水电站毕业设计论文.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要本次毕业设计的主要任务是根据原始资料进行一个发电厂主接线的初步设计，并对其一次设备进行选择,进而对继电保护进行规划和对配电装置进行规划。设计主要内容包括：电气主接线设计、短路电流计算、主要电气设备选择、校验及配电装置初步设计和继电保护的规划等。主要的电气设备选择有：主变压器、高压厂用变压器、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器及母线等的选择。电气主接线是发电厂的主要环节，故本文对数个电气主接线方案进行了技术经济综合比较，确定了一个较佳方案，并根据此方案对全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护的规划等，进行了详细的设计和说明。本设计包括六部分：电气主接线选择，电气设备选择，短路电流计算，配电装置规划，继电保护规划及其整定。关键词：发电厂； 主接线； 短路电流； 电气设备； 配电装置； 继电保护ABSTRACTThis graduation project topic is s according to the first hand information designs a electric power plant, and mainly carries on the design to its equipment. Then design the power distribution equipment and relay protection planning. Designs the main content to include: The electrical host wiring design, the wiring design, the short-circuit current computation, the main electrical equipment choice , the verification and the power distribution equipment preliminary design and relay protection planning and so on. The main choice electrical equipment includes: The main transformer, the high-pressured factory use the transformer, the high-pressured circuit breaker, the isolator, the current transformer ,the voltage transformer, the arrester and the generatrix and so on.Main electrical scheme is the main part of substation, so this thesis synthetically compares several main electrical schemes from technical and economic aspects and picks up one preferable scheme. According to the chosen scheme, detailed design and instruction are carried out about the electric apparatus selection, distribution equipment arrangement, relay protection, and so forth.This thesis consist of six parts：main electrical scheme select，main choice electrical equipment，short-circuit current calculation，distribution equipment arrangement, relay protection and verification on the selection short dot.Key words: electric power plant; electrical main wiring; short-circuit current; electrical equipment; the power distribution equipment; relay protectionII目录1 前言11.1 设计要求11.2 设计依据12 电气主接线设计22.1 电气主接线概述22.2 发电机出口接线形式的选择22.3 220KV侧接线形式的选择43 主变及厂用变的选择83.1 变压器选择概述83.2 主变选择83.3 厂用变选择94 短路电流计算104.1 短路点的选取104.2 三相对称短路计算104.3 不对称短路计算155 电气设备的选择205.1 断路器的选择205.2 隔离开关的选择245.3 母线的选择275.4 电流互感器的选择325.5 电压互感器的选择365.6 绝缘子和穿墙套管的选择395.7 高压熔断器的选择415.8 发电机中性点接地设备的选择425.9 避雷器的选择435.10 厂用电高压侧电气设备的选择446 继电保护规划486.1 继电保护概述486.2 变压器纵差保护计算507 配电装置规划537.1 配电装置概述537.2 配电装置设计54总结57致谢58参考文献59附录601 前言1.1 设计要求通过初步设计，查阅资料，了解及掌握电力行业的发展动向和新技术，重温和巩固已学的理论知识，进行包括电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选择和配电装置设计等内容的设计。1.2 设计依据（1）电站地理位置及自然环境条件：水电站位于甘肃省兰州市皋兰县境内黄河干流上，为黄河龙青段规划的第19个梯级，为黄河小三峡“小峡、大峡、乌金峡”最上一级电站，水电站坝址位于小峡峡谷出口处，平均海拔1700米，多年平均气温7.2，极端最高气温38.3，极端最低气温 -25.4，多年平均相对湿度63%。（2）电站基本参数：装机容量：4X57.5MW；枯水年枯水期平均出力：80MW；年利用小时数：4156h；多年平均年发电量：9.56亿kWh。（3）电站运行方式：枢纽主要任务是发电，担任的是基荷。兼有灌溉、旅游等效益，电站可进行日调节。（4）电站接入系统方式：电站以220 kV一级电压接入兰州电网，其正常运行方式为单母分段固定连接；4回220 kV出线中，2回出线送兰州和平变电站(简称峡和双回线)，2回出线送兰州北部开关站(简称峡开双回线)。2 电气主接线设计2.1 电气主接线概述在发电厂中，发电机、变压器、断路器、隔离开关、电抗器、电容器、互感器、避雷器等高压电气设备，以及将它们连接在一起的高压电缆和母线，构成了电能生产、汇集和分配的电气主回路。这个电气主回路被称为电气一次系统，又叫做电气主接线。用规定的设备图形和文字符号，按照各电气设备实际的连接顺序而绘成的能够全面表示电气主接线的电路图，称为电气主接线图。主接线的确定对电力系统的安全、稳定、灵活、经济运行以及发电厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方法的拟定将会产生直接影响。对电气主接线设计的基本要求是可靠性、灵活性和经济性。（1）可靠性要求供电可靠性是指能够长期、连续、正常地向用户供电的能力。电气主接线要能保证在正常运行、检修和事故时，都不能导致一类负荷停电，一般负荷尽量减少停电时间。为此，应考虑设备的备用，并有适当的裕度，此外，选用高质量的设备也能提高可靠性。（2）灵活性要求满足调度时的灵活性要求，灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，灵活地调配电源和负荷，满足系统正常运行的需要；满足检修时的灵活性要求，在某一设备需要检修时，应能方便地将其退出运行，并使该设备与带电运行部分有可靠的安全隔离，保证检修人员检修时方便和安全；满足扩建时的灵活性要求，从初期的主接线过渡到最终的主接线，每次过渡都应比较方便，改建的工程不大。（3）经济性要求在主接线满足必要的可靠性和灵活性的前提下，应尽量做到经济合理。努力节省投资，高压设备的数量力求较少，不必有多余的设备，减少出线电缆的截面，继电保护和二次回路不过分复杂，以节省二次设备和控制电缆，主变压器的型号、容量、台数的选择要经济合理，尽量少占土地。2.2 发电机出口接线形式的选择方案一如图2-1所示。图2-1 发电机双绕组变压器单元接线优点：接线简单，开关设备少，操作简便，故障可能性小，可靠性高；由于没有发电机电压母线，可减少母线短路检修带来的问题；配电装置结构简单，占地少，投资省。缺点：单元中任一元件故障或检修都会影响整个单元的工作。本次设计用到4个单元采用了较多的变压器和断路器，不经济。适用范围：这种接线在大、中、小型机组均可采用，本次设计的单机容量为57.5MW正可适用，在发电机组数目不是太多的情况下可采用。方案二如图2-2所示。 图2-2 发电机变压器扩大单元接线优点：该种接线与单元接线相比，可减少变压器和断路器的台数，以及节省配电装置的占地面积。缺点：发电机出口短路电流太大，不易选择断路器，主变的容量也太大，可能会受到制造或运输方面的问题，此时需要采用分裂绕组的变压器，而分裂绕组变压器在水电站中很少采用。适用范围：用于机组数目较多时，单元接线很不经济时才考虑。方案一中采用单元接线，投资大了点，多用了两台变压器，但本次设计机组数目较少仅有4台，用单元接线很适合，而方案二采用扩大单元接线，投资小，但用于机组数比较多时，且易受设备选择的困难。由于本次设计的是中小型水电厂，又没有近区负荷，综合比较，采用方案一较适合。2.3 220KV侧接线形式的选择方案一：双母线接线如图2-3所示。图2-3 双母线接线优点：运行方式灵活，既可采用将电源和出线均衡地分配在两组母线上，母联断器合闸的双母线同时运行方式；也可以采用任意一组母线工作，另一组母线备用，母联断路器断开的单母线运行方式。检修母线时不中断供电，只需将欲检修母线上所有回路通过倒闸操作均换接至另一组母线。故障时，也只需将接于该母线上的所有回路均换接至另一组母线，便可迅速地全面恢复供电。检修一回路母线隔离开关时，只中断该回路，这时，可将其他回路均换接至另一组母线上，继续运行，然后停电检修该母线隔离开关；如果允许对隔离开关带电检修，则该回路也可不停电。检修任一出线断路器时，可用母联断路器代替其工作。由此可见，该接线大大提高了供电的可靠性，而且扩建方便，向双母线左右任意方向扩建均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工过程中不会造成原有回路停电。缺点：增加了电气设备的投资，并增加了综合投资和年运行费用。方案二：单母线分段接线如图2-4所示。图2-4 单母线分段接线优点：用断路器把母线分段后，重要负荷可分别从两段母线上各引出一条供电线路，就保证了足够的供电可靠性。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使大面积停电。而且单母线分段接线接线简单，经济方便，可靠性适中。当220kV配电装置总出线回路数为34回时适用。缺点：单母分段供电没有单母分段兼旁母可靠性高。当任一段母线或某一台母线隔离开关故障及检修时，自动或手动跳开分段断路器，仅能保证一半线路的供电，扩建时需向两个方向均衡扩建。方案三：单母线分段兼旁母接线如图2-5所示。 图2-5 单母线分段带旁母接线优点：当检修任一出线断路器时，可不中断该路的供电，即合上旁路断路器两侧隔离开关后再合上该断路器，使旁路母线带电，再合上欲检修的出线断路器所在回路的旁路隔离开关，然后断开被检修的断路器及其两侧的隔离开关，对其进行检修，在正常运行情况下，旁路母线不带电，主接线系统可并列运行也可分列运行，运行方式比较灵活，这种接线方式广泛应用于出线回路不多的场合。缺点：配电装置布置稍复杂，多装了价高的断路器和隔离开关，增加了投资。这种接线除非供电可靠性有特殊需要时才应用。方案比较：由于本次设计的水电厂主要任务时发电，担任的是基荷。兼有灌溉，旅游等效益，所以设计时对电气主接线的可靠性要求最高。方案二采用单母线分段接线，不仅增加了分段设备的投资和占地面积，而且某回路断路器检修时该回路停电，不能满足供电可靠性的要求，方案三采用分段单母线带旁母的接线形式，这种接线形式，不仅增加了投资，而且布置方式比较复杂，只有在对供电可靠性有特殊要求的情况下才应用，根据设计要求，四台小容量的发电机，四个回路，不需要这种要求很高的接线形式，而方案一中采用的双母线接线形式，虽然增加了电气设备的投资，但是考虑到它的运行可靠性和灵活性，对出线为四条回路且在系统中占有重要位置的配电装置正好适用。综上所述，本设计的220KV侧的接线形式采用方案一。经以上分析最终确定发电厂主接线形式如图2-6所示。图2-6 发电厂电气主接线3 主变及厂用变的选择3.1 变压器选择概述（1）台数选择：接于发电机电压母线与升高电压母线之间的主变压器一般说来不少于2台，但对主要向发电机电压供电的地方电厂、系统电源主要作为备用时，可以只装一台，本设计为单元接线，故选择一台主变。（2）容量选择：发电机与主变压器为单元接线时，主变压器的容量可按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度选择。（3）型式选择 相数的确定：容量为300MW及以下机组单元接线的变压器和330kV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。 绕组数的确定：只有一种升高电压向用户供电或与系统连接的发电厂，以及只有两种电压的变电所，采用双绕组变压器。 绕组接线组别的确定：变压器的绕组的接线组别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有星形“Y”和三角形“D”。在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列以要求限制3次谐波对电源等因素。根据以上原则，主变一般是Y，d11常规接线。 调压方式：通常，对于220kV及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况时使用有载调压，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况定。 冷却方式：主变压器一般采用的冷却方式有：自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却。自然风冷却一般只适用于小容量变压器。强迫油循环水冷却，虽然散热效率高，节约材料减少变压器本体尺寸等优点。但它要有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。所以，选择强迫油循环风冷却。3.2 主变选择主变压器的选择必须先要确定低压侧的电压值，要首先确定发电机的型号，根据发电机的单机容量为57.5MW查电气工程手册选择发电机型号为TS854/184-44其参数见表3-1。表3-1 发电机型号参数表发电机型号额定容量(MW)功率因数额定电压(KV)电抗TS854/184-4457.50.8510.50.193本设计选用四台相同的变压器，根据变压器容量和发电机的容量的关系式： （3-1）式中,变压器容量；发电机的容量； 厂用电率；发电机功率因数。根据上述式子可以计算出，据此可以选出变压器的型号为：SFP790000/220,其参数见表3-2。表3-2 主变压器型号参数表变压器型号 额定容量（kVA） 额定电压（kV）连接组别阻抗电压（%）高压低压9000024222.5%10.5YN,d1112.53.3 厂用变选择厂用变压器有油浸式和干式两种。环氧浇注干式变压器具有体积小,节省空间；阻燃能力强,无污染；防潮性能好,局部放电量小,安全性好；损耗低；重量轻,安装方便,免维修等优点。另外,干式变压器可装设温度控制和温度显示装置,可以直观显示绕组温度,并可实现远程温度监测。故本设计厂用电变压器形式选用干式。本设计中厂用变压器按发电机容量的1%来选择即 （3-2）故选择型号SCB-800/10，其具体参数见表3-3。 表3-3 厂用变压器型号参数表变压器型号额定容量（kVA） 额定电压（kV）连接组别阻抗电压（%）高压低压SCB-800/10100010.50.4Dynll54 短路电流计算4.1 短路点的选取一般选取各线段始末端作为短路计算点，线路的始端最大三相短路电流常用来校验电气设备的动热稳定性，并作为上一级继电保护的整定参数之一，线路末端的最小两相短路电流常用来校验相关继电保护的灵敏度。 综合考虑，本设计选取两个短路点来计算，一个是发电机出口处(f1点),一个是母线处（f2点），选取结果如图4-1所示。图4-1短路点的选取结果图4.2 三相对称短路计算 1、发电机出口处三相短路计算取，为各电压等级平均额定电压，求出各元件电抗标幺值。发电机： （4-1） 变压器： (4-2)系统： (4-3)经网络化简得出点的短路电抗图，如图4-2所示。 图4-2 点的短路电抗图进一步化简为：图4-3 点的短路电抗化简图 (4-4)（1）计算发电机和系统对点的转移电抗。 (4-5) (4-6) (4-7)（2）计算发电机和系统对点的计算电抗，系统作为无限大功率母线不必查运算曲线，故可仅计算发电机的计算电抗。 (4-8) (4-9)（3）,和送出的短路电流标幺值为： (4-10)用查运算曲线得： (4-11) (4-12)用查运算曲线得： (4-13) (4-14) (4-15) (4-16) (4-17) (4-18)（4）计算各短路电流有名值。系统送至短路点的电流为： (4-19)发电机送至短路点的电流为： (4-20) (4-21) (4-22) (4-23) (4-24) (4-25)发电机（除发电机之外的所有发电机总和）送至短路点的电流为： (4-26)（5）短路点处总的短路电流为： (4-27) (4-28) (4-29) (4-30) (4-31) (4-32)2、母线处三相短路计算经网络化简得出点的短路电抗图，如图4-4所示。图4-4 点的短路电抗图 (4-33)四台发电机连接到同一个母线上则可以合并成一台等值发电机。（1）计算等值发电机和系统对点的转移电抗。 (4-34) (4-35)（2）计算等值发电机和系统对点的计算电抗：系统作为无限大功率母线不必查运算曲线，故可仅计算等值发电机的计算电抗： (4-36)（3）和送出的短路电流标幺值为： (4-37)用查运算曲线得 (4-38) (4-39) (4-40) (4-41) (4-42) (4-43)（4）计算各短路电流有名值。系统送至短路点的电流为： (4-44)送至短路点的电流为： (4-45) (4-46) (4-47) (4-48) (4-49) (4-50)（5）短路点处总的短路电流为： (4-51) (4-52) (4-53) (4-54) (4-55) (4-56)表4-1 点短路电流计算结果系统S31.3431.3431.3431.3431.3431.34G114.7811.3711.3311.3211.2811.25G21.021.021.021.021.021.02G31.021.021.021.021.021.02G41.021.021.021.021.021.02总电流49.9445.7745.7345.7245.6845.65表4-2 点短路电流计算结果系统S12.5512.5512.5512.5512.5512.55G11.040.740.700.630.560.51G21.040.740.700.630.560.51G31.040.740.700.630.560.51G41.040.740.700.630.560.51总电流16.7115.5015.3415.0614.7914.604.3 不对称短路计算1、发电机出口处不对称短路计算（1）正序网络图化简如图4-5所示。图4-5 点的短路正序电抗图进一步化简为：图4-6 点的短路正序电抗化简图 (4-57) (4-58) (4-59) (4-60)于是正序等值电抗为： (4-61)（2）负序网络同正序网络化简过程，并且负序等值电抗与正序等值电抗相同即 (4-62) （3）零序网络化简由于变压器接线形式为：，发电机中性点经消弧线圈接地，考虑到消弧线圈的电抗值较小，可以忽略不计，于是得零序等值电抗为：。发生单相短路时，根据正序增广网络的概念可得： (4-63) (4-64) (4-65)点发生两相短路时，根据正序等效定则的概念可得： (4-66) (4-67) (4-68)有名值为： (4-69)点发生两相短路接地时 (4-70) (4-71) (4-72)有名值为： (4-73)2、母线处不对称短路计算（1）正序网络图化简如图4-7所示。图4-7 点的短路正序电抗图进一步化简为：图4-8 点的短路正序电抗化简图 (4-74) (4-75)（2）负序网络同正序网络化简过程，并且负序等值电抗与正序等值电抗相同即 (4-76)（3）零序网络化简如图4-9所示。图4-9 点的短路零序电抗图进一步化简为：图4-10 点的短路零序电抗化简图 (4-77) (4-78)点发生单相短路时，根据正序增广定则的概念可得： (4-79) (4-80) (4-81)有名值为： (4-82)点发生两相短路时，根据正序等效定则的概念可得： (4-83) (4-84) (4-85) 有名值为： (4-86)点发生两相短路接地时 (4-87) (4-88) (4-89)有名值为： (4-90)表4-3 不对称短路计算结果短路类型f1点（kA）f2点（kA）单相短路017.17两相短路30.2412.48两相短路接地30.249.445 电气设备的选择5.1 断路器的选择高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它既可以在正常情况下接通或断开电路，又可以在系统故障情况下自动地迅速断开电路，断开电路时会在断口处产生电弧，为此断路器设有专门的灭弧装置，灭弧能力是断路器的核心性能。其选择的好坏，不但直接影响变电所正常状态下运行，而且也影响在故障条件下是否能可靠地分析。断路器的选择内容包括：（1）选择型式；（2）选择额定电压；（3）选择额定电流；（4）校验开断能力；（5）校验动稳定；（6）校验热稳定。1、母线侧断路器选择（1）按额定电压选择，断路器的额定电压不小于安装地点电网额定电压，即 (5-1)（2）按额定电流选择，断路器综合修正后的长期允许电流不得低于所在回路的各种运行方式下的最大持续工作电流，即 (5-2)式中,-综合修正系数； -电气设备所在回路的最大持续工作电流。当仅计及环境温度修正时值的计算如下： (5-3)其中为环境实际温度，本设计中带入上式得 (5-4)所以， (5-5)（3）初步选择断路器的型号为：，其参数见表5-1。表5-1 母线侧断路器的参数型号额定电压额定电流额定开断电流动稳定电流热稳定电流(3s)（s）(s)220kV2500A50kA150kA100kA0.150.03（4）额定开断电流校验，为保证断路器能可靠地开断短路电流，一般情况下，原则上额定开断电流 不应小于实际开断瞬间的短路全电流有效值，即 (5-6)而 (5-7)式中,-开断计算时间，一般取0.2；-短路电流非周期分量的衰减时间，一般取0.25s。所有值代入可以求得： (5-8)由已知参数可知满足要求。（5）热稳定校验，断路器满足热稳定的条件为： (5-9)式中，-制造厂规定的允许通过电器的热稳定电流，查表5-1； -制造厂规定的允许通过电器的热稳定时间，查表5-1； -短路电流通过电器时所产生的热效应，。由已知数据计算可得： (5-10)又 (5-11)其中，； -后备保护动作时间，取3.82s； -断路器固有分闸时间，为0.03s； -断路器开断时的电弧持续时间，为0.15s。将前述短路电流计算结果代入可求得：(5-12)由以上计算结果可知热稳定满足。（6）动稳定校验，断路器满足动稳定的条件为： (5-13)式中，-电器允许通过的动稳定电流幅值，查表5-1； -短路冲击电流幅值，。一般高压电路短路时，;发电机端母线短路时，。 (5-14)由已知数据可知，动稳定满足要求。其断路器的选择见表5-2：表5-2 母线侧断路器的选择结果计算和设备数据项目及条件计算数据LW2-220断路器电压UNUNs（kV）UNs220UN220电流INImax（A）Imax248IN2500额定开断电流INbrI（kA）I19.76INbr31.5热稳定QNQk（kA2s）Qk267.93969动稳定iesish （kA）ish42.6ies1502、发电机出口侧断路器选择（1）按额定电压选择，断路器的额定电压不小于安装地点电网额定电压，即 (5-15)（2）按额定电流选择，断路器综合修正后的长期允许电流不得低于所在回路的各种运行方式下的最大持续工作电流，即 (5-16)式中,-综合修正系数；-电气设备所在回路的最大持续工作电流。当仅计及环境温度修正时值的计算如下： (5-17)其中为环境实际温度，本设计中带入上式得： (5-18)所以， (5-19)（3）初步选择断路器的型号为：,其参数见表5-3：表5-3 发电机出口侧断路器的参数型号额定电压额定电流额定开断电流动稳定电流热稳定电流（5s）（s）(s)10kV5000A105kA300kA120kA0.150.65（4）额定开断电流校验：为保证断路器能可靠地开断短路电流，一般情况下，原则上额定开断电流不应小于实际开断瞬间的短路全电流有效值，即.而 (5-20)式中,-开断计算时间，一般取0.2；-短路电流非周期分量的衰减时间，一般取0.25。所有值代入可以求得： (5-21)由已知参数可知满足要求。（5）热稳定校验，断路器满足热稳定的条件为： (5-22)式中，-制造厂规定的允许通过电器的热稳定电流，查表5-3； -制造厂规定的允许通过电器的热稳定时间，查表5-3； -短路电流通过电器时所产生的热效应，。由已知数据计算可得： (5-23)又 (5-24)其中,； -后备保护动作时间，取3.2s； -断路器固有分闸时间，为0.15s； -断路器开断时的电弧持续时间，为0.65s。将前述短路电流计算结果代入可求得： (5-25)由以上计算结果可知热稳定满足。（6）动稳定校验看，断路器满足动稳定的条件为： (5-26)式中，-电器允许通过的动稳定电流幅值，查表5-2； -短路冲击电流幅值，。一般高压电路短路时，;发电机端母线短路时，。 (5-27)由已知数据可知，动稳定满足要求。10KV侧断路器的选择见表5-4。表5-4 10kV侧断