(完整word版)4×50MW水电站电气部分设计

(完整word版)4×50MW水电站电气部分设计
本科毕业设计（论文）
4×50MW水电站电气部分设计
XXX
指导教师XXXX
专业年级电气工程及其自动化
学号XXXXX
二〇一二年十二月
中国昆明
摘要
本设计为4×50MW 的水力发电厂的电气部分（发电机、变压器、电气一次主接线及屋外升压站配电装置等）进行初步设计，初步设计内容包含屋外升压站所电气设计，新建4×50MW的水电厂，分为三个电压等级。

以一回220Kv电压等级的架空线路输入系统，两回110Kv电压等级的架空线路供地方用电，10Kv系统为水电厂自用电。

220Kv采用单母线接线，110Kv侧采用单母线分段接线，安装两台SFPS7-120000∕220三绕组变压器。

通过对原始资料的详细分析，并结合设计任务书的要求，进行了电气主接线方案的技术经济比较；地区负荷的设计计算；短路电流计算；主要导体和电器设备的选择和校验；配电装置、防雷设计、继电保护规划设计，最后编制了设计说明并绘制了主接线。

通过对此次设计的训练，进一步巩固加深了所学的专业基础知识和专业技能，培养了使用规范化手册、规程等基本工作实践能力。

关键词：
水电站电气主接线短路电流设备选型防雷继电保护
前言
1.1设计目的和意义
一、毕业设计的目的和意义
毕业设计是在完成全部专业课基础上进行的最后一个实现培养目标的一个重要教学环节，是培养学生综合素质和工程实践能力的教育过程，对学生的思想品德、工作态度、工作作风和独立工作能力具有深远的影响。

通过前期对专业课的学习以及实习活动，使其对电能的生产、分配和输送过程有了全面的了解，但对电厂接入系统的方式，短路电流的计算、电气设备以及载流导体的选择以及配置情况只停留在理论水平。

通过毕业设计应达到以下要求：
1、所以通过毕业设计的训练，进一步巩固和加深所学的理论知识、基本技能，使之系统化和综合化。

2、培养我们独立工作，独立思考并运用所学的知识解决实际工程技术问题的能力。

3、结合设计课题培养我们独立获取新知识的能力，进一步掌握扩大所学专业知识。

4、通过毕业设计的训练，使我们树立起具有符合国情和生产实际的正确的设计思想和观点；树立起严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索并具有创新意识及与他人合作的工作作风。

1.2原始资料及设计任务要求
一、原始资料分析
1、原始资料
待设计发电厂装机容量为4×50MW , 功率因素0.8，厂用电率1.4%，Tmax小时为4600。

机组台数：4台利用小时数：4600小时/年。

供电距离：120Km。

地区负荷的最大负荷占电站装机的25%，地区负荷功率因素0.8，地区负荷供电距离20Km。

一、二类负荷占总负荷的70%。

1、成果提交
（1）设计说明书及计算书1份
（2）电气主接线图1份（采用1号图纸手绘或者CAD图A3号图纸打印）
二、设计任务
1、电气主接线设计，论证设计的主接线为最佳方案；
2、电厂发电机参数计算及发电机选择；
3、主变压器参数计算、比较、连接方式比较及主变压器选择；
4、发电厂地区负荷计算、连接方式优化设计；
5、发电厂厂用电接线设计，选择厂用变压器的台数及容量；
6、短路电流计算；
7、导体和电器设备选择；
8、高压配电装置设计；
9、发电厂继电保护及自动装置配置；
10、变电站防雷保护设计。

三、初拟定设计内容
1、设计参数
（1）Ⅰ类负荷方案
表1 Ⅰ类负荷方案参数
cos
（2）地区负荷方案
表2 地区负荷方案参数
序号类型cos 送电距离
（km）
系统35kV或110kV
S
(MVA)
X
070.8200
2、电力系统与本厂连接情况
（1）发电厂在电力系统中的地位和作用：中小型
（2）发电厂在联入系统中的电压等级220kV及出线回路1回。

（3）发电厂地区负荷电压等级110kV及出线回路2回。

（4）电力系统总装机容量200MW系统标幺电抗X*=0。

3、电力负荷水平
（1）厂用电率：1.4%。

高压负荷：220kV电压级：1个；出线回路：1回，为I类负荷，最大输送功率：150MW，中压负荷：110kV电压级：1个；出线回路：2回，为地区负荷，最大输送功率：50MW ，Tmax：4600h 。

4、设计自然条件：海拔 1000m ，本地区污秽等级2级，地震裂度 5级，最高气温32C，最低气温-2C，平均温度15C，最大风速2m/s，其他条件不限。

5、设计任务
待设计水电站与系统连接分析；水电站电气主接线方案优化设计，绘制电气主接线图；水电站地区负荷接线优化设计；站用电接线优化设计；短路电流计算；水电站导体和电气设备选择设计；水电站高压配电装置设计，水电站过电压保护及防雷规划设计，水电站仪表与继电保护配置规划设计，绘制保护配置图；编制设计说明书（含计算书）。

目录
摘要
前言
1.1设计目的和意义
1.2原始资料及设计任务要求
第1章发电厂电气接线优化设计 (1)
1．1电气主接线设计概述 (1)
1．2电气主接线的初步方案选择设计 (4)
1．3电气主接线方案经济选择技术比较 (12)
1．4最优电气主接线方案确定 (13)
1．5发电机和主变压器选择 (16)
1．6厂用电设计 (19)
1．7最优电气主接线绘制 (21)
第2章短路电流计算 (23)
2．1短路电流计算概述 (23)
2．2短路电流计算过程 (25)
2．3短路电流计算成果 (35)
第3章导体和电器选择 (38)
3．1导体和电器选择设计概述 (38)
3．2导体的选择与校验 (40)
3．3主要电器设备选择和校验 (46)
3．4导体和电器选择成果表 (66)
第4章高压配电装置优化设计 (69)
4．1高压配电装置概述 (69)
4．2高压配电装置优化设计 (69)
4．3高压配电装置总平面布置要求 (70)
第5章防雷保护和接地装置设计 (70)
5．1发电厂过电压及防护分析 (70)
5．2避雷器的规划与选择 (72)
5．3避雷针规划设计及保护 (75)
第6章仪表与继电保护配置规划设计 (78)
6．1仪表与继电保护配置规划 (78)
6．2继电保护配置规划设计 (79)
结论 (81)
参考文献 (85)
附录 (86)
第1章发电厂电气接线优化设计
1．1 电气主接线设计概述
发电厂电气一次接线是电力系统网络结构的重要组成部分，它直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性关系。

在设计时应同时考虑水电站主接线的可靠性，灵活性和经济性，制定出最佳方案。

1.1.1 主接线的设计依据
在选择电气主接线时，就以下列各点作为设计依据；
一、发电厂在电力系统中的地位和作用
1.电力系统中的发电厂有大型主力电厂、中小型地区电厂及企业自备电厂三种类型。

大型主力发电厂靠近煤矿或沿海、沿江，并接入330～500kV高压系统；地区电厂靠近城镇，一般接入110～220kV，也有接入330kV；企业自备厂则以对本企业供电供热为主，并与地区110～220kV系统相连。

中小型电厂常有发电机电压馈线向附近供电。

2. 发电厂电气主如此线电气主接线方案的选择，主要决定发电厂的类型、工作特性、发电厂的容量、发电机和主变压器的台数和容量。

发电厂由于在电力系统中地位和作用不同，其电气主接线的可靠性和经济性的要求也不同。

二、发电厂的分期和最终建设规模
1. 发电厂的机组容量，就根据电力系统规划容量、负荷增长速度和电网结构等因素进行选择，最大装机容量以占系统总容量的8～10％为宜。

一个厂房内的机组，其台数以不超过6台、容量等级以不超过两种为宜。

2. 发电厂建设规模应根据电力系统5～10年发展规划进行设计。

为了保证对用户供电的可靠性，在一期工程的设计中，发电厂的主变压器不应少于两台。

1. 对于一级负荷必须有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能够保证对全部一级负荷不间断供电。

2. 对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电。

3. 对于三级负荷一般只需一个电源供电。

四、系统备用容量大小
1. 系统中需要有一定的发电机装机备用容量。

运行备用容量不宜少于8～10％，以适应负荷突增、机组检修和故障停运三种情况。

2. 装机有两台（组）及以上主变压器的发电厂，当其中一台事故断开时，其余主变压器的容量应保证该发电厂的70％的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一、二级负荷供电。

系统备用容量的大小将会影响运行方式的变化。

例如：检修母线或断路器时，是否允许线路、变压器和发电机停运：故障时允许切除的线路、变压器各机组的数量等。

设计主接线时，应充分考虑这个因素。

1.1.2 主接线设计和基本要求
我国电气设计的技术规程规定：“主接线应根据发电厂电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且应满足运行可靠、简单灵活、操作方便和节省投资等要求”。

以下就可靠性、选择性、灵活性和经济性要求说明。

一、可靠性
供电可靠是电力生产和分配的首要要求电气主接线必须满足这个要求。

研究主接线可靠性应注意的问题
1.应重视国内外长期运行的实践经验及可靠性的定性分析。

主接线可靠性的衡量标准是运行实践，至于可靠性的定量分析由于基础数据及计算方法尚不完善，计算结果不够准确，因而目前仅作为参考。

2.主接线的可靠性要包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中可靠性的综合。

3.主接线的可靠性在很大程度上取决于设备的可靠程度，采用可靠性高的电气可以简化接线。

4. 要考虑所设计发电厂在电力系统中的地位和作用。

二、灵活性
主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。

1.调度时，应可以领土后地投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式下的系统调度要求。

2.检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电。

3.扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。

在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装机组、变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次部分的改建工作量最少。

三、经济性
主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。

1.投资省
1）主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备。

2）要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。

3）要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。

2.占地面积小
主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少。

3.电能损耗少
经济合理地选择主变压器的种类（双绕组、三绕组或自耦变压器）、容量、数量，在避免因两次变压增加电能损耗。

此外，在系统规划设计中，要避免建立复杂的操作枢纽，为简化主接线，发电厂接入系统的电压等级一般不超过两种。

1.1.3 电气主接线设计的原则
电气主接线的设计是发电厂和变电站设计的主体。

它与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等有较大的影响。

因此，主接线设计，必须结合电力系统和发电厂的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理他们之间的关系，经过技术、经济比较，合理地选择主接线方案。

电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。

在工程设计过程中，经上级主管部门批准的设计任务书或委托书是必不可少的。

它将根据国家经济发展及电力负荷增长率的规划，给出所设计电厂的容量、机组台数、电压等级、出线回路数、主要负荷要求、电力系统参数和对电厂的具体要求，以及设计的内容和范围。

这些原始资料的设计的依据，必须进行详细的分析和研究，从而可以初步拟定一向主接线方案。

国家方针政策、技术规范和标准是根据国家实际状况，结合电力工业的技术特点而制定的准则，设计的主接线应满足供电可靠、灵活、经济、留有扩建和发展的余地。

设计时，在进行论证分析阶段，更应合理地统一供电可靠性与经济性的关系，以便于使设计的主接线具有先进性和可行性。

1．2 电气主接线的初步方案选择设计
1.2.1 原始资料
待设计发电厂装机容量为4×50MW, 功率因素0.8，厂用电率1.4%，Tmax小时为4600。

1.2.2 输出电压选择
根据题目所给Ⅰ类负荷输送距离120km，输送容量150MW，查发电厂电气设计守则P46
表1-1 220Kv 线路电压等级选择
10 10050 150
100 500100 300
根据上表，选择Ⅰ类负荷出线电压等级为220kV。

根据题目所给地区负荷输送距离20km，输送容量50MW，查发发电厂电气部分P7
表1-2 110Kv线路电压等级选择
2 1020 50
10 5050 150
根据上表，选择地区负荷出线电压等级为110kV。

1.2.3 确定出线回路数
由于电厂的总容量为（200MW），Ⅰ类负荷输送容量150MW ，地区负荷输送容量50MW ，Tmax 等于4600小时/年，线路传输的功率不大，但同时考虑系统情况，参照已投运的相同容量的电厂与系统连接情况并查资料P. [46]附录附表1-6、1-7、1-8 P.[52] 附录附表1-33 ，根据以上选择的电压等级，确定出线回路数。

出线回路数= 输送容量/经济容量取接近的整数值。

Ⅰ类负荷：150∕200=0.75 因此，取1回出线
地区负荷：50∕30=1.7 因此，取2回出线
1.2.4 发电厂主接线的设计
一、220KV侧接线
方案Ⅰ单母线接线
图1-1 单母线接线
这种主接线最简单。

1.优点：接线简单清晰，设备最少，投资低，操作方便，便于扩建，也便于采用成套配电装置。

隔离开关仅仅用于检修，不作为操作电器，不易发生误操作。

2.缺点：但是可靠性不高，不够灵活。

断路器检修时该回路停电，母线或母线隔离开关故障或检修时则需全部停电。

方案Ⅱ单母线分段接线
这种接线广泛用于中、小容量发电厂的6—10KV接线和6—220KV变电站中。

在正常运行时，双电源进线，母线分段运行。

当其中一条进线故障时，通过另一段母线供电；当其中一段母线故障时，不必整段母线停电，运行方式灵活、可靠，但是这种接线方式占地面积大，投资大。

单母线分段接线的优点：
1、用短路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；
2、用一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电；
单母线分段接线的缺点：图1-2 单母线分段接线
1、当一段母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电；
2、当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；
3、扩建时需向两个均衡扩建。

适用范围：
1）6~10KV配电装置,出线回路数为6回及以上时；
2）35~63KV配电装置,出线回路数为4~8回时；
3）110~220KV配电装置,出线回路数为3~4回时；（经济性，设备相对少，投资小，年费用小，占地面积相对小）
方案III 桥型接线
这种接线方式，当只有两台变压器和两条输电线路时并有大容量穿越功率通过，采用桥型接线。

桥型接线具有工作可靠、使用的电器少，装置简单清晰和建造费用低等优点，并且它特图1-3 桥型接线
别容易发展成为单母线分段或双母线接线。

因此，为了节省投资，建造初期负荷小，出线条数不多，宜采用这种接线方式。

比较之后，采用单母线接线的方式接线。

二、方案比较
表1-3 方案1，方案2，方案3比较
比较方案1方案2
可靠性
两个电源供电；接线简单清晰，，
投资低，操作方便，隔离开关仅用于检
修，不作为操作电器，不易发生误操作。

母线及母线隔离开关故障
时只停故障母线另一段母线可
继续运行。

当一段母线隔离开关
故障或检修时，该段母线的回路
都要在检修期间内停电；当出线
为双回路时，常使架空线路出现
交叉跨越。

经济性所使用开关设备最少，及占地面积
小
使用开关相对较多和占地
面积相对较大
灵活性接线简单，操作方便，运行方式唯
一
特别容易发展成为双母线
接线，但扩建时需向两个均衡
扩建。

比较方案3
可靠性母线检修进行不停电操作；一组母线故障能
迅速恢复供电。

经济性所使用设备最少，投资低。

灵活性便于扩建，也便于采用成套配电装置。

此电厂220Kv出线回路少，其装机容量小，可靠性和灵活性要求相对较低，采用单母线接线便能满足要求。

签于以上比较220kV系统宜采用单母线分段或单母线接线方式，但由于此电站四台机组，装机容量不大，220kv侧出线回数为一回，机组台数不多，从可靠性、经济性和灵活性等各方面考虑，采用单母线分段接线能满足可靠性要求，但投资太大，使用设备较多，占地面积大，宜采用单母线接线方式较能满足要求。

比较之后，采用单母线接线的方式接线。

三、110KV侧接线
方案Ⅰ单母线分段接线
这种接线广泛用于中、小容量发电厂的6—10KV接线和6—220KV变电站中。

在正常运行时，双电源进线，母线分段运行。

当其中一条进线故障时，通过另一段母线供电；当其中一段母线故障时，不必整段母线停电，运行方式灵活、可靠，但是这种接线方式占地面积大，投资大。

单母线分段接线的优点：
（1）用短路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，
有两个电源供电；
（2）用一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

单母线分段接线的缺点：图1-4 单母线分段接线
（1）当一段母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电；
（2）当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；
（3）扩建时需向两个均衡扩建。

适用范围：
1）6~10KV配电装置,出线回路数为6回及以上时；
2）35~63KV配电装置,出线回路数为4~8回时；
3）110~220KV配电装置,出线回路数为3~4回时。

（经济性，图1-5 桥型接线
设备相对少，投资小，年费用小，占地面积相对小）
方案II 桥型接线
这种接线方式，当只有两台变压器和两条输电线路时并有大容量穿越功率通过，采用桥型接线。

桥型接线具有工作可靠、使用的电器少，装置简单清晰和建造费用低等优点，并且它特
别容易发展成为单母线分段或双母线接线。

因此，为了节省投资，建造初期负荷小，出线条数不多，宜采用这种接线方式。

方案III 双母线接线
双母线的两组母线同时工作，并通过母线联络断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上。

接线复杂，操作时较麻烦，图1-6 双母线接线
母线隔离开关使用较多，投资大。

占地面积较大。

由于母线继电保护的要求，一般某一回路固定与某一组母线连接，以固定连接的方式运行。

其供电可靠、调度灵活、扩建方便、便于试验的优点有其独到的地方。

比较之后，采用单母线分段接线的方式接线。

四、方案比较
表1-4 方案1，方案2，方案3比较
此电厂110Kv出线回路较少，地区负荷容量较大，可靠性和灵活性要求相对较高，采用单母线分段接线便能满足要求。

签于以上比较110kV侧系统宜采用双母线或单母线分段接线方式，但由于此电站四台机组，地区负荷较大，110kv侧出线回数为2回，从可靠性、经济性和灵活性等各方面考虑，采用双母线接线能满足可靠性要求，但不能满足经济性要求，宜采用单母线分段接线方式较能满足要求。

比较之后，采用单母线分段接线的方式接线。

通过以上方案的比较，220kV系统侧采用单母线接线的方式接线；110kV系统侧采用单母线分段接线的方式接线。

综合后确定本电厂的电气主接线接线方案。

1.2.5 确定电气主接线方案
方案I
图1-7 主接线方案1方案II
图1-8 主接线方案2
1．3 电气主接线方案经济选择技术比较
1.3.1 主接线方案的投资初步比较
主接线方案的投资初步比较
（1） 方案Ⅰ
P1=)100
1(1a I
I —为主体设备的综合投资，包括变压器、开关设备、配电装置等设备的综合投资； a —为不明显的附加费用比较系数，110kV 取220kV 的
3
1
，110kV 取270。

所以110kV 取90； 查《发电厂电气部分课程设计参考资料》P 31页，表2-4，选取2台型号1SFL —20000的变压器，其综合投资为：
14.35×2=28.7（万元）
方案Ⅰ综合投资为：
)(27.90)100
301(44.69)1001(1万元=+⨯=+
=a I P （2）方案Ⅱ
)100
1(22a
I P +
= 查《发电厂电气部分课程设计参考资料》P 31页，表2-4，选取4台型号1SFL —10000的变压器，其综合投资为：
9.87×4=39.48（万元）
方案Ⅱ的综合投资为：
)(216.99)100
301(32.76)1001(22万元=+⨯=+
=a I p 表1-5 电气主接线经济比较成果表
1．4 最优电气主接线方案确定
1.4.1 电气主接线
方案I
图1-9 主接线方案1方案II
图1-10 主接线方案2
1.4.2电气主接线技术方案比较
表1-6 电气主接线技术经济比较
1.4.3 确定最优电气主接线
通过上表可以看出，对于本电厂来说Ⅰ方案可靠性要比Ⅱ方案中高，使用设备相对要少，占地面积较小，投资较小。

Ⅰ、Ⅱ方案的灵活性相差不大。

综上所述，决定用方案Ⅰ作本电厂的的主接线方式。

1．5 发电机和主变压器选择
1.5.1 发电机选择及主要参数
1、发电机选择根据设计题目所给参数：
表1-7 设计参数
cos
2、查《电力工程电气设计手册》P178页，选择SF50-60/990型作该电厂发电机，其参数如下：
表1-8 发电机型号选择
发电机技术参数
表1-9 发电机参数
确定发电机组额定容量50MW 的发电机，台数4台，额定电压13.8kV ，功率因素0.8。

1.5.2 主变压器的选择及主要参数 一、变压器容量和台数选择原则
主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。

它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统5～10年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。

如果变压器容量选得过大，台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得过大、台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得过小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出或者会满足不了变电站的负荷的需要，这在技术上是不合理的，因为每千瓦的发电设备投资远大于每千瓦变电设备的投资。

1.主变台数选择
在此设计中由于出线回数较多可选2台或3台主变压器，但由于发电机采用扩大单元接线，主变只需选取2台。

2.变压器容量选择
根据《电力工程电气设计手册》[上]P214页，扩大单元接线变压器容量按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度和按发电机输出最大连续输出容量扣除本厂机组的厂用电负荷两者之和。

Sj=(1 1.4%10%)0.8P -+ +(1 1.4%)
0.8
P -
=
50000(1 1.4%10%)0.8-++50000(1 1.4%)
0.8
-。