水力发电厂电力图设计

1、11原始资料1.1.1水力发电厂1)水轮发电机组4台：4*125MW;出口电压：15.75KV ;2)机组年 利 用小 时数 ： Tmax=4200 小时。3)厂 用电 率 ： 15%。4)发 电机出 口 主保护动作时 间取 0.2 秒。5)环 境 温 度 ： 最 高 温 度 35 度 ， 年 平 均 气 温15 度。1.1.2电 力负 荷向110KV系统输送功率240MW年利用小时数:4000 小 时 ； 剩余功率 全部送 入系统 ， 年 利 用 小 时数： 4200 小 时 。功率因数均取0.85 。1.1.3发电厂出线110KV架空出 线 6 回 ， 220KV 架空出 线 4 回 。1

2、.1.4电 力系 统 情 况110KV系统容量为无穷大，选基准容量100MVA，归算到发电厂110KV母线，系统供给的短路容量为3400MVA;发电厂与相距150KM的220KV变电站两回连接，220KV系统容量为2500MVA1.2 设计的任务与要求1.2.1设 计的 任 务1)发电 机和变压器的选择表 1-1水 轮发 电机的 型号参数发电机型号额 定容量 (KVA)额定电压(KV)额定功率因数(KW)电抗 ( 标幺值 )XdXd时间常GD2T*m2Ts1280 d0T d00.851.0367.13注： 发电 机参数如上表， 要求选择发电机的主变， 联络 110K

3、V0.314.218.2757 2000-60和 220KV 的 联 络 变 压 器 的 型 号 。（2）电 气主 接 线选 择注：水电发电厂的发电机-变压器接线方式通常采用单元接线 的 方 式 ， 注 意 主 变 压 器 容 量 应 当 与 发 电 机 容 量 向 匹 配 。 110KV 和 220KV 电压 级 用自 耦变 压 器联 接， 相互交 换功 率，接线方式 220KV 采 用 双 母 线 接 线 ， 110KV 采 用 双 母 线 接 线 。（3）短 路电 流 的计 算在满 足工 程要求的前 提下，为 了简化 计算 ，对 短路 电流 进 行近 似计算法。结合电气设备选择，选择短路

4、电流计算点，求出各电源II提供的起始次暂态电流I ,冲击电流Ish ,计算短路电流热效应所需 不 同时刻 的电 流（4）电 气 设备 的 选择要求 选择 ： 220KV 侧出 线断 路器、 隔离 开关 、 电流 互感 器 , 母 线截面和电压互感器。注：电气 设备 的 选择 包括 选择和校验 , 而校验 则需 要结 合（3） 的 短 路电 流计 算的 结果。（5）绘制 发电 厂电 气主接 线图要求：每人手工绘制电气主接线图（A2）一张。1.2.2 设计的要求（ 1） 短 路 计算 及电 气设备 选择计算方法 应当正确。（ 2） 主接 线图 形符 号 、线条及 标 题栏 符合 规范 , 接线 正

5、确 , 图 面布局 合理 , 参数标注 正确, 图 形清 晰美观。（ 3） 论文 格式 符合 要 求 , 结构 严 谨, 逻辑 性强 , 层次 分明 , 纹 理通顺 , 无 错别字, 要 求手 写, 20 页左 右, 统一使 用 A4 纸张 。2 主 接 线 方 案 的 选 择2.1 主接 线方 案 的选 择 对电气主接线的基本要求，概括的说应该包括可靠性、灵活性 和经济性三方面，下面简要分析一下。可靠性 可靠安全是电力生产的首要任务，保 证供电可靠是电气主接线 最基本要求。它可以从以下几方面考虑： 发电厂或者变电所在电力系统中的地位和作用； 发电厂和变电所接入电力系统的方式； 发电厂和变电所

6、的运行方式及负荷性质；设备的可靠性程度直接影响着主接线的可靠性； 长期实践运行经验的积累是提高可靠性的重要条件。 灵活性主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。 调 度时 ，应 操作 方便 的 基本 要求 ，既 能灵 活的投入或 切除 某 些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，又能满足系统在事故运行方式、 检修运行方式及特殊运行方式下的调度要求； 检修时，可 以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备， 进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电； 扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。在不影响 连续供电或停电时间最短的情况下，投 入新装机组、变压器或线路 而不互相干扰， 并且对一

7、次和二次部分的改建工作量最少。经济性 主接线应在满足可靠性和灵活性的前提下作到经济合理。一般 从以下几方面考虑。 投资省； 占地面积少； 电能损耗少。此外，在系统规划设计中，要避免建立复杂的操作枢纽，为简 化主接线，发电厂、变电所接入系统的电压等级一般不超过两种。 发 电 、供 电 可 靠 性 是 发 电 厂 生 产 的 首 要 问 题 ，主 接 线 的 设 计 首 先 应 保证其满发、满供、不积压发电能力，同时尽可能减少传输能量过 程中的损失，以保证供电连续性。为此，对大、中型发电厂主接线 的可靠性，应从以下几方面考虑： 断路器检修时，是否影响连续供电； 线路、断路器或母线故障，以及在母线检

8、修时，造成馈线停 运的回路数多少和停电时间的长短，能否满足重要的I , U类负 荷对供电 的要 求； 本发电 厂有无全厂停电的 可能性； 大型机组突然 停电 对电力 系统稳 定运 行 的 影 响 与产生的 后 果等因素。所以 对大、中 型发电厂电 气主接线 ，除 一般定性分析其可靠性 外，尚需进行 可靠性的定量计算。 主接线还应具有足够的灵活性， 能 适应多 种运 行方式的变化， 且在 检 修、 事 故 等特殊状态下操作 方便、 调度灵活、 检 修安全、 扩建发展方便。 主接线 的 可靠性与 经济性综合考虑、 辨证统一， 在满足技术要 求的前提下， 尽可能投 资省、 占地面积少、 电压损耗少、

9、 年费用（投资与运行）为最小。 根据对原始资料的 分析， 选择双母线接线。双母 线具有较高的 可靠性， 广泛用于以下情况：进 出线 回 数较 多 、容 量 较 大 、出 线 带 电 抗 器 的 610KV 配 电 装 置 ； 3560KV 出 线 数 超过 8 回 ， 或 者连接电源较大、 负 荷较大时； 110KV 出线数 为 6 回 以 上时， 220KV 出线 数为 4 回 时。本设计中 110KV 出线数为 6 回， 220KV 出线 数为 4 回 ， 因此使用双母线 接线 方案具有适用性和 合理 性。2.2 双母 线接线 特点双母 线有两组母线， 并且可以 互为备用。每一电源和出线

10、回路 都 设 有 一 台 断 路 器 ，有 两 组 母 线 隔 离 开 关 ，可 分 别 与 两 组 母 线 连 接 。 两 组 母 线 之 间 的 联 络 ，通 过 母 线 联 络 断 路 器（ 简 称 母 连 断 路 器 ） QFC 来实现。双母接线与单母接线相比，投资有所增加，但是使运行的 可靠性和灵活性大为提高。有以下特点：（1）供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮 流 检 修 一 组 母 线 而 不 至 使 供 电 中 断 ；一 组 母 线 故 障 后 ，能 迅 速 恢 复 供 电 ；检 修 任 一 回 路 的 母 线 隔 离 开 关 时 ，只 需 断 开 此 隔 离 开

11、 关 所 属 的 一 条 电 路 和 与 此 隔 离 开 关 连 接 的 该 组 母 线 ，其 他 电 路 均 可 通 过 另 外一组母线继续运行，但其操作步骤必须正确。（2）调度灵活。各个电源和各回路负载可以任意分配到某一 组 母 线 上 ，能 灵 活 的 适 应 电 力 系 统 中 各 种 运 行 方 式 调 度 和 潮 流 变 化 的需要；通过倒换操作可以组成各种运行方式。（ 3） 扩 建 方 便 。 向 双 母 线 左 右 任 何 方 向 扩 建 ， 均 不会 影 响 两 组 母 线 的 电 源 和 负 荷 自 由 组 合 分 配 ，在 施 工 过 程 中 也 不 会 造 成 原 有

12、回路停电3 短 路 计 算3.1 主变 压器 的 选择3.1.1 主 变压 器 的选 择方 法（1） 主 变压 器 的电 压确 定 变 压器 对于 负荷 侧 的电 压， 可 根据 给定 的 负荷 送电 电压来 确 定 ，若 未 规 定 具 体 电 压 ，则 可 根 据 负 荷 量 与 送 电 距 离 即 负 荷 距 离 来确定负荷的允许送电电压，继而确定变压器高压侧电压。 变 压器 与系 统联 系 侧的 电压 可 根据 本厂 接 入电 网的 电压来 确 定 ，若 未 明 确 规 定 时 ，可 按 本 厂 发 电 机 的 功 率 和 功 率 因 数 来 确 定 。 110KV 和 220KV 之

13、 间 需 要 交 换 功 率 时 需 联 络 变 ，选 取 联 络 变 压器。（2）主变容量的确定主变 容量 应能满足本 厂供给最大负 荷的要求， 扣除 厂变 1.5% ， 又 留 有 10%的 余 量 ，及 系 统 要 求 的 交 换 功 率 同 时 还 应 考 虑 5-10 年 的 发展情况及网络的功率损失。（3）主 变的 台 数的 确定由于本厂采用发电机变压器单元接线，故 有二台，联 络变一 台。（4）变 压器 结 构型 式的 选择当具有三个电压等级时，如 果通过主变各侧的功率达到变压器 额 定 容 量 的 15%以 上 ， 一 般 应 选 择 三 绕 组 结 构 ， 变 压 器 各 侧

14、 的 容 量 比 可 根 据 各 侧 负 荷 情 况 来 选 定 。本 设 计 中 只 有 两 个 电 压 等 级 ， 因 此 只需选择双绕组变压器（5）变 压器 的 型式 根据变压器的容量，使用条件，冷却方式及系统要求情况，选 择国家生产的标准产品。由原始资料提供的发电机参数知：水轮机发电额定容量 4*150MVA;发 出功率4*125MW;额定电压15.75KV;额定功率因数 0.85； 电抗（标幺值） Xd =0.218。厂备用率为：1.5%水力发电厂的发电机-变压器接线方式通常采用单元接线的方 式。3.1.2 110KV侧主变压器选择由于电压变比为15.75KV/110KV，考虑单元接

15、线中的主变压器容量S应按发电机额定容量扣除本 机组的厂用负荷后留有10%的裕度选择1.1则容量为 S =1.1*(1 Kp)Png/cos gPgn发电机容量，MWcos g发电机功率因数KP厂备用率所以可以得到容量S=162.5KVA ，考虑变比15.75KV/110KV 选择变压器如表3-1 :表3-1 110kV 侧主变型号变压器型号咼压(KV)低压(KV)空载 损耗Po(KW)短路 损耗Pk(KW)阻 抗电压Uk(%)连接组标号SF11-180000/11011010.591.8514.914Yn d113.1.3 220KV侧主变压器选择由于电压变比为15.75KV/220KV，考虑

16、单元接线中的主变压器容量S应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后留有10%的裕度选择1.1容量为 S =1.1*(1 _ Kp)Png/cos GPgn发电机容量，MWcos G发电机功率因数Kp厂备用率所以可以得到容量S=162.5KVA ，考虑变比15.75KV/110KV 选择变压器如表3-2 :表3-2 220kV 侧主变型号变压器型号咼压(KV)低压(KV)空载损耗Po(KW)短路 损耗Pk(KW)阻 抗电压 Uk(%)连接组标号SF11-180000/220242 2*2.5%10.512849513Yn d113.2 联络变压器的选择321 连接两种升高电压母线的联络变压器容量

17、的确定原则(1) 联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种不同运行 方式下，网络间的有功功率和无功功率的交换。(2) 联络变压器容量一般不应小于接在两种电压母线上最大 一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修，通过联络变压 器来满足本侧负荷的要求，同时，也可在线路检修或故障时，通过 联络变压器将剩余容量送入另一系统。3.2.2 联络变压器的型式联络变压器为了布置和引线方便，通常只选一台，其第三绕组， 即低压绕组兼作厂用备用电源或引接无功补偿装置该发电厂的联 络变压器高中压绕组分别接于220KV和110KV母线，其低压绕组作 为厂用备用电源，由于穿越本厂功率为162MVA，所选联络变容量大

18、于162MVA既可满足。本设计中联络变压器选用自耦变压器联络变压器的型号及参数如表3-3表3-3联络变型号及参数变压器型号高 压(KV)中 压(KV)低压(KV)容量(KVA阻抗电压Uk(%)咼低5咼中b中低0SFP37-180000/22022012110.5180/180/1801012163.3 电路等值电路图如图3-1所示S2S1Xd1 IG1AAA/XIXt1Xd1XXt2Xt2Xd1Xd1G2G3G4图3-1等值电路图3. 4 电路参数计算选取基准容量为100MVA，基准电压为Uav. v(1)水轮发电机参数计算：Xd1=Xd* 旦=0.281* 100 =0.145Sn1502)

19、 220KV侧主变压器参数计算：Xt1= Uk!%l* 鱼二皂*型=0.072100Sn100 1803)110KV侧主变压器参数计算：Xt2二皿吕二匕*型7078100Sn100 180(4) 联络变压器参数计算：Uk 1(%)1=2 (Uk (1-2)Uk (1 -3)_ Uk ( 2 _3)二丄(10212 - 16)=3Uk 2(%)1- (Uk(1 _2) Uk(2 _3)- Uk(1 _3)=丄(12216 - 10)- 9Uk 3(%)1-2 (Uk (1 _3)Uk(2 _3)- Uk (1 _2)二丄(10216 - 12)=7Xi_ Uk (%匚 Sd3-100Sn* 10

20、0 =0.017100 180XiiUk(%)* Sd100Sn9 生 100* _100 180= 0.05= U)*Z* 型=0.039100 Sn 100 180(5)线路阻抗参数计算：1 s1100XI * XL 旦 *0.4*150*0.0572 Sn2180(6) 无穷大系统阻抗参数计算：I1SdSn1003400-0.03X2二丄12Sd _ 100 Sn 2500=0.043. 5电路等值化简：将发电机支路G1与G2合并，G3与G4合并，Xi与XH合并，可以得到简化电路图如图3-2所示=X1* X( -)X1 X XG1= 0.03*0.067*( -)=0.1150.030.

21、0670.117XG1 丄二XG1* X(G1X110.03=0.117*0.067*(LI.X XG11 1)=0.4920.117+0.0673. 6短路电流相关计算：(1) 发电机支路短路电流分量计算： 先将发电机支路转移阻抗转换为计算阻抗Xc仁 XGi 1 1Is210.31X20.097 2S =0.429* 2*150 =1.287Sd100Xc2 二 XG2*=0.109* 2 150Sd站 327电流基准为：100230* ；3= 0.251经查表可以得到发电机支路在t0，t1，t2时的短路电流标幺值如表3- 4所示：表3- 4短路电流标幺值It0It1It2Xc1 = 1.2

22、870.820.90.9Xc2=0.3273.452.812.82将标幺值转化为有名值：电流基准为：卄 2*足=2*150 =0.753UN * . 3230* .； 3转化方程：I = I * * Id所以发电机支路电流有名值如表3-5 :表3- 4短路电流有名值It0(KA)It1(KA)It2(KA)Xc1 = 1.2870.6180.6780.678Xc2=0.3272.62.1162.124(2) 无穷大系统支路短路电流分量计算：无穷大系统短路电流标幺值计算：Is1*118.70X0.115转化方程：I = I * * Id所以无穷大系统支路电流有名值为：Is1 =2.18(KA)

23、, Is2 =2.59( KA)因此，流过短路点的总电流有名值为：IO =lte -a Is1 Is2 =0.618 2.6 2.18 2.59 =7.988(KA)I1=lti Iti Is1 Is2 =0.678 2.116 2.18 2.59 = 7.564(KA)I2 = lt2q Sa Is1 Is2=0.678 2.124 2.18 2.59 = 7.572(KA)所以，(1 )冲击电流为：ish =2KshIo =2*1.8*7.988 = 20.33(KA)Im ax 二S、3* UN *cos :(2) 最大持续工作电流(500一240) 4 *10392(A)230* ,3

24、*0.85(3) 因为短路热稳定短路时间tk=2(s)1(s)，不计非周期热效应。短路电流的热效应Qk等于周期分量热效应Qp所以：I 2 10*2 *127.9882 10*7.564 2 7.572 2*2 -116(KA) *S124电气设备选型高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它既可以在正常情况下接通或断开电路，又可以在系统发生短路故障时迅速的自动 断开电路。断开电路时会在断口处产生电弧，为此断路器设有专门 的灭弧装置。灭弧能力是断路器的核心性能。断路器的选择内容包括： 选择型式； 选择额定电压 选择额定电流； 校验开断能力； 校验动稳定； 校验热稳定。（1）选择型式因为220KV

25、侧有4回出线，所以接入220KV侧的高压断路器应 选择SW断路器。（2）选择额定电压所选断路器的额定电压应不小于安装处电网的额定电压。220KV 侧 UN=UNs=220KV（3）选择额定电流所选设备的额定电流，应大于或等于所在回路的最大长期工作 电流：长期工作电流为：Imax：S=（500240）*4130= 1 9A（）V3 *Un * cOs 2 30 *3 * 0. 85断路器额定电流Ilmax=192A）（4）校核额定开断能力为使断路器安全可靠地切断短路电流，应满足下列条件：断路器断开电流I I。=7.988（KA）（5）校核动稳定如果电气设备不够坚固，巨大的短路电流产生的巨大电动力

26、可 能要损坏许多昂贵的电气设备。因此，必须校验所选电气设备承受 短路电动力的能力，动稳定条件为：断路器极限通过电流峰值I _iSh =2 0. 3KA ）（6）校核热稳定通常制造厂直接给出设备的热稳定电流（有效值）It及允许持续 时间，热稳定条件为：lt2*t _Qk =116（KA）2 S计算数据表4-1断路器选择结果表SW6-220/1200型断路器Uns220 kvUn220 KvImax192 AIn3450 AI1.988 kAInbr21 kAish20.33 kAInc1125 kAQk116【（kA）2.s】It2*t21*21*4=1764【（kA）2.s 】ish20.33

27、 kAies21 kA4.2 隔离开关的选择隔离开关是一种没有专门灭弧装置的开关设备，主要用来断开 无负荷电流的电路，隔离高压电流，在分闸状态时有明显的断开点， 以保证其他电气设备的安全检修。在合闸状态时能可靠地通过正常 负荷电流及短路故障电流。因它未有专门的灭弧装置，不能切断负 荷电流及短路电流。因此，隔离开关只能在电路已被断路器断开的 情况下才能进行操作，严禁带负荷操作，以免造成严重的设备和人 身事故隔离开关的选择内容包括： 选择型式； 选择额定电压 选择额定电流； 校验动稳定； 校验热稳定。（1）选择型式因为220KV侧有4回出线，所以接入220KV侧的隔离开关应选 择GW隔离开关。（2

28、）选择额定电压所选隔离开关的额定电压应不小于安装处电网的额定电压。220KV 侧 UN=UNs=220KV（3）选择额定电流所选设备的额定电流，应大于或等于所在回路的最大长期工作 电流：长期工作电流为：Imax：S= （500_ 240）水4*。二 wa（）V3*Un * cOs 2 30 *3 * 0. 85隔离开关额定电流Ilmax= 192A ）（4）校核动稳定如果电气设备不够坚固，巨大的短路电流产生的巨大电动力可 能要损坏许多昂贵的电气设备。因此，必须校验所选电气设备承受 短路电动力的能力，动稳定条件为：隔离开关极限通过电流峰值I Ish =20. 3K（A ）（5）校核热稳定通常制造

29、厂直接给出设备的热稳定电流（有效值）It及允许持续时间，热稳定条件为：Uns计算数据220 kvIt2*表4-22t _Qk =116（KA） *S隔离开关选择结果表UnGW6-220D/1000用离丿 1关220 KvImax192 AIn1000 AI1.988 kAish20.33 kAQk116【（kA）2.s】It2*t21*21*4=1764【（kA） 2.s 】ish20.33 kAies50 kA4.3 电压互感器的选择电压互感器TV （又称PT）是将高电压变成低电压的设备，分为电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器两种。 电压互感器的选择内容包括：根据安装地点和用途，确定电压

30、互感器的结构类 型、接线方式和准确级；确定额定电压比；计算电压互感器的二次 负荷，使其不超过相应准确度的额定容量。(1)选择额定电压电压互感器一次绕组的额定电压应与安装处电网额定电压相 同。220KV 侧 UN=UNs=220KV表4-3电压互感器选择结果表计算数据JCC2-220Uns 220 kvUn 220 Kv4.4 电流互感器的选择电流互感器是一种电流变换装置，可将高压电流和低压大电流 变换成电压较低的小电流，供给仪表和继电器保护装置，并将仪表 和保护装置与高压隔离电路隔开。电流互感器的二次电流均为5A， 使测量仪表和继电保护装置使用安全、方便。因此，电流互感器在 电力系统中得到了广泛应用。选择标准如下：(1)电流互感器的额定电压与电网的额定电压应相符。220KV 侧 UN=UNs=220KV(2)电流互感器一次额定电流的选择，应使运行电流为20% 100% ， 根据被测电流的大小选择电流互感器的变比，要使一次线 圈额定电流大于被测电流。亠 Im ax 二S3* Un *cos :(500 - 240) 4230*、3*0.85*10 192(A)(3) 电流互感器选择之后，应根据装设地点的系统短路电流 校验其动稳定。动稳定条件为：I *k _ 咕=2 0. 3KA )k