青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计

摘 要

青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计

作者：胡杨 指导老师：宁联辉

摘要：

本文对青海40MW太阳能光伏并网电站电气一次设计以及线路继电保护的全面设计说明，其中包括主接线设计，短路电流计算，设备的选型及校验，所用电系统设计，防雷保护设计，配电装置布置设计以及线路的继电保护设计。

经过对原始资料的分析，初步确立了太阳能电池板和逆变器的型号，以及电源的汇流方式，并且确立了主接线的方案，电站一共分为两个电压等级，110kV和10kV等级，主接线方案中110kV等级上采用单母线的接线形式，10kV电压等级采用的是户内电压柜的单母线分段的接线方式。极大的提高了该方案的经济性、可靠性及灵活性。此外，10KV侧出线以及二次侧的电源全部采用地下电缆。

在本设计中，对上述两种方案进行了短路电流的计算和设备的选型及校验，其中短路电流的计算包括周期分量、非周期分量、冲击电流、短路容量及各种不对称短路的电流进行了较为详细的计算。在选型过程中，10KV侧使用了高压开关柜，校验时对两种方案的热效应分别采用了辛普生法和等值时间法的不同计算方法。

在线路保护计算设计部分，110KV的线路均采用了南瑞继电保护电气有限公司研制开发的RCS-90系列微机型高压线路成套保护装置，这种保护动作速度快，误差小，运行维护及整定简单，方便可靠，不受运行方式限制，代表着今后电力系统继电保护发展的方向。

关键字：电气一次 主接线 短路电流 线路保护

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摘 要

Abstract:

In this paper, the time the design of the Qinghai 40MW solar photovoltaic grid power plant electrical and comprehensive design of the line relay instructions, including the main wiring design, short circuit current calculation, equipment selection and calibration, power system design, lightning protection design distribution plant layout design and circuit protection design.

Analysis of raw data, initially established a model of the solar panels and inverter, as well as the power of convergence, and to establish a program of the main wiring, power plants and a total of two voltage levels, 110kV and 10kV level, the main wiring wiring form of single-bus 110kV rating program, the 10kV voltage level is a single bus section of the indoor voltage cabinet wiring. Greatly improves the economic, reliability and flexibility of the program. In addition, the 10KV side of the outlet and the secondary side of power used in all underground cables.

In this design, these two programs, short-circuit current calculation and the selection of equipment and calibration, short circuit current calculation, including a periodic component, non-periodic components, the impact of current, short circuit capacity and a variety of asymmetric short-circuit The current in a more detailed calculation. In the selection process, the 10KV side using the high voltage switchboard, checksum when the thermal effects of the two options were calculated using the Simpson method and the equivalent time method.

Calculate the design part of the line protection, The 110KV the lines are used the NARI protection Electric Co., Ltd. developed the RCS-90 series microprocessor-based high-voltage line complete sets of protective devices, such protection movement speed, the error is small, operation and maintenance and tuning simple, convenient and reliable, from the run way limit, representing the future direction of development of power system protection.

Keywords: The primary electric design main connection Short-circuit current Line Protection

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目 录

第1章 绪论 .............................................................................................................. 1

1.1选题的目的及意义 ...................................................................................... 1 1.2本课题在国内外的研究状况及发展趋势 .................................................. 2

1.2.1研究现状 ........................................................................................... 2 1.2.2发展趋势 ........................................................................................... 3

第2章 太阳能组件和逆变器的选择 .................................................................... 6

2.1 太阳能电池组件的选择 ........................................................................... 6 2.2并网逆变器的选择 ...................................................................................... 8 2.3 逆变器集成方式 ....................................................................................... 9 第3章 主接线方案的选择 .................................................................................. 10

3.1 原始资料分析 ......................................................................................... 10 3.2 主接线方案的拟定 ................................................................................. 10 第4章 厂用电设计 .............................................................................................. 15 第5章 主变选择以及短路电流计算 .................................................................. 17

5.1 主变压器的选择 ..................................................................................... 17

5.1.1 110kV/10.5kV变压器的选择 ..................................................... 17 5.1.2 其余变压器的选择 ...................................................................... 19 5.2 短路电流计算 ......................................................................................... 19

5.2.1 概述 .............................................................................................. 19 5.2.2 计算假定条件和一般规定 .......................................................... 20 5.2.3 三相对称短路计算步骤 .............................................................. 21 5.2.4 非对称短路计算 .......................................................................... 24

第6章 主要电气设备的选型 .............................................................................. 27

6.1 电气设备选择的原则 ............................................................................. 27

6.1.1 电气设备选择的一般原则 .......................................................... 27 6.1.2 技术条件 ...................................................................................... 27 6.1.3 对断路器和隔离开关的特殊要求 .............................................. 29 6.2 主要电气设备的选择与校验 ................................................................. 30

6.2.1 110kV母线的选择 ...................................................................... 30

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6.2.2 10.5kV母线的选择 ..................................................................... 31 6.2.3 110kV母线进线与出线断路器和隔离开关的选择 .................. 32 6.2.4 110kV母线电流互感器和电压互感器的选择 .......................... 33 6.2.5 10.5kV母线电压互感器和出线电流互感器的选择 ................. 34 6.2.6 变压器中性点接地侧的电流互感器选择 .................................. 35 6.2.7 10.5kV母线断路器和隔离开关的选择 ..................................... 36 6.2.8 避雷器的选择 .............................................................................. 37

第7章 配电装置布置及绘图 .............................................................................. 39

7.1 配电装置的总体设计原则 ..................................................................... 39 7.2 配电装置的设计要求 ............................................................................. 39 7.3 配电装置图的绘制原则 ......................................................................... 39 第8章 继电保护 .................................................................................................. 40

8.1 概述 ......................................................................................................... 40 8.2 110kV线路保护设计 ............................................................................. 41 8.3 RCS-941A线路保护成套装置简介 ...................................................... 44 8.4 110kV线路保护的整定计算 ................................................................. 49 8.5 110kV母线保护 ...................................................................................... 55

8.5.1 母线保护装置选择及保护配置 .................................................. 56 8.5.2 保护原理 ...................................................................................... 56 8.5.3 保护整定定值 .............................................................................. 57 8.6 变压器组保护及配置 ............................................................................. 58

8.6.1 保护装置 ...................................................................................... 58 8.6.2 变压器差动保护 .......................................................................... 59 8.6.3 变压器相间短路后备保护 .......................................................... 60

总 结 ........................................................................................................................ 62 致 谢 ........................................................................................................................ 63 参考文献 .................................................................................................................. 64 附录清单 .................................................................................................................. 65

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第1章 绪论

1.1选题的目的及意义

太阳能的热能利用和光能利用是其两个最重要的应用领域，是由太阳能的特殊性所决定的，包括储量巨大、不会枯竭、清洁能源、不受地域限制。利用太阳能来进行发电，需要了解什么是“光发电效应”或简称为“光伏效应”。

太阳能电池板主要由半导体制成，在半导体上照射光后，由于其吸收光能会激发出电子和正电荷，从而半导体中有电流流过，这个称为“光伏效应”。

利用太阳能进行分散型发电和供电有以下几个优点：

（1）对难以供电的无电地区。如上所述，由于太阳能不受地域限制、无处不在的特点，可将太阳能发电用于远离大陆的海岛灯塔、远离城市远的山区小屋、山顶的无线电转播台等最能发挥太阳能发电优势的地区。

（2）能减少输电损耗。由于太阳能发电是分散型发电，一般只需要满足本地区域用电，无需远距离送电，故减少了输电损耗。

（3）对城市供电高峰时的平峰贡献。发电设备建设周期长，运行以后无法在短时间内增加尖峰负荷所需电力，而且城市供电的负荷十分不平衡。太阳能发电就可以在城市电力高峰时，与交流电网并网，以补足峰值负荷的不足，起到“平峰”作用。而且太阳能发电的电力负荷曲线刚好与城市电力的需求相吻合。

（4）电源多样化，可以安全可靠的供电。常规能源有火力、水力、核电等；新能源则有风力、太阳能等。多种能源发、供电，对一个国家的安全、可靠供电有利，将不会依赖特定的燃料供给。特别是发生自然灾害之际，学校、医院、公园都需要事先设置紧急的太阳能发电备用电源。

我国的青海省地域广阔，又处在高原，太阳能资源丰富，全国的40%多的大型太阳能并网发电站在青海省，而其中大部分集中在格尔木。这次

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 要求设计的发电站与相同发电量的火电相比，相当于每年节约标煤2.5万吨，相应减少二氧化碳约6.7万吨/年。在燃料能源快速消耗的今天，需要找到一种能源取而代之，太阳能属于清洁能源、可再生能源，正是我们所需要的，节省能源消耗，减少了空气中的有害气体排放，更加环保。

1.2本课题在国内外的研究状况及发展趋势

1.2.1研究现状

国际上太阳能电池的研究与开发具有领先地位的主要是德国、日本、美国和澳大利亚等发达国家。1995年以来，世界上太阳能电池一直优质高速的发展，主要是德国和日本两国在光伏利用方面采取了一系列的行政措施，通过政策的推行收到了很好的效果。

（1）日本的“阳光计划”。是日本光伏发电发展阶段的第三阶段，开发的重点是降低光电器材件成本的价格和高效材料的开发，同时认为扩大生产规模是降低成本的主要条件。鉴于1992年世界环保大会后，民众对降低二氧化碳等问题的重视，日本通产省决定在日本实施住宅用光电系统的优惠政策，即对每户居民住宅用光电系统（含逆变器、蓄电池和电网连接系统）的采用，补助造价的一半，对建设商也采取同样补助，从而极大的促进了住宅用电项目的推广。2000年达到129MW（峰值），超过美国居世界第一。

（2）德国的“10万屋顶发电计划”。德国在2000年首先颁布了可再生能源法，2003年又公布了可再生能源促进法，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰。2004年德国光伏发电总量达到601TWh，可再生能源发电占9.3%。德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力的举措，主要是银行贷款和上网电价补贴等。在德国，若在自家屋顶上安装一套光伏发电设备相当于办一个小发电站，发出的电输送到公共电网，国家最高给予54.7分/千瓦时的补贴，也就是说，安装光伏发电设备可以得到高的经济回报。因此，目前德国光伏产业已经成为了一个非常活跃的

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经济产业。2004年德国光伏安装总量首次超过日本，走在世界前列。

欧美等发达国家太阳能发电市场日益蓬勃的动力在于其制定了太阳能发电“上网电价法”，如实施“上网电价法”最早的国家德国，其太阳能发电平均上网电价为0.55欧元/kWh，实施时间为20年。

我国在太阳能光热利用方面已经走在世界的前列，是最大的太阳能热水器生产国，同时也是太阳能热水器的最大消费市场。西方发达国家，如德国、美国和日本大力发展光伏产业，在太阳能电池研究、产业和应用方面取得了惊人的进展，为世界各国在发展可再生资源利用方面树立了典范。我国在光伏研究和产业方面奋起直追，也取得了较大的进展，2004年在太阳能电池的产业规模上首次超过印度。我国2006年1月1日实施的《可再生能源法》明确指出：国家鼓励和支持可再生能源并网发电。同时在生物质和风能发电方面，国家制定了专门的上网电价补贴政策。太阳能光伏发电系统的应用非常广泛，北京奥运会、上海世博会、加油站、公园等处处都有应用，太阳能光伏发电系统的推广应用使得我们的生活方式更绿色、更环保。

在光伏发电技术方面，我们知道太阳能光伏发电系统主要由三个部分组成：太阳能电池组，并网逆变器和监控系统。其中最核心的部分是太阳能电池，目前用于太阳能商业发电的主要是晶硅电池和薄膜电池。

1.2.2发展趋势

随着日益减少的能源，世界各国都在努力研发新的能源以代替现有的能源。煤、石油、天然气等不可再生资源都会枯竭，新的能源需要是更清洁，来源更广，比如说，现在已经掌握的风能发电，太阳能发电以及地热，潮汐发电等等。现阶段新能源发电系统不能满足大部分的用电需求，因此世界各国都在努力提高新能源的利用率，并且加大新能源发电技术的开发。就拿光伏发电来说，在未来世界上发达国家将普及光伏发电，要在本国内所有的房顶上都要有一套完整的光伏发电系统。

中国并网光伏发电发展前途看好。光伏发电是最具发展前景的新能源发电技术，据国内外不同的机构预测，到本世纪末，太阳能将成为人

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 类社会的主要能源，可占到全部能源消费的约80%，但目前还难以起到主要作用。当前光伏发电发展的主要任务，应是结合解决特殊地区和特殊行业用电问题，培育必要的光伏发电市场，开展必要的试验和示范项目建设，推动光伏发电技术进步和产业发展，提高光伏发电的市场竞争力，建立适应光伏发电技术特点的电力运行管理体制。

目前，我国太阳能光伏发电利用主要有三种形式：一是大型并网光伏电站，二是与建筑结合的并网光伏发电系统，三是独立光伏发电系统。根据三种形式的不同运行特点，在太阳能资源丰富、具有荒漠和闲置土地资源的地区建设适度规模的大型并网光伏电站；在广大城镇，推广与建筑结合的分布式并网光伏发电系统；在偏远地区，结合解决无电地区人口的用电问题，推广户用光伏发电系统或建设独立小型光伏电站。2010年将在总结2009年敦煌1万千瓦光伏电站特许权项目工作的基础上，在西部太阳能资源丰富地区，继续按特许权招标方式建设更大规模的太阳能光伏电站，总建设规模将超过20万千瓦。同时，将继续开展“金太阳工程”建设，抓紧研究制定分布式光伏发电技术标准，制定分布式光伏发电系统的建设和运行管理体制。此外，将结合解决西部无电人口用电问题，建设一批户用光伏系统和独立光伏发电站，加快解决无电人口用电问题。并鼓励在通信、交通、照明等领域采用光伏电源，分散能源分散利用。

总体来看，推动光伏发电发展的任务十分艰巨，面临的挑战和制约也很大，既有技术方面的问题，也有管理体制的制约，核心是建设成本比较高。今后，必须在推动光伏发电技术进步上下更大的力气，把提高光伏发电的市场竞争力作为着力点，按照积极、有序的方式，促进光伏发电产业的持续健康发展，为建设资源节约型和环境友好型社会做出积极的贡献。

2050年电网对大规模光伏发电的适应性【6】。为使大规模光伏发电在我国尽早得到应用，国家应立即开展在我国北方内蒙古沙漠地区建设大规模光伏发电的可行性研究。在上述研究的基础上，在该地区建设10～100MW级的大规模光伏发电示范电站，并用110kV及以上等级交流输电线路，将其电力输往100～200km外的内蒙古主网，以便了解大规模

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太阳能光伏发电的运行特性以及与电网调度、电力负荷等的配合问题，该项目争取在2015～2020年内完成。在2030年左右，在我国北方沙漠地区建设GW级的大规模光伏发电电站群，并用超高压交流或直流输电线路，将电力输往500km外的华北网。在2040年左右，在我国北方沙漠地区建设10GW等级的极大规模光伏发电电站群，并用超高压交流或±800kV直流输电线路或用高温超导输电将其电力输往500km外的主网。在2050年左右，在我国北方沙漠地区建设100GW级的极大规模光伏发电电站群，并用±800kV直流输电线路或用高温超导输电的国家主干网将其电力输往几百至几千km外的电网。

按2050年全国能源需求总量46亿t标煤及发电装机容量2400GW估计(按常规发电能源结构计)，考虑到各种常规能源可能提供的数量，约占总量30％，即720GW的发电装机容量需依靠非水能的可再生能源提供。若考虑风电开发解决250GW，则需光伏发电装机容量约1500GW(合常规发电容量470GW)，其中l／3，即500GW可考虑为处于沙漠等地的大规模光伏发电的方式。

鉴于大规模光伏发电所占面积较大，且需要尽可能长的日照，大规模光伏发电站群可考虑优先布置在我国沙漠及沙漠化土地地区。内蒙古地区的戈壁滩可作为大规模太阳能光伏发电基地的首选地点。 在内蒙古地区的戈壁滩开发大规模太阳能光伏发电的潜力巨大，在2 000km2的戈壁滩面积上可布置100GW(1亿kW)的光电装机。消纳其电力的方式有二。其一为电力外送，主送方向为西北、华北、华中和华东地区的联合运行电网。上述地区承受内蒙古太阳能光伏发电的大规模电力外送能力大致为300GW。如考虑地区水电站水库、抽水蓄能等储能手段，并考虑该地区与其它地区电网联网，可将部分电力转送，则接受光电能力还可增加。其二为就地}肖纳光伏发电的电力和电量，如采取就地建设高耗能工业或用于电解制氢并经压缩后转运等。

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 第2章 太阳能组件和逆变器的选择

2.1 太阳能电池组件的选择

我们知道太阳能发电的最主要的三个环节是太阳能电池组，逆变器和控制器，目前用于太阳能商业发电的主要是晶硅电池和薄膜电池。

（1）晶硅电池分为单晶硅和多晶硅电池，目前商业应用的光电转换效率为单晶硅16～17%，多晶硅15～16%。在光伏电池组件生产方面我国2007年已成为第三大光伏电池组件生产国，生产的组件主要出口到欧美等发达国家。2008年我国已能规模化生产硅原料，使得硅原料价格大幅下滑，由2008年的最高价500美元/kg降到2009年初的70～80美元/kg，目前硅原料价格为35～45美元/kg。当前国际上已建成的大型光伏并网电站基本上采用晶硅电池。

（2）薄膜电池分为硅基薄膜电池、CdTe 电池和CIGS电池。当前商业应用的薄膜电池转化效率较低， 硅基薄膜电池为5～8%，CdTe电池为11%，CIGS电池为10%。硅基薄膜电池商业化生产技术较为成熟，并已在国内形成产能；CdTe和CIGS电池在国内还没有形成商业化生产。由于薄膜电池的特有结构，在光伏建筑一体化方面，有很大的应用优势。

表2-1 各种太阳能电池特性

类型 转换效率 成本 单晶硅电池 多晶硅电池 薄膜电池 18%~25% 12%~15% 10%左右 很高 较高 较低 本站位于40MWp并网光伏电站位于青海省黄南州河南县境内，工程的主要任务是发电，建成后供电青海电网。场址区距县城约25km，距西宁市约340km，交通便利。青海省地处中高纬度地带，太阳辐射强度大，光照时间长，年平均总辐射量可达5560MJ/m2～7400MJ/m2，其中直接辐射量占总辐射量的60％以上，仅次于西藏，位居全国第二。

由表1可以看出，单晶硅转换效率是最高的，但其成本也表较高，薄膜电池的转换效率比较低，但其成本也低，而多晶硅电池的转换效率

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居于这两者之间，转换效率比较高，并且成本不太高，结合本电站实际，应选多晶硅电池。表2为天合光能厂家的部分多晶硅电池组件，根据具体情况从中选择一种多晶硅电池板。【标准测试条件（大气质量AM1.5，辐照度1000W/m2，电池温度25°C）下的测量值】

表2-2 天合太阳能光伏组件特性 通用解决方案 （适用于大规模的地面安装和商用屋顶系统） 大型项目太阳能组件 型号 TSM-220PC05 TSM-225PC05 TSM-230PC05 TSM-235PC05 TSM-240PC05 TSM-265PC14 TSM-270PC14 TSM-275PC14 TSM-280PC14 TSM-285PC14 TSM-290PC14 最大功率（W） 220 225 230 235 240 265 270 275 280 285 290 材料 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 组件转换效率（%） 13.4 13.70 14.10 14.40 14.70 13.66 13.92 14.17 14.43 14.69 14.95 工作温度(°C) -40～85 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 同上 本课题研究的是40MW的大型项目，所需要的太阳能组件大功率，高效率，但是又本着节约的主题，上述多晶硅组件的两种型号适用的方向不同，由于TSM-PC14适用于大型项目太阳能组件，符合本课题要求，所以选择TSM-PC14系列。最终选择了TSM-280PC14型号的太阳能电池组件一共142858组。表3所示TSM-280PC14的主要技术参数。

表2-3 TSM-280PC14光伏组件的主要参数 型号 最大功率（W） 最大功率点的工作电压（V） 最大功率点的工作电流（A） 开路电压（V） 短路电流（A） 电池片效率（%） 组建效率（%） 最大系统电压（直流）（V） TSM-280PC14 280 36.01 7.78 44.44 8.45 15.98 14.43 1000 7

胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 工作温度（°C） 额定电池工作温度 (NOCT) 旁路二极管数量 最大串联保险丝 -40～+85 47°C (±2°C) 3pcs 15A 2.2并网逆变器的选择

变器的选择主要考虑的是额定功率，MPPT工作的电压范围，最大效率和工作时候的温度和海拔高度。主要考察了艾默生，科诺伟业，阳光能源的500kW的逆变器。

逆变器主要技术参数如表4所示。

表2-4 各个厂家的500kW逆变器的主要技术对比

厂家 型号 额定功率（KW） 阳光能源 SG500MX 500 SG500KTL 500 MPPT（V） 450～820 500～820 SG500K3 500 450～820 艾默生 SSL 0500 500 300～850 科诺伟业 绿能电气 KNGI900-500HEA PVMC 500 500 500 450～880 450～850 97.5 -20～40 98.4 -20～50 97.3(含变压器) 98.3 -30～50 -25～55 40.00 98.7 -30～55 40.00 最大效率（%） 98.7 温度范围（°C） -25～55 价格（万元） 40.00 由表4可以看出，国内的厂家在MPPT工作电压范围要比国外厂家的要小，效率所有厂家基本相同，阳光能源厂家的逆变器工作的温度范围要比其他厂家的大，价格方面阳光能源的价格比较适中，选择阳光能源的SG500KTL为所用逆变器。本课题要求设计40MW的太阳能发电站，所需要80台SG500KTL逆变器。表5为SG500KTL的详细技术参

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数。

表2-5 SG500KTL并网逆变器的主要参数 型号 最大直流电压（V） 最大功率跟踪电压范围（V） 最大效率（%） 欧洲效率（%） 交流输出功率（KW） 电网电压（V） 温度范围（°C） 可以运行最高海拔（m） SG500KTL 900 450～820 98.7 98.5 500 3相 270 -25～55 3000

2.3 逆变器集成方式

采用集成汇流，在经过箱式变压器的集成方式。图形见附录1。

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 第3章 主接线方案的选择

3.1 原始资料分析

此次设计要求的是青海省40MW太阳能光伏并网电站电气设计，位于青海省黄南州河南县境内，工程的主要任务是发电，建成后供电青海电网。场址区距县城约25km，距西宁市约340km，交通便利。青海省地处中高纬度地带，太阳辐射强度大，光照时间长，年平均总辐射量可达5560MJ/m2～7400MJ/m2，其中直接辐射量占总辐射量的60％以上，仅次于西藏，位居全国第二。本项目建设容量为40MW，本光伏电站有2回110kV出线接入系统，导线型号选择为LGJ-150，110kV系统短路容量500MVA，基准容量取100MVA。

根据以上数据，此次所设计的是光伏并网发电站的升压变电站电气设计，一共有两个电压等级，10.5kV电压等级和出线的110kV电压等级，由于是太阳能光伏发电，在系统中所占的位置不是特别重要，在峰荷时填补系统所需，但是此电站容量为40MW在太阳能光伏发电站中算是大型电站，因此该厂的接线设计主要考虑经济性可靠性次之。

3.2 主接线方案的拟定

根据对原始资料的分析，现将各电压等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可比方案。

（1）10.5kV电压等级。这个电压等级进线回路数较多，采用5个箱式变压器连到一个10.5kV进线，所以有8回进线，考虑到较多的进线，拟定采用分段运行，其中包括单母线分段，双母线分段，以及带旁路的分段母线。在与更高等级电压连接的时候，需要2台主变压器。

（2）110kV电压等级。这个电压等级进线数目2条，送往110kV系统的出线为2条，110kV电压等级是系统的主要变电等级，因此在110kV等级的母线上要求可靠性会更高一点，我们可以采用单母线接线，

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单母线带旁路母线，双母线接线。出线回路数少，就不考虑用3/2接线形式。为了以后扩建方便，不考虑角性接线。

根据以上的分析得到三个方案： 方案一：如图3-1所示

方案一中，10.5kV电压等级采用的是双母线分段接线方式，该接线方式具有较高的可靠性和灵活性，扩建方便。但使用的分段断路器和母联断路器较多，增大了投资费用，但双母线分段不仅具有双母线的各种优点，并且任何时候都有备用母线，有较高的可靠性和灵活性。一般采用在进出线数目较多的情况下。在10.5kV的线路中要求稳定性高，减小运行成本，可以采用此方案。

110kV电压等级采用的是双母线带旁路母线接线方式，110kV及以上的高压配电装置中，因为电压等级高、输送功率较大、送电距离较远，停电影响较大，同时高压断路器检修通常需要5~7天的较长时间，不允许因检修断路器而长期停电，均需要接旁路母线，增强了用电可靠性。但是这种接线方式增加了投资，增大了建设成本，不符合经济性的要求。

总体来看，方案一是非常可靠地一种接线方式，无论10.5kV电压等级还是110kV电压等级，都采取了可靠性极好的接线方式，问题是增大了投资成本，此电站的收益时间会拉长，再加上每年的维修、检修费用，将会是一笔大的开销。

方案二：如图3-2所示

方案二中，10.5kV电压等级采取的是单母线分段的形式，这种接线形式具有可靠性和灵活性，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电不至使重要用户停电。但是，由于这种接线当进出线较多或需要对重要负荷采用两条出现供电时，增加出现数目，使整个母线系统可靠性受到限制。一般适用于，小容量发电厂的发电机电压配电装置，一般每段母线上所发电的容量在12MW左右，每段母线的出现不多于5回。

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 110kV10.5kV 图3-1 方案一草图 110kV10.5kV 图3-2 方案二草图

110kV电压等级采用的是双母线接线，相互为备用，优点有供电可靠，调度灵活，扩建方便。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮

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流检修一组母线而不至使供电中断，一组母线故障后，能迅速恢复供电。两组母线同时工作，并且通过母联断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上，即称之为“固定连接方式”运行，它的母线继电保护相对简单。与双母线带旁路母线相比较，节省了投资费用，有一定的可靠性和灵活性，110kV电压等级的接线形式可以考虑双母线接线方式。

总的来说，10.5kV电压等级母线的接线方式，单母线分段不适合用于多回进出线的发电厂，虽然节省了投资费用，以后的维修时将会产生停电问题，不能将功率及时输送入电网。110kV电压等级，双母线接线方式，可靠性和灵活性都好，又在经济性方面略微的好一些。

方案三：如图3-3所示

方案三中，10.5kV采用的是双母线分段连接方式，与方案一中一样，在这里就不做详细的说明。110kV电压等级采用的是单母线接线形式，优点是接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两侧延伸，扩建方便。110kV电压等级接线方式主要考虑到以后的扩建问题，因为有两回出线也有两回进线，而桥型接线不容易扩展，而还要多加电压互感器，成本问题值得我们考虑。

110kV10.5kV 图3-3 方案三草图

总的来说，由于太阳能光伏并网发电的可靠性要求不是太高，10.5kV

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 和110kV电压等级的接线方式已经极大的缩小了投资成本，有一定的可靠性。

（3）三种方案的数据对比

我们考察三种方案的可靠性，灵活性和经济性，制作成表格。如表1所示。

表3-1 三种方案的对比

方案一 方案二 方案三 电压等级 10.5kV 110kV 10.5kV 110kV 10.5kV 110kV 可靠性 高 高 一般 较高 一般 一般 灵活性 高 高 一般 较高 一般 一般 15 18 投资低 16 26 投资较低 断路器数目 17 隔离开关数目 39 总体经济性 投资高 从表3-1中可以得知，方案三是投资最少的一种接线方案。从方案一和方案三种选择一个，由于可靠性和灵活性差不多，我们就考虑经济性，方案一中有39台隔离开关，17台断路器。方案三中有18台隔离开关，15台断路器。相对比之下，方案三更符合经济性的要求。拟采用方案三为主接线的接线方案。主接线图见附录2。

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第4章 厂用电设计

发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量以电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备的正常运行。这些电动机以及全厂的运行、操作、试验、检修、照明等用电设备都属于厂用电负荷。

厂用电接线的要求，包括（1）供电可靠，运行灵活；（2）各组机的厂用电系统应该是独立的，一台机组检修时，不影响其他机组的正常运行；（3）全厂性公用负荷分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线；（4）充分考虑发电厂正常、事故、检修、启停等运行方式下的供电要求，一般均应配备可靠的启动/备用电源，尽可能使切换操作简单，启动/备用电源能在短时间内投入；（5）供电电源应该尽量与电力系统保持紧密的联系，当机组无法取得正常的工作电源时，应尽量从电力系统取得备用电源，这样可以保证其与电气主接线形成一个整体，一旦机组故障时以便从系统倒送厂用电；（6）充分考虑电厂分期建设和连续工作过程中厂用电系统的工作方式，特别要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡，尽量减少改变接线和更换设置。

厂用电接线的原则，主要有（1）厂用电接线应保证对厂用负荷可靠和连续的供电，使发电厂主机安全运转；（2）接线应灵活的适应正常、故障、检修等各种运行方式的要求；（3）厂用电源的对应供电性，缩小了故障范围，接线也简单；（4）设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性，并积极慎重的采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性；（5）在设计厂用电系统接线时，还应对厂用电的电压等级、中性点接地方式、厂用电源及其引接和厂用电接线形式等问题进行分析和论证。

变电站的主要站用电负荷是变压器冷却装置，直流系统中的充放电装置和晶闸管整流设备，照明、检修及供水和消防系统，对500kV变电站，还包括高压断路器和隔离开关的操作机构电源。尽管这些设备的容量并不太大，但由于500kV变电站在电力系统中的枢纽地位，处于运行安全的考虑，其站用电系统必须具有高度的可靠性。

这次要设计的太阳能光伏发电变电站，所需要的站用电包括照明用

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 电，逆变器用电，以及其他设备用电。如图1所示，厂用电系统草图。

图中35kV备用的厂用电源进线端设置了一台35kV/10.5kV变压器，10.5kV母线上的两个分段上都取了厂用电源，加装了两台10.5kV/0.4kV变压器。

110kV35kV备用T110.5kVT2T30.4kV厂用电源厂用电源蓄电池直流用电逆变器照明系统公用负荷变压器冷却检修和供水

图1 厂用电系统草图

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第5章 主变选择以及短路电流计算

5.1 主变压器的选择

通过对本次所设计的太阳能光伏发电并网电站的主接线的设计，以及厂用电的设计，我们要选择三种变压器的型号，用来满足110kV电压等级，10.5kV电压等级和0.4kV电压等级需求。还有从系统所连接的35kV/10.5kV的备用变压器的选择。

5.1.1 110kV/10.5kV变压器的选择

这个电压等级需要往系统中输送，也就是此电站的主要变压器，它所需要满足的条件是变压器的容量的选择。输送往110kV系统一共有两回，而设计中的主要变压器数目也是两个，本着设计手册的原则，如果有一台变压器需要检修，那么另一台变压器要满足全部输送功率的75%。最大产生功率为40MW，当功率因数为1时，视在功率为40MVA，40MVA的75%是30MVA。这里所要求的变压器容量至少需要30MVA。选择S11-31500/110型号的变压器。表5-1所示S11-31500/110变压器的主要技术参数，表2所示变压器的外形尺寸。

表5-1 S11-31500/110主要技术参数

型号 额定容量（MVA） 额定电压（kV） 高压110±2×2.5% 低压10.5 联结组标号 YNd11 空载损负载损空载短路耗耗电流阻抗（kW） （kW） （%） （%） S11-31500/110 31500 24.6 126.4 0.2 10.5 表5-2 S11-31500/110外形尺寸

型号 S11-31500/110 额定容量（MVA） 31500 H 5100 L 6400 外形尺寸（mm） W 5380 HL 2040 T 1475 此类变压器的三视图，如图4-1

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 图中的数字代表：1、变压器本体； 2、高压0相套管； 3、高压套管； 4、低压套管； 5、储油柜； 6、有载分接开关； 7、散热器； 8、控制器；

9、有载分接开关操纵机构

图5-1 S11-31500/110型号变压器的外观图

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5.1.2 其余变压器的选择

厂用电系统备用变压器的选择，和厂用电系统变压器的选择，由于没有给出具体的容量值，统一按10MVA容量选择。备用变压器的型号选择为S11-10000/35，技术参数如表4-3。

表5-3 S11-10000/35型号变压器的技术参数 型号 额定容量（MVA） 额定电压（kV） 高压35±2×2.5% 低压10.5 联结组标号 YNd11 空载损负载损空载短路耗耗电流阻抗（kW） （kW） （%） （%） S11-10000/35 10000 8.7 45.1 0.4 7.5 还有两台低压配电变压器的型号需要选择，这两台变压器的容量需要考虑到低压用电设备一共所需要的功率，选择了SZ11-1000/10型号的变压器。表5-4为SZ11-1000/10变压器的主要技术参数。

表5-4 SZ11-1000/10变压器的技术参数 型号 额定容量（MVA） 额定电压（kV） 高压10.5±4×2.5% 低压10.5 联结组标号 Dyn11 空载损负载损空载短路耗耗电流阻抗（kW） （kW） （%） （%） SZ11-1000/10 1000 1.36 10.43 1.0 4.5 5.2 短路电流计算

5.2.1 概述

在电力系的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路，因为它们会遭到破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行。

短路是电力系统的严重故障，所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）发生通路的情况。

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路，两相短路，两相接地短路和单相接地短路。其中，三相短路是对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称短路。 电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。但三相短路虽然很少发生，其情况较严重，应给以足够的重视。因此，我们都采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

5.2.2 计算假定条件和一般规定

一、短路电流计算是变电所电气设计中的一个重要环节。 其计算目的是：

（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。

（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。

（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

（5）按接地装置的设计，也需用短路电流。 二、短路电流计算的一般规定

（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5～10年）。确定短路电流计算时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

（2）选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

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（4）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一般按三相短路验算。

三、短路计算基本假设

（1）正常工作时，三相系统对称运行； （2）所有电源的电动势相位角相同；

（3）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；

（4）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

（5）元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；

（6）系统短路时是金属性短路。 四、基准值

高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，采用标幺值进行计算，为了计算方便选取如下基准值：

基准容量：Sj = 100MVA 基准电压：Vg（kV） 10.5 115

基准电流：10kV的IB?9.52kA，110kV的IB?0.9kA

5.2.3 三相对称短路计算步骤

一、短路点的选择

因为，10.5kV电压等级的连接母线方式是单母线分段相连，正常运行时母联断路器闭合，因此取一个短路点。另外一个短路点在110kV电压等级的母线上。如图5-3所示。

d2d1 图5-2 短路点的选取图

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 二、计算各元件的电抗标幺值

系统侧：系统的短路容量为500MVA，系统容量为无限大容量。计算出x3?0.2

主要变压器：x1?x2?Ud%Sj10.5100 ????0.333100Sb10031.5 （4.1）

电源侧：由于逆变器的短路电压低，在短路计算过程中不考虑电源侧的电抗。

三、给系统制订等值网络图（如图5-3）

x3x1x2 图5-3系统的等值网络图

（1）d1短路点的短路电流计算 a．故障分量网络化简

x4?x1?x2 ?x3?0.367x1?x2 (4.2)

b．计算出转移阻抗 xsf?x4?0.36 7 c．计算电抗 xsjs?xs?f0.36 71?2.725 d．送出短路电流标幺值 Is???Is?0.367e．短路电流有名值 Is???2.725?f．计算非周期分量 0秒时

Isft?2?Is???21.19kA100?14.984kA 3?10.5 (4.3)

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??0.06秒时Isft?2?Ise?tTa?21.19?e?0.060.05?6.383kA （4.4）

0.1秒时0.863kA 0.2秒时0.0159kA 0.4秒时9.652×10-7kA 4秒时1.923×10-39kA

g．计算短路容量

Scs?3?UI?3?10.5?14.984?272.5MW h．短路冲击电流

ish?2KchI???2?1.9?14.984?40.27kA i．全电流 Kz?0.9 8Ich?I??K2z?2?(Kch?Kz)2?24.41kA （2）d2短路点的短路电流计算 a．故障分量网络化简

x4?0.2

b．计算出转移阻抗 xsf?x4?0.2 c．计算电抗 xsjs?xs?f0.2 d．送出短路电流标幺值 I1s???Is?0.2?5 e．短路电流有名值 I100s???5?3?110?2.624kA f．计算非周期分量 0秒时：

Isft?2?Is???3.711kA

?t?0.060.06秒时：Isft?2?Is??eTa?3.711?e0.05?1.148kA

0.1秒时：0.142kA 0.2秒时0.0021kA 0.4秒时8.652×10-7kA 4秒时1.123×10-41kA

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4.5） （4.6） 4.7）

（ （ 胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 g．计算短路容量

Scs?3?UI?3?10.5?2.624?47.718MW h．短路冲击电流

ish?2KchI???2?1.9?2.624?7.052kA i．全电流 Kz?0.9 8Ich?I??Kz2?2?(Kch?Kz)2?4.274kA

5.2.4 非对称短路计算

一、序电抗计算

1、正序电抗

正序电抗即为三相对称电压工作时的电抗值。实际上就是三相 对称计算时所采用的电抗值。

2、负序电抗

对于架空线、变压器、电缆线路、电抗器、电容器等，负序电 抗等于正序电抗。

3、零序电抗

对于变压器来说， x1?x2?0.223 二、短路计算

（1）d1短路点的短路电流计算 正序电抗之和：X负序电抗之和：X零序电抗之和：X①单相短路：

Ie(1)?3E?0.7 （4.7）

2X1?X0???1?2?0.367 ?0.367

?0?4.28

E 为发电机等效电势，一般情况下取1。

I(1)?IBIe(1)?0.7?9.52?6.664kA （4.8）

②两相短路：

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Ie(2)?3E?2.36kA （4.9）

X1?X2??E 为发电机等效电势，一般情况下取1。

I(2)?IBIe(2)?2.36?9.52?22.47kA （4.10）

③两相短路接地：

Ie(1,1)?3E?1.72kA （4.11）

XX???2X?01X?2?X?0E 为发电机等效电势，一般情况下取1。

I(1,1)?I(1,1)BIe?1.72?9.52?16.37kA （1）d2短路点的短路电流计算 正序电抗之和：X?1?0.2 负序电抗之和：X?2?0.2

零序电抗之和：X?0?4.08

① 单相短路：

I(1)e?3E2X?0.67 ?1?X?0E 为发电机等效电势，一般情况下取1。

I(1)?IBI(1)e?0.67?0.9?0.603kA ②两相短路：

I(2)e?3EX?4.33kA ?1?X?2E 为发电机等效电势，一般情况下取1。

I(2)?I(2)BIe?4.33?0.9?3.897kA ③两相短路接地：

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4.12）

（4.13）

（4.14）

（4.15）

（4.16）

（ 胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 Ie(1,1)?3E ?4.44kA （4.17）

X2X0??X1??X?X?2?0E 为发电机等效电势，一般情况下取1。

I(1,1)?IBIe(1,1)?4.44?0.9?3.96kA （4.18）

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第6章 主要电气设备的选型

6.1 电气设备选择的原则

6.1.1 电气设备选择的一般原则

电气设备选择的一般原则是：

（1）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展规划 ；

（2）应按当地环境条件校核； （3）应力求技术先进、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）选用的新产品应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经上级批准。

6.1.2 技术条件

选择的高压电器应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下正常工作。

（1）长期工作条件 ①额定电压

UN?UNS 式中 UNS——装置地点电网额定电压； UN——电气设备的额定电压。 ②额定电流

IN?Ima x 式中 IN——选用电器的额定电流；

Ima——所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电x流。

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 ③机械负荷

所选电器端子的允许负荷应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。

（2）短路稳定条件 ①校验的一般原则

a：电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定

校验。校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流。当发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则一应按严重情况校验。

b：用熔断器保护的电器可不校验热稳定；当熔断器有限作用时，

可不校验动稳定；用熔断器保护的电压互感气回路，可不校验动、热稳定。

② 短路热稳定条件

It2t?QK 式中 QK——在计算时间tk内，短路电流的热效应（KA2·S） It——t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（KA） t——设备允许通过的热稳定电流时间（S） 校验短路热稳定所需的计算时间tk按下式计算：

tk?tpr?t b r （6.1） 式中 tpr——继电保护装置的后备保护动作时间（S） tbr——断路器的全分闸时间（S）

采用无延时保护时，tk可取下表中的数据，该数据为继电保护装置的起动机构和执行机构的动作时间，断路器的固有分闸时间以及断路器触头电弧持续时间的总和。当继电保护装置有延时整定时，则应按表中数据加上相应的整定时间。

表6-1 校验热效应的计算时间（S）

断路器开断速度 高速断路器 断路器的全分闸时间td（S） 〈0.08 计算时间tjs（S） 0.1 28

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中速断路器 低速断路器 0.08～0.12 〉0.12 0.15 0.2 ③短路动稳定条件

ich?igf

式中 ich——短路冲击电流峰值（KA）

igf——电器允许的极限通过电流峰值（KA）

6.1.3 对断路器和隔离开关的特殊要求

高压断路器和隔离开关是发电厂和变电所电气主系统的重要开关电器。高压断路器的主要功能是：正常运行倒换运行方式，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。而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。

选择断路器型式时，应根据各类断路器的特点及使用环境、条件决定。高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际开断瞬间的短路电

Q?Ipt流周期分量Ipt，即Nbr。在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏；且断路器在关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流。因此，额定关合电流是是断路器的重要参数之一。为了保证断路器在关合短路电流时的安全，断路器的额定关合电流iNc1

i?i不应小于短路电流最大冲击值ich，即Nc1ch。

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胡杨：青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计 6.2 主要电气设备的选择与校验

6.2.1 110kV母线的选择

按长期允许电流来选择，母线最大可持续电流

P40Ig?1.05??1.05??220.45A3Ucos?3?110?1.05?1 （6.2） 选用LJ铝绞线，标称截面为70mm2的，在70。C时的长期允许载流量为291A，集肤效应系数kj=1.26，同时环境温度40℃。因此温度修正系数k=0.83，Iy=291×0.83=241.53A，大于220.45A。 热稳定校验：

设保护动作时间tpr=0.05(s). 断路器全开断时间tab=0.15（s）。则计算时间tk= tpr+ tab=0.2（s）。

I''=I0.1=I0.2=2.624kA

周期分量热效应：

22I''?10?I0.1?I0.2Qp ?S) （6.3） ?tk=1.378(kA2·

122又 t<1（s），故应计算非周期分量热效应。查表知，该变电所各电压级母线及出线非周期分量等效时间T=0.05。Qnp=T×I

Qk= Qp+ Qnp=1.722(kA2·S)

正常运行时导体的温度为

''2=0.344(kA2·S)

???0?(???0)(Imax2220.452（6.4）

)?20?(70?20)?()?59?CIy291

查表得到热稳定系数C=91，满足短路时发热的最小导体截面为:

Smin?QdtkjC?0.04mm2?70mm2（6.5）

满足热稳定要求。

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6.2.2 10.5kV母线的选择

按长期允许电流来选择，母线最大可持续电流

Ig?1.05? P40?1.05??2199.5A3Ucos?3?10.5?1.05?1 选用三条100×8 mm2矩形铝导体平放，标称截面为800mm2的，在70C时的长期允许载流量为2778A，集肤效应系数kj=1.31，同时环境温度40℃。因此温度修正系数k=0.83，Iy=2778×0.83=2305.4A，大于2199.5A。 热稳定校验：

设保护动作时间tpr=0.05(s). 断路器全开断时间tab=0.15（s）。则计算时间tk= tpr+ tab=0.2（s）。

I''=I0.1=I0.2=14.984kA

周期分量热效应：

22I''?10?I0.1?I0.2Qp ?S) ?tk=44.9(kA2·

122。

又 t<1（s），故应计算非周期分量热效应。查表知，该变电所各电压级母线及出线非周期分量等效时间T=0.05。Qnp=T×I

Qk= Qp+ Qnp=56.13(kA2·S)

正常运行时导体的温度为

''2=11.23 (kA2·S)

???0?(???0)(Imax22199.452

)?20?(70?20)?()?61?CIy2778查表得到热稳定系数C=91，满足短路时发热的最小导体截面为:

Smin?QdtkjC?0.13mm2?800mm2

满足热稳定要求。

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