发电厂一次设计及发电机继电保护二次设计

摘要本毕业设计论文以河湾水电站为例，分别进行发电厂一次设计及发电机继电保护二次设计。发电厂尤其是大型发电厂的安全生产对整个系统的安全运行起着关键性的作用。因此，合理的设计一个发电厂是一项非常重要的工作。只有这样才能够保证电力系统供电可靠和电能质量。设计工作是工程建设的关键环节。做好设计工作，对工程建设的工期、质量、投资费用和工程建成投产后的安全运行可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作用。在设计中，首先，通过对发电厂原始资料的分析，了解设计电站基本概况，并初次拟定若干一次主接线图方案，经过技术、经济综合比较，选择一个最优方案；其次，对最优方案进行短路电流计算，过程是选择短路点，并分别对每个短路点画出等值电路图，进行短路电流计算；第三，以短路电流计算结果为依据，分别对各支路进行主要电气设备的选择和校验；第四，画出发电厂电气一次布置图（平面图和断面图）和一次主接线图；第五，对发电机进行二次继电保护设计并整定计算；第六，画出发电机各保护的接线原理图和展开图。关键词：电气主接线，短路电流，发电机，保护配置ABSTRACTThedesignpaperisbasedontheexampleofHewanhydropowerstations,aseparatepowerplantdesignandthesecondgeneratorrelaydesign,PowerPlantinparticular,thearge-scalepowerplantsafetyinproductionofthesafeoperationofthesystemplaysacrucialrole.Therefore,designningareasonableapowerplantisaveryimportantjob.Onlyinthiswaycanweensurereliablepowersupplysystemsandpowerquality.Engineeringdesignworkisthekeytothebuilding.Dodesignworkontheconstructionperiod,quality,costandinvestmentprojectscompletedandputintoproductionafterthesafeoperationreliabilityandcost-effectiveproductionofintegrated,playadecisiverole.Inthedesign,mainlyinthefollowingsteps:First,thepowerplantsthroughtherawdataanalysis,tounderstandthebasicdesignofpowerstationprofileandinitialdevelopmentofanumberofmainwiringdiagramprogramme;thetechnical,economiccomparison,theoptimalchoiceofaprogrammefollowedbyThebestshort-circuitcurrentprogramme,theprocessistochooseshort-circuitpoints,respectively,anddrawoneachpointequivalentcircuitshort-circuit,shortcircuitcalculation;third,toshort-circuitcurrentcalculationbasedontheresults,respectively,onthesliproadtothemainElectricalequipmentselectionandvalidation;fourth,todrawalayoutofelectricalpowerplants(thatoverlooksthemapandprofiles)andamainwiringdiagram;Fifth,generatingasecondrelaydesignandsettingcalculation;thelast，todrawtheprotectionwiringschematicsofthegeneratorandlaunchedplans.KEYWORDS：Themainelectricalwiring,short-circuitcurrent,generators,dynamicstability,thermalstability,protectionconfiguration目录前言 1第一章绪论 21.1毕业设计(论文)课题来源、类型 21.2选题的目的及意义 21.3本课题在国内外的研究状况及发展趋势 21.3.1水电厂自动化系统 31.3.2继电保护技术的发展 81.4本课题主要研究内容 101.4.1设计内容 101.4.2设计要求 101.5完成论文的条件和拟定采用的研究手段（途径） 10第二章河湾水电站电气主接线设计 122.1原始资料分析 122.1.1河湾水电站原始材料 122.2电气主接线技术基础 132.2.1电气主接线的类型【7】 132.2.2电气主接线的设计的基本要求 132.2.3电气主接线的设计的基本原则 142.3主接线方案的拟定 142.4主接线方案的比较 182.5主接线方案的确定 21第三章短路电流计算 223.1计算说明 223.2基本假定【9】【10】 223.3基本资料 223.4电抗图及电抗计算 243.4.1电抗标幺值和有名值的变换公式【11】 243.4.2计算各元件的电抗标幺值 243.4.3短路点的选择 253.5对短路点进行网络化简和短路电流计算 263.5.1d1点短路 263.5.2d2点短路 313.5.3d3点短路 363.5.4d4点短路 42第四章河川水电站电气一次设备的选择 494.1选择电气一次设备遵循的条件 494.1.1按正常工作条件选择 494.1.2按短路条件进行校验 504.2电气设备的选择 514.2.1系统各回路的最大工作电流 514.2.2高压断路器选择 524.2.3高压隔离开关选择 554.2.4电流互感器选择 594.2.5电压互感器选择 624.2.6绝缘子选择 644.2.7避雷器选择 664.2.8母线的选择 68第五章发电机继电保护设计 725.1电力系统继电保护的基本原理 725.2电力系统继电保护装置的要求 725.3发电机可能发生的故障和异常运行状态 735.4发电机保护装设的原则 745.51#、2#、3#发电机保护配置 755.6发电机F1的继电保护 755.6.1发电机纵差动保护 765.6.2发电机横联差动保护 785.6.3发电机定子单相接地保护 805.6.4发电机负序电流及低电压起动的过电流保护 805.6.5发电机定子绕组过负荷保护 825.6.6发电机过电压保护 825.6.7转子一点接地保护 835.6.8失磁保护 83总结 85致谢 86附录 87参考文献 88前言现代电网已进入超高压、长距离、大容量和高度自动化的时代。随着全球工业的迅速发展，电力正在成为必不可少的一种能源，电能的使用需求量越来越大。我国的电力工业发展迅速，到目前为止我国的年发电量位居世界第二，在全国范围内形成了：华北、华东、华中、东北、西北和南方六大电力系统。发电厂尤其是大型发电厂的安全生产对整个系统的安全运行起着关键性的作用。因此，合理的设计一个发电厂是一项非常重要的工作。只有这样才能够保证电力系统供电可靠和电能质量。设计工作是工程建设的关键环节。做好设计工作，对工程建设的工期、质量、投资费用和工程建成投产后的安全运行可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作用。电气一次主接线代表了发电厂电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，直接影响运行的可靠性、灵活性并对电气选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。因此，主接线的正确、合理设计，必须综合处理各个方面的的因素，经过技术、经济论证比较后方可确定。继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于短路器跳闸或发出信号的一种装置。继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。本毕业论文是河湾水电站的电气一次设计和发电机继电保护设计。内容包括电气主接线的拟定，短路电流计算、电气设备的选择及发电机保护的设计等几个部分。并制定出电气一次主接线图，布置图，发电机保护的接线原理图和展开图。第一章绪论1.1毕业设计(论文)课题来源、类型本课题是河湾水电站一次及发电机继电保护，来源于生产实际，属于工程设计类论文。1.2选题的目的及意义中国经济已进入新的发展时期，在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时，资源和环境制约趋紧，能源供应出现紧张局面，生态环境压力持续增大，能源的不足与需求之间的矛盾在近几年不断恶化，国家急需电力事业的发展，为我国经济的发展提供保障。大力发展水电事业将有利于缩小城乡差距、改善农村生产生活条件，对于推进地方农业生产、提高农民收入，加快脱贫步伐、促进民族团结、维护社会稳定，具有不可替代的作用。作为电力专业学生，我选择了河湾水电站一次及发电机继电保护设计这个课题，通过从原始资料分析，到主接线方案的选定，再到最后设备的选择，我相信这个过程能够帮助我巩固所学的基础理论、专业知识，并提高我们利用所学理论知识解决实际工程问题的能力，从而为以后的工作打下坚实的基础。水电站一次及发电机继电保护设计是电气工程专业的学生在本科毕业之前进行的一次较为全面、系统的综合性训练，有助于巩固和增强对本专业主干课程的理解和应用，树立工程观念，培养电力网设计规划的能力。通过此次设计，可以熟悉国家能源开发策略和有关的技术规程、规定、导则等，树立安全、可靠、经济供电的观点；掌握电力网初步设计的基本方法和主要内容；提高自己使用AutoCAD，word等软件的能力，培养出自己工程设计的观念，是对四年所学理论知识与实践的融合。通过本次设计，使学生对电力系统形成一个较为专业的认识。1.3本课题在国内外的研究状况及发展趋势随着水电厂“无人值班”【1】（少人值守）和状态检修工作的不断深入开展，对水电厂的生产运行和管理提出了更高的要求；以“厂网分开、竞价上网”为基础的电力体制的改革也对水电厂自动化技术提出了新的要求。计算机技术、信息技术、网络技术的飞速发展，给水电厂自动化系统无论在结构上还是在功能上，都提供了一个广阔的发展舞台。水电厂自动化也必须适应新的形势需要，发展成为一个集计算机、控制、通信、网络、电力电子为一体的综合系统，具备完备的硬件结构，开放的软件平台和强大的应用系统。1.3.1水电厂自动化系统自动化系统的发展水电厂自动化系统由I/O设备(传感器和执行器)、控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统的连接等组成。而水电厂的自动化是从80年代初单个功能装置研制开始的，计算机监控系统的发展过程可分为四个阶段：（1）功能分布式的星型分层监控系统

以单功能微机装置集成系统，每个微机装置具有特定的功能，但每个微机装置都具有不同功能，如有的微机装置专门采集开关量，有的微机装置专采集模拟量，有的微机装置专门进行控制操作。该系统在分布的方式上进行了一些有益的尝试，但从模式上看不算是很成熟的系统。

（2）以设备单元分布的星型分层监控系统

为了检修维护的方便，以发电机组为单元，将数据采集与控制集成到一台微机或PLC装置中，构成了现地控制单元LCU。LCU无法直接接入以太网，而计算机非常昂贵，不能使每台LCU都配备CPU（中央处理器）接入以太网，只能将微机作为前置机。这时的系统采用专门的计算机，在应用网络上已跨出了一大步，但相应的国际标准还不完善，尚不能形成理想的开放系统环境。

（3）基于开放系统的分布式监控系统

随着计算机技术和网络技术的发展，计算机应用软件越来越复杂和庞大，软件开发的投入也越来越大，如何使这些巨大的资源不仅在这一家公司制造的计算机上运行，而且也能在另一家公司制造的计算机上运行，这就形成了一系列的开放系统标准：TCP/IP、POSIX、SQL、ODBC、JDBC、OPC等。基于开放系统的分布式计算机监控系统具有通用性和可移植性，监控系统的软件可以安装在任何具有开放系统特点的计算机上。开放系统为水电厂计算机监控系统的发展提供了强大的历史舞台。

（4）基于对象技术的分布式监控系统【2】

计算机硬件技术发展迅速，给软件开发提供了广阔的平台。软件技术发展到现在除了遵循开放系统标准以外，还应遵循面向对象技术的标准，如：SUN公司的JavaRMI、Microsoft公司的COM/DCOM。水电厂计算机监控系统由于面向对象的复杂性和多样性，基于面向对象的技术应用将水电厂运行设备如发电机组、主变、开关等抽象为对象。从系统设计、编程语言选择到用户界面等一系列过程都依据面向对象的理念、原则和技术，这样工作的结果将给用户带来使用和维护上的极大方便。水电厂自动化系统的技术措施水电厂自动化系统必须具备完备的硬件结构，开放的软件平台和强大的应用系统。

（1）系统结构

目前监控系统的结构基本上以面向网络为基础，系统级设备大多采用Ethernet或FDDI等通用网络设备连接高性能的微机、工作站和服务器，在被控设备现场则较多地采用PLC或智能现地控制单元，再通过现场总线与基础层的智能I/O设备、智能仪表、远程I/O等相联接，构成现地控制子系统，与厂级系统结合形成整个控制系统。（2）软件系统平台1、支持软件平台和应用软件包向通用化、规范化发展

为适应开放化、标准化、网络化、高速化和易用化的发展技术，计算机监控系统中的软件支持平台和应用软件包应更趋向于通用化、开放化和规范化。从电力行业高可靠性的要求出发，在大中型水电厂监控系统中的UNIX操作系统等得到广泛的应用，中小型水电厂因较多采用PC构架的计算机，所以较多地采用Windows操作系统。数据库方面由于商用数据库在电力生产控制的实时性上还难以充分满足要求，专有的实时数据库＋商用的历史数据库形式，这是目前较为普遍的结合方式。由于部分数据库的专用性带来了数据变换的不便，在现今电力行业推进信息化和数字化建设的大背景下它的不适应性就凸现出来，较好的办法是遵循统一的标准接口规范，使大家可在统一的"数字总线"上便捷地进行数据交换。

2、Web、Java等新技术的应用

Web及面向对象的Java等新技术将越来越多地引入计算机监控系统。了解到南瑞自控新近开发的NC-2000监控系统采用了面向对象的开发技术，人机界面采用跨平台的Java来实现，它不仅给用户提供了更加方便地进行可编程二次开发的功能丰富多彩的界面，而且由于Web、Java等技术的采用，前台操作员站的应用支撑软件大大减少，可以实现真正意义上的"瘦客户机"。如在大中型电厂用高性能的UNIX工作站或服务器作为全系统的主控机和数据服务器，而用PC机作为操作员站，由Java一次编译，多处运行的特性，不仅可轻松地在操作员站和主处理器等监控系统内的节点获得同样的人机界面，加上Internet/Intranet和Web技术的支持，更可在厂领导办公室、总工办公室和生产等部门任何联网的地方直接浏览到同样的界面，甚至于在任何地点经电话接入后的微机也可以浏览到同样的界面（为保证安全需增加必要的安全措施）。

3、功能强大的组态工具

用户无需对操作系统命令深入了解，也不需要复杂的编程技巧，不论是在UNIX系统上还是在Windows系统上，都可通过组态界面十分方便地完成：

＃数据库测点定义；

＃对象定义；

＃现地控制单元的各种模件定义；

＃处理算法定义；

＃通信端口；

＃通信协义的定义。（3）强大的应用系统

计算机技术发展到今天，其性能越来越高，其应用也就越来越广泛。随着无人值班工作向纵深发展，也向计算机监控系统无论是系统结构上，还是功能上都提出了更高的要求，现就几个方面说明如下：

1、历史数据库系统

历史数据库系统实际上是监控系统的一个组成部分，只是将原来监控系统中需要历史保存的数据、事件和相关信息进行分门别类的存放在商用数据库中，供需要时进行查询、打印或备份。历史数据库系统以单独的计算机来实现，具有美观的人机界面，方便的操作方式和丰富多彩的显示形式。这样的配置既减轻了监控系统的负担，减化了监控系统的软件复杂性，增加了监控系统的实时性，还能通过标准数据库接口SQL、ODBC、JDBC等与其他系统互连，如MIS系统。

2、电能量监测系统

水电厂中每台发电机、每条线路甚至每台主变都安装了电度量表，传统的电度量采集一般采用由电度量表输出电度量脉冲到计算机监控系统的方式来实现的，由于监控系统的设备环节比较多，在监控系统中必须设定电度量初值，一旦有设备退出工作或工作不正常，电度量测量就有误差或以前的测量值丢失，需要重新设定其初值，这种方法实际上无法保证电度量监测的结果正确性，而且维护的工作量也很大。

目前，市场上有一种智能电度量表，它具有智能通信接口。这种电度量表能完整地保存电度量数据，并随时可以通过通信接口取得电度量数据。因此，以这种电度量表为基础，通过电度量表的通信接口，回聚在一起，配备历史数据管理功能的计算机就可以形成电度量监测系统，该系统既可以相对独立，也可以与监控系统互相通信，实现信息共享，为水电厂运行管理提供可靠依据。

3、状态检修系统

这是水电厂热门的课题，设备状态检修和设备运行寿命评估，既是设备检修工作发展的必然趋势，也是一项技术性很强的系统工程。状态检测主要利用现代化先进的检测设备和分析技术对水电厂主设备的某些关键部位的参量，如：机组的振动和摆度，发电机绝缘，定子局部放电，变压器绝缘等数据进行在线实时采集和监视，经过集合了现场积累的运行、检修、试验资料和专家经验的智能（专家）系统综合分析，从而对设备可能存在的机械、水力、电气等问题作出一个贴近实际的评估。要作出一个较准确的评估目前尚有很大的难度，国内外都已做了大量的尝试性工作，取得了一定的经验。在实施中，它也作为一个相对独立的系统，但目前国内大多数水电厂都有了较完善的计算机监控系统，集聚了大量监测设备，从节省投资与实际应用的角度来看，状态检修系统与监控系统之间有大量的数据需要共享，在考虑状态检修系统时应与已建成的监控系统作统筹考虑，使两者有机地结合起来，既可省去一些重复部件的投资，又可以使运行管理人员在执行实时生产控制时，随时监视到生产设备的健康状态，让健康状态良好的设备充分发挥潜力，让处于亚健康状态的设备减荷承担适当的工作负荷，而让健康状态有问题或趋于出问题的设备及时得到维修。

4、生产管理系统

目前，虽然许多电厂都有了功能较完善的计算机监控系统，但因种种原因还有部分现场设备的监测信号无法输入到监控系统中完成自动监视。所以设备的巡检工作是必不可少的。为了加强巡检工作的管理和提高巡检工作的质量，可通过生产管理信息子系统，在当班巡检人员出发前开列出巡检路线，查看设备运行情况，记录设备运行参数，巡检工作完成后,输入相关设备运行参数等信息传输至生产管理信息系统，进行分析对比，并记入历史数据库备查。

按照技术规程要求，电厂在执行设备操作或维护时必须办理相应的一次、二次工作票。这些工作也可以借助生产管理信息子系统来完成。各相关部门计算机连入该系统的网络后，就不必拿着工作票来回去签票、消票了。它完全成了数字化传输，省时省力，并可随时对签票、消票的详情进行实时和历史的查询。

生产管理信息系统完成的工作还包括：运行值长日志，智能操作票（可由生产管理信息子系统根据监控系统的实时数据，进行分析，并经过安全闭锁条件检查），设备缺陷管理，运行台帐等。

5、智能电话报警服务系统

根据监控系统产生的报警信号，按照告警信号的优先级别和被通知者的处理优先级，提供实时智能报警通知，把生产现场发生的事件经过智能化的处理，通过内部通信系统、电话、寻呼、移动通信等多种通信手段，以最快的速度把报警信息传递给相关的人员，以便他们及时作出对事件的响应。它不仅是一个智能的可通过各种通讯工具报警的系统，而且还是一个功能强大的交互式语音信息服务中心，无论何时何地通过电话拨入系统可以了解到他所关心的生产设备的运行数据。系统还提供丰富灵活的组态界面，让维护人员或操作人员通过组态界面方便地进行各种用户要求的定义，实现各种复杂的功能。

上面提及的系统都是同现有计算机监控系统密切相关的系统，根据具体情况，可配置成相对独立的系统，通过高速网络与计算机监控系统进行数据交换。也可配置成计算机监控系统的子系统。它提供了水电厂从最基础的数据采集和设备控制直到面向电力市场的经济运行决策的一整套完善服务功能，支持发电厂生产的现代管理更上一个新台阶。1.3.2继电保护技术的发展

继电保护发展概况随着科技的进步和电力系统的迅猛发展对继电保护的要求也不断提出新课题,加之电子技术、计算机技术与通讯技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入新的活力,因此,新时期的继电保护技术也要与时俱进,也在逐步的走向成熟和完善。

在建国初,我国的继电保护技术队伍还没有,可以说是百废待兴。到50年代,我国工程技术人员开始创造性的吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术【3】,建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍,对推动全国继电保护技术的发展起了指导作用。到了六十年代便成了机电式继电保护的繁荣时代,为我国继电保护技术的发展奠定了坚实的基础。

从六十年代中期到八十年代中期,是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代,其中最具代表的是南京电力自动化设备厂及南京电力自动化研究所研制的500KV晶体管方向高频保护和晶体管高频闭所距离保护,运行于葛洲坝500

kV线路上，填补了国内的空白,结束了我国500KV线路继电保护完全依靠国外进口的时代。

九十年代初,是集成电路的继电保护时代。在这时期,集成电路继电保护逐渐取代晶体管继电保护,它的研制、生产、调试、应用逐渐处于主导地位,具有代表性的是南京电力自动化研究所研制的集成电路工频变化量方向高频保护,在这时期起了积极的推进作用,同时也宣告我国继电保护技术已跨入了微机保护的时代。

继电保护的未来发展【4】【5】

继电保护技术的未来发展趋势应是向微机化、网络化、智能化,保护、控制、测量、计量、数据通讯一体和人机智能化方向发展。

（1）微机化。随着计算机硬件的迅猛发展,微机保护硬件也在不断的发展。目前,随着电力系统对微机保护要求不断的提高,除了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能,强大的通讯能力,与其他保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力,高级语言编程能力等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能,在计算机保护发展初期,曾设想过用一台小型计算机做成继电保护装置,由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差,而没能实现。用微机保护装置替代继电保护是电气自动化发展的必然方向。(2)网络化。计算机网络作为信息和数据通讯工具已成为信息时代的核心技术,它深刻影响着各个工业领域,同时,也为各个工业领域提供了强有力的通讯手段。到目前为止除了差动和纵联保护外,所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于快速、准确的切除故障元件,尽量缩小事故范围,其主要原因是缺乏强有力的数据通讯、数据处理、数据上传的联网手段。实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置实现网络化,将每一点的保护装置都串联起来,统一由主站协调管理,既实现微机保护装置的网络化。

(3)保护、控制、测量、计量、通讯一体化。在实现继电保护的微机化、网络化的条件下,保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机,是整个电力系统网络上的一个智能终端。它可从网络上获取电力系统正常运行和发生故障条件下的任何信息和数据(如电流、电压、功率因数、有功、无功等),同时将保护装置的任何信息和数据传送给控制总站,因此,每个微机保护装置不但可以完成继电保护功能,同时还可以完成测量、计量、控制、数据传送,实现集中控制和管理。

目前,这种微机综合保护装置因其体积小、灵活性强、保护综合性强等优点,深受广大用户的欢迎,应用的领域越来越广,不只局限在变压器、电动机、发变组的控制、保护、线路上,也应用在高、低压开关柜及箱式变电站里,通过网络传输,实现时时检测、监视和控制。

(4)人机智能化近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确作出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。天津大学从1996年起进行神经网络式继电保护的研究，已取得初步成果【6】。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。1.4本课题主要研究内容1.4.1设计内容1、拟定河湾水电站一次主接线方案，进行技术，经济等方面比较择优。2、根据最终确定的河湾水电站主接线方案，进行短路电流计算，并对一次设备选型。3、发电机继电保护设计、继电保护定值计算并整理成表格。

4、选择继电保护元件。

5、完成下列图。

（1）主接线及布置图。（2）继电保护原理图、展开图及接线图。1.4.2设计要求：1、设计方案要进行论证、比较，综合择优。2、设计计算原理、公式、图表、引用资料来源要详细完整。3、文字要简练明确。4、选型、计算结果要表格化。5、图纸制作规范，计算机绘图，图形、标号要符合标准。6、装订、打印、页码等要规范、完整，文字大约60页左右。1.5完成论文的条件和拟定采用的研究手段（途径）通过对河川水电厂原始资料的系统、全面分析，结合所学发电厂电气部分、继电保护等相关专业理论知识，综合考虑经济、技术等方面的因素，拟定电气主接线方案。再通过查阅《水电站电气设计手册》对电气主接线进行短路电流计算和设备选择。利用网络等资源了解发电机保护的最新方法，设计出合理、有效的发电机继电保护方案。在设计过程中，充分考虑各种情况，并以已有的类似水电厂电气一、二次接线方案为参考，经教师指导，最终力求使该厂的电气一次、发电机保护设计达到国家标准。在满足可靠性、经济性、灵活性的前提下，确保该厂能稳定、经济的运行。第二章河湾水电站电气主接线设计2.1原始资料分析2.1.1河湾水电站原始材料1、水电站馈线：两回110KV经15公里架空线与系统连接，系统容量400MVA；两回330KV经20公里架空线与系统连接，系统容量600MVA。2、主变：（自选）3、发电机：一台容量100MVA，电压10.5KV,cosφN=0.875(超前),=0.18,=107.1r/m.,YY接法。两台容量50MVA，电压10.5KV，cosφN=0.85(超前)，=0.24，=107.1r/m.，YY接法。4、电厂负荷：①、机组自用负荷：5×315KVA，1×500KVA。②、公用负荷：2×1000KVA。③、坝顶负荷:2×800KVA。其它：气象条件一般，年平均温度25℃，海拔800米，年利用小时4000h/a.分析设计电站为一中型水电站；其装机总容量为100+2×50=200MW，占电力系统总容量的=16.6%,超过了电力系统的检修备用容量的8%-15%和事故备用容量10%的限额，说明该水电站在电力系统中的作用和地位很重要；年最大负荷利用小时数Tmax=4000h,因3000h＜4000h＜5000h，是承担腰荷的水电厂，其主接线应以保证供可靠性为主进行选择。电站共三个电压等级10.5KV，三个发电机的出口电压等级；110KV，此电压等级出线回路为2条；330KV，此电压等级出现回路为2条。负荷情况厂用总负荷为：2.075+2+1.6=5.675MW（机组负荷：5×315KW+1×500KW=2.075MW；公用负荷：2MW；坝顶负荷：1.6MW）110KV接于400MW容量的系统；220KV接于600MW容量的系统。环境条件分析气象条件一般，年平均温度25℃，海拔800米2.2电气主接线技术基础2.2.1电气主接线的类型【7】具有母线的电气主接线a)

单母线接线b)

单母分段接线c)

单母分段带旁母d)

双母接线和双母分段接线e)

双母带旁路母线接线f)

3/2接线无母线的电气主接线a)

桥形接线：当具有两台变压器和两条线路时，在变压器线路接线的基础上，在其中间架一连接桥，则称为桥形接线，有内桥和外桥两种b)

单元接线：发电机与变压器直接连接成一个单元，组成发电机组2.2.2电气主接线的设计的基本要求对电气主接线的基本要求，概括地说应包括可靠性、灵活性、经济性三个方面。可靠性安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。安全包括设备安全及人身安全。要满足这一点，必须按照国家标准和规范的规定，正确选择电气设备及正常情况下的监视系统和故障情况下的保护系统，考虑各种人身安全的技术措施。可靠就是主接线应满足对不同负荷的不中断供电，且保护装置在正常运行时不误动、发生事故时不拒动，能尽可能的缩小停电范围。为了满足可靠性要求，主接线应力求简单清晰。电器是电力系统中最薄弱的元件，所以不应当不适当地增加电器的数目，以免发生事故。灵活性所谓的灵活性总体包括以下几方面：（1）

操作的方便性、（2）调度的方便性、（3）扩建的方便性在保证可靠性的前提下，电气主接线应满足接线简单，操作方便，保证运行、调度、维护和检修的安全及方便，并且对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。经济性经济是指在满足上述基本要求的基础上，尽量保证设计投资最少。2.2.3电气主接线的设计的基本原则电气主接线的设计的基本原则是以设计任务书为基本依据，以国家经济建设的方针，政策，技术规定，标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性和可靠性，坚持可靠，先进，适用，经济，美观的原则。【8】2.3主接线方案的拟定根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数，电压等级，变压器台数，容量及母线结构等不同的考虑。依据对主接线的基本要求，从技术论证并淘汰一些明显不合理的方案。现将各电压等级可能采用的较佳方案列出，进而进行可靠性定量分析计算比较，最终确定出在技术上合理，经济上可行的最终方案。现将各电压等级可能采用的较佳方案列出，进而，以优化组合方式，组成最佳可比方案。1、10.5KV电压等级发电机单机容量为50MW及100MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线不得超过24MW的规定，并鉴于10.5KV出现回路不多，应确定为发电机-双绕组变压器单元接线。发电机出口不装断路器，为调试发电机方便可装隔离开关。或采用扩大单元接线，可减少变压器台数和高压侧断路器数目，并节省配电装置占地面积。通常，将50MW机组接入110KV系统，可采用扩大单元接线。2、110KV电压级仅有两回出线与系统相连，但由于此水电站在电力系统中的作用和地位很重要，为满足可靠性和灵活性的要求，故可采用单母分段接线形式、单母带旁路母接线形式或双母线接线形式，使其可靠供电。3、330KV电压级330KV电压等级有两回出线和系统相连，为满足供电可靠、调度灵活等要求，以及故障情况下出现断路器的检修时不致使该回路停电，可以采用的主接线形式有双母线接线形式、双母线带旁路母线接线形式或3/2接线形式。依据各电压等级最优方式组合，可列出以下几种方案，分别进行分析比较如下：方案Ⅰ:发电机F1采用单元接线形式，与330KV电压等级相连；发电机F2、F3采用扩大单元接线形式，与110KV电压等级相连；110KV电压等级采用单母线带旁母接线形式；330KV电压等级采用双母线接线形式。主接线如图2－1所示：图2－1主接线方案一发电机采用扩大单元接线具有接线简单，开关设备少，操作简便；故障可能性小，可靠性高；由于没有发电机电压母线，无多台机并列，发电机出口短路电流有所减小；配电装置结构简单，占地少，投资少等优点，但单元任意元件故障或检修都会影响整个单元的工作。110KV电压等级采用单母线带旁母线的接线形式，设置旁路母线断路器，可使检修与它相连的任意回路的断路器时，该回路便可以不停电，提高了供电的可靠性，相应设置专用的断路器，增加了投资。330KV采用双母线接线，供电可靠；运行方式灵活；扩建方便；可完成一些特殊功能，可利用母联断路器与系统并列或解列等，但所用设备多，配电装置复杂；检修任一回路断路器，该回路仍停电。110kv母线和330kv母线之间用联络变压器连接，有利于系统之间交换功率。方案Ⅱ:发电机F3采用单元接线形式，与330KV电压等级相连，发电机F1、F2采用扩大单元接线形式，与110KV电压等级相连；110KV、330KV两个电压等级均采用双母线接线形式。其主接线图如图2－2所示：图2－2主接线方案二与方案Ⅰ类似，不同的是110KV采用双母接线，110KV、330KV之间没有通过联络变压器连接。方案Ⅲ:发电机采用单元接线形式，110KV电压等级采用单母分段接线形式，330KV采用双母线接线形式。主接线如图2－3所示：图2－3主接线方案三110KV采用单母线分段接线，由于单母线用分段断路器进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常母线不间断供电。330KV与发电机接线与上述两种情况相同，故不一一说明。此外，上述三种方案330KV电压等级可采用3/2接线，虽然可靠性、灵活性较双母接线高，但是3/2接线所用断路器多、接线复杂，且双母接线完全可以满足系统对可靠性、灵活性的要求，因此，3/2接线不予考虑。由于330KV侧均采用双母线接线形式，故重点比较发电机及110KV侧的接线形式。2.4主接线方案的比较经过对原始资料的初步分析，并查阅相关的设计手册，有如上三种可能的方案，现对其进行分析：方案Ⅰ：330KV采用双母线接线形式，110KV采用单母带旁路母线接线、10.5KV采用扩大单元接线。110KV采用单母带旁路母线接线(1)优点1)供电可靠性较单母线提高。2)运行方式灵活3)扩建方便，可向母线的任一端扩建4)可完成一些特殊功能5)用旁路断路器代替检修中的回路断路器工作，使该回路不致停电。(2)缺点1)单母线带旁路母线接线增加了电气设备的投资和占地面积。2）可靠性较差。330KV采用双母线接线(1)优点1）供电可靠性：通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不至使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任一回路的母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条电路和与此隔离开关相连的该组母线，其他电路均可通过另一组母线继续运行，但其操作步骤必须正确。2）调度灵活性：各个电源和各回负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活的适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要；通过倒换操作可以组成各种运行方式。3）扩建方便：向双母线左右任意方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工中也不会造成原有回路停电。4）便于试验：当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。(2)缺点：1）增加电气设备的投资。2）当母线故障或检修时，隔离开关作为倒闸操作器，容易误操作。为了避免误操作，需在隔离开关和断路器之间装设闭锁装置。3）当馈出线断路器或线路侧隔离开关故障时停止对用户供电。10.5KV采用扩大单元接线(1)优点发电机采用扩大单元接线可减少变压器台数和高压断路器数目，并节省配电装置占地面积。(2)、缺点相对于单元接线来说，扩大单元接线可靠性和灵活性较差。方案Ⅱ：主接线部分采用330KV、110KV采用双母线接线形式、10.5KV采用扩大单元接线形式。330KV、110KV采用双母线接线：优、缺点如方案Ⅰ中所述。10KV采用扩大单元接线：优、缺点如方案Ⅰ中所述。方案Ⅲ：330KV采用双母线接线形式，110KV采用单母线分段接线形式，10.5KV采用单元接线形式。330KV采用双母线接线：优、缺点如方案Ⅰ中所述。110KV采用单母线分段接线(1)、优点1)两母线可并列运行，也可分裂运行；2)重要用户可用双回路接于不同母线段，保证不间断供电；3)任一段母线或母线隔离开关检修，只停该段，其他段可继续供电，从而减小了停电范围；(2)缺点可靠性以及灵活性差；1)分段的单母接线增加了分段设备的投资和占地面积；2)某段母线故障或检修时有停电问题；3)扩建时，需向两端均衡改造。10.5KV采用单元接线发电机－双绕组变压器单元接线，是大型机组广为采用的接线形式。(1)优点单元接线简单，开关设备少，操作简便，以及因不设发电机电压级母线，而在发电机和变压器之间采用封闭母线，使得在发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压级母线时，有所减小。(2)缺点1)发电机定子绕组本身故障时，若变压器高压侧出口断路器失灵拒跳，则只能通过失灵保护出口启动母差保护或发远方跳闸信号使得线路对侧断路器跳闸；若故障切除时间过长，会造成发电机及变压器严重损坏；2)发电机故障跳闸时，将失去厂用工作电源，而这种情况下备用电源的快速切换有可能不成功，因而机组面临厂用电中断的威胁。根据上述比较，330KV均采用双母线接线形式，10.5KV也只有单元接线和扩大单元接线两种情况，其优缺性相差不大，则方案的最终确定主要在于110KV电压等级。见下表：表2-1各方案综合比较表可靠性灵活性经济性综合方案Ⅰ110KV侧选用单母线带旁路母线接线，足以保证其可靠性110KV侧选用单母线带旁路母线接线，足以保证其灵性经济性较好/方案Ⅱ110KV侧选用双母线接线，保证了该电压等级输电的可靠性同时若其他电压等级出现短路，该侧可从系统输电至短路其余侧负荷110KV侧选用了双母线接线，各个电源和各回负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活的适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要；通过倒换操作可以组成各种运行方式。灵活性高经济性较好最优方案方案Ⅲ110KV侧选用单母线分段接线，保证其有相当的可靠性110KV侧选用单母线分段接线灵活性足以保证。经济性较好/2.5主接线方案的确定方案Ⅰ可靠性和灵活性较高，但其所用断路器较多，接线相对方案Ⅱ比较复杂，占地面积较大，故排除方案Ⅰ。方案二可靠性和灵活性高，接线简单，操作方便，同时其投资也相对合理。方案Ⅲ接线简单，设备少，经济性好，但110KV、330KV系统之间不利于交换功率，可靠性灵活性相对方案Ⅰ低，故排除方案Ⅲ。综合以上采用方案Ⅱ最符合要求。

第三章短路电流计算3.1计算说明本计算书为河川水电站工程初步设计阶段电气主接线短路电流计算书，用以校验所选电气设备的动稳定、热稳定以及承受机械应力的强度等相关参数。其中参考了《水电站机电设计手册电气一次》中的有关短路电流部分的相应公式及方法。3.2基本假定【9】【10】（1）正常工作时，三相系统对称运行；（2）系统按无限大考虑、出线阻抗不考虑；（3）系统中的电机均为理想电机，不考虑电磁饱和、磁滞、涡流及导体肌肤效应等影响;转子结构完全对称；（4）短路发生在短路电流为最大的瞬间。3.3基本资料基准容量：Sj=100MVA基准电压：取各级的平均电压，即1.05倍的额定电压。系统：按无穷大考虑1、主变压器的选择电力变压器按每相的绕组数分为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，但三绕组变压器的每个绕组的通过容量应达到该变压器容量的15％及以上，否则绕组未能充分利用，反而不如选用2台双绕组变压器在经济上合理，选OSFPS-150000/330型三绕组变压器2台。主变压器T1～T2：表3-1OSFPS-150000/330参数型号OSFPS-150000/330额定容量(MVA)150空载损耗(KW)141联结组YN，yn0,d11高-中高-低中-低额定电压(KV)3302×2.5%12111阻抗电压10%25.1%13.2%负载损耗(KW)573841062、线路型号选择根据最大利用小时数=4000h，查经济电流密度表可得经济电流密度J=1.27（A/mm2）330KV：出线回路中最大持续工作电流：(3.1)式中—导体所在回路中最大持续工作电流，A；—在额定环境温度℃时导体允许电流，A；—与实际环境温度和海拔有关的综合校正系数。查裸导体载流在不同海拔高度及环境温度下的综合校正系数表得：当有两回输电线时，其中一回停运则另一回线路承担该站所需输电总容量的70％。公式：=70%(3.2)式中——最大负荷电流，kA；——输电容量，MVA；——输电线路平均电压，kV；＝所选的架空线的最佳经济截面为故选用单根型号为LGJ-240/40型架空线路，其单位电抗标么值110KV：出线回路中最大持续工作电流：所选的架空线的最佳经济截面为故选用单根型号为LGJ-400/50型架空线路，其单位电抗标么值。3.4电抗图及电抗计算3.4.1电抗标幺值和有名值的变换公式【11】水轮发电机：(3.3)变压器：(3.4)线路：(3.5)3.4.2计算各元件的电抗标幺值发电机G1：=0.18×＝0.18发电机G2～G3：=0.24×=0.48主变压器T1～T2:=（高-中%+中-低%－高