2×25MW水电站电气部分设计

2×25MW水电站电气部分设计前言电能是如今工厂生产的重要能量。

电力可简单从不同形态的能源转换得到，且方便转变成不同形态的能源;电能是简单和经济的，并且很容易控制，调节和测量，并有利于自动化的生产过程。

因此，电能被广泛应用于现代工业生产和整个国家的经济生活。

我国拥有丰富的能源储备。

这所有现实条件使中国重要工业的建设带来了优质的现实资源。

然而，我国前期的发电产业不发达，没能高效运用这些资源。

不过，经历了文化改革，电力工业快速发展为共和国人民经济发展做出了卓越贡献。

但是，随着近年来我国从工业，国民经济等方面的崛起，我国电力工业发展已无法满足整个国家的发展需求，另外，由于我国人口问题，在人均用电方面，至今不仅仍远落后于许多发达国家，即便在发展中国家里，也只处于中等水平。

因此，要实现全国全面小康的建设要求，我国必须大力发展电力工程。

水电厂，它的原理是利用水的动能和位能转化为电力能源，其初级运行方式：将高位面水力引入，通过压力或水的动能推动水轮机，通过工作单元将其化为机械能，随后水轮机联代发电机，最终实现电能转换。

该论文主题为水电厂电气部分设计。

此电厂的总工作单元机容为2×25=50MW。

高压端是110kV，一回出路和系统联接，一回出路和工作单位100MW的电站相连，它的最大输出功率是50MW，此厂的工作电率为0.2%。

经过审查处事信息确定三种电气主接线方法，接着将所有方法通过可靠性、经济性与灵活性筛选后，预存两个具有可行性的方法，后期将定量的技术经济筛选作为实行的电气主接线方法的确定依据。

1 原始资料分析1.1 方案资料1. 该水电站的规模及性质该水电站没有I 、II 和站近侧III 负载，为一般水电站，假设1～2台变压器。

它的电压等级是发电机电压(未定)与110kV 阶级。

与外界连接方式如下：-(1) 通过50km 的联络线(导线型号待选)与通过2×50MV A 、%10.5%k U =的变压器升压到110kV 的4×20MW 、'0.21d X =的电厂相联连。

(2) 通过30km 联络线(导线型号待选)与S =∞系统相连。

如图1.1所示。

图1.1 原始连接图2. 负荷(1) 110kV 侧：夏季：负荷率100%，负荷天数185天。

冬季：负荷率40%，负荷天数180天。

(2) 发电机侧：厂用电率为0.2%。

3. 其他资料该区域海拔四百二十米，最高温度三十二℃，最低温度负二℃，温度最高时段最高温度二十八℃。

地形、地震等级等其他资料没有给出，视为不受限制。

1.2 资料分析根据设计任务书提供的信息：该水电站为小型水电站，不给特殊负载给予电力，所以方案的可靠性，安全性与灵活性不需按高规格执行，所以拟定一到二台变压器。

其地形条件限制不严格，但从节省用地考虑，尽可能使其布置紧凑，便于运行管理。

另外，周围的环境和气候对设备的选择的制约也不大。

综上，在设计中要充分分析所给的原始资料，同时结合实际的情况，做到设计的方案具有可靠性、安全性、经济性等。

2 电气主接线设计在发电厂和变电站中，按照一定的要求和序列连接电路，主设备被称为电气主配线。

它收集来自各个电源发送的能源并将其分配给每个用户。

它表明各个主要设备的数量和作用，其连接方式，以及如何与电力系统相连接。

因此，电气主配线是电源系统配线结构的一个重要组成部分。

2.1 对电气主接线的基本要求1. 可靠性测量可靠性的标准，是基于主布线类型和主设备的可能操作方式，通过相关要求筛选“禁止”事件的要求，停运连续时间的期望值等信息，对几种配线方式的选取。

2. 灵活性切换发电机，变压器和断路器的操作应该是可靠，方便，灵活的3. 经济性通过优化比选，工程设计应尽量节省投资，占地面积小和低能耗。

2.2 主接线设计的一般步骤1. 对设计依据和基础资料进行综合分析。

2. 确定容量和主变压器的数目，并制定可用主布线形式。

3. 证实是否有必要限制短路电流，并采取合理的措施。

4. 通过全面的经济方面角度对备选案本进行比选，最终选定最为适合的备选案本。

2.3 电路主配线方案的确定2.3.1 发电机主接线方案根据我国现行的规范和成熟的运行经验，结合本小型水电站的工程情况，满足运行可靠，灵活，经济下，工作单元电压布线可选取的布置案本以下三种：1. 单母线布线图2.1 单母线布线示意图(1) 优点：较少设备，布线清楚，良好经济性，操作简便，误操作率低，易于使用完整配电装置，并且母线易于向两端发展，扩展容易。

(2) 缺点：稳定性低，如果母线或母线隔离开关非正常工作或查修时，全厂停运，造成长期停电。

人员配置困难，电源连接方式单一，无法分头工作，而且线路侧发生短路时，有较大短路的电流。

(3) 一般可行范围：一般在支路少量的情况使用，并且非承担重负载电厂选取。

2. 单元接线图2.2 单元接线示意图(1) 优点：发电机和主变压器具有相同容量，布线最简明，非正常工作下事故范围小，运行可靠、灵活；工作单元组电压装置少，安装放置容易，检修容易；继电保护投资少。

(2) 缺点：重要变压器与高压断路器需安装许多，使得装置和占地方面投资上升；主变压器高电压侧回路多，布线复杂，不利于高压侧布线；当主变压器出现故障，它会影响设备的电力传输。

(3) 一般工作范围：单机组机容是100MW或之上，同时六台也可能少于六台；单机容为45MW到80MW之中，按照经济比较采用不同布线方法不切实际。

3. 扩大单元接线(1) 优点：布线简明，方便操作维修；与单元布线相比，减少主变压器数量和它们相应的高电压设备，减少场地布置，节省投资；和单元布线相比，任何单元组停机，不影响工厂电源，该单元两台个体停机，依然可以有系统主变压器反送；减少主变压器高电压侧出线，能够简化布局和高电压侧布线。

(2) 缺点：当主变压器有故障或检修，两个单元容量不能发送出；加置两个低电压侧断路器，同时增加发电机电压短路允许范围，同时大型变压器的低压端使用分裂圈来实现降低短路容量的目的。

(3) 通常工作范围：拥有很强的泛用性，且可满足该站安置情况，如果满足电力系统工作与水库自配能力的要求，一般即可；如果站内扩大单元唯一，在完成系统要求之余，需尽量在主变压器电路事故或查修时浪费水资源、耗费电力与造成供水不畅，与此同时计划可靠的外部电源供给。

图2.4 扩大单元接线示意图4. 关于单元接线中装设断路器问题单元接线的发电机电压回路中，具备下列情况之一者，可考虑装设断路器：(1) 担任尖峰负荷的水电站，经常有可能全厂停机，而机组启动、排水、照明等需通过变压器向厂用变倒送电，此时，可在接有厂用变压器的单元中装设断路器。

(2) 在单元回路分支线上接有近区负荷者。

(3) 当单元之间要求设置联络母线时，应考虑加装发电机电压断路器。

2.3.2 主接线方案拟定由于该电站是110千伏侧小水电，不会担任主要负荷，考虑到可靠性，经济性和布线的灵活性，我国成熟的电气经验通常运用单母线布线方式。

因此，110kV侧运用单母线布线。

1. 根据上述三种主布线方式与电站的实际设计相结合，现确定以下三个电路主布线案本。

(1) 案本一：单母线接线它布置线的案本示意图如图2.5。

图2.5 案本（1）电路主配置线图(2) 案本（2）：单元布线它的布置线的图如图2.6。

(3) 案本（3）：增加单元布置线它的布置线的图如图2.7。

图2.6 案本（2）电路主布置线图2. 主布置线案本第一步对较经过长期认真分析考虑研究对可靠性，灵活性和经济性，与所述动力设备的实际综合分析原理的缺点，可以得出结论：与扩展单元布线相比，单母线拥有差不多的可靠性与灵活性，站内工作电力全从发电机10.5kV端收取，然而此站为特殊的两发电机布局，导致单母线与扩大单元布线并无太大区别。

从接线图中可以清楚地看到单母线布线低压侧多出三个(三相)断路器和三个(三相)隔离开关，所以一次投资更大因此可以放弃单母线布线方案，保留扩大单元布线(方案1)和单元配置线案本(案本二)。

图2.7 案本（3）电路主布置线图3. 主布置线案本的选定(1)运用专业知识与手段进行对较案本的非普遍性专业考虑，通常将下述论点方面为主进行专业性考虑：①输送电能的运行容错率；②工作中的装置稳定性与面对不同情况的应对性；③布置线与继电安全的合理删减；④考虑检修部门的工作简易程度等。

需要说明的是：在比较接线方案是，应估计到接线中发电机、变压器、线路、母线等的继电保护能否实现及其复杂程度。

然而经验表明，对任何接线方案都能实现可靠的继电保护，由于一次设备投资远远大于二次设备的投资，所以即使某个别元件保护复杂化，也不做考虑。

在电源的工作稳定方面进行考虑：对于案本（2），所用能源来自两台同时工作的工作单元，如果发生特殊情况也不易造成停运。

与案本（1）进行对较，一旦进行检查修缮装置将会导致停工，否则就要使用备用电源，因此投资就会增加。

这样，方案二的可靠性相对高些。

从运行安全和灵活性看：方案2的变压器的短路容量比方案1小，对变压器和发电机的绝缘水平要求相对较低，安全性相对较高，其灵活性也比较好。

从接线和继电保护看：方案1的接线和继电保护都相对方案2较复杂。

从维护与检修看：方案1的维护相比方案2较复杂，方案1的检修相比方案2较方便。

(2) 经济比较从经济角度考虑，一次投资与年运行费用是权重很高的考虑方面。

在计算中，一般只有每个方案的一次性投资和每年的运营费计算。

①一次性投资一次性投资包括主变压器和配电单元的综合性投资。

电气设备的综合投资是电气设备的出厂价和运输投资，也被称为电气设备的基建投资费用安装费用的总和。

一次性综合投资：0(1)()100dO O=+元(2-1)式中：O—主体设备基价，主要包括主变压器、开关设备；d—设用于运输基础加工，土石方附加费的比例系数，通常对110kV取值90，35kV取值100。

根据工程实际，均选用SF6断路器。

所有均采用一相主接线系统参与比较。

方案1：变压器SFP7-63000/110一台，每台600万；110kV侧断路器一个，每台28万元；隔离开关1个，每台3.14万元；十千伏侧断路器一台，每台3.782万元；隔离开关1个，每个0.267万元。

方案2：变压器SF7-31500/110一台，每台300万；一百一十千伏侧断路器2台，每个30.012万元，隔离开关二台，每个3.286万元；十千伏侧断路器二台，每个3.897万元，隔离开关四台，每个0.397万元。

工厂的电压等级是110kV ，投资额外费用比系数为d =90，则一次全概括成本是：案本一：11090(1)(60040.428 2.8)1+)1206.88()100100d O O =+=++++⨯=(万元 案本二：22090(1)(2902420.44282 2.82)+)1001001273.76()d O O =+=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯=(1万元 ② 一年工作耗费投资12U d A U U =∆++ (2-2)式中：1U —低成本耗费，通常是(0.022～0.042)O ；2U —翻新投资，一般为(0.005～0.058)O ；d —电能电价，目前全国各地区均价为0.25～0.3元/kW.h ；A ∆—电能损失，主要指变压器的能量损耗(kW.h)；根据不同型式的变压器而变化，所以两绕组的变压工作单元：2001=[()()()]k k NS A n P K Q P K Q t n S ∆∆+∆+∆+∆∑ (2-3) 式中：n —一样的变压工作单位数量；N S —一个变压单位的定额机容(kV A)；S —n 个变压工作单位承载的总负载(kV A)；t —相映射负载工作的时间；0P ∆、0Q ∆—变压工作单位没有负载时间有功消耗(kW)与无功损耗(kvar)；k P ∆、k Q ∆—当变压器非正常工作发生短路故障时有功损耗(kW)与无功损耗(kvar)；K —不做工时经济当量，为发电机供1kvar 无功的功率，使得有功损耗(kW)升高的重要因素值。