水電站電氣一次系統設計

一、電氣主接線的設計

1.概述

電氣接線分為一次接線（電氣主接線）和二次接線。發電廠主接線是指將發電機、變壓器、斷路器、隔離開關、母線、電流互感器和線路等相互連接，以保證電能的生產、變換和輸送。它們的連接方式對供電可靠性、運行靈活性、檢修方便以及經濟性等都起著決定性的作用。主接線是發電廠的主體，它直接關系到發電廠的技術和經濟指標。

由于本設計的水電站有三個電壓等級，所以在設計中首先單獨考慮各自的母線情況及各自的出線方向，根據負荷來決定變壓器容量和臺數，論證是否需要限制短路電流及采取什么措施，擬出幾個把三個電壓等級和變壓器連接的方案，對選出來的方案進行技術和經濟的綜合比較，確定最佳主接線方案。

2.接線形式

電氣主接線根據電力系統和水電站的具體情況確定，它以電源和出線為主體，在進出線較多時（一般超過4回），為便于電流的匯集和分配，常設置母線作為中間環節，使接線簡單清晰、運行方便，有利于安裝和擴建。10～110kV高壓配電裝置的接線形式分為如下兩種。

有匯流母線的接線形式：包括單母線、單母線分段、雙母線、增設旁路母線或旁路隔離開關等。

無匯流母線的接線形式：包括變壓器—線路單元接線、橋形接線、多角形接線等。

接線方式取決于電壓等級、出線回路數、輸送功率和穿越功率。根據原始資料，該水電站的設計將選擇有匯流母線的接線。

（1）接線選擇。有匯流母線的接線形式在10kV、35kV、110kV中的選用情況如下。

①單母線接線。配電裝置的出線回路數不超過兩回。

②單母線分段接線。母線出現故障或檢修時，不會導致全部停電。短路器檢修會造成回路停電。但該接線方式接線簡單，操作維修方便，設備較少，經濟性好，廣泛用于中小容量發電廠和變電站的6～10kV接線，且出線回路數較少的情況。

③雙母線接線。該接線方式供電可靠，調度靈活。當母線檢修時可以不停電；母線出現故障時，回路短時停電；母線側隔離開關檢修時只停本回路的電。但該接線方式設備多，投資大，接線復雜，占地面積大，廣泛用于出線帶電抗器的6～10kV的配電裝置、110～220kV出線在5回以上的情況。

④增設旁路母線或旁路隔離開關的接線。該接線方式是為了保證采用單母線分段或雙母線的配電裝置在進出線斷路器檢修時，不用中斷對用戶的供電，常用于110kV出線在6回及以上、220kV出線在4回以上的情況。

（2）水電站主接線的設計與比較。

方案一與方案二比較：方案一發電機母線采用雙母線分段，其可靠性比較高，調度也比較靈活；在方案二中當聯絡變壓器出現故障時，35kV母線未能并網運行，當聯絡變壓器出現故障且發電機1、2中任一機組故障時，35kV母線功率不能滿足負荷要求，故優先選擇方案一。

方案三與方案四比較：由于該水電站主要向周邊負荷供電，負荷主要集中在35kV母線和10kV發電機母線，方案三中35kV母線由兩臺發電機經兩主變壓器單元接線供電，另有兩臺發電機經發電機母線和系統母線經三繞組變壓器供電；但方案四中功率傳輸效率低，且故障發生率也較高，當其聯絡線1或2發生故障時，只有一條聯絡線向35kV母線供電，容易引起聯絡線負荷過重而導致事故發生。故選擇方案三。

方案五與方案六比較：方案五中35kV母線與系統聯系更緊密，供電更可靠，調度方便、靈活，可靠性和經濟性都比較優越。故選擇方案五。

故較佳方案為方案一、方案三、方案五。

⑦最優方案選擇如表1所示。

表1 較佳方案比較表

比較項目備選主接線經濟性方面(投資的主要方面)技術性方面

變壓器的臺數：雙繞組4臺。發電廠母線采用雙母線分段，充分保證可靠性；其他各電壓等級下，母線均采用單母線，滿足設計要求，且35kV和10kV都有2條進線，提高穩定性。

變壓器的臺數：雙繞組2臺，三繞組2臺。發電廠母線采用雙母線分段，充分保證可靠性；其他各電壓等級下，母線均采用雙母線，滿足設計要求，且都有2條進線。

變壓器的臺數：雙繞組2臺，三繞組2臺。發電廠母線采用單母線分段，經濟性較好；10kV、110kV電壓等級下，母線采用雙母線，滿足設計要求，且都有2條進線；35kV和10kV采用聯絡變，提高穩定性。

由表1可看出：方案五在滿足穩定性的前提下，其經濟性方面優于方案一、方案三，故選擇方案五。

二、變壓器選擇

1.主變壓器選擇

（1）主變臺數選擇。根據原始資料，本水電站的負荷重，除了和一個110kV線路側系統容量為20000MV.A的無窮大系統相連外，還要向35kV側和10kV側的負荷供電，所以考慮用4臺主變壓器，其中2臺雙繞組、2臺三繞組，以此保證供電的可靠性，避免某臺變壓器出現故障或檢修時影響對用戶的供電。

（2）主變容量確定。主變壓器容量選擇計算如下：

負荷統計

由已知電機條件：PG=4×20MW=80MW額定功率因數COSφN=0.8得： MV.A

①10kV負荷MV.A MV.A

②35kV負荷

MV.A MV.A

③廠用負荷

對經常、連續運行的設備和連續而不經常運行的設備：P=PN；生活用電：P=0.5PN，一次換算系數K=1，則：

S廠∑KP=10×66×25×2+2×1+200×2×0.5+100+1000+1200=3.212MW

（其中0.4kV廠用負荷為1.012MW，10kV負荷為2.2MW）

MV.A MV.A

扣除廠用電和10kV發電機母線上的最小負荷功率，發電機的輸出視在功率為：

S視=SG-S0.4-S廠10-S10min=100-1.265-2.75-10.38=85.605MV.A

4臺主變壓器選擇為（考慮10%容量裕度）：

單臺發電機的容量：S單==1.1×=23.54MV.A

考慮到1臺主變壓器故障或檢修時，其他3臺變壓器應能承擔剩余容量的70%：

單臺發電機的容量為S單=85.605×0.7÷3=19.97MV.A

故選擇主變4臺，其中2臺雙繞組T1、T3，2臺三繞組T2、T4；T1、T3的型號為SF7—25000/35，T2、T4的型號為SFSZ7—31500/110。

2.廠用變壓器的選擇

本水電站采用2臺廠用變壓器，容量選擇依據如下。

考慮10%容量裕度，將0.4kV的廠用負荷換算到視在功率，有：

單臺變壓器的容量為1.1×=1.1=0.69575MV.A

考慮到1臺主變壓器故障或檢修時，其他3臺變壓器應能承擔剩余容量的70%：

則單臺發電機的容量為S單=1.265×0.7=0.8855MV.A

所以2臺廠用變壓器容量應大于等于0.8855MV.A，廠用2臺變壓器T5、T6均為雙繞組變壓器，型號為S6-1000/10。

三、電氣設備的選擇

本設計要求選擇的設備有母線、斷路器、隔離開關、互感器，所有的設備和母線應滿足正常工作及短路狀態的要求。

1.斷路器及隔離開關選擇

（1）10KV母線與變壓器低側斷路器。

回路最大長期工作電流：Imax==0.4266KA＜630A

短路時：I''=14.03KA

查表選：SN10-10I/630斷路器和 GN6-10/600-52隔離開關。

（2）發電機出口斷路器及10KV母線分斷斷路器。

回路最大長期工作電流：

A

根據發電機回路Imax及安裝要求，查表選SN10-10III/2000型少油斷路器；

發電機出口短路時：I''=3.28KA

查表選：SN10-10III/2000和GN2-10/2000型隔離開關。

（3）110kV母線-變壓器出口斷路器、母聯斷路器及出線斷路器。

回路最大長期工作電流：A

短路時：I''=0.742kA

查表選：SW3-110/1200斷路器和GW4-110D/1000-80隔離開關。

（4）10kV母線各出口斷路器。

回路最大長期工作電流：A

短路時：I''=15.55kA

查表選SN10-10II/1000斷路器和GN6-10/1000-80隔離開關。

（5）35kV母線各出口斷路器以及與主變中壓側斷路器。

回路最大長期工作電流：A

短路時：雙繞組I''=2.083kA 三繞組I''=3.911kA

查表選SW2-35/1000斷路器和GN2-35T/1000-70隔離開關。

2.母線的選擇

（1）發電機出口母線選擇。

A

按長期工作電流進行選擇：100×6.3的矩形鋁導體（單條，平放）。

校驗熱穩定性，正常運行時導體最高溫度45℃。

查表（不同溫度下導體的熱穩定系數）可得：C=97

滿足短路時發熱最小導體截面為：

80mm2＜100mm2，熱穩定校驗合格。

（2）35kV母線選擇。

最大工作電流： A

按長期工作電流進行選擇：40×4的矩形鋁導體（單條，平放）。

校驗熱穩定性，正常運行時導體最高溫度45℃。

查表（不同溫度下導體的熱穩定系數）可得：C=97

滿足短路時發熱最小導體截面為：

32mm2＜40mm2，熱穩定校驗合格。

（3）10kV母線選擇。

最大工作電流：A

按長期工作電流進行選擇：63×6.3的矩形鋁導體（單條，平放）。

校驗熱穩定性，正常運行時導體最高溫度45℃。

查表（不同溫度下導體的熱穩定系數）可得：C=97

滿足短路時發熱最小導體截面為：

43.73mm2＜63mm2，熱穩定校驗合格。

（4）110KV母線選擇。

最大工作電流：A

按長期工作電流進行選擇：63×6.3的矩形鋁導體（單條，平放）。

校驗熱穩定性，正常運行時導體最高溫度45℃。

查表（不同溫度下導體的熱穩定系數）可得：C=97

滿足短路時發熱最小導體截面為：

5.2mm2＜63mm2，熱穩定校驗合格。

（作者單位：云浮市技工學校）