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大型水电厂电气设计剖析

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 Tmax = 3246 小时；

2.负荷与系统情况：

（1）接入系统：

以 4 回 330kV，90～240 km 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

X " ＝0.1285（ S j ＝1000MVA，已计入十年发展）。

；

（2）发电机额定电压 15.75kV， cosϕ = 0.8 75， X d "= 0.2

（3）主变压器，电抗标么值 0.14；

（4）继电保护：

主保护 0.1s，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。

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

（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：

S j ＝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 15.75kV， cosϕ = 0.8 75， X d "= 0.2

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 0.1s，后备保护 2s

6.无高压厂用电设备

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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.

2.110KV 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.

3.220KV 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=15.75kV）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

台短路器接线和一串 1 台断路器

一种较好的解决方法。

）。

330kV 侧为三串

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=15.75kV），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

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

图二方案二图

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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

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。

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

3. 厂用主变压器的选择

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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

0.4

Y/Y0

0.12

0.59

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=

300 ⨯ 8%

0.875

=27.43MVA

选择型号为：

SJL1—30

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。

SN = 1.1PNG（1- KP） /cos ΦG

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 ΦG ——发电机的额定功率；cosФG=0.875.

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=

1.1⨯ 300（1 - 0.08）

0.875

=346.97MVA

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

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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

171

1967

15.6

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

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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

KW4

330

3150

0.15

0.04

0.25

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

125 ⨯10mm2

型号

额定容量

（MW）

额定电压

（kV）

cosϕ

Xd”

TS1264/160-48

300

0.875

0s 时刻短路电流（kA）

5.27

短路冲击电流（kA）

13.41

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）：

各个电气设备的参数

发电机 TS1264/160-48

断路器 KW4-330

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）

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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

0.5

电容

式

YDR-330

330000 100

/ /100

3 3

150

500

1000

2000

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

0.5/3

GW7-

330、330

330 1500 67 33.6（5）

电压互感器 YDR-330

电流互感器 LDZ1-10

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。

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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=1.05Ue

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

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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 X d "

SN / cos ϕ

= 0.583

2.对于 SSP-360000/330 双绕组变压器的电抗：

X6 = X7 = X8 = X9 = X10 = 0.14×

1000 3632

360 3452

= 0.431

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 0.4Ω/km

3452 = 0.336

X11 = X12 = X13 = X14 = X15 =100×0.4×

1000

4．对于系统的电抗：

X15 =0.1285

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

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

选择 G3 发电机的那条线路计算，有

X17 = X15+X13 = 0.1285+0.336=0.4645

X16 = X3+X8 = 0.431+0.583=1.014

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：

I j =

S j

3u j

E∑ = 1

所以 0 秒短路周期分量标幺值

I '' =

X *

0.4645

= 2.16

1.014

= 0.986

I '' = 3.146

0 秒时的短路电流周期分量有效值，

I Z = I j ⋅ I '' =

S j

3U j

⋅ I '' =

1000

3 ⨯ 346

⨯ 3.146 = 1.674 ⨯ 3.146 = 5.27KA 由于 t=2.06s。

所以不需要考虑短路电流非周期分量。

短路电流：

I Z =5.27kA

短路冲击电流：

ish =2K sh ⋅ I =2×1.8×5.27=13.41kA

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

S N =360000kVA，U N =363kV

I NT =

S N

3U N

=573A

I g max = 1.05I NT =601A

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

sKAI t/490043522=⨯=

sKAtIs/21.5706.227.522=⨯=∞

所以，断路器的最大持续工作电流 Igmax=601A，断路器的额定电流

I Net =3150A

即：

I Net >= I g max ,

满足选择条件。

c、断路器的最大持续电流为 I Nk =35kA，其 330kV 侧短路电流最大值的有效值

I sh =13.41kA，即 I Nk >= I sh ,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 I te =35KA，其值大于电流 I‘’

=5.27KA，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 I te 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：

I t 2t >= I ∞ 2t jx 满足条件

e、短路情况下动稳定校验

动稳定电流 iet = 100KA 短路冲击电流 ish = 13.41KA

即 I et >= ish 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U Net >= U N 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

I Net =1500A，即 I Net >= I g max ，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 ish = 13.41KA 。

即 I et >= ish ，满足动稳定条件。

三、电流互感器校验

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

短路冲击电流 ish =13410A。

短路电流发热 Qk= I ∞ （tK + t Np ）

1、热稳定校验：

1s 允许通过热稳定电流

It=KtI1N=50×1000=50000A

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

ish =13.41kA，即 ios >= ish。

满足动稳定

发电厂电气部分—大型水力发电厂设计

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