2×200MW发电厂电气部分设计.docx
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发电厂电气部分课程设计
题目：
400MW火力发电厂
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摘要
电力工业是国民经济的重要行业之一，它既为现代化工业、农业、科学技术和国防提供必不可少的动力，且和广大人民群众的日常生活有着密切的联系，我国具有丰富的能源资源，发电厂是把各种天然能源，如煤炭、水能、核能等转换为电能的工厂，以满足人民生活的需要。
关键词:
断路器变压器母线
要求：
题目：
400MW火力发电厂电气部分设计
原始资料：
1.发电厂情况
装机两台，容量2x200MW，发电机额定电压15.75KV，cosφ=0.85，机组年利用小时数5500h，厂用电率5.5%，发电机主保护时间0.05s，后备保护时间3.9s，环境条件可不考虑。
2.接入电力系统情况
发电厂除厂用电外，剩余功率送入220V电力系统，架空线路4回，系统容量2500MW，通过并网断路器的最大短路电流：
3、厂用电采用6kv及380/220三级电压
目录
第1章绪论 3
第2章发电机和变压器的选择 3
2.1发电机的选择 3
2.2主变压器的选择 3
第3章电气主接线设计 3
3.1主接线的设计原则和要求 3
3.2主接线设计步骤 3
3.3发电厂电气主接线设计 3
第4章电气设备的选择 3
4.1电气设备的选择原则 3
4.2高压断路器和隔离开关的选择及校验 3
4.3互感器的选择 3
第5章发电厂自用电接线设计 3
5.1厂用电设计的基本要求和原则 3
5.2高压厂用变压器的选择 3
第6章短路电流计算 3
6.1短路电流计算的目的 3
6.2短路计算点的确定及短路电流的计算 3
结论 3
参考文献 3
附录 3
第1章绪论
随着社会的发展，电能被日益广泛的应用于工农业生产以及人民的日常工作中。
因为电能可以方便的转化为其他形式的能源，例如：
机械能、热能、光能、磁能等等；并且电能的输送和分配易于实现，可以输送到需要它的任何工作场所和生活场所；电能的应用规模也很灵活。
以电作为动力，可以促进工农业生产的机械化和自动化，保证产品质量，大幅提高劳动生产率。
电力工业电能的生产、输送、分配和消费与其他工业的区别在于：
1.与国民经济各部门的关系非常密切
2.电力系统从一种运行方式过度到另一种运行方式的过度过程非常短促；
3.电能的生产、输送、分配和消费实际上是同时完成的，不能大量储存。
根据电力工业的特点，对电力系统有以下要求：
1.保证可靠的持续供电
2.保证良好的电能质量
3.保证电力系统运行的经济性
所以说，电力工业是国家的基础行业，是国民经济发展的基础，我们就是要运用所学习的知识为电力工业的发展作出贡献。
根据突然中断供电所引起的损失程度分类，一般将电力负荷分为三级。
一级负荷：
是指突然中断供电将会造成人身伤亡或会引起对周围环境严重污染的，突然中断供电将会造成经济上的巨大损失；突然中断供电将会造成社会秩序严重混乱或在政治上产生严重影响的用电负荷。
二级负荷：
是指突然中断供电将会造成经济较大的损失，如生产的主要设备损坏，产品大量报废或减产，连续生产过程需较长时间才能恢复；突然中断供电将会造成社会秩序混乱或在政治上产生较大影响的用电负荷。
三级负荷：
是指不属于一级、二级负荷的其他负荷，对这类负荷，突然中断供电所造成的损失不大或不会造成直接损失。
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第2章发电机和变压器的选择
2.1发电机的选择
发电机型号的选择：
按照要求采用的发电机容量是200MW，选取发出电压是20KV，因此采用的发电机的型号为QFSN-200-2。
其主要技术参数如下：
发电机型号
发电机的额定功率
发电机的额定电压
发电机的额定电流
功率因数
转速
（r/min）
同步电抗
（%）
瞬变电抗
（%）
超瞬变电抗（%）
QFSN-200-2
200
20
10190
0.85
3000
188.59
19.65
17.1
装机容量：
2x200MW
台数：
2台
年利用小时数：
5500h/年
2.2主变压器的选择
（1）为保证发电机电压出线供电可靠，接在发电机电压母线上的主变压器一般不少于两台。
在计算通过主变压器的总容量时，至少应考虑5年内负荷的发展需要，并要求：
在发电机电压母线上的负荷为最小时，能将剩余功率送入电力系统；发电机电压母线上最大一台发电机停运时，能满足发电机电压的最大负荷用电需要；因系统经济运行而需限制本厂出力时，亦应满足发电机电压的最大负荷用电。
（2）对潮流方向不固定的变压器，经计算采用普通变压器不能满足调压要求是，可采用有载调压变压器[2]。
厂用变压器容量选择：
（1）变压器原、副边电压必须与引接电源电压和厂用网络电压一致。
（2）变压器的容量必须满足厂用机械从电源获得足够的功率。
（3）厂用高压备用变压器或起动变压器应与最大一台高压厂用工作变压器容量相同；低压厂用备用变压器的容量应与最大一台低压厂用工作变压器容量相同。
确定变压器台数及容量：
（1）台数：
根据原始资料，该厂除了本厂的厂用电外，其余向系统输送功率，所以不设发电机母线，发电机与变压器采用单元接线，保证了发电机电压出线的供电可靠，200MW发电机组的主变压器选用两绕组变压器2台[3]。
向本厂供电变压器选用三相式两绕组变压器2台，厂用备用电源选用两绕组变压器1台，三个电压等级的母线之间的母连变压器选用三相三绕组变压器。
（2）容量：
单元接线中的主变压器容量SN应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，预留10％的裕度选择，为
—发电机容量；—通过主变的容量；
—发电机的额定功率；—厂用电率
单元接线中的主变压器容量应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，预留10％的裕度选择。
发电机G-1、G-2的额定容量为200MW，扣除厂用电后经过变压器的容量为：
经计算后选取变压器如下：
1、200MW发电机组所选变压器型号为：
SFP-250000/220两台；
2、三个等级母线间的变压器型号为：
SFPS-240000/220一台；
3、与200MW发电机组相连的厂用变压器型号为：
SFF7-40000/20两台；
4、厂用备用电源变压器型号为：
SF27-40000/20一台；
5、连接6KV与三绕组变压器的变压器型号为：
SFF-31500/20一台。
第3章电气主接线设计
3.1主接线的设计原则和要求
发电厂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、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、输电和用电是在同一时刻完成的，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。
设计主接线的基本要求是：
（1）可靠性供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，电气主接线也必须满足这个要求。
衡量主接线运行可靠性的标志是：
①断路器检修时，能否不影响供电。
②线路、断路器或母线检修时，停运出线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发电厂全部停运的可能性。
④对大机组超高压情况下的电气主接线，应满足可靠性准则的要求。
（2）灵活性
①调度灵活，操作简便：
应能灵活地投入某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。
②检修安全：
应能方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。
（3）经济性
①投资省：
主接线应简单清晰，控制、保护方式不过于复杂，适当限制断路器电流。
②占地面积小：
电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件。
③电能损耗少：
经济合理地选择主变压器的型式、容量和台数，避免两次变压而增加电能损失。
3.2主接线设计步骤
电气主接线的选择原则是根据国家规定现行的“安全可靠、经济适用、符合国情”的电力建设与发展方针，按照技术规定和标准，结合实际的特点步骤：
1.原始资料分析根据任务书的要求，在分析基本资料的同时各级电压可拟订数个主接线方案
2.对拟订的方案进行技术经济比较选出最佳方案
3.绘制电气主接线图
根据设计任务书的要求分析情况，现将各电压级可能采用的可行性方案列出，进而以优化组合的方式，确定最佳的电气主接线形式。
220KV出线回路数为4回，为了使进出线断路器在检修时不停电，经过初步考虑采用单母线接线、双母线接线形式、单母线分段接线三种电气主接线形式比较确定最佳的接线方式。
3.3发电厂电气主接线设计
3.3.1基本接线的特点及使用范围
1.单母线接线
特点是整个配电装置只有一组母线，所有电源和出线都在同一组母线上。
有简单、清晰、设备少、投资少、运行操作且有利于扩建等优点，但可靠性及灵活性较差。
适用于出线较少的配电装置。
2.双母线及其分段或带旁路的双母线接线
（1）双母线：
有两组母线，一组为工作母线，一组为备用，每一电源和出线的电路都经过一台断路器和两组母线隔离开关分别与两组母线连接。
提高可靠性和灵活性。
便于扩建，但接线比较复杂，隔离开关数目多，增大投资。
适用于A：
35-60KV出线数目超过8回；B：
110-220KV出线数目为5回以上。
（2）双母线分段：
为缩小母线故障的影响范围，用分段断路器将工作母线分段，每段用母联断路器与备用母线相连，有较高的可靠性和灵活性，但投资较多。
适用于配电装置进出线总数达10-14回时，一组母线分段，配电装置进出线总数达15回以上时，两组母线分段。
（3）双母线带旁路接线：
双母线接线可以用母联断路器临时代替出现断路器工作，但出线数目较多时，母联断路器经常被占用，降低了工作的可靠性和灵活性，为此可以设置旁路母线。
3.一个半断路器接线
每一路经一台断路器接至一组母线，两回路间设一联络断路器，形成一个“串”，两回路共用三台断路器。
接线特点：
（1）3/2接线兼有旁路环行接线和双母线接线的优点，有高的可靠性和灵活性。
（2）与双母线带旁路相比它的配电装置结构简单，占地面积小，土建投资少。
（3）隔离开关仅做隔离电源用，不易产生误操作
在比较各种电气主接线方式的优劣时，应考虑其可靠性、灵活性、经济性三个方面。
3.3.2主接线方案的选择
本次设计的220KV变电站，根据原始资料，安装两台200MW汽轮发电机组。
此变电站为与电厂配套的升压变电站。
以220KV的电压等级接入系统。
电厂为区域性电厂，远离负荷中心。
所以必须满足供电可靠性和灵活性，保证系统的安全稳定运行。
目前在发电厂中广泛应用的基本接线形式分：
有汇流母线的接线形式和无汇流母线的接线形式。
其中有汇流母线的接线形式有：
单母线接线、单母线分段接线、双母线接线、双母线分段接线、增设旁路母线或旁路隔离开关。
无汇流母线的接线形式有：
发电机-双绕组变压器组成的单元接线、桥形接线、角形接线。
3.3.3发电机出口母线接线形式的选择
发电厂的电源即2台发电机，其端电压级只有厂用电负荷，而没有其他负载，所以不需要设置发电机端电压级汇流母线，且发电机容量较大，当这一级电压配电装置处发生短路时，短路电流非常大，对发电机、主变及电网都会造成很大的破坏，这是不能允许的，所以发电机出口主接线应选择接线简单，运行可靠性高，相间、相地间短路机率很小的主接线方式。
根据《电力工程电气设计手册》电气一次部分的规定：
200～600MW发电机出线母线应采用全连式分相封闭母线。
其优缺点如下：
运行可靠性高，能防止相间短路且外壳多点接地，可保障人体接触时的安全。
但母线散热条件较差。
对减小短路电动力有明显效果，但外壳产生损耗。
外壳电流的屏蔽作用可改善母线附近钢构的发热 ，但金属消耗量增加。
安装和维护工作量小 。
故待设计变电站所属发电厂的发电机出口母线选择全连式分相封闭母线，使每相母线各封装在单独的外壳内，外壳两端用短路板连接起来。
分相封闭母线主要用于大型发电机组，对200MW及以上发电机引出线回路中采用分相封闭母线的目的是：
（1）减少接地故障，避免相间短路。
大容量发电机出口的短路电流很大，给断路器的制造带来极大困难，发电机也承受不了出口短路的冲击。
封闭母线因有外壳保护，可基本消除外界潮气。
灰尘以及外物引起的接地故障，提高发电机运行的连续性。
母线需要分相封闭，也基本杜绝相间短路的发生。
（2）消除钢构发热。
敝漏的大电流母线使得周围钢构和钢筋在电磁感应下产生涡流和环流，发热温度高、损耗大，降低构筑物强度。
封闭母线采用外壳屏蔽可以根本上解决钢构感应发热问题。
（3）减少相间短路电动力。
当发生短路很大的短路电流流过母线时，由于外壳的屏蔽作用，使相间导体所受的短路电动力大为降低。
（4）母线封闭后，便有可能采用微正压运行方式，防止绝缘子结露，提高运行安全可靠性，为母线采用通风冷却方式创造了条件。
（5）封闭母线由工厂成套生产，质量较有保证，运行维护工作量小，施工安装简便，而且不需设置网栏，简化了结构，也简化了对土建结构的要求。
第4章电气设备的选择
电气装置中的载流导体和电气设备，在正常运行和短路状态时都必须安全可靠地运行。
为保证电气装置的可靠性和经济性，必须正确选择电气设备和载流导体。
步骤是先按正常工作条件选择出设备，再按短路电流条件校验其动态稳定性和热稳定性。
选择时必须执行国家有关的经济政策，并做到技术先进，经济合理，安全可靠，运行方便为以后发展扩建留有余地。
表4-1高压电气设备的选择与校验项目
电气设备名称
额定电压
额定电流
开断能力
短路电流校验
环境条件
动稳定
热稳定
断路器
√
√
√
○
○
○
负荷开关
√
√
√
○
○
○
隔离开关
√
√
○
○
○
熔断器
√
√
√
○
电流互感器
√
√
○
○
○
电压互感器
√
○
支柱绝缘子
√
○
○
穿墙套管
√
√
○
○
○
4.1电气设备的选择原则
1.按正常运行条件选择
（1）类型和型式的选择。
根据设备的安装地点，使用条件等因素，确定选择户内和户外。
（2）额定电压。
按电气设备和载流导体的额定电压不小于装设地点的电网额定电压选择，即：
（3）额定电流。
额定电流或载流导体的长期允许电流不小于装设回路的最大持续工作电流
按《交流高压电器的长期工作时发热》规定。
断路器、隔离开关、电抗器。
设备在环境温度高于+140℃而低于+60℃时，每增高1℃，额定电流减少1.8%，当低于+40℃时每降低1℃，额定电流增加0.5%，但是总的增加值不得超过额定电流的20%
2.按短路状态校验
当电气设备和载流导体通过短路电流时，会同时产生电动和发热两种效应。
一方面使电气设备和载流导体受到很大的电动力的作用，同时又使温度急速升高，使电气设备和载流导体的绝缘受到损坏，在进行电气设备和载流导体选择时必须对短路电流进行电动力和发热计算，以校验动稳定和热稳定。
4.2高压断路器和隔离开关的选择及校验
在电力系统中，断路器的主要作用是：
在正常情况下控制各电力线路和设备的开断及关合；在电力系统发生故障时，自动切除短路电流，以保证电力系统正常运行。
按照《电力工程设计手册》高压断路器选择规定：
断路器型式的选择除应满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于施工调试和运行维护，并经技术经济比较后确定选择断路器。
4.2.1断路器选择内容
（1）断路器种类和型式
按断路器采用的灭弧介质可分为油断路器（多油、少油）、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器等。
根据《电力工程电气设计手册》（电气一次部分）规定：
10KV及以下，可选用少油、真空、多油断路器等，应注意经济性。
110KV可选用少油、SF6、空气断路器等。
本次设计的断路器全选择六氟化硫断路器。
（2）额定电压和额定电流选择
，
、——分别为电气设备和电网的额定电压，KV；
、——分别为电气设备的额定电流和电网的最大负荷电流,A。
（3）开断电流选择
高压断路器的额定开断电流,不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量,即：
（4）短路关合电流的选择
断路器的额定关合电流不应小于短路电流最大冲击值，
即
（5）短路热稳定校验和动稳定校验
式中-由生产厂家给出的电气设备在时间t秒内的热稳定电流；
-短路稳态电流值；
-与相对应的时间；
-短路电流热效应等值计算时间；
、-短路冲击电流幅值及其有效值；
、-电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。
（6）短路计算时间
短路电流发热的等值时间：
曲线查出。
其中，-短路电流持续时间，10KV侧一般取1S，35KV侧取2S，110、220KV侧一般取4S。
表4-2非周期分量衰减时间常数
短路点位置
发电机出口及母线
0.15
0.2
发电机升高电压母线及出线发电机电压电抗器后
0.08
0.1
变电所各级电压母线及出线
0.05
由于短路点在发电机升高电压母线所以=0.1
4.2.2高压220KV侧断路器选择（SF断路器）
表4-3高压220KV侧断路器
型号
额定电压KV
最高工作电压KV
额定电流A
额定开断电流KA
额定关合电流峰值KA
动稳定电流峰值KA
热稳定电流3S
固有分闸时间S
合闸时间S
全开断时间S
LW-220I
220
252
1600
40
90
100
40
额定电流的校验
Imax=1.05PN/UNcosΦ=（1.05x200x1000）/（0.85xx220）=648.38A
>648.38A，满足要求。
开断电流校验
40KA,满足要求。
短路关合电流的校验
90KA,满足要求。
短路热稳定校验和动稳定校验
短路电流发热的等值时间：
其中，则
在220KV侧一般取4S
曲线查得为3.5S
=0.1S
.61
热稳定校验满足要求。
由计算得=33.17KA<100KA
动稳定校验满足要求。
4.2.3隔离开关的选择
隔离开关是高压设备的一种，在结构上，隔离开关没有专门的灭弧装置因此不能用来拉合负荷电流和短路电流。
正常分开位置时，隔离开关两端之间有符合安全要求的可见绝缘距离，在电网中，其主要用途有：
设备检修时，用来隔离有电和无电部分，形成明显的开断点，保证工作人员和设备的安全；和断路器相配合，进行倒闸操作，以改变系统接线的运行方式。
隔离开关与断路器相比，额定电压、额定电流的选择及短路、热稳定校验的相同。
但是，由于隔离开关不能用来接通和切除短路电流，无须进行开断电流和短路关合电流的校验。
表4-4隔离开关选型参照表
使用场合
特点
参考型号
屋内
屋内配电装置成套开关柜
三级，10KV以下
GN2,GN6,GN8,GN19
发电机回路大电流回路
单级，大电流3000-13000A
GN10
三级，15KV，200-600A
GN11
三级，10KV，大电流2000-3000A
GN18,GN22,GN2
单级，插入式结构，带封闭罩20KV，大电流1000-13000A
GN14
屋外
220KV及以下各型配电装置
双柱式，220KV及以下
GW4
高型，硬母线布置
V型，35-110KV
GW5
硬母线布置
单柱式，220-500KV
GW6
表4-5高压220KV侧隔离开关的选择
型号
额定电压KV
额定电流A
极限通过电流峰值KA
4S热稳定电流KA
GW4-220\2000
220
2000
100
40
短路热稳定校验和动稳定校验
短路电流发热的等值时间：
其中，则
在220KV侧一般取4S
曲线查得为3.5S
=0.1S
热稳定校验满足要求。
由计算得=33.17KA<100KA
动稳定校验满足要求。
4.3互感器的选择
互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。
互感器将高电压、大电流按比例变成低电压和小电流，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表。
二次绕组必须有可靠的接地，以防止绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。
1.电压互感器选择
互感器的特点：
（1）容量很小，结构上要求有较高的安全系数；
（2）二次侧仪表和继电器的电压线圈阻抗大，互感器接近空载运行。
电压互感器将高电压转换成低电压，供各种设备和仪表用。
2.互感器的用途
（1）供电量计算用
（2）做继电保护的电压信号源
（3）用作合闸和重合闸检查同期、检无压信号
3.电压互感器的配制原则
（1）电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足测量、保护、同期和自动装置的要求。
电压互感器的配置应能保证在运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点的两侧都能提取到电压。
（2）6—220kV电压等级的每组母线的三相上应装设电压互感器。
旁路母线上是否需要装设电压互感器，应视各回出线外侧装设电压互感器的情况和需要确定。
（3）当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。
（4）当需要在330kV及以下主变压器回路中提取电压时，可尽量利用变压器电容式套管上的电压抽取装置。
（5）发电机出口一般装设两组电压互感器，供测量、保护和自动电压调整装置需要。
当发电机配有双套自动电压调整装置，且采用零序电压式匝间保护时，可再增设一组电压互感器。
4.《导体和电器选择技术规定》SDGJ14-86：
电压互感器应按下列技术条件选择和校验
（1）一次回路电压
（2）二次电压、负荷
（3）准确度等级
（4）继电保护及测量的要求
电压互感器的型式应按下列使用条件选择：
3～20KV屋内配电装置宜采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注绝缘结构的电磁式电压互感器。
110KV及以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，宜采用电容式电压互感器。
5.电压互感器的接线
在3~220KV系统中，广泛应用三台单相三绕组电压互感器构成YN，yn,d0或YN，y,d0接线，其二次绕组用于测量相间电压和相对地电压，辅助二次绕组接成开口三角形，供接入交流电网绝缘监视仪表和继电器用。
4.3.1高压220KV母线电压互感器的选择（PT选相同型号）
1.电容式电压互感器
由于结构简单、重量轻、体积小，占地少、成本低，且电压越高效果越显著，此外，分压电容还可兼作载波通信的耦合电容器，故广泛应用于110~500KV中性点直接接地
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