水电站电气一次部分课程设计.doc

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1、重庆水利电力职业技术学院水电站电气一次部分课程设计姓 名： 系 别： 电气工程系 专 业： 小型水电站及电力网 班 级： 09级小水电1班 学 号： 0912150115 指导老师： 起止时间 2011年2月21日至2011年2月25日摘 要水电站是电力系统的重要组成部分，它为整个电力系统的电能的来源，电气主接线是发电厂的主要环节，电气主接线的拟定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。为满足经济发展的需要，根据有关单位的决定设计1座单机容量为15MW，总装机容量为30MW的水力发电厂。首先根据任务书上所给原始资料参数，分析

2、发电厂的设计方案。从供电的可靠性、灵活性，技术的先进性，经济的合理性来对电厂建设进行分析。然后通过对拟建发电厂的建设方案，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了发电厂的主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，对高压熔断器，隔离开关，母线，绝缘子和穿墙套管，电压互感器，电流互感器进行了选型，从而完成了这座发电厂电器部分的设计。关键词：发电厂 主变压器 短路计算 选型目录摘要 2第一章 概述1.1 课程设计的目的 51.2 课程设计的内容 5第二章 电气主接线设计 2

3、.1 原始资料 6 2.2 对原始资料的分析 62.3 电气主接线的设计依据 62.4 主接线设计步骤 72.5 技术经济比较 72.5.1 发电机侧电压（主）接线方案 72.5.2 主接线方案拟定 9第三章 主要变压器的选择3.1 主变的选择 123.1.1 相数的选择 123.1.2 绕组数量和连接方式的选择 123.2 厂用变压器的选择 13 第四章 短路电流计算4.1 电路简化图 144.2 计算各元件标么值 144.3 短路点电流计算 15 4.3.1d1 点短路电流计算 15 4.3.2d2 点短路电流计算 194.4 三相短路电流计算成果汇总表 22第五章 电气设备选择及校验5.

4、1 电气设备选择的一般规定 235.1.1 按正常工作条件选择 235.1.2 按短路条件校验 245.2 断路器和隔离开关的选择和校验 255.3 限流电抗器的选择和校验 255.4 导体、电缆的选择和校验 265.5 绝缘子、穿墙套管的选择和校验 265.6 电流、电压互感器的选择和校验 27第六章 避雷器的选择和校验6.1 避雷器的设置 286.2 避雷器的选择 28第七章 防雷保护与接地7.1 防雷保护 297.1.1 直击过电压 297.1.2 入侵雷电波保护 297.2 接地装置 307.2.1 一般规定 307.2.2 降低土壤电阻率的措施 307.2.3 本水电站接地网的布置

5、30第八章 主要电气设备汇总 31附录 33参考文献 34第一章 概述1.1课程设计的目的：1、复习巩固本课程及其他课程的有关内容，增强工程概念，培养电力工程规划设计的能力。 2、复习水电站电气设备相关知识，进一步巩固电气主接线及短路计算，电气设备选择等内容； 3、利用所给资料进行电厂接入系统设计，主接线和自用电方案选择，掌握短路电流计算，会进行电气设备的配置和选型设计。1.2课程设计内容：1 发电厂主接线的设计；2 短路电流的计算3 电气设备的选择（母线 电缆 断路器 隔离开关 互感器 避雷器）防雷保护和接地装置设计第二章 电气主接线设计2.1原始资料：1、待设计发电厂类型： 水力发电厂 ；

6、2、发电厂一次设计并建成，计划安装215 MW 的水力发电机组，利用小时数 4000 小时/年。3、待设计发电厂接入系统电压等级为110kV， 距系统110kV发电厂45km；出线回路数为4回；4、电力系统的总装机容量为 600 MVA、归算后的电抗标幺值为 0.3，基准容量Sj=100MVA；5、发电厂在电力系统中所处的地理位置、供电范围示意图如下所示。 6、低压负荷：厂用负荷（厂用电率） 1.1 %；7、高压负荷： 110 kV 电压级，出线 4 回，为 I 级负荷，最大输送容量60 MW， cos = 0.8 ；8、环境条件：海拔 1000m；本地区污秽等级2 级；地震裂度 7 级；最高

7、气温 36C；最低温度2.1C；年平均温度18C；最热月平均地下温度20C；年平均雷电日T=56 日/年；其他条件不限。2.2对原始资料的分析计算为是发电厂的变压器主接线的选择准确，我们原始资料对分析计算如下；根据原始资料中的最大有功及功率因数，算出最大无功，可得出以下数据电压等级线路名称最大有功（MW）最大无功（MVAr）COS负荷级别Tmax110KV回路11511.20.814000回路2回路3回路42.3电气主接线设计依据电气主接线设计是水电站电气设计的主体。它与电力系统、枢纽条件、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

8、的影响，必须紧密结合所在电力系统和电站的具体情况，全面地分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，通过技术经济比较，合理地选定接线方案。电气主接线的主要要求为:1、可靠性：衡量可靠性的指标，一般是根据主接线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”事件的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种接线形式的择优。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、电能损耗小。2.4 主接线设计的一般步骤1、对设计依据和基础资料进行综合分析。2、确定主变的容量和台数，拟定可能采用的主接线形式。3、论证是

9、否需要限制短路电流，并采取合理的措施。4、对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。2.5 技术经济比较2.5.1 发电机电侧电压（主）接线方案根据我国现行的规范和成熟的运行经验，满足可靠性、灵活性和经济性的前提下，发电机电压接线可采纳的接线方式有以下三种：方案一：单母线接线图1 单母线接线示意图（1）优点：设备少，接线清晰，经济性好，便于采用成套配电装置，并且母线便于向两端延伸，方便扩建。（2）缺点：可靠性偏差，母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作。调度是很不方便，电源只能并列运行，不能分裂运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。（3）一般适用范围：一般

10、只用在出现回路少，并且没有重要负荷的发电厂。方案二：单元接线图2 单元接线示意图（1）优点：发电机与主变压器容量相同，接线最简明清晰，故障影响范围最小，运行可靠、灵活；发电机电压设备最少，布置最简单方便，维护工作量也最小；继电保护简单。（2）缺点：主变压器与高压断路器数量多，主变压器高压侧出线回路多，布置复杂增加布置场地与设备的投资；。（3）一般适用范围：单机容量一般在100MW及以上机组，且台数在6台及以下者；单机容量在45MW80MW之间，经经济比较采用其它接线方式不合适时。方案三：扩大单元接线图3 扩大单元接线示意图（1）优点：接线简单清晰，运行维护方便；与单元接线比较，减少主变压器台数

11、及其相应的高压设备，节省投资；与单元接线比较，任一机组停机，不影响厂用电源供电，本单元两台机组停机，仍可继续有系统主变压器倒送；减少主变压器高压侧出线，可简化布置和高压侧接线。（2）缺点：主变压器故障或检修时，两台机组容量不能送出；增加两台低压侧断路器，且增大发电机电压短路容量。（3）一般适用范围：适应范围较广，能较好的适应水电站布置的特点，只要电力系统运行和水库调节性能允许，一般都可使用。应注意避免在主变压器回路故障或检修时造成大量电能损失。2.5.2 主接线方案拟定110Kv侧由于本电站是小水电，不承担主要负荷，没有重要机端负荷，从接线的可靠性、经济性和灵活性考虑，在我国运行的成熟经验一般

12、采用单母线接线方式。所以本电站，110Kv侧采用单母线接线。（一）根据以上三种主接线方式，并结合本设计水电站的实际，现拟定以下三种电气主接线方案(单相示意图)：(1)单母线接线其接线示意图如图4：图4 单母线接线方案（2）单元接线其接线示意图如图5：图5 单元接线方案（3）扩大单元接线其接线示意图如图6： 图6 扩大单元接线（二）主接线方案初步比较：由以上三种接线方案的优缺点分析和接线示意图，本着可靠性、灵活性和经济性的原则，结合电厂实际综合分析，可以得出：单母线和扩大单元接线相比较，其可靠性和灵活性都很相近，厂用电都是在发电机10.5KV侧取得，然而本电站只有两台发电机，比较特殊，所以单母线

13、和扩大单元接线形式相近。单母线接线灵活性低。所以可以明显淘汰单母线接线方案。从而保留扩大单元接线和单元接线方案。（三）主接线方案的确定（1）技术比较方案的技术特性分析，一般从以下几个方面进行分析： 供电的可靠性； 运行上的安全和灵活性； 接线和继电保护的简化；维护与检修的方便等。需要说明的是：在比较接线方案是，应估计到接线中发电机、变压器、线路、母线等的继电保护能否实现及其复杂程度。对任何接线方案都能实现可靠的继电保护，由于一次设备投资远远大于二次设备的投资，所以即使某个别元件保护复杂化，也不能作为不采用较经济接线方案的理由。从供电的可靠性看：对于方案2，厂用电从两台发电机上取得，即使检修其中

14、一台变压器和两机组停机电厂也不会停电，然而两台变压器同时故障的可能性非常小。相比方案3，若检修变压器电厂就会停电，否则要另外接入厂用电源，这样投资就增加了。这样，方案2的可靠性相对高些。 从运行安全和灵活性看：方案2的变压器的短路容量比方案3小，对变压器和发电机的绝缘水平要求相对较低，安全性相对较高，其灵活性也比较好。从接线和继电保护看：方案3的接线和继电保护都相对方案2较复杂。从维护与检修看：方案3的维护相比方案2较复杂，方案3的检修相比方案2较方便。（2）经济比较经济比较中，一般有一次投资和年运行费用两大项。计算中，一般只计算各方案不同的一次性投资及年运行费。、一次性投资一次性投资包括主变

15、压器、配电装置的综合投资。电气设备的综合投资是电气设备出厂价格、运输机安装费用的总和，又称电气设备的基建投资费。电气设备的基建投资费的计算公式可以为：式中Bsb电气设备综合指标，元;G 电气设备出厂价格，元;L1电气设备运杂费率，可以取0.050.07，运距短取小值，运距大取大值；L2电气设备安装费率，可以取0.13。输电线路综合指标的计算：在掌握当地钢材、水泥和铝导线的市场价格后，由书可以查出材料消耗定额，然后可按下公式计算：BXL=X1X2(C1D1+C2D2+C3D3)BXL线路综合指标，元/Km；D1D3材料消耗定额，T/Km；D1、D2、D3分别代表钢材、水泥和铝导线的消耗定额；C1

16、C3材料单价，元/T；C1、 C2、 C3为钢材、水泥和铝导线三种材料的单价;X1综合系数，1.3；X2地形修正系数。地形修正系数为平地 1 丘陵 1.1山地 1.2 高山 1.4沼泽 1.2 城镇 1.2投资复利计算：投资K一次完成，年利率为i，t年发挥效益，则贴现到t年后的实际投资Z为Z=K(1+i)t、年运行费用年运行费用，包括个电气设备的每年折旧费及维护检修费。电气设备年折旧费、维修费可以通过查表得到。经过计算比较结果，选定方案2（单元接线）为主接线方案。第三章 主要变压器的选择3. 1主变的选择该水电站远离负荷中心，水电站的厂用电很少（1.1%），且没有地区负荷，因此，选择主变压器的

17、容量应大致等于与其连接的发电机容量。水电厂多数担任峰荷，为了操作方便，其主变压器经常不从电网切开，因此要求变压器空载损耗尽量小。3.1.1相数的选择主变采用三相或单相，主要考虑变压器的可靠性要求及运输条件等因素。根据设计手册有关规定，当运输条件不受限制时，在330KV及以下的电厂及变电所均选用三相变压器。因为三相变压器比相同容量的单相变压器具有节省投资，占地面积小，运行过程损耗小的优点，同时本电厂的运输地理条件不受限制，因而选用三相变压器。3.1.2绕组数量和连接方式的选择（1）绕组数量选择：根据电力工程电气设计手册规定：“最大机组容量为125MW及以下的发电厂，当有两种升高电压向用户供电与或

18、与系统相连接时，宜采用三绕组变压器。结合本电厂实际，因而采用双绕组变压器。（2）绕组连接方式选择：我国110KV及以上的电压，变压器绕组都采用连接，35KV一下电压，变压器绕组都采用连接。结合很电厂实际，因而主变压器接线方式采用YN,d11。综上所述，在比较的三个方案中，需要两台同容量的110KV双绕组有载调压电力变压器：20MVA（两台）。结合本电厂实际，从经济性的角度出发，选择型式为：双绕组有载调压电力变压器。通过查阅电力工程电气设备手册，电气一次部分可知其主变压器的参数如下表电力变压器技术参数型号额定容量（KVA）额定电压（KV）空载电流（%）空载损耗KW负载损耗KW阻抗电压（%）高压低

19、压SFZL720000/1102000011081.25%10.51.23010410.53.2 厂用变压器的选择选择原则：为满足厂内各种负荷的要求，装设两台厂用变压器，厂用电容量得确定，一般考虑厂用负荷为发电厂总负荷的1%2%,此发电厂的厂用负荷为总负荷的1.1%。S1.1%30000KVA330KVA。根据选择原则，并通过查找电力工程电气设备手册，电气一次部分选出厂用的两台变型号都为S=440KV.A：型号额定容量（KVA）额定电压（KV）空载电流（%）损耗W阻抗电压（%）连接组标 号高压低压空载短路SZ6400/1040010.50.4387042004Y，yn0SZ7400/10400

20、10.50.43.292058004通过对比两台厂用变压器的型号定为SZ6400/10双绕组有载调压电力变压器，两台厂用变分别接于主变低压侧，互为暗备用，平时半载运行，当一台故障时，另一台能够承但变电所的全部负荷。由于厂用变压器是两台，互为暗备用，平时半载运行，当一台故障时，另一台能够承但变电所的全部负荷。所以其母线可采用单母线分段接线；接线图如下图7：第四章 短路电流的计算4.1电路简化图8：4.2计算各元件的标么值取查得发电机 变压器 线路电抗 等值短路阻抗图9： 图9等值短路阻抗4.3短路电流计算4.3.1d1点短路电流计算将X1和X2串联得X7; 因系统及电站1、2发电机电源通过公共阻

21、抗X3供电；故须进行简化，并按分布系数法求出短路点到各电源间的转移阻抗想X10、X11。X6与X7并联为；计算阻抗发电机系统 求短路电流发电机12为 查得运算曲线得；系统 d1点短路电流周期分量为；d1点冲击电流及全电流最大有效值；查得 查得 d1点短路时，4s热效应为，周期分量热效应为；非同期分量热效应为；查得 Ta=0.2则 4.3.2d2点短路 计算电抗同期分量短路电流发电机12 查得运算曲线为则 系统：d2点短路电流同期分量值为；d2点短路冲击电流及全电流最大值；查得 d2点短路，4s热效应为Ta应按发拉立支路的值来计算；查得 变压器发电机 则支路的阻抗得；4.4三相短路计算成果汇总表

22、短路点分支回路额定电流KA计算电抗t=0st=0.1st=0.2st=2st=4sd1F1、F10.3290.264.291.41526.573.3751.113.2531.09419.583.131.0313.0981.02Sc5.501.140.8775.3587.70.8775.350.8775.3587.70.8775.350.8775.35合计6.875114.276.466.44107.286.386.3718.1811.21137.65d2F1、F20.1570.2923.8450.605115.353.1050.4873.0850.48492.553.0350.4783.032

23、0.476Sc0.5251.140.8750.6087.50.8750.600.8750.6087.50.8750.600.8750.60合计1.205202.851.0871.084180.051.0781.0763.151.914.96第五章 电气设备选择及校验5.1电气设备选择的一般规定选择与校验电气设备时，一般应满足正常工作条件及承受短路电流的能力，并注意因地制宜，力求经济，同类设备尽量减少品种，同时考虑海拔、湿热带、污秽地区等特殊环境条件。本设计主要考虑温度和海拔两个环境因素。5.1.1 按正常工作条件选择电器、电缆允许最高工作电压不得低于该回路的最高运行电压，即；电器、导体长期允许

24、电流不得小于该回路的最大持续工作电流，即。在计算发电机变压器回路最大持续工作电流时，应按额定电流增加5%。这是考虑到在电压降低5%时，为确保功率输出额定，则电流允许超5%。在选择导体、电器时，应注意环境条件：、选择导体、电器的环境温度一般采用表下所列的数值。选择导线、电器时使用的环境温度类别安装起点环境温度（）最高最低裸导体屋外最热月平均最高温度屋内该处通风设计温度。无资料时，可取最热月平均最高温度加5电缆屋外电缆沟最热月平均最高温度年最低气温屋内电缆沟屋内通风设计温度。无资料时，可取最热月平均最高温度电缆隧道屋内通风设计温度。无资料时，可取最热月平均最高温度电气屋外年最高温度年最低气温屋内电

25、抗器该处通风设计最高排风温度屋内其它电器该处通风设计温度。无资料时，可取最热月平均最高温度加5按交流高电压电器在长期工作时的发热规程规定：电器使用在环境温度高于+40（但不高于60）时，环境温度没增加1，建议较少额定电流1.8%；当环境温度低于+40，每低1,建议增加额定电流0.5%，但最大过负荷不得超过额定电流的20%。、110KV及以下电器，用于海拔不超过2000米时，可选用一般产品。5.1.2 按短路条件校验包括动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。、短路热稳定校验式中：电器设备允许通过的热稳定电流及相应时间 短路电流产生的热脉冲计算用下式：式中：、分别为短路发生瞬间、短

26、路切除时间、短路切除时间的短路电流周期性分量（KA） 短路切除（持续）时间，为继电保护时间与断路器的全开断时间之和（S） T短路电流非周期分量等效时间，对于发电机出口可取0.150.2S，发电厂升压母线取0.080.1S，一般变电所取0.05S。若切除时间大于1S,只需考虑周期分量。、短路动稳定校验动稳定校验一般采用短路冲击电流峰值，当回路的冲击系数与设备规定值不同，而且冲击电流值接近于设备极限通过电流峰值时，需要校验短路全电流有效值。校验条件： 或式中：短路冲击电流峰值（KA）；短路全电流有效值（KA）；电器允许极限通过电流峰值（KA）；电器允许的极限通过电流有效值（KA）。、电器的开断电流

27、校验时，电器的开断计算时间取主保护时间及断路器固有分闸时间之和。这里，我们按最坏的情况考虑，主保护失灵，机端断路器取后备保护时间2S，其余的取4S。、导体和电器选择设计技术规定“用熔断保护的导体和电器可不验算热稳定，除用有限流作用的熔断器保护者外，导体和电器的动稳定仍应验算。”5.2 断路器和隔离开关的选择和校验断路器可按下表进行选择和校验项目额定电压额定电流开断电流短路关合电流热稳定动稳定断路器应满足要求应满足要求选择结果如下：机端断路器选择SN1010/2000-43.3型断路器。主变出口断路器选择SW4110/1000型断路器。与系统相连的出线断路器选择SW4110/1000型断路器。厂

28、用变进线选择断路器SN1010/630-16型断路器。动热稳定校验均满足，只有厂用变进线断路器加限流电抗器后才满足。隔离开关可按下表进行选择和校验项目额定电压额定电流热稳定动稳定隔离开关应满足要求应满足要求选择结果如下： 、机端隔离开关选择GN110/200085型隔离开关。、主变出口隔离开关选择GW4110D/100080型隔离开关。、与系统相连的出线隔离开关选择GW4110D/100080型隔离开关。、厂用变进线隔离开关选择GN610/60052型隔离开关。动热稳定校验均满足，只有厂用变进线隔离开关加限流电抗器后才满足。5.3 限流电抗器的选择和校验本电厂只在厂用变进线处需加限流电抗器限流

29、，此处只需要普通的电抗器即可满足要求。一、额定电压和电流的选择条件为：， 二、按将短路电流限制到一定数值的要求来选择。设要求将电抗器后的短路电流限制到，则电源至电抗后的短路点的总电抗标么值（为基准电流、基准电压）。设电源至电抗器前的系统电抗标么值是，则所需电抗器的电抗标么值。以额定参数下的百分电抗表示，则应选择电抗器的百分电抗为：三、正常运行时电压损耗按下式校验。四、母线残压按下式校验。 选择结果：NKSL102004型电抗器，满足限流条件和动热稳定校验条件。5.4 导体、电缆的选择和校验导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。对年负荷利用小时数，传输容量大，长度在20m以上的导体如发

30、电机、变压器的连接导体，其截面一般按经济电流密度选择。在本水电站具体的情况下，10kv机端母线及导体按经济电流密度选择，而110kv母线及导体按长期发热允许电流选择。选择结果：、110Kv母线选择LGJ800/55型钢芯铝绞线。、与系统相连的出线导线选择LGJ800/55型钢芯铝绞线。、发电机、变压器连接导体（10kv）的选择3条100mm10mm竖放矩形铝导体。动热稳定均满足校验条件。5.5 绝缘子、穿墙套管的选择和校验无论支柱绝缘子还是穿墙套管均要进行动稳定校验，按下式进行：式中：绝缘子破坏负荷（牛） 短路时，作用于绝缘子（或穿墙套管）的力（牛）。具有导体的套管才进行热稳定校验：式中：套管

31、热稳定性。选择结果如下：、10Kv电压等级绝缘子选择：屋内部分选用ZLD10型支持绝缘子；屋外部分选用ZPD10型支持绝缘子。、110Kv电压等级绝缘子选择ZS110型支持绝缘子。、穿墙套管的选择CMF20母线型套管。动热稳定均满足校验要求。5.6 电流、电压互感器的选择和校验根据相关规定，在机端和110kV及以上等级的互感器的接线均采用三相星型接线，设互感器离测量仪表的距离均为100m，设互感器离测量仪表的距离为40m。选择步骤大致如下： 一、根据相关原始资料选择种类和型式。 二、一次回路额定电压和额定电流的选择。 三、准确级和额定容量的选择。 四、热稳定和动稳定的校验。选择结果如下：、10

32、kV机端电流互感器选择LMZ110屋内型，变比2000/5。、110kV母线及进出线电流互感器选择LCWD110屋外型，变比1000/5。、厂用变压器进线电流互感器选择LFZJ110屋内型，变比100/5。、10kV机端电压互感器选择JSJW10型。、110kV母线及进出线电压互感器选择JCC2110型。、厂用变压器进线电压互感器选择JSJW10型。动热稳定均满足校验条件。第六章 避雷器的选择和校验6.1 避雷器的设置根据电力设备过电压保护设计技术规程的规定，一般在下列情况下装设避雷器：310kV每条架空进线上；非全线架设避雷线的35110kV架空线，其进线端；重要性较高的35110kV的每条

33、进线；架空线路与电缆线路接头处。各电压等级的每组母线上，并应尽可能靠近被保护的主要电气设备，当装设的避雷器与主变压器的电气距离超过允许值时，应在主变压器附近增设一组阀型避雷器。主变压器的大电流接地系统侧的中性点，主变压器的小电流接地系统侧中性点装有消弧线圈时；与架空线路连接的三绕组变压器低压侧；自耦变压器高、中侧绕组引进线与断路器之间；直接与架空线相连的旋转电机以及“发电机-变压器”单元接线，当母线桥或组合导线无金属屏网部分的长度大于50公尺时，在发电机出口及中性点处应装设避雷器。6.2 避雷器的选择避雷器选择时，应考虑保护电器的绝缘水平，使用特点。根据上述原则，该发电厂避雷器选择结果如下表所示：避雷器的选择结果安 装 地 点型 号额定电压有效值（kV）发电机出口Y2.5W512.7/3110.5发电机中性点Y