发电厂电气主系统课程设计.docx
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发电厂电气主系统课程设计
课
程
设
计
院系：
电子工程学院
班级：
电气1005班
姓名：
贾武军
摘要
电力系统的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。
但是，电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。
继电保护（包括安全自动装置）是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。
许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。
因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作。
为满足电网对继电保护提出的可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求，充分发挥继电保护装置的效能，必须合理的选择保护的定值，以保持各保护之间的相互配合关系。
做好电网继电保护定值的整定计算工作是保证电力系统安全运行的必要条件。
本文详细地讲述了如何分析选定110kV电网的继电保护（相间短路和接地短路保护）和自动重合闸方式，以及变压器相间短路主保护和后备保护，并通过整定计算和校验分析是否满足规程和规范的要求。
本次设计不对变电站的一、二次设备进行选择。
第一章课程任务设计书和原始资料分析.....................4
第二章电气主接线设计...................................5
1）对电气主接线的基本要求............................5
2）对电气主接线方案的初步设计........................5
3）几种方案的比较及最终接线..........................6
第三章变压器的选择.....................................10
附录B....................................................12
附录C....................................................17.
结论......................................................31
参考文献..................................................31
1.课程任务设计书和原始资料分析
1.1发电厂电气部分课程设计任书
1.1.1课程设计的目的：
发电厂电气部分课程设计是在学习电力系统基础课程后的一次综合性训练，通过课程设计的实践达到：
（1）巩固“发电厂电气部分”、“电力系统分析”等课程的理论知识。
（2）熟悉国家能源开发策略和有关的技术规范、规定、导则等。
（3）掌握发电厂（或变电所）电气部分设计的基本方法和内容。
（4）学习工程设计说明书的撰写。
（5）培养学生独立分析问题、解决问题的工作能力和实际工程设计的基本技能。
1.1.2.课程设计的任务要求：
（1）分析原始资料
（2）设计主接线
（3）计算短路电流
（4）电气设备选择
1.1.3.设计成果：
（1）完整的主接线图一张。
（2）设计说明书一份。
1.2原始资料
110/35/10KV降压变电所电气部分设计
1.2.1、变电所的建设规模
本变电所是中型降压变电所，一次建成。
1.2.2、变电所与电力系统连接情况
（1）变电所在电力系统中的地位和作用本所位于某市郊小工业区中心，交通便利，地质条件好，进出线方便，供当地城市、工厂及农村用电。
（2）变电所电压等级为110KV、35KV及10KV，系统以两回线向本所供电，35KV有6回出线，10KV有10回出线。
1.2.3、负荷资料35KV侧最大负荷为38.5MVA，其中重要负荷占60%，最大的一回负荷为7.5MVA，平均功率因素为0.85，Tmax=6000h，35kv用户除本所外无其它电源。
10KV侧最大负荷为25MVA，最大一回为3.2MVA，平均功率因素为0.8，Tmax=4300h，所用负荷按变电所最大负荷的0.5%计算。
1.2.4、最小运行方式：
变电所停运一台变压器，同时与变电所连接的发电厂中停用一台容量最大的发电机组。
1.2.5、环境条件：
变电所地处平原，年平均气温17℃，最热月平均30℃，绝对最高气温39℃，最热日平均气温为35℃，最低气温-13℃，最热月地下0.8米处土壤平均温度18℃。
当地海拔高度400米，雷暴日数29.5日/年；无空气污染。
土壤电阻率ρ=200Ω•m
第二章电气主接线设计
第一节对电气主接线的基本要求
现代电力系统是一个巨大的严密整体，各类发电厂和变电所分工完成整个电力系统的发电、变电和配电任务，主接线的好坏不仅影响到发电厂、变电所和电力系统本身，同时也影响到工农业生产和人民生活，因此，发电厂、变电所的主接线，必须满足以下基本要求：
1）必须保证发供电的可靠性。
2）应具有一定的灵活性。
3）操作应尽可能简单、方便。
4）经济上应合理。
主接线除应满足以上技术经济方面的基本要求外，还应有发展和扩建的可能性，以适应发电厂和变电所可能扩建的需要。
第二节对电气主接线方案的初步设计
电气主接线基本要求：
可靠性、灵活性、经济性三项基本要求。
一、主接线的初步选择
1、110kV系统的主接线选择
根据《电力工程设计手册》：
110kV～220kV配电装置出线回路不超过2回时一般选用单母线接线；出线回路3～4回时一般选用单母线分段接线，故选用单母线接线与单母线分段接线两种方案进行比较决定。
2、35kV侧的主接线形式
根据《电力工程设计手册》：
1）35kV～6.3kV的配电装置出线回路数在4～8回时采用单母线分段接线。
2）35kV的出线多为双回路，且检修时间短，一般不设旁母，当配电装置出线回路数在8回以上时；或连接的电源较多，负荷较大时采用双母线接线。
故选用单母线分段接线与双母线接线两种方案进行比较决定。
3、10kV侧接线形式选择
根据《电力工程设计手册》：
6～１0kV系统中，出线在6回或以上时一般使用单母线分段接线形式，当用户要求不能停电时可装设旁路母线。
故选用单母线分段接线与单母线分段带旁母接线两种方案进行比较决定。
二、可靠性的要求
1.断路器检修时，不宜影响对系统的供电。
2.断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间。
3.避免全所停电的可能。
三、灵活性的要求
1．调度时，可灵活的投入和切除变压器和线路，调配电源和负荷。
2．检修时，方便的停运断路器、母线及保护，进行安全检修。
3．扩建时，容易从初期接线过渡到最终接线。
四、经济性的要求：
1．投资省。
2.主接线力求简单，以节省一次设备。
3.二次回路简单。
4.能限制短路电流，以便选择价廉的设备。
5.占地面积小。
6.电能损失少。
第三节几种方案的比较及最终接线
根据以上几点要求对主接线的初设方案进行比较，结果如下：
110kV
方案一：
为“单母线接线”
方案二：
为“单母线分段接线”
优点：
接线简单清晰，设备少，操作方便，便于扩展。
缺点：
不够灵活可靠。
优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户从不同段引出，有两个电源供电。
当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线供电，供电可靠性高。
缺点：
占地面地大，投资较多。
35kV
方案一：
为“单母线分段接线”
优点：
不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
1．当一段母线或母线刀闸故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期内停电。
2．当出线为双回路时，常使架空出线呈交叉跨越。
3．扩建需两个方向。
方案二：
为“双母线接线”
优点：
供电可靠性高，一般不对歪停电。
缺点：
占地面地大，刀闸多，投资较多。
10kV
方案一：
为“单母线分段接线”
优缺点：
同上
方案二：
为“单母线分段带旁母接线”
优点：
供电可靠性高。
缺点：
占地面地大，刀闸多，投资较多。
由于待建变电所属地区变电所，负荷主要是地区性负荷，该变电站110kV、35kV、10kV侧均采用单母线分段接线。
第三章变压器的选择
1.可按下述原则确定变压器容量
（1）变压器的容量和台数的选择
（2）根据变电站的实际情况，应根据以下的原则进行选择
（3）主变得容量一般按变电站建成后5～10年的规划负荷选择
（4）根据电压网络的结构和变电站所带的负荷的性质来确定主变的容量，对于有重要用户的变电站应考虑当一台主变停运时其余变压器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的负荷，对一般性变电站，一台机停用时，应使其余变压器保证全部负荷的70%~80%。
（5）同级电压的降压变压器容量的级别不宜过多，应系列化，标准化
（6）对于大城市市郊的一次变电站，在中低压侧已构成环网的基础上，变电所以装设两台变压器为宜。
2.变压器绕组形式选择
根据：
不受运输条件限制时，在330kV及其以下的发电厂和变电所中，均采用三相变压器。
3.变压器绕组数量的选择
根据：
在具有三种电压的变电站中，如通过主变各侧的功率均达到该主变容量的15%及以上，或低压侧虽无负荷，但在变电所内需装设无功功率补偿设备时，主变宜采用三绕组变压器。
4.绕组连接方式
根据：
我国110kV及以上的电压级别，变压器绕组均用Y0的接法，35kV用Y连接，其中性点经过消弧线圈接地。
第三绕组用三角形连接。
5.高、中压电网的联络变压器应按两级电网正常与检修状态下可能出现的最大功率交换确定容量,依赖于两级电网的合理调度。
6.当联络变压器为两台时，考虑一台突然切除后，另一台短时承担全部负荷，因此选择每台变压器的容量为总容量的50~75%，采用50%时，一台变压器突然切除，另一台过载倍率为2，允许运行7.5分钟，采用75%时，过载倍率为1.3，允许运行2小时，应保证上述时间内电网调度能妥善的调整系统潮流，降低联络点的穿越功率。
二．主变压器台数的确定
1.减少变压器台数的途径如下：
1）使用发电机—变压器扩大单元。
2）在需要变压器并联以相互备用的情况下，使用两台变压器比较便利。
考虑一台变压器退出工作后的备用能力相当，使用两台变压器时，其总容量较使用各台数变压器的总容量有所增加，但考虑上述因变压器台数减少取得的综合效益及损耗的减少仍将使用两台变压器更为合理。
2.负荷变电站的降压变压器，发电厂、变电站高、中压电网的联络变压器一般情况下选用两台主变压器比较合理。
（1）选择降压结构：
绕组排列结构从里往外为：
低中高；
（2）选择容量：
S35max=38.5MVA
S10max=25MVA
变电所用电负荷P为0.32
则:
S总max=S35+S10+P=38.5+25+0.32=63.82MVA
按冗余考虑配置主变:
单台主变故障时,另一台承担50%～75%负荷,
选50%时:
S1=63.82*0.5=31.91MVA
选75%时:
S1=63.82*0.75=47.87MVA
如按国家标准规定的R10系列10√10倍数系列容量等级的原则选主变则为:
从40MVA、50MVA、63MVA中选40MVA为宜。
为了减少维护费用，选择三相油浸风冷、铝线圈、有载调压的主变为宜，查表选：
SFSZ9-40000kVA/110kV±8*1.25%/38.5±2*2.5%/10.5,查表，选择
主变型号为：
主变
Ud%
额定电流
△Po
Io
名称
高--中
高--低
中--低
（高/中/低）（A）
（KW）
（%）
1#、2#
17.0%
17.0%
6.5%
262.4/749.8/2749.4
84.70
1.200
容量比
△Pd（kw）
变压器
变压器
（MVA）
高--中
高--低
中--低
调压范围
型号
40/40/40
110±8x1.25%/38.5±2x2.5%/10.5kV
SFSZ9-40000kVA/110kV
附录B:
短路电流计算
1.本计算中采用以下的假设：
正常情况下，三相系统对称运行，所有的电源的电动势相位角相同，电力系统中所有电机为理想电机。
电力系统所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷在高压母线上，50%负荷接在系统侧，短路发生在短路电流最大的瞬间，不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流，输电线路的电容略去不计。
2.本计算中一律采用短路电流的工程实用解法，运算曲线法，先计算出各电源到短路点的运算阻抗Xjs,再化为该电源标幺值下的Xjs'。
当Xjs'<3时查运算曲线求取短路瞬间的Z0，短路后0.1s的Z0.1和稳定电流I（无穷）;
当Xjs'>3时，Z0=Z0.1=I（无穷）=1/Xjs
第一节画等值电路图
1.计算系统阻抗：
基准容量：
Sj=100MVA
基准电压：
Uj=115/37/10.5kV
额定电压：
110±8×1.25％/38.5±2×2.5％/10.5kV
容量比：
40/40/40
Ij=Sj/√3*Uj
=100/√3*115=100/199.18≈0.5021KA
2.各元件参数计算公式为：
X变压器=（Ud%/100）*（Sj/Se）
则有：
Ud1%=（1/2）*（UdⅠ-Ⅱ%+UdⅢ-Ⅰ%-UdⅡ-Ⅲ%）
=（1/2）*（17+17-6.5）
=13.75
Ud2%=（1/2）*（UdⅡ-Ⅲ%+UdⅠ-Ⅱ%-UdⅢ-Ⅰ%）
=（1/2）*（6.5+17-17）
=3.25
Ud3%=（1/2）*（UdⅢ-Ⅰ%+UdⅡ-Ⅲ%-UdⅠ-Ⅱ%）
=（1/2）*（17+6.5-17）
=3.25
X1=X2
=（Ud1%/100）*（Sj/Se）
=（13.75/100）*（100/40）
=0.343
X3=X4
=（Ud2%/100）*（Sj/Se）
=（3.25/100）*（100/40）
=0.081
X5=X6
=（Ud2%/100）*（Sj/Se）
=（3.25/100）*（100/40）
=0.081
第二节计算短路电流
考虑最大运行方式为两台主变三测并列运行，最大短路电流为母线三相短路的电流，选择短路点为
D2：
35kV母线三相短路点
D3：
10kV母线三相短路点
1>当D2点短路时,其等值电路图为:
由化简图1得:
X7=X5+X6=0.081+0.081=0.162
由化简图2得:
X8=X1*X2/（X1+X2+X7）
=0.343*0.343/（0.343+0.343+0.162）
≈0.1387
X9=X1*X7/（X1+X2+X7）
=0.343*0.162/（0.343+0.343+0.162）
≈0.0655
X10=X7*X2/（X1+X2+X7）
=0.162*0.343/（0.343+0.343+0.162）
≈0.0655
由化简图3得:
X11=（X3+X9）//（X4+X10）
=（1/2）（0.081+0.0655）
≈0.0733
Id2=1/（X11++X8）
=1/（0.0733+0.1387）
=4.717
2>当D3点短路时,其等值电路图为:
由化简图1得:
X7=X3+X4=0.081+0.081=0.162
由化简图2得:
X8=X1×X2/（X1+X2+X7）
=0.343×0.343/（0.343+0.343+0.162）
=0.1715
X9=X1×X7/（X1+X2+X7）
=0.343*0.162/（0.343+0.343+0.162）
≈0.0655
X10=X7×X2/（X1+X2+X7）
=0.343*0.162/（0.343+0.343+0.162）
≈0.0655
由化简图3得:
X11=（X5+X9）//（X6+X10）
=（1/2）（0.081+0.0655）
≈0.07325
Id3=1/（X11+X8）
=1/（0.07325+0.1715）
=4.086
4>根据公式:
I=Ij×I*则有:
I2〃=I3〃=Ij×Id2*
=0.5021×2.427
≈2.368KA
ich2=ich3
=1.8×√2I2〃
=2.55×I2〃
=2.55×2.368
≈6.039KA
Ich2=Ich3
=1.52×I2〃
=1.52×2.368
≈3.599KA
第三节短路电流计算结果汇总
短路类型
编号
短路点名称
短路电流周期分量起始有效值（KA）I〃
短路全电流最大有效值（KA）Ich
短路电流冲击值（KA）ich
三相
D2
35kV母线（并列）
2.368
3.599
6.039
D3
10kV母线（并列）
4.086
1.953
6.039
第二节
回路名称
计算公式及结果
110KV母线
Ig.max=
110KV进线
Ig.max=
35KV母线
Ig.max=
35KV出线
Ig.max=
10KV母线
Ig.max=
10KV出线
Ig.max=
附录C：
母线选择
（1）35KV母线的选择
按经济电流密度选择母线截面，35KV最大持续工作电流查得，
采用铝母线，查得
时，经济电流密度
则母线经济截面为：
选择35KV母线为：
（
）型矩形铝母线，平放，允许载流量
。
因实际环境温度
，综合修正系数
，故
可满足长期发热要求。
10KV母线的选择及校验
按经济电流密度选择母线截面
10KV最大持续工作电流查表得，
采用铝母线，查得
时，经济电流密度
则母线经济截面为：
选用每相2条
矩形铝导体，平方时
，集肤效应系数
因实际环境温度
，查表得综合修正系数
，故
时允许电流为：
可满足长期发热的要求。
热稳定校验
由校验短路器可知，短路电流周期分量
母线正常运行最高温度为：
查得：
，则母线最小截面
为：
满足热稳定。
动稳定校验
由短路电流计算结果表查得，短路冲击电流为：
相间距离
取
由
、
，参考书上得：
同相条间应力为：
即每跨内满足动稳定所必须的最少衬垫数为2个。
实际衬垫距为：
满足动稳定的要求。
高压断路器选择
高压断路器是发电厂或变电站中最重要的电气设备之一，它具有完善的灭弧装置，是在正常和故障情况下接通或断开高压电路的专用电器。
1.高压断路器的用途
高压断路器是在正常和故障情况下接通或断开高压电路的专用电器。
为保证高压断路器能在正常或故障的任何情况下，可靠地接通与断开电路，要求高压断路器必须具有很完善的灭弧装置和快速动作的特性。
2.高压断路器的主要技术参数
高压断路器的主要技术参数有：
额定电压、额定电流、额定开断电流、额定峰值耐受电流（额定动稳定电流）、额定短时耐受电流（额定热稳定电流）、额定短路持续时间（额定热稳定时间）、额定短路关合电流（峰值）和动作时间（分闸时间、燃弧时间与开断时间）。
（1）额定电压。
断路器的额定电压是指其导电和载流部分允许承受的（线）电压等级。
由于输电线路首、末端等处的运行电压不同，所以断路器所能承受的最高工作电压高于额定电压值的10%～15%，例如断路器的额定电压为10kV时，其最高工作电压为11.5kV。
（2）额定电流。
断路器的额定电流是指在规定的环境温度下，当断路器的绝缘和载流部分不超过其长期工作的最高允许温度时，断路器允许通过的最大电流值。
（3）额定短路开断电流。
额定短路开断电流简称为额定开断电流，它是指断路器在频率为50Hz的瞬态恢复电压下，能够开断的最大短路电流值。
（4）额定峰值耐受电流（额定动稳定电流）。
额定峰值耐受电流是表明断路器能承受短路电流电动力作用的性能，即断路器在闭合状态时能通过的不妨碍其继续正常工作的最大短路电流（峰值）。
（5）额定短时耐受电流（额定热稳定电流）。
额定短时耐受电流是表明断路器承受短路电流热效应的性能。
额定短时耐受电流应等于额定短路开断电流值。
（6）额定短路持续时间（额定热稳定时间）。
当额定短时耐受电流通过断路器的时间为额定短路持续时间，断路器的各部分温度不超过短时所允许发热的最高温度，并且不发生触头熔接或其他妨碍正常工作的异常现象。
额定短路持续时间一般为2s。
（7）额定短路关合电流（峰值）。
保证断路器能关合短路而又不致于发生触头熔焊或其他损伤，所允许接通的最大短路电流称为额定短路关合电流。
（8）动作时间。
断路器的动作时间包括分闸时间、燃弧时间和开断时间。
1）分闸时间。
处于合闸状态的断路器，从分闸回路接受分闸命令（脉冲）瞬间起，直到所有灭弧触头均分离瞬间的时间间隔。
2）燃弧时间。
从首先分离主回路触头刚脱离电接触起，到断路器各极中触头间的电弧最终熄灭瞬间为止的时间间隔。
3）开断时间。
从断路器接受分闸命令瞬间起，到断路器各极触头间的电弧最终熄灭瞬间为止的时间间隔
。
（二）110kV侧断路器的选择
1、该回路为110kV电压等级，故可选用少油断路器。
2、断路器安装在户外，故选户外式断路器。
3、为方便运行管理及维护，选为SW3-110G少油断路器，其主要技术参数如下：
型号
额定
电压
kV
额定
电流
A
最高
工作
电压
kV
额定
开断
电流
kV
动稳
定电流
kA
4S热稳
定电流
kA
自动重名闸无电流间隔时间
S
固有分闸时间
S
合闸
时间
S
Sw3-110G
110
1200
126
15.8
41
15.8
0.5
0.07
0.43
4、对所选的断路器进行校验
（1）断流能力校验
因为三相短路电流大于两相短路电流，所以选三相短路电流进行校验，断路器的额定开断电流比系统短路电流大得多，可用次暂态短，选择断路器短路电流时应考虑在断路器两侧发生短路时通过断路器的短路电流，选较大者进行校验。
由短路电流计算可知，系统提供的短路电流较大，故选I=5kA进行校验。
所选断路器的额定开断电流I。
=15.8kA>=5kA，则断流能力满足要求。
（2）短路关合电流的校验
所选断路器的额定关合电流，即动稳定电流为41kA，流过断路器的冲击电流为13.34kA，则短路关合电流满足要求，因为其动稳定的校验参数与关合电流参数一样，因而动稳定也满足要求。
（3）热稳定校验
设后备保护动作时间1.9s，所选断路器的固有分闸时间0.07s，选择熄弧时间t=0.03S。
则短路持续时间t=1.9+0.07+0.03=2s。
因为电源为无限大容量，非周期分量因短路持续时间大于1s而忽略不计，则短路热效应Qk=I”2t=52×2=50kA2.s
允许热效应
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