1000MW火力发电机组电气主接线及厂用电接线的设计及仿真.docx
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1000MW火力发电机组电气主接线及厂用电接线的设计及仿真
1000MW火力发电机组电气主接线及厂用电接线的设计及仿真
本科生毕业论文（设计）
中文题目1000MW火力发电机组的电气主接线及厂用电接线的设计及仿真
英文题目DesignandSimulationoftheMainandAuxiliaryPowerWiringfor1000MWThermalPowerUnits
学生姓名王健班级650505学号65050510
学院仪器科学与电气工程学院
专业电气工程及其自动化
指导教师孙淑琴职称副教授
中文摘要
摘要：
随着我国经济的发展，用电需求的增大，1000MW容量的发电机组开始成为电力系统的主力机组，由于机组容量的增大和厂用电压等级的提高，带来了电动机起动困难、短路电流过大等问题。
本文利用电力设计专用仿真软件构建了1000MW容量发电机组的电气主接线和厂用电接线系统模型，计算了整个系统所有母线处的潮流、短路电流，给出了短路电流与专业设计值对比结果，为开关电气设备的选择提供依据，并对系统中最大一台容量的电动机起动、电动机成组及串联自启动进行了检验计算，给出电机启动校验仿真数据与实际计算结果的对比，分析了系统设计方案的优劣，为今后大容量机组系统优化设计提供参考。
关键词：
1000MW机组、电气主接线、厂用电接线、设计、仿真、潮流、短路、电动机起动
1引言
1.1电气主接线的设计、仿真的目的和意义
目前世界上的大型发电厂一般是指总容量在千兆瓦及以上,单机容量在300-1300MW不等。
我国在20世纪80年代以来,已将原来的小火电、小水电建设转向以单机容量200-600MW为主的大火电,目前1000MW容量的机组在国内已经逐渐成为主流。
随着用电需求量急增,大规模的城市电网和农村电网改造也同时展开,系统容量也在不断扩大,以500KV为主网,主干线的全国性网架已逐步形成,长江三峡水利发电工程的建成和西电东送工程的实施,促成全国联网的必要性。
为此发电厂电气主接线的可靠性对电力系统的安全运行将提出更高的要求。
电气主接线主要指发电厂、变电所及电力系统中传送电能的通路,这些通路中有发电机、变压器、母线、断路器、隔离开关、电抗器、线路等设备。
它们的连接方式,对供电可靠、运行灵活、检修方便以及经济合理等起着决定性的作用,它反映出电厂的整个供电系统全貌和其所选用的电气设备、元件型号规格和数量以及它们之间的相互关系。
它不仅是初步设计审查的重要内容之一,同时也是将来电气值班运行人员进行各种操作的重要依据。
所以电气主接线的设计是否合理,将直接影响到电厂基本建设投资效益和今后的安全及可靠运行，同时也是搞好发电厂电气设计的关键。
电气主接线的设计是变电所电气设计的主体。
它与电力系统，电厂功能参数，基本原始资料以及电厂的运行可靠性，经济性的要求等密切相关，并对电器选择和布置，继电保护和控制方式等都有较大的影响。
因此，主接线的设计显得尤为重要。
因此，电气主接线已经成为电厂输送电最为关键的环节，关系着发电量的安全输送，关系着居民用电的可靠保障，电气主接线的好坏显得尤为重要，其设计方案的仿真更是在投入运行之前的重中之重的环节。
本文依托某1000MW机组电厂进行设计主接线，对潮流和短路等进行仿真最后得出可靠的主接线方案。
1.2厂用电接线的设计、仿真的目的和意义。
随着机组容量的加大,厂用电系统的规模和主要辅机的容量较600MW机组有较大幅度的提高,会带来高压厂用电系统的短路水平增大和单台最大容量电动机启动困难等诸多问题。
如何解决好这些问题,是今后电气专业面临的课题之一。
厂用电系统是发电厂的重要组成部分,它的确定就代表着电厂基本轮廓的确定，基本组成设备的确定，投资成本的确定，因此合理的厂用电接线,适当的电压等级,对于保证机组的安全连续满发、降低厂用电率、方便操作和维护、节约投资、缩短建设工期、控制造价等有着重要的作用。
由上述可见厂用电系统对于电力系统来说也是及其重要的组成部分，它是电能的源头，是保障安全可靠供电的最最基本的因素，对厂用电方案的设计必须严格按照《厂技规》的要求，达到指定的指标。
目前国内1000MW容量及以上的机组在技术上相对600MW不够成熟，但是发展很迅猛，技术投资很大，主要是要解决大容量机组自身存在的短路电流限制和起动性能加强等问题，本文主要是对1000MW容量机组进行电压等级和接线形式的选择，最后在仿真软件进行上述项目的校验仿真，最后确定最终的厂用电接线方案。
1.3ETAP及其在电力系统中的应用
1.3.1ETAP软件的简介
ETAPPowerStation是一个最全图形界面的电力系统仿真分析、计算高级应用软件，能够运行在MicrosoftNTSP6、Windows2000SP2、Me和XP平台上。
ETAP由美国OTI公司（OperationTech2nologyInc）开发,最初的版本于1983年发行。
ETAP在美国确立了电力系统设计和分析软件的标准,也是全美第一个特许提供给核电站进行电力系统分析的商用软件。
经过多年的开发与完善,ETAP已具备智能建模、多维数据管理模式、多种输入表达方式、统一数据库、虚拟现实操作、无限复合网络嵌套及电机嵌套、集成全面的电力和物理数据库以及大量工程数据库、用户自定义动态模型等特点。
用ETAP可以制作电力系统单线图、阻抗图、继电保护图、分析计算图、配电柜接线图等100多种不同的图形。
1.3.2ETAP软件的优点
1、综合性
以一个统一的符合现实观念的并具有开放性的数据平台为基础,可进行电力系统的各个专业方向和应用领域中的定量计算与定性分析,并具有简单直观的优点。
2、数学模型多样
在同一分析领域中,对同类元件提供多种数学模型,使用者可根据需要在多种模型中进行选择。
在其自定义动态模块中可允许用户自己增加数据库中没有的数学模型。
3、电气操作直观
可直观的接入开关设备、各种继电保护设备,使在计算机上的操作与现实更相近。
4、使用简单、上手快
人机界面非常友好,所用的原始资料输入都以图形编辑方式。
对于同一版的原始数据,可提供不同的外观显示,以方便用户强调不同的内容。
计算结果的输出也提供多种方式,如单线图上显示,分类计算报告,曲线图显示。
由于此方面的优点,就可以使计算人员将主要精力放在数学模型的选择和计算结果的分析归纳上。
1.3.3ETAP在电力系统中的应用
ETAP的计算分析设计模块种类繁多,功能强大。
其中针对电力电气系统设计和保护部分的模块有:
潮流计算,短路计算（ANST和IEC标准）,继电保护配合,弧闪分析,谐波分析（谐波潮流、频率扫描和滤波器自动设计）,电机参数估计,变压器容量自动选择,地下电缆管道系统的设计与分析,电缆拉力分析（多重电缆和三维立体视图）,接地网设计,低压配电系统的设计。
针对直流系统的模块有:
直流系统潮流计算,直流系统短路计算,直流系统蓄电池容量估计,交直流控制系统接线图设计。
针对暂态及稳定分析的模块有:
电机启动（动态及静态加速）,发电机启动,暂态稳定分析,用户自定义动态模块设计。
针对输电及配电系统的模块有:
优化潮流,不平衡潮流,可靠性分析,补偿电容器最佳位置选择,传输线的弧垂、张力以及容量计算。
除此之外，ETAP还有实时在线功能，ETAP的实时在线功能是通过PSMS来实现的。
PSMS是ETAP电力系统分析软件的一个实时在线的扩展。
结合Window的终端一服务器模块架构和最新的在线监测、实时模拟以及远程控制应用,PSMS可与计算机工作站、历史数据库、智能仪表以及其他SCADA系统的任意组合进行接口连接。
PSMS有在线监测、实时分析、在线控制、优化管理、数据反演等主要功能。
1.4本文的主要工作
1、学习关于电气主接线和厂用电接线的设计方法，熟悉设计的流程。
2、根据《厂技规》的规定对主接线和厂用电方案进行设计，对有限的资料进行合理的设计分配，最终形成初步方案。
3、对已设计的方案在ETAP软件中进行重建，对主接线和厂用电接线进行仿真，其中指标包括潮流、短路计算和电动机起动分析等几项。
4、将所仿真的结果与《厂技规》的规定范围进行校验，再将仿真值与专业设计人员的计算值进行对比，从而判断方案的合理与否。
21000MW火电机组电气主接线设计
2.1电气主接线设计的要求
对一个电厂而言,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。
电气主接线应满足以下几点要求:
1、运行的可靠性:
主接线系统应保证对用户供电的可靠性,特别是保证对重要负荷的供电。
2、运行的灵活性:
主接线系统应能灵活地适应各种工作情况,特别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时,能够通过倒换开关的运行方式,做到调度灵活,不中断向用户的供电。
在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。
3、主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下,做到经济合理,尽量减少占地面积,节省投资。
2.2电气主接线方案的选择
电气主接线是保证电网的安全可靠、经济运行的关键，是电气设备布置、选择、自动化水平和二次回路设计的原则和基础。
按照《火力发电厂设计技术规程》（DL5000一2000）中第13:
213之规定“330一500kV配电装置的接线必须满足系统稳定性和可靠性的要求，同时也应考虑运行的灵活性和建设的经济性。
当进出线回路数为六回及以上，配电装置在系统中具有重要地位时，宜采用一台半断路器接线;进出线回路数少于六回，如能满足系统稳定性和可靠性的要求时，也可采用双母线接线。
在一台半断路器的接线中，电源线宜与负荷线配对成串，同名回路配置在不同串内。
初期仅两串时，同名回路宜分别接入不同侧的母线，进出线应装设隔离开关。
当一台半断路器接线达三串及以上时，同名回路可接于同一侧母线，进出线不宜装设隔离开关”。
本课题为1000MW机组容量的采用500KV电压等级，主接线采用最常用的一台半断路器接线方案如下图2-1所示：
图2-1一台半断路器接线示意图
2.3主接线方案的论证
一台半断路器接线的定义:
两个元件引线用三台断路器接往两组母线组成一个半断路器接线，每一回路经一台断路器接至母线，两回路间设一联络断路器，形成一串，又称二分之三接线，一台半断路器接线是现代国内外大型电厂和变电所超高压配电装置广泛应用的一种接线。
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，具有较高的供电可靠性和运行灵活性。
任一母线故障或检修，均不致停电;除联络断路器故障时与其相连的两回线路短时停电外，其他任何断路器故障或检修都不会中断供电;甚至两组母线同时故障（或一组检修时另一组故障）的极端情况下，功率仍然继续输送。
此种接线运行方便，操作简单，隔离开关只在检修时作为隔离电器。
一台半断路器接线的特点:
1、有高度可靠性。
每一回路由两台断路器供电，发生母线故障时，只跳开与此母线相连的所有断路器，任何回路不停电。
2、运行调度灵活。
正常时两组母线和全部断路器都投入工作，从而形成多环形供电，运行调度灵活。
3、操作检修方便。
隔离开关仅作检修时用，避免了将隔离开关作操作用时的倒闸操作。
检修断路器时，不需带旁路的倒闸操作。
检修母线时，回路不需要切换。
2/3断路器接线的缺点是使用设备较多,特别是断路器和电流互感器,投资费用大,二次控制接线和继电保护都比较复杂。
综上所述，本课题采用一台半断路器接线形式是合适的。
2.4主变压器的选择
主变压器的结构型式推荐采用单相变压器组，不设备用相。
因为三相变压器的运输较难实现，其运载设备以及对路桥等的加固措施的费用远远高于设备费，且国产三相变压器的制造和运行业绩不多，如有事故，三相变压器返厂检修困难，运输费用高。
单相变压器虽然初投资较高，但其运输较易实现，公路与铁路都可运输，即使出现主变故障返厂维修也比较容易，影响停役时间较短，其经济性明显占优势;单相变压器已有成熟的运行经验，且质量可靠，为节约工程投资，因此本工程不设备用相。
发电机与主变压器为单元连接，按照《电力工程电气设计手册1》中“发电机与主变压器为单元连接时，主变压器的容量可按下列条件中较大者选择:
1、按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度。
2、按发电机的最大连续输出容量扣除本机组的厂用负荷。
”
经计算，机组负荷为65MVA，发电机的容量为1000MW,按上述两种方法计算后容量基本相当，约为1109MVA，
故主变压器容量选择结果为3x380MVA。
其接线形式如下图2-2所示：
图2-2主接线形式图
31000MW火电机组厂用电接线的设计
对于1000MW超超临界火力发电机组,锅炉、汽机、发电机辅机系统与600MW机组有所区别,有自己本身的特点,DL5000-94《火力发电厂设计技术规程》及其他相关规程还未作出相关的规定。
3.1厂用起动、备用电源的接线方案选择
目前国内主要采用两种引线方式，第一种是起动备用变压器从厂内220KV母线引接，经过220KV断路器和隔离开关接入厂用高压段，作为厂用设备的起动备用电源；第二种是起动备用变压器直接从厂外500KV母线直接经过500KV断路器和隔离开关进行引接，作为厂用高压母线的起动备用电源用。
对于方案一，当220KV断路器检修或者故障时，将直接导致起动备用变压器失去电源，使2台1000MW机组失去启动/备用电源,影响2台机组的安全停机。
对于方案二，起动备用变压器单独由500KV母线直接供电，任一回路故障或者检修时，由于厂外高压母线不会停电，所以能够保障起动备用变压器的安全供电，也就能够保障机组的安全停机，方案一在断路器故障前将切除整个起动备用电源，方案二在任一回路故障时，对另一回路将不造成影响，但从2台1000MW机组的安全起停考虑,尽管方案1投资较低,仍选择方案2，即由500KV母线直接引线。
3.2厂用电电压等级的选择
在DL5000-94《火力发电厂设计技术规程》中,对600MW机组规定其厂用电压可根据具体情况采用6kV一级或10kV、3kV两级。
目前,我国600MW机组以上2种接线、电压等级均存在。
当前,国内大型发电厂厂用高压系统采用3种电压等级方案:
6kV一级电压;10kV一级电压;10kV及3kV（或6kV）2个等级电压。
对于上述提到的“10kV及3kV（或6kV）2个等级电压”方案，其电压等级为两级，有过运行业绩，但是从当前看，在建和扩建的电厂中已经不再采用两级电压的接线形式，原因是目前大部分设备的额定电压都是6KV或者10KV，并且有都向10KV发展的趋势，从经济性角度看虽然3KV会节约投资，但是两级的电压接线形式从管理角度看很混乱，加重了运行人员的负担，增加了备品备件的种类和数量，不便于设备的管理、维护和检修，因此本课题只对60KV和10KV一级电压接线形式讨论。
从目前已建和再建的1000MW等级的机组中来看，高压厂用电电压很多采用10kV1级电压的，如：
山东邹县发电厂等等。
10KV和6KV等级接线将从以下几个方面进行综合经济技术比较：
共箱母线：
6kV电压等级目前一般仍采用10kV共箱母线,2种方案电压等级一致,而6kV电流为4000A,热稳定电流50kA,10kV电流为2500A,热稳定电流40kA,因此,6kV共箱母线价格要贵一些。
开关柜：
6kV开关柜热稳定电流50kA产品目前在常熟、太仓等电厂均已经应用;10kV开关柜真空断路器为40kA常规产品,而F-C回路熔断器及真空接触器产品型号不多,可选择余地较小。
电动机：
采用6kV电压等级时,电动机启动电压降较大,启动比10kV要困难。
10kV或6kV电压等级电动机均有大量成型产品,10kV电动机体积较大,布置成本比6kV的稍高。
高压电缆：
相同截面电缆10kV价格比6kV高,且电缆外径比6kV大,但相同容量6kV电缆需采用更大截面或更多电缆,综合比较,两者相差不大。
综上所述,高压厂用电源采用10kV及6kV电压等级在技术上均可满足要求。
采用6kV电压等级,短路水平大、启动压降大,需增加软起动器、短路试验升压变压器等设备;采用10kV电压等级,2台机组总体投资比6kV电压等级约增加一些,但10kV级短路水平较小,启动压降满足规程要求,且10kV电动机有功损耗比6kV小,因此,该期2台1000MW机组厂用中压系统采用10kV一级电压。
3.3厂用电接线方案的论证
两台机组设置2台65/38-38MVA、电压27±2X2.5%/10.5kV-10.5kV分裂变压器作为高压厂用变压器，两台机组设置一台65/38-38MVA、电压500±8X1.25%/10.5kV-10.5kV高压起动/备用变压器作为两台高压厂用变压器的备用电源。
同时，每两台机组设置两台38MVA的双绕组变压器作为高压公用变压器，带两台机组的脱硫和输煤等公用负荷，两台高压公用变压器互为备用。
在机组起动时，采取临时措施，用高压起动/备用变压器给高压厂用母线和高压公用母线供电，作为起机电源。
200kW及以上的电动机由10kV供电。
额定功率1500kW及以下的电动机和2000kVA及以下的变压器，使用接触器加熔断器的方案（F-C回路）；大于1500kW的电动机和大于2000kVA的变压器，采用真空断路器。
起动/备用变压器电源取自厂外500kV配电装置。
其接线示意图如下图3-1所示。
图3-1厂用电接线示意图
4电气系统设备模型及参数
4.1分裂变压器
在国外，基于ETAP软件，可以根据下述方法应用三绕组变压器建立分裂变压器的模型。
分裂系数Kf和穿越电抗X1-23是分裂变压器的两个重要技术参数。
分裂变压器的等值电抗X1、X2和X3与分裂系数Kf和穿越电抗X1-23之间的关系正如公式（4-1）和（4-2）。
X1=（1-Kf/4）X1-23（4-1）
X2＝X3＝（Kf/2）X1-23（4-2）
绕组1、2和3之间的等值电抗X12、X13和X23的计算公式分别如下列公式（4-3）、（4-4）和（4-5）。
X12=X1+X2（4-3）
X13=X1+X3（4-4）
X23=X2+X3（4-5）
进而得到三绕组变压器的阻抗电压百分数：
Ups（%）=X12、Upt（%）=X13、Ust（%）＝X23
4.2双绕组变压器
双绕组变压器为低压段提供电能功率，在这里采用
型网络对低压变压器建模，计算公式如下：
（4-6）
（4-7）
则有：
（4-8）
（4-9）
其中：
为额定值。
厂用双绕组变压器的主要参数见下附录三。
4.3电动机
异步电机在做电动运行时，有结构简单、操作方便、运行可靠，性能价格比好等优点，因此在厂用电系统得到了普遍的应用中。
在正序、负序网络中，异步电动机的阻抗为：
（4-10）
式中
为电动机额定电压
为电动机额定电流
为电动机额定容量
为电动机堵转电流与额定电流之比
在高压段（厂用变压器低压侧）设置
=400；在低压段（PC段和MCC段）设置
=500。
4.4电缆
对于电缆长度的选定，电动机的连接电缆长度大概在50m左右，变压器的连接电缆长度大概在150m左右，这样设置更接近于实际情况，算出的数据可信度更高；电缆横截面积的选择取决于所连接线路的额定电流的大小，一般来说，中压段电缆的截面积选为95mm2，低压段电缆的截面积选为185mm2。
其它参数可以按照ETAP的库选定。
5电气系统的软件仿真
5.1潮流
潮流是指电力网络中功率的流动，母线电压水平是潮流一个直接的体现，所以母线电压的波动范围是评价潮流优劣的标准。
电力系统的潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，它是分析电力系统的基础，它的任务是根据给定的运行条件确定网络中的功率分布、功率损耗，以及各母线的电压。
Newton－Raphso法是数学上解非线性方程式的有效方法，有较好的收敛性，将N-R法用于潮流计算是以导纳矩阵为基础的，由于利用了导纳矩阵的对称型、稀疏性及节点编号顺序优化等技巧，使N-R法在收敛性、占用内存、计算速度方面的优点都超过了阻抗法，成为了20世纪60年代末以来普遍采用的方法。
根据厂用电系统的复杂性，本文采用牛顿-拉夫逊方法进行以下潮流等式的计算：
（5-1）
其中
和
分别是母线有功功率和无功功率设定值和计算值的差相量。
和
表示母线电压相角和幅值的相量增量。
到
构成了一个基本函数行列式。
牛顿-拉夫逊方法的收敛标准一般为0.001MW和Mvar。
对于任何系统来说，牛顿-拉夫逊算法都是首选。
本文采用最前沿的牛顿-拉夫逊方法进行讨论各个母线的电压波动范围。
其计算结果波动如下图5-1和图5-2所示，其数据见附录四、附录五。
图5-1主接线部分母线潮流
图5-2厂用电部分母线潮流
潮流分析：
从计算结果来看，所有母线段的电压值都在
5%范围内（见附录四及附录五），满足电厂设计相关规范。
5.2短路电流的计算
短路电流是指某段母线发生短路时母线中流动的电流水平，短路水平的大小是选择电力系统中开断设备的决定性因素。
配电系统中有三相，线－地，线－线，线－线－地几种短路故障，三相交流系统短路电流计算是电气工程设计中一项十分重要的内容。
在国内，对短路电流的计算主要采用GB/T15544-1995《三相交流系统短路电流计算》（简称GB/T15544标准法）和DL/T5153-2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》（简称厂技规）进行计算。
IEC909算法与厂技规算法相比,虽然计算项目多,但概念明确,算法简单扼要,准确性高,容易使用,必将得到设计部的普遍使用。
本文对如下几个短路电流值进行计算：
初始对称短路电流、短路电流峰值和对称短路中断电流。
计算公式如下：
对称短路电流值为：
（5-2）
式中c为用于计算最大或最小短路电流的电压系数，其值在0.95~1.10之间。
为短路点的系统标称电压，
为归算至短路点的短路阻抗。
短路电流峰值：
（5-3）
式中k为峰值系数，其大小取决于短路回路的
。
稳态短路电流：
（5-4）
式中
为计算稳态短路电流的系数。
本文采用IEC909算法，通过建立模型在ETAP软件仿真进而判断方案的开断能力，其计算数据波形图见图5-3到图5-8所示，其数据见附录六、附录七。
图5-3主接线短路电流初始值
图5-4主接线短路电流峰值
图5-5主接线短路电流稳态值
图5-6厂用电短路电流初始值
图5-7厂用电短路电流峰值
图5-8厂用电短路电流稳态值
整体方案的仿真部分母线段短路电流数据见附录八，波形图略。
从仿真数据可以看出，所有厂用电段母线的短路电流值相同，不受主接线的影响，即初始值在40KA以内，峰值在100KA以内，满足实际需要。
故数据只列出了主接线的母线段短路电流值，其数值与单独仿真时有点差别，但是在允许的范围内。
短路分析：
通过下表的对比可以看出，本文仿真值与原始计算值基本一致，但是有少数母线段不一致（如500KV母线段），现分析原因如下：
表5-1软件仿真值与原始计算值对比表
值的类型
初始值
峰值
稳
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