《S水電站電氣一次部分初步設(shè)計》7400字（論文）

S水電站電氣一次部分初步設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u9962S水電站電氣一次部分初步設(shè)計 14519第一章概論 2135551.1電力系統(tǒng)概述 2211081.2大型水電站簡介 335721.3原始資料分析 421389第二章主變壓器的選擇 615742.1主變壓器臺數(shù)確定 6101412.2主變壓器容量確定 6194262.3確定主變壓器 626566第三章主接線設(shè)計 9209713.1主接線的基本要求 946673.2主接線的基本形式 9277743.3主要布線設(shè)計基本原則 1014863.4擬定主接線方案 1052553.4.2220kv側(cè)接線方案 1180833.5主接線方案對比 1217208第四章短路電流計算 1327204.1短路電流計算目的 13233794.2短路電流計算 1331399第五章母線與一次電氣設(shè)備的選擇和校驗 2055895.1斷路器的選取和校驗 2042205.2隔離開關(guān)的選取和校驗 22217305.3互感器的選取和校驗 2224527第六章防雷保護設(shè)計 2559196.1防雷保護的必要性 2519446.2雷擊對變電站的影響類型與應(yīng)對措施 25222436.3避雷器選型 256923因為 25電力系統(tǒng)的正常運行離不開系統(tǒng)的每一個部分的正常工作，電力系統(tǒng)主要是由發(fā)電部分，變電部分，輸電部分，配電部分和用電部分五個部分組成，而本次設(shè)計的發(fā)電站便是作為電力系統(tǒng)的發(fā)電部分，其重要性不言而喻。近年來，應(yīng)我國發(fā)展清潔能源的要求，水電廠在發(fā)電廠中所占比例也越來越高，地位也越來越重。本設(shè)計課題來源于S水電站，電氣一次部分初步設(shè)計電廠容量3×150MW，將三臺150MW的發(fā)動機，經(jīng)升壓變壓器升壓后給220KV電網(wǎng)供電。本次設(shè)計首先需要選擇通過原始資料來確定電氣主接線，目前擬定發(fā)電機端的接線方式為單元接線，220kV中壓側(cè)出線端的接地方式為雙母線接線，500kV高壓側(cè)出線端的接地方式為3/2接線。電氣主接線選擇完成后，便要開始查閱資料來確定發(fā)電機和變壓器的具體型號，并且根據(jù)選擇的發(fā)電機和變壓器的參數(shù)來確定短路點進行短路電流計算，接下來根據(jù)短路電流計算的結(jié)果和衍生出的其他數(shù)據(jù)來選擇合適的電氣設(shè)備，進而完成接地裝置及配電裝置的設(shè)計，最終繪制電氣平面圖以及斷面圖。通過本次設(shè)計，讓我們加深了水電廠電氣設(shè)計相關(guān)知識的認識，了解了水電廠設(shè)計的流程，是對大學所學強電課程知識的結(jié)合運用。關(guān)鍵詞：水電廠；電氣主接線；短路電流計算；電氣設(shè)備。第一章概論1.1電力系統(tǒng)概述眾所周知，電力系統(tǒng)是由一些列電氣元件所構(gòu)成，這些重要的組成部分主要由發(fā)電機、變壓器、輸電線路及用戶等。其中水電站是構(gòu)架起整個電力系統(tǒng)的中間樞紐。一個中間水電站，對于上級來說是一個重要的用戶，而對于下級用戶來說，又是一個電源點，因此起著承上啟下的電力變換和電能傳輸作用。水電廠里面充斥著大量的變電設(shè)備，這些設(shè)備主要有變壓器、母線、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器和避雷器等。這些單個元器件共同協(xié)作，才能讓整個水電站能夠平穩(wěn)順利地運行。一旦水電站內(nèi)某個設(shè)備發(fā)生故障，輕則導致單個設(shè)備損毀，重則導致整站停電，系統(tǒng)解列甚至是大面積停電，給人民的正常生活和社會的平穩(wěn)安定帶來嚴重威脅。因此一個設(shè)計合理、運行可靠的水電站，對于整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和國民經(jīng)濟的健康發(fā)展都起著不可忽視的重要作用。1.2大型水電站簡介1.2.1大型水電站在電力系統(tǒng)中的作用和地位在電力系統(tǒng)中，大型的水電站有著極其重要的地位與作用，其地位相當于整個電力系統(tǒng)的樞紐。除了和大型火電廠一樣提供電能的主要任務(wù)以外，還擔任著調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)度作用。除此之外，還能作為事故備用。水輪機與汽輪機有很大的不同之處在于汽輪機的啟動往往很廢時間，并且正常運行時不能隨意的改變頻率等電能參數(shù)，而水輪機得益于驅(qū)動方式的不同，能夠更加方便的在電力系統(tǒng)中起到調(diào)峰，調(diào)頻等作用，所以水電站在正常供電之外，也常常被用作事故的備用機組。水電廠的地位決定了其送電可靠性的重要程度，對電氣部分的設(shè)計提出了高要求。1.2.2大型水電站的特點水電站一般根據(jù)電壓等級一般分為低壓側(cè)和高壓側(cè)。其中發(fā)電機組發(fā)出來的電壓較低，所以發(fā)電機側(cè)為低壓側(cè)。低壓側(cè)的負荷較少，一般只有廠用電相關(guān)的變壓器會連接到低壓側(cè)。一般來說發(fā)電機發(fā)出的電能會通過升壓變壓器升壓后在高壓側(cè)連接負荷與線路進行供電。水電站在建設(shè)完成后由于由于各種因素一般不會進行擴建，但是在建設(shè)時要考慮經(jīng)濟的的發(fā)展帶來的負荷增加，所以在建廠時都會預留裝設(shè)多余配電裝置和備用出線的空位。由上文介紹可知，由于水輪機的特點，水電站一般還會擔任著調(diào)峰調(diào)頻等任務(wù)，相應(yīng)的水電站的變壓器也會有較多的投切情況。根據(jù)《水利發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》可知，水利發(fā)電廠的廠用電率一般為2%，并且廠用電的接線方式一般比較簡單。水電站由于地形的限制，一般會選擇在人跡罕至的山區(qū)里，如果選擇了過于復雜的接線，則會因為修繕復雜的接線形式而大大的增加成本，所以在設(shè)計發(fā)電站時盡量選擇簡單的接線形式。1.3原始資料分析1.3.1設(shè)計內(nèi)容本次設(shè)計是以S為背景的水電站為設(shè)計，水力發(fā)電機單機容量為150MW,裝機數(shù)量共計3臺，總?cè)萘繛?50MW，屬于大型水電站。水電站的高壓側(cè)電壓為220kV，出線為兩回。廠用電分高低壓兩個電壓等級，為10kV和0.4kV。廠用電率為全廠發(fā)電量的1.8%，其中大部分負荷均由廠用高壓設(shè)備承擔，只有少部分負荷是接在廠用低壓母線上的。設(shè)計內(nèi)容主要是一次部分設(shè)計，在第二章中完成主變壓器的選取，第三章完成電氣主接線方案選擇，第四章進行了短路電流的計算，第五章進行了電氣設(shè)備選型，第六章進行了站用電力系統(tǒng)的設(shè)計等。1.3.2發(fā)電機參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)程，國家規(guī)定的發(fā)電機端口電壓標準為3.15kV，6.3kV，10.5kV，13.8kV，15.75kV，18kV，20kV。而水輪發(fā)電機發(fā)電工況的額定功率因數(shù)宜根據(jù)電力系統(tǒng)的要求并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。一般為額定容量為50MVA～200MVA者不低于0.85（滯后）。本次設(shè)計的發(fā)電機單機容量150MW，端口電壓為13.8kV，功率因數(shù)cosφ=0.875，經(jīng)過對比選出發(fā)電機SF150-72/14100表1發(fā)電機具體參數(shù)Table1Specificparametersofgenerator型號額定容量（MW）額定電壓(kV)轉(zhuǎn)速短路阻抗SF150-72/1410015013.883.31.539本次設(shè)計采用三臺上述發(fā)電機1.3.3其他環(huán)境資料（1）廠用負荷1.8%。（2）環(huán)境平均溫度θ=25℃，最高38℃，最低?5℃（3）雷暴日28.9天/年（4）海拔高度:230米（5）土壤電阻率ρ<180Ω/m第二章主變壓器的選擇2.1主變壓器臺數(shù)確定由于水電廠的特點，其電氣主接線廣泛采用單元接線和擴大單元接線。如果采用單元接線的話三臺發(fā)電機就需要三臺主變壓器，如果使用單元接線和擴大單元接線混合使用的話，只需要兩臺主變壓器，極大的節(jié)約了成本。在技術(shù)支持的情況下，我們優(yōu)先選擇經(jīng)濟性高的后者。2.2主變壓器容量確定如果選擇使用單元接線，一臺變壓器連接一臺發(fā)電機，則其變壓器容量由發(fā)電機決定：S如果選擇使用擴大單元接線，一臺變壓器連接兩臺發(fā)電機，同樣有：S2.3確定主變壓器2.2.1主變壓器繞組數(shù)的確定我國目前采用的變壓器種類有以下幾種：三繞組式變壓器，自耦式變壓器，雙繞組式變壓器，分裂繞組式變壓器。在本次設(shè)計中，除去廠用電電壓等級外，只存在兩個電壓等級，分別為發(fā)電機出口電壓13.8kV和升壓后的220kV，所以最終選擇雙繞組變壓器。2.2.2主變壓器相數(shù)的確定本次設(shè)計的水電站最高電壓等級為220kV,查閱資料可得，在330kV電壓等級以及以下的變電所和發(fā)電廠中，一般選用三相變壓器。所以最終確定選擇三相式變壓器。2.2.3確定主變壓器繞組連接組根據(jù)國家的規(guī)定，在變壓器中，三相繞組的組別要和電力系統(tǒng)的相位一致，否則就不能將該變壓器發(fā)出的電壓進行并列運行。我國110kV及以上電壓,變壓器三相繞組都采用“YN”連接。根據(jù)系統(tǒng)和或機組的同步并列要求及限制三次諧波對電源的影響因數(shù),所以,該站主變連接組別選定為:YN,yn,d11。2.2.4主變壓器冷卻方式確定目前在高電壓等級的變壓器中，有以下三種常用的冷卻方式：強制油循環(huán)式冷卻，油浸自冷式冷卻，油浸風冷式冷卻。油浸自冷式冷卻顧名思義，便是將變壓器的繞組和鐵芯浸泡在油中，當這些器件散發(fā)熱量時，熱量便會被油的自然對流作用帶到散熱器上，再散出去，起到散熱的作用。該種方式一般適用于小型的變壓器。油浸風冷式冷卻便是在油浸自冷的基礎(chǔ)上加上風扇，風扇的轉(zhuǎn)動會加快空氣的流動，能更快的使變壓器散熱。這種方式適合中型的變壓器。由于油的流速比較慢，所以在發(fā)熱比較嚴重的變壓器中，會加入油泵，加快油的循環(huán)，讓熱油更快的流入散熱器，通過配合風冷或者水冷的方式降低油溫，最終降低變壓器的溫度。這種冷卻方式為強迫油循環(huán)冷卻。該種冷卻方案適合變壓器容量大，需要更高效的散熱的變壓器。根據(jù)原始資料可知，本次要選擇的變壓器的容量會很大，所以我們選擇強迫油循環(huán)型的變壓器。2.2.5變壓器選型通過前面對變壓器容量的計算，選出以下兩款變壓器：表2SFP7-240000/220變壓器參數(shù)Table2SFP7-180000/220transformerparameters型號額定容量(kV?A)額定電壓(kV)空載損耗（kW）短路損耗(kW)空載電流(%)阻抗電壓(%)SFP7-180000/220180000242±2×2.5%13.81605100.813.3表3SFP10-400000/220變壓器參數(shù)Table3SFP10-400000/220transformerparameters型號額定容量(kV?A)額定電壓(kV)空載損耗（kW）短路損耗(kW)空載電流(%)阻抗電壓(%)SFP10-400000/220400000220±2×2.5%13.81607000.1514.0第三章主接線設(shè)計3.1主接線的基本要求水電站設(shè)計中除了變壓器和發(fā)電機的選擇之外，另外一個重要的基礎(chǔ)部分便是選擇電氣主接線。選擇電氣主接線，要充分的考慮到主接線的可靠性，既給負荷供電時的穩(wěn)定程度；要充分考慮接線的靈活性，既在檢修等場合下電氣主接線能否靈活的將負荷投切；在考慮以上兩種要求的前提下，還要結(jié)合實際考慮一定的經(jīng)濟性，不可因為接線過于復雜而導致投資大大超標。因為本次設(shè)計的發(fā)電廠滿足電機容量10MW以上，總裝機容量600MW以下，電壓等級500kV以下的要求，所以本次設(shè)計均參考《DL-T5186-2004水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》完成。3.2主接線的基本形式目前主流的接線形式主要分為兩種：有匯流母線類型和無匯流母線類型。有匯流母線顧名思義便是有母線的接線形式，這類接線形式一般運用于出線很多，或者需要較高可靠性的接線方式中。無匯流母線的配電裝置普遍使用的比較少，經(jīng)濟性較高，但是局限很高，只適用于出線很少的發(fā)電廠。具體分類見下表:表4接線形式分類表Table4Wiringformclassificationtable有匯流母線無匯流母線單母線雙母線單元接線單母線分段雙母線分段擴展單元接線單母線分段帶旁路母線雙母線分段帶旁路母線內(nèi)部橋接外橋接線2/3接線4/3接線角形接線3.3主要布線設(shè)計基本原則在滿足繼電保護要求的情況下，高壓側(cè)應(yīng)盡量少用或不用斷路器，系統(tǒng)主干網(wǎng)不應(yīng)有分支布線。根據(jù)《DL-T5186-2004水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》第五章第二節(jié)電氣主接線可得：（2）發(fā)電機側(cè)的電氣主接線，發(fā)電機與主變壓器組合方式通過技術(shù)經(jīng)濟比較從單元、聯(lián)合單元、擴大單元等接線方式中選定。（3）110kV-220kV的電氣主接線,如果選用敞開式配電裝置敞開式：配電裝置進出線回路不多時,可采用橋形接線、角形接線、單母線接線、單母線分段接線等。220kV進出線達6回及以上、110kV進出線達8回及以上時，可采用雙母線接線。（4）110kV-220kV的該配電裝置的斷路器無停電檢修的條件，則可采用帶旁路母線接線。查閱資料可得，如果220kV出線在5回以上，110kV出線在7回以上時，則可以采用帶有專用斷路器的旁路母線。當22OkV進出線達12回及以上時，也可采用3/2斷路器接線或4/3斷路器接線。（5）氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(簡稱GIS)配電裝置可采用橋形、雙橋形、單母線或單母線分段接線;出線回路較多的大型水電廠也可采用雙母線接線。GIS配電裝置不設(shè)置旁路母線。3.4擬定主接線方案根據(jù)原始資料和相關(guān)規(guī)程，該廠計劃從三臺端口電壓為13.8kV的發(fā)電機作為電源，經(jīng)兩臺升壓變壓器升到220KV后接入系統(tǒng)，考慮到大型水電廠的特性，發(fā)電機端不設(shè)置發(fā)電機電壓母線。由此結(jié)合220kV側(cè)出線僅有兩回，不能使用角形接線，初步擬定以下接線方案：3.4.1.發(fā)電機側(cè)接線方案方案1:單元接線方案2:擴大單元接線圖1單元接線與擴大單元接線3.4.2220kv側(cè)接線方案方案1:橋型接線圖2內(nèi)橋接線方案2:單母線接線圖3單母線接線方案3:單母線分段接線圖4單母線分段接線3.5主接線方案對比在靈活性，可靠性均滿足需求的前提下，考慮經(jīng)濟性。擴大單元接線相比于單元接線能夠節(jié)省一臺變壓器。而橋型接線相比于單母線接線，至少可以節(jié)省母線的布置。所以發(fā)電機端選擇G1、G2通過擴大單元接線接入系統(tǒng)，G3直接通過單元接線接入系統(tǒng)。而220kV側(cè)直接使用內(nèi)橋接線將兩出線送出。具體的電氣主接線圖如下所示：圖5發(fā)電站總接線簡圖第四章短路電流計算4.1短路電流計算目的選擇完電氣主接線后，便要開始計算短路電流。短路電流為發(fā)電廠或變電站中最為常見的但是也是最為嚴重的事故之一。計算短路電流，可以為后面的電氣設(shè)備選型，發(fā)電站二次部分的設(shè)計打下充足的基礎(chǔ)。4.2短路電流計算設(shè)基準容量SB=1000MVA,U變壓器的阻抗為：XX由上文可知，發(fā)電機的電抗為1.5394.1.4短路電流計算（1）（2）進行星型-三角型變換(3)圖6f1點阻抗化簡過程圖當f1點短路時：XXX短路電流計算：IIX運算曲線表表4運算曲線表Table4Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.3920.3960.3960.396t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:IX運算曲線表表5運算曲線表Table5Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.3570.3440.3570.357t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I短路電流計算總值：t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I(1)(2)進行星型-三角型變換(3)圖7f2點阻抗化簡過程圖當f2點短路時：XXX短路電流計算：IIX運算曲線表表6運算曲線表Table6Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.2980.2980.2980.298t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:IX表7運算曲線表Table7Calculationcurvetablet(s)00.212IG*’’0.3920.3960.3960.396t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I短路電流計算總值：t=0s:It=0.2s:It=1s:It=2s:I(1)(2)圖8f3點阻抗化簡過程圖當f3點短路時：XXXXXXX所以短路電流的標幺值為：I短路電流的有名值為：I=第五章母線與一次電氣設(shè)備的選擇和校驗5.1斷路器的選取和校驗斷路器對于電力系統(tǒng)的安全運行有著舉足輕重的作用，由于它具有一套完善的滅弧裝置，因此，在發(fā)生短路故障且短路電流的值很大時，只能靠斷路器來切斷短路電流，保證系統(tǒng)中未發(fā)生短路的部分不受到短路電流侵害。在電力系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備在投入和切除時也靠斷路器來控制，因此，選擇合適的斷路器對于變電站的安全運行是至關(guān)重要的。5.1.1高壓側(cè)220kV斷路器選取和校驗由于發(fā)電機有兩種接線方式，所以該發(fā)電廠內(nèi)存在兩種容量的變壓器，故要要進行兩次短路校驗才能選擇最終的斷路器。220kV側(cè)最大持續(xù)工作電流：I=I=由短路電流計算得短路次暫態(tài)電流為I短路電流沖擊值I選擇斷路器應(yīng)滿足：額定開斷電流不小于短路次暫態(tài)電流，預選用SW4-220作為本站斷路器，設(shè)備參數(shù)如下：表8SW4-220斷路器參數(shù)表Table8SW4-220circuitbreakerparametertable安裝地點額定電壓KV額定電流A開斷電流KA動穩(wěn)定極限電流KA熱穩(wěn)定電流KA（4s）關(guān)合電流KA合閘時間戶外220125031.58031.5800.18<額定電流校驗II額定電壓校驗U開斷電流校驗在實用計算中故開斷條件為：I其中，Iqf?N——斷路器額定開斷電流Ipt——計算短路電點的關(guān)合電流校驗斷路器額定關(guān)合電流應(yīng)不小于三相沖擊短路電流：I動、熱穩(wěn)定校驗擬定220kV繼電保護保護時間為0.15s，斷路器全開斷時間為0.25s，則有：t表9動熱穩(wěn)定校驗表Table9Dynamicthermalstabilitychecklist項目計算設(shè)備熱穩(wěn)定校驗II動穩(wěn)定校驗iImax=80各項校驗結(jié)果均滿足要求。5.2隔離開關(guān)的選取和校驗隔離開關(guān)最主要的作用是將兩個電位隔離開，形成一個明顯的、肉眼可見的間斷點，保證其他電氣設(shè)備在不帶電的情況下能夠安全檢修。5.2.1中壓側(cè)220kV隔離開關(guān)選取和校驗（1）通過額定電壓選擇：U（2）通過額定電流選擇：I根據(jù)上述條件，初選GW4-220/1250，其技術(shù)參數(shù)如下：表10GW4-220/1250隔離開關(guān)參數(shù)表Table10GW4-220/1250isolationswitchparametertable安裝地點額定電壓KV額定電流A動穩(wěn)定極限電流KA熱穩(wěn)定電流（4s）KA熱穩(wěn)定時間戶外220125080404進行校驗：表11動熱穩(wěn)定校驗表Table11Dynamicthermalstabilitychecklist項目計算設(shè)備熱穩(wěn)定校驗II動穩(wěn)定校驗iImax=5.3互感器的選取和校驗互感器是一種與變壓器功能相似的器件，其功能為以倍數(shù)來改變電流或者電壓的大小。該器件主要是將電氣的一次部分和二次部分連接起來的器件，在整個系統(tǒng)中起著重要的作用。5.3.1電壓互感器的選取和校驗電壓互感器與所測量的系統(tǒng)是并聯(lián)連接的，是將被測量的電壓轉(zhuǎn)換成5V或10V的電壓供儀表和繼電器使用，因其不通過系統(tǒng)電流，故不需要進行熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的校驗。高壓側(cè)220kV，根據(jù)設(shè)計要求和使用條件，選擇TYD220/3-0.01H電壓互感器。表12TYD220/3-0.01HTable12TYD220/√3-0.01Htechnicalparameters型號額定電壓二次繞組1額定負荷二次繞組2額定負荷剩余繞組額定負荷一次繞組二次繞組1二次繞組2剩余繞組TYD220/3220/30.1/30.1/30.1602002001001005.4.2電流