清远水电站电气一次设计上课讲义

1、学习资料清远水电站电气一次设计前言电力作为一个国家的重要能源，电能是否有质量，足的供应直接关系一个国家的发展， 也密切关系到每一个人的生活和工作。 近二十年来， 随着我国国民经济快速增长， 对电力的 需求越大。我国是一个水力源丰富的大国，应大力发展水力发电。水力发电就是利用水能发电的一种方式。 水能是可再生能源， 几乎没有污染， 可综合利 用，水电建设受地理位置的影响，投资大，工期长，发电效率高，运行成本低。天然流量受 水文、 气象等自然条件的影响， 利用水库调节径流可缩小洪水和枯水期的差别， 满足不同的 调节需求。为节省能源，在丰水期应多发水电，减少弃水；枯水期多发火电，弥补水电的不 足。水

2、电机组启动快，宜在电力系统中担任调峰、调频和紧急备用。且可调节负荷范围大， 水电机组从静止，起动到满负荷运行，正常情况下只要35min,事故情况可缩到 12min左右。本次设计可以分为几个部分， 第一电气主接线的设计， 第二主变压器选择， 第三短路电 流的计算，第四主要电气设备选择。仅供学习与参考目录第一章、清远水电站资料分析 第二章、设计内容 第三章、主变压器容量选择及确定 第四章、电气一次主接线设计 第五章、短路电流计算 第六章、主要电气设备选择 第一章、清远水电站资料分析本电站位于广东省清远市清远水利枢纽，是北江干流梯级开发的电站之一。由于本电 站上游的飞来峡、 白石窑、 蒙里等电站均采

3、用 4 台机组方案， 而为了有利于梯级电站之间的 流量匹配及协调运行，发挥梯级电站统一调度运行的优势，所以本电站经研究确定采用 4 台机方案， 机组采用灯泡贯流式水轮机。 根据本电站的水文水能特点， 装机容量可达 44MW ， 单机容量 11MW 。根据清远电力设计有限公司编制的清远水利枢纽电站接入系统可行性研究报告 ， 电站采用 110kV 电压等级接入电力系统，通过两回同杆架设的架空输电线路接入其东面的 110kV 玉塘变电站，输电距离为 12km 。根据接入系统报告 提供的资料， 系统归算到电站 110kV 侧的正序电抗标么值为 0.02 (基准容量为 100MV A)。电力系统对清远水

4、利枢纽的要求：a) 110kV 母线采用单母线分段接线；b) 电厂靠近用户， 为满足电网的调压要求和提高运行灵活性，要求发电机组的额定功率因数为0.9电站带系统基荷，无调相、调频要求。第二章、设计内容1、电气一次主接线设计。2、主变压器容量选择及确定。3、短路电流计算。4、主要电气设备选择：包括断路器、隔离开关、互感器、导线截面和型号、绝缘子的设备 的选择和校验。第三章、主变压器容量选择及确定1、变压器台数的选择变压器是发电厂和变电站中最主要的设备之一，它在电气设备的投资中所占比例较大， 同时与之相配套的电气装置的投资也与之密切相关。因此。 对于主变压器的台数、 容量和型式的选择是至关重要的，

5、 它对发电厂、变电站的技术经济影响很大。同时， 也是主接线方案 确定的基础。变压器台数的选择是与发电厂的接入方式、 机组的台数、 容量及基本接线方式密切相关， 大体上要求主变应与其他的各个环节的可靠性相一致。 两台变压器联合运行的可靠性已经相 当高，可用于中小型水电站和变电站。 其运行可以根据水电站在丰水期和枯水期的不同分为 两台同时运行和一台运行一台退出的运行方式， 运行方式灵活； 此外， 两台主变对工程分期 过渡有利， 特别对变电站来说， 主变压器台数还要考虑中、远期负荷发展。 一般主变压器采 用两台分期投入的办法， 避免主变在运行初期阶段的容量积压和资金积压以及长期处于低负 荷和低效率下

6、的运转。此，在中小型水电站、变电站中，一般主变压器的台数取 1-2 台为宜。根据原始资料， 该待寻建变电所属于小型变电所， 而且没有其它低压电源向低压侧重要负荷供电。 因此， 选 择两台主变压器作为该变电站的主变压器。2、发电厂总装机容量 44MW ，每台 11MW ，用两台主变压器，一台主变要人分担两发电机 22MW ， 根据 电气设 备手册 查得分 别可用 一台 25000KV A 的主变 压器型 号 SF10-25000/121 。3、两台主变选用三相油浸式，双绕组铜芯，低损耗升压变压器主变压器： SF10-25000/121 ，Uk=10.5% ，联结组标号：YN,d11 121 &#

7、177; X2.5%/6.3kV, 带中性点电流互感器，变比： 100/1第四章、电气一次主接线设计 一、电气主接线原则根据电力系统资料及本电站在电力系统中的地位、 作用、 机组容量及运行方式， 按照接 线简单清晰、技术先进、 设备故障影响范围小、经济合理及便于实施的原则，并保证电站厂 用电、 泄水闸用电、 船闸用电等重要负荷的可靠供电， 对其电气主接线进行以下方案的技术 经济比较。二、电站电气主接线方案比较1 ）发电机电压侧接线方案的比较 对发电机电压侧采用三个方案进行比较。 方案一：四机一变单母线接线。四台发电机接成单母线接线，经一台 50000kVA 变压器由 6.3kV 升压至 110

8、kV。方案-：四机-甕車戦接钱110kVM方案二：两机一变扩大单元接线。全厂总共分成两个单元，每两台发电机接在一段母线上，分别经一台25000kVA的变压器由6.3kV升压至110kV。110kVB(AiSF10-25000/110T 6.3kVAA6JkVT2TMiSF10 - 2500D/110£>-G311MW11MW11MW方案三：一机一变单元接线。全厂总共分成四个单元，每台发电机分别经一台12500kVA的变压器由6.3kV升压至110kV。发电机电压侧接线方案比较表方案编号及名称方案一：四机一变 单母线接线万案二：两机一变 扩大单元接线万案三： 一机一变 单元接线一

9、、技术比较1.灵活性较差较灵活灵活2.可靠性较差较可靠可靠3.运行维护管理维护量较少维护较大维护量最大4.电能损耗（万度/年）126143155二、经济比较1.设备投资（万元）（Z）8059801270（1）10kV 间隔（万元）380440520（2）110kV 间隔（万元）100200400（3 ）主变投资（万元）3253403502.年运行费（万元）（F）118141174（1）折旧维修费（万元）80.598127（2）电能损耗费（万元）3843473.计算费用（万元）J=F+XbZ2392883644.计算费用差值（万兀）-49076优点主变压器台数和 110kV进线开关 少。投资省，

10、运行 维护方便。能适应各个时期的 运行要求，灵活性、 可靠性较咼。最为灵活和方便， 故障影响最小，继 电保护简单，运行 灵活，可靠性最高。缺点运行灵活性、可靠 性相对较差。机组 之间相互干扰，给 运行带来不便。投资稍高。主变压器台数和110kV进线开关数 量多，维护工作量 最大，设备投资最 大，占地面积最大。推存方案推荐备注1设备价格为估价；2经济效果系数Xb=0.15 ;3折旧维修率取10%。由于电站的调节性能较差，方案一中主变压器故障或检修时将造成电站四台机组停机而弃水，其灵活性、可靠性较差；方案二投资适中，对于本电站单机容量为11000kW的机组来说，其接线方案在运行灵活性可靠性方面相对

11、较好，继电保护简单；方案三最为灵活、可靠，但其投资相对较大，且运行设备较多，造成开关站占地面积大、运行维护工作量大。综 上所述，本阶段推荐采用方案二，即两组两机一变的扩大单元接线。主变选用两台，其型号 为：SF10-25000/121。2）站110kV侧接线的方案比较 电站110kV升压站以两回110kV线路接入系统、两回主变进线。对 110kV电压侧接线拟定三个方案进行技术经济比较。方案一：单母线分段接线仅供学习与参考学习资料方案三：外桥接线。110kV侧接线方案比较表方案编号及名称方案一：单母线分段接 线方案二：单母线接线方案三：外桥接 线1设备投资（万兀）（Z）6504504002年运行

12、费（万兀）（F）32.522.5203.计算费用（万兀）J=F+X bZ1309080优点任一组母线及所连接 设备检修，经过切换操 作，可确保50 %电能送 出。可靠性较咼。投资较少；接线简 单，运行维护方便。接线简单，断路 器数量较少。维 护方便。缺点投资较大；继电保护复 杂。当母线发生故障或 检修时造成电站全 部停电。桥连断路器检 修时，两回线路 解列运行，如有 穿越功率通过 将受影响。灵活 性较差，保护复 杂。推存方案推荐备注1 设备为估价；2.经济效果系数 Xb=0.15;3 年运行费即折旧维修费，折旧维修率取5%通过对以上三个方案的技术经济比较和综合分析，方案一可靠性较高，但继电保护

13、的实现复杂，投资较大。方案二接线简单，运行维护方便，投资较少，但母线发生故障或检修时造成电站全部停电。方案三投资最省，但灵活性较差，保护复杂。结合接入系统报告的 要求，设计采用方案一作为110kV侧接线的推荐方案。3）电站电气主接线通过上述分析比较，推荐的电站电气主接线方案：发电机电压侧 采用两组两机一变的扩大单元接线，发电机出口装设发电机断路器； 110kV侧接线采用单母线接线。主接线图.ILr &拈自1=刘和曾寻4丰昭£H电岂主攫tHflZEE*号第五章、短路电流计算目的：在发电厂和变电所的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。其目的是：1、在选择电气主接线时，为

14、了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制 短路电流的措施等。2、在选择载流导体及电器元件时，为了保证设备在正常运行和短路情况下都能安全，可靠地工作，同时又力为节约资金， 这就需对有关短路电流值进行动稳定、热稳定和开断能力的检验。3、为选择继电保护方式和进行整定计算提供依据。4、接地装置的设计，也需用短路电流。 计算：根据以上资料解：作等值线路图，如下图所示，并设 Sj=100MVA,Uj=Up，各元件表么值：仅供学习与参考X1 0.02X2 X3Ud%100SjSe10.5 100100250.42X5 X6 X7X4IISjPecos0.211001.718X9 Ud% Sj610

15、0 6100 Se1001X8第一节、110KV侧短路电流计算121KV母线短路即d1点短路，得等效电路图如下X10.02X101X2-0.420.212211X11X41.7180.429544X12-X816 322Y ,转换有：X13X11X10X11X10X120.4295 0.210.4295 0.2130.6695X14X12 X10X12X10X113 0.213 0.210.42954.677最终等值电路如图所示各组电源支炉的计算入下。系统支路：1I" Izt0.0210025.10KA115. 3电站G1G4支路X13js X * jSe0.6695500.0047

16、5Sj100查运算曲线得：有名值计算：|" I1 *Sel"50I* 0.251 I * pUj 3115.3T00.214Ip*3.4942.8172.8512.943I" S10.880.710.720.74ich 1.8 I" 22.55 25.9866.25KA第二节、6.3KV侧短路电流计算6.3KV母线短路即d2点短路，得等效电路图如下X15- X4 - 1.7180.8592 211X16 X7 X3 1.718 0.42 127 22Yt转换有：X18X16 X2X16 X2X11.279 0.421.279 0.420.0228.558

17、X19 X1 X2X1 X2X160.02 0.420.02 0.421.2790.447最终等值电路如图所示.各组电源支炉的计算入下。系统支路：1 100I" Izt20.50KA0.4476.3 J3电站G3G4支路：I" Izt1 10028.5586.3、30.32KA电站G1G2支路:X15js X * jSe 0.859 亜 0.30Sj100查运算曲线得有名值计算：|"SeUj - 335 I *6.333.21 I * pT00.214Ip*3.7272.9502.9522.993I" S111.959.479.489.61ich 1.9

18、 I"、21.9 (11.95 0.32 20.50).287.8KA第三节、10KV侧短路电流计算10V母线短路即d3点短路，得等效电路图如下:1510kv621 kv1X15 X421-1.7180.8592X16 1 X7 X3 - 1.718 0.42 1272 2Yt转换有X16 X21 279 0 421.279 0.4228.5580.02X1X1 X20.02 0.42X1 X20.02 0.420.447X161.279X18X19对X15、X18、X19、X12支路进行星网变换,ZmsZmZs丫求得各电源点对 d3点的转移电抗有：111111c“丫3.436X15

19、X18X190.85928.5580.447Xg1.2X15X12丫0.8593 3.4368.855Xg3.4X18X12丫28.5583 3.436294.376X X19 X12丫 0.447 3 3.436 4.61最终等值电路如图所示各组电源支炉的计算入下:系统支路：I" Izt14.61卅10k V1.19KA10.5.3电站G3G4支路:I" Izt1 100294.37610.50.02KA电站G1G2支路:I" Izt1 1008.85510.5 i30.62KAich 1.8 I" 22.55 1.834.6665KA短路电流计算结果

20、表短路点 编号Ue (kV)I"(kA)Io(kA)I0.2(kA)I1(kA)I4(kA)Ich (kA)d111025.10.880.710.720.7466.25d26.320.511.959.749.489.6187.8d310.51.190.590.620.620.624.67第六章、主要电气设备选择设备选择规程：1 、电器和导体的选择设计，同样必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需 要。一般原则：（1）、应力求技术先进、安全使用、经济合理；（2）、应满足正常运行，检修、短路和过电压

21、情况下的要求，并考虑远景发展；（3）、应按当地环境条件校核；（4）、应与整个工程的建设标准协调一致；（5）、选择的导体品种不宜太多；（6）、选用新产品应慎重。新产品应有可靠的实验数据，并经主管单位鉴定合格。2、按原水电部86年颁布的导体和电器选择设计技术规定SDGJ186，对于倒替和电器选择设计的规定简述如下：（1）、选用的电器允许最高工作电压不得低于该回路的最高运行电压；（2）、选用倒替的长期允许电流不得小于该回路的最大持续工作电流；（3）、验算导体和电器动、热稳定及电器开断电流所用的短路电流，应按具体工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景规划（宜为该工程建成后510 年），确定短路电流

22、时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，不应按仅在切换过程中可能 并列运行的接线方式。（4）、导体和电器的动、热稳定及电器的开断电流，可按三相短路验算；（5）、用熔断器保护的倒替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；裸导体和电器的动稳定仍应验算。用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、 热稳定。（6）、验算裸导体短路热效应的计算时间，宜采用主保护动作时间加相应的断路器全分闸时间，如主保护有死区时，则采用能对该死区起作用的后备保护动作时间，并采用 相应处的短路电流值；电器的短路热效应应计算时间，宜采用后备保护动作时间加 相应的断路器全分闸时间。 （110kV 以下的电力电缆

23、宜采用主保护动作时间加相应的 断路器全分闸时间） 。第一节、 110kV 的设备选择1 、对 110kV 电压侧设备拟定了 GIS 设备和敞开式设备两个方案进行技术、经济比较。方案一：110kV SF6气体绝缘金属封闭开关设备。（以下简称： GIS 设备）。GIS 设备与敞开式配电装置相比，有以下优点：（1 ）、大量节省配电装置占地面积和空间。（2）、运行可靠性高。 GIS 设备由于带电部分封闭在金属外壳中，故不会因污秽、潮湿、 各种恶劣天气和小动物而造成接地和短路事故。SF6 为不燃的惰性气体，不致发生火灾，爆炸事故。（ 3）、土建和安装工作量小，建设速度快。（ 4）、基本免维护，使用寿命长

24、。（5）、由于金属外壳的屏蔽作用，消除了无线电干扰、静电感应和噪声，减少了短路时 作用到导体上的电动力，另外也使工作人员不会偶然触及带电导体。（ 6）、抗震性能好。其缺点是设备投资较大。方案二： 110kV 敞开式电气设备。110kV敞开式电气设备方案为传统方案，其断路器采用SF6断路器（户外式），与隔离开关、电流互感器等设备相互独立，互不干扰。因此也就占地多，维护工作量大，使用 寿命相对较短。敞开式设备的最大优点就是设备投资少，但是开关站占地面积较大，约1800平方米。本电站为河床式电站，周围地形复杂，回填土方量约 2.25万方10kV设备技术经济比较表方案编号及名称万案一GIS设备万案一敞

25、开式电气设备1 综合投资（万元）（Z）650485（1） 110kV间隔（万元）650350（2） 土建投资差价（万元）0约1352 年运行费（万元）（F）32.535（1）折旧维护费（万元）32.5353.计算费用（万兀）J=F+XXZ130107.754.占地面积估计（吊）4201800优点可靠性高，运行维护方便， 布置简单，占地面积少设备投资少缺点设备投资较大土建开挖量大；户外设备，发 生故障机会几率较大，可靠性 较低；占地面积较大；综合投 资大。推存方案推存方案备注1.设备为估价；2 .经济效果系数 人=0.15 ;3.折旧维修率取 5%（ 10%）110kV GIS 次性设备投资费用

26、高于110kV敞开式设备的投资约 300万元。但敞开式方案需开挖和回填的土方量大，综合投资仅节省了 165万元。GIS方案符合近年来大中型水电站高压配电装置选型，并且GIS价格呈下降的趋势。虽然设备一次性投资较高，但因其可靠性高、运行维护方便，可大大减少故障停电损失费和运行、维修、管理费用，具有占地少、对环保有利、便于运行管理、利于向电站无人值班”方式过渡等显著优点。综上所述，选用第一方案（GIS设备）作为110kV升高电压侧的推荐设备。2、电气设备（1 ）、母线选择用硬的铜导线IeSe、3Ue253 115125.51AIgmax KIe 1.05125.51131.79AIg maxJn查

27、书电气设备上、中、S=60mm, s aSj131.79258.57mm2.25下册得，选用：b 3 20电站接入电力系统的采用双回路的软导线。查书电气设备上、中、下册得，选用导线型号为（2）、110kV GIS 断路器LGJX-300/25的稀土钢芯铝绞线。额定电压额定电流额定短路开断电流热稳定电流动稳定电流(3)、110kV GIS隔离开关额定电压额定电流 热稳定电流 动稳定电流(4 )、110kV GIS 电流互感器额定电压额定一次电流热稳定电流动稳定电流(5 )、110kV GIS 电压互感器额定电压126kV ；2000A ；31.5kA ；31.5kA/4s ；80kA126kV

28、；1250A ；31.5kA/4s ；80kA126kV ；200A、400A ；31.5kA/4s ；80kA126kV ；额定变比110/0-1/0-1/0.1kV“：'333(6 )、绝缘子选用高压户外棒形支柱绝缘子，型号ZSW-110-4L，额定电压110kVo第二节、6.3kV的设备选择1、发电机(1 )、发电机出口离相式全屏蔽绝缘铜管母线。IeSe11 3 6.31008.07AIgmax KIe 1.051008.071058.47 AIg maxJn123.14R2R 24.48mm4查书电气设备上、中、下册得母线规格额定电压额定电流热稳定电流动稳定电流开关柜采用距形的

29、硬铜线。查书电气设备上、中、下册得，选用R20系列:SjSj1058.472.25470.43mm2,选用: 60X6 7.2kV ;1600A ; 50kA/4s ; 125kA ;S 500mm2 S a b 20 252、6.3kV主变压器低压侧(1 )、主变低压侧离相式全屏蔽绝缘铜管母线。IeSe.3Ue2291.07 A3 6.3lg max K le 1.05 2291.072405.62 ASjSjIg maxJn1 23.14R2R 36.91mm4咤 1096.16mm22.25查书电气设备上、中、下册得 ，选用: 100X5 7.2kV ; 3150A ;50kA/4s ;

30、125kA ;母线规格额定电压额定电流热稳定电流动稳定电流开关柜采用距形的硬铜线。查书电气设备上、中、下册得 ，选用R20系列:2S 1120mm S a b 20 563、断路器的选择。本工程电站的发电机额定电压为6.3kV ,工作电流1008.07A ,主变压器低压侧工作电流2291.07A。目前合适的发电机断路器有真空断路器和SF6断路器，真空断路器和SF6断路器在水电、火电以及石化、冶金等企业得到普遍应用，有成熟的运行经验，性能较好。真空 断路器的机械寿命和价格均优于SF6断路器，故本阶段推荐采用真空断路器。断路器的主要技术参数如下：绝缘介质真空；额定电压17.5kV ;额定电流315

31、0A;额定频率50Hz;额定开断电流50kA;热稳定电流50kA/3s;动稳定电流137kA ;直流分量额定开断值75 %;额定瞬态恢复电压4.5kV/卩。4、熔断器的选择。选用高压限流熔断器组合保护装置(FVDT )高压限流熔断器组合保护装置 FVDT的主要技术参数如下：型号FVDT ;额定电压6.3kV ;额定电流50、200A ;额定频率50Hz;额定开断电流63kA ;KYN-12 ；12kV ；2500A ；50kA/4s ；125kA5、设备柜参数如下： 开关柜型号 额定电压 额定电流 热稳定电流 动稳定电流6、隔离变、励磁变高压侧开关柜（配 FVDT限流熔断器组）. 开关柜型号K

32、YN-12 ；额定电压12kV ；额定电流2500A ；热稳定电流50kA/4s ；动稳定电流125kA7、绝缘子.7.2kV.选用高压户内支柱瓷绝缘子，型号（胶装）ZA-7.2Y，额定电压第三节、10kV的设备选择1、高压侧选用离相式全屏蔽绝缘铜管母线。IeSe,3Ue,3 10.554.99AIgmax KIe 1.0554.9957.74ASjSjIg maxJn123.14R2457.742.25225.66mm5.72mm查书电气设备上、中、下册得,选用：R=6.00m10kV架空线路采用，型号 LGJ-70的钢芯铝绞线。 开关柜采用距形的硬铜线。查书电气设备上、中、下册得 ，选用R

33、20系列:S 38.1mm2Sab 2.24 172、10kV系统开关柜开关柜型号 额定电压 额定电流 热稳定电流 动稳定电流3、隔离变压器变压器型号 额定容量额定变比 额定频率冷却方式 连接组别KYN-12 ； 12kV ； 630A ；16kA/4s ；40kASC10-1600/10 ； 1600kVA ； 6.3/10kV ； 50Hz ； 风冷； D,D0 ；广也從屮1 L占审叮d产 訂-畠出a Ji-1皿itw防护等级IP204、厂用变压器 变压器型号 额定容量 额定变比 额定频率 冷却方式 连接组别 防护等级SC( B)10-1000/10 ；1000kVA;10±2X

34、2.5%/0.4kV ; 50Hz;风冷；D,y n11 ;IP205、绝缘子选用高压户内支柱瓷绝缘子，型号（胶装）ZA-12Y,额定电压12kV.开关柜接线第四节、其他电气设备1、泄水闸变压器变压器型号额定容量额定变比额定频率冷却方式连接组别防护等级SC ( B) 10-315/10 ;315kVA;10±2X2.5%/0.4kV ; 50Hz;自冷；D,y n11 ;IP202、船闸变压器、大燕河水闸变压器变压器型号 额定容量 额定变比 额定频率 冷却方式 连接组别 防护等级3、管理区变压器 变压器型号 额定容量 额定变比 额定频率 冷却方式 连接组别 防护等级SC( B)10-

35、250/10 ； 250kVA;10±2X2.5%/0.4kV ; 50Hz;自冷；D,ynil ;IP20SC ( B) 10-200/10 ;200kVA;10±2X2.5%/0.4kV ; 50Hz;自冷；D,y n11 ;额定功率长行220kW/后备242kW额定电压380/220 V额定频率50 Hz功率因数0.8 （滞后）绝缘等级H级防护等级IP22接线方式Y，三相四线制；5、柴油发电机组（大燕河水闸）额定功率长行120kW/后备132kW额定电压380/220 V额定频率50 Hz功率因数0.8 （滞后）绝缘等级H级防护等级IP22接线方式Y，三相四线制；IP204、柴油发电机组（厂房、泄水闸）电气一次主要电气设备表序号设备名称设备型号规格单位数量备注电站部分1水轮发电机SFWG1