小型水电站电气部分设计.doc

小型水电站电气部分设计 毕业设计成果Graduation practice achievement设计项目名称 110KV变电站初步设计 序毕业设计是我们完成大学学习的最后一次总结与学习的机会，是对我们所学各门功课的综合运用与提高。通过这次毕业设计，巩固与加深了我们所学的理论专业知识，锻炼了我们分析与解决实际工程问题的能力培养和提高了我们综合实用技术规范，技术资料和进行有关计算，设计和绘图，编写技术文件的初步技能，为今后的工作和学习打下坚实的基础。这次的毕业设计是由仇新艳老师带领的，在设计期间老师和我们共同讨论，一起学习，对我的启发良多。对此我很感谢仇老师的耐心指导，尤其是仇老师碰到问题时那积极解决问题的态度很值得我学习。最后我还要感谢我们这组同学，在设计期间，大部分都是经过我们的仔细讨论我才解决了我的一些疑惑。通过短路电流的计算，教会了我对于高压电气的具体选型及校验方法；对于在设计过电压防护中我学会了如何来确定避雷针的高度；对于厂用变压器的选择，我也有了很深刻的认识。以上种种问题的解决，才使我的毕业设计最后能按时的完成，对此我很感谢。这期间我查阅了大量的资料，极大的锻炼了我搜集资料和分析资料的能力，为我以后的就业提供了很大的帮助。最后我很感谢学院的领导和老师们对我这三年的教育和关怀。目 录序第一章 原始资料4 1.1 水能资料4 1.2 电力系统资料4第二章 电气主接线设计6 2.1 电气主接线设计概述6 2.2 主接线方案的选择7第三章 短路电流计算9 3.1 短路电流计算的目的9 3.2 短路电流计算的一般规定9 3.3 短路电流计算的内容9 3.4 短路电流计算方法10 3.5 短路电流的计算10第四章 厂用电的设计23 4.1 厂用电设计的基本要求23 4.2 水电站厂用电的特点23 4.3 统计原则及计算分析过程23 4.4 厂用电气的选择26 4.5 校验27第五章 电气设备的选择及校验28 5.1 35KV断路器选择与校验28 5.2 35KV隔离开关选择与校验 29 5.3 35KV电流互感器选择与校验30 5.4 35KV电压互感器选择与校验31 5.5 熔断器的选择与校验325.6 避雷器的选择 335.7 母线的选择 335.8 6.3KV开关柜及电气设备的选择34第六章 过电压保护37 6.1 造成水电站事故的原因37 6.2 感应雷和雷电侵入波的防护376.3 直击雷的防护 37参考文献39附图第一章 设计有关原始资料1.1 水能资料（一）水轮机型号：HL240LH140 4台额定功率 3000KW 额定转速 273转/分最大水头 36.6m 设计水头 29.3m最小水头 21.2m（二）发电机型号：TS325/4422 4台总装机容量 43000KW 功率因数 cos=0.8额定电压 6.3KV 额定电流 342.66A保证出力 2750KW 年平均发电量 4100万度年利用小时 3417小时 次暂态电抗 Xd* =0.21水库为不完全年调节，梯级开发情况下游已建塔下水电站。1.2 电力系统资料（1）电力网的地理接线图和负荷分布情况，（见电力系统接线图）。（2）该水电站为地区电力系统的主力电站，丰水期担任电力系统的基荷、腰荷、枯水期担任峰荷，系统对该电站所有组均有调相运行的要求。（3）该电站建成后主要向县电力系统供电，高压侧35KV出线有三回，一回连接已建成下游电站（塔下水电站），另二回连接县城变电站，详见电力系统接线图。（4）该电站预测近期负荷400KW，远期负荷为800KW，供附近数乡及本站坝区生活用电。1.3 水电站厂用电（负荷）统计资料，参见表1。1.4 电力系统最大运行方式：南昌电网按无穷大系统考虑；联网水电群Smax10000KVA，Xs.min.*=0.5；各水电站按满发电考虑。1.5 电力系统最小运行方式：南昌电网按无穷大系统考虑；联网水电群Smin6000KVA, Xs.max.*=0.6；设计电站开二机一变；其他水电站各开一机一变。1.6 6KV设备全部采用屋内装置，已知硬母线支持绝缘子间距离l100cm，相间距离a20cm；35KV设备全部采用屋外装置。1.7 已知本设计电站升压站尺寸为：长60m，宽40m。表1 水电站厂用电（负荷）统计表序号设备名称电动机电型号全机运行时容量（KW）一台机检修容量（KW）每台容量 （KW/台）130/5吨双钩桥式起动机（1）主钩JZR2631050/150/1（2）付钩JZR242816/116/116/1（3）大车JZR22267.5/27.5/27.5/2（4）小车JZR22165/15/15/1总计36/486/586/52油系统（1）压力滤油机（30型）JO22141.1/11.1/1（2）真空滤油机ZLY5028/128/1（3）油泵（KCB2）JO23142.2/12.2/1（4）油箱（2021型）1/11/1（5）万用电炉1/21/23气系统（1）高压气机CZ20/3017.5/17.5/1（2）低压气机ZA1.5/816/116/216/24水系统（1）消防水泵4BA628/128/1（2）排水泵8BA1228/128/228/25油压装置（油泵）JO24227.5/47.5/27.5/86直流系统（1）直流整流电源7/27/27/2（2）通讯蓄电港子整流电湖5/15/15/27照明配电箱（1）1照明配电箱6/16/16/1（2）2照明配电箱6/16/16/1（3）3照明配电箱5/15/15/1（4）4照明配电箱4/14/14/18发电机层插座电源（1）付厂房插座电源20/120/120/1（2）主厂房插座电源20/120/120/19主伐油压装置JO2132527.5/27.5/27.5/4第二章 电气主接线设计2.1 电气主接线设计概述1.水电站的一次接线是用来表示生产、汇集、变换、传输和分配电能的电路，图中的所有设备均为一次设备。确定电气一次主接线方案的过程通常又称为电气主接线设计。2.电气主接线是整个水电站电气部分的主干，它将发电机送来的电能汇集并分配给广大的电力用户。电气主接线方案的确定，对水电站电气设备的选择，配电装置的布置，二次接线、继电保护及自动装置的配置，运行的可靠性、灵活性、经济性和安全性等都有重大的影响，而且也直接关系到电力系统的安全、稳定和经济运行。3.设计电气主接线应满足的基本要求。1.）必须满足电力系统和电力用户对供电可靠性和电能质量的要求。为了向用户提供持续、优质的电力，主接线首先必须满足这一可靠性的要求。主接线的可靠性的衡量标准是运行实践，要充分做好调研工作，力求避免决策失误，鉴于进行可靠性的定量计算分析的基础数据尚不完善的情况，充分做好调查研究工作显得尤为重要。主接线的可靠性不仅包括开关、母线等一次设备，而且包括相应的继电保护、自动装置等二次设备在运行中的可靠性，不要孤立地分析一次系统的可靠性。为了提高主接线的可靠性，选用运行可靠性高的设备是条捷径，这就要兼顾可靠性和经济性两方面，做出切合实际的决定。2.）应具有一定的灵活性。电气主接线的设计，应当适用在运行、热备用、冷备用和检修等各种方式下的运行要求。在调度时，可以灵活地投入或切除发电机、变压器和线路等元件，合理调配电源和负荷。在检修时，可以方便地停运断路器、母线及二次设备，并方便地设置安全措施，不影响电网的正常运行和度对其他用户的供电。3.）操作要力求简单、方便。4.）经济合理。方案的经济性主要体现以下三方面：1）投资省。主接线要力求简单，以节省一次设备的使用数量；继电保护和二次回路在满足技术要求的前提下，简单配置、优化控制电缆的走向，以节省二次设备和控制电缆的长度；采取措施，限制短路电流，得以选用价廉的轻型设备，节省开支。2）占地面积小。主接线的选型和布置方式，直接影响到整个配电装置的占地面积。3）电能损耗小。经济合理地选择变压器的类型（双绕组、三绕组、自藕变、有载调压等）、容量、台数和电压等级。4）具有发展和扩建的可能性。主接线可以容易地从初期接线方式过渡到最终接线。在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，完成过渡期的改扩建，且对一次和二次部分的改动的工作量最少。4.设计电气主接线时的依据1.）水电站在电力系统中的地位和作用。2.）负荷大小和重要性。3.）系统备用容量大小。4.）系统对电气主接线提供的原始资料。2.2 主接线方案的选择1根据原始资料确定初步方案：方案主变数量高压侧接线6.3KV35KV方案一2台Y扩大单元接线单母线方案二2台Y单母分段接线单母线2二种方案的经济与技术比较：比较项目扩大单元接线单母分段接线可靠性某两台发电机或主变压器检修时该回路供电中断可轮流检修两台发电机而不致使该回路供电中断灵活性设备少，操作方便操作相对复杂经济性投资较少投资相对较多发展性扩建方便扩建方便综合分析 上述两种接线方案，再结合原始资料及该电站在地区建立系统的地位，方案一和方案二都满足这项要求，但结合实际情况及经济性和灵活性等方面的考虑故应选择方案一。3经过初步计算选择下述型号的变压器发电机电压母线上的供电负荷为最小时，应能将水电站的剩余功率送入电力网，即Wr=PG-PGMIN/cosH Wr所需变压器的容量，KVA； PG发电机机组总有功功率，KW； PGMIN发电机电压母线侧最小负荷值，KW； cosH发电机额定功率因数，一般为0.8；发电机电压母线侧最小负荷侧可以忽略不计，Wr=43000/0.8/2=7500,应留有适当的欲度，所以变压器容量选8000. Stn=4Sgn/2=7500（KVA）型号：SZ9-8000 台数：2高压：38.5kv 分接范围：32.5%低压：6.3kv 连接组别：Y,d11空载损耗：9.84kW 空载电流（%）：0.9短路阻抗（%）：7.5第三章 短路电流计算3.1 短路电流计算的目的 1.在设计电气主接线时，为了比较各种方案，确定某种接线方式是否有必要采取限制短路电流的措施等，需要进行短路电流的计算。 2.在进行电气设备和载流导体的选择时，为了保证各种电气设备和导体在正常运行时和故障情况下都能安全、可靠的工作，同时又要力求节约，减少投资，需要根据短路电流对电气设备进行动、热稳定的校验。 3.在选择继电保护装置及进行整定计算时，必须以各种不同类型短路时的短路电流作为依据。 4.涉及屋外高压配电装置时，要按短路条件检验软导线的相间、相对的安全距离。 5.设计接地装置。 6.进行电力系统运行及故障分析等。3.2 短路电流计算的一般规定 1.验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按工程的设计规划容量计算。 2.对供电导体和电器选择用的短路电流，其短路计算点的选择，应以正常接线方式时短路电流最大为原则。3.3 短路电流计算的内容 1短路点的选取：各级电压母线、各级线路末端。 2. 短路时间的确定：根据电气设备选择和继电保护整定的需要，确定计算短路电流的时间。 3. 短路电流的计算：最大运行方式下最大短路电流：最小运行方式下最小短路电流;各级电压中性点不接地系统的单相短路电流。计算的具体项目及其计算条件，取决于计算短路电流的目的。3.4 短路电流计算方法 供配电系统某处发生短路时，要算出短路电流必须首先计算出短路点到电源的回路总电抗值。短路电流的计算可以用有名值法，也可以用标么值法。 有名值法，就是在短路电流计算中，各物理量都采用有名值。它的特点是直接利用各物理量的有名值进行计算。在小型系统的短路电流计算中比较直接、方便。 标么值法，是在短路电流的计算中，各阻抗、电压、电流量都采用标么值，即用将实际值与所选定的基准值的比值来计算。其优点是在多电压等级的系统中计算比较方便。3.4 短路电流的计算3.5.1 各电抗的标么值:Uj=Uav Sj=100MVA垌坊水电站发电机电抗的标么值： X1=X2=Xd”Sj/Sgn=0.2110010000.8/400=42垌坊水电站变压器电抗的标么值： X3=X4=Uk%Sj/100Stn=6.51001000/100500=13垌坊水电站线路电抗的标么值： X5=XLSj/Uj=0.4220100/37=0.614下源水电站发电机电抗标么值： X6=X7=X8=X9=Xd”Sj/Sgn=0.211001000/1250=16.8下源水电站变压器电抗的标么值： X10=X11=Uk%Sj/100Stn=71001000/3150100=2.22下源水电站线路电抗的标么值： X12=XLSj/Uj=0.427100/37=0.215联网水电站群发电机电抗的标么值： X13=X*tSj/Sn=0.51001000/10000=5联网水电站和芳溪变电站线路电抗的标么值： X14=X17=XLSj/Uj=0.4230100/37=0.92大电网发电机的电抗标么值为： X25=X*tSj/Sn=0.51001000/100000=0.5大电网线路的电抗标么值为： X24= XLSj/Uj=0.4380100/115=0.26芳溪变电站变压器的阻抗标么值： X19=X22=X1*j=（U12%+U13%-U23%）Sj/200Sn =（10.4+16.23-5.62）1001000/2007500=1.401 X18=X21=X2*j=(U23%+U12%-U13%)Sj/200Sn =(10.4+5.62-16.23) 1001000/2007500=0 X20=X23=X3*j=(U13%+U23%-U12%)Sj/200Sn =(16.23+5.62-10.4) 1001000/2007500=0.76设计水电站发电机电抗的标么值： X28=X29=X30=X31= Xd”Sj/Sgn=0.2110010000.8/3000=5.6设计水电站变压器电抗的标么： X26=X27= Uk%Sj/100Stn=7.51001000/1008000=0.938设计水电站线路电抗的标么值： X15=X16= XLSj/Uj=0.4222100/37=0.675塔下水电站发电机电抗的标么值为：X36=X35= Xd”Sj/Sgn=0.2110010000.8/1000=16.8 塔下水电站变压器电抗的标么值为： X33=X34= Uk%Sj/100Stn=6.51001001000/1250=5.2塔下水电站线路电抗的标么值为: X32=XL Sj/Uj=0.427100/37=0.2153.5.2 电网化简： 1）垌坊和下源水电站： X37=X1+X3/2=42+13/2=55/2=27.5 X38=X6/4=16.8/4=4.2X39=X10/2=2.22/2=1.11 X40=X37+X5=27.5+0.614=28.114 X41=X38+X39=4.2+1.11=5.31 X42=(1/X40+1/X41+1/X12)X40X12=（1/28.114+1/5.31+1/0.215）28.1140.215=29.467 X43=(1/X40+1/X41+1/X12)X41X12=(1/28.114+1/5.31+1/0.215)5.310.215=5.566 2)塔下和设计水电站 X44=X33+X35/2=16.8+5.2/2=11 X45=X46=X28/2=5.6/2=2.8 X47=X44+X32=11+0.215=11.215 X48=X45+X27/2=2.8+0.938/2=1.869 3）联网小水电站群和大电网 X49=X50=X18+X19+X18X19/X20=0+1.401+0=1.401 X51=X49/2=1.401/2=0.7005 X52=X24+X25+X51=0.5+0.26+0.7005=1.46053.5.3综上可得： X53=X15X14/X14+X15+（X16+X17）=0.6750.92/0.675+0.92+(0.675+0.92)=0.19467 X54=X15(X16+X17)/X14+X15+(X16+X17) =0.675(0.675+0.92)/0.675+0.92+(0.675+0.92) =0.3375 X55=X14(X16+X17)/X14+X15+(X16+X17) =0.920(0.675+0.92)/0.675+0.92+(0.675+0.92) =0.46 X56=(1/X42+1/X43+1/X53)X42X53 =(1/29.467+1/5.566+1/0.19467)29.4670.19467 =30.6923 X57=(1/X42+1/X43+1/X53)X42 X53 =(1/29.467+1/5.566+1/0.19467)5.5660.19467 =5.797 X58=(1/X13+1/X52+1/X55)X13X55 =(1/5+1/1.4605+1/0.46)50.46 =7.0348 X59=(1/X13+1/X52+1/X55)X52X55 =(1/5+1/1.4605+1/0.46)1.46050.46=2.0549 X60=(1/X56+1/X57+1/X58+1/X59+1/X54)X56X54 =(1/30.6923+1/5.797+1/7.0348+1/2.0549+1/0.3375)30.69230.3375 =39.33X61=(1/X56+1/X57+1/X58+1/X59+1/X54)X57X54 =(1/30.6923+1/5.797+1/7.0348+1/2.0549+1/0.3375)5.7970.3375 =7.428 X62= (1/X56+1/X57+1/X58+1/X59+1/X54)X58X54 =(1/30.6923+1/5.797+1/7.0348+1/2.0549+1/0.3375)7.03480.3375 =9.0146 X63=(1/X56+1/X57+1/X58+1/X59+1/X54)X59X54 =(1/30.6923+1/5.797+1/7.0348+1/2.0549+1/0.3375)2.05490.3375 =2.6332各电站的等值电抗即为各电站与短路点的组合电抗（如上图所示）3.5.4 计算电抗的公式见水电站变电所电气设备第四章第四节P46垌坊 X60js=XSN/Sj=39.332400/0.81001000=0.3933下源 X61js=XSN/Sj=7.42841250、1001000=0.3714联网 X62js=XSN/Sj=9.014610000/1001000=0.90146大电网 X63js=XSN/Sj=2.6332100000/1001000=2.6332塔下 X47js=XSN/Sj=11.21521000/0.81001000=0.280375设计 X48js=XSN/Sj=1.86943000/0.81001000=0.280353.5.5 根据以上计算电流在小型水电站机电设计手册电气一次P145查水轮发电机运算曲线数字表可得：电抗T=0”T=0.2”T=1”T=2”T=4”X60js=0.39332.782.462.522.632.74X61js=0.37142.962.512.612.702.80X62js=0.901461.1821.15513521.4031.403X63js=2.63320.390.390.390.390.39X47js=0.2803753.993.0963.063.053.04X48js=0.280353.993.0963.063.053.043.5.6 各电站的短路电流可由公式： I”=I”*t0S N/Uav3 I=I”*t4 S N/Uav3冲击短路电流：当短路发生在水电站高压侧母线故Kim=1.85 当短路发生在发电机端时，取Kim=1.9 iim=2Kim I”3.5.7 各电站的额定电流为：垌坊 I=S/ Uav3=2400/370.83=15.60（A）下源 I=S/ Uav3=41250/373=78.02（A）联网 I=S/ Uav3=10000/373=156.04（A）南昌 I=S/ Uav3=100000/373=1560.41（A）塔下 I=S/ Uav3=21000/370.83=39.01（A）设计 I=S/ Uav3=43000370.83=234.06（A）3.5.8当设计变电站的低电压侧K2点发生短路时：网络化简，求出组合电抗。 X63=X46+X26=2.8+0.938=3.738设A=（1/X60+1/X61+1/X62+1/X63+1/X47+1/X63+1/X27）X27=(1/39.33+1/7.428+1/9.0146+1/2.6332+1/11.215+1/3.738)0.938=1.945 X64=AX60=1.94539.33=76.4969 X65=AX61=1.9457.428=14.4475 X66=AX62=1.9459.0146=17.5334 X68=AX47=1.94511.215=21.8132 X69=AX63=1.9453.738=7.2704则各计算电抗分别为: X64js=X61SN/Sj=76.49692400/0.81001000=0.765 X65js=X62SN/Sj=14.447541250/1001000=0.7224 X66js=X63SN/Sj=17.533410000/1001000=1.753 X67js=X64SN/Sj=5.1246100000/1001000=5.1216 X68js=X65SN/Sj=21.813221000/0.81001000=0.5453 X69js=X66SN/Sj=7.270423000/0.81001000=0.5453 X45js=X45SN/Sj=2.823000/0.81001000=0.21可见X67js=5.12163.45故可作无穷大系统处理，其短路电流的标么值I*=1/5.1216=0.19533.5.9 根据以上计算电抗，查小型水电站机电设计手册电气一次，P145查水轮发电机运算曲线数字表可得：电抗T=0”T=0.2”T=1”T=2”T=4”X64js=0.7651.4181.3291.5581.7121.764X65js=0.72241.4811.4071.623.5871.879X66js=1.7530.5980.6160.6280.6280.628X68js=0.54532.0131.8262.0152.1912.396X69js=0.54532.0131.8262.0152.1912.396X45js=0.215.2913.7453.4973.343.213 3.6.0 各电站的短路电流及冲击电流的计算公式如3.56 各电站的额定电流为：垌坊 I=S/ Uav3=2400/6.30.83=91.64（A）下源 I=S/ Uav3=41250/6.33=458.21（A）联网 I=S/ Uav3=10000/6.33=916.43（A）南昌 I=S/ Uav3=100000/6.33=9164.2（A）塔下 I=S/ Uav3=21000/6.30.83=229.11（A）设计 I=S/ Uav3=43000370.83=687.32（A）设计短路 I=S/ Uav3=43000370.83=687.32（A）将以上结果填入表格：Iz”=I*”Sn/Uav3Sz”= I*”SnIch=2KimIz”45短路点电源容量S(MVA)额定电流（A）计算电抗（xjs）冲击电流ich(A)T=0”T=0.2”T=1”T=2”T=4”I*”IZ”(A)SZ”(MVA)I*”IZ”(A)SZ(MVA)I*”IZ”(A)SZ(MVA)I*”IZ”(A)SZ(MVA)I*IZ”(A)SZ(MVAK1点短路（35kv侧）115.60.3933113.492.7843.382.782.4638.392.462.5239.322.522.6341.042.632.7442.762.74578.020.3714604.212.96230.9414.82.51195.8312.552.61203.6313.052.7210.6513.52.8218.461410156.040.9015482.551.182184.4411.821.155180.2311.551.352210.9713.521.403218.9214.031.403218.9214.031001560.412.6331592.250.39608.59390.39608.56390.39608.56390.39608.56390.39608.56392.539.010.280407.273.99155.659.983.096120.787.743.06119.377.653.05118.987.633.04118.597.615234.060.2802443.363.99933.9059.853.096748.0647.943.06716.2345.93.05713.8945.753.04711.5545.6合计133.55643.132156.9138.231891.85121.241898.08121.641912.04122.541918.84122.95K2点短路（6.3KV侧）191.640.765349.181.418129.951.4181.329121.791.3291.558142.781.5581.721157.721.7211.764161.661.7645458.210.72241823.441.481678.627.4051.407644.717.041.62742.318.11.794822.048.971.879860.999.410916.431.7531472.550.598548.025.980.616564.526.160.628575.526.280.628575.526.280.628575.526.281009164.25.12164809.160.19531789.7919.530.19531789.7919.530.19531789.7919.530.19531789.7919.530.19531789.7919.532.5229.