总容量700mva火力发电厂电气一次部分设计

PAGEPAGE30本科生(业余)毕业论文设计题目总容量700MVA火力发电厂电气部分的一次设计办学学院学习中心 专业 年级 学号2012年月日目录摘要 IV绪论 V1电气主接线设计 11.1明确任务和设计原理 11.1.1原始资料 11.1.2原始资料的分析 21.2方案的设计、论证和选择 21.2.1方案设计 21.2.2方案的经济比较 32短路电流的计算 52.1短路的原因、后果及其形式 52.2短路的物理过程及计算方法 52.3短路电流的计算数据和计算结果 82.3.1500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图 82.3.2500KV电气主接线及其设备规范 92.3.3短路电流的计算 93电气设备的选择 103.1主变压器和发电机的选择 103.1.1发电机的选择 103.1.2主变压器的选择 103.2高低压电器设备的选择 113.2.1断路器的选择 113.2.2隔离开关的选择 113.2.3互感器的选择 123.2.4熔断器的选择 133.2.5限流电抗器的选择 143.2.6避雷器的选择 143.3导体的设计和选择 153.3.1分相封闭母线 154配电装置 164.1屋外配电装置 164.1.1220KV室外配电装置 164.1.2500KV装置的布置方式 184.2屋内配电装置 185继电保护设计 215.1发电机的保护 225.1.1发电机纵差动保护 225.1.2发电机的横差动保护 235.2变压器的保护 235.2.1变压器主保护设计 235.2.2纵差动保护的整定计算原则 245.3母线的保护 245.4防直击雷的保护 255.4.1直击雷的保护范围 255.4.2直击雷的保护措施 256总结与展望 27致谢 28参考文献 29附录 30摘要电能是经济发展最重要的一种能源，可以方便、高效地转换成其它能源形式。当今，火力发电在我国乃至全世界范围，其装机容量占总装机容量的70％左右，发电量占总发电量的80％左右。由此可见，电能在我国这个发展中国家的国民经济中担任着主力军的作用。设计中将主要从理论上在电气主接线设计，短路电流计算，电气设备的选择，配电装置的布局，防雷设计，发电机、变压器和母线的继电保护等方面做详尽的论述；同时，在保证设计可靠性的前提下，还要兼顾经济性和灵活性，通过计算论证该火电厂实际设计的合理性与经济性。在计算和论证的过程中，结合新编电气工程手册规范，采用CAD软件绘制了大量电气图，进一步完善了设计。关键词：主接线设计短路电流配电装置电气设备选择继电保护绪论在高速发展的现代社会中，电力工业在国民经济中的作用已为人所共知，不仅全面的影响国民经济及其它部门的发展，同时也极大地影响人民的物质和文化生活水平的提高，影响整个社会的进步。火电厂是电力系统的重要组成部分，担负着电能生产和电能转换、重新分配的重要任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。随着国民经济的持续发展，人民的生活质量和生活水平不断提高家用电器越来越多的进入千家万户，人们对用电质量的要求越来越高。并且电力系统的发展电网结构越来越复杂。需准确掌握电网和火电厂的运行情况。并逐步采用无人值班管理模式。传统火电厂一般都采用常规设备。各个断路器的控制与信号回路、各事故信号和预告信号均采用独自的信息传送通道，主要是从被监控的一次设备到主控室。信号传送距离长，使电压互感器和电流互感器的测量精度降低，并且电缆用量巨大。无自动电压调节功能。所以，常规装置结构复杂，可靠性低，维护工作量大。因此，实现火电厂综合自动化是全面提高火电厂的技术水平和管理水平的重要目标。本次设计的为火电厂一次部分，有火电厂总体负荷分析、火电厂主变压器的选择、电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选择、配电装置，在设计中发现所用数据不够准确，特别是在电气设备选择计算中，存在很大缺陷，力求在以后的设计中能够逐步趋于完善，相信不久能实现无人值班高度自动化以弥补传统火电厂的缺陷。1电气主接线设计发电厂和变电所的电气主接线是保证电网安全可靠﹑经济运行的关键,是电气设备布置﹑选择﹑自动化水平和二次回路设计的原则和基础。电气主接线的设计原则是：应根据发电厂和变电所在电力系统的地位和作用，首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求。根据规划容量、本期建设规模、输送电压等级、进出线回路数、供电负荷的重要性、保证供需平衡、电力系统的线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规划与要求等条件确定。应满足可靠性、灵活性和经济性的要求[5]。电气主接线的主要要求为：（1）可靠性：衡量可靠性的指标，一般根据主接线的型式及主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件发生的规律，对几种主接线型式中择优。（2）灵活性：投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便、调度灵活。（3）经济性：通过优化比选，工程设计应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗少。1.1明确任务和设计原理1.1.1原始资料装机4台，分别为供热式机组2*50MW()、凝气式机组2*300MW(),厂用电率6%，机组年利用小时数。系统规划部门提供的电力符合及与电力系统连接情况资料：10KV电压级最大负荷20MW,最小负荷15MW,,电缆馈线10回。220KV电压级最大负荷250MW，最小负荷200MW,,，架空线路4回。500KV电压级与容量为3500MW的电力系统连接，系统归算到本电厂500KV母线上的标幺电抗，基准容量为100MV.A,500KV架空线4回，备用线路1回。1.1.2原始资料的分析设计电厂为大﹑中型火电厂,其容量为2*50+2*300=700(MW),占电力系统容量700/(3500+700)*100%=16.7%,超过了电力系统的检修备用容量8%～15%和事故备用容量10%的限额,说明该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要,而且年利用小时数为6500h>5000h,远远大于电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数。从负荷特点及电压等级可知，10KV电压等级上的地方负荷容量不大，共有10回电缆馈线，与50MW发电机的机端电压相等，采用直馈线为宜。20KV电压为300MW发电机出口电压，既无直配负荷，又无特殊的要求，拟采用单元接线的形式，可以节省价格昂贵的发电机出口断路器，又利于配电装置的布置；220KV电压级出现回路数为4回，为了保证检修出线断路器不致对该回路停电，拟采用带旁路母线接线形式为宜；500KV与系统有4回馈线，呈强联系形式并送出本厂最大可能的电力为700-15-200-700*6%=443（MV）。可见，该厂500KV级的接线对可靠性要求应当很高[7]。1.2方案的设计、论证和选择1.2.1方案设计根据对原始资料的分析,现将各电压级可能采用的较佳方案列出，进而以优化组合方式,组成最佳的方案。（1）10KV电压级。由于10KV出线回路多，而且发电机的单机容量为50MW，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，应确定为双母线分段接线的形式，2台50MW发电机分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压220KV。由于2台50MW机组均接于10KV母线上，有较大的短路电流，为了选择合适的电气设备，应在分段处加装母线电抗器，同时各条电缆馈线上装设线路电抗器。（2）220KV电压级。出线回路数为4回，其进线仅从10KV送来剩余容量2*50—[（100*6%）+20]=74MW，并不能够满足220KV最大负荷250MW的要求。为此，拟采用以1台300MW机组按照发电机——变压器单元接线形式接至220KV母线上，其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与500KV接线连接，彼此之间相互交换功率。（3）500KV电压级。500KV负荷容量大，其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式，为保证可靠性，可能有多种接线方式，经过定性分析筛选后，可以选用的方案为双母线带旁路母线接线和一台半断路器接线，通过联络变压器与220KV连接，并通过一台三绕组变压器联系220KV和10KV电压，以提高可靠性，一台300MW机组与变压器构成单元接线，直接将功率送到500KV电力系统[8]。根据以上分析、筛选、组合，可以保留两种可能的接线方案：方案Ⅰ如图1.1所示:图1.1电气主接线图方案Ⅱ为500KV侧采用双母线带旁路母线接线，220KV侧采用单母线分段带旁路母线接线，示意图略。1.2.2方案的经济比较采用最小费用法，对拟订的两方案进行经济比较，上述两方案中的相同部分不参与比较计算，只是对相异部分进行计算。计算内容包括一次投资、年运行费用。若图1.1所示方案Ⅰ参与比较部分的设备折算到施工年限的总投资为6954.7万元，折算年的运行费用为1016.29万元，火电厂使用年限按照n=25年计算，电力行业预期投资回报率i=0.1,则方案Ⅰ的费用为：同理，在计算出方案Ⅱ的折算年总投资和年运行费用之后，可得到方案Ⅱ的年费用低于方案Ⅰ[9]通常，经过经济比较计算，求得的年费用AC最小方案者，即为经济上的最优方案；然而，住接线最终方案的确定还必须从可靠性、灵活性等多方面综合评估，包括大型电厂、变电站对主接线可靠性若干指标的计算，最后确定最终方案。通过定性分析和可靠性及经济计算，在技术上（可靠性、灵活性）方案Ⅰ明显占优势，这主要是由于一台半断路器接线方式的高可靠性指标，但在经济上则不如方案Ⅱ。鉴于大、中型发电厂大机组应以可靠性和灵活性为主，所以，经过综合的分析，决定选用图2.1所示的方案Ⅰ作为设计的最佳方案。

2短路电流的计算2.1短路的原因、后果及其形式在电力系统中，出现次数比较多的严重故障就是短路。所谓短路是指电力系统中不等电位的导体在电气上被短接。产生短路的主要原因，是由于电气设备载流部分绝缘损坏所造成。而绝缘损坏主要是因为绝缘老化、过电压、机械性损伤等引起。人为误操作及鸟兽跨越裸导体等也能引起短路。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减少，因而短路电流可能达到很大数值（几万安至十几万安）。这样大的电流所产生的热效应和机械效应会使电气设备受到破坏；同时短路点的电压降到零，短路点附近的电压也相应地显著降低，使此处的电力系统受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使整个电力系统运行解列，引起严重后果。在三相供电系统中，可能发生的主要短路类型有三相短路、二相短路、两相接地短路和单相接地短路，三相短路属对称短路，其余三种为不对称短路。在四种短路故障中，出现单相短路故障的机率最大，三相短路故障的机率最小。但在电力系统中，用三相短路作为最严重的故障方式，来验算电器设备的运行能力。为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要进行短路电流计算，以便校验电气设备的动热稳定性、选择和整定继电保护装置、确定限流措施及选择主接线方案

[10]。2.2短路的物理过程及计算方法当突然发生短路时，系统总是由工作状态经过一个暂态过程进入短路稳定状态。暂态过程中的短路电流比其稳态短路电流大的多，虽历时很短，但对电器设备的危害性远比稳态短路电流严重得多。有限电源容量系统的暂态过程要比无限大电源容量系统的暂态过程复杂的多，在计算建筑配电工程三相短路电流时，都按无限大电源容量系统来考虑。短路全电流ik由两部分组成(ik=iz＋if)：一部分短路电流随时间按正弦规律变化，称为周期分量iz；另一部分因回路中存在电感而引起的自感电流，称为非周期分量if[11]。短路电流的实用计算法：１）三相短路电流周期分量的起始值（3.1）（3.2）（3.3）（3.4）式中——短路电流周期分量的起始有效值（KA）;——厂用电源短路电流周期分量的起始有效值（KA）;——电动机反馈电流周期分量的起始有效值（KA）;——基准电流（KA），当取基准容量=100MVA、基准电压=6.3KV时,=9.16KA;——系统电抗（标幺值）；——厂用电源引接点的短路容量（MVA）;——厂用变压器（电抗值）的电抗（标幺值）；——以厂用变压器额定容量为基准的阻抗电压百分值；——电抗器的百分电抗值；——电抗器的额定电压（KV）；——电抗器的额定电流（KA）；——电动机平均的反馈电流倍数，100MW及以上机组为5，125MW及以上机组取5.5～6.0；——计及反馈的电动机额定电流之和（A）；——计及反馈的电动机额定功率之和（KW）；——电动机的额定电压（KV）；2)短路冲击电流：（3.5）式中:——短路冲击电流(KA)——厂用电源的短路峰值电流(KA)——电动机的反馈峰值电流(KA)——厂用电源短路电流的峰值系数——电动机反馈电流的峰值系数，100MW及以上机组为1.4～1.6，125MW及以上机组取1.7[12]。3)t瞬间三相短路电流：（3.6）（3.7）式中：——t瞬间短路电流的周期分量有效值（KA）——t瞬间短路电流的非周期分量值（KA）——t瞬间厂用电源短路电流的周期分量有效值（KA）——t瞬间厂用电源短路电流的非周期分量值（KA）——t瞬间电动机反馈电流的周期分量有效值（KA）——t瞬间电动机反馈电流的非周期分量值（KA）——电动机反馈电流的衰减系数——厂用电源非周期分量的衰减系数——电动机反馈电流的衰减时间常数（S），125MW及以上机组为0.062——主保护装置动作时间(S)——断路器固有跳闸时间2.3短路电流的计算数据和计算结果2.3.1500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图如图2.1：图2.1500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图2.3.2500KV电气主接线及其设备规范图2.2500KV电气主接线及其设备规范2.3.3短路电流的计算详细结果见附录

3电气设备的选择为了满足电力生产和保证电力系统运行的安全稳定性和经济性，发电厂和变电所中安装有各种电气设备，其主要的任务是启停机组、调整负荷、切换设备和线路、监视主要设备的运行状态、发生异常故障时及时处理。根据电气设备的作用不同，可以将电气设备分为一次设备和二次设备。（1）一次设备通常把生产、变换、输送、分配和使用电能的设备，如发电机、变压器和断路器等称为一次设备。它们包括：生产和转换电能的设备、接通或断开电路的开关电器、限制故障电流和防御过电压的保护电器、载流导体、接地装置。（2）二次设备对一次设备和系统的运行状态进行测量、控制、监视和保护的设备，成为二次设备。它们包括：使用的互感器、测量表计、继电保护及自动装置、直流电源设备、操作电器。3.1主变压器和发电机的选择3.1.1发电机的选择此发电厂的发电机拟采用2台上海汽轮发电机有限公司生产的型号为QFSN-300-2d的水氢式机组。额定功率300MW,最大连续出力338MW,额定功率因数（滞后）0.85，额定电压20KV,额定电流10189A,额定转速3000r／min[13]。3.1.2主变压器的选择（1）台数分析：为了保证供电的可靠性，选两台主变压器。（2）主变压器容量：额定容量为360MV.A，额定电压为2202*2.5%/20kv、5002*2.5%/20kv，连接组别为YN,d11，，。（3）绕组分析：拟采用双绕组变压器[14]。3.2高低压电器设备的选择3.2.1断路器的选择高压断路器具有分断能力强、性能稳定、工作可靠和运行维护方便的特点，其核心部件是灭弧装置和触头。按使用不同的灭弧介质而生产了各类高压断路器，目前我国电力系统中应用的断路器有如下几种：高压空气断路器是以压缩空气为灭弧介质和弧隙绝缘介质。六氟化硫（SF6）高压断路器则采用SF6气体作为灭弧介质。真空高压断路器是利用真空作为绝缘介质，其绝缘强度最高，而且绝缘强度恢复快。油高压断路器是利用变压器油作为灭弧和弧隙绝缘介质。3.2.2隔离开关的选择隔离开关是一种没有专门灭弧装置的开关设备，主要用来断开无负荷电流的电路，隔离高压电流，在分闸状态时有明显的断开点，以保证其他电气设备的安全检修。在合闸状态时能可靠地通过正常负荷电流及短路故障电流。因它未有专门的灭弧装置，不能切断负荷电流及短路电流。因此，隔离开关只能在电路已被断路器断开的情况下才能进行操作，严禁带负荷操作，以免造成严重的设备和人身事故。只有电压互感器、避雷器、励磁电流不超过2A的空载变压器及电流不超过5A的空载线路，才能用隔离开关进行直接操作。高压隔离开关一般可分为户内式和户外式两种。（1）户外式高压隔离开关GW4—35G型高压隔离开关也是目前应用较广泛的设备。GW6型高压隔离开关的特点为220～500KV，单柱、钳夹、可以分相布置，220KV为偏折，330KV为对称折，多用于硬母线布置或做为母线隔离开关。GW7型高压隔离开关的特点为220～500KV，三柱式、中间水平转动，单相或三相操作，可以分相布置，多用于330KV及以上的屋外中型配电装置。（2）户内式高压隔离开关GN6、GN10的特点为三级，可以前后连接，可以立装、平装和斜装，价格比较便宜，主要用于屋外配电装置，成套的高压开关柜；GN10的特点为单极，大电流3000～13000A，可以手动、电动操作，用于大电流和发电机回路；GN18和GN22的特点为三级，10KV，大电流2000～3000A,机械锁紧，用于大电流回路和发电机回路[15]3.2.3互感器的选择互感器的作用主要是与测量仪表配合，对线路的电压、电流、电能进行测量；与继电保护装置配合，对电力系统和设备进行保护；使测量仪表、继电保护装置与线路高电压隔离，以保证运行人员和二次装置的安全；将线路电压与电流变换成统一的标准值，以利仪表和继电保护装置的标准化。1.电压互感器电压互感器是一种电压的变换装置，可将高电压变换为低电压，以便用低压量值反映高压量值的变化可以直接用普通电气仪表进行测量。电压互感器的形式选择如下:（1）10KV的配电装置一般采用油浸绝缘结构;在高压开关柜中或在布置地方比较狭窄的地方,可采用树脂浇注绝缘结构。当需要零序电压时，一般采用三相五株式电压互感器。（2）220KV及其以上的配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。（3）接在110KV及其以上线路侧的电压互感器，当线路上装有载波通讯时，应尽量与耦合电容器结合，统一选用电容式电压互感器。（4）兼作为泄能用的电压互感器，应选用电磁式电压互感器。2.电流互感器电流互感器是一种电流变换装置，可将高压电流和低压大电流变换成电压较低的小电流，供给仪表和继电器保护装置，并将仪表和保护装置与高压隔离电路隔开。（1）选择标准如下：电流互感器的额定电压与电网的额定电压应相符。电流互感器一次额定电流的选择，应使运行电流为其20%～100%;10KV继电保护用的电流互感器一次侧电流一般应不大于设备额定电流的1.5倍。所选用电流互感器应符合规定的准确度等级。根据被测电流的大小选择电流互感器的变比，要使一次线圈额定电流大于被测电流。电流互感器二次负载所消耗的功率或阻抗应不超过所选用的准确度等级相应的额定容量，以免影响准确度。根据系统运行方式和电流互感器的接线方式来选择电流互感器的台数。电流互感器选择之后，应根据装设地点的系统短路电流校验其动稳定和热稳定。（2）形式选择如下：35KV以下屋内配电装置的电流互感器，根据安装使用条件和产品的情况，采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构。35KV及其以上的配电装置一般采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。3.2.4熔断器的选择高压熔断器是一种保护电器，主要用来进行短路保护，但有的也具有过负荷保护功能。按安装环境，高压熔断器也有户内式和户外式两大类。我国生产的户内式熔断器有RN1、RN2、RN3、RN5和RN6等;户外式有RW3—10（G）、RW4—10（G）、RW5—35、RW7—10、RW10—35等。（1）户内管式熔断器：RN1、RN2两者结构基本相同，都是充有石英砂填料的密闭管式熔断器。RN2的尺寸较小。RN1主要用作3～35KV电力线路和电气设备的短路保护；RN2用作3～35KV电压互感器的短路保护。（2）户外跌落式熔断器：RW3—10（G）型额定电压为10KV，额定电流50～200A，断流容量50～200MVA；RW4—1（G）型，除外形尺寸稍小于RW3—10（G）外，其它性能与RW3—10（G）相同。它们灭弧速度不高，因而没有限流作用；RW5—35型，额定电压为35KV，额定电流为50～200A，断流容量为200～800MVA；RW7—10型是有统一支架的跌落式熔断器，在条件变更时，只需用钩棒更换不同的熔管即可；RW10—35型，额定电压35KV，额定电流为0.5A者是专用于保护电压互感器的，额定电流为2～10A者用于保护线路或设备过载与短路，它具有限流作用，可代替RW2—35及其附加电阻；RW11—10型是10KV防污型跌落式熔断器，适用于工业污秽和沿海地区的输电线路及变压器的保护。3.2.5限流电抗器的选择（1）电抗器几乎没有过负荷的能力，所以主变压器或出线回路的电抗器，应按照回路最大工作电流选择，而不能用正常持续工作电流选择。（2）对于发电厂母线分段回路的电抗器，应根据母线上事故切断最大一台发电机时，可能通过电抗器的电流选择。一般取该台发电机额定电流的50%～80%。（3）变电所母线分段回路的电抗器应满足用户的一级负荷和大部分二级负荷的要求。3.2.6避雷器的选择选择原则：（1）避雷器灭弧电压不得低于安装地点可能出现的最大对地工频电压。（2）仅用于保护大气过电压的普通阀型避雷器的工频放电电压下限，应高于安装地点预期操作过电压；既保护大气过电压，又保护操作过电压的磁吹避雷器的工频放电电压上限，在适当增加裕度后，不得大于电网内过电压水平。（3）避雷器冲击过电压和残压在增加适当裕度后，应低于电网冲击电压水平。（4）保护操作过电压的避雷器的额定通断容量，不得小于系统操作时通过的冲击电流。（5）中性点直接接地系统中，保护变压器中性点绝缘的阀型避雷器，如表3-1变压器额定电压/KV110220330中性点绝缘110KV级35KV级110KV级154KV级避雷器型式FZ—110JFZ—60暂用FZ—40或特殊要求的避雷器FCZ—110FZ—110JFCZ—154JFZ—154J表3-1保护变压器中性点的阀型避雷器3.3导体的设计和选择3.3.1分相封闭母线分相封闭母线在大型发电厂中的使用范围是：从发电机出线端子开始，到主变压器低压侧引出端子的主回路母线，自主回路母线引出至厂用高压变压器和电压互感器、避雷器等设备的各个分支线。采用全连分相封闭母线，与敞露母线相比，有以下的优点：（1）供电可靠。封闭母线有效地防止了绝缘遭受灰尘、潮气等污秽和外物造成的短路。（2）运行安全。由于母线封闭在外壳内，且外壳接地，使工作人员不会触及带电导体。（3）由于外壳的屏蔽作用，母线的电动力大大减少，而且基本消除了母线周围钢构体的发热。（4）运行维护工作量小。图3.1200MW机组电气主接线图如图3.1所示，发电厂和主变压器之间的连接母线及厂用分支母线均采用全连分相封闭母线。备注：1—发电机；2—主变压器；3—高压厂用变压器（为分裂绕组变压器）；4—电压互感器；5—高压熔断器；6—避雷器；7—电流互感器；8—中性点接地变压器电压互感器：JDZJ-20型，变比//KV和JDZ-20型，变比/KV。高压熔断器：RN4-20型，额定电流20KA,额定容量4500MV.A。电流互感器：LRD-20型，变比12000/5A.中性点接地变压器：型式为干式、单相、额定电压为20/0.23KV,额定容量25二次侧负载电阻为0.5～0.6欧姆，换算到变压器的一次侧电阻为3781～4537欧姆。可见，发电机中性点实际为高电阻接地方式，用来限制电容电流[17]。4配电装置4.1屋外配电装置4.1.1220KV室外配电装置（1）中型配电装置。中型配电装置分普通中型和分相中型两种。普通中型有单列和双列布置两种方式，母线可为软导线和铝管两种，其布置如下图4.1：图4.1220KV单母分段带旁母普通中型单列布置配电装置（单位为m）分相中型系将母线隔离开关直接布置在各相母线下方，有的仅一组母线隔离开关采用分相布置。隔离开关可为GW4双柱式，GW7三柱式或GW6单柱式母线可为软线或管型母线。此布置方式可节约土地、简化架构、节约三材，故已基本代替普通中型配置[18]。（2）半高型配置。半高型配置有田字型和品字型两种方式，田字型布置占地面积为中型的65.4%。耗刚才为其264%。间隔宽度为15M，如图4.2所示图4.2220KV单框架双列式高型配电装置（单位为m）（3）高型屋外配电装置。高型布置占地面积为普通中型的50%，消耗钢材为其30%，主体结构分单框架、双框架和三框架三类，分别如下图4.3和图4.4图4.3220KV双框架单列式高型配电装置（单位为m）图4.4220KV三框架双列式高型配电装置（单位为m）4.1.2500KV装置的布置方式500KV超高压配电装置由于电压高，外绝缘距离大，电气设备外形大，使配电装置面积大。同时，在配电装置中，静电感应，电晕及无线电干扰和燥声等问题也更严重，根据上述特点，在设计500KV配电装置要特别注意以下几点：（1）按绝缘配合要求，合理的选择配电装置的绝缘水平和过电压保护设备。（2）为节约用地，建议采用铝管母线配单柱式隔离开关分相布置方式。采用敞开式SF6组合电器。按OH型双柱伸缩式或仿ASP型半折架式单柱式隔离开关等都能缩小有关尺寸。（3）为满足母线载流量很大，又满足电晕及无线电干扰要求，可采用扩径空心导线、多分裂导线和大直径或组合式铝管。（4）由于设备高大和笨重，起吊要大型机械设备，设计时要考虑道路通畅，同时要考虑采取减少静电感应，、电晕、无线电干扰和噪声等措施。4.2屋内配电装置（1）220KV屋内配电装置220KV屋内配电装置多为双母线或双母线带旁路母线接线，布置形式主要是双列布置或单列布置。如图4.5为双列布置，电气设备按进线和出线布置在两侧，在同一轴线上可安装两个回路，将母线和旁路母线及各自的隔离开关布置在二层，断路器及出线隔离开关做底式布置，并在其底座上设保护网，间隔宽度为12M，跨距为44.55M，净高度为24M，长度为48M。图4.5220KV双母线带旁母单列布置配电装置（2）10KV配电装置的布置方式装配式10KV配电装置，土建结构复杂，留空埋件较多，建筑安装施工工作量大，工期长，对运行巡视不方便，对短路电流较大，采用电抗器出线时，多采用成套开关柜和电抗器与大型断路器联合布置方式，使配电装置跨度减小，安装施工简单，也给运行巡视带来方便。成套开关柜有GSC、GG1A、GFC等，他们的布置较简单，柜前后设维护走廊，双母线单列布置和双母线双列布置4.6和4.7所示，图4.8为上层三走廊，布置开关柜，间隔宽度为1.4M，底层单廊，安装断路器和电抗器，间隔宽度为2.5M。图4.610KVGSG—1A型固定式开关柜单层双母线单列布置图图4.710KVGSG—1A型固定式开关柜单层双母线双列布置图图4.810KVGSG—1A开关柜的混合布置5继电保护设计电力系统是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合系统。其中，一次设备要通过二次设备对其进行监视、测量、控制、和保护。继电保护装置：当电力系统中的电力元件或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，一般通称为继电保护装置。继电保护的基本原理和构成方式：继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，一般继电保护装置由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件组成，其组成方框图见图5.1。执行输出元件测量执行输出元件测量比较元件逻辑判断元件相应输入量跳闸或信号图5.1继电保护装置的组成方框图继电保护的基本任务：(1)当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开；(2)反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人员)发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。继电保护的基本要求：继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。5.1发电机的保护发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性作用，同时发电机本身也是十分重要的电气设备，因此，应针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。5.1.1发电机纵差动保护该保护是发电机内部相间短路的主保护，根据起动电流的不同有两种选取原则，与其相对应的接线方式也有一些差别。带断线监视的发电机纵差动保护接线图见图5.2。(1)在正常运行情况下，电流互感器的二次回路断线时保护不应误动。为防止差动保护误动作，应整定保护装置的起动电流大于发电机的额定电流。引入可靠系数Kk,则保护装置和继电器的起动电流分别为

：

（6.1）

（6.2）(2)保护装置的起动电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定，此时，继电器的起动电流应为：

（6.3）

根据对不平衡电流的分析，代入上式，则：（6.4）

当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，Kfzq=1;当电流互感器型号相同时Ktx=0.5;可靠系数一般取为Kk=1.3。

对于汽轮发电机，其出口处发生三相短路的最大短路电流约为Id.max=8Ie.f

,代入上式，则差动继电器的起动电流为：

（6.5）

综上可见，按躲开不平衡电流条件整定的差动保护，其起动值都远较按躲开电流互感器二次回路断线的条件为小，因此，保护的灵敏性就高[23]。5.1.2发电机的横差动保护利用反应两个支路电流之差的原理，实现对发电机定子绕组匝间短路的保护即为横差动保护。在某些情况下，虽然按照横差动保护的工作原理来看它不应该动作，但由于发电机已有切除的必要，因此横差动保护动作于跳闸也是允许的。为了防止在励磁回路中发生偶然性的瞬间两点接地时引起的误动作，因此，当励磁回路发生一点接地后，在投入两点接地保护的同时，也应将横差动保护切换至0.5-1s的延时动作于跳闸[23]5.2变压器的保护5.2.1变压器主保护设计电力变压器在整个系统中起着至关重要的作用，因此必须为它装设合适的继电保护装置。本文提出一种基于负序差动原理的变压器保护方案，它利用体现不对称故障本质的负序电流来实现差动保护，能够以较高的灵敏度反映变压器内部匝间故障，同时给出了附加判据和正序电流制动判据来提高保护的抗饱和能力，从而有效防止误动作发生。此发电厂的主变设计为双绕组三相变压器，并且采用Y，d11的接线方式，如下图5.3所示。图中一次电流从同名端流入，二次电流从同名端流出。5.2.2纵差动保护的整定计算原则（1）躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为：（6.10）式中，可靠系数，取1.3外部短路故障时的最大不平衡电流（6.11）（2）躲过变压器最大的励磁涌流，整定式为：（6.12）可靠系数，取1.3~1.5变压器的额定电流励磁涌流的最大倍数5.3母线的保护发电厂母线是电力系统中的一个重要组成元件，当母线上发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。在母线故障中，大部分故障是由绝缘子对地放电引起的，母线故障开始阶段大多表现为单相接地故障，而随着短路电弧的移动，故障往往发展为两相或三相接地短路。（1）3～10KV分段母线及其并列运行的双母线，一般可由发电机和变压器的后备保护实现对母线的保护，下列情况应当装设母线保护：需要快速有选择性地切除一段或一组母线上的故障，以保障发电厂及其电力网安全运行和重要负荷的可靠供电时；当线路的断路器不允许切除线路的电抗器前的线路发生短路性故障时。（2）35～66KV电力网当中，主要变电所的35～66KV双母线或分段单母线，需快速而有选择地切除一段或者一组母线故障，以保证系统规定运行和可靠供电时，应当装设母线保护。（3）110KV母线中，下列情况应装设母线保护：110KV双母线装设专用母线保护；110KV单母线、重要发电厂或110KV以上重要变电所的110KV单母线，需要快切除母线上的故障时，应装设母线保护。（4）220～500KV母线，对双母线接线，应装设能快速有选择性切除故障的母线保护。5.4防直击雷的保护5.4.1直击雷的保护范围发电厂和变电所的直击雷过电压保护，可以采用避雷针、避雷线、避雷带和钢筋焊接成网等。下列设施应装设直击雷保护装置：屋外配电装置，包括组合导体和母线廊道；烟囱、冷却塔和输煤系统的高建筑物；油处理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、装卸油台、大型变压器修理间、易燃材料仓库等建筑物；雷电活动特殊强烈地区的主厂房、主控制室和高压屋内配电装置室；无钢筋的砖木结构的主厂房[26]。5.4.2直击雷的保护措施a.对主厂房需装设的直击雷保护，应采取如下的措施：（1）加强分流：用扁钢将所有避雷针水平连接起来，并与主厂房柱内钢筋焊接成一体。在适当的地方接引下线，一般应每隔10～20m引一根。引下线的数目尽可能多一些。（2）防止反击：设备的接地点尽量远离避雷针接地引下线的入地点；避雷针接地引下线尽量远离电气设备；为了防止引下线向发电机回路发生反击而可能危及发电机绝缘，应在靠近避雷针引下线的发电机出口处装设一组避雷器。（3）装设集中接地装置：b.主控室及其屋内配电装置直击雷的保护措施：若有金属屋顶或屋顶上有金属结构时，将金属部分接地；若屋顶为钢筋混凝土结构，应将钢筋焊接成网接地；若结构为非导电的屋顶时，采用避雷带保护。该避雷带的网格为8～10m,每隔10～20m设置引下线接地。c.峡谷地区的发电厂和变电所应采用避雷线保护。d.建筑物屋顶上的设备金属外壳、电缆外皮和建筑物金属构件，均应接地。e.上述应装设直击雷保护装置的设施，其接地可采用发电厂、变电所的主接地网，但应该在直击雷的保护装置附近装设集中接地装置。f.对于六氟化硫全封闭变电所，不需要专门装设避雷针、避雷线，而是利用六氟化硫全封闭的金属筒作为接闪器，并将其接地即可[28]。序号建筑物及构筑物名称建筑物的结构特点防雷措施135KV屋外配电装置钢筋混凝土结构装设独立的避雷针2110KV及以上配电装置金属结构架构上装设避雷针钢筋混凝土结构架构上装设避雷针时，将架构支柱主钢筋作引下线接地，作引下线的钢筋不少于2根3屋外安装的变压器装设独立的避雷针4屋外组合导体和母线桥装设独立的避雷针；在不能装设独立避雷针时，可以采用在附近主厂房屋顶装设避雷针5主控制室金属结构金属架构接地钢筋混凝土结构钢筋焊接成网并接地6屋内配电装置钢筋混凝土结构钢筋焊接成网并接地7主厂房钢筋混凝土结构钢筋焊接成网并接地，但在雷电较强烈地区表5-1发电厂和变电所必须进行防雷保护的对象和措施6总结与展望在本设计中，主要从电气主接线、短路电流计算、电气设备的选择、屋内屋外配电装置的布局、发电机、主变压器和母线的主保护几个方面作了较为详尽的论述。同时，在保证设计可靠性的前提下，还要兼顾经济性、灵活性和灵敏性，从而主接线中发电机出口220KV母线采用双母线带旁路母线接线，500KV高压母线采用一台半断路器接线形式，10KV母线采用双母线分段接线的形式。主要电气设备和配电装置根据发电厂实际选用情况进行说明性选择；发电机采用带断线监视的纵差动保护，主变压器采用纵差动保护，母线采用完全电流差动保护。其中，为了方便说明和阅读，在设计的各个部分中还附有大量的公式、参数的计算、电路图和表格。当然，由于在实际的设计过程中也遇到了很多困难，有部分必须的详细数据无法搜集齐全，只能通过查阅书籍资料做出近似的计算，从而难免与实际情况有出入。

致谢首先我非常感谢我的指导老师严谨的治学态度、孜孜不倦的敬业精神、丰富的实践经验及对知识不倦的追求精神以及对学科发展动态的敏锐的洞察力，不仅让我在学业上跃上了一个新的台阶，更加让我懂得了人生的许多道理，将让我受益终生。并激励我永远前行。本论文从论文的选题到研究课题的确定，从论文的整理到详细审稿、最后定稿无不倾注了指导老师的辛勤汗水。在这里我要向辛勤培养和教导我的各位领导、老师致以深深的谢意。四年来是你们交给我丰富的专业知识，交给我如何在日益激烈的社会竞争中生存和发展。在论文完成之际，我首先要向老师表示最真挚的感谢。由于本人学识有限，加之时间仓促，文中不免有错误和待改进之处，真诚欢迎各位师长、同行提出宝贵意见。

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