300MW火力发电厂电气部分设计毕业论文.doc

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河南机电高等专科学校毕业设计/论文

河南机电高等专科学校

毕业设计论文

论文题目：

300MW机组火力发电厂电气部分设计

系部：

电气工程系

专业：

电力系统自动化

班级：

2012级01班

学生姓名：

张冬育

学号：

120313144

指导教师：

张锐李桂芳

2014年12月31日

摘要

由发电、变电、输电、配电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，再经过输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。

电气主接线反映了发电机、变压器、线路、断路器和隔离开关等有关电气设备的数量、各回路中电气设备的连接关系及发电机、变压器与输电线路、负荷间以怎样的方式连接，直接关系到电力系统的可靠性、灵活性和安全性，直接影响发电厂、变电所电气设备的选择，配电装置的布置，保护与控制方式选择和检修的安全与方便性。

 而且电能的使用已经渗透到社会、经济、生活的各个领域，而在我国电源结构中火电设备容量占总装机容量的75%。

本次设计是针对一台300MW机组火力发电厂电气部分的设计。

在本次毕业论文设计当中介绍了有关发电厂的一些电气设备如发电机、变压器、断路器、电压互感器、电流互感器和电动机等以及介绍了主变的选择和短路电流的计算条件，最后介绍防雷的重要性以及防雷的有效措施。

因此，我们在电厂以后的工作当中一定要时刻保持安全和认真的态度。

本文对发电厂的主要一次设备进行了选择，并根据短路电流计算，通过电器设备的短路动稳定、热稳定性对主要设备进行了校验。

在主接线设计中，我们把两种接线方式在经济性，灵活性，可靠性三个方面进行比较，最后选择双母线接线方式。

关键词：

电气设备,发电机,变压器，电力系统，

ABSTRACT

Bypower、generation、substation,、transmissionanddistributionofelectricity,electricityproductionandconsumptionsystem,itsfunctionisthenatureofprimaryenergyintoelectricitybyelectricpowerequipment,afterlosing,substationandpowerdistributionsystemwillbepowersupplytotheloadcenter.

Reflectsthemainelectricalwiringgenerators,transformers,lines,thenumberofcircuitbreakerandisolatingswitchandrelatedelectricalequipment,electricalequipmentineachcircuitconnectionrelationshipandgenerator,transformerandtransmissionlines,inwhichwaytheloadbetweenconnections,isdirectlyrelatedtoreliability,flexibilityandsecurityofpowersystem,directlyaffectthechoiceoftheelectricalequipmentforpowerplants,substations,powerdistributionequipmentarrangement,protectionandcontrolmodeselectionandmaintenanceofsafetyandconvenience.Andtheuseofelectricityhaspenetratedintoeveryfieldofsociety,economy,life,andthepowerstructureinourcountryaccountedfor75%oftotalinstalledcapacityofthermalpowerequipmentcapacity.Thisdesignisfora300mwthermalpowerplantelectricalpartdesign.Inthedesignofthegraduationthesisintroducesrelatedtopowerplantelectricalequipmentsuchasgenerator,transformer,circuitbreaker,voltagetransformer,currenttransformerandmotoretc,andintroducestheselectionofmaintransformerandthecalculationofshort-circuitcurrentcondition,finallypresentstheimportanceoflightningprotectionandeffectivemeasuresoflightningprotection.Therefore,weinthemidstofthepowerplantafterworkmustkeepsafetyandseriousattitude.

Inthispaper,amainequipmentofpowerplantselection,andaccordingtothecurrentcalculation,usingelectricalequipmentofdynamicstability,thermalstabilityoftheshortcircuittothemainequipmentcalibration.Inthemainwiringdesign,weputthetwoconnectionmodeineconomy,flexibility,reliability,comparingthreeaspects,andfinallychoosedoubleconnectionmode.

Keywords:

electricalequipment,generator,transformer,powersystem,relayprotection

I

目录

摘要 I

绪论 1

第1章电力系统及其发电厂电气部分总述 3

1.1电力系统的构成 3

1.2对电力系统的基本要求 3

1.3发电厂电气部分概述 4

第2章发电厂电气主接线选择 6

2.1概述 6

2.2电气主接线的设计依据 6

2.3主接线方案的拟定 8

2.4主接线方案的比较与选定 9

第3章主变压器的选择 10

3.1主变压器的概述 10

3.2主变压器的选择 10

3.3主变压器的计算 10

第4章短路电流的分析及计算 12

4.1短路电流计算分析  12

第5章电气设备的选择及校验 14

5.1电气设备选择的原则 14

5.2电气设备的分析 14

5.3220KV母线侧高压断路器的选择及校验 14

5.4220KV母线侧隔离开关的选择及校验 15

5.5220KV母线侧电流互感器的选择 16

5.6220KV母线侧电压互感器的选择 16

5.7110KV母线侧高压断路器的选择及校验 18

5.8110KV母线侧隔离开关的选择及校验 18

5.9110KV母线侧电流互感器的选择 19

5.10110KV母线侧电压互感器的选择 19

第6章防雷保护规划 21

6.1雷电过电压的形成与危害 21

6.2防雷保护 21

6.3避雷器的选择 22

6.4防雷计算 22

第7章展望 26

致谢 28

参考文献 29

附录I短路电流计算 30

III

绪论

世界各国电力工业发展的经验告诉我们，电力系统愈大，调度运行就愈能合理和优化，经济效益就愈好，应变事故的能力就愈强。

所以很多发达国家的电力系统都已联合成统一的国家电力系统，甚至联合成跨国电力系统。

这可以说是现代电力工业发展的重要标志。

我国也必然要向这一方向发展由于负荷的不断增长和电源建设的发展，负荷和能量分布不均衡，将一个电力系统与邻近的电力系统互联，是历史发展的必然趋势。

不仅城市与城市之间，省与省之间，大区与大区之间的相邻电力系统如此，国与国之间的电力系统也是这样。

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，它的基本生产过程是：

燃料在锅炉中燃烧加热水使成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。

随着国民经济和电力工业的飞速发展，电厂的建设在电力系统重起着重要的作用，而地区火电厂电气部分设计直接关系到电厂投资的大小、运行的灵活性、经济性及供电的可靠性。

因此对火电厂的设计也提出了更高的要求。

电能的使用已经渗透到社会、经济、生活的各个领域，而在我国电源结构中火电设备容量占总装机容量的75%。

我国电力工业的技术水平和管理水平正在逐步提高，现在电厂实现了集中控制和采用计算机监控．电力系统也实现了分级集中调度，所有电力企业都在努力增产节约，降低成本，确保安全远行。

随着我国国民经济的发展，电力工业将逐步跨入世界先进水平的行列。

火力发电厂是生产工艺系统严密、土建结构复杂、施工难度较大的工业建筑。

火力发电在我国电力工业上有极其重要的地位，学习火电厂的设计对于我国将来的电力发展事业有重要作用。

变电站作为电力系统的重要组成部分，担负着电能转换和电能从新分配的重要任务，对电网的安全经济运行起着举足轻重的作用。

它起着电能的汇集和分配等重要作用，是全系统安全、可靠、经济运行的重要一环。

如果变电站的设备出现故障将危及整个系统连续稳定运行，可能出现系统解列，致使用户断电，造成巨大的经济损失。

因此要给变电站的设备装设动作可靠、迅速、性能完善的保护，把故障影响限制在最小范围内。

随着我国国民经济的快速增长，电力系统获得了前所未有的发展，为提高电力系统的可靠性，创造了一个极好的氛围。

变电站，改变电压的场所。

为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，必须把电压升高，变为高压电，到用户附近再按需要把电压降低，这种升降电压的工作靠变电站来完成。

变电站的主要设备是开关和变压器。

按规模大小不同，小的称为变电所。

变电站大于变电所。

变电所：

一般是电压等级在110KV以下的降压变电站；变电站：

包括各种电压等级的“升压、降压”变电站。

由发电、输电、变电、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转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。

为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。

而发电厂变电站作为电力系统的发电，变配电，在电力系统中拥有着至关重要的作用。

第1章电力系统及其发电厂电气部分总述

1.1电力系统的构成

电力系统是由发电机、变压器、输配电线路和电力用户的电器装置连接而成的整体，它完成了发电、输电、变电、配电、用电的任务。

电力系统加上热力发电厂中的热能动力装置、热能用户和水电厂的水能动力装置，也就是加上锅炉、汽轮机、水库、水轮机以及原子能发电厂的反应堆等，称为动力系统。

电力系统中各种电压的变电站及输配电线路组成的统一体，称为电力网。

电力网的主要任务是输送和分配电能，并根据需要改变电压。

1.2对电力系统的基本要求

1.2.1满足用电需求

满足国民经济各部门及人民生活不断增长的用电需求，保障供给是电力部门的重要任务。

电力工业的发展迅速，应超前于其他部门的发展速度，起到先行作用，应该竭力避免由于缺电而使工业企业不能充分发挥其生产能力的情况，应尽量满足用户的用电需要。

1.2.2电力生产应遵循安全第一

电力系统中发生的事故是导致供电中断的主要原因，但是要杜绝事故的发生非常困难。

由于各种用户对供电的要求不同，我们可以按负荷的重要程度将其分为三类，以此决定保证供电的顺序和接线方式。

一类负荷：

中断供电将造成人身事故和重大设备损坏，且难以修复，给国民经济带来重大损失。

由于一类负荷重要，在正常运行和故障情况之下，系统接线方式必须有足够的可靠性和灵活性，保证对用户的连续供电。

一类负荷要求有两个以上的独立电源供电，电源间应能自动切换，以便在任一电源发生故障时，对这类用户的供电不至中断。

二类负荷：

中断供电将造成大量减产和废品，以至损坏设备，在经济上造成重要损失。

二类负荷需要双回线路供电。

但是当双回线路有困难时，允许有一回专用线路供电。

三类负荷：

不属于一类、二类负荷的用户均属于三类负荷。

三类负荷对供电没有特殊要求，允许长时间停电，可用单回线路供电，但是也不能随意停电。

1.2.3保证电能质量

电能的质量指标主要是电压、频率和波形等变化不得超出允许范围。

电压容许变化的范围是额定电压的±5%；频率的允许偏差为50±（0.2—0.5）Hz；波形应该是正弦波形，波形的畸变率非常小。

电能质量合格，用电设备能正常并且具有最佳的技术经济效果；如果变动范围超过允许值，虽然还没有中断供电，但是已经严重影响到产品的质量和数量，甚至会造成人身和设备故障，同时对电力系统本身的运行也有危险。

因此，必须通过调频及调压措施来保证频率和电压的稳定。

1.2.4保证电力系统运行的经济性

电能产生的规模很大。

在其生产、输送和分配过程中，本身消耗的能源占国民经济能源中的比例相当大，因此，最大限度的降低每1KW/h电能所消耗的能源和降低输送、分配电能过程中的损耗，是电力部门一项极其重要的任务。

电能成本的降低不仅意味着能源的节省，还将降低各用电部门的成本，对整个国民经济带来很大的好处。

现在最广泛的做法是实行电力系统的经济运行。

按照最优化原则分配发电厂、发电机组之间的发电出力及输电和配电路径，充分利用水力资源，尽可能采取节能降耗措施，力争取得整个现在电力系统最大的、综合的经济效益。

1.3发电厂电气部分概述

发电厂电气部分主要设备包括变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器以及各类母线。

变压器是发电厂以及变电站的重要的电气设备，变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。

主要功能有：

电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。

主变的选择是发电厂电气设备的重要课题之一。

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。

断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。

而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。

因此断路器是发电厂电气部分的重要设备。

隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，顾名思义，是在电路中起隔离作用的。

它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。

刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。

即在分位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志；在合位置时，能承载正常回路条件下的电流及在规定时间内异常条件（例如短路）下的电流的开关设备。

互感器是电流互感器和电压互感器的统称。

能将高电压变成低电压、大电流变成小电流，用于量测或保护系统。

其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或1A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。

同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。

避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。

避雷器的类型主要有：

保护间隙、阀型避雷器和氧化锌避雷器。

保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。

阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护，在500KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。

因此避雷器是电力系统重要的保护装置。

发电厂母线是指用高导电率的铜（铜排）、铝质材料制成的，用以传输电能，具有汇集和分配电力的产品。

发电厂或变电站输送电能用的总导线。

通过它，把发电机、变压器或整流器输出的电能输送给各个用户或其他变电所。

母线是指发电厂中各级电压配电装置的连接导体，以及变压器等电气设备和相应配电装置的连接导体，大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线，这统称为母线。

母线的作用是汇集、分配和传送电能。

第2章发电厂电气主接线选择

2.1概述

电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中，为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。

一个电厂而言，电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等，从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，经综合比较后确定。

它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。

电气主接线又称电气一次接线图。

目前，我国装有300MW及以上容量发电机组的发电厂中，与电网联接的母线都采用220KV及以上电压等级。

这些母线的接线方式，根据电厂在系统中的地位，升压站电压等级，负荷情况，出线回路数，设备特点，周围环境以及规划容量等因素进行选择。

2.2电气主接线的设计依据

1.地区电厂靠近城镇一般接入110-220kv系统。

2.发电厂的机组容量应根据系统规划容量，负荷增长速度和电网结构等因素来考虑，最大机组容量不超过系统容量10%为宜。

3.设计主接线时，还应考虑检修母线或断路器是否允许线路故障、变压器或发电机停运、故障时允许切除的电路、变压器和机组的数量等。

4.当配电装置在电力系统中居重要地位、负荷大、潮流变化大且出线回路较多时，宜采用双母线或双母线分段接线方式。

2.2.1电气主接线的基本要求

1.满足系统和用户对供电可靠性和电能质量的要求。

2.具有一定的灵活性。

3.操作力求简单方便。

4.经济上应合理。

5.发展和扩建的可能。

2.2.2主接线形式的种类及特点

一、双母线接线的特点

1.运行方式灵活。

2.检修任意母线时，可以把全部电源和线路倒换到另一条线路上，不会停止对用户的供电。

3.检修任意回路母线隔离开关时，只中断该回路。

4.在特殊需要时，可将个别回路备用母线上单独工作或试验。

5.线路断路器停电检修时，可临时用母联断路器代替，但必须将该回路短时停电，用“跨条”将断路器遗留缺口接通，然后投入母线断路器向该回路的供电，对可以短时停电的负荷比较合适。

6.便于扩建。

双母线接线可以任意向两侧延伸扩建，不影响两组母线的电源和负荷均匀分配，扩建施工是不会引起原有回路停电。

二、双母线带旁母接线的特点

1.在双母线接线方式的基础上增加一条旁路母线的接线方式不仅具有双母线的所有优点，而且可以避免双母线检修断路器是必须进行短时停电的缺点，充分保证供电的可靠性。

2.双母线带旁母接线方式具有供电可靠，检修方便，调度灵活等优点。

缺点：

1.旁路的倒换操作比较复杂，增加了误操作的机会，也使保护及自动化系统复杂化。

2.投资费用较大，一般为了节省断路器及设备间隔，当出线达到5个回路以上时，才增设专用的旁路断路器，出线少于5个回路时，则采用母联兼旁路或旁路兼母联的接线方式。

三、一台半断路器接线的特点

1.任意母线故障或检修，均不停电。

2.当同名元件接于不同串时，即一进一出。

两组母线故障或一组故障、一组检修，功率仍能传输。

3.任意断路器检修均不停电，同时可以检修多台断路器。

缺点:

1.与双母线带旁路相比，这种接线所用短路器、电流互感器多，投资大；

2.正常操作时，联络断路器动作次数是其两侧断路器的2倍，一回故障要跳两台断路器，断路器动作频繁，检修次数多；

3.为提高可靠性，要求同名回路接在不同串上。

适用范围:

用于大型电厂和变电所330kV及以上，进出线回路数6回及以上的高压、超高压配电装置中。

个别电厂由于地理位置的特殊性，采用发电机-变压器-线路的接线方式。

对于大型发电厂电气主接线，除一般定性分析其可靠，还应具有足够的灵活性，能够适应多种运行方式的变化，且在检修，事故等特殊状态下操作方便，调度灵活，检修安全。

在满足技术要求的前提下，尽可能在投资省，占地面积少，电能损耗少，投资与运行费用最小等方面进行比较，以选择比较合适的接线方案。

经上述比较：

主接线选择为双母接线方式。

2.3主接线方案的拟定

方案一：

采用双母分段接线方式，一般来说，母线出现故障范围很大，单母线分段接线中，会造成很多回路停电，为了提高可靠性和灵活性，必须避免母线故障，为此可以考虑双母线分段的接线方式。

主接线接线图如图2-1所示。

方案二：

采用双母接线方式，可轮流检修母线而不影响正常工作，工作母线发生故障后，所有回路短时停电并能迅速恢复供电。

为此，可以考虑双母线接线方式。

主接线图如图2-2所示。

图2-1双母分段接线方式

图2-2双母线接线方式

2.4主接线方案的比较与选定

表2-1方案比较

方案一

方案二

结论

可靠性

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。

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SF6断路器，检修周期长，不需要经常检修，减少断路器检修停电的几率。

方案一略高于方案二

经济性

多装了价高的断路器及隔离开关，投资增大，占地面积增加。

设备相对少，投资小，年费用小，占地面积相对较小。

方案二明显高于方案一

经比较，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。

采用双母接线方式。

第3章主变压器的选择

3.1主变压器的概述

变压器是变电所中最重要的和最贵重的设备，变压器的选择在变电所中是比较重要的。

在发电厂和变电所中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。

电厂里主变都是升压变压器，主要作用是将发电机发出的电进行升压到电网电压，然后将发出的电并入电网。

3.2主变压器的选择

3.2.1发电厂主变压器的容量的确定

根据《火力发电厂设计技术规程》DL5000-94中第条 中容量为200MW及以上的发电机与主变压器为单元连接时，主变压器的容量可