备设置如下（但不限于）保护：

（一）发电机：

发电机保护、定值及动作后果

保护名称PT变比CT变比定值种类制动系数Kz启动电流Iq拐点电流Ig负序电压U2速断倍数Is解除TA断线功能差流倍数Ict额定电流Ie过流定值低电压定值4000/5A动作延时t1动作延时t2电流记忆延时t0动作电压Ug--动作时间t系统低电压Uh1机端低电压Ug1阻抗圆圆心-Xc阻抗圆半径Xr转子低电压初始动作值Vfd1转子低电压4000/5A特性曲线系数Kfd反映功率Pt过功率Pg定值0.41.16A2.33A10V6倍0.1倍（不投该功能）3.88A4.90A70V2.0s2.5s3s130V0.3s不投该判据80V-8.286.3763V待定动作后果发电机差动--4000/5A跳出口开关、灭磁开关、停机。低压记忆过流13800/100过电压13800/100t1时限：跳主变高压侧开关；t2时限：跳出口开关、灭磁开关、停机。跳出口开关、灭磁开关。失磁13800/100t1=t2时限：跳出口开关；t4时限：跳出口开关。定子接地

13800/100--待定294.02Wt1=t2=1s，动作时间t1～t5t4=0.5s，t3及t5不投基波电压3U0g8V40

跳出口开关、灭定时限定子过负荷--反时限定子过负荷--负序过流发电机轴电流保护名称励磁变过流励磁变限时速断转子一点接地励磁变温度升高励磁变温度过高--PT变比----------基波判据延时t动作电流4000/5A延时时间下限启动电流Is下限长延时ts上限电流Iup4000/5A上限时间tup热值系数K1散热系数K2动作电流I2g14000/5A动作时间t11动作电流Izg动作时间tCT变比200/5A200/5A------定值种类动作电流Idz延时时间t动作电流Idz延时时间t动作阻抗Rg1保护动作时限动作温度动作温度5s4.29A6s4.46A300s15.15A0.4s41.51.012.33A5s0.3A2s定值1.75A0.5s6.04A0.1s10k6s130℃150℃磁开关、停机。信号。跳出口开关、灭磁开关、停机。跳出口开关、灭磁开关、停机。信号。动作后果跳出口开关、灭磁开关、停机。跳出口开关、灭磁开关、停机。信号。信号。跳出口开关、灭磁开关、停机。（二）主变压器：

主变压器保护、定值及动作后果

CT变比定值种类定值制动系数Kz0.5谐波制动比η0.14启动电流Iq1.57A4000/5A300/5A拐点电流Ig2.36A201*/5A速断倍速（Ie）6201*/5A解除TA断线功能0.1倍（不差流倍数（Ie）投）额定电流Ie3.94A电流定值3I0g1待定100/5A动作时间t11.5s动作时间t21.5s电流定值3I0g1待定100/5A动作时间t12.0s动作时间t22.0s41

保护名称动作后果主变差动跳高压侧开关、发电机出口开关及灭磁开关、厂变高压侧开关、近区开关、启动失灵。零序过流Ⅰ段零序过流Ⅱ段t1时限：信号；t1时限：同“差动”后果t1时限：信号；t1时限：同“差动”后果高压侧复压方向过流300/5A2201*0/100V100/5A间隙零序过流低压侧零序电压高压侧开关启动失灵300/5A动作电流Ig低电压定值Ui负序电压定值U2g动作时间t动作电流3I0jxg零序电压3U0jxg动作时间t零序电压3U0g动作时间t动作电流Ig零序动作电流3I0g动作时间t1动作时间t24.97A70V10V0.7s5A180V0.3s10V6s4.13A0.98A0.2s0.3s4.59A0.5s1.1～1.2m/s56kPa56kPa33kPa跳高压侧开关、启动失灵。同“差动”后果。信号。t1时限：解除失灵保护的复压闭锁；t2时限：启动220kV母线失灵保护，跳开母线上所有开关。启动冷却器。同“差动”后果。同“差动”后果。同“差动”后果。信号。信号。信号。信号。信号。主变通风重瓦斯压力释放冷却器全停油温度过高绕组温度过高油温度升高轻瓦斯高压侧TV断线低压侧TV断线300/5A--------2201*0/100V13800/100V动作电流Ig动作时间t流速时效开启压力开启压力关闭压力油面油面容积（三）220KV线路保护：采用光纤差动和光纤距离保护（四）母线保护：

本站设置的母线保护装置具有如下功能：母差保护、复合电压闭锁、断路器失灵保护均动作于断开与母线有电源联系的各侧断路器；并具有CT、PT断线闭锁及告警功能，按系统要求配置。二、电站综合自动化：

（一）电站控制系统：

**水电站的控制方式按“无人值班、少人值守”的原则设计，全厂采用全计算机监控的方式，并在现场设置必要的常规控制设备。

电站的计算机监控系统拟采用光纤以太网构成的双环网系统结构。计算机显示器里显示全厂主要电气设备的模拟接线和控制单元开关电气元件，能清晰地显示各设备的运行状态，便于值班人员能讯速、正确判断处理故障或事故。

（二）计算机监控系统的控制对象：

皂角湾水电站计算机监控系统的监控对象主要有：（1）三台水轮发电机组；（2）三台220KV主变压器；（3）一回220KV线路及其装置；（4）机组出口13.8KV配电装置；（5）400V厂用电装置；（6）全站的油、水、气系统；（7）闸首泄洪闸、防空洞闸门（三）机组控制：

通过计算机监控系统对机组进行启、停和有功/无功调整以及并网操作；通过现地LCU可对机组进行操作调节，能实现自动采样，当获得开机令后，能自动判断确定导叶的开度。故障或事故时能自动减载或停机。

（四）机组辅助设备和全厂公用设备控制：

机组辅助设备和全厂公用设备的控制拟采用PLC组成的控制装置并自成系统，并与计算机监控系统接口。一些主要信号送计算机监控系统，并接受计算机下达的启、停机命令。自动采样，与预先设定值比较后实现自动启、停、报警。

（五）线路控制：

220KV线路设置检同期三相一次自动重合闸装置，当线路发生故障时，先让对侧的断路器按检无压的条件进行自动重合闸，本侧才进行同步条件检查进行捕捉同期。

（六）厂用电源装置备自投控制：

本电站的主用厂用电源从发电机出口扩大单元母线上取得，备用电源采用明备用方式，从XX电站35KV母线上取得，当厂变失电后利用备自投装置实现备用电源侧断路器自动投入，各重要负荷的动力配电装置引入双电源，设置备用电源自动投入。

（七）励磁系统：

本电站拟采用自并励可控硅静止励磁装置。励磁调节器采用数字式双通道励磁调节器，两个独立的调节通道各自具备自动电压闭环调节、电流闭环调节及无功功率闭环自动调节功能，且互为备用；励磁装置中设置可靠的快速自动灭磁装置。

（八）故障录波装置：

为便于分析变压器、220KV电力线路故障及保护装置和安全自动装置动作的正确性，拟设置一套微机故障录波装置，对变压器、220KV线路的实时数据和状态及其突变量进行连续记录，以利于对故障或事故进行分析判断。

三、测量系统：

（一）电气量测量：

根据电气测量仪表装置设计技术规程，要求监测的有关电气量均进入本电站计算机监控系统予以监测，主要监测量如下：

（1）发电机

发电机主要监测量有：交流电流、交流电压、有功功率、无功功率、

频率、励磁电压、励磁电流、功率因素、有功电度、无功电度、零序电压等。

（2）变压器

变压器主要监测量有：交流电流、有功功率、无功功率等。（3）220KV线路

220KV线路主要监测量有：交流电流、有功功率、无功功率、有功电度表、无功电度等。

（二）非电气量测量：

本电站计算机监控系统除对前述电气量进行监测外，还将对非电气量进行监测如：水位、油位、压力、温度、流量、开度、温度、水头、压差、转速等。

四、同期系统设置：

根据《继电保护和安全自动装置设计规程》（GB50062-92）规定，结合本电站具体情况拟定如下：

（一）同期方式：

电站同期方式拟定非同期闭锁的自动准同期方式。（二）同期点：

三台发电机出口处、主变高压侧开关处、线路出口开关处分别设置共7处同期点

五、信号系统设置：（一）位置信号：

集中指示位置信号：

断路器位置信号：合闸位置红灯亮，分闸位置绿灯亮。

隔离开关位置信号：所有信号均在计算机上显示，按合闸位置为红色，分闸位置为绿色。

本电站所有断路器、灭磁开关的位置信号均反应在计算机主接线画面上，按合闸位置为红色，分闸位置为绿色配置。

现地指示位置信号：

设在发电机、变压器、线路断路器柜上的位置信号：断路器合闸红灯亮，断路器分闸绿灯亮。

设在机旁励磁屏上灭磁开关位置信号：灭磁开关合闸红灯亮，灭磁开关跳闸绿灯亮。

（二）音响信号

音响信号分为事故音响和故障音响信号。由计算机自动判别是事故还是故障,并分别发出不同的音响和语音提示,给运行维护人员提供准确的信息,缩短维修处理时间。

音响可手动和自动复归，计算机显示屏中提示画面只能由运行人员手动复归。

六、直流系统设置：

根据规范，本电站设置一套微机高频开关直流电源系统向电站控制、保护、合闸、事故照明等直流负荷供电，各组重要直流负荷均采用双电源供电，各组直流负荷之间形成环网回路，以满足供电可靠性要求。

蓄电池容量选用500Ah，并采用寿命长、性能好的阀控式密封铅酸蓄电池。直流系统的技术性能达到从模块到系统完全实现智能化管理和严格按照预置的充放电曲线对蓄电池进行浮充，系统具有完善的自动检测和报警功能，能实现遥测、遥信、遥控的要求。设置巡检装置对每一单电池进行电压监测，监测装置能与计算机接口，以随时掌握直流系统的运行状况。

设置两套逆变装置，直流侧分别接于直流母线上，厂用电源消失后，由逆变装置向计算机监控系统等重要交流用电设备供电。

电气二次主要设备见表

电气二次主要设备表

表5-1

序号14567891011121314151617181920名称计算机监控系统220kV线路保护屏发电机保护屏变压器保护屏厂用电保护装置直流电源系统故障录波装置屏电能计费及系统机组LCU屏公用LCU屏励磁系统火灾报警系统辅机设备控制装置控制电缆控制箱、端子箱二次电缆桥架二次防火涂料及堵料电气试验设备技术规范微机型微机型微机型微机型500Ah微机型微机型微机型微机型PLC数量1236221133319512831单位套套面面套套面面面面套套套km个tt套备注包括直流屏包括励磁变

第六章过电压保护和接地

一、电气设备绝缘配合原则：

（1）根据电网中出现的各种电压（工作电压、过电压）和设备的绝缘水平，并考虑设备造价、维护费用和事故损失三个方面，力求达到安全、经济和高质量供电的目的。

（2）对于220kV系统，以雷电过电压绝缘水平即以避雷器的残压为基础确定设备的绝缘水平并保证输电线路有一定的防雷要求。

（3）在绝缘配合中不考虑谐振过电压，因此在电网设计和运行中应避免和消除出现谐振过电压的条件。

（4）短时工频耐受电压按相应的国标或部颁标准执行。二、过电压保护方式：

本电站的过电压保护分为直击雷保护和雷电侵入波保护两部分。

1、对直击雷的保护：

a、在电站中对建（构）筑物均采用避雷针保护。b、对220kV线路，全线架设避雷线保护。2、对雷电侵入波保护：

a、在220kV侧电压的母线上装设一组氧化锌避雷器。b、在发电机出口母线装设一组氧化锌避雷器。c、在主变中性点装设一只氧化锌避雷器。三、接地系统：

1、厂区接地：

厂区接地采用在水工开挖基础面敷设水平接地体和垂直接地体，充分利用水工建筑物内的钢筋和埋入混凝土中的压力管道、厂房机组钢筋等自然接地体以及在土壤中和混凝土中敷设的人工接地网（扁钢-505mm）的混合接地方式，接地体连网并上引至各接地点，接地网设散流带，接地点与接地散流带应并联，不能串接。

要求整个接地网的接地电阻小于0.5Ω。2、开关站接地

在开关站内敷设人工接地网（均压网），并与厂区接地网连接，其连接点不少于两点，在连接处设接地电阻测量井。在下阶段设计时，将根据实测的土壤电阻率详细计算接地电阻值，当接地电阻值不能满足要求时，将采用引外接地和灌注接地降阻剂等方法，使电站的接地电阻值满足要求。

3、首部接地

首部接地采用在水工开挖基础面敷设水平接地体和垂直接地体，充分利用水工建筑物内的钢筋和埋入混凝土中的管道等自然接地体以及在土壤中和混凝土中敷设的人工接地网（扁钢-505mm），接地体连网并上引至各接地点，接地网设散流带，接地点与接地散流带应并联，不能串接，接地电阻小于4Ω。

参考文献

[1]、电力系统分析华中理工大学何仰赞[2]、水电站机电设计手册（电气二次）水电站机电设计手册编写组

[3]、发电厂电气设计与CAD应用四川大学刘继春[4]、电力系统继电保护配置及整定计算四川电力调度局张军文[5]、电力工程电气设计手册（电气二次）能源部西北电力设计院

发电厂短路电流计算成果表

表2-1

短路点平均电压Up(kV)220d-1220短路电流冲标I1I2击么值(k(kA)值A)ich(kI*4A)t=4短路短电短短路流路路容最容容量大量量S0.S”S”4有2(M(MV效(M值VA)VA)A)Ich(kA)443.1115365.5698394.6432短路点编号基准电流In(kA)支路名称计算电源容量(MVA)计算电抗Xjs(Ω)额定电流I"标I(k么0.2(kA)值A)I*0t=0t=0.2标么值I*0.2发电0.2机625F1~F30.9594系统1950.0.3638343.21.0.1.2.2.2.961695036485542994574511..698626314511..698626311.76760.021945.662111.45630.518.2987.2565119263984567.25984567.2598

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