发电厂及变电站设备课程设计发电厂电气部分设计汇总.docx

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发电厂及变电站设备课程设计发电厂电气部分设计汇总

发电厂及变电站设备课程设计

200MW地区凝汽式火力发电厂电气部分设计

学校：

五邑大学

学院：

信息工程学院

课程序号：

xxx

姓名：

xxxx

学号：

xxxxxx

一、设计原始资料....................................................................................3

二、对设计原始资料进行初步分析........................................................3

2.1工程情况.............................................................................................3

2.2电力系统情况.....................................................................................3

2.3负荷情况.............................................................................................3

3、主接线方案的拟定............................................................................4

3.1主接线形式的基本选择......................................................................4

3.2主接线在各电压等级的具体选择......................................................4

3.3主接线方案的比较..............................................................................5

四、变压器的选择....................................................................................6

五、短路电流计算..................................................................................6

5.1计算电路图和等值电路图..................................................................6

5.2短路电流计算的基本假设和计算原则..............................................6

5.3本发电厂短路计算的过程..................................................................7

六、主要电气设备选择............................................................................8

6.1断路器的整定原则..............................................................................8

6.2断路器的选型......................................................................................9

6.3隔离开关的选型.................................................................................10

6.4母线的选择.........................................................................................11

七、工程估算............................................................................................11

八、设计体会...........................................................................................12

九、参考文献............................................................................................12

附录、电气主接线图................................................................................13

一、设计原始资料

1）某地区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200MW的凝汽式火力发电厂，发电厂安装2台50MW机组，1台100MW机组，发电机端电压为10.5KV,电厂建成後以10KV电压供给本地区负荷，其中有机械厂、钢厂、棉纺厂等，最大负荷48MW,最小负荷为24MW，最大负荷利用小时数为4200小时，全部用电缆供电，每回负荷不等，但平均在4MW左右，送电距离为3-6KM，并以110KV电压供给附近的化肥厂和煤矿用电，其最大负荷为58MW,最小负荷为32MW，最大负荷利用小时数为4500小时，要求剩余功率全部送入220KV系统，负荷中Ⅰ类负荷比例为30%，Ⅱ类负荷为40%，Ⅲ类负荷为30%。

2）计划安装两台50MW的汽轮发电机组，型号为QFQ-50-2，功率因数为0.8，安装顺序为#1、#2机；安装一台100MW的起轮发电机组，型号为TQN-100-2，功率因数为0.85，安装顺序为#3机；厂用电率为6%，，机组年利用小时Tmax=5800。

二、对设计原始资料进行初步分析

（1）工程情况

由发电厂类型可知，该发电厂属于中小型发电厂，而且原料直接输往该凝汽式发电厂，属于地方性发电厂。

该发电机组机组年利用小时数大于5000h，其电气主接线应该以供电可靠为主，承担基荷。

（2）电力系统情况

由于该电厂为规划发电厂，因此在规划时，应该尽量考虑他的远景发展规划，设计主接线时，尽量保持其扩展性和灵活性。

本发电厂是三级电压，两级电压负荷，其10kV侧应该采取中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的小电流接地方式，而其110kV侧和220kV侧则应该采取中性点直接接地的大电流接地方式。

由资料分析得，该发电厂建立在负荷中心，电能大部分都用发电机电压直接输送至地方用户，将剩余电能升高电压送往电力系统，而且靠近纺织厂和化肥厂，提高了发电厂的热效率。

10kV容量约占本发电厂送出功率的1/4，为地方负荷。

而且电缆馈线恰与50MW发电机机端电压相符，因此采用直馈线为宜。

110kV容量也约占本发电厂送出功率的1/4，宜采用发电机—变压器单元接线，再经断路器接至高压母线。

220kV出线主要是接受本厂剩余负荷。

最大可能接受本厂送出的电力为200－24－32－200X6％＝132MW。

但峰值时，剩余负荷的接受将降为200—48—58—200X6%=82MW。

考虑到本发电厂为地方发电厂，因此应该首先保证区内供电稳定可靠，再对电网系统进行输送。

考虑到在该地区中负荷中Ⅰ、Ⅱ类负荷比例高达70%，因此发电厂应该在10kV，110kV负荷侧尽量保持其可靠性。

本发电厂在本地区电力系统的地位应该是属于主要承担地方用电，承担基荷的作用，在该地区电力系统中起到比较重要的作用。

（3）负荷情况

机械厂、钢厂、棉纺厂的电压等级为10kV，化肥厂和煤矿用电的电压等级为110kV。

负荷中Ⅰ类负荷比例为30%，Ⅱ类负荷为40%，Ⅲ类负荷为30%。

一二类负荷占比例比较高，因此应该从提高发电站的可靠性，减少负载停电的可能性和提高发电厂电气主接线稳定性和安全性，就能避免较大经济损失和人身伤亡。

3、主接线方案的拟定

3.1主接线形式的基本选择

由发电厂类型和该发电厂出线的电压等级分析得，应该优先考虑单母线接线形式，双母线接线形式和单元接线（发电机—变压器单元接线）的形式。

不采取一台半断路器接线的原因是：

该发电厂出线的电压等级较低，而且所用断路器、电流互感器等设备多，占地大，投资因此较大，对于该地区负荷电压等级和所需要的供电可靠性和灵活性而言，性价比很低。

不采用变压器一母线组接线的原因是：

该发电厂送电距离较短，发电厂装机容量较低，出线电压较低，因此不需要变压器—母线组接线来保证他的长距离输电可靠性和超高压可靠性。

不采用发电机—变压器—线路单元接线的原因是：

该发电厂送给负荷的送电距离仅为3-6km,比较靠近负荷中心，加上该接线出线不止面向单个负荷，仍然需要在发电厂中设置高压配电装置，并且该接线涉及电网系统的规划和布置、电厂布置和投资、电厂启动与备用电源如何抽取等问题，因此不考虑这个主接线方案。

不采用桥型接线的原因是：

桥型接线的缺点是可靠性和灵活性不够高，而且根据原始资料的送电距离来分析，不需要内桥接线的适合较长输电线路的特性，因此不考虑这个主接线方案。

不采用多角形接线的原因是：

多角形接线不便于扩展，而且进出线单一的3-5回的110kv级以上配电装置，不适用于这个发电厂接线的使用。

3.2主接线在各电压等级的具体选择

1.对于10kV电压供给本地区负荷，其中有机械厂、钢厂、棉纺厂等，出于对于钢厂要求供电的可靠性很高，机械厂和棉纺厂这类大型的机械工作的厂区要求的供电可靠性较高的考虑，为了减少母线故障的停电范围，不影响那么多厂区的负荷因供电不正常导致停产甚至是设备损坏，应该优先考虑电气主接线的可靠性。

拟定对于该发电厂2台50MW#1#2发电机组采用电气主接线为带旁路母线的双母线接线或者双母线三分段接线。

2.对于110kV电压供给附近的化肥厂和煤矿用电，出于首先对电气主接线的可靠性，同时在保证可靠性的前提下，尽最大可能减少断路器个数，保证电气主接线的经济性。

拟定对于该发电厂1台100MW#3发电机组采用电气主接线为单元接线，用双母线接线对其扩展，提高一定的可靠性。

3.对于剩余功率全部送入220KV系统，可以设置10-110-220kV三绕组变压器，采用电气主接线为发电厂—三绕组变压器单元接线，再用单母线接线或者双母线接线引出线进入该电力系统满足上述和本系统的要求。

3.3主接线方案的比较

由此，可以从上述拟定方案中得出该发电厂电气主接线方案如下：

由上述方案图看出，由于都是同样使用相同的变压器和发电机组，而方案一使用了17个断路器，方案二中使用了18个断路器，从经济性的角度考虑，两个方案所估算的价格都比较相近。

但为了检修时做到不停电，尽量不影响一次负荷较多的钢厂，机械厂等负荷的工作，故10kV侧采用带旁路母线的双母线接线，加之此发电厂定位为地方发电厂，首先应该满足当地负荷要求，其次在考虑剩余负荷以220kV供电至220kV系统，因此对发往电力系统的可靠性要求不高，所以对于此部分的主接线，可适当降低其可靠性，以保障发电厂建设的经济性，因此220kV侧拟定采用单母线接线方式。

因此，方案一合适此次200MW地区凝汽式火力发电厂电气部分的设计方案。

四、变压器的选择

①10kV电压母线接线的主变压器容量选择

当10kV母线的负荷最小时：

SN1=[2*50*（1-6%）/0.8-24/0.8]/2=43.75MW

当10kV母线的负荷最大，有且发电机#1或#2退出运行时：

SN1’={48/0.8-50*（1-6%）/0.8}=1.25MW

根据计算结果，查附表可得，应选用变压器型号为SFP7-50000/220双绕组变压器

②110kV单元接线的主变压器容量选择

主变压器容量应与发电机容量配套，并留10%的裕度选择

SN2=（1+10%）*100*（1-6%）/0.8=129.25MW

根据计算结果，查附表可得，应选用变压器型号为SFPSZ7-150000/220三绕组变压器

五、短路电流计算

5.1计算电路图和等值电路图

5.2短路电流计算的基本假设和计算原则

1.短路发生前，电力系统是对称的三相系统。

2.电力系统中所有发电机电动势的相位在短路过程中都同相，频率与正常运行时相同。

3.电力系统在短路过程中，各元件的磁路不饱和，也就是各元件的电抗值与所流过的电流的大小无关。

因此，在计算中可以应用叠加原理。

4.电力系统中各元件的电阻，在高压电路中都略去不计。

但是在计算短路电流非周期分量的衰减时间常数时应计入电阻的作用。

5.变压器的励磁电流略去不计，即相当于励磁回路开路，以简化变压器的等值电路。

6.输电线路的分布电容忽略不计。

由于三相短路时造成的危害最大，短路电流也最大，因此短路时导体和电器的功、热稳定及电器开断电流一般按三相短路验算。

假设该系统容量为无穷，整定出来的短路电流较大，易于选择电气设备。

5.3本发电厂短路电流计算的计算过程

取Sd=100MVA，U#1=U#2=U#3=10.5kV，Ud3=231kV，Ud5=115kV

而Id1=100/（√3*10.5）=5.50kA，

Id3=100/（√3*231）=0.25kA，

Id5=100/（√3*115）=0.50kA，

查发电机数据，得

QFQ—50—250MW，cos=0.8，Xd’=17.5%

TQN—100—2100MW，cos=0.85，Xd’=18.3%

50MW发电机的电抗标幺值

X1’=X2’=0.175*100/（50/0.8）=0.28Ω

又因为该发电机组型号相同，并且其运行方式为并列运行，因此可等效为

X’=0.28/2=0.14Ω

10kV负荷输电电缆的电抗标幺值（此处取电力电缆电抗率为Ω/km）

X3’=0.08*3*100/（10.5*10.5）=0.22Ω

双绕组变压器的电抗标幺值（此处选择变压器为上述的SFP7-50000/220，Xd’=12%）

X4’=12/100*100/50=0.24Ω

双绕组变压器的电抗标幺值（此处选择变压器为上述的SFPSZ7-50000/220，Xd1’=8.4%,Xd2’=22.4%,Xd3’=12.4%）

（低压侧）X5’=（8.4/100）*（100/150）=0.06Ω

（高压侧）X6’=（12.4/100）*（100/150）=0.08Ω

（中压侧）X7’=（22.8/100）*（100/150）=0.15Ω

D1点短路时，总阻抗标幺值：

X∑（D-1）=0.14Ω

三相短路电流周期分量有效值：

I（D-1）=5.50/0.14=39.26kA

其他三相短路电流：

I”=I∞=I（D-1）=39.26kA

ish=2.55I”=2.55*39.26=100.11kA

Ish=1.51I”=1.51*39.26=59.28kA

三相短路容量：

Sd1=100/0.14=714.29MWA

D2点短路时，总阻抗标幺值：

X∑（D-2）=0.14+0.22=0.36Ω

三相短路电流周期分量有效值：

I（D-2）=5.50/0.36=15.28kA

其他三相短路电流：

I”=I∞=I（D-2）=15.28kA

ish=2.55I”=2.55*39.26=38.96kA

Ish=1.51I”=1.51*39.26=23.07kA

三相短路容量：

Sd2=100/0.36=277.78MWA

D3点短路时，总阻抗标幺值：

X∑（D-3）=0.14+0.22+0.24=0.6Ω

三相短路电流周期分量有效值：

I（D-3）=0.25/0.6=0.42kA

其他三相短路电流：

I”=I∞=I（D-3）=0.42kA

ish=2.55I”=2.55*0.42=1.06kA

Ish=1.51I”=1.51*0.42=0.63kA

三相短路容量：

Sd3=100/0.6=166.67MWA

D4点短路时，总阻抗标幺值：

X∑（D-4）=0.06+0.28=0.34Ω

三相短路电流周期分量有效值：

I（D-4）=5.50/0.34=16.18kA

其他三相短路电流：

I”=I∞=I（D-4）=16.18kA

ish=2.55I”=2.55*16.18=51.26kA

Ish=1.51I”=1.51*16.18=24.43kA

三相短路容量：

Sd4=100/0.34=294.12MWA

D5点短路时，总阻抗标幺值：

X∑（D-5）=0.06+0.28+0.15=0.49Ω

三相短路电流周期分量有效值：

I（D-5）=0.5/0.49=1.02kA

其他三相短路电流：

I”=I∞=I（D-5）=1.02kA

ish=2.55I”=2.55*1.02=2.6kA

Ish=1.51I”=1.51*1.02=1.54kA

三相短路容量：

Sd5=100/0.49=204.08MWA

D6点短路时，总阻抗标幺值：

X∑（D-6）=0.06+0.28+0.08=0.42Ω

三相短路电流周期分量有效值：

I（D-6）=0.25/0.42=0.60kA

其他三相短路电流：

I”=I∞=I（D-6）=0.60kA

ish=2.55I”=2.55*0.6=1.53kA

Ish=1.51I”=1.51*0.6=0.91kA

三相短路容量：

Sd6=100/0.42=238.10MWA

短路电流计算结果，如下表所示（表一）

短路点

名称

基准电压（kV）

三相短路稳态电流（kA）

冲击电流

（kA）

冲击电流有效值（kA）

短路容量

（MWA）

D1

10.5

39.26

100.11

59.28

714.29

D2

10.5

15.28

38.96

23.07

277.78

D3

231

0.42

1.06

0.63

166.67

D4

231

16.18

51.26

24.43

294.12

D5

115

1.02

2.6

1.54

204.08

D6

115

0.6

1.53

0.91

238.10

6、主要电气设备选择

6.1断路器的整定原则

断路器的选择，除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑到要便于安装调试和运行维护，并经济技术方面都比较后才能确定。

根据目前我国断路器的生产情况，电压等级在10KV~220KV的电网一般选用少油断路器，而当少油断路器不能满足要求时，可以选用SF6断路器。

断路器选择的具体技术条件如下：

1）额定电压校验：

Ug（电网工作电压）≤Un。

2）Ig.max（最大持续工作电流）≤In。

3）开断电流（或开断容量）：

Idt≤Ibr。

其中：

Idt——断路器开断时间t秒时的断路电流周期分量

注：

断路器的实际开短时间t，为继电保护动作时间与断路器固有分闸时间之和。

4）动稳定：

ich≤Imax

其中，ich——三相短路电流冲击值.，Imax——断路器极限通过电流峰值

5）热稳定：

I∞*I∞*tdz≤It*It*t

其中：

I∞——稳态三项短路电流

tdz——短路电流发热等值时间

It——断路器t秒热稳定电流

同样，隔离开关的选择校验条件与断路器相同，并可以适当降低要求。

6.2断路器的选择

①10kV母线出线侧

流过断路器的最大工作电流：

Imax=1.05*48/（√3*10*0.8）=3.64kA

根据表一得，10kV出线侧D2点，

三相短路稳态电流为I∞=15.28kA

三相短路冲击电流为ish=38.96kA

查相关设备手册，选择SN4-10G/5000少油断路器（额定电流为5000A，额定短时耐受电流为105kA，额定峰值耐受电流为300kA）

满足额定电流校验：

Imax=3.64kA<=5kA

满足动稳定校验：

I∞=15.28kA<=105kA

满足热稳定校验：

ish=38.96kA<=300kA

②10kV发电机#1#2侧

流过断路器的最大工作电流：

Imax=1.05*50/（√3*10*0.8）=3.80kA

根据表一得，10kV出线侧D1点，

三相短路稳态电流为I∞=39.26kA

三相短路冲击电流为ish=100.11kA

查相关设备手册，选择SN4-10G/5000少油断路器（额定电流为5000A，额定短时耐受电流为105kA，额定峰值耐受电流为300kA）

满足额定电流校验：

Imax=3.80kA<=5kA

满足动稳定校验：

I∞=39.26kA<=105kA

满足热稳定校验：

ish=100.11kA<=300kA

10kV发电机#3侧

流过断路器的最大工作电流：

Imax=1.05*100/（√3*10*0.85）=7.13kA

根据表一得，10kV出线侧D4点，

三相短路稳态电流为I∞=16.18kA

三相短路冲击电流为ish=51.26kA

查相关设备手册，选择SN4-10G/11000少油断路器（额定电流为11000A，额定短时耐受电流为105kA，额定峰值耐受电流为300kA）

满足额定电流校验：

Imax=7.13kA<=11kA

满足动稳定校验：

I∞=16.18kA<=105kA

满足热稳定校验：

ish=51.26kA<=300kA

③220kV三绕组变压器出线侧

流过断路器的最大工作电流：

Imax=1.05*68/（√3*220*0.85）=0.22kA

根据表一得，10kV出线侧D6点，

三相短路稳态电流为I∞=0.6kA

三相短路冲击电流为ish=1.53kA

查相关设备手册，选择LW23-252/1250SF6断路器（额定电流为1250A，额定短时耐受电流为40kA，额定峰值耐受电流为50kA）

满足额定电流校验：

Imax=0.22kA<=1.25kA

满足动稳定校验：

I∞=0.6kA<=40kA

满足热稳定校验：

ish=1.53kA<=50kA

④110kV三绕组变压器出线侧

流过断路器的最大工作电流：

Imax=1.05*58/（√3*110*0.85）=0.38kA

根据表一得，10kV出线侧D5点，

三相短路稳态电流为I∞=1.02kA

三相短路冲击电流为ish=2.6kA

查相关设备手册，选择LW23-252/1250SF6断路器（额定电流为1250A，额定短时耐受电流为31.5kA，额定峰值耐受电流为40kA）

满足额定电流校验：

Imax=0.38kA<=1.25kA

满足动稳定校验：

I∞=1.02kA<=31.5kA

满足热稳定校验：

ish=2.6kA<=40kA

⑤220kV双绕组变压器出线侧

流过断路器的最大工作电流：

Imax=1.05*76/（√3*220*0.8）=0.26kA

根据表一得，10kV出线侧D3点，

三相短路稳态电流为I∞=0.42kA

三相短路冲击电流为ish=1.06kA

查相关设备手册，选择LW23-252/1250SF6断路器（额定电流