水电厂电气一次系统设计Word格式文档下载.doc
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它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到并负荷中心。
由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费下衡。
同此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。
据此，电力系统要实现其功能，就需在再个环节和不同层次设置相麻的信息与控制系统，以便刘电能的生产和输运过程进行测最、调节、控制、保护、通信利调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。
电能是一种清洁的二次能源。
由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和训度，易于实现自动化。
因此，电能己广泛施用于国民经济、社会生产利人民生活的择个方面。
绝人多数电能都由电力系统中发电厂提供，电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅猛发展。
到2003年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第2位。
工业用电量己占伞部用电量的50～70％，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。
电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于训控的电能得到广泛应用，推动了社会生产符合领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。
电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水下的标志之一。
1.2 白沙水电站一次部分设计任务书
一、目的与意义
发电厂电气一次部分直接关系到发电厂投资的大小、运行的灵活性、经济性以及供电的可靠性，发电厂电气一次部分设计是发电厂设计的最主要设计工作之一。
同时，发电厂电气一次部分设计综合了电气工程专业众多的专业课以及专业基础课。
因此，发电气一次部分设计可以锻炼学生综合应运所学知识提出问题、解决问题的能力。
发电厂电气一次部分设计的主要目的在于使学生通过此次课程设计，在如下几个方面得到充分的训练。
1、结合毕业设计任务，加深对所学知识内在联系的理解，并能灵活地加以综合应用。
2、根据所学的知识及课程设计任务，学会提出问题、解决问题，最终将知识转化为能力
3、通过课程设计的实践，熟悉工程设计的全过程，掌握工程设计的思想、方法、手段，树立必要的工程概念，培养一丝不苟的求实态度。
4、掌握资料的收集、工程计算、工程技术图纸的绘制标准以及绘制方法，设计报告的撰写等。
二、原始资料
白沙水电站工程设计正常蓄水位75.0m，额定水头5.28m，加权平均水头6.20m，电站安装三台灯泡贯流式水轮发电机组，每台机组的额定容量为5.22MW，发电机出口的额定电压为10.5kV，额定功率因数为0.9，额定频率为50Hz。
电站年发电量为4576.6万kW.h，年利用小时数为2924h，厂用电耗电率约为4.72%。
根据业主提供的系统资料和要求，电站采用35kV电压送出，35kV出线回路数一回，接至三江口水电站升压站，送电距离约6km，导线型号为LGJ-150。
设计内容
本课程设计的内容包括水电站电气一次部分的主要内容。
课程设计完后所提交的毕业设计论文应包括如下内容。
1、负荷计算及主要变压器的选择；
2、主接线方案设计、评价、比较与选择；
3、短路设计计算过程及结果汇总表；
4、主要高压电气设备的选择、校验计算及结果汇总表。
设计要求及注意事项
附件一中水电站运行方式：
丰水季节3台机组满发，枯水季节考虑1台机组运行。
水电站电气主接线设计时，应至少考虑三种待选方案，经过技术性（主要是供电可靠性、运行灵活性）、经济性（主要是设备投资）比较后，确定推选方案。
对于推选方案，要进行详细的短路计算（包括三项对称短路、单相接地短路计算），短路电流计算结果应汇总成表。
其他待选方案不进行短路计算、电气设备的选择与校验等工作，但要给出电气主接简图。
对于推选方案的电气主接线图，应在图中著名电器设备的型号、规格、参数等技术数据（相同设备课只在一处注明）。
各种电压等级断路器尽量不要选用油开关。
电气设备的选择结果应以表格的形式给出。
图纸要求AutoCAD绘制，图纸的图幅、图框、会签表、文字符号应符合国家标准的规定。
2 白沙水电站电气主接线的确定
2.1 概 述
电气主接线是发电厂、变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。
并且对电气设备选择、配电装置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。
因此，必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线的方案。
电气主接线设计的一般步骤
1、根据发电机的额定电压、站用电的电压等级以及开网的情况（包括电压等级及地点）等，综合考虑后确定电站的输电电压等级及出线回路路线；
2、根据电力系统的实际情况及电站可能的最大输出功率，经分析比较后确定联络变压器（或主变压器）与发电机组的组合方式，并确定变压器容量和台数。
3、拟定2—3个可行的接线方案，并同时列出各方案中的主要电气设备（如变压器、开关柜及电抗器等），进行经济比较，并从供电的可靠性、供电质量、运行和维护的方便性以及建设速度等方面，进行充分的技术比较，最后确定一个最合理的方案。
4、对确定的接线方案，一般考虑并网运行，按正常运行（包括最大和最小运行方式）和短路故障条件选择和校验主要设备，并尽可能考虑继电保护及自动化装置等方面要求。
2.2 电气主接线的选择
电气主接线是发电厂变电所电气设计的重要部分，也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。
因此，必须处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案。
电气主接线是由高压电气设备边成的接收和分配电能的电路，是发电厂和变电所最重要的组成部分之一，对安全可靠供电至关重要。
因此，设计的主接线必须满足如下要求：
（1）满足对用户供电必要的可靠性和电能质量的要求；
（2）接线简单、清晰，操作简单；
（3）必要的运行灵活性和检修方便；
（4）投资少，运行费用低；
（5）具有扩建的可能性。
发电厂的主接线的基本环节是电源（发电机或变压器）和引出线。
母线（又称汇流母线）是中间环节，它起着汇总和分配电能的作用。
由于多数情况下引出线数目要比电源数目多好倍，故在二者之间采用母线连接既有利于电能交换，还可以使接线简单明了和运行方便。
2.3 主接线的设计
1、课程设计的技术背景和设计依据
（1）电厂规模：
装机容量：
装机3台，容量均为5.22MW，UN=10.5KV
气象条件：
最高温度为40.9℃，年平均气温为16.7℃，气象条件一般，无特殊要求
厂用电率：
4.72%
（2）出线回数：
35KV电压等级：
出线1回，接至三江口水电站升压站，送电距离约6km。
2、电气主接线方案比较
（1）发电机电压侧接线
发电机电压侧接线拟定如下三种接线方案进行技术经济比较。
方案一：
三机一变单母线
选用一台容量为20000kVA的升压变。
发电机电压侧采用单母线接线，即三台发电机组与一台主变压器组成单母线接线形式。
方案二：
三机二变又母线
选用两台容量分别为8000kVA和16000KVA的升压变。
发电机电压侧采用单母线断路器分断接线形式，正常情况下母联断路器断开运行。
方案三：
三机三变单元接线。
全厂总共分成三个单元，每台发电机分别经一台12500kVA的变
压器由6.3kV升压至110kV。
从经济上比较，方案二、三的投资较大，占地面积广。
从灵活性和可靠性比较，方案二的可靠性和灵活性最高。
经过综合比较上述方案（见比较表2-1），本阶段选用方案一：
“即发电机电压侧采用三机一变单母线接线，35kV侧采用线路—变压器组接线。
”作为推荐方案，接线见“电气主接线图”。
表2-110.5kV发电机电压侧接线方案比较表
方案编号
方案一
方案二
简
图
优点
1.接线形式为单母线接线，简单清晰，运行维护方便，投资较方案二节省。
2.继电保护简单。
3.发电机、主变低压侧均设断路器，操作方便。
1.接线简明清晰，故障影响范围最小，运行灵活、可靠性最高。
2、当一段母线或一台主变压器出现故障时电厂仍可向电网送部分负荷。
缺点
1.主变压器故障或检修，机组的电能不能送出。
2.母线或母线所连接的开关故障时，全部电能不能送出。
1.增加一组分段开关和一台主变压器，占地面积大，布置较复杂。
2.设备投资和年运行费最高。
3.继电保护方案复杂。
推荐方案
方案一。
（2） 35kV高压侧接线方案
根据业主提供的资料，电站以35kV级电压送出，出线回路数1回。
高压侧采用变压器——线路组接线方案。
同时采用C-GIS40.5kv气体绝缘金属封闭开关柜，占地面积小。
3 主变的选择
3.1 变压器的选型
电力变压器（文字符号为T或TM），根据国际电工委员会的界定，凡是三相变压器的额定容量住5KVA及以上，单相的在lKVA及以卜的输变电用变压器，均成为电力变压器。
电力变压器是发电厂和变电所中重要的一次设备之一，随着电力系统电压等级的提高和规模的大，电压升和降压的层次增多，系统巾变压器的总容量己达发电机容量的7-10倍。
可见，电力变压器的运行是电力生产中非常重要的环节。
主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是人容量、高电压的配电装置的投资也很人。
因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。
例如，大型大电厂高、中压联络变压器台数不足（一台）或者容量小足将导致电站、电网的运行可靠性下降，来联络变压器经常过载或被迫限制两级电网的功率交换。
反之，台数过多、容量过大将增加投资并使再己电装置复杂化。
3.2 主变参数分析
1、容量的计算及确定
连接存发电机电压母线与系统间的主变压器容量，应按下列条件计算：
（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，但小考虑稀有的最小负荷情况。
（2）当发电机电压母线上最大一台发电机组停用时，能由系统供给发电机电压的最大负荷。
在电厂分期建设过程中，在事故断开最大台发电机组的情况下，通过变压器向系统取得电能时，可以考虑变压器的允许过负荷能力和限制非重要负荷。
（3）根据系统经济运行的要求，而限制本厂的输出功率时能供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。
特别注意发电厂初期运行时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。
具体计算过程如下：
最大容量S=（SG—SGХ4.72%）Х1.1/0.8
=（3Х5.3-3Х5.3Х4.72%）Х1.1/0.8
=-20.8MVA
根据以上标准、计算容量及接线方式，应选择一台双绕组的变压器，容量为20MVA。
2、相数的选择
变压器的相数有单相和三相，主变压器是采用三想还是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。
规程上规定，当不受运输条件限制时，在330KV，及以下的发电厂及变电站，均选用三相变压器。
同时，因为单相变压器组相对来讲投资大、占地多、运行损耗也较大，而小作考虑。
本发电厂应选用三想变压器。
3、绕组数
绕组的形式主要有双绕组和三绕组。
本发电厂只有两个电压等级，故选择双绕组变压器。
4、普通型还是自耦型
5、中性点接地方式
电网的中性点接地方式，决定了变压器中性点的接地方式。
本变电站所选用的变为普通型双绕组变压器，主变压器的10.5KV侧的中性点采用直接接地方式。
6、绕组接线组别
变压器接线必须与系统每年电压相位一直，否则、不能并列运行。
电力系统采用的组别接线方式只有星行“Y”和二角形“d”两种。
本电厂选用连接组为Y,d11
7、调压方式
为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内，通过变压器的分接开关切换，改变变压器高压绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。
切换方式有两种：
一种是不带电切换，称为五激磁调压，调压范围通常在±
2×
25％以内，应视具体工程情况决定。
另种足带负荷切换，称为有载调压，训整范围可达30％。
但由于有载调压，变压器结构复杂，价格昂贵，只有在以下范围选用：
a、接于出力大的发电厂的主变压器，特刖是潮流方向不固定，且要求变挑压器二次电压维持在一定水平时。
b、接于时而为送端，时而为受端，具有可逆工作特点的联络变压器，为保证供电质量，要求母线电压恒定时。
通常，发电厂主变压器很少有采用有载调压，因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，同此本发电厂采用无激励磁调压。
综上所述和查有关变压器型号手册所选主变压器的技术数据如下：
型号：
S10-20000/35
电压变比：
38.5±
2x2.5%/10.5kV
额定容量：
20000KVA
接线组别：
Y，d11
阻抗电压：
Ud%=8
4 短路电流计算
目的：
在发电厂和变电所的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。
其目的是：
1、在选择电气主接线时，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。
2、在选择载流导体及电器元件时，为了保证设备在正常运行和短路情况下都能安全，可靠地工作，同时又力为节约资金，这就需对有关短路电流值进行动稳定、热稳定和开断能力的检验。
3、为选择继电保护方式和进行整定计算提供依据。
4、接地装置的设计，也需用短路电流。
4.1 概 述
电力系统运行有三种状态：
正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。
在供电系统的设计和运行中，还要考虑到可能发生的故障以及不正常运行情况。
对供电系统危寄最大的是短路故障。
短路电流将引起电动力效应和发热效应以及电压的降低等。
因此，短路电流计算足电气主接线的方案比较、电气设备及载流导体的选择、节地计算以及继电保护选择和整定的基础。
短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。
如电力系统中，相与相之间的水中性点直接节地系统中的相与地之间的短接都是短路。
为了保证电力系统的安全、靠运行，在电力系统设计和运行分析中，一定要考虑系统等不正常工作状态。
§
2-1-2、短路电流计算的一般规定
按照《高压配电装置设计技术规程SDJ5-85》、《供配电设计手册》和《导体和电器选择设计技术规定SDGJ14-86》的有关条文，对于验算导体和电器时所用短路电流，一般有以下规定。
j计算的基本情况：
a、电力系统中所有电源均在额定负荷下运行；
b、所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
c、短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
d、所有电源的电势相位角相同；
e、应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。
对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
k接线方式：
计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
l计算容量：
应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑本工程建成后5-10年）。
m短路种类，一般按d（3）计算，若发电机出口的d
（2）、或中性点直接接地系统中的d
（1）或d（11）较d（3）严重情况进行校验。
n短路计算点：
按正常接线方式时，通过电器元件的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。
4.2 各系统短路电流的计算
4.2.1短路计算的基本假定和计算方法
1、基本假定
（1）正常工作时，三相系统对称运行。
（2）所有电源的电动势相位角相同。
（3）系统中的电机机均为理想电机，不考虑电磁饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响，转子结构完全对称。
（4）短路发生在短路电流为最大的瞬间。
（5）不考虑短路电流为最大的瞬间。
2、短路电流计算的方法
对应系统最大运行方式下，按无限大容量系统，进行相关的短路点的三项短路电流计算，求得I〞、ich值。
4.2.2 电抗图及电抗计算
图4-1系统等值电抗
由电厂电气主接线图，和设计任务中给出相关参数，可画出系统的等值电抗图如4-1所示。
选取基准容量为Sj=100MVA Uj=10.5KV Z*j=1.1025
以上均采用标幺值计算方法。
1、发电机的电抗
X*G=0.2*100/5.22=3.83
2、对于S10-20000/35型双绕组变压器的电抗值计算
UK1=8/100*100/20=0.4
3、短路点的选择、短路电流以及冲击电流的计算
无限大容量电力系统是指容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供电系统发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压基本不变，叫将该电力系统枞为无限大容量电力系统。
但足，在实际电力系统中，他的容量和电抗都有一定的数值，因此，当用户供电系统发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压相应也有所变动。
但一般的供电系统，由于它是存小容量线路上发生短路，电力系统母线电压基本不变，因此，电力系统可视为无限大容量电力系统。
由于无限大容量电力系统的三相短路电流是对称的，所以他的变化规律只需考虑一相的。
短路点的选择应选择通过导体和电器的短路电流为最大的那些点作为短路计算点。
首先，应在条电压等级的母线上选择二个短路计算点dl、d2
（1）35KV母线上短路（d1点）的计算
系统支路：
KA
电站支路：
查运算曲线或运算数字表得：
侧有效值为：
短路叠加数据为：
（2） 10.5KV短路计算
（2）10.5KV母线短路的等效值电路如图
系统之路：
查运算曲线数字表得
：
侧有名值为：
短路叠加数据为：
5 水电站一次设备的选择
5.1 选择电气一次设备遵循的条件
电器和导体的选择设计，同样必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需要。
一般原则：
1、应力求技术先进、安全使用、经济合理；
2、应满足正常运行，检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；
3、应按当地环境条件校核；
4、应与整个工程的建设标准协调一致；
5、选择的导体品种不宜太多；
6、选用新产品应慎重。
新产品应有可靠的实验数据，并经主管单位鉴定合格。
按原水电部86年颁布的《导体和电器选择设计技术规定SDGJ14—86》，对于倒替和电器选择设计的规定简述如下：
1、选用的电器允许最高工作电压不得低于该回路的最高运行电压；
2、选用倒替的长期允许电流不得小于该回路的最大持续工作电流；
3、验算导体和电器动、热稳定及电器开断电流所用的短路电流，应按具体工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景规划（宜为该工程建成后5—10年），确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
4、导体和电器的动、热稳定及电器的开断电流，可按三相短路验算；
5、用熔断器保护的倒替和电器可不验算热稳定；
除用有限流作用的熔断器保护者外；
裸导体和电器的动稳定仍应验算。
用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。
6、验算裸导体短路热效应的计算时间，宜采用主保护动作时间加相应的断路器全分闸时间，如主保护有死区时，则采用能对该死区起作用的后备保护动作时间，并采用相应处的短路电流值；
电器的短路热效应应计算时间，宜采用后备保护动作时间加相应的断路器全分闸时间。
（110KV以下的电力电缆宜采用主保护动作时间加相应的断路器全分闸时间）。
电网开关电器的选择
电网配置开关电器的原则是：
在每一条支路的电源侧配置一组开关电器，这一组开关电器应该具备三种功能：
1、正常操作。
能接通与切断正常负荷，并应该考虑是否需要远方操作的要求。
2、事故时自动切断电器。
能在保护装置的控制下切断可能流过该支路的最大短路电流。
3、检修隔离。
专用检修隔离作用的开关电器仅在该支路无电流下进行操作，具有明显的断口并能可靠地防止误操作。
高压熔断器的选择
高压熔断器在流过短路电流或较长时候过电流时熔断，以保护电气设备，主要产品有限流式和跌落式熔断器两类。
1、对于限流式熔断器保护设备时，短路电流没有达到其最大值之前就熔断，因而大大减轻电气设备所受的危害。
其中RN1和RN3供设备过渡与短路保护时用，RN2用于保护户内式电压互感器。
2、跌落式熔断器切断电流时，不会载流，过电压较低，可以用于小系统中。
高压断路器的选择
高压断路器不但能在正常负荷下接通和断开电路，而且在事故的状态下也能迅速断开短路电流，保障其他部分正常工作。
对于电网的容量较小，则可以考虑真空断路器，它的优点是灭弧迅速，触头寿命长。
小型的发电站的屋内配电装置也常采用SN型少油断路器，系采用纵横气吹和机械油吹联合作用的结构。
避雷器的选择和校验规则
1、系统长期施加于避雷器上的运行电压Uxg不得超过避雷器的持续运行电压，理论上，系统长期施加于避雷器的电压应为相电压。
2、金属氧化物避雷器的额定电压Ube应不大于电网的工频过电压U，通常选取避雷器的暂时过电压作为电力系统出的最高工频过电压（电网工频过电压）；
即Ube>
U，对于110-220KV有效接地系统暂时过电压U一般不超过,对于中性点接地处U一般不大于。
3、避雷器的标称放电电流应大于或等于流过避雷器的雷电冲击电流，氧化锌避雷器长持续时间电流冲击放电能力，表征了避雷器的通流容量，在标称放电电流范围以内，雷电冲击容量一般可不进行校验，流过避雷器的雷电冲击电流一般按I=（2Uin-Url）/Z估算。
4、当避雷器的额定电压选定后，避雷器在流过标称放电电流而引起的雷电冲击残压Ubic便是一个确定的数值，它与设备绝缘的全波雷电波耐压水平BIL比较；
应满足绝缘配合的要求，设备的额定雷电冲击耐受电压BIL>
=Ks×
避雷器雷电保护水平。
对于110KV系数标准雷电冲击水平BIL=450KV，Ks>
=1.25避雷器的雷电保护水平，亦即雷电冲击电流下的最大残压为268KV。
5、避雷器与被保护设备之间存在一个最大电气距离，超过此距离，避雷器保护不到设备。
5.2 电气设备的选择
5.2.1 系统各个回路的最大工作电流
1、35KV侧回路的最大工作电流
INmax=x1.05=*1.05=1.
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