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，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。
关键词：主接线设计，短路电流，配电装置，电气设备选择，继电保护
I
Abstract
Electricity is the most important energy of economic development which can be conveniently and efficiently converted into other forms of energy. Today,not only in China but also in the world ,the thermoelectricity capacity accounts to about 70% and the power about 80%.So, electricity plays an important role in our country which is a developing country.
In this design, I will mainly discuss main electric connection design, short circuit account, electric equipment choice, electric equipment layout, lightning strike defending design, electrical machine, transformer and generatrix protective relaying detailedly in theory and comparing with the power plant of San he, while ensuring the reliability of the design, under the premise we should also take into account economic and flexibility demonstrated by calculating the effective thermal power plant design and reasonable economy.During my counting and demonstrating,in order to consummate my design, I will protract a great lot of electric engineering-pictures by Auto-CAD following the new criterion of electric engineering-enchiridion.
Keywords：main electric connection design ,short current, electric equipment choice, electric equipment layout,protective relaying
II
目 录
摘 要 ........................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................ II 1 绪 论 ....................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ................................................................................................................ 1 1.1.1 社会背景 ............................................................................................................. 1 1.1.2专业学习背景 ...................................................................................................... 1 1.2 课题研究的目的和意义 ........................................................................................ 1 1.3 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.3.1 电力系统的国内外发展概况 ............................................................................. 2 1.3.2 火电厂设计研究的国内外发展概况 ................................................................. 3 1.4 课题的主要研究工作 ............................................................................................ 3 1.4.1 设计内容 ........................................................................................................... 3 1.4.2拟解决的关键问题 .............................................................................................. 3 2电气主接线设计 ........................................................................................................ 4 2.1 明确任务和设计原理 ............................................................................................ 4 2.1.1原始资料 .............................................................................................................. 4 2.1.2原始资料的分析 .................................................................................................. 4 2.2方案的设计、论证和选择 ..................................................................................... 5 2.2.1 方案设计 ............................................................................................................. 5 2.2.2 方案的经济比较 ................................................................................................. 6 2.3 本章小结 ................................................................................................................ 7 3短路电流的计算 ........................................................................................................ 8 3.1 短路的原因、后果及其形式 ................................................................................ 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 3.3.1 500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图 ........................................... 10 3.3.2 500KV电气主接线及其设备规范 ................................................................... 11 3.3.3 短路电流的详细计算结果见附录 ................................................................... 11 4电气设备的选择 ...................................................................................................... 12 4.1 主变压器和发电机的选择 .................................................................................. 12 4.1.1发电机的选择 .................................................................................................... 12 4.1.2主变压器的选择 ................................................................................................ 12 4.2高低压电器设备的选择 ....................................................................................... 12 4.2.1断路器的选择 .................................................................................................... 12 4.2.2隔离开关的选择 ................................................................................................ 13 4.2.3 互感器的选择 ................................................................................................... 14 4.2.4熔断器的选择 .................................................................................................... 15 4.2.5限流电抗器的选择 ............................................................................................ 16 4.2.6避雷器的选择 .................................................................................................... 16 4.3导体的设计和选择 ............................................................................................... 16 4.3.1分相封闭母线 .................................................................................................... 16
III
5 配电装置 ................................................................................................................. 19 5.1屋外配电装置 ....................................................................................................... 19 5.1.1 220KV室外配电装置 ....................................................................................... 19 5.1.2 500KV装置的布置方式 ................................................................................... 20 5.2屋内配电装置 ....................................................................................................... 22 6 继电保护 ................................................................................................................. 26 6.1 发电机的保护 ...................................................................................................... 27 6.1.1 发电机纵差动保护 ........................................................................................... 27 6.1.2发电机的横差动保护 ........................................................................................ 28 6.2 变压器的保护 ...................................................................................................... 29 6.2.1 变压器主保护设计 ........................................................................................... 29 6.2.2 纵差动保护的整定计算原则 ........................................................................... 30 6.3 母线的保护 .......................................................................................................... 30 6.3.1 装设母线保护的几种情况 ............................................................................... 30 6.3.2 目前国内110KV及其以上母线保护装置的原理有以下几种: .................... 31 6.4 防直击雷的保护 .................................................................................................. 31 6.4.1直击雷的保护范围 ............................................................................................ 31 6.4.2直击雷的保护措施 ............................................................................................ 32 7．总结与展望 ........................................................................................................... 33 致 谢 ......................................................................................................................... 34 参考文献 ..................................................................................................................... 35 附录 ............................................................................................................................. 37 独创性声明 ................................................................................. 错误！未定义书签。 学位论文（设计）版权使用授权书 ......................................... 错误！未定义书签。
IV
1 绪 论
1.1 课题背景
1.1.1 社会背景
电能是经济发展最重要的一种能源，可以方便、高效地转换成其他能源形式。提供电能的形式有水利发电，火力发电，风力发电，随着人类社会跨进高科技时代又出现了太阳能发电，磁流体发电等。但对于大多数发展中国家来说，火力发电仍是今后很长一段时期内的必行之路。
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。 “十五”期间我国火电建设项目发展迅猛。2001年至2005年8月，经国家环保总局审批的火电项目达472个，装机容量达344382MW，其中2004年审批项目135个，装机容量107590MW，比上年增长207%；2005年1至8月份，审批项目213个，装机容量168546MW，同比增长420%。如果这些火电项目全部投产，届时我国火电装机容量将达5.82亿千瓦，比2000年增长145%[1]。
2006年12月，全国火电发电量继续保持快速增长，但增速有所回落。当月全国共完成火电发电量2266亿千瓦时，同比增长15.5%，增速同比回落1个百分点，环比回落3.3个百分点；随着冬季取暖用电的增长，火电发电量环比增长较快，12月份与上月相比火电发电量增加223亿千瓦时，环比增长10.9%。2006年全年，全国累计完成火电发电量23186亿千瓦时，同比增长15.8%，增速高于2005年同期3.3个百分点[2]。
随着中国电力供应的逐步宽松以及国家对节能降耗的重视，中国开始加大力度调整火力发电行业的结构。 1.1.2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
三河发电厂位于河北省三河市燕郊经济技术开发区，距规划的北京通州新城仅十几公里。2000年，该项目一期工程的两台35万千瓦燃煤发电机组正式投产，
1
主要保障首都用电。2007年底竣工的二期工程规模为70万千瓦热电联产燃煤机组，总投资约28亿元。该项目建成后，将成为北京2008年奥运会稳定的电源支撑点之一，还能为通州新城提供清洁热源，供热面积达1680万平方米。该工程的特点如下：
“热电联产”，温暖京冀千家万户。可满足通州新城及燕郊开发区1680万平方米面积的冬季采暖供热。
“烟塔合一”，国内首家自主创新。采用水塔排烟(烟塔合一)新工艺，为目前国内首家自主设计、自主施工，具有自主知识产权的先进工艺技术。
“脱硫脱硝”，共享一方碧水蓝天。二期工程建设将引进国内外先进的环保技术和设施，实现一期已建成的两台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，二期两台锅炉采用100％烟气脱硝系统和采用高效除尘器，排放指标低于北京市标准。
“利用中水”，节约宝贵自然资源。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1500万立方米优质水资源，促进循环经济和社会的可持续发展。
“灰渣零排”，综合利用再生资源。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[3]。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 电力系统的国内外发展概况
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
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着继续快速发展的巨大压力。
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。 1.3.2 火电厂设计研究的国内外发展概况
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。其100万千瓦超超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 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。 1.4.2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。
3
2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。
2.1 明确任务和设计原理
2.1.1原始资料
装机4台，分别为供热式机组2*50MW(UN10KV)、凝气式机组2*300MW(UN20KV),厂用电率6%，机组年利用小时数Tmax6500h。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,cos0.8,电缆馈线10回。220KV电压级最大负荷250MW，最小负荷200MW, cos0.85, Tmax6500h，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
XS0.021，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。 2.1.2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
4
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[7]。
2.2方案的设计、论证和选择
2.2.1 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。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
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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。 2.2.2 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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i(1i)n0.1(10.1)25AC1Im[]Cm6954.7[]1016.291781.3万元 n25(1i)1(10.1)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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3短路电流的计算
3.1 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]
。
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\"IBID （3.1）
I\"BIj(XXXT) （3.2）
8
\"IDKq.DIe.D103Kq.DPe.D(3Ue.DDcosD)103 （3.3）
XXSjSx （3.4）
式中 I''——短路电流周期分量的起始有效值（KA）;
\"IB ——厂用电源短路电流周期分量的起始有效值（KA）; \"ID ——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Uj=6.3KV时, Ij=9.16KA;
XxSx——系统电抗（标幺值）；
——厂用电源引接点的短路容量（MVA）;
XT——厂用变压器（电抗值）的电抗（标幺值）；
Ud(%)——以厂用变压器额定容量
Se为基准的阻抗电压百分值；
XK(%)——电抗器的百分电抗值；
Ue.kIe.k
——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
Kq.D以上机组取5.5～6.0；
Ie.DPe.D——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）；
Ue.D2)短路冲击电流：
\"\"iii2(KI1.1KI) （3.5）chch.Bch.Dch.BBch.DD
式中:
ich——短路冲击电流(KA)
9
ich.Bich.D——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，
Kch.BKch.D125MW及以上机组取1.7[12]。
3)t瞬间三相短路电流：
\"\"IZ(t)Iz.B(t)Iz.D(t)IBKD(t)ID （3.6）
（3.7） \"\"Ifz(t)Ifz.D(t)Ifz.D(t)2(KB(t)IBKD(t)ID)式中 ：
IZ(t)Ifz(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）
Iz.B(t)Ifz.B(t)Iz.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）
Ifz.D(t)KD(t)KB(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
tb——主保护装置动作时间(S) ——断路器固有跳闸时间
tgu3.3短路电流的计算数据和计算结果
3.3.1 500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图
如图3.1：
10
图3.1 500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图
3.3.2 500KV电气主接线及其设备规范 系统母线主变同#1主变同#1高压厂变同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
3.3.3 短路电流的详细计算结果见附录
11
4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。
4.1 主变压器和发电机的选择
4.1.1发电机的选择
三河火力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]。 4.1.2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，P0177KW,I0%0.3，
Pk809KW,Uk%11。
（3）绕组分析：拟采用双绕组变压器[14]。
4.2高低压电器设备的选择
4.2.1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
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保护电气设备或线路的双重作用。
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
107~109mm汞柱，多用10KV及以上的电力系统中。
5（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]。 4.2.2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。它为双柱式结构，
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制成单极型式，借助于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]
4.2.3 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
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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。 （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]。 4.2.4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；
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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，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。除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、没有易燃易爆及剧烈震动的户外场所[16]。
4.2.5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。
4.2.6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4.1选择。
4.3导体的设计和选择
4.3.1分相封闭母线
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表4.1 保护变压器中性点的阀型避雷器
变压器额定电压/KV
中性点绝缘
避雷器型式
110
110KV级 35KV级 FZ—110J 暂用FZ—FZ—60 40或特殊
要求的避雷器
220 110KV级 FCZ—110 FZ—110J
330 154 KV级 FCZ—154J FZ—154J
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。
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
主回路封闭母线
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
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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200.10.1变压器电压互感器：JDZJ-20型，变比3/3/3KV和JDZ-20型，变比
200.13/3KV。
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]。
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5 配电装置
5.1屋外配电装置
5.1.1 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
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
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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）
5.1.2 500KV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。
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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
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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 比较项目 占地 纵向尺寸 横向尺寸 占地面积 304 256 77312 1、 两组母线布置在两端中间三台断路器排成三列 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 222.5 396 88110 1、 两组母线相邻布置，中间联络断路器横位布置，形成一个环 2、 所有断路器上方没有架空软导线，设备检修条件最好 3、 配电装置结构简单，分区明显 221.5 426 94359 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接成串 2、所有断路器上方都有架空软导线，设备检修条件最差 3、配电装置结构最复杂 断路器三列布置 断路器平环布置 断路器单列布置 布置及结构特点 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，在 楼层就地操作，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 ，跨距为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。
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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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6 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 执行 相应输入量 比较 判断 输出 跳闸或信号
元件 元件 元件
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
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定。选择性和灵敏性的要求，通过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 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 带断线监视的发电机纵差动保护接线图
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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 ：
IdzKKIef （6.1） Idz.jKKIef/n1 （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：
Idz.jKKIbp.max （6.3） 根据对不平衡电流的分析，代入上式，则：
Idz.j0.1KKKfz.qK1xId.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：
Idz.j0.5Ief/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
电流互感器二次回路断线的条件为小，因此，保护的灵敏性就高[23]。
6.1.2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。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
28
的畸变而引起空气隙磁通发生较大的畸变，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 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。
三河火力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'YAiYAiYBi'YBi'YCiYCi'YA-i'YBidaidbi'dAi'dBidci'dAi'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
29
这个差动电流。公式如下： IA.r(IIB.r(IIC.r(I''YAI'YB)I'dA （6.6）
YBII'YC'YA)I)I'dB'dC） （6.7） （6.9）
'YC式中，
IA.r、
IB.r、
IC.r分别为流入三个差动继电器的差动电流[24]。
6.2.2 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： IsetkrelIunb.max （6.10）
式中，Krel-----可靠系数，取1.3
Iunb.max------外部短路故障时的最大不平衡电流
Iunb.max(fzaU0.1KnpKst)Ik.ma x （6.11） （2）躲过变压器最大的励磁涌流，整定式为：
IsetkrelKuIN （6.12）
Krel-----可靠系数，取1.3~1.5 IN-----变压器的额定电流
Ku-----励磁涌流的最大倍数
6.3 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。 6.3.1 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
30
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。
6.3.2 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 防直击雷的保护
6.4.1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]。
31
6.4.2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：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, 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]。
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
金属结构
钢筋混凝土结构 钢筋混凝土结构 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 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 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
3 4 5 6 7
屋外安装的变压器 屋外组合导体和母线桥 主控制室 屋内配电装置 主厂房
32
7．总结与展望
在本设计中，结合三河火力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三河火力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。
33
致 谢
在论文完成之际，我首先要向老师表示最真挚的感谢。我在设计中得到了孙老师的悉心指导，他的博学以及强烈的责任心给我很深的影响。
在论文写作的三个月的时间里，我学到了很多平时学不到的知识。专业与非专业知识的综合、理论与实践的结合，不仅仅让我对发电厂、变电所技术的重要性、设计过程与步骤有了深刻的理解，对人生也是一种感悟，为以后走向工作岗位奠定了基础。
我还要特别感谢班主任和同学们给予了我无私的帮助，正是他们的鼓励和帮助之下，我得以顺利完成论文。
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。
34
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36
附录
（续）
短路短路0s短路电流非周期分
0.1s短路电流非周期分
短路冲击点
点基量
量
电流降值
准电压 短路点位
支路
I” I0.1* I0.1 Ich
置
电源I*”编U1 名称 号
PER PER KV UNIT KA
UNIT KA KA
VALUE VALUE SX1 228.0809 25.0844 103.9991 11.4369 46.406 F1
4.5414 3.3311 2.0706 1.5188 6.163 D1
500KV母
F2 4.5414 3.3311 2.0706 1.5188 6.163 线
525
F3 4.5414 3.3311 2.0706 1.5188 6.163 F4 4.5414 3.3311 2.0706 1.5188 6.163 CGM * 38.4089 * 17.5121 71.06 SX1 43.0581 118.3791 29.0742 79.9333 224.920 F1 7.4927 137.3395 3.4162 62.6457 254.189 D2 NO1,NO215.0048 6.8412 27.759 D发电机出
3
21
F2 0.8182 0.3731 口
F3 0.8182 15.0048 0.3731 6.8412 27.759 F4 0.8182 15.0048 0.3731 6.8412 27.759 CGM * 300.7929 * 163.1028 562.39 SX1 1.9403 17.7818 0.8847 8.1074 32.896 F1 0.2875 17.5756 0.1311 8.0134 32.515 F2
0.0359 2.1966 0.0164 1.0015 4.064 NO1,NO2D4, 发电机0.0359 2.1966 0.0164 1.0015 4.064 D5
6KV厂用6.3
F3 母线
F4 0.0359 2.1966 0.0164 1.0015 4.064 DDJ 27.0464 5.3906 50.577 CGM
*
68.9937
*
21.5159
129.18
37
序号
短路形式 单相接地短路 两相短路 两相接地短路
短路点基准电压 Uj (KA)
合成组标幺值
短路正序电流标幺值
短路点编号
短路点位置
短路点基准电留
电源
Ij (KA)
F1-f4系统SX2 F1-f4系统SX2 F1-f4系统SX2
计算式 I”m(1)(KA)
1 D1
500KV母线
525 0.11
0.0115
1/0.0115 86.85
2 D1
500KV母线
525 0.11
0.0083
1/0.0083 120.63
3 D1
500KV母线
525 0.11
0.0060
1/0.0060 167.71
不对称短路电流计算结果表
序号
短路形式
短路点编号
短路点位置
短路点基准电压
短路点基准电留
电源
合成组标幺值
短路正序电流有效值
短路电流有效值
计算式
I”(1)(KA)
计算式
I” (KA)
38
1
单D1
相接地短路 2 两D1
相短路 3 两D1
相接地短路
Uj (KA)
Ij
(KA)
500KV525
0.11
F1-f40.086.85×9.55 3×9.55 28.66
母线
系统115
0.11 SX2
.
500KV525 0.11
F1-f40.0120.63×13.27 3×13.27 22.98
母线
系统083
0.11
SX2 500KV525 0.11
F1-f40.0167.71×18.45
1.504×27.75
母线
系统060
0.11
18.45
SX2
（续） 39
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