清远水电站电气一次设计.docx
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清远水电站电气一次设计
清远水电站电气一次设计
前言
电力作为一个国家的重要能源，电能是否有质量，足的供应直接关系一个国家的发展，也密切关系到每一个人的生活和工作。
近二十年来，随着我国国民经济快速增长，对电力的需求越大。
我国是一个水力源丰富的大国，应大力发展水力发电。
水力发电就是利用水能发电的一种方式。
水能是可再生能源，几乎没有污染，可综合利用，水电建设受地理位置的影响，投资大，工期长，发电效率高，运行成本低。
天然流量受水文、气象等自然条件的影响，利用水库调节径流可缩小洪水和枯水期的差别，满足不同的调节需求。
为节省能源，在丰水期应多发水电，减少弃水；枯水期多发火电，弥补水电的不足。
水电机组启动快，宜在电力系统中担任调峰、调频和紧急备用。
且可调节负荷范围大，水电机组从静止，起动到满负荷运行，正常情况下只要3～5min，事故情况可缩到1～2min左右。
本次设计可以分为几个部分，第一电气主接线的设计，第二主变压器选择，第三短路电流的计算，第四主要电气设备选择。
第一章、清远水电站资料分析
第二章、设计内容
第三章、主变压器容量选择及确定
第四章、电气一次主接线设计
第五章、短路电流计算
第六章、主要电气设备选择
第一章、清远水电站资料分析
本电站位于广东省清远市清远水利枢纽，是北江干流梯级开发的电站之一。
由于本电站上游的飞来峡、白石窑、蒙里等电站均采用4台机组方案，而为了有利于梯级电站之间的流量匹配及协调运行，发挥梯级电站统一调度运行的优势，所以本电站经研究确定采用4台机方案，机组采用灯泡贯流式水轮机。
根据本电站的水文水能特点，装机容量可达44MW，单机容量11MW。
根据清远电力设计有限公司编制的《清远水利枢纽电站接入系统可行性研究报告》，电站采用110kV电压等级接入电力系统，通过两回同杆架设的架空输电线路接入其东面的110kV玉塘变电站，输电距离为12km。
根据《接入系统报告》提供的资料，系统归算到电站110kV侧的正序电抗标么值为（基准容量为100MVA）。
电力系统对清远水利枢纽的要求：
a）110kV母线采用单母线分段接线；
b）电厂靠近用户，为满足电网的调压要求和提高运行灵活性，要求发电机组的额定功率因数为≤。
电站带系统基荷，无调相、调频要求。
第二章、设计内容
1、电气一次主接线设计。
2、主变压器容量选择及确定。
3、短路电流计算。
4、主要电气设备选择：
包括断路器、隔离开关、互感器、导线截面和型号、绝缘子的设备的选择和校验。
第三章、主变压器容量选择及确定
1、变压器台数的选择
变压器是发电厂和变电站中最主要的设备之一，它在电气设备的投资中所占比例较大，同时与之相配套的电气装置的投资也与之密切相关。
因此。
对于主变压器的台数、容量和型式的选择是至关重要的，它对发电厂、变电站的技术经济影响很大。
同时，也是主接线方案确定的基础。
变压器台数的选择是与发电厂的接入方式、机组的台数、容量及基本接线方式密切相关，大体上要求主变应与其他的各个环节的可靠性相一致。
两台变压器联合运行的可靠性已经相当高，可用于中小型水电站和变电站。
其运行可以根据水电站在丰水期和枯水期的不同分为两台同时运行和一台运行一台退出的运行方式，运行方式灵活；此外，两台主变对工程分期过渡有利，特别对变电站来说，主变压器台数还要考虑中、远期负荷发展。
一般主变压器采用两台分期投入的办法，避免主变在运行初期阶段的容量积压和资金积压以及长期处于低负荷和低效率下的运转。
此，在中小型水电站、变电站中，一般主变压器的台数取1-2台为宜。
根据原始资料，该待寻建变电所属于小型变电所，而且没有其它低压电源向低压侧重要负荷供电。
因此，选择两台主变压器作为该变电站的主变压器。
2、发电厂总装机容量44MW，每台11MW，用两台主变压器，一台主变要人分担两发电机22MW，根据《电气设备手册》查得分别可用一台25000KVA的主变压器型号SF10-25000/121。
3、两台主变选用三相油浸式，双绕组铜芯，低损耗升压变压器
主变压器：
SF10-25000/121，Uk=%，
联结组标号:
YN,d11121±2×%/,
带中性点电流互感器，变比：
100/1
第四章、电气一次主接线设计
一、电气主接线原则
根据电力系统资料及本电站在电力系统中的地位、作用、机组容量及运行方式，按照接线简单清晰、技术先进、设备故障影响范围小、经济合理及便于实施的原则，并保证电站厂用电、泄水闸用电、船闸用电等重要负荷的可靠供电，对其电气主接线进行以下方案的技术经济比较。
二、电站电气主接线方案比较
1）发电机电压侧接线方案的比较
对发电机电压侧采用三个方案进行比较。
方案一：
四机一变单母线接线。
四台发电机接成单母线接线，经一台50000kVA变压器由
升压至110kV。
方案二：
两机一变扩大单元接线。
全厂总共分成两个单元，每两台发电机接在一段母线上，分别经一台25000kVA的变压器由升压至110kV。
方案三：
一机一变单元接线。
全厂总共分成四个单元，每台发电机分别经一台12500kVA的变
压器由升压至110kV。
发电机电压侧接线方案比较表
方案编号及名称
方案一：
四机一变
单母线接线
方案二：
两机一变
扩大单元接线
方案三：
一机一变
单元接线
一、技术比较
1.灵活性
较差
较灵活
灵活
2.可靠性
较差
较可靠
可靠
3.运行维护管理
维护量较少
维护较大
维护量最大
4.电能损耗
（万度/年）
126
143
155
二、经济比较
1.设备投资
（万元）（Z）
805
980
1270
（1）10kV间隔
（万元）
380
440
520
（2）110kV间隔
（万元）
100
200
400
（3）主变投资
（万元）
325
340
350
2.年运行费
（万元）（F）
118
141
174
（1）折旧维修费
（万元）
98
127
（2）电能损耗费
（万元）
38
43
47
3.计算费用
（万元）J=F+XbZ
239
288
364
4.计算费用差值
（万元）
-49
0
76
优点
主变压器台数和110kV进线开关少。
投资省，运行维护方便。
能适应各个时期的运行要求，灵活性、可靠性较高。
最为灵活和方便，故障影响最小，继电保护简单，运行灵活，可靠性最高。
缺点
运行灵活性、可靠性相对较差。
机组之间相互干扰，给运行带来不便。
投资稍高。
主变压器台数和110kV进线开关数量多，维护工作量最大，设备投资最大，占地面积最大。
推荐方案
推荐
备注
1.设备价格为估价；2.经济效果系数Xb=；3.折旧维修率取10%。
由于电站的调节性能较差，方案一中主变压器故障或检修时将造成电站四台机组停机而弃水，其灵活性、可靠性较差；方案二投资适中，对于本电站单机容量为11000kW的机组来说，其接线方案在运行灵活性可靠性方面相对较好，继电保护简单；方案三最为灵活、可靠，但其投资相对较大，且运行设备较多，造成开关站占地面积大、运行维护工作量大。
综上所述，本阶段推荐采用方案二，即两组两机一变的扩大单元接线。
主变选用两台，其型号为：
SF10-25000/121。
2）站110kV侧接线的方案比较
电站110kV升压站以两回110kV线路接入系统、两回主变进线。
对
110kV电压侧接线拟定三个方案进行技术经济比较。
方案一：
单母线分段接线
方案二：
单母线接线。
方案三：
外桥接线。
110kV侧接线方案比较表
方案编号及名称
方案一：
单母线分段接线
方案二：
单母线接线
方案三：
外桥接线
1.设备投资（万元）（Z）
650
450
400
2.年运行费（万元）（F）
20
3.计算费用（万元）J=F+XbZ
130
90
80
优点
任一组母线及所连接设备检修，经过切换操作，可确保50％电能送出。
可靠性较高。
投资较少；接线简单，运行维护方便。
接线简单，断路器数量较少。
维护方便。
缺点
投资较大；继电保护复杂。
当母线发生故障或检修时造成电站全部停电。
桥连断路器检修时，两回线路解列运行，如有穿越功率通过将受影响。
灵活性较差，保护复杂。
推荐方案
推荐
备注
1．设备为估价；2．经济效果系数Xb=；
3．年运行费即折旧维修费，折旧维修率取5%
通过对以上三个方案的技术经济比较和综合分析，方案一可靠性较高，但继电保护的实现复杂，投资较大。
方案二接线简单，运行维护方便，投资较少，但母线发生故障或检修时造成电站全部停电。
方案三投资最省，但灵活性较差，保护复杂。
结合《接入系统报告》的要求，设计采用方案一作为110kV侧接线的推荐方案。
3）电站电气主接线
通过上述分析比较，推荐的电站电气主接线方案：
发电机电压侧
采用两组两机一变的扩大单元接线，发电机出口装设发电机断路器；
110kV侧接线采用单母线接线。
主接线图
第五章、短路电流计算
目的：
在发电厂和变电所的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。
其目的是：
1、在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等。
2、在选择载流导体及电器元件时，为了保证设备在正常运行和短路情况下都能安全，可靠地工作，同时又力为节约资金，这就需对有关短路电流值进行动稳定、热稳定和开断能力的检验。
3、为选择继电保护方式和进行整定计算提供依据。
4、接地装置的设计，也需用短路电流。
计算：
根据以上资料
解：
作等值线路图，如下图所示，并设Sj=100MVA,Uj=Up，各元件表么值：
第一节、110KV侧短路电流计算
121KV母线短路即d1点短路,得等效电路图如下:
Y
△转换有:
最终等值电路如图所示.各组电源支炉的计算入下。
系统支路:
电站G1~G4支路:
查运算曲线得:
有名值计算:
T
0
1
4
Ip*
I"S1
第二节、侧短路电流计算
母线短路即d2点短路,得等效电路图如下:
Y→△转换有:
最终等值电路如图所示.各组电源支炉的计算入下。
系统支路:
电站G3G4支路:
电站G1G2支路:
查运算曲线得:
有名值计算:
T
0
1
4
Ip*
I"S1
第三节、10KV侧短路电流计算
10V母线短路即d3点短路,得等效电路图如下：
Y→△转换有:
对X15、X18、X19、X12支路进行星网变换，
求得各电源点对d3点的转移电抗有：
最终等值电路如图所示.各组电源支炉的计算入下：
系统支路:
电站G3G4支路：
电站G1G2支路：
短路电流计算结果表
短路点编号
Ue（kV）
I"
（kA）
Io
（kA）
（kA）
I1
（kA）
I4
（kA）
Ich（kA）
d1
110
d2
d3
第六章、主要电气设备选择
设备选择规程：
1、电器和导体的选择设计，同样必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需要。
一般原则：
（1）、应力求技术先进、安全使用、经济合理；
（2）、应满足正常运行，检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；
（3）、应按当地环境条件校核；
（4）、应与整个工程的建设标准协调一致；
（5）、选择的导体品种不宜太多；
（6）、选用新产品应慎重。
新产品应有可靠的实验数据，并经主管单位鉴定合格。
2、按原水电部86年颁布的《导体和电器选择设计技术规定SDGJ14—86》，对于倒替和电器选择设计的规定简述如下：
（1）、选用的电器允许最高工作电压不得低于该回路的最高运行电压；
（2）、选用倒替的长期允许电流不得小于该回路的最大持续工作电流；
（3）、验算导体和电器动、热稳定及电器开断电流所用的短路电流，应按具体工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景规划（宜为该工程建成后5—10年），确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
（4）、导体和电器的动、热稳定及电器的开断电流，可按三相短路验算；
（5）、用熔断器保护的倒替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；裸导体和电器的动稳定仍应验算。
用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。
（6）、验算裸导体短路热效应的计算时间，宜采用主保护动作时间加相应的断路器全分闸时间，如主保护有死区时，则采用能对该死区起作用的后备保护动作时间，并采用相应处的短路电流值；电器的短路热效应应计算时间，宜采用后备保护动作时间加相应的断路器全分闸时间。
（110kV以下的电力电缆宜采用主保护动作时间加相应的断路器全分闸时间）。
第一节、110kV的设备选择
1、对110kV电压侧设备拟定了GIS设备和敞开式设备两个方案进行技术、经济比较。
方案一：
110kVSF6气体绝缘金属封闭开关设备。
（以下简称：
GIS设备）。
GIS设备与敞开式配电装置相比，有以下优点：
（1）、大量节省配电装置占地面积和空间。
（2）、运行可靠性高。
GIS设备由于带电部分封闭在金属外壳中，故不会因污秽、潮湿、各种恶劣天气和小动物而造成接地和短路事故。
SF6为不燃的惰性气体，不致发生火灾，爆炸事故。
（3）、土建和安装工作量小，建设速度快。
（4）、基本免维护，使用寿命长。
（5）、由于金属外壳的屏蔽作用，消除了无线电干扰、静电感应和噪声，减少了短路时作用到导体上的电动力，另外也使工作人员不会偶然触及带电导体。
（6）、抗震性能好。
其缺点是设备投资较大。
方案二：
110kV敞开式电气设备。
110kV敞开式电气设备方案为传统方案，其断路器采用SF6断路器（户外式），与隔离开关、电流互感器等设备相互独立，互不干扰。
因此也就占地多，维护工作量大，使用寿命相对较短。
敞开式设备的最大优点就是设备投资少，但是开关站占地面积较大，约1800平方米。
本电站为河床式电站，周围地形复杂，回填土方量约万方
10kV设备技术经济比较表
方案编号及名称
方案一
GIS设备
方案二
敞开式电气设备
1．综合投资（万元）（Z）
650
485
（1）110kV间隔（万元）
650
350
（2）土建投资差价
（万元）
0
约135
2．年运行费（万元）（F）
35
（1）折旧维护费
（万元）
35
3．计算费用（万元）J=F+Xb×Z
130
4.占地面积估计（m2）
420
1800
优点
可靠性高，运行维护方便，布置简单，占地面积少
设备投资少
缺点
设备投资较大
土建开挖量大；户外设备，发生故障机会几率较大，可靠性较低；占地面积较大；综合投资大。
推荐方案
推荐方案
备注
1．设备为估价；2．经济效果系数Xb=；
3．折旧维修率取5%（10%）
110kVGIS一次性设备投资费用高于110kV敞开式设备的投资约300万元。
但敞开式方案需开挖和回填的土方量大，综合投资仅节省了165万元。
GIS方案符合近年来大中型水电站高压配电装置选型，并且GIS价格呈下降的趋势。
虽然设备一次性投资较高，但因其可靠性高、运行维护方便，可大大减少故障停电损失费和运行、维修、管理费用，具有占地少、对环保有利、便于运行管理、利于向电站“无人值班”方式过渡等显着优点。
综上所述，选用第一方案（GIS设备）作为110kV升高电压侧的推荐设备。
2、电气设备
（1）、母线选择用硬的铜导线
查书《电气设备上、中、下册》得，选用：
S=60mm,
电站接入电力系统的采用双回路的软导线。
查书《电气设备上、中、下册》得，选用导线型号为LGJX-300/25的稀土钢芯铝绞线。
（2）、110kVGIS断路器
额定电压126kV；
额定电流2000A；
额定短路开断电流；
热稳定电流4s；
动稳定电流80kA
（3）、110kVGIS隔离开关
额定电压126kV；
额定电流1250A；
热稳定电流4s；
动稳定电流80kA
（4）、110kVGIS电流互感器
额定电压126kV；
额定一次电流200A、400A；
热稳定电流4s；
动稳定电流80kA
（5）、110kVGIS电压互感器
额定电压126kV；
额定变比
；
（6）、绝缘子
选用高压户外棒形支柱绝缘子，型号ZSW-110-4L，额定电压110kV。
第二节、的设备选择
1、发电机
（1）、发电机出口离相式全屏蔽绝缘铜管母线。
查书《电气设备上、中、下册》得,选用：
母线规格Ф60×6；
额定电压；
额定电流1600A；
热稳定电流50kA/4s；
动稳定电流125kA；
开关柜采用距形的硬铜线。
查书《电气设备上、中、下册》得,选用R20系列：
2、主变压器低压侧
（1）、主变低压侧离相式全屏蔽绝缘铜管母线。
查书《电气设备上、中、下册》得,选用：
母线规格Ф100×5；
额定电压；
额定电流3150A；
热稳定电流50kA/4s；
动稳定电流125kA；
开关柜采用距形的硬铜线。
查书《电气设备上、中、下册》得,选用R20系列：
3、断路器的选择。
本工程电站的发电机额定电压为，工作电流1008.07A，主变压器低压侧工作电流2291.07A。
目前合适的发电机断路器有真空断路器和SF6断路器，真空断路器和SF6断路器在水电、火电以及石化、冶金等企业得到普遍应用，有成熟的运行经验，性能较好。
真空断路器的机械寿命和价格均优于SF6断路器，故本阶段推荐采用真空断路器。
断路器的主要技术参数如下：
绝缘介质真空；
额定电压；
额定电流3150A；
额定频率50Hz；
额定开断电流50kA；
热稳定电流50kA/3s；
动稳定电流137kA；
直流分量额定开断值75％；
额定瞬态恢复电压μs。
4、熔断器的选择。
选用高压限流熔断器组合保护装置（FVDT）
高压限流熔断器组合保护装置FVDT的主要技术参数如下：
型号FVDT；
额定电压；
额定电流50、200A；
额定频率50Hz；
额定开断电流63kA；
5、设备柜参数如下：
开关柜型号KYN-12；
额定电压12kV；
额定电流2500A；
热稳定电流50kA/4s；
动稳定电流125kA
6、隔离变、励磁变高压侧开关柜（配FVDT限流熔断器组）.
开关柜型号KYN-12；
额定电压12kV；
额定电流2500A；
热稳定电流50kA/4s；
动稳定电流125kA
7、绝缘子.
选用高压户内支柱瓷绝缘子，型号（胶装），额定电压.
第三节、10kV的设备选择
1、高压侧选用离相式全屏蔽绝缘铜管母线。
查书《电气设备上、中、下册》得,选用：
R=6.00m
10kV架空线路采用，型号LGJ-70的钢芯铝绞线。
开关柜采用距形的硬铜线。
查书《电气设备上、中、下册》得,选用R20系列：
2、10kV系统开关柜
开关柜型号KYN-12；
额定电压12kV；
额定电流630A；
热稳定电流16kA/4s；
动稳定电流40kA
3、隔离变压器
变压器型号SC10-1600/10；
额定容量1600kVA；
额定变比10kV；
额定频率50Hz；
冷却方式风冷；
连接组别D,D0；
防护等级IP20
4、厂用变压器
变压器型号SC（B）10-1000/10；
额定容量1000kVA；
额定变比10±2×%/；
额定频率50Hz；
冷却方式风冷；
连接组别D,yn11；
防护等级IP20
5、绝缘子
选用高压户内支柱瓷绝缘子，型号（胶装）ZA-12Y,额定电压12kV.
开关柜接线
第四节、其他电气设备
1、泄水闸变压器
变压器型号SC（B）10-315/10；
额定容量315kVA；
额定变比10±2×%/；
额定频率50Hz；
冷却方式自冷；
连接组别D,yn11；
防护等级IP20
2、船闸变压器、大燕河水闸变压器
变压器型号SC（B）10-250/10；
额定容量250kVA；
额定变比10±2×%/；
额定频率50Hz；
冷却方式自冷；
连接组别D,yn11；
防护等级IP20
3、管理区变压器
变压器型号SC（B）10-200/10；
额定容量200kVA；
额定变比10±2×%/；
额定频率50Hz；
冷却方式自冷；
连接组别D,yn11；
防护等级IP20
4、柴油发电机组（厂房、泄水闸）
额定功率长行220kW/后备242kW
额定电压380/220V
额定频率50Hz
功率因数（滞后）
绝缘等级H级
防护等级IP22
接线方式Y，三相四线制；
5、柴油发电机组（大燕河水闸）
额定功率长行120kW/后备132kW
额定电压380/220V
额定频率50Hz
功率因数（滞后）
绝缘等级H级
防护等级IP22
接线方式Y，三相四线制；
电气一次主要电气设备表
序号
设备名称
设备型号规格
单位
数量
备注
电站部分
1
水轮发电机
SFWG11-68/6900，Un=
Pe=11000kW，COSφ=，
n=min
台
4
2
主变压器
SF10-25000/121，Uk=%，
联结组标号:
YN,d11
121±2×%/,
带中性点电流互感器，变比：
100/1
台
2
3
110kVGIS断路器间隔
Ue=126kV，Ie=2000A
额定短路开断电流：
额定动稳定电流：
80kA
个
5
4
110kVGISPT间隔
Ue=126kV，
个
2
5
复合外套氧化锌避雷器
YH5WZ-108/281TLB，Ue=110kV
台
12
6
主变压器中性点
隔离开关
TH，Ie
升级会员 