水电站毕业设计

前言：电力工业是能源工业、基础工业，在国家建设和国民经济发展中占据十分重要的地位，是实现国家现代化的战略重点。电能是发展国民经济的基础，是一种无形的、不能大量存储的二次能源。要满足国民经济发展的要求，电力工业必须超前发展，这是世界电力工业发展的规律，因此，做好电力规划，加强电网建设，就尤为重要。

将各种能源转变成为电能的工厂，全称为发电厂。按一次能源的不同电厂分为火力发电厂（以煤、石油和天然气为燃料）、水力发电厂（以水的位能作动力）、核能发电厂以及风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂、潮汐发电厂等。此外，还有直接将热能转换成电能的磁流体发电等。

水力发电厂简称水电厂，又称水电站，是把水的位能和动能转换成电能的工厂，它的基本生产过程是：从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速冲动水轮机旋转，将水能转变成为机械能，然后由水轮机带动发电机旋转，将机械能转换成电能。

水能资源是可再生的、清洁的能源，其突出的优越性远大于其水文受限与农业影响等不利因素, 因此它已得到普遍应用。我国水利资源丰富，水能开发还有很大的潜力，在此情形下，利用水能发电来缓解当前所面临的电力匮乏，将毫无疑问地成为我们的最佳选择。

电力系统是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合系统，是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的生产与消费系统。其中发电是其首要环节，而变电则是其中心环节。

本设计主要完成湖北巴东沿渡电站电气一次及变压器继电保护的设计。电气主接线设计是水电站电气一次部分设计的核心，主接线设计对主变压器、断路器等主要电气设备的容量、台数、型式的选择与布置，对厂房布置、枢纽布置以及机电设备和土建投资，环境保护和水土保持等都密切相关，设计的好坏直接影响变电站的造价投资高低,工期长短,运行质量,经济效益、电能分配和输送的好坏，对电站本身和电力系统的安全、可靠、经济运行起着十分重要的作用。继电保护设计是水电站二次部分设计的重要组成部分，关系到水电站的安全运行和自动化水平。

1 基础资料 1.1课题概述

电气主接线设计是水电站电气设计的核心，对电站本身和电力系统的安全、可靠、经济运行起着十分重要的作用。继电保护设计是水电站二次部分设计的重要组成部分，关系到水电站的安全运行和自动化水平。本次设计提供的是湖北巴

东沿渡水电站，本站为坝后式电站，拟装立式水轮发电机组三台，容量为3×10MW,发电机的UN=10500V，功率因数COSφ＝0.8。该站设110kV 出线一回，经40kM 送到城区220kV 沿渡变电所的110kV 母线上，联入大电网。

1.2 背景资料

沿渡水电站多年平均发电量为1.04亿kWh,最大利用小时数为3466.7h。发电机型号参数为：SF10000-28/4250；PN=10000KW，UN=10500V，COSφ=0.8， 额定转速428.6rpm，效率96%，Xd=1.05，Xd’=0.301，d″=0.204。区220kV 变电所一台，型号参数如下：SFPS7-90000/220,额定容量90000kVA；220±2×2.5%/110/11kV；YN,yn0,d11；△P0=83kW,△Pk=290kW；△Uk%:24(高—低)，14（高—中），9（中—低）。

1.3设计任务

本设计主要完成湖北巴东沿渡电站电气一次及变压器继电保护的设计。具体包括：沿渡水电站的电气主接线的方案比较及确定、主变压器的数目和容量的选择及确定、短路电流计算、导体和电器的选择及短路稳定校验、沿渡水电站电气一次主接线图的绘制、变压器继电保护设计及变压器继电保护图的绘制。

2 电气主接线方案的拟定

电气主接线是发电厂、变电站电气设计的的首要部分，也是构成电力系统的主要环节。

电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。用规定的电气设备图形符号和文字符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。主接线代表了发电厂或变电站电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，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的关系。因此，主接线的正确、合理设计，必须综合处理各个方面的因素，经过技术、经济论证后方可确定。

2.1 对电气主接线的基本要求

对电气主接线的基本要求，概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。 2.1.1 可靠性

安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电是电气主接线最基本的要求。在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂或变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。

主接线的设计主要从如下几个方面考虑：

（1）发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用。发电厂和变电站都是电

力系统的重要组成部分，其可靠性应与系统相适应。

中小型发电厂的主接线，没有必要为追求过高的可靠性而采用复杂的接线形式，在与电力系统的接入方式上，可采用单回线弱联系的接入方式。

（2）负荷的性质和类别。负荷按其重要性有Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类之分。担任基荷的发电厂，设备利用率高，年利用小时数在5000h以上，主要供应Ⅰ、Ⅱ类负荷用电，必须采用供电可靠的接线形式，且保证有两路电源供电。承担腰荷的发电厂，年利用小时数在3000h以下，其接线的可靠性要求，需要进行综合分析。

（3）设备的制造水平。电气设备制造水平决定的设备质量和可靠程度直接影响着主接线的可靠性。因此，主接线设计必须同时考虑设备的故障率及其对供电的影响。

（4）长期实践运行经验。主接线可靠性与运行管理水平和运行值班人员的素质等因素有密切关系，衡量可靠性的客观标准是运行实践。

通常定性分析和衡量主接线可靠性时，从以下几方面考虑：断路器检修时，能否不影响供电；线路、断路器或母线故障以及母线或母线隔离开关检修时，停运出线回路数的多少和停运时间的长短，以及能否保证对Ⅰ、Ⅱ类负荷供电；发电厂或变电站全部停电的可能性；大型机组突然停运时，对电力系统稳定运行的影响与后果等因素。同时应考虑瞬时故障、永久故障及检修停电的影响。

2.1.2灵活性

电气主接线的设计应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：

（1）操作的方便性。电气主接线应该在满足可靠性的条件下，接线简单，操作方便，尽可能使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。

（2）调度的方便性。电气主接线在正常运行时，要能根据调度要求，方便地改变运行方式，并且在发生事故时，要能尽快地切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。

（3）扩建的方便性。对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。

2.1.3经济性

在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要从以下几方面考虑：

（1）节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采用限制短路电流的措施，以节省开关器的数量、选用价廉的电器或轻型电器，以便降投资

（2）占地面积少。主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽

量使占地面积减少；同时还注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。

（3）电能损耗少。在发电厂或变压器中，电能损耗主要来自变压器，应经济合理地选择变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。

2.2 电气主接线的各种接线方式及其特点 2.2.1单母线接线

单母线接线的优点是：接线简单，操作方便、设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。

单母线接线的缺点是：

①可靠性差。当母线或线线隔离开关故障或检修时，必须断开它所接的电源，所有回路都要停止工作，即会造成全厂或全站长期停电。

②调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。

综上所述，这种接线形式一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。不能满足ⅠⅡ类负荷要求，但若采用成套设备配电装置，由于可靠性高，也可用于较重要用户的供电。

2.2.2单母线分段接线

单母线用分段断路器进行分段，可以提高供电的可靠性与灵活性；对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电。不致使重要用户停电；两段母线同时故障概率很小，可以不考虑。在可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段。

分段的的数目，取决于电源的数量和容量。段数分得越多，故障时停电范围越小，但使用断路器的数目越多，且配电装置和运行也越复杂，通常以2-3段为宜。

这种接线广泛用于中、小容量发电厂和变电站的6-10KV接线中，但是，由于这种生产线对重要负荷必须采用两条出线供电，大大增加了出线数目，使整个母线系统可靠性受到限制，所以，在重要负荷的出线回路较多、供电容量较大时，一般不予采用。

2.2.3双母线接线

双母线接线具有两组母线，并且可以互为备用。每一电源和出线的回路，都装有一台断路器，有两组母线隔离开关，可分别与两组母线连接。两组母线之间的联络通过母线联络断路器来实现。

双母线接线有以下特点：

①供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断。一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任一回路的母线隔离开关时，只需要断开此隔离开关所属的一条电路和与此隔离开关相连的该组母线，其它电路均可通过另一组母线继续运行。

②调度灵活。各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。

③扩建方便。向双母线左右任何方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工中也不会造成原有回路停电。

由于双母线接线有较高的可靠性，广泛用于： ①出线带电抗器的6-10KV配电装置；

②35-60KV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时； ③110-220KV出线数为5回及以上时。 2.2.4 双母线分段接线

为了缩小母线故障的停电范围，可采用双母线分段接线。用分段断路器将工作母线分布为WⅠ段和WⅡ段，每段工作母线用各自的母联断路器与备用母线相连，电源和出线回路均匀地分布在两段工作母线上。

双母线分段接线比双母线接线增加了两台断路器，投资有所增加。但双母线分段接线不仅具有双母线接线的各种优点，并且任何时候都有备用母线，有较高的可靠性和灵活性。

在6-10KV配电装置中，当进出线回路数或母线上电源较多，输送或通过功率较大时，为限制短路电流，以选择轻型设备，并为提高接线的可靠性，常采用双母线三或四分段接线，并在分段处加装母线电抗器。这种接线具有很高的可靠性和灵活性，但增加了母联断路器和分段断路器数量，配置装置投资较大。

双母线分段接线被广泛用于发电厂的发电机电压配置装置中。 2.2.5 单元接线

单元接线是无母线接线中最简单的形式,也是所有主接线基本形式中最简单的一种。

单元接线有以下特点：单元接线简单,开关设备少,操作方便,以及因不设发电机电压级母线,而在发电机和变压器之间采用封闭母线,使得在发电机和变压器低压侧短路的几率的短路电流相对于具有发电机电压级母线时有所减小。

单元接线适用于对可靠性要求较高的大型电站，而小型电站只在一些特殊情况下采用。同时，发电机-双绕组变压器单元接线方式在大型机组中，得到广泛应用。

2.2.6 扩大单元接线 扩大单元接线具有以下特点：

①两台及以上机组接一台主变压器，故障影响范围较大，主变压器故障或检修时，系统停止工作，可靠性略差；

②接线简单清晰，运行维护方便；

③减少主变压器高压侧出线，简化高压侧接线和布置，整个电气接线投资较少。

扩大单元接线适用范围：

①电站在电网中占重要地位，机组台数在4台或4台以上，可采用2个或2个以上扩大单元接线；

②一般电站且近区负荷较小时，可用1台主变压器和多台机组组成一个扩大单元接线；

③分期建设的电站。 2.3 电气主接线方案比较

根据对基础资料的分析，结合以上各种主接线的特点分析，可考虑对扩大单元接线与单母线接线两种主接线进行比较，两种主接线的比较见表1

表1 扩大单元接线与单母线接线比较表 名称

单母线接线

扩大单元接线

接 线 简 图 2.4 电气主接线方案确定

本设计中的湖北巴东沿渡水电站，发电机3×10MW，仅一回110KV出线，无重要负荷，不需要过高的可靠性，因此综合考虑选择扩大单元接线的电气主接线方式。

3 厂用电接线 3.1 厂用电概述

发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量由电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备和各个环节的正常运行，这些电动机以及全厂的运行、操作、试验、检修照明用电设备等都属于厂用负荷，总的耗电量，统称为厂用电。

厂用电的电量，大都由发电厂本身供给。其耗电量与电厂类型、机械化和自动化程度等因素在关。厂用电耗电量占发电厂全部发电量的百分数，称为厂用电量率。厂用电率是发电厂运行的主要经济指标之一。一般水电厂的厂用电率为0.5%-1.0%。

3.2厂用电接线要求

厂用电接线应满足以下要求：

（1）各机组的厂用电系统应是独立的。

（2）全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线。

（3）充分考虑发电厂正常、事故、检修、启动等运行方式下的供电要求，尽可能地使切换操作简便，启动（备用）电源能在短时间内投入。

（4）充分考虑发电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡，尽量减少改变接线和更换设置。

（5）200MW及以上机组应设置足够容量的交流事故保安电源。

4 变压器选择 4.1主变压器的选择

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。 4.1.1主变压器台数的选择

在选择主变压器时应考虑以下因素：

⑴当发电机电压母线上负荷最小时，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统，可不考虑出现频率极小的最小负荷的特殊情况。。

⑵当发电机电压母线上最大一台发电机组停用时，能由系统供给发电机电压的最大负荷。

⑶根据系统经济运行的要求而限制本厂输出功率时，能供给发电机电压的最大负荷；

⑷按上述条件计算时，应该考虑负荷曲线的变化和逐年负荷的发展。特别注意发电厂初期运行，当发电机电压母线负荷不大时，能将发电机电压母线上的剩余容量送入系统；

⑸发电机电压母线与系统连接的变压器一般选用两台。对主要由发电机电压供电、而系统电源仅作为备用的地方电厂，则允许只装设一台主变压器作为发电厂与系统间的联络。对小型发电厂，接在发电机电压母线上的主变压器宜设置一台。

基于以上因素考虑，此处选用一台主变压器。 4.1.2、主变压器容量的选择 发电机容量3×10MW＝30MW。

沿渡水电站多年平均发电量为1.04 亿kWh,最大利用小时数为3466.7 h。则发电机保证出力为

1.04亿KWh

≈30MW

3466.7h

则主变额定容量为ST≥30MW/0.8=37.5MVA。 4.1.3 主变压器相数的选择

容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330KV及以下电力系统中，

一般都应选用三相变压器。因为单相变压器组相对投资大、占地多、运行损耗也较大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。

此处考虑到电厂的总装机容量只有30MW，因此采用三相变压器。 4.1.4 主变压器绕组数量与结构的选择

电力变压器按每相的绕组数分为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。

此处仅需将发电机的10.5KV电压升至110KV送出即可，即采用双绕组变压器。

4.1.5 主变压器绕组接线组别

变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式只有星形“Y”和三角形“d”两种。在民电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，根据以上变压器绕组连接方式的原则，主变压器接线组别一般都选用YN,d11常规接线。

4.1.6 主变压器调压方式

为了保证发电厂或变压器的供电质量，电压必须维持在允许范围内。通过变压器的分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一种是不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在

±2×2.5%以内，应视具体工程情况而定。另一种是带负荷切换，称为有载调压，调压范围可达30%，其结构复杂，价格昂贵，只有在特殊情况下才予以选用。

通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压，因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220KV及以上的降压变压器也仅在电网电压有较大变化的情况下使用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况而定。

4.1.7 主变压器冷却方式

电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫循环导向冷却。

通常依靠装在变压器油箱上的片状或管形辐射式冷却器及电动风扇散发热量的自然风冷却及强迫风冷却，适用于中小型变压器；大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却；在发电厂水源充足的情况下，为缩小占地面积，也可采用强迫油循环水冷却。强迫油循环导向冷却是大型变压器采用的高效率的冷却方式。

4.1.8 主变压器最优选择

综上所述，查《电力系统设计手册》，选择SFL7-40000/110型变压器作为本水电站主变压器。具体参数见表2 。

表2 SFL7-40000/110型变压器参数表

型号 SFL7-40000/110

额定容量/kVA 40000

额定电压/kV 高压 110，121 ±2×2.5%

低压 6.3，6.610.5，11

阻抗电压 ×100 10.5

空载电流 ×100 0.7

损耗/KW 空载 46

负载 174

S是三相、F是风冷、L是铝芯、7是设计序号 4.2 厂用变压器的选择

厂用变压器的选择主要考虑厂用高压工作变压器和启动备用变压器的选择，其选择内容包括变压器的台数、型式、额定电压、容量和阻抗。为了正确选择厂用变压器,首先应对厂用主要用电设备的容量、数量及其运行方式有所了解，并予以分类和统计，最后确定厂用变压器容量。

厂用电率取1%。则厂用电的容量为Sj＝3×10MW/0.8×1%=375KVA。