~~水电站电气部分设计开题报告

毕业设计（论文）

开 题 报 告

题 目 ~ ~水电站电气部分设计

专 业

班 级

学 生

指导教师

一、毕业设计(论文)课题来源、类型

毕业设计（论文）课题来源：本着毕业设计课题应与科学研究、技术开发、经济建设和社会发展紧密结合的原则，在调查研究、阅读学科文献资料的基础上，积极与专业老师交流，结合个人兴趣爱好，并广泛征求意见后，我选择“石泉水电站电气部分设计”作为毕业设计的研究课题。本课题属于工程设计类题目。

该课题具有较强的综合性，涵盖了本学科的《电路》、《水电厂自动运行》、《发电厂电气部分》、《电机学》等多门主干课程，设计过程中能够较系统的运用所学过的专业知识，与专业培养目标密切相关。另外，选题也很具有代表性。石泉水电站电气部分设计可以反映出条件类似水电站相关工程设计的基本思路和设计经验。

基于以上的认识和思考，《石泉水电站电气部分设计》成为我毕业设计的选题。

毕业设计(论文)课题类型：工程设计。

二、选题的目的及意义

选题的目的：

通过此次的课程设计，熟悉电厂电气部分设计的流程，将本科四年来所学的知识应用到实践中去。在设计的过程中，通过对电气主接线的方案确定，比较选择最佳方案，短路计算，厂用电设计等内容的进行，提高自己的动手能力，将电气部分设计的新技术运用到本设计中。特别是通过对配电设备的选型，了解当前国内外输配电设备的现状。在将来的工作学习中，更好的适应环境。在设计中，特别要提高独立工作和综合运用所学理论、知识和技能解决实际工程问题的能力。通过对资料的收集和分析，结合工程实际进行分析论证，提出设计计算方案，进行有关的设计、计算、绘图和文字表达。

选题的意义：

研究“石泉水电站电气部分设计”的意义体现在以下几个方面：

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第一、电气主接线图是电厂设计的重要部分。同时也是运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据，了解电路中各种电气设备的用途，性能及维护，检查项目和运行操作的步骤等都离不开对电气主接线的掌握。

第二、电气主接线表明了发电机，变压器，断路器和线路等电气设备的数量，规格，连接方式及可能的运行方式。电气主接线直接关系着全厂电气设备的选择，配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是发电厂电气部分投资大小的决定性因素。

第三、通过设计工作，我会受到理论联系实际的综合训练，培养运用所学理论知识和基本技能来解决工程实际问题的能力；还会了解、掌握工程设计全过程，提高工程实践能力。

第四、可以提高个人综合素质。例如，对设计质量的不懈追求，有助于探求真理、严谨求实的工作作风和学习态度养成；对多种工程技术方案的论证比较，能够提高个人科学认识、分析问题的能力。

第五、设计工作强化了我的社会意识和坚定了服务祖国人民的美好愿望。

第六、由于电能生产的特点是：发电，变电，输电和用电是在同一时刻完成的，所以主接线的好坏，直接关系着电力系统的安全，稳定，灵活和经济运行，也直接影响到生产和生活。

第七、考虑到石泉水电厂是上世纪的一个老电厂，已经运行有40年有余。在这40年里，随着全球经济的迅猛发展，全球用电需求随之加大，进而促进了电力工业的发展，我国在这40年里，特别是改革开放以来，对电力工业加大了投入，输变电设备的制造水平和质量都有所提高，对电气设计也有了一些新的研究方法，石泉电厂电气设计在运行中也显现出了不少的问题，所以有必要采用新的方法与技术进行再设计，力求做到电气设计可靠、灵活、经济的要求，如果可能，实现无人值班，少人值守也是可以的。

三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势

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研究现状及发展趋势：

从图书馆数据库及互联网上的资料分析，并结合自己的专业知识及实习过程中的所见所闻所感，觉得当下发电厂电气部分设计、研究及实际工程实际应用的现状及趋势表现为以下五个个方面：①电气主接线可靠性与经济性评估②发电厂主接线可靠性的关键因素③常用电气主接线的研究与发展④SF6封闭组合电器—GIS的应用⑤断路器的发展方向。

1、电气主接线可靠性与经济性评估

发电厂是电力系统的主要组成部分,电气主接线则是发电厂的主体结构,主接线的正确、合理设计,必须综合处理各个方面的因素,经过技术、经济比较后方可确定。对电气主接线的基本要求,概括地说应包括可靠性、灵活性、经济性3个方面。定量分析电气主接线的可靠性是电力系统可靠性研究的一个重要领域。[1]

变电所是联系发电厂和用户的中间环节,其电气主接线的可靠性可表述为:在组成主接线系统元件(断路器、变压器、隔离开关、母线等)可靠性指标已知可靠性准则给定的条件下,按可靠性评估准则评估整个主接线系统满足电力系统电能需求能力的量度。对变电所主接线可靠性的分析既可作为设计和评价电气主接线的依据,又可作为选择最优方案和最佳运行方式的依据,通过分析也可发现电气主接线薄弱环节,以便合理安排计划检修。自1970年在电力系统可靠性分析中引入了开关操作过程对输电系统可靠性的影响开始,主接线可靠性的分析已经有30多年的历史, 1971年断路器三状态模型的提出使主接线可靠性研究正式成为电力系统可靠性分析的一个独立分支发展起来。在元件故障不独立性及故障模式的复杂性方面,Grover等人引入了扩大型故障概念, Guerin等人研究了常开元件的处理,而Allan等人进一步研究了由于常开断路器及备用电源故障造成备用电源失灵的影响,此外Singh和Billiton等分别考虑了继电保护的影响, Brando考率了变压器过负荷的影响。1988年顾克提出了用相关事件的概念理论研究电气主接线可靠性的思想。1997年Billiton提出了一种广义的 3

n+2状态系统的马尔可夫模型,此模型克服了三状态模型的不足,并在单独的主接线评估中得到应用。[2]

电气主接线可靠性分析的方法有：基本方法、混合方法和Monte Carlo-FD混合法。基本方法包括逻辑表格法及改进方法、马尔可夫(Markov)过程、状态空间法、网络法(故障模式与后果分析法FMEA)、最小割集法、频率和持续时间(FD)法、蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法、关联矩阵法等。

[3] 混合方法有：网络法和状态空间法相结合、基于元件状态空间的最小割集法、基于时序模拟法并结合解析法的混合法、基于时序模拟法和Petri网的分析方法等。在对电气主接线可靠性进行评估时,由于数学工具制约或系统规模过大,单纯使用一种方法分析可靠性相当困难,所以有必要研究一些混合法。[2]总之几种基本方法在分析电气主接线时各有特点,但因数学工具制约,或因系统规模过大,难以在计算机上实现通用化、程序化的算法,为可靠性分析的实际应用带来一定的困难。采用混合方法时可以显著提高了模拟效率和模拟精度。

可靠性经济评价方法：

可靠性经济学属于工程经济学的范畴，与系统工程中的价值分析相通，是随着可靠性工程技术的形成和发展而发展起来的学科，也是可靠性工程与管理学的一个重要组成部分。[4]当前可靠性经济评价方法有：绝对可靠性评价法、可靠性排列法、可靠性比较分析法、成本－效益分析法、可靠性优化法。

同时，近年来,国内外的高校、研究机构和电力部门已相继研制了各种主接线可靠性分析软件。上海交通大学开发了基于面向对象技术的变电站供电可靠性分析计算软件包,通过定量计算,可以分析不同类型、不同接线形式的变电站在任意运行方式下的供电可靠性以及各种设备故障对变电站可靠性的影响程度,还可分析继电保护装置配置及动作的影响；清华大学电机系开发的发电厂及变电所电气主接线可靠性评估软件SSRE-TH用于对水电站/变电所各种电气主接线方案进行可靠性及经济性评估,可 4

计算电气主接线在各种运行、检修和元件故障组合状态下的停电容量、频次、时间及停电损失等指标,还可以进行电气主接线方案的技术经济综合评价,为主接线方案决策提供辅助信息。文献[5]提出了抽水蓄能电站主接线可靠性评估的模型和算法,在此基础上开发了抽水蓄能电站主接线可靠性评估的REBUSO软件。该软件已经成功地应用于多个抽水蓄能电站主接线的优化设计中。文献[4]介绍的电站主接线可靠性综合分析系统SSRE已在瀑布沟、向家坝等大型水电工程以及安顺500 kV变电站电气主接线设计中推广应用。[2]

2、发电厂主接线可靠性的关键因素[6]

(1) 断路器

在整个主接线系统中，断路器是操作元件中最为重要的部分，操作结果可以改变整个电厂的主接线拓扑结构。但是断电器自身的结构十分复杂，如操作不当就会造成主接线系统故障，并且故障的形式也是多样的。作为主接线系统的关键性操作元件，断路器引起系统恶性连锁反应事故是最为严重的，断路器的安装及操作也是值得工作人员注意的事项。

(2) 输电线路和变压器

输电线路以及变压器作为系统的重要连接节点，均属于系统静态元件，引起的故障大多是扩大性故障。同时两者的故障也导致了系统状态的改变，将引起相邻的断路器的动作。此外，对系统的修复必须在其关联断路器动作并切除故障后进行。

3、常用电气主接线的研究与发展

经过了多年的发展，电气主接线的方式经历了由简到繁的过程，这是由于电网规模越来越大，但配电设备的制造水平无法满足主接线要求这一客观条件决定的。随着国家对电力工业投入的加大，制造水平的提高，电气主接线有由繁到简的发展趋势，但不是很明显，常有的电气主接线还是那么几种：单母线分段接线、双母线接线、双母线带旁路接线、双母线分段带旁路接线、3/2（4/3）断路器接线、线路-变压器组接线、桥形接线、 5

角形接线等传统的接线方式。各种接线方式各有千秋，在电气主接线的选择确定过程中通过详细分析系统原始的数据、系统负荷的大小以及分配，同时结合各种主接线的特点综合考虑，以较优化组合方式组成最佳可能方案；然后筛选，组合，保留可能接线方案；最后，对这几个方案进行综合比较：通过对主接线可靠性，灵活性和经济性的综合考虑，辨证统一，确定最终方案。以上是多年来电气主接线所采用的方法。

4、SF6封闭组合电器—GIS的应用

随着经济的迅猛发展，GIS （Gas-insulated Metal-enclosed Switchgear）组合电器的使用量每年大约按 15％的速度增加。GIS的中文意思也可以称为"高压全封闭组合电器"。 它将一座变电站中除变压器以外的一切设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、CT、PT、母线、避雷器进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。

与传统的开关站相比较，GIS的优点很显著。

GIS 有效地缩小占地面积，元件全部密封不受环境干扰、运行可靠性高、开断绝缘能力大、连续开断能力强、运行方便、检修周期长、维护工作量小、安装迅速、运行费用低、无电磁干扰等优点，已经成为现代高电器发展的主流。同时GIS 实现了小型化，模块化，绝缘不受外界影响；对周围不产生电磁场，杂音和无线电干扰，合乎环保要求；具有可靠性高，安全性能好，配置灵活，安装期短，维护方便和检修周期长等优点的开关装置。GIS 组合电器最大限度地缩小整套配电装置的占地面积和空间体积，结构十分紧凑，采用积木式结构组合在一起，并全部封闭在金属外壳内，对周围不产生电磁场，杂音和无线电干扰，合乎环保要求，具有可靠性高。GIS的安装也很方便,它的整套运输一般是通过整体运输,或者分开运输也可以,因此整体运输就大大缩减了施工的时间,同时大大的减少了工作量,缩短了施工周期。还有,由于全密封设备的外壳是安装在地面上,直接接地的,这样又减少了空间和材料。

俗话说的好：坐车就得买票。当然GIS的优点是令人欣慰的，但是 6

其不容乐观的地方却不容忽视。其缺点如下：

GIS 的安装与调试作为 GIS 质量控制中的重要一环,其安装质量的好坏直接影响到GISER日后的运行质量与安全，而且其投资造价与一般的敞开式开关站相比较高。同时，还有一定的危险性。

以上关于GIS组合电器的优缺点，不得不提及SF6气体。

六氟化硫气体(SF6)于1900年由法国两位化学家Lebeau和Moissan合成。大约从60年代起,高压开关及其设备成功地使用了SF6气体作为优异的绝缘和灭弧介质。在如今的高压、特高压及超高压电力系统中,SF6气体已经成为断路器和GIS灭弧和绝缘的唯一介质，SF6气体具有优越的绝缘性能和灭弧性能。正常情况下纯净的、合格的SF6气体是无臭、无味、无色、不燃的,他的化学反应不会发生变化,属于惰性气体。但是SF6气体应用在电力系统中是充当灭弧、绝缘介质的作用。当断路器在分合闸操作时,SF6受到电弧作用、火花放电、电晕、和高温及局部放电等诸多因素的影响下,会发生化学反应,分解后的物质遇到水分后会变成具有腐蚀性的电解质,其中有一些具有高 毒 性 的 分 解 物 如 S2F2、SF4、SOF2、S2F10、SO2及HF,如果接触到这些气体,眼精、皮肤和粘膜会被刺激。吸入量很大的话还会产生肺水肿和头晕,特别严重时会致人死亡。在相对密封的空间里,新鲜的空气不会进行流动,而积攒在室内的有毒气体不会随空气流动,在室内逐渐沉淀,这样就会造成检修和运行人员的潜在危险。SF6气体的泄漏是非常严重的,严重时会造成人身伤亡事故。因此(发电厂和变电所电气部分)、〈电业安全工作规程〉中就特别规定,在配有SF6设备的气体试验室和车间内必须将SF6的气体浓度降低到1000ppm,同时在室内应该配有强力的通风装置,必要时应配有SF6气体泄漏报警仪。

另外一个问题就是SF6气体所含水份含量的问题,微水含量是衡量SF6气体开关的重要指标之一,同时微水含量也影响着开关的性能。SF6的微水含量应低于它温度下的饱和值,水份会以气体形式存在与SF6气体中,水份严重时会使其产生延边放电,对SF6的性能也会有影响。

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除此之外，SF6气体的密封问题始终是生产用户关注的焦点。SF6气体漏气的主要原因有制造厂制造的密封材料质量不佳、设备精度不够;GIS设备在现场的安装质量差造成气体漏气;由于设备在运行中产生的振动,如断路器的分合闸产生的振动,设备老化等原因产生的漏气等等。密封材料占整个GIS设备的成本是非常小的,但是其用途是很大的,出现的大部分SF6气体泄漏事故都是由于没有选用合适的密封材料造成的。由此可见,密封材料在整个GIS设备上起到至关重要的作用。[8]

基于以上GIS组合电器的优缺点，由于GIS的带电部分全部密封在SF6气体中，能消除外部环境因素对设备的影响与干扰，它在重污染、高海拔、多盐雾、湿热、高寒地区、多地震地区等严酷环境条件和高层建筑内部及地下室使用具有常规开关设备无法比拟的优越性，符合小型化、自动化的要求。一般也用于由于场地大小限制，无法安装敞开式断路器和刀闸、地刀的变电站，因为封闭组合电器占地面积比同样的敞开式断路器和刀闸、地刀要小很多，所以一般用于面积受限的变电站，特别是在地皮昂贵的城市和密集的负荷中心。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。[7]

目前，国外已有大量的全封闭组合电器变电站在使用和投建，其发展势头相当大。国内的发展势头也很猛，如二滩水电站500KV高压开关站采用国际招标，引进日本三菱电机株式会社全封闭式SF6组合电器，大大缩小占地面积；性能稳定，有效地减少了GIS维护人员，充分体现现代独立发电企业的管理体制；有效简洁的监测手段，使设备得以正常地运作；还有云南阿海水电站500KV GIS开关站、向家坝水电站500kv GIS 开关站、湖北电建二公司承建的委内瑞拉新中心电厂4×193MW燃气轮机电站400千伏 GIS 开关站，葛洲坝500kv 开关站也计划向GIS开关站进行改造、新乡宝泉抽水蓄能 500KV 开关站等等，一大批新老电厂及开关站均在向GIS 方向发展，充分显示出了GIS 组合电器的优越性。

5、断路器的发展方向

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高压断路器经历了油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、SF6断路器的演变，其中前2种已逐步被淘汰，后2种中sF6断路器的应用更为普遍．SF6断路器在20世纪70年代初被广泛采用，它是以SF6作为灭弧介质，该断路器的切断能力大，在自由开断情况下，其切断能力比其他断路器高10倍左右．因此，它在电力系统的稳定和安全运行中发挥着重要的作用．[9]

SF6 断路器具有如下特点：①灭弧能力强，介质强度高，单元断口耐压值高，因而在同一额定电压等级下，所需要的串联断口数减少，提高了产品的经济性能．②电气寿命长．50 kA满容量连续开断可达19次，累计开断电流可达4 200 kA，检修周期长，适于频繁操作．③开断性能好．由于SF6气体的电负性，使之具有强烈的吸附自由电子的能力．电弧在SF。中形成有利于熄“电弧弧柱结构”(弧心、弧套)，电离的等离子体扩散受到约束，从而使离子复合很有效．开断电流大，已达80一100 kA，甚至200 kA，熄弧时间短，一般为5～15 ms．同时反相开断、近区故障、空载长线、空变等开断性能也好．因此，额定电流和开断电流都可以做得很大 ④结构简单，体积小，重量轻。[10]

参考文献

[1] 李 佳 .电气主接线的可靠性与经济性评估， 山 西 电 力 .2008（6）：7-9

[2] 黎红梅 ,苑 舜.变电所电气主接线可靠性分析方法的研究，东北电力技术.2008（1）：15—17

[3] 余新才.变电站电气主接线的可靠性研究，中国农村水利水电.2012（6）：120—123

[4] 陈文高.配电系统可靠性实用基础［Ｍ］．北京中国电力出版社.1998：112

[5] 别朝红,王锡凡. 抽水蓄能电站主接线的可靠性综合评估[J]. 电力系统自动化. 2006 (9).

[6] 张卜元.发电厂电气系统的现状及发展研究 ，电 站 系 统 工 程.2012（3）： 9

61—62

[7] 梁展思.浅谈 SF6 封闭式组合电器的特点及安装，工 业 技 术.2012 NO.17：113

[8] 梁宇飞.SF6 封闭式组合电器，工业技术，2012 年 09(下)：80

[9] 段志强等.我国高压SF6断路器的现状及发展趋势，沈阳工程学院学报(自然科学版).2011（1）：50—52

[10] 王士政.《发电厂电气部分》（第三版），中国水利水电出版社.2011年5月第17次印刷

四、本课题主要研究内容

本课题是综合考虑发电厂所在系统中所处的地位、作用、性质、规模、负荷、厂址等因素，根据电压等级、线路回数、负荷要求等条件来合理确定电气主接线方案确定、电气设备的选择以及厂用电系统的设计等。具体内容如下：

1、电气主接线的设计

在熟悉石泉水电站原始资料的基础上，根据石泉水电站的性质及其在电力系统的地位、出线回路数、设备特点及负荷性质等条件，依据对主接线设计的基本要求，拟定出若干不同的电气主接线方案，并从技术上论证各方案的优缺点，从中确定最优方案，并绘制出石泉水电站的电气主接线图。

2、短路电流的计算

对石泉水电站的运行方式进行分析，按照可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），选择短路点，进行短路电流计算。

3、电气主设备的选择

进行石泉水电站电气主设备（断路器、隔离开关、互感器、避雷器、熔断器、绝缘子等）和载流导体（母线和电缆等）的选择，设备按照正常运行情况选择，按照短路条件校验其动稳定和热稳定，并按环境条件校核电器的基本使用条件。

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4、厂用电系统的设计

对石泉水电站厂用电及近区供电方式进行分析，确定厂用电电压等级，确定厂用电电源，满足正常运行的安全、可靠、灵活、经济和检修、维护方便等要求，并充分考虑发电厂正常、事故、检修、起动等运行方式下的供电要求，是切换操作简便，统计和计算各段厂用母线的负荷，选择厂用变压器，选择厂用电接线方式，绘制厂用电接线图。

5、电压配电装置总体布置设计

进行石泉水电站各级电压配电装置总体布置设计，绘制开关站平面布置图和必要的剖面图。

五、完成毕业设计的条件和拟采用的研究手段（途径）

完成毕业设计的条件：

1.主观条件：

个人对毕业设计的热情，认真、负责的工作学习态度以及自己平时学业上的积累。

2.客观条件：

（1）指导教师的悉心指导和同学们的热情帮助；

（2）学校图书馆的馆藏图书和文献；

（3）网络上的海量资源、信息；

（4）计算机硬、软件平台的支持。

拟采用的研究手段：

1.最重要的是明确毕业设计课题的任务，为后续的学习和工作找准方向；

2.回顾专业课程体系，夯实自己的理论基础，为毕业设计的稳步推进提供基本保证；

3.应用文献研究法。首先，根据所研究的课题，通过从图书馆、互联网调查资料和文献，从而正确地了解和掌握课题的全貌。而后，运用所查阅的资料，丰富自己的所学，扩大自己的知识面，开拓设计思路，解决设计 11

过程中遇到的具体问题，为设计工作提供理论依据；

4.积极向指导老师求教、汇报，经常与同学们交流，互相学习，共同进步；

5.应用好计算机，提高毕业设计质量。

六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标：

各阶段预期达到的目标：

毕业设计分为四个阶段及预期目标。

第一阶段：准备阶段。在熟悉资料的基础上，撰写开题报告，力求

对本次课程设计有一个全面的了解，包括此次毕业设计的内容，目的及意义，所需要采用的方法，准备好毕业设计所需要的材料，端正对待此次毕业设计的态度。

第二阶段：设计阶段（一）。电气主设备的设计。包括电气主接线的设计、短路电流计算、电气主设备选择，并要设计、绘制出开关站的布置 12

图。期间要严格按照相关手册标准的要求进行设计，力求做到主接线的可靠，经济，灵活性等要求。

第三阶段：设计阶段（二）。厂用电的设计及厂用电系统图的完成。在参照同类电站厂用电接线的基础上，满足厂用电设计所要求的安全、可灵活经济和检修、维护方便等要求。

第四阶段：整理收尾阶段。整理毕业设计说明书，针对国外对本专

业的最新研究，翻译一篇外文资料，最后将毕业设计提交给指导老师评阅并接受毕业答辩。

七、指导教师意见

对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预

测：

指导教师：

八、所 在 专 业 审 查 意 见

负责人：

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