火力发电厂电气一次部分设计方案(参考).doc
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4×200MW火力发电厂电气一次部分设计
Designof4x200MWThermal Power PlantPrimarySystem
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起止日期：
30/35
摘要
由发电、配电、输电、变电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。
火力本文主要完成了电气主接线的方案设计及其经济型分析，主要电气设备的选择，包括主变压器的容量计算。
在发电厂短路电流计算的基础上，进行配电装置的选型方案的设计。
回路。
在火力发电厂电气部分设计中，一次回路的设计是主体，它是保证供电可靠性、经济性和电能质量的关键，并直接影响着电气部分的投资。
本文主要完成了电气主接线的方案设计及其经济型分析，主要电气设备的选择，包括主变压器的容量计算。
在发电厂短路电流计算的基础上，进行配电装置的选型方案的设计。
关键词：
发电厂；电气主接线；电气设备
目录
摘要II
第1章绪论1
1.1电力工业的发展简况1
1.2发电厂预设规模1
1.3发电厂接入系统的原则2
第2章电气主接线设计3
2.1概述3
2.1.1电气主接线设计的基本要求3
2.1.2220kV电压等级常用接线方式3
2.2拟定可行的主接线方案4
2.2.1方案一4
2.2.2方案二4
2.2.3方案的比较与选定5
2.3变压器的选型5
第3章火电厂厂用电接线的选择6
3.1概述6
3.1.1方案的比较与选定6
3.1.2厂用电的电压等级6
3.1.3厂用电系统中性点接地方式6
3.1.4厂用电源及其引接8
3.2厂用电系统的设计及确定8
第4章短路电流的计算10
4.1概述10
4.2短路电流计算条件10
4.2.1短路计算的基本假定10
4.2.2短路计算的一般规定11
4.3短路计算11
4.3.1画等值网络图11
4.3.2化简等值网络图，求短路电流13
4.3.3短路计算结果20
第5章电气设备的选择与校验21
5.1电气设备选择的概述21
5.1.1一般原则21
5.1.2有关的几项规定21
5.1.3按额定电压选择的要求22
5.1.4按额定电流选择的要求22
5.1.5短路热稳定校验的要求22
5.1.6校验动稳定校验的要求22
5.2电气设备的选择与校验22
5.2.1回路最大持续工作电流的确定22
5.2.2高压断路器的选择与校验23
5.2.3隔离开关的选择与校验25
5.2.4导体的选择与校验26
结论30
参考文献31
致谢32
第1章绪论
由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置<主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。
由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。
因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。
据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。
1.1电力工业的发展简况
随着我国电力事业迅猛发展，工程规模在不断扩大，所采用的电气设备在不断更新换代。
通过具体实践摸索及不断总结、积累和丰富了很多宝贵的运行经验和设计经验。
自九十年代起，我国陆续修订了所有的规程和规范，电气标准全面向IEC标准靠拢，并等效地被采用。
从1982年起，分十几批淘汰了大量的落后机电产品，多次整顿生产秩序，加强了对电气产品的质量管理，努力缩小了发达国家的差距，引进和开发了具有国际先进水平的电气设备。
二十多年来我们无论是在设计标准、设计依据和设计方法上，还是在设计所选用的先进技术和设备上都有了腾飞性的发展。
随着对大中型水电站推广“无人值班、少人值守”的运行方式，电站的自动化水平越来越高，要更广泛地采用高水准的设备，相应地对厂用电系统设计和厂用设备选型上也提出了更高的要求。
1.2发电厂预设规模
1．厂址简况：
本厂为坑口电厂，所有燃料由煤矿直接供给。
电厂生产的电能除用于厂用外，全部220kV线路送入周边系统。
厂区地势较不平坦，地质条件好，有新的公路、铁路通向矿区，交通方便。
厂址附近有大河通过，水量丰富，冻土层1.5M深，覆冰厚10mm；最大风速20m/s；年平均温度+6℃，最高气温+38℃，最低气温-36℃，土壤电阻率>500。
2．机组参数：
锅炉：
4HG-670/140-1
汽机：
2N200-130/535/535
发电机：
4QFQS-200-2
3．电力系统接线图，如图1-1。
图1-1电力系统接线图
1.3发电厂接入系统的原则
在拟定发电厂接入系统的方案时，应明确该厂规划装机容量、单机容量、送电方向、功率、供电距离及在电力系统中的地位和作用，对于不同规模的发电厂及发电机组，应根据在系统中的地位，接入相应电压等级的电力网。
在负荷中心的中小发电厂，在发电机端设立母线，发电机经母线及升压变压器接入系统；对远离负荷中心的火力发电厂，应直接接入高压主网。
单机容量为100~125MW的机组，当系统有稳定性要求时，应直接升压接入220kV电力网；单机容量为500MW及以上的机组，一般直接升压接入500kV电力网[1]。
本次设计中要求将电厂生产的电能除厂用电外，全部送入系统，根据发电厂接入系统的原则，预设4台发电机组全部升压接入220kV电力网。
第2章电气主接线设计
2.1概述
2.1.1电气主接线设计的基本要求
电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，它反映各设备的作用、连接方式和回路的相互关系。
所以，它的设计直接关系到全厂电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护、自动装置和控制方式的确定，对电力系统的安全、经济运行起着决定的作用。
概括地说包括以下五个方面：
[2]
1．可靠性；
2．灵活性；
3．经济性；
4．操作应尽可能简单、方便；
5．应具有扩建的可能性；
2.1.2220kV电压等级常用接线方式
220kV电压级常用接线方式及适用范围总结见表2-1。
表2-1220kV电压级常用接线方式及适用范围
电压
接线方式
适用范围
220
双母线或单母线
采用SF6全封闭组合电器时，不设旁路措施；采用SF6断路器时，不宜设旁路措施；采用少油断路器出线在4回及以上时，采用带专用旁母断路器的旁路母线
双母线分段
安装200MW及以下机组，电厂容量在800MW及以上，进出线10~14回；采用双母线双分段配置困难的配电装置
双母线双分段
安装200MW及以下机组，电厂容量在1000MW及以上，进出线15回及以上
2.2拟定可行的主接线方案
2.2.1方案一
采用双母线分段接线方式，将双回路分别接于不同的母线段上，可缩小母线故障的影响范围，主接线形式见图2-1。
图2-1方案一接线图
2.2.2方案二
采用双母线接线，断路器采用高可靠性的断路器。
主接线形式见图2-2。
图2-2方案二接线图
2.2.3方案的比较与选定
1．可靠性
方案一将双回路分别接于不同的母线段上，保证了系统的供电可靠性，减小了停电的几率，缩小了母线的故障范围。
方案二可以通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不至使供电中断。
在检修任意线路断路器时，该回路需短时停电。
断路器采用断路器，检修周期长，不需要经常检修减小了断路器检修停电的几率。
通过对比可见，可靠性方面方案一的可行性稍高于方案二。
2．经济性
方案一多装了价高的断路器及隔离开关，投资增大，占地面积增加。
方案二设备相对少，投资小，年费用小，占地面积相对较小。
通过对比可见，经济性方面方案二的可行性明显优于方案一。
通过对实际情况的分析，方案二在可靠性上略低于方案一，但断路器采用SF6断路器，它的检修周期长，不需要经常检修。
这样就可以减小了断路器检修停电的几率。
在经济性上，方案二明显高于方案一，因而综合考虑选择方案二。
2.3变压器的选型
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很大。
因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。
本次设计中变压器均为单元接线形式，单元接线时变压器容量应按发电机的额度容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。
<2-1）
式中—发电机容量，为200MW；—通过主变的容量；
—厂用电，为8%；—发电机的额定功率，为0.85。
发电机的额定容量为200MW，扣除厂用电后经过变压器的容量为：
选定三相风冷自然循环双绕组无励磁调压变压器，型号为：
，参数为。
第3章火电厂厂用电接线的选择
3.1概述
发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量由电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备和输煤、碎煤、除灰、除尘及水处理等辅助设备的运行。
这些电动机及全场的运行、操作、实验、检修、照明等用电设备等都属于厂用负荷。
总的耗电量，统称为厂用电。
厂用电的可靠性，对电力系统的安全运行非常重要。
提高厂用电可靠性的目的，是使发电厂长期无故障运行，不致因厂用电局部故障而被迫停机，为此必须认真考虑合理厂用供电电源的取得方式、工作电源和接线方式。
3.1.1方案的比较与选定
发电厂厂用电系统接线通常采用单母线分段接线形式，并多以成套配电装置接受和分配电能。
火电厂的厂用负荷容量较大，分布面较广。
其用电量约占厂用电量的60%以上。
为了保证厂用电系统的供电可靠性与经济性，且便于灵活调度，一般都采用“安炉分段”的接线原则，厂用负荷在各段上应尽量分配平均，且符合生产程序要求。
全厂公用性负荷应适当集中，可设立公用厂用母线段低压380/220V厂用电的接线，对于大型火电厂，一般宜采用单母线分段接线，即按炉分段，对于中小型电厂，则根据工程具体情况，厂用低压负荷的大小和重要程度，全厂可只分2—3段，仍采用低压成套配电装置供电[3]。
本次设计中装机容量为4×200MW，属于大中型发电厂，依据上述原则，确定厂用电接线形式采用单母线分段接线，按炉分段。
3.1.2厂用电的电压等级
发电厂中一般采用的低压供电网络电压为380/220V；高压供电网路电压有3、6、10kV。
为了简化厂用电接线，且使运行维护方便，电压等级不宜过多。
对于火电厂当发电机容量在60MW及以下，发电机电压为10.5kV时，可采用3kV作为厂用高电压；当发电机容量在100—300MW时，宜选用6kV作为厂用高电压；当发电机容量在300MW以上时可采用3kV、10kV两种电压[5]。
本次设计单机容量为200MW，因此采用6kV作为厂用高压供电网路，380/220V作为厂用低压供电网络。
3.1.3厂用电系统中性点接地方式
高压厂用电系统及低压厂用电系统的中性点接地方式及其特点、适用范围详见表3-1。
表3-1厂用电系统中性点接地方式
类别
中性点接地方式
特点
适用范围
高压
中性点不接地
单向接地电容电流<10A时，允许继续运行2h
接地电容电流小于10A的高电压厂用电系统
高电阻接地（二次侧接电阻的配电变压器接地>
选择适当电阻值，可抑制单相接地故障时健全相的过电压倍数≤2.6倍相电压，避免扩大故障
接地电容电流<10A，需要降低间歇性电弧接地过电压水平和便于寻找故障点的情况
消弧线圈接地
按不同保护方式对灵敏度和选择性的要求，在中性点接低值电阻，将单相接地故障电流加大至100~600A，接地保护动作于跳闸
接地电容电流大于10A的场合
低压
中性点直接接地
网络比较简单，动力、照明和检修网络可以共用；单相接地故障时，中性点不发生位移，相电压不会出现不对称和超过250V；保护装置立即动作于跳闸，厂用电动机停运
原有低压厂用电系统为中性点直接接地的扩建厂及主厂房外Ⅱ、Ⅲ类负荷辅助车间供电网络；125MW及以下机组；低压不采用熔断器的供电系统
高电阻接地
单相接地故障时，避免开关立即跳闸和电动机停运；防止了熔断器一组熔断造成电动机两相运转；需设接地故障检测和保护装置；要安装专用的照明、检修变压器
200MW及以上机组主厂房
由上表可以看出，中性点不接地方式适用于接地电容电流小于10A的高电压厂用电系统。
而200MW及以下机组的高压厂用电系统中，电容电流一般不会大于5~10A，所以传统上一直采用不接地系统，而且这种接地方式较简单，接线也方便，因而本次设计中高压厂用电系统采用中性点不接地方式。
DL500《火力发电厂设计技术规程》中规定“主厂房内的低压厂用电系统宜采用高电阻接地方式，也可采用中性点直接接地方式。
”结合上表中，200MW及以上机组主厂房适宜采用高电阻接地，因而本次设计中低压厂用电系统采用中性点经高电阻接地方式。
3.1.4厂用电源及其引接
火力发电厂厂用电源分为工作电源和备用工作电源，厂用电源的引接方式见表3-2。
表3-2厂用电源的引接方式
电气接线
厂用工作电源
厂用备用、启动/备用电源
高压
低压
高压
低压
发电机—变压器组
引自升压变压器低压侧
引自对应的高压厂用母线
引自升压站最低电压级母线或联络变压器低压绕组，也可由外部电网引接专用线路
引自高压厂用母线或启动/备用变压器
有发电机电压母线
引自连接该机组的发电机电压母线
引自高压厂用母线或发电机电压母线
引自发电机电压母线或升压站母线
引自高压厂用母线或发电机电压母线
本次设计中电气接线为发电机—变压器组形式，升压电压级仅220kV一级，因而确定厂用高压工作电源引自升压变压器低压侧，高压备用启动电源引自220kV母线，低压工作电源与备用电源分别引自对应的高压厂用母线。
3.2厂用电系统的设计及确定
本厂用电系统共设4台高压厂用变压器，根据厂用备用电源数量的设置原则，3台以上200MW机组一般每两台机组设一台启动/备用变压器，因而共设置两台启动/备用变压器。
厂用电源及其启动/备用电源的引接已在主接线图中标明。
图中显示为两台变压器及一台启动/备用变压器，其余两台不再绘图说明。
图3-1厂用电接线
第4章短路电流的计算
4.1概述
电力系统运行有三种状态：
正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。
在供电系统的设计和运行中，还要考虑到可能发生的故障以及不正常运行情况。
对供电系统危害最大的是短路故障。
短路电流将引起电动力效应和发热效应以及电压的降低等。
因此，短路电流计算是电气主接线的方案比较、导体及电气设备的选择、接地计算以及继电保护选择和整定的基础。
短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。
如电力系统中，相与相之间的中性点直接接地系统中的相与地之间的短接都是短路。
为了保证电力系统的安全，可靠运行，在电力系统设计和运行分析中，一定要考虑系统等不正常工作状态。
造成短路的原因通常有以下几种：
1．导体及电气设备因绝缘老化、或遭受机械损伤，或因雷击、过电压引起的绝缘损坏。
2．架空线路或因大风或导线覆冰引起的电杆倒塌等，或因鸟兽跨界裸露导体等都可能导致短路。
3．电气设备因设计、安装、维护不良和运行不当或设备本身不合格引发的短路。
4．运行人员违反安全操作规程而误操作，如运行人员带负荷拉隔离开关，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等都会造成短路。
根据国外资料显示，每个人都有违反规程操作的意识。
5．其它原因，如输电线断线、倒杆、碰线、或人为盗窃、破坏等原因都可能导致短路。
4.2短路电流计算条件
4.2.1短路计算的基本假定
1．正常工作时，三相系统对称运行。
2．所有电流的电功势相位角相同。
3．电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。
4．短路发生在短路电流为最大值的瞬间。
5．不考虑短路点的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻略去不计。
6．不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流。
7．元件的技术参数均取额定值，不考虑参数的误差和调整范围。
8．输电线路的电容略去不计[7]。
4.2.2短路计算的一般规定
1．验算导体电器的动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统远景的发展计划。
2．选择导体和电器用的短路电流，在电器连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流影响。
3．选择导体和电器时，对不带电抗回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大地点。
4．导体和电器的动稳定、热稳定和以及电器的开断电流，一般按三相短路计算[9]。
4.3短路计算
选择流过所要校验的设备内部和载流导体的短路电流最大的短路点为短路计算点，本次计算中选取的短路点为发电机出口短路点d1、220kV母线短路点d2、厂用6kV高压母线短路点d3。
4.3.1画等值网络图
1．去掉系统中的所有负荷分支、线路电容和各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗。
2．计算网络中各发电机的基本参数见表4-1，各变压器的基本参数见表4-2。
表4-1发电机参数
型号
额定容量
额定电压
额定电流
功率因数
QFQS-200-2
200MW
15.75kV
8625A
0.85
14.44%
QFS-300-2
300MW
18kV
11320A
0.85
16.7%
TS1264/300-48
300MW
18kV
11000A
0.875
30.56%
表4-2变压器参数
型号
额定电压（kW>
短路阻抗（%>
SF10-240000
242/15.75
13
SF10-31500
15.75/6.3
9.8
SFP7-360000
242/18
14
本设计的系统的等值网络图如图4-1所示。
图4-1等值网络图
3．将各元件电抗换算为同一基准的标么电抗
取基准容量=100MVA，电压基准值为各段的平均额定电压，=242kV，=15.75kV，=6.3kV。
（1>4×200MW火力发电厂
发电机的电抗标幺值为
主变压器的电抗标幺值为
厂用高压变压器的电抗标幺值为
（2>系统、，即600MW火电厂
发电机的电抗标么值为
变压器的电抗标幺值为
（3>系统、，即600MW水电厂
发电机的电抗标么值为
变压器的电抗标幺值为
4.3.2化简等值网络图，求短路电流
为计算不同短路点的短路电流值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗。
1．d1点短路
（1>网络化简，求转移阻抗
如图4-2所示，将系统、合并为，、合并为，合并后的阻抗值为
图4-2d1点短路时网络化简图2
将、合并为，、合并为，如图4-3所示。
图4-3d1点短路时网络化简图3
，，，即为、、、对d1点的转移阻抗，，即为、对d1点的转移阻抗。
（2>求各电源的计算电抗
（3>查运算曲线查得
各电源0s短路电流标幺值为
；；
4s短路电流标幺值为
；；
（4>计算短路点短路电流
短路点总电流为
冲击电流为
<4-1）
式中—冲击系数，实际电路中，。
发电机机端取1.9，发电机经变压器后的高压母线和发电机机端母线的引出线的电抗器后取1.85，远离发电机时取1.8，低压电网取1.3；本次计算中短路点位于发电机经变压器后的高压母线，所以计算时取。
全电流为
稳态短路电流为
2．d2点短路
d2点短路时，其网络化简图如4-4所示。
图4-4d2点时短路网络化简图1
（1>求转移阻抗
将、、合并，得
系统、离短路点较远，可将它们合并为一个电源计算，电源合并后的网络简化图如4-5所示。
图4-5d2点短路时网络化简图2
如图4-6所示，将星形、、化成网形、、，即消去了网络中的中间节点，即为对d2点的转移阻抗，即为系统对d2点的转移阻抗。
对d2点的转移阻抗为
（2>求各电源的计算电抗
图4-6d2点短路时网络化简图3
（3>由计算电抗查运算曲线得各电源
0s短路电流标幺值为
；；
4s短路电流标幺值为
；；
（4>短路点总短路电流
冲击电流为
全电流为
稳态短路电流为
3．d3点短路
网络化简图如4-7所示。
图4-7d3点短路时网络化简图1
（1>求转移电抗
如图4-8所示，将星形、、、化成网形，只计算有关的转移阻抗、、。
图4-8d3点短路时网络化简图2
（2>求各电源的计算电抗
（3>由计算电抗查运算曲线得各电源0s和4s短路电流标幺值
当，各时刻短路电流相等，相当于无限大电源短路电流，可以用求得。
0s短路电流标幺值
；；
4s短路电流标幺值
；；
（4>短路点总短路电流为
冲击电流为
全电流为
稳态短路电流为
4.3.3短路计算结果
短路计算结果汇总于表4-3。
表4-3短路计算结果汇总表
短路点
基准电压（kV>
短路电流（kVA>
冲击电流（kVA>
稳态短路电流（kVA>
短路全电流（kVA>
d1
220
14.719
38.51
11.218
19.31
d2
15.75
115.77
311.7
78.94
187.4
d3
6.3
26.247
48.254
35.751
28.5
第5章电气设备的选择与校验
5.1电气设备选择的概述
导体和电器的选择设计，同样必须执行国家的有关技术政策，并应做到技术先进，经济合理，安全可靠，运行方便和适当的留有余地，以满足电力系统安全运行的需要，对导体和电器选择设计规定简述如下：
5.1.1一般原则
1．应满足正常运行，检修，短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。
2．应按当地环境条件检验。
3．应与整个工程的建设标准协调一致，尽量使新老电器型号一致。
4．选择导线时应尽量减少品种。
5．选用新产品应积极慎重，新产品应有可靠实验数据，并经主管部门鉴定合格。
5.1.2有关的几项规定
导体和电器应按正常运行情况选择，按短路条件验算其动稳定和热稳定，并按环境条件校核电器的基本使用条件：
1．在正常运行条件下，各回路的持续工作电流，应按有关规定进行计算。
2．验算导体和电器用的短路电流，按下列情况进行计算：
<1）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。
<2）在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。
<3）在变电所中，应考虑如果安有同步调相机时，应将其视作附加电源，短路电流的计算方法与发电机相同。
<4）对不带电抗器回路的计算短路点，应选择
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