水电站电气一次设计.doc
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摘要
本次设计是水电厂电气一次设计。
该水电站的总装机容量为2×25=50MW。
高压侧为110Kv，一回出线与系统相连，一回出线与装机100MW的电站相连，其最大输送功率为50MW，该电厂的厂用电率为0.2%。
根据所给出的原始资料拟定三种电气主接线方案，然后对这三种方案进行可靠性、经济性和灵活性比较后，保留两种较合理的方案，最后通过定量的技术经济比较确定最终的电气主接线方案。
在对系统各种可能发生的短路故障分析计算的基础上，进行了电气设备和导体的选择校验设计。
在对发电厂一次系统分析的基础上，对发电厂的配电装置布置、防雷保护、继电保护和自动装置、同期系统、监控系统均做了初步简单的设计。
毕业设计的过程是一次将理论与实际相结合的初步过程，起到学以致用，巩固和加深对电气工程及其自动化专业的理解，树立工程设计的观念，提高了电力系统设计的能力的作用。
关键字：
电气主接线，短路电流计算，设备选型
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Abstrac
Thedesignispartofthehydropowerplantelectricaldesign.Thetotalinstalledcapacityofhydropowerstationsof2×25=50MW.Highsideisfor110Kv,oneisconnectedtothesystem,anotherisconnectedtoaninstalledcapacityof100MWpowerstation.Thestation'slargestpowertransmissionfor50MW,thepowerplant'selectricityplantwas0.2percent.Accordingtotherawdatapresentedbythedevelopmentofthreemainelectriccableprogrammes,andthesethreeoptionsforreliability,economyandflexibilityofcomparison,thetworetainamorereasonableproposal,thefinalthroughquantitativecomparisonofthetechnicalandeconomicdeterminethefinalThemainelectriccableprogramme.Inthesystemallthepossibleshort-circuitfaultanalysiscalculatedonthebasisofaconductorofelectricalequipmentandcheckingthechoiceofdesign.Inthefirstsystematicanalysisofpowerplantsonthebasisofthedistributionofpowerplantequipmentlayout,mineprotection,protectionandautomaticdevices,earliersystem,monitoringsystemhavedoneapreliminarysimpledesign.Thegraduationisaprocessdesignedtocombinetheoryandpracticeoftheinitialprocess,playedapplywhattheyhavelearnedtoconsolidateanddeepentheirunderstandingofelectricalengineeringandautomationprofessionalunderstandingoftheconceptofaprojectdesignedtoenhancethepowersystem'sabilitytodesignrole.
Keywords：
Themainelectricalwiring,short-circuitcurrentbasis,theselectionofequipment
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目录
摘要 I
Abstrac II
1绪论 1
1.1本次设计的目的和要求 1
2电气主接线设计 2
2.1对水电厂原始资料分析 2
2.2电气主接线设计依据 3
2.3电气主接线设计的一般步骤 3
2.4技术经济比较 3
2.5水轮发电机的选择 12
2.6主变的选择 12
3短路电流计算 14
3.1短路电流计算的目的 14
3.2短路电流计算的一般规定 14
3.3短路计算的基本假定 14
3.4短路电流计算的方法 14
4厂用电设计 20
4.1一般水电站的主要厂用负荷有以下两大类 20
4.2厂用电设计原则 20
4.3厂用电电压等级 20
4.4厂用电源及其引接 20
4.5厂用电负荷统计 21
4.6厂用变压器的选择 21
4.7厂用电接线方式 21
5电气设备选择及校验 23
5.1电气设备选择的一般规定 23
5.2断路器和隔离开关的选择和校验 25
5.3限流电抗器的选择和校验 31
5.4导体、电缆的选择和校验 32
5.5绝缘子和穿墙套管的选择和校验 37
5.6电流、电压互感器的选择和校验 38
5.7避雷器的选择和校验 44
6发电厂配电装置布置 46
6.1配电装置的设计原则 46
6.2对配电装置的要求 46
6.3配电装置设计 48
7防雷保护与接地 51
7.1防雷保护 51
7.2接地装置 52
8继电保护与自动装置设计 54
8.1继电保护设计 54
8.2自动装置设计 55
结论 56
致谢 57
参考文献 58
附录1 59
附录2 60
附录3 61
英文资料及翻译 61
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1绪论
1.1本次设计的目的和要求
毕业设计是完成本专业教学计划的最后一个重要的教学环节，是对各门课程的综合运用和提高。
通过毕业设计，巩固和加深学生所学专业理论知识，锻炼学生分析和解决实际工程问题能力。
培养和提高学生综合使用技术规范、技术资料，进行有关计算、设计、绘图和编写技术文件的初步技能，为今后参加水电站和变电所电气设计、安装、运行、检修、试验打下基础。
通过本毕业设计，初步掌握一个小型水电站工程设计的思想、内容、方法和步骤。
随着我国经济的不断发展，对能源的需求量也越来越大，然而能源的不足与需求之间的矛盾在近几年不断恶化，国家急需电力事业的发展，为我国经济的发展提供保障。
就我国目前的电力能源结构来看，我国主要是以火电为主，但是火电由于运行过程中污染大，在煤炭价格高涨的今天，火电的运行成本也较高，受锅炉和其他火电厂用电设备的影响，其资源利用率较低，一般热效率只有30%-50%左右。
与之相比水电就有很多明显的优势[1]。
因此，关于电力系统水电站设计方面的论文研究就显得格外重要。
本毕业设计（论文）主要针对水电站在电力系统的地位，拟定本电厂的电气主接线方案，经过技术经济比较，确定推荐方案，对其进行短路电流的计算，对电厂所用设备进行选择，然后对各级电压配电装置及总体布置设计。
并且对其发电机继电保护进行设计。
在这些设计过程中需要用到各种电力工程设计手册，并且借用AutoCAD辅助工具画出其电气主接线图、室外配电装置图、发电机保护的原理接线图、展开图、保护屏的布置及端子排接线图。
2电气主接线设计
2.1对水电厂原始资料分析
2.1.1原始资料
（1）该水电站的规模及性质：
该水电站近端没有Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类负荷，为不重要水电站，拟定1～2台变压器。
电压等级为发电机电压（待选）和110kV等级。
与外界连接方式如下：
1）通过50KM的联络线（导线型号待选）与通过2×50MVA、的变压器升压到110kV的4×20MW、的电厂相联连。
2）通过30KM联络线（导线型号待选）与∞系统相连。
如图2-1：
图2-1原始连接图
（2）负荷：
1）110kV侧：
夏季：
负荷率：
100%负荷天数：
185天
冬季：
负荷率：
40%负荷天数：
180天
2）发电机侧：
厂用电率为0.2%
（3）其他资料
当地海拔高度420米，当地年最高温度32℃，年最低温度-2℃，最热月平均最高温度28℃。
地形、地震等级等其他资料没有给出，视为不受限制。
2.1.2原始资料分析
跟据设计任务书所提供的资料可知：
该水电站为典型的小水电，不担任重要负荷的供电，对设的计可靠性、安全性、灵活性等没有很严格的要求，拟定1～2台变压器。
其地形条件限制不严格，但从节省用地考虑，尽可能使其布置紧凑，便于运行管理。
另外，周围的环境和气候对设备的选择的制约也不大。
综上，在设计中要充分分析所给的原始资料，同时结合实际的情况，做到设计的方案具有可靠性、安全性、经济性等。
2.2电气主接线设计依据
电气主接线设计是水电站电气设计的主体。
它与电力系统、枢纽条件、电站动能参数以及电站运行的可靠性、经济性等密切相关，并对电气布置、设备选择、继电保护和控制方式等都有较大的影响，必须紧密结合所在电力系统和电站的具体情况，全面地分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，通过技术经济比较，合理地选定接线方案。
电气主接线的主要要求为:
（1）可靠性：
衡量可靠性的指标，一般是根据主接线型式及主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种接线形式的择优。
（2）灵活性：
投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便、调度灵活。
（3）经济性：
通过优化比选，工程设计应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗小。
2.3电气主接线设计的一般步骤
（1）对设计依据和基础资料进行综合分析。
（2）确定主变的容量和台数，拟定可能采用的主接线形式。
（3）论证是否需要限制短路电流，并采取合理的措施。
（4）对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。
[2]
2.4技术经济比较
2.4.1变压器接线方案
根据我国现行的规范和成熟的运行经验，联系本小水电站的工程实际，满足可靠性、灵活性和经济性的前提下，发电机电压接线可采纳的接线方式有以下三种：
（一）单母线接线（图2-2）
（1）优点：
设备少，接线清晰，经济性好，操作简单方便，不易误操作，便于采用成套配电装置，并且母线便于向两端延伸，方便扩建。
（2）缺点：
可靠性偏差，母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作，也就是要造成全厂长期停电。
调度是很不方便，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。
（3）一般适用范围：
一般只用在出现回路少，并且没有重要负荷的发电厂。
图2-2单母线接线示意图
（二）单元接线（图2-3）
图2-3单元接线示意图
（1）优点：
发电机与主变压器容量相同，接线最简明清晰，故障影响范围最小，运行可靠、灵活；发电机电压设备最少，布置最简单方便，维护工作量也最小；继电保护简单。
（2）缺点：
主变压器与高压断路器数量多，增加布置场地与设备的投资；主变压器高压侧出线回路多，布置复杂，对简化高压侧接线不利；主变压器故障时影响机组送电。
（3）一般适用范围：
单机容量一般在100MW及以上机组，且台数在6台及以下者；单机容量在45MW～80MW之间，经经济比较采用其它接线方式不合适时。
（三）扩大单元接线（图2-4）
图2-4扩大单元接线示意图
（1）优点：
接线简单清晰，运行维护方便；与单元接线比较，减少主变压器台数及其相应的高压设备，缩小布置场地，节省投资；与单元接线比较，任一机组停机，不影响厂用电源供电，本单元两台机组停机，仍可继续有系统主变压器倒送；减少主变压器高压侧出线，可简化布置和高压侧接线。
（2）缺点：
主变压器故障或检修时，两台机组容量不能送出；增加两台低压侧断路器，且增大发电机电压短路容量，对大型变压器低压侧可用分裂线圈以限制短路容量。
（3）一般适用范围：
适应范围较广，能较好的适应水电站布置的特点，只要电力系统运行和水库调节性能允许，一般都可使用；当水电站只有一个扩大单元时，除满足系统允许条件外，应注意避免在主变压器回路故障或检修时造成大量弃水、损失电能和影响下游供水，同时还应考虑有可靠的外来厂用电源。
[3]
（四）关于单元接线中装设断路器问题
单元接线的发电机电压回路中，具备下列情况之一者，可考虑装设断路器：
（1）担任尖峰负荷的水电站，经常有可能全厂停机，而机组启动、排水、照明等需通过变压器向厂用变倒送电，此时，可在接有厂用变压器的单元中装设断路器。
（2）在单元回路分支线上接有近区负荷者。
（3）当单元之间要求设置联络母线时，应考虑加装发电机电压断路器。
[4]
2.4.2主接线方案拟定
110Kv侧由于本电站是小水电，不承担主要负荷，没有重要机端负荷，从接线的可靠性、经济性和灵活性考虑，在我国运行的成熟经验一般采用单母线接线方式。
所以本电站，110Kv侧采用单母线接线。
（一）根据以上三种主接线方式，并结合本设计水电站的实际，现拟定以下三种电气主接线方案（单相示意图）：
（1）单母线接线其接线示意图如图2-5：
图2-5单母线接线方案
（2）单元接线其接线示意图如图2-6：
图2-6单元接线方案
（3）扩大单元接线其接线示意图如图2-7：
图2-7扩大单元接线
（二）主接线方案初步比较：
由以上三种接线方案的优缺点分析和接线示意图，本着可靠性、灵活性和经济性的原则，结合电厂实际综合分析，可以得出：
单母线和扩大单元接线相比较，其可靠性和灵活性都很相近，厂用电都是在发电机10.5KV侧取得，然而本电站只有两台发电机，比较特殊，所以单母线和扩大单元接线形式相近。
从接线图中可以明显地看出单母线接线低压侧多用三个（三相）断路器和三个（三相）隔离开关，增加了一次投资，同时也增加了其继电保护的复杂程度。
所以可以明显淘汰单母线接线方案。
从而保留扩大单元接线（方案1）和单元接线方案（方案2）。
（三）主接线方案的确定
（1）技术比较
方案的技术特性分析，一般从以下几个方面进行分析：
1）供电的可靠性；
2）运行上的安全和灵活性；
3）接线和继电保护的简化；
4）维护与检修的方便等。
需要说明的是：
在比较接线方案是，应估计到接线中发电机、变压器、线路、母线等的继电保护能否实现及其复杂程度。
然而经验表明，对任何接线方案都能实现可靠的继电保护，由于一次设备投资远远大于二次设备的投资，所以即使某个别元件保护复杂化，也不能作为不采用较经济接线方案的理由。
从供电的可靠性看：
对于方案2，厂用电从两台发电机上取得，即使检修其中一台变压器和两机组停机电厂也不会停电，然而两台变压器同时故障的可能性非常小。
相比方案1，若检修变压器电厂就会停电，否则要另外接入厂用电源，这样投资就增加了。
这样，方案2的可靠性相对高些。
从运行安全和灵活性看：
方案2的变压器的短路容量比方案1小，对变压器和发电机的绝缘水平要求相对较低，安全性相对较高，其灵活性也比较好。
从接线和继电保护看：
方案1的接线和继电保护都相对方案2较复杂。
从维护与检修看：
方案1的维护相比方案2较复杂，方案1的检修相比方案2较方便。
（2）经济比较
经济比较中，一般有一次投资和年运行费用两大项。
计算中，一般只计算各方案不同的一次性投资及年运行费。
1）一次性投资
一次性投资包括主变压器、配电装置的综合投资。
电气设备的综合投资是电气设备出厂价格、运输机安装费用的总和，又称电气设备的基建投资费。
一次性综合投资
式中：
—主体设备基价，主要包括主变压器、开关设备；
d—设用于运输基础加工，土石方附加费的比例系数，通常对110KV取值90，35KV取值100。
1.1）主变压器的选择
方案1和方案2所选用的变压器有关参数见表2.1。
表2.1主变压器参数表
型号
额定电压（KV）
空载电流（%）
空载损耗KW
负载损耗KW
阻抗电压（%）
价格（万元）
高压
低压
SF7—63000/110
110（121）±2×2.5%
10.5
0.6
52
254
10.5
600
SF7—31500/110
110（121）±2×2.5%
10.5
0.8
31
147
10.5
300
1.2）断路器、隔离开关的选择
根据工程实际，均选用断路器。
均用一相参与比较，方案1，110kV侧断路器一个，每台28万元，隔离开关一个，每台2.8万元；10kv侧断路器一个，每台4万元，隔离开关一个，每台0.4万元。
方案2，110kV侧断路器2个，每台28万元，隔离开关2个，每台2.8万元；10kv侧断路器2个，每台4万元，隔离开关4个，每台0.4万元。
1.3）一次性综合投资
本厂电压等级为110KV，取投资附加费用比例系数为d=90，则一次性综合投资为：
方案1：
方案2：
2）年运行费用
式中：
—小修维护费，一般为（0.022～0.042）O；
—折旧费，一般为（0.005～0.058）O；
—电能损失，主要指变压器的能量损耗（KW.h）
d—电能电价，目前全国各地区均价为0.25～0.3元/KW.h。
—随变压器型式不同而异，对双绕组变压器有
式中n—相同变压器的台数；
—每台变压器的额定容量（KV.A）；
S—n台变压器担负的总负荷（KV.A）；
t—对应负荷使用的小时数；
、—每台变压器的空载有功损耗（KW）、无功损耗（Kvar）；
、—每台变压器的短路有功损耗（KW）、无功损耗（Kvar）；
K—无功经济当量，即每多发或多供1kvar无功功率，在电力系统中所引起的有功损耗（KW）增加的值。
发电厂取0.02。
由公式进行年运行费用计算，下面分别计算各量：
2.1）检修费与折旧费
方案1：
方案2：
2.2）变压器的电能损耗
2.2.1）该电站的夏季负荷率100%，负荷天数185天，冬季负荷率40%，负荷天数180天。
夏季两个方案的变压器均同时运行，满足经济运行要求，而冬季负荷率只有40%，所以方案1只有一台变压器，不满足经济运行条件，方案2可停运一组单元，这样负荷率为80%，满足经济运行要求。
2.2.2）相关变压器的技术参数如下：
方案1：
变压器型号SFP7—63000/110
（1）空载有关损耗
（2）空载无功损耗
（3）负载时有功损耗
（4）负载时无功损耗
（5）夏季时，其损耗为（无功经济当量取K=0.02）
=1952501.5（KW.h）
（6）冬季时，其损耗为（无功经济当量取K=0.02）
=520088.3（KW.h）
（7）年运行费用（取电价为d=0.3元/KW.h）
=1940776.94元194.1（万元）
方案2：
变压器型号SF7—31500/110
（1）空载有功损耗
（2）空载无功损耗
（3）负载时有功损耗
（4）负载时无功损耗
（5）夏季时，其损耗为（无功经济当量取K=0.02）
=785747（KW.h）
（6）冬季时，其损耗为（无功经济当量取K=0.02）
=383885.6（KW.h）
（7）年运行费用（取电价为d=0.3元/KW.h）
=1624889.78元162.5（万元）
（3）经济比较方法
在n个接线方案中，O和U均为最小的方案，显然为最佳方案，若方案的O大而U小，或反之，则应进一步进行经济比较，一般采用动态比较法和静态比较法。
这里采用静态比较法：
基于设备、人工等经济价值固定不变味前提，认为经济价值与时间无关，采用抵偿年限法。
假若方案1的综合投资大，而年运行费用小；方案2的综合投资小，而年运行费用大，则计算抵偿年限：
我国当前规定标准抵偿年限T为5～10年，一般T小于5年选用投资大的方案，T大于10年选用投资小的方案，T在5～10年之间，应视工程性质，资金财务平衡选定。
[5]
在本次
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