大型水电厂电气设计.docx
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大型水电厂电气设计
大型水电厂电气设计
1前言
电力已成为人类历史发展的主要动力资源，要科学合理驾驭电力，必须从电力工程的设计原则和方法上来理解和掌握其精髓，提高电力系统的安全可靠性和运行效率，从而达到降低生产成本，提高经济效益的目的。
我国水力资源十分丰富，但由于水电厂建设投资大、周期长，至今只有10%~15%被用以发电。
而且，在全国总装机容量和年发电量中，水电比重近年来还出现逐渐下降的趋势。
这种不能很好利用既廉价有洁净水能的状况必须改变。
为此，应加速水利资源的勘察和水电厂建设。
发电厂是电力系统的重要组成环节，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行。
在发电厂中，电气一次系统是主干系统，处于关键的地位。
此次课程设计的内容主要即为大型水力发电厂的电气一次部分。
本设计主要内容为大型水力发电厂电气一次部分设计，主要内容有：
电气主接线方案的确定、短路电流计算、导体和主要电气设备选择。
最后还给出了电气主接线图。
1设计任务内容：
大型水电厂电气设计
21发电厂情况：
（1）大型水电厂电气设计
（2）机组容量与台数：
5×300MW
（3）电厂所在地区最高温度35℃海拔1000m，地震烈度5级，土壤电阻率600Ω.m；，；
（4）机组年利用小时数
3246小时；
2.负荷与系统情况：
（1）接入系统：
以4回330kV，90～240km架空线路接入枢纽变电所，系统容量按无穷大考虑，系统归算至水电厂母线最小电抗标么值
＝（
＝1000MVA，已计入十年发展）。
；
（2）发电机额定电压，
75，
（3）主变压器，电抗标么值；
（4）继电保护：
主保护，后备保护2s
（5）厂用电：
无高压厂用电设备
3.设计目的
发电厂电气部分课程设计是在学习电力系统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“发电厂电气部分”、“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能。
4、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
5、设计原则、依据
原则：
电气主接线的设计是发电厂或变电站设计的主体。
电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定和标准为准绳，结合工程实际情况，以保证供电可靠、调度灵活，在满足各项技术要求的前提下，兼顾运行方便、尽可能节省投资、就地取材，力争设备原件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、适用、先进、经济、美观的原则。
依据：
（1）发电厂、变电所在电力系统中的地位和作用
（2）发电厂、变电所的分期和最终建设规模
（3）负荷大小和重要性
（4）系统备用容量大小
（5）设计题目的原始资料
6、设计基本要求
设计要满足可靠性、灵活性、经济性的要求
二、原始资料分析
1.工程情况：
设计电厂为大型水电厂，其容量为5×300MW,利用小时数为3000h＜3246h＜5000h，为承担腰荷的发电厂，又因其多承担系统调峰，调相任务，其主接线应以供电调度灵活为主选择接线方式;。
2.电力系统情况：
＝1000MVA，已计入十年发展，系统容量按无穷大考虑,为简化网络结构及发电厂主接线，减少电压等级宜接入220kV系统，且出线数目应尽量减少，以利于简化配电装置的规模及维护；
3.负荷情况发电机额定电压，
75，
4.环境条件：
电厂所在地区最高温度35℃，海拔1000m，地震烈度5级，土壤电阻率600Ω.m；水力发电厂不会由于海拔高度而影响发电效果，故可不予考虑，土壤电阻率也很小，也可不予考虑。
5.继电保护：
主保护，后备保护2s
6.无高压厂用电设备
三、主接线方案确定
水力发电厂的特点是，一般距离负荷中心较远，基本上没有发电机电压负荷，几乎全部电能用生高电压送入系统；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，电气主接线应尽量简单，使配电装置紧凑。
1、主接线方案拟定
根据对原始资料的分析，现将各电压级可能采用的较佳方案列出，进而，以优化组合方式，组成最佳可比方案。
1）10KV电压级.鉴于10KV出线回路多,并且发电机单机容量为300MW,远大于有关设计规程对选用单母线分段接线不得超过24MW的规定,应确定为双母线分段接线形式,4台300MW机组分别接在两段母线上,剩余功率通过主变压器送往一级电压110KV.由于10KV电压最大负荷20MW,远小于2*50MW发电机组装容量,即使在发电机检修的情况下,也可保证该电压等级负荷要求.由于2台50MW机组均接于10KV母线上,有较大短路电流,为选择合适的电气设备,应在分段处加装母线电抗器,各条电缆线上装设线路电抗器.
电压级.出线回路大于4回,为使其出线断路器检修时不停电,应采用单母线分段带旁路接线或双母线带旁路接线,以保证其供电的可靠性和灵活性.
电压级.200KV负荷容量大,其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式,为保证可靠性,可能有多种接线形式.
方案一：
图一。
为大型水力发电厂的主接线，5台300MW的发电机组（Un=）以发电厂变压器单元接线直接把电能送到至330kV的电力系统,但由于发电机内阻很小，所以直接厂用电变压器与发电机用封闭线直接连接，即厂用分支封闭母线（在发电厂中，发电机至变压器的连接母线如采用敞露式母线，会导致绝缘子表面易被灰尘污染，尤其是母线布置在屋外时，受气候变化和污染更为严重，很容易造成绝缘子闪络及由于外物所致造成母线短路故障。
随着机组容量的增大，对出口母线的可靠性要求越来越高，而采用封闭母线是一种较好的解决方法。
）。
330kV侧为三串
台短路器接线和一串1
台断路器接线。
实现5条电源进线和4条出线配对成串，增加了可靠性。
在各发电机出口均装有出口短路器，给运行带来了极大的灵活性。
方案二：
图二。
同样为大型水力发电厂的主接线，5台300MW的发电机组（Un=），发电机组经双母线分段接线连接，经变压器把电能送到330kV电力系统。
330kV侧为三角形接线方式。
其接线方式可以减少一台断路器的使用又可以拥有双母接线的稳定性，操作方便。
但是，检修断路器是，多角形就要开环运行，如果此时出现故障，又有断路器断开，将使供电造成紊乱；而且其灵活性又差了一些。
图一方案一图
图二方案二图
主接线方案的评定
方案一：
单母线接线
方案二：
双母线接线
经济性
接线简单，投资省，扩建方便，电能损耗少，经济性好
变压器台数合理，接线也不复杂，投资合理
可靠性
母线或母线隔离开关检修时所有回路都要停止工作，会造成全场或全站长期停电
供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作可以轮流检修一组母线不致供电中断
灵活性
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。
1.调度灵活，能灵活的适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要，并且通过倒换操作可以组成各种运行方式。
2.扩建方便，扩建时不会造成原有回路的停电
综合考虑各种因素，方案I在可靠性和经济性方面均优于方案II，且该水电站在保证可靠性的情况下，要看其灵活性，故选择方案I为最终的设计方案。
四、厂用电设计
1.水电厂的主要厂用电负荷
⑴机组自用电部分：
压油装置油泵、机组调速和轴承润滑系统用油泵、水内冷水系统水泵、水轮机顶盖排水泵、漏油泵、主变压器冷却设备等。
⑵全厂公用电部分：
厂房吊车、快速闸门启闭设备、闸门室吊车、尾水闸门吊车、蓄电池组和浮充电装置、空气压缩机、中央修配厂、漏油机、全场照明等。
2.厂用电源选择
⑴厂用电供电电压确定：
对于水电厂，由于水轮发电机组辅助设备使用的电动机功率不大，采用动力和照明三相四制系统供电。
但是坝区和水利枢纽距厂区较远，故可选用厂用电电压等级为6kV。
⑵厂用电系统接地方式：
厂用变采用不接地方式，高压低压都为三角电压。
⑶厂用工作电源引线方式:
因为发电机与主变压器采用单元接线，高压常用工作电源由该单元主变压器低压侧引借
⑷厂用备用电源
采用一台备用变压器，以1
台断路器接线方式连于主接线中。
3.厂用主变压器的选择
⑴厂用电主变压器选择的原则：
1.变压器、副边额定电压应分别与引接线和厂用电系统的额定电压相适应。
2.连接组别的选择，宜使用同一电压级的厂用工作、备用变压器输出电压的相位一致。
3.阻抗电压及调压形式的选择，宜使在引接点电压及厂用点负荷正常波动范围内，厂用点各级母线的电压偏移不超过额定电压的5%。
4.变压器的容量必须保证厂用机械及设备能从电源获得足够的功率。
⑵确定厂用电主变压器容量：
按常用电率确厂用电主变压器的容量
SN=
=
选择型号为：
SJL1—30
型号及容量
（kVA）
低压侧额定容量（kV）
连接组
损耗
（kW）
阻抗电压
（%）
空载电流
（%）
空载
短路
SJL1—30
Y/Y0
4
8
五、主变压器的确定
1.变压器的台数：
依据方案I，该变电所装设2台三绕组变压器，以充分保证供电可靠性。
2.容量：
单元接线中的主变压器SN应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用容量负荷后，留有10%的裕度。
/cos
PNG——发电机容量；为300MW。
SN——通过主变压器的容量。
Kp——厂用电；Kp=8%。
cos
——发电机的额定功率；cosФG=.
发电机的额定容量为300MW，扣除厂用电后经过变压器的容量为：
SN=
=
3.由于设计理念中变压器直接与发电机相连，把电能送至330kV电力系统中。
故应选330kV双绕组变压器。
综上，选择5台330kV双绕组变压器，型号为SSP-360000/330
双绕组主变压器SSP-360000/330
额定容量
（kVA）
额定电压
（kV）
损耗
（%）
阻抗电压
（%）
连接组
高压
低压
空载
短路
360000
363
18
171
1967
Y0/△-12
六、短路电流计算
1.短路电流计算的目的
⑴在选择电气主接线是，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，均需要进行必要的短路电流计算。
⑵在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
⑶在设计屋外高压配电装置时。
需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
⑷在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
2.计算短路电流
过程见附录
3.计算短路电流的方法
由于当变压器发生短路时，其余4台发电机也同时断开，故在计算短路电流时只单独计算单条输电线路的短路电流。
等值阻抗图为
4.短路电流计算表
短路点
d
0s时刻短路电流（kA）
短路冲击电流（kA）
七、电气设备选择
电气设备选择的原则：
1、应满足正常运行、检修、短路和过电压情况的要求，并考虑远景发展；
2、应按当地环境条件校核；
3、应力求技术先进和经济合理；
根据各电压等级和相应的短路电流计算结果，选择相应的电气设备。
列表如下（具体选择及校验过程列入附录C中）：
名称
型号
名称
型号
发电机
TS1264/160-48
断路器
KW4-330
隔离开关
GW7-330、330
电压互感器
YDR-330
电流互感器
LDZ1-10
母线
矩形铝导体双条平放截面
各个电气设备的参数
发电机TS1264/160-48
型号
额定容量（MW）
额定电压（kV）
Xd”
TS1264/160-48
300
18
21
断路器KW4-330
型号
电压（kV）
额定电流（kA）
额定开端容量
极限通过电流（kA）
热稳定电流（kA）
合闸时间（s）
固有分闸时间（s）
自动重合闸无电流间隔时间（s）
额定
电流（kA）
峰值
5s
KW4
330
3150
35
90
35
隔离开关GW7-330、330
型号
额定电压（kV）
额定电流（kA）
动稳定电流（kA）
热稳定电流（kA）（s）
GW7-330、330
330
1500
67
（5）
电压互感器YDR-330
形式
额定变比
在下列准确等级下额定容量（VA）
最大容量（VA）
备注
1
3
电容式
YDR-330
150
500
1000
2000
电流互感器LDZ1-10
型号
额定电流比
级别组合
准确级
热稳定倍数
动稳定倍数
LDZ1-10
600~1000/5
3
3
50
90
八、设计总结
本次课程设计主要是对330kV水电站电气部分的一次设备进行设计。
主要包括电气主接线的设计、厂用电设计、主变压器的选择、短路电流计算和电气设备的选择。
在这次课程设计的过程中，我和同组的几个同学一起查阅了相关资料，对课程设计的题目、要求和具体内容等做了讨论，并协力完成了此次设计。
通过本次设计，我能够巩固所学的基本理论、专业知识，并综合运用所学知识来解决实际的工程问题，学习工程设计的基本技能和基本方法。
采用的电气主接线具有供电可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性等特点。
选择的电气设备能够提高运行的可靠性，节约运行成本。
但由于设计时间较短，且经验不足，许多方面考虑不太全面，有待进一步改进。
总之，此次课程设计，使我能把在课堂上学习的理论知识应用到实践中，更好的发现了自己在学习中的不足之处。
在设计中，通过查阅资料，咨询老师，解决了在设计中所遇到的一些问题。
通过此次课程设计，我受益匪浅，学到了很多东西。
九、参考文献
1、西北电力设计院.电力工程设计手册.中国电力出版社
2、熊信银.发电厂电气部分.中国电力出版社
3、黄纯华.发电厂电气部分课程设计参考资料.中国电力出版社
4、李光琦.电力系统暂态分析（第三版）.中国电力出版社
附录A完整主接线
主接线另附图。
附录B短路电流计算
一.电抗计算
选取基容量为Sj=100MVA,Uj=Uav=
Sj——基准容量（MVA）
Uj——所在线路的平均额定电压）
注：
均采用标幺值算法，省去“*”。
330KV系统
15
11121314
678910
12345
G1G2G3G4G5
图3电抗图
1．对于TS1264/160-48发电机电抗
X1=X2=X3=X4=X5=Xd’’φ
2.对于SSP-360000/330双绕组变压器的电抗：
X6=X7=X8=X9=X10=×
3.对于架空线的电抗
由于接入系统以90~240km架空线路接入枢纽变电站，故选择100km，电抗为Ω/km
X11=X12=X13=X14=X15=100××
4．对于系统的电抗：
X15=
二．当主变压器高压330kV侧发生短路时的计算
由于当变压器发生短路时，其余4台发电机与变压器也同时断开，故在计算短路电流时只单独计算单条输电线路的短路电流。
将系统电抗图化简并计算
17
16
G3
选择G3发电机的那条线路计算，有
X17=X15+X13=+=
X16=X3+X8=+=
短路点短路电流的计算:
系统是在为无穷大容量系统：
因此对于无限大容量系统：
所以0秒短路周期分量标幺值
0秒时的短路电流周期分量有效值，
由于t=。
所以不需要考虑短路电流非周期分量。
短路电流：
I:
=
短路冲击电流：
=2××=
附录C
校验过程
一、高压断路器的校验
1、高压断路器的校验
a、安装断路器地点的工作电压为330kV，断路器的额定电压为330kV。
即：
UNet＞=UN，满足电压选择条件。
b、由于变压器型号为SSP_360000/330型号。
则
=360000kVA，
=363kV
=573A
=601A
所以，断路器的最大持续工作电流Igmax=601A，断路器的额定电流
=3150A
即：
满足选择条件。
c、断路器的最大持续电流为
=35kA，其330kV侧短路电流最大值的有效值
=，即
满足选择条件。
d、短路情况下的热稳定校验
KW4—330型断路器在5s内的热稳定电流
=35KA，其值大于电流I‘’=，因此即使对于无限大电流供电系统来说，满足热稳定要求。
热稳定电流
是断路器能承受短路电流热效应的能力。
按照国家标准规定，断路器通过热稳定电流在5s时间内，温度不超过允许发热温度，且无触头溶解和妨碍其正常工作的现象，则认为断路器是热稳定的。
由上式得：
满足条件
e、短路情况下动稳定校验
动稳定电流
短路冲击电流
即
满足动稳定条件
二、330KV侧高压隔离开关的校验
1、安装隔离开关地点的的工作电压为330kV，隔离开关的额定电压为330kV，即
满足电压选择条件。
2、通过隔离开关的最大持续工作电流Igmax=601A小于隔离开关的额定电流
=1500A，即
，满足电流条件。
3、短路情况下动稳定校验
动稳定电流Iet=100KA，短路冲击电流
。
即
，满足动稳定条件。
三、电流互感器校验
1、热稳定校验：
1s允许通过热稳定电流It=KtI1N=50×1000=50000A
短路冲击电流
=13410A。
短路电流发热Qk=
即Iet满足热稳定。
2、动稳定校验：
电流互感器动稳定电流ies=1000A×90=90kA短路冲击电流
=，即ios
ish。
满足动稳定
升级会员 