晏家水电站电气一次课程设计说明书.doc

湖南水利水电职业技术学院 安化晏家水电站电气设计

安化晏家水电站电气一次部分
课程设计说明书

适用专业： 发电厂及电力系统

指导老师： 何 荣 锋

设计开始日期：2008年12月 日
设计结束日期：2008年12月 日

目 录

第一章 设计原始资料
1.1 概况……………………………………………………………………(5)
1.2 工程任务和规模……………………………………………………(7)
1.3 机器及金属机构……………………………………………………(8)
第二章 变压器的选择
2.1 主变压器的选择…………………………………………………(10)
2.2 厂用变压器的选择………………………………………………(11)
第三章 电气主接线设计
3.1 电气主接线的概况………………………………………………(14)
3.2 电气主接线的方案拟定及比较………………………………(14)
3.2.1 主接线方案的拟定………………………………………(14)
3.2.2 主接线方案的比较………………………………………(14)
第四章 短路电流计算
4.1 短路电流计算的目的…………………………………………(17)
4.2 短路电流计算的内容…………………………………………(17)
4.3 短路电流计算的方法…………………………………………(17)
4.4 短路电流计算成果表…………………………………………(18)
第五章 设备的选择、校验
5.1 电气一次设备选择的一般条件………………………………(19)
5.2 电气一次设备的选择及成果…………………………………(21)

前 言
水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，便于进行电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在地球传统能源日益紧张的情况下，世界各国普遍优先开发水电大力利用水能资源。
中国不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，都居世界第一位。截至2008年底，中国水电总装机容量已达到1.75亿千瓦，水电能源开发利用率从改革开放前的不足10%提高到27%。水电事业的快速发展为国民经济和社会发展作出了重要的贡献，同时还带动了中国电力装备制造业的繁荣。三峡机组全部国产化，迈出了自主研发和创新的可喜一步。小水电设计、施工、设备制造也已经达到国际领先水平，使中国成为小水电行业技术输出国之一。
此外，中国水电产业各项经济指标增长较快。2007年1-11月，中国水力发电行业累计实现工业总产值93,826,334千元，比上年同期增长了20.88%；累计实现产品销售收入89,240,772千元，比上年同期增长了20.17%；累计实现利润总额24,689,815千元，比上年同期增长了35.91%。2008年1-11月，中国水力发电行业累计实现工业总产值111,348,950千元，比上年同期增长了23.50%；累计实现产品销售收入113,147,151千元，比上年同期增长了24.80%；累计实现利润总额26,863,763千元，比上年同期增长了9.75%。
中国经济已进入新的发展时期，在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时，资源和环境制约趋紧，能源供应出现紧张局面，生态环境压力持续增大。据此，加快西部水力资源开发、实现西电东送，对于解决国民经济发展中的能源短缺问题、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展，无疑具有非常重要的意义。另外，大力发展水电事业将有利于缩小城乡差距、改善农村生产生活条件，对于推进地方农业生产、提高农民收入，加快脱贫步伐、促进民族团结、维护社会稳定，具有不可替代的作用。水电开发通过投资拉动、税收增加和相关服务业的发展，将把地方资源优势转变为经济优势、产业优势，以此带动其他产业发展，形成支撑力强的产业集群，有力促进地方经济的全面发展。
本次设计从主接线、短路电流计算、主要电气设备选择等几方面对水电站电气设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图（推荐方案）、电气主接线图（比较方案）、升压站平面布置图、厂房电气设备布置图、升压站电气布置断面图、6.3KV高压开关柜接线方案图、低压配电屏接线方案图、变电器主保护回路图和原理图、机组保护原理图等相关设计图纸。本文是在湖南水利水电学院水利建筑工程系何荣锋教授的精心指导下完成的。何荣锋老师治学严谨、知识广博、善于捕捉新事物、新的研究方向。在毕业设计期间何荣锋老师在设计的选题何设计思路上给了我很多的指导和帮助。何荣锋老师循循善诱的教学方法、热情待人的处事方法、一丝不苟的治学态度、对学生严格要求的敬业精神给我留下了很深的印象。在此，我对恩师表达最崇高的敬意和最诚挚的感谢！
因为本人知识有限，设计中有很多错误和不妥之处，敬请各位老师批评指正。

第一章 设计原始资料
1.1 概况
渠江镇位于安化县西南部，柘溪水库库区上游西岸，为安化、新化、溆浦三县交界之处，水路可经柘溪库区至安化县城及沿河各地，陆路有S225省道穿过该镇东北部。晏家水电站位于渠江镇南部的晏家村，晏家村与溆浦县善溪乡相邻，该村距渠江镇镇政府驻地15km，距善溪乡政府驻地3km，现有人口1100人，人均收入不到1200元。
晏家水电站位于资水一级支流渠江下游，距资水入河口15km，坝址以上控制集雨面积620km2，占渠江总流域面积的72.9%。该电站上游原规划开发水电站八座，总装机容量28120kW，依次为：①渠江干流175～207m为梧桐水电站，控制集雨面积570km2，规划装机8000kW；②朱溪江支流207～232m为两江水电站，控制集雨面积330km2，规划装机3200kW；③朱溪江支流232～285m为朱溪江水电站，控制集雨面积315km2，规划装机6400kW；④朱溪江支流285～325m为大兴水电站，控制集雨面积290km2，规划装机5000kW；⑤岗东河支流207～242m为木壕水电站，控制集雨面积182km2，规划装机2000kW；⑥岗东河支流250～292m为罗林水电站，控制集雨面积76km2，规划装机1260kW；⑦岗东河支流292～342m为河边水电站，控制集雨面积68km2，规划装机1260kW；⑧岗东河支流342～390m为芭油水电站，控制集雨面积60km2，规划装机1000kW。
拟建晏家水电站位于梧桐水电站下游3km处，为径流式电站，装机容量为2×1600kW，设计引用流量38.8m3/s。
1.2 工程任务和规模
晏家水电站位于资水一级支流渠江下游，坝址处在安化县渠江镇晏家村境内，且紧临溆浦县善溪乡，其库区及集雨区域大部分属溆浦县境内。该工程上游水位受梧桐水电站尾水控制，下游水位受柘溪水库的调节影响。据渠江流域的水电规划，梧桐水电站利用水头为175～207m高程；根据柘溪水库多年运行的情况，其常水位一般在160～165m。由上可知，从梧桐水电站至柘溪水库间有约10m水头的水资源可以开发利用。
根据保证出力，从年发电量、年利用小时数、工程总投资和工程年运行费用等各项指标综合分析后，本阶段选择装机容量为3200kW。
根据电站的流量水头特性，采用轴流式机组。综合考虑电站的投资及以后的运行情况，选择采用2台1600kW发电机组，转轮直径180cm，额定转速300r/min，额定流量19.4m3/s，额定点效率90%。
1.3 机器及金属机构
（1）水轮机主要参数
型号：ZD680-LH-180 台数：2台
额定水头：10.0m
额定出力：1778kW 额定流量：19.40m3/s
额定工况点效率：90% 额定转速：300r/min
（2）调速器：选用2个YWT-3000型自动调速器。
（3）发电机主要参数
型号SF1600-20/2600，额定功率1600kW，共2台；
额定电压6300V，额定转速300r/min；
功率因数0.8。
（4）变压器
主变型号：S9-4000/35 台数：1台
站用变型号：SC10-315/6.3 台数：1台
本电站主要金属结构为电站流道进、出口工作闸门和检修闸门以及其启闭设备。
闸门均采用钢闸门，共7扇；启闭设备均采用手电两用螺杆式启闭机，分别有1台5t、2台10t、2台15t。

第二章 变压器的选择
2.1 主变压器的选择
电力变压器是水电站关键的一次设备，其功能是将电能电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。
电力变压器按相数分，有单相和三相两大类，主要考虑变压器制造条件、可靠性要求和运输条件等因素。对330及其以下晓以大电压系统中，当不受运输条件限制时，一般选用三相变压器，因为单相变压器相对而言投资大、占地多、运行损耗也较大，同时配电装置结构复杂，增加了维修工作量，因此本设计中主变压器采用三相电力变压器。
电力变压器按电压调节方式分，可分为无励磁调压变压器、有载调压变压器。本设计中主变压器采用无励磁调压变压器。
电力变压器按绕组导体材质分，有铜线变压器、铝线变压器及半铜半铝、超导等变压器，因为铜绕组变压器损耗低，故本设计中主变压器选择铜绕组变压器。
电力变压器按绕组形式分，有双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变电器。双绕组变压器用于连接电力系统中的两个电压等级，三绕组变压器一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级，自耦变电器用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用，因为晏家水电站高压只有35和6.3KV两个电压等级，所以本设计中主变压器采用双绕组变压器。
电力变压器按冷却方式分，可分为干式变压器和油浸式变压器。干式变压器依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。油浸式变压器依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。近年来大型变压器都采用强迫油循环这种冷却方式 ，本设计中主变压器采用强迫油循环水冷式的电力变压器。

表2.1 S9系列变压器技术参数
型号
额定容量(KVA)
电压组合
联结组别
空载损耗（KW)
负载损耗（KW)
空载电流（%）
阻抗电压（%）
高压（KV）
高压分接范围（%）
低压(KV)
S9-630/35
630
35

±5

10.5
Y,d11
1.08
7.85
0.37
6.5
S9-1000/35
1000
1.50
12.0
1.0
6.5
S9-125O/35
1250
1.80
14.0
0.9
6.5
S9-1600/35
1600
2.13
17.0
0.85
6.5
S9-2000/35
2000
2.60
19.0
0.75
6.5
S9-2500/35
2500
3.10
21.0
0.75
6.5
S9-3150/35
3150
35
38.5
3.80
24.5
0.70
7
S9-400O/35
4000
4.60
29.0
0.70
7
S9-5000/35
5000
5.50
33.0
0.60
7
S9-6300/35
6300
±2×2.5
10.5
11
Ynd11
6.60
37.0
0.60
7.5
S9-8000/35
8000
8.50
42.0
0.55
7.5
S9-10000/35
10000
10.0
48.3
0.55
7.5
S9-12500/35
12500
12.0
57.5
0.50
8.0
S9-16000/35
16000
14.6
70.0
0.50
8.0
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。而晏家水电站的装机容量为6.4MW，所以主变压器的容量应选为4000KVA。
综上所述，根据表2.1，本设计选择S9-4000/35型号的变压器作为主变压器。
2.2 厂用变压器的选择
2.2.1 厂用变压器容量选择的基本要求和应考虑的因素
1 厂用变压器原边额定电压必须与引线处电压一致；副边额定电压则与厂用电压相配合。
2 厂用变压器可以选用双绕组变压器，但大型机组的厂用变压器多选择用低压绕组分裂变压器。
3 厂用变压器的容量必须满足厂用机械正常运转和自起动的要求。
4 厂用变压器的阻抗电压不能太小，否则短路电流大，厂用系统的高压断路器无法选用价格低廉的轻型断路器，阻抗电压也不能太大，否则无法满足电压波动和电动机自启动要求。
表2.2 SC10系列变压器技术参数表
型号
额定容量(KVA)
电压组合
联结组别
空载损耗（KW)
负载损耗（W)
空载电流（%）
阻抗电压（%）
高压(KV)
低压(KV)
SC10-30/6
30
6±5%
6.3±2×2.5%
10
0.4
D,yn11
Y,yn11
0.180
0.725
1.6
4
SC10-50/6
50
0.250
0.985
1.2
4
SC10-80/6
80
0.355
1.160
1.0
4
SC10-100/6
100
0.390
1.500
0.8
4
SC10-125/6
125
0.460
1.800
0.8
4
SC10-160/6
160
0.530
2.100
0.8
4
SC10-200/6
200
0.605
2.500
0.8
4
SC10-250/6
250
0.720
2.740
0.7
4
SC10-315/6
315
0.4
Yd11
0.875
3.440
0.7
4
SC10-400/6
400
0.970
3.960
0.7
4
SC10-500/6
500
1.150
4.515
0.7
4
SC10-630/6
630
1.320
5.800
0.6
4
SC10-800/6
800
1.510
6.920
0.6
6
2.2.2 厂用变压器容量的确定
1、 电动机负荷
电动机的计算负荷PMC确定如下：

式中：P MN--电动机的额定容量，KW
------电动机效率；
------电动机功率因数。

表2.3
序
号
设备
名称
型号
台
数
容量（KW）
功率因数
效
率
参加计算负荷容量
全部运行
一台机检修
台数
容量
台数
容量
1
供水泵
J62-2
6
20
0.91
88.3
4
99.52
2
49.76
2
低压空压机
JO73-6
3
20
0.86
88.5
2
52.40
1
26.20
3
压油装置油泵
J71-2
2
28
0.91
89.0
2
69.14
1
34.75
4
顶盖排水泵
J42-2
1
4.5
0.88
85.0
1
6.02
1
6.02
5
浮充电机
JO51-4
1
4.5
0.85
85.0
1
6.23
1
6.23
6
蓄电池室通风机
J41-6
1
1
0.72
76.7
1
1.81
1
1.81
7
主厂房通风机
JO231-4
1
2.2
0.84
81.5
1
2.75
1
2.75
8
桥式吊车

1
60
0.70
88.5

1
88.2
9
照明

20.12

80%
16.10
80%
16.10
总计

253.97

231.46
计入网络损失5%

266.67

243.03
计入最大负荷同时率0.6～0.8

213.34

194.43
2、 厂用变的确定
经表2.2表2.3及公式，本设计厂用变型号为SC10-315/6。

第三章 电气主接线设计
3.1 电气主接线的概况
电气一次主接线设计是泵站供用电网络的主体结构，是电气设计的基本任务。电气主结线设计应充分考虑系统安全、稳定、灵活、经济。对泵站具备防洪功能的特殊性，必须保证供电系统可靠、机组运行灵活。整体设计中，应满足规定的技术标准，结合泵站实际，进行综合比较优化，得到最佳结线方案。
3.2 电气主接线的方案拟定及比较
3.2.1 主接线方案的拟定
（1）根据原始资料确定初步拟定：
方案
主变数量
35KV母线接线形式
6.3KV母线接线型式
方案一
1台
单母线
单母线
方案二
2台
单母线
发电机变压器单元接线
（2）根据《第二章变压器的选择》选择以下型号的变压器
方 案
台数
型号
接线方式
参数
方 案 一

1
S9-4000/35

Y,d11
空载损耗：4.60KW
负载损耗：29.0KW
阻抗百分比:Ud=7%
方 案 二

2
S9-2000/35

Y,d11

空载损耗：2.60KW
负载损耗：19.0KW
阻抗百分比：Ud=6.5%
3.2.2 主接线方案的比较
对一个水电站而言，电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等，从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，经综合比较后确定。它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。
根据原始资料和比较方案分析现列出两种主接线方案。

方案一：35KV侧单母线接线，6.3KV侧单母线接线
一台主变

方案二：35KV侧单母线接线，发电机变压器单元接线

现对上述主接线方案进行比较：

方案
项目
方案一：35KV侧单母线接线，6.3KV侧单母线接线
方案二：35KV侧单母线接线，发电机变压器单元接线
可靠性
1.35KV接线简单，设备本身故障率少
2.6.3KV故障时，停电时间较短
1.可靠性较高；
2.有两台主变压器工作，保证了在变压器检修或故障时，不致使该侧不停电，提高了可靠性
灵活性
6.3KV运行方式相对简单，灵活性好
6.3KV母线检修时倒闸操作复杂
经济性
设备相对少，投资小
设备相对多，投资较大

通过对两种主接线可靠性，灵活性和经济性的综合考虑，辨证统一，现确定第一方案为设计最终方案。

第四章 短路电流计算
4.1 短路电流计算的目的
（1)电气主接线比选:
短路电流计算可为不同方案进行技术经济比较，并为确定是否采取限制短路电流措施等提供依据。
（2)选择导体和电器:
如选择断路器、隔离开关、熔断器、互感器等。其中包括计算三相短路冲击电流、冲击电流有效值以校验电气设备动力稳定，计算三相短路电流稳态有效值用以校验电气设备及载流导体的热稳定性，计算三相短路容量以校验短路器的遮断能力等。
（3) 选择继电保护装置和整定计算
在考虑正确、合理地装设保护装置，在校验保护装置灵敏度时，不仅要计算短路故障支路内的三相短路电流值，还需知道其他支路短路电流分布情况；不仅要算出最大运行方式下电路可能出现的最大短路电流值，还应计算最小运行方式下可能出现的最小短路电流值；不仅要计算三相短路电流而且也要计算两相短路电流或根据需要计算单相接地电流等。
4.2 短路电流计算的内容
1)短路点的选取：各级电压母线、电动机末端。
2)短路时间的确定：根据电气设备选择，确定计算短路电流的时间。
3)短路电流的计算：无穷大系统短路电流；有限大系统短路电流；各级电压中性点不接地系统的单相短路电流。计算的具体项目及其计算条件，取决于计算短路电流的目的 。
4.3 短路电流计算的方法
供配电系统某处发生短路时，要算出短路电流必须首先计算出短路点到电源的回路总阻抗值。电路元件电气参数的计算有两种方法：标幺值法和有名值法。
标幺制是一种相对单位制，标幺值是一个无单位的量，为任一参数对其基准值的比值。标幺值法，就是将电路元件各参数均用标幺值表示。由于电力系统有多个电压等级的网络组成，采用标幺值法，可以省去不同电压等级间电气参量的折算。在电压系统中宜采用标幺值法进行短路电流计算。
有名值法就是以实际有名单位给出电路元件参数。这种方法通常用于1KV以下低压供电系统短路电流的计算。
4.4 短路电流计算成果表
短路点

平均电压（KV）
6.3
35
6.3
6.3
计算电抗
0.2
0.27
0.313
10.2

t=0

5.5
4.15
3.59
0.05

2.016
1.523
1.318
1.37
t=0.1

4.05
3.3
2.95
0.05

1.486
1.211
1.083
1.37
t=0.6

3.68
3.16
2.91
0.05

1.351
1.16
1.068
1.37
t=1

3.55
3.1
2.92
0.05

1.303
1.141
1.072
1.37
t=2

3.57
3.08
2.96
0.05

1.310
1.13
1.086
1.37
t=4

3.23
3.06
2.99
0.05

1.185
1.123
1.097
1.37
冲击电流（KA）

16.577
31.348
7.985
3.68
短路电流（KA）

5.26
10.056
2.488
0.05

第五章 设备的选型、校验
5.1 电气一次设备选择的一般条件
电器选择是发电厂和变电站电气设计的主要内容之一。正确的选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。
尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。在进行设备选择时，必须执行国家的有关技术规定，根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，做到技术先进、经济合理、运行方便等要求。电器要能符合上述要求，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。
(1)按正常工作条件选择电器
①额定电压和最高工作电压
电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压 ，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。因此，在电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压 不低于装置地点电网额定电压的条件选择。即
②额定电流
电气设备的额定电流是在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。应不小于该贿赂在各种合理运行方式下的最大持续工作电流，
即：
(2)按短路情况校验
①短路热稳定校验
短路电流通过电器时，电器各部件温度应不超过允许值。满足热稳定的条件为:
式中：—短路电流产生的热效应
、t—电气设备允许通过的热稳定的电流和时间
2）电动力稳定校验
电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。满足动稳定
的条件为：

式中： —短路冲击电流幅值
—电气设备允许通过的动稳定电流幅值
3）短路计算时间
验算热稳定的短路计算时间为继电保护动作时间和相应断路器的全开断时间之和，即：
一般取保护装置的后备保护动作时间
4）绝缘水平
在工作电压和过电压的作用下，电器的内、外绝缘应保证必要的可靠性。电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。但所选电器的绝缘水平低于国家规定的 标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用适当的过电压保护设备。
下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：
1)熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热稳定。
2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备，可不校验动稳定。
3)装设在电压互感器回路中的裸导体和电器可不验算动、热稳定。

5.2 电气一次设备的选择及成果
名称
35 KV
6.3KV
断路器
LW7-35/1600
ZN5-10/630 ZN5-10/1000
隔离开关
GW4-35/600
GN19-10/630
电流互感器
LB6-35
LZZJB6-10 LDZB66-10
电压互感器
JDX6-35
JDZX6-10
高压熔断器
RW5-35
RN1-10
避雷器
Y5W4-41/108
Y3W-12.7/31
母 线
LGJ-70
LMY-60×10
架空线
LGJ-75

电力电缆

ZR—YJV—3×120
ZR—YJV—1×50
ZR—YJV—3×95
ZR—YJV—3×75

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