《S水电站电气一次部分初步设计》7400字（论文）

S水电站电气一次部分初步设计目录TOC\o"1-2"\h\u9962S水电站电气一次部分初步设计 14519第一章概论 2135551.1电力系统概述 2211081.2大型水电站简介 335721.3原始资料分析 421389第二章主变压器的选择 615742.1主变压器台数确定 6101412.2主变压器容量确定 6194262.3确定主变压器 626566第三章主接线设计 9209713.1主接线的基本要求 946673.2主接线的基本形式 9277743.3主要布线设计基本原则 1014863.4拟定主接线方案 1052553.4.2220kv侧接线方案 1180833.5主接线方案对比 1217208第四章短路电流计算 1327204.1短路电流计算目的 13233794.2短路电流计算 1331399第五章母线与一次电气设备的选择和校验 2055895.1断路器的选取和校验 2042205.2隔离开关的选取和校验 22217305.3互感器的选取和校验 2224527第六章防雷保护设计 2559196.1防雷保护的必要性 2519446.2雷击对变电站的影响类型与应对措施 25222436.3避雷器选型 256923因为 25电力系统的正常运行离不开系统的每一个部分的正常工作，电力系统主要是由发电部分，变电部分，输电部分，配电部分和用电部分五个部分组成，而本次设计的发电站便是作为电力系统的发电部分，其重要性不言而喻。近年来，应我国发展清洁能源的要求，水电厂在发电厂中所占比例也越来越高，地位也越来越重。本设计课题来源于S水电站，电气一次部分初步设计电厂容量3×150MW，将三台150MW的发动机，经升压变压器升压后给220KV电网供电。本次设计首先需要选择通过原始资料来确定电气主接线，目前拟定发电机端的接线方式为单元接线，220kV中压侧出线端的接地方式为双母线接线，500kV高压侧出线端的接地方式为3/2接线。电气主接线选择完成后，便要开始查阅资料来确定发电机和变压器的具体型号，并且根据选择的发电机和变压器的参数来确定短路点进行短路电流计算，接下来根据短路电流计算的结果和衍生出的其他数据来选择合适的电气设备，进而完成接地装置及配电装置的设计，最终绘制电气平面图以及断面图。通过本次设计，让我们加深了水电厂电气设计相关知识的认识，了解了水电厂设计的流程，是对大学所学强电课程知识的结合运用。关键词：水电厂；电气主接线；短路电流计算；电气设备。第一章概论1.1电力系统概述众所周知，电力系统是由一些列电气元件所构成，这些重要的组成部分主要由发电机、变压器、输电线路及用户等。其中水电站是构架起整个电力系统的中间枢纽。一个中间水电站，对于上级来说是一个重要的用户，而对于下级用户来说，又是一个电源点，因此起着承上启下的电力变换和电能传输作用。水电厂里面充斥着大量的变电设备，这些设备主要有变压器、母线、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器和避雷器等。这些单个元器件共同协作，才能让整个水电站能够平稳顺利地运行。一旦水电站内某个设备发生故障，轻则导致单个设备损毁，重则导致整站停电，系统解列甚至是大面积停电，给人民的正常生活和社会的平稳安定带来严重威胁。因此一个设计合理、运行可靠的水电站，对于整个电力系统的安全稳定和国民经济的健康发展都起着不可忽视的重要作用。1.2大型水电站简介1.2.1大型水电站在电力系统中的作用和地位在电力系统中，大型的水电站有着极其重要的地位与作用，其地位相当于整个电力系统的枢纽。除了和大型火电厂一样提供电能的主要任务以外，还担任着调峰、调频、调相等调度作用。除此之外，还能作为事故备用。水轮机与汽轮机有很大的不同之处在于汽轮机的启动往往很废时间，并且正常运行时不能随意的改变频率等电能参数，而水轮机得益于驱动方式的不同，能够更加方便的在电力系统中起到调峰，调频等作用，所以水电站在正常供电之外，也常常被用作事故的备用机组。水电厂的地位决定了其送电可靠性的重要程度，对电气部分的设计提出了高要求。1.2.2大型水电站的特点水电站一般根据电压等级一般分为低压侧和高压侧。其中发电机组发出来的电压较低，所以发电机侧为低压侧。低压侧的负荷较少，一般只有厂用电相关的变压器会连接到低压侧。一般来说发电机发出的电能会通过升压变压器升压后在高压侧连接负荷与线路进行供电。水电站在建设完成后由于由于各种因素一般不会进行扩建，但是在建设时要考虑经济的的发展带来的负荷增加，所以在建厂时都会预留装设多余配电装置和备用出线的空位。由上文介绍可知，由于水轮机的特点，水电站一般还会担任着调峰调频等任务，相应的水电站的变压器也会有较多的投切情况。根据《水利发电厂机电设计规范》可知，水利发电厂的厂用电率一般为2%，并且厂用电的接线方式一般比较简单。水电站由于地形的限制，一般会选择在人迹罕至的山区里，如果选择了过于复杂的接线，则会因为修缮复杂的接线形式而大大的增加成本，所以在设计发电站时尽量选择简单的接线形式。1.3原始资料分析1.3.1设计内容本次设计是以S为背景的水电站为设计，水力发电机单机容量为150MW,装机数量共计3台，总容量为450MW，属于大型水电站。水电站的高压侧电压为220kV，出线为两回。厂用电分高低压两个电压等级，为10kV和0.4kV。厂用电率为全厂发电量的1.8%，其中大部分负荷均由厂用高压设备承担，只有少部分负荷是接在厂用低压母线上的。设计内容主要是一次部分设计，在第二章中完成主变压器的选取，第三章完成电气主接线方案选择，第四章进行了短路电流的计算，第五章进行了电气设备选型，第六章进行了站用电力系统的设计等。1.3.2发电机参数根据相关规程，国家规定的发电机端口电压标准为3.15kV，6.3kV，10.5kV，13.8kV，15.75kV，18kV，20kV。而水轮发电机发电工况的额定功率因数宜根据电力系统的要求并经技术经济比较后确定。一般为额定容量为50MVA～200MVA者不低于0.85（滞后）。本次设计的发电机单机容量150MW，端口电压为13.8kV，功率因数cosφ=0.875，经过对比选出发电机SF150-72/14100表1发电机具体参数Table1Specificparametersofgenerator型号额定容量（MW）额定电压(kV)转速短路阻抗SF150-72/1410015013.883.31.539本次设计采用三台上述发电机1.3.3其他环境资料（1）厂用负荷1.8%。（2）环境平均温度θ=25℃，最高38℃，最低−5℃（3）雷暴日28.9天/年（4）海拔高度:230米（5）土壤电阻率ρ<180Ω/m第二章主变压器的选择2.1主变压器台数确定由于水电厂的特点，其电气主接线广泛采用单元接线和扩大单元接线。如果采用单元接线的话三台发电机就需要三台主变压器，如果使用单元接线和扩大单元接线混合使用的话，只需要两台主变压器，极大的节约了成本。在技术支持的情况下，我们优先选择经济性高的后者。2.2主变压器容量确定如果选择使用单元接线，一台变压器连接一台发电机，则其变压器容量由发电机决定：S如果选择使用扩大单元接线，一台变压器连接两台发电机，同样有：S2.3确定主变压器2.2.1主变压器绕组数的确定我国目前采用的变压器种类有以下几种：三绕组式变压器，自耦式变压器，双绕组式变压器，分裂绕组式变压器。在本次设计中，除去厂用电电压等级外，只存在两个电压等级，分别为发电机出口电压13.8kV和升压后的220kV，所以最终选择双绕组变压器。2.2.2主变压器相数的确定本次设计的水电站最高电压等级为220kV,查阅资料可得，在330kV电压等级以及以下的变电所和发电厂中，一般选用三相变压器。所以最终确定选择三相式变压器。2.2.3确定主变压器绕组连接组根据国家的规定，在变压器中，三相绕组的组别要和电力系统的相位一致，否则就不能将该变压器发出的电压进行并列运行。我国110kV及以上电压,变压器三相绕组都采用“YN”连接。根据系统和或机组的同步并列要求及限制三次谐波对电源的影响因数,所以,该站主变连接组别选定为:YN,yn,d11。2.2.4主变压器冷却方式确定目前在高电压等级的变压器中，有以下三种常用的冷却方式：强制油循环式冷却，油浸自冷式冷却，油浸风冷式冷却。油浸自冷式冷却顾名思义，便是将变压器的绕组和铁芯浸泡在油中，当这些器件散发热量时，热量便会被油的自然对流作用带到散热器上，再散出去，起到散热的作用。该种方式一般适用于小型的变压器。油浸风冷式冷却便是在油浸自冷的基础上加上风扇，风扇的转动会加快空气的流动，能更快的使变压器散热。这种方式适合中型的变压器。由于油的流速比较慢，所以在发热比较严重的变压器中，会加入油泵，加快油的循环，让热油更快的流入散热器，通过配合风冷或者水冷的方式降低油温，最终降低变压器的温度。这种冷却方式为强迫油循环冷却。该种冷却方案适合变压器容量大，需要更高效的散热的变压器。根据原始资料可知，本次要选择的变压器的容量会很大，所以我们选择强迫油循环型的变压器。2.2.5变压器选型通过前面对变压器容量的计算，选出以下两款变压器：表2SFP7-240000/220变压器参数Table2SFP7-180000/220transformerparameters型号额定容量(kV•A)额定电压(kV)空载损耗（kW）短路损耗(kW)空载电流(%)阻抗电压(%)SFP7-180000/220180000242±2×2.5%13.81605100.813.3表3SFP10-400000/220变压器参数Table3SFP10-400000/220transformerparameters型号额定容量(kV•A)额定电压(kV)空载损耗（kW）短路损耗(kW)空载电流(%)阻抗电压(%)SFP10-400000/220400000220±2×2.5%13.81607000.1514.0第三章主接线设计3.1主接线的基本要求水电站设计中除了变压器和发电机的选择之外，另外一个重要的基础部分便是选择电气主接线。选择电气主接线，要充分的考虑到主接线的可靠性，既给负荷供电时的稳定程度；要充分考虑接线的灵活性，既在检修等场合下电气主接线能否灵活的将负荷投切；在考虑以上两种要求的前提下，还要结合实际考虑一定的经济性，不可因为接线过于复杂而导致投资大大超标。因为本次设计的发电厂满足电机容量10MW以上，总装机容量600MW以下，电压等级500kV以下的要求，所以本次设计均参考《DL-T5186-2004水力发电厂机电设计规范》完成。3.2主接线的基本形式目前主流的接线形式主要分为两种：有汇流母线类型和无汇流母线类型。有汇流母线顾名思义便是有母线的接线形式，这类接线形式一般运用于出线很多，或者需要较高可靠性的接线方式中。无汇流母线的配电装置普遍使用的比较少，经济性较高，但是局限很高，只适用于出线很少的发电厂。具体分类见下表:表4接线形式分类表Table4Wiringformclassificationtable有汇流母线无汇流母线单母线双母线单元接线单母线分段双母线分段扩展单元接线单母线分段带旁路母线双母线分段带旁路母线内部桥接外桥接线2/3接线4/3接线角形接线3.3主要布线设计基本原则在满足继电保护要求的情况下，高压侧应尽量少用或不用断路器，系统主干网不应有分支布线。根据《DL-T5186-2004水力发电厂机电设计规范》第五章第二节电气主接线可得：（2）发电机侧的电气主接线，发电机与主变压器组合方式通过技术经济比较从单元、联合单元、扩大单元等接线方式中选定。（3）110kV-220kV的电气主接线,如果选用敞开式配电装置敞开式：配电装置进出线回路不多时,可采用桥形接线、角形接线、单母线接线、单母线分段接线等。220kV进出线达6回及以上、110kV进出线达8回及以上时，可采用双母线接线。（4）110kV-220kV的该配电装置的断路器无停电检修的条件，则可采用带旁路母线接线。查阅资料可得，如果220kV出线在5回以上，110kV出线在7回以上时，则可以采用带有专用断路器的旁路母线。当22OkV进出线达12回及以上时，也可采用3/2断路器接线或4/3断路器接线。（5）气体绝缘金属封闭开关设备(简称GIS)配电装置可采用桥形、双桥形、单母线或单母线分段接线;出线回路较多的大型水电厂也可采用双母线接线。GIS配电装置不设置旁路母线。3.4拟定主接线方案根据原始资料和相关规程，该厂计划从三台端口电压为13.8kV的发电机作为电源，经两台升压变压器升到220KV后接入系统，考虑到大型水电厂的特性，发电机端不设置发电机电压母线。由此结合220kV侧出线仅有两回，不能使用角形接线，初步拟定以下接线方案：3.4.1.发电机侧接线方案方案1:单元接线方案2:扩大单元接线图1单元接线与扩大单元接线3.4.2220kv侧接线方案方案1:桥型接线图2内桥接线方案2:单母线接线图3单母线接线方案3:单母线分段接线图4单母线分段接线3.5主接线方案对比在灵活性，可靠性均满足需求的前提下，考虑经济性。扩大单元接线相比于单元接线能够节省一台变压器。而桥型接线相比于单母线接线，至少可以节省母线的布置。所以发电机端选择G1、G2通过扩大单元接线接入系统，G3直接通过单元接线接入系统。而220kV侧直接使用内桥接线将两出线送出。具体的电气主接线图如下所示：图5发电站总接线简图第四章短路电流计算4.1短路电流计算目的选择完电气主接线后，便要开始计算短路电流。短路电流为发电厂或变电站中最为常见的但是也是最为严重的事故之一。计算短路电流，可以为后面的电气设备选型，发电站二次部分的设计打下充足的基础。4.2短路电流计算设基准容量SB=1000MVA,U变压器的阻抗为：XX由上文可知，发电机的电抗为1.5394.1.4短路电流计算（1）（2）进行星型-三角型变换(3)图6f1点阻抗化简过程图当f1点短路时：XXX短路电流计算：IIX运算曲线表表4运算曲线表Table4Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.3920.3960.3960.396t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:IX运算曲线表表5运算曲线表Table5Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.3570.3440.3570.357t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I短路电流计算总值：t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I(1)(2)进行星型-三角型变换(3)图7f2点阻抗化简过程图当f2点短路时：XXX短路电流计算：IIX运算曲线表表6运算曲线表Table6Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.2980.2980.2980.298t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:IX表7运算曲线表Table7Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.3920.3960.3960.396t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I短路电流计算总值：t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I(1)(2)图8f3点阻抗化简过程图当f3点短路时：XXXXXXX所以短路电流的标幺值为：I短路电流的有名值为：I=第五章母线与一次电气设备的选择和校验5.1断路器的选取和校验断路器对于电力系统的安全运行有着举足轻重的作用，由于它具有一套完善的灭弧装置，因此，在发生短路故障且短路电流的值很大时，只能靠断路器来切断短路电流，保证系统中未发生短路的部分不受到短路电流侵害。在电力系统内的电气设备在投入和切除时也靠断路器来控制，因此，选择合适的断路器对于变电站的安全运行是至关重要的。5.1.1高压侧220kV断路器选取和校验由于发电机有两种接线方式，所以该发电厂内存在两种容量的变压器，故要要进行两次短路校验才能选择最终的断路器。220kV侧最大持续工作电流：I=I=由短路电流计算得短路次暂态电流为I短路电流冲击值I选择断路器应满足：额定开断电流不小于短路次暂态电流，预选用SW4-220作为本站断路器，设备参数如下：表8SW4-220断路器参数表Table8SW4-220circuitbreakerparametertable安装地点额定电压KV额定电流A开断电流KA动稳定极限电流KA热稳定电流KA（4s）关合电流KA合闸时间户外220125031.58031.5800.18<额定电流校验II额定电压校验U开断电流校验在实用计算中故开断条件为：I其中，Iqf∙N——断路器额定开断电流Ipt——计算短路电点的关合电流校验断路器额定关合电流应不小于三相冲击短路电流：I动、热稳定校验拟定220kV继电保护保护时间为0.15s，断路器全开断时间为0.25s，则有：t表9动热稳定校验表Table9Dynamicthermalstabilitychecklist项目计算设备热稳定校验II动稳定校验iImax=80各项校验结果均满足要求。5.2隔离开关的选取和校验隔离开关最主要的作用是将两个电位隔离开，形成一个明显的、肉眼可见的间断点，保证其他电气设备在不带电的情况下能够安全检修。5.2.1中压侧220kV隔离开关选取和校验（1）通过额定电压选择：U（2）通过额定电流选择：I根据上述条件，初选GW4-220/1250，其技术参数如下：表10GW4-220/1250隔离开关参数表Table10GW4-220/1250isolationswitchparametertable安装地点额定电压KV额定电流A动稳定极限电流KA热稳定电流（4s）KA热稳定时间户外220125080404进行校验：表11动热稳定校验表Table11Dynamicthermalstabilitychecklist项目计算设备热稳定校验II动稳定校验iImax=5.3互感器的选取和校验互感器是一种与变压器功能相似的器件，其功能为以倍数来改变电流或者电压的大小。该器件主要是将电气的一次部分和二次部分连接起来的器件，在整个系统中起着重要的作用。5.3.1电压互感器的选取和校验电压互感器与所测量的系统是并联连接的，是将被测量的电压转换成5V或10V的电压供仪表和继电器使用，因其不通过系统电流，故不需要进行热稳定和动稳定的校验。高压侧220kV，根据设计要求和使用条件，选择TYD220/3-0.01H电压互感器。表12TYD220/3-0.01HTable12TYD220/√3-0.01Htechnicalparameters型号额定电压二次绕组1额定负荷二次绕组2额定负荷剩余绕组额定负荷一次绕组二次绕组1二次绕组2剩余绕组TYD220/3220/30.1/30.1/30.1602002001001005.4.2电流