凝汽式火电厂的课程设计.doc
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南华大学船山学院课程设计（论文）
引言
随着我国经济生产的迅速发展，电力系统的发展和负荷的增长迅速。
电力网容量的增大，电压等级和综合自动化水平也不断提高，某地原有变电所设备陈旧，占地较大，自动化程度不高，为满足该地区经济的持续发展和人民生活的需要，电网正在进行大规模的改造，对变电所的设计提出了更高、更新的要求。
本设计是针对该地区变电站的要求来进行配置的，它主要包括了四大部分，分别为电气主接线、短路电流的计算、电气设备的选择和厂用电的设计。
其中重点介绍了短路电流的计算和电气设备的选择，从最严重的的短路情况进行分析和计算，对不同的短路参数来进行不同种类设备的选。
内容全面简要，结构层次清晰，易于建立现代凝汽式火力发电厂，大量电气设备的各个环节的局部概念及其相互联系的总体概念，对该设计进行了理论分析，在理论上证实了发电厂的实际可行性，其效果达到了设计所预期的要求。
1本设计的主要内容
1.1原始资料分析
（1）发电厂建设规模
类型：
凝汽式火力发电厂；
装机容量：
装机2台，容量分别为300MW*2；年利用小时数为6000h/a；
（2）电力负荷水平
①220KV电压等级：
架空线共5回，I级负荷，最大输送310MW，最大负荷利用小时数为6000h/a
②110V电压等级，架空线共7回，I级负荷，最大输送230MW，最大负荷利用小时数为6000h/a。
③
④厂用电率7%
⑤备用：
110KV1回220KV1回
（3）厂址特点及自然环境
①当地年最高温度40℃，最低温度-20℃，最热月平均最高温度为32℃，最热月平均最低温度为25℃
②地海拔高度为600M
③气象条件无其它特殊要求。
1.2设计任务
（1）对原始资料进行分析完成发电厂电气主接线设计
（2）厂用电设计
（3）短路电流的计算
（4）主要电气设备的选择
（5）完成主接线图与设计说明书
2电气主接线设计
2.1电气主接线的基本要求
（1）保证必要的供电可靠性和电能质量
安全可靠是电力生产的首要任务，停电不仅使发电厂造成损失，而且对国民经济各部门带来的损失将更严重，往往比少发电能的损失大几十倍，至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失和政治影响，更是难以估量。
因此，主接线的接线形式必须保证供电可靠。
（2）具有一定的灵活性和方便性
主接线不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且在系统故障或设备检修及故障时，也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。
（3）具有经济性
在主接线设计时，在满足供电可靠的基础上，尽量使设备投资费和运行费为最少，注意节约占地面积和搬迁费用，在可能和允许条件下应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。
（4）具有发展和扩建的可能性
在设计主接线时应留有余地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到分期过渡接线的可能和施工的方便。
2.2主接线的方案选择
（1）方案一
①220KV电压等级的方案选择
由于220KV电压等级的电压回线数目是6回，因此其供电要充分考虑其可靠性，所以我们可选择双母线带旁路接线形式。
根据《电力工程电气设计手册》和《220kV～500kV变电所设计技术规程》可知，220KV出线回路为5回及以上时装设专用旁路断路器。
这样一来就避免了断路器检修时，不影响对系统的供电，断路器或母线故障以及母线检修时，减少停运的回路数和停运时间，保证了可靠的供电。
②110KV电压等级的方案选择
110KV电压等级的电压回线数目是8回，所以在本方案中的可选择的接线形式是双母线接线形式。
根据《电力工程电气设计手册》和《电力系统技术设计规程》可知，110KV出线回路为8回及以上时装设专用旁路断路器。
由于双母线接线的可靠性和灵活性高，它可以轮流检修母线，而不中断对用户的供电；当检修任意回路的母线隔离开关时，只需断开该回路；工作母线故障时，可将全部回路转移到备用母线上，从而使用户迅速恢复供电；可用母联断路器代替任意回路需要检修的断路器，在种情况下，只需短时停电；在个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分离出来，并单独接至备用母线上。
如下图2.1所示
图2.1方案一主接线简图
（2）方案二
①220KV电压等级的方案选择
由于220KV电压等级的电压回线数目是6回，所以我们可选择双母线接线形式。
根据《电力工程电气设计手册》和《220kV～500kV变电所设计技术规程》可知，220KV出线回路为5回及以上时装设专用旁路断路器。
这样一来就避免了断路器检修时，不影响对系统的供电，断路器或母线故障以及母线检修时，减少停运的回路数和停运时间，保证了可靠的供电。
②110KV电压等级的方案选择
由于110KV电压等级的电压回线数目是8回，所以在本方案中的可选择的接线形式是单母线分段接线。
单母线分段的优点如下：
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（或检修）时，仅停故障（或检修）段工作，非故障段仍可继续工作。
如下图2.2所示
图2.2方案二主接线简图
对上述两种方案进行综合比较，1）在可靠性方面，方案一供电可靠，即使检修其中一组母线也不会影响供电情况，方案二同样可靠性较高；2）在灵活性方面，方案一检修方便，当一组母线故障时，只要将故障母线上的回路倒换到另一组母线，就可迅速恢复供电，且调度灵活或便于扩建，相比之下方案二当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开该分段上的所有电源或出现，这样就减少了系统的发电量，并使该分段单回路供电的用户停电；3）在经济性方面，方案一设备较多，增设了断路器和隔离开关，方案二设备相对来说更多一点，尤其是增设了分段设备的投资，且配电装置占地面积大，投资性价比较小。
所以总结来看，选择方案一更合理。
主接线方案图如图2.3所示
图2.3主接线方案简图
3发电机和变压器的选择
3.1概述
在各级电压等级的发输配电中，变压器都是主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统5～10年发展规划综合分析，合理选择，否则，将造成经济技术上的不合理。
如果主变压器容量造的过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。
因此，确定合理的变压器的容量是发电厂安全可靠供电和网络经济运行的保证。
在生产上电力变压器制成有单相、三相、双绕组、三绕组、自耦以及分裂变压器等，在选择主变压器时，要根据原始资料和设计发电机组的容量大小和自身的特点，在满足可靠性的前提下，要考虑到经济性来选择主变压器。
选择主变压器的容量，同时要考虑到该发电厂以后的扩建情况来选择主变压器的台数及容量。
3.2发电机型号的确定
根据设计书的要求选用的发电机容量为300MW，选择发出的电压为18KV，所以选择发电机型号为QFSN-300-2。
具体参数如表3.1
表3.1所选发电机组的型号与参数
发电机
型号
额定
电压（KV）
额定
功率
（MW）
额定
电流
（A）
功率
因数
次暂态电抗（%）
效率
（%）
G-1、G-2
QFS-300-2
18
300
11320
0.85
16.7
98.65
3.3主变压器容量和形式的选择
（1）主变压器容量的选择
因为每千瓦的发电设备投资远大于每千瓦变电设备的投资。
为此，在选择发电厂主变压器时，应遵循以下基本原则。
①单元接线的主变压器
单元接线的变压器容量应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。
采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量应按单元接线的计算原则计算出的两台机容量之和来确定。
②具有发电机电压母线接线的主变压器
连接在发电机电压母线与系统之间的主变压器的主变压器的容量，应考虑以下因素：
当发电机全部投入运行时候，在满足发电机电压供电的日最小负荷，并扣除厂用负荷后，主变压器应能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。
当接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或者因供热机组热负荷变动而需限制本厂出力时，主变压器应能从电力系统到送功率，保证发电机电压母线上最大负荷的需要。
若发电机电压母线上接有2台及以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其他主变压器应能输送母线剩余功率的70%以上。
（2）主变压器形式的选择
①变压器相数的选择
容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330KV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。
因为单相变压器组相对来讲投资大，占地多，运行损耗大，同时配电装置以及断电保护和二次接线的复杂化，也增加了维护及倒闸操作的工作量。
②组数的选择
电力变压器按每相的绕组数分为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂是等型式。
发电厂以两种升高电压级向用户或与系统连接时，可以采用2台双绕组变压器或三绕组变压器。
根据该厂发电机组为单元接线，主变宜采用双绕组变压器。
③方式的选择
为了满足用户的用电质量和供电的可靠性，电压必须维持在允许范围内。
通过改变变压器220KV及以上网络电压应符合以下标准：
的分接头切换，改变变压器高压侧绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。
切换方式有两种：
一种是不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在±2×2.5%以内，应视具体工程情况而定。
另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30%。
其结构较复杂，价格较贵，只在以下情况才予以选用：
接于出力变化大的发电厂的主变压器，特别是潮流方向不固定，且要求变压器二次电压维持在一定水平；或接于时而为送端，时而为受端，具有可逆工作特点的联络变压器，为保证供电质量，要求母线电压恒定时。
通常，发电厂主变压器中很少采用有载调压，因为可以通过调节发电机励磁来实现调节电压，对于220KV及以上的降压变也仅在电网电压有较大变化的情况时使用，一般均采用无激磁调压，分接头的选择依据具体情况而定。
因此本次选用的主变压器不采用有载调压。
④连接组别的选择
变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。
一般有星形“Y”和三角形“D”两种。
⑤主变压器冷却方式的选择
一般采用的冷却方式有：
自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却。
具体来说，风冷却一般只适用于小容量变压器；迫油循环水冷却，虽然散热效率高，节约材料减少变压器本体尺寸等优点。
但是它要有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。
所以，选择强迫油循环风冷却。
本设计主变为大型变压器，发热量大，散热问题不可轻佻，强迫油循环风冷却效果较好，可选用强迫油循环风冷却方式。
（3）主变压器型号及参数的确定
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，所以300MW发电机组的主变压器选用两绕组变压器2台。
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；
—发电机的额定功率因数；—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。
发电机的额定容量为300MW，，，所以扣除厂用电后经过变压器的容量为：
为方便计算，我们将变压器容量记为361MVA。
经查看《电力工程电气设计200例》和《电力工程电气设计手册一次部分》，再根据《大型变压器技术数据》，我们选择采用型号为SFP9-370000/220户外、三相双绕组、无载调压、OFAF、铜芯、低损耗变压器的220KV双绕组无载调压电力变压器。
具体参数如下表3.2
表3.2主变压器的型号
序号
名称
数据
1
型式及型号
SFP9-370MVA/220
2
额定容量（MVA）（绕组温升65K）
370
3
最高工作电压（kV）高压/低压
252/24
4
额定电压（kV）高压/低压
242/20
5
额定电流（A）高压/低压
883/10681
6
额定电压比（kV）
242±2×2.5%/20
7
短路阻抗（%）
14
8
联结组标号
YNd11
9
额定频率（Hz）
50
10
绝缘耐热等级
A级
11
绕组额定绝缘水平
高压侧
雷电冲击耐受电压峰值（kV）
950/1050
短时工频耐受电压有效值（kV）
395
低压侧
雷电冲击耐受电压峰值（kV）
200/220
短时工频耐受电压有效值（kV）
85
高压侧中性点
雷电冲击耐受电压峰值（kV）
400/400
短时工频耐受电压有效值（kV）
200
13
效率（%）
99．747
3.4联络变压器的选择
（1）联络变压器选择的一般原则
①联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种不同运行方式下有功功率和无功功率交换。
②联络变压器容量一般不应小于接在两种电压母线是最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求；同时，也可在线路或故障时，通过联络变压器将剩余容量送入另一个系统。
（2）联络变压器的型号及参数的确定
根据联络变压器容量的确定原则可知，联络变压器的总容量为300MW/0.85=352.9MVA，选择最接近标准容量为360MVA的变压器，即容量为360MVA的三相三绕组降压自耦变压器，具体型号选择OSPSO-360000/220。
3.5厂用变压器的选择
（1）厂用变压器选择的基本原则
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。
（2）由于两台发电机都属于大中型机组，为限制短路电流，提高可靠性，两台变压器均采用低压分裂绕组变压器.联络变压器的低压侧电压为15.75KV，作厂备用电源通过低压分裂绕组降压变压器15.75/6.3/6.3分别接至两段公用母线上。
这个低压分裂绕组降压变压器选择SFF-31500/15.75,其参数见表2.3。
单机容量在100MW300MW的发电厂，厂用电通常采用6KV电压等级，所以对应于300MW机组的厂用变压器，由于机端电压为18KV，其各侧电压为18/6.3/6.3，容量为300×7%/0.85=24.7MVA，选用双分裂两绕组变压器,型号为SFF9-40000/18。
①经计算后选取变压器如下：
②300MW发电机组所选变压器型号为：
SFP9-370000/220KV两台；
③联络变压器型号为：
SSPS0-36000/220KV两台
④厂用变压器型号为：
SFF9-40000/18KV两台
SFF-31500/15KV两台
其具体参数如下表3.3示
表3.3所选变压器的型号及参数
变
压
器
型号
额定容量（KVA）
额定电压（KV）
短路
阻抗
（%）
联
结
组
高压
中/
低压
主变G-1
G-2
SFP9-370000/220
370000
2422×2.5%
低压
18
14.3
YN,d11
联络变T-3
T-4
SSPSO-36000/220
360000
242
2.5×2%
121/
15.75
高中13.1
高低11.96
中低19.2
YN,yn0,
d11
厂用变T-5
T-6
SFF9-40000/18
400000/2×20000
182.5×2%
6.3/
6.3
全穿越
半穿越
D,yn1- yn1
9.5
15.3
厂用变T-7
T-8
SFF-31500/15.75
31500
15.752.5×2%
6.3/
6.3
全穿越
半穿越
D,yn1- yn1
9.5
16.6
4短路电流的计算
4.1短路计算的基本假定和计算方法
（1）基本假定
①正常工作时，三相系统对称运行。
②所有电源的电动势相位角相同。
③系统中的电机均为理想电机，不考虑电磁饱和、磁滞、涡流及导体肌肤效应等影响；转子结构完全对称；
④短路发生在短路电流为最大的瞬间；
⑤不考虑短路电的电弧阻抗和变压器的励磁电流。
（2）短路电流计算的方法
对应系统最大运行方式下，按无限大容量系统，进行相关的短路点的三项短路电流计算，求得I"、ish值。
I"——三相短路电流；
ish——三相短路冲击电流。
由2*300MW火电厂电气主接线图，和设计任务书中给出的相关参数，可画出系统的等值电抗图如图3-1所示。
选取基准容量为Sj=100MVAUj=Uav=1.05Ue
Sj——基准容量Uav——所在线路的品平均电压
以上均采用标幺值计算方法，省去“*”。
（3）短路计算的一般规定：
①选择导体和电器用的短路电流时，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；
②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的点；
③导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路计算。
（4）短路电流的计算中，常采用以下假设和原则
①正常工作时，三相系统对称运行；
②所有电源的电动势相位角相同；
③系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流以及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间位置相差120度电角度；
④电力系统中，各个器件的磁路不饱和，即带铁心的电气设备电抗值不随电流大小变化而变化；
⑤步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
⑥路发生在短路电流为最大值的瞬间；
⑦考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；
⑧计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，器件的电阻都忽略不计；
⑨件的参数都取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；
⑩电线的电容略去不计；
4.2短路等值电抗电路及其参数计算
系统的等效电路图如图4.1
图4.1系统的等效电路图
设，，计算各个元件标幺值：
系统电抗标幺值：
电机电抗标幺值：
主变压器电抗标幺值：
联络变压器各绕组阻抗标幺值：
（1）110KV母线上f2点短路：
系统的等效电路化简图如图4.2
图4.2，系统的等效电路化简图
各元件标幺值如下：
0.0547
最后简化到电源到短路点的转移阻抗，如图4.3
图4.3等值电路图
①基值的计算：
系统：
KA
发电机：
MVA
KA
②计算电抗：
根据转移电抗结果，可求发电机G1和G2合并后对短路点的计算电抗
0秒时通过计算曲线求出短路电流标幺值：
系统：
发电机：
0.985
总的短路电流：
KA
冲击电流：
KA
短路容量：
MVA
（2）在220KV上f1点的短路计算：
等值电路图如图4.4
图4.4等值电路图
①基值的计算：
系统：
KA
发电机：
MVA
KA
②计算电抗：
发电机：
0秒时通过计算曲线求出短路电流标幺值：
系统：
发电机：
总的短路电流：
冲击电流：
KA
短路容量：
MVA
同理，根据所得的计算电抗值，查计算曲线数字表得任意时刻短路周期电流的标幺值，然后求得有名值，结果记入表4.1
表4.1短路电流表
短
路
点
编
号
短路
点平
均电
压
（kv）
基准
电流
IB
（KA）
分支线名称
分支
电抗
xjs
分支
额定
电流
IN
（KA）
短路电流标么值
短路电流值
0s
0.1s
1s
2s
4s
0s
0.1s
1s
2s
4s
f1
230KV
0.753
无限大系统
0.025
0.753
40
30.12
300MW发电机分支
0.30
1.772
3.6
08
3.0
81
2.3
79
2.3
60
2.34
7
6.3
93
5.4
60
4.2
16
4.1
82
4.1
59
f2
115KV
1.506
无限大系统
0.025
0.753
11.06
8.33
300MW发电机分支
1.05
3.543
0.985
0.9
35
1.0
03
1.0
67
1.06
7
3.5
01
3.3
23
3.5
65
3.7
92
3.7
92
5电气设备的选择
5.1电气设备选择的一般原则
（1）①应力求技术先进，安全适用，经济合理。
②应满足正常运行、检修和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。
③应与整个工程的建设标准协调一致。
④选择的导体品种不应太多。
（2）选用的电器最高允许工作电压，不得低于该回路最高运行电压。
（3）选用导体的长期允许电流不得小于该回路的持续工作电流。
由于高压开断电器设有持续过载能力，在选择其额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。
（4）验算导体和电器的动稳定、热稳定以及电器开断电流作用的短路电流时，应按具体工作的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景规划。
（5）验算导体和电器的短路电流，按下列情况计算：
①除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络电流外，元件电阻都应略去不计。
②对不带电抗器回路的计算，短路点应选择在正常接线方式短路电流最大的点。
（6）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流按发生短路最严重情况计算。
（7）验算裸导体短路热效应应计算时间，应采用主保护动作时间和相应的断路器全分闸时间，继电器的短路热效应计算时间，宜采用后备保护动作时间和相应的断路器全分闸时间。
（8）在正常运行时，电气引线的最大作用力不应大于电器端子允许的负载。
5.2电气设备选择的一般条件
（1）额定电压的选择
在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNS的条件选择，即
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