水力发电厂电气一次部分设计计划书

1 水力发电厂 电气一次部分设计 计划书 一、概 述 1 1 概况 该电站位于某山区的一条水河流上，汇流面积为 831 平方公里。整个水利枢纽布置如图所示。充分利用当地的石料资源而建筑的堆 (砌 )石坝，坝高 53 米，水头 38 米，引用流量 17 秒立方：经 2600 米长的明渠将水流引至压力前池，再分配到每台水轮发电机组。经水能规划设选定装机为 1500 ，共 3 台卧式水轮发电机组。该电站水库为不完全周调节，单级开发，以发电为主。 年利用小时数 4000 小时。保证出力 1500年平均发电量 16810 厂用电负荷： 123右 。 水轮发电机型号参数 ： 型号 ： 4500=转方向为俯视逆时针； 定转速000r/ 它资料 年均最高气温： 30 ，年均最低气温： 1 ，多年平均雨量： 1100暴时数： 40 日 /年，交通较方便，公路可直抵电站厂房，当地山势较缓，海拔高度约在 800m 左右，出线走廊易于确定。 二、接入系统方式及 设计方案选择 2 该电站在系统中属于非主力电站，该电站以 两回出线与系统相连，其潮流为双向，即丰水期将多余的电量馈送给系统，枯水期缺电时，则由系统以 00A 向该地区供电，另外，该电站以 6 回出线 (距离均大于 3近区供电，其中两回线供 负荷各 1000余各回供 负荷各 500 电气主接线的设计应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。 （一）可靠性 安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电是电气主接线最基本的要求。在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、 设备制造水平及运行经验等诸多因素。主接线的设计主要从如下几个方面考虑： （ 1）断路器检修时，不影响对系统的供电。 （ 3）发电厂或变电站全部停电的可能性。 （ 4）大型机组突然停运时，对电力系统稳定运行的影响与后果等因素。 （ 5）瞬时故障、永久故障及检修停电的影响。 （三）经济性 主接线的经济性与可靠性、灵活性要求往往是矛盾的。在满足前提可靠性、灵活性下做到经济合理。 （ 1）主接线应简单清晰，以节省开关器的数量、选用价廉的电器 3 或轻型电器，节省一次投资。 （ 2）主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽量使占地面积减少，同时还注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用等。 （ 3）经济合理地选择主变压器的型式、容量和数量，要避免因两次变压而增加电能损失。 气主接线设计原则及方案 根据电站在系统中的地位和作用 , 综合考虑电站的水文气象、动能特性、建设规模、接入系统设计、枢纽总体布置、形和运输条件等因素 , 电气主接线设计以满足用户或电力系统的供电可靠性和电能质量要求 , 在技术先进、经济合理的前提下 , 尽量使接线简单、清晰、操作维护方便、灵活并应满足电站发电及最终规模的运行要求的原则。 计方案： 6压等级 鉴于出线回路多，且 发电机的额定电压为 采用屋内配电，其负荷亦较小 （为和类负荷） ，因此，可能采用单母线不分段或单母线分段接线形式。 三台机组均接于单母线上或两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压 35系统相连。由于机组均接于 6线上，为选择轻型电器，应在分段处加装母线电抗器，各条馈线上装设出线电 4 抗器。 35压等级 只有两回出线与系统相连， 丰 水期将多余的电量馈送给系统，枯水期缺电时，则由系统以 00A 向该地区供电 。丰水期和枯 水期的调度不同， 从 灵活性角度 考虑，应采用单母线不分段式接线形式。 三、设计步骤 择原则 (1) 电气设备选择符合“导体和电器选择设计技术规定”的要求。 (2) 水轮发电机的参数除满足电站运行要求外 , 还应满足电站接入系统的要求。发电机中性点接地方式应有利于提高机组安全运行水平。 (3) 主变压器的容量与其连接的发电机容量相匹配 , 其有关参数除满足电站运行要求外 , 还应满足电站接入系统设计要求。为满足铁路和公路运输的要求 , 主变选择单相变压器。 (4) 发电机出口装设专 用的发电机出口断路器和电气制动开关。 电机 根据任务书所给水轮发电机的结构型式为卧式 ,其主要技术参数如下 : 型 号 45 额定容量 1500定电压 定电流 定功率因数 = 率 50定转速 1000r/暂态电抗 变压器及厂用变压器 该电站总装机容量为： 31500因 35回线路间 有 交换功率，负荷绝大部 分为三级负荷，而一、二级负荷较少，所以拟选主变压器 两 台，其容量选择按发电机母线上供电负荷为最小值并能将剩余电功率送入电网来确定， 容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。他的确定除依据传递容量基本资料外，还应根据电力系统 5送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析合理选择。 主变压器台数的选择 小型水电站不应采取三台以上变压器为，运行经验证明某些电站的机组较多，但其总容量在系统中所占比重不大，采用一台主变压器也是可取的。 主变压器相数的选择 6 考虑原 则 :该水电站容量较小，小型水电站宜采用三相油浸式变压器，并根据国家节约能源的规定采用低能耗变压器。故本水电厂电气主接线的主变压器应选三相变压器。 主变压器选型 35列三相油浸自冷式铜线电力变压器为无载调压，调压范围为 5% 变型器型号为： 5 主要技术参数如下： 额定容量： 3150 定电压：高压 35（ 低压 阻抗电压（ %）： 接组： Y,d 11 空载损耗： 9400w 短路损耗： 33500w 空载电流（ %）： 择： 厂用电负荷包括厂用电高压计算负荷和厂用电低压计算负荷，近似计算，以 123为近似计算，只要厂用变压器容量大于 123时考虑安全裕量。通过上述原则，可以知道厂用变压器的额定电压为 6选用 2 台 50容量的双绕组变压器，分别供两段母线，查有关设计书 7 得： 厂用变的额定容量： 200 在发电厂和变电所电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。其计算的目的的主要有以下几个方面： 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用限制短路电流的措施，均需进行必要的短路电流计算。 2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障状况下都能安全、可靠的工作。同时又力求节约资金，这就需要按短路情况进行全面校验。 3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线相间和相对地安全距离。 4）在选择继电保护方式和进行整定计算，需以各种短路时的短路电流为依据。 5）接地装置的设计，也需用短路电流。 短路电流计算条件 1）正常工作时，三项系统对称运行 2）所有电流的电功势相位角相同 3）电 力系统中所有电源均在额定负荷下运行 8 4）短路发生在短路电流为最大值的瞬间 5）不考虑短路点的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计 6）不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流 7）元件的技术参数均取额定值，不考虑参数的误差和调整范围 8）输电线路的电容略去不计 2、一般规定 1）验算导体的电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统远景的发展计划。 2）选择导体和电器用的短路电流，在电器连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电 容补偿装置放电电流影响。 3）选择导体和电器时，对不带电抗回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大地点 4）导体和电器的动稳定、热稳定和以及电器的开断电流，一般按三相短路计算。 该站最大运行方式为： 3 台机组满发并网运行；最小运行方式为：1500组 1 台发电，保证出力且并网运行。线路均按 3算，电抗系数为 M 。 短路计算基准值（ 100 ） 额定电压 基准电压 基准电流 基准电抗 )()()()( 9 6 5 37 单台发电机 :001007100300 厂用变压器： 2020010*100100410031001 路： N 路： 220876543 0对于 1K 点 最大运行方式： )31( 11m a x 11m i n K 点， 最大 运行方式： 4 ) / / 2 031(/)31( 12m a x 12m i n 10 对于 6 回路出线： X 对于系统： X 发电机侧： 最大运行方式下： X，最小运行方式下： -变换， 在最大方式下， 7 2 0 2 3 ( 3 11(321214 0 2 3 ( 3 11(321316 所以，此时3 7 2 643m a x 0 2 3 ( 3 11(321214 0 2 3 ( 3 11(321316 所以，此时3643m i n 小运行方式下的短路电流计算 对于 1K 最大运行方式： 短路电 流为： p 3 7 1 11m a a x 最小运行方式： 短路电流为： p 2 2 1 11m i i n 11 对于 2K 最大运行方式： 短路电流为： p 7 4 1 22m a a x 最小运行方式： 短路电流为： p 8 8 1 22m i i n 对于3 短路电流为： p 1 23m a a x 最小运行方式： 短路电流为： p 0 1 1 23m i i n 上述短路电流和短路冲击电流都是在三相短路时计算出来的，由于两相短路电流是三相短路电流的 ，故两相短路电流和短路冲击电流均是三相的 对于 1K 最大运行方式 : 两相短路电流为： p 3 2 a x 最小运行方式： 两相短路电流为： p 1 9 i n 对于 2K 点 最大运行方式： 12 两相短路电流为： p 1 1 a x 最小运行方式： 两相短路电流为： p 6 3 i n 对于3最大运行方式： 两相短路电流为： p 9 7 a x 最小运行方式： 两相短路电流为： p 7 4 i n 最大、最小方式下 三相、两相短路电流的值如下表所示： 最大运行方式 最小运行方式 三相短路电流 （ 两相短路电流（ 三相短路电流（ 两相短路电流（ 1K K 要电气设备的选择及校验 高压断路器 和高压隔离开关的选择 高压断路器主要功能是：正常运行倒换运行方式，把设备或线路接入电网或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路，保证无故障部分正常运行，起着保护作用。 13 额定电压和电流选择： m a x, 式中， 流，电流和电网的最大负荷分别为电气设备的额定 电压的额定电压，分别为电气设备和电网 m a x, , 开断电流选择： I 或 I 式中， 短路电流流周期分量实际开断瞬间的短路电电流高压断路器的额定开断式中，短路电流最大冲击值断路器的额定关合电流c 短路热稳定和动稳定校验： ,2发电机断路器和隔离开关选择 发电机最大持续工作电流为 : o a x 根据发电机回路的选 000000型隔离开关。由断路器和隔离开关的参数得 2根据2 查短路电流计算曲线，可知：120 2，此时有名值为 A ，12 4 I I K A，所以， 2 2 2 2 2 2 2 22( 1 0 ) ( 4 . 5 2 3 1 0 4 . 6 9 4 . 6 9 ) 4 3 . 7 3 ( ) 1 2 1 2tk I I K A s ， 1 . 9 2 1 . 9 2 4 . 5 2 3 1 2 . 1 5 K A 计算数据 000000型隔离开关 14 I ( ) K A s 512216 22 tI t)( 2 2 2 23 1 . 5 2 1 9 8 4 . 5 ( ) tI t K A s 由上表可见，所选 000000 型隔离开关满足热、动稳要求。 6类负荷最大持续工作电流为： 0 a x 类负荷最大持续工作电流为： 0 a x 根据 6选 30 型户内真空式断路器和 00 型隔离开关。由断路器和隔离开关的参数得5，根据 3K 短路点处最大运行方式下短路电流标幺值 查短路电流计算曲线，可知：240 8，此时有名值为 A ，24 2 I I K A,所以， 23 6 . 2 6 ( ) A s， 6 0A计算数据 30 00 I 20 15 由上表可见，所选 30 型断路器和 00 型隔离开关满足热、动稳要求。 6由于母线侧首发电机的影响，以及为后面设备选择提供方便，所以取最大持续工作电流为发电机额定电流的 50 ,即：m a x 11 1 7 1 . 8 8 5 . 922 A ，根据 6线回路的选00型真空断路器和 00断路器和隔离开关的参数 得 4根据2下短路电流标幺值 查短路电流计算曲线，可知： 120 2 ，此时有名值为 A ，12 4 I I K A，所以 28 7 . 4 7 ( ) A s， 1 2 A， 计算数据 00 00I )( 2 28 3 0 2 )( 2 22 0 4 1 6 0 0 )( 2 22 0 5 2 0 0 0 )( 2 210 5 500 )( 2 16 )( 2 上表可见，所选 00 型断路器和 00稳要求 35最大持续工作电流为： 37331 5 0 a x 根据 35路的选 00 型户外少油式断路器和 00断路器和隔离开关的参数得 ，根据 1K 短路点处最大运行方式下短路电流标幺值 查短路电流计算曲线，可知：240 8，此时有名值为 A ，24 0 . 4 6 5I I K A，所以 20 . 8 4 ( ) A s， 0 6A， 计算数据 00 00I )( 2 )( 2 1024416 2 )( 2 上表可见，所选 00 型断路器和 00稳要求。 17 主变压器断路器和隔离开关选择 高压侧最大持续工作电流为： 15 a x 低压侧最大持续工作电流为： a x 由于主变压器高压侧与 35线相连，可以用 35线的断路器和隔离开关，即 00型户外少油式断路器和 00过热、动稳校验满足要求。 由于主变压器低压侧与 6以用 6线的断路器和隔离开关，即 30 型户内真空式断路器和 00型隔离开关，通过热、动稳校正满足要求。 依据安装地点和作用，普通电抗器可分为母线电抗器和线路电抗器两种。 线路电抗器 电路电抗器主要用来限制电缆馈线回路短路电流。由于电缆 的电抗值较小且有分布电容，即使在电缆馈线末端发生短路，短路电流也和母线短路差不多。馈线上装线路电抗器，从发电厂和用户整体来看比较合理，一般电抗百分值取 3 6。（类负荷m a x 2 1 2 0 ；类负荷m 6 0 ） 所以，根据电抗器，初步将电抗值定为 006。 在 1， 27 . 5 2 ( ) A s， 6 0A，满足热、动稳校正满足要求，此时 18 计算电抗标幺值0 0 9 1 6 0 1 0 0 0 00 . 0 6 4 . 3 62 0 0 6 3 0 0U ，归算到基准值下面的计算电抗 5 . 8 2 54 . 3 6 0 . 2 5 4100 ，故 ，所以，查短路电流计算曲线得 0 . 5 1 0 . 2 9 8I I I ，此时有名值为 0 . 5 1 2 . 7 3I I I K A ，则电压损失和残压分别为： 0 0 00 0 01 2 0 . 30 . 0 6 0 . 6 2 . 1 7 5200U 0 0 0 00 0 0 027306 8 1 . 9 7 0200 热、动稳校验： 2 2 27 . 4 5 3 ( ) 1 2 . 6 ( ) A s K A s 6 . 3 6 8 1 5 . 3 A K A 可见，电压损失、残压、热动稳均满足要求，所以电抗器 母线电抗器 母线电抗器装设在母线分段处，其目的是让发电机出口断路器、变压器低压侧断路器、母联断路器和分段断路器 等都按各回路额定电流来选择，不因短路电流过大而使容量升级。母线电抗器用于限制并列运行发电机所提供的短路电流，其额定电流通常按母线上事故切除最大一台发电机时可能通过电抗器的电流进行选择，一般取发电机额定电流的 50 80，电抗百分值取为 8 12。（。 根据步将电抗值定为 008。在 1， 22 1 . 8 7 ( ) A s， 1 2 A，满足热、动稳校正满足要求，此时 19 计算电抗标幺值0 0 9 1 6 0 1 0 0 0 00 . 0 8 2 . 9 04 0 0 6 3 0 0U ，归算到基准值下面的计算电抗 5 . 8 2 52 . 9 0 0 . 1 6 7100 ，故 0 . 1 6 7 2 . 0 2 5 2 . 1 9Lx x x 所以，查短路电流计算曲线得 ，0 0 6，此时有名值为 A ， 0 . 5 1 4 . 4 5 2I I K A ，则电压损失和残压分别为： 0 0 0 0 00 0 0 0 043428 8 6 . 8 4 7 0400r e 热、动稳校验： 2 2 21 9 . 7 4 ( ) 1 0 ( ) A s K A s 1 1 . 6 7 ( ) 2 5 . 5 A K A 可见，电压损失、残压、热动稳均满足要求，所以电抗器 互感器是电 力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。互感器将高压、大电流按比例变成低电压（ 100、100/ 3 V）和小电流（ 5、 1A），其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表和继电保护等。 为了确保工作人员在接触测量仪表和继电器的安全，互感器的每一个二次绕组必须有一可靠的接地，以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。互感器包括电流互感器和电压互感器。 m a 0 00 0 0 08 5 . 9s i n 0 . 0 8 0 . 6 1 . 0 3 5400 20 发电机电流互感器选择 根据发电机回路的选 穿墙式电流互感器，其额定电流比 300/5,准确级 ，二次负荷额定阻抗为 ,动稳定倍数 135，热稳定倍数 75。 热、动稳校验 2 2 2 21( ) ( 7 5 0 . 3 ) ( ) 4 3 . 7 3 ( ) K A s K A s 12 2 0 . 3 1 3 5 5 7 . 2 8 1 2 . 4 9N e K A K A 所以， 稳要求。 6根据 6路的选 复匝式绝缘浇注电流互感器，其额定电流比 200/5,准确级 ，动稳定倍数 210，热稳定倍数 120。 热、动稳校验 2 2 2 21( ) (1 2 0 0 . 2 ) 5 7 6 ( ) 3 6 . 2 6 ( ) K A s K A s 12 2 0 . 2 2 1 0 5 9 . 4 0 6 . 0 3 0N e K A K A 所以， 稳要求。 6根据 6 型复匝式绝缘浇注电流互感器，其额定电流比 400/5,准确级 1 级，动稳定倍数 130，热稳定倍数 75。 热、动稳校验 21 2 2 2 21( ) ( 7 5 0 . 4 ) 9 0 0 ( ) 8 7 . 4 7 ( ) K A s K A s 12 2 0 . 4 1 3 0 7 3 . 5 8 1 2 . 1 5N e K A K A 所以， 稳要求。 35根据 35路的 可选 瓷绝缘户外型电流互感器，其额定电流比 200/5,准确级 ，二次负荷额定阻抗为 2 ，动稳定倍数 100，热稳定倍数 65。 热、动稳校验 2 2 2 21( ) ( 6 5 0 . 2 ) 1 6 9 ( ) 0 . 8 4 ( ) K A s K A s 12 2 0 . 2 1 0 0 2 8 . 2 8 0 . 9 8 6N e K A K A 所以， 电流互感器满足热、动稳要求。 主变压器电流互感器选择 根据主变压器回路的 可选 瓷绝缘户外型保护电流互感器 ，其额定电流比 400/5,准确级 ，二次负荷额定阻抗为 2 ，动稳定电流 15A，热稳定倍数 10A。 热、动稳校验 2 2 21 0 ( ) 1 9 . 7 4 ( )K A s K A s 1 5 1 1 K A K A 所以， 稳要求。 电压互感器 的基本要求 ： 1. 一次回路电压的选择 22 为了确保电压互感器安全和在规定的准确 等级下运行，电压互感器一次绕组所接电网电压应满足下列条件：110 . 8 1 . 2N N s U2. 二次线路电压的选择 电压互感器的二次侧额定电压应满足保护和测量使用标准仪表的要求。 3. 容量和准确级选择 首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器的接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择电压互感器的准确级和额 定容量。电压互感器的额定二 次 容 量 应 不 小 于 电 压 互 感 器 的 二 次 负 荷 ， 即 ：22222 0 0( c o s ) ( s i n )S S S， 0S 为各仪表的视在功率， 为各仪表的功率因数。 4. 由于电压互感器两侧均装有熔断器，故不需进行短路的力稳定和热稳定校验。 电压互感器选择如下： 位置 电器 发电机 66 355阀型避雷器的选择 23 按额定电压选择：要求避雷器额定电压与系统额定电压一致。 校验避雷器的最大容许电压（灭弧电压） 校验工频放电电压，一般应大于最大运行相电压的 国产避雷器与电气绝缘完全可配合，一般均不必作冲击放电电压及残压的校验。 管型避雷器的选择 管型避雷器的选择根据安装点的额定电压及可能产生的短路电流的范围决定。 遮断续流的上限应大于雷雨季节系统最大运行方式时的计算短路电流 ，并包括非周期分量第一个半周波短路电流的有效值，一般乘以 管型避雷器在使用过程中，随着动作次数的增加，管经逐渐增大，下限电流将升高，故选择下限电流要留有一定裕度。 管型避雷器的伏安特性决定于内外火花间隙的大小。 通过查表得出避雷器的基本参数 位置 电器 发电机 63555熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电器设备免受过载和短路电流的 损害，保护电压互感器的高压熔断器只须与开断能力两项进行选 24 择。 1） 额定电压选择，U 2） 额定电流选择 ： 熔断器的额定电流选择，包括熔管和熔体的额定电流的选择。为了保证熔断器器壳不致损坏，高压熔断器的熔管额定电流应大于、等于熔体的额定电流，即：I 为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外的短路用电动机自启动等冲击电流时误动作，保护 35经下电力变压器的高压熔断器，其熔体的额定电流可按下式选择：m a K 为可靠系数， 不计电动机自启动时 , 变压器回路最大工作电流。 3） 熔断器开断电流校验：I 取 , 6： 供类负荷的出线回路： a x 类负荷的出线回路： N 5 a x 选择熔断器如下表所示 列 额定电压 定电流 定电压 定电流 25 6供类负荷的出线 6 200 供类负荷的出线