MW机组火力发电厂升压站初步设计.doc

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摘要

火力发电厂是电力系统的重要组成部分，也直接影响整个电力系统的安全与运行。

发电厂升压站系统的设计是电力工业建设中必不可少的一个项目。

因此，发电厂升压站系统的设计是否合理，对保证连续供电乃至发电厂和电力系统的安全经济运行至关重要。

本设计结合国电哈密发电厂2×600MW超临界空冷机组工程的实际情况，主要阐述全论文说明了各种设备选择的最基本的要求和原则依据。

变压器的选择包括：

发电厂主变压器、高压备用变压器及高压厂用变压器的台数、容量、型号等主要技术数据的确定；电气主接线主要介绍了电气主接线的重要性、设计依据、基本要求、各种接线形式的优缺点以及主接线的比较选择，并制定了适合本厂要求的主接线。

短路电流计算是最重要的环节，本论文详细的介绍了短路电流计算的目的、假定条件、一般规定、元件参数的计算、以及各短路点的计算等知识；高压电气设备的选择包括母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、高压开关柜的选择原则和要求，并对这些设备进行校验和产品相关介绍。

发电厂和变电所的防雷保护则主要针对避雷针和避雷器的设计。

此外，在论文适当的位置还附加了图纸及表格以方便阅读、理解和应用。

通过对电气主接线的设计、厂用电的设计和计算、短路电流的计算、电气设备的选择和校验以及配电装置的设计，简要完成了2×600MW超临界空冷机组的电气升压站的初步设计。

关键词：

火力发电厂；电气一次部分；短路电流；电气设备。

Abstract

Thermalpowerplantisanimportantpartofthepowersystem,andalsoaffectthewholepowersystemsecurityandoperation.Thedesignofpowerplantauxiliarypowersystemisanessentialprojectintheelectricpowerindustryconstruction.Therefore,whetherthedesignofpowerplantauxiliarypowersystemisreasonable,isveryimportanttoensurethatloadofplantsupplyelectricpowercontinuously,eventhesafeandeconomicoperationofthePowerPlantandthePowerSystem.

Thisdesignisbasedontheactualsituationof2*600MWsuperaircoolingunitsofhamipowerplant,andmainlyexpoundsthebasicrequirementsandprincipleoftheselectionofvariousequipment..Theselectionofthetransformerareasfollows:

thepowerofmaintransformer,highvoltagestand-bytransformerandhighvoltageplantdeterminationofmaintechnicaldataofthetransformerunits,capacity,model;themainelectricalwiringmainlyintroducesthemainelectricalconnectionoftheimportance,designbasis,basicrequirements,variouslinesoftheformofadvantagesanddisadvantagesandthecomparisonandselectionofmainwiring,andtodevelopthesuitableforthefactorymainwiring.Short-circuitcurrentcalculationisthemostimportantlink,thispaperdetailedintroducestheshort-circuitcurrentcalculation,assumedconditions,generalprovisions,thecomponentparametercalculation,andtheshort-circuitcalculationofknowledge;selectionofhighvoltageelectricalequipmentincludingbus,highvoltagecircuitbreaker,isolatingleaveoff,currenttransformer,voltagetransformer,highvoltageswitchcabinetselectionprinciplesandrequirements,andtheequipmentforverificationandproductionareintroducedinthispaper.Lightningprotectionforpowerplantandsubstationismainlyforthedesignoflightningrodandarrest.Inaddition,theappropriatelocationofthepaperisalsoattachedtothedrawingsandformstofacilitatereading,understandingandapplication.

Throughdesignandcomputationofthemainelectricalwiringandtheauxiliarypowersystem,short-circuitcurrentcomputation,electricalequipmentchoiceandverificationaswellaspowerdistributionequipment,thisarticlebrieflycompleted2×600MWsuperair-coolingunitselectricalpartialdesigns．

KeyWordsPowersystem，Theshort-currentcalculation，TheElectricalequipmentchoice，Bus，Highvoltagecircuitbreaker

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

1主变压器的选择 1

1.1型式和结构的选择 1

1.2绕组数与结构 1

1.3绕组接线组别 1

1.4调压方式 2

1.5冷却方法 2

1.6容量和台数的确定 2

1.7无功补偿装置的确定 3

22×600MW机组电气主接线设计 5

2.1电气主接线概述 5

2.2600MW机组电气主接线基本接线形式 5

2.3电气主接线形式的确定 8

32×600MW机组厂用电设计 10

3.1厂用电概述及设计原则 10

3.2厂用电的电压等级确定 11

3.3厂用电源及其引接方式 11

3.4厂用电接线设计 13

3.5厂用负荷计算 14

3.6厂用变压器的选择 15

4最大持续工作电流及短路计算 17

4.1各回路最大持续工作电流 17

4.2短路电流计算的主要目的 17

4.3一般规定 17

4.4短路电流计算步骤 18

4.5计算公式 19

4.6短路电流计算 21

5电气设备和导体的选择 31

5.1电气设备选择的一般原则 31

5.2500kV高压设备的选择 32

5.310KV高压开关柜的选择 35

5.4裸导体的选择 36

5.5电气设备和导体的选择计算 38

6继电保护和自动装置配置 44

6.1继电保护配置 44

2）零序电流保护 46

5）后备保护：

复合电压过电流保护 48

6.2自动装置配置 51

7防雷保护设计 52

7.1雷害来源 52

7.2直击雷的防护 52

7.3入浸雷的防护 53

7.4防雷接地 54

7.5防雷保护设计计算 54

总结 57

致谢 58

参考文献 59

附录 60

主变压器的选择

1主变压器的选择

1.1型式和结构的选择

主变压器采用三相或是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。

由于大型变压器随着容量的增大，尺寸和重量也增大。

所以当发电厂与系统连接的电压等级为500kV时，600MW机组单元连接的主变压器综合考虑运输和制造条件，经技术经济比较，可采用单相组成的三相变压器。

采用单相变压器时,由于备用单相变压器一次性投资大,利用率不高,故应综合考虑系统要求、设备质量以及按变压器故障率引起的停电损失费用等因素，确定是否装设备用单相变压器。

若确需装设，可按地区（运输条件允许）或同一电厂2～3组的单相变压器（容量、变比与阻抗均相同），合设一台备用单相变压器考虑。

1.2绕组数与结构

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式等型式。

容量为200MW以上大机组都采用与双绕组变压器成单元接线，而不于三绕组变压器组成单元接线。

这是由于机组容量大，其额定电流及短路电流都很大，发电机出口断路器制造困难，价格昂贵，且对供电可靠性要求较高，所以，一般在发电机回路及厂用分支回路均采用分相封闭母线，而封闭母线回路中一般不装高断路器和隔离开关。

1.3绕组接线组别

变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接方式只有星形“Y”和三角形“d”两种。

而在发电厂中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，主变压器接线组别一般都选用YN，d11常规接线。

全星形接线变压器用于中性点不接地系统时，3次谐波无通路，将引起正弦波电压畸变，并对通信设备发生干扰，同时对继电保护整定的准确度和灵敏度均有影响。

在我国，全星形接线变压器均为自耦变压器，电压变比多为220/110/35、330/220/35、330/110/35、500/220/110kV，由于500、330、220、110kV均系中性点直接接地系统，系统的零序阻抗较小，所以自耦变压器设置三角形绕组用以对线路3次谐波的分流作用已显得不十分必要。

1.4调压方式

调压是通过变压器的分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数，从而改变其变比，实现电压的调整。

切换方式有两种：

一种是不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达，但结构复杂、价格昂贵。

1.5冷却方法

电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。

大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却，在发电厂水源充足的情况下，为压缩占地面积，也可采用强迫油循环水冷却。

强迫油循环水冷却的散热效率高，节省材料，减小变压器本体尺寸，但要一套水冷却系统和有关附件，在冷却器中，油与水不是直接接触，在设计时和运行中，以防止万一产生泄漏时，水不至于进入变压器内，严重地影响油的绝缘性能，故对冷却器的密封性能要求较高。

1.6容量和台数的确定

主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。

如果变压器容量选得过大、台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得过小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出，这在技术上是不合理的，因为每千瓦的发电设备投资远大于每千瓦的变电设备投资。

为此，必须合理地选择变压器。

对单元接线的变压器,其容量应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有的裕度来确定，即

变压器的容量：

（1.1）

式中：

为变压器的计算容量KVA；PN为发电机的额定功率KW；K为发电机的厂用电率，一般取8%；为发电机的功率因数，一般取0.85。

=1.1×（1-0.08）/0.85×600×1000=714353KV.A

由于本工程采用发电机变压器单元接线，主变压器容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展。

根据DL5000—2000《火力发电厂设计技术规定》：

“主变压器的容量可按发电机的最大连续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷后留有10%的裕度选择

参见《GBT_6451-2008_三相油浸式电力变压器技术参数和要求》规定，主变压器容量选择720MVA可以满足要求。

考虑到运输条件的限制主变压器选用三相双绕组强迫油循环风冷铜线圈720MVA无励磁调压电力变压器，电压变比550±2×2.5%/22kV，连接组标号：

YN，d11,空载损耗360kW，负载损耗1620kW，空载电流0.15%，阻抗电压16%。

主变压器SFP10-720000/500主要技术参数如

表1-1主变压器主要技术参数

型号：

SFP10-720000/500

额定容量：

720MW.A

连接组标号:

YN，d11

高压：

550±2×2.5%kV

低压：

20kV

阻抗电压：

41.25KV

空载损耗：

360kW

负载损耗：

1620kW

空载电流：

0.15%KA

1.7无功补偿装置的确定

提高自然因数的方法：

1）.恰当选择电动机容量，减少电动机无功消耗，防止“大马拉小车”。

2）.对平均负荷小于其额定容量40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法（或自动转换）。

3）.避免电机或设备空载运行。

4）.合理配置变压器，恰当地选择其容量。

5）.调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电负荷率。

6）.改善配电线路布局，避免曲折迂回等。

人工补偿法：

实际中可使用电路电容器或调相机，一般多采用电力电容器补尝无功，即：

在感性负载上并联电容器。

一下为理论解释：

在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。

在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90º，而纯电容的电流则超前于电压90º，电容中的电流与电感中的电流相差180º，能相互抵消。

电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流将滞后电压一个角度，将并联电容器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使总电流减小，功率因数将提高。

并联电容器的补偿方法又可分为：

1.个别补偿。

即在用电设备附近按其本身无功功率的需要量装设电容器组，与用电设备同时投入运行和断开，也就是再实际中将电容器直接接在用电设备附近。

适合用于低压网络，优点是补尝效果好，缺点是电容器利用率低。

2.分组补偿。

即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是再实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。

优点是电容器利用率较高且补尝效果也较理想（比较折中）。

3.集中补偿。

即把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上。

在实际中会将电容器接在变电所的高压或低压母线上，电容器组的容量按配电所的总无功负荷来选择。

优点:

是电容器利用率高，能减少电网和用户变压器及供电线路的无功负荷。

缺点:

不能减少用户内部配电网络的无功负荷。

发电厂的功率因数一般为0.85～0.89，要达到0.93～0.95的功率因数，需要无功功率补偿。

现已0.93为例；

无功补偿前的功率因数；

（1.2）

无功补偿后的功率因数

（1.3）

无功补偿容量；（1.4）

55

22*600MW机组电气主接线设计

22×600MW机组电气主接线设计

2.1电气主接线概述

将高压电气设备（包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离开关、线路等）的图形用单线绘制成的接线图，称为电气主接线。

电气主接线方式的选择，是为满足功率传输要求，对安全性、经济性、可靠性、灵活性的输送电能起着决定性作用。

对一个装有600MW机组的电厂而言，电气主接线在电厂设计时就已经根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位、供电负荷的距离等，以及保证输、供电可靠性、运行灵活性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，并经综合比较后确定。

2.2600MW机组电气主接线基本接线形式

本节主要介绍装有大容量（600MW及以上）汽轮发电机组的发电厂有关的基本主接线形式。

一、双母线接线

1．一般双母线接线

如图2-1所示，它具有两组母线：

工作母线Ⅰ和备用母线Ⅱ。

每回进出线均经一组断路器和两组母线隔离开关分别接至两组母线，两组母线间通过母线联络断路器QFc相连。

有两组母线后，使运行的可靠性和灵活性大为提高，其特点如下：

（1）检修任意一组母线时，不会停止对用户的连续供电。

例如，检修母线Ⅰ时，可把全部电源和复合线路切换到母线Ⅱ上。

图2-1一般双母线接线

（2）运行调度灵活，通过倒换操作可以实现不同形式的运行方式。

当母联断路器QFc闭合，进出线适当地分配在两组母线上，形成双母线同时运行的状态（相当于单母线分段的运行方式）。

有时为了系统的需要，亦可将母联断路器断开（处于热备用状态），两组母线同时运行。

这时该电厂相当于分裂成两个电厂各自向系统送电。

显然，两组母线同时运行的供电可靠性比只有一组母线运行时高。

2．双母线带旁路母线接线

图2-2双母线带旁母接线

一般双母线接线的主要缺点是，检修线路断路器会造成该回路停电。

为了检修线路断路器时不致造成停电，可采用带旁路母线的双母线（应该注意的是旁路母线只为检修断路器时不中断供电而设，它不能代替汇流母线），如图2-2所示。

在每一回路的线路侧装设一组隔离开关（旁路隔离开关）QS，接到旁路母线Ⅲ上，而旁路母线再经旁路断路器和旁路隔离开关接到两组母线上。

图2-2中设有专用的旁路断路器QF，要检修某一线路的断路器时，基本操作步骤：

先合旁路断路器两侧的隔离开关（母线侧合上一个），再合上旁路断路器QF对旁路母线进行充电与检查；若旁路母线正常，则待检修的断路器回路上的旁路隔离开关两侧已经等电位，可以合上该旁路隔离开关；此后可断开带检修短路器及其两侧的隔离开关，对断路器进行检修。

此时已通过旁路断路器、旁路母线及有关旁路隔离开关想起供电。

3．双母线分段接线

双母线接线难以满足大型电厂和变电所对主接线可靠性的要求：

不分段的双母线接线在母联断路器故障或一组母线检修，另一组运行母线故障时，有可能造成严重的或全厂（所）停电事故。

图2-3双母线分段接线

如图2-3为双母线分段接线。

用分段断路器QF3把工作母线Ⅰ分段，每段分别用母联断路器QF1和QF2与备用母线Ⅱ相连。

这种接线比一般的双母线接线具有更高的供电可靠性与灵活性。

但由于断路器较多，投资较大，一般在进出线路较多（如多于8回线路）时可能用这种接线。

以上三种双母线接线方式具有供电可靠、检修方便、调度灵活及便于扩建等优点，在国内大中型电厂和变电所广泛采用。

但是这种接线所用设备多，在运行中隔离开关作为操作电器，交易发生误操作。

特别是当母线系统发生故障时，需要短时间内切除较多电源和线路，这对于特别重要的大型发电厂变电所是不容许的。

二、3/2断路器接线

如图2-4所示，在上Ⅰ和下Ⅱ两组母线之间有3个断路器构成一串，给2个元件（出线或电源）使用，每个元件占用3/2断路器。

称为3/2断路器接线，又称3/2接线。

正常运行时，两组母线和同一串的三个断路器都投入运行，称为完整串运行，形形成多环路状供电，具有很高的可靠性。

图2-43/2接线

其主要特点是，任一组母线故障或检修时，只断开与此母线相连的所有断路器，所有回路都不会停电。

任一断路器检修时，所有回路都不会停电（每个回路都经过两台断路器供电）。

甚至在一组母线检修另一组母线故障或两组母线同时故障的极端情况下，也不中断供电。

一串中任何一台断路器退出或检修时，这种运行方式称为不完全串运行，此此时任然不影响任何元件的运行。

这种接线运行方便、操作简单，隔离开关只在检修时作为隔离电器用。

在装设600MW机组的大容量电厂中，广泛采用3/2断路器接线。

在电厂一期工程中，一般机组和出现数较少。

如本期2×600MW工程，只有两台发电机和两回出线（一回送至霍州500kV变电所，一回备用），构成只有两串的3/2断路器接线。

在此情况下，电源（进线）和出线的接入点可采用两种方式：

一种是交叉接线，如图2-5（a）所示，将两个同名元件（电源或出线）分别布置在不同串上，并且分别靠近不同母线接入，即电源（变压器）和出线相互交叉配置；另一种是非交叉接线，如图2-5（b）所示，它也将同名元件（电源或出线）分别布置在不同串上，但所有同名元件都靠近同一母线一侧（进线都靠近一组母线，出线都靠近一组母线）。

图2-53/2交叉接线3/2非交叉接线

通过分析可知：

3/2交叉接线比3/2非交叉接线具有更高的运行可靠性，可以减少特殊运行方式下事故扩大。

例如，一串中的联络断路器（设502）在检修或停用，当另一串的联络断路器发生异常跳闸或事故跳闸（出线L2故障或进线T2回路故障）时，对非交叉接线将造成切除两个电源，相应的两台发电机甩负荷至零，电厂与系统完全解列；而对交叉接线而言，至少还有一个电源（发电机—变压器）可向系统送电，L2故障时T2向L1送电，T2故障时T1向L2送电，仅是联络断路器505异常跳开时也不破坏两台发电机向系统送电。

应当指出，当3/2接线的串数多于两串时，由于线路本身构成的闭环回路不止一个，一个串中的联络断路器检修或停用时，任然还有闭环回路，因此不存在交叉接线的优点。

2.3电气主接线形式的确定

本期工程2×600MW超临界空冷凝汽机组以500kV一级电压接入系统，电厂出线1回，接入郑州500kV变电站。

500kV系统采用一般双母线接线。

考虑到电厂长期运行，本期工程电气采用联合单元接线，主变侧设有断路器，可避免一台机组检修和投运时影响另一台机组的正常运行；结合系统总体规划及本工程近期规划情况，从确保系统可靠性、减少运行维护工作量、降低工程造价等方面考虑，本工程发电机与主变之间的连接采用全连式分相封闭母线。

发电机与主变压器之间不装设断路器，只设可拆连接片，以供检修和调试使用。

（发电机出口不装设断路器，其理由是，大电流大容量断路器投资较大，而且发电机出口到主变压器和厂用工作母线采用全连式分相封闭母线后，此段线路范围内，相间短路故障的可