（水利工程专业论文）玉泉河水电站电气一次设计及分析.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电气一次设计是水电站设计的重要组成部分，是工程建设的关键环节，对水电 站的投资、建设和运行安全可靠和生产的综合经济效益起着决定性的作用。本文在 广泛阅读文献的基础上，对湖北省神农架林区玉泉河水电站电气一次设计进行了较 为深入的分析研究。 本论文首先介绍了水力发电的特点和玉泉河水电站设计综合说明，详细分析了 玉泉河水电站与系统的连接。电气主接线是水电厂电气设计的首要部分，也是构成 电力系统的重要环节。本文通过对电气主接线各接线方案的深入探讨，根据玉泉河 水电站在系统中的地位和作用，确定了玉泉河水电站的主变压器的台数和接线型式。 通过对厂用电接线的五个方案的比选，探讨了这些方案的特点，合理确定了玉泉河 水电站的厂用电接线方案。然后深入进行了短路电流计算，在此基础上对高压电气 设备进行了细致的选择。接着对厂内电气设备布置和变电站布置进行了研究，在满 足电气安全距离的情况下，在满足水电站安全运行的条件下，得出了一个优化的布 置方案，节省了导体的用量并减少了土地占用面积。最后对过电压保护与接地进行 了探讨，论述了水电站防雷应考虑的问题及解决方案，接地要求及其解决方案。玉 泉河水电站的电气一次设计的分析研究的过程，对设计程序具有普遍意义。同时， 在探讨和分析玉泉河电站的电气一次设计中，本设计采用的设计方法对设计具有指 导意义。 关键词：水电站，电气一次，设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp r i m a r ys y s t e md e s i g ni sa ni m p o r t a n tc o n s t i t u e n to fh y d r o e l e c t r i cp o w e r s t a t i o nd e s i g n a n di ti st h ee s s e n t i a ll i n ko fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n i tt a k e sc r i t i c a l e f f e c tt ot h ei n v e s t m e n to fh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n sa n dt h er e l i a b l ea n dt h es a f e t yo f c o n s t r u c t i o na n df u n c t i o na n dt h ec o m p r e h e n s i v ee c o n o m i ce f f i c i e n c y o nt h eb a s i so f r e a d i n gd o c u m e n t se x t e n s i v e l y , t h ea r t i c l es t u d i e sa n da n a l y z e st h ee l e c t r i cp r i m a r ys y s t e m d e s i g na n da n a l y s i so fy u q u a nr i v e rh y d r o e l e c t f i cp o w e rs t a t i o nw h i c hi si nh u b e i p r o v i n c es h e n n o n g j i af o r e s tr e g i o n f i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fh y d r o g e n e r a t i o na n dt h eg e n e r a l a c c o u n to ft h ed e s i g no fy u q u a nr i v e rh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n a n da n a l y s i st h e c o n n e c t i o no fy u q u a nr i v e rh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o nw i t ht h ep o w e rs y s t e mi nd e t a i l e l e c t r i cp r i m a r ys y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i cd e s i g no fh y d r o e l e c t r i cp o w e r s t a t i o n ，a n di ti sa l s oa l le s s e n t i a ls e g m e mo fe l e c t r i cs y s t e m b yc o m p a r e dw i t hm a n y s c h e m e so fe l e c t r i cp r i m a r ys y s t e ma n db e c a u s eo ft h ep o s i t i o na n da f f e c t i o ni nt h e e l e c t r i c s y g e mo fy u q u a nr i v e rh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n , t h e a m o u mo ft h e t r a n s f o r m e ra n dt h es c h e m ea r ed e c i d e d b yc o m p a r e dw i t hf i v es c h e m e so fp l a n ts e r v i c e p o w e rs u p p l ys c h e m ea n dd i s c u s s e dt h e i rc h a r a c t e rt h es c h e m ea r ed e c i d e dr e a s o n a b l y t h e ni tc a l c u l a t et h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti nd o t a l l ，o nt h eb a s i so ft h er e s u l to f s h o r t - c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n , i ts e l e c t e dt h em a j o re l e c t r i c a le q u i p m e n t t y p e s a f t e rt h a t t h ea r t i c l es t u d i e dt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n ta r r a n g e m e n ta n dt h es u b s t a t i o na r r a n g e m e n t a n da no p t i m i z i n gs c h e m ei sd e t e r m i n e db yt a k e ni n t oa c c o u n to ft h ee l e c t r i cs a f e t y d i s t a n c ea n ds a f e t yf u n c t i o no fh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n a tt h es a m et i m et h ea c c o u n t o f t h es t u f f a n dt h el a n dw e r es a v e d f i n a l l yi tc o n f e r r e dt h eo v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o na n d t h eg r o u n d i n g ，a n dd i s c u s s e dt h eq u e s t i o na n dt h es o l u t i o no ft h eo v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n a n dt h eg r o u n d i n gw h i c ht h eh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o ns h o u l dc o n s i d e r t h ep r o c e s so f t h ea n a l y s i sa n dt h es t u d yo fe l e c t r i cp r i m a r ys y s t e mo fy u q u a nr i v e rh y d r o e l e c t r i c p o w e rs t a t i o nh a sw i d e l ys i g n i f i c a n c ep r o c e s so fd e s i g n a tt h es a m et i m et h ew a yo f d e s i g nh a sad i r e c t i v es i g n i f i c a n c eb ya n a l y z e da n ds t u d i e dt h ed e s i g no f e l e c t r i cp r i m a r y s y s t e md e s i g no f y u q u a nr i v e rh y d r o d e c t r i ep o w e rs t a t i o n k e y w o r d s ：h y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n ，e l e c t r i cp r i m a r ys y s t e m ，d e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名；舌，3 、友论 日期：z 一年1 月i o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文学铂。言旋指导教师躲辛衿h 日期：坩锌月，o 日 日期：如b 年t l 肖i ：日 华中科技大学硕士学位论文 1 概论 在河川水流中，潮汐和海浪里，蕴藏着巨大的能量，通常称为水能或水力资源。 水能是可供人们利用的一种廉价和可再生能源，如不加以利用，是一种很大的损失。 其利用具有时间价值，利用得越早，其价值就越大。 我国幅员辽阔，河川纵横，湖泊星罗棋布，是世界上水力资源最丰富的国家。 如何最有效和最经济合理地开发利用水资源，兴建各种水电站，将自然界的水能转 变为机械能和电能，为发展我国生产和改善人民的物质文化生活服务，是水电建设 者的光荣任务。 电气一次设计是水电站设计的重要组成部分，是工程建设的关键环节，对水电 站的投资、建设和运行安全可靠和生产的综合经济效益起着决定性的作用 1 1 水力发电特点 水电站是将水能转交为电能的企业。水力发电具有以下特点； ( 1 ) 水能是再生能源【1 l 地球上江河湖海在太阳辐射的作用下，蒸发到空中，并随气流运行。在一定条 件下，水汽凝结下降为雨或雪( 地形引力作用) ，再回到江河湖海。这就是自然界在 大气中的循环，所以水能是一种再生能源，而火电站所用的煤或石油，核电站所用 的稀有金属原料，都是要消耗掉而不能再生的。因此，水能的再生性这个特点从能 源意义上看就显得更为重要。 ( 2 ) 水资源可综合利用 水是一种资源，具有多方面的使用价值，可以综合利用。一个水利工程常可同 时取得发电、防洪、灌溉、航运、供水、养殖以及改良环境和旅游等多方面的效益。 河流的水资源还可以梯级开发利用，上级水电站发电后的水流，仍可为下游各级水 电站再利用发电。 ( 3 ) 水能可储蓄和调节 华中科技大学硕士学位论文 电能是不能大量储蓄的，生产与消费必须同时完成；而水电站可以借助于水库， 储蓄水能，代替储蓄电能，有利于电力系统电力电量的供求平衡，提高供电的灵活 性的经济性。同时，利用水库调节水能，还可以提高水能资源的利用程度。 ( 4 ) 水力发电具有可逆性 火电站只能并用燃料生产电能，而不能利用电能再生产燃料。水力发电则可逆： 位于高处的水可以通过水轮发电机组，使水能转变为电能；位于低处的水也可以通 过电动抽水机提送到高处，使电能转变成水能。利用这种可逆性，可以在电力系统 内建造抽水蓄能电站，达到储蓄和调节电能的目的，改善电力系统电力生产的供求 关系，提高电能质量和经济效益。 ( 5 ) 水电站运行的灵活性 水轮发电机组具有设备简单，运行操作灵活，易于实现自动化等优点。机组可 以在几分钟内启动，投入运行，增减负荷十分方便。因此，水电站最适于承担电力 系统的调峰、调频任务和用做负荷、事故备用容量。火电站虽然也可以承担这些任 务，但其设备复杂，启动不太灵活，要经常处于热备用状态，浪费一定燃料。 ( 6 ) 水电站的生产成本低、效率高 水电站不耗用燃料，运行人员常为火电站的1 1 0 1 2 0 ，又由于水电站的机组 设备简单，年维护费用较低，所以通常水电站的电能成本只有火电站的1 5 1 1 0 。 水电站的能源利用率也比较高，火电站燃煤的热效率一般只有4 0 左右，而水电站 的能量效率可达8 5 以上。 ( 7 ) 水电站不产生污染 水电站在生产过程中既无烟气，又无废渣，废水也较少，因此不会污染环境。 相反，由于建成水库后，还可以改善环境。周围常常是建设疗养区和开展旅游的良 好场所。 ( 8 ) 水电站电能生产的不均衡性 由于河川径流的多变性与不重复性，因而水电站的电能生产具有不均衡性加 上水文预报尚不够准确，也影响水电站的计划生产。这些因素都给水电站和电力系 统运行带来一定困难。 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 9 ) 水电站的建设要受到自然条件的限制 水电站必须建设在具有一定条件的河段上，受地质、地形、交通等条件限制， 有时要造成一定的淹没损失。所以水电站建筑物往往比较复杂，施工也较困难。水 电与火电相比，具有工程量大，工期长，投资大的特点。但是实际上，建设水电站 是同时完成一次能源与二次能源的开发，放应将水电站的投资同建设火电站与相应 的开发煤矿、修建铁路等投资、工期计算在内。这样，水电站投资大，工期长的结 论便不存在了。 1 2 设计在工程建设中的作用 设计工作是工程建设的关键环节。1 2 1 做好设计工作，对工程建设的工期、质量、 投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作 用。设计是工程建设的灵魂。 设计文件是安排工程建设项目和组织施工安装的主要论据。设计也是工程建设 的“龙头”。 设计是一门涉及科学、技术、经济和方针政策等各方面的综合性的应用技术科 学。设计又是先进技术转化为生产力的纽带。 设计工作的基本任务是，在工程建设中贯彻国家的基本建设方针和技术经济政 策，做出切合实际、安全适用、技术先进、综合经济效益好的设计。 1 3 水电站的电气一次设计 水电站是一座发、变电设施。1 3 1 1 4 1 它通过水轮机将水能转变为机械能，能通过 发电机将机械能转变为电能，而后由变压器升高电压，再经输电线路将此电能输送 到用户或电力系统中去。 水电站的电气设备可分为电气一次设备和电气二次设备。电气一次设备是直接 生产、输送和分配电能的高压设备，它是水电站的主要设备，因此常称为主设备。 主设备包括发电机、变压器、电力开关( 断路器、自动开关、隔离开关) 、电力电缆、 华中科技大学硕士学位论文 母线、电抗器和互感器等；电气二次设备是对次设备的工作进行监视、测量、控 制和保护的低压设备，它包括测量仪表、继电器、自动装置、远动装置、操作开关、 信号器具和控制电缆等。 表示一次设备电气连接关系的高压电气回路称为一次回路。在水电站电气部分 设计中，一次回路的设计是主体，它是保证供电可靠性、经济性和电能质量的关键， 并直接影响着电气部分的投资。同时，它与继电保护、自动装置和二次接线的设计 有密切关系。当水电站接入电力系统时，它对于电力系统运行的安全性、稳定性和 经济性也将发生直接影响。 一次回路设计必须根据该地区的社会经济、动力资源、电网现状、电网规划、 近区负荷和邻近电源情况进行。在设计中，必须认真贯彻党的有关方针，政策；应 从全局出发，认真进行分析、比较、精心设计，积极慎重地推广国内外先进技术， 因地制宣地采用新设备、新材料和新布置；必须遵守现行有关规程规范的规定，例 如交流电气装置的过电压保护和绝缘配合、交流电气装置的接地等；必须从 实际出发，按照需要与可能，近期与远期相结合的原则，合理布局。 电气一次部分设计，通常包括以下几方面的内容： ( 1 ) 水电站与电力系统的连接：根据地方的电力系统规划设计或水电站接入系 统设计，确定本电站的送电地区，输电电压等级，出线回路数目，输电容量，以及 电力系统对本电站的运行方式、稳定措施等方面的要求。 ( 2 ) 电气主接线：论证，选定电气主接线。 ( 3 ) 厂用电系统：选择厂用电源的取得方式与厂用电电压，统计厂用电负荷， 选择厂用变压器容量、台数，选定厂用电接线。 ( 4 ) 电气设备选择；计算短路电流，选择变压器、断路器、隔离开关和互感器 等电气设备的型式、规格及有关技术参数。 ( 5 ) 设备布置：包括主、副厂房电气设备平面布置和升压站布置。 ( 6 ) 过电压保护和接地：选定主厂房及电气设备的过电压保护方式、保护设备 型式、规格及其布置位置；计算接地电阻及敷设接地装置等。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 4 玉泉河水电站设计综合说明 玉泉河水电站位于神农架林区玉泉河上游河段，玉泉河上至野马河与纸厂河交 汇口，下至红瓦屋，河段全长约1 4 k m ，自然落差约4 3 5 m 。工程主要建筑物包括水 库大坝、引水系统和电站厂房。 随着神农架林区国民经济的快速发展，预计到2 0 1 0 年，最大负荷8 5 m w ，年 用电量3 0 9 3 5 万k w h ，电量满足要求。但枯水期电力缺口达2 6 0 6 m w 。截止2 0 0 4 年底，全区水能资源理论蕴藏量为5 7 0 m w ，可开发利用3 5 0 m w 。为此，神农架林 区在“十一五”国民经济发展计划中，将水电资源开发作为国民经济的重要增长点。 为开发利用神农架林区水力资源，1 9 8 7 年湖北省神农架林区水利电力局编制了 湖北省神农架林区玉泉河流域规划，1 9 8 8 年湖北省科技咨询中心省水利学会分 部编制了湖北省神农架林区玉泉河流域规划补充报告，神农架林区水利电力局 2 0 0 3 年9 月委托湖北省金浪勘察设计有限公司进行勘察设计。 根据规划专业和水机专业提供的成果，玉泉河一级水电站装机为2 x 1 2 6 0 0 k w 。 华中科技大学硕士学侄论文 2 1 系统连接 2 主接线的设计与分析 水电站接入电力系统设计的基本目的是使电站建成后，能将电能安全、经济、 合理地送往电力系统，充分发挥水电效益。并为电站电气设计提供依据。 神农架林区现有1 1 0 k v 变电站3 座，即阳日交( 2 x 2 0 m v a ) ，松柏变( 3 0 m v a ) ， 红花变( 2 x 1 6 m v a ) 。神农架林区电网通过1 1 0 k v 红花变一水田坝变线路和3 5 k v 阳 日变线路一马桥变线路分别和宜昌电网和襄樊电网相连。正常运行方式下，神农架 林区电网与宜昌电网联网运行。襄樊电网作为热备用。根据林区2 0 1 0 年电网规划， 3 5 k v 宋洛变将会升压至1 1 0 k v ，同时将1 l o k v 红松线开断进宋洛变，再从阳日变架 一回1 1 0 k v 线路至宋洛变。在2 2 0 k v 古夫变建成后，分别从阳日变和水田坝变兴建 至古夫变的1 1 0 古夫变线路，届时，林区电网将通过1 1 0 k v 水田坝变一古夫变、1 1 0 k v 阳曰交一古夫变两台线路与宜昌电网相连。 玉泉河水电站位于湖北省神农架林区境内，电站装机规模2 5 2 m w ，单机容量 1 2 6 m w ，共计两台。年利用小时数4 4 5 1 h ，保证出力6 1 8 4 m w ，多年平均发电量 1 1 2 1 3 万k w h 。根据宜昌供电局电力勘察设计院完成的神农架玉泉河一级电站接 入系统工程可研报告，玉泉河水电站以一回1 1 0 k v 电压等级，经6 5 k m 长的l g j 1 8 5 型导线接入宋洛1 1 0 k v 变电站母线上与大电网相连。 2 2 电气主接线的分析 嗍电气主接线是发电厂电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。 主接线的确定对电力系统整全权及发电厂本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切 相关，并且对电气设备选择、配电装置布置的拟定有较大影响。因此，必须正确处 理好各方面的关系，合理确定主接线方案。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 主接线设计的依据和特点 ( 1 ) 主接线设计的基本要求和依据 1 ) 满足用户或电力系统的供电可靠性和电能质量的要求。 2 ) 接线简单、清晰、操作维护方便。 3 ) 接线应具有一定的灵活性。 4 ) 满足电站初期发电及最终规模的运行要求，还应考虑便于分期过渡。 5 1 技术先进，经济合理。 ( 2 ) 水电站电气主接线的特点 水电站电气主接线的特点如下： 1 ) 水电站一般距负苟中心较远，在发电机电压侧很少接有大功率用户，而用较 高电压送电，故主变压器容量多按机组容量确定。 2 ) 除径流电站夕 ，其余电站大都担负系统调蜂、调频和事故备用，利用小时数 一般较低，因此开停机比较频繁。 3 ) 水电站开机程序比较简单，机组起动迅速，并容易实现自动化。 4 ) 电站规模确定后，一般不考虑扩建。 5 ) 水电站厂用电负荷较小，一般不从高压侧引接。备用厂用电源可引自地区配 电网或保留施工变电所来解决。 6 ) 水电站多处山区，地形复杂，电气设备布置及进出线走廊均受到一定限制。 应尽可能简化接线，避免在水电站设置复杂的变电枢纽。并尽量减少电压等级和进 出线回路数。 2 2 2 发电机电压接线 电气主接线的拟定根据电站接入系统方式、电站装机台数、出线回路数和电压 等级等基本资料进行。旧r 1 本电站装有两台水轮发电机组，可选用单元、联合单元、 扩大单元、单母线或单母线分段接线。 ( 1 ) 单元接线 1 ) 特点：没有发电机电压母线，发电机与变压器串联相连，其容量相等，一般 7 华中科技大学硕士学位论文 发电机电压侧没有负荷。 2 ) 优点：在发电机与变压器之间一般不装设断路器，只装设隔离开关，因而节 约了断路器，简化了配电装置，节约了投资，同时可简化继电保护。 3 ) 缺点：当发电机或变压器任一元件故障或检修时，整个单元均要停止工作。 4 猿用范围：适用于机组负荷利和小时数较高，发电机电压侧无馈线，及容量 较大的发电机组，用以提高可靠性和限制短路电流。但是，当机组台数不多时，一 般不采用单元接线。当机组台数较多时，可根据系统供电要求，有时部分机组可采 用单元接线。 ( 2 ) 联合单元 1 ) 特点；机组与主变压器相同， 2 ) 优点：与扩大单元比较，除投资略贵外其余均较优，可靠性相对较高，停运 2 台机频次低，运行灵活性也好。 3 ) 缺点：主变压器高压侧有并联母线和隔离开关，不仅增加布置面积，给变压 器场地布置也带来一定困难。 4 ) 适用范围：主变压器虽有足够地方布置，但电站装机进度较慢，两台机组安 装相隔时间较长，采用扩大单元将造成较长时间积压变压器容量时，为减少初期投 资，可采用此种接线。当采用扩大单元接线时，由于设备制造和运输条件等原因， 需改用单相变压器组，而联合单元可用三相变压器，且仍可减少变压器与开关站间 引线及高压断路器数量，通过技术经济比较，认为联合单元接线有利时。 ( 3 ) 扩大单元 1 ) 特点：2 台以上机组合用1 台主变压器，在主变压器低压侧一般不设断路器， 只在发电机出口装设断路器及隔离开关。 2 1 优点：简化了接线，且节约了设备投资，减少了占地面积，有利于配电装置 布置，对于容量较大的电力系统，其短路电流较单母线接线小。 3 ) 缺点：在运行上的灵活性较差，当主变压器检修或故障时，2 台发电机及变 压器回路上的断路器全部跳闸，厂用电全停电。 4 ) 适用范围：在电站机组台数为4 台及以下、没有发电机电压负荷或负荷不重 8 华中科技大学硕士学位论文 要且单元容量占系统容量比重不很大时采用。 ( 4 ) 单母线接线 1 ) 特点：电源的进出线都接在同一条母线上，在每条迸线或出线上均装一台断 路器和两个隔离开关。 筋优点：接线简单清晰；操作维护方便；所用电气设备少；配电装置间隔少， 造价低。 3 ) 缺点：当母线或隔离开关发生故障时，所有电源开关都会跳闸，而造成全部 停电；当检修与清扫母线和隔离开关时，各回路必须全部停止工作。 4 1 适用范围：发电机组在3 台以下或者虽在4 台以上，但在电网中不是主力电 站的小型水电站，一般均采用单母线接线。 ( 5 ) 单母线分段接线 1 ) 特点：将母线分为两段，电源分别按到母线分段上，馈线也分别接到适当的 分段上。 2 ) 优点：运行可靠。如果发电机母线采用断路器分段，在正常工作时分段断路 器合上，任一段母线发生故障时，母线分段断路器跳闸，另一段母线仍可继续供电， 因此缩小了停电范围：在正常工作时，如果分段断路器是断开的，可限制短路电流， 对较大容量的机组有可能采用较轻型电器；当有1 台主变压器检修时，而接在另一 母线上的发电机又发生故障，此时分段断路器合上，可保证一段母线上的用户供电； 当2 台主变压器均正常时，而任一发电机发生故障，此时自动合上分段断路器，可 保证两段母线上重要负荷的供电。 3 ) 缺点：增加了分段断路器，并增加了配电装置的间隔，使投资增加，同时断 电保护也较复杂。 4 淹用范围：一般适用于电力系统中较重要的水电站，通常机组台数多于4 台， 或在低压母线上带有重要负荷采用双回路供电时。 2 2 3 升高电压侧接线 ( 1 ) 变压器线路组接线【8 】 9 1 1 0 l1 1 1 【1 2 1 9 华中科技大学顽士学住论文 1 ) 特点：不装设升高电压母线，变压器通过的功率直接送到线路上 2 ) 优点：接线简单，线路和变压器可共用l 台断路器，同时也简化了继电保护。 3 ) 缺点：主变压器或线路发生故障时，或者检修时，均使整个单元回路停止运 行。 4 ) 适用范围：单回出线的电站采用。 ( 2 ) 单母线接线 1 ) 特点：升高电压馈线及主变压器高压侧均连接至升高电压母线上，断路器数 目与进出线数相等。 2 ) 优点：接线简单，清晰，继电保护简单。 3 ) 缺点：当母线故障或检修时，接于母线上断路器全部断开，与系统解列，电 能送不出去。 4 ) 适用范围：在多回进出线的电站广泛采用。 ( 3 ) 单母线分段接线1 1 3 j 【1 4 l 1 ) 特点：将母线分为两段，电源分别接到母线分段上，馈线也分别按到适当的 分段上。 2 ) 优点：母线及所连接设备检修或故障，只影响一段母线及所连接的回路停电， 可靠性稍高于单母线接线。 3 ) 缺点；分段断路器故障，暂停全厂停电，拉开隔离开关后，两段母线解列运 行，检修对也可解列运行。 4 ) 适用范围：在电网中占重要地位，且有多回进出线的电站采用。 ( 4 ) t 接接线 1 ) 特点；用一条线路供电两个方向不同的负荷点。 2 ) 优点：节省断路器，简化主接线及升压站布置。 3 ) 缺点：线路任一侧发生故障时，都要引起全线停电。 4 ) 适用范围：电站在电网中所占比重很小，附近又有送电线路经过时采用。 ( 5 ) 外桥接线 1 ) 特点：将桥断路器接在线路侧。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 优点：当任一主变压器故障或检修时，可通过l 台主变压器向两线路供电。 3 ) 缺点：当桥断路器检修时，两回路解列运行，两回路问不能实现穿越功率交 换。 4 ) 适用范围：适用于进出线各两回路，且电站年利用小时数低，主变压器投、 切频繁，或线路短的电站。有穿越功率时也宜采用外桥接线。 ( 6 ) 内桥接线 1 ) 特点：将桥断路器接在变压器高压侧。 2 ) 优点：当任一线路故障或检修时，能有选择性地断开线路断路器，而不影响 主变压器的正常运行。 3 ) 缺点：当桥断路器检修时，两回路解列运行，两回路间不能实现穿越功率交 换。 4 ) 适用范围：适用于进出线各两回路，且电站年利用小时数高，主变压器不需 经常切、合，或线路较长的电站。 玉泉河水电站装机2 x1 2 6 m w ，年利用小时数4 4 5 1 h 。 由于： 一、神农架地方电网管辖的1 1 0 千伏变电站总容量为9 8 m v a ，玉泉河电站总容 量为3 1 5m v a ，故玉泉河电站是电力系统中的主要电站； 二、神农架林区1 1 0 k v 输电线路是典型的直线辐射式，没有形成环网，供电可 靠性较低。所以虽然电站只有两台发电机，没有近区用电负荷。但仍要采用两台主 变压器，以保证电力系统的稳定运行； 一 所以，玉泉河水电站主接线为发电机高压侧采用发电机变压器组单元接线， 升压侧采用变压器线路组单元接线。变压器型号为s f l 0 1 6 0 0 0 1 1 0 1 2 14 - 2 * 2 5 1 0 5 l 【v 。见图2 1 。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 厂用电接线 图2 1 玉泉河水电站电气主接线图 2 3 1 水电站厂用电的特点 ( 1 ) 水电站厂用电负荷较少，厂用负荷的容量，一般只占全站总装机容量的 1 3 。而且，厂用设备一般均为3 8 0 2 2 0 v 低压设备。 ( 2 ) 水电站的厂用电负荷一般约有5 0 7 0 的容量不经常运转，只有少数负 荷是经常运行的，且其中大部分负荷是闻歇运行的。因同时率及负荷率均较低，故 最大负荷年利用小时数也较低。 ( 3 ) 水电站厂用电设备一般比较简单，因而厂用电接线也可相应简化。 ( 4 ) 水电站厂用负荷，不但与水电站的容量有关，而且与水电站的枢纽布置、 机组型式以及水头大小有关。 t，火 一宁、甲 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 水电站不同运行方式对厂用电负荷有影响。 ( 6 ) 水电站厂用电设备易于实现较高水平的自动控制。 2 3 2 厂用电接线 ( 1 ) 厂用电电源 厂用电源的数量及设置原则： 全厂机组运行时，大型水电厂应不少于3 个厂用电电源；中型水电厂应不少于 2 个厂用电电源。 当部分机组运行时，大型水电厂至少应有2 个厂用电电源同时供电；中型水电 厂也应有2 个厂用电电源，但允许其中1 个处于备用状态。 全厂停机时，大型水电厂应有2 个厂用电电源，但允许其中一个处于备用状态； 中型水电厂允许1 个厂用电电源供电。 当机组、主变压器或引水隧洞等大修而使全厂停机时，允许仅1 个厂用电电源 供电。 在厂用电电源设备检修期间，允许适当减少厂用电电源数量。 水电站厂用电供电电源的取得方式一般有以下几种； 从发电机电压母线上取得。 从高压母线上设专用降压变压器取得。 设置柴油发电机组专供厂用电。 从施工变电站取得。 建设小水电机组专供厂用电。 方式l ：从发电机电压母线上取得厂用电电源。该方案应用普遍，接线简单，布 置方便。由于本电站所有机组均设有发电机断路器，正常情况下由机组供给厂用电 电源，在停机时能从系统倒送厂用电。此方案供电可靠性氲经济性能好。 方式2 ：由高压母线上设专用变压器供厂用电。该方案供电可靠性高，且不受 机组开停机的影响，但需要增设l l o k v 高压间隔。该方案投资大，经济性能差，不 宜作为厂用电电源的引线方式。 华中科技大学硕士学位论文 方式3 ：采用柴油发电机组专供厂用电。柴油发电机e l 常维护工作量大，污染 大，噪声高。从环境保护的角度考虑，柴油发电机不宜作为厂用电主供电源。 方式4 ：从施工变电站取得电源。该方案可作为厂用备用电源。 方式5 ：设厂用专用小水电机组。该方案投资、影响面都很大，且电站地处高 山，布置很难，不具备设厂用小水电机组的条件。故否定此种方式。 由分析可知，电站厂用电电源可能的取得方式有上述的l 、3 ，4 三种。推荐厂 用电电源取得方式为：全厂主供厂用电电源引自发电机电压母线。 ( 2 ) 厂用电压选择 3 6 k v 电动机的重量比同容量低压的高出1 0 4 8 ，价格高出3 0 9 4 ，平 均效率低1 0 5 2 0 5 ，功率因数低2 3 。采用高压电动机时，需要相应的高压配 电装置及布置场地。因此在基建投资上不如采用低压电动机经济。 低压电动机比高压电动机在运转上要可靠些，特别是在水电站中，工作环境往 往比较潮湿。低压电动机具有较高的效率，但增加变压器及低压线路的损耗。如电 动机的功率为3 0 0 k w ，低压线路长度不超过8 0 米时，就年运行费用而言，采用低 压电动还是经济的。所以在本水电站中的厂用电采用3 8 0 v 一级电压供电。 ( 3 ) 厂用负荷分类 厂用负荷可按用途、重要性程度、运行方式、布置地点、是否需要自起动及是 否计入最大负荷等分类。厂用负荷分类的目的是便于合理确定其供电方式，正确统 计负荷以便合理选择供电网络与厂用变压器容量等。 厂用负荷按用途可分为机组自用电与全厂公用电两大类。 厂用负荷按重要性程度可为i 类负荷，只允许瞬时中断电源；类负荷，允许 中断电源数十分钟；类负荷，允许较长时间停电而不会直接影响生产。 厂用负荷按运行方式分类可分为四类：经常连续运行负荷；经常断续或短时运 行负荷；不经常连续运行负荷；不经常断续或短时运行负荷。这样分类的目的是便 于分析统计最大的厂用负荷，有助于合理确定负荷的同时率、负荷率与厂用配电装 置的容量。 厂用负荷按布置地点分类，根据负荷分布位置，将负荷就近归并成若干供电点， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 以便于考虑厂用电接线。在负荷集中点设立分盘。分盘的重要程度按其中负荷重要 性等级最高者确定。 厂用负荷按是否需要自起动分类，根据负荷的工作性质，决定哪些负荷当短路 故障消除、备用电源自动投入后，即需自动恢复运行，哪些负荷可以不要自起动， 用来验算选定的厂用变压器或其它厂用电源的容量。 厂用负荷按是否同时运行分类，根据水电站可能有的运行方式来进行分类，如 可分为全部机组运行( 包括调相) ，一台机组大修其余机组运行，全厂停机等运行方 式。在各种运行方式下有哪些负荷同时参加运行，以此用来分析统计最大、最小厂 用负荷，合理选择厂用变压器容量及厂用电接线的运行方式。 2 3 3 厂用变压器选择 ( i ) 厂用电最大负荷的分析统计 机组的运行方式可分为以下三种：i 全部机组运行；2 一台机组检修，其余机 组运行；3 全部机组停机。一般情况下，在冬季枯水季节以一台机组检修，其余机 组运行时，出现最大厂用电负荷的可能性最大。 ( 2 ) 厂用电变压器容量选择 厂用电变压器容量的选择和校验应符合下列原则： 1 ) 满足在各种运行方式下，可能出现的最大负荷 2 ) 一台厂用电变压器计划检修或故障时，其余厂用电变压器应能担负i 、i i 类 厂用电变压器计划检修时另一台厂用电变压器故障或两台厂用电变压器同时故障的 情况。 3 ) 保证需要自启动的电动机在故障消除后电动机启动时所连接的厂用电母线电 压不低于额定电压的6 0 6 5 。 ( 3 ) 厂用电变压器型式选择 布置在厂房内的厂用电变压器应采用干式变压器；如有架空进线时，需加强绝 缘或采取有效的防雷措施，也可采用油浸式变压器。布置在屋外的厂用电变压器则 宜选用油浸式变压器。 华中科技大学硕士学位论文 本电站选用干式变压器布置于厂房内。组别为d ，y n l l 。 根据推荐的电气主接线，本电站厂用电设计了二回电源，从发电机电压母线上 各取得一回电源，供电可靠。设嚣二台厂用变压器。厂用电采用单母线分段接线。 经厂用负荷分析计算，选用二台容量为2 0 0 k v a 的干式厂用变压器己能满足全厂最 大厂用负荷用电。厂用变压器通过1 0 k v 断路器接在发电机母线上，低压侧电压为 4 0 0 v 。正常运行情况下，厂用电源由发电机电压母线供给，当电站停机时，可以由 系统通过主变压器倒送供电。对于这样一个机组容量小，台数少又不重要的小型水 电站来说，装设二台厂用变压器已能满足要求，符合小型水电站设计规范的规定。 厂用配电屏选用4 块b s l 1 1 型配电屏，厂用电主要负荷分别接地l 、2 号屏上， 3 号屏为进线屏。全厂设有7 个动力分电箱均接在4 号屏上。7 个动力分电箱分别为 压气机室分电箱、量水间分电箱、进水口闸门分电箱、油处理室分电箱、电气试验 室分电箱、安装问检修分电箱和水轮机层分电箱，动力分电箱采用x l - 2 0 型。 厂用3 8 0 v 电动机短路保护设备选用d z l 0 型低压断路器，起动设备选用c j l 0 型交流接触器。并选用j r 0 型三相结构带有断相保护的热继电器作过载保护。电动 机的起动控制设备均装在设备附近的悬挂式箱体内，便于维护操作。 2 4 小结 玉泉河水电站以一回1 1 0 k v 电压等级，经6 5 k m 长的l g j 1 8 5 型导线接入宋洛 1 1 0 k v 变电站母线上与大电网相连。通过分析比选，确定玉泉河水电站主接线为发 电机高压侧采用发电机变压器组单元接线，升压侧采用变压器线路组单元 接线。全厂主供厂用电电源引自发电机电压母线。选用二台容量为2 0 0 k v a 的干式 厂用变压器。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 短路电流计算及高压电气设备选择分析 3 1 短路电流计算 短路电流计算的目的是： 1 ) 电气主接线选择； 2 ) 选择导体和电器； 3 ) 确定中性点接地方式； 4 ) 计算软导线的短路摇摆： 5 ) 验算接地装置的接触电压和跨步电压； 6 ) 选择继电保护装置和进行整定计算。 玉泉河水电站以宜昌供电局设计院提供的神农架林区系统阻抗为依据，按短路 电流运算曲线法进行了最大运行方式下的三相短路电流计算。短路电流计算如下； 3 1 1 基本数据 系统接线及设备参数如图3 - 1 所示： o 1 2 2 0 k v 古夫变 n 1 3 0 j 嘶。础岜 1 0 7 5 上l 船日湾1 1 强坡电站“棚v ， 轻拍1 1 0 k v 变电站( 洲 ) 规划柬洛变电站 0 6 7 1 8 8 。他，卜 图3 - 1 网络等值电抗图( 一) - 0 1 4 8 0 2 n 2 4 5 6 4 o 6 7 1 舶 0 4 2 1 舶 - & 3 k v 0 2 0 跖 红花z o k v 变屯站( 3 2 蟹啉 1 7 国 删 华中科技大学硕士学位论文 说明： ( 1 ) 阳日湾1 1 0 k v 变电站3 5 k v 侧主要为负荷侧，所接的电站容量仅4 0 0 0 k w ， 线路1 9 5 公里，因其机组分散，容量较小，敌对其阻抗进行了忽略。 ( 2 ) 松柏1 1 0 k v 变电站3 5 k v 侧只有一回3 5 k v 侧变电站，有3 座电站上网， 宋洛3 5 k v 变电站改造升压成l l o k v 变电站后，这一回3 5 k v 线路仅作备用。 ( 3 ) 红花坪1 1 0 k v 变电站3 5 k v 侧现有的电站都为宜昌供电局所属的电站。宜 昌供电局正在筹建一条直接接入宜昌电网的线路，将这部分电站从变电站改出。该 变电站有两台主变压器，低压侧有两个电压，一个为6 3 k v 供红花坪电站上网，另 一台为1 0 k v 供附近用电。 故阳曰湾l l o k v 变电站3 5 k v 侧，松柏1 1 0 k v 变电站3 5 k v 侧、红花坪1 1 0 k v 变电站3 5 k v 侧均不考虑。红花坪1 1 0 k v 变电站1 0 k v 侧不考虑 3 1 2 电抗换算 计算各元件的正序电抗标么值并绘制等值电路。为简化起见，计算中电抗标么 值省去下角符号“一。 取基准值：s j = 1 0 0 m v a ，u j = 1 1 5 k v 时，巧= o 5 0 2 a ；i j i = 1 0 5 k v 时，i j = 5 5 0 a 系统正序网络等值电抗见图3 - 2 。 发电机f ，2 f ：x = x z - x d ”曩= o ：岽等= ，甾。s 变压器t b 、2 b ：x 3 = x 4 = 等鲁= 等x 等堋6 ：s 1 l o k v 架空线路x 5 x x 器= 0 4 x 6 5 x 器删9 6 6 华中科技大学硕士学位论文 3 1 3 网络化简 阳日 图3 - 2 网络等值电抗图( 二) 网络初步化简如图3 - 3 所示。 s 1 玉泉河水电站 图3 - 3 网络等值电抗图化简( 一) 1 9 华中科技大学硕士学位论文 x 2 0 ：) 【7 ，x 8 + x 9 = o 8 7 4 5 0 8 7 4 5 + 3 9 0 2 4 4 = 4 3 3 9 6 9 x 2 l = x l l