毕业设计(电气工程及其自动化)风江水电站

来源：好走旅游网

本科毕业设计（论文）

风江水电站电气部分设计

姓名专业年级学号方案

风江水电站工程设计说明书

1摘要 ............................................................. 3 2前言 .............................................................. 4 3基本资料 .......................................................... 5 4 电气主接线设计.................................................... 7

4.1 主接线设计的基本要求 ........................................ 7 4.2 主接线设计的原则 ............................................ 7 4.3主接线方案的拟定 ............................................ 7

4.3.1发电机-变压器单元接线 ................................. 7 4.3.2 220kV电压母线 ......................................... 7

5 厂用电系统设计 ................................................... 8

5.1 厂用电接线的设计原则 ........................................ 8 5.2厂用电压等级的确定 ....................................... 8 5.3厂用电源的引接方式 .......................................... 8 5.4厂用电接线形式............................................... 8 5.5厂用高压变压器的选择......................................... 8

5.5.1额定电压的确定 ......................................... 8 5.5.2 台数和型式的选择....................................... 9 5.5.3 容量的选择............................................. 9 5.5.4 电抗的选择............................................ 10 5.6低压厂用电接线.............................................. 10 5.7厂用变压器的型号选择........................................ 11 6 短路电流计算..................................................... 12

6.1 短路电流计算的主要目的 ..................................... 12 6.2 一般规定 ................................................... 12

6.2.1 计算的假定条件........................................ 12 6.2.2 接线方式.............................................. 13 6.2.3 短路类型.............................................. 13 6.2.4 短路计算点............................................ 13 6.2.5 短路电流计算方法...................................... 13 6.3 短路电流计算步骤 ........................................... 13 6.4 计算公式 ................................................... 14

6.4.1 元件参数计算.......................................... 14 6.4.2 网络变换.............................................. 15 6.4.3 计算电抗.............................................. 16 6.4.4 短路点短路电流周期分量有效值的计算.................... 17 6.4.5 短路的冲击电流........................................ 17 6.4.6 电流分布系数及转移电抗................................ 17 6.5 短路电流参数计算 ........................................... 18

6.5.1 220kV母线短路(k1) ................................... 19 6.5.2 300MW发电机出口短路(k2) .............................. 20 6.6基准值计算.................................................. 22 6.7标幺值计算.................................................. 23

6.7.1、发电机的标幺值....................................... 23 6.7.2变压器的标幺值 ........................................ 23

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7.3..1线路的标幺值 ......................................... 24

7 电气设备的选择................................................... 26

7.1 电气设备选择的一般原则 ..................................... 26

7.1.1 按正常工作条件选择.................................... 26 7.1.2 按短路状态校验........................................ 27 7.2 220kV高压设备的选择........................................ 28

7.2.1 高压断路器的选择...................................... 28 7.2.2 隔离开关的选择........................................ 29 7.2.3 电流互感器的选择...................................... 29 7.2.4 电压互感器的选择...................................... 30 7.2.5 并联电抗器的选择...................................... 30 7.3 高压开关柜的选择 ........................................... 31

7.3.1 种类和型式的选择...................................... 31 7.3.2 主开关的选择.......................................... 31 7.3.5 开断和关合短路电流的选择.............................. 32

7.4 裸导体的选择................................................... 32

7.4.1 220KV母线的选择 ..................................... 32 7.4.2 封闭母线的选择........................................ 33 7.4.3 电晕电压校验.......................................... 33 7.4.4 热稳定校验............................................ 34

8 变压器的选择计算................................................. 35 9 总结............................................................. 36 10 致谢............................................................ 37 11 参考文献........................................................ 38

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1摘要

本毕业设计是风江水电站电气部分初步设计。该水电站的总装机容量为3×100=300MW。本设计采用单母分段接线。其中主要内容包括：电气一次主接线系统的构成与设计、短路电流计算、导体、电气设备的选择、配电装置的设计与选择。变压器的选择包括：发电厂主变压器、高压备用变压器及高压厂用变压器的台数、容量、型号等主要技术数据的确定；电气主接线主要介绍了电气主接线的重要性、设计依据、基本要求、各种接线形式的优缺点以及主接线的比较选择，并制定了适合本厂要求的主接线；厂用电接线包括：厂用电接线的总要求以及厂用母线接线设计。短路电流计算是最重要的环节，本论文详细的介绍了短路电流计算的目的、假定条件、一般规定、元件参数的计算、网络变换、以及各短路点的计算等知识；高压电气设备的选择包括母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、高压开关柜的选择原则和要求，并对这些设备进行校验和产品相关介绍。

毕业设计的过程是一次将理论与实际相结合的初步过程，起到学以致用，巩固和加深对电气工程及其自动化专业的理解，树立工程设计的观念，提高了电力系统设计的能力的作用。通过毕业设计，让我们理论联系实际，系统、全面地掌握所学知识，培养我们分析问题、工程计算和独立工作的能力，让我们树立工程观点、社会主义市场经济观点，初步掌握发电厂电气部分的设计方法，并在计算、分析和解决工程实际问题等方面得到训练，为今后从事电力系统及发电厂有关设计、运行、科研等方面的工作奠定坚实的理论基础。

关键词一次主接线短路电流计算电气设备设备选择

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2前言

毕业设计是我们在校期间的最后一门必修课，也是一次全面性总结性的实践环节，对我们工作岗位起着承上启下的作用。它是在老师指导下，综合运用五年来所学知识和科学研究的基本内容和基本工作程序，树立较强的工作概念、工程概念、经济概念，培养分析问题和解决问题的能力，完成作为一个工程师的基本训练，是为将来顺利走向工作岗位提供业务知识和能力的保证。

这次设计是我们走向工作岗位前的一次“实战演习”，它可以巩固、联系、充实、加深、扩大我们所学的基础知识和专业知识，提高运用所学知识，解决实际问题的能力，培养我们敢于创新的精神，并能正确地将独创精神和科学的态度相结合，使我们初步掌握专业设计的流程和方法，熟练运用计算机等工具，以提高其工作效率。重要的是让我们养成了严肃认真，刻苦钻研、实事求是的工作作风和良好的工作、学习习惯。通过同学们在一起的交流与协作,培养大家的协同合作的工作作风。

毕业设计对于我们来说，是一个独立设计、创作的过程，其中的每一步和每一个环节都是对我们的考验和锻炼，它将成为我们今后的学习和工作做铺垫，提高我们多方面的能力。水电站设计是水利水电工程建设设计工作的重要组成部分，其中站址的选择是个很复杂的问题，这主要是因为方案选择要考虑多方面的因素。此外，厂房中各设备的布置也要考虑众多因素。我们就是要针对设计中所遇到的具体问题，运用所学知识，参考相应的书籍、规范以及一些实际工程资料，找到其解决方法。

在对设计图的处理上，运用了AutoCAD的基本知识，使得绘图更加方便，快捷，从而避免了手工绘图得种种不便，提高了工作效率。同时，也运用了Word知识，使得我们对计算机知识更加巩固。

限于本人水平，也限于时间，涉及中难免存在疏漏和不妥之处，敬请老师和同学们批评指正。

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3基本资料

风江水电站位于湖南省西部，电站建成后将向株州市等地供电。电力系统接线如图B—2 所示。电站将在相距70 公里处的株州变电所接入系统，电站自用电率0.4%，当地最高气温41℃ ，最热月平均气温28.5℃ ，电站设计装机容量为3×100MW,年装机利用小时数为4500h，地区最大负荷占电站装机容量的10%，供电距离为15km，其中地区负荷功率因数为0.8，一类、二类负荷占总总负荷的70%，其他原始数据见接线图及相关表格。

表B-2 变压器短路电压百分数单台短路电压百分数发电站名容量台数称（MVUI-Ⅱ% UI-Ⅲ% UⅡ-Ⅲ% A）长沙 3 360 14 火电站长沙变湘潭火电站湘潭变株洲变衡阳变 2 3 2 2 2 180 180 180 180 180 10.5 12.5 10.5 10.5 10.5 17 17 17 17 6 6 6 6 5

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4 电气主接线设计

4.1 主接线设计的基本要求

电气主接线设计是水电站电气设计的主体。它与电力系统、枢纽条件、电站动能参数以及电站运行的可靠性、经济性等密切相关，并对电气布置、设备选择、继电保护和控制方式等都有较大的影响，必须紧密结合所在电力系统和电站的具体情况，全面地分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，通过技术经济比较，合理地选定接线方案。

电气主接线的主要要求为:

1、可靠性：衡量可靠性的指标，一般是根据主接线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”事件的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种接线形式的择优。

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、电能损耗小。

4.2 主接线设计的原则

根据发电厂在电力系统中的地位和作用，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、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、电力系统线路容量、电气设备性能和周围环境等条件确定。应满足可靠性、灵活性和经济性的要求。

4.3主接线方案的拟定

4.3.1发电机-变压器单元接线

300MW发电机组大都采用发电机-双绕组变压器单元接线，如图2.1所示。这种接线开关设备少，操作简便，有利于实现机、炉、电的集中控制。由于省去了高压配电装置，明显地减少了设备检修工作量，以及因不设发电机电压级母线，在发电机出口可不装断路器，而在发电机和变压器之间采用分相封闭母线，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减小，避免了由于额定电流或短路电流过大，使得选择出口断路器时，受制造条件或价格甚高等原因造成的困难。

4.3.2 220kV电压母线

由于随着断路器制造质量的提高，旁路母线的应用已逐渐减少，按规定采用SF6断路器的主接线不宜增设旁路设施。

QSQFT图2.1 发电机-双绕组变压器单元接线 7

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5 厂用电系统设计

5.1 厂用电接线的设计原则

厂用电接线是否合理，对保证厂用负荷的连续供电和发电厂安全经济运行至关重要。由于厂用电负荷多、分布广、工作环境差和操作频繁等原因，厂用电事故在电厂事故中占有很大比例。因此，必须对厂用电系统设计予以重视。

厂用电接线的设计原则主要有:厂用电接线应保证对厂用负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运转；接线应能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求；厂用电源的对应供电性，本机、发电机的厂用负荷由本机组供电，这样，当厂用电系统发生故障时，只影响一台发电机组的运行，缩小故障范围，接线也简单；设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重地采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性；在设计厂用电接线时，还应对厂用电的电压等级、厂用电源及其引接和厂用电接线形式等问题进行分析。

5.2厂用电压等级的确定

容量为300MW及以上的机组，高压供电网络可采用6kV一级厂用电压或3kV、10kV两级厂用电压，本设计300MW机组低压供电网络通常为0.4kV(380/220V)。

5.3厂用电源的引接方式

发电机与主变压器采用单元接线时，高压厂用工作电源从主变压器低压侧引接，供给该机组的厂用负荷。而低压厂用工作电源，由高压厂用母线通过低压厂用变压器引接。

5.4厂用电接线形式

发电厂厂用电系统接线通常采用单母线分段接线，并多以成套配电装置接受和分配电能。为了保证厂用电系统的供电可靠性和经济性，高压厂用母线均采取按机组分段的原则，即将高压厂用母线按机组台数分成若干独立段，凡属同一台机组的厂用负荷均接在同一段母线上，与机组同组的汽轮机的厂用负荷一般也接在该段母线上，而该段母线由其对应的发电机组供电。低压厂用母线一般也采用按机组分段。

5.5厂用高压变压器的选择

5.5.1额定电压的确定

厂用变压器的额定电压应根据厂用电系统的电压等级和电源引接处的电压确定，变压器一、二次额定电压必须与引接电源电压和厂用网络电压相一致。根据前面分析，厂用工作变压器的额定电压选为10/0.4kV，备用/启动变压器的额定电压选为220/0.4kV。

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5.5.2 台数和型式的选择

1.厂用工作变压器

当机组容量增大至300MW及以上等级时，对于厂用工作变压器的设置有以下两种方式：

(1) 采用一台大容量分裂变压器。这种方式下由于变压器供给的短路电流也大。

(2) 采用两台较小相同容量的分裂变压器。这种方式可降低厂用电系统的短路电流水平以及每个低压绕组出口断路器的额定电流，提高厂用电源的运行可靠性。

目前，国内300MW机组的厂用高压工作电源，都采用了较小的两台同容量分裂变压器并列运行的方式。由于厂用高压工作变压器引至发电机出口，而机端电压又十分稳定，所以可采用无载调压的方式。其接线组别选用d，yn1,yn1常规接线。

2.备用/启动变压器

由于每台300MW机组使用了两台高压厂用分裂变压器并列运行，将高压厂用母线分成两段，因此需用两台备用变压器，而且是从220kV系统引接。为使提供的电压稳定，可采用三绕组分裂式有载调压变压器。考虑主变压器和高压厂用工作变压器的连接组别，保持高压厂用母线和备用电源电压的相位一致，备用变压器接线组别采用YN，yn0，yn0。这样当备用变压器代替厂用高压变压器时，可以短时并列运行，避免厂用电源的断电。 5.5.3 容量的选择

厂用变压器的容量必须满足厂用电负荷从电源获得足够的功率。因此，对厂用工作变压器的容量应按厂用电高压计算负荷的110%与厂用电低压计算负荷之和进行选择；而厂用低压工作变压器的容量应留有10%左右的裕度。厂用高压备用/启动变压器应与最大一台厂用高压工作变压器的容量相同；厂用低压备用变压器的容量应与最大一台厂用低压工作变压器容量相同。

对厂用高压分裂组变压器,其各绕组容量应按下式计算

计算负荷 SC1.1SHSL (3.1)

高压绕组 Sts1≥SCSr (3.2)

低压绕组 Sts2≥SC (3.3)

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式中 SH——厂用电高压计算负荷之和； SL——厂用电低压计算负荷之和；

SC——厂用变压器分裂绕组计算负荷，kV·A； Sr——分裂绕组两分支重复计算负荷，kV·A。

已知：厂用电率=0.4% COSΦ=0.85 P=3×100MW 无地方负荷厂用电=3×100×0.004=12MW

5.5.4 电抗的选择

厂用工作变压器的电抗要求比一般电力变压器的电抗大，这是因为要限制变压器低压侧的短路电流，否则将影响到电气设备的选择，一般要求电抗应大于10%；但是，电抗过大又将影响厂用电动机的自启动。厂用工作变压器常采用分裂绕组变压器，正常工作时，其电抗较小，可改善厂用电动机的自启动能力；而分裂绕组出口短路时，则电抗较大，可有效地限制短路电流。

5.6低压厂用电接线

低压厂用电接线也采用单母线分段接线方式，如图3.2所示。分段断路器可以保证低压厂用电源的互为备用，提高运行可靠性。正常运行时分段断路器断开，两半段低压厂用母线分别由各自的电源变压器供电，只有当其中一个电源断路器因变压器停运或其他原因断开时，分段断路器才会合闸，由另一台变压器负担全部负荷。 QFD11QFD12 图3.2 低压厂用电系统接 10

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5.7厂用变压器的型号选择

为满足场地布置及防火的要求，厂用变压器应选用环氧树脂浇注的干式变压器，因其容量为630KVA，查《电力工程电气设备手册》得。型号SCB10-630/10满足要求，其电压等级为10.5/0.4KV，具体参数如下表：

型号规格容量冷却方式连接组标号调压方式 SCB10-630/10 630KVA AN/F Dyn11/Yyn0 无励磁调压结构形式电压等级防护等级短路阻抗绝缘等级环氧树脂浇注三相干式电力变压器 10KV-0.4KV 户内：IP00,IP20 户外：IP23 6% F级或H级选用环氧树脂浇注的干式变压器具有阻燃能力强，防潮性能好，局部放电量小，损耗低，体积小，安装维护方便等优点，相比老式的油浸式变压器减少了许多运行维护的麻烦，且减轻了火灾的隐患，运行环境干净整洁。

根据风江水电站机组全部投运后0.4%（870KW.h）的厂用电率运行情况看，此厂用变压器的选择能够保证电站在正常情况下满足全场出现的最大负荷。

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6 短路电流计算

6.1 短路电流计算的主要目的

电力系统短路电流计算的主要目的有: (1) 选择导体和电气设备；

(2) 电气主接线的比较与选择； (3) 选择继电保护装置和整定计算；

(4) 验算接地装置的接触电压和跨步电压； (5) 分析送电线路对通讯设施的影响。

本次设计，进行短路电流计算主要是为了导体和电气设备的选择。

6.2 一般规定

6.2.1 计算的假定条件

短路电流实用计算中，作如下假设： (1) 正常工作时三相系统对称运行。

(2) 系统中所有发电机都在额定负荷下运行。 (3) 短路发生在短路电流最大的瞬间。

''(4) 非无限大容量电源供电时，发电机的等值电抗为Xd。

(5) 发电机电动势均采用次暂态电动势E，且同相位。认为E在短路瞬间

'不变，即EE'0。

''0''(7) 短路点以外的负荷可以去掉，当短路点附近有大容量电动机时，则要计及电动机反馈电流的影响。

(8) 不考虑短路点的电弧阻抗。

(9) 忽略线路对地电容和变压器的励磁支路，计算110kV及以上高压电网时，忽略线路电阻的影响，只计电抗。

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6.2.2 接线方式

计算短路电流所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，即最大运行方式。但不考虑在切换过程中可能短时并列运行的接线方式(如切换厂用变压器时的短时并列)。对3/2接线主系统，最大运行方式应是将每一串中的3台断路器都投入工作。 6.2.3 短路类型

一般按三相短路计算。通常三相短路时的短路电流最大，若其他类型短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况计算。在本设计的电气主系统中，由于发电机出口采用分相封闭母线，故障几率小，所以运行可靠性高,及不可能出现比三相短路更为严重的短路类型，所以只需计算三相短路电流。

6.2.4 短路计算点

在计算电路图中，同电位各短路点的短路电流值均相等，但通过各支路的短路电流将随着短路点的位置不同而不同。校验电器和载流导体时，必须确定电气设备和载流导体处于最严重情况的短路点，使通过的短路电流校验值为最大。例如：两侧均有电源的断路器，如发电厂与系统相联系的出线断路器和发电机、变压器回路的断路器，应比较断路器前、后短路时通过断路器的电流值，择其大者为计算短路点；母联断路器应考虑当采用该断路器向备用母线充电时，备用母线故障流过该备用母线的全部短路电流；带电抗器的出线回路由于干式电抗器工作可靠性较高，且断路器与电抗器间的连线很短，故障几率小，电器一般可选电抗器后为计算短路点，这样出线可选用轻型断路器，以节约投资。

综上述分析，计算电路图中的短路点可设置为四点，即母线、发电机出口、厂高变分裂绕组一侧和高备变分裂绕组一侧。 6.2.5 短路电流计算方法

在工程设计中，短路电流计算均采用实用计算法，即在一定假设的条件下，计算出短路电流的各个分量。

6.3 短路电流计算步骤

实用计算中，用运算曲线法计算短路电流的具体步骤： (1) 选择短路计算点；

(2) 系统元件参数计算(标么制)，取基准容量SB，基准电压UBUavn(各级平均额定电压)，按平均额定电压之比计算元件电抗的标么值；

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(3) 对电动势、负荷的简化，取各发电机次暂态电动势E''01，电抗用次

''暂时态电抗Xd表示，略去非短路点的负荷，只计短路点附近大容量电动机的反

馈电流；

(4) 绘出等值网络，并将各元件电抗统一编号； (5) 网络化简，在离短路点的电气距离很近时，可将同一类型的发电机进行合并，但无限大容量电源应单独考虑；

(6) 求转移电抗Xnk、Xsk(分别是等值电源和无限大容量电源对短路点的转移电抗)；

(7) 求计算电抗Xjs，即将前面求出各等值电源的转移电抗按各相应等值电源的容量进行归算；

(8) 由计算电抗分别查出0、2、4s时各等值电源供出的三相短路电流周期分量有效值的标么值Itn，由无限大容量电源供给的三相短路电流不衰减，其周期分量有效值的标么值Is1/Xsk；

(9) 计算短路电流周期分量有值I''、I2、I4； (10) 计算短路的冲击电流Ish。

6.4 计算公式

6.4.1 元件参数计算

1.发电机

XGXd\"SB SGN式中 XG——发电机电抗标么值； Xd\"——发电机次暂态电抗；

SB——基准容量(一般取100或1000)，MVA；

SNG——发电机的额定容量，MVA。 2.双绕组变压器

XTUk%SB

100SN14

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式中 XT——变压器电抗标么值；

Uk%——变压器短路电压百分数或阻抗电压百分数，%； SN——变压器额定容量，MV·A。 3.分裂绕组变压器

XT12U12%SB100SN

式中 XT12——分裂变压器高压绕组与一个低压绕组间的电抗标么值；

U12%——分裂变压器半穿越电抗百分数，%； SN——分裂分压器的额定容量。 6.4.2 网络变换

1.两支路有源网络等值变换

EE1X2E2X1

X1X2X1X2

X1X2 X式中 E——合并后的等值电源 X——合并后的等值电抗

E1 E2 X1 X2 E X (a) 变换前的网络 (b)变换后的网络图6.4.2 网络变换图

2.Y/Δ等值变换 Y/Δ网络变换如图所示：

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1X1 1X3 323X31 X12 2

(a) Y形网络 (b) Δ形网络网络变换图 Y Y/Δ变换 X12X1X2X1X2 X3X23X2X3X2X3 X1X3X1 X2X12X31

X12X23X31X31X3X1Δ/ Y变换 X1X2X12X23

X12X23X31X23X31

X12X23X31X3

6.4.3 计算电抗

Xjs1X1k(SN1/SB) Xjs2X2k(SN2/SB)

„ „ 式中 X1k、X2k„——等值电源1、2„短路点的转移电抗 XN1、XN2„——等值电源1、2„的额定容量，MVA。

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6.4.4 短路点短路电流周期分量有效值的计算

ItIt1IN1It2IN2IsIB 其中 IN1SN1/(3Uavk)

IN2SN2/(3Uavk) „ „

IBSB/(3Uavk)

式中 Uavk——短路点k所在电压级的平均额定电压，kV； IN1、IN2——归算至短路点电压级各等值电源的额定电流，kA。 6.4.5 短路的冲击电流

ishkimpI'' 式中 I''——起始次暂态电流；

kimp——冲击系数，一般取1.8。

6.4.6 电流分布系数及转移电抗

用单位电流法可以比较方便地求得开式网络各支路的电流分布系数和转移抗。如图6.4.6(a)的网络,令E1E2E30,在短路点k加电动势Ek,使之将图6.4.6(a)网络等效变为图6.4.6(b)等值网络。在此网络中可使I11为单位电流，则有

3I2I1X1/X2X1/X2，I4I1I2

I3I1X1I4X4/X3，IkI4I3

根据电流分布系数的定义，各支路的电流分布系数为

C1I1/Ik1/Ik C2I2/Ik

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C3I3/Ik

E1 E2 E3 X1 X2 X4X5 I1 X 2I2 X 3X1 X4X5 Ek Ik X3 I3  (a) 网络图 (b)等值网络图6.4.6用单位电流法求电流分布系数

从而得各支路的转移电抗为 X1kXk/C1 X2kXk/C2 X3kXk/C3

式中 XkX1//X2X4//X3X5为短路回路总等值电抗。

6.5 短路电流参数计算

视系统为无限大容量电源，即S，已经220kV母线与系统联系的电抗标么值Xl0.02。取SB100MVA，UBUavn，计算各元件电抗的标么值

XG1XG2Xd\"SB1000.2050.031 SN667XT1XT2XT3XT4Uk%SB13.751000.019

100SN100720181000.36 10050231000.46 1005018

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取E1，并将各元件电抗编号，做出等值网络如图6.5所示。这是纯电抗等值网络，图中电抗值前的j均已略去，并将电抗下标“*”也略去，相应的运算以实数运算。 s10.02 K1 4 0.01970.46K4K260.3650.019 2 0.031 K33 0.031G1G2

图6.5 短路电流计算等值网络 6.5.1 220kV母线短路(k1)

1.网络化简

等值网络化简及进一步化简分别如图 (a)和(b)所示。发电机G1与G2合并，合并后的等值机G对短路点的等值电抗为

11X8X2X40.0190.0310.025

22s10.02s K110.02 K14 0.0195 0.0193 0.0312 0.0318 0.025G1G2G2

(a)网络化简 (b)进一步化简图等值网络化简

2.短路电流周期分量有效值

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系统供给的短路电流不衰减，其周期分量有效值标么值 Is1150 X10.02有效值 IsIsSB3Uavk5010035255.5kA

等值机G对短路点K1的计算电抗为

XjsX8SGN26670.0250.33 SB100 查附图的运算曲线，可得

I03.24，I22.28，I42.31

归算至短路点处电压级等值机G的额定电流为

INGSG3Uavk266735251.47kA

于是短路点K1的不同时刻三相短路电流周期分量有效值分别为

I\"I0INGIS3.241.475.510.26kA I22.281.475.58.85kA I42.311.475.58.9kA

3.短路的冲击电流

ish1.82I\"2.5510.2626.16kA

6.5.2 300MW发电机出口短路(k2)

1.网络化间

将图2.2的等值网络进行化简及进一步化简分别如图 (a)和(b)所示。等值电抗X8为

X8X3X50.0310.0190.05

2.短路电流周期分量有效值

系统S和发电机G2对短路点K2的转移(利用星—三角变换)分别为

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s10.02s 10.02G2 8 0.05K24 0.0192 0.031K25 0.0193 0.0314 0.0192 0.031G1G1G2

(a)网络化简 (b)进一步化简图等值网络化简

XSkX1X4X1X40.020.0190.020.0190.047 X80.05X4X80.0190.050.0190.050.117 X10.02X2kX4X8 发电机G1和G2对短路点K2的计算电抗分别为

Xjs1X2SNG16670.0310.207 SB100SNG26670.1170.78 SB100Xjs2X2k根据运算曲线，分别查t为0、2、4s时，发电机G1和G2供给的短路电流周

期分量有效值的标么值

I*015.23,I*212.58,I*412.46 I*021.32,I*221.47,I*421.56

由系统供给的短路电流周期分量不衰减，其有效值的标么值为

I*s1121.277 Xsk0.047固有效值IsI*s,IBIsSB3Uavk21.27710032158.5kA

归算至短路点处电压级G1和G2的额定电流为

ING2ING1SNG13Uavk66732019.25kA

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于是短路点K2不同时刻短路电流周期分量的有效值分别为

I\"I*01ING1I*02ING2ISI*01I*02IN1IS184.59kA(5.231.32)19.2558.5

I22.581.4719.2558.5136.46kA I42.461.5619.2558.5135.89kA

3.短路的冲击电流

ish1.82I\"2.55184.59470.7kA

6.6基准值计算

高压短路电流的计算一般只计算个元件（即：发电机、变压器、电抗器、线路等）的电抗，采用标幺值计算，为了计算方便，通常取基准容量Sj=100MVA或Sj=1000MVA，基准电压Uj一般取各级的平均电压，当基准容量Sj与基准电压Uj选定后，基准电流Ij与基准电抗Xj便已决定，即：基准电流：Ij基准电抗：XjS3Uj

jUU3ISjj2jj

常用的基准值有：

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常用基准值（Sj=100MVA）

基准电压 U（kv）j6.3 10.5 13.8 15.75 18 37 63 115 162 230 345 525 基准电流 I（kA）j9.16 5.50 4.18 3.67 3.21 1.56 0.917 0.502 0.356 0.251 0.167 0.11 基准电抗 X（Ω）j0.397 1.102 1.906 2.48 3.24 13.7 39.7 132 263 529 1190 2756

6.7标幺值计算

电路元件的标幺值为各有名值与基准值之比。

采用标幺值后，相电压和线电压的标幺值是相同的，单相功率和三相功率的标幺值也是相同的，某些物理量还可以用标幺值相等的另一些物理量来代替。 6.7.1、发电机的标幺值（Sj=100MVA）

XXd%100SejP/cos

X″=0.2156

6.7.2变压器的标幺值

Ud%SjX*100Se

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U=1(U

21-2

+U1-3+U2-3)

U=1(U

221-2

+U2-3+U1-3)

U=1(U

321-3

+U2-3+U1-2)

一号主变：

1（2212-7）13.5 U121（227-12）8.5 U221（127-22）-1.5 U32Ud%Sj13.5100X1=×=×=0.056

100Se100240Ud%Sj8.5100X2=×=×=0.035

100Se100240二号主变阻抗电压与一号主变一致：

1（2212-7）13.5 U121（227-12）8.5 U221（127-22）-1.5 U32Ud%Sj13.5100X1=×=×=0.09

100Se100150Ud%Sj8.5100X2=×=×=0.057

100Se1001507.3..1线路的标幺值

X*XSUj2j

则：接入系统的两回线路的标幺值为（Uj取230KV）：

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X*XSUSUj2j=0.4×70×

100

230

1002

=0.053

地区负荷的标幺值为（Uj取115KV）：

X*Xj2j=0.4×20×

1152=0.06

各元件标幺值计算汇总表

发电机 0.2156 一号主变二号主变 220kV线路 110kV线路 0.053 0.06 高压侧中压侧低压侧高压侧中压侧低压侧 0.56 0.035 0.56 0.035 25

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7 电气设备的选择

7.1 电气设备选择的一般原则

尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。 7.1.1 按正常工作条件选择

1.额定电压

电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.1～1.15倍，而电气设备所在电网的运行电压波动，一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，一般可按电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即

UN≥UNs 2.额定电流

电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度0下，电气设备的长期允许电流。IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即

IN≥Imax

由于发电机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Imax应为发电机和变压器的额定电流的1.05倍；若变压器有可能过负荷运行时，Imax应按过负荷确定(1.3～2倍变压器额定电流)。 3.环境条件对设备选择的影响 (1) 海拔高度的影响

当地区海拔超过制造厂家的规定值时，由于大气压力、空气密度和温度相应减少，使空气间隙和外绝缘的放电特性下降。一般非高原型的电气设备使用环境的海拔高度不超过1000m，当海拔在1000～3500m范围内，若海拔比制造厂家规定值每升高100m，则电气设备允许最高工作电压要下降1%。

(2) 温度的影响

电气设备的额定电流是指在基准环境温度下，允许长期通过的是最大工作电流。我国生产的电气设备一般使用的额定环境温度040C，如周围环境温

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度高于40C（但 ≤60C）时，其允许电流一般可按每增高1C，额定电流可增加0.5%，但其最大电流不得超过额定电流的20%。 7.1.2 按短路状态校验

1.短路热稳定校验短路电流通过电器时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值，即满足热稳定的条件

It2t≥Qk 式中 Qk——短路电流产生的热效应，kAs；

2It、t——电气设备允许通过的热稳电流和时间，kA、s。

22I\"210Itk/2Itk/2tk 其中 Qk12tktprtbr tbrtinta 式中 tk——短路的计算时间，s

tpr——继电保护动作时间，一般取后备保护动作时间3.9s； tbr——断路器的全开断时间，s；

tin——断路器固有分闸时间，SF6断路器一般为0.03s； ta——断路器开断时电弧持续时间，约为0.02～0.04s；

可见，短路的计算时间tk最大为3.97s，所以进行短路的热稳定校验时，一般取tk4s均会满足要求。

2.电动力稳定校验

电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条件为

ies≥ish或Ies≥Ish

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：

(1) 用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，固可不验算热稳

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定。

(2) 采用有限流电阻的熔断器保护的设备，可不校验动稳定。

(3) 装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定。

7.2 220kV高压设备的选择

7.2.1 高压断路器的选择

1.种类和型式的选择

高压断路器根据灭弧介质不同，可分为少油断路器、压缩空气断路器、真空断路器和六氟化硫SF6断路器四种。其中SF6断路器有断口耐压高、灭弧能力强、开断性能好、无噪声和干扰、制作精度高和密封性能好、体积和面积小等特点，而且维护工作量小、检修周期长和寿命长，目前SF6断路器已被广泛应用于电力系统。所以为满足可靠性的要求，本设计选用户外瓷柱式SF6断路器。

2.额定电压和电流的选择

UN≥UNs，IN≥Imax

式中 UN、UNs——分别为电气设备和电网的额定电压，kV；

IN、A。 Imax——分别为电气设备的额定电流和电网的最大负荷电流，3.开断电流的选择

高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量IPt。但当断路器的INbr较系统短路电流大很多时，可简化计算，即

INbr≥I''

由于INbr仅计入了20%的非周期分量，一般中、慢速断路器，开断时间较长(≥0.1s)，短路电流非周期分量衰减较多，能满足标准规定的要求。但对SF6断路器，其全开断时间tbr最大为0.07s(<0.08s)，为高速断路器，其开断电流的最短时间tk'应为主保护动作时间tpr(一般为0.05～0.06s）与固有分闸时间tin之和，最大为0.09s(<0.1s)。当在电源附近短路时，短路电流的非周期分量可能超过周期分量的20%，需要用短路全电流Ik进行校验。但如果在500KV侧，由于离电源的电气距离较远，同样非周期分量衰减较多，固可不计非周期热分量效应。 4.短路关合电流的选择

为了保证断路器在关合短路电流时的安全，断路器的额定关合电流INcl不应小于短路电流的最大冲击值ish，即

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INcl≥ish 5.短路热稳定和动稳定校验校验式为

It2t≥Qk、ies≥ish

断路器的额定短路关合电流INcl等于其额定动稳定电流峰值ies。 7.2.2 隔离开关的选择

隔离开关与断路器配套使用，对3/2接线，进出线不设隔离开关。但在220KV系统中，电压互感器与电网之间需装设隔离开关。隔离开关与断路器相比，额定电压、额定电流的选择及短路动、热稳定校验的项目相同。但由于隔离开关不用来接通和切除短路电流，故无需进行开断电流和短路关合电流的校验。

隔离开关型式的选择。按安装地点不同，可分为屋内式和屋外式；按绝缘支柱数目又可分为单柱式、双柱式各三柱式。型式对配电装置的布置和占地面积有很大影响，由于组合电器结构紧凑，占地面积小，有利于配电装置的布置。而GW7系列户外、三柱式隔离开关便于发展成组合电器，所以可选用此形式的隔离开关。

7.2.3 电流互感器的选择

1.种类和型式的选择

按用途分测量用和保护用(B)两种，而保护用电流互感器又可分为稳态保护用(P)和暂时态保护用(TP)两种；按安装地点可分为户内式和户外式。在强电系统中，二次额定电流选用5A。

2.一次回路额定电压和电流和选择

一次回路额定电压UN和电流I1N应满足

UN≥UNs、I1N≥Imax

为确保所供仪表的准确度，电流互感器一次侧额定电流应尽可能与最大工作电流接近。

3.准确级的选择

为了保证测量仪表的准确度，电流互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。而稳态保护用电流互感器的准确级常用的有5P和10P，暂态保护用电流互感器的准确级分别有TPX、TPY、TPZ三个级别。

4.热稳定和动稳定校验

(1) 热稳定考验，一般以t1s时允许通过的稳定电流It或一次额定电流I1N

的倍数Kt来校验，即

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It2t≥Qk或KtI1N≥Qk

2(2)动稳定校验包括内部动稳定和外部动稳定校验，这里只进行内部动稳的校验，通常以额定动稳定电流ies或动稳定电流倍数Kes表示，即

ies≥ish或2I1NKes≥Qk 7.2.4 电压互感器的选择

1.种类和型式的选择对220KV采用的接线，应在每条母线上装设一组单相电压互感器，每回出线上装设一组三相电压互感器；由于220kV配电装置中，通常配有双套主保护，并考虑到后备保护、自动装置和测量的要求，电压互感器应具有三个二次绕组，即两个主二次绕组和一个辅助二次绕组；另外220kV系统广泛采用电容式电压互感器。

2.一次额定电压和二次额定电压的选择 (1) 为保证测量的准确性，电压互感器一次额定电压应在所安装电网额定电压的90%～110%之间。如果用相电压，则为电网额定电压的1/3，即

UNUNs或UNUNs/3

(2) 二次额定电压。对单相电压互感器，一次绕组接于电网线电压时，二次绕组额定电压为100V；一次绕组接于电网相电压时，二次绕组额定电压为100/3V；在电网中性点直接接地系统中，互感器开口三角形辅助绕组额定电压为100V。

3.容量和准确级的选择

根据仪表和继电器接线要求选择互感器接线方式，尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后按各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量，选择互感器的准确级和额定容量。 7.2.5 并联电抗器的选择

单机容量为300MW的发电厂中，通常在高压母线上并联电抗器，以补偿高压输电网的电容和吸收其无功功率，解决220kV母线电压偏高问题，并能提高线路的功率因数，降低超高压输电线路的电能损耗和有利于自动重合闸。并联电抗器是超高压电网中普遍采用的重要电气设备。

1.种类和型式的选择

超高压并联电抗器按结构可分为油浸电抗器和干式空芯电抗器，且每种电抗器又分三相电抗器和由单相组成的三相电抗器。目前，超高压系统并联电抗器采用油浸式较多。

2.额定电压的选择

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并联电抗器的额定电压应不低于装置点电网的额定电压，即

UNUNs

3.额定容量的选择

并联电抗器的容量必须使系统同期并列点的工频稳态电位升高有所限制；当母线电压升高时，并联电抗器应使电压降低；降低潜工电流，提高单相快速重合闸的成功率。

7.3 高压开关柜的选择

高压开关柜主要用来接受和分配电能，同时亦对电路和设备起保护、控制和监测的作用。开关柜由柜体和装于柜内的主开关(断路器)、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线等一次元件及控制、测量、保护装置等二次元件组成。 7.3.1 种类和型式的选择

高压开关柜按主开关的安装方式分固定式和移开式，由于固定式开关柜检修、调试不方便，现已很少采用，而多采用移开式；按隔室结构分铠装型、间隔型和箱型，其中铠装型具有单独的隔板，且防护等及不低于IP2X，当柜内某一隔室发生短路故障时，可将故障限制在该隔室内而不使故障扩大，因而可靠性比较高，应用也较多；按开关柜的主母线系统分单母线、单母线带旁路母线和双母线。

7.3.2 主开关的选择

开关柜内主开关可以是少油、真空、SF6断路器和FC等，200MW以上机组为使主厂房无油化，少油断路器已不采用，SF6断路器装在室内需防SF6气体泄露等措施，用得较少，目前用真空断路器和FC回路较多。

7.3.3 额定电压和额定电流的选择

高压开关柜的额定电压和额定电流应满足

UN≥UNs，IN≥Imax 式中 UNs——开关柜装置地点的电网额定电压，kV；

Imax——开关柜装置回路的最大持续工作电流，A。

对厂用配置的开关柜

Imax1.05SN 3UN式中 SN——分裂变压器一个分裂绕组的容量，MV·A；

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UN——分裂变压器的分裂绕组额定电压，kV。

7.3.4 防护等级的选择

开关柜由固定的柜体(金属外壳)和真空断路器手车组成，为防止人体接近其带电部分和触及其运动部分免受伤害，现行标准规定开关柜外壳的最低防护等级为IP2X，此外更高的防护等级还有IP3X、IP4X、IP5X。同时对于每个隔室应有压力释放通道，以保护人身安全，防止故障扩大。 7.3.5 开断和关合短路电流的选择

开关柜短路开断、关合电流实际就是断路器的额定开断、关合短路电流，选择方法同断路器一样，即

INbr≥I''，INcl≥ish 7.3.6 短路热稳定和动稳定校验校验式为

It2t≥Qk、ies≥ish

其中，短路的冲击电流ish应是6KV厂用母线短路时，流经厂用高压变压器或备用/启动变压器短路冲击电流的较大者。

7.4 裸导体的选择

7.4.1 220KV母线的选择

1.导线选型

220KV配电装置中的导线选择考虑电晕现象的影响，宜采用扩径导线或铝合金绞线组成的分裂导线，分裂间距可取200～400m。如采用空心扩软导线组成的分裂导线，对双分裂间距一般取400m。

2.截面的选择

导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。对年负荷利用小时数大(通常指Tmax>5000h)，传输容量大，长度在20m以上的导体，如发电机、变压器的连接导体，其截面一般按经济电流密度选择；而对220kV扩径导线，由于经济电流密度选取的困难，可按长期允许电流来选择，即

Imax≤KIa1

式中 Imax——导体所在回路中最大持续工作电流，A；

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Ia1——在额定环境温度025C时导体允许电流，A；

K——与实际环境温度和海拔有关的综合校正系统。

当导体允许最高温度为70C和不计日照时，K值可用下式计算

Ka1

a1式中，a1、分别为导体长期发热允许最高温度和导体安装地点实际环境温度。

7.4.2 封闭母线的选择

对功率为200MW及以上的发电机引出线、厂用电源等分支线，为避免相间短路和减少导体对邻近钢构的感应发热，宜采用全连式分相封闭母线；对厂用高压变压器高压侧不设断路器，为提高厂用电系统的供电可靠性，由厂用高压变压器低压侧至厂用高压配电装置宜采用共箱封闭母线。如选定型产品，将提供有关的额定电压、电流和动稳定等参数，可按电气设备选择的一般原则进行选择和校验。如选用非定型封闭母线，应进行导体和外壳发热，应力及绝缘子抗弯的计算，并进行共振校验。为达到设计目的，这里只选定型产品。 7.4.3 电晕电压校验

对110kV及以上裸导体（包括扩径导线）需要按晴天不发生全面电晕条件校验，即裸导体的临界相电压Ucr应大于最高工作相电压Umax。对分裂导线，电晕临界相电压应按下式计算

Dm0.298nUcr44.388mr1lg rreqr1d式中 m——导线光滑系数,对绞线取0.9； ——空气的相对密度，晴天一般取1； r——导线的半径，cm； n——导线的分裂数；

——与n有关的常数，n取2时，也取2；

d——分裂间距，cm；

Dm——三相导线的几何平均距离，cm；

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req——分裂导线的等值半径，cm。

对一字排列的中间相导线的电晕临界相电压较上式的Ucr低5%。对双分裂导线的等值半径req为

reqrd 7.4.4 热稳定校验

计及集肤效应系数Kf的影响时，由短路热稳定决定的导体最小截面为

Smin1QkKf C

式中 C——热稳定系数，其值见附表所示；

Qk——短路热效应，A2s；

Kf——集肤效应系数，一般取1。

由于所选母线为软导线，固不必进行动稳定校验。

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8 变压器的选择计算

已知：PGN300MW,cos0.85，Kp5%,得主变压器的容量为

SBj10.053001031.10.85368824(kVA)

根据《电工设备手册》，可选220kV变压器型号：SFPS7-240000/220，具体

参数如表1所示。

表1 220kV变压器额定电压（KV）额定空连接型号容量载电高中低组别（KVA）压流（%）压压 24002110YN,d000 20 10 .5 11 .6 阻抗电压（%）损耗（KW） SFPS7-240000重量高高中短/220 （t）空载低中低路 128268 7 220 2 2 00 主变压器是由这三台单相变压器组成的三相变压器，其额定容量为3240000kVA。

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9 总结

电气工程及其自动化专业的毕业设计是培养学生综合运用大学五年所学理论知识，独立分析和解决工程实际问题的初步能力的一个重要环节。本次设计是根据“电力系统及自动化专业”毕业任务书的要求，综合所学的专业知识及《电力工程电气设计手册》、《电力工程电气设备手册》等书籍的有关内容，在指导教师的帮助下，通过本人的精心设计论证完成的。整个设计过程中，全面细致的考虑工程设计的经济性、系统运行的可靠性、灵活性等诸多因素，最终完成本设计方案。此设计主要是围绕着“短路电流的计算—设备的选择—图纸的绘制”几个步骤来完成。在设计期间，是我对大学所学的专业知识的概括与总结，并很好的结合起来综合应用。学习了关于电力工程设计、技术问题研究的程序和方法等，在搜索资料、查阅文献、方案比较、设计图纸等方面都取的了更大的进步，得到了更进一步的锻炼，对我国的电力工业建设的政策观念及发展前景都有了初步的了解。

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10 致谢

在这篇毕业论文得以完成行将脱稿之际，我向所有关心和帮助我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢！

首先向老师表示最真诚的感谢和敬意！老师治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到老师的悉心指导和帮助，在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则，这些都将使我终生受益。我愿借此机会向老师表示衷心的感谢！

最后，我要感谢我的母校，是她教育和培养了我。此次毕业设计或许是我五年大学生活中短时间受益最深的环节。通过本次设计，我对工程设计的步骤有了一个初步的认识，在理论及实践上均上了一个新台阶，更重要的是使我对自己在处理各方面问题时有一个较全面的认识，不可否认会对以后的工作及学习起到积极的作用，使我更加坚定了走向成功的信念，使我在最后告别母校之际豪情万丈！

在此,向一直以来辛勤工作的恩师致敬！向诸位老师致敬!

风江水电站工程设计说明书

11 参考文献

[1] 陈跃.电气工程专业毕业设计指南电力系统分册.中国水利水电出版社 2003

[2] 卓乐友.电力工程电气设计手册电气一次部分.中国电力出版社.2003 [3] 姚春球.发电厂电气部分.中国电力出版社.2004

[4] 傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算.中国电力出版社.2004 [5] 戈东方.电力工程电气设备手册.电气一次部分.中国电力出版社.1998 [6] 阮全荣,康本贤,魏广性.水电站电气主接线图册.中国水利水电出版社 2004

[7] 陈学庸.电力工程电气设备手册电气二次部分.中国电力出版社 2000 [8] 卓乐友.电力工程电气设计手册电气二次部分.中国电力出版社.2003 [9] 张希泰,陈康龙.二次回路识图及故障查找与故障与处理指南,中国水利水电出版社.2002

[10] 林晖.周宁水电站计算机监控系统的设计与实现.河海大学工程硕士专业学位论文.2005

[11] 路永明.计算机监控系统在水电站的设计与运用.吉林大学硕士学位论文.2005

[12] 中华人民共和国水利部.水电站厂房设计规范.北京：中国水利水电出版社，2001年5月

[13] 韩菊红、温新丽、马跃先.水电站.：黄河水利出版社，2003年7月.1～31，49～104，133～140，221～257

[14] 索丽生、任旭华、胡明.水利水电工程专业毕业设计指南. 北京：中国水利电力出版社，1998年7月.29～38，158～196

[15] 郭雪莽主编.课程设计和毕业设计指南.北京：中央广播电视大学出版社，2001.10.3～5

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