工厂供电课程设计81023

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 工厂供电课程设计 题 目 中小型水电站电气主接线设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气13-2 学生姓名 姜越 学生学号指导教师 白丽丽 任爽 2016年 11月 6 日东北石油大学课程设计任务书课程 工厂供电课程设计 题目 中小型水电站电气主接线设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 姜越 学号 130603140222 主要内容：电气主接线是水电站由高压电气设备通过连线组成的接收和分配电能的电路。电气主接线根据水电站在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足运行可靠、简单灵活、操作

2、方便、易于维护检修、利于远方监控和节约投资等要求。而且还要保证必要的供电可靠性和电能质量，具有一定的灵活性和方便性，并能适应远方监控的要求，还要具有发展和扩建的可能性。参考资料：1 牟道槐，发电厂变电站电气部分M 重庆：重庆大学出版社，19962 许建安，中小型水电站电气设计手册M 北京：中国水利水电出版社，20023 刘增良，刘国亭.电气工程CAD M 北京：中国水利水电出版社，20024 王庆明，小型水电站机电设计图集M 北京：中国水利水电出版社，20025 范锡普，发电厂电气部分（第二版）M 四川：四川联合大学1955完成期限 2016.10.31至2016.11.6 指导教师 白丽丽

3、任爽 专业负责人 2016年 10 月 28 日目 录目 录11电气主接线设计22变压器选择52.2自耦变压器的选择73短路电流计算73.2短路电流计算一般规定83.3短路电流计算结果84电气设备的选择84.1电气设备选择原则94.2电气设备选择说明95配电装置及总平面布置设计125.1配电装置设计原则125.2总平面设计14参考文献161电气主接线设计1.1 主接线设计基本要求与设计原则电气主接线是水电站由高压电气设备通过连线组成的接收和分配电能的电路。电气主接线根据水电站在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足运行可靠、简单灵活、操作方便、易于维护检修、利于远方监

4、控和节约投资等要求。在电气主接线设计时，综合考虑以下方面：（1）保证必要的供电可靠性和电能质量安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本的要求。在设计时，除对主接线形式予以定性评价外，对于比较重要的水电站需要进行定量分析和计算。本次设计水电站虽然是一个中型水电站，但是由于担负了许多工业企业，及农业抗旱排涝等供电任务，因而必须满足必要的供电可靠性。（2）具有经济性在主接线设计时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线可靠、灵活，将导致投资增加。所以必须把技术与经济两者综合考虑，在满足供电可靠、运行灵活方便的基础上，尽量使设备投资费用和运行费用为最少。（3）具有

5、一定的灵活性和方便性，并能适应远方监控的要求。主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行方式的转换。不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且无论在系统正常运行还是故障或设备检修时都能适应远方监控的要求，并能灵活、简单、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。显然，复杂地接线不会保证操作方便，反而使误操作机率增加。但是过于简单的接线，则不一定能满足运行方式的要求，给运行造成不便，甚至增加不必要的停电次数和停电时间。（4）具有发展和扩建的可能性随着经济的发展，已投产的水电站可能需要扩大机组容量，从主变压器的容量、数量到馈电线路数均有扩建的可能，有的甚至需要升压，所以在设计主接线时应留有发展余

6、地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到分期过渡接线的可能和施工的方便。根据以上几点，对水电站的主接线拟定以下几种方案。1.2各方案比较方案本方案采用了四个单元接线，220kv侧采用了双母线接线，而110kv侧采用了单母线接线。同时自耦变压器作为两个高电压等级的联络变压器，并兼作厂用电变压器，方案如下图1-1所示。图1-1 方案简图优点：(1) 主变压器与发电机容量相同，故障影响范围小，可靠性高(2) 接线简单、清晰，运行灵活(3) 发电机电压设备最少，布置简单，维护工作量小(4) 继电保护简单缺点：主变压器与高压电气设备增多，高压设备布置场地增加，整个接线投资大适用范围：对可靠要求很高的

7、大型电站采用，而小型电站只在一些特殊情况下采用，如分期建设的电站，二期又只有一台机组时。如图1-2所示。方案本方案采用了四个单元接线，220kv侧、110kv侧均采用双母线接线方式，同时自耦变压器作为两个高电压等级的联络变压器，并兼作厂用电变压器，如图1-2所示。图1-2 方案简图优点：(1)双母线接线的供电可靠性较高，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断，检修任一组母线上的隔离开关也不需要中断供电(2)调度灵活，各个电源和各回路负荷可以任意分配到一组母线上，能灵活适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。(3)扩建性也非常好，可以向母线左右方向任意扩建，且施工过程也不会停电缺点：增加了

8、电气设备的投入，且设备设计及布置较复杂。适用范围：在电网中占有重要地位的大中型电站采用方案本方案采用了四个单元接线，220kv侧采用单母线分段接线，110kv侧采用了单母线接线方式。同时自耦变压器作为两个高电压等级的联络变压器，并兼作厂用电变压器，如图1-3所示。图1-3 方案简图优点：(1)接线简单明了，运行方便(2)投资费用较低，经济性较好缺点：(1)发电机电压配电装置元件多，增加检修工作量(2)母线或母线所连接的隔离开关故障或检修时，需全厂停电，可靠性及灵活性较差适用范围：一般小型电站采用综合分析上述三种方案，再结合该水电站为中型水电站的实际情况，拟定的主接线应以经济性为主，但其可靠性也

9、需要考虑，方案和方案最能满足这两项要求，故最终选定方案和方案为最终比较方案。方案的可靠性比方案高，但经济性上方案要优于方案。故在达到一定可靠性前提下，选择方案。2变压器选择2.1 主变压器选择主变压器的选择主要包括变压器的容量、变压器的台数、变压器的型式、绕组连接方式、变压器的调压方式和对变压器的阻抗选择。2.1.1主变压器容量和台数确定就中小型水电站来说，一般接在发电机电压侧的近区和厂用电负荷很小，有的电站甚至没有近区负荷，此时主变压器的容量可按照所连接的水轮发电机容量来选择。如果发电机电压侧接有较大的近区负荷，则主变压器的容量可按照发电机电压侧最小负荷时，能将电站所有剩余的有功功率和无功功

10、率送出去进行选择，考虑到电站的近区用电负荷有一个发展过程，一般难以准确确定，因此在选择主变压器容量时，要考虑适当留有余地。对于有重要负荷的水电站，应考虑当一台主变故障或检修停运时，其余主变容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应能保证用户的一级和二级负荷。因为单台发电机容量为150MW由 (2-1)算出：S=187.5 MVA 取容量略大于S的变压器综合考虑容量应选容量为200MVA的四台主变压器。2.1.2主变压器型式选择变压器采用三相或单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性及运输条件等因素，在不受运输条件限制时，330kV及以下的水电站均应选用三相变压器，最大机组容量为125MW及以下的发电

11、厂多采用三绕组变压器，而机组容量为220MW以上的发电厂采用发电机-双绕组变压器单元接线接入系统，本水电站容量为4×150MW，故选用三相双绕组变压器。2.1.3绕组连接方式选择变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则，不能并列运行，电力系统采用的绕组连接方式只有星形和三角形，如何组合要根据具体工程来确定，我国ll0kV 及以上电压变压器绕组都采用Y0 连接，35kV 采用Y 连接，35kV 以下电压等级、变压器绕组都采用连接，所以本水电站主变压器绕组连接方式为Y0/。2.1.4调压方式与阻抗选择变压器通过调压方式分为两类：无励磁调压和有载调压。有载调压它的调整范围较大，一般

12、在15%以上，而且，既可向系统传输功率，又可从系统倒送功率。无励磁调压变压器调压范围较小，为±5%，但其经济性较好，故选用无励磁调压变压器。对于三绕组变压器目前在制造上有两种基本的组合方式，即“升压结构”和“降压结构”。“升压型”的绕组排列顺序为自铁芯向外依次为中、低、高，所以变压器中压侧阻抗最大。“降压型”的绕组排列顺序为自铁芯向外依次为低、中、高，所以高、低压侧阻抗最大。根据以上综合比较，所选主变压器的特性参数如表2-1。表2-1 主变压器特性参数主变型号额定电压(KV)空载电流空载损耗负载损耗阻抗电压高压低压SSP3-200000/220242±2×2.5%

13、10.50.9%123.5kw443kw13.8SFP7-200000/110121±2×2.5%10.50.5%99.4kw410kw10.52.2自耦变压器的选择水电站的厂用电是水电站的重要负荷，因此，在厂用电设计时应按照运行可靠、检修和维护方便的要求，考虑水电站发展规划，妥善解决分期建设引起的问题，积极慎重地采用经过鉴定的新技术和新设备，使设计达到经济合理，技术先进，保证水电站安全，经济的运行。选用自耦变压器作为两级升高电压之间的联络变压器，同时兼作厂用变压器，其低压绕组兼作厂用电的备用电源和启动电源。所选主变容量为200MVA，故自耦变压器取容量为200MVA。水电

14、站的厂用电负荷按装机容量的0.5%考虑。S=0.5%×750MVA=3.75MVA选出水电站自耦变压器特性参数如下表2-2。表2-2 所用自耦变压器特性参数型号额定容量/KVA额定电压/KV空载电流空载损耗负载损耗阻抗电压OSFPS7-200000/220200000/200000/100000高压242±2×2.5%0.22%62kw320kw8.7中压12132低压10.520.53短路电流计算3.1计算短路电流计算目的在水电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。在选择电气设备时，为保证在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，需要进行全面的短路

15、电流计算。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定值；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。3.2短路电流计算一般规定1、电力系统中所有电源均在额定负荷下运行；2、短路种类：一般以三相短路计算；3、接线方式应是可能发生最大短路电流的正常方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。4、短路电流计算点：在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点。5、计算容量：应按工程设计规划容量计算，并考虑系统发展规划。3.3短路电流计算结果确定短路电流计算时，应按可能发生最大短

16、路电流的正常接线方式。故确定以220KV主母线，110KV主母线，220KV侧发电机出口处，110KV侧发电机出口处为三相短路电流计算点。水电站短路电流计算结果如表3-1。表3.1 短路电流计算结果表短路类型短路点短路点位置短路电流周期分量短路冲击电流各时刻短路电流(KA)有效值I（KA）最大值i（KA）0s0.1s1s2s4s三相短路d1220KV母线7.0246.8707.0017.1247.26810.95718.403d2110kV母线3.453.2393.2933.3443.405.3829.039d3220KV侧发电机2.6272.3992.3542.3442.3354.0986.

17、883d4110KV侧发电机3.6943.2083.223.2413.2275.7639.6784电气设备的选择4.1电气设备选择原则电气设备的选择是水电站电气设计的主要内容之一。正确的选择电气设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电气设备选择时必须符合国家有关经济技术政策。技术要先进，经济要合理，安全要可靠，运行要灵活，而且要符合现场的自然条件要求。所选设备正常时应能可靠工作，短路时应能承受多种短路效应。电气设备的选择应遵循以下两个原则：一.按正常工作状态选择。按正常工作状态选择的具体条件：（1）额定电压：电气设备的最高允许工作电压不得低于装设回路的最高运行电压。一

18、般220KV及以下的电气设备的最高允许工作电压为1.15Ue。所以一般可以按照电气设备的额定电压Ue不低于装设地点的电网的额定电压Uew: UeUew。（2）额定电流：所选电气设备的额定电流Ie不得低于装设回路最大持续工作电流Imax: IeImax。计算回路的Imax应该考虑回路中各种运行方式下的在持续工作电流：变压器回路考虑在电压降低5时出力保持不变，所以Imax1.05 Iet;母联断路器回路一般可取变压器回路总的Imax；出线回路应该考虑出线最大负荷情况下的Imax。二.按短路状态校验。按短路状态校验的具体条件：（1）.热稳定校验：当短路电流通过所选的电气设备时，其热效应不应该超过允许

19、值：QyQd（2）.动稳定校验：所选电气设备通过最大短路电流值时，不应因短路电流的电动力效应而造成变形或损坏：ichidw。4.2电气设备选择说明4.2.1 断路器与隔离开关选择一、断路器选择高压断路器是主系统的重要设备之一。它的主要功能是：正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备和线路接入电路或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，能起保护作用。断路器选择和校验的原则是：按正常工作状态选择，按短路状态校验。选择断路器时应满足以下基本要求：.在合闸运行时应为良导体，不但能长期通过负荷电流，即使通过短路电流，也应该具有足够的热稳定性和动稳定性。

20、.在跳闸状态下应具有良好的绝缘性。.应有足够的断路能力和尽可能短的分段时间。.应有尽可能长的机械寿命和电气寿命，并要求结构简单、体积小、重量轻、安装维护方便。考虑到可靠性和经济性，方便运行维护和实现水电站设备的无由化目标，且由于SF6断路器以成为超高压和特高压唯一有发展前途的断路器。故在220KV侧110KV侧和10KV侧皆采用六氟化硫断路器，其灭弧能力强、绝缘性能强、不燃烧、体积小、使用寿命和检修周期长而且使用可靠，不存在不安全问题。二、隔离开关选择隔离开关是高压开关设备的一种，它主要是用来隔离电源，进行倒闸操作的，还可以拉、合小电流电路。选择隔离开关时应满足以下基本要求：.隔离开关分开后应

21、具有明显的断开点，易于鉴别设备是否与电网隔开。.隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证过电压及相间闪络的情况下，不致引起击穿而危及工作人员的安全。.隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度。.隔离开关在跳、合闸时的同期性要好，要有最佳的跳、合闸速度，以尽可能降低操作时的过电压。.隔离开关的结构简单，动作要可靠。.带有接地刀闸的隔离开关，必须装设连锁机构，以保证隔离开关的正确操作。4.2.2母线的选择说明一、母线型号的选择.矩形铝母线：220KV及以下的配电装置中，35KV及以下的配电装置一般都是选用矩形的铝母线。铝母线的允许载流量较铜母线小，但价格较便宜，安装，检修简单

22、，连接方便。故在35KV及以下的配电装置中，首先应选用矩形铝母线。.矩形铜母线：在化工厂附近的屋外配电装置中，或持续工作电流较大时，可选用铜母线，但铜母线的价格较贵。.管形母线：在110KV、220KV的配电装置中，可选用铝锰合金的管形母线，由于母线跨距和短路容量较大，管形母线截面除应满足载流量和机械强度要求外。其形状应有利于提高电晕起始电压和避免微风震动。户外配电装置使用管形母线，具有占地面积小，架构简明，布置清晰等优点。二、母线截面的选择.一般要求：裸导体应根据具体情况，按下列技术条件分别进行选择或校验：工作电流；经济电流密度；电晕；动稳定或机械强度；热稳定。裸导体尚应按下列使用环境条件校

23、验：环境温度；日照；风速；海拔高度。.按回路持续工作电流选择：。式中代表导体回路持续工作电流；代表相应于导体在某一运行温度、环境条件及安装方式下长期允许的载流量。4.2.3 绝缘子选择在发电厂的各级电压配电装置中，高压电器的连接、固定和绝缘，是由导电体、绝缘子和金具来实现的。所以，绝缘子必须有足够的绝缘强度和机械强度，耐热、耐潮湿。选择户外式绝缘子可以增长沿面放电距离，并能在雨天阻断水流，以保证绝缘子在恶劣的气候环境中可靠的工作。穿墙套管用于母线在屋内穿过墙壁和天花板以及从屋内向屋外穿墙时使用，635KV为瓷绝缘，60220KV为油浸纸绝缘电容式。4.2.4 电流互感器与电压互感器选择(1)

24、电流互感器选择种类和型式的选择：选择电流互感器时，应根据安装地点的安装方式选择其型式。一次回路额定电压和电流的选择。一次回路额定电压和电流应满足。热稳定校验：。动稳定性校验：或。(2) 电压互感器选择电压互感器配置原则：除旁路母线外，一般工作及备用母线都装有一组电压互感器，用于同步，测量仪表和保护装置。35KV及以上输电线路，为了监视线路有无电压，进行同步和设置重合闸，装设一台单相电压互感器。变压器低压侧有时为了满足同期或继电保护的要求，设有一组电压互感器。电压互感器选择说明：种类和型式选择。在635KV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式电压互感器；110220KV配电装置特别是母线上装设

25、的电压互感器，通常采用串级式电磁式电压互感器；当容量和准确级满足要求时，多在出线上采用电容式电压互感器。一次额定电压和二次额定电压的选择。335KV电压互感器一般经隔离开关和熔断器接入高压电网，。110KV及以上的互感器可靠性较高，电压互感器只经过隔离开关与电网连接。5配电装置及总平面布置设计 5.1配电装置设计原则根据高压配电装置设计技术规程SDJ585第1.0.1条高压配电装置的设计必须认真贯彻国家的技术经济政策，并应根据电力系统条件、自然环境特点和运行、检修等要求，合理地制订布置方案和选用设备，并积极慎重地采用新布置、新设备和新材料，使设计做到技术先进、经济合理、运行可靠、维护方便。(1

26、) 设计原则和要求：节约用地；行安全和操作巡视方便；便于检修和安装；节约“三材”(2) 安全净距（相间相对地）依据高压配电装置设计技术规范SDJ585第4.1.1条：屋外配电装置电气设备外绝缘体最低部位距地小于2.5m时，应装设固定遮拦。第4.1.2条：屋外配电装置使用软导体时，带电部分至接地部分之间的电气距离应按规程选择，校验。第4.1.3条：电气设备外绝缘最低部位，距地小于2.3m时，应装设固定遮拦。第4.1.4条：配电装置的相邻带电部分的额定电压。第4.1.5条：屋外配电装置的上面或下面，不应有照明，通信和信号线路架空跨越穿过屋内配电装置。带电部分的上面不应敷设照明和动力线路。(3) 型

27、式选择配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分，它是根据主接线的连接方式，由开关电器、保护和测量电器、母线和必要的辅助设备组建而成，用来接受和分配电能的装置。按电器装设地点不同，可分为屋内和屋外；按组装方式，又可分为装配式和成套式。屋内式特点：占地面积小室内进行，不受气候影响污秽空气影响小房屋建筑投资较大屋外式特点：土建工作量和费用小，建设周期短扩建方便相邻设备之间距离大，便于带电作业占地面积大受外界环境影响，须加强绝缘不良气候对设备维修和操作有影响成套配电装置特点：电器布置在封闭或半封闭的金属外壳中，相间和对地距离可以缩小，结构紧凑电器元件已在工厂组装成一体，大大减少现成安装工作量，有利于缩短

28、建设周期，也便于扩建和搬迁运行可靠性高，维护方便耗用钢材较多，造价较高配电装置的型式选择，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜，节约用地，逼供结合运行及检修要求，通过技术经济比较确定。一般情况下，在大、中型发电厂和变电所中，35kV及以下的配电装置宜采用屋内式；110kV及以上多为屋外式。当在污秽地区或市区建110kV屋内和屋外配电装置的造价相近时，宜采用屋内型。（4）配电装置设计基本步骤根据配电装置的电压等级、电器的型式、出线多少和方式，有无电抗器，地形、环境条件等因素选择配电装置的型式。拟定配电装置的配置图。按照所选设备的外形尺寸、运输方法、检修及巡视的安全和方便等要求，遵照规程参

29、考典型设计绘制图。选择配电装置的型式，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜，节约用地，并结合运行及检修要求，通过技术经济比较确定。（5）各种配电装置特点 屋外配电装置的型式除与主接线有关，还与场地位置、面积、地质、地形条件及总体布置有关，并受材料供应、施工、运行和检修要求等因素的影响和限制。普通中型配电装置国内采用较多，施工、检修和运行都比较方便，抗震能力较好，造价比较低。缺点是占地面积较大。高型配电装置的最大优点是占地面积少，一般比普通中型节约用地50%左右。但耗用钢材多，检修运行不及中型方便。一般在下列情况下宜采用高型：在高产农田或地少人多的地区地形条件限制原有装置需改、扩建而场地

30、受限制。 （6） 各电压级配电装置的确定220kV配电装置采用屋外半高型配电装置，采用双列布置；110kV配电装置采用屋外半高型配电装置，采用双列布置；10 kV配电装置采用屋内小车式配电装置。5.2总平面设计发电站的总平面布置必须全面贯彻现行的各项技术经济的政策精心设计，努力创新，因地制宜，合理布置，充分利用荒地，坡地，劣地，不占或少占良田，认真做好技术经济论证，选择最佳设计方案，提高经济效益，为安全运行创造条件。主变压器的布置：厂房上游侧进水高压管道的上面空地较大时，主变压器可布置在这里，主变平台下面可设置发电机电压开关室。这样距离发电机最近，又不增加开挖量。但这样布置发电机出线要从上游侧

31、引出，而上游侧往往是水力机械、辅助设备的管道集中的地方。因此要解决好机电交叉和干扰问题。对于河谷狭窄，大坝较高的水电站，采用这种布置方式时，还应解决好变压器的通风散热问题。如果厂房靠近坝体，厂坝之间没有空地时，则可适当加宽尾水平台，将主变压器布置在尾水平台上，平台下面设置开关室。发电机出线从下游侧引出，这样可避免机电交叉。但增加了尾水平台水下部分的混凝土工程量，比在上游侧加长钢管段长度的投资大。中央控制室及副厂房的布置：当厂坝之间布置变压器还有余地时，可布置中央控制室；副厂房则布置在靠进厂公路的主厂房的一端。当中央控制室在厂坝之间布置不下时，则布置在主厂房的一端，并尽量靠近发电机层。前者中央控

32、制室离发电机近，可以缩短控制电缆，并便于巡视，但不易做到自然采光。后者通风采光条件好，但至各机组距离稍远。当主变压器位于尾水平台上时，中央控制室及副厂房可布置在主厂房上游侧坝坡间。开关站的布置：开关站位置应尽量靠近主变压器，且交通运输和进出线方便。坝后式电站的开关站一般布置在厂房侧的岸上，避免放在溢流坝段一侧的岸上。进出线应避免跨越溢流区段上空，以防泄洪时泥雾影响线路的正常工作。如果大坝两岸地形陡峻，或开关站占地面积不大时，可在非溢流段的坝坡上作阶梯式布置，也可以部分或全部布置在主厂房顶上。母线和电缆的布置：发电机至开关室以及开关室至主变压器的连接母线，其布置与主变压器、开关室的位置以及开关室的布