发电厂电气部分课程设计报告Word格式文档下载.docx
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在我国电力系统结构中，火电设备容量占总装机容量的75%左右，尤其在“十二五”规划出台后，大型火电厂兴建与投入运行、关停整并中小火电厂已成为火电发展的总体趋势。
电气主接线是发电厂电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体及发电厂本身的运行的可靠性、灵活性和经济性，电气设备选择、厂用电的设计、配电装置选择及继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。
本文对装设有2台600MW和2台300MW的凝汽式发电机组的大型火电厂的一次部分进行初步设计探讨，包括电气主接线的形式的比较、选择；
主变压器及联络变压器容量计算、台数和型号的选择；
短路电流计算和高压电气设备的选择与校验等，使该大型火电厂的一次部分具有可靠性、灵活性、经济性的特点，并且能够满足工程建设规模要求，且能够适应未来5~10年电力系统的发展要求及趋势。
关键词：
火电厂；
主接线；
主体设备
目录
绪论1
第一章电气主接线的设计2
1.1电气主接线概述2
1.2各电压等级系统主接线方案的草拟3
1.3对草拟方案的比较和初选8
第二章方案经济性的比较11
2.1经济计算方法11
2.2备选方案的经济性比较13
第三章短路电流的计算16
3.1短路电流计算的规则16
3.2本方案中短路电流的计算18
第四章主体设备的选择26
4.1主体设备选择的一般条件26
4.2本方案中主体设备的选定27
参考文献47
附录48
致谢
50
天津大学《发电厂电气部分课程设计》说明书 绪论
绪论
能源（energysource）是人类赖以生存的基础，而对于电能（electricalenergy）的开发和应用，则是人类征服自然过程中取得的具有划时代意义的光辉成就。
当今，电能已成为现代国民经济生产、科学技术研究以及人民生活等各个领域广泛应用且不可或缺的重要能源。
电能之所以获得广泛应用，是因为它具有易于生产、便于传输、使用方便、利用率高和污染低的特点。
火力发电厂（简称火电厂,thermalpowerplant），即通过将煤、石油或天然气等燃料燃烧产生的热能转换为动能带动发电机（alternator）发电的电厂，是我国目前的主力发电厂，对国民经济发展起到至关重要的作用（李林川等,2011）。
据统计资料显示，2013年1~5月，中国累计火力发电量总计达kW·
h，仅5月当月，我国火力发电量为kW·
h。
数据来源：
中国报告大厅.2013年火力发电行业现状分析.http:
//.
在各类发电厂中，火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要决定，一次性建造投资少，单位容量的投资仅为同容量水电厂的一半左右，建造工期短，发电设备年利用小时数较高。
为响应“十二五”规划及中共十八大建设生态文明的号召，我国正在积极贯彻火电厂“上大压小”的政策，着力建设大型火电厂，关停、整并中小火电厂。
因此，本文将就大型火电厂的设计进行电气部分初步设计方案的探讨。
天津大学《发电厂电气部分课程设计》说明书 第一章电气主接线的设计
第一章电气主接线的设计
1.1电气主接线概述
电气主接线（mainelectricalconnectionscheme）是由高压电气设备通过连接线按功能要求组成的接受和分配电能的电路，又称一次接线或电气主系统，是发电厂电气设计的首要部分，也是构成电力系统（electricpowersystem）的重要环节。
电气主接线代表了发电厂电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。
因此，电气主接线的设计需要满足以下几个方面的技术指标要求：
（1）可靠性（reliability）。
安全可靠是电力生产和供应的首要任务，保证系统供电可靠是电气主接线的基本要求。
在系统运行过程中，对不同地位、不同类型发电厂电气主接线的可靠性要求是不同的。
因此，在分析电气主接线可靠性时，要考虑发电厂在系统中的地位和作用，供电用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。
（2）灵活性（flexibility）。
电气主接线应能适应系统各种运行状态，并能灵活转换运行方式。
一般而言，电气主接线的灵活性与可靠性相辅相成，对电气主接线设计的灵活性具有操作方便、调度灵活、便于扩建等要求。
（3）经济性（economicefficiency）。
电气主接线的设计在满足可靠性、灵活性要求的前提下要做到经济合理，一般要考虑投资、占地面积、电能损失等方面。
（李林川等,2011）
1.1.1电气主接线的设计原则
电气主接线设计遵循的总原则：
①符合设计任务书的要求；
②符合有关方针、政策和技术规范、规程；
③结合具体工程特点，设计技术经济合理的电气主接线。
一般应考虑下列情况：
（1）明确发电厂在电力系统中的地位和作用；
（2）确定主体设备的运行方式；
（3）确定电压等级及接入系统方式；
（4）考虑发电厂的最终规模（一般以5~10年的电力系统远景规划进行设计）。
1.1.2电气主接线的设计步骤
电气主接线的设计，一般可以分为如下步骤：
（1）拟定可行的主接线方案，初选几个技术上较好的方案；
（2）对初选方案进行经济计算，选择出经济上的最佳方案；
（3）对所选方案进行全面的技术、经济比较，确定最优主接线方案；
（4）电气主接线可靠性计算；
（5）绘制电气主接线图。
（黄纯华,1987）
1.2各电压等级系统主接线方案的草拟
1.2.1原始资料分析
按照《课程设计任务书（3#）》的要求，本方案所需设计的发电厂为大型凝汽式火电厂，主机采用4台凝汽式汽轮机（CondensingSteamTurbine），设计总装机容量（designtotalinstalledcapacity）为MW，最大单机容量（maximumsingle-machinecapacity）为600MW，具有大型容量的规模、大型机的特点。
经计算，该电厂全部机组投入运行后，约占电力系统总容量的7.83%。
因此该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要。
该火电厂年运行时间（annualruntime）T=8000h，年最大负荷利用小时数Tmax=6000h，在电力系统中将主要承担基荷（baseloadunit），因此，该厂电气主接线设计要求有较高的可靠性。
从负荷特点及电压等级（voltageclass）可知，该厂具有500kV和220kV两级电压负荷以及110kV剩余功率系统。
500kV具有2回架空线路（aerialconductor），最大的输送功率为900MW，年最大负荷利用小时数Tmax=5500h，说明对其可靠性要求较高。
220kV电压等级有4回架空线路，最大输送功率为500MW，年最大负荷利用小时数Tmax=5500h，对其可靠性亦有一定的要求。
因此，本方案的设计应首要考虑满足可靠性要求。
在满足可靠性要求的前提下，也应具有一定的经济性。
另外，在设计时，我们需要同时考虑该电厂远景（一般为5~10年）的发展规划，电气主接线设计应考虑方便扩建。
1.2.2方案草拟
1.方案一
如图1-2-1所示，在方案一中，500kV系统采用一台半断路器（breaker）接线，220kV系统采用双母线（bus）分段方式接线，厂用电接线从发电机升压变压器（transformer）的低压侧引出。
2.方案二
如图1-2-2所示，在方案二中，500kV系统采用一台半断路器接线方式以保证其拥有很高的可靠性，220kV系统采用双母线（doublebus）带旁路（bypass）接线方式，使得220kV母线在检修过程中能保证正常供电，可靠性较高。
110kV系统采用双母线接线方式，调度灵活，供电可靠。
3.方案三
如图1-2-3所示，在方案三中，500kV系统采用一台半断路器接线，220kV系统采用双母线接线方式，110kV系统采用单母线分段接线。
4.方案四
如图1-2-4所示，在方案四中，500kV系统采用一台半断路器接线，220kV系统采用双母线分段带旁路方式接线，110kV系统采用双母线接线方式。
图1-2-1方案一电气主接线图
图1-2-2方案二电气主接线图
图1-2-3方案三电气主接线图
图1-2-4方案四电气主接线图
1.3对草拟方案的比较和初选
在上述四个方案中，500kV系统均采用一台半断路器接线方式，每条回路共用3台断路器，即每条回路一台半断路器，每串的中间一台断路器为联络断路器。
正常运行时，两组母线和全部断路器都投入工作，形成多环状供电，因此有很高的可靠性和灵活性。
其优点在于任一母线故障或检修（所有接于该母线上的断路器断开），均不致停电；
当同名元件接于不同串，及同一串中有一回出线、一回电源时，在两组母线同时故障或一组检修两外一组故障的极端情况下，功率仍能经联络断路器继续输送；
除了联络断路器内部故障时（同串中的两侧断路器将自动跳闸），与其相连的两回路短时停电外，联络断路器外部故障或其他任何断路器故障最多停一个回路；
任一断路器检修都不致停电，而且可同时检修多台断路器；
运行调度灵活，操作、检修方便，隔离开关（disconnectingswitch）仅作为检修时隔离电器。
其缺点是这种接线要求电源和出线数目最好相同；
为提高可靠性，要求同名回路接在不同串上，对特别重要的同名回路，要考虑“交替布置”，即同名回路分别接于不同母线，以提高运行的可靠性。
而由于配电装置的结构的特点，要求每对回路中的变压器和出线向不同方向引出，这将增加配电装置的间隔，限制这种接线的应用；
与双母线带旁路比较，这种接线所用的断路器、电流互感器（currenttransformer,CT）多，投资大；
正常操作时，联络断路器动作次数时其两侧断路器的2倍，一个回路故障时要跳两台断路器，断路器动作频繁，检修次数多；
二次控制（secondarycontrol）接线和继电保护（powersystemprotection）都较复杂。
1.3.1方案一的特点
在方案一中，如图1-2-1所示，220kV系统采用双母线分段接线方式。
双母三分段接线方式将一般双母线中的一组母线分为两段，不仅具有双母线接线的优点，任何时候都有备用母线（auxiliarybus-bar）。
考虑以下两种运行方式：
1.上面的母线作为备用，下面的两段分别经一台母联断路器（bustieswitch）与备用母线相连。
正常运行时，电源、线路分别接于两个分段上，分段断路器（sectionswitch）合上，两台母联断路器均断开，相当于分段单母线运行。
这种方式又称为工作母线分段的双母线接线，具有分段单母线和一般双母线的特点，而且有更高的可靠性和灵活性。
2.母联断路器和分段断路器均合上，这种方式在一段母线故障时，分段断路器跳开，同时该段母线的出线停电，随后切换到备用母线上即可恢复。
这样只是部分的短时停电。
但是这种接线方式增加了母联断路器和分段断路器数量，使投资加大。
厂用电接线从发电机升压变压器的低压侧引出。
厂用分支通常与发电机出口回路一并采用分相封闭母线，因为故障率很小，可不装断路器和隔离开关，节省了投资。
但是发生故障时或检修会使得操作十分困难甚至停运机组。
如果在每个发电机侧与厂用电变压器高压侧之间加入断路器和隔离开关，与将母线作为厂用电源相比断路器数量反而增加，投资反而会加大。
1.3.2方案二的特点
在方案二中，如图1-2-2所示，220kV系统采用双母线带旁路接线方式，使得220kV系统在检修过程中能保证正常供电，可靠性较高。
110kV系统采用双母线接线方式，调度灵活，供电可靠，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致使供电中断；
一组母线故障后，能迅速恢复供电。
综上，该方案的优点是整个网络功率分配均衡，220kV、500kV及110kV系统在正常工作时各母线上的功率平衡，母线间的穿越功率（penetratingpower）少，减少了功率损耗，降低了风险。
但是，在该方案的设计中，220kV系统只有一台600MW的发电机供电。
当发电机退出网络时会造成大量的穿越功率很容易发生故障，可靠性较差。
同时，该方案采用较为复杂的接线方式，需要的断路器、隔离开关等设备较多，成本较高。
由于出现故障时各个网络间会产生大量的穿越功率，因此对各母线间的线路及其元件设备有很高的要求，变相增加了成本。
1.3.3方案三的特点
在方案三中，如图1-2-3所示，220kV系统采用双母线接线形式，其调度灵活、供电较为可靠。
但母线故障或检修时，需短时切除该母线上电源与负荷；
馈线（feederline）断路器或线路侧隔离开关故障时，会造成该回路供电中断。
110kV系统采用单母线分段接线，一端有故障的时候可由另一端电源供电，同时又具有不影响另一端电源正常供电的特性，由于110kV系统在大型发电厂中的地位不高，不要求太高的可靠性，因而采用单母线分段接线方式使用断路器少，具有一定的经济性。
1.3.4方案四的特点
在方案四中，如图1-2-4所示，由于本案例对可靠性要求较高，因此电机采用单元接线方式，使发电机在短路故障时相互影响较小，具有较高可靠性。
厂用电采用联络变压器，高、中压侧分别连接500kV、220kV侧，有平衡两系统功率能量的作用，低压侧连接厂用设备。
110kV系统不直接安装发电机，靠变压器从500kV、220kV系统汲取较少能量，地位不高。
110kV系统使用双母接线方式，短路时，对整个系统影响较小，只相当于500kV、220kV系统的一个负载。
220kV系统采用双母分段带旁路的接线方式。
分段母线可减小停电范围，当一段故障时，可将负荷切至备用母线而不用切断整个母线上的负荷。
旁路的使用可避免检修负荷侧断路器时的停电，但其缺点是整个系统设计较为复杂，经济性相对较差。
本案例对供电可靠性要求严格，故而使用旁路。
综上分析，我们选择方案三和方案四进行经济性比较。
天津大学《发电厂电气部分课程设计》说明书 第二章方案经济性的比较
第二章方案经济性的比较
2.1经济计算方法
经济计算（economiccalculation）是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（investment,包括主要设备及配电装置的投资）和年最大运行费用（annualmaximumworkingcost）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。
2.1.1计算综合投资Z
方案综合投资Z的计算采用如下方法
（万元） （2-1）
式中，为主体设备的综合投资（即包括设备本体价格、其它设备（如控制设备、母线）费、主要材料费、安装费等各项费用的综合），包括变压器、开关设备、配电装置等设备的综合投资；
a为不明显的附加费用比例系数。
综合投资指标可查表获得。
2.1.2计算年运行费用u
方案年运行费用
（万元） （2-2）
式中，为小修、维护费，一般为，可查表获得；
为折旧费，一般为，可查表获得；
为电能电价（），取当地实际电价；
为变压器年电能损失总值（）。
关于的计算，在已知最大负荷和最大负荷利用小时数时，若采用n台相同容量的双绕组变压器并联运行，则
（） （2-3）
或
（） （2-4）
式中，为一台变压器的空载有功损耗（kW）；
为一台变压器的空载无功损耗（kVar）；
为一台变压器空载电流百分值；
为一台变压器的短路有功损耗（kW）；
为一台变压器的短路无功损耗（kVar）；
为变压器的短路电压（或称阻抗电压）百分值；
为一台变压器的额定容量（kVA）；
为n台变压器承担的最大总负荷（kVA）；
S为n台变压器承担的总平均负荷（kVA）；
为变压器全年实际运行小时数（h），一般可取8000h；
为最大负荷损耗时间（h），可查表获得；
K为无功经济当量（即每多发送（或补偿）1kVar无功功率，在电力系统中所引起的有功功率损耗增加（或减少）的值，一般发电厂取0.02）。
2.1.3经济比较
对技术上较好的方案，分别进行上述投资及年运行费用计算后，再通过经济比较，可选出经济上的最优方案。
在诸方案中，Z与u均为最小的方案优先选用。
若Z大的方案而u小，或反之，则应采用“动态比较法”进一步进行经济比较。
动态比较法（dynamiccomparisonmethod），即在经济分析中，对建设期的投资、运行期的年费用和效益都要考虑时间因素，并按复利计算，用以比较在同等可比条件下的不同方案的经济效益。
经济计算一般可以采用年费用最小法，其计算公式为
（2-5）
为最小，其中
（2-6）
（2-7）
式中，NF为年费用（平均分布在从到期间的n年内,万元）；
Z为折算到第m年的总投资（即第m年的本利和,万元）；
为第t年的投资（万元）；
t为从工程开工当年（）算起的年份；
m为施工年数；
为电力工业投资回收率，或称电力工业投资利润率，取0.1；
n为工程的经济使用年限（火电厂为25年）；
u为折算年运行费用（万元）；
为第t年所需的年运行费；
为从工程开工当年算起，工程部分投运的年份。
依上述三式计算各方案的年费用，其中最小者即为经济上的最优方案。
2.2备选方案的经济性比较
2.2.1方案三的经济计算
在方案三中，如图1-2-3所示，需要使用两台500/20kV主变压器，两台220/10.5kV主变压器，一台220/110kV自耦变压器以及一台500/220/35kV联络变压器。
现根据变压器所需容量选择变压器型号及其参数如表2-1所示（关于变压器型号将在4.2.2节具体说明）。
表2-1方案三变压器选型
每台总投资（万元）
300
110
35
129
注：
1自上而下依次是UK1-2%、UK1-3%、UK2-3%
I0%
0.24
0.36
0.42
-
Uk%
13.5
13
38.3
11.8
24.81
Pk（kW）
809
653
301
544
P0（kW）
247.8
175.8
59.2
144
型号
SFP-720000/500
SFPT-370000/200
OSFPS8-120000
ODFPS-250000/500
变压器
550/20kV主变压器
220/10.5kV主变压器
220/110kV自耦变压器
500/220/35
联络变压器
方案三中的断路器需求量如表2-2所示。
表2-2方案三的断路器需求量
电压等级（kV）
数量（个）
单价（万元）
500
9
370
220
7
30
5
18
由表2-1和表2-2所示数据及式（2-1）可知，方案三的综合投资
（万元）
若无功经济当量K取0.1，功率因数，年最大负荷利用小时数，年运行时间，最大负荷损耗时间，由式（2-3）可得变压器年损耗电能
（）
则由式（2-2）知该方案年运行费用
采用“动态比较法”可得
2.2.2方案四的经济计算
如图1-2-4所示，方案四所设计的变压器方案与方案三完全相同，这里不再赘述。
方案四中的断路器需求量如表2-3所示。
表2-3方案四的断路器需求量
10
6
2.2.3经济性分析结论
综上，经过综合投资、年运行费用及年费用NF的计算比较，在备选方案中，方案三的经济性优于方案四。
但是，方案四的可靠性要远高于方案三，并且方案四亦具有一定的经济性。
因此综合考虑，我们仍然选择方案四为最终方案。
天津大学《发电厂电气部分课程设计》说明书 第三章短路电流的计算
第三章短路电流的计算
3.1短路电流计算的规则
短路电流计算（Short-CircuitCalculation），是指电力系统发生短路时，对短路后的电流及其分布的计算，是发电厂电气设计中的一个重要环节。
（全国科学技术名词审定委员会,2011）
3.1.1短路电流计算的目的
在发电厂的电气设计中，短路电流计算的目的主要有以下几个方面：
（1）以短路计算为依据，选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备。
（2）对电力网中发生的各种短路进行计算和分析，合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数。
（3）设计和选择发电厂和电气主接线。
通过必要的短路电流计算比较各种不同方案的接线图，确定是否需要采取限制短路电流的措施等。
（4）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等。
此外，确定输电线对通信的干扰，进行故障时机故障后的安全分析，都必须进行短路计算。
（李林川等,2009）
3.1.2短路电流计算的一般规定
1.计算的基本情况
（1）电力系统中所有电源均在额定负荷（ratedload）下运行；
（2）所有同步电机（synchronousmachine）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）所有电源电动势（ElectromotiveForce,EMF）的相位角（phaseangle）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（arcresistance）。
对异步电动机（asynchronousmotor）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
计算短路电流时所用的接线方式，应是
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