河海大学电气工程课程设计.doc

电气工程基础课程设计目录一、设计内容3二、原始资料3三、接入系统设计43.1选择水轮机型号43.2线路电压等级选择43.3导线类型选择53.4按照经济电流密度选择导线截面积53.5输电线路选择及校验53.5.1电晕校验53.5.2发热校验53.5.3电压损耗校验6四、地方用户供电方案64.1回路数选择64.2线路电压等级选择64.2.1用户最大电能64.2.2考虑5年发展64.3导线类型选择74.4按照经济电流密度选择导线截面积74.5输电线路选择及校验74.5.1电晕校验74.5.2发热校验74.5.3电压损耗校验8五、发电厂主变压器选择85.1可行性方案一85.2可行性方案二9六、主变方案的经济比较116.1综合投资计算116.2年运行费U的计算116.2.1设备折旧费U1116.2.2维修费U2116.2.3年电能损耗费计算126.3方案的经济比较13七、短路计算147.1计算各设备参数，绘制系统的等值网络147.2网络化简157.3计算各短路点的电流周期分量167.3.1短路点1（220KV）167.3.2短路点2（110KV）177.3.3短路点3（13.8KV）19八、高压电气设备选择218.1断路器与隔离开关的选择218.1.1 220KV高压侧218.1.2 110KV中压侧218.1.3 13.8KV发电机出口处228.2电压互感器的选择228.3电流互感器的选择238.3.1 220kV电流互感器的选择238.3.2 110kV电流互感器的选择238.3.3 13.8kV电流互感器的选择23一、设计内容1、 据待建水电站在系统中的地位、作用、运行方式和输送功率、距离，选择技术上满足要求的水电站与系统连接输电线路的回路数、电压等级、导线规格。2、 确定待建水电站技术上满足要求的地方用户供电方案：供电线路回路数、电压等级、导线规格。3、 根据待建水电站电压等级、机组台数、功率输送情况，拟订满足供电可靠性和水电站各种运行方式要求的主变压器可选用方案（主变类型、台数、容量、型号）。4、 根据所确定的主变方案和进出线回路数，通过分析、论证，确定待建水电站各电压等级的主接线型式。5、 设计待建水电站自用电接线，选用自用电变压器台数、容量、型号。6、 通过对选用方案经济比较，选定综合经济指标最优的水电站主变、主接线方案。7、 根据选择、校验电气设备的需要，计算三相短路电源。8、 选择水电站发电机电压和高压电气设备：断路器、隔离开关、母线、TV、TA等。二、原始资料 装机3台水轮机组3*72.5MW，机组年利用小时数Tmax=4400h。厂用电率0.4%，地区最大负荷占电站装机10%，其中一二类负荷占总负荷70%，供电距离15KM，地区负荷cos=0.8。渡江水电站位于贵州省中部，建成后向沈阳市供电。电力系统接线如图21所示。电站建成后，接至相距30公里处的贵河变电所。当地最热月平均气温28，年最高温度40，其他原始数据见接线图及相关表格。表2-1 变压器短路电压百分数发电站名称台数单台容量（MVA）短路电压百分数%遵口火电站2601710.56乌江变218010.5176贵河变218010.5176贵河火电站212012.5 图21 渡江水电站接入系统图三、接入系统设计3.1选择水轮机型号根据水轮机组容量，查相关技术手册选取型号为TS854/156-40的水轮机。具体参数如下：型号机组容量MW额定电压KVCOSTS854/156-4072.513.80.853.2线路电压等级选择PL.max=N装机-P厂-P地方+P转送 PL.max=3*72.51-10%*70%-0.4% =201.405MW 选择2回线，P每回=100.70MW根据回路数、输送功率、年装机利用小时数查表求电压等级，选择电压等级220KV3.3导线类型选择选择LGJ导线3.4按照经济电流密度选择导线截面积Sj=P每回3UNcosj，根据年装机利用小时数查表得j=1.19A/mm2Sj=100.7*10003*220*0.9*1.19=246.75mm2 根据计算所得Sj，查表可得，选取导线标准截面241.27mm2的导线导线型号单根根数及直径（铝）截面面积外径最大电流（70度）rx240/55303.20241.2722.406570.1310.432423.00296.8823.0173570/40122.7269.7313.603070.4500.44170/1063.8068.0511.402890.4500.4413.5输电线路选择及校验3.5.1电晕校验Ucr=84m1m2rlogDeqr =3.92+b273+t Deq=1.26*600mmUcr=84*0.9*0.8*3.92+76273+28*11.2*log1.26*60011.2=329.01KV 3.5.2发热校验正常运行：Ig.maxkQIy kQ=长期允许-环境实际温度长期允许-标准规定最高环境温度=70-2870-25=0.97 kQIy=0.97*657=637.29A Ig.max=PL.ma每回3UNcos*1.05=100.70*1.05*10003*220*0.9=308.31A637.29A 一般取标准规定最高环境温度=25 一回线故障：k=(n-1)kQIynIg.max=2-1*0.97*6572*308.31=1.034 3.5.3电压损耗校验正常运行：U%=PR+QXU2*100%10% U%=PR+QXU2*100%=100.70*30*0.131+100.70*tancos-10.9*0.432*302202 =2.11%10% 一回线故障：U%=PR+QXU2*100%15% U%=PR+QXU2*100%=4.22%15% 四、地方用户供电方案4.1回路数选择 根据需求选择两回线作为地方用户供电选择。4.2线路电压等级选择4.2.1用户最大电能P地方用户=3*72.5*10% =21.75MW 4.2.2考虑5年发展P=P地方用户（1+5%）5=27.76MW 选择两回线，P每回=13.88MW选择电压等级为110KV4.3导线类型选择 选择LGJ导线4.4按照经济电流密度选择导线截面积 Sj=P每回3UNcosj Sj=13.88*10003*110*0.9*1.19=68.02mm2 根据计算所得Sj，查表可得，选取导线标准截面68.05mm2的导线4.5输电线路选择及校验4.5.1电晕校验Ucr=84m1m2rlogDeqr =3.92+b273+t Deq=1.26*60Ucr=84*0.9*0.8*3.92+76273+28*5.7*log1.26*6005.7=194.29KV 4.5.2发热校验正常运行：Ig.maxkQIy kQ=长期允许-环境实际温度长期允许-标准规定最高环境温度=70-2870-25=0.97 kQIy=0.97*289=280.33A Ig.max=PL.ma每回3UNcos*1.05=13.88*1.05*10003*110*0.85=89.99A280.33A 一般取标准规定最高环境温度=25 一回线故障：k=(n-1)kQIynIg.max=2-1*0.97*2892*89.99=1.557 4.5.3电压损耗校验正常运行：U%=PR+QXU2*100%10% U%=PR+QXU2*100%=13.88*15*0.450+13.88*tancos-10.9*0.441*151102 =1.14%10% 一回线故障：U%=PR+QXU2*100%15% U%=PR+QXU2*100%=2.28%15% 五、发电厂主变压器选择5.1可行性方案一发电机输出线采用双母线分段接线，保证系统的可靠性。因为接入系统输电线路，地方供电输电线路均采用双回线，所以变压器联结系统、地方均采用内桥接线。发电机总视在功率：3*72.5/0.85=255.88MVA由设计方案已知条件：P地方用户P总=10%由于两台三相双绕组变压器造价、维护费用、占用场地少所以综合考虑选择两台三相三绕组变压器，高压侧220KV，中压侧110KV，低压侧13.8KV。为保证一台变压器故障时，可以满足系统供电要求255.88*75%=191.91MVA，更具经济性、可靠性综合考虑变压器容量选择为180MVA。P厂=P总*0.4%=217.5*0.4%=0.87MW，视在功率0.87/0.85=1.02MVA厂用电变压器直接连接发电机母线，采用两台1MVA的变压器，出线内桥连接的暗备用设计。根据以上各参数要求，查油浸式电力变压器技术参数及要求第23页，选择额定容量180MVA三相三绕组无励磁调压电力变压器，查油浸式电力变压器技术参数及要求第2页，选择额定容量30KVA三相双绕组无励磁调压电力变压器，具体参数如下表额定容量KVA高压KV中压KV低压KV联结组标号空载损耗KW负载损耗KW空载电流%短路阻抗%升压降压1800002202*2.5%11513.8YNyn0d111425850.42高中2224高低1214中低79高中1214高低2224中低79额定容量KVA高压KV低压KV联结组标号空载损耗KW负载损耗KW空载电流%短路阻抗%1800002202*2.5%13.8YNd111284590.461214250001102*2.5%11YNd1126.01100.6210.51000110.4Dyn111.7010.301.04.5接线图如下： 5.2可行性方案二3台发电机输出线，其中一台采用单元接线，其余两台采用扩大单元接线。这样接线简单，造价低。因为接入系统输电线路，地方供电输电线路均采用双回线，所以变压器联结系统、地方均采用内桥接线。发电机总视在功率：3*72.5/0.85=255.88MVA一台72.5/0.85=85.29MVA，选择90MVA的三相三绕组变压器。两台2*72.5/0.85=170.59MVA，选择180MVA的三相三绕组变压器。P厂=P总*0.4%=217.5*0.4%=0.87MW，视在功率0.87/0.85=1.02MVA厂用电变压器直接连接发电机母线，采用两台1MVA的变压器，出线内桥连接的暗备用设计。根据以上各参数要求，查油浸式电力变压器技术参数及要求第23页，选择额定容量180MVA三相三绕组无励磁调压电力变压器，查油浸式电力变压器技术参数及要求第23页，选择额定容量90MVA三相三绕组无励磁调压电力变压器。具体参数如下表额定容量KVA高压KV中压KV低压KV联结组标号空载损耗KW负载损耗KW空载电流%短路阻抗升压降压1800002202*2.5%11513.8YNyn0d111425850.42高中2224高低1214中低79高中1214高低2224中低79900002202*2.5%11513.8YNyn0d11863510.49额定容量KVA高压KV低压KV联结组标号空载损耗KW负载损耗KW空载电流%短路阻抗%1800002202*2.5%13.8YNd111284590.461214250001102*2.5%11YNd1126.01100.6210.51000110.4Dyn111.7010.301.04.5接线图如下：六、主变方案的经济比较经济比较内容：(注意：只计算各方案中不同的部分)综合投资；计算年运行费用；方案综合比较6.1综合投资计算即：主体综合投资各项附加费用（运输、安装等）附加费用由a系数描述，与变压器容量和电压有关.变压器综合投资计算变压器综合投资ZT=Z0+Z0*a100 电压KV110220a值7090方案参与比较部分项总投资： ZT=ZT1+ZT2+ZTn方案一：180MVA，220KV变压器ZT1=116*1+70100=197.2(万元) 综合投资：ZT=197.2*2=394.4(万元)方案二：180MVA，220KV变压器ZT1=116*1+70100=197.2(万元) 90MVA，220KV变压器ZT1=92.5*1+70100=157.25(万元)综合投资：ZT=197.2+157.25=354.45(万元)6.2年运行费U的计算包括年设备折旧费、维修费和电能损耗费三项。6.2.1设备折旧费U1对于变压器：U1T=5.8%ZT180MVA，220KV变压器U1T=197.2*5.8%=11.44(万元)90MVA，220KV变压器U1T=157.25*5.8%=9.12(万元)6.2.2维修费U2对于变压器：U2T=(2.24.2)%ZT180MVA，220KV变压器U2T=197.2*3%=5.92(万元)90MVA，220KV变压器U2T=157.25*3%=4.72(万元)6.2.3年电能损耗费计算某台变压器年电能损耗费： AT式中：为当地电能价格（元/kw.h或度）； AT为该台变压器每年电能损耗。一台三绕组变压器全年电能损耗为：AT=P0T+Pk1S1SN21+Pk2S2SN22+Pk3S3SN23kwh式中：S1、S2、S3经过变压器高、中、低压绕组的最大负荷，kVA； 1、2、3变压器高、中、低压绕组的最大负荷损耗时间，h；Pk1、Pk2、Pk3折合到变压器额定容量SN的变压器高、中、低压绕组的短路损耗，kW。变压器年电能总损耗费: AT方案年运行费用为： U=U1+U2+ AT 方案一：180MVA，220KV变压器:Pk1=Pk2=Pk3=585KW S1=100.70.85=118.47MVA、S2=21.752*0.85=12.79MVA、S3=127.94MVA 查表得1=2=3=3000hAT=142*4400+585*3000*118.471802+12.791802+127.941802 =2280532.47kwh 方案一年运行费用为：U=11.44*2+5.92*2+0.210000*2280532.47*2=125.86（万元）方案二：180MVA，220KV变压器:Pk1=Pk2=Pk3=585KW S1=72.5*2*（1-7%）0.85=158.65MVA、S2=17.06MVA、S3=170.59MVA 查表得1=2=3=3000hAT=142*4400+585*3000*158.651802+17.061802+170.591802 =2890565.11kwh 90MVA，220KV变压器:Pk1=Pk2=Pk3=351KW S1=72.5*（1-7%）0.85=79.32MVA、S2=8.53MVA、S3=85.29MVA 查表得1=2=3=3000hAT=86*4400+351*3000*79.32902+8.53902+85.29902 =2151444.96kwh 方案二年运行费用为：U=11.44+9.12+5.92+4.72+0.210000*2890565.11+2151444.96 =132.04（万元） 6.3方案的经济比较通常各方案比较时，选择技术上满足要求，投资和年运行费用都低的方案。如不能有这样的结果，需对各方案进行综合比较。比较方法：静态比较、动态比较补偿年限的静态比较：若甲方案综合投资多于乙方案，但年运行费少于乙方案，则抵偿年限T=Z甲-Z乙U乙-U甲（年）T8 选乙方案对于方案一、方案二进行补偿年限的静态比较补偿年限T=394.4-354.45132.04-125.86=39.956.18=6.46（年）因为甲方案可靠性更高，且运行费用较低，补偿年限在8年以内，所以综合考虑，选择甲方案作为水电站的主变方案。七、短路计算7.1计算各设备参数，绘制系统的等值网络XG1*=XG2*=Xd1*SBSN=0.106 XT1*=XT2*=Ud1%100*SBSN=0.104 XL1*=15*0.4*SBUB2=0.011 XL2*=80*0.4*SBUB2=0.060 XL3*=XL4*=100*0.4*SBUB2=0.076 XL5*=XL6*=250*0.4*SBUB2=0.189 XG3*=Xd3*SBSN=0.102 XT3*=Ud3%100*SBSN=0.283 XG4*=XG5*=XG6*=Xd4*SBSN=0.233 XL7*=XL8*=30*0.432*SBUB2=0.244 US1%=12US1-2%+US1-3%-US2-3%=1223+13-8=14 US2%=12US1-2%+US2-3%-US1-3%=1223+8-13=9 US3%=12US1-3%+US2-3%-US1-2%=128+13-23=-1 XT41*=XT51*=US1%100*SBSN=0.078 XT42*=XT52*=US2%100*SBSN=0.050 XT43*=XT53*=US3%100*SBSN0 7.2网络化简求出各电源对短路点的转移阻抗。短路点1：短路点2：短路点3：7.3计算各短路点的电流周期分量7.3.1短路点1（220KV）等效转移阻抗：X1,2f=0.136 X3f=0.698 X4,5,6f=0.117 Xs1f=0.272 计算电抗：Xjs1,2=0.136*2*100100*0.85=0.320 Xjs3=0.698*100100*0.85=0.821 Xjs4,5,6=0.117*3*72.5100*0.85=0.299 查水轮机、汽轮机运算曲线，可以得到t=0s,0.1s,2s,4s时的短路电流周期分量标幺值对于无穷大系统短路电流周期分量不随时间变化IPs=1Xsf IPs1*=1Xs1f=3.68 电流周期分量标幺值tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SG1、G23.353.002.312.31G31.271.191.371.40G4、G5、G63.713.042.962.96S1（恒定）3.683.683.683.68Ipt=Ipt*IN=Ipt*SN3Uavf IN1,2=SN3Uavf=2*1003*0.85*230=0.591KA IN3=SN3Uavf=1003*0.85*230=0.295KA IN4,5,6=SN3Uavf=3*72.53*0.85*230=0.642KA Ips=Ips*IB=Ips*SB3Uavf IB=SB3Uavf=1003*230=0.251KA 电流周期分量有名值tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SG1、G21.981.771.371.37G30.370.350.400.41G4、G5、G62.381.951.901.90S1（恒定）0.920.920.920.92IP=5.665.004.594.60冲击电流：iM=2KMIP，KM=1.85 最大有效值电流：IM=KPIP，KP=1.51 tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SIP=5.665.004.594.60冲击电流iM14.8113.0812.0212.04最大有效值电流IM8.557.556.946.957.3.2短路点2（110KV）等效转移阻抗：X1,2f=0.504 X3f=2.576 X4,5,6f=0.194 Xs1f=1.180 计算电抗：Xjs1,2=0.504*2*100100*0.85=1.186 Xjs3=2.576*100100*0.85=3.031 Xjs4,5,6=0.194*3*72.5100*0.85=0.496 查水轮机、汽轮机运算曲线，可以得到t=0s,0.1s,2s,4s时的短路电流周期分量标幺值对于无穷大系统短路电流周期分量不随时间变化IPs=1Xsf IPs1*=1Xs1f=0.847 电流周期分量标幺值tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SG1、G20.880.830.940.94G30.340.330.330.33G4、G5、G62.202.012.292.49S1（恒定）0.8470.8470.8470.847Ipt=Ipt*IN=Ipt*SN3Uavf IN1,2=SN3Uavf=2*1003*0.85*115=1.181KA IN3=SN3Uavf=1003*0.85*115=0.591KA IN4,5,6=SN3Uavf=3*72.53*0.85*115=1.285KA Ips=Ips*IB=Ips*SB3Uavf IB=SB3Uavf=1003*115=0.502KA 电流周期分量有名值tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SG1、G21.040.981.111.11G30.200.200.200.20G4、G5、G62.832.582.943.20S1（恒定）0.430.430.430.43IP=4.494.184.674.93冲击电流：iM=2KMIP，KM=1.8 最大有效值电流：IM=KPIP，KP=1.51 tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SIP=4.494.184.674.93冲击电流iM11.4410.6511.9012.55最大有效值电流IM6.786.327.067.447.3.3短路点3（13.8KV）等效转移阻抗：X1,2f=0.203 X3f=1.037 X4,5,6f=0.078 Xs1f=0.475 计算电抗：Xjs1,2=0.203*2*100100*0.85=0.478 Xjs3=1.037*100100*0.85=1.220 Xjs4,5,6=0.078*3*72.5100*0.85=0.200 查水轮机、汽轮机运算曲线，可以得到t=0s,0.1s,2s,4s时的短路电流周期分量标幺值对于无穷大系统短路电流周期分量不随时间变化IPs=1Xsf IPs1*=1Xs1f=2.105 电流周期分量标幺值tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SG1、G22.222.101.932.07G30.850.800.890.89G4、G5、G65.504.053.373.22S1（恒定）2.1052.1052.1052.105Ipt=Ipt*IN=Ipt*SN3Uavf IN1,2=SN3Uavf=2*1003*0.85*10.5=12.938KA IN3=SN3Uavf=1003*0.85*10.5=6.469KA IN4,5,6=SN3Uavf=3*72.53*0.85*10.5=14.070KA Ips=Ips*IB=Ips*SB3Uavf IB=SB3Uavf=1003*10.5=5.499KA 电流周期分量有名值tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SG1、G228.7227.1724.9726.78G35.505.185.765.76G4、G5、G677.3956.9847.4245.31S1（恒定）11.5811.5811.5811.58IP=123.18100.9089.7289.42冲击电流：iM=2KMIP，KM=1.9 最大有效值电流：IM=KPIP，KP=1.62 tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SIP=123.18100.9089.7289.42冲击电流iM330.99271.13241.08240.27最大有效值电流IM199.55163.46145.34144.86电流太大，取Uavf=13.8Ipt=Ipt*IN=Ipt*SN3Uavf IN1,2=SN3Uavf=2*1003*0.85*13.8=9.844KA IN3=SN3Uavf=1003*0.85*13.8=4.922KA IN4,5,6=SN3Uavf=3*72.53*0.85*13.8=10.705KA Ips=Ips*IB=Ips*SB3Uavf IB=SB3Uavf=1003*13.8=4.187KA 电流周期分量有名值tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SG1、G221.85 20.67 19.00 20.38 G34.18 3.94 4.38 4.38 G4、G5、G658.88 43.36 36.08 34.47 S1（恒定）8.81 8.81 8.81 8.81 IP=93.73 76.78 68.27 68.04 冲击电流：iM=2KMIP，KM=1.9 最大有效值电流：IM=KPIP，KP=1.62 tI”次暂态0SI暂态0.1SI稳态2SI稳态4SIP=93.73 76.78 68.27 68.04 冲击电流iM251.85 206.31 183.44 182.83 最大有效值电流IM151.84 124.38 110.60 110.23 八、高压电气设备选择8.1断路器与隔离开关的选择8.1.1 220KV高压侧线路为变压器回路，因此所选断路器应满足：IImax=1.05*Pmax3UNcos=1.05*100.703*220*0.85=0.326kA 据此，试选择断路器型号为LW 220型，选择隔离开关型号为GW7220D型。校验结果如下：项目计算数据断路器LW 220隔离开关GW7220D结论额定电压UN=220KVUN=220KVUN=220KV合格额定电流Imax=0.326kAIN=3.150kAImax=1kA合格开断能力I=5.66kAIbr=40kA合格动稳定IM=14.81kAish=100kAIbr=83KV合格热稳定4.602*4=84.64kA40kA33kA合格热稳定校验:Qk=84.64kA 断路器LW 220：402*4=6400kAQk隔离开关GW7220D： 332*4=4356kAQk符合要求。8.1.2 110KV中压侧线路为变压器回路，因此所选断路器应满足：IImax=1.05*Pmax3UNcos=1.05*10.883*110*0.85=0.071kA 据此，试选择断路器型号为SW4110型，选择隔离开关型号为GW7110D型。校验结果如下：项目计算数据断路器SW4110隔离开关GW7110D结论额定电压UN=110KVUN=110KVUN=110KV合格额定电流Imax=0.071kAIN=1kAImax=0.6kA合格开断能力I=4.49kAIbr=18.4kA合格动稳定IM=11.44kAish=55kAIbr=55KV合格热稳定4.932*4=92.22kA21kA14kA合格热稳定校验:Qk=92.22kA 断路器LW 220：212*4=1764kAQk隔离开关GW7220D：142*4=784kAQk符合要求。8.1.3 13.8KV发电机出口处线路为发电机和变压器回路，因此所选断路器应满足：IImax=1.05*Pmax3UNcos=1.05*72.53*13.8*0.85=3.75kA 据此，试选择断路器型号为SN520G型，选择隔离开关型号为GN1020T型。校验结果如下:项目计