火力发电厂电气主接线设计.docx

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火力发电厂电气主接线设计

摘要

发电厂是电力系统的重要组成部分，也直接影响整个电力系统的安全与运行。

在发电厂中，一次接线和二次接线都是其电气部分的重要组成部分。

在本次设计中，主要针对了一次接线的设计。

从主接线方案的确定到厂用电的设计，从短路电流的计算到电气设备的选择以及配电装置的布置，都做了较为详尽的阐述。

二次接线则以发电机的继电保护的设计为专题，对继电保护的整定计算做了深入细致的介绍。

设计过程中，综合考虑了经济性、可靠性和可发展性等多方面因素，在确保可靠性的前提下，力争经济性。

设计说明书中所采用的术语、符号也都完全遵循了现行电力工业标准中所规定的术语和符号。

设计任务书

1设计题目

胜利火力发电厂电气部分设计

专题：

发电机继电保护设计

2设计要求及原始资料

1、凝气式发电机的规模

（1）装机容量装机5台容量3×25MW+2×50MW，UN=10.5KV

（2）机组年利用小时TMAX=6500h/a

（3）厂用电率按8%考虑

（4）气象条件发电厂所在地最高温度38℃，年平均温度25℃。

气象条件一般无特殊要求（台风、地震、海拔等）

2、电力负荷及电力系统连接情况

（1）10.5KV电压级电缆出线六回，输送距离最远8km，每回平均输送电量4.2MW，10KV最大负荷25MW，最小负荷16.8MW，COSφ=0.8，Tmax=5200h/a。

（2）35KV电压级架空线六回，输送距离最远20km,每回平均输送容量为5.6MW。

35KV电压级最大负荷33.6MW，最小负荷为22.4MW。

COSφ=0.8，Tmax=5200h/a。

（3）110KV电压级架空线4回与电力系统连接，接受该厂的剩余功率，电力系统容量为3500MW，当取基准容量为100MVA时，系统归算到110KV母线上的电抗X*S=0.083。

（4）发电机出口处主保护动作时间tpr1=0.1S，后备保护动作时间tpr2=4S。

3设计主要任务：

3、发电厂电气主接线设计

4、厂用电的设计

5、短路电流计算

6、导体、电缆、架空线的选择

7、高压电器设备8、的选择

9、电气设备10、的布置设计

11、发电厂的控制与信号设计

12、（专题）发电机的继电保护设计

第一章电厂电气主接线设计

1-1原始资料分析…………………………………7

1-2主接线方案的拟定…………………………………8

1-3主接线方案的评定…………………………………10

1-4发电机及变压器的选择……………………………11

第二章厂用电设计

2-1负荷的分类与统计…………………………………13

2-2厂用电接线的设计…………………………………16

2-3厂用变压器的选择…………………………………18

第三章短路电流计算

3-1概述……………………………………………19

3-2系统电气设备标幺电抗计算………………………20

3-3短路电流计算………………………………………23

第四章导体、电缆、架空导体的选择

4-1导体的选择……………………………………………

4-2电缆的选择

4-3架空导线的选择

第五章高压电器设备的选择

5-1断路器与电抗器的选择

5-2隔离开关的选择

5-3互感器的配置

第六章电气设备的布置设计

6-1概述

6-2屋内配电装置

6-3屋外配电装置

6-4发电机与配电装置的连接

第七章发电厂的控制与信号设计

7-1发电厂的控制方式

7-2断路器的控制与信号

7-3中央信号装置

7-4发电厂的弱电控制

第八章发电机的继电保护设计（专题）

8-1概述

8-2纵联差动保护

8-3横联差动保护

8-4低电压起动的过电流保护

8-5过负荷保护

8-6定子绕组单相接地保护

8-7发电机保护总接线图说明

结束语

参考文献

第一章发电厂电气主接线设计

第二章1-1原始资料分析

设计电厂总容量2×25+2×50=150MW，在200MW以下，单机容量在50MW以下，为小型凝汽式火电厂。

当本厂投产后，将占系统总容量为150/（3500+150）×100%=4.1%＜　　　　15%，未超过电力系统的检修备用容量和事故备用容量，说明该电厂在未来供电系统中的地位和作用不是很重要，但Tmax=6500h/a>5000h/a，又为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，从而该电厂主接线的设计务必着重考虑其可靠性。

从负荷特点及电压等级可知，它具有10.5KV，35KV，110KV三级电压负荷。

10.5KV容量不大，为地方负荷。

110KV与系统有4回馈线，呈强联系形式，并接受本厂剩余功率。

最大可能接受本厂送出电力为150-16.8-22.4-150×8%=98.8MW，最小可能接受本厂送出电力为150-25-33.6-150×8%=79.4MW，可见，该厂110KV接线对可靠性要求很高。

35KV架空线出线6回，为提高其供电的可靠性，采用单母线分段带旁路母线的接线形式。

10.5KV电压级共有6回电缆出线其电压恰与发电机端电压相符，采用直馈线为宜。

2-2主接线方案的拟订

在对原始资料分析的基础上，结合对电气接线的可靠性、灵活性及经济性等基本要求，综合考虑。

在满足技术，积极政策的前提下，力争使其技术先进，供电安全可靠、经济合理的主接线方案。

发电、供电可靠性是发电厂生产的首要问题，主接线的设计，首先应保证其满发，满供，不积压发电能力。

同时尽可能减少传输能量过程中的损失，以保证供电的连续性，因而根据对原始资料的分析，现将主接线方案拟订如下：

（1）10KV电压级鉴于出线回路多，且为直馈线，电压较低，宜采用屋内配电。

其负荷亦较小，因此采用单母线分段的接线形式。

两台25MW机组分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压35KV。

由于25MW机组均接于10KV母线上，可选择轻型设备，在分段处加装母线电抗器，各条电缆馈出线上装出线电抗器。

（2）35KV电压级出线6回，采用单母线分段带旁路接线形式。

进线从10KV侧送来剩余容量2×25-[（150×8%）+25]=13MW，不能满足35KV最大及最小负荷的要求。

为此以一台50MW机组按发电机一变压器单元接线形式接至35KV母线上，其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与110KV接线相连，相互交换功率。

（3）110KV电压级出线4回，为使出线断路器检修期间不停电，采用双母线带旁路母线接线，并装有专门的旁路断路器，其旁路母线只与各出线相连，以便不停电检修。

其进线一路通过联络变压器与35KV连接，另一路为一台50MW机组与变压器组成单元接线，直接接入110KV，将功率送往电力系统。

据以上分析，接线形式如下：

3主接线方案的评定

该电气主接线的设计始终遵循了可靠性、灵活性、经济性的要求。

在确保可靠性、灵活性的同时，兼顾了经济性。

在可靠性方面该主接线简单清晰，设备少，无论检修母线或设备故障检修，均不致造成全厂停电，每一种电压级中均有两台变压器联系，保证在变压器检修或故障时，不致使各级电压解列。

机组的配置也比较合理，使传递能量在变压器中损耗最小。

但是10KV及35KV母线检修将导致一半设备停运。

在灵活性方面，运行方式较简单，调度灵活性差，但各种电压级接线都便于扩建和发展。

在经济性方面，投资小，占地面积少，采用了单元接线及封闭母线，从而避免了选择大容量出口断路器，节省了投资，有很大的经济性。

通过以上分析，该主接线方案对所设计的这一小型火电厂而言，是比较合理的，可以采纳。

1-4发电机及变压器的选择

1、发电机的选择查《电力工程设计手册》（第三册），两台25MW发电机选用QF2-25-2型汽轮发电机，两台50MW的发电机选用QFS-50-2型汽轮发电机。

2、变压器的选择35KV电压母线所接的主变压器容量S=50/0.8=62.5MW，查《电力工程设计手册》（第三册），变压器选用SSPL—60000/35型，其短路电压百分数UK%=8.5；110KV电压母线所接的主变器容量S=50/0.8=62.5MW，查《电力工程设计手册》（第三册），变压器选用SFPL1—63000/110型，其短路电压百分数为UK%=10.5；用于联络三级电压的联络变压器，通过它向110KV传输的最大容量为50-22.4+[（25×2）-16.8-150×8%]=48.8MW，当35KV母线所连机组和10.5KV母线所连机组各有一台检修时，通过联络变压器的最大容量为14.2+12=26.2MW。

综合考虑，联络变压器应选48.8÷0.8=61MW，故选SFSL—60000/110型，其中UK（1-2）%=17.5，UK（2-3）%=6.5，UK（3-1）%=10

.5，。

现将发电机和变压器的选择结果列表如下，以供查询：

表1-1

发电机G1,G2

QF2-25-2

发电机G3,G4

QFS-50-2

变压器T1

SSPL—60000/35,UK%=8.5

变压器T2

SFPL1—63000/110,UK%=10.5

变压器T3

SFSL—60000/110，UK（1-2）%=17.5，UK（2-3）%=6.5，UK（3-1）%=10

第二章厂用电设计

1-1负荷的分类与统计

发电厂在电力生产过程中，有大量的电动机械，用以保证主要设备和辅助设备的正常运行。

这些电动机及全厂的运行操作、试验、修配、照明等用电设备的总耗电量，统称为厂用电或自用电。

厂用负荷，按其用电设备在生产中的作用和突然中断供电时造成危害程度可分为四类：

（1）Ⅰ类厂用负荷凡短时停电会造成设备损坏，危及人身安全，主机停运及大量影响出力的厂用负荷，都属于Ⅰ类负荷。

如火电厂的给水泵，凝结水泵，循环水泵，引风机，送风机，给粉机等以及水泵的调速器，压油泵，润滑油泵等。

通常他们都设有两套设备互为备用，分别接到两个独立电源的母线上。

（2）Ⅱ类厂用负荷允许短时停电，恢复供电后，不致造成生产紊乱的厂用负荷，均属于Ⅱ类负荷。

如火电厂的工业水泵，疏水泵，灰浆泵，输煤设备和化学水处理设备等，一般它们应由两段母线供电，并采用手动切换。

（3）Ⅲ类厂用负荷较长时间停电，不会影响生产，仅造成生产上的不方便者，都属于Ⅲ类厂用负荷。

如试验室，中央修配厂，油处理室等负荷，通常由一个电源供电。

（4）事故保安负荷指在停机过程中及停机后一段时间内仍应保证供电的负荷，否则将引起主要设备损坏，重要的自动控制装置失灵或推迟恢复供电，甚至可能危及人身安全的负荷称为事故保安负荷。

它分为直流保安负荷，如发电机组的直流润滑油泵等，其直流电源由蓄电池组供电；交流保安负荷，如盘车电动机，实时控制用的电子计算机等都属于交流保安负荷。

现将火电厂的主要负荷统计如下（见表2-1）

表2-1

分类

名称

负荷类别

运行方式

备注

锅炉

部分

引风机

鼓风机

磨粉机

给粉机

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ或Ⅱ

Ⅰ

经常，连续

无煤粉仓时为Ⅰ

汽机

部分

凝结水泵

循环水泵

给水泵

给水油泵

生水泵

工业水泵

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅱ

经常，连续

给水泵不带主油泵时

电气及

公用部分

充电机

变压器

变压器冷却风机

通讯电源

硅整流装置

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅰ

Ⅰ

不经常，断续

经常，短时

经常，连续

经常，连续

经常，连续

出灰

负荷

灰浆泵

碎渣机

电气除尘器

冲灰水泵

Ⅱ

经常，连续

辅助

车间

油处理设备

中央修理车间

起重机

电气实验室

Ⅲ

经常，连续

经常，连续

不经常，断续

不经常，断续

2-2厂用电接线的设计

厂用电接线的设计原则基本上与主接线的设计原则相同。

首先，应保证对厂用电负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运转；其次，接线应能灵活地适应正常，事故，检修等各种运行方式的要求；还应适当注意经济性和发展的可能性并积极慎重的采用新技术、新设备，使其具有可行性和先进性。

此外，在设计厂用电系统接线时还要对供电电压等级，厂用供电电源及其引接进行分析和论证。

火电厂的辅助机械多、容量大，供电网络复杂，其主要负荷分布在锅炉、气机、电气、输煤、出灰、化学水处理以及辅助车间和公用电气部分，因此，厂用电电压必须由10KV和0.4KV两级电压，以单母线分段接线形式合理地分配厂用各级负荷。

现将该火电厂的厂用电接线的系统图设计示于图2-1。

一、厂用供电电压等级的确定

发电厂厂用电系统电压等级是根据发电机额定电压，厂用电动机的电压和厂用电网络的可靠运行等诸方面因素，由上一节负荷分析可知，取两级厂用电压，高压级取6KV，由两组厂用主变压器从25MW机组的电压母线上取，低压级取380V，采用母线分段式。

1、6KV电压等级供电分析

对同样的厂用系统，6KV网络不仅节省有色金属及费用，且短路电流也较小，同时6KV电压等级电动机功率可制造得较大，满足大量负荷要求。

拟采用两段6KV的厂母线，另外再设置两段6KV备用母线，以提高供电可靠性。

2、380V电压级低压供电分析

380V厂用电一般采用动力和照明共用的三相四线制接地系统，在技术经济合理时，采用动力和照明分开供电及其引接。

二、厂用电工作电源及其引接

图2-1所设计电厂厂用电接线图，厂内装在二机三炉，发电机电压为10.5KV，6KV厂用高压母线分单母线，按锅炉台分为三段，通过T11、T12、T13厂用高压变压器分别接于主母线上两个分段上，380/220V低压厂用母线，由于机组容量不大，设启动电源和事故保安电源，低压厂用母线分为两段，备用电源采用明备用形式，即专设一台T10备用厂用高压变压器，平时断开，当任一段厂用工作母线的电源回路发生故障时QF3断开，QF1和QF2在备用电源自动投入装置作用下合闸。

于是，T10厂用高压变压器代替T11厂用高压变压器工作。

为了在主母线上发生故障时，仍有可靠的备用电源，运行中可将T10备用厂用高压变压器和主变压器T2都接到备用母线上，并将主母线第段的母联断路器QF4合上，使备用母线和工作母线均带电运行。

这样，当主母线发生事故时，QF4断开，T10变压器还可通过T2供电。

2-3厂用变压器的选择

厂用变压器容量选择的基本原则和应考虑的因素为：

（1）变压器原、副边电压必须与引接电源电压和厂用网络电压一致。

（2）变压器的容量必须满足厂用机械从电源获得足够的功率。

（3）厂用高压备用变压器或起动变压器应与最大一台高压厂用工作变压器容量相同；低压厂用设备用变压器的容量应与最大一台低压厂用工作变压器容量相同。

据此，厂用变压器T4，T5，T6，T7，选择如下：

S=（25×2+50×2）×8%/0.8×3=5000KVA，查设计手册，应选SJL1-6300/10型双绕组铝线电力变压器。

第三章短路电流计算

1-1概述

电力系统中，常见的短路故障有三相对称短路、两相短路和单相接地短路。

其中三相短路电流的计算是为了选择和校验QF、QS、母线等电气设备，两相短路电流用于整定继电保护装置。

短路发生后，短路电流的值是变化的，变化的情况决定于系统电源容量的大小、短路点离电源的远近以及系统内发电机是否带有电压自动调整装置等因素。

按短路电流的变化情况，通常把电力系统分为无限容量系统和有限容量系统。

无限容量系统短路电流的计算，采用短路回路总阻抗法计算；有限容量系统短路电流的计算采用运算曲线法，这中间要用到网络的等效变换。

本次设计中，短路电流的计算就涉及到这两个方面的内容。

3-2系统电气设备标幺电抗计算

一、系统设备电运算100MVA，基准电压Uj=Upj

1、发电机标2、幺电抗的计算

发电机G1：

X*G1＝Xd*N”＝0.125×＝0.4

发电机G2：

X*G2＝X*G1

发电机G3：

X*G3＝Xd*N”＝0.125×＝0.2

发电机G4：

X*G4＝X*G3＝0.2

3、变压器标4、幺电抗的计算

变压器T1：

X*T1＝×＝×＝0.142

变压器T2：

X*T2＝×＝×＝0.167

变压器T3：

UK1%＝×[UK（1-2）%＋UK（3-1）%＋UK（2-3）%]

＝×[17.5＋10.5＋6.5]

＝10.75

UK2%＝×[17.5－10.5＋6.5]

＝6.75

UK3%＝×[10.5＋6.5－17.5]

＝－0.25

X*T3.1＝×＝×＝0.215

X*T3.2＝×＝×＝0.135

X*T3.3＝×＝×＝-0.005

5、架空线、电缆标6、么值计算

35KV出线架空线：

XL*1＝X1×L×＝0.4×20×＝0.584

10.5KV出线架空线：

XL*2＝X1×L×＝0.06×8×＝0.435

7、电抗器的电抗标8、么值：

1、母线电抗器：

发电机G1（或G2）的额定电流ING＝＝1.72KA。

母线电抗器一般取发电机额定电流的5％～8％，电抗百分值取为8％～12％，照此标准选得电抗器为NKL-10-1000-8型，额定电流为IN＝1KA，额定电压UN＝10KV，电抗百分数XR%＝8，由此得电抗标么值为：

XR*j1＝××＝××＝0.419

2、线路电抗器：

线路电抗器的额定电流为300～600A，电抗百分值取3％～6％，照此标准选电抗器NKL-10-400-4型，额定电流IN＝0.4KA，UN＝10KV，电抗百分比数XR%＝4，由此得电抗标么值为：

XR*j2＝××＝××＝0.524

9、系统归算到110KV侧的电抗标10、么值：

X*S＝0.083

3－3短路电流计算

2用于校验设备的最大三相对称短路电流的计算。

㈠、10.5KV电压等级

⒈发电机出口处d1点发生短路（假定QS5闭合，QS6打开），其等值电路图如下：

2网络化简，求计算电抗

系统S对d1点的转移阻抗X18＝0.34，计算电抗为Xsjs＝0.34×＝14.88。

电源归并后，G3～G4对d1点的转移阻抗X17＝0.357，计算电抗为X3js＝0.357×＝0.45。

电源G2对d1点的转移阻抗X15＝0.819，计算电抗为X2js＝0.819×＝0.26。

电源G1对d1点的转移阻抗X11＝0.4，计算电抗为X1js＝0.4×＝0.13。

4查《供电技术》气轮机运算曲线数值表，求短路电流：

a．由于Xsjs＝14.88＞3，b．所以I*＝＝0.067。

c．G3～G4各时刻短路电流：

I0*＝2.302，I0.2*＝1.95，I2*＝1.963，I4*＝2.088，

d．G2各时刻短路电流：

I0*＝4.178，I0.2*＝3.106，I2*＝2.467，I4*＝2.404，

e．G1各时刻短路电流：

I0*＝8.963，I0.2*＝5.22，I2*＝2.795，I4*＝2.512，

⑶、各时刻短路电流的有名值：

I0＝0.067×＋2.302×＋4.178×＋8.963×＝16.18＋15.88＋7.21＋15.46＝54.73KA。

I0.2＝0.067×＋1.950×＋3.106×＋5.22×＝16.18＋13.46＋5.36＋9.0＝44KA。

I2＝0.067×＋1.963×＋2.467×＋2.795×＝16.18＋13.54＋4.26＋4.82＝38.8KA。

I4＝0.067×＋2.088×＋2.404×＋2.512×＝16.18＋14.41＋4.15＋4.33＝39.07KA。

⑷、校验QF1、QS1的短路电流为：

I0（QF1）＝I0－I0G1＝54.73－15.46＝39.27KA

I0.2（QF1）＝I0.2－I0.2G1＝44－9.0＝35KA

I2（QF1）＝I2－I2G1＝38.8－4.82＝33.98KA

I4（QF1）＝I4－I4G1＝39.07－4.33＝34.74KA

2、母线d2点发生三相短路故障

其等值电路图如下：

网络化简为：

可见，d2点的短路电流与d1点的短路电流完全相同，但是校验QF4，QS5，QS6的短路电流为：

I0（QF4）＝I0－I0G2－I0G1＝54.73－7.21－15.46＝32.06KA

I0.2（QF4）＝I0.2－I0.2G2－I0.2G1＝44－5.36－9.0＝35KA

I2（QF4）＝I2－I2G2－I2G1＝38.8－4.26－4.82＝29.72KA

I4（QF4）＝I4－I4G2－I4G1＝39.07－4.15－4.33＝30.59KA

3、母线电抗器d3点发生三相对称短路等值电路图如下：

2网络化简，求计算电抗

系统S对d3点的转移阻抗X20＝1.513，计算电抗为Xsjs＝1.513×＝66.19。

电源归并后，G1、G3、G4对d3点的转移阻抗X19＝0.841，计算电抗为X3js＝0.841×＝1.31。

电源G2对d3点的转移阻抗X11＝0.4，计算电抗为X2js＝0.4×＝0.13。

3、《供电技术》气轮机运算曲线数值表，求短路电流：

a、由于Xsjs＝66.19＞3，所以I*＝＝0.02。

b、电源G1、G3、G4各时刻短路电流：

I0*＝0.793，I0.2*＝0.74，I2*＝0.836，I4*＝0.836，

C、电源G2各时刻短路电流：

I0*＝8.963，I0.2*＝5.220，I2*＝2.795，I4*＝2.512，

⑶、各时刻短路电流的有名值：

I0＝0.02×＋0.793×＋8.963×＝4.83＋6.84＋15.46＝27.13KA。

I0.2＝4.83＋0.74×＋5.22×＝4.83＋6.38＋9.0＝20.21KA。

I2＝4.83＋0.836×＋2.795×＝4.83＋7.21＋4.82＝16.86KA。

I4＝4.83＋0.836×＋2.512×＝4.83＋7.21＋4.33＝16.37KA。

⑷、校验QF3、QS3、QS4及电抗器L1的短路电流为：

I0（QF3）＝I0－I0G2＝27.13－15.46＝11.67KA

I0.2（QF3）＝I0.2－I0.2G2＝20.21－9.0＝11.21KA

I2（QF3）＝I2－I2G2＝16.86－4.82＝12.04KA

I4（QF3）＝I4－I4G2＝16.37－4.33＝12.04KA

4、电缆出线处d4点发生三相对称短路等值电路图如下：

现将计算结果列于下表：

表3－1

I0（KA）

I0.2（KA）

I2（KA）

I4（KA）

短路点的电流

8.91

8.56

8.69

8.69

校验QF3、QS3、QS4及电抗器L1的短路电流

8.91

8.56

8.69

8.69

5、电缆末端d5点发生三相对称短路等值电路图如下：

现将计算结果列于下表：

表3－2

I0（KA）

I0.2（KA）

I2（KA）

I4（KA）

短路点的电流

5.31

5.19

5.32

5.32

校验电缆的短路电流

5.31

5.19

5.32

5.32

㈡、35KV电压级

1、发电机－变压器母线d6点发生三相短路等值电路图如下：

计算结果列于下表：

表3-3

I0（KA）

I0.2（KA）

I2（KA）

I4（KA）

短路点的电流

10.87

8.92

8.23

8.45

校验QF11、QS19、QS31、QF19、QS43、QS44的短路电流