小型水電站設(shè)計215MW的水力發(fā)電機組

1、目錄一 選題背景31.1原始資料31.2設(shè)計任務(wù)3二 電氣主接線設(shè)計32.1對原始資料的分析計算32.2電氣主接線設(shè)計依據(jù)42.3 主接線設(shè)計的一般步驟42.4 技術(shù)經(jīng)濟比較42.4.1 發(fā)電機電側(cè)電壓（主）接線方案42.4.2 主接線方案擬定4三 變壓器的選擇73. 1主變壓器的選擇7相數(shù)的選擇7繞組數(shù)量和連接方式的選擇73.2 廠用變壓器的選擇8四短路電流的計算94.1電路簡化圖8：94.2計算各元件的標(biāo)么值104.3短路電流計算114.3.1 d1點短路電流計算114.3.2 d2點短路13五 電氣設(shè)備選擇及校驗155.1電氣設(shè)備選擇的一般規(guī)定155.1.1 按正常工作條件選擇155.1

2、.2 按短路條件校驗165.2 導(dǎo)體、電纜的選擇和校驗165.3 斷路器和隔離開關(guān)的選擇和校驗175.4 限流電抗器的選擇和校驗175.5 電流、電壓互感器的選擇和校驗185.6 避雷器的選擇和校驗185.6.1 避雷器的選擇185.6.2 本水電站接地網(wǎng)的布置19六.設(shè)計體會19附錄20參考文獻22一 選題背景1.1原始資料 （1）、待設(shè)計發(fā)電廠為水力發(fā)電廠；發(fā)電廠一次設(shè)計并建成，計劃安裝2×15MW的水力發(fā)電機組，利用小時數(shù)4000小時年； （2）、待設(shè)計發(fā)電廠接入系統(tǒng)電壓等級為110kV，距系統(tǒng)110kV發(fā)電廠45km；出線回路數(shù)為4回； （3）、電力系統(tǒng)的總裝機容量為600M

3、VA、歸算后的電抗標(biāo)幺值為0.3，基準(zhǔn)容量Sj100MVA; （4）、低壓負(fù)荷：廠用負(fù)荷（廠用電率）1.1%； （5）、高壓負(fù)荷：110kV電壓級，出線4回, 級負(fù)荷，最大輸送容量60MW，cos0.8； （6）、環(huán)境條件：海拔1000m；本地區(qū)污穢等級2級；地震裂度7級；最高氣溫36；最低溫度2.1；年平均溫度18；最熱月平均地下溫度20；年平均雷電日T56日年；其他條件不限。 1.2設(shè)計任務(wù) （1）、根據(jù)對原始資料的分析和本變電所的性質(zhì)及其在電力系統(tǒng)中的地位，擬定本水電站的電氣主接線方案。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，確定推薦方案。 （2）、選擇變壓器臺數(shù)、容量及型式。 （3）、進行短路電流計算。 （

4、4）、導(dǎo)體和電氣主設(shè)備（各電壓等級斷路器、隔離開關(guān)、母線、電流互感器、電壓互感器、電抗器（如有必要則選）、避雷器）的選擇和校驗。 （5）、廠用電接線設(shè)計。 （6）、繪制電氣主接線圖。 二 電氣主接線設(shè)計2.1對原始資料的分析計算為使發(fā)電廠的變壓器主接線的選擇準(zhǔn)確，我們原始資料對分析計算如下；根據(jù)原始資料中的最大有功及功率因數(shù)，算出最大無功，可得出以下數(shù)據(jù)電壓等級線路名稱最大有功（MW）最大無功（MVAr）COS負(fù)荷級別Tmax110KV回路11511.20.814000回路2回路3回路42.2電氣主接線設(shè)計依據(jù)電氣主接線的主要要求為:1、可靠性：衡量可靠性的指標(biāo)，一般是根據(jù)主接線型式及主要設(shè)備

5、操作的可能方式，按一定的規(guī)律計算出“不允許”事件的規(guī)律，停運的持續(xù)時間期望值等指標(biāo)，對幾種接線形式的擇優(yōu)。2、靈活性：投切發(fā)電機、變壓器、線路斷路器的操作要可靠方便、調(diào)度靈活。3、經(jīng)濟性：通過優(yōu)化比選，工程設(shè)計應(yīng)盡力做到投資省、占地面積小、電能損耗小。2.3 主接線設(shè)計的一般步驟1、對設(shè)計依據(jù)和基礎(chǔ)資料進行綜合分析。2、確定主變的容量和臺數(shù)，擬定可能采用的主接線形式。3、論證是否需要限制短路電流，并采取合理的措施。4、對選出來的方案進行技術(shù)和經(jīng)濟綜合比較，確定最佳主接線方案。2.4 技術(shù)經(jīng)濟比較2.4.1 發(fā)電機電側(cè)電壓（主）接線方案110Kv側(cè)由于本電站是小水電，不承擔(dān)主要負(fù)荷，沒有重要機端

6、負(fù)荷，從接線的可靠性、經(jīng)濟性和靈活性考慮，在我國運行的成熟經(jīng)驗一般采用單母線接線方式。所以本電站，110Kv側(cè)采用單母線接線。2.4.2 主接線方案擬定（一）根據(jù)我國現(xiàn)行的規(guī)范和成熟的運行經(jīng)驗，結(jié)合本設(shè)計水電站的實際，現(xiàn)擬定以下三種電氣主接線方案(單相示意圖)： (1)單母線接線其接線示意圖如圖4：圖4 單母線接線方案（2）單元接線其接線示意圖如圖5圖5 單元接線方案（3）擴大單元接線其接線示意圖如圖6圖6 擴大單元接線（二）主接線方案初步比較：由以上三種接線方案的優(yōu)缺點分析和接線示意圖，本著可靠性、靈活性和經(jīng)濟性的原則，結(jié)合電廠實際綜合分析，可以得出：單母線和擴大單元接線相比較，其可靠性和靈

7、活性都很相近，廠用電都是在發(fā)電機10.5KV側(cè)取得，然而本電站只有兩臺發(fā)電機，比較特殊，所以單母線和擴大單元接線形式相近。單母線接線靈活性低。所以可以明顯淘汰單母線接線方案。從而保留擴大單元接線和單元接線方案。（三）主接線方案的確定（1）技術(shù)比較方案的技術(shù)特性分析，一般從以下幾個方面進行分析：從供電的可靠性：對于方案2，廠用電從兩臺發(fā)電機上取得，即使檢修其中一臺變壓器和兩機組停機電廠也不會停電，然而兩臺變壓器同時故障的可能性非常小。相比方案3，若檢修變壓器電廠就會停電，否則要另外接入廠用電源，這樣投資就增加了。這樣，方案2的可靠性相對高些。 從運行安全和靈活性：方案2的變壓器的短路容量比方案3

8、小，對變壓器和發(fā)電機的絕緣水平要求相對較低，安全性相對較高，其靈活性也比較好。從接線和繼電保護：方案3的接線和繼電保護都相對方案2較復(fù)雜。從維護與檢修：方案3的維護相比方案2較復(fù)雜，方案3的檢修相比方案2較方便。說明：在比較接線方案時，應(yīng)估計到接線中發(fā)電機、變壓器、線路、母線等的繼電保護能否實現(xiàn)及其復(fù)雜程度。對任何接線方案都能實現(xiàn)可靠的繼電保護，由于一次設(shè)備投資遠遠大于二次設(shè)備的投資，所以即使某個別元件保護復(fù)雜化，也不能作為不采用較經(jīng)濟接線方案的理由。（2）經(jīng)濟比較經(jīng)濟比較中，一般只計算各方案不同的一次性投資及年運行費。1、一次性投資一次性投資包括主變壓器、配電裝置的綜合投資。電氣設(shè)備的綜合投

9、資是電氣設(shè)備出廠價格、運輸機安裝費用的總和，又稱電氣設(shè)備的基建投資費。一次性綜合投資式中：主體設(shè)備基價，主要包括主變壓器、開關(guān)設(shè)備； d設(shè)用于運輸基礎(chǔ)加工，土石方附加費的比例系數(shù)，通常對110KV取值90，35KV取值100。、年運行費用年運行費用，包括個電氣設(shè)備的每年折舊費及維護檢修費。電氣設(shè)備年折舊費、維修費可以通過查表得到。經(jīng)過計算比較結(jié)果，選定方案2（單元接線）為主接線方案。三 變壓器的選擇3. 1主變壓器的選擇該水電站遠離負(fù)荷中心，水電站的廠用電很少（1.1%），且沒有地區(qū)負(fù)荷，因此，選擇主變壓器的容量應(yīng)大致等于與其連接的發(fā)電機容量。水電廠多數(shù)擔(dān)任峰荷，為了操作方便，其主變壓器經(jīng)常不

10、從電網(wǎng)切開，因此要求變壓器空載損耗盡量小。相數(shù)的選擇主變采用三相或單相，主要考慮變壓器的可靠性要求及運輸條件等因素。根據(jù)設(shè)計手冊有關(guān)規(guī)定，當(dāng)運輸條件不受限制時，在330KV及以下的電廠及變電所均選用三相變壓器。因為三相變壓器比相同容量的單相變壓器具有節(jié)省投資，占地面積小，運行過程損耗小的優(yōu)點，同時本電廠的運輸?shù)乩項l件不受限制，因而選用三相變壓器。繞組數(shù)量和連接方式的選擇（1）繞組數(shù)量選擇：根據(jù)電力工程電氣設(shè)計手冊規(guī)定：“最大機組容量為125MW及以下的發(fā)電廠，當(dāng)有兩種升高電壓向用戶供電與或與系統(tǒng)相連接時，宜采用三繞組變壓器。結(jié)合本電廠實際，因而采用雙繞組變壓器。（2）繞組連接方式選擇：我國11

11、0KV及以上的電壓，變壓器繞組都采用連接，35KV一下電壓，變壓器繞組都采用連接。結(jié)合很電廠實際，因而主變壓器接線方式采用YN,d11。主變壓器的臺數(shù)、容量及型式在比較的三個方案中，需要兩臺同容量的110KV雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器：20MVA（兩臺）。結(jié)合本電廠實際，從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，選擇型式為：雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器。通過查閱電力工程電氣設(shè)備手冊，電氣一次部分可知其主變壓器的參數(shù)如下表電力變壓器技術(shù)參數(shù)型號額定容量（KVA）額定電壓（KV）空載電流（%）空載損耗KW負(fù)載損耗KW阻抗電壓（%）高壓低壓SFZL720000/11020000110±8×1.25%10.5

12、1.23010410.53.2 廠用變壓器的選擇選擇原則：為滿足廠內(nèi)各種負(fù)荷的要求，裝設(shè)兩臺廠用變壓器，廠用電容量得確定，一般考慮廠用負(fù)荷為發(fā)電廠總負(fù)荷的1%2%,此發(fā)電廠的廠用負(fù)荷為總負(fù)荷的1.1%。S1.1%×30000KVA330KVA。根據(jù)選擇原則，并通過查找電力工程電氣設(shè)備手冊，電氣一次部分選出廠用的兩臺變型號都為S=440KV.A：型號額定容量（KVA）額定電壓（KV）空載電流（%）損耗W阻抗電壓（%）連接組標(biāo) 號高壓低壓空載短路SZ6400/1040010.50.4387042004Y，yn0SZ7400/1040010.50.43.292058004通過對比兩臺廠用變

13、壓器的型號定為SZ6400/10雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器，兩臺廠用變分別接于主變低壓側(cè)，互為暗備用，平時半載運行，當(dāng)一臺故障時，另一臺能夠承但變電所的全部負(fù)荷。由于廠用變壓器是兩臺，互為暗備用，平時半載運行，當(dāng)一臺故障時，另一臺能夠承但變電所的全部負(fù)荷。所以其母線可采用單母線分段接線；接線圖如下圖7：圖7接線圖四短路電流的計算4.1電路簡化圖8：圖8電路簡化4.2計算各元件的標(biāo)么值取查得發(fā)電機 變壓器 線路電抗 等值短路阻抗圖9：圖9等值短路阻抗4.3短路電流計算 d1點短路電流計算將X1和X2串聯(lián)得X7; 因系統(tǒng)及電站1、2發(fā)電機電源通過公共阻抗X3供電；故須進行簡化，并按分布系數(shù)法求出短路

14、點到各電源間的轉(zhuǎn)移阻抗想X10、X11。X6與X7并聯(lián)為；計算阻抗發(fā)電機系統(tǒng) 求短路電流發(fā)電機12為 查得運算曲線得；系統(tǒng) d1點短路電流周期分量為；d1點沖擊電流及全電流最大有效值；查得 查得 d1點短路時，4s熱效應(yīng)為，周期分量熱效應(yīng)為；非同期分量熱效應(yīng)為；查得 Ta=0.2則 d2點短路 計算電抗同期分量短路電流發(fā)電機12 查得運算曲線為則 系統(tǒng)：d2點短路電流同期分量值為；d2點短路沖擊電流及全電流最大值；查得 d2點短路，4s熱效應(yīng)為Ta應(yīng)按發(fā)拉立支路的值來計算；查得 變壓器發(fā)電機 則支路的阻抗得；五 電氣設(shè)備選擇及校驗5.1電氣設(shè)備選擇的一般規(guī)定選擇與校驗電氣設(shè)備時，一般應(yīng)滿足正常

15、工作條件及承受短路電流的能力，并注意因地制宜，力求經(jīng)濟，同類設(shè)備盡量減少品種，同時考慮海拔、濕熱帶、污穢地區(qū)等特殊環(huán)境條件。5.1.1 按正常工作條件選擇電器、電纜允許最高工作電壓不得低于該回路的最高運行電壓，即；電器、導(dǎo)體長期允許電流不得小于該回路的最大持續(xù)工作電流，即。在計算發(fā)電機變壓器回路最大持續(xù)工作電流時，應(yīng)按額定電流增加5%。這是考慮到在電壓降低5%時，為確保功率輸出額定，則電流允許超5%。在選擇導(dǎo)體、電器時，應(yīng)注意環(huán)境條件：、按交流高電壓電器在長期工作時的發(fā)熱規(guī)程規(guī)定：電器使用在環(huán)境溫度高于+40（但不高于60）時，環(huán)境溫度沒增加1，建議較少額定電流1.8%；當(dāng)環(huán)境溫度低于+40，

16、每低1,建議增加額定電流0.5%，但最大過負(fù)荷不得超過額定電流的20%。、110KV及以下電器，用于海拔不超過2000米時，可選用一般產(chǎn)品。 按短路條件校驗包括動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及電器的開斷電流，一般按三相短路驗算。、短路熱穩(wěn)定校驗式中：電器設(shè)備允許通過的熱穩(wěn)定電流及相應(yīng)時間 短路電流產(chǎn)生的熱脈沖計算用下式：式中：、分別為短路發(fā)生瞬間、短路切除時間、短路切除時間的短路電流周期性分量（KA） 短路切除（持續(xù)）時間，為繼電保護時間與斷路器的全開斷時間之和（S） T短路電流非周期分量等效時間，對于發(fā)電機出口可取0.150.2S，發(fā)電廠升壓母線取0.080.1S，一般變電所取0.05S。若切除時間大于1

17、S,只需考慮周期分量。、短路動穩(wěn)定校驗動穩(wěn)定校驗一般采用短路沖擊電流峰值，當(dāng)回路的沖擊系數(shù)與設(shè)備規(guī)定值不同，而且沖擊電流值接近于設(shè)備極限通過電流峰值時，需要校驗短路全電流有效值。校驗條件： 或式中：短路沖擊電流峰值（KA）；短路全電流有效值（KA）；電器允許極限通過電流峰值（KA）；電器允許的極限通過電流有效值（KA）。、電器的開斷電流校驗時，電器的開斷計算時間取主保護時間及斷路器固有分閘時間之和。這里，我們按最壞的情況考慮，主保護失靈，機端斷路器取后備保護時間2S，其余的取4S。、導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定“用熔斷保護的導(dǎo)體和電器可不驗算熱穩(wěn)定，除用有限流作用的熔斷器保護者外，導(dǎo)體和電器的動

18、穩(wěn)定仍應(yīng)驗算?！?.2 導(dǎo)體、電纜的選擇和校驗導(dǎo)體截面可按長期發(fā)熱允許電流或經(jīng)濟電流密度選擇。對年負(fù)荷利用小時數(shù)，傳輸容量大，長度在20m以上的導(dǎo)體如發(fā)電機、變壓器的連接導(dǎo)體，其截面一般按經(jīng)濟電流密度選擇。在本水電站具體的情況下，10kv機端母線及導(dǎo)體按經(jīng)濟電流密度選擇，而110kv母線及導(dǎo)體按長期發(fā)熱允許電流選擇。選擇結(jié)果：、110Kv母線選擇LGJ800/55型鋼芯鋁絞線。、與系統(tǒng)相連的出線導(dǎo)線選擇LGJ800/55型鋼芯鋁絞線。5.3 斷路器和隔離開關(guān)的選擇和校驗斷路器可按下表進行選擇和校驗項目額定電壓額定電流開斷電流短路關(guān)合電流熱穩(wěn)定動穩(wěn)定斷路器應(yīng)滿足要求應(yīng)滿足要求選擇結(jié)果如下：機端斷

19、路器選擇SN1010/2000-43.3型斷路器。主變出口斷路器選擇SW4110/1000型斷路器。與系統(tǒng)相連的出線斷路器選擇SW4110/1000型斷路器。廠用變進線選擇斷路器SN1010/630-16型斷路器。動熱穩(wěn)定校驗均滿足，只有廠用變進線斷路器加限流電抗器后才滿足。隔離開關(guān)可按下表進行選擇和校驗項目額定電壓額定電流熱穩(wěn)定動穩(wěn)定隔離開關(guān)應(yīng)滿足要求應(yīng)滿足要求選擇結(jié)果如下： 、機端隔離開關(guān)選擇GN110/200085型隔離開關(guān)。、主變出口隔離開關(guān)選擇GW4110D/100080型隔離開關(guān)。、與系統(tǒng)相連的出線隔離開關(guān)選擇GW4110D/100080型隔離開關(guān)。、廠用變進線隔離開關(guān)選擇GN61

20、0/60052型隔離開關(guān)。動熱穩(wěn)定校驗均滿足，只有廠用變進線隔離開關(guān)加限流電抗器后才滿足。5.4 限流電抗器的選擇和校驗本電廠只在廠用變進線處需加限流電抗器限流，此處只需要普通的電抗器即可滿足要求。一、額定電壓和電流的選擇條件為： ， 二、按將短路電流限制到一定數(shù)值的要求來選擇。設(shè)電源至電抗器前的系統(tǒng)電抗標(biāo)么值是，則所需電抗器的電抗標(biāo)么值。以額定參數(shù)下的百分電抗表示，則應(yīng)選擇電抗器的百分電抗為：三、正常運行時電壓損耗按下式校驗。四、母線殘壓按下式校驗。 選擇結(jié)果：NKSL102004型電抗器，滿足限流條件和動熱穩(wěn)定校驗條件。、發(fā)電機、變壓器連接導(dǎo)體（10kv）的選擇3條100mm×1

21、0mm豎放矩形鋁導(dǎo)體。動熱穩(wěn)定均滿足校驗條件。5.5 電流、電壓互感器的選擇和校驗根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在機端和110kV及以上等級的互感器的接線均采用三相星型接線，設(shè)互感器離測量儀表的距離均為100m，設(shè)互感器離測量儀表的距離為40m。選擇步驟大致如下： 一、根據(jù)相關(guān)原始資料選擇種類和型式。 二、一次回路額定電壓和額定電流的選擇。 三、準(zhǔn)確級和額定容量的選擇。 四、熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的校驗。選擇結(jié)果如下：、10kV機端電流互感器選擇LMZ110屋內(nèi)型，變比2000/5。、110kV母線及進出線電流互感器選擇LCWD110屋外型，變比1000/5。、廠用變壓器進線電流互感器選擇LFZJ110屋內(nèi)型，變比1

22、00/5。、10kV機端電壓互感器選擇JSJW10型。、110kV母線及進出線電壓互感器選擇JCC2110型。、廠用變壓器進線電壓互感器選擇JSJW10型。動熱穩(wěn)定均滿足校驗條件。5.6 避雷器的選擇和校驗5.6.1 避雷器的選擇避雷器選擇時，應(yīng)考慮保護電器的絕緣水平，使用特點。根據(jù)避雷器選擇原則，該發(fā)電廠避雷器選擇結(jié)果如下表所示：避雷器的選擇結(jié)果安 裝 地 點型 號額定電壓有效值（kV）發(fā)電機出口Y2.5W512.7/3110.5發(fā)電機中性點Y1W57.6/197.6110kV母線出線處Y5B100/234100110kV母線、雙繞組變壓器出線斷路器之間Y5B100/234100110kV雙繞組變壓器中性點Y1W573/200735.6.2 本水電站接地網(wǎng)的布置根據(jù)以上接地裝置的有關(guān)規(guī)定，由于待設(shè)計的水電站的土壤電阻率未知，按高電阻率考慮。所以采用6m等間距的環(huán)形布置，用L50×50×5L=5.0m的角鋼作垂直接地體，并埋深0.8m，并使整個接地電阻值要求在每個季節(jié)里都不大于0.5，對電站內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)中的鋼筋應(yīng)焊接成網(wǎng)狀，在每個