4X200MW火力发电厂电气部分设计.docx

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4X200MW火力发电厂电气部分设计

辽宁工业大学

发电厂电气部分课程设计（论文）

题目：

4X200MW火力发电厂电气部分设计

（1）

院（系）：

新能源学院

专业班级：

电气121班

学号：

xxxxxx

学生姓名：

xxxx

指导教师：

起止时间：

2013.12.30—2014.01.10

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

新能源学院教研室：

电气工程及其自动化

课程设计题目

4*200MW火力发电厂电气部分设计

课程设计（论文）任务

本设计是针对4*200MW火力发电厂进行电气部分设计，已知量为：

4台200MW发电机组，电压10kV出线10回；110kV出线5回；220kV出线3回（负荷功率及线路长度已知）。

厂用电率5%；发电机参数200MVA、10.5kV、cosφ=0.85、Xd=15.4%；根据火力发电厂原始资料及有关技术要求进行电气部分设计。

设计具体内容：

1）设计电气主接线方案；

2）完成主变压器容量计算、台数和型号的选择；

3）短路电流的计算；

4）完成电气设备的选择与校验；

进度计划

1、布置任务，查阅资料。

（1天）

2、系统总体方案设计。

（1天）

3、设计主接线。

（2天）

4、设计变压器。

（2天）

5、短路计算。

（2天）

7、电气设备选择校验

（1）

6、撰写、打印设计说明书（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。

它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。

电气主接线是发电厂、变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。

主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。

并且对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。

电能的使用已经渗透到社会、经济、生活的各个领域，而在我国电源结构中火电设备容量占总装机容量的75%。

本文是对配有4台200MW汽轮发电机的大型火电厂一次部分的初步设计，主要完成了电气主接线的设计。

包括电气主接线的形式的比较、选择；主变压器、启动/备用变压器和高压厂用变压器容量计算、台数和型号的选择；短路电流计算和高压电气设备的选择与校验;并作了变压器保护。

关键词：

发电厂；变压器；电力系统；继电保护；电气设备

第1章绪论

电力系统概述

电力系统的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。

由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。

因此电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。

据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。

电能是一种清洁的二次能源。

由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度,易于实现自动化。

因此，电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生活的各个方面。

电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅猛发展。

到2003年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第2位。

电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。

电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化。

本文主要内容

本设计是针对4*200MW火力发电厂进行电气部分设计，已知量为：

4台200MW发电机组，电压10kV出线10回；110kV出线5回；220kV出线3回（负荷功率及线路长度已知）。

厂用电率5%；发电机参数200MVA、10.5kV、cosφ=0.85、Xd=15.4%；根据火力发电厂原始资料及有关技术要求进行电气部分设计。

（1）确定主接线：

根据设计任务书，分析原始资料与数据，列出技术上可能实现的2—3个方案，经过技术经济比较，确定最优方案。

（2）选择主变压器：

选择变压器的容量、台数、型号等。

（3）短路电流计算：

根据电气设备选择和继电保护整定的需要，选择短路计算点，计算短路电流，并列表汇总。

（4）电气设备的选择：

选择并校验断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等。

第2章电气主接线设计

电气主接线设计的重要性

首先，电气主接线图示电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据，因此电气运行人员必须熟悉本厂电气主接线土，了解电路中各种电器设备的用途、性能及维护、检察项目和运行的步骤。

其次，电气主接线表明了发电机、变压器、断路器和线路等电气设备的数量、规格、连接方式及可能的运行方式。

电气主接线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。

是发电厂电气部分投资大小的决定性因素。

再次，由于电能生产的特点是：

发电、变电、书电荷用电视在同一时刻完成的，所以主接线的好坏，直接关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，也直接影响到工农业生产和人民生活。

所以电气主接线的拟定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，力争使其技术先进，经济合理，安全可靠。

电气主接线的设计依据

1、发电厂在电力系统中的地位和作用：

电力系统中的发电厂有大型主力电厂、中小型地区电厂及企业自备电厂三种类型。

大型主力或电厂靠近煤矿或沿海、沿江，并接入300-500KV超高压系统；地区电厂靠近城镇，一般接入110-220KV系统，也有接入330KV系统；企业自备电厂则以本企业供电供热为主，并与地区110-220KV系统相连。

中小型电厂常有发电机电压馈线向附近供电。

2、负荷大小和重要性：

（1）对于一级负荷必须有两个独立电源供电，切当任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。

（2）对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电。

（3）对于三级负荷一般只需一个电源供电。

电气主接线的主要要求

电气主接线的设计原则是：

根据发电厂在电力系统的地位和作用，首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求。

根据规划容量、本期建设规模、输送

电压等级、进出线回路数、供电负荷的重要性、保证供需平衡、电力系统线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规划与要求等条件确定。

应满足可靠性、灵活性和经济性的要求。

（1）可靠性：

衡量可靠的标准，一般是根据主接线型式机主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件发生的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种主接线型式中择优。

所谓“不允许”事故，是指发生故障后果非常严重的事故，如全部电源津县停运、朱变压器停运，全场停电事故等。

供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，主接线首先应满足这个要求。

（2）灵活性：

是指在调度时，可以灵活的投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以极特殊运行方式下的系统电镀要求；在检修时，可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，而不致影响电力网的运行和对用户的供电；在扩建时，可以容易的从初期接线扩建到最终接线，在不影响连接供电或停电时间最短的情况下，投入新机组、变压器或线路，并对一次和二次部分的改建工作量最少。

在操作时间便、安全、不易发生误操作的“方便性”。

（3）主接线应在满足供电可靠性、灵活性要求的前提下做到经济性。

即：

主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器等一次设备，要是控制、保护不过于复杂，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。

做到投资省。

合理的选择主变压器的种类（双绕组、三绕组或自耦变等）容量、台数，避免两次变压而增加电能的损失。

电器主接线选择时要为配电装置的布置创造条件，尽量使占地面积减少。

电气主接线的基本形式

1、单母线接线

只有一组母线的接线如图1.1所示是一个典型的单母线接线图。

这种接线的特点是电源和供电线路都联在同一母线上。

为了便于投入或切除任何一条进、出引线每条引线上都装有可以切除符合电流和故障电流的断路器。

单母线接线的主要优点是：

接线简单、清晰、采用设备少，投资省，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。

单母线接线一般只适用于一台发电机或一台变压器的以下三种情况：

（1）6～10KV配电装置的出线回数不超过5回；

（2）35～63KV配电装置的出线回数不超过3回；

（3）110～220KV配电装置的出线回数不超过3回。

单母线接线最严重的缺陷是母线停运（母线检修、故障，线路故障后线路保护或断路器拒运）将使全部支路停运，即停电范围为该母线段的100%，且停电时间很长，若为母线自身损坏须待母线修复之后方能恢复各支路运行。

图2.1单母线接线图2.2单母线分段接线

隔离开关作为操作电器，所以断路器和隔离开关在正常运行操作时，必须严格遵守操作顺序；隔离开关“先合后断”或在等电位状态下进行操作。

1、单母线分段接线

单母线接线的缺点可以通过将母线分段的办法来克服。

如图2.2所示。

当母线的中间装设一个断路器后，即把母线分为两段，这样对重要的用户可以由分别接于两段母线上的两条线路供电。

由于单母线分段接线既保留了单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，又在一定程度上克服了它的缺点，所以这种接线目前仍被广泛应用。

单母线分段接线适用范围：

（1）6～10KV配电装置的出线回数为6回及以上时；

（2）35～63KV配电装置的出线回数为4～8回时；

（3）110～220KV配电装置的出线回数为3～4回时。

单母线分段有其如下优点：

用断路器把母线分段后，对重要的用户可以从不同的段引出两条回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

但是单母线分段接线也有较显著的缺点，就是当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电；当出线为双回路时，需时架空线路出现交叉跨越；扩建时须向两个方向均衡扩建。

显然对于大容量发电厂来说，这都是不允许的。

因此，还要改进。

2、双母线接线

双母线接线是根据单母线接线的缺点提出来的，如图2.3所示。

双母线接线，其中一组为工作母线，以组为备用母线，并通过母联断路器并联运行，在进行道砟操作时应注意，隔离开关的操作原则是：

在等电位下操作或先通后断。

它可以有两种运行方式，一种是固定连接分段运行方式。

即一些电源与出线固定连接在一组母线上，母联断路器合上，相当于单母线分段运行。

另一种工作方式相当于单母线运行方式。

很显然双母线分段的可靠性高于前两种接线方式，只是母线保护较复杂。

然而它比单母线分段接线的投资更大。

图2.3双母线接线

如检修工作母线是其操作步骤是：

先合上母线断路器两侧的隔离开关，再合母线断路器，向备用线充电，这是两组母线等电位。

为保证不中断供电，应先接通备用母线上的隔离开关，再断开工作母线上的隔离开关。

完成母线转换后，在断开母联断路器及其两侧的隔离开关，即可对原工作母线进行检修。

双母线接线的适用范围：

（1）6～10KV配电装置，当短路电流较大，出线需要带电抗器时；

（2）35～63KV配电装置的出线回数超过8回火连接电源较多、负荷较大时；

（3）110～220KV配电装置的出线回数为5回以上时，或110～220KV配电装置，在系统中居重要地位，出线回数在4回以上时。

双母线接线的优点有：

a供电可靠。

通过两组母线隔离开关的倒闸操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断，一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路的母线隔离开关，只停该回路。

b调度灵活。

各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上能灵活的适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。

c扩建方便。

向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线单位电源和符合均匀分配，不会引起原有回路的停电。

当有双回架空线路时，可以顺序布置，以至界限不同的母线断路时不回如单母线分段那样导致出线交叉跨越。

d便于实验。

当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。

双母线接线也有其缺点：

a增加一组母线和使每回路就须加一组母线隔离开关。

b当母线故障或检修时隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。

为了避免隔离开关误操作，需要隔离开关和断路器之间装设连锁装置。

电气主接线的方案选择

（1）方案一

a.220KV电压等级的方案选择。

由于220KV电压等级的电压馈线数目是3回，所以220KV电压等级的接线形式可以选择单母线接线形式。

由于单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，采用设备少、投资省、操作方便、便于扩建和采用成套配电设备装置，所以220KV电压等级的接线形式选择为单母线接线。

b.110KV电压等级的方案选择。

由于110KV电压等级的电压馈线数目是5回，所以在本方案中的可选择的接线形式是单母线分段接线。

单母线的优点如下：

①母线经断路器分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；②一段母线故障（或检修）时，仅停故障（或检修）段工作，非故障段仍可继续工作。

c.10KV电压等级的方案选择。

由于10KV电压等级的电压馈线数目是10回，所以在本方案中的可选择的接线形式是单母线分段接线。

用断路器把母线分段后，对重要的用户可以从不同的段引出两条回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

所以可以将主接线形式表示如图2.4所示。

图2.4方案一接线图

（2）方案二

a.220KV电压等级的方案选择。

由于220KV电压等级的电压馈线数目是3回，所以220KV电压等级的接线形式可以选择单母线接线形式。

由于单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，采用设备少、投资省、操作方便、便于扩建和采用成套配电设备装置，所以220KV电压等级的接线形式选择为单母线接线。

b.110KV电压等级的方案选择。

由于110KV电压等级的电压馈线数目是10回，所以在本方案中的可选择的接线形式是双母线接线形式。

由于双母线接线的可靠性和灵活性高，它可以轮流检修母线，而不中断对用户的供电；当检修任意回路的母线隔离开关时，只需断开该回路；工作母线故障时，可将全部回路转移到备用母线上，从而使用户迅速恢复供电；可用母联断路器代替任意回路需要检修的断路器，在种情况下，只需短时停电；在个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分离出来，并单独接至备用母线上。

双母线接线形式正好克服了单母线分段接线形式的缺点，所以在大、中型发电厂中这种接线形式被广泛应用。

c.10KV电压等级的方案选择。

在方案二中的10KV电压等级的接线形式仍然选择单母线分段接线形式。

因为在进行主接线的设计中，必须时时刻刻考虑到可靠性、灵活性和经济行动要求。

图2.5方案二接线图

在上述两种方案中，他们在技术上都是有显著差异的，在不同的技术等级中，都有差异。

单母线分段在投资上是比双母线接线的投入要小的，而双母线接线的可靠性又比单母线分段接线的可靠性高。

根据设计任务书中的要求，在110KV电压等级上的出线上为二类负荷，对这类用户可以进行短暂的停电，并不会造成人身危险以及设备的破坏，也不会给国民经济带来巨大的损失或造成巨大的政治影响。

综合考虑，则选择单母线分段的接线形式。

在方案一和方案二的比较中，不同的地方是将方案二中的两台发电机直接接入220KV的系统中，原因有二，其一是当把斯泰发电机接入10KV母线上浪费，在10KV母线上有两台发电机已经足够；其二是220KV电压等级与无穷大系统连接，接受该发电厂的剩余功率。

所以考虑将剩余两台发电机通过发电机-变压器接线方式连接到220KV系统中。

由于发电机-变压器接线方式单元性强，可在机组单元控制室集中控制，不设网控室，使运行管理较灵活方便。

通过对两种方案的比较，并且连同电气主接线的设计原则即可靠性、经济性和灵活性的综合考虑，选择出的最优方案是方案一。

第3章主变压器的选择

主变压器中性的接地方式

电力网中性点接地方式，决定了主变压器中性点接地方式。

主变压器的110-500KV侧采用中性点直接接地方式

（1）凡是自耦变压器，其中性点需要直接接地或经小阻抗接地。

（2）凡中、低压有电源的升压站和降压变电所至少应有一台变压器直接接地。

（3）终端变电所的变压器中性点一般不接地。

（4）变压器中性点接地点的数量是电网所有短路点的综合零序电抗与综合正序电抗之比小于三，以使单相接地时健全相上工频过电压不超过阀型避雷器的灭弧电压。

（5）所有普通变压器的中性点都应经隔离开关接地，以便于运行调度灵活选择接地点。

当变压器中性点可能断开运行时，若该变压器中性点绝缘不是按线电压设计，应在中性点装设避雷器保护。

（6）选择接地时应保证任何故障形式都不应使电网节烈成为中性点不接地的系统。

双母线接线有两台以上主变压器时，可考虑两台主变压器中性点接地。

变压器的选型

电力变压器（文字符号为T或TM），根据国际电工委员会的界定，凡是三相变压器的额定容量在5KVA及以上，单相的在1KVA及以上的输变电用变压器，均成为电力变压器。

电力变压器是发电厂和变电所中重要的一次设备之一，随着电力系统电压等级的提高和规模的扩大，电压升压和降压的层次增多，系统中变压器的总容量已达发电机容量的7-10倍。

主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是大容量、高电压的配电装置的投资也很大。

因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。

例如，大型大电厂高、中压联络变压器台数不足（一台）或者容量不足将导致电站、电网的运行可靠性下降，来年络变压器经常过载或被迫限制两级电网的功率交换。

反之。

台数过多、容量过大将增加投资并使配电装置复杂化。

发电厂200MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变压器应满足DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》的规定：

“变压器容量可按发电机的最大连续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组的平均温度或冷却水温度不超过65摄氏度的条件进行选择”。

主变压器容量及确定

连接在发电机电压母线与系统间的主变压器容量，应按下列条件计算：

（1）当发电机电压母线上负荷最小时，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统，但不考虑稀有的最小负荷情况。

（2）当发电机电压母线上最大一台发电机组停用时，能由系统供给发电机电压的最大负荷。

在电厂分期建设过程中，在事故断开最大一台发电机组的情况下，通过变压器向系统取得电能时，可以考虑变压器的允许过负荷能力和限制非重要负荷。

（3）根据系统经济运行的要求，而限制本厂的输出功率时能供给发电机电压的最大负荷。

（4）按上述条件计算时，应考虑负荷曲线的变化和逐年负荷的发展。

特别注意发电厂初期运行时当发电机电压母线负荷不大时，能将发电机电压母线上的剩余容量送入系统。

（5）发电机电压母线与系统连接的变压器一般为两台。

对装设两台变压器的发电厂，当其中一台主变推出运行时，另一台变压器应承担70%的容量。

具体计算的过程如下：

a.10KV电压等级下的最大容量

S=（SG-SG×8%-Smin）×0.7/0.85

=（400-400×0.08-16）×0.7/0.85

=352×0.7/0.85

=289.88MVA

b.110KV电压等级下的最大容量

S=Smax/0.85=70/0.85=82.35MVA

c.220KV电压等级下的最大容量

S=（S10max+S110min）/0.85

=（70+20）/0.85

=105.88

根据上面的计算可知道低压侧的容量为最大，此基准可选择一个三绕组的变压器。

第4章短路电流的计算

短路的原因及后果

1、短路原因

造成短路的原因通常有以下几种：

（1）电气设备及载流导体因绝缘老化、或遭受机械损伤，或因雷击、过电压引起的绝缘损坏。

（2）架空线路因大风或导线覆冰引起的电杆倒塌等，或因鸟兽跨接裸露导体等都可能导致短路。

（3）电气设备因设计、安装、维护不良和运行不当或设备本身不合格引发的短路。

（4）运行人员违反安全操作规程而误操作，如运行人员带负荷拉隔离开关，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等都回造成短路。

根据国外资料显示，每个人都有违反规程操作的潜意识。

（5）其他原因。

如输电线断线、倒杆、碰线、或人为盗窃、破坏等原因都可能导致短路。

2、短路后果

短路故障发生后，由于网络总阻抗大为减小，将在系统中产生几倍甚至几十倍于正常工作电流的短路电流。

强大的短路电流将造成严重的后果，主要有以下几方面：

（1）强大的短路电流通过电气设备是发热急剧增加，断路持续时间较长时，足以使设备因过热而损坏甚至烧毁。

（2）巨大的短路电流将在电气设备的导体间产生很大的电动力，可能使导体变形、扭曲或损坏。

（3）短路将引起系统电压的突然大幅度下降，系统中主要负荷异步电动机将因转矩下降而减速或停转，造成产品报废甚至设备损坏。

（4）短路将引系统中功率分布的突然变化，可能导致并列运行的发电厂失去同步，破坏系统的稳定性，造成大面积停电。

这是短路所导致的最严重后果。

短路点的选择、短路电流以及冲击电流的计算

无限大容量电力系统是指容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供电系统发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压基本不变，可将该电力系统视为无限大容量电力系统。

但是，在实际电力系统中，他的容量和阻抗都有一定的数值，一次，当用户供电系统发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压相应的有所变动。

但一般的供电系统，由于它是在小容量线路上发生短路，电力系统母线电压基本不变，因此，电力系统可视为无限大容量电力系统。

由于无限大容量电力系统的三相短路电流是对称的，所以他的变化规律只需考虑一相的。

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，应在三条电压等级的母线上选择三个短路计算点d1、d2、d3。

由于10KV电压等级有15km电缆馈线10回，所以在10KV的出线上需加设电抗器。

当d4点短路时，因受电抗器的限制，流过出线上的断路器的电流较小，所以在工程计算中选取d4点为短路计算点，以便使出线断路器选择轻型的。

无线大功率系统的德主要特征是：

内阻抗X=0，端电压U=C，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。

短路电流的计算

1、220KV母线短路的计算：

图4.1图4.2

短路点短路电流的计算：

2、11