河海大学电气工程课程设计

河海大学电气工程课程
设计
Revised as of 23 November 2020
《电气工程基础》课程设
计
目录
一、设计内容
1、据待建水电站在系统中的地位、作用、运行方式和输送功率、距离，选择技术上满足要求的水电站与系统连接输电线路的回路数、电压等级、导线规格。

2、确定待建水电站技术上满足要求的地方用户供电方案：供电线路回路数、电压等级、导线规格。

3、根据待建水电站电压等级、机组台数、功率输送情况，拟订满足供电可靠性和水电站各种运行方式要求的主变压器可选用方案（主变类型、台数、容量、型号）。

4、根据所确定的主变方案和进出线回路数，通过分析、论证，确定待建水电站各电压等级的主接线型式。

5、设计待建水电站自用电接线，选用自用电变压器台数、容量、型号。

6、通过对选用方案经济比较，选定综合经济指标最优的水电站主变、主接线方案。

7、根据选择、校验电气设备的需要，计算三相短路电源。

8、选择水电站发电机电压和高压电气设备：断路器、隔离开关、母线、TV、TA等。

二、原始资料
装机3台水轮机组3*，机组年利用小时数T max=4400h。

厂用电率%，地区最大负荷占电站装机10%，其中一二类负荷占总负荷70%，供电距离15KM，地区负荷cosφ=0.8。

渡江水电站位于贵州省中部，建成后向沈阳市供电。

电力系统接线如图2—1所示。

电站建成后，接至相距30公里处的贵河变电所。

当地最热月平均气温28℃，年最高温度40℃，其他原始数据见接线图及相关表格。

表2-1 变压器短路电压百分数
贵河火电站
2 100 ＝0.85 ＝0.125
/km
Ωcos ϕ⨯MW d X ''渡江水电站
注：未知型号之输电线路，按０.４ 计算电抗
图
2－1 渡江水电站接入系统图
三、接入系统设计
选择水轮机型号
根据水轮机组容量，查相关技术手册选取型号为TS854/156-40的水轮机。

具体参数如下： 线路电压等级选择
P L.max =N 装机−P 厂−P 地方+P 转送
P L.max =3∗72.5(1−10%∗70%−0.4%) =201.405MW
选择2回线，P每回=100.70MW
根据回路数、输送功率、年装机利用小时数查表求电压等级，选择电压等级220KV
导线类型选择
选择LGJ导线
按照经济电流密度选择导线截面积
S j=P
√3U N cosφj
，根据年装机利用小时数查表得j=mm2
S j=
√3∗220∗0.9∗1.19
=246.75mm2
根据计算所得S j，查表可得，选取导线标准截面的导线
输电线路选择及校验
电晕校验
U cr=84m1m2δr log D eq
r
δ=3.92+b
273+t
D eq=1.26∗600mm
U cr=84∗0.9∗0.8∗3.92+76
273+28∗11.2∗log1.26∗600
11.2
=329.01KV
发热校验
正常运行：
I g.max≤k Q I y
k Q=√θ长期允许−θ环境实际温度
θ长期允许−θ标准规定最高环境温度=√70−28
70−25
=0.97
k Q I y=0.97∗657=637.29A
I g.max=P L.ma每回
√3U cosφ∗1.05=
√3∗220∗0.9
=308.31A≤637.29A
一般取θ标准规定最高环境温度=25℃一回线故障：
k=(n−1)k Q I y
nI g.max =(2−1)∗0.97∗657
2∗308.31
=1.034
电压损耗校验
正常运行：
U%=PR+QX
U
∗100%≤10%
U%=PR+QX
U ∗100%=100.70∗30∗0.131+100.70∗tan(cos−10.9)∗0.432∗30
220
=2.11%≤10%一回线故障：
U%=P′R+Q′X
U2
∗100%≤15%
U%=P′R+Q′X
U
∗100%=4.22%≤15%四、地方用户供电方案
回路数选择
根据需求选择两回线作为地方用户供电选择。

线路电压等级选择
用户最大电能
P地方用户=3∗72.5∗10% =21.75MW
考虑5年发展
P=P地方用户（1+5%）5=27.76MW
选择两回线，P每回=13.88MW
选择电压等级为110KV
导线类型选择
选择LGJ导线
按照经济电流密度选择导线截面积
S j=P
√3U N cosφj
S j=
√3∗110∗0.9∗1.19
=68.02mm2
根据计算所得S j，查表可得，选取导线标准截面的导线输电线路选择及校验
电晕校验
U cr=84m1m2δr log D eq
r
δ=3.92+b
273+t
D eq=1.26∗60
U cr=84∗0.9∗0.8∗3.92+76
273+28∗5.7∗log1.26∗600
5.7
=194.29KV
发热校验
正常运行：
I g.max≤k Q I y
k Q=√θ长期允许−θ环境实际温度
θ长期允许−θ标准规定最高环境温度=√70−28
70−25
=0.97
k Q I y=0.97∗289=280.33A
I g.max=P
√3U cosφ∗1.05=
√3∗110∗0.85
=89.99A≤280.33A
一般取θ标准规定最高环境温度=25℃一回线故障：
k=(n−1)k Q I y
nI g.max =(2−1)∗0.97∗289
2∗89.99
=1.557
电压损耗校验
正常运行：
U%=PR+QX
U
∗100%≤10%
U%=PR+QX
U2∗100%=13.88∗15∗0.450+13.88∗tan(cos−10.9)∗0.441∗15
1102
=1.14%≤10%
一回线故障：
U%=P′R+Q′X
U
∗100%≤15%
U%=P′R+Q′X
U
∗100%=2.28%≤15%
五、发电厂主变压器选择
可行性方案一
发电机输出线采用双母线分段接线，保证系统的可靠性。

因为接入系统输电线路，地方供电输电线路均采用双回线，所以变压器联结系统、地方均采用内桥接线。

发电机总视在功率：3*=
由设计方案已知条件：P地方用户
P总
=10%
由于两台三相双绕组变压器造价、维护费用、占用场地少所以综合考虑选择两台三相三绕组变压器，高压侧220KV，中压侧110KV，低压侧。

为保证一台变压器故障时，可以满足系统供电要求*75%=，更具经济性、可靠性综合考虑变压器容量选择为180MVA。

P厂=P总∗0.4%=217.5∗0.4%=0.87MW，
视在功率=
厂用电变压器直接连接发电机母线，采用两台1MVA的变压器，出线内桥连接的暗备用设计。

根据以上各参数要求，查《油浸式电力变压器技术参数及要求》第23页，选择额定容量180MVA三相三绕组无励磁调压电力变压器，查《油浸式电力变压器技术参数及要求》第2页，选择额定容量30KVA三相双绕组无励磁调压电力变压器，具体参数如下表
接线图如下：
可行性方案二
3台发电机输出线，其中一台采用单元接线，其余两台采用扩大单元接线。

这样接线简单，造价低。

因为接入系统输电线路，地方供电输电线路均采用双回线，所以变压器联结系统、地方均采用内桥接线。

发电机总视在功率：3*=
一台=，选择90MVA的三相三绕组变压器。

两台2*=，选择180MVA的三相三绕组变压器。

P厂=P总∗0.4%=217.5∗0.4%=0.87MW，
视在功率=
厂用电变压器直接连接发电机母线，采用两台1MVA的变压器，出线内桥连接的暗备用设计。

根据以上各参数要求，查《油浸式电力变压器技术参数及要求》第23页，选择额定容量180MVA三相三绕组无励磁调压电力变压器，查《油浸式电力变压器技术参数及要求》第23页，选择额定容量90MVA三相三绕组无励磁调压电力变压器。

具体参数如下表
接线图如下：
六、主变方案的经济比较
经济比较内容：(注意：只计算各方案中不同的部分)
①综合投资；②计算年运行费用；③方案综合比较
综合投资计算
即：主体综合投资＋各项附加费用（运输、安装等）
附加费用由a系数描述，与变压器容量和电压有关.
变压器综合投资计算
变压器综合投资
Z T=Z0+Z0∗a
100
方案参与比较部分项总投资： Z T=Z T1+Z T2+?+Z Tn
)=197.2(万元)方案一：180MVA，220KV变压器Z T1=116∗(1+70
100
综合投资：Z T=197.2∗2=394.4(万元)
)=197.2(万元)方案二：180MVA，220KV变压器Z T1=116∗(1+70
100
)=157.25(万元)
90MVA，220KV变压器Z T1=92.5∗(1+70
100
综合投资：Z T=197.2+157.25=354.45(万元)
年运行费U的计算
包括年设备折旧费、维修费和电能损耗费三项。

设备折旧费U1
对于变压器：U1T=5.8%Z T
180MVA，220KV变压器U1T=197.2∗5.8%=11.44(万元) 90MVA，220KV变压器U1T=157.25∗5.8%=9.12(万元)维修费U2
对于变压器：U2T=(2.2~4.2)%Z T
180MVA，220KV变压器U2T=197.2∗3%=5.92(万元) 90MVA，220KV变压器U2T=157.25∗3%=4.72(万元)
年电能损耗费计算
某台变压器年电能损耗费：α?A T
式中：α为当地电能价格（元/或度）；
A T为该台变压器每年电能损耗。

一台三绕组变压器全年电能损耗为：
A T=?P0T+P k1(S1
N
)
2
τ1+?P k2(
S2
N
)
2
τ2+?P k3(
S3
N
)
2
τ3(kw?h)
式中：S1、S2、S3——经过变压器高、中、低压绕组的最大负荷，kVA；
τ1、τ2、τ3——变压器高、中、低压绕组的最大负荷损耗时间，h；P k1、P k2、P k3——折合到变压器额定容量S N
的变压器高、中、低压绕组的短路损耗，kW。

变压器年电能总损耗费: ∑α?A T
方案年运行费用为： U=U1+U2+ ∑α?A T
方案一：
180MVA，220KV变压器:
P k1=P k2=P k3=585KW
S 1=
100.70.85
=118.47MVA 、S 2=21.75
2∗0.85=12.79MVA 、S 3=127.94MVA
查表得τ1=τ2=τ3=3000h A T =142∗4400+585∗3000∗[(118.47180
)2+(12.79180)2+(
127.94180
)2]
=2280532.47(kw?h ) 方案一年运行费用为：
U =11.44∗2+5.92∗2+0.2
∗2280532.47∗2=125.86（万元） 方案二：
180MVA ，220KV 变压器: P k1=P k2=P k3=585KW S 1=
72.5∗2∗（1−7%）
0.85
=158.65MVA 、S 2=17.06MVA 、S 3=170.59MVA
查表得τ1=τ2=τ3=3000h A T =142∗4400+585∗3000∗[(158.65180
)2+(17.06180)2+(
170.59180
)2]
=2890565.11(kw?h ) 90MVA ，220KV 变压器: P k1=P k2=P k3=351KW S 1=
72.5∗（1−7%）
0.85
=79.32MVA 、S 2=8.53MVA 、S 3=85.29MVA
查表得τ1=τ2=τ3=3000h A T =86∗4400+351∗3000∗[(79.3290
)2+(8.5390)2+(
85.2990
)2]
=2151444.96(kw?h ) 方案二年运行费用为：
U =11.44+9.12+5.92+4.72+0.210000∗(2890565.11+2151444.96) =132.04（万元） 方案的经济比较
通常各方案比较时，选择技术上满足要求，投资和年运行费用都低的方案。

如不能有这样的结果，需对各方案进行综合比较。

比较方法：静态比较、动态比较
补偿年限的静态比较：
若甲方案综合投资多于乙方案，但年运行费少于乙方案，则
抵偿年限T=Z甲−Z乙
U乙−U甲
（年）
T<5（5年就收回）选甲方案
T>8 选乙方案
对于方案一、方案二进行补偿年限的静态比较
补偿年限T=
394.4−354.45
132.04−125.86
=39.95
6.18
=6.46（年）
因为甲方案可靠性更高，且运行费用较低，补偿年限在8年以内，所以综合考虑，选择甲方案作为水电站的主变方案。

七、短路计算
计算各设备参数，绘制系统的等值网络
X G1∗=X G2∗=X d1"∗S B
S N
=0.106
X T1∗=X T2∗=U d1%
100∗S B
S N
=0.104
X L1∗=15∗0.4∗S B
U B2
=0.011
X L2∗=80∗0.4∗S B
U B2
=0.060
X L3∗=X L4∗=100∗0.4∗S B
U B2
=0.076
X L5∗=X L6∗=250∗0.4∗S B
U B2
=0.189
X G3∗=X d3"∗S B
S N
=0.102
X T3∗=U d3%
100∗S B
S N
=0.283
X G4∗=X G5∗=X G6∗=X d4"∗S B
S N
=0.233
X L7∗=X L8∗=30∗0.432∗S B
U B2
=0.244
U S1%=1
2(U S1−2%+U S1−3%−U S2−3%)=1
2
(23+13−8)=14
U S2%=1
2(U S1−2%+U S2−3%−U S1−3%)=1
2
(23+8−13)=9
U S3%=1
2(U S1−3%+U S2−3%−U S1−2%)=1
2
(8+13−23)=−1
X T41∗=X T51∗=U S1%
100∗S B
S N
=0.078
X T42∗=X T52∗=U S2%
100∗S B
S N
=0.050
X T43∗=X T53∗=U S3%
100∗S B
S N
≈0
网络化简
求出各电源对短路点的转移阻抗。

短路点1：
短路点2：
短路点3：
计算各短路点的电流周期分量
短路点1（220KV）
等效转移阻抗：
X(1,2)f=0.136
X(3)f=0.698
X(4,5,6)f=0.117
X s1f=0.272
计算电抗：
X js(1,2)=0.136∗2∗100
100∗0.85
=0.320
X js(3)=0.698∗100
100∗0.85
=0.821
X js(4,5,6)=0.117∗3∗72.5
100∗0.85
=0.299
查水轮机、汽轮机运算曲线，可以得到t=0s,,2s,4s时的短路电流周期分量标幺值
对于无穷大系统短路电流周期分量不随时间变化I Ps=1X
sf
I Ps1∗=1
X s1f
=3.68
电流周期分量标幺值
I pt=I pt∗∗I N=I pt∗∗N
√3U
I N1,2=N
√3U =
√3∗0.85∗230
=0.591KA
I N3=N
√3U =
√3∗0.85∗230
=0.295KA
I N4,5,6=N
√3U avf =
√3∗0.85∗230
=0.642KA
I ps=I ps∗∗I B=I ps∗∗B
√3U
I B=B
√3U =
√3∗230
=0.251KA
电流周期分量有名值
冲击电流：i M=√2K M I P，K M=1.85
最大有效值电流：I M=K P I P，K P=1.51
短路点2（110KV）
等效转移阻抗：
X(1,2)f=0.504
X(3)f=2.576
X(4,5,6)f=0.194
X s1f=1.180
计算电抗：
=1.186
X js(1,2)=0.504∗2∗100
100∗0.85
=3.031
X js(3)=2.576∗100
100∗0.85
X js(4,5,6)=0.194∗3∗72.5
=0.496
100∗0.85
查水轮机、汽轮机运算曲线，可以得到t=0s,,2s,4s时的短路电流周期分量标幺值
对于无穷大系统短路电流周期分量不随时间变化I Ps=1X
sf
I Ps1∗=1
=0.847
X s1f
电流周期分量标幺值
I pt=I pt∗∗I N=I pt∗∗N
√3U
I N1,2=N
√3U =
√3∗0.85∗115
=1.181KA
I N3=N
√3U avf =
√3∗0.85∗115
=0.591KA
I N4,5,6=N
√3U =
√3∗0.85∗115
=1.285KA
I ps=I ps∗∗I B=I ps∗∗B
√3U
I B=B
√3U =
√3∗115
=0.502KA
电流周期分量有名值
冲击电流：i M=√2K M I P，K M=1.8
最大有效值电流：I M=K P I P，K P=1.51
短路点3（）
等效转移阻抗：
X(1,2)f=0.203
X(3)f=1.037
X(4,5,6)f=0.078
X s1f=0.475
计算电抗：
X js(1,2)=0.203∗2∗100
100∗0.85
=0.478
X js(3)=1.037∗100
100∗0.85
=1.220
X js(4,5,6)=0.078∗3∗72.5
100∗0.85
=0.200
查水轮机、汽轮机运算曲线，可以得到t=0s,,2s,4s时的短路电流周期分量标幺值
对于无穷大系统短路电流周期分量不随时间变化I Ps=1X
sf
I Ps1∗=1
X s1f
=2.105
电流周期分量标幺值
I pt=I pt∗∗I N=I pt∗∗N
√3U
I N1,2=N
√3U =
√3∗0.85∗10.5
=12.938KA
I N3=N
√3U =
√3∗0.85∗10.5
=6.469KA
I N4,5,6=N
√3U =
√3∗0.85∗10.5
=14.070KA
I ps=I ps∗∗I B=I ps∗∗B
√3U avf
I B=B
√3U =
√3∗10.5
=5.499KA
电流周期分量有名值
冲击电流：i M=√2K M I P，K M=1.9
最大有效值电流：I M=K P I P，K P=1.62
电流太大，取U avf=13.8
I pt=I pt∗∗I N=I pt∗∗N
√3U
I N1,2=N
√3U avf =
√3∗0.85∗13.8
=9.844KA
I N3=N
√3U avf =
√3∗0.85∗13.8
=4.922KA
I N4,5,6=N
√3U =
√3∗0.85∗13.8
=10.705KA
I ps=I ps∗∗I B=I ps∗∗B
√3U
I B=B
√3U =
√3∗13.8
=4.187KA
电流周期分量有名值
冲击电流：i M=√2K M I P，K M=1.9
最大有效值电流：I M=K P I P，K P=1.62
八、高压电气设备选择断路器与隔离开关的选择
220KV高压侧
线路为变压器回路，因此所选断路器应满足：
I≥I max=max
√3U cosφ=
√3∗220∗0.85
=0.326kA
据此，试选择断路器型号为LW 220型，选择隔离开关型号为GW7220D 型。

校验结果如下：
热稳定校验:
Q k=84.64kA
断路器LW 220：402∗4=6400kA≥Q k
隔离开关GW7220D：332∗4=4356kA≥Q k
符合要求。

110KV中压侧
线路为变压器回路，因此所选断路器应满足：
I≥I max=max
√3U cosφ=
√3∗110∗0.85
=0.071kA
据此，试选择断路器型号为SW4110型，选择隔离开关型号为GW7110D型。

校验结果如下：
热稳定校验:
Q k=92.22kA
断路器LW 220：212∗4=1764kA≥Q k
隔离开关GW7220D：142∗4=784kA≥Q k
符合要求。

发电机出口处
线路为发电机和变压器回路，因此所选断路器应满足：
I≥I max=max
√3U cosφ=
√3∗13.8∗0.85
=3.75kA
据此，试选择断路器型号为SN520G型，选择隔离开关型号为GN1020T型。

校验结果如下:
热稳定校验:
Q k=31984kA
断路器LW 220：1202∗4=57600kA≥Q k
隔离开关GW7220D：1002∗4=40000kA≥Q k
符合要求。

电压互感器的选择
，接线方式为220kV电压互感器选用三只JCC−220(
√3√3
Y0/Y0/型，高压侧的电压互感器用于测量，因此测量准确级选用1级。

，接线方式为110kV电压互感器选用三只JCC−110(
√3√3
Y0/Y0/型，中压侧的电压互感器用于测量，因此准确级选用1级。

，构成一组，接线方式为电压互感器选用三只JDJ−15(
√3√3
Y0/Y0/型。

发电机出口处的电压互感器装于发电机出口，供励磁调节装置用，因此准确级选用级；另外一组为三绕组构成的Y0/Y0/接线，供测量、同期、继电保护用，因此准确级选用1级。

电流互感器的选择
220kV电流互感器的选择
以主变压器高压侧的电流互感器为例，回路工作电流为I max=0.326kA，试选用LCWD3 220型的电流互感器，电流变比为600/1。

查表可知：I IN=600A，K t=21，K d=38，
动稳定校验：√IN K d=√2∗600∗38=32.24kA≥I M=14.81kA
热稳定校验：(I IN K d)2=(600∗21)2=158.76kA≥Q k=4.602∗4= 84.64kA
经校验，可以选用电流互感器LCWD3 220型。

110kV电流互感器的选择
以主变压器中压侧的电流互感器为例，回路工作电流为I max=0.071kA，试选用LCWD-110型的电流互感器，电流变比为300/5。

查表可知：I IN=300A，K t=75，K d=150，
动稳定校验：√2I IN K d=√2∗300∗150=63.64kA≥I M=11.44kA
热稳定校验：(I IN K d)2=(300∗75)2=506.25kA≥Q k=4.932∗4= 92.22kA
经校验，可以选用电流互感器LCWD-110型。

电流互感器的选择
以发电机出口侧电流互感器为例，回路工作电流为I max=3.75kA，试选用LMC-15型的电流互感器，电流变比为5000/5。

查表可知：I IN=500A，K t=75，K d=100，
动稳定校验：√IN K d=√2∗5000∗100=707.11kA≥I M=301.31kA 热稳定校验：(I IN K d)2=(5000∗75)2=140625kA≥Q k=89.422∗4= 31984kA
经校验，可以选用电流互感器LMC-15型。