发电厂电气部分电气设备课程设计.doc

1、 目录课程设计基本资料及任务书3一、基本资料：3二、水电站运行方式3三、设计任务(工作内容)3四、设计要求3第一章 设计依据5第二章 电气主接线的确定62.1方案列举62.2两种方案的经济比较7第三章短路电流计算103.1短路电流的计算103.2短路点的选择、网络化简及计算电抗11第四章 电气设备的选择174.1 6.3KV侧电气设备的选择174.2 10.5KV侧电气设备的选择24第五章 厂用变压器的选择285.1厂用负载的统计表285.2厂用变压器容量及型号的选择28附录：电气主接线设计图30课程设计基本资料及任务书一、基本资料： 某水库位于秦岭北麓，是以灌溉为主的水利工程。为了充分利用水

2、力资源，准备在其坝后修建一水电站。站址处海拔高程为594.00米，多年平均温度为12.4,最高温度41.4,最低温度16.7,雷电活动一般。 经水库水能调节计算,该电站的必须装机容量确定为800KW,最大工作水头为Hmax=39米,计算水头Hjs=37.1米,最小工作水头Hmin=20.0米,为使水轮机工作在高效率区,提高运行的经济效益，并可在水库放水较少时分别检修机组，准备装设400KW的发电机两台，电站最大负荷年利用小时数为。该电站建成后与系统在9Km处的一个10.5KV变电所35KV侧并网,电站无近区负荷。 发电机组参数如下： 型号： TSW141 同步电抗： Xd”=0.27 额定电压

3、： 6.3KV 额定转速： n=1000转/分 额定电流： 45.8A 效率： h=91.5% 额定功率： 400KW 功率因数： COSF=0.8 发电机装有自动电压调节装置，有阻尼绕组。 上述变电所装有两台主变，并列运行。其参数如下： 1主变：S93200KVA/35/10KV Y/D11 Ud=7.09% 高压侧： Ie=52.8A Ue=35KV+5% 低压侧： Ie=176A Ue=10.5KV 2主变参数与1主变相同。 注: 从变电所35KV侧向系统看，可以认为系统阻抗为零，即系统。二、水电站运行方式 在电力系统中的小型水电站只能在基荷运行，枯水时一台机组发电，平、丰水季节两台机组

4、发电。为了充分利用丰水季节水能多发电，可安装一台季节容量，则总装机为3400KW。由此可考虑电站的另一种主接线方式，即两台扩大单元接线，另一台为单元接线。选两台主变压器（S91000KVA 、S9500KVA）方案。三、设计任务(工作内容) 1.选择水轮发电机的型式及出线电压。两台利用小时数为5000h，另一台为3000h；设计保证率为75%，保证出力为400KW。 2.确定水电站的主接线。 3.计算短路电流。 4.选择主要电器设备。四、设计要求1.封面及装订按学校统一规定；2. 设计说明书、计算书要做到书写整洁（用计算机打印最好）、文字流畅、论点明确、计算准确、思路清晰、文中引用的重点公式、

5、参数选定、方案比较等均交代清楚，有理有据。3.设计说明书、计算书应有目录、计算程序及过程，必要的插图（如网络变换等），方案比较时，对所选定方案优缺点的分析说明，有关参考文献等。4.画出利用CAD制图的电气主接线图（标明设备）。第一章 设计依据雷电活动一般，按15个雷电日/年进行考虑。根据课程设计的资本资料，该电站的装机容量确定为800KW,装设400KW的发电机两台，最大工作水头为Hmax=39米,计算水头Hjs=37.1米,最小工作水头Hmin=20.0米 。由发电机组参数： 额定转速： n=1000转/分 效率： h=91.5% 额定功率： 400KW 功率因数： COSF=0.8可知：发

6、电机的视在功率为500MVA,可以选用卧式水轮同步发电机TSW141。由于该电站建成后与系统在9Km处的一个10.5KV变电所35KV侧并网,电站无近区负荷。因此发电机的出线电压选为10.5kV,输送距离为9Km,输送容量为1000KVA,符合各电压等级架空线路的要求。第二章 电气主接线的确定2.1方案列举因为发电机的机组容量比较小，能够满足技术要求的几种接线方式如下：（1）方案一：采用单母线接线方式，两台发电机由一台容量为S9-1000/10.5/6.3的变压器送出。在6.3KV母线上接指挥部近区负荷当水电站正常工作时，厂用电由接至发电站6.3KV母线上的SJL-50/6.3/0.4变压器从

7、系统供电，而当水电站不运行时，由接至系统10.5KV母线上的SJL-50/10.5/0.4变压器从电力系统给电站供电，这台厂变做为电厂备用电源。（2） 方案二 ：在此方案中采用两台S9-500/10.5/6.3的变压器并列运行，优点是运行灵活，其它的与第一种方案相同，采用这种方案在技术上是合理的。 其它方案均与上述两种方案区别不大。方案一 方案二图2-1 主接线图2.2两种方案的经济比较 作经济比较时, 仅计及主要设备的不同部分，经济指标依据水电部颁发的“电力工程概算指标”，不同设备的投资包括：设备费、安装费、运行费、基础构架费等。1) 两种方案不同部分的投资比较投资项目单价（元）方案I方案I

8、I设备本身单价（元）数量合价（元）数量合价（元）主变及断路器基价SLJI1000/35/6.317437233487415900SJL12000/35/6.32661512661525000DW635/4005896158962117925360GW435/600160011600248001200主变基础费11801118022360断路器基础费42214222844隔离开关支架综合指标433143331299开关柜壳8105405064860GN810/40013056506780SN210G/10120011200设备运行费23293858总投资5317566668说明：投资=基价+运行

9、费+基础费 基价=设备费+其他设备费+主要材料费+安装费 运行费=设备费6% 油开关单价=油开关本身价格（1+10%）从上表的投资比较来看，方案(1)的投资小于方案(2)。2)两种方案的运行费比较： 年运行费 C=KTaT+Kyay+Ca+CP 式中： KT 变压器的总投资（包括设备费、安装费、运杂费等。） aT 变压器的折旧费率（取为6%） KTaT 变压器的折旧费 Ky 配电装置的总投资 ay 配电装置的折旧系数10% Kyay 配电装置的折旧费 CP 设备的管理、维护和小修费，取折旧费的20% Ca 变压器的损耗费 一年中的电能损耗费按下式计算： DA=n(DPfe+KfDQfe)+(

10、DPcu+ KfDQcu)t式中：n 并联运行的变压器台数 Kf 无功当量取1/6（电价0.06元/度） DPf 变压器的有功铁损 DQfe 变压器的无功铁损 DPcu 变压器的额定有功铜损 DQcu 变压器的额定无功铜损 S 实际负荷(总负荷) Se 变压器的额定容量I. 第一方案的运行费计算，对SJL 2000KVA/35 变压器。DPfe = 3.6KWDQfe = I0%=1.4=28KVARDPcu = 24KWDQcu = ud=6.5=130KVAR 损耗固定部分（DPfe+ Kf Qfe）t = (36+28)20024=39700Kwh 可变部分： （DPcu + Kf DQ

11、cu）t = （24+130）12.38216+15.05214+6.69216+12.62230+13.922 31+16231+14.12210+14.212216+15.652210+7.93222624 = 45.6242450+3180+715+4750+6000+7940+2000+3230+2450+2450 = 45.62435125 = 150250Kwh电能损耗：Ca =0.06(150250+39700) = 11400元II. 第二方的运行费计算： 由负荷曲线可知，只有五月份是一台变压器投入运行16天，其余时间还得两台变压器投入运行。 对SJL 1000KVA/35 变

12、压器 DPfe = 2.2KW DQfe = 1.7 = 17KVA DPcu = 14KW DQcu = 6.5 = 65KVA损耗固定部分： 2(DPfe + Kf DQfe)t = 2（2.2+17）（200+184）/224 = 50000Kwh可变部分：（DPcu + Kf DQcu）t=(14+65)(12.38216+15.05214+12.6230+13.9231+1631+14.1210+14. 1216+15.65210+9.73226)24+(14+65)6.6921624=25242450+3180+4750+6000+7900+2000+3200+2450+25715

13、24=4.734410+6725=162000+6725=168725kwh电能损耗费： Ca = 0.06（168725+50000）=0.06218725= 13150元两种方案的运行费列于下表：方案项目IIIKT2848536744Ky1219623430KT6%17102080Ky10%12202343Ky6%+Ky10%29304423Cp586885Ca1150013150总计1501618458由以上方案的比较可见第I方案无论是投资方面还是从运行费方面都比第II方案小，所以采用第一方案。第三章短路电流计算3.1短路电流的计算短路电流计算图如下图：图3-1 短路电流计算图计算各元件

14、参数取=100MVA =表3-1各级电压下对应的基准电流10.56.30.45.59.16144.34表3-2以发电机额定容量为基准的的额定电流10.56.30.40.0550.0461.44无穷大系统5.59.164144.34等值网络图如图3-2所示：认为变电站35KV侧为无穷大系统,其等值电抗按0.4/km计算图3-2 等值网络图根据上图计算各元件电抗的标幺值如下：=0.27*100/(0.4/0.8)=54=54=0.055*100=5.5=0.4*9*100/10.52=3.27=0.0709*100/3.2=2.22=0.04*100/0.05=803.2短路点的选择、网络化简及计

15、算电抗 点短路时： 计算各电源到断路点的转移电抗：=+/=5.5+3.27+1.11=9.88（3）将转移电抗抗转化成计算电抗（）=*/=54*0.5/100=0.27 () =*/=54*0.5/100=0.27 由于代表无穷大电源系统，不能求它的计算电抗，所以直接用它的转移电抗进行计算。（4）计算各电源供给的短路电流：有限容量电源根据其计算电抗查运算曲线(发电厂电气部分附表十二，选择水轮发电机)，可以求出各个时刻的短路标幺值，进而求出其有名值，无穷大电源则根据其转移电抗直接计算。1）电源供给在短路点处产生的短路电流：先求出以电源容量为基准容量、以短路点平均电压为基准电压的电流基准值： =0

16、.5/(6.3*)=0.046KA查运算曲线的0s曲线，对应=0.27 =4.12 =4.12*0.046=0.189KA查运算曲线的0.2s曲线，对应=0.27 =3.18 =3.18*0.046=0.146KA查运算曲线的4s曲线，对应=0.27 =3.08 =3.08*0.046=0.142KA2）电源供给在短路点处产生的短路电流：由于电源和电源相同，所以电源供给的以上电流与电源对应供给的短路电流相等。3）无穷大系统供给在短路点处产生的短路电流：先求出以基准电源容量为基准容量、以短路点平均电压为基准电压的电流基准值： =100/（6.3*=9.164KA =1/=1/9.88=0.101

17、 =0.101*9.164=0.926KA(5) 求短路点的总的三项短路电流： =0.189*2+0.926=1.304KA =0.146*2+0.926=1.218KA =0.142*2+0.926=1.21KA(6) 求短路点的短路容量：=1.304*6.3*=14.23MVA（7）求三相短路冲击电流： =1.8*1.304*=3.319KA点短路时计算各电源到断路点的转移电抗：=/+=57/57+5.5=32.5=/+=2.22/2.22+3.27=4.38（3）将转移电抗抗转化成计算电抗（电源为和的合并等值机）：（）=32.5*（1/100）=0.325由于代表无穷大电源系统，不能求它

18、的计算电抗，所以直接用它的转移电抗进行计算。（4）计算各电源供给的短路电流：1）电源供给在短路点处产生的短路电流：先求出以电源容量为基准容量、以短路点平均电压为基准电压的电流基准值： =1/10.5*=0.055KA查运算曲线的0s曲线，对应=0.325 =3.45 =0.055*3.5=0.19KA查运算曲线的0.2s曲线，对应=0.325 =2.80 =0.055*2.80=0.154KA查运算曲线的4s曲线，对应=0.325 =2.92 =0.055*2.92=0.161KA3）无穷大系统供给在短路点处产生的短路电流：先求出以基准电源容量为基准容量、以短路点平均电压为基准电压的电流基准值

19、： =100/10.5*=5.5KA =5.5*1/=1.256KA(5) 求短路点的总的三项短路电流： =0.19+1.256=1.446KA =0.154+1.256=1.41KA =1.161+1.256=1.17KA(6) 求短路点的短路容量：=1.446*10.5*=26.30MVA（7）求三相短路冲击电流： =1.446*1.8*=3.68KA 点短路时： 计算各电源到断路点的转移电抗：=+（*）/（/）=9.88+80+（9.88*80）/27=119.15=/+（/）*/=27+80+（27*80）/9.88=325.62（3）将转移电抗抗转化成计算电抗（）=*/=325.62

20、*0.5/100=1.628 由于代表无穷大电源系统，不能求它的计算电抗，所以直接用它的转移电抗进行计算。（4）计算各电源供给的短路电流：有限容量电源根据其计算电抗查运算曲线(发电厂电气部分附表十二，选择水轮发电机)，可以求出各个时刻的短路标幺值，进而求出其有名值，无穷大电源则根据其转移电抗直接计算。1）电源供给在短路点处产生的短路电流：先求出以电源容量为基准容量、以短路点平均电压为基准电压的电流基准值： =0.5/(0.4*)=0.722KA查运算曲线的0s曲线，对应=1.628 =0.65 =0.65*0.722=0.469KA查运算曲线的0.2s曲线，对应=1.628 =0.62 =0.

21、62*0.722=0.448KA查运算曲线的4s曲线，对应 =0.69 =0.69*0.722=0.498KA2）电源供给在短路点处产生的短路电流：由于电源和电源相同，所以电源供给的以上电流与电源对应供给的短路电流相等。3）无穷大系统供给在短路点处产生的短路电流：先求出以基准电源容量为基准容量、以短路点平均电压为基准电压的电流基准值： =100/（0.4*）=144.34KA =1/=1/119.15=0.0084 =0.0084*144.34=1.212KA(5) 求短路点的总的三项短路电流： =0.469*2+1.212=2.15KA =0.448*2+1.212=2.108KA =0.4

22、98*2+1.212=2.208KA(6) 求短路点的短路容量：=2.15*0.4*=1.490MVA（7）求三相短路冲击电流： =1.3*2.15*=3.953表3-3 短路电流计算成果表标幺值有名值/kA/kA/kA/kA/kA短路容量点短路无穷大系统2.229.1640.1010.1010.1010.9260.9260.9263.31914.231发电机0.270.0464.123.183.080.1890.1460.1422发电机0.270.0464.123.183.080.1890.1460.142点短路无穷大系统2.225.50.2390.2390.2391.2561.2561.2

23、563.6826.301、2等值发电机0.3250.0553.452.802.920.190.1540.161点短路无穷大系统119.15144.340.00840.00840.00841.2121.2121.2123.9531.4901发电机1.6280.7220.650.620.690.4690.4480.4982发电机1.6280.7220.650.620.690.4690.4480.498第四章 电气设备的选择由于发电机、变压器以及系统主保护的时间尚未确定，为了使设备运行安全期间，进行设备选择时保护时间均按较大的5秒计，选择的开关电气尚属最小的型号，设备的选择以后不做修改。开关柜选择生

24、产使用较普遍的GG1A型。4.1 6.3KV侧电气设备的选择电气设备选择条件的确定：对该电站6.3KV电压级的电气设备一般为最小号的，同时为减少设备型号，6.3KV电压级的开关设备亦选用同一型号。选择计算条件，以最严重的6.3KV直配线路短路校验。（短路电流作用时间均为5秒，短路电流为一、二级电站与系统短路电流之和。）由短路计算成果汇总表知，三相短路电流总和比两相短路电流总和大，故这里以三相短路电流为计算条件。I”=1.85+0.238+1.024=3.112ich=2.553.112=795KAI=1.85+0.268+0.609=2.7451、油开关的选择 （1）6.3KV母线出线侧断路器

25、的选择：流过断路器的最大工作电流：=1.05*=1.05*1000/（6.3*）=96.23A流过断路器的最大短路电流： =0.189*2+0.926=1.304KA短路容量：=1.304*6.3*=14.23MVA冲击电流： =1.8*1.304*=3.319KA稳定短路电流：=0.142*2+0.926=1.21KA短路电流作用时间按5s计算： （不计tjf的影响） 根据以上数据选用SN10-10I表4-1 设备参数比较额定参数计算数据Ue10KVUg6.3kVIe630AIgmax96.23AIdn16KAI”0.926KASdn300MVAS”14.23MVAIgf40KAish3.3

26、19KAI2秒11621I2tj1.2124由以上计算可知：额定参数均大于计算参数，满足要求油开关的操作机构选用CD-2型，操作电压220V。（2）发电机出口线路上断路器的选择：流过断路器的最大工作电流：=1.05*500/（6.3*）=48.11A流过断路器的最大短路电流： =0.189+0.926=1.115KA其它数值都一样，所以为了实际中采购方便，也选用SN10-10I，满足要求。2、隔离开关的选择为了实际方便，6.3KV侧的所有隔离开关也采用相同的型号：校验时按照流过四个隔离开关最大短路电流中的最大一个值进行校验流过隔离开关的最大工作电流： =1.05*1000/（6.3*）=96.

27、23A冲击电流： =1.8*1.304*=3.319KA稳定短路电流： =0.142*2+0.926=1.21KA根据以上数据选用GN6-6T/200表4-2 设备参数比较额定参数计算数据Ue6KVUg6KVIe200AIgmax96.23AIgf25.5KAIsh3.319AI2秒11021I2tj1.2124由以上计算可知：额定参数均大于计算参数，满足要求操作机构选择：CS61T型。3、 电力电缆的选择1）发电机支路电力电缆的选择：电缆型号的选择：厂用高压电缆可选用交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电缆，型号YJLV22电缆截面的选择：按经济电流密度选：已知：本电站最大负荷利用小时数为：TM=500

28、0小时 （注：最大负荷利用小时数应为发电机额定负荷一年中实际运用小时数。）从手册中查得，J=1.73A/ mm2则：=/J=45.82/1.73=26.49 mm2其中工作电流： 选择接近标准截面50 mm2 b.按照持续工作电流选：要求：或 / 其中，表示最大工作电流 =1.05=1.05*45.82=48.11A 为当周围环境温度与设计环境温度不同时候的修正系数 =0.865 /=48.11/0.865=55.62A选择接近标准截面50 mm2时，载流量为141A=0.865*141=121.96555.62 所以满足要求热稳定校验：要求：/C 即 /C 表示电缆最小截面 表示肌肤效应系数

29、，此处取1 C 表示热稳定系数 从手册查得其值为77=0.142*2+0.926=1.21KA/C=1210*/77=33.52 mm2所以满足要求故：选用YJLV223*50 mm22）6.3KV母线与主变间的电力电缆的选择：电缆型号的选择：电缆在户内外配电装置区域内敷设与电缆沟道内，根据敷设条件也可以选用YJLV22电缆截面的选择：按经济电流密度选：已知：本电站最大负荷利用小时数为：TM=5000小时 （注：最大负荷利用小时数应为发电机额定负荷一年中实际运用小时数。）从手册中查得，J=1.73A/ mm2则：=/J=91.64/1.73=52.97 mm2其中工作电流 =1000/(6.3

30、*)=91.64A选择接近标准截面70mm2b.按照持续工作电流选：要求：或 / 其中，表示最大工作电流 =1.05=1.05*91.64=96.23A为当周围环境温度与设计环境温度不同时候的修正系数,与以上一样，取=0.865/=96.23/0.865=111.25A选择接近标准截面70 mm2时，载流量为173A=173A/=111.25A /C=1210*/77=33.52mm2所以满足要求表4-3电力电缆选择结果汇总表选择母线项目名称Ig(A)Igmax(A)按Ig选择=/J ( mm2)( mm2) ( mm2)最后选定S( mm2)发电机出线45.8248.1126.4950 14

31、164.331.43506.3KV母线至主变91.6496.2352.9770173111.2524.05354、硬母线及其辅助设备的选择根据使用场所及电站容量选择母线均为单条矩形截面的铝母线，水平布置。 1）6.3KV主母线截面的选择：a因为此母线年平均负荷较大，年利用小时数较高，所以按经济电流密度选择=/J（mm2）从手册中查得矩形铝母线的电流密度J0.78/ mm2工作电流1000/（6.3*）91.64=/J=91.64/0.78=117.49 mm2所以选用截面为LMY25*4 的矩形铝母线 b按短路热稳定校验： 要求： S/C C表示与导体材料及发热温度有关的系数取97 表示肌肤效

32、应系数，此处取1 表示点短路时总的稳态短路电流/C=1210*/97=26.61mm225*4 mm2 满足要求 c.按动稳定校验：要求： = Pa单位长度三相母线收到的相间动力为 =/a 其中 表示点短路时的冲击电流，其值=3.319KA a 表示两相导线中心的间距离，取值为a=0.25m则 =0.173*3.3192/0.25=7.623(N/m)则在单位长度电动力的作用下，母线承受的最大弯矩为： M=/10 其中L表示相邻两支柱绝缘子间的跨距，此处取值为1.5m 则 M=7.623*1.52/10=1.715(N/m)母线受到的最大相间应力： =M/W 其中W表示对垂直于作用力方向轴的截

33、面系数，单条平方矩形母线的W=bh2/6=0.004*0.0252/6=4.17* m3则 =M/W=1.715/4.17*=4.1*Pa 满足要求同时要校验共振：系统的固有频率为 =112*/(Hz)其中 表示与母线截面和布置方式有关的母线惯性半径，cm 此处=0.289*h=0.289*2.5=0.7225cm 表示材料系数，铝为则 =112*0.7225*1.55*/1502=56Hz所以存在共振问题,此时所受应力应乘以修正系数，查表得=1.4此时 =0.173KXL/a=0.173*3.3192*1.4/0.25=10.67N/m 此处KX导体截面的形状系数，KX1.0 M=/10=1

34、0.67*1.52/10=2.4 N/m= M/W=2.4/4.17*=5.8*Pa 满足要求所以母线选用LMY25*4 mm2 2）母线绝缘子的确定：按电压选择： 要求： =6.6KV =6*110%=6.6KV选用ZA6T型按短路动稳定校验：要求：P0.6P 表示在短路时作用于绝缘子上的力（kg），从手册中查得=375kgP=KF=1.24*0.173*3.3192*150/25=14.18kg其中 K表示由于母线中心高出绝缘子的帽力折合系数，从手册中查得K=1.240.6=0.6*375=225kg14.18kg 满足要求5、避雷器的选择 发电机中性点保护用避雷器 按用途选用FCD-4型

35、 6.3KV母线避雷器的选择 按用途选择FCD-6型6、电流互感器的选择 A发电机出口电流互感器的选择：根据装置和保护要求选用LBJ50/5 级次组合为0.5/D 根据原边标称电流选择： 要求： =48.11A =50A48.11A用短路热稳定校验： 要求： t 其中 表示当t=1s时的热稳定系数，由手册查得=120 表示电流互感器原边额定电流 ()2*t=(120*0.05)2=36KA =1.212*4=5.86KA=2.86KA 满足要求 由于电流互感器的准确级选用0.5级，所以不用校验精度 B6.3KV母线出线回路电流互感器的选择： 根据装置和保护要求选用LBJ100/5 级次组合为0

36、.5/D 根据原边标称电流选择： 要求： =96.23A =100A96.23A 用短路热稳定校验： 要求： t()2*t=（120*0.1）2=144KA =1.212*4=5.86KA=2.357KA 满足要求表4-4电流互感器选择结果汇总表选择条件应用 场合型号Ig.max热稳定校验动稳定校验KA.sKA.sKA.sKA发电机支路LBJ-6-50/5-0.5/D48.11365.8615.22.86主变进线LBJ-6-100/5-0.5/D96.231445.8630.412.3577、电压互感器的选择A. 发电机主线开关柜内电压互感器的选择： 根据装置要求选用JDZ6型，两个组成VV接

37、线根据标称电压选择： 要求： =6*110%=6.6KV =6.3*1.05=6.6KV 满足要求根据仪表要求选用0.5级，精度不用校验B.6.3KV母线上的电压互感器的选择： 根据装置类型选用JSJW6 0.5级 根据额定电压校核： 要求： =6*110%=6.6KV =6.3*1.05=6.6KV 满足要求精度不必校验8、高压熔断器的选择 A. 保护电压互感器的高压熔断器的选择： 选用RN2-6/0.5型 要求 =5KA =1.304KA 满足要求B厂变熔断器的选择： 选用RN16/200型 根据切断电流校验：要求 =20KA =1.304KA 满足要求 根据熔体的额定电流为负荷电流的倍校验 即 (1.52.5) =200A 2=2*96.23=192.4