大型水电厂电气设计剖析

/大型水电厂电气设计前言电力已成为人类历史发展的主要动力资源，要科学合理驾驭电力，必需从电力工程的设计原则和方法上来理解和驾驭其精髓，提高电力系统的平安牢靠性和运行效率，从而达到降低生产成本，提高经济效益的目的。

我国水力资源特别丰富，但由于水电厂建设投资大、周期长，至今只有10%~15%被用以发电。而且，在全国总装机容量和年发电量中，水电比重近年来还出现慢慢下降的趋势。这种不能很好利用既廉价有干净水能的状况必需变更。为此，应加速水利资源的勘察和水电厂建设。

发电厂是电力系统的重要组成环节，它干脆影响整个电力系统的平安和经济运行。在发电厂中，电气一次系统是主干系统，处于关键的地位。此次课程设计的内容主要即为大型水力发电厂的电气一次部分。

本设计主要内容为大型水力发电厂电气一次部分设计，主要内容有：电气主接线方案的确定、短路电流计算、导体和主要电气设备选择。最终还给出了电气主接线图。设计任务内容：大型水电厂电气设计1发电厂状况：（1）大型水电厂电气设计（2）机组容量和台数：5×300MW（3）电厂所在地区最高温度35℃海拔1000m，地震烈度5级，土壤电阻率600Ω.m；，；（4）机组年利用小时数3246小时；2.负荷和系统状况：（1）接入系统：以4回330kV，90～240km架空线路接入枢纽变电所，系统容量按无穷大考虑，系统归算至水电厂母线最小电抗标么值＝0.1285（＝1000MVA，已计入十年发展）。；（2）发电机额定电压15.75kV，75，0.2（3）主变压器，电抗标么值0.14；（4）继电爱惜：主爱惜0.1s，后备爱惜2s（5）厂用电：无高压厂用电设备3.设计目的发电厂电气部分课程设计是在学习电力系统基础课程后的一次综合性训练，通过课程设计的实践达到：（1）巩固“发电厂电气部分”、“电力系统分析”等课程的理论学问。（2）熟悉国家能源开发策略和有关的技术规范、规定、导则等。（3）驾驭发电厂电气部分设计的基本方法和内容。（4）学习工程设计说明书的撰写。（5）培育学生独立分析问题、解决问题的工作实力和实际工程设计的基本技能。4、任务要求（1）分析原始资料（2）设计主接线（3）计算短路电流（4）电气设备选择5、设计原则、依据原则：电气主接线的设计是发电厂或变电站设计的主体。电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定和标准为准绳，结合工程实际状况，以保证供电牢靠、调度灵敏，在满足各项技术要求的前提下，兼顾运行便利、尽可能节约投资、就地取材，力争设备原件和设计的先进性和牢靠性，坚持牢靠、适用、先进、经济、美观的原则。依据：(1)发电厂、变电所在电力系统中的地位和作用(2)发电厂、变电所的分期和最终建设规模(3)负荷大小和重要性(4)系统备用容量大小(5)设计题目的原始资料6、设计基本要求设计要满足牢靠性、灵敏性、经济性的要求二、原始资料分析1.工程状况：设计电厂为大型水电厂，其容量为5×300MW,利用小时数为3000h＜3246h＜5000h，为担当腰荷的发电厂，又因其多担当系统调峰，调相任务，其主接线应以供电调度灵敏为主选择接线方式;。2.电力系统状况：＝1000MVA，已计入十年发展，系统容量按无穷大考虑,为简化网络结构及发电厂主接线，削减电压等级宜接入220kV系统，且出线数目应尽量削减，以利于简化配电装置的规模及维护；3.负荷状况发电机额定电压15.75kV，75，0.24.环境条件：电厂所在地区最高温度35℃，海拔1000m，地震烈度5级，土壤电阻率600Ω.m5.继电爱惜：主爱惜0.1s，后备爱惜2s6.无高压厂用电设备三、主接线方案确定水力发电厂的特点是，一般距离负荷中心较远，基本上没有发电机电压负荷，几乎全部电能用生高电压送入系统；水力发电厂的装机台数和容量，是依据水能利用条件一次性确定的，不必考虑发展和扩建；水力发电厂旁边地形困难，电气主接线应尽量简洁，使配电装置紧凑。1、主接线方案拟定依据对原始资料的分析，现将各电压级可能接受的较佳方案列出，进而，以优化组合方式，组成最佳可比方案。1）10KV电压级.鉴于10KV出线回路多,并且发电机单机容量为300MW,远大于有关设计规程对选用单母线分段接线不得超过24MW的规定,应确定为双母线分段接线形式,4台300MW机组分别接在两段母线上,剩余功率通过主变压器送往一级电压110KV.由于10KV电压最大负荷20MW,远小于2*50MW发电机组装容量,即使在发电机检修的状况下,也可保证该电压等级负荷要求.由于2台50MW机组均接于10KV母线上,有较大短路电流,为选择合适的电气设备,应在分段处加装母线电抗器,各条电缆线上装设线路电抗器.2.110KV电压级.出线回路大于4回,为使其出线断路器检修时不停电,应接受单母线分段带旁路接线或双母线带旁路接线,以保证其供电的牢靠性和灵敏性.3.220KV电压级.200KV负荷容量大,其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式,为保证牢靠性,可能有多种接线形式.方案一：图一。为大型水力发电厂的主接线，5台300MW的发电机组（Un=15.75kV）以发电厂变压器单元接线干脆把电能送到至330kV的电力系统,但由于发电机内阻很小，所以干脆厂用电变压器和发电机用封闭线干脆连接，即厂用分支封闭母线（在发电厂中，发电机至变压器的连接母线如接受敞露式母线，会导致绝缘子表面易被灰尘污染，尤其是母线布置在屋外时，受气候变更和污染更为严峻，很简洁造成绝缘子闪络及由于外物所致造成母线短路故障。随着机组容量的增大，对出口母线的牢靠性要求越来越高，而接受封闭母线是一种较好的解决方法。）。330kV侧为三串台短路器接线和一串1台断路器接线。实现5条电源进线和4条出线配对成串，增加了牢靠性。在各发电机出口均装有出口短路器，给运行带来了极大的灵敏性。方案二：图二。同样为大型水力发电厂的主接线，5台300MW的发电机组（Un=15.75kV），发电机组经双母线分段接线连接，经变压器把电能送到330kV电力系统。330kV侧为三角形接线方式。其接线方式可以削减一台断路器的运用又可以拥有双母接线的稳定性，操作便利。但是，检修断路器是，多角形就要开环运行，假如此时出现故障，又有断路器断开，将使供电造成紊乱；而且其灵敏性又差了一些。图一方案一图

图二方案二图主接线方案的评定方案一：单母线接线方案二：双母线接线经济性接线简洁，投资省，扩建便利，电能损耗少，经济性好变压器台数合理，接线也不困难，投资合理牢靠性母线或母线隔离开关检修时全部回路都要停止工作，会造成全场或全站长期停电供电牢靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作可以轮番检修一组母线不致供电中断灵敏性调度不便利，电源只能并列运行，不能分裂运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。1.调度灵敏，能灵敏的适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变更的须要，并且通过倒换操作可以组成各种运行方式。2.扩建便利，扩建时不会造成原有回路的停电综合考虑各种因素，方案I在牢靠性和经济性方面均优于方案II，且该水电站在保证牢靠性的状况下，要看其灵敏性，故选择方案I为最终的设计方案。四、厂用电设计1.水电厂的主要厂用电负荷⑴机组自用电部分：压油装置油泵、机组调速和轴承润滑系统用油泵、水内冷水系统水泵、水轮机顶盖排水泵、漏油泵、主变压器冷却设备等。⑵全厂公用电部分：厂房吊车、快速闸门启闭设备、闸门室吊车、尾水闸门吊车、蓄电池组和浮充电装置、空气压缩机、中心修配厂、漏油机、全场照明等。2.厂用电源选择⑴厂用电供电电压确定：对于水电厂，由于水轮发电机组帮助设备运用的电动机功率不大，接受动力和照明三相四制系统供电。但是坝区和水利枢纽距厂区较远，故可选用厂用电电压等级为6kV。⑵厂用电系统接地方式：厂用变接受不接地方式，高压低压都为三角电压。⑶厂用工作电源引线方式:因为发电机和主变压器接受单元接线，高压常用工作电源由该单元主变压器低压侧引借⑷厂用备用电源接受一台备用变压器，以1台断路器接线方式连于主接线中。3.厂用主变压器的选择⑴厂用电主变压器选择的原则：1.变压器、副边额定电压应分别和引接线和厂用电系统的额定电压相适应。2.连接组别的选择，宜运用同一电压级的厂用工作、备用变压器输出电压的相位一样。3.阻抗电压及调压形式的选择，宜使在引接点电压及厂用点负荷正常波动范围内，厂用点各级母线的电压偏移不超过额定电压的5%。4.变压器的容量必需保证厂用机械及设备能从电源获得足够的功率。⑵确定厂用电主变压器容量：按常用电率确厂用电主变压器的容量SN==27.43MVA选择型号为：SJL1—30型号及容量（kVA）低压侧额定容量（kV）连接组损耗（kW）阻抗电压（%）空载电流（%）空载短路SJL1—300.4Y/Y00.120.5948五、主变压器的确定1.变压器的台数：依据方案I，该变电所装设2台三绕组变压器，以充分保证供电牢靠性。2.容量：单元接线中的主变压器SN应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用容量负荷后，留有10%的裕度。/cosPNG——发电机容量；为300MW。SN——通过主变压器的容量。Kp——厂用电；Kp=8%。cos——发电机的额定功率；cosФG=0.875.发电机的额定容量为300MW，扣除厂用电后经过变压器的容量为：SN==346.97MVA3.由于设计理念中变压器干脆和发电机相连，把电能送至330kV电力系统中。故应选330kV双绕组变压器。综上，选择5台330kV双绕组变压器，型号为SSP-360000/330双绕组主变压器SSP-360000/330额定容量（kVA）额定电压（kV）损耗（%）阻抗电压（%）连接组高压低压空载短路36000036318171196715.6Y0/△-12六、短路电流计算1.短路电流计算的目的⑴在选择电气主接线是，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否须要实行限制短路电流的措施等，均须要进行必要的短路电流计算。⑵在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障状况下都能平安、牢靠地工作，同时又力求节约资金，这就须要进行全面的短路电流计算。⑶在设计屋外高压配电装置时。需按短路条件校验软导线的相间和相对地的平安距离。⑷在选择继电爱惜方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。2.计算短路电流过程见附录3.计算短路电流的方法由于当变压器发生短路时，其余4台发电机也同时断开，故在计算短路电流时只单独计算单条输电线路的短路电流。等值阻抗图为4.短路电流计算表短路点d0s时刻短路电流（kA）5.27短路冲击电流（kA）13.41七、电气设备选择电气设备选择的原则：1、应满足正常运行、检修、短路和过电压状况的要求，并考虑远景发展；2、应按当地环境条件校核；3、应力求技术先进和经济合理；依据各电压等级和相应的短路电流计算结果，选择相应的电气设备。列表如下（具体选择及校验过程列入附录C中）：名称型号名称型号发电机TS1264/160-48断路器KW4-330隔离开关GW7-330、330电压互感器YDR-330电流互感器LDZ1-10母线矩形铝导体双条平放截面各个电气设备的参数发电机TS1264/160-48型号额定容量（MW）额定电压（kV）Xd”TS1264/160-48300180.87521断路器KW4-330型号电压（kV）额定电流（kA）额定开端容量极限通过电流（kA）热稳定电流（kA）合闸时间（s）固有分闸时间（s）自动重合闸无电流间隔时间（s）额定电流（kA）峰值5sKW433031503590350.150.040.25隔离开关GW7-330、330型号额定电压（kV）额定电流（kA）动稳定电流（kA）热稳定电流（kA）（s）GW7-330、33033015006733.6（5）电压互感器YDR-330形式额定变比在下列精确等级下额定容量（VA）最大容量（VA）备注0.513电容式YDR-33015050010002000电流互感器LDZ1-10型号额定电流比级别组合精确级热稳定倍数动稳定倍数LDZ1-10600~1000/50.5/335090八、设计总结本次课程设计主要是对330kV水电站电气部分的一次设备进行设计。主要包括电气主接线的设计、厂用电设计、主变压器的选择、短路电流计算和电气设备的选择。在这次课程设计的过程中，我和同组的几个同学一起查阅了相关资料，对课程设计的题目、要求和具体内容等做了探讨，并协力完成了此次设计。通过本次设计，我能够巩固所学的基本理论、专业学问，并综合运用所学学问来解决实际的工程问题，学习工程设计的基本技能和基本方法。接受的电气主接线具有供电牢靠、调度灵敏、运行检修便利且具有经济性等特点。选择的电气设备能够提高运行的牢靠性，节约运行成本。但由于设计时间较短，且阅历不足，许多方面考虑不太全面，有待进一步改进。总之，此次课程设计，使我能把在课堂上学习的理论学问应用到实践中，更好的发觉了自己在学习中的不足之处。在设计中，通过查阅资料，询问老师，解决了在设计中所遇到的一些问题。通过此次课程设计，我受益匪浅，学到了许多东西。九、参考文献1、西北电力设计院.电力工程设计手册.中国电力出版社2、熊信银.发电厂电气部分.中国电力出版社3、黄纯华.发电厂电气部分课程设计参考资料.中国电力出版社4、李光琦.电力系统暂态分析（第三版）.中国电力出版社附录A完整主接线主接线另附图。附录B短路电流计算电抗计算选取基容量为Sj=100MVA,Uj=Uav=1.05UeSj——基准容量（MVA）Uj——所在线路的平均额定电压）注：均接受标幺值算法，省去“*”。330KV系统151112131467891012345G1G2G图3电抗图1．对于TS1264/160-48发电机电抗X1=X2=X3=X4=X5=Xd’’φ2.对于SSP-360000/330双绕组变压器的电抗：X6=X7=X8=X9=X10=0.14×3.对于架空线的电抗由于接入系统以90~240km架空线路接入枢纽变电站，故选择100km，电抗为0.4Ω/kmX11=X12=X13=X14=X15=100×0.4×4．对于系统的电抗：X15=0.1285二．当主变压器高压330kV侧发生短路时的计算由于当变压器发生短路时，其余4台发电机和变压器也同时断开，故在计算短路电流时只单独计算单条输电线路的短路电流。将系统电抗图化简并计算1716G3选择G3发电机的那条线路计算，有X17=X15+X13=0.1285+0.336=0.4645X16=X3+X8=0.431+0.583=1.014短路点短路电流的计算:系统是在为无穷大容量系统：因此对于无限大容量系统：所以0秒短路周期重量标幺值0秒时的短路电流周期重量有效值，由于t=2.06s。所以不须要考虑短路电流非周期重量。短路电流：I:=5.27kA短路冲击电流：=2×1.8×5.27=13.41kA附录C校验过程高压断路器的校验高压断路器的校验安装断路器地点的工作电压为330kV，断路器的额定电压为330kV。即