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1、课 程 设 计 课程名称 学生姓名 学号 专业 班级 指导教师 完成日期 2011年1月17日目 录摘要 5前言 61 6 1.1 8 1.2 10 1.3 11 1.4 132 14 2.1 14 2.2 17 2.3 17 2.4 183 19 3.1 19 3.2 19 3.3 20 3.4 224 30 4.1 30 4.2 36 4.3 41 4.4 44 4.5 46 4.6 51 4.7524.852红石岩水电厂电气主接线设计学生姓名：黎志政班级学号：200810902指导教师：姚明仁（三峡大学电气与新能源学院） 摘要：次课程设计是红石岩水电厂电气部分设计。该水电站的总装机容量为
2、410MW=40MW，发电机电压为10.5KV，出线电压采用110KV。110KV出线2回，其中一回出线至鸭塘变电站与系统相连，另一回备用。根据对所给出的原始资料进行分析后，拟定两种电气主接线方案，然后对这两种方案进行可靠性、灵活性、经济性比较分析，选择出其中一个最佳方案。然后根据电气主接线，选择主变压器、厂用变压器、坝区变压器和生活区变压器。在对系统各种可能发生的短路故障分析计算的基础上，进行了各种电气设备特别是电压电流互感器的选择校验设计。课程设计的内容包括电气主接线设计、变压器选择、短路电流计算、电气设备的选择和校验、绘制电气主接线图。关键词：水电厂；电气主接线；短路计算；电气设备选择校
3、验前言:发电厂是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行。作为电力系统中生产电能的部分，发电厂的可靠性直接影响电力系统的可靠性，而发电厂的可靠性又主要取决于发电厂的电气主接线。因此，电气主接线设计是发电厂的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定。而水电厂是电力系统中最灵活的机动能源，启、停方便，多承担系统调峰、调相任务。根据水能利用及库容的状态可酌情担负基荷、腰荷、和峰荷。因此，其电气主接线应尽可能以供电调度灵活为主选择接线形式。本次红水岩水电厂电气主接线设计的目的是根据所学知识及课程设计任务，学会提出问题、解决问
4、题，最终将知识转化为能力，加深对所学知识内在联系的理解，并能灵活地加以综合运用。通过课程设计，熟悉工程设计的全过程，掌握工程设计思想、方法、手段，树立必要地工程概念，培养一丝不苟的求实态度；掌握资料收集、工程计算、工程技术图纸的绘制标准及绘制方法、设计报告的撰写；起到学以致用，巩固和加深对电气工程及其自动化专业的理解的作用等。1 设计依据和基础资料1.1 设计依据设计依据是课程设计任务书。1.2 基础资料1.2.1 发电厂规模 水轮发电机4台，单机容量10MW。年利用小时数4000小时。1.2.2 电力系统与本厂连接情况 红石岩水电站采用110kV电压接入系统，110kV出线2回，其中1回至鸭
5、塘变电站（距离约45km，鸭塘变电站短路容量约为3000MV.A），另1回备用。1.2.3 电力负荷水平（1）发电机电压负荷：无。坝区最大为400kW，COS=0.85，Tmax=1350h，二级负荷。生活区最大负荷为280kW，COS=0.85，Tmax=2000h，三级负荷。（2）厂用电率按装机容量的1.5%计算。1.2.4 环境条件 红石岩水电站位于云南省宜良县与澄江县交界的南盘江干流下游河段上，为一库八级开发方式的第二个梯级电站，电站距昆明市直线距离85km。宜良县距昆明市55km，属昆明市近郊县，交通便利。1.3 对基础资料进行分析红水岩水电站总装机容量只有40MW，是个小水电站，不
6、是电力系统中比较重要的电厂，对电力系统5到10年内发展规划的影响不是很大，但与省会昆明市直线距离为85km，地理位置较好，可以采用2回110KV出线连接入系统。2 主接线方案的设计主接线应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。（一）可靠性，主接线可靠性的衡量标准时运行实践，要充分地做好调研工作，力求避免决策失误。不不仅包括开关、母线等一次设备，而且包括对应的继电保护、自动装置等二次设备在运行中的可靠性。（二）灵活性,包括以下几个方面：1）操作的方便性2）调度的方便性3）扩建的方便性（三）经济性主要从以下几个方面考虑：1）投资省，主接线要力求简单，以节省一次设备的使用数量，选用价廉的新型设备，
7、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，经济合理的选择变压器的类型。4）发展性，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短的情况下，完成过渡期的改扩建2.1 主接线方案的比较根据任务书的要求，在分析原始资料的基础上，参照水电站设计技术规程，以及水电站在电力系统中的地位、负荷情况、出现回路数等条件，拟定出下面两种方案。方案：发电机与变压器采用扩大单元接线，10.5KV采用单母线接线，110KV采用单母线接线。 方案：10.5KV采用单母线接线，110KV采用单母线分段带专用旁路断路器的旁路母线接线。两种方
8、案的具体优劣比较如下：（一）10.5KV接线方式的选择两种方案在10.5KV采用相同的单母线接线方式。优点：接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。缺点：（1）可靠性差。母线或母线隔离开关检修或故障时，连接在母线上的两台发电机都要停止运行。（2）调度不方便，两台发电机只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。（二）110KV接线方式的选择1、单母线接线方式优点：接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。缺点：（1）可靠性差。母线或母线隔离开关检修或故障时，四台发电机都要停止运行，造成全水电站停电。（2）调度
9、不方便，两组发电机组只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。2、单母线单母线分段带专用旁路断路器的旁路母线接线方式优点：接线也比较简单清晰，当母线及母线隔离开关故障及检修时，可缩小事故范围，四台发电机不需要全部停止运行，能保证对重要负荷的供电，具有相当高的供电可靠性和灵活性。缺点：操作比单母线接线复杂，所用设备多，增加了多台断路器和隔离开关的投资。2.2主接线方案的选择通过以上两种方案的比较，可得出结论: 方案操作简单，经济性好，但可靠性和灵活性差；方案操作相对复杂，经济型稍差，但可靠性和灵活性大为提高。综合各种因素，个人认为方案增加的投资是值得的，并且方案的可操作
10、性也比较强，因此决定采用方案的接线方案2.4 厂用电，生活区用电接线方案厂用电接线的一般要求：（1）供电可靠，运行灵活。（2）各机组的厂用电系统影视独立的，特别是200MW以上机组应做到这一点。（3）全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线。（4）充分考虑发电厂正常、事故、检修、启停等运行方式下的供电要求，一般均应配备可靠地启动/备用电源，尽可能地使切换操作简便，启动/备用电源能在短时间内投入。（5）供电电源应尽量与电力系统保持紧密的联系。（6）充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡，尽量减少改变接线和更换设置。最终
11、确定的主接线方案如图所示。3 变压器的选择3.1 主变压器的选择3.1.1 主变压器台数的选择 根据方案的接线方式，选取两台主变压器，分别负责两个发电机组母线的升压出线。3.1.2 主变压器容量的选择考虑原则：1）当发电机电压母线上负荷最小时，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。2）当发电机电压母线上最大一台发电机组停运时，能由系统供给给发电机电压的最大负荷。在电厂分期建设过程中，在事故断开最大一台发电机组的情况下，通过变压器向系统取得电能时，可考虑变压器的允许过负荷和限制非重要负荷。3）根据系统经济运行的要求（如充分利用丰水季节的水能），而限制本厂输出功率时，能供给给发电机电压
12、的最大负荷。4）按上述条件计算时，应考虑负荷曲线的变化和逐年负荷的发展。特别应注意发电厂初期运行，当发电机电压母线负荷不大时，能将发电机电压母线上的剩余容量送入系统。5）发电机电压母线与系统连接的变压器一般为两台。对主要向发电机电压供电的地方电厂，而系统电源仅作为备用，则允许只装设一台主变压器作为发电厂与系统的联络。若发电机电压母线上接有2台及以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故推出运行时，其他主变压器在允许过负荷10范围内，应能输送母线剩余功率的70以上。坝区由任务书的原始资料及主要参数知：由原始资料及计算公式得：生活区由任务书的原始资料及主要参数知： 由原始资料及计算公式得： 厂用电
13、由任务书的原始资料及主要参数知：厂用电率按装机容量的1.5计算，则 按上述之考虑原则有： 3.1.3 主变压器相数的选择容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330KV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。因为单相变压器组相对投资大、占地多、运行损耗也大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。但是，由于变压器的制造条件和运输条件的限制，特别是大型变压器要考察其运输可能性。若受到限制时，则可选用单相变压器。结合本水电站具体情况：（1）属于小型水电站，不需要大型变压器（2）变压器的运输不受地理条件限制。所以综合考虑，选用三相变压器器。3.1.4 主变压器绕组数量和连接方式的选择 绕
14、组数量：本水电站的电气主接线方式决定了主变压器应该选择两台相同的双绕组变压器，采用发电机双绕组变压器方式接入电力系统，选用三绕组或多绕组变压器反而不利于电气主接线的设计。 绕组连接方式：在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，主变压器联结组号一般都选用YNd11常规接线 表？ SF8-25000/110 变压器参数表型号额定容量（kVA）额定电压（kV）空载电流（）空载损耗（kW）阻抗电压（）高压中压低压高-中高-低中-低SF8-25000/1102500011010.50.6025.010.5注：数据来源 3.2 坝区用变压器的选择3.2.1
15、坝区用变压器台数的选择 坝区最大负荷为400KW，选择一台变压器即可，高压侧接发电机组母线。3.2.2 坝区用变压器容量的选择 坝区最大负荷视在功率为470.59KVA，所以一台容量为500KVA的变压器3.2.3 坝区用变压器绕组数量的选择 选择双绕组变压器具体参数见下表。表 ？S11-500/10 型变压器参数表型号额定容量（kVA）额定电压（kV）阻抗电压（）连接组标号损耗（W）空载电流（）高低空载短路S11-500/10500100.44.0D,yn116750.7注：数据来源 3.3 生活区用变压器的选择3.3.1 生活区用变压器台数的选择 生活区最大负荷有功功率为280KW，选择一
16、台变压器即可3.3.2 生活区用变压器容量的选择 生活区最大负荷视在功率为329.41KVA，所以选择一台容量为400KVA的变压器3.3.3 生活区用变压器绕组数量的选择 选择双绕组变压器具体参数见表。表 ？S11-400/10 型变压器参数表型号额定容量（kVA）额定电压（kV）阻抗电压（）连接组标号损耗（W）空载电流（）高低空载短路 注：数据来源 3.4 厂用变压的选择3.4.1 厂用变压器台数的选择 由电气主接线，选择两台厂用变压器3.4.2 厂用变压器容量的选择 两台发电机的总容量的1.5%为375KVA，所以一台厂用变压器的容量应为400KVA3.4.3 厂用变压器绕组数量的选择
17、选择双绕组变压器具体参数见表。表？ S11-400/10 型变压器参数表型号额定容量（kVA）额定电压（kV）阻抗电压（）连接组标号损耗（W）空载电流（）高低空载短路S11-400/10400100.44.0D,yn115650.7注：数据来源 电力设备选型手册4 短路电流计算4.1 基本假定在本设计短路电流计算中，采用以下假设条件和原则：1）正常工作时，三相系统对称运行。2）所有电源的电动势相位角相同。3）系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间位置相差电气角度。4）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设
18、备电抗值不随电流大小发生变化。5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50负荷接在高压母线上，50负荷接在系统侧。6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）。7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。11）输电线路的电容略去不计。12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。4.2 原始数据的确定该水电厂，其它原始数据参考任务书。主要参照小型水电站 电气一次回路部分下册和电力工程电气设计手册上的方法和公式进
19、行计算。采用标么制进行计算，基准容量取，基准电压取用各级的平均电压，即 表 ？ 短路计算基准值额定电压基准电压基准电流基准电抗6.36.68.750.43535371.5613.71101150.502132注：数据来源4.3 计算各元件的电抗标么值并绘制等值电抗图4.3.1 水轮发电机的电抗标么值由小型水电站 电气一次回路部分下册 P52 查得公式（4-1） （4-1） 式中 发电机的额定容量（） 发电机纵轴次暂态电抗 发电机纵轴次暂态电抗标么值由公式（4-1）及任务书所给的原始参数可计算出 ？台发电机的电抗标么值：4.3.2 主变压器的电抗标么值4.3.3 架空线路的电抗标么值4.3.4
20、系统（或变电站主变的）电抗标么值4.4 按短路点进行网络变换4.4.1 按点短路化简计算由小型水电站 电气一次回路部分 P70 查得公式（4-5）、（4-6）由小型水电站 电气一次回路部分 P65 查得公式（4-7）、（4-8） （4-5） （4-6） （4-7） （4-8）式中 发电机的计算电抗 次暂态短路电流 短路冲击电流值 最大短路全电流最大有效值 冲击系数,取1.8 由公式（4-5）、（4-6）、（4-7）、（4-8）得t=0s 时 t=0.2s 时 t=1s 时 额定电流 短路电流 冲击电流 短路全电流最大有效值短路容量 4.4.2 按点短路化简计算5 电气设备的选择和校验高压电气设
21、备选择的一般原则：1）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，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。4）与整个工程的建设标准应协调一致。5）同类设备应尽量减少品种。6）选用的新产品均应具有可靠的试验数据，并经正是鉴定合格。在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经上级批准。5.1 高压断路器、隔离开关的选择和校验5.1.1 发电机出口处 表？ 发电机出口处断路器、隔离开关选择结果表计算数据SN10-10/100 型断路器GN6-10/1000-80型隔离开关 10 kV 10kV 10kV 0.685K A 1kA 1kA 8.40 kA 31.5
22、kA 21.38 kA 80kA 141.42 31.5*31.5*2=1984.5 31.5*31.5*2=1984.5 21.38 kA 80kA 80kA注：数据来源发电厂电气部分，第四版，中国电力出版社，附表5，附表75.1.2 主变压器 低压侧 表 ？ 主变压器低压侧断路器、隔离开关选择结果表计算数据SN10-10/2000型断路器GN2-10/2000-85型隔离开关 10 kV 10kV 10 kV 1.37kA 2 kA 2 kA 9.46 kA 43.3 kA 24.08 kA 130 kA 357.97 43.3*43.3*4=7499.56 51*51*5=13005 2
23、4.08 kA 130 kA 85 kA注：数据来源发电厂电气部分，第四版，中国电力出版社，附表5，附表75.1.3主变压器 高压侧表 ？ 主变压器高压侧断路器、隔离开关选择结果表计算数据SW4-110/1200型断路器GW4-110D/1000-80型隔离开关 110kV 110kV 110kV 0.137KA 1kA 1kA 0.8kA 18.4kA 2.04kA 55kA 3.20 21*21*5=2205 21.5*21.5*5=2311.25 2.04kA 55kA 80kA注：数据来源发电厂电气部分，第四版，中国电力出版社，附表6，附表75.2 电流互感器的选择和校验5.2.1 变
24、压器低压侧电流互感器的选择 5.2.2 变压器高压侧电流互感器的选择 =0.137KA=137A，选择电流互感器型号LFZJ1-3，额定电流比为20200/5(A) 5.3 电压互感器的选择和校验5.3.1 发电机出口处及母线上电压互感器的选择和校验 （1）型式：采用单相浇注绝缘式电压互感器，作电压、电能测量及单向接地保护用及继电保护用。 （2）电压：额定一次电压U1n=10.5KV，额定二次电压U2n=0.1KV。 （3）准确等级：用于保护、测量、计量用，其准确等级为0.5级。 （4）型号：JDZ-10，一次绕组10KV，二次绕组0.1KV,最大容量400VA5.3.2 （升高电压）出线上电
25、压互感器的选择和校验 升压母线电压等级为110KV，根据设计手册，在接110KV及以上线路侧的电压互感器，当线路上装有载波通讯时，应尽量与耦合电容器结合，统一选用电容式电压互感器。 （1）型式：采用电容式电压互感器，作电压、电能测量及继电保护作用，并兼作电力线载波耦合电容器用。（2）电压：额定一次电压U1n=110KV,额定二次电压U2n=3kv（3）准确等级：用于估计电压数值、周期用，其准确等级为0.5级。（4）型号：YDR-110，一次绕组110/3KV,二次绕组0.1/3KV5.4 母线的选择和校验5.5 导线的选择和校验5.5.1 主变压器低压侧导线的选择与校验5.5.2 主变压器高压
26、侧导线的选择与校验5.6 避雷器的选择和校验5.7 绝缘子的选择和校验6 总结本次课程设计所用时间大约为一周左右，进度计划安排如下：拟定电气主接线方案，选择主变压器和厂用变压器；最大运行方式下短路电流计算；主要电气设备的选择；绘制电气主接线图；整理完成设计成果。在完成设计的过程遇到的问题主要有：（1）电气主接线方案的选择，个人认为110KV母线采用单母线带旁路母线方式更好，但因为个人水平以及原始资料限制，做不到对此方案严格的可行性分析报告以及具体的工程预算，因此与单母线接线方式相比只能做到理论上分析比较，不能用可靠数据证明比单母线接线方式好多少，而事实上此水电站采用的就是最简单的单母线接线方式
27、。（2）短路电流计算部分采用的运算曲线法分别求解某时刻短路电流周期性分量有效值It的计算（如t=0s、t=0.2s、t=1.0s）的原理不是很理解，在本课程中没有相关内容，只是在本学期所学的电力系统分析中略有涉及。在计算过程中还要查对应的运算曲线图，查到的数据可能带有比较大的误差，影响计算结果的准确度。（3）设计过程中要查找和选择各种合适型号的变压器和主要电气设备，而自己本身没这些经验，只能根据分析和计算结果选择能用的，但不太清楚有些都满足条件的设备型号到底有什么区别以及选择哪一种型号是最合适的。总而言之，想真正做好这个课程设计并不容易，在此过程中要查阅大量的资料以及自己动手分析计算比较等等。而这正是课程设计的意义所在，只要认真完成此课程设计，总能得到一些收获。致 谢参考文献附录：电气主接线图
