1200MW的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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1200MW的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
发电厂的设计需要考虑诸多复杂的条件因素，本设计是一种简单的整体设计，严格依照设计步骤，即对原始资料分析、主接线方案的拟定与选择、短路电流计算和主要电气选择、绘制电气主接线图、编制工程预算，其中工程预算在本设计中仅作估计处理，不作严格计算，而短路电流的计算是基于变压器，发电机的选择之上且影响到后面电气设备的选择，起着承前启后的作用。
设计工作是工程建设的关键环节，是工程建设的灵魂。
做好设计工作，对工程建设的工期、质量、投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作用。
它是一门涉及科学、技术、经济和方针政策等各方面的综合性的应用技术科学。
设计工作的基本任务是，在工程建设中贯彻国家的基本建设方针和技术经济政策，做出切合实际、安全适用、技术先进、综合经济效益好的设计，有效地为电力建设服务。
因此做好设计工作对工程的建设的工期、质量、投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作用。
本设计的目的是使树立工程观点，加强基本理论的理解和工程设计基本技能的训练，了解现代大型发电厂的电能生产过程及其特点，掌握发电厂电气主系统的设计方法，并在分析、计算和解决实际工程能力等方面得到训练，为今后从事电气设计、运行管理和科研工作，奠定必要的理论基础。
本设计是对4×300MW总装机容量为1200MW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，它主要包括了四大部分，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。
其中详细描述了主接线的选择、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，并对设计进行了理论分析。
1系统与负荷资料分析
1.1工程情况
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4台300MW机组，总容量占电力系统总装机容量的
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
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。
电厂建成后以6KV电压供给本厂负荷，厂用电为6%。
以220KV电压等级供给系统，架空线6回，属于I级负荷，最大输送710MW，
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430MW，
。
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。
1.2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，电力系统总装机容量为16000MW，短路容量为12000MVA。
该发电厂联入系统的电压等级为220KV。
1.3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6回，备用2回，即8回出线，负荷类型为一级负荷，最大输送710MW，最大负荷小时数为6000h/a，功率因数为0.85。
110KV电压等级：
有架空线8回，备用2回，即10回出线，负荷类型为一级负荷，最大输送430MW，最大负荷小时数为6000h/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6000h/a，故对主接线的可靠性要求很高。
1.4环境情况
由原始资料可知，当地海拔高600M，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-20度，最热月平均最高温度为32度，最热月平均最低温度为25度，气象条件无其他特殊要求。
1.5发电机的选择
汽轮发电机由汽轮机直接耦合传动。
励磁机是向汽轮发电机提供励磁的设备。
1.冷却方式
采用的冷却方式，定子绕组和转子有空冷、水内冷和氢内冷等。
在转子氢内冷系统中，又有轴向通风等多种方式，一般发电机容量在100MW以上的普遍采用定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷系统采用轴向通风。
2.励磁方式
发电机容量在100MW以上的普遍采用同轴交流励磁机经静止半导体整流励磁方式。
根据原始资料中给出了发电机的容量及一般的冷却方式、励磁方式，选择出发电机的型号，选择结果如表1.1
表1.1发电机型号及参数
型号
额定功率（MW）
额定电压（KV）
额定电流（KA）
功率因数（
）
同步电抗（Xd%）
瞬变电抗（X'd%）
超瞬变电抗（X"d%）
QFSN-300-2
300
18
11320
0.85
236.35
31.93
17.1
型号含义；2——2极
200/300——额定容量
N——氢内冷
F——发电机
Q——汽轮机
S——水内冷
2电气主接线设计
2.1主接线概述
电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，它反映各设备的作用、连接方式和回路的相互关系。
所以，它的设计直接关系到全厂电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护、自动装置和控制方式的确定，对电力系统的安全、经济运行起着决定的作用。
概括地说包括以下三个方面：
2.1.1可靠性
在研究主接线可靠性时应重视国内外长期运行的实践经验和其可靠性的定性分析；主接线的可靠性要包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中可靠性的综合，在很大程度上也取决于设备的可靠程度。
可靠性的具体要求在于断路器检修时，不宜影响对系统的供电；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，并要保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。
2.1.2灵活性
主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。
在调度时，应可以灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式的系统调度要求；在检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电；扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。
2.1.3经济性
要节省投资，主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备；要节省继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆；要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器；主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少；经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量、要避免因两次变压而增加电能损失。
2.2拟定可行的主接线方案
2.2.1110KV侧
出线为10回架空线路，I级负荷，最大输送430MW，为实现不停电检修出线断路器，可采用单母线分段或双母线接线形式。
由于四台发电机组单机容量均为300MW，而110KV侧的最大负荷为430MW，其全年平均负荷为
。
若接一台300MW机组，其容量接近于年平均负荷294.52MW，若当联络变压器出现故障时，会造成发电机大量积压容量，可能引起发电机出现甩负荷现象，并且在选择主变压器时有一定困难，所以在110KV侧不接发电机，而通过两台联络变压器从220KV侧引接来给110KV侧负荷供电。
而且，同型号的发电机一般接在同一电压等级，因此为使联络变容量竟可能小，对于110KV电压等级，拟采用不接发电机组的方式。
2.2.2220KV侧
出线为8回架空线路，I级负荷，为使其检修出线断路器时不停电，可采用双母线或双母分段接线形式，以保证供电的可靠性和灵活性。
四台发电机的出口电压均为20KV、单机容量均为300MW，其额定电流和短路电流都很大，发电机出口断路器制造困难，价格昂贵，并且300MW及以上机组对供电可靠性要求级高，拟采用分相封闭母线直接与主变压器连接，并构成单元接线接至220KV母线上，可减少出口断路器和隔离开关，大大限制短路电流，提高可靠性与经济性，也减少事故的发生。
综上所述，可拟定两种主接线方案：
图2.1凝汽式火电厂一次部分主接线方案一
图2.2凝汽式火电厂一次部分主接线方案二
2.2.3比较主接线方案
方案一110KV侧采用单母分段接线形式，220KV侧采用双母线接线形式；方案二110KV侧采用双母接线形式，220KV侧采用双母线接线形式，其对比如表2.2所示。
表2.2方案接线方式对比
电压等级
方案一
方案二
110KV
单母分段接线
双母线接线
220KV
双母线接线
双母线接线
两个方案发电机与变压器采用单元接线形式，没有发电机电压母线，所以不需要比较。
对于110KV电压等级接线形式，方案一采用的是单母线分段接线形式，方案二采用的是双母线接线形式。
从经济性方面看，两个方案中，方案二占地面积较大，但所用断路器数量和方案一一样，因此，在投资上，两个方案基本相当；从可靠性方面看，方案一可靠性相对较差；从灵活性方面看，方案一运行方式单一，灵活性最差。
因此，110KV侧应选用双母线接线形式，对于220KV电压等级接线形式，方案一和方案二接线形式一样，可靠性高。
因此，220KV侧选用双母线接线。
两种方案中方案二是最优方案，所以选择方案二作为该凝汽式火电厂的主接线方案。
2.3变压器容量、台数和型式的确定原则
（1）单元接线的主变压器容量的确定原则
单元接线时主变压器应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。
采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。
（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。
此外，为了布置和引线方便，通常只设一台，在中性点接地方式准许条件下，以选自耦变压器为宜。
其低压绕组兼作厂用备用电源或无功功率补偿装置。
（3）变压器台数的确定原则
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，可只装一台主变压器；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）主变压器型式的确定原则
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。
变压器三绕组的接线组别必须与系统电压相位一致，否则，不能并列运行。
电力系统采用的绕组连接方式只有星型“Y”和三角形“D”两种。
变压器三相绕组的连接方式应根据具体工程来确定。
我国规定，110KV及以上电压等级，变压器三绕组都采用“YN”连接；35KV采用“Y”连接，其中性点通过消弧线圈接地；35KV以下高压电压，变压器三绕组都采用“D”连接。
在发电厂和变电所中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制三次谐波对电源的影响因素，根据以上绕组连接方式的原则，主变压器接线组别一般选用YN，d11常规接线。
2.4变压器的选择与计算
按照变压器容量、台数和型式的确定原则，该发电厂主接线采用四台三相双绕组主变压器和两台联络变压器以及四台厂用变压器和两台厂备用变压器。
四台主变压器分别和四台发电机组组成单元接线，联络变压器选用三相三绕组降压自耦变压器。
2.4.1主变压器的选择
与300MW机组相连的主变压器容量和型式一样，其输送容量为
，300MW发电机的功率因素为0.85，所以这四台变压器的容量为
选择最接近标准容量为370MVA的变压器即容量为370MVA的三相双绕组升压变压器，其型号选择SFP9－370000/220。
表2.3所选主变压器的型号及参数
变
压
器
型号
额定电压（KV）
短路
阻抗
（%）
额定容量
（MVA）
联结组
高压
中/低压
主变
压器
SFP9－370000/300
242±2×2.5%
20
14.02
370
YN，d11
2.4.2联络变压器的选择
两台联络变压器的容量和型式一样，根据联络变压器容量的确定原则可知，两台联络变压器的总容量为
，所以每一台的容量为176.47MVA,选择最接近标准容量为180MVA的变压器即容量为180MVA的三相三绕组降压自耦变压器，其型号选择OSSPSZ7-180000/220。
当一台联络变压器故障或停运检修时，
即选择容量为180MVA的自耦降压变压器能够满足要求。
表2.4所选联络变压器的型号及参数
变
压
器
型号
额定电压（KV）
短路
阻抗
（%）
额定
容量
（MVA）
联
结
组
高压
中/
低压
联络
变压器
OSSPSZ7－180000/300
242
121±4×2.5%/15.75
高中9.3
高低55.4
中低45.5
180/180/60
YN,a0,
d11
3短路电流分析计算：
3.1短路电流计算目的及规则：
在发电厂电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。
其计算的目的的主要有以下几个方面：
1、电气主接线的比选。
2、选择导体和电器。
3、确定中性点接地方式。
4、计算软导线的短路摇摆。
5、确定分裂导线间隔棒的间距。
6、验算接地装置的接触电压和跨步电压。
7、选择继电保护装置和进行整定计算。
3.1.1短路电流计算条件：
正常工作时，三项系统对称运行。
（1）所有电流的电功势相位角相同。
（2）电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。
（3）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。
（4）不考虑短路点的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻略去不计。
（5）不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流。
（6）元件的技术参数均取额定值，不考虑参数的误差和调整范围。
输电线路的电容略去不计。
3.1.2短路计算的一般规定：
（1）验算导体的电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统远景的发展计划。
（2）选择导体和电器用的短路电流，在电器连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流影响。
（3）选择导体和电器时，对不带电抗回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大地点。
（4）导体和电器的动稳定、热稳定和以及电器的开断电流，一般按三相短路计算。
3.2短路等值电抗电路及其参数计算
由4×300MW火电厂电气主接线图和查的给出的相关参数，可画出系统的等值电抗图如图3.1所示。
选取基准容量为SB=100MVAVB=Vav
SB——基准容量；
Vav——所在线路的平均电压
以上均采用标幺值计算方法，省去“*”。
图3.1系统等值电抗图
1、对于QFSN-300-2型发电机的电抗
——变压器短路电压的百分数（%）；
SN——最大容量绕组的额定容量（MVA）。
3、对于SFP9－370000/300型两绕组变压器的电抗
4、对于OSSPSZ7－180000/300型三绕组变压器的电抗
联络变压器各绕组阻抗标幺值：
X联1=US1%×（SB/SN）=9.6%×100/180=0.053
X联2=US2%×（SB/SN）=-0.3%×100/180=-0.0017
X联=X1+X2=0.053-0.0017=0.0513
5、出线回路系统电抗
3.3各短路点短路电流计算：
短路点的选择应选择通过导体和电器的短路电流为最大的那些点作为短路计算点。
首先，应在两条电压等级的母线上选择两个短路计算点d1、d2。
无线大功率系统的德主要特征是：
内阻抗X=0，端电压
，它所提供的短路电流周期分量的幅值恒定且不随时间改变。
虽然非周期分量依指数率而衰减，但一般情况下只需计及他对冲击电流的影响。
因此，在电力系统短路电流计算中，其主要任务是计算短路电流的周期分量。
而在无限大功率系统的条件下，周期分量的计算就变得简单。
如取平均额定电压进行计算，则系统的短电压
，若选取
，则无限大功系统的短路电压的标幺值
无限大功率电源供给的短路电流周期分量的标幺值为
式中XFS——无限大系统功率系统对短路点的组合电抗的标幺值。
无限大功率电源提供的短路电流为
第i台等值发电机提供的短路电流
式中SNi——第i台等值发电机的额定容量，即由它所代表的那部分发电机的额定容量之和。
短路点周期电流的有名值为
则短路点冲击电流为
式中kim、kimLD——冲击系数，表示冲击电流对周期分量幅值的倍数。
在以下的计算中，取kim=1.85；kimLD=1。
主电路化简后的总等值电抗电路如图3.2所示
图3.2化简后的主电路短路的等值电抗电路
1、当220KV侧短路时，由于110KV母线无电源，不提供短路电流，又电路对称所以等值电抗电路可化简为图3.3所示，可算得各电源转移电抗，图3.3化简后的220KV侧的等值电抗电路图3.4。
图3.3220KV侧短路时等值电抗电路
图3.4等价电抗电路
各电源的转移电抗为：
无限大系统：
发电机G-1：
将发电机G-1、G-2、G-3、G-4合并，用一台等值机表示，其转移电抗为：
所以系统S的转移电抗为：
归算到短路短路点电压级的各电源的额定电流分别为
求发电机的计算电抗：
求系统的计算电抗为：
根据计算电抗查汽轮发电机计算曲线数字表，将结果记入表3.1。
并利用上述公式算的短路电流有名值填入表3.1。
表3.1220KV母线f1点短路时短路电流计算结果
0s
0.2s
4s
发电机
GT
标么值
0.338
0.327
0.338
有名值kA
1.198
1.159
1.198
系统S
标么值
0.898
0.833
0.961
有名值kA
31.824
29.521
34.057
总电流
有名值kA
33.022
30.68
35.255
所以冲击电流为
2、110KV母线上发生短路（f2）时的计算
电路对称所以等值电抗电路可化简为图3.5所示
图3.5化简后的220KV母线上短路的等值电抗电路
联络变压器电抗为
将发电机G-1、G-2、G-3、G-4合并，用一台等值机表示，其转移电抗为：
且系统S合并，其转移电抗为
求发电机的计算电抗：
求系统的计算电抗为：
归算到短路短路点电压级的各电源的额定电流分别为
根据图和以上数据求转移电抗：
归算到短路短路点电压级的各电源的额定电流分别为
因为计算曲线只做到
=0.35为止，当计算电抗大于这个数时，可以近似的认为短路周期期电流的幅值已不随时间而变，直接按下式计算，
所以短路电流的标幺值为：
短路电流的有名值为：
根据计算电抗查汽轮发电机计算曲线数字表，将结果记入表3.2。
并利用上述公式算的短路电流有名值填入表3.2。
表3.2110KV母线f2点短路时短路电流计算结果
0s
0.2s
4s
发电机
GT
标么值
0.622
0.586
0.642
有名值kA
48.55
45.74
50.12
系统S
标么值
0.201
0.201
0.201
有名值kA
15.69
15.69
15.69
总电流
有名值kA
64.24
61.43
65.81
所以冲击电流为：
3.4短路电流计算表
短路电流值
4s
1.198
34.057
35.255
50.12
15.69
65.81
2s
1.198
34.092
35.29
50.12
15.69
65.81
1s
1.198
33.030
34.228
50.12
15.69
65.81
0.2s
1.159
29.521
30.68
45.74
15.69
61.43
0s
1.198
31.824
33.022
48.55
15.69
64.24
短路电流标幺值
4s
0.338
0.961
0.642
0.201
2s
0.338
0.962
0.642
0.201
1s
0.338
0.932
0.642
0.201
0.2s
0.327
0.833
0.586
0.201
0s
0.338
0.898
0.622
0.201
分支额定电流I/kA
3.544
35.439
f1
78.057
39.028
f2
分支
电抗
Xjs
3.035
1.17
1.62
4.97
分支
线路
名称
1200MW
系统侧
1200MW
系统侧
机组侧
机组侧
基准
电流IB/kA
0.25
0.50
短路
点平
均电
压/kV
230
115
表3.3短路电流计算表
4厂用电的设计
4.1厂用电源选择
（1）厂用电供电电压等级是根据发电机的容量和额定电压、厂用电动机的额定电压及厂用网络的可靠、经济运行等诸方面因素，经技术、经济比较后确定。
因为发电机的额定容量为300MW，厂用电电压等级一般采用6KV的等级。
（2）厂用变采用不接地方式，高压和低压都为三角电压，当容量较小的电动机采用380V时，采用二次厂用变，将6kV变为380V，中性点直接接地；启备变采用中性点直接接地，高压侧为星型直接接地，低压侧为三角电压。
（3）因为发电机与主变压器采用单元接线，高压厂用工作电源由该单元主变压器低压侧引接。
（4）采用两台启备变，独立从220kV母线引至启备变，启备变采用低压侧双绕组分裂变压器。
4.2厂用变压器的选择
本次设计厂用电系统主接线采用双母线接线方式，厂用电分别从四台发电机的出口端引接，因此，需要四台厂用变压器。
由于四台发电机都属于大型机组，为限制短路电流，提高可靠性，四台变压器均采用低压分裂绕组变压器，两低压侧分别接到两段母线上，达到相互备用的效果。
单机容量在100MW—300MW的发电厂，厂用电通常
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