水电站电气一次部分设计发电厂电气部分设计论文

水电站电气一次部分设计发电厂电气部分设计论文

前言

一、本毕业设计的目的与要求：

本毕业设计是电气工程及其自动化专业学生在完成本专业教学计划的全部课程教学、课程设计、生产实习、毕业实习的基础上，进一步培养学生综合运用所学理论知识与技能，解决实际问题能力的一个重要环节。通过毕业设计，使学生理论联系实际，系统、全面的掌握所学知识，培养学生分析问题的能力、工程计算的能力和独立工作的能力。使学生树立工程观点、社会主义市场经济观点，初步掌握发电厂（变电所）电气部分的设计方法，并在计算、分析和解决工程问题的能力方面得到训练，为今后从事电力系统有关设计、运行、科研等工作奠定必要的理论基础。二、设计内容：

、电气主接线的设计； 2、短路电流计算； 3、电器选择；

、高压配电装置的布置与电厂电气设施的总平面布置设计； 5、继电保护装备、自动装置与测量表计配置设计； 6、同期方式设计；

、避雷器的选择和设计；三、设计成品：

、说明书，包含总论、主接线选择、短路电流计算、电器设备选择、高压配电装置设计、继电保护自动装置配置、同期方式、防雷保护等；

、图纸，包括：电气主接线图、全厂继电保护自动装置测量表计图、高压配电装置平面图和断面图、发电厂的全厂手动准同期接线图。四、原始资料：

第一章发电厂电气主接线设计

§ 1-1 主接线的方案概述

简述：电气主接线代表了发电厂或变电站电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，其直接影响发电厂或变电站运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟订有决定性的关系。

对电气主接线的基本要求包括可靠性、灵活性和经济性三个方面，本次设计根据《水电站机电设计手册》、《电力工程设计手册》以及相关参考书目的规定，结合设计任务的要求拟订 2-3 个可行的主接线方案，进行技术和经济比较，得出最佳接线方案。

本次设计所给皂角湾水电厂原始资料如下：

、装机台数和容量为：2³15MW 取额定电压 UN=10.5kV 2、机组年利用小时数； T=4000 小时 3、气象条件；水电站所在地区，海拔< 1000m；本地区污秽等级 2级；地震裂度< 7 级；最高气温 36°C；最低温度 2.1°C；年平均温度 18°C；最热月平均地下温度 20°C；年平均雷暴日 56日/年；其他条件不限。

、功率因数；cos =0.8

、接入系统电压等级；110KV 6、110KV 输电距离20km；

、接入系统容量和归算后电抗；S=2500MVA，X*=0.3

一、对原始资料的分析：

本设计水电站为中、小型水力发电厂，其容量为2³15 MW，年利用小时数为 TMAX=4000 小时。当电站建成投产后，其装机容量将占系统总容量的0.8%；说明该厂在未来电力系统中的作用和地位并非十分重要，从而该厂主接线设计的侧重点应该在经济性和灵活性。

本次设计的重点是：水电厂高低两级电压电气主接线的拟订和水电厂机端10.5 KV 电压配电装置、110KV 高压配电装置、厂用电配电装置等设备的选择。难点是：对电厂整个电气主接

二、发电机与主变压器的接线形式的确定：

本次设计发电机的形式根据水电厂实际情况采用合适型号，因其单机容量为10MW，无厂用电分支，其机端电压等级采用 10.5KV。根据发电厂主变压器确定原则：本次设计按以无扩建可能和机组台数较多等因数考虑，发电厂主变台数定为 1—2 台，总容量应大于或等于电厂总装机容量（>=25MVA）。采用 10.5 kV/ 110kV 两级电压，三相双绕组变压器。

三、主接线方案初步拟订：

在对设计原始资料分析的基础上，结合对电力系统电气主接线的可靠性、经济性及灵活性等基本要求综合考虑，在满足技术、经济政策的前提下，本次设计力争使其成为技术先进，发电可靠、经济合理的主接线方案。可靠发电是本设计水电厂应该考虑的首要问题，兼顾到经济性和水电厂升压站场地狭窄等问题，设计主接线应保证其丰期满发，不积压发电能力。主接线方案从以下几个

方面考虑：

、线路、断路器、主变或母线故障或检修时，对机组的影响，对发电机出力的影响。

、本水电厂有无全厂停电的可能性。

、主接线是否具有足够的灵活性，能适应各种运行方式的变化，且在检修事故状态下操作方便，调度灵活，检修安全等。

、在满足技术要求的前提下，尽可能考虑投资省、占地面积小，电能损失小和年运行费用少。

、是否适宜于实现自动化和实现无人值守。

通过对原始资料的分析，现将各电压等级可能的较佳方案列出，进而优化组合，形成最佳可

§ 1-2 初步拟定供选择的主接线方案

根据电站的装机台数和出线回路数及上述资料，拟定两个电气主接线方案进行比较：

、接线方案：

方案Ⅰ：发电机变压器采用扩大单元接线，通过一台容量为25MVA的主变压器升压至110kV，110kV侧采用单母线接线。

方案Ⅱ：发电机变压器采用单元接线，分别接容量为12.5MVA的主变压器各一台， 110kV侧母线采用单母线接线。

电气主接线方案比较见图：主接线方案比较图。

§ 1-3 主接线的方案的技术经济比较

电气主接线方案的技术、经济比较如下：一、技术比较（一）、方案Ⅰ：

发电机、变压器采用扩大单元接线，110kV 侧采用单母线接线，其优缺点如下： 1、优点：

①接线简单清晰，运行方便，只有一台主变压器；②升压站占地面积相对较小，布置方便；

④继电保护比较简单，维护工作量小。 2、缺点：

①主变压器或断路器检修或故障时，必须全厂停机，使本站的电能无法送出。②运行灵活性、供电可靠性较方案Ⅱ略差。

③只能获得一个厂用电电源点，需引接外来电源作为厂用备用电源。（二）、方案Ⅱ：

发电机、变压器采用发—变组单元接线，110kV侧母线采用单母线接线；其优缺点如下：

、优点：

①接线简单清晰、供电可靠性高；

②一台主变故障或检修只影响一台发电机运行，仍有部分电能送出；③厂用电源分别从主变低压侧取得，提高了厂用电的可靠性。 2、缺点：

①需设两台主变，占地面积较大；② 110kV 设备布置较方案Ⅰ复杂；③投资和年运行维护费相对较高。二、经济比较

各方案经济比较见表1-1

方案经济比较表

表1-1

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经过技术和经济比较：方案Ⅰ投资较低，方案Ⅱ投资较高；方案Ⅰ的接线简单清晰、

占地面积大。根据该电站高压侧出线回路数少，高压侧接线应简单、清晰、操作方便等特点，

推荐采用方案Ⅰ为主接线方案，即：发电机—变压器扩大单元接线， 110kV 侧采用单母线接

线。推荐发电机、变压器组合接线方案见“电气主接线图”。

§ 1-4 发电机、主变及厂变的选择

一、发电机的选择及主要参数：

根据设计题目所给参数，查阅相关资料，本设计确定发电机形式如下：

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二、主变压器的选择及主要参数：

主变压器型号：SFP7-40000KVA；额定容量：40000KVA；

额定电压比： 121/10.5kV 调压形式：无载调压调压范围：

121±2³2.5%/10.5kV 接线组别：Yn,d11 冷却方式：强迫风冷

三、厂变选择：

根据题目要求，厂用电率为1.1%，即为P=30³0.011=0.33MW，本厂无高压电机之类负荷，

厂用电电压等级按0.4/0.22KV考虑。查阅相关资料，选取厂变型号及参数如下：

型号：S9-600；额定容量：600KVA；

额定电压比： 10.5/0.4kV 调压形式：无载调压调压范围：10.5±2.5%/0.4kV

接线组别： Yn,d11

§ 1-5 厂用电源接线方式

为提高厂用电的可靠性，在厂房内设置两回厂用电源，一回通过一台厂用变压器接

于10.5kV扩大单元母线上，另一回电源取自待建电站邻近1km处的已建电站，作为备用厂用电源。两电源作为全厂低压设备的主电源和备用电源，在副厂房设置8面PSM型固定式低压开关柜，向全厂厂用负荷供电。

本电站闸首距厂址5km，首部枢纽可靠性要求不高，通过厂用400V母线，通过一台10kV升压变及10kV线路供电，不设备用电源。

第二章短路电流计算

§ 2-1 短路电流计算概述

一、短路电流计算的目的和意义

电力系统短路的危害：在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小及突然短路时的暂态过程，使短路电流值大大增加，短路点的电弧有可能烧坏电器设备。另外，导线也会受到很大的电动力的冲击，致使导体变形，甚至损坏。短路还会引起电网中电压降低，使用户的供电受到破坏。短路还会引起系统功率分布的变化，影响发电机输出功率的变化。

计算短路电流的目的主要是为了选择断路器的电气设备或对这些设备提出技术要求；评价并确定网络方案；研究限制短路电流措施，为继电保护设计与调试提供依据，分析计算送电线路对通讯设施的影响等。二、短路电流计算的基本假定和计算方法

①、本次设计短路电流计算只考虑三相短路为最严重的情况，只对三相短路进行计算。

②、各台发电机均用次暂态电抗d″作为其等值电抗。③、正常工作时，三相系统对称运行。

④、所有电源的电动势相位角相同

⑤、电力系统中所有电源都在额定负荷下运行。

⑥、电力系统中各元件的磁路不饱和，带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。

⑦、同步电机都具有自动调整励磁装置。短路发生在短路电流为最大值瞬间，而不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

⑧、除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都忽略不计。

⑨、元件的确计算参数均取其定额值，不考虑参数的误差和调整范围。⑩、输电线路的电容忽略不计。

本设计短路电流计算采用运算曲线法。三、短路点的选择

因本设计水电厂电压等级不多，接线简单，110KV 接线为单母线接线，10KV 接线为扩大单元接线，故在110KV（主变高压侧）及10KV（主变低压侧）母线各选取一点作为短路计算点。

§ 2-2 短路电流计算

在本设计中，短路电流计算只计算三相短路电流，短路电流计算时间为：0s；0.2s；和4s（∞）。一、短路电流计算的方法：

本次设计短路电流计算运用运算曲线法，采用电路元件的标幺值进行。二、短路电流计算电

路图：

计算电路图如上图所示，根据上图，计算给出短路电流计算网络图，如下：

则系统各计算元件电抗如下表所示：

2）、短路电流计算电抗图：

三、短路电流计算过程： 1、计算d1点短路电流，网络简化变换和计算过程如下：

=X1∥X2=0.68 X5=X11 X12=0.072 X6=X3 X4=0.94

（1）、计算电抗： Xjs5=X5=0.072

=X6*Se1-2/Sj=0.94³2³(15÷0.8) ÷100=0.3525

（2）、各电源供给的短路电流标么值查水轮机运算曲线得：发电机

F1—2：://https://www.360docs.net/doc/434547740.html,/bf2a01fa09e15d999d8633f0a.htmlpar*”=3.2 I*0.2=2.64 I*∞=2.85 系统：

*”=I*0.2=I*∞=1/X5=13.89

由此，总的I*”=3.2 13.89=17.09；I*0.2=2.64 13.89=16.53；

I*∞=2.85 13.89=16.74；

（3）、各电流换算至115KV的额定电流和基准电流为：

Ij=Sj/(1.732³115)=0.502； Ie=(Se³Ij)/Sj；

对于发电机F1—2：Ie1-2= (Se1-2³Ij)/ Sj=0.19KA；（4）、三相短路电流周期分量起

对于发电机F1—2：I”= I*”³Ie=3.2 ³0.19=0.608KA；

.2= I*0.2³Ie=2.64³0.19=0.502KA； I∞= I*∞³Ie=2.85³0.19=0.542KA；对于系统：I”= I0.2= I∞= I*³Ij=13.89³0.502=6.973KA；小计：I”=0.608 6.973=7.581KA；I0.2=0.502 6.973=7.475KA； I∞=0.542 6.973=7.515KA；（5）、短路容量：

计算公式：S”=1.732³I”³Uj

对于发电机F1—2：S”=1.732³I”³Uj=121.1MVA；S0.2=1.732 ³I0.2³Uj=99.99MVA； S∞=1.732 ³I ∞³Uj= 107.96MVA；对于系统：S”= S0.2= S∞=1.732 ³I”³Uj=1388.88KVA；小计：S”z =1509.98MVA； S0.2z=1488.87MVA； S∞z=1496.84MVA；

（6）、短路全电流最大有效值及冲击值：

发电机F1—2：Ich=0.924KA； ich=1.55KA；系统：Ich=10.60KA；ich=17.78KA；小计：Ichz=11.524KA； ichz=19.33KA；

、计算d2点短路电流，网络简化变换和计算过程如下：

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=X11 X12 X3=0.332；

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= (X1³Se1)/Sj=(1.36³15÷0.8)/100=0.255； Xjs2= Xjs1=0.255；

（2）、各电源供给的短路电流标么值查水轮机运算曲线得：发电机F1—2：

*”=4.4 I*0.2=3.3 I*∞=3.25 系统S：

*”=I*0.2=I*∞=1/X4=3.01；

（3）、各电流换算至10.5KV的额定电流和基准电流为：Ij=Sj/(1.732³10.5)=5.498； Ie=(Se³Ij)/Sj；

对于发电机F1—2：Ie1-2= (Se1-2³Ij)/ Sj=2.06KA；

其计算步骤同前，计算结果见下表：《发电厂短路电流计算成果表》。

第三章导体、电器设备选择及校验

参考《电力工程设计手册》、《水电站机电设计手册》、的有关要求和方法，根据《导体和电器选择设计技术规定》进行导体和电器选择。查《电力工程设备手册》得出设备数据。

§ 3-1导体、设备选择概述

一、导体、电器选择在发电厂和发电厂电气设计中的地位和作用：电气装置中的载流导体和电气设备，在正常运行和短路状态时都必须安全可靠的运行，为了保证电气装置的可靠性和经济性，必须正确地选择电气设备和载流导体。二、本次设计中选择的导体、电器：

路、引线及汇流母线的选择； 2、绝缘子、穿墙套管的选择； 3、断路器、隔离开关的选择；

、电流、电压互感器及其熔断器； 5、阻波器、耦合电容器的选择； 6、其他电器的选择；

§ 3-2 导体的选择与校验

一、连接导体的选择：

、发电机-变压器导体选择：

导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择，一般按长期发热允许电流选择，对于年负荷利用小时数较大，传输容量较大，长度在 20 米以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。

根据以上原则，本次设计因 10KV 侧无汇流母线，仅对发电机出口开关柜至主变之间的导体进行选择。

按长期允许发热电流选择： 1）、发电机 F1～F2 至变压器之间导体选用单条矩形铝导体，其中截面按公式 Imax≤ kIal确定：

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计算得： Ial≥ 2062

运用简化公式进行校验。公式中取短路电流持续时间tdz= 0.25s，取 70℃时热稳定系数C = 87；Smin为满足热稳定的最小允许截面积，查短路计算结果：

I∞=25.26

则：

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满足热稳定要求。②、动稳定校验：

根据动稳定校验条件：σmax= σy

σmax——作用在母线上的最大计算应力

σy－母线材料的允许应力。取σy= 70 × 10（Pa）

对于单条矩形母线：

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其中：支持绝缘子间的跨距L = 1.2；截面系数w = bh/ 6 = 1.67 ³ 10 4；冲击电流ich= 70.3KA；母线相间距离α = 0.75m；振动系数β≈1；则有：

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σmax<σy；满足动稳定校验。

、厂用电导体选择：

本设计厂用电容量选取容量为 600KVA，采用户内配电装置，其高压侧Imax= 35A ，选用YJV-10-3³50型电力电缆可以满足动热稳定校验。厂用电低压侧选用8面PSM固定式成套低压开关柜可满足要求。

、引上线导体（变压器-母线连接线）选择：

本设计变压器-母线连接导体的选择按长期允许发热考虑，选择时试选择LGJQ-150 进行校验。LGJQ-150 导线其最大长期允许载流量为 Ial= 315A（70℃时）。

热稳定校验：

运用简化公式

进行校验。公式中取短路电流持续时间tdz= 3s，取

70℃时热稳定系数 C = 87；Smin为满足热稳定的最小允许截面积，查短路计算结果： I∞=7.515KA 则：

=152mm2>150 mm2；

不能满足热稳定要求，为此，选用LGJQ-185 导线能满足设计要求。二、母线的选择：

与变压器-母线连接线引线选择步骤相同，本设计 110KV 母线选择型号为LGJQ-185 的钢芯铝绞线，其热稳定、电晕的校验均能满足要求。三、线路导体选择：

与变压器-母线连接线引线选择步骤相同，本设计 110KV 母线选择型号为LGJQ-185 的钢芯铝绞线，其热稳定、电晕的校验均能满足要求。

§ 3-3 电器设备的选择与校验

一、断路器及操作机构的选择：

断路器的作用是正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备或线路接入或退出运行，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，起保护作用。

断路器的形式有多油、少油、真空、六氟化硫等。

断路器型式选用的原则是：除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装和运行维护，并经经济比较后确定。

、110KV 断路器的选择：（包括主变高压侧断路器及线路断路器）

110KV 母线上变压器开关通过的最大持续工作电流为：241A； 110KV 线路开关通过的最大持续工作电流为：241A； 110KV母线发生三相短路，即d1点短路时的短路参数如下：S ′=159.98MVA I ′=7.581KA I∞7.515KA ich= 19.33KA Ich= 11.524KA

查阅相关资料，试选断路器型号为：LW6-110/1250，其主要参数为：

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=

断路器及隔离开关校验标准：

①、最大持续工作电流小于额定电流。

②、断路器 t 秒的开断容量小于或等于断路器额定开断容量。

③、动稳定校验。 ich≤ imax。 imax极限峰值。

④、热稳定校验。 Itdz2< Itt。It断路器（隔离开关）t 秒热稳定电流。根据校验条件和断路器参数校验： Igmax < Ie S <′ Sed

<imax

∞tdz<It2t

所选 LW6-110型六氟化硫断路器完全满足在 110KV 母线上短路条件下的开断容

量、动热稳定的要求，断路器操作机构选用液压或气动装置。

、10KV 断路器的选择：

本设计 10KV 断路器在仅在 F1～F2 发电机出口侧和 1台厂用电高压侧设置。选择发电机出口侧断路器时按 d2 点短路选择校验。

①、F1～F2 发电机出口侧断路器选择：

=(1.05³18750)/(1.732³10.5)=1082A； d2点短路参数为： S ′ = 465.75MVA I ′= 25.61 KA I ∞=23.25 KA ich= 65.31KA Ich= 38.94 KA

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Igmax < Ie

<′ Sed ich<imax

∞tdz<It2t

所选 ZN5-10/1250 型真空断路器完全满足在 10KV 母线上短路条件下的开断容量、动热稳定的要求，断路器操作机构选用电磁或弹簧操作机构。

②、厂用变 10KV 侧断路器选择： Igmax=35A

[此处图片未下载成功]

<′ Sed ich<imax

∞tdz<It2t

所选 ZN5-10/1250 型真空断路器完全满足在完全满足在 0.4KV 母线上短路条件下的开断容量、动热稳定的要求，断路器操作机构选用电磁或弹簧操作机构。

二、隔离开关的选择：

、隔离开关的作用有；①、隔离电压；②、倒闸操作；③、分、合小电流。隔离开关的形式较多；有屋内式、屋外式、单柱式、双柱式、三柱式等。其选用原则是除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装和运行维护，并经经济比较后确定。 2、选择与校验：

隔离开关一般与断路器配套使用，其选择用的最大持续工作电流可以参照断路器选择时的最大持续工作电流。

①、110KV 隔离开关选择：

按 d1 点短路条件试选：GW4-110（GW4-110D 用于 110KV 出线侧）。其技术参

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Igmax < Ie

∞tdz<It2t

所选 GW4-110 型户外隔离开关完全满足设计要求。

②、10KV 隔离开关选择：

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Igmax < Ie

∞tdz<It2t

所选 GN2-10 型户内隔离开关完全满足设计要求。

三、穿墙套管及绝缘子的选择： 1、穿墙套管选择：

根据工作电压和额定电流，查《发电厂电气部分》附表 4 选用 CMWD2-20 母线型套管，套管长度 L = 645mm ，机械破坏负荷 Fde= 19600N 。 2、支柱绝缘子的选择：

根据母线额定电压和装设地点，屋内支柱绝缘子选用 ZC-10F 型，其抗弯破坏负荷 F=12250N，绝缘子高度 H=225mm。屋外支柱绝缘子选用电压高一级的 ZCP-35，其 F=12250N，H=400mm。

3、悬式绝缘子的选择：

根据室外 110KV 母线额定电压为 110KV，选用母线用悬式绝缘子型号为 XP-7，每串组合为9片。

四、电压、电流互感器的选择： 1、电压、电流互感器的配置：①、电压互感器的配置：

发电机：本次设计每台发电机出口侧装设两组电压互感器，一组（三只单相，双绕组）接成 Y/Y 形供发电机自动调节励磁装置用，另一组（三相五柱式）接成Y/Y/△形供测量仪表、同步和保护装置用，其开口三角形供发电机在未并列之前检查是否接地用。在 1B主变低压侧扩大

列和测量仪表用。

KV 母线：在 110KV 母线上装设一组（三只单相，三绕组）Y/Y/△接线电压互感器，用于测量和保护用。②、电流互感器配置：

发电机 F1～F42出口侧装设 3 组电流互感器，按三相式配置，每组为双绕组，分别用于发电机差动，发电机机房测量仪表，发电机过流保护和发电机自动调节励磁用。另外发电机 F1～F42变压器侧还应设 1 组电流互感器，按三相配置用于主变差动保护和测量仪表用。

主变高压侧；配置 2 组电流互感器，按三相配置，每组为双绕组，分别用于测量、电流保护和主变差动保护。

主变中性点：设一只电流互感器，用作变压器中性点零序电流保护。

KV 出线侧配置 2 组电流互感器（三相双绕组）分别用于测量、计量电流保护或距离保护。

电压、电流互感器的配置情况，详见电气主接线图。 2、电压互感器的选择：

①、110KV 母线电压互感器选择：

根据使用条件，查《发电厂电气部分》附表 4， P228 选择 110KV 母线电压互感

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②、发电机出口10KV电压互感器选择：

发电机出口处电压互感器配置有 2 组，分别用于自动调节励磁和测量保护用，选