2300MW凝汽式区域性火电厂电气一次部分及其厂用电高压部分的设计.docx
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2300MW凝汽式区域性火电厂电气一次部分及其厂用电高压部分的设计
摘要
电能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。
在我国电源结构中火电设备容量占总装机容量的75%，本设计是对2×300MW总装机容量为600MW的凝汽式区域性火电厂进行电气一次部分及其厂用电高压部分的设计，它主要包括了五大部分，分别为电气主接线的选择、短路电流的计算、电气设备的选择、配电装置的选择、安全保护装置。
其中详细描述了短路电流的计算和电气设备的选择，从不同的短路情况进行分析和计算，对不同的短路参数来进行不同种类设备的选择，列出各设备选择结果表。
并对设计进行了理论分析。
关键词：
主接线，变压器，短路电流，厂用电，安全保护
第一章电气主接线
1.1系统与负荷资料分析
由原始资料可知，本设计根据电力系统的发展规划，拟在该地区新建一座装机容量为1200MW的凝汽式火力发电厂，发电厂安装2台600MW机组，总容量占相联电力系统总容量的600MW/16000MW×100%=3.75%没有超过电力系统检修备用容量8%～15%和事故备用容量10%的要求，这说明了该火电厂在未来电力系统中的不占主导作用和地位，主要是负责地区供电，而且年利用小时数为6000h/a>5000h/a，又为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，因此该电厂的电气主接线要求有较高的可靠性。
该发电机端额定电压为20KV，电厂建成后以6KV电压供＋给本厂负荷，厂用电为8%。
以220KV电压等级供给系统，架空线8回，属于I级负荷，最大输送200MW，Tmax=4000h/a并以110KV电压等级供给负荷，架空线8回，也属于I级负荷，最大输送180MW，Tmax=4000h/a。
并且本设计需要做到的技术指标要求保证供电安全、可靠、经济，且功率因数达到0.85。
（1）电力系统情况
该发电厂在电力系统中的作用与地位为地区电厂，地区电厂靠近城镇。
电力系统总装机容量为16000MW，短路容量为10000MVA。
该发电厂联入系统的电压等级为220KV。
（2）负荷分析
该发电厂有两个电压等级，其负荷分析分别如下：
220KV电压等级：
有架空线8回，备用两回，即十回出线，负荷类型为一级负荷，最大输送200MW，最大负荷小时数为4000h/a，功率因数为0.85。
110KV电压等级：
有架空线8回，即8回出线，负荷类型为一级负荷，最大输送180MW，最大负荷小时数为4000h/a，功率因数为0.85。
由于两个电压等级所联负荷均为一级负荷，且最大负荷小时数为4000h/a，故对主接线的可靠性要求很高。
（3）环境情况
由原始资料可知，当地海拔高50m，故可采用非高原型的电气设备；当地年最高温度为40度，年最低温度为-6度，最热月平均最高温度为28度，最热月平均最低温度为24度，气象条件无其他特殊要求。
（4）设备情况
原始资料中给出了两台发电机的容量，这里对单台300MW发电机设备的型号进行选择。
根据原始资料中给出了发电机的容量，可选择出发电机的型号。
1.2主变压器的选择与计算
（1）单元接线的主变压器容量的确定原则
两台主变压器的容量为600－600×6%=564MW，600MW发电机的功率因素为0.9，所以这两台变压器的容量为564×（1＋0.1）/0.9=689.3MVA。
（2）连接两种升高电压母线的联络变压器的确定原则
联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种运行方式下，网络间的有功功率和无功功率交换，一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，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。
这里选择两台三绕组变压器。
（3）变器台数的确定原则
发电厂或变电所主变压器的台数与电压等级、接线形式、传输容量以及和系统的联系有密切关系。
通常与系统具有强联系的大、中型发电厂和重要变电所，在一种电压等级下，主变压器应不少于2台；而对弱联系的中、小型发电厂和低压侧电压为6～10KV的变电所或与系统只是备用性质时，可只装1台主变压器；对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设3台主变压器。
（4）变压器型式和结构的确定原则
选择主变压器型式时，应从相数、绕组数、绕组接线组别、冷却方式、调压方式等方面考虑，通常只考虑相数和绕组数以及绕组接线组别。
在330KV及以下电力系统，一般都应选用三相变压器。
因为单相变压器组相对来讲投资大、占地多、运行损耗也较大，同时配电装置结构复杂，增加了维修工作量。
对于大型三相变压器，当受到制造条件和运输条件的限制时，则宜选用两台小容量的三相变压器来取代一台大容量三相变压器，或者选用单相变压器。
一般当最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，对于最大机组容量为200MW及以上的发电厂，通常采用双绕组变压器加联络变压器，当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，这样，可以大大限制短路电流。
1.3厂用变压器的选择
厂用电接线方式的选择
厂用电接线除应满足正常运行安全、可靠、灵活、经济和检修、维护方便等一般要求外，尚应满足：
（1）充分考虑发电厂正常、事故、检修、启动等运行方式下的供电要求，尽可能地使切换操作简便，启动（备用）电源能在短时内投入。
（2）尽量缩小厂用电系统的故障影响范围，并应尽量避免引起全厂停电事故。
对于200MW及以上的大型机组，厂用电应是独立的，以保证一台机组故障停运或其辅助机械的电气故障，不应影响到另一台机组的正常运行。
（3）便于分期扩建或连续施工，不致中断厂用电的供应。
对公用厂用负荷的供电，须结合远景规模统筹安排，尽量便于过渡且少改变接线和更换设备。
（4）对200MW及以上的大型机组应设置足够容量的交流事故保安电源。
（5）积极慎重地采用经过试验鉴定的新技术和新设备，使厂用电系统达到先进性、经济合理，保证机组安全满发地运行。
第二章短路电流的计算
短路计算在设计发电厂主接线的过程中有着重要作用，它为电气设备的选型、动稳定校正和热稳定校正提供依据。
当短路发生时，对发电厂供电的可靠性可能会产生很大影响，严重时，可能导致电力系统失去稳定，甚至造成系统解列。
因此，对短路事故的计算是非常有必要的，而且是必须进行一项工作。
2.1短路电流计算接线图及其等值电路
首先画出短路电流计算接线图及其等值电路，分别为图2.1，图2.2所示。
图2.1短路电流计算图
图2.2短路电流等值电路
2.2各绕组的等值电抗标幺值
取基准容量为SB=100MVA，基准电压UB取用平均电压，即UB=Uav。
根据所选择的联络变压器的相关参数，可计算出其各绕组的等值电抗标幺值：
X1=（X1-2＋X1-3－X2-3）/2=（0.0607＋0.0258－0.0410）/2=0.0228
X2=（X1-2＋X2-3－X1-3）/2=（0.0607＋0.0410－0.0258）/2=0.0380
X3=（X2-3＋X1-3－X1-2）/2=（0.0410＋0.0258－0.0607）/2=0.0031
各元件的等值电抗标幺值见图2.2。
计算各发电机的额定容量：
SG1=SG2=200/0.85MVA=235MVA
2.3短路电流计算
由于三相短路故障最为严重，故只计算三相短路情况。
（1）短路点d1
d1短路时等值电路图如图2.3。
图2.3d1短路时等值电路图
短路点的额定电压为220KV，取基准电压为230KV。
基准电流IB=SB/UB=100/（
×230）KA=0.25KA
再算系统电抗及系统的短路容量：
X10=（X1＋X3）//（X2＋X4）=0.058
X11=（X5＋X6）//（X7＋X8）=0.0304
2台发电机组对短路点d1的转移电抗为：
Xk=X10//X11=0.0199
Sk=SB/Xk=100MVA/0.0199=5025.13MVA
Sc=10000MVA－5025.13MVA=4974.87MVA
可求得系统电抗为：
X9=SB/SC=100/4974.87=0.0201
发电机G1，G2对短路点的计算电抗为
Xjs10=0.058×235×2/100=0.2726
其分支额定电流为IN=SN/UB=235×2（
×230）KA=1.18KA
系统C对短路点的计算电抗为Xjs9=0.0201
其分支额定电流为IN=SN/
UB=100（
×230）KA=0.25KA
系统C对短路点所产生的短路电流不衰减，其电流标幺值为计算电抗的倒数。
各发电机组对短路点所产生的短路电流标幺值，可根据所求得的计算电抗，查发电机曲线数字表得到。
（2）短路点d2
d2短路时的等值电路如图2.4所示。
短路点的额定电压为110KV，故去基准电压为115KV。
其基准电流为：
IB=SB/
UB=100/（
×115）KA=0.50KA
X12=（X1＋X3）//（X2＋X4）//（X7＋X8）=0.030
X13=X5＋X6=0.0608
图2.4d2短路时的等值电路
Xk=X12//X13=0.020
Sk=SB/Xk=100MVA/0.020=5000MVA
Sc=10000MVA－5000MVA=5000MVA
可求得系统电抗为：
X9=SB/SC=100/5000=0.020
发电机G1，G2对短路点的计算电抗为
Xjs12=0.03×235×2/100=0.141
其分支额定电流为IN=SN/
UB=235×2/（
×115）KA=2.36KA
系统C对短路点的计算电抗为Xjs14=0.020
其分支额定电流为IN=SN/
UB=100/（
×115）KA=0.50KA
因此系统C对短路点所产生的短路电流不衰减，其电流标幺值为计算电抗的倒数。
各发电机组对短路点所产生的短路电流标幺值，可根据所求得的计算电抗，查发电机曲线数字表得到。
第三章电气设备的选择
电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。
正确的选择电气设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。
在进行电气设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。
3.1电气设备选择的一般规则
（1）所选设备应能满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；在满足可靠性要求的前提下，应尽可能的选用技术先进和经济合理的设备，使其具有先进性；
（2）应按当地环境条件对设备进行校准；
（3）所选设备应予整个工程的建设标准协调一致；
（4）同类设备应尽量减少品种；
（5）选用新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。
在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经过上级批准。
3.2电气设备的选择条件
正确的选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。
在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。
电器要能可靠的工作，必须按正常条件下进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。
3.3主接线中设备配置的一般原则
3.3.1隔离开关的配置
（1）中小型发电机出口一般应装设隔离开关；容量为200MW及以上大机组与双绕组变压器的单元连接时，其出口不装设隔离开关，但应有可拆连接点。
（2）在出线上装设电抗器的6~10KV配电装置中，当向不同用户供电的两回线共用一台断路器和一组电抗器时，每回线上应各装设一组出线隔离开关。
（3）接在发电机、变压器引出线或中性点上的避雷器可不装设隔离开关。
（4）一台半断路器接线中，视发变电工程的具体情况，进出线可装设隔离开关也可不装设隔离开关。
（5）断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时隔离电源。
（6）中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；自耦变压器的中性点则不必装设隔离开关。
3.3.2电压互感器的配置
（1）电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足测量、保护
同期和自动装置的要求。
电压互感器的配置应能保证在运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点的两侧都能提取到电压。
（2）6~220KV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感器。
旁路母线上是否需要装设电压互感器，应视各回出线外侧装设电压互感顺的情况和需要确定。
（3）当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。
（4）当需要在330KV及以下主变压器回路中提取电压时，可尽量利用变压器电容式套管上的电压抽取装置。
（5）发电机出口一般装设两组电压互感器，供测量、保护和自动电压调整装置需要。
当发电机配有双套自动电压调整装置，且采用零序电压式匝间保护时，可再增设一组电压互感器。
3.3.3电流互感受器的配置
（1）凡装有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。
（2）在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器；发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口、桥形接线的跨条上等。
（3）对直接接地系统，一般按三相配置。
对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相配置。
（4）一台半断路器接线中，线路一线路串可装设四组电流互感器，在能满足保护和测量要求的条件下也可装设三组电流互感器可以利用时，可装设三组电流互感器。
第四章配电装置
配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。
它是根据主接线的连接方式，由开关电器、保护和测量电器、母线和必要的辅助设备组建而成，用来接受和分配电能的装置。
按电器装设的地点不同，配电装置可分为屋内型和屋外型。
4.1配电装置选择的一般原则
高压配电装置的设计必须认真贯彻国家的技术经济政策，遵循上级颁发的有关规程、规范及技术规定，并根据电力系统条件、自然环境特点和运行、检修以及施工方面的要求，合理指定布置方案和选用设备，积极慎重的采用新的布置、新设备、新材料、新结构，使配电装置设计不断创新，做到技术先进、经济合理、运行可靠、维护方便。
火力发电厂及变电所的培植形式的选择，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜，节约用地，并结合运行、检修和安装要求，通过技术经济比较予以确定。
配电装置应满足以下四点要求：
（1）节约用地：
我国人口众多，但耕地不多，因此节约用地是我国现代化建设的一项带战略性的方针。
（2）运行安全和操作巡逻方便：
配电装置要整齐清晰，并能在运行中满足对人身和设备的安全要求。
使配电装置在一旦发生事故时，也能将事故限制在最小范围和最低程度，并使运行人员在正常的操作和处理事故中不致发生意外，以及在维修维护中不致损害设备。
（3）便于检修和安装：
对各种形式的配电装置，都要妥善考虑检修和安装的条件。
（4）节约材料，降低造价：
在保证安全的前提下，配电装置应采用布置紧凑，力求节约材料和降低造价。
4.2隔离开关的配置
（1）中小型发电机出口一般应装设隔离开关；容量为200MW及以上大机组与双绕组变压器的单元连接时，其出口不装设隔离开关，但应有可拆连接点。
（2）在出线上装设电抗器的6~10KV配电装置中，当向不同用户供电的两回线共用一台断路器和一组电抗器时，每回线上应各装设一组出线隔离开关。
（3）接在发电机、变压器引出线或中性点上的避雷器可不装设隔离开关。
（4）一台半断路器接线中，视发变电工程的具体情况，进出线可装设隔离开关也可不装设隔离开关。
（5）断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时隔离电源。
（6）中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；自耦变压器的中性点则不必装设隔离开关。
4.3电压互感器的配置
（1）电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足测量、保护
同期和自动装置的要求。
电压互感器的配置应能保证在运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点的两侧都能提取到电压。
（2）6~220KV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感器。
旁路母线上是否需要装设电压互感器，应视各回出线外侧装设电压互感顺的情况和需要确定。
（3）当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。
（4）当需要在330KV及以下主变压器回路中提取电压时，可尽量利用变压器电容式套管上的电压抽取装置。
（5）发电机出口一般装设两组电压互感器，供测量、保护和自动电压调整装置需要。
当发电机配有双套自动电压调整装置，且采用零序电压式匝间保护时，可再增设一组电压互感器。
4.4电流互感受器的配置
（1）凡装有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。
（2）在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器；发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口、桥形接线的跨条上等。
（3）对直接接地系统，一般按三相配置。
对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相配置。
（4）一台半断路器接线中，线路一线路串可装设四组电流互感器，在能满足保护和测量要求的条件下也可装设三组电流互感器可以利用时，可装设三组电流互感器。
4.5配电装置的选型和依据
配电装置的型式的选择，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜、节约用地，并结合运行及检修要求通过技术经济比较确定。
一般情况下，在大、中型发电厂和变电所中，35KV及以下的配电装置宜采用屋内式；110KV及以上多为屋外式。
普通中型配电装置国内采用比较多，广泛用于110～500KV电压级，在这方面我国已经有丰富的经验。
本设计的地理环境较好，没有地震，雷暴日也很少，且没有明显的环境污染，所以综合所有条件和技术，选用屋外式中型配电装置。
结束语
在这次设计中，通过查阅各种资料，也对发电厂电气部分的知识有了更进一步的拓展了解。
此次设计不仅加强了专业课的知识运用，同时也对以后工作中可能遇到的问题有了提醒，各部分都是相互联系的，稍有错误将导致后续部分分析全部错误，这也提醒了我们学习需要很好的严谨性。
在整个设计过程中,遇到了不少困难。
通过查阅一系列资料的学习后，对整个设计思路有了较清晰地了解，很多东西便茅塞顿开。
短路计算中也遇到不少麻烦，首先是计算不知道怎么处理，在老师和同学的帮助下，我对其计算原理和计算方法才有了正确的掌握。
其次是对公式不熟悉，导致用错公式。
最困难的是CAD画图，不过，通过不断地尝试和向同学的请教，完成了所有图的绘制，最重要的是学会并在一定程度的熟练了CAD电气绘图。
这次课程设计是在黄老师的指导和同学们的帮助下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。
参考文献
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