小型水电站电气设计

湖南水利水电职业技术学院HunanTechnicalCollegeofWaterResourcesandHydroPower毕业设计指导书课题名称小型水电站电气部分设计适用专业：电力系统自动化技术指导老师：设计开始日期：2011年11月21日设计结束日期：2011年12月12日电力工程系编TOC\o"1-5"\h\z1概述2\o"CurrentDocument"1.1水电站设计阶段.2\o"CurrentDocument"1.2机电设计内容3\o"CurrentDocument"2电站与电网的联接和对送电方案的选定..5\o"CurrentDocument"3.1概述5\o"CurrentDocument"3.2原始资料的收集.6\o"CurrentDocument"3.3设计内容.6\o"CurrentDocument"3水电站电气部分设计概述..7\o"CurrentDocument"4电气主接线方案的选择确定..8\o"CurrentDocument"5厂用电系统方案的选择.10\o"CurrentDocument"6过电压保护系统方案的确定111水电站设计概述1.1水电站设计阶段在一条天然河道上要建设一个水力发电站，将水能转变为电能，在进行基建之前首先要进行设计工作。水电站的设计工作是一次涉及专业的复杂的系统工程，它涉及到水文、水利、水能、地质、水工、水机、电力等多个专业。设计质量的高低，基本上决定了建成后的宏观社会效益和水电站本身微观效益，所以，一个水电站的设计工作是极端重要的一步，一般包括下面几个阶段：一、流域规划设计一条河道上，首先进行整个流域的规划设计，按照国家政策和水利、电力、灌溉、航运、水产和环境保护等方面的要求，根据河道各段水量、落差、地质、地形等实际情况，作好全流域各级水电站建设布点规划设计，并作好开发先后的顺序排列规划。二、可行性研究设计根据流域规划准备在某处建立一个水电站，就应当在水电站微观的范围内（当然也要涉及宏观方面）认真进行调查研究、勘测和试验工作，以便取得水文、气象、地貌、地质、地震、建材及地方工业、农业、乡镇企业和库区淹没、移民及其他综合利用等项目的基本资料和可靠数据。进一步深入地论证该处建立水电站的可行性和必要性，阐明该水电站于国于民的经济效益，包括装机、年发电量、年收入、投资回收期等。当然，也要说明可能存在的主要问题及解决办法，写出书面报告，送上级主管部门审批。三、初步设计阶段在流域规划和可行性研究设计的基础上，根据上级主管部门审批的设计任务书进行，主要进行下列具体工作：1、确定大坝址轴线、设计洪水标准、大坝高度水库蓄水位、尾水位、水库库容、水库流域面积等。2、确定单机容量和电站总装机容量等。3、选定坝型和水电站枢纽布置方案。4、确定工程总概算。5、对机电专业工作主要如下：1）确定水轮机和发电机组的型号和技术数据，确定主机制造厂家，同时确定机组附属设备：调速方案、励磁方式、主阀型式等。2）确定水力机械附属设备，如：油、水、气系统图。3）调节保证计算等。4）主厂房、副厂房规划方案。5）确定与电网的联接方式。6）确定电气主接线推荐方案。7）电气设备总布置方案。8）机电主要设备清册。9）机电总概算。6、编制初步设计文件四、技术设计阶段在上级主管部门批准的初步设计的基础上进行，设计工作将更深、更细、更具体化，对电气部分技术设计阶段工作说明如下：1、确定电气一次主接线方案，确定主要设备型号。2、向水工专业提供设备、构架等厂房地面荷载值等。3、确定电气一次部分各设备布置图，包括升压站、中控室等。4、确定副厂房位置及尺寸。5、确定全站电气二次部分，包括继电、自动、测量、讯号、控制和操作电源等。6、编制说明书、计算书、图纸、预算和设备清册。五、施工设计阶段在技术设计的基础上，更深入地进行，进一步完成电气部分各项细部的安装图设计，包括单项布置，预埋件结构安装等。如：穿墙套管、中性点引出、基础预埋、接地预埋等；对于母线和电缆的走向布置，在施工设计阶段要作出安装图和电缆管线排列布置图，并列出安装材料清册。按照基本建设程序，除了完成设计各阶段工作外，一个水电站工程从计划建设到建成投产还应包括下列内容：（1）建设准备工作。（2）列入国家年度计划。（3）组织施工。（4）生产准备。（5）竣工验收、交付生产。1.2机电设计内容机电部分是一个水电站建成后正常生产发电的设备部分，是把水能转换成机械能，机械能又转换为电能，并将电能分配和送出的部分。这些机电设备一般分为水能动力部分（水力机械部分）和电气部分两大部分，这两大部分分别由水机专业和电气专业完成其设计工作。（一）水力机械部分1、水轮机的选择及其安装高程的确定。2、发电机的选择。3、调速设备的选择和调节保证计算。4、进水阀门型式的选择。5、机组及其附属设备的自动化元件的选择。6、水力机械辅助设备的选择包括下述方面：（1）绝缘油系统设计（2）透平油系统设计（3）调速器油压系统设计（4）蝶阀液压系统设计（5）高压气系统设计（6）低压气系统设计（7）供水系统设计（8）渗透排水系统设计（9）检修排水系统设计（10）水力测量系统设计7、起重机及机修设备的选择8、水机设备布置和安装设计：包括主厂房和机械附属副厂房布置设计等。9、水机副厂房规划设计（二）电气部分1、电气主接线系统设计，包括主接线方式、主变台数、容量、母线型号、发电机及励磁方式选择和近区供电方案的确定。2、厂用电系统设计。3、过电压保护系统设计，包括防直击雷和侵入波过电压防护等。4、接地系统设计。5、照明系统设计。6、直流供电系统设计。7、继电保护和二次部分系统设计。8、通讯系统设计。9、电气设备布置和安装设计。10、电气维修副厂房规划设计。2电站与电网的联结和对外送电方案的选定2.1概述电站和电网联结方案的选定，这是电气专业人员的重要设计课题和设计内容。在一个地区（一个省、一个县或几个省几个县）把若干发电厂站的发电、变电和配电设备及各种变电所、配电装置与用户设备，用高压输电线路联结成一个整体统一地向各用户供电、称为电力系统；在一个电力系统内，可以发挥各种类型的发电厂、站的特点，做到全电网合理经济运行。同时也提高了供电的可靠性。我们在设计一个水电站时，首先要考虑这个水电站与电力系统相联结方式。它在电力网地位如何？它在电力网什么地点联网？用什么电压等级联结？用几回出线与电力网联结？送出线路走向如何？本电站中电网的接地方式如何？联结短路容量多大？这些设计问题首先由电站电气专业人员提出初步方案意见，与电网（包括地方电网）主部门的电网部门协商确定。一般情况下无论大电网还是小电网，都有电网的近期和远期发展规划。上述问题都要纳入电网总体规划之中。对于中小水电站而言，一般只考虑一回线与电网相联结，而在长引水管的引水式电站其引水压力上升值超过规定时，为保证引水建筑物的安全，把整个电站全部甩负荷的机会减少到最低限度，也可考虑二回线与电网联结的方式。这样，两回路线同时因故障停电机会就大大减少了，并同时考虑直供用户和近区供电范围。这样，从电气设计角度就大大降低全电站同时甩负荷而引起引水压力上升到危险值的可能性。从电气角度考虑机组安全运行的可靠性。2.2原始资料收集作为设计部门，首先应收集下列资料：1）电站所处在大电网中的地理位置和在电网中的地位作用，如：大电网离电站最近的区域变电所情况、根据水能设计数据、资料电站各时段向电网提供电量比重如何。2）向大电网管理部门和电网规划部门收集与水电站有关资料，了解接入大电网的可行性方案。3）如果电站处在地方电网电源点之内，则向地方电网规划部门收集接入电网资料，并协商接入方案，了解地方电网对电站运行方式的要求和电量平衡规划。4）如有直接用户，则要向主管部门单位收集用电负荷资料并同电网规划部门协商确定直供用电负荷和出线情况。5）取得电网在联接点的短路阻抗值，能收集到系统网络阻抗图更佳。或收集与电站联结最近的枢纽变电所及线路资料。6）对送电线路有关融冰要求。7）对送电线路继电保护要求及与系统整定配合要求。8）当电站全部停机停电时，系统提供可靠保安和起动电源的可行性。9）系统对电站调度自动化的要求。10）系统对电站变压器中性点接地方式的要求。11）系统对电站调度载波电话的要求。12）送电线路重合闸要求。13）无论是接入大电网或接入地方电网，电网与电站之间联结的相互要求均应取得文字协议。2.3设计内容1）根据电网资料提供的运行方式，进行电站本身一年中各时段的电量平衡。特别是枯水期和丰水期的电量平衡情况（考虑大修、小修、停机等情况造成的减少电量）。2）确定接入电网的电压等级，回路数、导线截面和周围近区用户的电压等级、出路回数、导线载面。3）正常运行方式下的潮流和电压计算，包括无功电量平衡情况，特别是考虑枯水期和丰水期。4）选定电站升压站的接线方案。5）线路熔冰方案。6）全站停机情况下，保安和起动开机电源的可行方案。7）对于近区用户是采用隔离变压器或升压变压器，还是采用直配电压供电。如果是直配线方式，则发电机要作出防雷保护方案。8）根据电网系统资料，进行本电站短路电流计算。9）对外出线的地理走向，应作出地理平面走向方案。10）确定出线继电保护和自动装置（包括重合闸）方案。11）确定与电网调度联络通讯方式及调度对本站的调度自动方案。12）了解与系统联网线路终端杆位置，以便考虑升压站防直击雷方案。3水电站电气部分设计概述一个水电站电气部分的设计工作质量与投产后的安全经济运行关系甚大，一个小水电站的设计方案，也就基本确定了投产发电后现场生产管理和运行操作及检修维护的原则。水轮发电机组先是把水能转变为机械能，再把机械能转变为电能，电能经过变电配电设备送入电网，再送到用户，这一过程除变电配电一次设备外，电气部分设计还包括整个水电站的继电保护、自动、测量、控制、信号等二次设备方面，所以电气专业设计人员一定要树立为发电安全生产服务的设计思想。在设计阶段就为发电生产考虑一些问题。设计过程中注意调查了解同类型已投产电站的经验教训，收集运行单位意见，改进和完善设计工作。既从施工基建角度考虑一些问题，又注意从安全经济运行角度考虑一些问题。例如：某电站在设计阶段，电网发展规划考虑不周，运行不到10年，就得更换短路容量更高一级的开关设备；又由于对近区供电发展的规划不完善，造成投产后多次更换近区供电变压器容量；原设计的熔冰方案也全部更改。所以，在设计阶段对一些原则方案的确定要多多调查研究，取得较为准确的资料，结合新设计电站的实际情况，作出系统的全面考虑，然后定案。在设计过程中一般应注意下列事项：1）电气部分在设计过程中要注意与水机专业人员密切配合协作；在机和电设备的场地布置，要注意机电分区布置，尽量避免机电交叉，避免管道与电缆电线交叉。2）在设计开始时，应了解整个水文、水利、水能设计概况，了解电站总体布置及水工建筑物情况。3）收集电气设备的厂家资料，收集主机厂资料及其配套的励磁操作和机组自动化方面的资料。4）收集水机专业与电气有关的资料及水机对电气的要求。5）熟悉枢纽布置的要求。主动配合水工专业的枢纽布置设计提出升压站布置方案。6）提出接地系统对水工专业的要求。7）配合水工专业设计，提出电气配合资料。如：设备荷载；电缆母线孔道;电气埋件等。8）收集电网对电站连接点的短路容量或电网容量、电网阻抗图作为短路计算依据。9）了解电站与电网规划部门的文字协议书，作为主接线设计依据和继电保护设计依据。在掌握基本资料和情况的基础上按照从宏观到微观，从整体到局部，从系统到一个个设备，一步步进行；在做好一次部分设计的基础上，然后才进行电气二次部分设计，如一次部分设计方案未最后定案，就没有必要忙于进行二次部分设计，否则，引起设计返工现象发生。4电气主接线方案的选择与确定电气主接线系统是一个水电站部分的主干和总图。它与电力系统枢纽条件、电站动能参数及电站运行的可靠性和经济性关系甚大。并与厂房布置、电气设备布置、设备选择、继电保护和自动控制等设计内容密切相关联。一般在电站单机容量、总装机容量和与电网联结方案、对外送电方案确定后的基础上，开展水电站电气主接线方案设计。对中小水电站，一般设计步骤如下：1）根据前面的“电站与电网联结和对外送电方案的选定”中确定的并网设计原则，进行电气主接线设计的整体考虑。2）根据机组台数和单机容量，选择机压母线电压的接线方式，可以先考虑单母线或单母线分段等。3）确定主变压器台数、容量，型式以及中性点接地方式。一般中小水电站在总容量不大，且机组台数在3台以下时可以一台双绕组或三绕组变压器升压对外送电；4台机以上时可以考虑两台主变压器向外送电，两台主变压器可以是一台双绕组变压器和一台三绕组变压器或两台双绕组变压器。4）确定主变压器升压侧的接线方式，一般中小水电站高压侧接线用单母线即可。由特殊要求时，可以采用单母线按带旁路或桥式接线方式。5）确定厂用变压器台数、容量、型式及连接方式。一般采用两台厂用变互为备用，并考虑在电站停机时由电网向电站倒送电的合理接线。6）确定近区供电变压器容量、型式及出线回路数。一般近区供电单独用一台变压器或两台变压器供电。当发电机电压为10千伏时，可以用一比一的隔离防雷变压器供电，这样，发电机电压没有供电直配架空出线，发电机不必作防雷保护，且可提高发电机耐雷的可靠性。当发电机电压低于10千伏时，则可用近区升压变压器，升压到10千伏向近区供电；当近区供电负荷区不大时，也可用400伏供电。并可结合生活区供电统一考虑；如果用发电机电压直接架空向近区供电，则要按规定作处发电机的防雷设计方案。7）其它一些特殊问题的考虑：（1）对同一流域的中小型电站，宜统一考虑各个电站接线方式。相距又较近时，规划设计联合开关站，联合开关站地点应考虑开发的先后和上下梯级水能的充分利用，当不设联合开关时，也应考虑上下梯级电站间有联络线相互连结，互为备用。（2）考虑分期施工安装过渡接线方案。（3）施工和电站投产起动电源用电也应在设计中作出规划方案。（4）当有线路要进行熔冰时，在确定短路方式后可以考虑用一台机或两台机作熔冰电源，并进行熔冰计算。7）在主接线设计过程中尚有下列工作：（1）在发电机机压母线、升压侧母线等处短路时，进行对称短路电流计算，用来校验所选的电气一次设备。（2）配合水机专业人员进行发电机机型和励磁系统配套设备选择，选择时应优先考虑已经制造的机型及配套设备。（3）主变压器选择要考虑运输问题，包括厂内厂外运输。（4）高压电气设备的选择宜尽量选择同一型式，以减少备品、备件和便于运行维护工作；特殊使用条件者考虑特殊产品；对中小水电站，10千伏以下设备一般选用户内型产品，35千伏及以上设备选用户外型产品；对电压互感器和电流互感器选择的技术参数应征求二次设计人员意见后确定。（5）母线及高压电缆的选择。室内母线一般用铜铝排，室外母线一般用钢芯铝绞线；对于电缆选择除考虑允许电流电压外，尚应考虑安装环境条件。对油浸电缆要考虑环境允许的垂直安装高度。9）确定对雷电进行波过电压的防护方案，选择避雷器具。10）按载波通讯要求，选择载波用高压电容器和阻波器等，并征求载波通讯专业人员意见后确定。11）在选定2—3个主接线方案中，进行经济技术比较，然后确定最佳方案。方案比较从以下几方面进行：技术上：（1）供电可靠性。例如：不能因局部检修或局部故障造成对外停止供电的后果（2）运行安全，操作方便灵活。（3）施工维护检修方便。（4）接线简单明了，继电保护简化。（5）设备制造的先进水平。（6）发展的可能性。对于水电站主要指近区对外供电的发展。经济上：（1）投资费用。（2）年运行费用.（3）年电能损耗（一般只考虑主变压器损耗）。（4）其它。如：土石方工程、运输道等。12）最佳方案确定后，按国标图例绘制主接线图。13）根据主接线图列出全站主要一次电气设备清册。5厂用电系统方案的选择厂用电源的接线方式及厂用供电系统网络的设计，它关系到投产后的安全可靠运行，应当考虑多个方案比较后确定。水电站厂用电的特点是：负荷较小，厂用变压器容量一般只占总装机容量的（0.4-1.5）%，实际经常负仅为厂用变压器额定容量的15-60）%。设备容量年利用小时数低。50-70）%的设备不经常运行。一般中小水电站在调速器压力油源和刹车用低压气源维持正常条件下，其余设备短时（一般不超过半小时）停止工作，一般不影响电站正常运行（事故情况外〉水电站建设周期长，应考虑满足连续施工或分期建设的要求，考虑过度方案。一般设计步骤如下：1）收集汇总水工、水力机械，电气等专业的厂用电负荷资料。包括名称、数量、用途、地点、性质、重要程度等，汇总为厂用负荷分类统计表。2）对厂用负荷汇总进行分析，确定厂用变压器的计算负荷，选定厂用变压器型式与容量。并以电动机自起动容量对厂用变压器容量进行校检（中小水电站一般能满足要求）。对布置在厂房内厂用变压器可选用十式变压器。3）在选用两台厂用变压器时，可分别接在发电机分段的两段母线上；用一台厂用变时，接在发电机母线上，对中小水电站，有时可发以考虑生活用电变压器作为厂用电的备用电源，在厂用电事故时，都应考虑由电网倒送电运行接线方式。4）0.4千伏低压厂用电负荷馈电方式的考虑原则如下：（1）对于I类负荷，如：机组自用电，按机组单元划分，设立机旁动力盘，采用双层辐射式，即自厂用主母线引出成辐射状供电机旁动力盘，再由机旁动力旁成辐射状供给用电设备。漏油泵等）机旁分盘之间用电缆连续连接互为备用。（2）对II类负荷，一般也采用双层辐射式，在负荷中心设立分盘。（3）对III负荷，如机修加工等用电，一般用于干线式供电方式，将多个负荷用一条回路供电到负荷中心配电箱，再由配电箱供电到各负荷用户。5）绘制包括厂用变压器和用电设备的厂用系统图。6）低压厂用电网络的短路电流计算，实用上，都按变压器容量大小制成电缆截面长度与短路电流大小的关系曲线，这些曲线在有关手册中均可查到；变压器低压出口短路电流也制成表格数据，可直接查出。当手头没有这些手册资料时，就应直接进行计算。7）低压电线和电缆的选择，除通常应考虑的原则外（环境、长期允许电流，电压损失，短路热稳定和动稳定等），一般可按长期允许工作电流先选择截面，再用允许电压损失进行校验即可。8）低压设备选择，一般先按额定条件选择，然后按短路时的热稳定条件和动稳定进行校验。9）低压网络中，短路保护一般用熔断器或自动空气开关（重要的且容量大的回路）；操作电器一般用磁力起动器、接触器（远方和自动）和刀开关、铁壳开关、组合开关等（现场手动）。选择时尽量减少规格型号，以增加维修备用的互换性。10）按照系统图确定厂用配电盘、箱的数量，作出厂用配电室的布置图。11）汇总厂用系统主要设备材料清单。6过电压保护的选择确定水电站过电压的类型有大气过电压（直接雷击过电压、感应过电压、侵入雷电波过电压三种）和内部过电压（工频过电压、操作过电压、谐振过电压三种）两种类型，为防止这些过电压对电气设备和建筑物的危害，必须采取相应的防止过电压措施。电气设计人员要进行防止这些过电压的设计工作，作出具体方案，在进行电气主结线设计之前应收集下列资料：电站所在地区雷电活动情况，变压器中性点接地方式，厂区枢纽布置图，厂区地形图，送电线路终端定位图（无此图时，终端杆离出线杆按20-50米考虑）等资料。按下述步骤进行设计工作：在中小水电站过电压保护过程中，首先应是考虑对大气过电压的防止保护措施。1）对直击雷过电压防护措施，采用独立避雷针或避雷线保护，根据厂区布置平面图进行避雷针支数布置和高度设计，如果主付厂房是金属接地的结构，则只作升压站等部分的防直击雷设计。对110千伏及以上屋外配电装置，宜将进线保护的避雷线引接到出线门型构架上，在土壤电阻率大于1000欧姆的地区，在进线终端杆处应装集中接地装置，接地电阻一般不大于10欧姆。在35千伏屋外配电装置中，进线保护的避雷线一般引到线路的终端杆为上。从线路终端杆塔到屋外配电装置出线杆的一档线路保护（这一档的距离一般控制在50米以内），应在独立避雷针保护范围以内。独立避雷针集中接地网电阻一般10欧姆设计。此外，主厂房金属构架、电缆金属外皮和房屋顶上金属外壳均应可靠接地，不另外考虑防雷措施。非金属非接地主付厂房则应另考虑防雷措施。当水电站独立避雷针或金属接地体受到直接雷击时，这些接地体上就会产生高电位，它与邻近电气设备之间就有可能产生放电现象，这种现象称为反击，对这种反击电压防护措施如下：（1）当避雷针装在配电装置构架上时构架上的避雷针和厂房金属接地引下线与主结地网连接点之间的距离均应不小于15米。（2）当采用独立避雷针时，避雷针本身的接地装置与最近的配电装置接地网地中距离不小于3米，避雷针到配电装置导电部分之间以及到电气设备与构架接地之间空气距离不小于5米。（3）对架空直配电发电机，都用磁吹避雷器保护可以限制反击电压。（4）对发电机变压器组的防护：当发电机母线断路器合上时，若变压器高压侧避雷器接地点离变压器接地点较远时，即两处接地点冲击电位相差很大，且避雷器接地点处在低电位的情况下，反击电压对110千伏及以下变压器绝缘有危害，需在变压器高压侧附近加装避雷器。当发电机母线断路器断开时，对110千伏及以上的变压器，反击电压将危及变压器低压侧绝缘，保护用避雷器应装在断路器与变压器低压侧之间。2）对感应雷过电压保护措施：一般情况下，对60千伏及以下配电装置，包括组合导线，母线廊道等应尽量远离独立避雷针和较高建筑物以降低感应过电压。并且，当避雷针附近的发电机母线敞露部分或组合导线长度超过50米时应在发电机出线端或主母线上每相装0.5-1.0微法的电容器保护。3）对浸入雷电波过电压保护措施：广泛采用安装阀型避雷器以及阀型避雷相配合的进线保护措施，分别说明如下：（1）进线保护作用是使雷电不直接击在送电的导线上。对35-110千伏架空线路，一般在变电所进线段1-2公里内装避