苏ICP备112451047180号-6
小型水电站电气一次设计
一、毕业设计的目的
毕业设计是完成本专业教学计划的最后一个重要的教学环节，是对各门专业课程的综合运用和提高。通过毕业设计，巩固和加深学生所学专业理论知识,学生分析和解决实际工程问题的能力。同时也让学生初步掌握一个水电站工程的设计思想、内容、方法和步骤，学会综合运用规范、设计手册等技术参考资料等。为今后从事水电部分设计、安装、检修、运行、试验奠定基础。
通过本毕业设计，初步掌握一个小型水电站工程设计的思想、内容、方法和步骤。
二、毕业设计的题目：小型水电站电气设计
选择一个已建的或在建的小型水电站进行电气部分设计，内容将本专业的《发电厂电气部分》、《电力系统继电保护》、《电力系统自动装置》、《电气识图》、《电气设计CAD》等课程所学的主要知识点联系起来，将理论知识与工程实际联系起来，综合运用，全面贯通，有利于培养学生的独立分析问题的能力。
三、毕业设计的内容及步骤
1、收集、分析原始资料
1.1 设计有关原始资料
a.本坝后式水电站位于湖南省湘东某河流上，离某县城40公里。大坝为砼石坝，电站厂房为坝后式厂房。
b．根据水利水电专业确定的水库规划设计方案：水库属多年调节，有效库容为2亿方，年发电量为0.8亿度，保证出力5500KW，年利用小时为3500小时，装机3×7500KW。
c.水轮发电机型号为TSL-425/79-32,Pn为7500KW,Un为10.5KV，COSΦ为0.8，Xd”为0.2,In为516A。用可控硅静止励磁装置励磁，定子线绕线为Ｙ接线。发电机绕组出线-x与＋y象限内，离Ｙ轴30度，发电机中性点引出线在＋x与+y象限内，离Ｙ轴30度。水轮机型号为HL310-LH-235,设计水头27.2米，本机引用流量31.7立方米／秒。
d.根据水工专业确定的水电站枢纽布置方案，坝后式厂房为座北朝南。紧靠主厂房上游侧布置有电站付厂房，付厂房左右布置升压站开关站。
e.根据水力机械专业主厂房设计布置方案，安装检修场正右岸上东面方向为进场公路。主厂房布置图另行提供，作为电气专进行电气设备布置设计依据之一。
f.与电网规划部门的协议：
(1)本电站由一回110千伏线路，送电35公里至西北方向与大电网某枢纽变电所相连。系统电源为无穷大，系统阻抗为2。一回35千伏线路送电至东北方向县属乡镇所在地，该镇距电站30公里，最大负荷为3000KW，最小负荷为1000KW，COSΦ为0.8，有少量二类负荷大部分为三类负荷。另一回35KV出线送至正北方向县城，距离为40公里，最大负荷为5000KW,最小负荷为3000KW，有少量二类负荷大部分为三类负荷，有备用电源。
（2）线路不考虑设熔冰措施。
（3）110千伏线路B相装载波通讯电话，与县电网相联的35千伏线路装载波电话于C相。
g.电站所在地年雷电日一般在30以上，最大达80。
h.升压站处土为黄土。
i.电站内水力机械设备的厂用电容量和水工专业的大坝闸门等厂用电容量等资料，电气设计人员应主动他们收集。作为厂用电力系统中确定厂用变电器容量和选择厂用电供电网络的重要依据之一。其他厂负荷、照明、通讯、电热、直流充电容按电站装机总容量的1﹪左右计算。
1.2有条件的同学也可以自行收集自己熟悉的水电站的资料作为设计的原始资料，并作为设计的依据。
1.3学生在接到《毕业设计任务书》后，应全面了解整个设计的目的、内容和基本要求，进行设计资料准备。资料准备主要通过查阅（包括上网查阅）文献资料、参加生产实习、外出调研等渠道进行，有计划、有目的地查阅和收集与选题方向有关的生产过程及新技术、新设备、改革新成果的应用等方面资料。在进行毕业设计时，需要参考有关标准，尤其要注意使用最新的标准。
2.设计的内容及步骤
2.1电气一次部分设计内容
2.1.1确定水电站电气主接线
对主接线的基本要求有可靠性、灵活性、经济性和发展性等四个方面。
（1）可靠性。为了向用户提供持续、优质的电力，主接线首先必须满足可靠性要求。主接线的可靠性的衡量标准是运行实践，要充分做好调研工作，力求避免决策失误，鉴于进行可靠性的定量计算分析的基础数据尚不完善的情况，充分做好调查研究工作显得尤为重要。主接线的可靠性不仅包括开关、母线等一次设备，而且包括相应的继电保护、自动装置等二次设备在运行中的可靠性，不要孤立地分析一次系统的可靠性。
为了提高主接线的可靠性，选用运行可靠性高的设备是条捷径，这就要兼顾可靠性和经济性两方面，做出切合实际的决定。
（2）灵活性。电气主接线的设计，应当适用在运行、热备用、冷备用和检修等各种方式下的运行要求。在调度时，可以灵活地投入或切除发电机、变压器和线路等元件，并方便地设置安全措施，不影响电网的正常运行和对其他用户的供电。
（3）经济性。方案的经济性主要体现在投资省、升压站占地面积小和电能损耗小三方面。
主接线力求简单，以节省一次设备的使用数量；继电保护和二次回路在满足技术要求的前提下，简化配置、优化控制电缆的走向，以节省二次设备和控制电缆的长度；采取措施限制短路电流，得以选用价廉的轻型设备，节省开支。
主接线的选型和布置方式，直接影响到整个升压站的占地面积。
应经济合理地选择变压器的类型（双绕组、三绕组、自藕变、有载调压等）、容量、台数和电压等级。
（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最短的情况下，完成过渡期的改扩建，且对一次和二次部分的改动的工作量最少。
水电站的主接线方式一般如下：
35~110kV线路为两回及以下时，宜采用桥形、线路-变压器组等接线，超过两回时，宜采用分段单母线的接线。
当水电站装有两台变压器时，6~10kV侧宜采用分段单母线。
对每一电压等级所选用的方案列表进行分析，详细比较可靠性和灵活性，再对方案的经济性作定性和定量分析。通过经济比较，选出适合该水电站的主接线方案。
a.1 提出可行的电气主接线方案（至少两种）
根据水电站有关的原始资料，就35kV（110KV）和10kV母线方案进行比较，然后拟出两个以上的电气主接线方案，经技术经济比较，选择一合理的最佳方案作为设计推荐方案。
a.2 对电气主接线方案进行技术比较
电气主接线方案的技术比较：
应根据水电站的具体情况，电网的要求、在网络中的地位、出线电压等级、回路数、负荷的性质等，一般进行以下几个方面的比较：
1）供电的可靠性；
2）运行的安全性和灵活性；
3）接线简单、清晰、维护检修方便；
4）继电保护简单化和自动化程度高；
5）新技术和新设备的采用等。
a.3 对电气主接线方案进行经济比较
电气主接线方案的经济比较：
1）投资：结合设备的投资和场地的开挖填方土建投资进行综合比较；
2）年运行费用（比较不同部分的折旧费、维护费等）；
3）电能损耗。
2.1.2 主要设备的选择
1、主变压器容量选择：根据主变工作条件进行主变型号的选择；
2、导线的选择：根据额定载流量选择出线导线；根据电压损耗选择近区负荷线路导线。
2.1.3 短路电流计算
（1） 短路电流计算的目的
在水电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。短路电流计算的目的，就在于通过计算掌握短路电流的大小和变化规律，选取适当的电气设备，配置合理的继电保护装置，以便在短路发生时使损失降低到最小范围内，保证电力系统正常运行。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定值；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定 。
进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。
（2）短路电流计算的一般规定
1、电力系统中所有电源均在额定负荷下运行；
2、 短路种类：一般以三相短路、两相短路、单相接地短路进行计算；
3、接线方式应是可能发生最大短路电流的正常方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
4、短路电流计算点：在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点。
5、计算容量：应按工程设计规划容量计算，并考虑系统发展规划。
2.1.4 电气设备的选择和校验
根据电气设备选择的一般原则，按正常运行情况选择设备，按短路情况校验设备。同时兼顾今后的发展，选用性能价格比高，运行经验丰富、技术成熟的设备 ，尽量减少选用设备的类型，以减少备品备件，也有利于运行、检修等工作。
（1）高压断路器的选择。高压断路器的型式选择，除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑安装调试和运行维护的方便。一般6~35kV选用真空断路器，35~500kV选用SF6断路器。高压断路器选用的项目有额定电压、额定电流，校验的项目有额定开断电流、热稳定、动稳定。
（2）隔离开关的选择。隔离开关的型式应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合的技术经济比较后确定，其选择与断路器相同，但不需校验开断能力。对隔离开关还应配置其操动机构，屋内式8000A以下的隔离开关一般配手动操作机构。
（3）电流互感器的选择。根据安装的场所和使用条件，选择电流互感器的绝缘结构（浇注式、瓷绝缘式、油浸式等）、安装方式（户内、户外、装入式、穿墙式等）、结构型式（多匝式、单匝式、母线式等）、测量特性（测量用、保护用、具有测量暂态的特性等）。选择的项目有额定电压、额定电流、准确度等级等，校验的项目有二次负荷容量、热稳定、动稳定等。
（4）电压互感器的选择。根据安装的场所和使用条件，选择电压互感器的绝缘结构和安装方式。选择内容包括额定电压和准确度等级，应校验二次负荷容量。
（5）母线的选择。母线分硬母线、软母线、电缆三类。
硬母线一般采用铝材，可按最大持续工作电流或经济电流密度选择截面积，应校验热稳定和动稳定，110kV及以上的母线还要进行电晕电压校验。
电缆的选择包括型式、额定电压、截面积，要进行热稳定校验。
软母线不必校验。
（6） 成套装置的选择。根据使用电压等级、电气参数、设备配置具体情况、环境条件，选择成套装置。
2.2电气二次部分设计内容
电气二次设计应根据电气主接线图进行。对于与电网相连的线路保护，应向电网规划部门收集该线路保护装置类型和整定计算要求，并遵守“继电保护设计规程”和“仪表设计规程”。本部分具体内容如下：
2.2.1 确定电压互感器、电流互感器的配置
电压互感器的配置：
（1）电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足监视、测量、保护、同期和自动装置要求。
电压互感器的配置应能保证在主接线的运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点两侧都能取道电压。
（2）6~220kV电压等级的每组主母线的三相上装设电压互感器。旁路母线上是否需要装设电压互感器，应视各回出线外侧装设电压互感器的情况和需要确定。
（3）当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。如果电流互感器绝缘套管末屏能抽取电压，则可省去。
电流互感器的配置：
（1）凡装有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置的要求。
（2）在未设断路器的下列地点也应该装设电流互感器，如发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口、桥形接线的跨条上等。
（3）对直接接地系统，一般按三相配置。对非直接接地系统，依据具体技术要求按两相或三相配置。
2.2.2 确定发电机、主变压器、供电线路的继电保护方案
发电机是水电站的主要设备之一，对发电机出现的故障和不正常工作状态必须采取措施，可靠地进行保护，根据《继电保护和自动装置规程》，水轮发电机一般装设下列继电保护装置：
（1）纵联差动保护：对发电机定子绕组的多相短路进行保护。
（2）横联差动保护：对发电机定子绕组的一相匝间短路进行保护，只有当一相定子绕组有两个及以上并联分支而构成两个或三个中性点引出端时，才装设此种保护。
（3）过电流保护：对发电机外部短路所引起的短路过电流进行保护，同时作为发电机内部故障的后备保护。
（4）单相接地保护：对发电机定子绕组的单相接地进行保护。
（5）过负荷保护：反应发电机因过负荷引起的电流增加。
（6）转子一点接地保护：反应转子励磁回路出现的一点接地。
（7）失磁保护：当发电机失去励磁时进行保护。
（8）定子温度检测：对定子部位进行监测、监视和保护性检查。
变压器是电力系统普遍使用的重要设备。它的安全运行直接关系到电力系统供电和稳定运行，因此必须针对变压器的故障和异常运行情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠，性能良好的继电保护装置。一般包括：
（1）瓦斯保护：反映内部短路和油面降低的非电量（气体）保护。
（2）纵联差动保护或电流速断保护：反映变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路。
（3）过电流保护：作为变压器外部相间短路和内部短路的后备保护。（或带有复合电压起动的过电流保护或负序电流保护或阻抗保护）。
（4）零序电流保护：反映中性点直接接地系统中外部接地短路。
（5）过励磁或过电压保护：反映大型变压器过励磁。
（6）过负荷（信号）保护：反映变压器过负荷。
（7）非全相保护：反映变压器非全相运行状态。
35kV（包括66 kV）及以下中性点非直接接地电网线路的相间短路保护必须动作于断路器跳闸，单相接地保护一般动作于信号。相间短路保护配置原则是：
（1）保护的电流回路的电流互感器采用不完全星形接线，各线路保护用电流互感器均装设在A、B两相上，以保证在大多数两点接地情况下只切除一个故障点。
（2）采用远后备保护方式。
（3）线路上发生断路时，如厂用电或重要用户的母线电压低于（50%~60%）额定电压时，应快速切除故障，以保证非故障部分的电动机能继续运行。
相间短路的电流电压保护通常是三段式保护：第Ⅰ段电流速断保护或电流闭锁电压速断保护，第Ⅱ段定时限电流速断保护或定时限电流闭锁电压速断保护，第Ⅲ段过电流保护或低电压闭锁的过电流保护。根据被保护线路早电网中的地位，在满足选择性、灵敏性和速动性的前提下，也可只装设Ⅰ、Ⅲ段，Ⅱ、Ⅲ段或只装设第Ⅲ段保护。
2.2.3 确定同期点和同期方式
同期点确定的原则：
（1）在正常运行时，待并发电机经简捷的操作就能与电力系统并列。
（2）在事故跳闸后，经最少的操作就能合上断路器与系统并列，以保证能在最短时间内恢复送电。
同期点的设置：
（1）发电机或发电机-变压器组的断路器，必须设手动准同期装置，还可设自动准同期和半自同期装置。
（2）变压器各侧断路器，一般为手段准同期方式。
（3）对有源侧线路断路器、母线分段断路器、桥断路器，一般设手动准同期装置。
2.2.4 发电机的保护整定计算
2.2.5 主变压器的保护整定计算
2.2.6 线路的保护整定计算
2.2.7 任选发电机或主变压器或线路保护，画出保护回路原理图、控制信号回路图、安装接线图和端子图。
四、毕业设计的要求
1、总体要求
集中布置，明确要求，提倡讨论，独立完成，严禁抄袭、拷贝现象。
2、成果要求
2.1 设计说明书1份
2.1.1 一次说明书
2.1.2 二次说明书
2.2 设计计算书1份
2.2.1 一次计算书
2.2.2 二次计算书
2.3 设计图纸
2.3.1 一次部分：
1）电气主接线图2张（比较方案和推荐方案）
要求绘制比较方案和推荐方案的电气主接线图，对于站用电部分只画出站用电变压器及低压0.4kv母线即可。其中一次部分设计的推荐方案中必须列出所选设备型号。
2）10KV屋内配电装置配置图一张；（一次必做）
2.3.2 发电机（或主变、线路）交流电压、电流回路图1张。
2.3.3 发电机（或主变、线路）保护原理接线图一套。
2.3.4 发电机（或主变、线路）控制信号回路图1张。
目录
前 言 4
第一章 设计任务书 5
1.1设计题目 5
1.2设计目的 5
1.3有关原始资料 5
第二章电气一次部分设计 7
2.1主接线方案的拟定 7
2.2主接线设计所考虑的因素 7
2.3方案比较 8
2.4主接线方案的确定 9
第三章 主要设备的选择 10
3.1导线的初步选择 10
3.1.1 与系统相连110KV导线的选择 10
3.1.2 35kv出线导线的选择 10
3.1.3 导线的确定 11
3.2主变压器容量确定 11
3.3 3T厂用变压器确定 12
3.5最终选定变压器 13
第四章 短路电流计算 14
4.1.1 短路电流计算的主要目的 14
4.1.2 短路电流计算一般规定 14
4.1.3 计算步骤 14
4.2短路电流的计算 15
4.2.1 电气一次三相短路电流计算 15
4.2.2当10KV母线即点发生三相短路时 16
4.2.3当35KV母线即点发生三相短路时： 17
4.2.4当110KV母线即点发生三相短路时： 19
4.2.5短路电流计算成果表： 22
第五章 电气一次设备的选择计算 23
5.1母线的选择 23
5.1.1 10.5kV母线的选择 23
5.1.2 35kV母线的选择 24
5.1.3 最终确定母线 25
5.2电缆的选择 26
5.2.1 发电机机端引出线电缆 26
5.2.2 1号主变低压侧电缆 27
5.2.3 2号主变低压侧电缆 28
5.2.4电缆最终确定 29
5.3断路器的选择 29
5.3.1 断路器选型 29
5.3.2 发电机出口侧断路器的选择 30
5.3.3 主变低压侧断路器的选择 31
5.3.4 主变高压侧断路器的选择 32
5.3.5 10KV出线断路器的选择 33
5.3.6 35KV出线断路器的选择 33
5.4互感器的选择 34
5.4.1 电流互感器的选择 34
5.4.2 电压互感器的选择 39
总 结 41
参考资料 42
参考资料
【1】 《水电站继电保护》
【2】 《中小型水电站电气设计手册》
【3】 《百度文库电气部分》
【4】 《工厂常用设备手册上册》（第二版）2003年中国电力出版社
【5】 《发电厂变电站电气设备》 2005年中国电力出版社
【6】 《电气原理识图》