小型水電站設計2×15MW的水力發(fā)電機組

小型水電站設計2X15MW的水力發(fā)電機組目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一選題背景3原始資料3設計任務3\o"CurrentDocument"二電氣主接線設計3對原始資料的分析計算3電氣主接線設計依據4主接線設計的一般步驟4技術經濟比較4發(fā)電機電側電壓（主）接線方案4主接線方案擬定4\o"CurrentDocument"三變壓器的選擇71主變壓器的選擇7相數的選擇7繞組數量和連接方式的選擇7廠用變壓器的選擇8\o"CurrentDocument"四.短路電流的計算9電路簡化圖8：9計算各元件的標么值10短路電流計算11dl點短路電流計算11d2點短路13\o"CurrentDocument"五電氣設備選擇及校驗15電氣設備選擇的一般規(guī)定15按正常工作條件選擇15按短路條件校驗16導體、電纜的選擇和校驗16斷路器和隔離開關的選擇和校驗17限流電抗器的選擇和校驗17電流、電壓互感器的選擇和校驗18避雷器的選擇和校驗18避雷器的選擇18本水電站接地網的布置19\o"CurrentDocument"六.設計體會19\o"CurrentDocument"附錄20\o"CurrentDocument"參考文獻22選題背景原始資料、待設計發(fā)電廠為水力發(fā)電廠；發(fā)電廠一次設計并建成，計劃安裝2X15MW的水力發(fā)電機組，利用小時數4000小時/年；、待設計發(fā)電廠接入系統(tǒng)電壓等級為110kV，距系統(tǒng)110kV發(fā)電廠45km；出線回路數為4回；、電力系統(tǒng)的總裝機容量為600MVA、歸算后的電抗標幺值為，基準容量Sj=100MVA；、低壓負荷：廠用負荷(廠用電率)%；、高壓負荷：110kV電壓級，出線4回，山級負荷，最大輸送容量60MW,cose；、環(huán)境條件：海拔＜1000m；本地區(qū)污穢等級2級；地震裂度V7級；最高氣溫36P；最低溫度一^；年平均溫度18P；最熱月平均地下溫度20C；年平均雷電日T=56日/年；其他條件不限。設計任務、根據對原始資料的分析和本變電所的性質及其在電力系統(tǒng)中的地位，擬定本水電站的電氣主接線方案。經過技術經濟比較，確定推薦方案。、選擇變壓器臺數、容量及型式。、進行短路電流計算。、導體和電氣主設備(各電壓等級斷路器、隔離開關、母線、電流互感器、電壓互感器、電抗暴(如有必要則選)、避雷器)的選擇和校驗。、廠用電接線設計。、繪制電氣主接線圖。二電氣主接線設計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確，我們原始資料對分析計算如下；根據原始資料中的最大有功及功率因數，算出最大無功，可得出以下數據電壓等級線路名稱最大有功（MW）最大無功（MVAr）COS①負荷級別Tmax110KV回路11514000回路2回路3回路4電氣主接線設計依據電氣主接線的主要要求為：1、可靠性：衡量可靠性的指標，一般是根據主接線型式及主要設備操作的可能方式，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，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、調度靈活。3、經濟性：通過優(yōu)化比選，工程設計應盡力做到投資省、占地面積小、電能損耗小。主接線設計的一般步驟1、對設計依據和基礎資料進行綜合分析。2、確定主變的容量和臺數，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和經濟綜合比較，確定最佳主接線方案。技術經濟比較發(fā)電機電側電壓（主）接線方案110Kv側由于本電站是小水電，不承擔主要負荷，沒有重要機端負荷，從接線的可靠性、經濟性和靈活性考慮，在我國運行的成熟經驗一般采用單母線接線方式。所以本電站，110Kv側采用單母線接線。主接線方案擬定（一）根據我國現行的規(guī)范和成熟的運行經驗，結合本設計水電站的實際，現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用電（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、靈活性和經濟性的原則，結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，其可靠性和靈活性都很相近，廠用電都是在發(fā)電機側取得，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）技術比較方案的技術特性分析，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較復雜。從維護與檢修：方案3的維護相比方案2較復雜，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及其復雜程度。對任何接線方案都能實現可靠的繼電保護，由于一次設備投資遠遠大于二次設備的投資，所以即使某個別元件保護復雜化，也不能作為不采用較經濟接線方案的理由。（2）經濟比較經濟比較中，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。電氣設備的綜合投資是電氣設備出廠價格、運輸機安裝費用的總和，又稱電氣設備的基建投資費。一次性綜合投資O=O（1+4~）（元）0100式中：00—主體設備基價，主要包括主變壓器、開關設備；d—設用于運輸基礎加工，土石方附加費的比例系數，通常對110KV取值90，35即取值100。②、年運行費用年運行費用，包括個電氣設備的每年折舊費及維護檢修費。電氣設備年折舊費、維修費可以通過查表得到。經過計算比較結果，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荷中心，水電站的廠用電很少（％），且沒有地區(qū)負荷，因此，選擇主變壓器的容量應大致等于與其連接的發(fā)電機容量。水電廠多數擔任峰荷，為了操作方便，其主變壓器經常不從電網切開，因此要求變壓器空載損耗盡量小。3.1.1相數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。根據設計手冊有關規(guī)定，當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，同時本電廠的運輸地理條件不受限制，因而選用三相變壓器。3.1.2繞組數量和連接方式的選擇（1）繞組數量選擇：根據《電力工程電氣設計手冊》規(guī)定：“最大機組容量為125MW及以下的發(fā)電廠，當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110KV及以上的電壓，變壓器繞組都采用Y0連接，35KV一下電壓，變壓器繞組都采用連接。結合很電廠實際，因而主變壓器接線方式采用YN,d11。主變壓器的臺數、容量及型式在比較的三個方案中，需要兩臺同容量的110KV雙繞組有載調壓電力變壓器：20MVA（兩臺）。結合本電廠實際，從經濟性的角度出發(fā)，選擇型式為：雙繞組有載調壓電力變壓器。通過查閱《電力工程電氣設備手冊，電氣一次部分》可知其主變壓器的參數如下表電力變壓器技術參數型號額定容量（KVA）額定電壓（KV）空載電流（%）空載損耗KW負載損耗KW阻抗電壓（%）高壓低壓SFZL7—20000/11020000110±8X%30104廠用變壓器的選擇選擇原則：為滿足廠內各種負荷的要求，裝設兩臺廠用變壓器，廠用電容量得確定，一般考慮廠用負荷為發(fā)電廠總負荷的1%~2%，此發(fā)電廠的廠用負荷為總負荷的％。S=%x30000KVA=330KVA。根據選擇原則，并通過查找《電力工程電氣設備手冊，電氣一次部分》選出廠用的兩臺變型號都為S=：型號額定容量(KVA)額定電壓(KV)空載電流(%)損耗W阻抗電壓(%)連接組標號高壓低壓空載短路SZ6—400/10400387042004Y，yn0SZ7—400/1040092058004通過對比兩臺廠用變壓器的型號定為SZ6-400/10雙繞組有載調壓電力變壓器，兩臺廠用變分別接于主變低壓側，互為暗備用，平時半載運行，當一臺故障時，另一臺能夠承但變電所的全部負荷。由于廠用變壓器是兩臺，互為暗備用，平時半載運行，當一臺故障時，另一臺能夠承但變電所的全部負荷。所以其母線可采用單母線分段接線；接線圖如下圖7：四.短路電流的計算電路簡化圖8：圖8電路簡化計算各元件的標么值取查得發(fā)電機變壓器Sc100…cX=X=X-j=0.26x=1.38712dS15n0.8U2%SX=Xi—34100S10.5n=x5.3100=0.56S.=100MVAXd=0.26X=XLSj5IU2j_0.4x45x100=4x110.25=0.148

線路X6=X7+X=0.148+0.3=0.448電抗等值短路阻抗圖9：圖9等值短路阻抗短路電流計算dl點短路電流計算X=X=1.947并按分布系將X1和土串聯得X7；'因系統(tǒng)及電站?、2發(fā)電機電源通過公共阻抗X3供電；故須進行簡化,并按分布系數法求出短路點到各電源間的轉移阻抗想X1O、X11。X6與X7并聯為；②計算阻抗發(fā)電機系統(tǒng)③求短路電流發(fā)電機1?2為查得運算曲線得；X10X11X12Xjs2Xjs2Xjsc0.448xL947=0.3640.448+1.947X=_^=0.8136X=_^=01877?X3=0.364+0.56=0924X0=竺=1.14C0.813X10.924-^0==4.94C0.1872=0.26=0.26=X11=1.14Xjs1.2=0.26I=4.29I=3.253*z0.2

I=3.37I*z0-1=3.133*z2系統(tǒng)I*4=3.098/SI=—_n1.2=一n1.2把Uv'3x10.5=0.329KAI01=I*01112=3.375x0.329=1.11KAIzI0.2z4I=4.29x0.342=1.42KAn1.2=I*z0=I'Iz4z1.2Sff=IffS=4.429x6=26.57MVA21=3.253x0.329=1.094KAz1=3.098x0.329=1.02KAd*zn1.2I2=I*2112=3.133x0.329=1.031KAIj0.3Sj_10°=5.50KA<3x10.5S〃d0.2=I*S=3.253x6S〃d0.20.2n1.2I=I"=I=II=0.877x6.10=5.35KAzzzt*zcjcI=I=I=_L=0.877*zc*zc*ztcX期分量為；dl點短路電流周S；=S1.2=I*zcSjC=0.jX100=87.7EI〃=1.45+5.35=6.77KAzI=1.11+5.35=6.46KAz0.1I=1.094+5.35=6.44KAz0.2I=1.02+5.35=6.37KAIz4=1.031+53.5=6.38KAz2S〃=26.57+87.7=114.27MVAdSd02=19.52+87.7=108.22MVA期分量為；dl點沖擊電流及全電流最大有效值;查得K=1.9ch=v2X1.9X6.765得=18.18KA七=0.93I=I"；K2+2(K+K)2chzzchz=6.76%'50.932+2(1.9—0.93)2=1.657x6.765=11.21KAd1點短路時，4s熱效應為，用期分量熱效應為；Qt=Qt+Q仞I”2+101%+12ztQ廣-14^t6.7652+10x6.3812+6.372/=x4112=164.50KA2S非同期分量熱效應為;查得Ta=則Qf=TI〃2=0.2x6.7652Qt=Q=9Q件1我50+9.153=173.65KA2Sd2點短路=X4+X2=1.947計算電抗1.947—=0.97352js1.2=X土8Sj=1.1430=0.973x=0.292100jsc同期分量短路電流發(fā)電機1?2=0.292js1.2查得運算曲線為I:'=3.845In1.2I*02=3.085I:'=3.845In1.2I*02=3.085I*4=3.032S—?12-30加3X110jI=3.105I*'2=3.0380.157KAI〃=3.845x0.157=0.605KAIz=3.105x0.157=0.487KAz0.1I=3.085x0.157=0.484KAz0.2I=3.038x0.157=0.478KAI42=3.032x0157=0.476KA系統(tǒng):S〃=I〃S=3.845X30=115.35MVAd*zn1.2S=IS=3.085X30=92.55MVA'.".1I='?疽1=諉=0.875100*zcIj37一=0.525KAv'3x110Izc=I"=Izczct0525=0.60KA0.875S：=Sd=0.875x100=875MVAd2點短路電流同期分量值為；r=0.605+0.60=1.205KAzI=0.487+0.60=1.087KAz0.1I=0.484+0.60=1.084KAz0.212=0.478+0.60=1.078KAI=0.476+0.60=1.076KAS，=115.35+87.5=202.85MVAdSd02=92.55+87.5=180.05MVA④d2點短路沖擊電流及全電流最大值；查得K=1.85K=0.96i人=顯K^I"=42x1.85x1.205=3.15KAIh=1.205/0.962+2(1.85—0.96)2d2點短路，4s熱效應為I〃2+1012+I2Q=-2tzt121.2052+10x1.0852+1.0762/=x412=4.81KA2SQ=TI"2'Xa'Ta應按發(fā)拉立支路的R值來計算;查得變壓器發(fā)電機X=15RX=60R0.3R=——=0.02

15R=0260.004360則支路的阻抗得;R,+jX,=0.0243+j0.56X0.56__=230.0243=0.02+0.0043+j(0.3+0.26)Qt=0.11x1.2052=0.160KA2SQd=4.81+0.1579=4.97KA2S五電氣設備選擇及校驗電氣設備選擇的一般規(guī)定選擇與校驗電氣設備時，一般應滿足正常工作條件及承受短路電流的能力，并注意因地制宜，力求經濟，同類設備盡量減少品種，同時考慮海拔、濕熱帶、污穢地區(qū)等特殊環(huán)境條件。按正常工作條件選擇電器、電纜允許最高工作電壓Umax不得低于該回路的最高運行電壓氣，即^max>氣；電器、導體長期允許電流匕不得小于該回路的最大持續(xù)工作電流1max，即1maxf。在計算發(fā)電機變壓器回路最大持續(xù)工作電流時，應按額定電流增加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%。在選擇導體、電器時，應注意環(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+400C（但不高于600C）時，環(huán)境溫度沒增加10C，建議較少額定電流%；當環(huán)境溫度低于+400C，每低10C,建議增加額定電流%，但最大過負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，可選用一般產品。5.1.2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)定校驗七21-烏式中：，一電器設備允許通過的熱穩(wěn)定電流及相應時間4—短路電流產生的熱脈沖計算用Q下式：dtQt=-t2（尸2+1012+I2）+TI〃2??1式中：I"、I、七—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（kKA）k2tk—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一短路電流非周期分量等效時間，對于發(fā)電機出口可取?，發(fā)電廠升壓母線取?，一般變電所取。若切除時間大于1S,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，當回路的沖擊系數與設備規(guī)定值不同，而且沖擊電流值接近于設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：i<i^I<Ichdf^或chdf式中：ish一短路沖擊電流峰值（KA）；Ich一短路全電流有效值（KA）；1df一電器允許極限通過電流峰值（KA）；七一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。、《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》“用熔斷保護的導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，導體和電器的動穩(wěn)定仍應驗算?！睂w、電纜的選擇和校驗導體截面可按長期發(fā)熱允許電流或經濟電流密度選擇。對年負荷利用小時數Tmax>5000h，傳輸容量大，長度在20m以上的導體如發(fā)電機、變壓器的連接導體，其截面一般按經濟電流密度選擇。在本水電站具體的情況下，10kv機端母線及導體按經濟電流密度選擇，而110kv母線及導體按長期發(fā)熱允許電流選擇。選擇結果：、110Kv母線選擇LGJ—800/55型鋼芯鋁絞線。、與系統(tǒng)相連的出線導線選擇LGJ—800/55型鋼芯鋁絞線。斷路器和隔離開關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合電流熱穩(wěn)定動穩(wěn)定斷路器UN>：UNsJN-」rImaxNbr1-應滿足要求應滿足要求選擇結果如下：機端斷路器選擇SN10—10O/型斷路器。主變出口斷路器選擇SW4—110/1000型斷路器。與系統(tǒng)相連的出線斷路器選擇SW4—110/1000型斷路器。廠用變進線選擇斷路器SN10—10I/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UnZUNNmax應滿足要求應滿足要求選擇結果如下：、機端隔離開關選擇GN1—10/2000—85型隔離開關。、主變出口隔離開關選擇GW4—110D/1000—80型隔離開關。、與系統(tǒng)相連的出線隔離開關選擇GW4—110D/1000—80型隔離開關。、廠用變進線隔離開關選擇GN6—10/600—52型隔離開關。動熱穩(wěn)定校驗均滿足，只有廠用變進線隔離開關加限流電抗暴后才滿足。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：UN-UNs0-1max，二、按將短路電流限制到一定數值的要求來選擇。設電源至電抗器前的系統(tǒng)電抗標么值是X'，則所需電抗器的電抗標么值七七=七￡一吒￡。以額定參數下的百分電抗表示，則應選擇電抗器的百分電抗為：x(%)=(上-X)1-NU&X100%L1”*s1U三、正常運行時電壓損耗AU(%)按下式校驗?！鱑(%)澆七%Fsin中<5%N四、母線殘壓按下式校驗?！鱑(%)=Xl%匕>(60%~70%)UNN選擇結果：NKSL—10—200—4型電抗器，滿足限流條件和動熱穩(wěn)定校驗條件。、發(fā)電機、變壓器連接導體(10kv)的選擇3條100mmX10mm豎放矩形鋁導體。動熱穩(wěn)定均滿足校驗條件。電流、電壓互感器的選擇和校驗根據相關規(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，設互感器離測量儀表的距離均為100m，，設互感器離測量儀表的距離為40m。選擇步驟大致如下：一、根據相關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。選擇結果如下：、10kV機端電流互感器選擇LMZ1—10屋內型，變比2000/5。、110kV母線及進出線電流互感器選擇LCWD—110屋外型，變比1000/5。、廠用變壓器進線電流互感器選擇LFZJ1—10屋內型，變比100/5。、10kV機端電壓互感器選擇JSJW—10型。、110kV母線及進出線電壓互感器選擇JCC2—110型。、廠用變壓器進線電壓互感器選擇JSJW—10型。動熱穩(wěn)定均滿足校驗條件。避雷器的選擇和校驗避雷器的選擇避雷器選擇時，應考慮保護電器的絕緣水平，使用特點。根據避雷器選擇原則，該發(fā)電廠避雷器選擇結果如下表所示：避雷器的選擇結果安裝地點型號額定電壓有效值(kV)發(fā)電機出口—31發(fā)電機中性點Y1W5—19110kV母線出