2300MW发电厂电气部分初步设计断路器控制信号回路.docx
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2300MW发电厂电气部分初步设计断路器控制信号回路
2×300MW发电厂电气部分初步设计（断路器控制信号回路）
引言
现代化发电厂的设计是一门综合性的科学,它是在多种专业有机结合、密切协作下完成的一个统一整体,应根据设计任务书以及国家的有关政策和各专业的设计技术规程、规定进行。
电力工业的迅速发展对发电厂的设计提出了更高的要求。
本次设计的题目是2300MW发电厂电气部分初步设计断路器控制信号回路,它是发电厂设计的一个重要环节。
主要任务是设计总装机容量为600MW2300MW的地区性火电厂,历时两个多月,其中涉及到发电厂电气,电力系统分析等多门专业课程。
本次设计的主要目的是:
通过设计树立工程观点,掌握发电厂设计的方法,并在分析、计算和解决实际工程等方面得到训练,为今后从事设计、运行和科研工作,奠定必要的理论基础。
现将设计内容具体介绍如下:
1、电气主接线设计
主接线代表了火电厂或变电所电气部分主体结构,主接线设计,必须综合处理各个方面的因素。
2、厂用电设计主要是对厂用变压器的选择和对厂用电主接线的设计。
、主要电气设备的选择和校验3．
主要是对母线、SF6断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、熔断器的选择和校验。
4、断路器控制信号回路设计（发电机变压器组出口断路器）。
现将本次设计的预期成果作如下介绍:
（1）毕业设计论文包括目录、摘要、引言、正文、结论、附录、参考文献;
（2）主接线图一张（2300MW发电厂电气主接线）;
（3）断路器控制信号回路图一张。
第一章绪论
近年我国电力工业迅猛发展,已经进入了大机组、大电厂、大电网、超高压、自动化、信息化发展的新时期。
其主要特点如下:
①建设大型矿口电厂,搞好煤、电、运平衡。
把建设大型矿口电厂和路口电厂作为电厂建设的重点。
②政企分开,联合电网,统一调度,集资办电。
为了适应社会主义市场经济和社会化大生产的需要,我国在原有电力系统的基础上,已成立了五大发电集团,遵循社会主义市场经济的准则,形成电力市场,互相调剂、共同发展。
③因地制宜,多能互补,综合利用,讲究效益。
在边远农村和沿海岛屿,因地制宜建设小水电、风力发电、地热发电和太阳能发电以解决无电、缺电地区的用重视和做好农村电气化建设。
电问题．
④节约能源,降低消耗。
减少自身消耗,降低煤耗和水耗、厂用电和线损,发展热电联产。
新建电厂应采用高参数、高效率的大机组。
⑤重视环境保护,积极防止对环境的污染。
第二章电气主接线设计
2.1主接线的设计原则和要求
发电厂电气主接线是电力系统接线的主要组成部分。
它表明了发电机、变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式,从而完成发电、变电、输配电的任务。
它的设计,直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定,关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
由于电能生产的特点是:
发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的,所以主接线设计的好坏,也影响到工农业生产和人民生活。
因此,主接线力争,的设计是一个综合性的问题。
必须在满足国家有关技术经济政策的前提下
使其技术先进、经济合理、安全可靠。
主接线设计的基本要求是:
（1）可靠性。
供电可靠性是电力生产和分配的首要要求,电气主接线也必须满足这个要求。
衡量主接线运行可靠性的标志是:
①断路器检修时,能否不影响供电。
②线路、断路器或母线检修时,停运出线回路数的多少和停电时间的长短,以及能否保证对重要用户的供电。
③发电厂全部停运的可能性。
④对大机组超高压情况下的电气主接线,应满足可靠性准则的要求。
（2）灵活性。
①调度灵活,操作简便:
应能灵活地投入某些机组、变压器或线路,调配电源和负荷,能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。
②检修安全:
应能方便地停运断路器、母线及其继电保护设备,进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。
（3）经济性。
①投资省:
主接线应简单清晰,控制、保护方式不过于复杂,适当限制断路器电流。
②占地面积小:
电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件。
③电能损耗少:
经济合理地选择主变压器的型式、容量和台数,避免两次变压而增加电能损失。
2.2基本接线的适应范围及本厂的设计
大、中型发电厂的接线要求2.2.1
大型发电厂（总容量1000MW及以上,单机容量200MW以上）,一般距负荷中心较远,电能需用较高压输送,故宜采用简单可靠的单元接线方式,直接接入高压或超高压系统。
中型发电厂（总容量200MW~1000MW,单机容量50~200MW）和小型发电厂（总容量200MW以下,单机50MW以下）,一般靠近负荷中心,常带有6~10KV电压级的近区负荷,同时升压送往较远用户或与系统连接。
发电机电压超过10KV时,一般不设机压母线而以升高电压直接供电。
2.2.2旁路母线的设置原则:
采用分段单母线或双母线的110KV~220KV配电装置,当断路器不允许停电检修时,一般需设置旁路母线,因为110KV~220KV线路输送距离较长、功率大,一旦停电影响范围大,且断路器检修时间长,故设置旁路母线为宜。
主变压器的110KV~220KV侧断路器,宜接入旁路母线。
当有旁路母线时,应首先采用以分段断路器或母联断路器兼做旁路断路器的接线。
当220KV出线为5回线以上时、110KV出线为7回及以上时,一般装设专用的旁路断路器。
2.2.3设计方案的介绍
本厂为220KV与20KV两个电压等级,单机容量为300MW,故宜采用可靠的单元接线,直接接入220KV系统。
对于本厂的主接线,我们选择了双母线带旁路与单母分段带旁路两种接线方案。
两种设计方案主接线图如下:
结论:
目前大型电厂接线都采用双母带旁路接线,具有很高的供电可靠性、调度并且通过母联断,两组母线同时工作,适合目前电力发展需求,扩建方便,灵活性．
路器并联运行,电源与负荷平均分配在两组母线上,即称之为固定连接方式运行。
这也是目前生产中最常用的运行方式,它的母线继电保护相对比较简单。
单母分段带旁路接线具有简单清晰、设备少、投资小、运行操作方便,且有利于扩建等优点,但可靠性和灵活性比较差。
在经济性比较中,方案II也比方案I略占优势。
在可靠性中,鉴于目前大型火电厂接线方式以及目前各种技术的先进,方案II为目前大型电厂都采用的双母接线,具有很高的供电可靠性、调度灵活性,扩建方便,所以在可靠性和灵活性上较方案I占优势,经综合分析,决定选择方案II作为本次设计的最终方案。
2.3主变压器的选择
2.3.1300MW发电机组变压器选择要求
对于300MW发电机组,一般与双绕组变压器组成单元接线,主变压器的容量和台数与发电机容量配套选用。
当有两种升高电压之间装联络变压器,其容量按两种电压网络的交换功率选择。
2.3.2选择原则
（1）为节约投资及简化布置,主变压器应选用三相式。
（2）为保证发电机电压出线供电可靠,接在发电机电压母线上的主变压器一般不少于两台。
在计算通过主变压器的总容量时,至少应考虑5年内负荷的发展需要,并要求:
在发电机电压母线上的负荷为最小时,能将剩余功率送入电力系统;发电机电压母线上最大一台发电机停运时,能满足发电机电压的最大负荷用电需要;因系统经济运行而需限制本厂出力时,亦应满足发电机电压的最大负荷用电。
（3）在高、中压系统均为中性点直接接地系统的情况下,可考虑采用自耦变压不宜使,器。
当经常由低、高压侧向中压侧送电或由低压侧向高、中压侧送电时．
用自耦变压器。
2.3.3主变压器的选择
单元接线中的主变压器容量应按发电机容量扣除本机组的厂用负荷后,留有10%的裕度选择
根据原始资料:
发电机容量为300MW,发电机额定功率因数为0.85,
厂用电率为6%,所以:
220KV发电机变压器组接线的主变选择SPF3-37000/220型,其主要技术参数如下:
表2-1主变技术参数表
生产厂家沈阳变压器厂型式强迫油循环风冷却三相双绕组变压器
99.79
（%）
（KVA）370000效率额定容量额定电压（KV）高压242负载损耗（KW）630
低压20
空载电流（%）
0.25
14.03
冷却方式OPAF阻抗电压（%）
接线组别YN,d11空载损耗（Kw）160
2.3.4发电机的选择
（1）额定容量:
在额定功率因数和额定氢压及最高冷却额定温度的条件下,发电机的额定容量与汽轮机的额定出力配合选择。
对300MW机组的功率因数为0.85,因此,发电机的额定容量为353MVA,也就是发电机的铭牌功率。
发电机的最大连续容量应与汽轮机的最大连续出力配合:
最大连续容量
（2）．
选择。
此时,发电机的功率因数为额定功率因数,氢压为额定氢压,冷却器进水温度宜与汽轮机相应工况下的冷却水温相一致。
本厂选用国产300MW汽轮机组:
表2-2发电机技术参数表
生产厂家东方电机股份有限公司型号QFSN-300-2-2B
10%≤水氢氢稳态负序电流能力型式40SMVA353暂态负序能力额定容量22.598
直轴瞬变电抗MW
额定功率300
最大连续出力MW330横轴瞬变电抗22.598
15.584
直轴超瞬变电抗0.85
额定功率因数滞后
额定电压（KV）20横轴超瞬变电抗15.584
17.183A10189负序电抗额定电流零序电抗3000
7.326
额定转速r/min
50励磁方式三相励磁式自并激静态频率HZ
相数3励磁电压V455
效率%99.1
励磁电流A2075
短路比0.6241
第三章厂用电设计
厂用电设计的要求
厂用电接线除应满足正常运行的安全、可靠、灵活、经济和检修、维护方便等一般要求外,尚应满足下列特殊要求:
（1）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。
（2）充分考虑发电厂正常、事故、检修、起动等运行方式下的供电要求,切换操作简单。
（3）便于分期扩建或连续施工。
对公用负荷的供电,要结合远景规模统筹安排。
3.2厂用电设计原则及本厂厂用电设计
3.2.1厂用电设计的一般原则
（1）对厂用电设计的要求
厂用电设计应按照运行、检修和施工的需要,考虑全厂发展规划,积极慎使设计达到技术先进、经济合理。
重的采用经过实验鉴定的新技术和新设备．
①保证厂用电源的可靠性。
各机组的厂用系统应相对独立,防止一台机组厂用母线故障影响其它机组的正常运行。
②根据用电设备的要求对厂用启动/备用电源、交流不停电电源和保安电源等容量必须可靠和充裕,限制事故波及范围。
迅速进行事故处理,首先保证主要设备不损坏,并使机组快速恢复运行。
③要考虑全厂的扩建和发展规划,与机务专业等密切配合。
厂用配电装置合理,便于维护管理。
对全厂公用系统的容量应满足扩建的需要,适当留有裕度。
④调度灵活可靠,检修调试安全方便。
⑤设备选用合理,技术先进,节约投资。
（2）厂用电电压等级的确定
对于火电厂当容量在300MW时,高压厂用电一般采用6KV,低压厂用电采用380/220V的三相四线制系统。
（3）厂用母线接线方式
高压厂用电系统应采用单母线。
锅炉容量为130~220T/H时,一般每炉由一段母线供电;容量为400T/H及以上时,每炉由两段母线供电,并将两套辅机电动机分接在两段母线上,两段母线可由同一台厂用变压器供电;容量为65T/H时,两台锅炉可合用一段母线。
低压厂用电系统应采用单母线接线。
当锅炉容量在220T/H及以下,且接有机炉的Ⅰ类负荷时,一般按机炉对应分段,并用开关将母线分为两个半段;锅炉容量在400T/H及以上时,每台机炉一般由两段母线供电。
当公用负荷较多、容量较大、采用集中供电方式合理时,可设立公用母线,但应保证重要公用负荷的供电可靠性。
．
（4）厂用工作电源
高压厂用工作电源一般采用下列引接方式:
①当有发电机电压母线时,由各段母线引接,供给接在该段母线上的机组的厂用负荷。
②当发电机与主变压器采用单元或扩大单元接线时,由主变压器低压侧引接,供给本机组的厂用负荷,如图3-1所示,本厂即采用此种接线方式。
发电机容量为125MW及以下时,一般在厂用分支线上装设断路器。
若断路器开断容量不够时,也可采用能满足动稳定要求的负荷开关、隔离开关或连接片等方式。
对于300MW发电机组,其高压厂用工作变压器宜采用分裂变压器。
厂用分支采用分相封闭母线,因故障率很小,可不装设断路器和隔离开关。
5厂用备用和起动电源
备用电源主要作为事故备用。
即在工作电源故障时代替工作电源的工作。
备用电源的引接应保证其独立性,避免与工作电源由同一电源处引接。
并具有足够的供电容量,引接点应有两个以上电源。
①高压厂用备用或起动电源一般采用下列引接方式:
当无发电机电压母线时,一般由高压母线中电源可靠的最低一级电压引接,或由联络变压器的低压绕组引接,并应保证在发电厂全停的情况下,能从电力系统取得足够的电源。
本厂备用电源从220KV母线引接。
②低压厂用备用变压器应避免与需要由它充当备用电源的低压厂用工作变压器接在同一段高压母线上。
③备用电源与厂用母线段的连接方式:
厂用高压启动/备用电源为分裂绕3-2备用电源。
如图/两台机组共用一台启动,的机组300MW对于本厂,组变压器．
所示,启动/备用电源下未设公用的负荷段,全厂的高压公用负荷全部接在各机组的厂用母线上。
（6）交流事故保安电源和交流不停电电源
300MW发电机组应设置交流事故保安电源,当厂用工作和备用电源消失时,应自动投入,保证交流保安负荷的起动,并对其持续供电。
本厂事故保安电源采用柴油发电机组和蓄电池组。
柴油发电机组是一种广泛采用的事故保安电源,蓄电池也是一种独立而又十分可靠的保安电源。
交流不停电电源（UPS）由柴油发电机组配合工作。
柴油机组一般不允许与厂用电系统并列运行,所以当厂用工作电源和备用电源消失时,有短暂的自动切换过程。
这短时的间断供电对于某些保安负荷也是不允许的。
这可以由蓄电池组经静态逆变装置或逆变机组将直流变交流,向不允许间断供电的交流负荷供电。
（7）对于300MW机组,各机组的厂用电系统应是独立的,一台故障的停运或辅机的电气故障,不应影响到另一台机组的正常运行,并能在短时间内恢复本机组的运行。
3.2.2本厂厂用电主接线设计说明
本厂为300MW发电机组,发电机与主变压器采用单元接线,厂用电由主变压器低压侧引接,供给本机组的厂用负荷。
本厂为两台发电机组,选择两台厂用电主变压器,并且配备一台高压启动/备用变压器,供1#、2#发电机备用。
由220KV系统接入厂用。
高压厂用电压采用6KV,低压厂用采用380/220V的三相四线制系统。
厂用分支采用分相封闭母线,在该分支上不装设断路器,但有可拆连接点。
通过分裂绕组厂用高压变压器供6KV厂用的A段和B段,300MW发电机组装设交流事故保安电源。
．
3.3厂用变压器的选择
3.3.1厂用工作变压器的选择
（1）厂用变压器选择的基本原则和应考虑的因素。
①变压器原、副边额定容量应分别与引接点和厂用系统的额定电压相适应。
②连接组别的选择,宜使同一级电压（高压或低压）的厂用工作、备用变压器输出电压的相位相一致。
③阻抗电压及调压形式的选择,宜使其在引接点电压及厂用电负荷正常波动范围内,厂用电各级母线的电压偏移不超过额定电压的±5%。
（2）本厂厂用工作变压器的选择
根据《电力工程电气设计200例》选择三相油浸式无励磁分裂变压器
SFF9—CY—40000/20,其主要技术参数如下:
表3-1厂用工作变压器技术参数表
额定电压（KV）20/6.3-6.3调压方式无励磁调节
额定容量（MVA）40/25-25负载损耗（KW）157
空载损耗（KW）26.44调压范围
冷却方式ONAF
分裂系数Kf
3.3-3.5
接线绕组D,d0,d0高压-低压1
（2）16.5%
3本厂厂用启动/备用变压器的选择
由于两台厂用工作变压器同时停运的几率很小,启动/备用变压器的容量可以与厂用工作变压器的容量相等,根据《电力工程电气设计200例》选择三相油浸式有载调压分裂变压器SFF9—CY—50000/220,其主要技术参数如下:
厂用启动备用变压器技术参数表3-2表．
额定电压（KV）220/6.3-6.3调压方式有载调压
额定容量（MVA）50/31.5-31.5负载损耗（KW）200
空载损耗（KW）42调压范围（KV）220±8×1.25%/6.3―6.3
冷却方式ONAF
分裂系数Kf
3.3-3.5
接线绕组YN,d11,d11高压-低压1
（2）21%
第四章短路电流计算
4.1短路电流计算的目的
在发电厂电气部分的设计中,短路电流计算是其中的一个重要环节。
其计算的目的主要有以下几个方面:
（1）在选择电气主接线时,为了比较各种方式接线方案,或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等,均需进行必要的短路电流计算。
（2）在选择电气设备时,为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作,同时又力求节约资金,这就需要进行全面的短路电流计算。
例如:
计算用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗,某一时刻的短路电流有效值
值;计算短路后较长时间内的短路电流有效值,用以校验设备的热稳定;计算短路电流冲击值,用以校验设备动稳定。
（3）在设计屋外高压配电装置时,需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
（4）接地装置的设计,也需用短路电流。
4.2短路电流的一般规定及计算步骤
4.2.1短路电流计算的一般规定
验算导体和电气设备时所用短路电流,一般有以下规定:
（1）计算的基本情况
①电力系统中所有电源均在额定负荷下运行;
②所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）;
③短路发生在短路电流为最大值的瞬间;
④所有电源的电动势相位角相同;
⑤应考虑对短路电流值有影响的所有元件,但不考虑短路点的电弧电阻。
对异步电动机的作用,仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
（2）接线方式
计算短路电流时所用的接线方式,应是可能最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式）,而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
（3）计算容量
应按本工程设计规划容量计算,并考虑电力系统的远景发展规划。
短路种类（4）．
一般按三相短路计算。
若发电机出口的两相短路,或中性点直接接地系统以及自耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时,则应按严重情况进行比较。
（5）短路计算点
在正常接线方式时,通过电气设备的短路电流为最大的地点,为短路计算点。
4.2.2短路电流计算步骤
在工程设计中,短路电流的计算通常采用实用曲线法。
现将其计算步骤简述如下:
（1）选择短路计算点。
（2）画等值网络（次暂态网络）图。
①首先去掉系统中的所有负荷分支、线路电容、各元件的电阻,发电机电抗用次暂态电抗。
②选取基准容量和基准电压（一般取各级的平均电压）。
③将各元件电抗换算为统一基准值的标幺电抗。
④绘出等值网络图,并将各元件电抗统一编号。
（3）化简等值网络:
为计算不同短路点的短路电流值,需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射形等值网络,并求出各电源与短路点之间的电抗,即转移阻抗。
（4）求计算电抗。
（5）由运算曲线查出各电源供给的短路电流周期分量标幺值。
计算无限大容量的电源供给的短路电流周期分量。
（6）．
（7）计算短路电流周期分量有名值和短路容量。
（8）计算短路电流冲击值。
（9）计算异步电动机供给的短路电流。
（10）绘制短路电流计算结果表。
4.2.3本厂等值电路图中短路点的选取
根据本厂主接线的特点,厂用变压器和备用变压器等值电抗的不同,以及选择设备的要求,选择四个短路点作为短路计算的短路点,这四个短路点位置为:
1d?
1在220KV的母线上。
2d?
2在1#发电机的出口。
3d?
3在1#高压厂用变压器的低压侧。
4d?
4在高压厂用启动/备用变压器的低压侧。
4.3短路电流计算
4.3.1电力设备参数计算
（1）电路元件参数的计算
根据电力系统规划设计中确定或推荐的系统接线图,求出各元件发电机,变压器,线路等的阻抗值,为了计算方便,一般均计算成“标么值”,通常取用基准容量100MW,基准电压一般取各级的平均电压。
标么值计算基本关系如下:
4-1
4-2
4-3
4-4式中:
MVA
基准容量---------
----------基准电压KV
----------电网各级平均额定电压KV
-----------基准电流KA
----------基准阻抗
①发电机电抗标么值计算:
230KV,100MVA
已知:
300MW,0.85,220KV,15.6%
②变压器电抗标么值计算:
a、主变压器电抗计算
已知:
370000KVA,,b、厂用工作变压器
已知:
,,其等值电路如图4-1:
由
得
计算有名值:
计算标么值:
C、启动/备用变压器:
已知,,,
其等值电路如图4-2:
由得
:
计算有名值
计算标么值:
2发电机参数表:
表4-1发电机计算参数表
参数
系统
设备额定容量（MW）额定电压（KV）功率因数cosφ次暂态电抗（标么值）归算到基准容量的等值电抗（标么值）
G1,G2
发电机300200.85
0.1560.040
3变压器参数表:
表4-2变压器计算参数表
变压器位置额定容量
（MVA）绕组型式短路
电压
分
裂
系
数归算到基准容量的等值电抗（标么值）
低压侧高压侧．
主变压器370三相双绕组14.30.035
厂用变压器31.5
三相分裂绕组153.30.04
0.373
3.30.04
0.38
高压启动/备用变压器三相分裂绕组18.5
31.5
4.3.2发电厂等值电路图
图4-3发电厂等值电路图
4.3.3d-1短路点短路电流计算
等值电路化简如图4-4:
转移阻抗:
求计算电抗:
G1:
Xjs1XdG1×SN/Sb0.075×300/0.85/1000.271G2:
Xjs2
XdG2×SN/Sb0.075×300/0.85/1000.271
查曲线得:
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