电气设备课程设计水轮发电机设计.doc

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1、 目录课程设计基本资料及任务书.1第一章、设计依据 2第二章、主接线的确定.5第三章、计算短路电流9第四章、设备选择.17第五章、厂用变压器的选择31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

2、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： 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=35

3、KV+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

4、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、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 设计依据与一次设计方面有关的资料如下： 1.石砭峪的气温、地质及雷电活动强度。 多年平均温度为13.2，最高温度为43

5、.4，最低温度为17.1，地表气温1981年6月实测最高为49，多年平均极大风速为16.5米/秒。 土壤电阻率未经实测，该地区的地质条件，在8米以内的表层均为多石土壤，由此估计： =4104 Wcm。 雷电活动强度按一般为15雷电活动日/年以下考虑。 2.二级水电站各月平均出力计算：根据水能调节计算，已算出一级水电站各月平均出力，而二级水电站是用一级水电站的尾水，所以流量由一级水电站确定，但对二级水电站水头为：Hzd=41.6m，Hzx=40.79m，Hp=41.22m，水头变化一般来说很小，可以认为是平均水头。二级电站与一级电站的出力，仅与水头成正比，换算得的各月出力如下：月份放水天数平均流

6、量m3/s放水量万m3一级站发电水头m一级站出力KW换算二级站出力KW备注100020003164.0153361.5184512384144.8958960.0219515055162.1729962.51015669一台发电机运行6304.44115058.9179512607314.49120034.9117513908316.6175627.913782040最大出力为1600KW9104.41880.546.31580141010164.61635.867.12315142111105.06437.124.32820156512263.5182068.51617973总计2003.二

7、级电站选用两台800KW的发电机组，其参数如下：机型: SFW143/4410 600转/分 800KW额定电压: 603KV 额定电流：91.6A功率因数：0.9 频率：50Hz飞逸转速：1378转/分 转动惯量：GD2=1.4短路比： 1.26 接线法：Y定子漏抗：0.08894 纵轴同步电：0.963纵轴瞬变电抗：0.223 空载特性数据：E00.500.751.01.101.151.20I00.4850.6961.01.251.411.691定子测温点： 3铁 3铜； 总 重： 9吨。 有阻尼线圈，准同期、自动自同期亦可。转子定子绕组绝缘度等级： B级 允许温升： 转子 90 定子 6

8、5 原配励磁机：ZL28/104型(现改为可控硅励磁) 励磁电压：62V 励磁电流： 空载138A, 额定282A 励磁机绕组电阻：0.172W(75)4.本电站与系统接线如图所示： 二级电站出线电压为35KV, 与一级电站的35KV出线“T”接,经8KM的架空线路至太乙变电站的35KV母线,太乙变电站距韦曲变电站25KM（25+8=33）在相距太乙变电站23KM处“T”接。 本电站距指挥部约 800m，考虑到指挥部和修造厂的用电, 故给有一条6.3KV出线。本电站发出的电除部分自用电和指挥部用电外，其余全部送入系统。5.二级电站主要容量的确定变压器容量与发电机容量及近区用电相适应。在8月份发

9、电机满负载时可发出2000KVA而近区用电装置容量仅115KVA,厂用电变压器容量为50KVA,在厂用电及近区用电不满载的情况下投入系统的容量将超过1800KVA,并且同等容量的新系列变压器比旧系列变压器体积小，性能好，故选用SJL2000KVA/38.5/6.3的变压器，该变压器在西安也有生产。 第二章 电气主接线的确定1.因为机组容量较小，能满足技术要求的几种结线方式如下：（1）方案一：采用单母线接线，两台发电机由一台变压器送出。在6.3 KV母线上接指挥部近区负荷。厂用电由接至6KV母线上的S950 / 6.3/0.4kV电力变压器正常供电，备用厂用变压器选用一台S950 / 35/0.

10、4kV变压器从系统供电, 并由指挥部与设计组会议决定作为唯一的备用电源方案。故不再进行经济比较计算。从月出力曲线可知, 每年1、2月为停水时间, 可以作为设备检修时间，从可靠性角度考虑一台主变压器能够满足要求。（2）方案二:在此方案中采用两台1000KVA的变压器并联运行，其优点是运行灵活，其它均与第一方案相同。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。方案二方案一2.两种方案的经济比较： 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

11、项目单价（元）方案I方案II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53175666

12、68说明：投资=基价+运行费+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(DP

13、fe+KfDQfe)+( 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：

14、（DPcu + Kf DQcu）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

15、 1000KVA/35 变压器 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+32

16、00+2450+2571524=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31 短路电流计算电路图32 短路电流的计算取S

17、j = 100MVA Uj = Up等值网络图：（认为韦曲变110KV侧为无穷大系统）电抗标准值计算如下：发电机： X = Xd“X1=X2=0.2=16 X3=X4=0.23=22.3变压器： X=X5=2.22 X6=3.25X7=80 X8=130三卷变压器： 先求等值星型电抗百分数 XI=（0.105+0.18-0.065）=XII =（0.105+0.065-0.18）=XIII =（0.18+0.065-0.105）=再将以变压器容量表示的百分数电抗转换为以Sj，Uj为基准的电抗：X9 =X10 =X11=线路：X=X0LX12 =0.433=0.963X13 =0.41 =0.0

18、29233 短路点的选择、网络简化及计算电抗为了进行二级 电站的电气设计，选取35KV母线d1点，6.3KV母线 d2点，SJL150/35/0.4低压侧d4点 作为短路计算点。短路计算采用运算曲线法，因此在作网络简化时，发电机F1，F2相同可以合并，F3，F4相同可以合并，系统单独考虑。（1） 对d1点短路的简化电路及计算电抗：X14=X15=X16=0.35+0.963-0.0159=1.297计算电抗： = = =0.319 =0.328（2） 对d2的简化及计算电抗：X17=X3/X4=22.3=11.5 利用分布系数法求转移电抗：X18=X14/X16+X6=1.15+3.25=4.

19、4 转移电抗：计算电抗：（3） 对d3点的简化及计算电抗：=8.67=3.16+80=83.16各电源分布系数： 系统至d3点的转移电抗： 一、 二级电站的计算电抗：(计算电抗3以无穷大电源电抗计)（4） 对d4点的简化及计算电抗：X20=X14/X15=5.97X21=X20/X16=1.065X22=1.065+130=131.065分布系数： 转移电抗：计算电抗： （计算电抗大于3以无穷大系统看待。）34 基准电流Sj=100MVA、 Uj=Up各级电压下基准电流：Ij=Up（KV）0.46.337Ij（KA）1449.161.56以发电机额定容量为基准的额定电流：Up（KV）0.46.

20、337IjF1.2（KA）3.610.2290.039IjF3.4（KA）2.8820.1830.031235 查曲线求短路电流（1） 为选择电气设备的需要，将发电机F3、F4分开计算，电流各为两台电流总和的一半。（2） 计算的时间取0”、0.2”、；计算结果见计算结果总表36 在发电机端短路在发电机端短路（即d2点短路），发电机的计算电抗 Xjs0.6时，即可能 ，由此产生的热效应可能两相短路比三相短路大，因此对该点要进行两相短路计算。两相短路的计算方法如下：因 根据三相短路计算已得的计算电抗Xjs取其2Xjs 由2Xjs查0”、时标幺值、I*”I* 乘，即得两相短路电流的标幺值。 将所得标

21、幺值乘以如表2所列的基准电流，即得两相短路电流的有名值。 为选择电气设备之需要，将F3、F4分开计算，其值为总和值之一半。37 为选择电气设备计算出S”、ich、Ich等值S”= 对于6.3KV，35KV短路的d2、d1点取Kch=1.8 故：ich=2.55I” Ich=1.52I”对0.4KV短路的d3、d4点，取Kch=1.3故：ich=1.84I” Ich=1.088I”计算结果汇总如下表：31短路电流计算成果表计算项目单位供给短路电流的分支短路点xjsIj三相短路电流计算值标幺值有名值I”I0.2II”I0.2IichS”SIchKAKAKAKAMVAMVAKAd135KV系统1.2

22、971.560.7720.7720.7721.2051.2051.2052.61365.68665.6861.558一级站（F1+F2）0.3910.0394.33.13.050.1680.1210.1190.42810.7667.6280.255二级站（F3+F4）0.3820.03124.13.03.00.1280.0940.0940.3268.2035.9980.195d26.3KV系统4.99.160.2020.2020.2021.851.851.854.71820.18620.1862.812一级站（F1+F2）0.9770.2291.040.951.250.2380.2180.29

23、60.6072.5973.1250.362二级站（F3+F4）0.20.1835.63.713.331.0240.6790.6092.61111.1736.6451.556d30.4KV系统1311440.007640.007640.007641.11.11.12.8050.7620.7621.672一级站（F1+F2）25.83.160.03860.03860.03860.13950.1400.1400.3560.09660.9660.212二级站（F3+F4）5.7772.8820.01690.1690.1690.4860.4860.4861.2390.3370.3370.739d40.4

24、KV系统159.51440.0630.0630.0630.9030.9030.9032.3030.6260.6261.373一级站（F1+F2）31.53.610.03170.03170.03170.11450.1150.1150.2920.0790.0790.174二级站（F3+F4）35.4772.8820.02810.02810.02810.08110.0810.0810.2070.0560.0560.123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

25、修改。开关柜选择生产使用较普遍的GG1A型。41 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=2.745 1. 油开关t= tb + tg

26、f = 5+0.05=5.05秒1 （不计tjf的影响）秒选用SN210G/10额定参数计算数据Ue10KVUg6.3KVIe600AIgmax193AIdn20KAI”3.112KASdn350MVAS”34MVAIgf52KAich7.95KAI2秒13021I2tj2.74524.55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 CD2型，操作电压220V。2. 隔离开关选用GN810/400型额定参数计算数据Ue10KVUgmax6.3KVIe400AIgmax193AIgf50KAich7.95KAI2秒13.1521I2tj2.74524.55由表中可知额

27、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（各支路的电缆截面不一定相同，应按各自的条件选择）1）发电机支路电力电缆的选择 电缆型号的选择。电缆敷设在户内电缆沟支架上，周围无其它有害介质，故选用新产品ZLL120型。 电缆截面的选择a. 按经济电流密度选已知：本电站最大负荷利用小时数为：TM=4632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。（这里TM=4632小时，是凭借水能计算和本机方面提供的数据）由表（412）取Ij为1.73/mm2 则：工作电流：选择接近的标准截面 S=50mm2b. 按持续工作电流选或要求：式中： I

28、gmax最大工作电流K t 当周围环境温度与设计环境温度不同时的修正系数见表813，当计算环境温度得25时，查得K t =0.734石砭峪电站实际最高温度为43.4，对ZLL120,由表85知，缆芯允许工作温度为65。由表86选 S=50mm225时Ixu=12526.3A对于穿管直埋的部分： K=KtK2K3K2土壤电阻不同于120cm的修正系数，由表814取K=0.75K3两根以上直埋电缆并列敷设系数，因只有一根电缆，故K3=0.7340.751=0.55要求：选最小号的 S=10mm2 Ixu=48A35.1A b.按热稳定校验：要求： 不满足故选用与发电机支路同截面的电缆 ZLL120

29、670mm23） 电力电缆选择结果汇总表如下：选择母线项目名称IgIgmax按Ig选择最后选定S发电机出线91.596.370mm258mm2706.3KV直配线19.365.5mm2706.3KV母线至主变18.3192.62706.3KV厂用变7.765.5mm270由于本电站电缆用量较少，采用同一型号电缆，无论从经济上技术上都是合理的，故选用ZLL12063070，主变回路采用ZLL12063070。4. 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，水平放置。1）.6.3KV主母线截面的选择：A 按持续工作电流选：要求：最大工作电流，它与实际的潮流分

30、布有关，以最大可能的配置方式，它应该是两台发电机最大电流之和。相应于某一周围环境温度与母线放置方式下的长期允许电流值当实际温度不是25时的温度校正系数（参见表411），由于本电站最高气温为43.4，因此采用=0.7624由表415可见在水平放置方式下，环境温度为25时，LMY253型的硬母线=252A =0.7624252=192A 考虑到由发电机出线接的励磁变压器等其它负荷，不可能达193A，故选用=192A的LMY253型母线是可以的。B 按短路热稳定校验：要求： C与导体材料及发热温度有关的系数取97；（见表413）集肤效应系数，此处取1。（见表414）即d2点短路时总的稳态电流。 满足

31、C按动稳定校验：一般要求：短路对母线中的应力 （）母线允许应力 （）铝为500700 单条母线机械应力：三条母线位于同一平面时，母线中产生的最大机械应力为：式中：ichd2点短路的总冲击电流7.91KAL 相间跨距采用120cm相间距离采用25cmw 母线截面系数（cm2）（计算公式见表425）w=0.176bh2=fm自振频率 ri惯性半径取0.289h （见表425）材料系数，铝为由于在35135Hz范围内，查表413 N=3.8 满足要求 母线的最大允许跨度 2）母线支持绝缘子的选择： 按电压选择：要求： 选用：ZA6T型 按短路动稳定校验：要求： P在短路时作用于绝缘子上的力（Kg）（

32、按表427计算）式中：K由于母线中心高出绝缘子的帽力折合系数，由表428查得 K=1.24 满足要求5避雷器的选择：1） 发电机中性点保护用避雷器：按用途选用FCD4型2）.6.3KV母线避擂器的选择：按用途选择FCD6型6电缆接头盒与封端盒的选择： 电缆接头盒选用环氧树脂接头盒。 电缆封端盒选用“户外”型76.3KV/0.4KV 厂用变支路跌落保险的选用：RW410/50型8.电流互感器的选择：A 发电机支路电流互感器的选择： 根据装置类型选用；FZJD16100/5 根据原边标称电流选择：要求：Ie 满足要求 用短路热稳定校验：要求：Kt当t=1秒时对电流互感器的热稳定系数，由手册查得Kt

33、=1 =120 Ie电流互感器 原边额定电流秒秒 满足要求 用动稳定校验：要求：Kd电流互感器动稳定倍数，由手册表2419查得为210；发电机出口短路时由系统，一级站和本站令另一台机组供给的冲击电流之和为6.64KA 满足要求 精度校验：对应0.5级二次额定阻抗Zze=0.8发电机支路电流互感器，所接仪表如下：（这里采用由规程查得的可能最多的仪表数，二次提供仪表数后不在重标）仪表名称型号数量容 量（VA）A相B相C相电流表1T1A3333三相有功功率表1D1W11.51.5三相无功功率表1D1VAR10.450.45三相三线有功电度表DS110.50.5三相三线无功电度表DX110.50.5总

34、计75.9535.95由电流互感器负荷统计可见A，C相最大，取Ize=5A接触电阻Zc=0.1，决定A相电流互感器与测量仪表之间的连接导线的允许功耗，并假定仪表的Cos=1；（这对电流互感器是最不利的情况）=20-（5.95+2.5）=10.55VA连接导线的允许电阻为：设电流互感器到测量仪表之间距离为6米，采用同芯电缆，连接导线的截面应不小于：但考虑到机械强度的要求，导线截面选择最小为2.5mm2，可以满足精度要求。作用在电流互感器绝缘子帽上的力的校验：取电路中支母线的相间距离 a=40cm；从电流互感器到最近绝缘子之间距离L=60cm 则：=（电流互感器绝缘子帽最小允许作用力在75Kg以上

35、。）计 算 数 据LFZJD16100/5Ug6.3KVUmax6.6KVIgmax96.5Ie100A6.64KAKd29.6KA27.2KA2秒144 KA2秒F0.567KgFPh75KgB. 6.3千伏直配线支路电流互感器的选择； 根据装置类型选用：LFZJ1650/50.5/3 根据原边标称电流选择：要求： Ie=50A 满足 用短路热稳定校验：要求： 秒秒 满足 按动稳定校验： 满足所接仪表数更少，精确度不做校验。C主变压器出线回路电流互感器的选择： 根据装置类型选择LFZJD16200/50.5/D 根据原边标称电流选：要求： Ie=200A 用短路热稳定校验：要求： 秒/秒 满足 用短路热稳定校验：要求： 满足所接仪表比发电机支路少，精度不做校验。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精度校验作用在LH帽上的力（Kg） KA.秒KA.秒KA.秒SZEVA总计导线截面发电机支路LFZJD-6-100/5-0.5/D96.314427.229.66.6208.450.4660.5676.3KV直配线LFZJ1-6-50/5-0.5/319.33634.2