水电厂电气一次设计及变压器保护设计电气工程及其自动化电力专业毕业设计毕业论文.docx
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水电厂电气一次设计及变压器保护设计电气工程及其自动化电力专业毕业设计毕业论文
水电厂电气一次设计及变压器保护设计
绪论
1、电压等级和电压制
合理电压制中的“求三舍二”原则。
为避免各级电压送变电设备容量的过多重复与供电面积的过多迭盖，尽力降低电网线损及系统无功损耗，以便有效的发挥各级电压的应有作用，从而取得良好的经济合理性，各电压等级必须服从“求三舍二”原则，否则便不经济、也不合理，更谈不上“优化”。
所谓“舍三求二”，是指标准系列或电网电压制中，各相邻级所差的倍数应力求接近、等于或超过“3”，同时又要舍弃倍数接近或小于“2”的两级中的某一级。
2.对电气主接线的基本要求，应满足可靠性、灵活性和经济性三方面。
3.电气主接线设计原则
电气主接线设计的基本原则是以下达的设汁任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节约投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性和可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
4.电力系统继电保护的基本要求
动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足4个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
5.变压器保护
现代生产的变压器,虽然结构可靠,故障机会少,但在实际运行中,仍有可能发生各种类型的故障和异常运行,为了保证电力系统安全稳定的运行,并将故障和异常运行对电力系统的影响限制到最小范围,必须根据变压器容量的大小、电压等级等因素装设必要的、动作可靠性高的继电保护装置。
变压器保护的配置原则：
1）反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护
容量800KVA及以上的油浸式变压器，均应该装设瓦斯保护。
当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。
2）相间短路保护
反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护。
3）后备保护
①过电流保护，宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现的过电流。
②复合电压启动的过电流保护，宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。
③负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护，可用于63000KVA及以上的升压变压器。
④中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护
⑤过负荷保护
⑥过激磁保护
6.毕业设计的任务和目的
任务：
完成安康水电厂电气主接线的设计和变压器保护设计。
目的：
通过对题目的训练，是学到的理论联系实际的综合训练，培养综合运用所学理论知识和基本技能、解决工程实际及科学研究问题的能力；培养创新意识和能力。
第一章主接线方案确定
1.1电气主接线概述
1.1.1电气主接线设计原则和程序
电气主接线是发电厂、变电站设计的主体。
采用何种主接线形式，与电力系统原始资料，发电厂、变电站本身运行的可靠性、灵活性和经济性的要求等密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟订都有较大的影响。
因此，主接线的设计必须根据电力系统、发电厂或变电站的具体情况，全面分析，正确处理好各方面的关系，通过技术经济比较，合理地选择主接线方案。
一、对电气主接线的基本要求
对主接线的要求，概括地说应满足可靠性、灵活性和经济性三方面的要求。
1.可靠性
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。
停电不仅给发电厂造成损失，而且给国民经济各部门带来的损失将更加严重，在经济发达地区，故障停电的经济损失是实时电价的数十倍，乃至上百倍，至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失和政治影响，更是难以估量。
因此，电气主接线必须保证供电可靠。
电气主接线的可靠性不是绝对的。
同样形式的主接线对某些发电厂和变电站来说是可靠的，而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。
所以，在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。
2.灵活性
电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。
灵活性包括以下几个方面：
（1）操作的灵活性。
电气主接线应该在满足可靠性的条件下，结线简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。
（2）调度的方便性。
电气主接线在正常运行时，要能根据调度要求，方便地改变运行方式，并且在发生故障时，要能尽快的切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。
（3）扩建的方便。
对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。
尤其是火电厂和变电站，在设计时应留有发展扩建的余地。
3.经济性
在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。
通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。
经济性从以下几个方面考虑：
（1）节省一次投资。
主接线应简单清晰，并要适当采用限制短路电流的措施，以节省开关电器的数量、选用价廉的电器或轻型电器，以便降低投资。
（2）占地面积少。
主接线设计要为配电布置节约土地的条件，尽可能使占地面积少；同时要注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。
（3）电能损耗少。
在发电厂或变电站中，电能损耗主要来自变压器，应经济合理地选择变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。
二、电气主接线设计原则
电气主接线设计的基本原则是以下达的设汁任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节约投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性和可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
三、电气主接线的设计程序
电气主接线的设计伴随着发电厂或变电站的整体设计进行，即按照工程基本建设程序，历经可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段等四个阶段。
在各阶段中随要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计思路、方法和步骤基本相同。
设计步骤和内容如下：
1.对原始资料分析
（1）工程情况，包括发电厂类型，设计规划容量，单机容量及台数，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。
（2）电力系统情况，包括电力系统近期及远景发展规划，发电厂或变电站在系统中的作用和地位。
（3）负荷情况，包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。
（4）环境条件，包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素。
（5）设备供货情况。
这往往是设计能否成立的重要前提，为使设计的主接线具有可行性，必须对各主设备的性能、制造能力和供应情况、价格等资料汇集分析比较。
2.主接线方案的拟定与选择
根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量及母线结构等不同的考虑，可拟定若干个主接线方案。
依据对主接线的要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2-3个技术上相当，又能满足任务书要求的方案，再进行经济比较。
3.短路电流计算和主要电气设备选择
4.绘制电气主接线图
1.1.2电气主接线设计原则和程序
一、单母线接线及单母线分段接线
1.单母线接线
单母线接线的优点：
接线简单，操作方便、设备少、经济性好，母线便于向两端延伸，扩建方便。
缺点：
可靠性差，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。
所以，这种接线形式一般只用在出现回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。
2.单母线分段接线
这种接线广泛用于中、小容量发电厂和变电站的6-10KV接线中。
由于这种接线对重要负荷必须采用两条出线供电，大大增加了出线的数目，使整个系统可靠性受到限制。
在重要负荷的出线回路较多、供电容量较大时，一般不予采用。
二、双母线接线及双母线分段接线
1.双母线接线
优点：
供电可靠、调度灵活、扩建方便。
广泛用于6-10KV配电装置；35-60KV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110-220KV出线5回及以上时。
2.双母线分段接线
这种接线比双母接线增加了两台断路器，投资增加，但有较高的可靠性和灵活性。
三、带旁路母线的单母线和双母线接线
断路器经过长期运行和切断数次短路电流后都需要检修。
为了能使采用单母线分段或双母线的配电装置检修断路器时，不致中断该回路供电，可增设旁路母线。
通常，旁路母线有三种接线方式：
有专用旁路断路器的旁路母线接线；母联断路器兼作旁路断路器的旁路母线接线；用分段断路器兼作旁路断路器的旁路母线接线。
旁路母线接线方式，可靠性更高，采用母联断路器兼作旁路断路器的旁路母线接线或用分段断路器兼作旁路断路器的旁路母线接线时，节省断路器的投资，但倒闸操作复杂，降低可靠性。
当110KV出线6回以上、220KV出线在4回及以上时，宜采用带专用旁路断路器的旁路母线。
四、一台半断路器及
台断路器接线
多用于330KV及以上配电装置中，供电可靠，但投资很大。
1.2电气主接线方案拟定
结合原始资料，根据其要求初步拟定三种方案。
1.2.1方案一
图1-1
方案说明：
110KV侧出线输送容量76MW，其余容量经过联络变压器送到系统，110KV侧采用单母带旁路母线接线，330KV侧采用双母带旁路母线接线。
厂用电可从联络变压器取，也可以接至330KV侧母线上。
1.2.2方案二
图1-2
方案说明：
110KV侧采用母联断路器兼作旁路断路器接线，供电可靠。
330KV侧采用双母带旁路母线接线方式，供电可靠，调度灵活。
1.2.3方案三
图1-3
方案说明：
110KV侧采用双母接线，以满足可靠性要求。
1.2.4方案比较说明
方案一110KV侧采用单母带旁路母线接线，可靠性低；方案二由于采用了，双母带旁路母线接线，可靠性提高，但采用了母联断路器兼作旁路母线断路器，增加了倒闸操作的复杂性，可靠性有所降低；方案三，采用双回路双母接线以满足可靠性要求，而且操作方便，接线简单。
1.2.5方案的确定
通过比较，最终确定方案三比较合理，所以选择方案三作为主接线方式。
第二章主要设备选择
2.1导线的选择
2.1.1110KV出线导线的选择
由公式式（1.1）
根据额定载流量选取导线：
由《电气设计手册》查得，选取标准导线截面积LHBJ-300的额定载流量为465A>456A。
所以选择导线LHBJ-300（X=0.113Ω/km）。
2.1.2330KV出线导线的选择
由式（1.1）得
根据额定载流量选取导线：
由《电气设计手册》查得，选取扩经导线LGKK-1400的额定载流量为1621A>1447.1A。
所以选择扩经导线LGKK-1400（X=0.02163Ω/km）
2.2变压器的选择
一、单元接线的主变压器
单元接线时变压器容量应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。
采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则计算出的两台机容量之和来确定。
二、具有发电机电压母线接线的主变压器
连接在发电机电压母线与系统之间的主变压器的容量，应考虑一下因素：
1、当发电机全部投入运行时，在满足发电机电压供电的日最小负荷，并扣除厂用负荷后，主变压器应能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。
2、当接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或者因供热机组热负荷变动而需要限制本厂出力时，主变压器应能从电力系统倒送功率，保证发电机电压母线上最大负荷的需要。
3、若发电机电压母线上接有2台及以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故障退出运行时，其他主变压器应能输送母线剩余功率的70%以上。
三、连接两种升高电压母线的联络变压器
联络变压器一般只设置一台，最多不超过2台。
联络变压器的容量选择应考虑以下两点：
1、联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种不同的运行方式下有功功率和无功功率交换。
2、联络变压器容量一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求；同时，也可在线路检修或故障时，通过联络变压器将容量送入另一侧系统。
2.2.21B变压器的选择
1B变压器低压侧电压13.8KV，高压侧电压110KV，采用单元接线，发电机容量200MW，所以选择西安变压器厂生产的型号SSP-/110型变压器。
主要参数：
额定容量KVA高压侧121±2×2.5%KV低压侧13.8KV
联结组别Yd11空载损耗141.4KW负载损耗681KW
阻抗电压（%）13.12空载电流0.4%
2.2.32B、3B和4B变压器的选择
三个变压器环境相同，选择同一型号变压器，低压侧电压13.8KV，高压侧电压330KV，采用单元接线发电机容量200MW，所以选择西安变压器厂生产的型号SSP-/330型变压器。
主要参数：
额定容量KVA高压侧363±2×2.5%KV低压侧13.8KV
联结组别Yd11空载损耗161.4KW负载损耗799KW
阻抗电压（%）14.5空载电流0.19%
2.2.35B联络变压器的选择
联络变压器高压侧电压330KV，中压侧电压110KV，低压侧电压10.5KV，传输容量124MW，所以选择型号OSSP2-/330型变压器。
主要参数：
额定容量KVA
高压侧363KV中压侧121±6×1.67%KV低压侧10.5KV
联结组别YNa0d11空载损耗105.5KW
负载损耗高中474KW中低50.24KW高低47.5KW
阻抗电压（%）高中9.32中低14.85高低25
空载电流0.18%
2.3给定发电机
根据原始资料，容量为200MW，出口电压13.8KV，东方电机厂生产的型号SF200-56/12800型水轮发电机。
主要参数：
额定功率200MW额定转速107.1r/min
飞逸转速227r/min相数3
功率因数0.875额定电压13.8KV额定电流9560A
1.0897
0.3167
0.21
第三章短路电流的计算
3.1短路电流计算的目的、步骤和规定
3.1.1短路电流计算的目的
1.电气主接线的比较与选择
2.选择断路器汇流母线等电气设备，并对这些设备提出技术要求
3.为继电器保护的设计以及调试提供依据
4.评价并确定网络方案，研究限制短路电流的措施
5.分析计算送电线路对通讯设施的影响
3.1.2短路电流计算的规定
1.计算的基本情况
（1）系统中所有电源均在额定负荷下运行
（2）所有同步电机都自动调整励磁装置
（3）短路的所有电源电动势相位相同
2.接线方式
计算短路电流所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线式。
3.短路种类
一般按三相短路计算。
4.短路计算点
一般选取母线为短路计算点。
3.1.3短路电流计算的步骤
1.选择短路点
2.绘出等值网络，并将各元件电抗统一编号
3.化简等值网络，求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗
4.求计算电抗Xjs
5.由运算曲线查出各电源供给的短路电流周期分量的标幺值
6.计算无限大容量的电源供给的短路电流周期分量的标幺值
7.计算短路电流周期分量有名值
8.计算短路电流的周期分量
3.2短路电流的计算
图3-1等值网络的绘制和短路点选择
短路电流的计算采用标幺值进行近似计算，取统一基准容
将各级电压的平均额定电压取为基准电压，即
图3-1各参数计算如下：
1．d1点短路，其等值电路图见图3-2
图3-2d1点短路等值电路图
化简得到图3-3，如下：
图3-3
其中：
计算电抗：
短路电流标幺值：
归算到13.8KV侧短路电流周期分量
2.d2点短路，其等值电路图见图3-4
图3-4d2点短路等值电路图见图
其中：
化简得到图3-5，如下：
图3-5
计算电抗：
短路电流标幺值：
归算到110KV侧短路电流周期分量
d2点短路电流：
3.d3点短路，其等值电路图见图3-6
图3-6d3点短路等值电路图
图3-7
计算电抗：
短路电流标幺值：
归算到330KV侧短路电流周期分量
d3点短路电流：
4.d4点短路，其等值电路图见图3-8
图3-8d4点短路等值电路图
图3-9
计算电抗：
短路电流标幺值：
归算到13.8KV侧短路电流周期分量：
表3-1短路电流计算成果表
短路点
d1
d2
d3
d4
额定电压（KV）
13.8
110
330
13.8
电源种类
系统
电站
系统
电站
系统
电站
系统
电站
t=0s
标幺值
16.56
5.29
67.89
4.153
47.78
3.92
11.76
0.99
有效值KA
69.2
54.18
33.1
6.56
7.98
3.952
53.336
17.2
t=
0.06s
标幺值
16.56
4.19
67.89
3.668
47.78
3.56
11.76
0.974
有效值KA
69.2
43.7
33.1
6.0
7.98
3.507
53.336
16.9
t=
0.1s
标幺值
16.56
3.99
67.89
3.556
47.78
3.41
11.76
0.978
有效值KA
69.2
41.77
33.1
5.8
7.98
3.372
53.336
16.98
t=
0.2
标幺值
16.56
3.84
67.89
3.56
47.78
3.27
11.76
1.00
有效值KA
69.2
40.34
33.1
5.678
7.98
3.273
53.336
17.4
t=4s
标幺值
16.56
3.64
67.89
3.736
47.78
2.84
11.76
1.068
有效值KA
69.2
38.4
33.1
6.21
7.98
2.773
53.336
18.7
冲击短路电流KA
176
100
30.37
137
第四章电气一次设备的选择
4.1母线的选择
4.1.1110KV母线的选择
1.母线最大持续工作电流
按经济电流密度选择以上，
选用TMY-125×10矩形母线,其集肤效应系数
当周围环境温度为37℃时,温度修正系数：
2.热稳定校验
正常时运行的最高温度:
查《发电厂电气部分》P202,表6-9得C=182,满足短路时发热的最小导体截面为：
满足热稳定要求。
3.动稳定校验
已知母线相间电动力
导体对垂直于作用力方向轴的截面系数
最大允许跨距：
4.1.2330KV母线的选择
1.母线最大持续工作电流
按经济电流密度选择以上，
选用,Φ80/72管型母线,导体截面955mm2，载流量2100A。
2.热稳定校验
正常时运行的最高温度:
查《发电厂电气部分》P202,表6-9得C=178,满足短路时发热的最小导体截面为：
满足热稳定要求。
3.动稳定校验
已知母线相间作用力：
导体对垂直于作用力方向轴的截面系数
最大相间应力
4.2断路器和隔离开关的选择
4.2.1断路器选型要求
1.工作可靠
2.具有足够的开短能力
3.动作快速
4.具有自动重合闸性能
5.结构简单，经济合理
4.2.21B变压器出口断路器隔离开关的选择
1.流过断路器的持续工作电流：
通过断路器的短路电流为:
选择LW6-110Ⅰ型断路器，
参数如下：
额定电压110KV额定电流3150A
热稳定电流40KA极限通过电流100KA
2.校验
（1）断路器的额定开断电流应满足:
Iekd>Id40KA>3.84KA
（2）断路器的额定关合电流不应小于短路电流的最大冲击值:
Ieg>Ich
100KA>9.8KA
（3）热稳定：
满足条件。
隔离开关：
选择GW6-110型隔离开关，
参数如下：
额定电压110kv额定电流1600A
热稳定电流40KA动稳定电流100KA
4.2.3母联及母线断路器隔离开关的选择
1.流过断路器的持续工作电流：
通过断路器的短路电流为:
选择LW6-110Ⅱ型断路器，
参数如下：
额定电压110KV额定电流3150A
热稳定电流50KA极限通过电流125KA
2.校验
（1）断路器的额定开断电流应满足:
Iekd>Id50KA>39.7KA
（2）断路器的额定关合电流不应小于短路电流的最大冲击值:
Ieg>Ich
125KA>101KA
（3）热稳定：
满足条件。
隔离开关：
选择GW6-110型隔离开关，
参数如下：
额定电压110kv额定电流1600A
热稳定电流40KA动稳定电流100KA
4.2.4联络变110kv侧断路器隔离开关的选择
1.流过断路器的持续工作电流：
通过断路器的短路电流为:
选择LW6-110Ⅰ型断路器，
参数如下：
额定电压110KV额定电流3150A
热稳定电流40KA极限通过电流100KA
2.校验
（1）断路器的额定开断电流应满足:
Iekd>Id
40KA>6.4KA
（2）断路器的额定关合电流不应小于短路电流的最大冲击值:
Ieg>Ich
100KA>16.4KA
（3）热稳定：
满足条件。
隔离开关：
选择GW6-110型隔离开关，
参数如下：
额定电压110kv额定电流1600A
热稳定电流40KA动稳定电流100KA
4.2.5联络变330kv侧断路器隔离开关的选择
1.流过断路器的持续工作电流：
通过断路器的短路电流为:
选择LW6-330型断路器，
参数如下：
额定电压330KV额定电流3150A
热稳定电流40KA极限通过电流100KA
2.校验
（1）断路器的额定开断电流应满足:
Iekd>Id
40KA>9.5KA
（2）断路器的额定关合电流不应小于短路电流的最大冲击值:
Ieg>Ich
100KA>25KA
（3）热稳定：
满足条件。
隔离开关：
选择GW6-330型隔离开关，
参数如下：
额定电压330kv额定电流2000A
热稳定电流40KA动稳定电流100KA
4.2.62B-4B变压器出口断路器隔离开关的选择
1.流过断路器的持续工作电流：
通过断路器的短路电流为:
选择LW6-330型断路器，
参数如下：
额定电压330KV额定电流3150A
热稳定电流40KA极限通过电流100KA
2.校验
（1）断路器的额定开断电流应满足:
Iekd>Id
40KA>1.3KA
（2）断路器的额定关合电流不应小于短路电流的最大冲击值:
Ieg>Ich
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