水布垭水电站4×460MW电气部分设计

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目 录

1 引言 ............................................................................................................................ 1 2 发电厂电气主接线的最佳方案 ................................................................................ 2

2.1 概述 ................................................................................................................. 2 2.2 技术比较 ......................................................................................................... 3 2.3 经济性比较 ..................................................................................................... 4 2.4 主变压器的选择 ............................................................................................. 5 3 发电厂厂用电接线的最佳方案 ................................................................................ 6

3.1 方案确定 ......................................................................................................... 6 3.2 厂用变压器的选择 ......................................................................................... 7 4 短路电流的计算 ........................................................................................................ 9

4.1 网络变换 ......................................................................................................... 9 4.2 求计算电抗 ..................................................................................................... 9 4.3 计算电抗求值 ............................................................................................... 14 4.4 短路电流计算 ............................................................................................... 15 4.5 短路冲击电流值的计算 ............................................................................... 17 5 发电机变压器的保护配置 ...................................................................................... 18

5.1 概论 ............................................................................................................... 18 5.2 发电机—变压器组保护配置 ....................................................................... 18 6 电气设备的选择与校验和保护配置 ...................................................................... 20

6.1 保护的配置方案 ........................................................................................... 20 6.2 设备选择（电气主接线部分）(GIS) ......................................................... 22 6.3 厂用电设备选择 ........................................................................................... 29 6.4 支柱绝缘子及避雷器的选择 ....................................................................... 32 7 高压配电装置的设计 .............................................................................................. 35

7.1 设计原则与要求 ........................................................................................... 35 7.2 布置的一般要求 ........................................................................................... 35 7.3 不同型式配电装置的特点 ........................................................................... 36 7.4 管母线布置的优点 ....................................................................................... 37 8 避雷针的保护范围计算 .......................................................................................... 38

8.1 避雷针保护范围的计算步骤 ....................................................................... 38 8.2 避雷针保护范围的计算 ............................................................................... 39 参考文献 ........................................................................................................................ 44 谢 辞 ........................................................................................................................ 45 附录 ................................................................................................................................ 46

Ⅰ

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1 引言

电力的发展对一个国家的发展至关重要，现今300MW及其以上的大型机组已广泛采用，为了顺应其发展，也为了有效的满足可靠性、灵活性、及经济性的要求，本设计采用了目前我国应用最广泛的发电机—变压器组单元接线，主接线型式为双母线接线，在我国已具有较多的运行经验。设备的选择更多地考虑了新型设备的选择，让新技术更好的服务于我国的电力企业。并采用适宜的设备配置及可靠的保护配置，具有较好的实用性，能满足供电可靠性的要求。

本设计的内容包括：

（1） 确定发电厂电气主接线的最佳方案； （2） 确定发电厂厂用电接线的最佳方案； （3） 计算短路电流；

（4） 确定发电厂电流互感器、电压互感器、避雷器、避雷针、继电保护及自动装置的配置方案；

（5） 电气设备的选择和校验； （6） 高压配电装置的设计；

（7） 绘制有关图纸（电气主接线图、、配电装置平面图与断面图、避雷针保护图） （8） 最后进行打印和计算机绘制图纸，并进行不少于5000字的外文资料的翻译工作。 通过参阅《水电站机电设计手册》、《电力工程设计手册》、《电力工程设备手册》《电力工程概算手册》等专业资料，力求对方案的确定，设备的选择及配电装置的设计都有较为详尽的阐述和科学的理论依据，希望能提交一份令人满意的设计书。 在国民经济飞速发展的今天，电力对于一个国家来说更为重要，以设计出技术先进、经济合理的方案为目的，力求设计内容具有实用性及先进性。此次设计虽经严谨认真的设计过程，难免有疏漏和不足之处，望能提出良好的改进意见。

毕业设计是很重要的一次设计，是对我们大学四年的理论知识的应用，是培养我们综合能力一次重要实践。

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2 发电厂电气主接线的最佳方案

2.1 概述

本厂为4台460MW的机组，500KV电压等级，通过三回线与系统相连。对主接线的基本要求包括可靠性，灵活性及其经济性。

电气主接线设计是水电站电气设计的主体，它与电力系统，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。因此主接线设计，必须结合电力系统和发电厂的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理地选择主接线方案。

大机组一般指单相容量在200~300MW及以上的水轮发电机组，对供电可靠性提出了更高的要求。任一设备检修不应影响供电。任何元件故障时，不允许出现全厂停电，其停电容量一般不超过全电站总容量的1/3~1/4，且不影响电力系统稳定。

2.1.1 对主接线设计的基本要求

（1）满足用户或电力系统的供电可靠性和电能质量的要求； （2）接线简单、清晰、操作维护方便； （3）接线应具有一定的灵活性；

（4）满足电站初期发电及最终规模的运行要求，还应考虑便于分期过渡； 技术先进，经济合理。

2.1.2 可行的电气主接线方案

（1）水电站一般距负荷中心较远，在发电机电压侧很少接有大功率用户，而 较高电压送电，故主变压器容量多按机组容量确定。

（2）大型水电站都担负系统调峰，调频和事故备用，利用小时数一般较低，因此开停机比较频繁。

（3）水电站开机程序比较简单，机组起动迅速，并容易实现自动化。

（4）电站规模确定后，一般不考虑扩建，但对规划设计中明确分期建设的电站，则在主接线中应予以考虑。

（5）水电站厂用电负荷较小，一般不从高压侧引接，备用厂用电源可引自地区配电网或保留施工变电所来解决。

（6）水电站地形复杂，电气设备布置及进出线走廊均受到一定限制，应尽可能简化接线，

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避免在水电站设置复杂的变电枢纽。并尽量减少电压等级和进出线回路数。

2.1.3 发变组接线特点

发电机电压接线采用发电机——变压器组接线中的单元接线，其特点为：

（1）发电机与主变压器容量相似，接线最简明清晰，故障影响范围最小，运行可靠、灵活。

（2）发电机电压设备元件最少，布置最简单方便，维护工作量也最小。 （3）继电保护配置简单。

（4）主变压器故障时影响机组送电。 2.2 技术比较

2.2.1 一台半断路器接线的特点：

（1）有高度可靠性：每一回路由两台断路器供电，发生母线故障时，只跳开与次母线相连的所有断路器，任何回路不停电。在事故与检修相重合的情况下停运的回路数不超过两回。

（2）运行调度灵活：正常时两组母线和全部断路器全部投入工作，从而形成多环形供电，运行调度灵活。但停运一个回路需操作两台断路器，母线故障时，接线内潮流变化大。

（3）操作检修方便：隔离开关只作为检修时用，不作为操作电器，避免了将隔离开关作操作时的倒闸操作。检修母线时，回路不需要切换。

（4）继电保护及二次回路的复杂性：由于每个回路连接两台断路器，一台中间断路器连接着两个回路，保护接于两组电流互感器的和电流，因而其电流互感器的二次回路保护装置的跳合闸出口回路等较为复杂。应用于发电厂时，发电机—变压器组与线路公用的中间断路器，只能在单元控制室控制，并在网络控制室设相应的断路器信号，比较复杂。

2.2.2 双母线接线特点 （1） 接线清晰。

（2） 每一进出线各自接一组断路器，互不影响。

（3） 一组母线及所连接设备故障，不影响另一组母线供电，将故障母线所接回路切换到另一组母线后即可恢复供电，运行灵活可靠。

（4） 两组母线可根据各线路负荷情况，通过切换，达到两组母线的负荷大致平衡。 （5） 任一组母线及所连接设备检修，经过切换操作，不影响供电。 （6） 扩建方便。

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（7） 隔离开关数目多，切换母线操作过程比较复杂，容易造成误操作，而且不利于实现自动化和远动化。

（8） 母联断路器故障需短时全厂停电，检修时两组母线解列或按单母线运行。 2.3 经济性比较

图2-1双母线接线

W2W1S1S2S3S4 图2-2一台半断路器接线 表2-1经济性比较

双 母 线 接 线 一台半断路器接线 4

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断 路 器 台数 8 隔 离 开 关 23 断 路 器 11 隔 离 开 关 25 综合分析：

双母线接线一般适用于电力系统中地位比较重要的大中型水电站，电压为110~500KV，出线回路数超过4回。双母线接线对继电保护的选择整定较一台半断路器接线简单，双母线接线比一台半断路器接线较为经济，并有供电的可靠性，决定采用双母线接线。 2.4 主变压器的选择

主变压器的容量和台数的确定原则：

所以选择发电机-变压器组单元接线的主变压器时，应遵循以下原则：变压器容量选择按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。

发电机容量：460MW COS?=0.9 Sn=460/0.9=511.1MVA 511.1?（1-0.5%）=505.989MVA

505.989?（1+10%）=556.588MVA=556588KVA 556588/3=185529KVA 选用无励磁调压变压器YN，d11

表2-2主变压器参数表

型 号 容 量 电压 高 压（KV） 低 压（KV） DFP-170000/550/170000KVA 550?2?2.5% 20 3 空 载 电 流（%） 空 载 损 耗（KW） 负 载 损 耗（KW） 阻 抗 电 压（%） 0.8 162 600 14

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3 发电厂厂用电接线的最佳方案

3.1 方案确定

厂用电设计应按照运行、检修和施工的要求，考虑全厂发展规划，妥善解决分期建设引起的问题。积极慎重地采用经过鉴定的新技术和新设备，使设计达到经济、技术先进、保证机组安全、经济和满发的运行。

3.1.1 厂用电接线应满足的要求

（1） 各机组的厂用电系统应是独立的，特别是300MW及以上机组。一台机组的故障停运或其辅机的电气故障，不应影响到另一台的正常运行。并能在短时间内恢复本机组的运行。

（2） 充分考虑机组起动和停运过程中的供电要求。一般均应配置可靠的起动（备用）电源，在机组起动、停运和事故时的切换操作要少，并能与工作电源短时并列。

（3） 300MW及以上机组应设置足够容量的交流事故保安电源，当全厂停电时，可以快速起动和自动投入，向保安负荷供电。

3.1.2 厂用电源取得方式

厂用电源通常考虑由单元接线的发电机出口供给。 3.1.3 备用电源取得方式

备用电源一般可通过主变压器倒送厂用电或由与系统联系紧密的最低一级电压母线上接高压备用变压器以取得备用电源，或者通过保留施工电源。

3.1.4 厂用电压等级的选择

水电站厂用负荷较小，一般无大容量的厂用电动机，通常只需380/220V电压供电。低压厂用电压采用380/220V三相四线制系统，中性点直接接地。高压厂用电压一般采用6~10KV三相系统。

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图3-1厂用电接线图

3.2 厂用变压器的选择

厂用变压器的选择主要考虑高压工作变压器和起动备用变压器的选择，其选择内容包括变压器的台数、型式、额定电压、容量和阻抗。为了正确选择厂用变压器容量，首先应对厂用主要用电设备的容量、数量及其运行方式有所了解，并予以分类和统计，最后确定厂用变压器容量。厂用变压器容量必须满足厂用电负荷从电源获得足够的功率。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。

3.2.1 厂用变压器的选择

发电机容量：460MW COS?=0.9 Sn=511.1MVA 厂用变压器容量按本机组的厂用负荷确定。

511.1×0.5%==2555KVA 2555/3=852KVA

表3-1厂用变压器参数

型号 额定容 量 电高 压（KV） DCB-800/20/800KVA 20 3 空 载 电 流（%） 空 载 损 耗（KW） 短 路 损 耗（KW） 2 6.5 33 7

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压 低 压（KV） 6.3 阻 抗 电 压（%） 7 低压工作及备用变压器选用S6-800/10型

表3-2工作变压器参数

联接组别 容 量 电压 高 压（KV） 低 压（KV） Y,yn0 800KVA 6.3 0.4 空 载 电 流（%） 空 载 损 耗（W） 短 路 损 耗（W） 阻 抗 电 压（%） 1.0/2.5 1400 7500 5

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4 短路电流的计算

电力系统的事故大部分是由短路引起的，发生短路时，电流可能达到正常运行电流的十几倍，这样大的电流所产生的热效应和力效应会使电气设备受到严重损坏，因此，在进行设计时，应采取措施尽快切除短路故障，以使载流部分保持热稳定和动稳定。 4.1网络变换

图4-1等值电路图

4.2 求计算电抗

基准功率 SB =1000MVA 基准电压UB=UAV

SN?PN460??511.1MVA

COS?0.9查表得

主变：DFP-170000/550/3-2?2.5%/20 US% = 14 发动机：SF460-48/12300 Xd???0.2055 厂变：SZ6-800/20 US% = 7

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US%SB141000???0.824

100SN100170?3Xd??SB1000?0.2055??0.411 SN511.17?1000?100?0.8?3?14

XT1=XT2 =XT3=XT4=

XG1=XG2 =XG3=XG4=XT5=XT6 =XT7=XT8=

US%SB100SN1）当d1点短路时（母线短路）

总

10

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X总=(0.824+0.411)/4=0.309 2）当d2点短路时（发电机出口侧）

总

11

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X总=（0.824+0.411）/3=0.412 ∑Y=

111111??????62.812 X系X总XT10.01690.4120.824X15?X系?XT1??Y?0.0169?0.824?62.812?0.875 X16?X总?XT1??Y?0.412?0.824?62.812?21.324

3）当d3点短路时（厂用低压侧）

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总

X总=（0.824+0.411）/3=0.412 利用分步系数法和星三角变换法：

?111?X1?X系?XT1??X?X?X???X15?0.875

T1总??系?111?X2?X总?XT1????X16?21.324 ??X??系XT1X总?总

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11111111????????2.505 X1X2XT5XG10.87521.324140.411?Y?X3?X1?XT5??Y?0.875?14?2.505?30.686 X4?X2?XT5??Y?21.324?14?2.505?747.833 X5?XG1?XT5??Y?0.411?14?2.505?14.414

总

4.3 计算电抗求值 f-1点

XjsB?X总?SN511.1?0.309?4??0.632 SB1000SN1000?0.875??0.875 SB1000 f-2点 Xjs系?X15?XjsB?X16?SN511.1?21.324?3??32.696>3.45 SB1000XjsC?XG1?SN511.1?0.411??0.21 SB1000SN1000?30.686??30.686?3.45 SB1000 f-3点 Xjs系?X3? XjsB?X4?SN511.1?747.833?3??1146.652>3.45 SB100014

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SN511.1?14.414??7.367?3.45SB1000

XjsC?X5?4.4 短路电流计算

1）f-1点查计算曲线求短路电流周期分量标么值

表4-1 f-1点短路电流周期分量标么值 时 间 0 S 2 S 4 S 系统 发电机IB 59.17 59.17 59.17 1.802 2.054 2.263 无限大系统其IPS*?111???59.17XfsX系0.0169'

无限大功率电源提供的短路电流为IPS?IPS*IB?IPS*?短路电流基准值为

'IB?SB3Uav

SB1000??1.0997KA I?SN?511.1?4?2.248KA3Uav3?5253UB3?525

短路电流的有名值：

'If0?IAIB?IBI?59.17?1.0997?1.802?2.248?65.07?4.05?69.12KA 'If2?IAIB?IBI?59.17?1.0997?2.054?2.248?69.687KA 'If4?IAIB?IBI?59.17?1.0997?2.263?2.248?70.156KA

2）f-2点查计算曲线求短路电流周期分量标么值

表4-2 f-2点短路电流周期分量标么值

时 间 0 S 2 S 4 S 系统 发电机IB 发电机IC 1.182 1.403 1.403 0.031 0.031 0.031 5.526 3.378 3.234

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SB1000S511.1?3??28.867KAI1?N??44.263KA3Uav3?213UB3?21 511.1?14.754KA 3?21'IB?基准值：

I2?SN3UB?短路电流的有名值：

'If0?IAIB?IBI1?ICI2?1.182?28.867?0.031?44.236?5.526?14.754?117.023KA'If2?IAIB?IBI1?ICI2?1.403?28.867?0.031?44.263?3.378?14.754?91.712KA 'If4?IAIB?IBI1?ICI2?1.403?28.867?0.031?44.263?3.234?14.754?89.587KA

3）f-3点短路电流周期分量标么值，查表得

表4-3 f-3点短路电流周期分量标么值

时 间 0 S 2 S 4 S 系统 发电机IB 发电机IC 0.033 0.033 0.033 0.000872 0.000872 0.000872 0.136 0.136 0.136 1?0.03330.68611??0.000872 IB?XjsB1146.652IC?1?0.1367.367'IB?基准值： I2?SB1000??91.643KA I1?SN?511.1?3?140.516KA 3Uav3?6.33UB3?6.3?511.1?46.839KA3?6.3

SN3UB短路电流的有名值：

'If0?IAIB?IBI1?ICI2?0.033?91.643?0.000872?140.516?0.136?46.839?9.517KA'If2?IAIB?IBI1?ICI2?0.033?91.643?0.000872?140.516?0.136?46.839?9.517KA16

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'If4?IAIB?IBI1?ICI2?0.033?91.643?0.000872?140.516?0.136?46.839?9.517KA4.5短路冲击电流值的计算

表4-4短路点冲击系数

短 路 点 发 电 机 端 发电厂变压器侧母线及发电机电压电抗器后 远离发电厂的地点 冲 击 系 数 1.9 1.85 1.8 ???KimLDILD??）Iim?（KimGIG?2 f-1点 Iim?(59.17?1.0997?1.8?1.802?2.248?1.85)?2?176.238KA f-2点 Iim?(1.182?28.867?1.8?0.031?44.236?1.85?5.526?14.754?1.9)?2?309.518KA f-3点 I??0.033?91.643?1.8?0.000872?140.516?1.9?0.136?46.839?1.9??2?17.117KAim

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5 发电机变压器的保护配置

5.1 概论

继电保护设计的原则及一般规定设计的准则：

继电保护和安全自动装置是电力系统的重要组成部分，对保证电力系统的安全经济运行，防止事故发生或扩大起重大作用。要合理处理继电保护和安全自动装置与其保护对象——电网一次部分的关系。继电保护和安全自动装置由于本身特点及重要性，要求采用成熟的特别是符合我国电网要求的有运行经验的技术。不合理的电网结构、厂站主接线和运行方式必将导致继电保护和安全自动装置困难，接线复杂。有时为适应一次部分某些特殊需要采用一些不成熟的非常规的保护装置，由此往往引起保护误动，甚至使一般性故障夸大为系统性事故，设计中应该注意。继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性、选择性、灵敏性与速动性的要求。要结合具体条件和要求，从装置的选型、配置、整定、试验、交直流电源、二次回路及运行维护等方面结合采取措施，突出重点，统筹兼顾，妥善处理，以达到保证电网安全经济运行的目的。主保护与后备保护的连接方式应根据线路重要程度决定。主设备继电保护保护的设计原则在电力系统的增大，大容量的发电机继续不断增多，以及对电力系统可靠运行的要求下有重要作用。装设完备的继电保护装置对重要而昂贵的设备减少在各种短路和异常运行是造成的损坏，在经济效益上有显著的效果。在主设备的保护设计中，要求保护在装置，原理接线和设备选型等方面，根据主设备的运行工况及结构特点，达到可靠、灵敏、快速且有选择性的要求。保护装置选型在各电厂设计中宜一致，但为了更好地满足保护双重化选用性能更完善，更可靠的装置等要求，也可选用不同类型的保护装置。 5.2 发电机—变压器组保护配置 发电机—变压器组的保护配置：

1）避雷器装设于主变压器中性点。

2）反映相间短路故障的保护：变压器瓦斯保护；

3）差动保护，复合电压起动过电流保护或负序电流保护、阻抗保护；变压器零序保护； 4）反映接地的保护：定子绕组100%接地保护；励磁回路一点接地或两点接地保护。 5）发电机匝间保护。

6）反映异常运行状况的保护：过电压保护；失磁保护；对称过负荷保护；变压器温度保护，变压器冷却系统故障保护。

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7）后备保护：对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用过电流保护（适用于降压变），复合电压（负序电压及线电压）起动的过电流保护（适用于升压变） 高压厂用变压器的保护配置：

瓦斯保护；纵联差动保护；电流速断保护；过电流保护。 母线保护的配置：

双母线的母线相位比较差动保护。 自动装置的配置：

备用电源自动投入装置、重合闸装置、自动调节励磁装置和灭磁装置、同期装置。 5.3 线路继电保护的配置

电力系统中的电力设备和线路，应装设在断路故障和异常运行的保护装置。电力设备和线路的保护应有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。继电保护装置必须满足可靠性、选择性、灵活性和速动性四个基本要求。 5.4 自动装置配置

自动装置的基本要求应符合可靠性、选择性、灵活性和连动性的要求。一般有以下几种： （1） 自动重合闸

在电网中得到普遍应用的有单相重合闸、三相重合闸以及既能单相又可三相的重合闸三大类。

（2） 备用电源自动投入装置 厂用电源装设备用电源自动投入装置。

（3） 发电机装设自动励磁调整装置和自动灭磁装置。 （4） 同期装置。

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6 电气设备的选择与校验

6.1 保护的配置方案

6.1.1 互感器的配置

互感器在主接线中的配置与测量仪表、同支点的选择、保护和自动装置的要求以及主接线的形式有关。

1）电流互感器的配置原则

（1） 为满足测量和保护的需要，在发电机、变压器、出线母线和母线断路器、旁路断路器等回路均设有电流互感器。对于中性点直接接地系统，一般按三相配置，对中性点非直接接地系统，按二相或三相配置；

（2） 对于保护用电流互感器的装设地点应尽量消除主保护装置的不保护区来设置； （3） 为了防止支持式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧；

（4） 为了在内部故障时及时发现电机内部短路电流，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧，为便于分析和发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的 电流互感器宜装在发电机中性点侧。

2）电压互感器的配置

（1） .电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并满足测量、保护、同期和自动装置的要求。电压互感器的配置应能保证运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点都能提取电压；

（2） .厂用母线上应装设电压互感器；

（3） 当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相应装设电压互感器； （4） 发电机出口一般装设两组电压互感器，供测量、保护和自动电压调整装置需要。当发电机配有双套自动电压调整装置，且采用零序电压式匝间保护时，可再增设一组电压互感器。

6.1.2 隔离开关的配置

（1） 接在母线上的避雷器和电压互感器合用一组隔离开关。 （2） 断路器两侧均应配置隔离开关，以便在其检修时隔离电源用。 （3） 500KV主变压器中性点通过隔离开关接地。

20

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6.1.3 接地刀闸的配置

为保证电器和母线的检修安全，500KV 双母线接线每组母线上装设2组独立式母线接地器。

500KV配电装置的断路器两侧隔离开关和线路隔离开关宜配置接地刀闸。 6.1.4 避雷器的配置

对于雷电入侵波，最好选用氧化锌避雷器进行保护，主要在以下地方配置： （1） 配电装置的每组母线上，应装设避雷器； （2） 500KV主变压器进线装设一组避雷器； （3） 出现侧应安装避雷器；

（4） 变压器中性点应装设一组避雷器； （5） 发电机出口应该装设一组避雷器。 6.1.5 避雷针的配置

对于直击雷最好采用避雷针防护，主要在 500KV屋外配电装置，将避雷针装设在配电装置的构架上；

独立避雷针不应装设在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路出入口等的距离不应小于3m，否则采取均压措施。避雷针与主接线网的地下连接点至变压器接地线与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不小于15 m。

在变压器的门型构架上不易装设避雷针、避雷线。 高压电器选择的一般原则：

（1） 应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。 （2） 应按当地条件校核。 （3） 应力求技术先进和经济合理。 （4） 与整个工程的建设标准应协调一致。 （5） 同类设备应尽量减少品种。

（6） 选用新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格，所选出的 高压电器应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。

21

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6.2 设备选择（电气主接线部分）(GIS)

6.2.1 断路器的选择与校验

高压断路器是发电厂和变电站电气主系统的重要开关电器，高压断路器的主要功能是：把设备或线路接入电网或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路，保证无故障部分正常运行，起着保护作用。高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备，其最大特点是能断开电器中负荷电流和短路电流。用开关电器切除通有电流的线路时，只要电源电压大于10～20V,电流大于80～100mA，在开关电器的动静触头分离瞬间，触头间就会出现电弧，而电弧能否熄灭，决定于电弧电流过零时，弧隙的介质强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的竞争。

断路器不但要满足正常运行和短路开断性能要求，对不同接线方式、配置在不同位置的断路器，还应满足不同条件下的多种开断要求，如近区故障、发展性故障、并联开断、反相开断、且空载长线路或空载变压器，以及切合并联电抗器等，对调峰运行水电站，还应满足频繁操作的要求。对超高压断路器还要能适应电力系统稳定和过电压对断路器的要求，如快速开断、同支性和限制内过电压措施等。 现代高压开关电器中，灭弧方式有：

（1） 利用灭弧介质。

（2） 采用特殊金属材料作灭弧触头。 （3） 利用气体灭弧。 （4） 采用多断口熄弧。

（5） 提高断路器触头的分离速度。

SF6断路器性能较优，不检修周期间隔期长，噪声低，运行稳定，安全可靠，寿命长，有利于简化接线。

500KV电压等级的断路器（8台） 选择要求：

（1） 断路器的额定关合电流，不应小于短路冲击电流值。

（2） 关于分合闸时间，对于110KV以上的电网，当电力系统稳定要求快速切除故障时，分闸时间不宜大于0.04S。 种类及型式选择：

22

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SF6断路器由SF6气体灭弧，对材料、工艺及密封要求严格，有屋外敞开式及屋外落地罐式之别，更多用于GIS(封闭组合电器)。其额定电流和开断电流可作得很大，开断性能好，适用于各种工况开断，断口电压可作得较高，断口开距小。 额定电压和电流的选择：

UN?UNS UNS?500KV IN?Imax Imax开断电流选择：

1.05?460?103???619.7A

3UNCOS?3?500?0.91.05PNINbr?Ipt

Ipt?I\?69.12KA

Ipt—开断瞬间的短路电流周期分量有效值

短路关合电流的选择：

INcl?Ish ish?176.238KA

表6-1所选断路器参数

型 号 额 定 电 压（KV） 额 定 电 流 (A) 最高工作电压（KV） 合闸时间（ms） LW12－500 500 3150 550 130 额定开段电流（KA） 动稳定电流峰值（KA） 热稳定电流（KA） 额定关合电流峰值（KA） 固有分闸时间（ms） 63 160 63 160 20 短路热稳定和动稳定校验：

QK?

I\?10I2tk2?Itk21269.122?10?69.6872?70.15622tk??4?10420.7??KA??S???12It2t =632?4=15876>Qk 满足要求。 ies?160KA ies?ish 满足要求。

23

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6.2.2 隔离开关的选择与检验

高压隔离开关的主要功能是保证高压电器及装置在检修工作时的安全，不能用于切断，投入负荷电流或开断短路电流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作；双母线接线是进行倒闸操作；接通或断开电流电路。

隔离开关型式对配电装置的布置影响较大，在满足一般技术条件下，合理地选择隔离开关型式十分重要。应根据装设地点、环境条件、配电装置型式和布置方式等要求，经综合比较确定。

500KV侧隔离开关（23台）

UN?UNS UNS?500KV

IN?Imax Imax1.05?460?103???619.7A3UNCOS?3?500?0.9

1.05PN表6-2所选隔离开关的参数

型 号 额 定 电 压（KV） 额 定 电 流 (A) 500 3150 GW7－500D 动稳定电流峰值（KA） 热稳定电流 (KA) 125 50 短路热稳定和动稳定检验：

QK?I\?10I2tk2?Itk21269.122?10?69.6872?70.15622tk??4?10420.7??KA??S???12It2t ?>Qk 满足要求。ies??ish 满足要求。

6.2.3 互感器的选择

互感器是电力系统中测量仪表，继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器，互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、100/3V）和小电流（5、1A），其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护等。为了确保工作人员在接触测量仪表和继电器时的安全，互感器的每一个二次绕组必须有一可靠的接地，以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。

互感器包括电流互感器和电压互感器两大类，主要是电磁式的。此外电容式电压互感器在超高压系统中也被广泛应用，注意电流互感器在运行时，二次侧严禁开路，电压互感器在

24

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运行时，二次侧严禁短路。

电压互感器的配置：

（1） 电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足测量、保护、同期和自动装置的要求。电压互感器的配置应能保证在运行方式改变时，保护配置不得失压，同期点的两侧都能提取到电压。

（2） 500KV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感器。 电流互感器的配置：

（1） 凡装有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。

（2） 在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器：发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的之间。

（3） 对直接接地系统，一般按三相配置。对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相布置。

电流互感器的选择

500KV等级电流互感器（48台）一次回路额定电压和电流的选择：

UN?UNS UNS?500KV

IN?Imax Imax1.05?460?103???619.7A

3UNCOS?3?500?0.91.05PN表6-3所选电流互感器的参数 LB1-500 5P/0.2/TPY/ 型 号 LB1-500W1 2?1250/1 二次组合 TPY/TPY/TPY 电 压（KV） 500 测量级 稳态保护级 二次序号 暂态保护级 1 2 36 45 短路热稳定电流动稳定电流（KA） 准确级 0.2/05 5P TPY （KA） 25

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15 额定负荷（VA） 50/50 50 20 仪表保安系数 准确限值系数 短路电流系数 ?5 15 62.5-1 15 25-50 25 QK?I\?10I2tk2?Itk21269.122?10?69.6872?70.15622tk??4?10420.7??KA??S?

??12热稳定校验：

It2t >Qk 满足要求。

动稳定校验：ies?ish 满足要求。 发电机出口及中性点电流互感器：

UN?UNS UNS?500KV

IN?Imax Imax1.05?460?103???15492A

3UNCOS?3?20?0.91.05PN 选择LMZB3-20型

表6-4所选电流互感器参数

额定电流比（A） 次级组合 准 确 级 次 0.5级D级二次负荷（?） 15000/5 0.5/0.5/0.5/B/B/B 0.5 B 3 3 10% 倍 数（倍） 1S热稳定倍数（倍） 动稳定倍数（倍） - - - - - 电压互感器的选择 500KV电容式电压互感器

表6-5电容式电压互感器参数

型 号 分压电压容量C2(?F) TYD3500/3—0.0050.005H 二次负荷（VA） 0.2级 0.5级 150 300 0.005 初级绕组 次级绕组 剩余电压绕组 26

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额 定 电 压（KV） 500/3 0.1/3 0.1 6.2.4 导体的选择 概述

导体通常由铜、铝制成。载流导体一般使用铝或铝合金材料。纯铝的成型导体一般为矩形、槽型和管型；铝合金导体有铝锰合金和铝镁合金两种，形状均为管型，铝锰合金载流量大，但强度较差，而铝镁合金载流量小，但机械强度大，其缺点是焊接困难，因此使用受到限制；铜导体只用在持续工作电流大，且出线位置特别狭窄或污秽对铝有严重腐蚀的场所。

硬导体截面常用的有矩形、槽型和管型。单条矩形导体截面最大不超过1250mm，以减少集肤效应，使用于大电流时，可将2～4条矩形导体并列使用，矩形导体一般只用于35KV及以下、电流在4000及以下的配电装置中；槽型导体机械强度好、载流量大，集肤效应系数较小，一般用于4000～8000A的配电装置中；管型导体集肤效应系数小、机械强度高，用于8000A以上的大电流母线或要求电晕放电电压高的110KV及以上的配电装置中。

软导体常用的有钢芯铝绞线、组合导线、分裂导线和扩径导线，后者多用于330KV及以上配电装置。

各种导线的优缺点：

硬导体机械强度高，载流量大，布置上要求的相间距离较小，故主要作为发电机至变压器的引出线及屋内高低压配电装置中作为主母线。

软导线施工方便，主要适用于架空电力线路及各型户外配电装置。 导体选择 母线导线选择

2KIal?Imax Imax1.05?460?103???619.7A

3UNCOS?3?500?0.9

1.05PN选用管型导体（铝锰合金）

表6-7所选导线参数

导体最高允许温度为下值时载流量（A） 导 体 尺 寸导体截面截面系数W（cm） 3惯性半径ri（cm） 惯性矩J（cm） 4D1/D2(mm) (mm) 70?C 80?C 227

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?100/90 校验：

1491 2350 2054 33.8 3.36 169 K??al??70?C?35?C??0.882

?al??070?C?25?CIal35?C?0.882?2350?2072.7?619.7A

热稳定校验：

正常运行时导体温度

2Imax619.72???0?(?al??0)2?35?(70?35)?38(?C) 2Ial2072.7查表得C＝99 则短路热稳定决定的最小导体截面为

Smin2?Q?10420.7KA?S? K?1.02 ???QKKf/C K??fSmin?1041(mm2)?1491mm2 满足要求。

6.2.5 接地开关的选择

简介：为保证电器和母线检修的安全，35KV及以上每段母线根据长度宜装设1~2组接地刀闸或接地器，两组接地刀闸间的距离应尽量保持适中；63KV及以上断路器两侧的隔离开关和线路隔离开关的线路侧，宜配置接地刀闸。母线的接地刀闸宜装设在母线电压互感器的隔离开关上和母联隔离开关上，也可装于其它回路母线隔离开关的基座上。必要时可设置独立式母线接地器。

母线接地刀（供电气设备检修情况下，不带电线路接地之用）。

表6-8接地开关参数 型号JW2-500（W）

额定电压（KV） 最 高 电 压（KV） 动稳定电流（KA） 2S热稳定电流（KA） 长期通流能力（A） 500 550 100 40 600 接线端额定静拉力（N） 对 地 工 频 耐 压（KV） 全波1.5/40?s雷电冲击对地耐压（KV） 250/2500?s操 作冲击对地耐压（KV） 爬 电 距 离（mm）普 通 型 1500 680 1675 1175 7480 28

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6.3 厂用电设备选择

6.3.1 高压开关柜及低压配电屏的选择

高压开关柜具有布置紧凑、安装简单、维护方便、运行安全等优点。已定型生产的高压开关柜使用电压为3~10KV和35KV，在水电厂中一般用于厂用高压配电装置。高压开关柜的使用范围主要受断路器容量限制，一般最大电流不超过2000安，开断电流不超过31.5KA。 开关柜参数选择

选用开关柜的电压等级应与工作回路电压相符，回路工作电流和开断电流不应超过开关柜规定参数范围。柜内主要设备（如断路器、隔离开关、电流、电压切合熔断器等），开关柜的型式应根据配电装置接线和布置条件确定。

UN?UNS UNS?6.3KV

IN?Imax Imax?开断电流选择：

1.05SN3UN?1.05?5000?481A

3?6.3INbr?Ipt Ipt?9.517KA

短路关合电流的选择：

INcl?Ish Ish?17.117KA

选用GFC—15型手车式高压开关柜，适用于3～10KV三相交流50HZ系统中，作为发电厂，变电站中控制发电机、变压器、受电、溃电以及厂用电的主要用柜。

GFC—15型高压开关柜系封闭式，整个柜分成两部分，由固定的柜体和可移动的手车所组成。使用条件为：海拔高度不超过1000m，周围介质温度不高于＋40?C，不低于－5?C。室内相对湿度不超过85％，没有导电尘埃与足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体的场所，没有爆炸危险及剧烈震动的场所。

表6-9开关柜的技术数据

额定电压（KV） 额定电流（A） 断流容量（KV/MVA） GFC—15型主要电气设备

6 600 10/750 操 作 方 式 母 线 系 统 外形尺寸（mm） 电磁操动机构、弹簧操动机构 单 母 线 700?1250?2000 29

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7 高压配电装置的设计

7.1 设计原则与要求

高压配电装置的设计必须认真贯彻国家的技术经济政策，遵循上级颁发的有关规程、规范及技术规定，并根据电力系统条件、自然环境特点和运行、检修、施工方面的要求，制定合理的布置方案和选用设备，积极慎重地采用新布置、新设备、新材料、新结构，使配电装置设计不断创新，做到技术先进、经济合理、运行可靠、维护方便。在确定配电装置型式时，必须满足下列四点要求：

（1） 节约用地。节约用地是我国现代化建设的一项带有战略性的方针。

（2） 运行安全和操作巡视方便。配电装置布置要整齐清晰，并能在运行中满足对人身和设备的安全要求，使配电装置一旦发生事故时，能将事故限制到最小范围和最低程度，并使运行人员在正常操作和处理事故的过程中不致发生意外情况，以及在检修维护过程中不致损害设备。此外，还应重视运行维护时的方便条件，如合理确定电气设备的操作位置，设置操作巡视通道，便利与主（网络）控制室联系等。

（3） 便于检修和安装。对于各种型式的配电装置，都要妥善考虑检修和安装条件。如为高型及半高型布置时，要对上层母线及隔离开关的检修、试验采取适当措施。

（4） 节约材料，降低造价。 高压配电装置设计的原则是：

（1） 高压配电装置的设计应符合有关规程、规范的要求。

（2） 设计应深入现场，积极慎重地采用新布置、新设备和新材料，使设计做到切合实际、运行可靠、维护方便、技术先进、经济合理。

（3） 设计时要考虑水电站的特点。确定布置型式时要注意充分利用地形、因地制宜、不占或少占农田；在保证安全可靠的前提下，布置力求整齐、简单、紧凑，便于安装、运行、检修和试验。当电站需分期过渡时，配电装置应满足其相应的要求。 7.2 布置的一般要求

（1）500KV屋外配电装置的最小安全净距。

表7-1 500KV屋外配电装置的安全净距

额定电压（KV） 带电部分至接地部分（A1）（mm） 500J 3800 35

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不同相的带电部分之间（A2） 带电部分至栅栏（B1） 带电部分至网状遮栏（B2） 无遮栏裸导体至地面（C） 不同时停电检修的无遮栏裸导体之间的水平净距（D） 4300 4500 3900 7500 5800 （2） 各级电压配电装置的回路排列和相序排列应一致。一般为面对出线自左向右、有远道近、从上到下按A、B、C相顺序排列。对硬导体应涂色，色别应为：A相黄色、B相绿色、C相红色。对绞线一般只标明相别。

（3） 相邻导电部分的额定电压不同时，应按较高额定电压确定其安全净距。 （4） 为使设备搬运方便，配电装置内可设置环形道路或回车道。环形道路路面宽度一般为3米，弯曲半径为7~7.5米。配电装置与外部公路连接的道路一般不小于3.5米。配电装置内应设有供运行巡视用的通道，通道宽度可取0.8~1.0米。也可利用坡度不大的电缆沟盖板作为部分巡视小道。

（5） 配电装置的遮栏高度，不应低于1.7米，栅栏高度不应低于1.2米。遮栏网孔不应大于40?40mm。栅栏最低栏杆至地面的净距不应大于200mm。 7.3 不同型式配电装置的特点

屋外配电装置可分为中型配电装置、高型配电装置和半高型配电装置。

（1） 中型配电装置。中型配电装置是将所有电气设备都安装在同一水平面内，并装在一定高度的基础上，使带电部分对地保持必要的高度，以使工作人员能在地面上安全活动；母线所在的水平面稍高于电气设备所在的水平面，母线和电气设备均不能上下重叠布置。中型配电装置布置比较清晰，不易误操作，运行可靠，施工和维护方便，造价最省，并有多年的运行经验；其缺点是占地面积过大。

（2） 高型配电装置。高型配电装置是将彝族母线几个离开馆与另一组母线几个里开关上下重叠布置的配电装置，可以节省占地面积50%左右，但耗用钢材较多，造价较高，操作和维护条件较差。

（3） 半高型配电装置。半高型配电装置是将母线置于高一层的水平面上，与断路器、电流互感器、隔离开关上下重叠布置，其占地面积比普通中型减少30%，半高型配电装置介于

236

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高型和中型之间，具有两者的优点，除母线隔离开关外，其余部分于中型布置基本相同，运行维护仍较方便。由于高型和半高型配电装置可大量节省占地面积，因而在电力系统中得到广泛应用。

屋外配电装置的选型除与主接线有关外，还与场地位置、面积、地质、地形条件及总体布置有关，并受到设备材料的供应、施工、运行和检修要求等因素的影响和限制，故应通过技术经济比较来选择最佳方案。鉴于中型占地面积过大，考虑到水电站的建造地点一般需尽量节省占地面积，而高型布置上层设备的检修不便，为了维护、检修的方便，决定采用半高型配电装置，一般能使纵向尺寸缩小三分之一到二分之一。水电站双母线接线时采用这种布置的效果最好。

7.4 管母线布置的优点

（1） 缩小占地面积：管母线与软母线相比，其在风偏和电动力作用下弧垂摇摆现象很微小，因此布置尺寸可按允许的最小安全净距来确定。同时，管母线布置常常配合采用剪刀式隔离开关等占地面积少的设备，显著的压缩了占地面积。

（2） 布置清晰直观：管母线用单柱式隔离开关时无设备引下线，开合指示清楚，不易误操作，整个架构紧凑直观。母线用支柱绝缘子支持，整个配电装置的悬式绝缘子串大为减少，架构也较低，便于巡视、维护、检修及清扫绝缘子。

（3） 简化架构：管母线由支持绝缘子支撑，母线不承受经常的张力，且弧垂极小，正常情况下作用于绝缘子上的力只是母线自重加上少量因母线热胀冷缩产生的摩擦阻力。由于荷载小架构大为简化，且管母线架构高度低，进出线架构也随之降低。

37

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8 避雷针的保护范围计算

mm

图8-1 避雷针布置图

图8-2两针保护范围

8.1 避雷针保护范围的计算步骤

确定被保护物的高度hx，避雷针的根数、位置与两针之间的距离D之后，按如下计算：

38

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（1） 按D?7hap，求ha及相应的h

ha?D7p h?ha?hx

ha—避雷针保护的有效高度

h—避雷针高度

hx—被保护物的高度

p—避雷针高度影响系数，20m时，p?当h?30m时，p?1。当30m?h?1（2）避雷针在hx水平面上的保护半径 rx??h?hx?p

（3）两针之间保护最低点的高度 h0?h?D7p

（4）针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度bx hx?5.5h

h0 时，bx?h0?hx 2h0 时，bx?1.5h0?2hx 2 hx?只有当各针间bx?0保护范围才能满足要求。 8.2 避雷针保护范围的计算

本设计500KVGIS配电装置占地长78米，.进出线构架高31米，断路器等电气设备都低于进出线构架高度，避雷针布置时，应保证进出线构架防直击雷。如果它能被保护,那么其它设备均能受到保护。避雷针装设在进出线的构架上，假设装设4根。

按D?7hap，求ha及相应的h

最大的针间距离D?51.5m，则ha?51.57?7.38m；h?ha?hx?7.38?31?38.38m，

39

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/akwg.html