小型水电站设计2×15MW的水力发电机组

1、小型水电站设计2X15MW勺水力发电机组课程设计目录一选题背景 31.1 原始资料 31.2 设计任务 3二电气主接线设计 32.1 对原始资料的分析计算 32.2 电气主接线设计依据 42.3 主接线设计的一般步骤 42.4 技术经济比较 42.4.1 发电机电侧电压（主）接线方案 42.4.2 主接线方案拟定 4三变压器的选择 73.1 主变压器的选择 73.1.1 相数的选择 73.1.2 绕组数量和连接方式的选择 73.2 厂用变压器的选择 8四.短路电流的计算 94.1 电路简化图8: 94.2 计算各元件的标么值 104.3 短路电流计算 114.3.1 d1 点短路电流计算 11

2、4.3.2 d2 点短路 13五电气设备选择及校验 155.1 电气设备选择的一般规定 155.1.1 按正常工作条件选择 155.1.2 按短路条件校验 165.2 导体、电缆的选择和校验 165.3 断路器和隔离开关的选择和校验 175.4 限流电抗器的选择和校验 17218课程设计5.5 电流、电压互感器的选择和校验5.6 避雷器的选择和校验 185.6.1 避雷器的选择 185.6.2 本水电站接地网的布置 19六.设计体会 19附录 20参考文献 213课程设计一 选题背景1.1 原始资料（1）、待设计发电厂为水力发电厂；发电厂一次设计并建成，计划安装 2X15MW的 水力发电机组，

3、利用小时数4000小时年；（ 2） 、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；（3）、电力系统的总装机容量为600MVA、归算后的电抗标幺值为0.3,基准容量Sj= 100MVA;（4）、低压负荷：厂用负荷（厂用电率）1.1%；（5）、高压负荷：110kV电压级，出线4回，田级负荷，最大输送容量60MW, cos6=0.8;（6）、环境条件：海拔 1000m；本地区污秽等级2级；地震裂度 7级；最高气温 36；最低温度2.1；年平均温度18；最热月平均地下温度20；年平均雷电日 T=56日/年；其他条件不限。1.2 设计任务（

4、1） 、根据对原始资料的分析和本变电所的性质及其在电力系统中的地位，拟定本水电站的电气主接线方案。经过技术经济比较，确定推荐方案。（ 2） 、选择变压器台数、容量及型式。（ 3） 、进行短路电流计算。（ 4） 、导体和电气主设备（各电压等级断路器、隔离开关、母线、电流互感器、电压互感器、电抗器（如有必要则选） 、避雷器）的选择和校验。（ 5） 、厂用电接线设计。（ 6） 、绘制电气主接线图。二 电气主接线设计6.1 对原始资料的分析计算为使发电厂的变压器主接线的选择准确，我们原始资料对分析计算如下；根据原始资料中的最大有功及功率因数，算出最大无功，可得出以下数据电压等级线路名称最大有功(MW)

5、最大无功(MVAr)COS负荷级别T max110KV回路11511.20.814000回路2回路3回路42.2电气主接线设计依据电气主接线的主要要求为：1、可靠性：衡量可靠性的指标，一般是根据主接线型式及主要设备操作的可能方式, 按一定的规律计算出“不允许”事件的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种接线 形式的择优。2、灵活性：投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便、调度灵活。3、经济性：通过优化比选，工程设计应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗小。2.3主接线设计的一般步骤1、对设计依据和基础资料进行综合分析。2、确定主变的容量和台数，拟定可能采用的主接线形式。3、论证是否需

6、要限制短路电流，并采取合理的措施。4、对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案 2.4技术经济比较2.4.1 发电机电侧电压(主)接线方案110Kv侧由于本电站是小水电，不承担主要负荷，没有重要机端负荷，从接线的可靠 性、经济性和灵活性考虑，在我国运行的成熟经验一般采用单母线接线方式。所以本电站,110Kv侧采用单母线接线。2.4.2 主接线方案拟定(一)根据我国现行的规范和成熟的运行经验，结合本设计水电站的实际，现拟定以 下三种电气主接线方案(单相示意图)：(1)单母线接线其接线示意图如图4:图4单母线接线方案(2)单元接线其接线示意图如图 5TV ITvl厂用电n A图5

7、单元接线方案(3)扩大单元接线其接线示意图如图67Z1iG 厂用电图6扩大单元接线（二）主接线方案初步比较：由以上三种接线方案的优缺点分析和接线示意图，本着可靠性、灵活性和经济性的原 则，结合电厂实际综合分析，可以得出：单母线和扩大单元接线相比较，其可靠性和灵活性都很相近，厂用电都是在发电机 10.5KV侧取得，然而本电站只有两台发电机，比较特殊，所以单母线和扩大单元接线形 式相近。单母线接线灵活性低。所以可以明显淘汰单母线接线方案。从而保留扩大单元接 线和单元接线方案。（三）主接线方案的确定（1）技术比较方案的技术特性分析，一般从以下几个方面进行分析：从供电的可靠性：对于方案 2,厂用电从两

8、台发电机上取得，即使检修其中一台变 压器和两机组停机电厂也不会停电，然而两台变压器同时故障的可能性非常小。相比方案 3,若检修变压器电厂就会停电，否则要另外接入厂用电源，这样投资就增加了。这样， 方案2的可靠性相对高些。从运行安全和灵活性：方案2的变压器的短路容量比方案3小，对变压器和发电机 的绝缘水平要求相对较低，安全性相对较高，其灵活性也比较好。从接线和继电保护：方案 3的接线和继电保护都相对方案 2较复杂。从维护与检修：方案3的维护相比方案2较复杂，方案3的检修相比方案2较方便。说明：在比较接线方案时，应估计到接线中发电机、变压器、线路、母线等的继电保 护能否实现及其复杂程度。对任何接线

9、方案都能实现可靠的继电保护，由于一次设备投资 远远大于二次设备的投资，所以即使某个别元件保护复杂化，也不能作为不采用较经济接 线方案的理由。（2）经济比较经济比较中，一般只计算各方案不同的一次性投资及年运行费。1、一次性投资一次性投资包括主变压器、配电装置的综合投资。电气设备的综合投资是电气设备出 厂价格、运输机安装费用的总和，又称电气设备的基建投资费。一次性综合投资o。0（1 -d-）（元）100式中：O0一主体设备基价，主要包括主变压器、开关设备；d设用于运输基础加工，土石方附加费的比例系数，通常对 110KV取值90, 35KV 取值 100。、年运行费用8课程设计年运行费用，包括个电气

10、设备的每年折旧费及维护检修费。电气设备年折旧费、维修费可以通过查表得到。经过计算比较结果，选定方案2 （单元接线）为主接线方案三变压器的选择3. 1主变压器的选择该水电站远离负荷中心，水电站的厂用电很少（1.1%）,且没有地区负荷，因此，选 择主变压器的容量应大致等于与其连接的发电机容量。水电厂多数担任峰荷，为了操作方 便，其主变压器经常不从电网切开，因此要求变压器空载损耗尽量小。3.1.1 相数的选择主变采用三相或单相，主要考虑变压器的可靠性要求及运输条件等因素。根据设计手 册有关规定，当运输条件不受限制时，在 330KV及以下的电厂及变电所均选用三相变压 器。因为三相变压器比相同容量的单相

11、变压器具有节省投资，占地面积小，运行过程损耗 小的优点，同时本电厂的运输地理条件不受限制，因而选用三相变压器。3.1.2 绕组数量和连接方式的选择（1）绕组数量选择：根据电力工程电气设计手册规定：“最大机组容量为125MW 及以下的发电厂，当有两种升高电压向用户供电与或与系统相连接时，宜采用三绕组变压 器。结合本电厂实际，因而采用双绕组变压器。（2）绕组连接方式选择：我国110KV及以上的电压，变压器绕组都采用Y0连接，35KV 一下电压，变压器绕组都采用连接。结合很电厂实际，因而主变压器接线方式采用YN,d11。3.1.3主变压器的台数、容量及型式在比较的三个方案中，需要两台同容量的110K

12、V双绕组有载调压电力变压器：20MVA （两台）。结合本电厂实际，从经济性的角度出发，选择型式为：双绕组有载调压电力变 压器。通过查阅电力工程电气设备手册，电气一次部分可知其主变压器的参数如下表 电力变压器技术参数型号额定容量（KVA）额定电压（KV）空载电 流（）空载损耗KW负载损耗KW阻抗电压（%）高压低压SFZL7 一20000/11020000110± 8X1.25%10.51.23010410.5课程设计3.2厂用变压器的选择选择原则：为满足厂内各种负荷的要求，装设两台厂用变压器，厂用电容量得确定， 一般考虑厂用负荷为发电厂总负荷的 1%2%,此发电厂的厂用负荷为总负荷的1

13、.1%S= 1.1% X 30000KVA = 330KVA。根据选择原则，并通过查找电力工程电气设备手册，电气一次部分选出厂用的两台变型号都为S=440KV.A:型号额定容 量(KVA)额定电压(KV )空载电 流()损耗W阻抗电压 (%)连接组 标号高压低压空载短路SZ6 一400/1040010.50.4387042004Y, yn0SZ7 一400/1040010.50.43.292058004通过对比两台厂用变压器的型号定为 SZ6400/10双绕组有载调压电力变压器， 两台厂用变分别接于主变低压侧，互为暗备用，平时半载运行，当一台故障时，另一台能够承但变电所的全部负荷。由于厂用变压

14、器是两台，互为暗备用，平时半载运行，当一台故障时，另一台能够承 但变电所的全部负荷。所以其母线可采用单母线分段接线；接线图如下图7:10课程设计图8电路简化12图7接线图四.短路电流的计算4.1电路简化图8:WZ I即 U课程设计144.2计算各元件的标么值查得Sj 100MVAXd 0.26发电机变压器Xi X2、，SjXd Sn0.261001.38715X 3X 4u 20.8% S j100S n10 .55 . 31000 . 56X 5Xi LS j2Uj0 .4451004110.25X 7 0XJ48 0.1480.30.448X6电抗等值短路阻抗图9:图9等值短路阻抗课程设计

15、4.3短路电流计算4.3.1 di点短路电流计算ii将Xi和X2串联得X7；因系统及电站1、2发电机电源通过公共阻抗 X3供电；故须进行简化, 数法求出短路点到各电源间的转移阻抗想 Xi。、Xii。并按分布系X6与X7并联为;X80.448 i.947 八0.3640.448 i.947CiX80.8i3Xi0X8XiiXi2C2X3Xi0i0计算阻抗发电机C2X js20.260i87X70.3640.9240.8i30.9240.i870.56 0924i.i44.94系统求短路电流发电机i2为 查得运算曲线得；Xjscjs2 1Xii0.26i.i4X jsi.2 0.26课程设计2 1

16、.9 6.76518.18KA13系统z0.2z4I n1.2I z0.1Iz4.293.2533.098S1.23UjI *z0.1 I n1.2* z I n1.2zo.i 3.37z2 3.133,3 10.50.329KA3.375 0.329 1.11KA4.29 0.342 1.42KAI z0.2Iz4SdI z2I *z0. 2I z1.2I *z4I z1 .2I *zSn1.23.253 0.329 1.094KA3.0984.4290.329 1.02KA6 26.57MVAz2I z1.23.133Sjj0.3IzSd0.2I*zcd1点短路电流周期分量为;0.329

17、1.031KA3U jIzt II *z0.2 '1005.50KA3 10.5zc I jcSn1.2I *zc I *ztc0.877 6.10 5.35 KA3.253 6 19.52 MVA10.877XjscIz 1.45 5.35 6.77KASdS也0.1I*zCSljC 51377 6140KA87.7MVA，势2 1102945.35356.37KAKAI z2Sd0.21.031 53.519.52 87.76.38KA108.22MVASd26.57 87.7114.27MVAd1点冲击电流及全电流最大有效值;查得Kch 1.9ich 2KchIz课程设计查得 K

18、z 0.93Ich Iz,Kz2-2(KKz)2226.76 50.932 2(1.9 0.93)21.657 6.76511.21KAd1点短路时，4s热效应为，周期分量热效应为；Qdt Qzt QfztIz2 10I2zl I 2ztQzt21146.7652 10 6.3812 6.372 4112164.50KA2S非同期分量热效应为;查得 Ta=0.2_2_ _QfztTaIz 0.226.76529.J5KA；S ”164.50fzt9.153 173.65KA2S4.3.2 d2点短路计算电抗X8Xjs1.2 XX4 X21.9471.94720.9735S °n1.2

19、 8T30 0.973 -1000.292Xjsc 1.14同期分量短路电流 发电机12X js1.20.292查得运算曲线为I*z3.845z0.23.085I *z0.1I *z23.1053.038z43.032I n1.2Sn1.2303Uj 3 1100.157KAIz3.845 0.157 0.605KA3课程设计Iz0.13.105 0.157 0.487KAIz02 3.085 0.157 0.484KAIz2 3.038 0.157 0.478KAIz4 3.032 0157 0.476KA系统:SdI*zSn1.2 3.845 30 115.35MVASd0.2I*z0.2

20、Sn1.23.085 3092.55MVA17I *zcj37I *zc ISj 3Uj1*zt 1.8751003 1100.8750.525KAIzcI zc I zct0.5250.8750.60KASd Sdt 0.875 100 875MVAd2点短路电流同期分量值为;Iz 0.605 0.60 1.205KAIz0.10.487 0.60 1.087KAIz0.2 0.484 0.60 1.084 KAIz2 0.478 0.60 1.078KAIz4 0.476 0.60 1.076 KASd 115.35 87.5 202.85MVASd0.2 92.55 87.5 180.0

21、5MVAd2点短路冲击电流及全电流最大值； 查得Kch 1.85Kz 0.96ich 2KchIz 2 1.85 1.205 3.15KAIch 1.205 0.962 2(1.85 0.96)2Iz2d2点短路，4s热效应为2210I t Izt z21121.2052 10 1.0852 1.07621224.81KA2S2 Q fzt Ta I zXTa应按发拉立支路的 飞值来计算； 查得变压器 X0315 R 0.02R15发电机60 R 026 0.0043R60则支路的阻抗得；R jX 0.02 0.0043 j(0.3 0.26) 0.0243 j0.560.560.024323

22、_2_2_Qfzt 0.11 1.2050.160KA S一 一 一 一 2 一Qdt 4.81 0.1579 4.97KA2S五电气设备选择及校验5.1 电气设备选择的一般规定选择与校验电气设备时，一般应满足正常工作条件及承受短路电流的能力，并注意因 地制宜，力求经济，同类设备尽量减少品种，同时考虑海拔、湿热带、污秽地区等特殊环 境条件。5.1.1 按正常工作条件选择电器、电缆允许最高工作电压Umax不得低于该回路的最高运行电压 Ug,即Umax Ug 电器、导体长期允许电流I，不得小于该回路的最大持续工作电流Imax,即Imax Igo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

23、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：、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。Iz2tQdt、短路热稳定校验式中：5电器设备允许通过的热稳定电流及相应时

24、间Qdt 一短路电流产生的热脉冲计算用Qdt下式：Qdt 菜 2 10I2 I；） TI 212式中：I"、Itk/2、Itk一分别为短路发生瞬间、1短路切除时间、短路切除时间的短路2电流周期性分量（KA）tk一短路切除（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

25、电流有效值。校验条件：ich i df 或 I ch I df 式中：ish 一短路冲击电流峰值（KA）;chdfI df一短路全电流有效伯：（KA）;一电器允许极限通过电流峰值（KA）;一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问之和。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 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

26、。对年负荷利用小时数 Tmax 5000h,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。课程设计选择结果：、110Kv母线选择LGJ800/55型钢芯铝绞线。、与系统相连的出线导线选择 LGJ800/55型钢芯铝绞线5.3 断路器和隔离开关的选择和校验断路器可按下表进行选择和校验项目额定电压额定电流开断电流短路关合电流热稳定动稳定断路器UnUnsInmaxI NbrIiiIi Nclish应满足 要求应满足 要求选择结果如下：机端断

27、路器选择SN10 10m /2000-43.3型断路器。主变出口断路器选择 SW4110/1000型断路器。与系统相连的出线断路器选择 SW4110/1000型断路器。厂用变进线选择断路器 SN10-10 I /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项目额定电压额定电流热稳定动稳定隔离升关Un Un5I N I max应满足要求应满足要求选择结果如下：、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 1

28、10D/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。5.4 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:Un Uns In Imax20、按将短路电流限制到一定数值的要求来选择。Xl(%)IdUN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 '三、正常运行时电压损耗 U (%)按下式校验。U(%) XL%axsin5%I N四、母线残压按下式校验。c，c， I&quo

29、t;c，C，U re (%) xL% (60%70%)UNs1 N选择结果：NKSL 102004型电抗器，满足限流条件和动热稳定校验条件。、发电机、变压器连接导体(10kv)的选择3条100mmx 10mm竖放矩形铝导体。 动热稳定均满足校验条件。5.5 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,设立感器离测量仪表的距离为 40mo 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：

30、、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JSJW10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。5.6 避雷器的选择和校验5.6.1 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。根据避雷器选择原则，该发 电厂避雷器选择结果如下表所示：避雷器的选择结果安装地点型号额定电压有效值(kV)发电机出口Y2.5W512.7/3110.5发电机中性点Y1W57.6/197.6110kV母线出线处Y5B 100/234100110kV母线、