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某火力发电厂电气部分设计

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

某火力发电厂电气部分设计

*******

学号：

************

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气05-1

指导教师：

李子剑讲师

某火力发电厂电气部分设计

摘要

火力发电在我国的起步较早，经过近几十年的迅速发展，各项措施已得到了不断的完善，但我们仍然还能够发现一些不足，如有关发电厂电气部分设计的一些不合理性、保护性措施的欠缺等。

这些都需要我们通过设计出更加合理的方案来解决这些问题。

本文将针对某火力发电厂的设计来对这些问题进行探讨，主要是对电气方面进行研究，期望提出更加合理的方案来完善现有设施。

首先将会对火力发电的有关内容做一阐述，并对火力发电的现状做一描述；随后对火力发电厂的电气主接线设计和防雷保护的原理部分进行介绍，最后将给出该火力发电厂的主接线的设计和防雷保护的具体实现。

关键词：

火力发电；电气主接线；防雷保护

ElectricalDesignofaThermalPowerPlant

Abstract

ThermalpowerplantinChinastartedearly,aftertherapiddevelopmentinrecentdecades,variousmeasureshavebeencontinuouslyimproving,butwecanstillfindanumberofshortcomings,suchasthedesignofsomeunreasonableintheelectricpowerplants,thelackoftheprotectionmeasuresinsomeplaces.Thisrequiresustodesignamorereasonableoptiontosolvetheseproblems.

Inthispaper,thedesignofacoal-firedpowerplantwillbeputtoexploretheseproblems,mainlyforstudyingtheaspectoftheelectrical,putforwardamorereasonableplantoimprovetheexistingfacilities.Firstofall,thepaperwillmakeacontentofthepowerplant;secondly,thepaperwillintroducetheownersofcoal-firedpowerplantsforelectricalwiringdesignandlightningprotectionoftheprincipleparts.Finallythepaperwillgivethepowerofthemainwiringplantdesignandthepracticeofthelightningprotection.

Keywords:

Thermalpower;electricalmainwire;lightningprotection

第一章绪论

1.1课题提出的背景

能源是我国国民经济的基础。

煤、石油、天然气、核能均可作为发电燃料，其中应用最广泛的是煤。

我国发电以燃煤为基础，以火电为主的基本格局，在短期内不会改变。

我国煤炭资源丰富，而石油资源相对短缺，目前的一些燃油电厂已有不少改为燃煤，因此现在火力发电燃料主要是指煤。

电力燃料质量，直接关系到火力发电厂的成本及锅炉机组的安全经济运行。

目前燃料费用约占电厂发电成本的70%左右，这就要求我们必须重视并切实加强燃料试验工作，并还要对火力发电厂的电气部分进行改进，使之能够更好地为发电厂的各项工作服务，达到经济、科学、稳定和安全的相统一。

电力工业在国民经济起着重要的作用，是关系着国计民生的基础产业，同时也是世界各国经济发展战略中的优先发展重点，因此对发电厂电气部分的研究和设计也显得尤为重要。

1.2课题研究的目的和意义

火力发电由于起步较早，到目前为止各项措施已取得了不断的完善和发展，其电气部分也得到很大的进展，但仍然存在一些不足期待改进。

这就要求我们改善这些不良方面，最大限度的发挥经济效益，并减少事故的发生。

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。

按其功用可分为两类，即凝汽式电厂和热电厂。

前者仅向用户供应电能，而热电厂除供给用户电能外，还向热用户供应蒸汽和热水，即所谓的“热电联合生产”。

目前采用最广泛的发电形式是利用煤的燃烧来获得电能，而我国煤的储量也是相当

丰富的，因此本课题的提出具有很大的现实意义，如何设计好火电厂的电气主接线及各项保护性措施，就显得尤为重要。

1.3课题研究的主要内容

1.火力发电厂的发电原理和电气方面的研究

通过对火力发电有关文献的参考，明白我国火力发电的现状及未来的发展趋势。

研究火力发电的工作过程，了解火力发电系统的组成、工作过程及工作原理。

通过阅读有关火力发电厂的主接线图及相关介绍，明确主接线的设计规则和防雷保护的具体实现。

2.某火力发电厂电气主接线的设计

通过分析某地区火力发电厂的相关资料，设计出一种实用性、经济性和可靠性相结合的电气主接线；在此基础上，正确地选择所用的电气设备，并对主接线的基本构造及特点做一介绍。

3.某火力发电厂防雷保护的设计

按照已经设计出的电气主接线图，研究该系统防雷保护的具体实现方法和工作原理。

1.4本章小结

本章概要介绍了课题研究的背景和设计的思路，还介绍了课题研究的目的和意义，提出课题研究的必要性，最后介绍了本课题研究的主要内容。

第二章火力发电厂的发电原理

2.1火力发电厂的生产过程

2.1.1火力发电厂的概述

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。

按其功用可分为两类，即凝汽式电厂和热电厂。

前者仅向用户供应电能，而热电厂除供给用户电能外，还向热用户供应蒸汽和热水，即所谓的“热电联合生产”。

火力发电厂由三大主要设备—锅炉、汽轮机、发电机及相应的辅助设备组成，它们通过管道或线路相连构成生产主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。

2.1.2火力发电厂的生产过程

火力发电厂虽然容量大小和具体形式各异，但是从生产过程来说都是大体相同的。

具体生产过程如下：

燃煤被输煤皮带从煤场运至煤斗中。

为提高燃煤效率，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉。

磨碎的煤粉由热空气携带送入锅炉炉膛内燃烧。

燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。

煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，然后进入除尘器，将烟气中的煤灰分离出来。

洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。

 助燃用的空气由送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟气加热空气。

这样一方面使进入锅炉的空气温度提高，易于煤粉着火和燃烧，另一方面也可以降低排烟温度，提高热能的利用率。

从空气预热器排出的热空气分为两股：

一股去磨煤机干燥和输送煤粉，另一股直接送入炉膛助燃。

在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。

在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。

在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。

水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收着煤燃烧过程中放出的热量。

部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。

饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。

过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。

具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。

高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。

汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器联在一起。

当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。

在发电机转子的另一端带着一小直流发电机，叫励磁机。

励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。

当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。

这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。

电能经变压器将电压升压后，由输电线路送至用户。

释放出热势能的蒸汽从汽轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。

乏汽在凝汽器内被循环水泵送入凝汽器的冷却水冷却，凝结成水，此水成为凝结水。

凝结水由凝结水泵送入低压加热器并最终回到除氧器内，完成一个循环。

在循环过程中难免有汽水的泄露，即汽水损失，因此要适量地向循环系统内补给一些水，以保证循环的正常进行。

高、低压加热器是为提高循环的热效率所采用的装置，除氧器是为了除去水含的氧气以减少对设备及管道的腐蚀。

如果从能量转换的角度来看火电厂的生产过程即：

燃料的化学能→蒸汽的热势能→机械能→电能。

在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的热能转变为转子旋转的机械能；在发电机中机械能转变为电能。

炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。

与三大主机相辅工作的设备成为辅助设备或称辅机。

主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统。

火电厂的主要系统就有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。

除了上述的主要系统外，火力发电厂还有其它一些辅助的生产系统，如燃煤的输送系统、水的化学处理系统、灰浆的排放系统等。

这些系统与主系统协调工作，它们之间相互配合共同完成电能的生产任务。

大型火电厂为保证这些设备的正常运转，装有大量的仪表，用来监视这些设备的运行状况，同时还设置有自动控制装置，以便及时地对主辅设备进行调节。

现代化的火电厂，已采用了先进的计算机分散控制系统。

这些控制系统可以对整个生产过程进行控制和自动调节，根据不同情况协调各设备的工作状况，使整个电厂的自动化水平达到了新的高度。

自动控制装置及系统已成为火电厂中不可缺少的部分。

下图为火力发电厂的生产过程：

图1—1火力发电厂的生产过程

简单的来描述其生产过程就是：

运入发电厂储煤场的煤，经过碎煤设备破碎后，由皮带运输机送入锅炉房内的原煤仓。

煤从原煤仓落入给煤机，在其中研制成煤粉，同时送入热空气来干燥和输送煤粉。

磨制好的煤粉，经粗粉分离器除去部分不合格的煤粉后进入旋风分离器，在其中空气和煤粉得以分离，分离出来的细粉进入煤粉仓。

煤粉由给煤机送入输粉管，而旋风分离器中的空气则由排粉机抽出。

煤粉和空气在输粉管内混合后，由喷燃器喷入炉膛内进行燃烧。

由送风机送来的空气，在进入炉膛之前，先在空气预热器中接受排烟预热，以减少排烟热损失，并提高空气温度，改善燃烧过程。

炉膛内的燃烧产物——高温烟气，在引风机的拔风作用下，沿着锅炉本体倒U形烟道依次流过炉膛、过热器、省煤器和空气预热器，将热量逐步传递给水、蒸汽和空气。

降温后的烟气流入除尘器进行净化，净化除尘后的烟气则被引风机抽出，排入大气，将燃料的化学能转换为热能。

锅炉产生的新蒸汽进入汽轮机后逐级进行膨胀，蒸汽部分热能就转变为汽流动能；高速汽流施加作用力于汽轮机的叶片上，推动了叶轮连同整个转子旋转，汽流的动能于是被转换成汽轮机轴上的机械能。

汽轮机带动发电机，利用切割磁力线感应原理，将原动机的机械能变为电能输出。

2.2火力发电厂的发电原理

通过以上有关火力发电厂生产过程的描述我们可以看出：

由于蒸汽推动汽轮机转子转动，形成了机械能，而汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器连在一起；当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。

在发电机转子的另一端带着一直流发电机，叫励磁机。

励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。

当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。

这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。

由于上文在介绍火力发电的生产过程时对电能的产生进行了详细的描述，故不再重复介绍其发电原理。

2.3本章小结

本章介绍了火力发电厂的具体生产过程，并对其发电过程做了概要的描述，从大体上把握了有关火力发电的知识，了解了火力发电厂的基本构造，从而为以后有关电气方面的设计做了准备。

第三章火力发电厂的电气主接线及防雷保护

3.1电气主接线的概述

电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中，为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。

电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离开关、线路等。

它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。

一般在研究主接线方案和运行方式时，为了清晰和方便，通常将三相电路图描绘成单线图。

在绘制主接线全图时，将互感器、避雷器、电容器、中性点设备以及载波通信用的通道加工元件（也称高频阻波器）等也表示出来。

对一个电厂而言，电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等，从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，经综合比较后确定。

它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。

电气主接线又称电气一次接线图。

电气主接线的设计应满足以下几点要求：

1）运行的可靠性：

主接线系统应保证对用户供电的可靠性，特别是保证对重要负荷的供电。

2）运行的灵活性：

主接线系统应能灵活地适应各种工作情况，特别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时，能够通过倒换开关的运行方式，做到调度灵活，不中断向用户的供电。

在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。

3）主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下，做到经济合理，尽量减少占地面积，节省投资。

简要的描述电气主接线的设计原则如下：

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。

大型主力火电厂靠近煤矿或沿海、沿江，并接入330～500kV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系统的；企业自备电厂则以对本企业供电供热为主，并与地区110～220kV系统相连。

发电厂的机组容量应根据电力系统规划容量、负荷增长速度和电网结构等因素进行选择，最大机组的容量以占系统总容量的8～10%为宜。

一个厂房内的机组，其台数以不超过6台、容量等级以不超过两种为宜。

电气主接线的设计是一个综合性问题，应该结合电力系统和发电厂或变电所的具体情况，全面分析有关因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理地选择主接线方案，具体要求如下：

1）以设计任务书为依据；

2）以国家经济建设的方针、政策、技术规范和标准为准则；

3）合理地确定发电机的运行方式。

3.2电气主接线的基本形式

电气主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种连接方式。

概括的讲可分为两大类：

有汇流母线的接线形式和无汇流母线的接线形式。

变电所电气主接线的基本环节是电源（变压器）、母线和出线（馈线）。

各个变电所的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输的功率也不一样。

在进出线数较多时（一般超过4回），为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。

但有母线后，配电装置占地面积较大，使用断路器等设备增多。

无汇流母线的接线使用开关电器较少，占地面积小，但只适于进出线回路少，不再扩建和发展的变电所。

有汇流母线的接线形式主要有：

单母线接线和双母线接线。

3.2.1有汇流母线的主接线

一、单母线接线

（一）、不分段的单母线接线

单母线接线的特点是整个配电装置只有一组母线，每个电源线和引出线都经过开关电器接到同一组母线上。

供电电源是变压器或高压进线回路，母线即可以保证电源并列工作，又能使任一条出线路都可以从电源1或2获得电能。

每条回路中都装有断路器和隔离开关，靠近母线侧的隔离开关称作母线隔离开关，靠近线路侧的称为线路隔离开关（在实际变电所中，通常把靠近电源侧的隔离开关称为甲刀闸，把靠近负荷侧的隔离开关称为乙刀闸。

断路器具有开合电路的专用灭弧装置，可以开断或闭合负荷电流和开断短路电流，用来作为接通或切断电路的控制电器。

隔离开关没有灭弧装置，其开合电流能力极低，只能用作设备停运后退出工作时断开电路，保证与带电部分隔离，起着隔离电压的作用。

同一回路中在断路器可能出现电源的一侧或两侧均应配置隔离开关，以便检修断路器时隔离电源。

同一回路中串接的隔离开关和断路器，在运行操作时，必须严格遵守下列操作顺序：

如对馈线WL2送电时，须先合上隔离开关QS21和QS22，再投入断路器QF2；如欲停止对其供电，须先断开QF2，然后再断开QS21和QS22。

为了防止误操作，除严格按照操作规程实行操作票制度外，还应在隔离开关和相应的断路器之间，加装电磁闭锁、机械闭锁。

接地开关（又称接地刀闸）QE是在检修电路和设备时合上，取代安全接地线的作用。

当电压在110kV及以上时，断路器两侧的隔离开关和线路隔离开关的线路侧均应配置接地开关。

对35kV及以上的母线，在每段母线上亦应设置1~2组接地开关或接地器，以保证电器和母线检修时的安全。

图3—1不分段的单母线接线

1．不分段的单母线接线的优缺点

优点：

接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。

缺点：

灵活性和可靠性差，当母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开它所连接的电源；与之相连的所有电力装置在整个检修期间均需停止工作。

此外，在出线断路器检修期间，必须停止该回路的工作。

2．不分段的单母线接线的适用范围:

一般适用于一台主变压器的以下三种情况：

（1）6~10kV配电装置，出线回路数不超过5回。

（2）35~63kV配电装置，出线回路数不超过3回。

（3）110~220kV配电装置，出线回路数不超过2回。

（二）、分段的单母线接线

为了克服一般单母线接线存在的缺点，提高它的供电可靠性和灵活性，把单母线分成几段，在每段母线之间装设一个分段断路器和两个隔离开关。

每段母线上均接有电源和出线回路，便成为单母线分段接线。

图3—2分段的单母线接线

1.运行方式：

1）母线并联运行：

QF闭合运行

正常运行时：

相当于不分段的单母线接线。

若电源1停止供电，则电源2通过QFd闭合向Ⅰ段母线供电，不影响对负荷的供电，可靠性高。

若Ⅰ段母线故障时，继电保护装置使QFd自动跳开，Ⅰ段母线被切除；Ⅱ段母线继续供电。

2）母线分裂运行：

QF断开运行

正常运行时，相当于两个不分段的单母线接线。

若电源1停止供电，Ⅰ段母线失压时，可由自动重合闸装置自动合上QFd，Ⅰ段母线恢复供电。

若Ⅰ段母线故障时，不影响Ⅱ段，Ⅱ段母线继续供电。

2．分段的单母线接线的优缺点

优点：

1）用断路器把母线分段后，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）当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

缺点：

1）当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。

2）分段的单母线接线增加了分段设备的投资和占地面积。

3）扩建时需向两个方向均衡扩建。

3．分段的单母线接线的适用范围：

1）6~10kV配电装置，出线回路数为6回及以上时；发电机电压配电装置，每段母线上的发电机容量为12MW及以下时；

2）35~63kV配电装置，出线回路数为4~8回时；

3）110~220kV配电装置出线回路数为3~4回时。

（三）、单母线带旁路母线接线

1、有专用旁路断路器的单母线带旁路母线接线

接线形式如图3-3，在这种接线形式下，旁路母线WBa是通过旁路断路器QFa与主母线WB相连，通过旁路隔离开关QSa与每一出线相连。

图3—3有专用旁路断路器的单母线带旁路母线接线

正常运行时：

旁路断路器QFa和旁路隔离开关QSa均在断开位置，旁路母线WBa不带电。

但QFa两侧的隔离开关处于合闸位置。

当检修出线断路器1QF时：

QSa按等电位原则→先并后切

1）合旁路断路器QFa向旁路母线WBa充电，检查旁路母线WBa是否完好，使WBa带电。

2）再合该回路旁路隔离开关1QSa，实现旁路与正常工作回路并联运行。

3）再断开该回路出线断路器1QF。

4）最后分别断开1QF两侧隔离开关1QSL和1QSB。

使1QF退出运行，即可对1QF进行检修。

此时，线路1仍然保持供电。

主母线WB→旁路断路器QFa→旁路母线WBa→旁路隔离开关1QSa→对线路1供电。

特点：

同一电压等级，各回路经过断路器、隔离开关接至公共母线。

把每一回线与旁路母线相连。

优点：

每一进出线回路的断路器检修，这一回路可不停电。

缺点：

设备多，操作复杂。

适用范围：

35kV及以上有重要联络线路或较多重要用户时采用，回路多采用专用旁母，否则采用简易接线。

2、单母线分段带旁路母线接线

接线形式如下图（图3-4）

图3—4单母线分段带旁路母线接线

单母线分段的目的：

减少母线故障的停电范围。

旁路母线的作用：

使任意一台出线QF故障或检修时，该回路不停电。

单母线接线的适用范围：

6～10kv出线较多而且对重要负荷供电的装置；

35kv及以上有重要联络线路或较多重要用户。

3、分段断路器兼做旁路断路器的接线

有了旁路母线，检修与它相连的任意回路的断路器时，该回路便可以不停电，从而提高了供电的可靠性。

它广泛地用于出线数较多的110kV及以上的高压配电装置中。

而35kV及以下的配电装置一般不设旁路母线，因为负荷小，供电距离短，容易取得备用电源，有可能停电检修断路器，并且断路器的检修、安装或更换均较方便。

一般35kV以下配电装置多为屋内型，为节省建筑面积，降低造价都不设旁路母线。

只有在向特殊重要的Ⅰ、Ⅱ类用户负荷供电，不允许停电检修断路器时，才设置旁路母线。

带有专用旁路断路器的接线，加装了价高的断路器和隔离开关，增加了投资。

供电可靠性有特殊需要或接入旁路母线的线路过多、难于操作时采用。

为节约建设投资，可以不采用专用旁路断路器。

对于单母线分段接线，常采用以分段断路器兼作旁路断路器的接线。

两段母线均可带旁路母线，正常时旁路母线不带电。

分段断路器兼做旁路断路器的接线如图3-5所示。

它是在分段单母线的基础上，增设旁路母线、隔离开关及各出线的旁路隔离开关构成。

图3—5单母线分段断路器兼做旁路断路器接线

以此图为例，说明不停电检修任一出线路断路器的倒闸操作步骤。

例如检修QF1，第一步检查旁母有无故障，此时分段断路器QFf及隔离开关QS2、QS3在闭合状态，QS1、QS4、QS5均断开，以单母线分段方式运行。

当QFf作为旁路断路器运行时，闭合隔离开关QS1，后断开QFf和QS3，,再合上QS4，最后合QFf。

如果旁母无故障，QFf不跳闸。

第二步合上QSp，断开QF1及两侧的隔离开关。

这时，该出线路L1经QSp、旁母、QS4、QFf和QS2仍然联在第一段母线上。

该出线路这种接线方式，对于进出线不多，电压为35~110kV的变电所较为适用，具有足够的可靠性和灵活性。

二、双母线接线

1、一般的双母线接线

双母线接线就是将工作线、电源线和出线通过一台断路器和两组隔离开关连接到两组（一次/二次）母线上，且两组母线都是工作线，而每一回路都可通过母线联络断路器并列运行。

与单母线相比，它的优点是供电可靠性大，可以轮流检修母线而不使供电中断，当一组母线故障时，只要将故障母线上的回路倒换到另一组母