发电厂课程设计.docx
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发电厂课程设计
前言
水力发电就是利用水力（具有水头）推动水力机械（水轮机）转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械（发电机）随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。
水力发电在某种意义上讲是水的势能变成机械能，又变成电能的转换过程。
将水能转换为电能的综合工程设施。
又称水电厂。
它包括为利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。
利用这些建筑物集中天然水流的落差形成水头，汇集、调节天然水流的流量，并将它输向水轮机，经水轮机与发电机的联合运转，将集中的水能转换为电能，再经变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。
有些水电站除发电所需的建筑物外，还常有为防洪、灌溉、航运、过木、过鱼等综合利用目的服务的其他建筑物。
这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽。
一、水电厂的特点：
1、可综合利用水能资源。
水电厂除发电以外，还有防洪、灌溉、航运、供水、养殖及旅游等多方面综合效益；并且可以因地制宜，将一条河流分为若干河段、分别修建水利枢纽，实行梯级开发。
2、发电成本低、效率高。
利用循环不息的水能资源发电，节省大量燃料。
因不用燃料，也省去了运输、加工等多个环节，运行维护人员少，厂用电率低，发电成本仅是同容量火电厂的1/3~1/4或更低。
3、运行灵活。
由于水电厂设备简单，易于实现自动化，机组启动快，水电机组从静止状态到带满载负荷运行只需4~5min，紧急情况可只用1min。
水电厂能适应负荷的急剧变化，适合于承担系统的调峰、调频和作为事故备用。
4、水能可储蓄和调节。
电能的发、输、用是同时完成的，不能大量储存，而水能资源则可借助水库进行调节和储蓄，而且可兴建抽水蓄电厂，扩大利用水的能源。
5、水力发电不污染环境。
相反，大型水库可能调节空气的温度和湿度，改善自然生态。
6、水电厂建设投资较大，工期较长。
7、水电厂建设和生产都受到河流的地形、水量及季节气象条件限制，因此发电量也受到水文气象条件的制约，有丰水期和枯水期之别，因而发电不均衡。
8、由于水库的兴建，淹没土地，移民搬迁，给农业生产带来一些不利，还可能在一定程度破坏自然界的生态平衡。
二、水电厂分类：
1、按集中落差的方式分类：
（1）堤坝式水电厂（①坝后式水电厂②河床式水电厂）
（2）引水式水电厂
（3）混合式水电厂
2、按径流调节的程度分类：
（1）无调节水电厂
（2）有调节水电厂（①日调节水电厂②年调节水电厂③多年调节水电厂）
以上所述的水电厂是专供发电用的，此外还有一种特殊形式的发电厂，叫做抽水蓄能电厂。
本次设计为以小型的较重要的水电厂的主接线的设计，要求分为设计报告和图纸两部分，所设计的部分力求概念清楚，层次分明！
本次设计从主接线、主要电器设备选择等几个方面对水电站设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图和布置图。
第1章设计综述
能源是社会发展的重要的物质基础，随着社会生产的不断发展，人类使用能源不仅在数量上越来越多，而且在品种及构成上也发生了很大的变化。
人类对能源质量也要求越来越高。
电力是能源工业、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略重点。
电能也是发展国民经济的基础，是一种无形的、不能大量存储的二次能源。
电能的发、变、送、配和用，几乎是在同时瞬间完成的，须随时保持功率平衡。
要满足国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界发展规律。
因此，做好电力规划，加强电网建设，就尤为重要。
水电站一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。
水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。
今后在水力资源丰富而又未充分开发的国家，常规水电站的建设将稳步增长。
大型电站的机组单机容量将向巨型化发展。
同时，随着经济发展和能源日益紧张，小水电将受到各国的重视。
由于电网调峰、调频、调相的需要，抽水蓄能电站将有较快的发展。
而潮汐电站和波浪能电站的建设由于受建站条件及造价等因素制约，在近期内不会有大幅度的增长。
各类电站的自动化和远动化将进一步完善和推广。
第2章电气主系统设计
2.1原始资料及其分析
（1）原始资料：
某水电站，装机3台，发电机（14MW）SF14-20/4250，
=10.5KV,
无近区负荷，电站以110KV电压等级2回出线，送至95km处地区变电所，电站的年利用小时数3900h/a。
（2）对原始资料分析
（1）工程情况：
该电厂为一小型水电站。
目前，按发电厂的容量划分：
总容量在1000MW及以上，单机容量在200MW及以上的发电厂称为大型水电厂；总容量在200～1000MW，单机容量在50～200MW的发电厂称为中型水电厂；总容量在200MW及以下，单机容量在50MW及以下的发电厂称为小型水电厂。
设计电厂为3×14MW小型电场。
又该电厂设备年利用小时数为3900h/a，在3000-5000范围之内，故该电厂主要承担腰荷。
（2）负荷情况：
发电机出口侧电压为10.5KV，无近区负荷，经升压变压器后以110KV电压等级2回路出线送至95km处地区变电所。
（3）其他条件：
环境条件和设备供货情况等没有具体要求，可按照常规条件设计。
2.2电气主接线的基本要求
（1）可靠性：
电气接线必须保证用户供电的可靠性，应分别按各类负荷的重要性程度安排相应可靠程度的接线方式。
保证电气接线可靠性可以用多种措施来实现。
（2）灵活性：
电气系统接线应能适应各式各样可能运行方式的要求。
并可以保证能将符合质量要求的电能送给用户。
（3）安全性：
电力网接线必须保证在任何可能的运行方式下及检修方式下运行人员的安全性与设备的安全性。
（4）经济性：
其中包括最少的投资与最低的年运行费。
（5）应具有发展与扩建的方便性：
在设计接线方时要考虑到5～10年的发展远景，要求在设备容量、安装空间以及接线形式上，为5～10年的最终容量留有余地。
2.3发电机侧（10.5kv）主接线的设计
三台发电机为SF14-20/4250型号，容量为14MW，出口电压为10.5kv。
推荐方案：
单元接线和扩大单元接线混合接线
单元接线：
（1）优点：
①接线简化,使用的电器最少,操作简便,降低故障的可能性,提高了工作的可靠性;
②配电装置简单,投资少,占地小;
③发电机出口短路电流小;
④继电保护简单.
（2）缺点：
任一元件故障或检修全停,检修时灵活性差
（3）适用范围：
①台数不多的大（b接线除外）中型区域发电厂;
②分期投产或装机容量不等的无机压负荷的小型水电站。
扩大单元接线：
（1）优点：
比单元接线少接一台主变压器，从而更加简单经济，并节省配电装置占地面积，一发电机停电不影响厂用电，厂用供电较可靠和灵活。
（2）缺点：
主变压器故障或检修要全停
（3）适用范围：
系统有备用容量时大中型水电厂有2～3台发电机，单机容量仅为系统容量的1%~2%或更小，而电厂的升高压等级又较高的情况。
其接线图如下图2.3.1所示：
图2.3.1单元接线和扩大单元接线混合接线
备用方案1：
采用单母线分段接线
⑴优点：
①具有不分段单母线简单，清晰，经济，方便等优点；
②缩小了母线故障和母线检修时的停电范围（停一半）；
③提高了供电可靠性，灵活性。
⑵缺点：
①当一段母线或母线侧隔离开关故障或检修时，该母线的回路都要在检修期间停电。
②当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越。
⑶适用范围：
分段的数目，取决于电源数量和容量。
段数分得越多，故障时停电范围越小，但使用断路器的数量亦越多，且配电装置和运行也越复杂，通常以2~3段为宜。
这种接线广泛用于中、小容量发电厂和变电站的6~10kv接线中。
接线图如下图2.3.2：
图2.3.2 单母线分段接线
备用方案2：
采用单母线接线
⑴优点:
简单,经济.
①接线简单（设备少）,清晰,明了;
②布置,安装简单,配电装置建造费用低;
③断路器与隔离开关间易实现可靠的防误闭锁,
操作安全,方便,母线故障的几率低;
④易扩建和采用成套式配电装置.
⑵缺点:
不够可靠灵活.
①主母线,母隔故障或检修,全厂停电;
②任一回路断路器检修,该回路停电.
⑶适用范围
①小型骨干水电站4台以下或非骨干水电站发电机电压母线的接线;
②6～10kV出线（含联络线）回路≤5回;
③35kV出线（含联络线）回路≤3回;
④110kV出线（含联络线）回路≤2回.
接线图如下图2.3.3：
图2.3.3 单母线接线
2.4升高压侧（110kv）主接线的设计：
电压等级为110kv，2回出线，送至95km处地区变电所。
推荐方案：
单母线分段接线
优点：
1、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，由两个电源供电。
2、当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
1、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内停电。
2、当出线为双回路时，常使架空线路出线交叉跨越。
3、扩建时需向两个方向均衡扩建。
适用范围：
110-220KV配电装置的出线回路数为3-4回时。
其接线图如下图2.4.1所示：
图2.4.1单母线分段图
备用方案1：
内桥接线
接线方式：
桥断路器位于线路断路器内侧.
（1）优点：
①接线简单,经济（断路器最少）;
②布置简单占地小,可发展为单母线分段接线;
③线路投,切灵活,不影响其它电路的工作.
（2）缺点
①变压器投切操作复杂,故障检修影响其它回路;
②桥断路器故障检修全厂分列为两部分;
③出线断路器故障检修该回路停电.
（②和③可通过设外跨条提高灵活性.）
（3）适用范围
双线双变的水电站,变电所35～220kV侧:
线路较长（故障多）,而主变年负荷利用小时数高（不经常切换）且无功率穿越的场合.
其接线图如下图2.4.2所示：
图2.4.2内桥形接线图
备用方案2：
外桥形接线
接线方式：
桥断路器位于线路侧.
外桥接线在运行中的特点与内桥接线相反，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雅侧时，货者桥形接线的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，穿越功率将通过3台断路器，节点保护配置复杂，并且其中任何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。
其接线图如下图2.4.3所示：
图2.4.3外桥形接线图
2.5最终方案的确定
本设计最终采用了两个扩大单元接线和一个单元接线与110kv侧直接相连。
110kv侧为单母分段接线方式。
其特点是：
扩大单元接线接线方式简单清晰，运行维护方便，且减少了主变压器高压侧出现，简化了高压侧接线和布置，使整个电气接线设备较省。
单元接线的接线简单、清晰、运行灵活、维护工作量少且继电保护简单。
其110kv侧的单母分段接线方式增加了供电的可靠性，并且节省断路器和隔离开关等设备，从而经济性更加好，并且便于电厂的扩建。
其最终电路图如下图所示：
第3章厂用电设计
3.1厂用电设计原则
厂用电接线的设计应按照运行、检修和施工的要求，考虑全厂发展规划，积极慎重地采用成熟地新技术和新设备，使设计达到经济合理，技术先进，保证机组安全经济地运行。
其具体有如下一些要求：
（1）接线方式和电源容量，应充分考虑厂用设备在正常、事故、检修、启动、停运等方式下地供电要求，并尽可能地使切换操作简便，使启动（备用）电源能迅速投入。
（2）尽量缩小厂用电系统的故障影响范围，避免引起全厂停电故障。
各台机组的厂用电系统应独立，以保证在一台机组故障停运或其辅助机发生电气故障时，不影响其他机组的正常运行。
（3）充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别主要对公用厂用负荷的影响。
要方便过渡，尽少改变接线和更换设备
3.2厂用工作及备用电源引接方式的选择
1、厂用工作电源的引接方式：
发电厂或变电站的厂用工作电源是保证正常运行的基本电源。
通常，工作电源应不少于两个。
由于发电机出口端选择的是单元接线和扩大单元接线混合接线的无汇流母线的接线方式，所以厂用工作电源的引接方式选择从主变压器低压侧引接，并且考虑到可靠性性，就从扩大单元接线线路的主变压器低压侧引接，再从可靠性方面考虑，厂用工作电源要至少有两路独立供电，由于该水电站容量较小，承担腰荷，所以采用两个厂用工作电源。
另一路厂用工作电源从110kv电压网络中引接，并且从两条分段母线上同时引接，从而大大增加了供电的可靠性。
2、厂用备用电源的引接方式：
厂用备用电源用于工作电源因事故货者检修而失电时替代工作电源，起后备作用。
备用电源应具有独立性和足够的供电容量；最好能与电力系统紧密联系，在全厂停电情况下仍能从系统取得厂用电源。
根据本设计的水电站情况，采用从单元接线主变压器的低压侧引取备用电源。
第4章主要电气设备的选择
4.1主变压器台数、容量的选择
1、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，并适当考虑到远期10-20年的负荷发展。
对于城郊变电所,主变压器容量应与城市规划相结合。
2、根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定变压器的容量。
对于有重要负荷变压器的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%-80%。
3、同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化。
我国110KV及以上电压，变压器绕组多采用Y连接；35KV亦采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地。
35KV以下电压，变压器绕组多采用△连接。
选择主变压器，需考虑如下原则：
1、当不受运输条件限制时，在330KV及以下的发电厂和变电站，均应选用三相变压器。
2、当发电厂与系统连接的电压为500KV时，经技术经济比较后，确定选用三相变压器、两台50%容量三相变压器或单相变压器组。
对于单机容量为300MW、并直接升到500KV的，宜选用三相变压器。
3、对于500KV变电所，除需考虑运输条件外，尚应根据所供负荷和系统情况，分析一台（或一组）变压器故障或停电检修时对系统的影响。
尤其在建所初期，若主变压器为一组时，当一台单相变压器故障，会使整组变压器退出，造成全网停电；如用总容量相同的多台三相变压器，则不会造成所停电。
为此要经过经济论证，来确定选用单相变压器还是三相变压器。
在发电厂或变电站还要根据可靠性、灵活性、经济性等，确定是否需要备用相。
本设计发电机出口端选择的是无汇流母线的接线形式，所以要主变压器的选择按照单元接线时变压器容量应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。
采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则计算出的两台机容量之和来确定。
由所给的基本资料得：
单元接线侧主变压器S1额定容量：
扩大单元接线侧主变压器额定容量为S1的2倍，即为
因此由于以上条件，可得变压器的型号如下，其技术参数如下：
型号
联结组别
电压组合高压（kv）
低压（kv）
空载损耗（KW）
负载损耗（KW）
空载电流（%）
S1
SFZ-20000/110
YN,d11
110,121
10.5
20.5
104
1.1
S2
SFZ-40000/110
YN,d11
110,121
10.5
42.7
168
本设计的水电站不考虑厂用电，假设发电机发的所有的电能均供给系统。
4.2断路器的选择
高压断路器是电气主系统中重要的开关电器。
高压断路器主要功能是：
正常运行倒换运行方式，把设备或者线路接入电网或者退出运行，起着控制作用；当设备或者线路发生故障时，能快速切除故障回路，保证无故障部分的正常运行。
高压断路器型式选择：
本次在选择断路器时，考虑了产品的系列化，即尽可能采用同一型号的断路器，以便减少备用件的种类，方便设备的运行和检修。
选择断路器时应满足以下基本要求：
1、在合闸运行时应为良导体，不但能长期通过负荷电流，即使通过短路电流，也应该具有足够的热稳定性和动稳定性。
2、在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。
3、应有足够的断路能力和尽可能短的分断时间。
4、应有尽可能长的机械寿命和电气寿命，并要求结构简单、体积小、重量轻、安装维护方便。
选择断路器时应满足以下基本要求：
1、在合闸运行时应为良导体，不但能长期通过负荷电流，即使通过短路电流，也应该具有足够的热稳定性和动稳定性。
2、在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。
3、应有足够的断路能力和尽可能短的分断时间。
4、应有尽可能长的机械寿命和电气寿命，并要求结构简单、体积小、重量轻、安装维护方便。
断路器选择的具体技术条件
额定电压校验：
UN≥UNs
额定电流校验：
IN＞Imax
开断电流：
INbr>I″
4.2.1对10.5kvQF1、QF2断路器的选择
（1）按额定电压选择：
断路器的额定电压不小于安装点电网的额定电压，即：
（2）按额定电流选择：
断路器的额定电流不小于电网流过断路器的最大负荷电流，即：
由于《发电厂电气部分》书后参数表中断路器的额定电压没有10.5kv所以选择额定电压为10kv的断路器，根据以上两项，选择SN10-10Ⅲ/2000，其技术参数如下表：
型号
额定电压（KV）
额定电流（A）
额定断流量（KA）
极限通过电流峰值（KA）
热稳定电流（4S）（KA）
固有分闸时间（S）
分闸时间（S）
SN10—Ⅲ/2000
10
2000
43.3
130
43.3
0.06
0.25
4.2.2对110kv侧QF3~QF6及分段断路器的选择
（1）按额定电压选择
（2）按额定电流选择
断路器的额定电流不小于电网流过断路器的最大负荷电流，母线2侧QF3、QF6承受的最大电流为In1；母线1侧QF4、QF5和分段断路器QFd承受的最大负荷电流为In2。
参照《发电厂电气部分》书后参照表，为了方便，本设计所有110kv侧断路器均选为SW4110/1000，其技术参数如下表：
型号
额定电压（KV）
额定电流（A）
额定断流量（KA）
极限通过电流峰值（KA）
热稳定电流（1S）（KA）
固有分闸时间（S）
分闸时间（S）
SW4-110/1000
110
1000
18.4
55
32
0.06
0.25
4.3隔离开关的选择
4.3.1发电机端10.5kv隔离开关QS11、QS21、QS7选择
选择方式与断路器的选择相同
（1）额定电压选择：
（2）额定电流选择：
由于《发电厂电气部分》书后参数表中隔离开关的额定电压没有10.5kv所以选择额定电压为10kv的隔离开关，根据以上两项，选择GN2-10/2000-85，其技术参数如下表：
型号
额定电压（KV）
额定电流（A）
极限通过电流峰值（KA）
热稳定电流（5S）（KA）
GN2-10/2000-85
10
2000
85
51
4.3.2对110kv侧隔离开关QS31~QS61及分段断路器两端QSd1、QSd2的选择
（1）额定电压选择：
（2）按额定电流选择
（2）按额定电流选择
母线2侧QS31、QS61及分段断路器QFd侧QSd2承受的最大电流为In1；母线1侧QS41、QS51和分段断路器QFd侧的隔离开关QSd1承受的最大负荷电流为In2。
根据以上两项，选择GW4—110D/1000—80，其技术参数如下表：
型号
额定电压（KV）
额定电流（A）
极限通过电流峰值（KA）
热稳定电流（5S）（KA）
GW4—110D/1000—80
110
1000
80
21.5
4.4电流互感器的选择
互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。
互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、100/√3）和小电流（5、1A），其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护等。
为了确保工作人员在接触测量仪表和继电器时安全，互感器的每一个二次绕组必须有可靠地接地，以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高压。
互感器包括电流互感器和电压互感器，主要是电磁式的。
电流互感器的在电力系统中被广泛采用，工作原理与变压器相似。
其特点有：
1、一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流安全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流大小无关。
2、电流互感器的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正常情况下电流互感器近于短路状态下。
其主要作用是:
1、将很大的一次电流转变为标准的5安培或1安培的小电流。
2、为测量装置和继电保护的线圈提供电流。
3、使一次设备和二次设备进行隔离。
4.4.1电流互感器的选择和配置条件
型式：
电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。
对于6～20KV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。
对于35KV及以上配电装置，一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。
有条件时，应尽量采用套管式电流互感器。
一次回路电压：
Ug（一次回路工作电压）≤Un（原边工作电压）
一次回路电流：
Ig.max（一次回路最大工作电压）≤Im（原边额定电流）
准确等级：
要先知道电流互感器二次回路所接测量仪表的类型及对准确等级的要求，并按准确等级要求高的表计来选择。
二次负荷：
（VA）
动稳定：
式中，
是电流互感器动稳定倍数。
热稳定：
为电流互感器的1s热稳定倍数。
4.4.2发电机端（10.5kv）电流互感器选择
一次回路电压：
Ug=10.5kv≤Un
一次回路电流：
Ig.max=
=1.0103kA≤Im
由于《发电厂电气部分》书后参数表中电流互感器的额定电压没有10.5kv所以选择额定电压为10kv的电流互感器，根据以上两项，选择LMC—10母线型瓷绝缘式电流互感器，其技术参数如下表：
型号
额定电流比（A）
准确
级次
二次负荷
准确等级（∩）
动稳定倍数
热稳定倍数
0.5级
1级
LMC—10
2000/5
0.5
1.2
3
75
4.4.3对110kv侧电流互感器的选择
一次回路电压：
Ug=110kv≤Un
一次回路电流：
Ig.max1=
=96.447A≤Im（母线2）
Ig.max2=
=192.893A≤Im（母线1）
根据以上两项，选LCWB6—110B型户外独立式电流互感器，其技术参数如下表：
型号
额定电流比（A）
准确
级次
级次
组合
二次负荷
准确等级
动稳定系数
热稳定倍数
0.2
（VA）
5P
（VA）
10P
（VA）
LCWB6—110B
2×150/5
0.2P
0.2/0.2P/P
50
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