《水电站电气设备》课程设计概要.doc

水电站电气设备课程设计摘 要水电站是电力系统的重要组成部分,它为整个电力系统的电能的来源,电气主接线是发 电厂的主要环节,电气主接线的拟定直接关系着全厂电气设备的选择、配电装臵的布臵、继 电保护和自动装臵的确定,是发电厂电气部分投资大小的决定性因素。为满足经济发展的需要,根据有关单位的决定设计 1座单机容量为 15MW ,总装机容量为 30MW 的水力发电厂。首先根据任务书上所给原始资料参数,分析发电厂的设计方案。从供电 的可靠性、灵活性,技术的先进性,经济的合理性来对电厂建设进行分析。然后通过对拟建 发电厂的建设方案,并通过对负荷资料的分析,安全,经济及可靠性方面考虑,确定了发电 厂的主接线,然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数,容量及型号,同时也确 定了站用变压器的容量及型号,最后,根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果,对高 压熔断器,隔离开关,母线,绝缘子和穿墙套管,电压互感器,电流互感器进行了选型,从 而完成了这座发电厂电器部分的设计。关键词 :发电厂 主变压器 短路计算 选型目录摘要 2 第一章 概述1.1 课程设计的目的 5 1.2 课程设计的内容 5 第二章 电气主接线设计2.1 原始资料 6 2.2 对原始资料的分析 6 2.3 电气主接线的设计依据 6 2.4 主接线设计步骤 7 2.5 技术经济比较 7 2.5.1 发电机侧电压(主接线方案 7 2.5.2 主接线方案拟定 9 第三章 主要变压器的选择3.1 主变的选择 12 3.1.1 相数的选择 12 3.1.2 绕组数量和连接方式的选择 12 3.2 厂用变压器的选择 13 第四章 短路电流计算4.1 电路简化图 14 4.2 计算各元件标么值 14 4.3 短路点电流计算 15 4.3.1d 1点短路电流计算 15 4.3.2d 2点短路电流计算 19 4.4 三相短路电流计算成果汇总表 22 第五章 电气设备选择及校验5.1 电气设备选择的一般规定 23 5.1.1 按正常工作条件选择 235.1.2 按短路条件校验 24 5.2 断路器和隔离开关的选择和校验 25 5.3 限流电抗器的选择和校验 25 5.4 导体、电缆的选择和校验 26 5.5 绝缘子、穿墙套管的选择和校验 26 5.6 电流、电压互感器的选择和校验 27 第六章 避雷器的选择和校验6.1 避雷器的设臵 28 6.2 避雷器的选择 28 第七章 防雷保护与接地7.1 防雷保护 29 7.1.1 直击过电压 29 7.1.2 入侵雷电波保护 29 7.2 接地装臵 30 7.2.1 一般规定 30 7.2.2 降低土壤电阻率的措施 30 7.2.3 本水电站接地网的布臵 30 第八章 主要电气设备汇总 31 附录 33 参考文献 34第一章 概述1.1课程设计的目的:1、 复习巩固本课程及其他课程的有关内容, 增强工程概念, 培养电力工程规划设计的能 力。2、复习水电站电气设备相关知识,进一步巩固电气主接线及短路计算,电气设备选 择等内容;3、 利用所给资料进行电厂接入系统设计, 主接线和自用电方案选择, 掌握短路电流计算, 会进行电气设备的配臵和选型设计。1.2课程设计内容:1. 发电厂主接线的设计;2. 短路电流的计算3. 电气设备的选择(母线 电缆 断路器 隔离开关 互感器 避雷器防雷保护和接地装臵设计第二章 电气主接线设计2.1原始资料 :1、待设计发电厂类型: 水力发电厂 ;2、发电厂一次设计并建成,计划安装 215 MW 的水力发电机组,利用小时数 4000 小 时 /年。3、待设计发电厂接入系统电压等级为 110kV , 距系统 110kV 发电厂 45km ;出线回路数 为 4回;4、 电力系统的总装机容量为 600 MVA 、 归算后的电抗标幺值为 0.3, 基准容量 Sj=100MVA;5、发电厂在电力系统中所处的地理位臵、供电范围示意图如下所示。 6、低压负荷:厂用负荷(厂用电率 1.1 %;7、高压负荷: 110 kV 电压级,出线 4 回,为 I 级负荷,最大输送容量 60 MW, cos = 0.8 ;8、环境条件:海拔 1000m;本地区污秽等级 2 级;地震裂度 ; 电器、导体长期允许电流 e I 不得小于该回路的最大持续工作电流 m ax I ,即 m ax g I I 。在计算发电机变压器回路最大持续工作电流时,应按额定电流增加 5%。这是考虑到在电 压降低 5%时,为确保功率输出额定,则电流允许超 5%。在选择导体、电器时,应注意环境条件:、选择导体、电器的环境温度一般采用表下所列的数值。选择导线、电器时使用的环境温度 0C 按 交流高电压电器在长期工作时的发热规程 规定:电器使用在环境温度高于 +400C (但不高于 600C 时,环境温度没增加 10C ,建议较少额定电流 1.8%;当环境温度低于 +400C ,每低 10C , 建议增加额定电流 0.5%,但最大过负荷不得超过额定电流的 20%。、 110KV 及以下电器,用于海拔不超过 2000米时,可选用一般产品。5.1.2 按短路条件校验包括动稳定、热稳定以及电器的开断电流,一般按三相短路验算。 、短路热稳定校验dt z Q t I 2式中:. t I t 电器设备允许通过的热稳定电流及相应时间 dt Q 短路电流产生的热脉冲 计算用 dt Q 下式:222210(12I T I II t Q t k dt +=式中: I 、 /2k t I 、 kt I 分别为短路发生瞬间、12短路切除时间、短路切除时间的短路电流周期性分量(KA k t短路切除(持续时间,为继电保护时间与断路器的全开断时间之和(S T短路电流非周期分量等效时间,对于发电机出口可取 0.150.2S ,发电厂升 压母线取 0.080.1S ,一般变电所取 0.05S 。若切除时间大于 1S, 只需考虑周期分量。、短路动稳定校验动稳定校验一般采用短路冲击电流峰值,当回路的冲击系数与设备规定值不同,而且冲 击电流值接近于设备极限通过电流峰值时,需要校验短路全电流有效值。校验条件:ch dfi i 或ch dfI I 式中:sh i 短路冲击电流峰值(KA ;ch I 短路全电流有效值(KA ; d f i 电器允许极限通过电流峰值(KA ; d fI 电器允许的极限通过电流有效值(KA 。、电器的开断电流校验时,电器的开断计算时间取主保护时间及断路器固有分闸时间 之和。这里,我们按最坏的情况考虑,主保护失灵,机端断路器取后备保护时间 2S ,其余的 取 4S 。、 导体和电器选择设计技术规定“用熔断保护的导体和电器可不验算热稳定,除用有限流作用的熔断器保护者外,导体和电器的动稳定仍应验算。 ”5.2 断路器和隔离开关的选择和校验 机端断路器选择 SN10 10 /2000-43.3型断路器。 主变出口断路器选择 SW4 110/1000型断路器。与系统相连的出线断路器选择 SW4 110/1000型断路器。 厂用变进线选择断路器 SN10 10 /630-16型断路器。 动热稳定校验均满足,只有厂用变进线断路器加限流电抗器后才满足。 隔离开关可按下表进行选择和校验 、机端隔离开关选择 GN1 10/2000 85型隔离开关。、主变出口隔离开关选择 GW4 110D/1000 80型隔离开关。、与系统相连的出线隔离开关选择 GW4 110D/1000 80型隔离开关。 、厂用变进线隔离开关选择 GN6 10/600 52型隔离开关。动热稳定校验均满足,只有厂用变进线隔离开关加限流电抗器后才满足。5.3 限流电抗器的选择和校验本电厂只在厂用变进线处需加限流电抗器限流, 此处只需要普通的电抗器即可满足要求。 一、额定电压和电流的选择条件为:N N sU U ,m axN I I 二、按将短路电流限制到一定数值的要求来选择。设要求将电抗器后的短路电流限制到I ,则电源至电抗后的短路点的总电抗标么值 */d X I I =(d I 为基准电流、基准电压 d U 。 设电源至电抗器前的系统电抗标么值是 *X,则所需电抗器的电抗标么值*L x x x =-。以额定参数下的百分电抗表示,则应选择电抗器的百分电抗为:*(% (100%d N d L d NI I U x x II U =-三、正常运行时电压损耗 (%U 按下式校验。max (% %sin 5%L NI U x I 四、母线残压按下式校验。 (% %(60%70% re L N sNI U x U I =选择结果:NKSL 10 200 4型电抗器,满足限流条件和动热稳定校验条件。5.4 导体、电缆的选择和校验导 体 截 面 可 按 长 期 发 热 允 许 电 流 或 经 济 电 流 密 度 选 择 。 对 年 负 荷 利 用 小 时 数max 5000T h ,传输容量大,长度在 20m以上的导体如发电机、变压器的连接导体,其截面一般按经济电流密度选择。在本水电站具体的情况下, 10kv 机端母线及导体按经济电流密度选 择,而 110kv 母线及导体按长期发热允许电流选择。选择结果:、 110Kv 母线选择 LGJ 800/55型钢芯铝绞线。、与系统相连的出线导线选择 LGJ 800/55型钢芯铝绞线。、发电机、变压器连接导体(10kv 的选择 3条 100mm 10mm 竖放矩形铝导体。 动热稳定均满足校验条件。5.5 绝缘子、穿墙套管的选择和校验无论支柱绝缘子还是穿墙套管均要进行动稳定校验,按下式进行:0.6yP P 式中:y P 绝缘子破坏负荷(牛P 短路时,作用于绝缘子(或穿墙套管的力(牛 。 具有导体的套管才进行热稳定校验:2k t Q I t式中:2.tI t 套管热稳定性。选择结果如下:、 10Kv 电压等级绝缘子选择:屋内部分选用 ZLD 10型支持绝缘子; 屋外部分选用 ZPD 10型支持绝缘子。、 110Kv 电压等级绝缘子选择 ZS 110型支持绝缘子。、穿墙套管的选择 CMF 20母线型套管。动热稳定均满足校验要求。5.6 电流、电压互感器的选择和校验根据相关规定,在机端和 110kV 及以上等级的互感器的接线均采用三相星型接线,设互 感器离测量仪表的距离均为 100m , ,设互感器离测量仪表的距离为 40m 。选择步骤大致如下:一、根据相关原始资料选择种类和型式。二、一次回路额定电压和额定电流的选择。三、准确级和额定容量的选择。四、热稳定和动稳定的校验。选择结果如下:、 10kV 机端电流互感器选择 LMZ1 10屋内型,变比 2000/5。、 110kV 母线及进出线电流互感器选择 LCWD 110屋外型,变比 1000/5。、厂用变压器进线电流互感器选择 LFZJ1 10屋内型,变比 100/5。、 10kV 机端电压互感器选择 JSJW 10型。、 110kV 母线及进出线电压互感器选择 JCC2 110型。、厂用变压器进线电压互感器选择 JSJW 10型。动热稳定均满足校验条件。第六章 避雷器的选择和校验6.1 避雷器的设臵根据电力设备过电压保护设计技术规程的规定,一般在下列情况下装设避雷器: 310kV 每条架空进线上;非全线架设避雷线的 35110kV 架空线,其进线端;重要性 较高的 35110kV 的每条进线;架空线路与电缆线路接头处。各电压等级的每组母线上,并应尽可能靠近被保护的主要电气设备,当装设的避雷器与 主变压器的电气距离超过允许值时,应在主变压器附近增设一组阀型避雷器。主变压器的大电流接地系统侧的中性点,主变压器的小电流接地系统侧中性点装有消弧 线圈时;与架空线路连接的三绕组变压器低压侧;自耦变压器高、中侧绕组引进线与断路器 之间;直接与架空线相连的旋转电机以及“发电机 -变压器”单元接线,当母线桥或组合导线 无金属屏网部分的长度大于 50公尺时,在发电机出口及中性点处应装设避雷器。6.2 避雷器的选择避雷器选择时,应考虑保护电器的绝缘水平,使用特点。根据上述原则,该发电厂避雷 器选择结果如下表所示:避雷器的选择结果 第七章 防雷保护与接地7.1 防雷保护电气设备在运行过程中承受的过电压,主要由于系统参数发生变化时电磁能产生振荡引 起的内部过电压和来自外部的雷电过电压。7.1.1 直击过电压电站的直击雷过电压保护可采取避雷针、避雷线、避雷带和钢筋焊成网等。1、直击雷的保护范围和措施、保护范围:包括屋外配电装臵、主控楼、变压器、构架及高压屋内配电装臵等。 、保护措施:采取设臵避雷针和避雷器进行保护。具体见下表所示: 、为防止避雷针落雷而引起的反击事故,独立避雷针与配电装臵架构之间在空气中的 距离不宜小于 5m ,独立避雷针的接地装臵与接地网之间的地中距离应大于 3m 。、独立避雷针(线宜设独立的接地装臵。独立避雷针不应设在人不经常通行的地方, 避雷针及其接地装臵与道路或出入口等的距离不宜小于 3m ,否则应采取均压措施,或铺卵石 或沥青地面。、 110Kv 电压的配电装臵,一般将避雷针装载配电装臵的架构或房顶上,装载架构上 的避雷针应与接地网连接,并有在其附近装设集中接地装臵; 10Kv 的配电装臵架构或房顶上 不宜装设避雷针,因其绝缘水平很低,雷击时易引起反击;在变压器的门型架构上,不应装 设避雷针、避雷线。、 110Kv 的配电装臵,可将线路的避雷线引到出线门型架构上, 土壤电阻率大于 1000. m的地区,应装设集中接地装臵。、独立避雷针、避雷线与配电装臵带电部分间的空气中距离,以及独立避雷针、避雷 线的接地装臵与接地网间的地中距离,应符合规程的要求。根据以上有关规范,结合实际情况,设计的防雷保护采用避雷针进行保护。7.1.2 入侵雷电波保护由于雷电侵入波在电气设备上产生的过电压很高, 一般为电气设备额定电压的 812倍,水电站电气设备课程设计 为防止雷电波产生的过电压损坏电气设备，电站配电装臵对于雷电波的过电压保护是采用氧 化锌避雷器及与其相配合的进线保护等保护措施。 1、进线段保护 110Kv 等级的配电装臵电气设备绝缘与 ZnO 避雷器通过雷电流为 5KA 幅值的残压进行配 合。进线保护段的作用，在于利用其阻抗来限制雷电流幅值和利用其电晕衰耗来降低雷电波 陡度，并通过进线段上的避雷器的作用，使之不超过绝缘配合所要求的数值。 2、电缆进线保护 对于电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设 ZnO 避雷器，其接地端应与电缆的金 属外皮连接。 3、10Kv 配电装臵的保护 本电站的 10Kv 的配电装臵 （包括电力变压器） 应在每组母线和每路架空进线上装设 ZnO ， 避雷器。 7.2 接地装臵 一般规定 7.2.1 1、为保证人身和设备的安全，电气设备宜接地和接零。 2、为使各种不同用途和不同电压等级的电气设备接地，应使用一个总的接地装臵，其接 地电阻应满足其中接地电阻最小的电气设备的要求。 3、电气设备的人工接地体应尽可能在电气所在地点保证接地电阻分布均匀。 4、设计接地装臵时，应考虑到一年四季中均能保证接地电阻的要求。 5、在确定接地装臵型式和布臵时，应降低接触电势和跨步电势使其不超过规定值。 7.2.2 降低土壤电阻率的措施 在土壤电阻率（ r 500W.m ）的高电阻率地区，应尽量降低其接地电阻，具体措施有： 1、敷设引外接地体。 2、敷设水下接地网。 3、充分利用架空线路的地线， 4、深埋式接地体。 5、填充电阻率较低的物资（或降阻剂） 。 7.2.3 本水电站接地网的布臵 根据以上接地装臵的有关规定，由于待设计的水电站的土壤电阻率未知，按高电阻率考 虑。所以采用 6m 等间距的环形布臵，用 L50505L=5.0m 的角钢作垂直接地体， ，并埋深 0.8m，并使整个接地电阻值要求在每个季节里都不大于 0.5 W ，对电站内房屋结构中的钢筋 应焊接成网状，在每个柱角与接地网焊牢，并对接地网进行有效的防腐处理。 共 34 页 第 31 页 水电站电气设备课程设计 第八章 主要电气汇总 本次设计所选的主要电气设备及其型号 设备名称（安装 地点） 主变压器 机端断路器 机端隔离开关 主变压器出口断 路器 主变压器出口隔 离开关 与系统相连的出 线断路器 与系统相连的出 线隔离开关 厂用变压器进线 断路器 厂用变压器进线 隔离开关 厂用变压器进线 电抗器 110kv 母线 与 A 电站相连的 出线导线 与无穷大系统相 连的出线导线 10Kv 电 压等级 绝缘子 屋内部 分 屋外部 分 型号 SFZL720000/110 SN1010/2000 少 油断路器 GN210/200085 SW4110/1000 GW4110D/100080 SW4110/1000 GW4110D/100080 相关参数 额定容量 （KVA） 额定电压（KV） 20000 110 额定电流（A） 2000 额定电流（A） 2000 额定电流（A） 1000 额定电流（A） 1000 额定电流（A） 1000 额定电流（A） 1000 额定电流（A） SN1010/630 630 额定电流（A） 600 NKSL102004 额定电流（A） 200 额定电压（KV） 10 额定电压（KV） 10 额定电压（KV） 110 额定电压（KV） 110 额定电压（KV） 110 额定电压（KV） 110 额定电压（KV） 10 额定电压（KV） 10 额定电压（KV） 10 满足校验条 件 满足校验条 件 满足校验条 件 满足校验条 件 满足校验条 件 满足校验条 件 加限流电抗 器后满足校 验条件 加限流电抗 器后满足校 验条件 满足校验条 件 满足校验条 件 满足校验条 件 满足校验条 件 备注 GN610/60052 LGJ800/55 25 0 C 额定电流（A） 1413 LGJQ240 25 0 C 额定电流（A） 605 LGJ800/55 ZLD10 型支持绝缘 子 ZPD10 型支持绝缘 子 共 34 页 25 0 C 额定电流（A） 1413 绝缘