火力发电厂电气主接线设计.docx
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火力发电厂电气主接线设计
辽宁工程技术大学
发电厂电气部分课程设计
设计题目火力发电厂电气主接线设计
指导教师
院（系、部）电气与控制工程学院
专业班级
学号
姓名
日期
课程设计成绩评定表
学期
姓名
专业
电气工程及其自动化
班级
课程名称
发电厂电气部分
设计题目
火力发电厂电气主接线设计
成绩
评分项目
优
良
中
及格
不及格
设计表现
1.设计态度
非常认真
认真
较认真
一般
不认真
2.设计纪律
严格遵守
遵守
基本遵守
少量违反
严重违反
3.独立工作能力
强
较强
能独立设计完成
基本独立设计完成
不能独立设计完成
4.上交设计时间
提早或按时
按时
迟交半天
迟交一天
迟交一天以上
设计说明书
5.设计内容
设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确
设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误
设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误
设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误
设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误
6.设计书写、字体、排版
规范、整洁、有条理，排版很好
较规范、整洁、有条理，个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多
不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大
7.封面、目录、参考文献
完整
较完整
基本完整
缺项较多
不完整
图纸
8.绘图效果
很出色
较出色
一般
较差
很差
9.布局
合理、美观
较合理
基本合理
有些混乱
布局混乱
10.绘图工程标准
符合标准
较符合标准
基本符合标准
个别不符合标准
完全不符合标准
评定说明：
不及格标准：
设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；
优、良、中、及格标准：
以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。
最终成绩：
评定教师签字：
发电厂电气部分
课程设计任务书
一、设计题目
火力发电厂电气主接线设计
二、设计任务
1.对原始资料的分析
2.主接线方案的拟定（至少两个方案）
3.变压器台数和容量的选择
4.所选方案的经济比较
5.主接线最终方案的确定
三、设计计划
本课程设计时间为一周，具体安排如下：
第1天：
查阅相关材料，熟悉设计任务
第2~3天：
分析原始资料，拟定主接线方案
第4天：
选择主变压器的台数和容量，对方案进行经济比较
第5~6天：
绘制主接线方案图，整理设计说明书
第7天：
答辩
四、设计要求
1.按照设计计划按时完成
2.设计成果包括：
设计说明书一份、主接线方案图（A3）一张
指导教师：
教研室主任：
时间：
原始资料
某火力发电厂原始资料如下：
装机4台，分别为供热式机组250MW（UN=10.5kV），凝汽式机组2600MW（UN=20kV），厂用电率6.5%，机组年利用小时Tmax=6500h。
系统规划部门提供的电力负荷及与电力系统连接情况资料如下：
（1）10.5kV电压级最大负荷26.2MW，最小负荷21.2MW，cos=0.8，电缆馈线10回；
（2）220kV电压级最大负荷256.2MW，最小负荷206.2MW，cos=0.85，架空线5回；
（3）500kV电压级与容量为3500MW的电力系统连接，系统归算到本电厂500kV母线上的电抗标么值xS*=0.021（基准容量为100MVA），500kV架空线4回，备用线1回。
摘要
本设计是电厂主接线设计。
该火电厂总装机容量为250+2600=1300MW。
厂用电率6.5%，机组年利用小时Tmax=6500h。
根据所给出的原始资料拟定两种电气主接线方案，然后对这两种方案进行可靠性、经济性和灵活性比较后，保留一种较合理的方案，最后通过定量的技术经济比较确定最终的电气主接线方案。
在对系统各种可能发生的短路故障分析计算的基础上，进行了电气设备和道题的选择校检设计。
在对发电厂一次系统分析的基础上，对发电厂的配电装置布置做了初步简单的设计。
此次设计的过程是一次将理论与实际相结合的初步过程，起到学以致用，巩固和加深对本专业的理解，建立了工程设计的基本观念，提升了自身设计能力。
关键字：
电气主接线；火电厂；设备选型；配电装置布置
1前言
火力发电厂简称火电厂，是利用煤炭、石油或天然气作为燃料生产电能的工厂，其能量的转换过程是：
燃料的化学能—热能—机械能—电能。
火力发电厂的特点有：
（1）火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要决定。
（2）火电厂的一次性建设投资少，单位容量的投资仅为同容量水电厂的一半左右。
（3）火电厂耗煤量大。
（4）火电厂动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，厂用电量和运行人员都多余水电厂，运行费用高。
（5）燃煤发电机组由停机到开机带满负荷需要几小时到十几小时，并附加耗用大量燃料。
（6）火电厂担负调峰、调频或事故备用，相应的事故增多，强迫停运率增高。
（7）火电厂的各种排泄物对环境污染较大。
本设计火电厂的主接线设计，本设计从主接线、主要电气设备选择等几个方面对火电厂设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图。
2原始资料分析
2.1工程情况
通过对原始资料的分析可知，该火电站总装机容量为250+2600=1300MW，占电力系统总容量1300/（3500+1300）100%=27.1%，超过了电力系统的检修备用容量8%--15%和事故备用容量10%的限额，说明该火电厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要，且年利用小时数为6500h，远远大于电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数。
该火电厂在电力系统中将主要承担基荷，从而该厂主接线设计务必着重考虑其可靠性。
2.2电力系统情况
从负荷特点及电压等级可知，10.5kV电压上的地方符合容量不大，共有10回电缆馈线，与50MW发电机的机端电压相等，采用直馈线为宜。
600MW发电机的机端电压为20kV，拟采用单元接线形式，不设发电机出口断路器，有利于节省投资及简化配电装置布置；220kV电压级出线回路数为5回，为保证检修出线断路器不致对该回路停电，拟采取带旁路母线接线形式为宜；500kV与系统有4回馈线，呈强联系形式并送出本厂最大可能的电力1300-21.2-206.2-13006.5%=988.1MW。
可见，该厂500kV级的接线对可靠性要求应当很高。
3主接线方案的拟定
根据对原始资料的分析，现将各电压级可能采用的较佳方案列出，进而以优化组合方式组成最佳可比方案。
（1）10kV电压级：
鉴于出线回路多，且发电机单机容量为50MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线每段上不宜超过12MW的规定，应确定为双母线分段接线形式，2台50MW机组分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压220kV。
由于两台50MW机组均接于10kV母线上，有较大的短路电流，为选择轻型电器，应在分段处加装母线电抗器，各条电缆馈线上装设出线电抗器。
考虑到50MW机组为供热式机组，通常“以热定电”，机组年最大负荷小时数较低，同时由于10kV电压最大负荷26.2MW，远小于250MW发电机组装机容量，即使在发电机检修或升压变压器检修的情况下，也可保证该电压等级负荷要求，因而10kV电压级与220kV电压之间按弱联系考虑，只设1台主变压器。
（2）220kV电压级：
出线回路数大于4回，为使其出线断路器检修时不停电，应采用单母线分段带旁路接线或双母线带旁路接线，以保证其供电的可靠性和灵活性。
其进线仅从10kV送来的剩余容量250-[（1006.5%）+26.2]=67.3MW，不能满足220kV最大负荷256.2MW的要求。
为此，拟以1台600MW机组按发电机—变压器单元接线形式接至220kV母线上，其剩余容量活机组检修时不足容量由联络变压器与500kV接线相连，相互交换功率。
（3）500kV电压级：
500kV负荷容量大，其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式，为保证可靠性，可能有多种接线形式，经定性分析筛选后，可选用的方案为双母线带旁路接线和一台半断路器接线，通过联络变压器与220kV连接，并通过一台三绕组变压器联系220kV及10kV电压，以提高可靠性，一台600MW机组与变压器组成单元接线，直接将功率送往500kV电力系统。
根据以上分析、筛选、组合，可保留两种可能的接线方案：
方案Ⅰ：
500kV侧采用一台半断路器接线，220kV侧采用双母线带旁路母线接线，如图1所示；
方案Ⅱ：
500kV侧采用双母线带旁路母线接线，220kV侧采用单母线分段带旁路母线接线，如图2所示。
图1拟设计的火电厂主接线方案Ⅰ示意图
图2拟设计的火电厂主接线方案Ⅱ示意图
4变压器台数和容量的选择
在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本所（厂）用的变压器，称为站（所）用变压器或自用变压器。
本章是对变电站主变压器的选择。
4.1选择主变压器的台数和容量
1、变压器容量和台数的确定原则：
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。
它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统5-10年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。
为此，在选择发电厂主变压器时，应遵循以下的基本原则。
（1）主变压器容量一般按变电所建成后5-10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10-20年的负荷发展。
对于城郊变电所,主变压器容量应与城市规划相结合。
（2）根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定变压器的容量。
对于有重要负荷变压器的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%-80%。
（3）同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化。
我国110kV及以上电压，变压器绕组多采用Y连接；35kV亦采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地。
35kV以下电压，变压器绕组多采用△连接。
选择主变压器，需考虑如下原则：
（1）当不受运输条件限制时，在330KV及以下的发电厂和变电站，均应选用三相变压器。
（2）当发电厂与系统连接的电压为500kV时，经技术经济比较后，确定选用三相变压器、两台50%容量三相变压器或单相变压器组。
对于单机容量为300MW、并直接升到500kV的，宜选用三相变压器。
（3）对于500kV变电所，除需考虑运输条件外，尚应根据所供负荷和系统情况，分析一台（或一组）变压器故障或停电检修时对系统的影响。
尤其在建所初期，若主变压器为一组时，当一台单相变压器故障，会使整组变压器退出，造成全网停电；如用总容量相同的多台三相变压器，则不会造成所停电。
为此要经过经济论证，来确定选用单相变压器还是三相变压器。
在发电厂或变电站还要根据可靠性、灵活性、经济性等，确定是否需要备用相。
2、本设计在选择变压器起的时候应该遵循具有发电机电压母线接线的主变压器选择原则和单元接线原则，连接在发电机电压母线与系统之间的主变压器的容量，应考虑以下因素：
（1）当发电机全部投入运行时，在满足发电机电压供电的日最小负荷，并扣除常用负荷后，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。
（2）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负荷变动而需限制本厂出力时，只变压器应能从电力系统倒送功率，保证发电机电压母线上最大负荷的需求。
（3）若发电机点发母线上接有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。
（4）主变压器应具有从系统倒送功率的能力，以满足发电机电压母线上最大负荷的要求。
单元接线的主变压器应遵循以下原则：
单元接线的主变压器容量应按下列条件的较大者选择。
（1）发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%裕度。
（2）按发电机的最大连续容量，（制造厂家提供的数据）扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组平均温升在标准环境温度或冷却水温度不超过65℃的条件选择。
该65℃是依据我国电力变压器标准，即在正常使用条件下，油浸变压器在连续额定容量稳态下的绕组平均温度。
采用扩大单元接线时应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。
4.1.1主变压器台数的选择
根据原始资料，此火电厂需要两台主变压器：
即20kV和500kV之间需要一台发电机—变压器单元接线形式的主变压器和20kV和220kV之间需要一台发电机—变压器单元接线形式的主变压器。
4.1.2主变压器容量的选择
发电机—变压器单元接线中的主变容量应按发电机额定容量扣除本机组厂用电后，留有10%的裕度来确定。
主变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。
（1）20kV和220kV之间的主变压器容量：
根据本设计具体情况，主变的容量计算如下：
式中：
为发电机容量，
为功率因数，
为厂用电率。
所以容量应取780MVA。
（2）20kV和500kV之间的主变压器容量：
根据本设计具体情况，主变的容量计算如下：
式中：
为发电机容量，
为功率因数，
为厂用电率。
所以容量应取780MVA。
4.2选择联络变压器的台数和容量
联络变压器的台数一般只设置1台，最多不超过2台，这是考虑到布置和引线的方便。
联络变压器的容量选择应考虑以下两点：
（1）联络变压器的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）联络变压器的容量一般不应小于接在两种电压母线上的最大一台机组容量，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，也可在线路检修或故障时，通过联络变压器将剩余容量送入另一系统。
4.2.1联络变压器台数的选择
根据原始资料和对电厂实际情况的分析，应装设一台三相三绕组的联络变压器。
4.2.2联络变压器容量的选择
根据联络变压器的选择原则和对原始资料及主接线形式的分析，其容量应为：
为10kV与220kV之间的主变压器容量，
为20kV与220kV之间的主变压器容量。
所以容量取880MVA。
5方案的经济比较
5.1一次投资的计算
一次投资即综合总投资，其中包括变压器综合投资，开关设备、配电装置综合投资以及不可预见的附加投资等。
进行方案比较时，一般不必计算全部费用，只算出方案不同部分的投资，可计算为
式中：
为主体设备的综合投资，包括变压器、开关设备、母线、配电装置及明显的增修桥梁、公路和拆迁费用；
为不明显的附加费用比例系数，如基础加工、电缆沟道开外费用等，220kV取70，110kV取90。
所以一次投资的计算如下：
方案Ⅰ：
根据原始资料和对电气主接线形式的分析，参与比较部分的设备折算到施工年限的总投资中主体设备的综合投资为：
变压器部分合计2500万元，开关设备合计800万元，母线合计400万元，配电装置合计300万元，明显的增修桥梁、公路和拆迁费用合计91万元。
所以：
方案Ⅱ：
根据原始资料和对电气主接线形式的分析，参与比较部分的设备折算到施工年限的总投资中主体设备的综合投资为：
变压器部分合计2500万元，开关设备合计700万元，母线合计300万元，配电装置合计300万元，明显的增修桥梁、公路和拆迁费用合计73万元。
所以：
因此方案Ⅰ的一次投资为6954.7万元，方案Ⅱ的一次投资为6584.5万元。
5.2年费用的计算
年运行费用
主要包括一年中变压器的损耗电能费及检修、维护、折旧费等，按投资百分率计算，计算式为
式中：
为检修维护费率，取为0.022-0.042；
为折旧费率，取为0.005-0.058；
为损耗电能的电价[元/（kW
h）]；
为变压器年损耗电能（kW
h）。
年损耗电能
随变压器类型的不同而异。
例如双绕组变压器：
n台同类型、容量双绕组变压器并联运行时，其年损耗电能计算式为
式中：
n为同容量、同类型变压器台数；
为每台变压器额定容量（kV
A）；S为n台变压器担负的总负荷（kV
A）；T为变压器年运行小时数（h）；
为最大负荷损耗小时数（h）；
、
分别为每台变压器的空载损耗有功（kW）和损耗无功（kvar）；
、
分别为每台变压器的短路损耗有功（kW）和损耗无功（kvar）；K为单位损耗无功引起的损耗有功系数，发电机母线上的变压器取0.02，系统中的变压器取0.1-0.15。
所以方案Ⅰ的年损耗电能
为：
方案Ⅰ的年损耗电能
为：
所以方案Ⅰ的年运行费用
为：
方案Ⅱ的年运行费用
为：
因此：
方案Ⅰ：
根据原始资料和对电气主接线形式的分析，参与比较部分的设备这算到施工年限的总投资为6954.7万元，年运行费用为1016.29万元，火电厂使用年限按n=25年，电力行业预期投资回报率i=0.1。
则年费用为：
方案Ⅱ：
根据原始资料和对电气主接线形式的分析，参与比较部分的设备这算到施工年限的总投资为6584.5万元，年运行费用为910.65万元，火电厂使用年限按n=25年，电力行业预期投资回报率i=0.1。
则年费用为：
6主接线最终方案的确定
通常，经过经济比较计算，求得年费用AC最小方案者，即为经济上最优方案；然而，主接线最终方案的确定还必须从可靠性、灵活性等多方面综合评估，包括大型电厂、变电站对主接线可靠性若干指标的定量计算，最后确定最终方案。
两种方案的比较：
一、可靠性：
方案Ⅰ中500kV可靠性较高；方案Ⅱ中500kV接线简单，设备本身故障率少。
二、灵活性：
方案Ⅰ各电压级接线方式灵活性都好；220kV电压级接线易于扩建和实现自动化；500kV操作过程相对简单；方案Ⅱ中220kV运行方式相对简单，灵活性差；各种电压级接线都便于扩建和发展；500kV操作过程复杂。
三、经济性：
方案Ⅰ的投资比方案Ⅱ要多，增加了旁路间隔和旁路母线，增加了隔离开关和断路器，增加了投资，同时多占用了土地。
通过定性分析和可靠性及经济计算，在技术上（可靠性、灵活性）第Ⅰ方案明显占优势，这主要是由于500kV电压级采用一台半断路器接线方式的高可靠性指标，但经济上不如方案Ⅱ。
鉴于大、中型发电厂大机组应以可靠性和灵活性为主，所以经综合分析，决定选方案Ⅰ为设计最终方案。
7结论
电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的主要环节。
本设计根据对原始资料的分析完成了一份火电厂的电气主接线设计，其中考虑了电气主接线的三个基本要求，即可靠性、灵活性和经济性。
电气主接线图直接影响电力生产运行的可靠性、灵活性，同时对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式等诸多方面都有决定性的关系。
因此，主接线设计必须经过技术与经济的充分论证比较，综合考虑各个方面的影响因素，最终得到实际工程确认的最佳方案。
所以本设计通过对原始资料的分析、主接线方案的拟定、变压器的选择和方案的经济比较，最后完成了主接线最终方案的确定，从而完成了此次的课程设计。
参考文献
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