500MW热电厂电气部分课程设计任务书.docx
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500MW热电厂电气部分课程设计任务书
500MW热电厂电气部分课程设计任务书
HarbinInstituteofTechnology
课程设计说明书（论文）
课程名称:
发电厂电气部分课程设计
设计题目:
500MW热电厂电气部分设计
院系:
电气工程及自动化学院
班级:
1006141
设计者:
李高原
学号:
12
指导教师:
胡林献
设计时间:
7>?
哈尔滨工业大学教务处
哈尔滨工业大学课程设计任务书
姓名:
李高原院（系）:
电气工程
专业:
电力系统及其自动化班号:
1006141
任务起至日期:
2014年2月17日至2013年2月28日课程设计题目:
500MW热电厂电气部分设计
已知技术参数和设计要求:
一、原始资料
根据设计任务书的要求,由于工业区工农业发展非常迅速,需要新建一发电厂,附近除了重工业以外,轻防工业也急需用电,电厂以10.5KV电压向其供电,电厂建成后,最大负荷为72MW,最小负荷为43MW,最大负荷利用小时数4500h;线路共12回,全部用电缆供电,每回路大小不等,但是平均在5∽7MW左右,送电距离5∽6公里之间,电厂初期的最大负荷为48MW,每年负荷大约增加6MW1.电厂以110KV升高电压向周围区域供电,出线回路数为8回,电厂建成后最大负荷为168MW,最小负荷为117MW,最大负荷利用小时数为4200小时.电厂初期最大负荷为51MW,每年大约增加20MW2.电厂以220KV与系统相连（125Km）,出线回路为4回,最大负荷利用小时数为4500小时.
3.本厂与系统的简单联系如图.
4.电厂装设2台50MW汽轮发电机组.发电机型号为QFQ-50-2;装设2台100MW汽轮发电机组.发电机型号为TQN-100-2;装设1台200MW汽轮发电机组.发电机型号为QFQS-200-2.
5.J计算短路电流资料:
系统C1是无穷大系统,XC0;
系统C2:
S350WM,以100MVA为基准值,110KV系统归算到本厂110KV母线上阻抗为0.23（线路长度为85KM）;
220KV系统与本厂联络线路每公里按0.4Ω/KM计算.
6.厂址位于江边,水源充足,周围地势平坦,具有铁路与外相连接.
7.气象条件:
绝对最高温度39℃;
最热月平均气温24℃;
年平均温度5.9℃;
风向:
以东南风为主.
二、设计任务
发电厂电气主接线设计;
厂用电接线设计;
主变压器选择;
短路电流计算;
电气设备选择:
母线、进出线、断路器、隔离开关。
工作量:
设计说明书和计算书各1份
电气主接线图1张
工作计划安排:
同组设计者及分工:
指导教师签字___________________年月日教研室主任意见:
教研室主任签字___________________年月日
*注:
此任务书由课程设计指导教师填写。
学号尾数为2、7的同学做此题!
课程设计说明书
1原始资料分析
1.1发电厂类型
根据课程设计任务书的要求,这次设计的是一个热电厂的电气部分。
1.2发电厂设计规模
根据课程设计任务书的要求,该发电厂装设2台50MW汽轮发电机组,2台100MW汽轮发电机组,1台200MW汽轮发电机组,汽轮机组总台数为5台,总容量为500MW。
1.3发电厂在系统中的地位由课程设计任务书可知,总装机容量为500MW,算不上一个大型电厂,它所接入的系统,220KV系统是一个无穷大系统,110KV系统总容量为450MW,由此可以看出,该发电厂在整个系统中所占的比重并不是很大,所以可以确定该发电厂只是一个地方性的电厂。
1.4电压等级由课程设计任务书可知,在本系统中,总共涉及到5个电压等级:
高压厂用电电压,10.5KV（QFQ-50-2及TQN-100-2型发电机出口电压）,15.75kV（QFQS-200-2型发电机出口电压）,110KV（系统C2电压）,220KV（系统C1电压）。
1.5负荷情况根据电力负荷的分类标准可以知道,该地区附近的负荷主要属于三类负荷,例如轻纺工业,但也包含二类负荷,比如一些重工业。
110KV和220KV都是比较重要的线路,应保证供电的可靠性。
所以,总体上来说,为了保证人民生命财产安全,为了不影响企业运转,还是应该采用可靠性较高的接线方式。
2主接线方案拟定
2.1机组台数分配
由课程设计任务书可知,10.5KV负荷最大为72MW,最小为43MW,初期为48MW,以后每年增加6MW。
110KV负荷最大为168MW,最小为117MW,初期为51MW,以后每年增加20MW。
根据负荷和发电机组的情况,我们可以得到以下两条结论:
（1）从开始建发电厂,一直到发电厂建设完成,接到10.5KV母线上的机组总容量应一直为100MW,这100MW有两种搭配方案,一种是2台50MW汽轮机组,另一种是1台100MW汽轮机组;
（2）开始时,接到110KV母线上的机组总容量应该为100MW,从第三年开始,总容量就应该为150MW,第六年以后,总容量应该为200MW,100MW有两种搭配方式,一种是2台50MW汽轮机组,另一种是1台100MW汽轮机组,150MW只有一种可能,那就是1台50MW汽轮机组加上1台100MW汽轮机组,200MW有三种搭配方式,第一种是2台50MW汽轮机组加上1台100MW汽轮机组,第二种是2台100MW汽轮机组,第三种是1台200MW汽轮机组。
对上述可能进行分析整合,我们可以得到下表。
时间
容量/年
/MW
方案123456
110.5KV2*502*502*502*502*502*50
110KV1001002*1002*1002*1002*100
220KV待定待定待定待定待定200
210.5KV100100100100100100
110KV100100100+50100+50100+50100+2*50
220KV待定待定待定待定待定200
2.2主接线方式选择10.5KV母线至少可采用单母线、单母线分段、双母线、双母线分段共4种接线方式,110KV母线至少可采用双母线带旁路、多角形、桥型共3种接线方式,220KV母线至少可采用双母线分段、双母线带旁路、3/2共3种接线方式,这样组合起来,总共至少有36种接线方式。
2.3主变压器选择由发电机出口电压变换到110KV和220KV,可以选择双绕组变压器,也可以选择三绕组变压器或自耦变压器。
3主接线方案初步技术经济比较
3.1机组台数分配方案比较
首先对2种机组台数分配方案进行比较,虽然方案2更好地关注了扩建的方便性,但是确定发电机电压母线上机组台数时有如下的3个原则:
1、若总容量接近或少于发电机电压母线上的负荷,则全部发电机接在发电机电压母线上;2、若总容量大于发电机电压母线上的负荷,则接在电压母线上的机组应能保证母线上全部负荷的供电要求,其余机组以单元接线形式接入高电压等级母线上;3、最早安装、容量小的机组优先考虑接入发电机电压母线。
根据原则3可以知道,应该选择2台50MW汽轮机组,也就是说,应该选择方案1。
这样虽然在扩建方便性上不如方案2,但是会在设备选择、运行费用等方面优于方案2。
3.2主接线方案比较
接下来对36种主接线方案进行比较。
先比较10.5KV母线的4种接线方式,在选择10.5KV母线的主接线形式时,我们要分两步。
第一步,我们要确定10.5KV母线是否需要分段,在确定发电机电压母线是否需要分段时有如下的4个原则:
（1）若发电机电压母线上的机组台数大于1,则一般需考虑母线分段;
（2）分段数量一般不超过三段,否则设备增多,配电装置运行复杂;（3）是否采用分段断路器,则完全取决于机组容量,容量大则短路电流增加,需要采用分段断路器）（4）分段应选在正常工作情况时功率流动最小的地方,即各段母线应尽量保持功率平衡。
根据以上4个原则,我们可以确定,10.5KV母线应该分为两段,且两段之间应该装设断路器,为限制发电厂内部故障时的短路电流,母线分段断路器上串接有母线电抗器。
第二步,我们要确定是选择双母线分段还是单母线分段,根据以往的经验,当机组容量大于25MW时,往往采用双母线分段,所以在本课程设计中,10.5KV母线的主接线方式最好选择双母线分段接线。
虽然双母线分段接线在开关设备数量、占地面积这两项指标上不如其他接线方式,但是,在可靠性、灵活性、扩建方便性等方面,双母线分段接线都是这4种方案里面最优的。
在衡量主接线方式的指标中,最重要的是可靠性,其次才是经济性。
为限制出线故障时的短路电流,发电机电压母线上的电缆馈线上一般需要装设出线电抗器,在本课程设计中,10.5KV的出线均为电缆馈线,所以均需装设出线电抗器。
再比较110KV母线的3种接线方式,因为多角形接线最多用到六角形,更以四角形和三角形为宜,以减少开环运行所带来的不利影响,三角形、四角形接线的出线数都是2回,而本课程设计中,110KV的出线有8回,出线较多,实在不适合用多角形接线。
类似的问题也出现在桥型接线方式上。
所以综上所述,还是现在双母线带旁路比较合适,它既满足出线数较多的条件,加设旁路还可以保证可靠性、灵活性。
因为110KV电压已经比较高了,所以最好设置专用旁路断路器。
最后比较一下220KV的3种主接线方式。
由于只有1台200MW的汽轮机组接到220KV母线上去,所以不大适合采用3/2接线。
相较于双母线分段接线,双母线带旁路接线更可靠,也更灵活方便,所以选择双母线带旁路接线比较好。
3.3主变压器方案比较
2台100MW的汽轮机组的总容量要大于110KV系统的最大负荷量,为了不出现2次变压的问题,必须采用三绕组或自耦变压器向220KV系统供电。
因为单元接线的主变容量应与机组容量匹配,热电厂的厂用电率为8%?
10%,在此取中值9%,且对应的发电机功率因素为0.85,所以该自耦变压器的容量为118MVA,变比为10.5/110/220KV,可选择SFPSL?
120000/220型变压器。
在选择变压器时,三绕组或自耦变压器一般不超过2台,上面已经选择了2台自耦变压器,所以2台50MW汽轮机组通过10.5KV母线接到中（高）压等级母线上就不能选择三绕组或自耦变压器了,只能选择双绕组变压器。
至于是选择10.5/121KV的变压器接到110KV系统中好,还是选择10.5/242KV的变压器接到220KV的系统中好,则需要详细的经济技术分析了。
当母线负荷最小时,送出最大剩余功率为45MW,当母线上最大机组故障时,中（高）压系统要向母线提供的最大功率为25MW,考虑到对应的发电机功率因素为0.8,又考虑到一台变压器检修或故障时,另一台变压器仍要保证70%?
80%总负荷供电的连续性,在此不妨取80%,且热电厂的厂用电率为9%,所以可确定,该双绕组变压器的容量为45MVA。
最后是1台200MW的汽轮机组通过单元接线直接接到220KV母线上的变压器选择问题,根据单元接线的主变容量应与机组容量匹配的原则,且对应的发电机功率因素为0.85,热电厂的厂用电率为9%,选择1台容量为236MVA、变比为10.5/220KV的双绕组变压器,可选择SSPL?
260000/220型变压器。
4主接线方案详细技术经济比较
最后剩下的两种方案中,唯一的差别就是10.5KV母线是通过10.5/110KV的变压器接到110KV母线上还是通过10.5/220KV的变压器接到220KV母线上。
在技术方面,无论是可靠性、灵活性,还是扩建方便性、成熟性,两方案都差不多。
在经济方面,它们的差别主要还是体现在基本投资和年运行费两方面。
基本投资方面,在容量、型式相同的条件下,显然,10.5/220KV的双绕组变压器要比10.5/110KV的双绕组变压器贵。
年运行费方面,主要包括两个方面,一是每年维护检修的费用,只要变压器不出大问题,这个费用是很少的,而且10.5/220KV的双绕组变压器和10.5/110KV的双绕组变压器的年维护检修费用差不多,所以可以忽略。
二是由于变压器损耗而产生的损失,由热电厂电气部分设计计算书计算结果可以看到,10.5/220KV的双绕组变压器的年运行费多于10.5/110KV的双绕组变压器的年运行费,所以在经济方面,10.5/110KV的双绕组变压器更优。
综合技术及经济方面,我们应该选择10.5/110KV的双绕组变压器,所以发电厂电压母线应该通过10.5/110KV的双绕组变压器与110kV母线相连,可选择SFZL?
50000/110型变压器。
5厂用电设计
5.1高压厂用电电压等级的确定我们一般是根据发电机容量和出口电压来确定高压厂用电电压。
容量在60MW及以下的高压厂用电电压可采用3kV;容量在100?
300MW时,宜采用6kV。
另外需要说明的是,随着电力工业的发展和我国能源政策要求,3kV电压等级由于短路电流大、启动力矩小等原因,在高压厂用电中已经很少采用。
所以综合起来考虑,确定本设计的高压厂用电电压为6kV。
5.2厂用电主接线设计
发电厂厂用电系统接线通常都采用单母线分段接线形式。
在热电厂、火电厂中,因为锅炉的辅助设备多、容量大,所以高压厂用母线均采用按炉分段的原则。
考虑2台50MW汽轮机组容量并不是很大,且有共同的10.5kV母线,为节省投资,这2台机组共用一个二分段的单母线,其他每一台机组单独设置一个二分段的单母线。
所以在本设计中,总共设置了四个二分段的单母线。
为叙述方便,对其进行编号,2台50MW汽轮机组对应的母线的编号为6kV1A、6kV1B,2台100MW汽轮机组对应的母线的编号为6kV2A、6kV2B和6kV3A、6kV3B,1台200MW汽轮机组对应的母线的编号为6kV4A、6kV4B。
5.3厂用电源的引接方式
5.3.1厂用工作电源2台50MW汽轮机组的高压厂用电母线,其工作电源直接从10.5kV母线引接。
2台100MW汽轮机组及1台200MW汽轮机组的高压厂用电母线,由于没有发电机母线,厂用工作电源从对应发电机出口引接。
5.3.2备用电源和启动电源2台50MW汽轮机组的高压厂用电母线,虽然有发电机电压母线,但工作电源就是从发电机电压母线引接的,故备用电源和启动电源不能再从发电机电压母线引接,得从与电力系统联系紧密、供电可靠的最低一级电压母线引接,在本设计中,就是110kV母线。
2台100MW汽轮机组及1台200MW汽轮机组的高压厂用电母线,其备用电源和启动电源就可以从10.5kV母线上引接。
6短路电流计算见热电厂电气部分设计计算书。
7电气设备选择
由热电厂电气部分课程设计计算书可得到如下的设备汇总表。
类型电压等级（kV）型号台（根）数
断路器10.5HECI52
EVH4-15/T6300-80（F）2
110LW14-1106
220LW2-2205
隔离开关10.5GN10-20T/8000-2242
GN10-20T/5000-2244
110GW13-1108
GW5-110IID4
220GW7-220D5
GW7-2204
母线10.5铝合金管型母线Φ200/180（mm）3
110矩形铝导体803
220矩形铝导体80（mmmm）3
限流电抗器10.5NKL-10-2500-101
设计计算书
I:
短路电流计算
1、选取基准值
选取100MVA,,发电机次暂态电势1,则各电压等级的基准电流分别为:
220KV侧:
KA
110KV侧:
KA
10.5KV侧:
KA
2、发电机阻抗标幺值参数计算
QFQ-50-2型发电机:
TQN-100-2型发电机:
QFQS-200-2型发电机:
3、变压器标幺值计算
SFZL?
50000/110型双绕组变压器:
SSPL?
260000/220型双绕组变压器:
SFPSL?
120000/220型三绕组变压器:
由于三侧容量相等,记1、2、3分别对应三绕组变压器的高、中、低压侧,所以主变各绕组阻抗标幺值计算如下:
4、输电线路的阻抗标幺值计算
110kV系统:
220kV系统:
5、短路电流的计算
全系统等值电路图以及短路点如下:
计算过程中作了简化处理,把所有电源（包括系统）都当作无穷大功率电源处理。
k1点发生短路
电路简化如图所示:
计算过程如下:
短路电流标幺值:
有名值:
冲击电流:
短路电流最大有效值:
短路容量:
k2点发生短路
电路简化如图所示:
计算过程如下:
短路电流标幺值:
有名值:
冲击电流:
短路电流最大有效值:
短路容量:
k3点发生短路
电路简化如图所示:
计算过程如下:
短路电流标幺值:
有名值:
冲击电流:
短路电流最大有效值:
短路容量:
k4点发生短路
电路简化如图所示:
计算过程如下:
短路电流标幺值:
有名值:
冲击电流:
短路电流最大有效值:
短路容量:
k5点发生短路
电路简化如图所示:
计算过程如下:
短路电流标幺值:
有名值:
冲击电流:
短路电流最大有效值:
短路容量:
6、短路电流计算结果
将上述计算数据整理可得下述表格:
附表1:
短路电流计算结果
短路点短路电流标幺值有名值kA冲击电流kA短路电流最大有效值kA短路容量MVA
K114.4117.92620.17612.0481441.1
K221.25010.6727.1616.222125.0
K325.5136.4016.299.732551.3
K43.2371.634.152.48323.7
K55.5871.403.562.13558.7
II:
电气设备选择
电气设备选择的一般条件
按正常工作条件选择电气设备
额定电压:
UN:
电气设备额定电压
UNs:
电气设备安装地点额定电压
选择方法:
UN≥UNs
额定电流:
IN:
电气设备额定电流
I:
电气设备所在回路最大持续工作电流
选择方法:
IN≥I
按短路状态校验
热稳定校验:
Qk:
短路电流产生的热效应
It、t:
电气设备允许通过的热稳定电流和时间
动稳定校验:
或
ish、Ish:
短路冲击电流的幅值及有效值
ies、Ies:
电气设备允许通过的动稳定电流幅值和有效值
110.5KV汇流母线选择
A、母线类型选择
10.5kV电压等级的母线一般选用硬母线。
B、按导体上长期发热允许工作电流选择
式中K?
与实际环境温度和海拔有关的综合校正系数,
?
在额定环境温度θ0+25oC时导体允许电流,?
导体所在回路中的最大持续工作电流,
修正温度系数为:
选择单条125×20矩形铝导体（平放）,长期允许载流量为4126A,
即10.5kV母线可选125×20矩形铝导体（平放）,能满足要求。
C、热稳定校验
短路热稳定决定的导体最小截面为,则有:
式中?
?
周期分量等值时间
?
?
非周期分量等值时间
?
?
短路稳定电流
短路电流切除时间大于1s,因此不计非周期分量。
经查表,C87,取4s,7.4205kA
而所选导体截面1250mm2,能满足热稳定校验。
D、动稳定校验
对单条矩形导体而言,导体最大相间应力应小于导体材料允许应力,即。
导体材料允许应力:
硬铝7×106Pa。
选单条125×10矩形铝导体（平放）,母线垂直布置,绝缘子跨距L1.2m,相间距a0.75m,两端固定跨距时取频率系数3.56,铝导体材料的弹性模量E7×1010Pa。
铝的密度为ρAl2710kg/m3,那么
单位铝导体的质量为:
mh×b×ρAl0.125×0.01×27103.39（kg）
导体截面惯性距0.01×0.1253/121.63×10-6（m4）
导体自振频率:
f454（Hz）155（Hz）
动稳定应力系数β≈1,单位长度导体上所受相间电动力为:
1.73×10-7（60.4×103）2/
导体的截面系数W,在三相系统平行布置时,对于长边为h,短边为b的矩形导体,当长边呈水平布置,每相为单条时,W取值为bh2/6,那么
（m3）
母线相间应力2.34×106（Pa）7×106（Pa）
可见,选单条125×20矩形铝导体（平放）,能满足动稳定校验。
2、断路器、隔离开关的选择
断路器的选择条件:
额定电压和额定电流:
额定开断电流:
极限通过电流峰值:
短路热稳定和动稳定校验:
隔离开关的选择条件:
额定电压和额定电流:
短路热稳定和动稳定校验:
A、220KV断路器和隔离开关的选择
额定电压:
最大持续工作电流:
短路电流:
IK51400A
短路电流热效应:
①初选断路器为:
LWSFMT-220
,,
,
满足热稳定和动稳定要求。
②初选隔离开关为:
GW4-220型隔离开关
,,
,
满足热稳定和动稳定要求。
B、110kV侧断路器和隔离开关的选择
额定电压:
最大持续工作电流:
短路电流:
短路电流热效应:
①初选断路器为:
LW6-110I
,,
,,
满足热稳定和动稳定要求。
②初选隔离开关为:
GW4-110D/600
,,
,
满足热稳定和动稳定要求。
C、10.5kV侧断路器和隔离开关的选择
额定电压:
最大持续工作电流:
短路电流:
短路电流热效应:
①初选断路器为:
GN30-10
,,
,,
满足热稳定和动稳定要求。
②初选隔离开关为:
GW4A-10.5
,,
,
满足热稳定和动稳定要求。
3.电抗器选择计算
3.4.1额定电压、额定电流的选择
设表示限流电抗器的额定电压,表示限流电抗器安装处电网电压,表示限流电抗器的额定电流,表示限流电抗器所在回路的最大持续工作电流。
因为而
所以选择的限流电抗器的额定电压
因为,而
所以选择的限流电抗器的额定电流
不妨取3.4.2电抗百分值的选择
设限流电抗器将所在回路的短路电流限制到,则电源至电抗器后的总电抗
而电源至要装设的电抗器前的总电抗标幺值
所以电抗器的电抗标幺值
电抗器在其额定参数下的电抗百分值
不妨取
拟选NKL-10-2500-10型限流电抗器,其参数如下:
额定电压（kV）额定电流（A）电抗（%）动稳定电流峰值（kA）热稳定电流（kA）
10.52500106494（1s）
3.4.3热稳定校验
所以满足热稳定条件。
3.4.4动稳定校验
所以满足动稳定条件。
综上,选择的电抗器满足要求。
4、电气设备选择结果
将上述设备整理在如下附表2中。
附表2:
电气设备选择表
电
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