3x34MW水利水力发电厂课程设计.docx
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3x34MW水利水力发电厂课程设计
前言
1.课程设计的目的：
发电厂电气主系统课程设计是在学习电电气工程专业基础课程后的一次综合性训练，通过课程设计的实践达到：
（1）巩固“发电厂电气主系统”、“电力系统分析”等课程的理论知识。
（2）熟悉国家能源开发策略和有关的技术规范、规定、导则等。
（3）掌握发电厂（或变电所）电气部分设计的基本方法和内容。
（4）学习工程设计说明书的撰写。
（5）培养学生独立分析问题、解决问题的工作能力和实际工程设计的基本技
2.课程设计的任务要求：
（1）分析原始资料
（2）设计主接线
（3）计算短路电流
（4）电气设备选择
3.设计成果：
（1）完整的主接线图一张
（2）设计说明书一份
第一部分设计说明书
原始资料6
3×34MW水利水力发电厂电气初设计
水电厂装机容量3×34MW，机组
4500小时。
，当地年平均最高气温30℃，海拔600m，地震烈度6级。
土壤电阻率400Ω·m，无其他特殊环境条件。
（1）主变压器采用SFPL7-40000型，采用Y0/△-11接线方式，低压侧电压10.5KV，高压侧242±2×2.5%。
（2）发电机额定电压10.5kV，
5，次暂态电抗
（标么值）。
（3）继电保护：
主保护动作时间0.08s，后备保护动作时间3s，断路器采用SW6－220型，动作时间0.6s，固有分闸时间0.06s。
（4）厂用电：
无高压厂用电气设备。
（5）接入系统：
一回220kV,14km架空线路接入枢纽变电所，系统容量按无限大考虑，地区变电所母线最大短路电流27KA（周期分量，并计入十年发展），线路阻抗0.4Ω/km。
第一章对原始资料的分析
根据原始资料，本电厂是中小型发电厂，基本不承担负荷。
主要与220KV系统相连，由资料我们可知，10kV侧可以直接承担厂用供电，还可以供附近工厂用电。
这里有两电压等级，分别是10kV，220kV，由10kV升高为220kV通过一回架空线与220kV系统相连。
1主接线设计的基本要求
主接线设计的合理性直接影响电力系统运行的可靠性，灵活性及对电器的选择、配电装置、继电保护、自动控制装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。
根据《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》中有关规定：
“变电所的电气主接线应根据该变电所在电力系统中的地位，变电所的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。
并综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求”。
主接线设计的基本要求如下：
1可靠性
所谓可靠性是指主接线能可靠的运行工作，以保证对用户不间断供电。
衡量可靠性的客观标准是运行实践，经过长期运行实践的考验，对以往所采用的主接线，优先采用。
主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次设备部分在运行中可靠性的综合。
同时，可靠性不是绝对的而是相对的。
可能一种主接线对某些变电所是可靠的，而对另一些变电所可能就不是可靠的。
评价主接线方式可靠的标志是：
（1）线路、母线（包括母线侧隔离刀闸）等故障或检修时，停电范围的大小和停电时间的长短，能否保证对一类、二类负荷的供电。
（2）线路、断路器、母线故障和检修时，停运线路的回数和停运时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。
（3）变电所全部停电的可能性。
（4）大型机组突然停电，对电力系统稳定运行的影响与后果。
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，灵活性主要包括以下几个方面：
（1）操作的方便性：
电气主接线应该在满足可靠性的条件下，接线简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便于运行人员掌握，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，并且在发生事故时，要能尽快地切除故障，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）扩建的方便性：
对将来要扩建的发电厂，其接线必须具有扩建的方便性。
尤其是火电厂，在设计主接线时应留有发展扩建的余地。
设计时不仅要考虑最终接线的实现，还要考虑到从初期接线到最终接线的可能和分段施工的可行方案，使其尽可能地不影响连续供电或在停电时间最短的情况下，将来能顺利完成过渡方案的实施，使改造工作量最少。
3经济性
主接线的经济性和可靠性之间经常存在矛盾，所以应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。
经济性主要从以下几个方面考虑：
（1）节省一次投资。
主接线应简单清晰，并要适当采取限制短路电流的措施，以节省开关电器数量、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装置布置创造节约土地的条件，尽可能使占地面积少；同时应注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。
对大容量发电厂或变电站，在可能和允许条件下，应采取一次设计，分期投资、投建，尽快发挥经济效益。
（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形式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。
第二章电气主接线设计
2.1原始资料分析
根据设计任务书所提供的资料可知：
该水电站为典型的小水电，不担任重要负荷的供电，对设计的可靠性、安全性、灵活性等没有很严格的要求，拟定1～2台变压器。
，周围的环境和气候对设备的选择的制约也不大。
综上，在设计中要充分分析所给的原始资料，同时结合实际的情况，做到设计的方案具有可靠性、安全性、经济性等。
2.2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。
2.3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。
2.4发电机电压（主）接线方案10KV侧
根据我国现行的规范和成熟的运行经验，联系本小水电站的工程实际，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：
（一）单母线接线（图2.1）
图2.1
（1）优点：
设备少，接线清晰，经济性好，操作简单方便，不易误操作，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，也就是要造成全厂长期停电。
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：
一般只用在出现回路少，并且没有重要负荷的发电厂。
（二）单元接线（图2.2）
图2.2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，增加布置场地与设备的投资；主变压器高压侧出线回路多，布置复杂，对简化高压侧接线不利；主变压器故障时影响机组送电。
（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45MW～80MW之间，经经济比较采用其它接线方式不合适时。
（三）扩大单元接线（图2.3）
图2.3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，减少主变压器台数及其相应的高压设备，缩小布置场地，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，对大型变压器低压侧可用分裂线圈以限制短路容量。
（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；当水电站只有一个扩大单元时，除满足系统允许条件外，应注意避免在主变压器回路故障或检修时造成大量弃水、损失电能和影响下游供水，同时还应考虑有可靠的外来厂用电源。
（四）关于单元接线中装设断路器问题
单元接线的发电机电压回路中，具备下列情况之一者，可考虑装设断路器：
（1）担任尖峰负荷的水电站，经常有可能全厂停机，而机组启动、排水、照明等需通过变压器向厂用变倒送电，此时，可在接有厂用变压器的单元中装设断路器。
（2）在单元回路分支线上接有近区负荷者。
（3）当单元之间要求设置联络母线时，应考虑加装发电机电压断路器。
综合考虑该单元接线不需要装设断路器
2.5主接线方案拟定
（一）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，所以单母线和扩大单元接线形式相近。
从接线图中可以明显地看出单母线接线低压侧多用三个（三相）断路器和三个（三相）隔离开关，增加了一次投资，同时也增加了其继电保护的复杂程度。
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（方案1）和单元接线方案（方案2）。
（二）主接线方案的确定
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：
1、供电的可靠性；
2、运行上的安全和灵活性；
3、接线和继电保护的简化；
4、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。
然而经验表明，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1，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1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1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1的维护相比方案2较复杂，方案1的检修相比方案2较方便。
10kV
接线方式
单母线
单元接线
扩大单元接线
断路器数
8
4
6
隔离开关数
11
8
6
方案：
最后选定扩大单元接线
2.6水轮发电机的选择
在我国，水电站容量为20～80MVA的发电机额定电压取10.5kV，容量为20～170MVA的发电机功率因数取0.8～0.85。
因此可以选发电机型号SF25-16/410，其参数如下表：
表2.1.发电机SF25-16/410参数表
型号
额定容量
功率因数
额定电压
（V）
额定电流
（A）
次暂态电抗
（MVA）
（MW）
SF25-16/410
31.25
25
0.8
10500
1720
0.26
（1）主变压器采用SFPL7-40000型，采用Y0/△-11接线方式，低压侧电压10.5KV，高压侧242±2×2.5%。
（2）发电机额定电压10.5kV，
5，次暂态电抗
（标么值
2.7变压器容量
1、主变容量的确定
厂用电变压器容量的选择和校验应符合下列原则:
a）满足在各种运行方式下，可能出现的最大负荷。
b）一台厂用电变压器计划检修或故障时，其余厂用电变压器应能担负I、Ⅱ类厂用电负荷或短时担负厂用电最大负荷。
但可不考虑一台厂用电变压器计划检修时另一台厂用电变压器故障或两台厂用电变压器同时故障的情况。
c）保证需要自启动的电动机在故障消除后电动机启动时所连接的厂用电母线电压不低于额定电压的60%--65%。
d）装设两台互为备用的厂用电电源变压器时，每台厂用电变压器的额定容量应满足所有I、n类负荷或短时满足厂用电最大负荷的需要。
e）装设三台厂用电电源变压器互为备用或其中一台为明备用时，计及负荷分配不均匀等情况，每台的额定容量宜为厂用电最大负荷的50%--60%。
f）装设3台以上厂用电电源变压器时，应按其接线的运行方式及所连接的负荷分析确定。
g）厂用电配电变压器容量选择应满足所连接的最大负荷需要。
h）厂用电变压器不宜采用强迫风冷时持续输出容量作为额定容量选择的依据，但对不经常运行或经常短时运行的厂用电配电变压器应充分利用其过负荷能力。
2.8主变的选择
该水电站远离负荷中心，水电站的厂用电很少（0.2%），且没有地区负荷，因此，选择主变压器的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。
2.9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。
2.10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
连接，根据题目要求的
2.11普通型与自偶型选择
根据《电力工程电气设计手册》规定：
“在220KV及以上的电压等级才宜优先考虑采用自偶变压器。
自偶变压器一般作为联络变压器和连接两个直接接地系统。
从经济性的角度出发，结合本电厂实际，选用普通型变压器。
根据题目给定变压器型号SFPL7-40000采用Y0/△-11接线方式，低压侧电压10.5KV，高压侧242±2×2.5%。
查《变压器常用技术数据与故障监测及实验新技术实用手册》主要技术参数如下：
额定容量：
40000/40000（KVA）
额定电压：
高压—242±2×2.5%；低压—10.5（KV）
连接组标号：
Ynd11
空载损耗：
51（KW）
短路损耗：
12~14（KW）
空载电流（%）：
0.7
所以一次性选择两台SFPL7-40000型变压器为主变。
表2.2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
高压
低压
SFP7—40000
40000
220（242）±2×2.5%
10.5
0.7
52
254
2.12各级电压中性点运行方式选择
运行经验表明，中性点运行方式的正确与否关系到电压等级、绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、运行的可靠性、系统接线等许多方面。
目前，我国电力系统中普遍采用的中性点运行方式有中性点直接接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地等方式接地。
随着电力网电压等级的升高，对绝缘的投资大大增加，为了降低设备造价，可以采用中性点直接接地系统。
目前，我国对110kV及以上电力系统一般都采用中性点直接接地系统，其优点是：
单相接地时，其中性点电位不变，非故障相对地电压接近相电压（可能略有增大），因此降低了绝缘投资。
3～10kV电力网中，当单相接地电流小于30A时，采用中性点不接地运行方式。
发电机中性点均采用非直接接地方式，本设计方案采用的是单元接线，所以按规程应该采用经消弧线圈接地方式。
综上所述，2200kV侧采用中性点直接接地方案，10.5KV侧采用不接地方案，发电机中性点采用经消弧线圈接地方案。
第三章短路电流计算
3.1短路电流计算的基本假设
（1）短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都相同电位。
（2）负荷只作近似估计，或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源，视具体情况而定。
（3）不计磁路饱和。
系统各元件的参数都是恒定的，可以用叠加原理。
（4）对称三相系统。
出不对称短路故障处不对称之外，实际系统都是对称的。
（5）忽略了高压线的电阻电容，忽略变压器的电阻和励磁电流，这就是说，发电机、输电、变电和用电的元件均匀纯电抗表示。
（6）金属性短路，即不计过度电阻的影响，认为过渡电阻为零的短路情况。
3.2电路元件的参数计算
选取基准容量为100MVA，归算到220KV侧进行标么值计算。
具体的计算过程详见设计计算书。
3.3网络变换与简化方法
综合运用Y—
变换，网络中间点消去法，对该电厂的接线与外界接线进行变换和简化。
具体的计算过程详见设计计算书。
3.4短路电流实用计算方法
在工程计算中短路电流的计算常采用实用曲线法，其计算步骤如下：
（1）选择计算短路点；
（2）画等值网络图；
A、选取基准容量
和基准电压
。
B、首先去掉系统中的所有负荷分支。
线路电容、各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗
。
C、将各元件电抗换算为同一基准的标么值电抗。
D、汇出等值网络图，并将各元件电抗统一编号。
E、化简等值网络：
为计算不同短路点的短路电流值，需要将等值网络分别化简为短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电流与短路点之间的电抗，即转移电抗
以及无限大电源对短路点的转移电抗
。
（3）求出计算电抗，
式中
为第i台等值发电机的额定容量。
（4）由运算曲线查出个电源供给的短路电流周期分量标么值（运算曲线只作到
）。
（5）计算无限大功率的电源供给的短路电流周期分量。
（6）计算短路电流周期分量有名值和短路容量。
（7）计算冲击电流。
（8）绘制短路电流计算结果表（表13.1）。
具体的计算过程详见设计计算书。
第四章电气设备选择及校验
4.1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。
4.1.1按正常工作条件选择
1、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：
2、110KV及以下电器，用于海拔不超过2000米时，可选用一般产品。
4.1.2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。
1、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
—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0.15～0.2S，发电厂升压母线取0.08～0.1S，一般变电所取0.05S。
若切除时间大于1S,只需考虑周期分量。
2、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）。
3、电器的开断电流校验时，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。
4、《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。
”
4.2断路器和隔离开关的选择和校验条件
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
隔离开关可按下表进行选择和校验
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
第二部分设计计算书
第五章短路电流计算过程
1.阻抗元件标么值计算
一、计算网络图
二、把个参数归算到220KV侧，取平均电压
，
。
计算标么值如下：
发电机：
变压器：
短路点编号
平均电压
计算阻抗
短路电流
发电机1、2
10.5KV
0.45
标幺值
有名值
8.3867
2.114KA
发电机3
10.5KV
17.46
5.194
1.304
母线
230KV
3.9216
97.87
24.57KA
第六章电气设备选择及校验部分计算
6.1断路器和隔离开关的选择和校验
6.1.1机端断路器和隔离开关（10.5KV）的选择和校验
发电机最大持续工作电流为：
短路切除时间为
，
，故应不计非周期分量。
表中列出断路器、隔离开关的有关参数，并与计算数据比较。
断路器、隔离开关选择结果表
计算数据
ZN12-10型断路器
GN2—10型隔离开关
10kV
10kV
10kV
3150A
3150A
3150A
2.114kA
50 kA
5.3907kA
125kA
13.67[（KA）
.S]
7500
10000
5.3907kA
125kA
125kA
由表中数据对比均满足校验条件，因此机端断路器可选ZN12-10型断路器型断路器、机端隔离开关可选GN2—10型隔离开关。
6.1.2主变压器出口断路器和隔离开关（220KV）的选择和校验
主变压器出口最大持续工作电流为：
据题目要求，选用SW6-220型断路器，隔离开关选用GW4-220型变压器出口短路时，则流过变压器出口断路器的短路电流为：
断路器、隔离开关选择结果表
计算数据
LW6-220型断路器
GW7—220D型隔离开关
220kV
220kV
220kV
316A
3150A
1000A
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