4×200MW火力发电厂电气部分设计.doc

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毕业设计（论文）

题目：

4×200MW火力发电厂电气部分设计

学生姓名钟治民学号053008211643

专业机电一体化班级黄冈教学点

指导教师姜永豪张建文

评阅教师

完成日期 2010 年 6 月 4 日

目录

摘要

前言

1毕业设计的主要内容及思想………………………………………………………...7

1.1毕业设计的主要内容、功能及技术指标……………………………………………….7

24×200MW火力发电厂电气主接线的设计…………………………………......8

2.1电气主接钱的主要要求………………………………………………………………….8

2.2电气主接钱设计………………………………………………………………………….9

3火力发电厂短路电流计算…………………………………………………………...11

3.1短路路计算的目的和简化假设………………………………………………………....13

3.2各系统短路电流的计算…………………………………………………........................15

3.2.1短路计算的基本假定和计算方法…………………………………………………....15

3.2.2电抗图及电抗计算…………………………………………………………………....17

3.2.3短路点的选择、短路电流以及冲击电流的计算……………………………………18

4火电厂发电机、变压器选择………………………………………………………..19

4.1发电机型…………………………………………………………………………………21

4.1.1简介……………………………………………………………………………………22

4.1.2选型……………………………………………………………………………………23

4.2变压器的选型……………………………………………………………………………24

4.2.1具有发电机电压母线的主变压器……………………………………........................25

4.2.2单元接线的主变压器…………………………………………………………………26

5火电厂断路器、隔离开关、电流、电压互感器的选择.....................................31

5.1短路器的选择…………………………............................................................................32

5.2隔离开关的选择…………………………………………………………………………33

5.3电流互感器的选择………………………………………………………………………35

5.4电压互感器的选择………………………………………………………………………36

6变压器的继电器保护……………………………………………………………........38

6.1电力变电器的继电保护………………………………………………............................42

6.2变压器继电保护的整定计算………………..…………………………………………..43

6.2.1纵联差动保护的整定计算……………………………………………………………44

6.2.2过电流保护的整定计算………………………………………………………………44

结论

参考文献

4×200MW火力发电厂电气部分设计

摘要：

由发电、变电、输电、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、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。

电气主接线是发电厂、变电所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、变电所本身的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。

并且对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。

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%。

本文是对配有4台200MW汽轮发电机的大型火电厂一次部分的初步设计，主要完成了电气主接线的设计。

包括电气主接线的形式的比较、选择；主变压器、启动/备用变压器和高压厂用变压器容量计算、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;并作了变压器保护。

关键词：

发电厂；变压器；电力系统；继电保护；电气设备

前言：

由发电、变电、输电、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（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。

由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。

因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。

据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。

电能是一种清洁的二次能源。

由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度,易于实现自动化。

因此，电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生活的各个方面。

绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅猛发展。

到2003年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第2位。

工业用电量已占全部用电量的50～70%，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。

电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。

电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。

1.毕业设计的主要内容及基本思想

本次毕业设计的主要内容是一个4*200MW火力发电厂的电气部分设计。

在这次设计中一共分通过以下几个步骤来五年成本次的设计任务。

1.1毕业设计的主要内容、功能及技术指标

1、电厂规模：

（1）装机容量4×200MW=800MWUN=10.5KV

（2）机组年利用小时数：

Tmax=6000h/a

（3）气象条件：

发电厂所在地，最高气温23℃，最低气温-36℃，平均气温6℃，最热日平均气温23℃，冻土层1.5米,覆冰厚7mm,最大风速20M/S,大气无明显污染,土壤电阻率大于500欧厂用电率：

8%

2、主要技术指标：

（1）保证供电安全、可靠、经济；

（2）功率因数达到0.9及以上

3、主要内容：

（1）确定主接线：

根据设计任务书，分析原始资料与数据。

（2）选择主变压器：

选择变压器的容量、台数、型号等。

（3）短路电流计算：

根据电气设备选择和继电保护整定的需要，选择短路计算点，绘制等值网络图，计算短路电流，并列表汇总。

（4）电气设备的选择：

选择并校验断路器、隔离开关、电抗器、电流互感器、电压互感器、母线、电缆、避雷器等，选用设备的型号、数量汇总成设备一览表；

（5）主变压器继电保护的整定计算及配置

2.4*200MW火力发电厂电气主接线的设计选定

2.1电气主接线的设计依据

发电厂在电力系统中的地位和作用

电力系统中的发电厂有大型主力电厂、中小型地区电厂及企业自备电厂三种类型。

大型主力或电厂靠近煤矿或沿海、沿江，并接入300-500KV超高压系统；地区电厂靠近城镇，一般接入110-220KV系统，也有接入330KV系统；企业自备电厂则以本企业供电供热为主，并与地区110-220KV系统相连。

中小型电厂常有发电机电压馈线向附近供电。

2.1.1电气主接线的主要要求

电气主接线的设计原则是：

根据发电厂在电力系统的地位和作用，首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求。

根据规划容量、本期建设规模、输送电压等级、进出线回路数、供电负荷的重要性、保证供需平衡、电力系统线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规划与要求等条件确定。

应满足可靠性、灵活性和经济性的要求。

（1）可靠性：

衡量可靠的标准，一般是根据主接线型式机主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件发生的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种主接线型式中择优。

所谓“不允许”事故，是指发生故障后果非常严重的事故，如全部电源津县停运、朱变压器停运，全场停电事故等。

供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，主接线首先应满足这个要求。

（2）灵活性：

是指在调度时，可以灵活的投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以极特殊运行方式下的系统电镀要求；在检修时，可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，而不致影响电力网的运行和对用户的供电；在扩建时，可以容易的从初期接线扩建到最终接线，在不影响连接供电或停电时间最短的情况下，投入新机组、变压器或线路，并对一次和二次部分的改建工作量最少。

在操作时间便、安全、不易发生误操作的“方便性”。

（3）主接线应在满足供电可靠性、灵活性要求的前提下做到经济性。

即：

主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器等一次设备，要是控制、保护不过于复杂，要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。

做到投资省。

合理的选择主变压器的种类（双绕组、三绕组或自耦变等）容量、台数，避免两次变压而增加电能的损失。

电器主接线选择时要为配电装置的布置创造条件，尽量使占地面积减少。

2.1.2.电气主接线设计

1、毕业设计的技术背景和设计依据

（1）电厂规模：

装机容量:

装机4台，容量分别为

4X200MW,UN=10.5KV

机组年利用小时数:

Tmax=6200h

发电站所在地气侯条件：

最高气温+23℃，最低气温-36℃，平均气温+6℃，最热日平气温+23℃，冻土层1.5米,覆冰厚7mm,最大风速20M/S,大气无明显污染,土壤电阻率500欧&S226;米,海拔标高173米,地震基本烈度为6度。

（2）出线回数：

电厂生产的电能除厂用电外，全部以双回线路送入系统：

2、主接线的方案

a.220KV电压等级的方案选择。

由于220KV电压等级的电压馈线数目是2回，所以220KV电压等级的接线形式可以选择单母线接线形式。

由于单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，采用设备少、投资省、操作方便、便于扩建和采用成套配电设备装置且双回线路送入系统，所以220KV电压等级的接线形式选择为单母线接线。

b.110KV电压等级的方案选择。

由于110KV电压等级的电压馈线数目是6回，110KV电压等级上的出线上为二类负荷，对这类用户可以进行短暂的停电，并不会造成人身危险以及设备的破坏，也不会给国民经济带来巨大的损失或造成巨大的政治影响。

综合考虑，则选择单母线分段的接线形式。

c.10KV电压等级的方案选择。

由于10KV电压等级的电压馈线数目是10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。

用断路器把母线分段后，对重要的用户可以从不同的段引出两条回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

设计发电厂主接线时在技术上应考虑的主要问题是：

1）保证全系统运行的稳定性，不应再本厂、站内的故障造成系统的瓦解；2）保证负荷、特别是重要负荷供电的可靠性及电能质量；3）各设备、特别要注意高、中压联络变压器的过载是否在允许范围内。

电气主接线图

3.火力发电厂短路电流计算

3.1短路计算的目的和简化假设

因为短路故障对电力系统可能造成极其严重的后果，所以一方面应采取措施以限制短路电流，另一方面要正确选择电气设备、载流导体和继电保护装置。

这一切都离不开对短路电流故障的分析和短路电流的计算。

概括起来，计算短路的主要目的在于：

（1）为选择和校验各种电气设备的机械稳定性和热稳定性提供依据，为此，计算短路冲击电流以校验设备的机械稳定性，计算短路电流的周期分量以校验设备的热稳定性；

（2）为设计和选择发电厂和变电所的电气主接线提供必要的数据；

（3）为合理配置电力系统中各种继电保护和自动装置并正确整定参数提供可靠的依据。

在实际短路计算中，为了简化计算工作，通常采用一些简化假设，其中主要包括：

（1）符合用恒定电抗标识或忽略不计；

（2）认为系统中个元件参数恒定，在高压网络中不计元件的电阻和导纳，即个元件军用春电抗表示，并认为系统中各发电机的电势通相位，从而避免了复数的运算；

（3）系统出不对称故障出现局部不对称，其余部分是三相对称的。

3.2各系统短路电流的计算

3.2.1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。

3.2.2电抗图及电抗计算

由4×200MW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“*”。

1．对于QFSN—200—2型发电机的电抗

2．对于SSPL—260000型的双绕组变压器的电抗

式中Uk%——变压器短路电压的百分数（%）；

Se——最大容量绕组的额定容量（MVA）；

Sj——基准容量（MVA）。

图3-1

3．对于OSSPSL—3000/220型三绕组变压器的电抗

=

=

=

=

=

=

4．线路阻抗（设计任务书中已给出）：

X13=0.025

3.2.3短路点的选择、短路电流以及冲击电流的计算

无限大容量电力系统是指容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供电系统发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压基本不变，可将该电力系统视为无限大容量电力系统。

但是，在实际电力系统中，他的容量和阻抗都有一定的数值，一次，当用户供电系统发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压相应的有所变动。

但一般的供电系统，由于它是在小容量线路上发生短路，电力系统母线电压基本不变，因此，电力系统可视为无限大容量电力系统。

由于无限大容量电力系统的三相短路电流是对称的，所以他的变化规律只需考虑一相的。

短路点的选择应选择通过导体和电器的短路电流为最大的那些点作为短路计算点。

首先，应在三条电压等级的母线上选择三个短路计算点d1、d2、d3。

由于10KV电压等级有15km电缆馈线10回，所以在10KV的出线上需加设电抗器。

当d4点短路时，因受电抗器的限制，流过出线上的断路器的电流较小，所以在工程计算中选取d4点为短路计算点，以便使出线断路器选择轻型的。

无线大功率系统的德主要特征是：

内阻抗X=0，端电压U=C，它所提供的短路电流周期分量的幅值恒定且不随时间改变。

虽然非周期分量依指数率而衰减，但一般情况下只需计及他对冲击电流的影响。

因此，在电力系统短路电流计算中，其主要任务是计算短路电流的周期分量。

而在无限大功率系统的条件下，周期分量的计算就变得简单。

如取平均额定电压进行计算，则系统的短电压U=Uav，若选取Ud=Uav，则无限大功率系统的短电压的标幺值

，

短路电流周期分量的标幺值为

式中——无限大系统功率系统对短路点的组合电抗（即总电抗）的标幺值

短路电流的有名值为

则冲击电流为

式中——冲击系数，表示冲击电流对周期分量幅值的倍数。

当时间常数Ta的值由零编制无限大时，冲击系数值的变化范围为：

在以下的计算中，取Ksh=1.8；

1、220KV母线上短路（d1点）的计算

图3-2图3-3

=

=

短路点短路电流的计算：

=

2、110KV母线上发生短路（d2）时的计算

图3-4图3-5

图3-6图3-7

3、10KV母线上发生短路电流（d3）时的计算

限流电抗器的初选

选型为XKK—10—4000—12

所以，限流电抗器的电抗值应为

图3-8图3-9

图3-10图3-11

图3-12

=0.3526

=0.3526

=

4、10KV出线上发生短路（d4）时的短路计算

出线上限流电抗器的初选

选型为XKK—10—200—8

所以，限流电抗器的电抗值应为

图3-13图3-14

图3-15图3-16

图3-17图3-18

=

系统短路电流小结

短路点

电流值

220KV母线发生短路（d1点）

110KV母线发生短路（d2点）

10KV母线发生短路（d3点）

10KV出线电抗器回路发生短路（d4点）

电流周期分量标幺值

77.24

28.75

21.99

8.449

电流周期分量有铭值

19.39KA

14.43KA

116KA

46KA

短路冲击电流

49.35KA

36.74KA

296．69KA

118KA

4.火电厂发电机、变压器的选择

4.1发电机的选型

4.1.1简介

汽轮发电机由汽轮机直接耦合传动。

励磁机是向汽轮发电机提供励磁的设备。

（1）冷却方式

采用的冷却方式，定子绕组和转子有空冷、水内冷和氢冷等。

在转子氢内冷系统中，又有轴向通风等多种方式。

（2）励磁方式

发电机容量在100MW以上的普遍采用同轴交流励磁机经静止半导体整流励磁方式。

4.1.2选型

（1）.选择型号

QFSN—200--2

型号含义；2——2极

200——额定容量

N——氢内冷

F——发电机

Q——汽轮机

S——水内冷

（2）QFSN—200—2型汽轮发电机主要参数

视在功率

（MVA）

有功功率（MW）

电压（V）

电流（A）

功率因数

235

200

15750

8625

0.85

本次设计题目为4×200MW的火力发电厂电气部分的设计。

由于装机容量:

装机4台，容量分别为4X200MW,UN=10.5KV，所以可以选取的发电机台数有四台。

考虑到汽轮机的最大连续进汽量工况出力系制造厂为补偿制造偏差和汽轮机等老化所留的余度，也即汽轮机不宜在此工况下长期连续运行，所以，发电机的最大连续出力在功率因数和氢压为额定值时与汽轮机的最大连续出力配合即可。

4.2变压器的选型

电力变压器（文字符号为T或TM），根据国际电工委员会的界定，凡是三相变压器的额定容量在5KVA及以上，单相的在1KVA及以上的输变电用变压器，均成为电力变压器。

电力变压器是发电厂和变电所中重要的一次设备之一，随着电力系统电压等级的提高和规模的扩大，电压升压和降压的层次增多，系统中变压器的总容量已达发电机容量的7-10倍。

可见，电力变压器的运行是电力生产中非常重要的环节。

主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是大容量、高电压的配电装置的投资也很大。

因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。

例如，大型大电厂高、中压联络变压器台数不足（一台）或者容量不足将导致电站、电网的运行可靠性下降，来年络变压器经常过载或被迫限制两级电网的功率交换。

反之。

台数过多、容量过大将增加投资并使配电装置复杂化。

发电厂200MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变压器应满足DL5000