某水电站电气主接线设计.docx
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某水电站电气主接线设计
前言
电力系统是由发电厂、变电站、线路和用户组成。
变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
为满足生产需要，变电站中安装有各种电气设备，并依照相应的技术要求连接起来。
把变压器、断路器等按预期生产流程连成的电路，称为电气主接线。
电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。
用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。
一、主接线的设计原则和要求
主接线代表了变电站电气部分主体结构，是电力系统接线的主要组成部分，是变电站电气设计的首要部分。
它表明了变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成变电、输配电的任务。
它的设计，直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
由于电能生产的特点是发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的，所以主接线设计的好坏，也影响到工农业生产和人民生活。
因此，主接线的设计是一个综合性的问题。
必须在满足国家有关技术经济政策的前提下，正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，力争使其技术先进、经济合理、安全可靠。
Ⅰ.电气主接线的设计原则
电气主接线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、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
1.接线方式：
对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能采用断路器较少或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥形接线等。
若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。
在110-220KV配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥形接线；当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。
在枢纽变电站中，当110-220KV出线在4回及以上时，一般采用双母接线。
在大容量变电站中，为了限制6-10KV出线上的短路电流，一般可采用下列措施：
a.变压器分列运行；b.在变压器回路中装置分裂电抗器或电抗器；c.采用低压侧为分裂绕组的变压器。
d.出线上装设电抗器。
2.主变压器选择
a.主变压器台数：
为保证供电可靠性，变电站一般装设两台主变压器。
当只有个电源或变电站可由低压侧电网取得备用电源给重要负荷供电时，可装设一台。
对于大型枢纽变电站，根据工程具体情况，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。
b.主变压器容量：
主变压器容量应根据5-10年的发展规划进行选择，并应考虑变压器正常运行和事故时的过负荷能力。
对装设两台变压器的变电站，每台变压器额定容量一般按下式选择
Pm为变电站最大负荷。
这样，当一台变压器停用时，可保证对60%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力40%，则可保证对84%负荷的供电。
由于一般电网变电站大约有25%的非重要负荷，因此，采用nMS=0.6P，对变电站保证重要负荷来说多数是可行的。
对于一、二级负荷比重大的变电站，应能在一台停用时，仍能保证对一、二级负荷的供电。
d.主变压器的型式：
一般情况下采用三相式变压器。
具有三种电压的变电站，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到15%Sn以上时，可采用三绕组变压器。
其中，当主网电压为110-220KV，而中压网络为35KV时，由于中性点具有不同的接地形式，应采用普通的三绕组变压器；当主网电压为220KV及以上，中压为110KV及以上时，多采用自耦变压器，以得到较大的经济效益。
e.断路器的设置
根据电气接线方式，每回线路均应设有相应数量的断路器，用以完成切、合电路任务。
f.为正确选择接线和设备，必须进行逐年各级电压最大最小有功和无功电力负荷的平衡。
当缺乏足够的资料时，可采用下列数据：
①最小负荷为最大负荷的60%-70%，如主要是农业负荷时则宜取20%-30%；
②负荷同时率取0.85-0.9，当馈线在三回以下且其中有特大负荷时，可取
0.95～1；
③功率因数一般取0.8；
④线损平均取5%。
Ⅱ.设计主接线的基本要求
在设计电气主接线时，应使其满足供电可靠，运行灵活和经济等项基本要求。
1.可靠性：
供电可靠是电力生产和分配的首要要求，电气主接线也必须满足这个要求。
在研究主接线时，应全面地看待以下几个问题：
a.可靠性的客观衡量标准是运行实践，估价一个主接线的可靠性时，应充分考虑长期积累的运行经验。
我国现行设计技术规程中的各项规定，就是对运行实践经验的总结。
设计时应予遵循。
b.主接线的可靠性，是由其各组成元件（包括一次设备和二次设备）的可靠性的综合。
因此主接线设计，要同时考虑一次设备和二次设备的故障率及其对供电的影响。
c.可靠性并不是绝对的，同样的主接线对某所是可靠的，而对另一些所则可能还不够可靠。
因此，评价可靠性时，不能脱离变电站在系统中的地位和作用。
2.通常定性分析和衡量主接线可靠性时，均从以下几方面考虑：
a.断路器检修时，能否不影响供电。
b.线路、断路器或母线故障时，以及母线检修时，停运出线回路数的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。
3.变电站全部停运的可能性。
a.灵活性：
主接线的灵活性要求有以下几方面。
①调度灵活，操作简便：
应能灵活的投入（或切除）某些变压器或线路，调
配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。
②检修安全：
应能方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。
③扩建方便：
应能容易的从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压器或线路而不互相干扰，且一次和二次设备等所需的改造最少。
b.经济性：
在满足技术要求的前提下，做到经济合理。
①投资省：
主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备投资；要使控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资；要适当限制短路电流，以选择价格合理的电器设备；在终端或分支变电站中，应推广采用直降式（110/6-10KV）变压器，以质量可靠的简易电器代替高压断路器。
②占地面积小：
电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。
在运输条件许可的地方，都应采用三相变压器。
③电能损耗少：
在变电站中，正常运行时，电能损耗主要来自变压器。
应经济合理的选择主变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。
二、主接线的设计步骤
Ⅰ.电气主接线的具体设计步骤如下：
1.分析原始资料
a.本工程情况变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量等。
b.电力系统情况电力系统近期及远景发展规划（5-10年），变电站在电力系统中的位置和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。
c.负荷情况负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。
d.环境条件当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度等因素，对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。
e.设备制造情况为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。
2.拟定主接线方案
根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定出若干个主接线方案。
因为对出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等考虑不同，会出现多种接线方案。
应依据对主接线的基本要求，结合最新技术，确定最优的技术合理、经济可行的主接线方案。
3.短路电流计算
对拟定的主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。
4.主要电器选择
包括高压断路器、隔离开关、母线等电器的选择。
5.绘制电气主接线图
将最终确定的主接线，按工程要求，绘制工程图。
三、基本接线型式
Ⅰ.单母线接线
a.优点：
接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。
b.缺点：
不够灵活可靠，任一元件（母线及隔离开关等）故障或检修，均需使整个配电装置停电。
单母线可用隔离开关分段。
但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后，方能恢复非故障段的供电。
c.适用范围：
6-10KV配电装置出线回路数不超过5回；35-63KV配电装置出线回路数不超过3回；110-220KV配电装置的出线回路数不超过两回。
Ⅱ.单母线分段接线
a.优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段短路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不使重要用户停电。
b.缺点：
当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需两个方向均衡扩建。
c.适用范围：
6-10KV配电装置出线回路数为6回及以上时；35-63KV配电装置出线回路数为4-8回时；110-220KV配电装置的出线回路数为3-4回时。
Ⅲ.双母线接线：
双母线的两组母线同时工作，并通过母线联络断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上。
由于母线继电保护的要求一般某一回路固定与某一组母线连接，以固定的方式运行。
a.优点：
①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而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路的母线隔离开关，只停该回路。
②调度灵活。
各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。
③扩建方便。
向左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。
④便于试验。
当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。
b.缺点：
①增加一组母线和使每回路就需要增加一组母线隔离开关。
②当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。
为了避免隔离开关误操作，须在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。
③适用范围。
当出线回路数或母线上电源较多，输送和穿越功率较大，母线故障后要求迅速恢复供电，母线和母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用。
6-10kv配电装置，当短路电流较大，出线需要带电带电抗器时；35-63KV配电装置，当出线回路数超过8回时，或连接的电源较多，负荷较大时；110-220KV配电装置，出线回路数为5回及级以上时。
Ⅳ.双母线分段接线：
当220KV进出线回路数甚多时，双母线需要分段。
a.分段原则：
①当进出线回路数为10-14回时，在一组母线上用断路器分段；
②当进出线回路数为15回及以上时，两组母线均用断路器分段；
③在双母线分段接线中，均装设两台母联兼旁路断路器；
④为了限制220KV母线短路电流或系统解裂运行的要求，可根据需要将母线分段；变压器-线路单元接线：
b.优点：
接线最简单，设备最少，不需要高压配电装置。
c.缺点：
线路故障或检修时，变压器停运；变压器故障或检修时线路停运3适用范围：
只有一台变压器和一回线路时；当发电厂内不设高压配电装置，直接将电能输送至枢纽变电所时。
四、主接线初步设计方案
综上所述，下面有两个技术合理的方案供比较选择：
主接线方案比较一览表,
单母线分段接线双母线接线
1.可靠性：
一段母线发生故障，自动装置可以保证正常母线不间断供电。
重要用户可以从不同分段上引接。
出线回路数较多，断路器故障或检修较多，母联断路器长期被占用，对变电站不利。
2.灵活性：
母线由分段断路器进行分段。
当一段母线发生故障时，由自动装置将分段断路器跳开，不会发生误操作。
a.各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上，b.能灵活的适应系统中各种运行方式的调度和潮流变化的需要。
c.当母线故障或检修时，d.隔离开关作为倒换操作电器，e.容易误操作。
3.经济性：
当进出线回路数相同的情况下，单母线分段接线所用的断路器和隔离开关少于双母线接线。
总结：
对比两种接线方式，从可靠性、灵活性、经济性以及可扩建性等几方面考虑，我认为单母线分段接线方式较适合本设计要求，故高、中、低压三侧均采用单母线分段接线方式。
五、厂用电，生活区用电接线方案
厂用电接线的一般要求：
1）厂用电接线应尽量简单、清晰。
2）保证重要负荷供电可靠，供电的间断时间不超过允许值。
3）保证厂用电设备各级保护动作的选择性。
4）在厂用分段母线上，一般应使负荷均匀分布在两段母线上。
5）应尽量对负荷的供电线路最短，以节省电缆，减少损耗，便于运行管理，操作维护方便，经济上合理。
考虑以上几点，选择厂用电接线为单母分段接线，每段分别使用一台厂用变压器，并且将厂用电母线与生活区用电母线相连，作为生活区用电的备用电源，以减少投资。
最终确定的厂用电主接线方案如图所示。
六、短路电流计算
1、短路电流的计算
取基准容量为：
SB=100MVA，基准电压为UB=Uav又依公式：
IB=SB/
UB；XB=UB2/SB，计算出基准值如下表所示：
（SB=100MVA）
UB（KV）
115
37
10.5
IB（KA）
0.552
1.716
6.048
XB（Ω）
120.23
12.45
1.00
2、计算变压器电抗
UK1%=1/2[UK（1-2）%+UK（3-1）%-UK（2-3）%]
=1/2[17+10.5-6.5]=10.5
UK2%=1/2[UK（1-2）%+UK（2-3）%-UK（3-1）%]
=1/2[17+6.5-10.5]=6.5
UK3%=1/2[UK（3-1）%+UK（2-3）%-UK（1-2）%]
=1/2[10.5+6.5-17]=0
XT1*=（UK1%/100）×（SB/SN）=（10.5/100）×（110/63）=0.183
XT2*=（UK2%/100）×（SB/SN）=（6.5/100）×（110/63）=0.113
XT3*=（UK3%/100）×（SB/SN）=0
3、系统电抗
远期：
Xmax110*=0.0765；Xmax110*=0.162；
4、系统等值网络图如下图
5、短路计算点的选择
选择如图2-2中的d1、d2、d3、d4、d5、d6各点。
6、短路电流计算
⑴d1点短路时：
Up=115KV
次暂态短路电流标么值的计算：
I”*=I*∝=1/X1*=1.0/0.0765=13.07
次暂态（0s）和4s时的短路电流相等，三相短路电流有名值为：
I”=I”*SB/（
Uav）=13.07×110/（
×115）=7.22KA
两相短路电流为：
0.866×7.22=6.25KA
冲击电流为：
ish=2.55I”=2.55×7.22=18.41（KA）
短路容量为：
S=
UBI”=1.732×115×7.22=1438.1（MVA）
Ish=1.51×I”=1.51×7022=10.90（KA）
⑵d2点短路时Up=37KV
次暂态短路电流标么值的计算：
I”*=I*∝=1/X2*=1.0/（0.0765+0.0915+0.0565）=4.45
次暂态（0s）和4s时的短路电流相等，三相短路电流有名值为：
I”=I”*×SB/（
Uav）=4.45×110/（
×37）=7.64KA
两相短路电流分别为：
0.866×7.64=6.62KA
冲击电流为：
ish=2.55×I”=2.55×7.64=19.48（KA）
短路容量为：
S=
UBI”=1.732×37×7.64=489.6（MVA）
Ish=1.51×I”=1.51×7.64=11.54（KA）
⑶d3点短路时Up=10.5KV
次暂态短路电流标么值的计算：
I”*=I*∝=1/X3*=1.0/（0.0765+0.0915）=5.95
次暂态（0s）和4s时的短路电流相等，三相短路电流有名值为：
I”=I”*×SB/（
Uav）=5.95×110/（
×10.5）=35.99KA
两相短路电流分别为：
0.866×35.99=31.17KA
冲击电流为：
ish=2.55×I”=2.55×35.99=91.77（KA）
短路容量为：
S=
UBI”=1.732×10.5×35.99=654.5（MVA）
Ish=1.51×I”=1.51×35.99=54.34（KA）
⑷d4点短路时Up=110KV,与d1短路时的情况相同。
⑸d5点短路时Up=35KV
次暂态短路电流标么值的计算：
I”*=I*∝=1/X5*=1.0/（0.0765+0.0915+0.113）=3.56
次暂态（0s）和4s时的短路电流相等，三相短路电流有名值为：
I”=I”*×SB/（
Uav）=3.56×110/（
×35）=6.12KA
两相短路电流分别为：
0.866×6.12=5.3KA
冲击电流为：
ish=2.55×I”=2.55×6.12=15.61（KA）
短路容量为：
S=
UBI”=1.732×10.5×6.12=392.2（MVA）
Ish=1.51×I”=1.51×6.12=9.24（KA）
⑹d6点短路时Up=10.5KV
次暂态短路电流标么值的计算：
X6*=0.0765+0.183//（0.183+0.113+0.113）+0=0.0765+0.183//0.409=0.203
I”*=I*∝=1/X6*=1.0/0.203=4.93
次暂态（0s）和4s时的短路电流相等，三相短路电流有名值为：
I”=I”*×SB/（
Uav）=3.56×110/（
×10.5）=29.82KA
两相短路电流分别为：
0.866×29.82=25.82KA
冲击电流为：
ish=2.55×I”=2.55×29.82=76.04（KA）
短路容量为：
S=
UBI”=1.732×10.5×29.82=542.3（MVA）
Ish=1.51×I”=1.51×29.82=45.03（KA）
7、将所计算最大方式下短路电流值列成下
名称
短路点
基准电压
（KV）
I”（KA）
三相
I”（KA）
两相
ish
（KA）
Ish
（KA）
S（MVA）
d1
115
7.22
6.25
18.41
10.90
1438.1
d2
37
7.64
6.62
19.48
11.54
498.6
d3
10.5
35.99
31.17
91.77
54.34
654.5
d4
115
7.22
6.25
18.41
10.90
1438.1
d5
37
6.12
5.3
15.61
9.24
392.2
d6
10.5
29.82
25.82
76.04
45.03
542.3
七、变压器的选择
1、主变压器台数的选择
考虑到，1台主变压器可靠性较低，一旦发生故障或检修退出运行，则整个电厂将不能向外送电；选择3台主变，接线复杂，投资较大；故选择2台主变压器，互为暗备用可靠性高，接线较简明，投资较为经济。
2、主变压器容量的选择
考虑原则：
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）当发电机电压母线上最大一台发电机组停运时，能由系统供给给发电机电压的最大负荷。
在电厂分期建设过程中，在事故断开最大一台发电机组的情况下，通过变压器向系统取得电能时，可考虑变压器的允许过负荷和限制非重要负荷。
3）根据系统经济运行的要求（如充分利用丰水季节的水能），而限制本厂输出功率时，能供给给发电机电压的最大负荷。
4）按上述条件计算时，应考虑负荷曲线的变化和逐年负荷的发展。
特别应注意发电厂初期运行，当发电机电压母线负荷不大时，能将发电机电压母线上的剩余容量送入系统。
5）发电机电压母线与系统连接的变压器一般为两台。
对主要向发电机电压供电的地方电厂，而系统电源仅作为备用，则允许只装设一台主变压器作为发电厂与系统的联络。
若发电机电压母线上接有2台及以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故推出运行时，其他主变压器在允许过负荷10％范围内，应能输送母线剩余功率的70％以上。
所选主变压器型号为：
SSF10-75000/22025000KVA242±2×2.5%/10.5KV
3、其他设备（断路器、隔离开关、互感器、母线、熔断器、避雷器）的数据如图纸材料表所示。
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