【S水电站电气一次部分设计（论文）16000字】

VS水电站电气一次部分设计摘要：在节能环保的背景下，水电站就有很多明显的优势。本次毕业设计的任务是完成S水电站电气一次部分设计。首先计算出变压器的容量，然后选出主变压器的容量、型号及相关参数。其次选择两种主接线方案，通过进行综合总投资计算和年运行费用计算，选择出最优的主接线方案。再者，计算对称短路的三相短路以及不对称短路的单相、两相及两相接地短路。此外进行电气设备的选择，根据短路电流的计算结果和最大持续工作电流，选择各种设备并对这些设备进行校验。为保证可靠供电，再对选出来的设备进行继电保护整定计算。最后进行厂用电和防雷保护装置的设计。关键词：水电站变压器设备选择短路计算目录TOC\o"1-3"\h\u178331引言 3299662主变压器的选择 461302.1设计基础资料 475532.2主变压器容量和型号选择 5322112.2.1主变压器容量的选择 558412.2.2带厂用电主变压器容量的选择 5141202.2.3不带厂用电主变压器容量的选择 522052.2.4主变压器型式的选择 6244513主接线设计 7211073.1水电厂电气主接线特点 7255883.2对原始资料的分析 7263923.3电气主接线初选方案的确定 8188533.4精选方案的确定 9259253.5最佳方案的确定 11294364短路电流计算 13268154.1关于短路的概述 13104194.2最佳方案的短路电流计算 13192844.2.1短路计算点的选取 13106034.2.2选定K1点为短路点的计算 14135434.2.3选定K2点为短路点的计算 18312625主要电气设备选择 21104055.1断路器的选择 21171455.1.1额定电流的选择 21248215.1.2断路器型号的选择 22256085.1.3断路器的校验 2361215.2隔离开关的选择 2921515.3发电机出口母线的选择 3121055.4高压熔断器的选择 35296495.5发电机中性点消弧线圈的选择 3548776厂用电设计 38260486.1厂用工作电源的引接方式 3864336.2厂用变压器型号的选择 3816647.防雷保护设计 40189577.1.避雷线的保护范围 40137917.2避雷针的保护范围 41685参考文献 421引言我国电力水平居全球领先地位，而水电装机容量则居世界首位。我国是世界上水力资源最丰富的国家，在我国大地上，川流众多，湖泊密布。在这些江河湖泊之间，屹立着成千上万座水电站，它们组成了我国电力资源生产的重要源头。我国的大坝主要分布在华中和华南地区。近几年，我国水力发电总量在逐步提升，2020年，经统计全国水电装机容量已达到3亿千瓦。国家的发电量在一定程度上反映了该国的经济实力和能源储备情况。水力水轮发电其实也就是通过利用长江拦河坝蓄水来直接提高黄河水流上游的能源水位,将其在水流中重力势能和水流驱动机械动能直接通过进入水中的轮机转动来转化成通过水轮机旋转来进行驱动的一种自然机械性动能,再通过进入水中的轮机旋转来直接带动水力发电器进行发电。水力光伏发电的主要技术优点之一是那就是使水资源可再生,对于自然环境的危害污染小,后期水力发电的利用成本相对较低,发电后的效率高,启动高效，操作简易灵活，并且对河流的综合治理有着积极作用，对农田灌溉，航运旅游等也有着重要作用。但对选址要求较高，一般前期固定投资大，建设周期较长，上游水位的提升还会造成地质结构的改变，对周围气候改变较大，淹没一定的野生植被，甚至诱发地震等自然灾害。所以对大坝的日常监测和检修就显得尤为重要，一定要确保发电站正常稳定的运行。本次设计基于本人对发电厂，电力继电保护，电力系统分析，高电压技术等多门专业课理论知识的掌握，以及对S水电站的实地咨询和资料收集。本次设计的重点是通过对本水电站的数据分析确定其一次主接线。通过对负荷的计算,确定了主变压器数量、容量及其选型。根据对短路电流的测量和计算结果,完成了水电厂主要的电气装置选择及校验。最后完成了对水电站厂房必要的防雷保护工程设计及本电力系统继电保护工程。2主变压器的选择2.1设计基础资料水电站是电力资源的重要来源之一。国家的发电量在一定程度上反映了该国的经济实力和能源结构。本次设计基本设计资料如下：水电站地理位置：S水电站是一个坐落在我国湖北省宜昌市境内的水电站。枢纽工程功能建设任务:以支持发展大型防洪水利工程建设为主,兼顾防洪蓄水、供给、灌溉等,进行资源综合利用。水能发电站的规划技术指标:水电厂的设计质量保证率控制为90%,总装机容量为500mw,年利用小时数为3600时。水文、气象资料：坝区气温：年平均温度15.5℃，最高气温40℃，最低气温-10℃；坝区水温：多年平均水温15.5°C；年平均相对湿度：80％；沙含量： 0.20g／m3。电站担任的负荷：担任系统的峰荷及负荷备用，汛期担任基荷。系统负荷特性：系统的用户负荷管理特点:主要特征是系统作为一种小型工农业的用户负荷,以大型城市工业区的用户负荷为主。电力负荷情况：输出电力:该工厂在各设备上均采用220kv的电压等级下进行输送的系统,其中回经300公里接入SH变电站,3回经300公里接入HZ变电站,功率因数为0.9,每回输送100MW。厂房用电:一般采取厂房使用的负荷分别是0.4kv和6.0kv两个电压的等级;厂用变压器是按照该电站设备总容量的1.5%进行选定。SF15-34/140发电机型式及参数见表1。型号型式额定容量功率因数cos额定电压（V）转速Sf(kVA)Nf(kVA)额定转速（r/min）转速（r/min）SF125-34/1402全伞式1470601250000.851380088.20256.28表SEQ表\*ARABIC1SF125-34/1402发电机型号参数表2.2主变压器容量和型号选择2.2.1主变压器容量的选择主变压器的选择依据除了基础资料以外，主要还是取决于所输送的功率大小、其与系统的紧密连接程度、运行方式等因素，还要考虑5年内所在系统的发展情况。2.2.2带厂用电主变压器容量的选择使用单元接线的主变压器的容量SN需要按照发电机额定容量扣除点本级租的厂用负荷以外，留10%的裕度，即为：（2-1）式中PNG—发电机的容量，MW；cosG—发电机的额定功率因数，本设计中为0.85；KP—厂用电率，本设计中为1.5%。因此可算得变压器容量为：=1.1×125×（1-1.5%）/0.85=159.34（MW）2.2.3不带厂用电主变压器容量的选择由上式可知不带厂用电主变压器容量的计算公式为：（2-2）将式子带入后，可得不带厂用电主变压器容量为：=1.1×125/0.85=161.76（MW）2.2.4主变压器型式的选择相数的确定结合本设计考虑，由于本设计的电压等级为220kV，是在330kV以下，且变压器容量选取的有159.34MW，与161.76MW，容量数值适中，若制造、运输等条件受限的可能性较小，因此，本设计选取三相式的变压器。绕组数的确定结合本工程设计的实际具体情况,由于本工程设计中的发电厂是为该系统提供电力,且只能使用220kV一个提升电压的等级,因此在设计时选择了双绕组式变压器。结构形式的选择发电厂的主变压器通常是由低压侧向高压侧供电，因此在设计时宜选升压型变压器。调压方式的确定结合本设计电力负荷的具体情况与对经济性的考虑，本设计选取无励磁调压变压器。冷却方式的选择考虑到本设计的机组容量为125000kVA，而油循环风冷却可用于40000kVA及以上，因此选用油循环风冷却。主变压器的型号选择查阅参考文献[4]P479至P481的附录一电机变压器技术参数附表1-5，根据算得的数据及发电机型式型式可知带厂用电的主变压器与不带厂用电的主变压器的容量差距不大，都可以用额定容量为180000kVA的变压器。因此带厂用电与不带厂用电的主变压器都可以选择的型号为：SFP7-180000/220，具体参数见表2。表2主变压器相关参数表型号额定容量（kVA）额定电压（kV）连接组损耗（kW）阻抗电压（%）总重（t）高压低压空载短路SFP7-180000/2201800002202×2.5%2422×2.5%13.8YN，d1116051013.3167

3主接线设计3.1水电厂电气主接线特点电厂的地理位置一般较偏远，远离负荷中心，而当地的负荷比较小甚至没有。水电厂的电气主接线在设计时一般力求简单，相应电气设备可尽量减少，高压配电的相关设备尽可能布置紧凑，减少占地面积。水电厂机组配置与配电装置一般一次确定，不考虑扩建问题。3.2对原始资料的分析发电机—变压器接线本设计工程中该核变电站的总工程设计机组装机容量长度限制等级为500mw,机组装电台数长度限制等级确定长度为4台,单机装电容量长度限制为15mw,以220kV的装机电压限制等级直接被引入到电站供电线路系统,出线一共5回,无近区负荷,其中回经300公里接入SH变电站,3回经300公里接入HZ变电站。考虑到水轮机在电厂的以上情况,该单一大容量的水轮机并不算是大型的机组,加之该电厂建成后担任系统的峰荷与事故备用,汛期时担任基荷,因此该电厂对灵活性要求相对较高。该电厂的发电机—变压器接线可选择单元接线。判断发电机出口是否需要设置断路器及隔离开关对本设计而言，担任着系统峰荷及事故备用，可初步确定选择四台机组的其中两台发电机出口引出厂用电，互为暗备用使用。因此,需要将接厂用电的发动机进出口处安装一个断路器。其他的机组可以与变压器共同公用一个断路器,因此只有主变压器的出口才能设置一台断路器,不必再需要另外设置一台发电机的出口断路器。但需要在变压器的低压侧同时设置隔离开关,以形成明显断点,提高检修时的安全性。本设计中,发电机的出口侧和发电机之间距离相对较近,且当断路器被切除或断开后会因为继电保护作用使得发电机进入一定的停止状态,因此可以不设置发电机的出口侧隔离启动开关。另外两个不接厂用点的发电机出口由于运行需要,设置隔离开关。3.3电气主接线初选方案的确定从本设计的实际应用情况出发,本项目设计装机容量标准为500mw,单机供电容量标准为15mw,相对来讲均较大,且其负荷的特性也是以工业用电系统为主,担当着峰荷与基何的电压,因此该项目电站的各种电气接线方式对其可靠性与灵活度的要求均比较高,因此不宜选用桥式接线与单母线接线。结合本电站的装机容量与进出线情况，可初步确定以下四个电气主接线的方案，具体方案见表3。表3电气主接线初选方案表方案号电气主接线形式一单母线分段接线二单母线分段带旁路接线三双母线接线四双母线带旁路接线单母线分段接线单母线分段接线可以应用于输入的出线电压范围为110—220kV时，总出线回路不超过超过4—6回时的情况。而本设计的出现回路为5条，电压等级为220kV，因此适合初选单母线分段接线为电气主接线形式。单母线分段带旁路接线单母线分段带旁路一般用于出线电压为110—220kV的大、中型电站，尤其是当电压等级为220kV总出线回路超过3—4回时，适合使用单母线分段带旁路母线。本设计的出现回路为5条，电压等级为220kV，因此适合初选单母线分段带旁路接线为电气主接线形式。双母线接线双母线接线可用于电压等级为110—220kV时，出现回路超过四回者，而本设计的出现回路为5条，电压等级为220kV，因此适合初选双母线接线为电气主接线形式双母线带旁路接线双母线接线可用于电压等级为220kV时，出现回路超过四回者，而本设计的出现回路为5条，电压等级为220kV，因此适合初选双母线带旁路接线为电气主接线形式。3.4精选方案的确定对上述四个初选方案分别从主要电气设备使用数量及技术层面进行分析，以此来筛选出精选方案。主要电气设备使用量对这四个初选方案的基本电气主接线图进行分析，可列出各个方案的断路器、隔离开关及主变压器使用数量，具体数值见表4。表4各初选方案主要电气设备使用量单位：台方案号断路器隔离开关主变压器220kV13.8kV220kV13.8kV一1042044二1142744三1042944四1143644技术比较对各初选方案进行技术分析可知各方案的断路器及母线在检修与故障情况下电厂的运行情况，具体比较内容见表5。表5各初选方案技术比较表方案号一二三四供电可靠性出线断路器检修短时停电无影响无影响（采用临时跨条）无影响故障用户停电用户停电用户停电用户停电进线断路器检修1/4用户停电1/4用户停电1/4用户停电1/4用户停电故障1/4用户停电1/4用户停电1/4用户停电1/4用户停电分段断路器检修部分供电无影响部分供电无影响故障部分供电无影响部分供电无影响母联断路器检修短时停电短时停电故障短时停电短时停电工作母线检修部分供电无影响部分供电无影响无影响无影响故障部分供电无影响部分供电无影响无影响无影响灵活性正常运行时一般较高高最高设备检修时一般较高高最高设备故障时一般较高高最高较方案一复杂继电保护设备少，简单易行投资成本少较少多最多精选方案的确定由表5可知,针对于这四种主要的接线方式,在供电的可靠性问题方面,方案一全部停电的可能性会更大,方案四最可靠;在其灵活性上,方案一至第四个阶段,随着有关电气主接线工程的复杂度增加和有关电气主接线的具体布局,方案一至第四个阶段的灵活性依次提高。在其经济性的选择上,接线越简单、电气设备的使用量越少、布置的面积也就越小,则其经济性就越好,由此可看出方案一的经济性最好,方案二、三、四的经济性依次递减。考虑到该电站在我国现代电力系统的重要地位,即承载着系统的峰荷,汛期则承载着基荷,加之该系统的负荷性质以工农业为主,主要是工业，可推知很可能是Ⅰ类或者Ⅱ类负荷，就可得知该电厂对电气主接线的可靠性及灵活性较高。结合上述对电气主接线的技术及经济分析，加之电厂对电气主接线的要求，可确定将方案二与方案三作为精选方案。3.5最佳方案的确定对精选方案，即方案二与方案三进行准确的经济性比较，在综合来确定本设计电气主接线最佳方案。对精选方案进行分析，由于精选方案所选用的均是四套相同的双绕组变压器，而且这四台变压器的低压侧的设备及数量均相同，因此仅需比较变压器高压侧部分主接线的投资。由表4可知两精选方案的电气主接线高压侧的电气设备使用量，具体使用量见表6。表6精选方案变压器高压侧主要电气设备数量表单位：台方案号220kV断路器220kV隔离开关二1127三1029利用本设计电站的基本情况及要求，查《电气工业常用设备手册》P556与P580,，选出合适的断路器及隔离开关的型号及单价，具体的型号及单价见表7。表7精选方案变压器高压侧主要电气设备单价表设备名称型号每台单价(元）六氟化硫敞开式断路器LW1-220/3150190000户外隔离开关GW4-220D14500对精选方案进行电气设备的投资估算，估算过程如下：方案二的投资估算已知电气设备投资估算的公式为：（3-1）式中Z—方案总投资，万元；L1—设备的运行费率，本设计取0.06；L2—设备的安装费率，本设计取0.13；G1—设备的价格，万元。将相应数值带入上式，可算得：=295.30（万元）已知电气设备运行费用的估算的公式为：F=F1+F2+F3（3-2）其中F1—电能损耗的费用，本设计两种变压器的选择相同因此可将该项忽略不计；F2—设备的折旧费，可取为0.058Z；F3—维护修理费，可取为0.03Z。则可算得该方案的运行费用为：F=F1+F2+F3=（0.058+0.03）×295.30=25.99（万元）方案三的投资估算由式2-1可算得方案三的总投资为：=276.14（万元）又由式2-2可算得该方案的运行费用为：F=F1+F2+F3=（0.058+0.03）×276.14=24.30（万元）将以上的计算结果列于表8。表8精选方案的投资估算表单位：万元方案号总投资费用运行费用二295.3025.99三276.1424.30通过上表的数值，可以看出方案三经济，再结合表6与表7的内容，考虑两个方案的供电可靠性以及灵活性，最终决定将方案三作为最佳方案。4短路电流计算4.1关于短路的概述短路是指电网中某相导体为通过负荷直接与另一导体或者与地直接相碰。短路计算的假定条件：短路过程中，所有的发电机的电势与相位大小一致；不计磁路饱和；不计变压器的励磁电流；系统所有元件只计电抗为金属性短路；三相系统对称。4.2最佳方案的短路电流计算4.2.1短路计算点的选取由于本设计仅有一个220kV的电压等级，因此只需要选取发电机出口母线及工作母线这两个短路计算点进行计算即可。各元件标幺值的计算本设计可取Sd=100MW，Ud=Uav，则可算得确定平均电压为Ud=Uav=230kV。电源电势的标幺值E"G*=发电机的电抗标幺值查阅参考文献[1]P24可知，目前国内的发电机的次暂态百分数Xd"的取值范围为0.16—0.264，本设计则取值为Xd"=0.20。由参考文献[9]P22可知发电机电抗标幺值计算公式为：（4-1）则可计算出发电机的电抗标幺值为：==0.136变压器的电抗标幺值变压器电抗标幺值计算公式为：（4-2）则可计算出变压器的电抗标幺值为：==0.074线路的电抗标幺值由参考文献[9]P22可知线路电抗标幺值计算公式为：（4-3）由基本资料可知，该电站的两个输电距均为300km，因此可计算出变压器的电抗标幺值为：0.227根据所求得的标幺值可得各元件的电抗标幺值，具体为：X1=X2=X3=X4=0.136X5=X6=X7=X8=0.074X9=X10=X11=X12=X13=0.2274.2.2选定K1点为短路点的计算K1点为短路点时等值网络图的化简短路点K1的位置在发电机出口处，根据等值电抗图对改线路进行化简，可得下图。图1K1点短路等值电路简图图中的等值电抗为各分电抗之和，具体数值为：X14=X2+X6=0.136+0.074=0.210X15=X3+X7=0.136+0.074=0.210X16=X4+X8=0.136+0.074=0.210线路侧的负荷因电抗与电压等级一致，则可以合并为一个负荷，则可得下图。图2K1点短路等值电路简化图（2）图中的等值电源的容量与电抗值为：G5=G2+G3+G4=375（MW）X17=X18==0.0454可将上图中各电抗经星形—三角形变换得出等值电抗的值为：X19=X18+X5+=0.0454+0.074+=0.167X20=X17+X5+=0.07+0.074+=0.258电抗值的计算将计算转移电抗输入变换过程化为从一个电源端的输出电流到一个短路接触点上的电流计算电抗，可算得电源G1的出口侧的电抗值为：Xca1（G1）=X1=0.136×=0.200电源G5（G2、G3、G4的等闲电源）的出口侧的电抗值为：Xca2（G5）=X20=0.258×=1.138由于S为无穷大系统，无法求其电抗，因此本设计利用转移电抗X19进行计算。电源G1供给的短路电流由参考文献[1]p48可知基准电流的计算公式为：Id=（4-4）计算基准电流的具体过程为：Id1===6.152（kA）由于电源G1的出口侧的电抗值为Xca1（G1）=0.200，可查参考文献[13]附录十二发电机短路电流的运算曲线（一），得到t=0s、0.2s与4s时对应的短路电流基准值，具体数值如下：t=0s时，I*"=5.50,则I"=I*"×Id1=5.50×6.152=33.836（kA）；t=0.2s时，I（0.2）*=3.87,则I（0.2）=I（0.2）*×Id1=3.87×6.152=23.808（kA）；t=4s时，I（∞）*=3.22,则I（∞）=I（∞）*×Id1=3.22×6.152=19.809（kA）。由参考文献[1]P31可知冲击电流的计算公式为：Ish="（4-5）其中Ksh—冲击系数；由参考文献[1]P31可知发电机出口短路时，Ksh=1.9，则该情况下冲击电流的数值为：Ish="=1.9×33.836=90.918（kA）电源G5供给的短路电流计算计算基准电流的具体过程为：Id2===18.456（kA）由于电源G5的出口侧的电抗值为Xca2（G5）=1.138，可查参考文献[13]附录十二发电机短路电流的运算曲线（二），得到t=0s、0.2s与4s时对应的短路电流基准值，具体数值如下：t=0s时，I*"=0.94,则I"=I*"×Id2=0.94×18.456=17.349（kA）；t=0.2s时，I（0.2）*=0.92,则I（0.2）=I*"×Id2=0.92×18.456=16.980（kA）；t=4s时，I（∞）*=1.08,则I（∞）=I*"×Id2=1.08×18.456=19.932（kA）。由参考文献[1]P45可知发电机出口短路时，Ksh=1.9，则该情况下冲击电流的数值为：Ish="=1.9×17.349=46.616（kA）无穷大电源系统供给的短路计算Id（∞）===4.184（kA）由于S为无穷大系统，因此I*"=I（0.2）*=I（∞）*===5.988由此可算出：I"=I（4）=I（∞）=I*"×Id（∞）=5.988×4.184=25.054（kA）由参考文献[1]P45发电机出口短路时，Ksh=1.9，将其带入式2-11，则该情况下冲击电流的数值为：Ish="=1.9×25.054=67.320（kA）列表统计整理上述计算结果，可列出表9用于统计K1点短路计算的相关数值。表9K1点短路计算结果统计表电源名称基准电压（kV）基准电流（kA）t=0st=0.2st=4s冲击电流（kA）标幺值有名值标幺值有名值标幺值有名值I*"I"I（0.2）I（0.2）I（∞）*I（∞）G113.86.1525.5033.8363.8723.8083.2219.80990.918G513.818.4560.9417.3490.9216.9801.0819.93246.616S∞13.84.1845.98825.0545.98825.0545.98825.05467.320合计76.23965.84264.796204.8534.2.3选定K2点为短路点的计算K2点为短路点时等值网络图的化简短路点K2的位置在工作母线处，根据等值电抗图对改线路进行化简，可得下图。图3K2点短路等值电路简图线路侧的负荷因电抗与电压等级一致，则可以合并为一个负荷，则可得下图。图4K2点短路等值电路简化图（2）图中的数值为：G5=G1+G2+G3+G4=125+125+125+125=500（MW）X14=（X1+X5）=×（0.136+0.074）=0.0525X15=X9=×0.227=0.0454电抗值的计算将转移电抗化为电源到短路点的计算电抗，可算得电源G5的出口侧的电抗值为：Xca1（G5）=X14=0.0525×=0.309由于S为无穷大系统，无法求其电抗，因此本设计利用转移电抗X15进行计算。电源G5供给的短路电流Id1===1.477（kA）由于电源G5的出口侧的电抗值为Xca1（G5）=0.309，可查参考文献[13]附录十二发电机短路电流的运算曲线（一），得到t=0s、0.2s与4s时对应的短路电流基准值，具体数值如下：t=0s时，I*"=3.60,则I"=I*"×Id1=3.60×1.477=5.317（kA）t=0.2s时，I（0.2）*=2.90,则I（0.2）=I（0.2）*×Id1=2.90×1.477=4.283（kA）t=4s时，I（∞）*=2.97,可算出I（∞）=I（∞）*×Id1=2.97×1.477=4.387（kA）由参考文献[1]P41可知工作母线时，Ksh=1.85，将其带入式2-11，则该情况下冲击电流的数值为：Ish="=1.85×5.317=13.911（kA）无穷大电源系统供给的短路计算Id（∞）===0.251（kA）由于S为无穷大系统，因此：I*"=I（0.2）*=I（∞）*===22.026由此可算出：I"=I（4）=I（∞）=I*"×Id（∞）=22.026×0.251=5.529（kA）已知发电机出口短路时，Ksh=1.9，则该情况下冲击电流的数值为：Ish="=1.85×5.529=14.465（kA）列表统计整理上述计算结果，可列出表10用于统计K2点短路计算的相关数值。表格10K2点短路计算结果统计表电源名称基准电压（kV）基准电流（kA）t=0st=0.2st=4s冲击电流（kA）标幺值有名值标幺值有名值标幺值有名值I*"I"I（0.2）*I（0.2）I（∞）*I（∞）G52301.4773.605.3172.904.2832.974.38713.911S∞2300.25122.0265.52922.0265.52922.0265.52914.465合计10.8469.9579.91628.3765主要电气设备选择电气设备在选型时，原则上会按照正常工作的条件选型，再用短路条件进行校核。出于运行方便的考虑，会适度减少设备种类与数量，也达到了降低投资的目的。且处于布置面积的考虑，满足条件的情况下，会尽量选择体积小、重量轻的设备。5.1断路器的选择进行断路器选择时，为了保证供电可靠性，往往需要在每个电压等级分别按照最危险的情况选择适合型号的断路器，则每个电压等级配置断路器的型号是相同的。由于本设计的电压等级有220kV与13.8kV，因此本设计主要选这两个电压等级的断路器。断路器的额定电压满足：Un≥UNS（5-1）式中UN—断路器的额定电压，kV；UNS—断路器安装处所在电网的额定电压，kV。对本设计的双母线接线形式来讲，对于220kV（高压段）的Un应满足Un≥UNS=220kV，对于13.8kV（低压侧）的Un应满足Un≥UNS=13.8kV。5.1.1额定电流的选择由参考文献[12]P36可知:IN≥Imax（5-2）式中IN—断路器的额定电流，kA；Imax—断路器所在回路的最大长期工作电流，kA。为得出断路器所在回路的最大工作电流，分别算出该回路每一处的最大电流。根据参考文献[12]P36可知，不同回路最大长期工作电流有以下几种情况：发电机回路（5-3）式中Pn—发电机功率,MW;Un—发电机回路的额定电压，kV；cos—发电机回路的功率因数，本设计取0.85.因此可算得本设计下发电机回路的最大工作电流为：==6.460（kA）变压器回路（kA）（5-4）式中Sn—变压器的额定容量,MW;Un—变压器回路的额定电压，kV。因此可算得本设计下变压器回路的最大工作电流为：==0.496（kA）母联断路器回路本设计所确定的主接线方式为双母线接线，因此拥有母联断路器。接通母联断路器时，可能出现的最大电流就是在双母线由并列进行解列，此时变压器满负荷，电流集中于一条母线，此时母联断路器回路拥有最大电流，具体的值为：=ITmax=0.496（kA）厂用断路器回路因此，可知厂用断路器的额定电流需要满足IGmax≥0.388kA。5.1.2断路器型号的选择根据以上对断路器型式与额定电压、额定电流的计算结果，查阅相关文献的资料，可选出本设计各个位置的断路器型号。13.8kV电压等级断路器的选取13.8kV断路器的型式为SF6断路器，其额定电压为Un≥13.8kV，额定电流为In≥6.460kA，其主要技术参数见表11。表11HEK6型断路器基本参数表型号额定电压（kV）额定电流（kA）额定开断电流（kA）额定动稳定电流（kA）额定热稳定电流（kA）固有分闸时间（s）HEK62422165360120/30.03220kV电压等级断路器的选取220kV断路器的型式为SF6断路器，其额定电压为Un≥220kV，额定电流为In≥0.496kA，具体参数见表12。表12LW-220Ⅰ型断路器基本参数表型号额定电压（kV）额定电流（kA）额定开断电流（kA）额定动稳定电流（kA）热稳定电流（kA）固有分闸时间（s）合闸时间（s）3s4sLW-220Ⅰ2201.604010040<0.04≤0.155.1.3断路器的校验确定校验断路器的短路点13.8kV电压等级的断路器在13.8kV的电压等级下，由于高压厂用断路器型号同发电机出口相同，当高压厂用变引线发生短路时，流过高压厂用变高压侧断路器电流最大，因此可以按照按厂用断路器校验动稳定、热稳定。由上述的短路计算得其冲击电流为ish=204.853kA。.220kV电压等级的断路器可利用短路计算的短路点所得的结果可对所选择的断路器进行开断能力的校核、动稳定校验与热稳定校验，具体过程如下：额定开断能力的校验由参考文献[12]P48可知，使断路器安全可靠地切断短路点流的条件为：（5-5）式中—断路器的额定开断电流，kA；—刚分电流（断路器刚分瞬时短路的全电流有效值），kA。13.8kV电压等级的断路器由于需要先确定短路切断时间来计算Ikt，设这段时间为t1，则由式4-8可知，t1=tp+tg（s）（5-6）式中tp—继电保护（主保护）动作时间，，范围是0.05—0.06，本设计取0.05；tg—断路器的固有分闸时间，s。由于13.8kV的电压等级所选用的断路器的基本参数在表13，从该表中可得知tg=0.03s，因此可求得短路切断时间为：t1=tp+tg=0.05+0.03=0.08（s）由于短路切断时间t1=0.08s<0.1s,由已知刚分电流的计算公式为：（5-7）式中Ipt—触头刚分开的瞬间实际通过断路器短路周期电流的有效值，kA。Ta—非周期电流衰减时间常数。由短路计算的结果可知，Ipt=76.239kA，又查表12，可得知tk≤0.1s时，发电机出口及母线的Ta值为0.15。将以上数值带入，可求得刚分电流的数值为：==99.047（kA）由表13可得此情况下的Ibr=165kA，因此可得知：Ikt=99.047kA<Ibr=165kA即满足要求。220kV电压等级的断路器由于需要先确定短路切断时间来计算Ikt，设这段时间为t1，则参考式2-17，由于220kV高电压等级侧所选用的断路器的基本参数在表14，从该表中可取值tg=0.035s，因此可求得短路切断时间为：t1=tp+tg=0.05+0.035=0.085（s）由短路计算的结果可知，Ipt=10.846kA，又查表12，可得知tk≤0.1s时，发电机升高电压及出线的Ta值为0.08。将以上数值带入式2-18，可求得刚分电流的数值为：==12.071（kA）由表2-13可得此情况下的Ibr=40kA，因此可得知：Ikt=12.071kA<Ibr=40kA因此可知变压器高压侧断路器、出线断路器与母联断路器（220kV电压等级）的选型的开断能力均满足要求。动稳定的校验已知动稳定的条件为：imax≥ish（5-8）式中ish—所在回路的冲击短路电流，kA；imax—断路器允许的动稳定电流（峰值），kA。13.8kV电压等级的断路器imax=360kA>ish=204.853kA因此13.8kV电压等级的断路器（发电机出口断路器与厂用变断路器）的选型满足动稳定的要求。220kV电压等级的断路器220kV电压等级的断路器在本设计中包括变压器高压侧断路器、出线断路器与母联断路器，其短路冲击电流已在短路电流计算中算出，由表10可得，ish=28.376kA；又查得所选断路器的参数表，可得imax=100kA，因此有：imax=100kA>ish=28.376kA。因此220kV电压等级的断路器（变压器高压侧断路器、出线断路器与母联断路器）的选型满足动稳定的要求。热稳定的校验由式4-4可知热稳定的条件为：（5-9）式中—断路器允许承受的热效应，kA2·s；—所在回路的短路电流热效应，kA2·s。为了计算Qk，可先确定短路热效应的计算时间，由已知tk的计算公式为：tk=tp+tdn（5-10）式中tp—继电保护（主保护）的装置动作时间，s，一般取值2—4s，本设计取tp=3.0s；tdn—断路器的开断时间，s。又已知tdn的计算公式为：（5-11）式中tg—断路器固有分闸时间，s；th—断路器触头电弧的持续时间，s，一般取值0.02s。13.8kV电压等级的断路器13.8kV电压等级的断路器在本设计中包括发电机出口断路器与厂用断路器，查表2-13可知所选择的断路器的固有分闸时间为tg=0.03s，因此该断路器的短路热效应计算时间为：tk=tp+tdn=tp+tg+th=3.0+0.03+0.02=3.05（s）电源G1供给短路电流计算在该条件下，已算得Xca1（G1）=0.200，查参考文献[13]附录十二水轮发电机运算曲线（一）,可查得：t=1.525s时，I（1.525）*=3.45，因此可算出：I（1.525）=3.45t=3.05s时，I（3.05）*=3.27，因此可算出：I（3.05）=3.27电源G5供给短路电流计算在该条件下，已算得Xca2（G5）=1.138，查参考文献[13]附录十二水轮发电机运算曲线（二）,可查得：t=1.525s时，I（1.525）*=1.07，因此可算出：I（1.525）=1.07t=3.05s时，I（3.05）*=1.08，因此可算出：I（3.05）=1.08无穷大系统S∞供给的短路电流计算I"=I（1.525）=I（3.05）=5.988×4.184=25.054（kA）将以上三种电源的短路电流计算数值列表，具体见表13。表1313.8kV电压等级断路器短路电流计算表电源名称基准电压（kV）基准电流（kA）t=0st=1.525st=3.05s标幺值有名值标幺值有名值标幺值有名值I*"I"I（1.525）*I（1.525）I（3.05）*I（3.05）G113.86.1525.5033.8363.4521.2263.2720.119G513.818.4560.9417.3491.0719.7501.0819.934S∞13.84.1845.98825.0545.98825.0545.98825.054合计76.23966.03065.107计算短路电流热效应根据表15可算出13.8kV电压等级的断路器的短路电流热效应为：==13636.274（kA2·s）又可算得It2t=1202×3=43200（kA2·s）则可得It2t=43200kA2·s>Qk=13636.274kA2·s因此13.8kV电压等级的断路器（发电机出口断路器与厂用变断路器）的选型满足热稳定的要求。220kV电压等级的断路器220kV电压等级的断路器在本设计中包括变压器高压侧断路器、出线断路器与母联断路器，查表11可知所选择的断路器的固有分闸时间可取tg=0.035s，因此该断路器的短路热效应计算时间为：tk=tp+tdn=tp+tg+th=3.0+0.035+0.02=3.055（s）电源G5供给短路电流计算在该条件下，已算得Xca1（G5）=0.309，查表十二水轮发电机运算曲线（一）,可查得：t=1.5275s时，I（1.5275）*=2.91，因此可算出：I（1.5275）=2.91t=3.055s时，I（3.055）*=2.95，因此可算出：I（3.055）=2.95无穷大系统S∞供给的短路电流计算I"=I（1.5275）=I（3.055）=22.026×0.251=5.529（kA）将以上三种电源的短路电流计算数值列表，具体见表14。表14220kV电压等级断路器短路电流计算表电源名称基准电压（kV）基准电流（kA）t=0st=1.5275st=3.055s标幺值有名值标幺值有名值标幺值有名值I*"I"I（1.5275）*I（1.5275）I（3.055）*I（3.055）G52301.4773.605.3172.914.2972.954.356S∞2300.25122.0265.52922.0265.52922.0265.529合计10.8469.8259.885计算短路电流热效应根据表2-16可算出220kV电压等级的断路器的短路电流热效应为：==300.575（kA2·s）又可算得It2t=402×3=4800（kA2·s）则可得It2t=4800kA2·s>Qk=300.575kA2·s满足热稳定的要求。5.2隔离开关的选择13.8kV电压等级的隔离开关型式的选择发电机电压的隔离开关一般会采用临时加挂接地线的接地方式进行检修。额定电压的选择13.8kV电压等级的隔离开关的额定电压UN一般情况下需要大于该段回路的电压等级，即额定电压需要满足的条件是UN≥13.8kV。额定电流的选择因为13.8kV电压等级的隔离开关用在发电机出口与厂用变压器上，所以其额定电流需要大于该处的最大工作电流，由断路器选型过程中的各处最大电流的计算可知，隔离开关应满足的条件为IN≥6.460kA。型号的确定根据所确定的额定电压与额定电流的范围，查阅表附录三，选出较合理的隔离开关型号GN10-20T其具体参数见表15。表15GN10-20T型隔离开关基本参数表型号额定电压（kV）额定电流（kA）动稳定电路峰值（kA）热稳定电流（kA）GN10-20T208224120（5）220kV电压等级的隔离开关额定电压的选择UN≥220kV（5-12）额定电流的选择IN≥0.496kA（5-13）型号的确定选出较合理的隔离开关型号GW6-220G其具体参数见表16。表16GW6-220G型隔离开关基本参数表型号额定电压（kV）额定电流（kA）动稳定电路峰值（kA）热稳定电流（kA）GW6-220G22015021（5）隔离开关的校验动稳定的校验13.8kV电压等级的隔离开关Ish=204.852kA<224kA因此13.8kV电压等级的隔离开关（发电机出口与高压厂用变的隔离开关）满足动稳定要求。220kV电压等级的隔离开关220kV电压等级的接线段，若对检修母线进行充电检验，该母线发生短路时，则母联隔离开关短路冲击电流值最大，可得：Ish=28.376kA<50kA因此220kV电压等级的隔离开关（安装在变压器高压侧、出线、及母联断路器两侧的隔离开关）满足动稳定要求。热稳定的校验13.8kV电压等级的隔离开关由断路器选型的计算可知Qk=13636.274kA2·s，所选择的隔离开关的It2t为：It2t=1202×5=72000kA2·s则有Qk=13636.274kA2·s<It2t=72000kA2·s，因此13.8kV电压等级的隔离开关满足热稳定要求。220kV电压等级的隔离开关由断路器选型的计算可知Qk=300.575kA2·s，所选择的隔离开关的It2t为：It2t=212×5=2205kA2·s则有Qk=300.575kA2·s<It2t=2205kA2·s，因此220kV电压等级的隔离开关满足热稳定要求。5.3发电机出口母线的选择已知母线的经济截面面积Se的计算公式为:（5-14）式中Ig—正常工作下母线的最大长期工作电流，A，其值为6460A。因此可算得母线的经济截面面积Se的值为：查阅参考文献[4]P485附表2-2，可选出合适的槽型母线，其具体参数见表17。表17槽形硬铝母线长期允许载流量及计算数据截面尺寸(mm)双槽导体截面积(mm2)集肤效应系数ks双槽导体载流量(A)散热缝竖直布置共振允许最大距离(cm)高度h宽度b壁厚c弯曲半径r截面系数WY(cm3)惯性矩IY(cm4)惯性半径rY(cm)双槽实连双槽不实连25011512.516109001.56311200816603.52321200当周围温度不同于标准条件时，导体的安全载流量需要修正，计算温度修正系数的公式为：（5-15）式中θal—导体或电器的最高长期工作温度，，由参考文献知取70℃；θN—与导体或电器载流量相对应的标准环境温度，，取25。θ0—导体或电器的实际环境温度，，对室外的导体而言，可使用所在地区最热月平均的最高温度，对室内道题而可取通风设计所采用的最高温度。由基本资料可知，其数值为40。因此可算得温度修正系数为：==0.816将其与流过母线的最大长期电流相比，即为：IGmax=6460A<KθIal=9139.20A因此可得该母线满足安全载流量的要求。热稳定的校验由参考文献[5]P64可知，满足热稳定条件的母线条件为实际选用的母线截面积大于等于母线的最小截面积，即为：S≥Smin（5-16）则可知需要算母线的最小截面积。由参考文献[5]P64可知短路时导体允许的最小截面Smin的计算公式为：（5-17）式中C—与导体材料和导体短路前温度θw有关的热稳定系数。Kf—集肤效应系数，与导体截面有关。由已计算的断路器选择与校验中可知其热效应计算时间为tk=3.05s，发电机出口短路电流的热效应为Qk=13636.274kA2·s，根据参考文献[5]P64可知C=87，又在表2-19可知所选择的导体的集肤效应系数为1.563，将数值带入上式，可得导体的最小面积Smin为：=而所选择的导体的截面积为10900mm2，因此可得知：Smin=1678.062mm2<10900mm2本设计以后备保护作为校核的稳定时间，因此开端的时间内热稳定符合要求，因此所选择导体的截面积满足要求。动稳定的校验母线不发生共振的绝缘子最大允许跨度的计算由参考文献[5]P58可知，当母线的固有频率的值等于或者大于160Hz时，β=1，母线系统不会出现共振的情况。因此可利用ƒ0=160Hz计算母线不发生共振的绝缘子最大允许跨度。根据参考文献[5]P58式3-29可得计算母线不发生共振的绝缘子最大允许跨度的公式为：（5-18）式中ri—与母线截面和布置方式有关的母线惯性半径，本设计所选母线的ri在母线材料参数表中，查得ri=3.52cm；—材料系数，铝为1.55×104。则可算得Lmax的值为：=0.84×=196.208（cm）因此可知绝缘子跨距L≤1.96m时，母线不会发生共振，本设计选取绝缘子跨距为L=1.6m。母线应力的计算由参考文献[6]P68可知作用在母线上的总计算应力包括相间应力与槽间应力。即为：（5-19）相间应力的计算由参考文献[6]P72可知母线受到的最大相间应力的公式为：（5-20）式中W—母线对垂直于作用力方向轴的截面系数（也称作抗弯矩），m3，查参考文献[6]P65，可知Wy=81cm3。ƒ—单位长度三型母线受到的相间电动力；L—相邻两个绝缘子跨距，本设计选取的L=1.6m；（5-21）式中a—相间距离，本设计取a=0.8；ish—三相短路冲击电流。发电机出口短路时，由于来自系统侧的流过母线的冲击短路电流路较大，因此可取Ksh=1.8，则可算得：ish=因此算得ƒ的值为：=0.173=725.184（N/m）最终算得母线的相间应力为：槽间应力的计算根据参考文献[5]P67可令，又推算出满足动稳定要去的最大衬垫间距的计算公式为：（5-22）则可计算出最大衬垫间距为：=(m)因为所确定的绝缘子跨度L=1.6m<10.060m，因此相邻绝缘子之间不需要加衬垫即可满足动稳定条件。5.4高压熔断器的选择由参考文献[5]P113可得知，熔断器一般只适用于35kV及以下的电压等级，主要用于电压互感器的短路保护。且保护电压互感器的熔断器的一般为RN2型式，熔断器的额定电压也应当大于或者等于所在电网的额定电压，因此本设计的熔断器的额定电压的范围为UN≥13.8kV，其额定电流一般为0.5A，而由参考文献[5]P113式4-28可知其开断电流Ibr的范围为：Ibr≥I"（5-32）由短路电流计算可得知UN=13.8kV所对应的I"=76.239kA，因此其开断电流的范围为Ibr≥76.239kA。根据所确定的熔断器的条件，查阅参考文献[5]P234附录十可选出合适的熔断器，选出熔断器的型号为RN2，其具体参数见表18。表18RN2型熔断器技术参数表型号额定电压（kV）额定电流（kA）最大开断容量（MV·A）最大切断电流（有效值）（kA）最小切断电流或过电压倍数备注RN2200.51000280.6-1.8（A）保护屋内TV5.5发电机中性点消弧线圈的选择由参考文献[5]P8可得知，发电机有三种接地方式，即直接接地、不接地与经消弧线圈接地。发电机三相对地电容电流IC1由《水电站机电设计手册—电气一次》P177式4-41可知发电机电容电流的计算公式为：（5-33）式中=2πfn，则在50Hz的频率下可算得=2π×50=100π；UX—发电机额定电压（V），本设计的UX==7967.43V；CF一发电机容量。又由《水电站机电设计手册—电气一次》P177式4-39可知发电机电容的计算公式为：（5-34）式中Sn—发电额定视在功率（kVA），本设计为Sn=147000kVA；Ki—B级绝缘，取40；Un—发电机额定线电压（V），本设计的Un=13800V；nn一发电机额定转速（rpm），本设计的nr=88.2r/min将相应数值带入，则有：发电机电压母线三相对地电容电流IC2本设计估算取发电机电压母线长度为200m，则Ic2=0.2A。主变压器低压侧线圈三相对地电容电流IC3本设计取IC3=0.16A。综合上述计算可知发电机中性点的短路故障电流为：IC=IC1+IC2+IC3=9.704+0.2+0.16=10.064＞2.0A因此可判断出发电机中性点需要经消弧线圈接地。消弧线圈容量的计算根据《水电站机电设计手册—电气一次》P240可知消弧线圈容量的计算公式为：（5-35）式中IC—发电机电压回路计算电容电流，计算所得为10.064A；-发电机额定线电压，13800V；-系数，过补偿取1.35。因此可算得消弧线圈容量Qxh为：消弧线圈型号的选择因此所选择的发电机中性点消弧线圈其具体的技术参数见表19。表19XDJ消弧线圈技术参数表型号额定容量（kVA）额定电压（kV）额定电流（kA）各分接头容许电流（A）XDJ275356.2—12.56.27.38.710.512.56厂用电设计从基本资料中可得知厂用电的基本情况，即厂用变压器按电站总容量的1.5%计算选定，而厂用负荷为0.4kV和6.0kV两个电压等级。厂用电的设计主要解决厂用电的接线方式的确定以及厂用变压器的选取。6.1厂用工作电源的引接方式由于厂用电有高压厂用电6.0kV与低压厂用电0.4kV两个电压等级，因此需要单独确定其工作电源的引接方式。高低压厂用母线都采用单母线分段的接线形式。高压厂用工作电源的引接由于发电机-变压器采用单元接线，则高压工作电源由主变低压侧引