发电厂电气部分课程设计总.docx
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发电厂电气部分课程设计总
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长沙理工大学继续教育学院
课
程
设
计
220KV降压变电所的设计
设计任务书
一电气主接线设计
1.1电气主接线设计
1.2电气主接线设计的基本原则
1.3电气主接线的基本要求
1.4主接线的设计步骤
1.5方案选择
1.6主变压器的选择
二所用电设计
2.1所用电设计原则
2.2所用电设计的方法及步骤
2.3所用变压器的选择
三短路电流计算
3.1短路电流计算的目的、规定及步骤
3.2短路电流计算方法
四主要电气设备选择
4.1选择设计的一般规定
4.2电气设备的选择
五配电装置设计
5.1配电装置的特点及要求
5.2配电装置的净距
5.3本次变电所的220KV屋外配电装置
六主变保护设计
6.1变压器保护的配置原则
6.2变压器瓦斯保护装置及整定
6.3变压器电流速度保护
6.4变压器纵联差动保护
6.5变压器相间后备保护配置原则及接线
结论
参考文献
摘要：
随着电力行业的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供电稳定性、可靠性和持续性，然而电网的稳定性、可靠性和持续性往往取决于变电所的合理设计和配置。
一个典型的变电站要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。
出于这几方面的考虑，本文针对220KV变电所的特点，设计了一个220KV中间变电站，此变电站有三个电压等级，分别为220KV、110KV、35KV。
同时对变电所内的主设备进行合理的选型。
本设计选择三台主变压器，其他设备如断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、无功补偿装置和继电保护装置等也按照具体要求进行选型、设计和配置，力求做到运行可靠、操作简单、方便、经济合理，具有扩建的可能性和改变运行方式时的灵活性，使其更加贴合实际，更具现实意义。
关键词：
降压变电所；供配电；设计方法。
前言
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。
电能的发、变、送、配和用电，几乎是在同一时间完成的，需随时保持功率平衡。
要满足国民经济的发展要求，电力工业必须超前发展，这是世界电力工业发展规律，因此，做好电力规划，加强电网建设，就尤为重要。
变电所作为电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用，对其进行设计势在必行，合理的变电所不仅能充分地满足当地的供电要求，还能有效地减少投资和资源浪费。
一电气主接线设计
变电所电气主接线是电力系统接线的主要组成部分。
它表明了发电机、变压器的线路和断路器等电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输配电的任务。
它的设计直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
由于电能生产的特点是：
发电、变电、输电和用电是在几乎同一时间完成的，所以主接线设计的好坏，也影响到工农业生产和人民生活。
因此，主接线的设计是一个综合性的问题，必须在满足国家有关技术经济政策的前提下，力争使其技术先进、经济合理、安全可靠。
1.1电气主接线的设计原则
1.1.1合理的确定发电机的运行方式
确定发电机运行方式综的原则是安全、经济的发、供电。
承担基荷的发电机，要求设备利用率高，年利用小时在5000h以上；承担要荷的发电机、设备利用小时数为3000~5000h；承担峰荷的发电机，设备利用小时数在3000h以下。
对具体发电厂来说，则视其工作特性而有所不同。
由于核电运行费用低，200MW及以上的大型汽轮发电机热效率高，供热式发电机按热负荷曲线工作，径流式水电厂设有库容，所以都应先担任基本负荷。
1.1.2电气主接线的重要性
1电气主接线图是电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据，因此电气运行人员必须熟悉变电所电气主接线图，了解电路中各种电气设备的用途、性能及维护、检查项目和运行操作的步骤等。
2电气主接线表明了发电机、变压器、断路器和线路等电气设备的数量。
规格、接线方式及可能的运行方式。
电气主接线直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定。
3由于电能生产的特点是：
发电、变电、输电和用电几乎是在同一时刻完成的，所以主接线的好坏，直接关系着电力系统的安全、稳定、灵活及经济运行，也直接影响到工农业生产和人民生活。
1.1.3接线方式
1对于6~220KV电压配电装置的接线，一般分为两大类；其一为母线类，包括单母线、单母线分段、双母线、双母线分段和增设旁路母线的接线；其二为无母线类，包括单元接线、桥形接线和多角形接线等。
应视电压等级和出现回数酌情选用。
2旁路母线的设置原则
（1）采用分段单母线或双母线的110~220KV配电装置，当断路器不允许停电检修时，一般需设置旁路母线，因为110~220KV线路输送距离较长、功率大，一旦停电影响范围大，且断路器检修时间长（平均每年月5~7天），故设置旁路母线为宜。
对于屋内型配电装置或采用SF6断路器、SF6全封闭断路器配电装置，可不设旁路母线。
主变压器的110~220KV侧断路器，宜接入旁路母线，当有旁路母线时，应首先采用分段断路器或母联断路器兼做旁路断路器的接线。
当220KV出线为5回线以上、110KV出线为7回及以上时，一般装设专用的旁路断路器。
（2）35~60KV配电装置中，一般不设旁路母线，因重要用户多为双回路供电，且断路器检修时间较短，平均每年2~3天。
如线路断路器不允许停电检修时，可设置其他旁路设施。
（3）6~10KV配电装置，可不设旁路母线。
对于出线回路数多或多线路向用户单独供电，以及不允许停电的单双母线、分段单母线的配电装置，可设置旁路母线。
采用双母线的6~10KV配电装置不设旁路母线。
对于变电所的电气主接线，当能满足运行要求时，其高压侧尽量采用断路器较少或不用断路器的接线，如线路—变压器组或桥形接线等。
若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。
在110~220KV配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥形接线。
在枢纽变电所中，当110~220KV出线在4回及以上时，一般采用双母线接线。
在大容量变电所中，为了限制6~10KV出线上的短路电流，一般可采用下列措施：
1变压器分列运行。
2在变压器回路中装置分裂电抗器或电抗器。
3采用低压侧为分裂绕组的变压器。
4出线上装设电抗器
1.2设计主接线的基本要求
在设计电气主接线时，应使其满足供电可靠、运行灵活和经济性等基本要求。
衡量主接线运行可靠性的标志：
（1）断路器检修时，能否不影响供电
（2）线路、断路器或母线故障时，以及母线检修时，停运出回路数的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。
（3）发电厂、变电所全部停运的可能性。
（4）对大机组超高压情况下的电气接线，应满足可靠性准则的要求。
1.3电气主接线的设计方法
1.3.1经济计算方法：
经济计算式从国民经济整体利益出发，计算电气主接线各个比较方案的费用和效益，为选择经济上的最优方案提供依据。
在经济比较中，一般有投资和年运行费用两大项。
计算时，可只计算各方案不同部分的投资和年运行费用。
1.3.2静态比较法
抵偿年限法：
我国长期沿用至今的抵偿年限法，就是静态法的一种，这种计算方法比较简便，不考虑投资时间对经济效果的影响，它以设备、材料和人工等的经济价值固定不便作为前提，认为经济价值与时间无关，是静态的。
1.3.3动态比较法
这种方法主要考虑在经济分析中，一货币的经济价值随时间而经常改变为基础。
各种费用都在随市场供求关系，随时间不同而异，对建设期中的电力设施投资、运行期的年运行费用和效益都要考虑时间因素，各种费用的支付时间不同，发挥的效益不同。
所以对不同方案进行经济比较时，必须在同等可比的条件下方能进行。
按照我国电力工业的《电力工程经济分析暂行条例》规定，采用“最小年费用法”进行动态经济比较。
以年费用最小来确定最优方案。
1.4主接线的设计步骤
1.4.1设计步骤
（1）拟定可行的主接线方案：
根据设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，拟定出若干可行方案，内容包括主变压器的型式、台数和容量，以及各级电压配电装置的接线方案接线方式等，并依据对主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰一些比较差的方案，保留2—3个技术上相当的较好的方案。
（2）对2—3个技术上比较好的方案进行经济计算，选择出经济上的最佳方案
（3）技术、经济比较和结论：
对2—3个方案进行全面的技术、经济比较，确定最优主接线方案。
（4）电气主接线可靠计算；绘制主接线单线图。
电气主接线一般按正常运行方式绘制，采用全国通用的图形符号和文字代表，并将所用设备的型号、发电机主要参数、母线及电缆截面等标注在单线图上。
单线图上还应标示出电压互感器、电流互感器、避雷器等设备的配置及以此接线方式，以及主变压器接线组别和中性点的接线方式等。
1.5方案设计
1.5.1方案二220KV侧线4回进线，采用双母线接线，110KV侧出线11回，采用双母线带旁路母线接线，35KV侧出线12回，采用单母线分段接线。
。
1优点：
（1）母线经断路器分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电。
（2）一段母线故障时，仅停故障段工作，非故障段仍可继续工作。
（3）经济性好，线路的切除和投入比较方便，当线路发生故障时，紧故障线路断路器跳开，仅停该线路，其他3个回路仍可继续工作。
（4）可以轮流检修母线，而不中断对用户供电。
（5）当一组母线故障时，仍然造成接于该母线上的支路停电，但可以迅速切换至另一组母线上的回复工作，从而减少了停电时间。
（6）对隔离开关可进行不停电检修，对断路器也可作不停电检修。
2缺点：
（1）当一段母线或母线隔离开关故障检修时，接在该母线上的电源和出线在检修期间必须全部停电。
（2）任一回路的断路器检修时，该回路必须停止工作。
（3）变压器的投入和切除操作性比较复杂。
（4）倒闸操作比较复杂，经济性比较差，容易导致误操作。
（5）工作母线故障时或外部故障而出现断路器拒动作时，接在该母线上的所有回路要短时停电，母联断路器故障时，要导致两组母线停电，检修出线断路器是，该回路要短时停电。
1.6主变压器的选择
主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是大容量、高电压的配电装置的投资也大。
因此主变压器的选择对发电厂、变电所的技术经济性影响很大。
例如，大型发电厂高、中压联络变压器台数不足或容量不足将导致电站、电网的运行可靠性下降，联络变压器经常过载或被迫限制两极电网的功率交换。
反之，台数过多、容量过大将增加投资并使配电装置复杂化。
1.6.1主变压器台数的确定
变压器本身的可靠性高，偶然性的故障也多发生于箱体外部，易于排除，因此一般不考虑主变压器的明备用，仅在使用单相变压器组较多时考虑设备用相。
变压器单台容量可以做的很大，由于单位容量的造价（元KVA）随单台容量的增加而下降，因此减少变压器台数，提高单台容量可以降低变压器本体投资，由于变压器台数的减少，与之配套的电气设备相应减少，并使配电装置结构简化，布置清晰（减少交叉），占地面积、施工工作量也随之减少从而取得了显著的技术经济效应。
1.6.2主变压器容量的确定
综上所述，在选择主变压器的容量时，采用的基本原则是：
在电力系统正常运行与检修状态下，以具有一定持续时间的日负荷选择主变压器的额定容量，日负荷持续时间很短的部分，可由变压器的过载满足。
并联运行的主变压器以暗备用形式相互作为事故备用，只要求短时保持原有总传输容量并应记及变压器的短时过负荷能力。
主变压器检修时间间隔长、检修时间较短，合理做好检修于运行调度。
1.6.3变压器与三绕组自偶变压器的使用条件
当发电机油两级生高电压（高电压与中压）时，往往使用三绕组变压器作为联络变压器，其主要作用是实践高、中压的联络。
其低压绕组接成三角形抵消三次谐波分量，同时可以提供备用厂用电源或接入发电机。
当中压为中性点非直接接地电网时，只能使用普通三绕组变压器。
由于自偶变压器的形式容量小于额定容量，因此其消耗的铜线。
钢片及绝缘材料较相同容量普通变压器少，运行损耗也小。
由于尺寸与重量下降使之单台容量可以做的很大，减轻运输困难。
自偶变压器只能用于高、中压中性点均有效接地的电网，即只能用于220KV及以上的发电厂，由于其阻抗小，它可能使短路电流增加，使低电压等级电网断路器断流容量不足并对通信造成干扰，应经计算决定。
1.6.4选用的主变压器
已知：
110KV侧负荷：
MWCOSΦ=0.85
35KV侧负荷：
31~47MWCOSΦ=0.85
最大负荷运行方式下：
160+47=207MW
两台变压器故障时，另一台承担60%-70%
207X65%=134.55MW
型号
额定容量mw
额定电压kv
空载电流%
空载损耗kw
负载损耗kw
阻抗电压%
OSFPS
180
220~
（2）11537.5
0.23
85
530
1211.318.1
二变电所用电设计
2.1变电所用电设计原则
2.1.1所用负荷分类
按其负荷的重要性一般可分以下四类：
（1）保安负荷
在事故停机过程中及停机后的一段时间内，仍应保证供电，否则可能引起主要设备的损坏、重要的自动控制失灵或危及人身安全的负荷，称为事故保安负荷。
根据对电源要求的不同，又可分下列三种：
1）流保安负荷。
由蓄电池组供电，如发电机组的支流润滑油泵等。
2）交流不停电保安负荷。
一般由接于蓄电池组的逆变装置供电，如实时控制用电子计算机。
3）短时停电的交流保安负荷。
平时由交流厂用电供电，失去厂用工作电源和备用电源时，交流保安电源应自动投入，如200MW及以上机组的盘车电动机。
（2）Ⅰ类负荷
短时（手动切换恢复供电所需的时间）的停电可能影响人身或设备的安全，是生产停顿或发电量下降的负荷。
如给水泵、凝结水泵等。
对Ⅰ类负荷必须保证自启动，并应由2个独立电源的母线供电，当一个电源失去后，另一个电源应立即自动投入。
（3）Ⅱ类负荷
允许短时停电，但停电时间过长，有可能损坏设备或影响正常生产的负荷。
如工业水泵、输水泵等。
对Ⅱ类负荷，应有两个独立的电源的母线供电，一般采用手动切换。
（4）Ⅲ类负荷
长时间停电不会直接影响生产的负荷。
如中央修配厂、实验室等的用电设备。
对Ⅲ类负荷，一般由一个电源供电。
2.1.2设计的一般原则
（1）对变电所用电设计的要求
所用电设计应按照运行、检修和施工的需要，考虑全厂发展规划，积极谨慎地采用经过试验鉴定的新设备和新技术。
使设计达到技术先进、经济合理。
（2）所用电电压
高压所用电一般采用6KV，经技术经济比较合理时，也可采用3KV电压。
低压所用电采用380220V的三相四线制系统。
（3）所用母线接线方式
高压所用电力系统应采用单母线。
低压所用电系统应采用但母线接线。
当公用负荷较多、容量较大、采用集中供电方式合理时，可设立公用母线，但应保证重要公用负荷的供电可靠性。
2.1.3设计的一般要求
所用电接线初应满足正常运行的安全、可靠、灵活、经济和检修、维护方便等一般要求外，尚应满足下列特殊要求：
（1）尽量缩小所用电系统的故障影响范围，并应尽量避免引起全所停电事故。
（2）充分考虑变电所正常、事故、检修、启动等运行方式下的供电要求。
切换操作简便。
（3）分期扩建或连续施工。
对公用负荷的供电，要结合远景规模统筹安排。
2.2所用电设计的方法及步骤
2.2.1设计步骤
（1）确定所用高压和低压电压等级。
（2）选择全所用电接线，并确定所用工作电源、备用电源或启动电源、交流保安的引接方式。
（3）统计和计算各段所用母线的负荷。
（4）选择所用变压器（电抗器）。
（5）所用电系统短路电流计算。
（6）选择所用电气设备。
（7）绘制所用电接线图。
2.3所用变压器的选择
所用电占负荷的0.5%
所用变容量：
207X0.5%=1.035mw
查表3—6
型号及容量（KVA）
低压侧额定电压（KV）
连接组
损耗（KW）
阻抗电压（%）
空载电压（%）
总重（t）
参考价格（万元）
综合价格（万元）
空载
短路
SJL1—800
6.3
Y△—11
1.7
11.5
5.5
1.9
2.73
1.18
1.34
三短路电流计算
所谓短路是指相与相之间通过电弧或其它较小阻抗的一种非正常连接，在中性点直接接地系统中或三相四线系统中，还指单相和多相接地。
产生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。
3.1短路计算的目的、规定和步骤
3.1.1短路电流计算的目的
（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需要进行必要的短路电流计算。
（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠的工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
例如：
计算某一时刻的短路电流有效值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用于校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用于校验设备的动稳定。
（3）在需按短路条件设计屋外高压配电装置时，校验软导线的相间和相对地的安全距离。
（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
（5）按地装置的设计，也需用短路电流。
3.1.2短路电流计算的一般规定
（1）计算的基本情况：
1）所有电源均在额定负荷下运行；
2）所有同步发电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
3）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
4）所有电源的电动势相位角相同；
5）应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。
对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
（2）接线方式：
短路电流时所用的接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
（3）计算容量：
应按本工程设计计划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑本工程建成后5~10年）。
（4）短路种类：
一般按三相短路计算。
若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自偶变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况的进行校验。
（5）计算点：
在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。
对于带电抗器6~10KV出线与厂用分支回路，在选择母线至母线隔离开关之间的引线、套管时，短路计算点应该取在电抗器前。
选择其余的导体和电气时，短路计算点一般取在电抗器后。
3.1.3短路电流计算步骤
在工程建设中，短路电流的计算通常采用使用曲线法。
（1）选择计算短路点。
1）首先去掉系统中的所有符合分支、电路电容、各元件的电阻，发电机电抗用暂态电抗Xd
2）选取基准容量Sb和基准电压Ub（一般取各级的平均电压）。
3）将各元件电抗换算为同一基准值的标幺值的标幺电抗。
（2）绘出等值网络图，并将各元件电抗同一编号。
（3）化简等值网络，为计算不同短路点的短路电流值，需要等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗Xnd。
（4）求计算电抗Xjs。
（5）由运算曲线查出各电源供给的短路电流周期分量标幺值（运算曲线只做到Xjs=3.5）。
（6）计算无限大容量（或Xjsv≥3）的电源供给的短路电流周期分量。
（7）计算短路电流周期分量有名值和短路容量。
（8）计算短路电流冲击值。
（9）计算异步电动机供给的短路电流。
（10）绘制短路电流计算结果表。
3.2短路电流计算方法
3.2.1幺值换算
在实际电力系统中，各元件的电抗标示方法不统一，基值也不一样。
如发电机电抗，厂家给出的是以发电机额定容量Sn和额定电压Un为基值的标幺电抗值X“d；变压器的电抗，厂家给出的是短路电压百分值Ud（%）；而输电线路的电抗，通常是用有名值表示的。
为此，短路计算的第一步是将各元件电抗换算为同一基值的标幺电抗。
3.2.2值变换与简化
在工程计算中，常采用以下方法简化网络
（1）网络等值交换
等值交换的原则，是在网络表换前后应使未被变化的部分的状态（电压和电流分布）保持不变。
（2）利用网络的对称性化简网络
在网络化简中，常遇到短路点对称的网络，利用对称关系，并依照下列原则可使网络简化。
（3）对电位相等的节点，可直接相连。
（4）等电位节点之间的电抗可短接后除去。
（5）并联电源支路的合并。
（6）分裂电源和分裂短路点。
在网络化简中，可将一个连在电源点上各支路拆开，拆开后的各支路电抗，分裂接于与原来电势相等的电源点上，其支路电抗值不变。
同样，也可以接于短路点的各支路拆开。
拆开后各支路仍带有原来的短路点。
（7）等值电源的归并
在工程计算中，为进一步简化网络，减少计算工作量，常将短路电流变化规律相同或相似的电源，归并为一个等值电源，归并的原则是：
距短路点电气大致相等的同类型发电机可以合并；至短路点的电气距离较远的同一类型或不同类型的发电机也可以合并；直接接于短路点的发电机一般予以单独计算；无限大功率的电源应单独计算。
3.2.3短路电流周期分量的计算
（1）求计算电抗Xjs
Xjs是将各电源与短路点之间的转移电抗Xnd归算到以各供电电源（等值发电机）容量为基值的电抗标幺值。
可用下式归算：
Xjs=XmdSn.mSb
式中Sn.m——为第m个电源等值发电机的额定容量（MVA）；
Xmd——为第m个电源与短路点之间的转移电抗（标幺值）；
Xjs——为第m个电源至短路点的计算电抗。
由无限大容量电源供给的短路电流，或计算电抗Xjs》3时的短路电流，可以认为其周期分量不衰减。
短路点编号
基值电压Ub（kv）
基值电流Ib（Ka）
支路名称
支路计算电抗Xjs
额定电流InKA
0S短路电流周期分量
稳态短路电流
0.2S短路电流
短路电流冲击值ich
全电流最大有效值Ioh
短路容量S〃
标幺值I″*
有名值I″
标幺值I∞*
有名值I∞
标幺值I0.2*
有名值I0.2
公式
SbUb
Ib×SnSb
I″*In
I∞*In
I0.2*In
2.55~2.7
I″
1.52~1.62I″
I″Un
d-1
230
0.25
220kv侧
4
0.25
4
1
4
1
4
1
2.55
1.52
579.18
d-2
115
0.5
110kv侧
3.03
0.5
3.03
1.52
3.03
1.52
3.03
1.52
3.88
2.31
289.59
d-3
37
1.56
35KV侧
2.62
2.62
4.09
2.62
4.09
2.62
4.09
2.62
10.43
6.22
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