发电厂电气部分大学毕设论文
年 级: 2005级 学习形式及层次:
学 院: 电气信息学院 专 业: 电力系统及自动化 题 目: 发电厂（变电所）电气部分设计 指 导 老 师: 学 生 姓 名: 完 成 日 期:
发电厂（变电所）电气部分
毕业设计任务书
一、原始资料：
1、发电厂（变电所）类型：皂角湾水电站
2、发电机组（变压器）台数与容量：2×15MW
3、设计年利用小时数4000小时
4、电力负荷：
（1）、低压负荷：厂用电率1.1% ，待建电站邻近1km处有一已建电站，可做备用厂用电源。
（2）、高压负荷：110 kV 电压级，出线1 回，为II 级负荷，最大输送容30 MW，cos? = 0.8 ；
4、设计电厂（变电所）接入电力系统情况：
（1）、待设计发电厂接入系统电压等级为110 kV，距系统110 kV 发电厂20 km；出线回路数为 1 回；
5、环境条件：
海拔< 1000m；本地区污秽等级2 级；地震裂度< 7 级；最高气温36°C；最低温度?2.1°C；年平均温度 18°C；最热月平均地下温度20°C；年平均雷暴日T=56 日/年；其他条件不限。
二、设计内容：
参照设计指示书。
（毕业设计正文目录）
前言----------------------------------------------------------------------------------------------------4 第一章发电厂电气主接线设计----------------------------------------------------------6 第一节主接线的方案概述----------------------------------------------------------6
第二节初步拟定供选择的主接线方案-----------------------------------------9
第三节主接线的方案的技术经济比较----------------------------------------10
第四节厂用电源接线及坝区供电方式----------------------------------------12
第二章短路电流计算------------------------------------------------------------------------12 第一节短路电流计算概述--------------------------------------------------------13
第二节短路电流计算-----------------------------------------------------------------13
第三章导体、电器设备选择及校验---------------------------------------------------21 第一节导体、设备选择概述-------------------------------------------------------21
第二节导体的选择与校验-------------------------------------------------------22
第三节电器设备的选择与校验------------------------------------------------24
第四节导体和电气设备的选择成果表----------------------------------------34
第四章发电厂（升压站）配电装置设计---------------------------------------------35第一节配电装置类型及特点------------------------------------------------------35 第二节配电装置的设计---------------------------------------------------------------36
第五章继电保护、自动装置、测量表计
及同期系统的配置规划------------------------------------------38
第六章过电压保护和接地-----------------------------------------------------------------46
参考文献---------------------------------------------------------------------------------------------48 附图：一、主接线方案比较图
二、电气主接线图
三、继电保护配置图
四、自动装备配置图
五、计算机监控系统图
六、高压配电装置平面布置图
七、高压配电装置剖面图（一）
八、高压配电装置剖面图（二）
前言
一、本毕业设计的目的与要求：
本毕业设计是电气工程及其自动化专业学生在完成本专业教学计划的全部课程教学、课程设计、生产实习、毕业实习的基础上，进一步培养学生综合运用所学理论知识与技能，解决实际问题能力的一个重要环节。通过毕业设计，使学生理论联系实际，系统、全面的掌握所学知识，培养学生分析问题的能力、工程计算的能力和独立工作的能力。使学生树立工程观点、社会主义市场经济观点，初步掌握发电厂（变电所）电气部分的设计方法，并在计算、分析和解决工程问题的能力方面得到训练，为今后从事电力系统有关设计、运行、科研等工作奠定必要的理论基础。
二、设计内容：
1、电气主接线的设计；
2、短路电流计算；
3、电器选择；
4、高压配电装置的布置与电厂电气设施的总平面布置设计；
5、继电保护装备、自动装置与测量表计配置设计；
6、同期方式设计；
7、避雷器的选择和设计；
三、设计成品：
1、说明书，包含总论、主接线选择、短路电流计算、电器设备选择、高压配电装置设计、继电保护自动装置配置、同期方式、防雷保护等；
2、图纸，包括：电气主接线图、全厂继电保护自动装置测量表计图、高压配电装置平面图和断面图、发电厂的全厂手动准同期接线图。
四、原始资料：
1、发电厂（变电所）类型：皂角湾水电站
2、发电机组（变压器）台数与容量：2×15MW
3、电力负荷：
（1）、低压负荷：厂用电率1.1% ，待建电站邻近1km处有一已建电站，可做备用厂用电源。
（2）、高压负荷：110 kV 电压级，出线2 回，为I 级负荷，最大输送容30 MW，cos? = 0.8 ；
4、设计电厂（变电所）接入电力系统情况：
（1）、待设计发电厂接入系统电压等级为110 kV，距系统110 kV 发电厂20 km；出线回路数为 1 回；
（2）、电力系统的总装机容量为2500 MVA、归算后的电抗标幺值为0.3 ，基准容量Sj=100MVA；
5、环境条件：
海拔< 1000m；本地区污秽等级2 级；地震裂度< 7 级；最高气温36°C；最低温度?2.1°C；年平均温度 18°C；最热月平均地下温度20°C；年平均雷暴日T=56 日/年；其他条件不限。
第一章发电厂电气主接线设计
§ 1-1 主接线的方案概述
简述：电气主接线代表了发电厂或变电站电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，其直接影响发电厂或变电站运行的可靠性、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订有决定性的关系。
对电气主接线的基本要求包括可靠性、灵活性和经济性三个方面，本次设计根据《水电站机电设计手册》、《电力工程设计手册》以及相关参考书目的规定，结合设计任务的要求拟订 2-3 个可行的主接线方案，进行技术和经济比较，得出最佳接线方案。
本次设计所给皂角湾水电厂原始资料如下：
=10.5kV
1、装机台数和容量为：2×15MW 取额定电压 U
N
2、机组年利用小时数； T=4000 小时
3、气象条件；水电站所在地区，海拔< 1000m；本地区污秽等级 2级；地震裂度< 7 级；最高气温36°C；最低温度?2.1°C；年平均温度18°C；最热月平均地下温度20°C；年平均雷暴日 56日/年；其他条件不限。
4、功率因数；cos?=0.8
5、接入系统电压等级；110KV
6、110KV 输电距离20km；
7、接入系统容量和归算后电抗；S=2500MVA，X
=0.3
*
一、对原始资料的分析：
=4000 本设计水电站为中、小型水力发电厂，其容量为2×15 MW，年利用小时数为 T
MAX
小时。当电站建成投产后，其装机容量将占系统总容量的0.8%；说明该厂在未来电力系统中的作用和地位并非十分重要，从而该厂主接线设计的侧重点应该在经济性和灵活性。
本次设计的重点是：水电厂高低两级电压电气主接线的拟订和水电厂机端10.5 KV 电压配电装置、110KV 高压配电装置、厂用电配电装置等设备的选择。难点是：对电厂整个电气主接线的短路电流计算及各种电器的继电保护配置。
二、发电机与主变压器的接线形式的确定：
本次设计发电机的形式根据水电厂实际情况采用合适型号，因其单机容量为10MW，无厂用电分支，其机端电压等级采用 10.5KV。根据发电厂主变压器确定原则：本次设计按以无扩建可能和机组台数较多等因数考虑，发电厂主变台数定为 1—2 台，总容量应大于或等于电厂总装机容量（>=25MVA）。采用 10.5 kV/ 110kV 两级电压，三相双绕组变压器。
三、主接线方案初步拟订：
在对设计原始资料分析的基础上，结合对电力系统电气主接线的可靠性、经济性及灵活性等基本要求综合考虑，在满足技术、经济政策的前提下，本次设计力争使其成为技术先进，发电可靠、经济合理的主接线方案。
可靠发电是本设计水电厂应该考虑的首要问题，兼顾到经济性和水电厂升压站场地狭窄等问题，设计主接线应保证其丰期满发，不积压发电能力。主接线方案从以下几个方面考虑：
1、线路、断路器、主变或母线故障或检修时，对机组的影响，对发电机出力的影
响。
2、本水电厂有无全厂停电的可能性。
3、主接线是否具有足够的灵活性，能适应各种运行方式的变化，且在检修事故状态下操作方便，调度灵活，检修安全等。
4、在满足技术要求的前提下，尽可能考虑投资省、占地面积小，电能损失小和年运行费用少。
5、是否适宜于实现自动化和实现无人值守。
通过对原始资料的分析，现将各电压等级可能的较佳方案列出，进而优化组合，形成最佳可比方案。
§ 1-2 初步拟定供选择的主接线方案
根据电站的装机台数和出线回路数及上述资料，拟定两个电气主接线方案进行比较：
1、接线方案：
方案Ⅰ：发电机变压器采用扩大单元接线，通过一台容量为25MVA的主变压器升压至110kV， 110kV侧采用单母线接线。
方案Ⅱ：发电机变压器采用单元接线，分别接容量为12.5MVA的主变压器各一台，110kV侧母线采用单母线接线。
电气主接线方案比较见图：主接线方案比较图。
§ 1-3 主接线的方案的技术经济比较
电气主接线方案的技术、经济比较如下：
一、技术比较
（一）、方案Ⅰ：
发电机、变压器采用扩大单元接线，110kV 侧采用单母线接线，其优缺点如下：
1、优点：
① 接线简单清晰，运行方便，只有一台主变压器；
② 升压站占地面积相对较小，布置方便；
③ 110k V设备相对少、投资较少，维护费用低；
④ 继电保护比较简单，维护工作量小。
2、缺点：
① 主变压器或断路器检修或故障时，必须全厂停机，使本站的电能无法送出。
② 运行灵活性、供电可靠性较方案Ⅱ略差。
③ 只能获得一个厂用电电源点，需引接外来电源作为厂用备用电源。
（二）、方案Ⅱ：
发电机、变压器采用发—变组单元接线，110kV侧母线采用单母线接线；其优缺点如下：
1、优点：
① 接线简单清晰、供电可靠性高；
②一台主变故障或检修只影响一台发电机运行，仍有部分电能送出；
③厂用电源分别从主变低压侧取得，提高了厂用电的可靠性。
2、缺点：
① 需设两台主变，占地面积较大；
② 110kV 设备布置较方案Ⅰ复杂；
③ 投资和年运行维护费相对较高。
二、经济比较
各方案经济比较见表1-1
方案经济比较表
表1-1
序号项目方案Ⅰ方案Ⅱ
1 主变压器(台) 1 2
2 10．5KV 断路器柜(台) 4 4
3 10．5KV 互感器柜(台) 5 4
4 110kV 断路器设备（组） 2 3
5 主要设备投资（万元）231 296
6 主要设备投资差（万元）0 65
7 年运行维护费（万元）33.02 40.74
8 年运行维护费差（万元）0 +7.72
9 主变年电能损失（万kW·h）48.48 56.53
10 主变年电能损失费（万元）12.12 14.13
11 主变年电能损失费差（万元）0 +2.01
经过技术和经济比较：方案Ⅰ投资较低，方案Ⅱ投资较高；方案Ⅰ的接线简单清晰、运行方便，供电的可靠性、灵活性比方案Ⅱ略低；方案Ⅱ的供电可靠性、灵活性较高，但是占地面积大。根据该电站高压侧出线回路数少，高压侧接线应简单、清晰、操作方
便等特点，推荐采用方案Ⅰ为主接线方案，即：发电机—变压器扩大单元接线， 110kV 侧采用单母线接线。推荐发电机、变压器组合接线方案见“电气主接线图”。
§ 1-4 发电机、主变及厂变的选择
一、发电机的选择及主要参数：
根据设计题目所给参数，查阅相关资料，本设计确定发电机形式如下：
发电机型号台数额定容量额定电压额定功率因数电抗标么值TS550/79-28 2 15MW 10.5KV 0.8 0.204
二、主变压器的选择及主要参数：
主变压器型号：SFP7-40000KVA；
额定容量：40000KVA；
额定电压比： 121/10.5kV
调压形式：无载调压
调压范围：121±2×2.5%/10.5kV
接线组别： Yn,d11
冷却方式：强迫风冷
三、厂变选择：
根据题目要求，厂用电率为1.1%，即为P=30×0.011=0.33MW，本厂无高压电机之类负荷，厂用电电压等级按0.4/0.22KV考虑。查阅相关资料，选取厂变型号及参数如下：
型号：S9-600；
额定容量：600KVA；
额定电压比： 10.5/0.4kV
调压形式：无载调压
调压范围： 10.5±2.5%/0.4kV
接线组别： Yn,d11
§ 1-5 厂用电源接线方式
为提高厂用电的可靠性，在厂房内设置两回厂用电源，一回通过一台厂用变压器接于10.5kV扩大单元母线上，另一回电源取自待建电站邻近1km处的已建电站，作为备用厂用电源。两电源作为全厂低压设备的主电源和备用电源，在副厂房设置8面PSM型
固定式低压开关柜，向全厂厂用负荷供电。
本电站闸首距厂址5km，首部枢纽可靠性要求不高，通过厂用400V母线，通过一台10kV升压变及10kV线路供电，不设备用电源。
第二章短路电流计算
§ 2-1 短路电流计算概述
一、短路电流计算的目的和意义
电力系统短路的危害：在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小及突然短路时的暂态过程，使短路电流值大大增加，短路点的电弧有可能烧坏电器设备。另外，导线也会受到很大的电动力的冲击，致使导体变形，甚至损坏。短路还会引起电网中电压降低，使用户的供电受到破坏。短路还会引起系统功率分布的变化，影响发电机输出功率的变化。
电力系统短路的种类有：①三相短路；②两相短路；③单相短路接地；④两相短路接地。
计算短路电流的目的主要是为了选择断路器的电气设备或对这些设备提出技术要求；评价并确定网络方案；研究限制短路电流措施，为继电保护设计与调试提供依据，分析计算送电线路对通讯设施的影响等。
二、短路电流计算的基本假定和计算方法
①、本次设计短路电流计算只考虑三相短路为最严重的情况，只对三相短路进行计算。
②、各台发电机均用次暂态电抗d″ 作为其等值电抗。
③、正常工作时，三相系统对称运行。
④、所有电源的电动势相位角相同
⑤、电力系统中所有电源都在额定负荷下运行。
⑥、电力系统中各元件的磁路不饱和，带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。
⑦、同步电机都具有自动调整励磁装置。短路发生在短路电流为最大值瞬间，而不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。
⑧、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，元件的电阻都忽略不计。
⑨、元件的确计算参数均取其定额值，不考虑参数的误差和调整范围。
⑩、输电线路的电容忽略不计。
本设计短路电流计算采用运算曲线法。
三、短路点的选择
因本设计水电厂电压等级不多，接线简单，110KV 接线为单母线接线，10KV 接线为扩大单元接线，故在110KV（主变高压侧）及10KV（主变低压侧）母线各选取一点作为短路计算点。
§ 2-2 短路电流计算
在本设计中，短路电流计算只计算三相短路电流，短路电流计算时间为：0s；0.2s；和4s（∞）。
一、短路电流计算的方法：
本次设计短路电流计算运用运算曲线法，采用电路元件的标幺值进行。
二、短路电流计算电路图：
计算电路图如上图所示，根据上图，计算给出短路电流计算网络图，如下：
图中主要元件参数如下表：
电气元件参数备注
发电机F1~F2 2×15MW Xd”=0.204Ω
主变压器1B 1×40MVA Ud%=10.5
线路20km 0.4Ω/km
系统2500MVA X*=0.3
1）、本设计取基准功率SB=100MVA，取电压基准为Uj=Up（各段平均额定电压），则系统各计算元件电抗如下表所示：
编号元件名称标么值备注X1—X2 发电机F1~F2 0.204×100÷15=1.36
X3 主变压器1B0.105×100÷40=0.26
X11 线路20×0.4×100÷1152=0.06
X12 系统0.3×100÷2500=0.012
发电机F1~2视在功率S=P/cosф=18.75MVA
2）、短路电流计算电抗图：
三、短路电流计算过程： 1、计算d1点短路电流，网络简化变换和计算过程如下：
X4=X1∥X2=0.68
X5=X11+X12=0.072
X6=X3+X4=0.94
（1）、计算电抗： X js5=X 5=0.072
X js6=X 6*Se 1-2/Sj=0.94×2×(15÷0.8) ÷100=0.3525
（2）、各电源供给的短路电流标么值查水轮机运算曲线得： 发电机F1—2：
I *”=3.2 I *0.2=2.64 I *∞=2.85
系统：
I *”=I *0.2=I *∞=1/X5=13.89
由此，总的I *”=3.2+13.89=17.09； I *0.2=2.64+13.89=16.53； I *∞=2.85+13.89=16.74；
（3）、各电流换算至115KV 的额定电流和基准电流为： Ij=Sj/(1.732×115)=0.502； Ie=(Se ×Ij)/Sj ；
对于发电机F1—2：I e1-2= (Se 1-2×Ij)/ Sj=0.19KA ；
（4）、三相短路电流周期分量起始有效值： 公式：I ”= I *” ×Ie
对于发电机F1—2：I ”= I *” ×Ie=3.2 ×0.19=0.608KA ；
I
0.2= I
*0.2
×Ie=2.64×0.19=0.502KA；
I
∞= I
*∞
×Ie=2.85×0.19=0.542KA；
对于系统：I”= I
0.2= I
∞
= I
*
×Ij=13.89×0.502=6.973KA；
小计： I”=0.608+6.973=7.581KA；
I
0.2
=0.502+6.973=7.475KA；
I
∞
=0.542+6.973=7.515KA；
（5）、短路容量：
计算公式：S”=1.732×I” ×Uj
对于发电机F1—2：S”=1.732×I” ×Uj=121.1MVA；
S
0.2=1.732 ×I
0.2
×Uj=99.99MVA；
S
∞=1.732 ×I
∞
×Uj= 107.96MVA；
对于系统：S”= S
0.2= S
∞
=1.732 ×I”×Uj=1388.88KVA；
小计：S”z =1509.98MVA；
S
0.2z
=1488.87MVA；
S
∞z
=1496.84MVA；
（6）、短路全电流最大有效值及冲击值：
发电机F1—2：Ich=0.924KA；
ich=1.55KA；
系统：Ich=10.60KA；
ich=17.78KA；
小计：Ichz=11.524KA；
ichz=19.33KA；
2、计算d2点短路电流，网络简化变换和计算过程如下：
X4=X11+X12+X3=0.332；
（1）、计算电抗： X js4=X 4=0.332；
X js1= (X 1×S e1)/S j =(1.36×15÷0.8)/100=0.255； X js2= X js1=0.255；
（2）、各电源供给的短路电流标么值查水轮机运算曲线得： 发电机F1—2：
I *”=4.4 I *0.2=3.3 I *∞=3.25
系统S ：
I *”=I *0.2=I *∞=1/X4=3.01；
（3）、各电流换算至10.5KV 的额定电流和基准电流为： Ij=Sj/(1.732×10.5)=5.498； Ie=(Se ×Ij)/Sj ；
对于发电机F1—2：I e1-2= (Se 1-2×Ij)/ Sj=2.06KA ；
其计算步骤同前，计算结果见下表：《发电厂短路电流计算成果表》。
第三章 导体、电器设备选择及校验