火电厂电气一次部分毕业设计


题 目:

火电厂电气一次部分毕业设计

学 年 专 姓 学

院: 级: 业: 名: 号:

信息电子技术学院

电气工程及其自动化

指导教师:

摘 要
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。 本设计是电气工程及其自动化专业学生毕业前的一次综合设计, 它是将本专业所学知识进行的一次系统 的回顾和综合的利用。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,并与三河火力发电厂现 行运行情况比较,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。

关键字 主接线设计;短路电流;配电装置;电气设备选择;继电保护

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Abstract
Abstract

Power plants is an important part of power system, and also affect the safety of the whole power system with operation. In power plant, a wiring and secondary wiring is the important part of electrical part. This design is the electrical engineering and automation of professional students before graduation design, it is a comprehensive professional knowledge learnt this a systematic review and comprehensive utilization. Design mainly from theory will in the main electrical wiring design, short-circuit current calculation, electrical equipment choice, power distribution equipment layout, lightning protection design, generator, transformer and busbar protection etc, and a detailed discussion with the current operation sanhe coal-fired power plants, meanwhile, in comparison to ensure that the design reliability premise, even give attention to two or morethings economy and flexibility, through calculation demonstrates that the practical rationality of the design of power with economy. In the process of calculation and argumentation, combined with the new electric engineering manuals, using CAD software standard drawing a lot of electrical diagrams, further improve the design.

Keywords

Lord wiring design; Short-circuit current; Distribution device; Electrical equipment

selection; Relay protection

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目 录
目 录

摘 要 ..................................................................................................................................................................... i Abstract ................................................................................................................................................................ ii 第 1 章 绪 论 ................................................................................................................................................ 1 1.1 课题背景.................................................................................................................................................... 1 1.1.1 社会背景 ............................................................................................................................................. 1 1.2 课题研究的目的和意义............................................................................................................................ 2 1.3 国内外研究现状........................................................................................................................................ 2 1.4 课题的主要研究工作................................................................................................................................ 3 第 2 章 电气主接线设计 .............................................................................................................................. 4 2.1 电气主接线的设计原则及要求 ................................................................................................................ 4 2.1.1 明确任务和设计原理 ......................................................................................................................... 4 2.2 方案的设计、论证和选择........................................................................................................................ 5 2.3 本章小结.................................................................................................................................................... 7 第 3 章 短路电流的计算 .............................................................................................................................. 8 3.1 短路的原因、后果及形式........................................................................................................................ 8 3.2 短路的物理过程及计算方法 .................................................................................................................... 8 3.3 短路电流的计算数据和计算结果 .......................................................................................................... 10 第 4 章 电气设备的选择 ............................................................................................................................ 12 4.1 主变压器和发电机的选择...................................................................................................................... 12 4.2 高低压电气设备的选择.......................................................................................................................... 12 4.3 导体的设计和选择.................................................................................................................................. 17 第 5 章 配电装置 ........................................................................................................................................ 20 5.1 屋外配电装置.......................................................................................................................................... 20 5.2 屋内配电装置.......................................................................................................................................... 24 第 6 章 继电保护 ........................................................................................................................................ 28 6.1 发电机的保护.......................................................................................................................................... 29 6.2 变压器的保护.......................................................................................................................................... 31 6.3 母线保护.................................................................................................................................................. 32 6.4 防直击雷保护.......................................................................................................................................... 33 第 7 章 总结和展望 .................................................................................................................................... 36 致 谢 .................................................................................................................................................................. 37 参考文献 ............................................................................................................................................................ 38 附录 A ................................................................................................................................................................ 40

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第1章 绪 论

1.1 课题背景 1.1.1 社会背景 电力工业是国民经济的重要部门之一,是一种将煤,石油,天然气,水能,核能,风能等一次能 源转换成电能这个二次能源的工业,作为国民经济的其他各部门的快速,稳定发展提供足够的动力,其 发展水平是反映国家经济发达程度的重要标志, 又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。 电力是 工业的先行,电力工业的发展必须优先于其他的工业部门,整个国民经济才能不断前进。 近几年随着我国工业的高速发现,我国电力工业超常规发展,每年装机容量超过 6000 万千瓦,30 万千瓦、60 万千瓦亚临界火电机组成为我国电网的主力机组。目前,我国 30 万千瓦、60 万千瓦的火力 发电机组,70 万千瓦的水力发电机组,在国际招标中中标成功率大于 90%以上。这几年电力工业之所以 能飞速发展,其重要原因是,为中国电力市场提供的火力发电设备主要立足于国内生产。这一观点得到 国内各发电公司以及电厂老总们的认同。今天电气制造企业的国内用户率已达到 75%以上。 火力发电是现在电力发展的主力军,在现在提出和谐社会,循环经济的环境中,我们在提高火电 技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响, 对不可再生能源的影响, 虽然现在在我国已有部分核电机 组,但火电仍占领电力的大部分市场,近年电力发展滞后经济发展,全国上了许多火电厂,但火电技术 必须不断提高发展,才能适应和谐社会的要求。 目前,我国的电力工业已经进入“大电网”“大机组”“超高压,交直流输电”“电网调度自动 , , , 化”“状态检修”等新技术发展新阶段,一些世界水平的先进技术,已在我国电力系统得到了广泛的应 , 用。 随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长,电力工业的发展仍不能瞒足整 个社会发展的需要。另外,由于我国人口众多,因此在按人口平均用电方面,仍只处于中等水平,尚不 能及全世界平均人口用电量的一半。 2008 年人均用电量 2596kW· 人均占用发电装机容量仅为 0.6kW; h, 我国第二产业用电比重为 76.49%,第三产业为 9.78%,生活用电比重为 11%。由此可见,我国人均用 电水平远低于发达国家, 与完成其工业化进程国家的电力指标相比, 我国经济发展正处于工业化进程的 中后期,我国用电远低于国际水平。 因此我国电力工业必须持续,稳步地大力发展,一方面要加强电源建设,搞好“西电东送”,确 保电力现行,另一方面要深化电力体制改革,实施厂网分家。

1.1.1.1.

专业学习背景

本课题设计者在大学期间认真地修完了电气工程专业的所有课程,掌握了使电力系统安全运行以

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及如何排除其不正常运行故障的知识,能运用电机,发电厂、变电所电气部分,高电压技术,电力系统 自动化,电力系统继电保护等专业知识解决实际问题,为本次毕业设计做了充分的知识原料准备。

1.2 课题研究的目的和意义 我国是发展中国家,我国的电力工业长期以来依靠多家办电的政策,吸引了投资,促进了我国电力 工业的发展;并通过引进、消化和吸收和技术创新,极大地提高了电力的技术水平和装备水平;通过坚 持不懈的达标、创一流工作,大大提高了电力企业的管理水平,很多电力企业,尤其是一些发电厂的管 理水平可以与发达国家的电厂的管理一比高低。 因此,研究火电厂设计有着重大意义,像我国某些二期发电工程,发电能够满足广大寒冷地区冬季 的采暖供热,采用水塔排烟(烟塔合一)新工艺是自主设计、自主施工,具有自主知识产权的先进工艺技 术。二期工程建设引进国内外先进的环保技术和设施,实现一期已建成机组与二期工程同步进行 100% 烟气脱硫;在采用低氮燃烧技术的基础上,二期锅炉采用 100%烟气脱硝系统和采用高效除尘器,排放 指标较低。引进污水处理厂提供的中水,作为发电冷却用补充水,每年可节约优质水资源,促进循环经 济和社会的可持续发展。锅炉采用干除灰、干排渣技术。灰、渣及脱硫石膏 100%综合利用和深加工, 变废为宝,实现零排放。

1.3 国内外研究现状 1.3.1.1. 电力系统的国内外发展状况

新中国成立以后,特别是改革开放以来,我国电力工业得到了迅速发展。在党中央、国务院的正确 领导下,广大电力职工奋发图强,辛勤耕耘,中国的电力工业取得了令人瞩目的成就。1987 年,全国 电力装机容量迈上 1 亿千瓦台阶;1995 年突破 2 亿千瓦;到 2000 年底,全国电力装机容量已达 3.19 亿千瓦。从 1949 年到改革开放前的 1978 年,我国电力装机由 185 万千瓦增加到 5712 万千瓦,增长了 29.9 倍;年发电量由 43 亿千瓦时增加到 2566 亿千瓦时,增长了 58.7 倍。而从 1978 年到二十世纪末, 我国电力装机和年发电量又分别增长了 4.58 和 4.33 倍。 目前, 我国的电力装机容量和年发电量均居世 界第 2 位;我国的电力工业也已从大电网、大机组、超高压、高自动化阶段,进入了优化资源配置、实 施全国联网的新阶段[3]。 我国是发展中国家,我国的电力工业长期以来依靠多家办电的政策,吸引了投资,促进了我国电力 工业的发展;并通过引进、消化和吸收和技术创新,极大地提高了电力的技术水平和装备水平;通过十 年的坚持不懈的达标、创一流工作,大大提高了电力企业的管理水平,很多电力企业,尤其是一些发电 厂的管理水平可以与发达国家的电厂的管理一比高低。但是,我国人均用电水平还很低,面临着继续快

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速发展的巨大压力。 自从加入了WTO以后,国家电力公司已经确定了“建成控股型、经营型、集团化、现代化、国际 一流的电力公司”的战略目标,并已在 2000 年跻身世界 500 强,2001 年在世界 500 强中位居 77 位。 中国加入 WTO 对电力工业来说,是机遇与挑战并存,机遇大于挑战。 1.3.1.2. 火电厂设计研究的国内外发展状况

在我国乃至全世界范围,火电厂的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。截止目前为止,我国火力发电厂单机容量以 30 万千瓦和 60 万千瓦机组为主,浙江省温州市玉环 县的华能玉环电厂正在投建 4 台 100 万千瓦发电机组, 首台机组预计今年投产发电。 100 万千瓦超超 其 临界火力发电机组主蒸汽压力为 25 兆帕,主蒸汽和再热蒸汽温度均为 600 度,这不仅在我国是最高参 数,在世界上也处于最前沿水平。此前,上海电气与西门子合作制造的上海外高桥 2 台 90 万千瓦火力 机组是我国第一个超临界百万级项目,首台机组已于 2006 年开始发电[4]。

1.4 课题的主要研究工作 1.4.1.1. 设计内容

拟订主接线的方案:分析原始资料、确定主接线、主变形式、设计经济比较并确定最佳方案、合理 的选择各侧的接线方式、确定所用电接线方式。 计算短路电流:选择计算短路点、计算各点的短路电流、并列出计算结果表。 合理地选择主要的电气设备:选择 220KV、500KV 电气的主接线、主变双侧的断路器和刀闸、限流 电抗器、避雷针、避雷器、避雷线和各个电压等级主母线上的电压互感器。 配置主要的电气设备: 配置各级电压互感器、 配置避雷器和各个支路的电流互感器和屋内屋外配电 装置。 合理设计各种保护:防直击雷保护、主变的继电保护、发电机的继电保护和发电厂出线的线路的保 护。 1.4.1.2. 拟解决的关键问题

发电机、变压器、线路的各种保护问题;电气主接线的一二次设计问题。

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第2章 电气主接线设计

2.1 电气主接线的设计原则及要求 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。

2.1.1

明确任务和设计原理 原始资料

2.1.1.1.

装机 4 台,分别为供热式机组 2*50MW( U N ? 10KV )、凝气式机组 2*300MW( U N ? 20KV ),厂用 电率 6%, 机组年利用小时数 Tmax ? 6500 。 h 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, cos? ? 0.8 ,电缆馈线 10 回。 220KV 电压级最大负荷 250MW, 最小负荷 200MW, cos? ? 0.85 , Tmax ? 6500 ,架空线路 4 回。500KV 电压级与容量为 3500MW 的电 h 力系统连接,系统归算到本电厂 500KV 母线上的标幺电抗 X S ? 0.021,基准容量为 100MV.A,500KV 架 空线 4 回,备用线路 1 回。 此外,尚有相应的地理资料、气候条件和其它资料。

2.1.1.2.

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

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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(如 2005 年我国电力系统发电机组年最大负荷利用小时数为 5225h) 该厂为火电厂, 。 在电力系统中将主要承担基荷, 从而该厂主接线设计务必着重考虑其可靠性[6]。 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 。 2.2 方案的设计、论证和选择 2.2.1.1. 方案设计
[7]

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。考虑到 50MW 机组为供热式机组,通 常“以热定电” ,机组的年负荷最大小时数较低,即 10KV 电压级与 220KV 电压级之间按弱联系考虑,只 设 1 台主变压器;同时,由于 10KV 电压最大负荷 20MW,远远小于 2*50MW 发电机组装机容量,即使在 发电机检修或升压变压器检修的情况下,也可以保证该电压等级负荷的要求。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,为了使其出线断路器检修时不停电,应采用单母线分段 带旁路母线接线或双母线带旁路母线接线,以保证供电的可靠性和灵活性。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]。

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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 2.1 所示:

备用

厂备用

厂用1

厂用2

图2-1

图 2.1 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。

2.2.1.2.

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 2.1 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:

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AC1 ? I m [ i(1 ? i) n 0.1(1 ? 0.1) 25 ] ? Cm ? 69547 ? [ . ] ? 101629 ? 17813万元 . . (1 ? i) n ? 1 (1 ? 0.1) 25 ? 1

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]

2.3 本章小结 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。

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第3章 3.1 短路的原因、后果及形式 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。 短路电流的计算

3.2 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
" " I " ? IB ? ID

(3.1)

" IB ?

Ij (X X ? XT )
(3.2)

" I D ? K q.D I e.D ? 10?3 ?

K q.D Pe.D

( 3U e.D? D cos? D )

? 10?3

(3.3)

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XX ? Sj Sx
(3.4)

式中 I ' ' ——短路电流周期分量的起始有效值(KA);
" I B ——厂用电源短路电流周期分量的起始有效值(KA); " I D ——电动机反馈电流周期分量的起始有效值(KA);

Ij

——基准电流(KA) ,当取基准容量

Sj

=100MVA、基准电压 U j =6.3KV 时,

I j =9.16KA;

X x ——系统电抗(标幺值) ; S x ——厂用电源引接点的短路容量(MVA);
X T ——厂用变压器(电抗值)的电抗(标幺值) ;

U d (%) ——以厂用变压器额定容量 S e 为基准的阻抗电压百分值;
X K (%) ——电抗器的百分电抗值;

U e.k ——电抗器的额定电压(KV) ; I e.k ——电抗器的额定电流(KA) ;

K q. D

——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;

I e. D ——计及反馈的电动机额定电流之和(A) ; Pe.D ——计及反馈的电动机额定功率之和(KW) ; U e.D ——电动机的额定电压(KV) ;
2)短路冲击电流:
" " ich ? ich.B ? ich.D ? 2 (Kch.B I B ? 1.1Kch.D I D )

(3.5)

式中:

ich ——短路冲击电流(KA) ich. B ——厂用电源的短路峰值电流(KA) ich.D ——电动机的反馈峰值电流(KA) K ch.B ——厂用电源短路电流的峰值系数

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K ch.D ——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:
" " I Z (t ) ? I z . B (t ) ? I z . D( t ) ? I B ? K D(t ) I D

(3.6) (3.7)

" " I fz(t ) ? I fz.D(t ) ? I fz.D(t ) ? 2 ( K B (t ) I B ? K D(t ) I D )

式中 :

I Z (t ) I fz(t )

——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)

I z.B (t )

I fz.B(t ) I z.L (t )

——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)

I fz.D(t ) K D (t ) K B (t )

——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

TD ——电动机反馈电流的衰减时间常数(S) ,125MW 及以上机组为 0.062

t b ——主保护装置动作时间(S)

t gu

——断路器固有跳闸时间

3.3 短路电流的计算数据和计算结果 3.3.1.1. 500KV 三相短路电流电流计算及其正序阻抗图

如图 3.1:

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图 3.1 500KV 三相短路电流电流计算及其正序阻抗图 3.3.1.2. 500KV 电气主接线及其设备规范

系统

母线

主变 同#1主变

同#1高压厂 变

φ =0.85 高 压厂 用变 压器 /20-20



图 3.2 500KV 电气主接线及其设备规范 3.3.1.3. 短路电流的详细计算结果见附录

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第4章 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。 由于各种电气设备的具体工作条件并不完全相同,所以,它们的具体选择方法也不完全相同,但基本 要求是相同的。即,要保证电气设备可靠的工作,必须按正常工作条件选择,并按短路情况校验其热稳 定和动稳定

4.1 主变压器和发电机的选择 4.1.1.1. 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 220 ? 2*2.5%/20kv、500 ? 2*2.5%/20kv, 连接组别为 YN,d11, ?P0 ? 177KW , I 0 % ? 0.3 , ?Pk ? 809KW , U k % ? 11。 (3)绕组分析:拟采用双绕组变压器[14]。 4.1.1.2. 发电机的选择

此次设计的发电机拟采用 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]。 4.2 高低压电气设备的选择 4.2.1.1. 断路器的选择

室内高压断路器是开关电器中结构最为复杂的一类。 在正常运行时, 可用它来将用电负荷或某线路 接入或退出电网,起倒换运行方式的作用;当设备或线路上发生故障时,可通过继电保护装置联动断路 器迅速切除故障用电设备或线路,保证无故障部分仍正常运行。由此可见,高压断路器在电力系统中担 负着控制和保护电气设备或线路的双重作用。

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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: (1)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。并兼作操作机构的动力,操作机 构与断路器合为一体。目前我国生产的 KW4、KW5 系列高压空气断路器的空气压力在 2× 10 兆帕以上, 多用于是 10KV 及以上的电力系统中。 (2)六氟化硫(SF6)高压断路器则采用 SF6 气体作为灭弧介质,与其它高压元件组成全封闭式高 压断路器,因此不受环境条件影响,运行安全可靠,在电力系统中,尤其是在 110KV 及以上电力系统中 得到越来越广泛的采用。 (3)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。其真空 灭弧室是高强度的真空玻璃泡构成,真空度可达到 10 中。 (4)油高压断路器是利用变压器油作为灭弧和弧隙绝缘介质。按其绝缘结构及变压器油所起的作 用不同,分为多油式和少油式两种高压断路器。多油高压断路器的变压器油除了作为灭弧介质外,还作 为弧隙绝缘及带电部分与接地外壳(油箱)之间的绝缘。少油高压断路器的变压器油只作为灭弧介质和 弧隙绝缘介质,其油箱带电,油箱对地绝缘则通过瓷介质(支持瓷套)来实现。少油高压断路器的灭弧 能力较强,工作安全可靠,维护方便,而且体积小,用油量少、重量轻,价格便宜,所以在电力系统中 获得最为广泛的采用。在 20KV 及以下电压等级的供配电系统中广泛采用 SN10 系列(户内式)断路器, 在 20KV 以上则大量使用 SW4 和 SW6(户外式)断路器[15]。 4.2.1.2. 隔离开关的选择
?7

5

~ 10?9 m m 汞柱,多用 10KV 及以上的电力系统

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。它为双柱式结构,制成单极型式,借助于

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交叉连杆组成三极联动的隔离开关,也可作单极使用。主要用于 220KV 及以下各型配电装置,系列全, 可以高型布置,重量较轻,可以手动,电动操作。 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] 4.2.1.3. 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。由于电压互感器二次侧均为 100V,使测量仪表和继电器电压线 圈标准化,因此电压互感器在电力系统中得到了广泛应用。 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。电流互感器的二次电流均为 5A,使测 量仪表和继电保护装置使用安全、方便。因此,电流互感器在电力系统中得到了广泛应用。

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(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。一般常用的形式为:低压配电屏和配电设备中 LQ 线圈式,LM 母线式;6~20KV 屋内配 电装置和高压开关柜中 LD 单匝贯穿式,LF 复匝贯穿式;发电机回路和 2000A 以上的回路,LMC、LMZ 型,LAJ、LBJ 型,LRD、LRZD 型。 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, 常常采用 LC 系列[16]。 4.2.1.4. 熔断器的选择

高压熔断器是一种保护电器, 当其所在电路的电流超过规定值并经一定时间后, 它的熔体熔化而分 断电流、断开电路。熔断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,熔管采用钢 纸管 环氧玻璃布复合管制成,有较高机械强度并能保证连续三次顺利开断额定断流容量;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。 熔管有较高机械强度,

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具有多次开断能力,可免除熔断一次即更换熔管的麻烦;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, 但安装时要注意熔体电流与被保护对象的电流一致方可投入 运行;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。 RW1—10 型外其它型式只适用于周围空气没有导电尘埃和腐蚀性气体、 除 没有易燃易爆及剧烈震动 的户外场所[16]。 4.2.1.5. 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。 4.2.1.6. 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 4.1 选择。

表 4.1 保护变压器中性点的阀型避雷器

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4.2.1.7. 变压 器额 定电 压/KV 4.2.1.11. 中 性点 绝缘

4.2.1.8. 110

4.2.1.9. 220

4.2.1.10. 330

4.2.1.12. 110KV 级

4.2.1.13. 35KV 级

4.2.1.14. 110KV 级

4.2.1.15. 154 KV 级

4.2.1.17. FZ— 110J 4.2.1.16. 避 4.2.1.18. FZ— 雷器 60 型式

4.2.1.19. 暂用 FZ—40 或特殊 要求的 避雷器

4.2.1.20. FCZ— 110 4.2.1.21. FZ— 110J 4.2.1.22.

4.2.1.23. FCZ — 154J 4.2.1.24. FZ — 154J

4.3 导体的设计和选择 4.3.1.1. 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。

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电压互感器及避雷器 分支封闭母线 厂用分支封闭母线

图 4.1 200MW 机组电气主接线图

如图 4.1 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。 主回 路封闭母线为 ? 500mm×12mm(外径×壁厚)圆管形铝母线,屏蔽外壳为 ? 1050mm×8mm 铝管,相间距离 为 1400mm。高压厂用分支封闭母线为 ? 150mm×10mm 的圆管形铝线,屏蔽外壳为 ? 700mm×5mm 的铝管, 相间距离为 1000mm。 电压互感器和避雷器分支封闭母线的为 ? 150mm×10mm 的圆管形铝母线, 屏蔽外壳 为 ? 700mm×5mm 的铝管,相间距离为 1200mm。发电机回路电流互感器均套在发电机出线的套管上,并 吊装在发电机的出线罩上。发电机的中性点选用干式接地变压器。为了提高封闭母线的安全可靠性,应 装设微正压充气装置。 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

主回路封闭母线

20 0 .1 0 .1

20 0 .1

3 / 3 / 3 KV 和 JDZ-20 型,变比 3 / 3 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~

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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]。

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第5章 配电装置

5.1 屋外配电装置 5.1.1.1. 220KV 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 5.1:

图 5.1 220KV 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 5.2 所示

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图 5.2 220KV 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 5.3 和图 5.4

图 5.3 220KV 双框架单列式高型配电装置(单位为 m)

图 5.4 220KV 三框架双列式高型配电装置(单位为 m)

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5.1.1.2. 500KV 装置的配电方式

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。 500KV 配电装置的一个半断路器接线有三列式,平环式和单列式三种布置方式,单列布置方式占地 面积最多,且配电装置有斜连线,使结构复杂,静电感应影响大,不利于运行和设备检修,与三列式布 置和平环式比较缺点较多,故采用较多的为列式和平环式布置。 (1)一个半断路器三列式布置。500KV 一个半断路器接线的三列式布置如图 5.5 所示,两组母线分 别布置在两侧,进出线架结构共 4 排,纵向尺寸为 176.5M,间隔宽度为 18M,相间隔距离为 5M,相 地距离为 4M。

图 5.5 500KV 一个半断路器三列式配电装置

500KV 一个半断路器接线为三列式布置。 (2)500KV 平环式布置,此布置出线均为同一方式,配电装置的纵向尺寸较小,为 251M,间隔宽度 为 30M,相间距为 8M。 东北电力设计院最近为某工程设计 500KV 双母线单分段的配电装置,采用管形母线, ,因出现只有

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2 回,进线有 4 回,为保证可靠供电,出线回路采用新型 HIS,进线采用罐式 SF6 断路器的混合式布置, 间隔宽度为 28M,母线相间距为 7.5CM,纵向尺寸为 122MM,布置如图 5.6

图 5.6 500KV 双母线单分段接线混合式配电装置布置

某工程对 500KV 一个半断路器的接线配电装置方案比较如表 5.1:

表 5.1 500KV 一个半断路器的接线配电装置方案比较 布置方式 断路器三列布置 比较项目 纵向尺 占 地 寸 横向尺 寸 占地面 积 布置及结构特 点 1、 两组母线布置 在两端中间三 台断路器排成 1、 两组母线相邻布 置, 中间联络断路 器横位布置, 形成 1、母线导线分开布置, 利用上层斜拉导线将三 个布置一列的断路器连 77312 88110 94359 256 396 426 304 222.5 221.5 断路器平环布置 断路器单列布置

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三列 2、 部分断路器上 方设有架空软 导线, 设备检修 较有利 3、 线路与断路器 不对应, 分区性 较差 一个环 2、 所有断路器上方 接成串 2、所有断路器上方都有

没有架空软导线, 架空软导线, 设备检修条 设备检修条件最 好 3、 配电装置结构简 单,分区明显 件最差 3、配电装置结构最复杂

5.2 屋内配电装置 (1)220KV 屋内配电装置 220KV 屋内配电装置近几年发展的比较快,其原因主要是为了减轻污秽对电气设备的影响,对象为 在化工区内有许多污秽严重的水泥厂、化肥厂、酸碱厂等,或在沿海烟雾严重的火电厂。同时,大城市 内建设 220KV 及以上变电所,需深入负荷中心,为减少占地面积,便于周围环境的协调,也需要建设 220KV 屋内配电装置。电规总院于 2002 年 6 月召开全国屋内配电装置设计交流会,对近期 220KV 屋内 配电装置设计进行交流。近期建设的上海石洞口电厂、金山石化厂、上海外高桥厂等都采用屋内配电装 置[19]。 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 5.7 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。

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图 5.7 220KV 双母线带旁母单列布置配电装置

单列布置如图 5.7 线和旁路母线及其母线隔离开关在上层, 隔离开关不设支架, 楼层就地操作, 在 副母线及其隔离开关、断路器、TA 和出线隔离开关在底层,配电装置间隔宽为 12M 26.6M,净高为 19.9M。 220KV 双母线品字型布置的屋内配电装置如图 5.8 所示,管形母线选用 V 字形绝缘子串吊装,隔离 开关为 GW7 型,断路器为双断口 SF6 断路器,间隔宽度为 12M,跨距为 39M,净高为 21.5M[20]。 (2)10KV 配电装置的布置方式 10KV 系统接线较简单,设备较小,占地面积小,为便利运行检修,多采用屋内配电装置,如果设 备条件允许,尽量采用手车式或固定式开关柜。如大型发电厂发电机电压配电装置,短路电流较大,需 采用电抗器限流等措施限制短路电流以节约投资时, 也采用现场装配式, 装配式配电装置可分为三层三 走廊或底层为单通道的品字型两层装配式,双列布置两层装配式等。 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 5.9 和 5.10 所示。 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。图 5.11 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。 , 跨 距 为

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图 5.8 220KV 双母线带品字形双列布置配电装置

为上层布置开关柜,双走廊,间隔宽度为 1.4M。底层是断路器和电抗器,间隔宽度为 2.85M.

图 5.9 10KVGSG—1A 型固定式开关柜单层双母线单列布置图

图 5.10 10KVGSG—1A 型固定式开关柜单层双母线双列布置图

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图 5.11 10KVGSG—1A 开关柜的混合布置

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第6章 继电保护 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(如发电机、变压器、电压互感器、线路等)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, 或者直接向所控制的 断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备,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,如变压器油 箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。 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 6.1。

测量

逻辑 判断 元件

执行 输出 元件

相应输入量

比较 元件

跳闸或信号

图 6.1 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, 以最大限度 地减少对电力系统元件本身的损坏, 降低对电力系统安全供电的影响, 并满足电力系统的某些特定要求 (如保持电力系统的暂态稳定性等);(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。 反应不正常工作情况的继电保护装置允许带 一定的延时动作。 继电保护的基本要求:继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求:(1)可靠性 是指保护该动体时应可靠动作,不该动作时应可靠不动作;(2)选择性是指首先由故障设备或线路本身 的保护切除故障,当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时,才允许由相邻设备保护、线路保护或 断路器失灵保护切除故障;(3)灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时,保护装置 应具有必要的灵敏系数,各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。选择性和灵敏性的要求,通过

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继电保护的整定实现;(4)速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障,其目的是提高系统稳定性,减 轻故障设备和线路的损坏程度, 缩小故障波及范围, 提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的 效果等。这四“性”之间紧密联系,既矛盾又统一。 在三河火力发电厂的具体施工设计中,要重点并且详细考虑继电保护的一次设备主要包括发电机、 变压器和母线。其具体继电保护措施和装置详细说明如下。 6.1 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。 发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕 组一点或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。发电机的不正常运行状态主要有:由于外部短路引 起的定子绕组过电流; 由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷; 由于外不对称短路或不 对称负荷(如单相负荷,非全相运行等)而引起的发电机负序过电流;由于突然甩负荷而引起的绕组过电 压; 由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷; 由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的 发电机逆功率等[21]。 6.1.1.1. 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。 因为该保护可以无延时的切除保护范围内的各种故障, 同时又不反应发电机的过负 荷和系统振荡, 且灵敏系数一般较高, 所以纵差动保护毫无例外的用作容量在 1MW 以上发电机的主保护
[22]



带断线监视的发电机纵差动保护接线图见图 6.1。

图7.1 带断线监视的发电机纵差动保护

图 6.1 佳木斯大学教务处

带断线监视的发电机纵差动保护接线图 - 29 -

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(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 :

I dz ? K K ? I ef
I dz. j ? K K ? I ef / n1

(6.1) (6.2)

如在断线后又发生了外部短路, 则继电器回路中要流过短路电流, 保护仍要误动作故差动保护中一般装 设断线监视装置,使得纵差动保护在此情况下能及时退出工作。 (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:

I dz. j ? K K I bp. max
根据对不平衡电流的分析,代入上式,则:

(6.3)

I dz. j ? 0.1K K K fz.q K1x I d . max / n1

(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:

I dz. j ? 0.5I ef / n1

(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二次回路断线的 条件为小,因此,保护的灵敏性就高[23]。 6.1.1.2. 发电机横差动保护

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。 它有 两种接线方式: (1)每相装设两个电流互感器和一个继电器做成单独的保护。这样三相总共需要六个互感器和三个 继电器。由于接线复杂,保护中的不平衡电流也大,因此实际上已经很少采用。 (2)目前广泛应用的接线方式实质上是把一半绕组的三相电之和去与另一半绕组三相电流之和进行 比较,当发生前述各种匝间短路时,此中性点联线上照样有环流通过,因此,继电器 3 可以动作。由于 只使用了一个互感器,也就不存在由于互感器的误差所产生的不平衡电流,因此,起动电流较小,灵敏 度较高。此外,这种接线方式也比第一种接线方式简单。 运行经验表明, 当励磁回路发生永久性的两点接地时, 由于发电机励磁磁势的畸变而引起空气隙磁

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通发生较大的畸变,发电机将产生异常的振动,此时励磁回路两点接地保护应动作于跳闸。在这种情况 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。 基于上述考虑, 目前已不采用励磁回路两点接地保护动作时闭锁横差动保护 的措施。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] 6.2 变压器的保护 6.2.1.1. 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。论文还从励磁涌流、转换性故障、振荡等方面进行了研究,探讨 了负序差动保护在实现中可能遇到的问题,进而证明保护原理的可行性。 此次设计发电厂的主变为双绕组三相变压器,并且采用 Y,d11 的接线方式,如下图 6.2 所示。图 中一次电流从同名端流入,二次电流从同名端流出。

i'YA iYA iYB

i'YB

i'YC

iYC i'YA-i'YB

ida

idb i'dA i'dB

idc

i'dA i'dC

图 6.2 主变压器纵差动保护原理图

此种接线方式造成了变压器一、二次电流的不对应,若采用针对单相变压器的差动继电器的接线方式, 将一、二次电流直接引入差动保护,则回在继电器中产生很大的差动电流。将因入差动继电器的 Y 侧的 电流也采用两相电流差就可以消除这个差动电流。公式如下:

I A.r ? ( I ' YA ? I ' YB ) ? I ' dA

?

?

?

?

(6.6)

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I B.r ? ( I ' YB ? I ' YC ) ? I ' dB ) I C .r ? ( I ' YC ? I
? ? ? ? ? ? ' YA ? ? ? ?

(6.7) (6.9)

)?I

? ' dC

式中,

I A.r 、 I B.r 、 I C.r 分别为流入三个差动继电器的差动电流[24]。
纵差动保护的整定计算原则

6.2.1.2.

(1)躲过外部短路故障时的最大不平衡电流,整定式为:

I set ? k rel I unb. max
式中, K rel -----可靠系数,取 1.3

(6.10)

I unb. max ------外部短路故障时的最大不平衡电流

I unb. max ? (?f za ? ?U ? 0.1K np K st )I k . max
(2)躲过变压器最大的励磁涌流,整定式为:

(6.11)

I set ? k rel Ku I N K rel -----可靠系数,取 1.3~1.5 I N -----变压器的额定电流

(6.12)

K u -----励磁涌流的最大倍数

6.3 母线保护 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。 6.3.1.1. 装设母线保护的几种情况

(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

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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。 6.3.1.2. 目前国内 110KV 及其以上母线保护装置的原理有以下几种

(1)完全电流保护。由母线内部或外部故障时流入母线电流之差或和电流作为判据,采用速饱和 变流器防止区外故障一次电流中的直流分量导致 TA 饱和引起的母线差动误动。 (2)母联电流相位比较式母线保护。比较母线差动电流和流过母联断路器的电流相位不同作为判 据。 (3)电流差动利用带比率制动特性的电流继电器构成,解决了 TA 饱和引起的母差保护在区外故 障时的误动问题。 (4)中阻抗快速母差保护。以电流瞬时值测定和比较为基础,其差动和启动元件在 TA 饱和之前动 作,动作的速度快,有利于系统的稳定。 (5)以电压工频的变化量幅值和低电压元件作为启动元件,差流元件保持的母差保护。 微机型母线保护一般均具有低电压或复合电压闭锁,启动断路器失灵保护、母线充电保护及其 TV 断线闭锁装置等功能。

6.4 防直击雷保护 6.4.1.1. 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]。 6.4.1.2. 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。

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(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:上述接地应与总接地网连接,并在连接处加装集中接地装置,其工频接地 电阻应不大于 10 欧[27]。 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, 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]。 每隔 10~

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表 6.2 发电厂和变电所必须进行防雷保护的对象和措施 序号 1 2 建筑物及构筑物名称 35KV 屋外配电装置 110KV 及以上配电装置 建筑物的结构特点 钢筋混凝土结构 金属结构 钢筋混凝土结构 防雷措施 装设独立的避雷针 架构上装设避雷针 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 4 屋外安装的变压器 屋外组合导体和母线桥 装设独立的避雷针 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 钢筋混凝土结构 6 7 屋内配电装置 主厂房 钢筋混凝土结构 钢筋混凝土结构 金属架构接地 钢筋焊接成网并接地 钢筋焊接成网并接地 钢筋焊接成网并接地,但在雷电较强烈地 区

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第7章 总结和展望 在本设计中,结合现有发电厂的实际运行情况,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。 这次设计也是理论和实际的一次结合。以前所学的知识都是理论,都是忽略了一些因素的理想情 况,而这次设计不同,不但要熟悉相关知识,还要放到实际中考虑,既要了解电力工程的理论规程,还 要考虑国家的方针政策和所指址的地理气象等实际情况。 这也使我明白了理论和实际的差别, 对今后工 作大有裨益。 在设计中,也参阅了大量的参考书,分析理论规程和所要解决的问题,改变了以前过分依赖老师 的习惯,培养了查阅资料的习惯,锻炼了独立思考的、分析解决问题的能力。 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。由于本人水平有限,缺乏实际经验, 论文中难免有不少错误之处,望老师和同学们指正。

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致 谢

在大学四年的学习期间,各位授课老师严谨的治学风范、渊博的理论知识为我树立了很好的榜样, 引导着我在学习的道路上积极进取和刻苦思索。从他们的身上,我不仅学到了扎实的专业基础知识,还 让我领悟到人如何逆境中奋发,这些经历都将成为我以后学习和工作中永不磨灭的宝贵财富。 论文的选题和方案的确立以及论文的进展, 包含着张艳丽的辛勤汗水和孜孜不倦的指导。 在我未来 的学习和工作中, 我将努力克服自己的缺点, 以出色的工作业绩来表达对张老师的深深敬意和最衷心的 感谢! 时光流逝日月如梭,毕业后的我也即将走向火电厂的工作岗位。本次毕业设计也对我以后的工作 方面起到很大的作用。 在学校四年,我得到学校、学院很多老师和同学的关心和帮助,使我感受到无比的温暖,在此我 要向所有的老师、同学和朋友道一声:谢谢你们! 还要感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师,你们辛苦了!

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参考文献

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附录 A 三相短路电流计算结果表 短 支路计 路 算电抗 点 短 路 短路点位 点 置 编 号 U1 PER UNIT KV VALUE SX1 F1 500KV 母 D1 线 525 F3 F4 CGM SX1 F1 NO1,NO2 D2 发电机出 D3 口 F4 CGM NO1,NO2 D4, D5 发 电 机 6.3 6KV 厂用 母线 F2 F3 5.900 5.900 61.126 61.126 0.025 0.025 1.553 1.553 0.025 0.025 1.533 1.533 SX1 F1 0.266 * 0.729 0.682 18.338 * 9.164 61.126 0.579 * 1.372 0.203 10.610 212.69 12.574 12.428 0.555 * 1.372 0.207 10.178 191.43 12.574 12.630 21 F3 0.266 18.338 0.579 10.610 0.555 10.178 F2 0.266 18.338 0.579 10.610 0.555 10.178 0.050 0.050 * 0.033 0.031 0.734 0.734 * 2.749 18.338 3.211 3.211 * 30.447 5.298 2.355 2.355 27.16 83.707 97.156 2.793 2.793 * 30.447 4.209 2.049 2.049 25.93 83.707 77.185 F2 0.006 0.050 0.050 0.110 0.734 0.734 VALUE 161.290 3.211 3.211 17.737 2.355 2.355 VALUE 161.290 2.793 2.793 17.737 2.049 2.049 KA PER UNIT KA PER UNIT KA 压 名称 电 电源 Xe Ie I*” I” I0.1* I0.1 基 准 支路 电流 额 定 分量 期分量 支 路 0s 短路电流周期 0.1s 短路电流周

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F4 DDJ CGM * * * 5.900 61.126 0.025 1.553 19.125 48.79 * 0.025 1.533 3.812 33.67

(续)

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短 路 点 短 0s 短路电流非周期 路 分量 点 基 准 短路点位 电 置 编 号 U1 PER UNIT KV VALUE SX1 F1 500KV 母 D1 线 525 F3 F4 CGM SX1 F1 NO1,NO2 D2 发电机出 D3 口 F4 CGM SX1 F1 NO1,NO2 D4, D5 发 电 机 6.3 6KV 厂用 母线 F2 F3 F4 DDJ CGM * 0.8182 * 1.9403 0.2875 0.0359 0.0359 0.0359 15.0048 300.7929 17.7818 17.5756 2.1966 2.1966 2.1966 27.0464 68.9937 *
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短路冲 0.1s 短路电流非周 击电流 期分量 降值

支路 电源 名称 I*” I” I0.1* I0.1 Ich



PER KA UNIT VALUE 25.0844 3.3311 3.3311 3.3311 3.3311 38.4089 118.3791 137.3395 15.0048 15.0048 103.9991 2.0706 2.0706 2.0706 2.0706 * 29.0742 3.4162 0.3731 0.3731 0.3731 * 0.8847 0.1311 0.0164 0.0164 0.0164 11.4369 1.5188 1.5188 1.5188 1.5188 17.5121 79.9333 62.6457 6.8412 6.8412 6.8412 163.1028 8.1074 8.0134 1.0015 1.0015 1.0015 5.3906 21.5159 46.406 6.163 6.163 6.163 6.163 71.06 224.920 254.189 27.759 27.759 27.759 562.39 32.896 32.515 4.064 4.064 4.064 50.577 129.18 KA KA

228.0809 4.5414 4.5414 4.5414 4.5414 * 43.0581 7.4927 0.8182 0.8182

F2

F2 21 F3

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不对称短路电流计算结果表 序 号 短 短 路 路 短路点编号 形 置 式 Uj Ij (KA) (KA) 单 相 500K 接 1 地 线 短 路 两 500K 相 2 短 线 路 两 相 500K 接 3 地 线 短 路 SX2 D1 V 母 525 0.11 统 0 4 系 06 1/0.0060 167.71 F1-f 0.0 SX2 D1 V 母 525 0.11 统 3 4 系 08 1/0.0083 120.63 F1-f 0.0 SX2 D1 V 母 525 0.11 统 5 4 系 11 1/0.0115 86.85 F1-f 0.0 值 幺 点 位 压 准 电 电源 标 计算式 KA) I”m(1)( 短 路 点 基 短路点基准电留 组 合 成 短路正序电流标幺 值

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序 短 短 路 号 路 点 编 形 号 式 短 路 点 位 置 短 路 点 基 准 电 压 短 路 点 基 准 电 留 Uj (KA) Ij (K A) 1 单 D1 相 接 地 短 路 2 两 D1 相 短 路 3 两 D1 相 接 地 短 路 500K V 线 母 525 0.1 1 500K V 线 母 525 0.1 1 F1-f 4 系 统 SX2 F1-f 4 系 统 SX2 0.0 06 0 167.71 ×0.11 18.45 1.504 × 18.45 27.75 0.0 08 3 120.63 ×0.11 13.27 3×13.27 22.98 500K V 线 母 525 0.1 1 F1-f 4 系 统 SX2 0.0 11 5 86.85× 0.11 . 9.55 3×9.55 28.66 电源 合 成 组 标 幺 值 短路正序电流 有效值 计算式 I”(1)( KA) 计算式 I” (KA) 短路电流有效值 ( 续 )

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