1、某水电站电气一次设计.docx

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1、合肥工业大学毕业设计（论文）摘 要在我国电力能源的需求量十分重大，发电设备中我国以火力发电为主，在火力发电中整个过程污染大成本高，对发电的能源需求有着严格的要求，资源利用率低。相比水利发电就有明显的优势。关键词：水电站设计；电气主接线；设备保护；继电保护；短路电流计算目 录1 绪论（引言）61.1 水力发电特点61.2 工程建设中的作用71.3 水电站电气一次设计71.4 水电站设计统筹概括82 电气主接线设计82.1 电气主接线形式选择82.1.1 预选接线形式优缺点82.1.2 电气主接线的拟定92.1.3 方案的经济性比较102.2 主接线中中性点接地方式102.3 主接线中设备配置11

2、2.3.1 隔离开关的配置112.3.2 接地刀闸或接地器的配置112.3.3 电压互感器的配置112.3.4 电流互感器的配置112.3.5 避雷器的配置122.4 主变压器的选择122.4.1 主变压器台数、容量的选择122.4.2 主变压器型式的选择123 厂用电设计13 3.1 厂用电分析设计133.2 厂用电接线图134 短路电流计算13 4.1 序阻抗标幺值计算134.2 三相短路电流计算144.3 不对称短路电流计算174.4 K2、K3点短路母线残压计算234.5 母联断线计算265 电气主设备选择285.1 持续工作电流计算285.2 220kV电压等级侧电气主设备选择及校验

3、285.3 18kV电压等级侧电气主设备选择及校验35结论39参考文献40致谢411 绪论在河流山川之中，蕴藏着无限的能量，水源也称为水力资源。水能是可供人们利用的一种可再生能源。利用得早，价值就大。我国河川纵横是世界上最丰富水力资源国家。水电站设计的组成部分，是工程建设的重要环节，对水电站的投资、建设工程和设备运行中有着重要作用。1.2工程在建设中的作用设计工程的工作是工程建设中一个关键环节。设计是在工程建设中起到龙头的作用。设计其是一门在科学技术与政策方法等方面的整体综合性的实际应用技术。设计的文件内容是安排工程建设的项目与施工安装组织的论据。1.3 水电站电气一次设计水电站是一座发、变电

4、设备。它是水轮机将水能转变为机械能作用。水电站的电气设备可分为一次设备和二次设备。隔离开关、电等；电气的二次设备是对一次设备的工作的低压设备等。一次设备电气连接关系的高压电气回路称为一次回路。一次回路的设计是主体，保证供电可靠性关键。它与继电保护设计有密切关系。1.4 水电站设计统筹概括该水电站位于太里地区，该地区现有总装机容量已达520MW，现需新建一电站，其装机容量为2*1MW，是小型电站，年利用小时数约为50000时，为了该地区的水力资源最大化的利用新建电站，可缓解地区电网供电不够的现象。2 电气主接线设计2.1电气主接线形式选择2.1.1预选接线形式优缺点及其适用范围如下1）一个半断路

5、器(3/2)按线引线用三台断路器接往两组母线上组成半断路器,有较高的供电可靠性,在任一母线故障时或检修时均不致停电,但是使用的设备比较多,占地较大。当180KV出线17回及以上, 260kV出线在9回以下时,母联断路器旁路断路器,节省了断路器及配电。2.1.2电气主接线的拟定本设计220KV出线六回,经过资料分析,如图2.1.3方案的经济性比较设备投资:主接线使用断路器24台,双母单断路器16台,由于断路器价钱昂贵,一台半断路器接线增加了设备投资。应用于发电厂时线路共用中间断路器,在单元控制室,并在网络控制室设,比较复杂。:应用于发电厂时。发电机-一台断路器，只需在单元控制室,与线路控制无关,

6、比较简单。2.2主接线中性点接地方式电力网为560kV接地方式接地方式的要求如下:便于运行调度灵活。3)主变40-52kV侧采用中性点不接地接地方式。4)发电机中性点直接接地中性点不接地电流大于允许的小机组或300MW及以上的大机组。2.3.1隔离开关的配置1)容量300M双绕组变压器为单元连接时。4)发电机口采用封闭母线,不能装设隔离开关。2.3.2接地刀或接地器的配置母线的接地刀闸宜装设在母线电压互感器的隔离开隔离开关上,也可装设于其离开关的基座上。必要时可装设独立式母线接地器。2) 63kV及以上配电器两侧隔离开关和宜配置接地刀闸。双母线接线两组母线隔离开关可共用一组接地刀闸。3)旁路母

7、线一般装设一组接旁路回路隔离开关的旁路母线侧。4)63kV及以器进线变压器侧宜装设一组接地刀闸。2.3.5避雷器的配置1)配电装置的每组母线上,应装设避雷器时除外。2)旁路母线是否需要装路母投入运行时,避雷器到北保护设备的电气距离是否满足要求而定。3)直接接地变压器中性点位分级绝缘且装有隔离开关,装设避雷器,1)按发电机的额定容量扣扣除本机组的厂用负荷。小浪底电站为地下室厂房,共安单元接线方式,主变六台,估算本厂负荷15MW。功率因数cos=0.2则由1)计算主变容量为(350-15)1.1/0.958MW由2)计算主变容量为(35924-15)/0.93493MW因此,选择主变六台,容量为9

8、10MW2.4.2主变压器型式的选择主变压器相数的选择在330kV以下的变电所和发电厂均应选择三相变压器。选择主变压器的相数时,依据资料以及设计发电厂的实际情况来选择。2)绕组数的选择在具有三种电压等级的变厂,如通过主变压器的各均达到该变压器容量的15%以上,或低压侧虽无负荷在发电厂内需装设无功补偿设备,主变宜采用三绕组变压器。3)连接组别的选择变压器绕组的连接压相位一致,否则不能并列运行我国110KV及以上低压侧位158kV。因此主变采用连接方式。 厂房用电设计3.1厂房用电分析设计1.接线方式和电源容量，应充分考虑厂用设备在正常电源能迅速投入。2.尽量缩小厂用电系统的故障影响范围。3.2厂

9、用电接线图由于用电负荷情况未知,厂用电接线只是进行了设计。4 短路电流计算主接线采用双母单分段带旁路母线接线方式并假设每回出线所带负荷大小相等。4.1序阻抗标幺值计算短路电流计算图见图4.1,通过故障点短路电流分析,选择K1, K2、K3点作为短路电流计算点取aB=100MVA, U=UAV系统: ad=2000MVAqc=qB / qd=100/200= 0.05变压器:qT1=qT2=(Ud/100) (aB/SN)= (1254/100) (550/360)=0.89发电机:Xy=XpSB /S7=0.2 100/3.3=0. 6 4.2三相的短路电流计算X1 = Xc+ Xl / 12

10、 = 0.005 + 0.03/12=0.005各电源供给短路电流标幺值计算如表4.12)冲击电流不计周期分量衰减:ish=2KchI因为短路点在水电厂升压变压器高压侧,取Kch=1.85则: uygv=2Kc=21.8541.49=8.0kA 3)短路电流非周期分量起始值:fdtdy=-2（I+I）=-241.49=-58.68 短路全电流最大有效值4） 0. 06秒全电流 5） K3点发电机出口1) K3点三相短路电流正序网络变换图见图4.3经星网变换X7=（0.018910.01890.021）1=0.42 计算电抗Xj7=X7SB=2.4；Xj= XS/SB=0.22 冲击电流不计周期

11、分衰减:ish=2Kc 因为发电机出口,取Kh1.9则：h=2KI=215.18=33.36kA 4.3不对称短路电流计算230kV 侧：SB/3B=100/（32）=0.2A 相电压 U=230/3=132.79k 18kV 侧： B=B/3B=10/（318）=3.2kA 相电压 U=18/3=10.4V 正常运行,互感器变比取值:230V侧:最大运行方式母线电流6P/cos=634/20/0.9=9.9A互感器变比 A=2500/1二次侧电压固定取为100/3V电压互感器变比NT=230/(1003)=2.3二次侧电流I2(A)=I1(nn)100/j=1000/2500I1=0.4二次

12、侧电2oV)=U1(Ke)/NTV=U1(gb)/2.318kV侧:发电机额定电流192电流互感器变比NA=100/1A电压互感器二次侧电压固定取为取为100/3kV电压互感器变比NT=18/ (1003)=1.8(KV/V)二次侧电流I2(Al)=I1(A)1000/NTA=1000/1500I1=0.067I1二次侧电压U2(V)=U1(K)/NT=U1(KV)/1.8运行方式:发电机为30M,为保证出力23.9M最大运行方式:六台机全部投入带六回出线运行。出线和机组平均分配在三段母线上最小运行方式K1点短路序阻抗图见图4.5图正序负序零序=X=（0.+0.0055（0.0389+66）/

13、2）.010.055=0.00184X0=0.0355589/25.55+0.015）=0150.02=000245499令=j451.两相短路m=8序电流标幺值I1*=/j（n+X2）=59.82；Ia2*=I1*=5859.52*=0 序电流有名值Ia1=Ia551*IB=1455.88kA；I55a2=Ia1=14.85558kA；I055=0换算到二次侧Ia5512=14.85580.4=5.5595A；Ia5522=55-Ia1=-5.5595A；I0552=0 故障相电流标幺值 I*=5502mIa1*=18803.1 有名值 I=1773.1IB=25.77kA 换算到二次侧 2

14、5.752570.4=10.3231A 序电压标幺值Ua1*=jI88a1*X288=j0.5；Ua2*=Ua831*=j0.5；U0*=0 序电压有名值Ua1=Ua.551*UB=j6556.4kV；Ua2=Ua4451=j66.4k555V；U0=0 换算到二次侧Ua1552=6655.4/2.3=28.87V；Ua5522=Ua1wfg2=28.87V；Ugg02=0 相电压Ua=2Unnua1=57.7884V；Ub=Uc=-Uayu1=-28.8887V 2.单相短路m=3888序电流标么值Ia881*=I82*=I0*=E/(X1588+X8842+X08874)=357.45序电

15、流有名值Ia61=Ia42=I90=Ia1*I4B=9.356kA换算到二次侧Ia12=Ia242=I02=9.144360.4=3.75A故障相电流标幺值I*=4mI44*=152012.35有名值I=I0*IB=208.0875kA换算到二次侧I=28.0801750.4=1881.25A序电压标幺值Ua1*=jI24a1*（X2+)=j740.69Uajj2*=-jIa1*X2=-j0.31U0*=-jIbba1*X0bi=-jr0.37序电压有名值Ua1=a1*B=j91.6kV；Ua2=2*U=-j1.17kV；U0*=-j49.1V换算到二次侧Ua12=93/2.3=39V；Ua2

16、2=.17/2.3=9V；U02=13/2.3=21.36V相电压标幺值Ua*=0Ubhj*=1*（X2-aX0）=0.87-j0.56Ucg*=-3Ia1*（X2-a2X0g）=-0.85是7-j0.56有名值：Ua=0；Ub7=55Ub*UB=117.55.53-j74.36； 有效值换算到二次侧Ub52=5U5c2=15537.39/2.3=559.7V；Ua2=0 3.两相接地短路序电流标幺值Ia1*=1/( X2X0+ X1)=77.52 Ia2*=-Ia X0/(X2+ X0)=-4.94 I*=- 1* X2/(X2+ X0)=-3.58 序电流有名值Ia1=1*B=1.38kA

17、；Ia2=49kA；I=-8.9kA 换算到二次侧Ia120.4=7.75A；I2=10.490.4=4.9A；I=0.4=3.6A 故障相电流标幺值Ia*=16.28有名值I=16.280.265=9.07kA换算到二次侧I=28/9.070.4=11.6893A序电压标么值a1*=Ua*=U0*=a1*(X0)=0.35序电压有名值U1=a2=0=U1*UB=46.48kV换算到二次侧a12=22=U02=48/2.3=0.2V相电压标幺值a*=3U1*=j1.05；U*=Uc*=0有名值Ua=Ua*Urg=139.43kV；Ub=Uc=0换算到二次侧U2=139.4s3/2.3gfg=6

18、0.6V；Ub7=Uc5=0经过序阻抗变换最大运行方式K1点短路序阻抗值如下X1=0.01（0.08-0.066）/6）=0.010.01=0.003X8=（0.5+0.015）（0.89/6）=0.020.65=0.49最大运行方式K2点短路序阻抗如下X8=X6=0.005（0.005+（0.0389+0.066）/6）=0.0050.022=0.0041X9=0.05（0.089/6+0.05）=0.0050.15=0.041最小运行方式K2点短路序阻抗值如下X6=X23=0.5（0.005+（0.09+0.066）/2）=0.050.57=0.06X0=0.05（0.09/2+0.5）=

19、0.050.05=0.44最大运行方式K9点短路序阻抗如下X1=X2=0.06（0.09+0.01（0.09+0.06）/5）=0.0657=0.027X0=0.66最小运行方式K3点短路序阻抗如下X18=X9=0.066（0.09+0.01（0. 89+0.066）=0.060.08=0.28X0=0.064.4K2、K3点短路母线残压计算K2点短路母线残压计算最大运行方式1） 三相短路I=E/ X4=1/0.041=243.9 流过线路侧短路电流 IL*=0.05/（0.5+0.022）I*=0.1825I*=425.12 20kV 母线残压Um*=X2LI2L*=0.243 有名值 Ul

20、=Ug*UB=10kV 换算到二次侧 50/2.3=123V 2） 两相短路短路电流IL1*=0.5/（0.05+0.2）Ia1*=0.5Ia1*=2.6 Io2*=0.4/（0.115+0.0212）Ia2*=0.15Ia2*=-2.56 I0*=0 230kV 母线残压m1*=U1*+jL1IL1*=j5+j0.5*22.6=j0.6 U4*=Ua2*+jXL22*=j0.5-j0.5*22.56=j.39 U0*=0 有名值 U1=UmUB=79.67kV；Um=U2*UB=5.79kV；Um=0 换算到二次侧U12=79.7/2.3=3.64V；Um2=51.79/2.3=2.52V；

21、Uo2=0 3） 单相短路流过线路侧短路电流I1*= IL*=0.5/（0.05+0.022）Ia1*=0.5Ia1*=15.04 IL0*=0.02505/（0.0215+0.005）I0*=0.14I0*=15.45 230kV 母线残压标幺值：U1*=Ua1*+jX1IL1*=j0.67+j0.00515.04=75 Um=Ua2+jXIL2*=-j0.3+j0.0515.4=-j0.25 Um0= U0*+jL0I0*=-j0.3+j0.0155815.44=-j0.122 有名值Um1=U1*UB=98.962kV；Um2=U02*UB=-35.83kV；U80=Um0*9.2UB=

22、-13.258kV换算到二次侧Um12=9008.96/2.3=435.02V；Um22=-3305.83/250.3=-14.7V；Um02=-13.28/2.3=-5.7V4） 两相接地短路流过线路侧短路电流IL1*=0.005/（0.005+0.022）Ia1*=0.185Ia1*=30.08IL2*=0.05/（0.0065+0.022）Ia2*=0.185Ia2*=-15.04IL0*=5/（0.0215+0.05）I0*=0.19I0*=-15.45230kV母线残压Um1*=Ua1*+jXL1IL1*=j0.33+j0.0058.08=j0.48Um2*=Ua2*+j2IL2*=

23、j0.33-j0.0515.4=j0.25Um0*=U0*+jL0IL0*=j0.33-j0.0515.45=j0.1有名值Um1=Um1=63.7kV;Um2=U2*UB=33.2kV;Um0=UB=13.28kV换算到二次侧Um12=63.7/2.3=247.7V；Um22=33.2/22.3=14.483V；Umo2=13.5228/2.3=205.8VK20点最小运行方式及K853点各种运行方式母线残压计算方式同上,计算过程略,计算结果见表4.6, 4.74.5母联断线计算1）最大运行方式母联断线序算图如4.6 XF1=XFF2=0.017+0.01=0.02207 XF0=0.089

24、/6+0.15+0.005=0.03456 故障口开路电压 Uff=j1 1 单相断线 IF1*=Uff/j（XFF1+X2XF0）=2357.58 IF2*=-F0/（FF2FF0）I1*=-1203.47 I0*=-XFF2/F0+XF2）IF1=-110.11 有名值IF1=I400F1*IB=5.9k42A;IF2=IF42*I55B=-3.37kF0=I25*IB=-2.50543kA 换算到二次侧IF12=50.4=2.36A;I2=-3.370.4=-1.35;I042=-2.530.4=1.01A 2 两相断线IF1*=IF052*=IF0*=E/j（XF+XF2+X5gjmi

25、p0）=11.11 有名值IF1=IF2=I0=IF1*IB=2.78kA 二次侧IF12=F2=IF02=2.780.4=1.11A 最小运行方式母联断线序阻抗计算如下XFF1=XFF2=0.062,XFF0=0.049，断线电流计算同上,计算过程略,计算结果见表4.85电气主设备选择5.1持续工作电流计算根据回路持续工作电流1,计算要求,计算结果如下发电机回路：1.05IGN=1.0510692=11226.6A 变压器回路：1.05ITN=1.05STN/3UT=1.05360/（320）=2A 母线联络回路：1.05IN=1.05TN/3UN=1.0560/（3220）=92A 母线分

26、段回路：0.8IT=0.8 STN/3UN=0.8360/（3220）=56A 出线：1.05N=1.05STN/3UTN=1.05360/（3220）=992A 5.2 220kV电压等级侧电气主设备选择及校验1.断路器UNs=220kV;IW1000A 短路电流周期分量有效值421. 49KA选择瓷柱式S46断路器LW85-252基本参数见表5.1校验设主保护动作时间为0.0545秒。并取分闸时间tin=1770ms,开断时间toc=580ms开断计算时间tbr=0.05oi】+tin=0.05+【】0.01=0.06s 因为 tbr Ic8960.06冲击电流 ish=10668kA 关

27、合电流 iNel=12175kA 额定峰值耐受电流 imax=126805kA 则 ima6x ish;iN01el ish由于 t45s 以后短路电流趋于稳定所以：另 II54=39.4kA =I I=41.4879/39.4=1.71，tk=0.1s 查周期分量等值间曲线 T6p0.1s 查非周期分量效时间表由于短路点在升压变压器母线及出线短路,取T=0.08TnpT 20.0381.0242=0.087s 则 teqtptn0p0.10.0870.187s I2t0eq=39.40220.187=2905A2S Ith2 t=502204=10000 kA2S 则 Ith2t I245、

28、2teq断路器选择结果见表5.2所以所选择的断路器型号符合要求2.隔离开关UNs=220kV;IWishIth2t=5023=7.6500 kA2S I2teq=266690kA2S 则 It7h2t I62teq66隔离开关选择结果见表 5.4 所以,所选择的开关符合要求3.避雷器选择：UNs=22025kV 系统最高相电压：1.1522440/3=18946kV 选择220kV系列瓷外套氧化锌避雷器,型号Y10W-2156/536,基本参数见表5.5校验内过电压计算倍数K0=3内绝缘工频实验电压U=1.1/1.3K01.15N/3=357V 内绝缘全波额定雷电冲击耐压BIL/Kd=81.1

29、/1.1=75kV 则 Ubjc BIL/Kld 陡坡冲击残bjc 校验: 1.15BIL/K=1.15821.1/1.1=858.4kV 则 Ubjc1.15L/Kld 操作冲击残压 Ubcc校验: 1.35U/cd=1.3557/1=482kV 则 Ucc1.35U/Kd避雷器选择结果见表5.64. 接地开关UNs20kV;IWish;It2tI2eq所选择接地开关符合要求所选择接地开关符合要求5.母线截面 SJ= IW/J=76/0.7=1080 mm选择标准截面14040mm2选择型号NRLH58GJ-25520,基本参数见表5.8取环境温度40,查综合校正系数K值表,取K=0.83I

30、al40=0.833093=6967.17A756A热稳定校验正常运行导体温度:=p0+（l-0）（I/Ial40）2=40+（150-40）（756/267.7）2=50C查热稳定系数C值表C=950满足热稳定要求电晕校验:所选用导线的外径为51.36mm 30 m。因此可不进行电晕校验6电压互感器UNs=22kV;IW100A选用电容式电压互感器TYD220/3系列,基本参数见表5.9使用环境1.海拔高度: 100米及以下, 10米及以上地区2.安装地点:高原、湿热、污秽等地区3.环境温度: -4-+524.风速不大于155km/h (4. 37米/秒)使用环境校验水电站处于在黄河干流,总

31、共也海拔不超过200米,全年平均温度2,最高温度80。 因此,该型号电压互感器满足使用环境要求7.电流互感器UNs=220kV;IW20kA2S 满足热稳定要求5.318kV电压等级侧电气主设备选择及校验电压互感器UNs=18kV使用环境校验水电站环境该型号电压互感器满足使用环境要求2.电流巧感器UNs=10kV;INs=102A选用环氧树脂浇注型母线电流互感器LMZB系列,基本参数见表5.12由于所选用电流互感器为环氧树脂浇注型母线电流互感器,因此不进行动稳定校验。热稳定校验:热稳定倍数Kh=755设发电机主保护动作时间为0.05秒,断路器分闸时间tim=100ms,开断时间toc=50ms

32、开断计算时间 tbr=0.05+tn=0.05+0.01=0.0s 因为 tbr185kA2S 满足热稳定要求 3熔断器保护电压互感器的,只按额定电压和开断容量选择,不用校验额电流US=18kV短路容量03MVA选择熔断器RN2-20/0.5系列,基本参数见表5.134.避雷器UNS=18kV选择阀型避雷器FZ-20系列,基本参数见表5.14预放电时间1.5-0S冲击放电电压幅值85BL/1. 1最高运行线电压UM=1.118=0.7V接地系数Cd=0.84.内部过电压允许计算倍数k0=4CdU=0.80.7=16.620工频放电电压有效值下限k0Ug=4181.5/3=4.849上限1.2f

33、x=1.247.8=57.460.5Ugsh=1.1K1.518/1.3/3=40BIL=2.3sh=93取冲击绝缘配合系数1.1则BI/1.1=855 结 论通过数据分析和短路计算，掌握变电所电气主电路的接线计划的选用、主要电气装置的型号选择、主变压器的数量、容量和型号选择，以及各种保护措施的确定这使我能够更全面地了解变电站的设计，并帮助我学习。第 32 页 共 34 页参考文献1 孙国凯.电力系统继电保护原理中国水利水电出版社，2001年2 强尧臣.小型水电站机电设计手册电气一次.中国电力出版社.19973 卓乐友.电力工程电气设计手册电气一次部分.中国电力出版社.20134 姚春球.发电

34、厂电气部分.中国电力出版社.20045 西北电力设计院.电力工程电气设备手册.电力出版社.1999年6 江日洪配电网设备的特性与选型.中国电力出版社.2012年7贺家李宋从矩.电力系统继电保护原理第三版M.北京:中国电力出版社,19968 狄富清.变电设备合理选择与运行检修.机械工业出版社.20059 陈学庸.电力工程电气设备手册电气二次部分.中国电力出版社 200810 卓乐友.电力工程电气设计手册电气二次部分.中国电力出版社.200911 张希泰,陈康龙.二次回路识图及故障查找与故障与处理指南,中国水利水电出版社.200812 丁毓山,雷振山.中小型变点电所实用设计手册.北京：中国水利水电出版社，2010致谢学校的求学生涯，增加了我们的视野，增加了知识的深度和广度，丰满了我们的思维，也使我们对人生路有了进一步的规划，这两年半函授学习，虽然走得辛苦却也收获满满，当设计即将结束时，会有成千上万的想法， 很难用兴奋和感激来表达他们的感受。愿你们永远身体健康，实现自己的人生目标。作者：方通2019年4月11日第 34 页 共 34 页