小型发电厂电力主系统毕业设计.docx
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小型发电厂电力主系统毕业设计
发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
沈阳工程学院
电力系统课程设计
题目 ：
小型水电站电气主系统设
计
专业 ：
班级 ：
姓名 ：
学号 ：
指导教师 ：
日期 ：
1
发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
1、任务书............................................................................................Ⅰ.
2、摘要................................................................................................Ⅱ
3、目录...............................................................................................1
4、对原始资料分析...............................................................................7
5、发电机侧接线方案的设计...............................................................8
6、升高压侧接线方案的设计..............................................................10
7、最优电气主接线的选择..................................................................12
8、主要电气设备的选择......................................................................14
9、升高压站电气设备布置.................................................................22
10、总结.................................................................................................30
11、参考文献.....................................................................................31
12、附录.............................................................................................32
2
发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
一绪 论
水力发电是可再生、无污染的生产过程，其运行费用低，便于进行电力调
峰，产生的电能是清洁和环保的，大力发展水电有利于提高资源利用率和经济
社会的综合效益。
本论文主要介绍具有 3 台 30MW 发电机组的水力发电厂电气系统的设计，内
容包括供电系统主接线，并依据电力设计手册确定了最后的设计方案；采用单
母线接线形式，具有足够的可靠性、灵活性和经济性，并配以新型的断路器等
高压开关设备和配备完备的继电保护，使其可靠性大大加强。
在通过进行短路
电流的计算，选择了合适的电气设备，并充分考虑其经济性及节约性，而且占
地面积较小。
我在设计的过程中，力求理论和实际相结合，加入了一些比较新的技术，以
适应水电技术发展的需要，使设计更加具有实用性和先进性。
电力工业是能源工业、基础工业，在国家建设和国民经济发展中占据十分
重要的地位，是实现国家现代化的战重点。
我国电力工业今后发展的目标是：
优化发展火电，规划以 30000、60000KW
火力发电机组为主干，进一步发展 800000、1000000KW 的大型火力发电机组；
优先开发水电，以总装机容量为 18200000KW 的长江三峡利枢纽工程建设为龙头，
坚持滚动、流域、梯级、综合开发的水电建设方针，加快我国的水电建设步伐。
随着我国电力工业的快速发展，电力体制改革的不断深化，水电已成为我
国电力技术发展的主要方向。
而对于水电来说，至关重要的一个环节便是电气主系统的设计（即电气主
接线的设计）。
主接线代表了水电站电气部分主体结构，是电网结构的重要组成部分。
水电站电气主结线方案的选择是电站电气设计的主体。
关系到电站的投资
和效益,涉及到许多因素,如电力系统、枢纽条件、动能参数、电站运行的灵活
性、可靠性等,是一个比较复杂的技术经济问题。
水电站电气设备布置设计是按电气主接线要求，对水电站主厂房、副厂房、
主变压器与开关站以及其他电气设备的相对位置作合理布置。
电气设备布置关系到水电站的安全运行、工程投资以及经济效益，是水电
站电气设计的重要课题。
对于升压站来说，它起到桥联的作用。
接受和分配水轮发电机组发出的电能，经升压后向电网或负荷点供电的
高压配电装置的场所。
由变压器、开关设备、隔离开关、互感器、避雷器、
母线装置和有关建筑结构等组成。
电能经过主变压器升高至规定的电压后，
通过开关站进行远距离输电
水电站主变压器场，一般应尽可能靠近主厂房，以缩短发电机电压母线,
减少电能损失 ,并应注意防火、防爆、防雷、防水雾、防雪和满足通风冷却
以及便于设备运输和主变压器的安装检修等。
电力与人们的日常生活以及工业生产密切相关，作为我国重要学科之一，
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姓 名
专 业
指导老师
课程名称
设计题目
小型水电站电气主系统设计
设计主要内容：
本次课程设计将小型水电站电气主系统部分初步设计与所学专业理论知识紧密
结合起来，使所学知识系统化。
培养学生运用所学知识解决问题的能力和创新
精神，按照现行的水利水电工程设计规范规程，并结合工程世纪情况完成规范
规程所要求的电气主接线的初步设计内容和深度。
要完成的主要任务：
1、对所提供的原始材料进行分析，查找有关规程规范和参考资料；
2、对发电机侧接线方案进行比较；
3、对升高压侧接线方案进行比较；
4、确定电气主接线方案；
5、选择主要电气设备；
6、汇总设计成果，完成设计论文。
题 目：
发电机侧:
3*30MW 发电厂距变电所 80KM
N=30MW Ve=10.5KV n=4100h/a
功率因数都为 0.8 升高压侧：
电压 UN =110KV, 出线回路至系统，考虑一回
备用。
发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
电气工程学科近年来发展非常迅速，现在也比较成熟，已经成为高新技术产业
的重要组成部分，广泛应用于工业、农业、国防等领域，在国民经济中发挥着
越来越重要的作用。
任务书
4
发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
三摘要
本课程设计主要根据指导老师所提供的题目，结合自己所学的理论知识，
对小型水电站的电气主系统进行设计。
根据所提供的水电站的基本资料，查阅相关电力系统设计资料，高压侧接
线方案及电气主接线，经过可靠性、灵活性、经济性的比较，确定推荐方案，
备用方案及不推荐方案。
根据所设计的电气主接线，对其所需设备按工作条件
进行选择，最后形成完整的设计论文。
课程设计的过程是一次将理论与实际相结合的过程,通过这次比较系统全
面的进行设计之后，巩固和增强了电力系统学科主干课程的理解，树立了工程
设计的观念，提高了电力系统设计的能力。
设计成果：
（1）设计说明书一份
（2）发电机侧接线方案选择比较图一张
（3）升高压侧接线方案选择比较图一张
（4）电子主接线图一张
（5）计算并选择主要电气设备
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发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
对原始资料分析
一、工程概况
该水电站站装有三台单机容量为 30MW 的机组，型号为 SFW—3*30MW，
属于中型发电厂。
根据原始资料，该水电站主要承担峰荷发电，主接线应以供
经济可靠为主要接线方式。
二、负荷情况
该水电站，发电机出口电压为 10.5KV，输电电压为 110KV，有一回出线回
路至系统，另一回备用。
发电站发出的电主要输送给距发电站 80KM 的变电所，
另需考虑厂用电负荷设计比较简单。
原始资料对水电站的电力系统情况、环境情况及设备供货情况没有做具体
说明，但我们还需按照可靠性、灵活性、经济性的原则选取最优发电厂电气主
系统接线。
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发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
五发电机侧接线方案的设计
发电机侧接线，指的是从发电机到主变压器低压侧之间的接线方式，其中
还有断路器、隔离开关等二次电气设备用于保护和测量一次设备。
其接线方式
应根据发电机的容量及水电站的作用进行设计。
该水电站单机容量很小，所以一般不采用单元接线方式，单元接线是
指发电机出来直接接变压器，发电机与变压器直接采用封闭母线，一般用于单
机容量比较大的机组。
单母线接线发电机功率的汇集和分配由一条汇流母线来
完成，这种接线方式可靠性太差，且不利于厂用电从发电机母线上引出。
采用
单母线分段接线，除了分段隔离开关故障或检修需全站停电外，当一段母线及
所接隔离开关故障或检修时，只需短时全站停电，将分段隔离开关断开，仍可
保持另一段母线所接机组送电。
发电机电压单母线断路器分段接线用断路器将
单母线接线分段。
这样，当一段母线及所接隔离开关故障时，分段断路器在继
电保护装置的作用下，能自动将故障母线段切除，从而保证了正常段母线不间
断供电，在一定程度上克服了单母线接线的缺点，提高了供电可靠性。
发电机侧提供三种方案进行选择，方案一：
单元接线；方案二：
扩大单元
接线；方案三：
单母线接线。
各方案的优缺点见附录
（一）。
1） 单元接线
选择单元接线是因为：
单元接线简单，开关设备少，操作简单以及因不设
发电机电压级母线，而在发电机和变压器之间采用封闭母线，使得在发电机和
变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压级母线时，有所减
小。
但它存在如下技术问题：
1 当主变压器或厂总变压器发生故障时，除了跳主变压器高压侧出口断路
器外，还需跳发电机磁场开关。
2 发电机定子绕组本身故障时，若变压器高压侧断路器失灵拒跳，则只能
通过失灵保护出口启动母差保护或发远方跳闸信号使线路对侧断路器跳闸；若
因通道原因远方跳闸信号失效，则只能由对侧后备保护来切除故障，这样故障
切除时间大大延长，会造成发电机、主变压器严重损坏。
发电机故障跳闸时，将失去厂用电源，而这种情况下备用电源的快速切换
极有可能不成功，因而机组面临厂用电中断的威胁。
2）扩大单元接线
当发电机单机容量不大，且在系统备用容量允许时，为了减少变压器台数
和高压侧断路器数目，并节省配电装置占地面积，将 2 台变压器与一台变压器
连接，组成扩大单元接线。
它存在的技术问题与单元接线基本相同。
3）单母接线
可保证电源并列工作，又能让任意一条通往变压器的线路都可以从任一个
电源获得电能。
尽可能使负荷均衡地分布于各个线路上，以减少过多功率在母
线上的传输。
接线简单，清晰、设备少、投资也小、运行操作方便。
但是可靠性及灵活性稍差点，母线检修时会使得三台发电机停止运行。
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发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
综合上述所有方案，对于发电机侧的接线方式，根据所给的资料考虑，应
选择单母线接线。
六升高压侧接线方案的设计
升高压侧接线方式指的是从主变压器出来到出线回路之间的连接方式，其
接线方式对系统的运行方式、主要电气设备的选择及二次设备的配置都有重大
影响。
升高压侧的接下方案很多，有单母线接线、单母带旁路母线、双母线接线、
双母分段接线、双母分段带旁路母线及桥型接线多角型接线等。
根据各种接线
方案的特点，结合本水电站的实际情况，拟定三种方案进行比较选择，三种方
案分别是一台半断路器、桥型接线和单母线接线，各接线方式的接线图及优缺
点见附录
（二）。
1）一台半断路器接线
一台半断路器接线，运行的可靠性和灵活性很高，在检修母线或回路断路
器时不必用隔离开关进行大量的倒闸操作，并且，调度和扩建也方便。
在一台半断路器中，通常有两条原则：
1 在电源线宜与负荷线配对成串，即要求采用在同一个“断路器串”上配
置一条电源回路和一条出线回路，以避免在联络断路器发生故障时，使两条电
源回路或两条出线回路同时被切除。
2 配电装置建设初期仅两串时，同名回路宜分别接入不同侧的母线，进出
线应装设隔离开关。
当一台半断路器接线达三串及以上时，同名回路可接于同
一侧母线，进出线不宜装设隔离开关。
2）桥型接线
桥形接线可分为内桥形接线和外桥形接线两种。
内桥形接线在线路故障或切除、投入时，不影响其余回路工作，并且操简
单：
而在变压器故障或切除、投入时，要使相应线路短时停电，并且操作复杂。
因而该线一般适用于线路较长（相对来说线路的故障概率较大）和变压器不需
要经常切换的情况。
外桥形接线在运行中的特点与内桥形接线相反，适用于线路较短和变压器
需要经常切换的情况。
当系统中有穿越功率通过主接线为桥形接线的发电厂或
变电站高压侧时，或者桥型接线的 2 条线路接入环形电网时，都应该采用外桥
接线。
因为如果采用内桥接线，穿越功率通过 3 台断路器，继电保护配置复杂，
并且其中任一台断路器断开时都将使穿越功率无法通过，或使环形电网必须开
环运行。
通过上述的观点和原始资料，应选用内桥形接线。
3）单母线接线
单母线接线，母线既可保证电源并列工作，又能使任一条出线都可以从任
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发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
一个电源获得电能。
各出线回路输送功率不一定相等，应尽可能使负荷均衡地
分配于各出线上，以减少功率在母线上的传输。
接线简单，操作方便、设备少、
经济性好，并且，母线便于向两端延伸，扩建方便。
而缺点是可靠性差，调度
不方便。
综合上述三个方案，比较得出结论，应选用单母线接线。
七最优电气主接线的选择
电气主接线是指发电厂或变电所中汇集、分配电能的电路，通常称一次接
线，是由断路器、隔离开关、互感器、避雷器、发电机等电气设备按照一定的
顺序连接而成的。
它是发电厂、变电所电气设计的重要部分，也是构成电力系
统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活
性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制
方式的拟定有较大影响。
因此，必须处理好各方面的关系，全面分析有关影响
因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案，决定于电压等级和出线回路
数。
电气主接线的设计原则：
（1）可靠性；安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量
是对主接线最基本的要求。
在设计时，除对主接线形式予以定性评价外，对于
比较重要的水电站需要进行定量分析和计算。
（2）灵活性；主要包括操作的方便性、调度的方便性和扩建的方便性。
主
接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行方式的转换。
不仅正常运行时能
安全可靠地供电，而且无论在系统正常运行还是故障或设备检修时都能适应远
方监控的要求，并能灵活、简单、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影
响范围最小。
显然，复杂地接线不会保证操作方便，反而使误操作机率增加。
但是过于简单的接线，则不一定能满足运行方式的要求，给运行造成不便，甚
至增加不必要的停电次数和停电时间。
（3）经济性；主要包括：
节省一次投资、占地面积少和电能损耗小三个方面。
在主接线设计时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。
欲使主接线可靠、
灵活，将导致投资增加。
所以必须把技术与经济两者综合考虑，在满足供电可
靠、运行灵活方便的基础上，尽量使设备投资费用和运行费用为最少。
根据上面两节，清楚知道选择的结果，那就是该电站选用发电机侧选用单
母线接线。
升高压侧选用内桥接线。
水力发电厂的特点是，一般距负荷中心较远，基本上没发电机电压负荷，
几乎全部电能用升高压送入系统；水力发电厂的装机台数和容量，是根据水能
利用条件一次性确定的，不必考虑发展和扩建；水力发电厂附近地形复杂，电
气主接线尽可能简单，使配电装置紧凑。
此外，水轮发电机启动迅速、灵活方便，一般正常情况下，从启动到带满
负荷只需 4-5min，事故情况下还可能不到 1min。
因此，水电厂常被用作系统备
用和检修备用。
对具有水库调节的水电厂，通常在丰水期承担系统基荷，枯水
期多带尖峰负荷。
很多水电厂还担负着系统的调频、调相任务。
因此，水电厂
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发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
的负荷曲线变化较大、机组开停频繁，其接线应具有较好的灵活性。
再根据原始资料，查阅电力《工程电气设计手册》，设计出最终电气主接线
图，见附录（三）。
所示为一小型水力发电厂的主接线。
水电厂以三台 30MW 发
电机组（发电机出口电压为 10.5KV）以发电机-变压器单元接线直接把电能送
至 110KV 电力系统，110KV 侧为单母接线，实现三条电源进线和两条出线配对。
八主要电气设备的选择
根据原始资料可知，本设计无需对变压器进行选择，选择其它电气设备时，
只需按工作条件进行选择，不需要进行短路电流的计算和短路校验。
正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条
件。
在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，
积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电气设备。
尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不
完全相同，但对它们的基本要求确是一致的。
本设计，电气设备的选择包括：
短路器和隔离开关的选择，电流、电压互感器的选择、避雷器的选择，导线的
选择。
电气设备选择的一般原则：
1、应满足正常运行、检修、断路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需
要
2、应按当地环境条件校验
3、应力求技术先进与经济合理
4、选择导体时应尽量减少品种
5、扩建工程应尽量使新老电气设备型号一致
6、选用新产品，均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格
电气设备选择的条件：
尽管各种电气设备都有自己的特点，有各自的校验标准，但是电气设备的
选择都按正常工作条件进行选择。
（1）额定电压
规定一般电气设备允许的堆高工作电压电压为电气设备的 1.1—1.15 倍，
而电气设备所在电网的运行电压波动一般不超过电网额定电压的 1.15 倍，因此，
在选择电气设备时，一般按照电气设备的额定电压UN 不低于装置地点的额定电
压UNS 的条件选择，即
UN ≥ UNS
（2） 额定电流
电气设备的额定电流 IN 是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许电
流。
IN 应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 Im ax ，即
IN ≥ Im ax
（3）环境条件
电气设备的选择与环境条件，如温度、风速、污秽等级、海拔高度等，都
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发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
有关系，对于环境条件超过一般电气设备的使用条件时，应采取措施。
在本设计中无环境条件，故所有选择的电气设备均理解为按可承受环境条
件进行选择。
主变压器的选择
（一）主变压器容量、台数的确定原则
主变压器容量、台数直接影响主接线的的形式和配电装置的结构。
它的确
定应综合各种因素进行分析，做出合理的选择。
主变压器容量一般按变电所建
成后 5~10 年的规划负荷选择，也需考虑原始资料。
具有发电机电压母线接线的主变压器容量、台数的确定：
（1）当发电机电压母线上负荷最小时，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最大一台发电机组停用时，主变压器应能从系统
中倒送功率，以保证发电机电压母线上最大负荷的需要。
（3）根据系统经济运行的要求而限制本厂输出功率时，能供给发电机电压的最
大负荷。
（4）发电机电压母线与系统连接的变压器一般为两台。
对装设两台或以上主变
压器的发电厂，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器在允许
正常过负荷范围内，应能输送母线剩余功率的 70%以上。
（二）变压器型号的选择：
小型水电站厂用电率一般为 0.5%-1.0%，所以大概有 90000*0.95=85500（KW）送
至负荷。
根据最大效率法计算知：
βip 一般取 0.55
Sem=S/βip=85500/0.8÷0.55=194318.2KVA
根据变压器产品样本查选型号为：
SF11-85000/110。
由原始资料可知，该设计中所有断路器、隔离开关、电压电流互感器及避
雷器的选择，都只需按额定电流和额定电压进行选择。
（一）按额定电压选择：
断路器、隔离开关额定电压不小于安装地点电网额定电压，即
对 10.5KV 侧断路器 D1～D7、隔离开关 G1～G14：
对 110KV 侧断路器 D8～D11 隔离开关 G15～G22：
（二）按额定电流选择
断路器的额定电流不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流，即
对 30000KW 发电机出口隔离开关 G1～G6、断路器 D1～D3：
IN=1.05*30000/*10.5*0.8）=（A）
对 10.5KV 母线及母线以上隔离开关 G9～G14、断路器 D5～D7：
IN=1.05*90000/*10.5*0.8）= （A）
对 110KV 侧隔离开关 G15～G22、断路器 D8～D11：
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型号
系统额定
电压
（kV）
避雷器额
定电压
（kV）
避雷器持
续运行电
压（kV）
雷电冲击
电流下残
压（峰值）
不大于
（kV）
陡波冲击
电流下残
压（峰值）
不大于
（Kv）
Y10W5-
110/260
110
100
73
260
291
断路器
断路器型号
隔离开关
隔离开关型号
D1～D3
ZN5-10/1000
G1～G6
GN6-10/1000-80
D4
ZN5-10/630
G7～G8
GN6-10/600-52
D5～D7
SN3-10/3000
G9～G14
GN10-10T/3000-160
D8～D11
SW2-110/1000
G15～G22
GW4-110D/1000-80
电流互感器
电流互感器型号
电流互感器
电流互感器型号
12500KW 出口
LWC-10
变压器高压侧
LCWD-110
6300K 出口
LA-10
桥型连线上
LCWD-110
10.5KV 母线
LZZBJ9-12/175b/2s
出线回路上
WVB110-20（H）
变压器低压侧
LMZ1-10
电压互感器
电压感器型号
110kV 侧
WVB110-20（H）
10.5kV 侧
ZX10-12BG
发电厂主系统设计及升压站电气设备布置
IN=1.05*90000/*110*0.8
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