水力发电厂电力一次系统设计上课讲义.doc

水力发电厂电力一次系统设计

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信息工程学院

课程设计报告书

题目: 水力发电厂电气一次系统设计

专 业：电气工程及其自动化
班 级： 17
学 号：
学生姓名：
指导教师：

2015年 7月 12 日

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综合课程设计任务
1、题目
水力发电厂电气一次系统设计
2、原始资料
1、发电厂的建设规模
1：待设计发电厂类型（水利发电厂）。
2：发电厂一次设计并建成，计划安装（415MW）的水力发电机组，最大利用小时数（5000小时/年）。
2、发电厂与电力系统连接情况
1：待设计发电厂接入系统电压等级为（110kv），出线回路为（3回），其中一回线供20MW的一类负荷，水电站附近负荷3MW。
2：电力系统的总装机容量为（396MVA），全系统最大负荷340MW，最小负荷225MW。
3、环境条件
最热月地面下0.8m土壤平均温度28.6C，多年最低气温-4C；室内最热月平均温度34.1C，户外最低气温40.1C。
4、水电站位置和发展
水电站位于某河流上游，附近有城镇5座，各城镇发展远景如下：

5、系统连接图如下：

3、设计任务
1：电气主接线设计
2：厂用电设计
3：短路电流计算和电气设备选择
4：配电装置设计
4、设计成果
1：设计说明书一份
2：图纸3张（电气主接线图、屋内配电装置图、屋外配电装置图）
摘要
本文为4×15MW水力发电厂电气一次部分设计。通过对原始资料的详细分析，根据设计任务书的要求，进行了电气主接线方案的经济技术比较，厂用电设计，短路电流计算和电气设备的选择和校验，配电装置设计。编制了设计说明书，绘制了主接线图，厂用电接线图。
关键字：主接线、短路计算、设备选择、配电装置、设计说明书、主接线图、厂用电
Abstract
This article is 4 x 15 mw hydropower plant electrical part design at a time. Through detailed analysis of original data, according to the requirements of the design plan descriptions of the economic and technical comparison, the main electrical wiring scheme design of auxiliary power, short circuit current calculation and selection of electrical equipment and calibration, power distribution equipment design. Compiled the design specification, draw the main wiring diagram, auxiliary power wiring diagram.
The keyword :The main connection, short circuit calculation, equipment selection, power distribution equipment, design specifications, main wiring diagram, auxiliary power
目录
综合课程设计任务 2
1、题目 2
2、原始资料 2
3、设计任务 4
4、设计成果 4
摘要 5
Abstract 5
目录 6
1 发电厂电气主接线设计 1
1.1主接线的方案设计 1
1.2主接线方案的经济技术比较 3
1.3确定最优主接线设计方案 5
1.4发电机，主变及厂用变容量选择 6
1.5厂用电设计 7
2 短路电流计算 9
3 导体，电器设备选择及校验 13
3.1导体设备选择概述 13
3.2导体的选择与校验 13
3.3导体和电气设备的选择成果表 17
4 配电装置设计 19
参考文献 20
附录 21

1 发电厂电气主接线设计
1.1主接线的方案设计
简述：电气主接线代表了发电厂或变电站电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，其直接影响发电厂或变电站运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护有决定性的关系。
对电气主接线的基本要求包括可靠性、灵活性和经济性三个方面。
本次设计根据《水电站机电设计手册》、《电力工程设计手册》以及相关参考书目的规定，结合设计任务的要求拟订2个可行的主接线方案，进行技术和经济比较，得出最佳接线方案。
（1）：本次设计的重点是：水电厂高低两级电压电气主接线的拟订和水电厂机端10.5KV电压配电装置、110KV高压配电装置、厂用电配电装置等设备的选择。难点是：对电厂整个电气主接线的短路电流计算及各种电器的继电保护配置。
（2）：发电机与主变压器的接线形式的确定：本次设计发电机的形式根据水电厂实际情况采用合适型号，因其单机容量在15MW，无厂用电分支，其机端电压等级采用10.5KV，
根据发电厂主变压器确定原则：发电厂主变台数定为2台总容量应大于或等于电厂总装机容量。采用10.5KV/110KV两级电压，三相两绕组
（3）：主接线方案初步拟订
在对设计原始资料分析的基础上，结合对电力系统电气主接线的可靠性、经
济性及灵活性等基本要求综合考虑，在满足技术、经济政策的前提下，本次设计
力争使其成为技术先进、发电可靠、经济合理的主接线方案。
可靠发电是本设计水电厂应该考虑的首要问题，兼顾到经济性和水电厂升压站场地狭窄等问题，设计主接线应保证其丰期满发，不积压发电能力。主接线方案从以下几个方面考虑：
（1）、线路、断路器、主变或母线故障或检修时，对机组的影响，对发电机出力的影响。
（2）、本水电厂有无全厂停电的可能性。
（3）、主接线是否具有足够的灵活性，能适应各种运行方式的变化，且在检修事故状态下操作方便、调度灵活、检修安全等。
（4）、在满足技术要求的前提下。尽可能考虑投资省、占地面积小、电能损失小和年运行费用少。
（5）、是否适宜于实现自动化和实现无人值守。
通过对原始资料的分析，现将各电压等级可能的较佳方案列出，进而优化组合，形成最佳可比方案。
（1） 、10.5KV电压级，本设计水电厂装机共4台，每台单机容量为15MW。根据《电力工程设计手册规定》，发电机电压配电装置宜采用单母分段或双母分段接线，其原则是每段母线上发电机总容量或负荷为24MW及以上时，一般采用双母线分段接线，考虑到本设计水电厂是小型水电厂，成本不宜过高，在技术允许的情况下可以考虑单母线分段接线，以减少成本。
（2） 、110KV电压级，由前水电厂出线回路数和导线选择可知，本设计110KV
出线3回，考虑到选用主变数量为2台，110KV馈线（进出线）最终为5回，考虑选用110KV母线接线形式为双母线分段接线。根据以上分析组合，本设计提出两种可能接线方案：
方案一：10.5kv基端母线-单母接线，110kv母线-双母分段。
方案二：10.5kv基端母线-双母分段接线，110kv母线-双母分段。
主接线方案分析比较
序号
可能的接线方案
优点
缺点
1
方案一
①、发电机侧接线简单，运行方便；
②、当任一段母线及其所接隔离开关故障检修时，另一段母线的机组可继续向电网供电，可靠性灵活性；
③、易于实现自动化和无人值守。
① 、发电机电压配电装置元件多，增加检修工作量；
②、运行方式简单。
2
方案二
①、可靠性较高，无论检修母线或设备故障，全厂停电的概率很小。
②、运行方式灵活，调度灵活。
③、易于实现自动化。
① 、设备较多；
②、主控制室面积增大。
旁路母线
3MW
母线Ⅱ
110KV
母线Ⅰ
×
×
×
×
×
×
G
×
G
×
G
×
G
20MW
110KV
10.5kv基端单母线接线-110kv母线双母线分段接线
从以上分析可以看出，初选两种方案各有优缺点，但均能满足本设计水电厂作为地方性小型水电厂的生产运行要求。将通过经济技术比较做进一步选择。
1.2主接线方案的经济技术比较
一、主接线方案经济技术比较的方法
经济计算是从国民经济整体利益出发，计算电气主接线各个比较方案的费用和效益，为选择经济上的最优方案提供依据。
本设计采用初步选择设备及配电装置型式进行比较，计算主要设备及配电装置的综合投资和年运行费用，运用主接线经济比较的方法：静态比较法进行比较。
二、主接线方案的经济初步比较
1、主接线方案的投资初步比较
方案投资比较表
项目
方案一
方案二
10kv接线
15
19.4
110kv接线
75.7
75.7
主变
108
108
本体投资
198.7
203.1
综合投资
377.53
385.89
由综合投资比较可知：Z1>Z2
2、 年运行费用计算
主接线中电气设备的运行费用主要包括主变压器的电能损耗及设备的检修、维护折旧等费用。计算公式是
(万元)
其中为变压器电能损失，为年运行费用的计算的主要内容其计算公式为

⑴、方案一年运行费用
①主变电能损失
主变型号 SFP7-40000KVA 其技术参数如下表
型号
额定容量（KVA）
额定电压（KV）
高压
中压
低压
SFP7-40000/110
40000
1102×2.5％

10.5
阻抗电压（％）
连接组别
功率因数
空载电流（％）
损耗（kw）
空载
短路
10.5
YN,d11
Cosφ=0.8
0.8
46
174
取年运行费用中无功经济当量k=0.02

则计算得
②、年运行费用据公式(其中检修维护费Z1=0.058×综合投资，折旧费Z2=0.022×综合投资)得：
U1=72.53（万元）
U2=73.19（万元）
U1<U2
本次设计不必运用静态比较法即可确定在技术经济上最优方案为方案一即采用2台主变，110KV采用双母线分段接线，10KV采用单母线分段接线的主接线方案。
1.3确定最优主接线设计方案
通过1.1节和1.2节对方案一、二的综合比较见下表
序号
可能的接线方案
方案一

方案二

可靠性
可靠性高，发电机侧无电压母线，使得在发电机和变压器低压侧短路时短路电流较小。
可靠性较高，无论检修母线或设备故障，全厂停电的概率很小。
灵活性
运行方式相对简单，调度灵活。
运行方式灵活，调度灵活。易于实现自动化。
经济性
发电机侧接线简单，主控室面积小，开关设备少，操作简便。
主控室要求面积大，开关设备用量大。
10.5kv基端单母线接线-110kv母线双母线分段旁路母线
3MW
母线Ⅱ
110KV
母线Ⅰ
×
×
×
×
×
×
G
×
G
×
G
×
G
20MW
110KV
接线
经过定性分析和可靠性及经济性分析计算，本设计水电厂电气主接线方案最终确定为方案一。
1.4发电机，主变及厂用变容量选择
1、 发电机的选择及主要参数
根据设计题目所给的参数，查相关设计手册和参考资料，本设计确定发电机型式如下
发电机型号
台数
额定容量（MW）
额定电压
（KV）
额定功率
因数cosφ
电抗
(标幺值)
TS550/79-28
4
15
10.5
0.8
0.204
以上参数查《电力系统课程设计及毕业设计参考资料》附录一,主要设备规
格及参数。P95页
2、 变压器的选择及主要参数
(1) 、主变选择
根据查《电力系统课程设计及毕业设计参考资料》P102页选择本设计主变压
器技术参数如下

型号
额定容量（KVA）
额定电压（KV）
SFP7-40000/110
40000
高压
中压
低压
1102×2.5％

10.5
阻抗电压（％）
连接组别
功率因数
空载电流（％）
损耗（kw）
空载
短路
10.5
YN,d11
Cosφ=0.8
0.8
46
174
(2) 、厂用变选择
查《电力系统课程设计及毕业设计参考资料》选用厂用变压器参数如下
型号
额定容量（KVA）
额定电压（KV）
S9-2000
2000
高压
中压
低压
10.52.5％

0.4
阻抗电压（％）
连接组别
功率因数
空载电流（％）
损耗（kw）
4.5
Y,Y
Cosφ=0.8
1.0
空载
短路
2.45
14
1.5厂用电设计
1、厂用电的作用和负荷要求
如前所述，本设计水电厂属地方性小型水电厂，其最基本的厂用负荷仅考虑直流系统、励磁系统、水轮机调速系统、润滑系统的油泵、压缩空气系统的空压机、冷却系统和润滑系统的水泵，全厂辅机系统的电动机、启闭设备、照明等设施用电，因此本设计厂用电负荷采用380V/220V供电。
2、厂用电接线方案
本设计厂用电分别接在1#主变和2#主变低压侧上2台主变互为备用0.4KV系统按单母线分段考虑。另外若水电厂周围有其他除本厂系统外的电源亦可考虑从其他系统接入备用电源作为厂用电。
3MW
母线Ⅰ
110KV
×
×
380/220V
×
旁路母线
母线Ⅱ
110KV
×
×
×
×
×
G
×
G
×
G
×
G
×
10KV
厂用电
20MW
带厂用电单母线分段接线图

完整电力系统接线图
2 短路电流计算
短路计算：（k1点为机端母线，k2点为110kv母线）
1. 电网简化图：
2.复合网序图
1）三相短路
K1点：E=1.07，X=0.19；

K2点：E=1.07，X=0.24；

2）单相短路
K1点：E=1.07，X1=0.19，
X2=0.2，X0=0.1；

K2点：E=1.07，X1=0.24,
X2=0.17,X0=0.19；

3） 两相短路（BC两相）
K1点：E=1.07，X1=0.19，X2=0.2；

K2点：E=1.07，X1=0.24，X2=0.22

短路清单
短路类型
短路点
化简图
复合网序图
短路电流
单相短路
K1点
（正序）

E=1.07，X1=0.19，
X0
X2
X2=0.2，X0=0.1；

（负序）
（零序）
K2点
（正序）
E=1.07，X1=0.24,
X2=0.17,X0=0.19；

（负序）
（零序）
两相短路(BC相)
K1点
（正序）

E=1.07，X1=0.19，X2=0.2；
X2

(负序）
K2点
（正序）
E=1.07，X1=0.24，X2=0.22；

(负序）
三相短路
K1点

E=1.07，X=0.19；

K2点

E=1.07，X=0.24；

3 导体，电器设备选择及校验
3.1导体设备选择概述
1、导体、电器选择在发电厂和发电厂电气设计中的地位和作用
电气装置中的载流导体和电气设备，在正常运行和短路状态时都必须安全可靠的运行为了保证电气装置的可靠性和经济性，必须正确地选择电气设备和载流导体。
2、 导体、电器选择原则
3、 本次设计中选择的导体、电器
根据第一章中主接线的设计方案，本次设计中要进行选择的导体和电器主要
是：
1、线路、引线及汇流母线的选择
2、绝缘子、穿墙套管的选择
3、断路器、隔离开关的选择
4、电流、电压互感器及其熔断器
5、阻波器、耦合电容器的选择
6、其他电器的选择
3.2导体的选择与校验
一、连接导体的选择
1、发电机-变压器导体选择
导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择，一般按长期发热允许电流选择，对年负荷利用小时数较大，传输容量较大，长度在20米以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。
根据以上原则，本次设计因10KV侧无汇流母线，仅对发电机出口开关柜至主变之间的导体进行选择。
按长期允许发热电流选择：

发电机F1~F4至变压器之间导体选用单条矩形铝导体，其中截面按公式确定；
其中：

计算得
查表选择得导体截面为：单条125×8（）竖放
①、热稳定校验
运用简化公式进行校验。查《发电厂和变电站电气部分毕业设计指导》P55页
公式中取短路电流持续时间
取70℃时热稳定系数C=87
为满足热稳定的最小允许截面积，查短路计算结果：则：

满足热稳定要求。
②、动稳定校验
根据动稳定校验条件：
—作用在母线上的最大计算应力
—母线材料的允许应力。取
对于单条矩形母线：
其中：支持绝缘子间的跨距
截面系数
冲击电流
母线相间距离

振动系数
则
满足动稳定校验
2、厂用电导体（厂用分支）选择
本设计厂用电变压器容量为2000KVA，采用户内配电装置，其高压侧，选用发电机F1~F4与变压器连接母线相同的125×8（）单条矩形硬母线可以满足动热稳定校验。
厂用电低压侧：本设计中厂用变低压侧,选用双条125×10()
平放。
3、 引上线导体（变压器—母线连接线）选择
本设计变压器-母线连接导体的选择按长期允许发热考虑，选择时按2台主
与母线连接的一回进行选择，试选择与5回出线同型号的LGJQ-240进行校验。LGJQ-240导线其最大长期允许载流量为查《毕业设计参考资料》。
热稳定校验
运用简化公式进行校验。查《发电厂和变电站电气部分
毕业设计指导》P55页
公式中取短路电流持续时间
取70℃时热稳定系数
为满足热稳定的最小允许截面积，查短路计算结果：则：

不能满足热稳定要求，为此选用LGJQ-300导线能满足设计要求。
二、 母线的选择
与变压器-母线连接线引线选择步骤相同，本设计110KV母线选择型号为
LGJQ-300的钢芯铝绞线，其热稳定、电晕的校验均能满足要求。
3.3导体和电气设备的选择成果表
一、 导体选择成果表
导体名称
导体型号
110kV母线
LGJQ-300
110kV出线
LGJQ-240
110KV变压器连接导体
LGJQ-300
发电机-变压器导体
125×8（125×10）
10KV厂用变导体
125×8
二、 电器设备选择成果表
1、 断路器、隔离开关选择成果表
型号
额定电
压KV
额定电流A
额定开断电流KA
额定关
合电流
KA
热稳定
电流
KA
动稳定
电流
KA
分闸
时间
安装地
点
LW6-110
110
3150
40
125
50（3S）
125

GW4-110
110
1000

23.7（4S）
80

ZN5-10/1250
10
1250
25
63
25（2S）
63

ZN5-10/630
10
630
125
40
125
（2s）
40

GN2-10
10
2000

36（10s）
85

2、电流、电压互感器选择成果表
（1）电流互感器选择一览表
安装地点
型号
额定电
流A
级次
组合
二次负荷
热稳
定电
流A
动稳定
电流A
备注
0.5
1
D
110KV
LCWD-110

300/5
D1/D2
0.5
1.2

75
130

F1~F4
LMCD-10
2000/5

主变中性点
LCW-35
100
0.5/P
2
4

65
100
厂变
LA-10
150/5
0.5/3
0.4
0.4

75
135
3、电压互感器选择一览表
安装地
点

型号
额定电压KV
副绕组额定容量VA
最大容量VA
原绕组
副绕组
辅助绕
组
0.5
1
3
110KV母
线
JCC2-110

0.1

500
1000
2000
发电机
JDZ-10
10
0.1

50
80
200

主变低
压侧
JDZJ-10

30
50
120
发电机
JSJW-10
10
0.1

120
200
480
960
4、 熔断器的选择成果表
安装地点
型号
额定电压
KV
额定电流
A
开断容量MVA
最大切断有效电流KA
10KV电压
互感器
RN2-10
10
0.5
200
50
5、 绝缘子、穿墙套管的选择成果表
安装地点
型号
数量
额定电压KV
片数
备注
高压室
CMWD2-20
6
20

屋内
ZC-10

10

屋外
ZPC-35

35

110KV母线
XP-7

9

6、 阻波器、耦合电容器的选择成果表
安装地点
型号
额定电压KV
额定电流/电容
备注
110KV出线
ZXK-630-1.1/16-B4

630A

110KV出线
OWF110/-0.01H
110/
0.01亨

4 配电装置设计
根据电气主接线和《高压配电装置设计技术规程》进行配电装置设计确定
配电装置的总体平面布置，断面结构，屋内、屋外配电装置。
屋外配电装置图（上—平面图，下—断面图）
参考文献
[1] 水利电力部西北电力设计院编，电力工程电气设计手册（电气一次部分）[M]北京： 水利电力出版社，1994.
[2] 熊信银．发电厂电气部分[M]．北京：中国电力出版社，2004：28-210．
[3] 邱关源．电路[M]．北京：高等教育出版社，1999：198-210．
[4] 弋东方．电力工程电气设计手册[M]．北京：中国电力出版社，1996：1-975．
[5] 弋东方．电力工程电气设备手册[M]．北京：中国电力出版社，2000：146-752．
[6] 许建安.中小型水电站电气设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
附录