2300MW发电厂电气的一次设计.docx

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2300MW发电厂电气的一次设计

2×300MW发电厂电气的一次设计

摘要；本次设计为2×300MW发电厂电气的一次设计，内容包括：

电气主接线方案的拟定、比较和选择；三相短路电流的计算；主要电气设备和导体的选择；设备汇总和绘制主接线图。

根据对发电厂的装机容量，进、出线数目等进行分析，主接线采用双母线接线型式，这样充分保证在任一母线故障和检修时不影响电厂的运行；厂用电接线方面，采用高压6kV，低压380/220V的单母线分段接线型式，备用电源取自系统，以保证一类、二类负荷的不间断供电。

短路电流计算按最严重的三相短路考虑，采用运算曲线法只对220kV母线上三相短路的情况进行了计算，根据已知参数和计算结果分析，进行主要电气设备和导体的选择，包括母线、主变压器、高压断路器、隔离开关等，并对开关设备进行了校验，最后进行了主接线图的绘制。

关键词：

双母线；厂用电；短路电流；电气设备

2×300MWAnElectricalPowerPlantDesign

Abstract:

Thisdesignisforthe2×300MWgeneratingunit,includingthedevelopment,comparisonandselectionofplanofmainelectricalconnection,selectionofmainelectricalequipmentsandconductor,equipmentlistandmainwiringmap.Accordingtoinstalledcapacity,numberofadvancewireandoutgoinglineofthepowerplant,doublebusconnectionhasbeenselectedasmainconnection,inordertoavoidcuttingdownofpowerproductionwheneitherofthetwobusesmeetsbreakdownoroverhaulingsituations.Onworksload,highvoltagepowerof6kVandlowvoltageof380/220Vsinglebusconnectionareselected.Backuppoweriscontainedbythesystemitselfsothatpowersuppliesonbothfirst-classandsecond-classloadsarecontinuous.Shortcircuitcalculationisconcernedintheworstsituationofthreephaseshortcircuit,andonlycalculatedthreephaseshortcircuiton220kVbusbymethodofoperationalcurve.Accordingtoknownparametersandresultofcalculation,mainelectricalequipments,includesmainconnectionwires,maintransformers,high-voltagecircuit-breakersanddisconnectingswitches,andconductorwereselected.Inthesametime,checkofswitchgearswasalsoobtained.Intheend,sumofequipmentsanddrawingofmaincircuitwiringdiagramwerealsofinished.

Keywords:

Two-bus;Powerplant;Shortcircuit;Electricalequipment

正文：

1．前言

在电力系统中，大、中型电厂起着举足轻重的作用，一旦故障轻则引起大面积停电，重则可能引起电网崩溃。

本次设计的电厂在电网占有重要位置，一旦发生事故将引起主网的解裂，所以对电厂主接线形式进行了详细的分析比较，以确定一种安全经济成熟的主接线形式。

现代电力工业在国际上已经迅速发展，其发展的特点是：

采用大容量的发电机组，超高压输电线路和巨大的水、火、核电联合电力系统的形成，电力工业的迅速发展，对发电厂的设计提出了更高的要求，需要我们认真的研究对待。

而现代化发电厂的设计是一门综合性的科学，它是在多种专业有机配合，密切协作下完成的一个统一整体，是在审议后的电力系统规划的基础上，为发电厂的发展制定具体方案，在设计中，贯彻国家各项政策，遵照有关的设计技术规定，从整体出发，深入论证电源布置的合理性，提出网络设计方案，并论证安全可靠性和经济性，为此需进行必要的计算，考虑近期与远期的关系，并为发电厂及下一级电压的系统设计创造条件。

本次设计是在学习基础课和专业课后的一次综合训练，在老师的认真指导下，有序进行复习巩固其相关的知识，增强工程概念。

但是，由于本人对所学知识的掌握不够全面，水平十分有限，出现错误和不妥之处，希望各位老师给予批评、指正，以帮助我取得更大的进步。

2接线的确定

2.1主接线的设计依据

2.1.1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；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。

2.1.2发电厂的分期和最终建设规模

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。

2.1.3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，且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。

2.1.4系统备用容量大小

系统中需要有一定的发电机装机备用容量。

运行备用容量不宜少于8～10%，以适应负荷突增、机组检修和故障停运几种情况。

2.2主接线的设计要求

一可靠性

二灵活性

三经济性

2.3主接线的设计原则

主接线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。

（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。

2.4发电厂主接线的确定

2.4.1方案一双母线接线

图2.1一般双母线接线

优点：

（1）供电可靠。

通过两组母线隔离开关的倒换操作，把该母线上的全部回路倒换到另一组母线上，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。

（2）调度灵活。

各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，如可采用两组母线并列运行方式、两组母线分裂运行方式和一组母线工作而另一组母线备用的运行方式，其能灵活的适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的要求。

（3）扩建方便。

向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和负荷分配，不会引起原有回路的停电。

（4）便于试验。

缺点：

（1）当一组母线故障时仍短时停电，影响范围较大。

（2）检修任一回路的断路器时，该回路仍停电。

（3）当母线故障和检修时，隔离开关作倒换操作电器，容易误操作，为避免应装闭锁装置。

2.4.2方案二双母线带旁母接线（设专用旁路断路器）

图2.2双母线带旁路母线接线

带有旁路母线主要是保证不中断对用户的供电。

优点：

（1）供电可靠。

通过母线隔离开关的倒换操作，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，检修任一接入旁路进出线的断路器时，该回路不停电。

（2）调度灵活。

各个电源和各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要求。

（3）扩建方便。

（4）便于试验。

当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。

（5）此种接线可以保证使某一回路检修时，不中断对外供电及操作简便。

缺点：

（1）增加一组母线、一台断路器和若干台隔离开关。

（2）增大了投资和占地面积.

（3）当母线故障和检修时，容易误操作。

（4）接线所用设备多（特别是隔离开关），配电装置复杂，故经济性较差。

经过两个方案的比较，双母线带旁母的接线与双母线相比，主要解决了双母接线的断路器检修时间长、停电影响较大的问题，但带旁母的接线大大增加了投资。

双母线接线的缺点可在选择断路器时进行弥补，预选择的LW14型SF6断路器具有运行可靠，检修维护量小等优点。

所以，最终确定本设计的主接线型式为双母线接线。

2.5主变压器的选择

2.5.1主变压器容量、台数的选择

接于发电机电压母线与升高电压母线之间的主变压器容量SN按下条件选择：

SN≈[∑PNG（1-Kp）/cosΦG-Pmin/cosΦ]/n（2-1）

2.5.2绕组数的确定

1.只有一种升高电压向用户供电或与系统连接的发电厂，以及只有两种电压的变电所，采用双绕组变压器。

2.有两种升高电压向用户供电或与系统连接的发电厂，以及有三种电压的变电所，可以采用双绕组变压器或三绕组变压器（包括自耦变压器）。

因为本次设计只有一种升高电压向用户供电，所以选用双绕组变压器。

2.6厂用电的设计

2.6.1厂用电接线的基本要求

厂用电接线应保证厂用电的连续供应，使发电厂能安全满发，除满足正常运行安全、可靠、灵活、经济、先进等一般要求外，尚应满足如下要求。

1.接线方式和电源容量，应充分考虑厂用设备在正常、事故、检修、启动、停运等方式下的供电要求，并尽可能地使切换操作简单，使启动（备用）电源能迅速投入。

2.尽量缩小厂用电系统的故障影响范围，避免引起全场停电事故。

3.对200MW及以上大型机组，应设置足够通量的交流事故保安电源及电能质量指标合格的交流不间断供电装置。

4.充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别注意对公用厂用负荷的影响。

要方便过渡，减少改变接线和更换设备。

根据以上原则以及实践经验厂用电接线采用单母线分段接线。

2.6.2厂用电供电电压等级的确定

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、经济运行等多方面的因素，经技术、经济比较后确定。

火电厂厂用低压电采用380/220V。

厂用高压电压的选择原则为：

容量为60MW及以下的机组了发电机电压为10.5kV时，可采用3～6kV；发电机电压为6.3kV时，可采用6kV；容量为100～300MW的机组，宜采用6kV；容量为600MW及以上的机组，经技术经济比较可采用6kV，或采用3kV、6kV两种电压。

根据以上原则，经分析比较，本设计采用高压6kV，低压380/220V。

2.6.3厂用电源的引接

厂用电源包括工作电源和备用电源，两者有各分为高、低压两部分。

因为本设计单机容量为300MW，所以还要考虑设置启动电源和事故保安电源。

常用电源必须供电可靠，而且应满足厂用电系统各种工作状态的要求。

1.厂用工作电源的引接是保证发电厂正常运行最基本的电源。

（1）高压厂用工作电源的引接；高压厂用工作电源（变压器或电抗器）应从发电机回路引接，并尽量满足炉、机、电的对应性要求（即发电机供给各自的炉、机和主变压器的厂用负荷）。

每个高压厂用电源最多连接两个独立的母线段。

当发电机直接接在发电机电压母线时，高压厂用工作电源一般由该机所连的母线段的引接。

各高压厂用工作电源的低压侧分别接至对应机组的高压厂用母线段。

（2）低压厂用工作电源的引接。

低压厂用工作变压器（不能用电抗器）一般由对应的高压厂用母线上引接；同一段高压厂用母线上一般接有多台低压厂用变压器。

各低压厂用工作电源的低压侧分别接至响应低压厂用工作母线段。

2.厂用备用电源和启动电源的引接

发电厂一般均应设置备用电源。

高压厂用备用电源根据分析从发电机电压母线上引接，但避免与高压厂用工作电源接在同一母线段。

2.6.4厂用电接线型式

1.高、低压厂用母线通常都采用单母线接线形式，并多以成套配电装置接受和分配电能。

2.火电厂的高压厂用母线一般都采用“按炉分段”。

3.低压380/220V厂用母线，在大型火电厂中一般宜按炉分段或按水轮机组分段。

4.200MW及以上的大型机组，如公用负荷较多、容量较大，当采用集中供电方式合理时，可设立高压公用母线段。

2.6.5高压公用负荷的接线

公用段的接线方式

公用段一般也分为两段，以便将互为备用的负荷接于不同的公用段上。

公用段应设有工作/备用两个电源，可分别由高压厂用电系统引4个不同电源，也可以仅引两回电源，而两个公用段互为备用。

3短路电流的计算

3.1短路电流的计算目的

（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采用限制短路电流的措施，均需进行必要的短路电流计算。

（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障状况下都能安全、可靠的工作。

同时又力求节约资金，这就需要按短路情况进行全面校验。

（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对于地的安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算，需以各种短路时的短路电流为依据。

（5）接地装置的设计，也需用短路电流。

3.2 短路电流计算条件

本次设计短路电流计算只考虑三相短路为最严重的情况，只对三相短路进行详细计算。

1.基本假定：

（1）正常工作时，三相系统对称运行

（2）所有电流的电动势相位角相同

（3）电力系统中所有电源均在额定负荷下运行

（4）短路发生在短路电流为最大值的瞬间

（5）不考虑短路点的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计

（6）不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流

（7）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

（8）输电线路的电容略去不计

2.一般规定

（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。

4．电气设备的选择

4.1.电气设备选择的一般条件

一按正常工作条件选择

1.按额定电压选择

电气设备的额定电压UN就是其铭牌上标出的线电压，另外还规定有允许最高工作电压Ualm。

由于电力系统负荷的变化、调压及接线方式的改变而引起功率分布和网络阻抗变化等原因，往往使得电网某些部分的实际运行电压高于电网的额定电压UNs，因此，所选电气设备的允许最高工作电压Ualm不得低于所在电网的最高运行电压Usm，即

Ualm≥Usm（4-1）

对于电缆和一般电器，Ualm较UN高10%～15%，即

Ualm=（1.1-1.15）UN

而对于电网，由于电力系统采取各种调压措施，电网的最高运行电压Usm通常不超过额定电压UNs的10%，即

Usm≤1.1UNs

可见,只要UN不低于UNs，就能满足式（4-1），所以，一般可按式（4-2）选择

UN≥UNs（4-2）

2.按额定电流选择

电气设备的额定电流IN是指在额定环境条件（环境温度、日照、海拔、安装条件等）下，电气设备的长期允许电流.

经综合修正后的长期允许电流Ial不得低于所在回路在各种可能运行方式下的最大持续工作电流Imax，即

Ial=KIN≥Imax（4-3）

式中K——综合修正系数，为有关修正系数的乘积

Imax——电气设备所在回路的最大持续工作电流，可按表计算，A

当计及环境温度修正时，K值的计算如下。

对于裸导体和电缆θal-θ

K=

（4-4）

对于电器

40℃＜θ≤60℃时，K=1-（θ-40）×0.018

0℃≤θ≤40℃时，K=1+（θ+40）×0.005（4-5）

θ＜0℃时，K=1.2

式中θ——实际环境温度，℃

θal——多道题或电缆芯正常最高允许温度，℃

3.选择设备的种类和型式

（1）应按电器的装设地点、使用条件、检修运行等要求，对设备进行种类（如户内或户外型电器）和型式的选择。

（2）除上述考虑海拔、当地实际环境温度的影响外，尚需考虑日照、风速、覆冰厚度、湿度等环境条件的影响。

4.2电气设备的校验

1.短路电流的计算条件

为使所选电器具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内能适应系统发展的需要，作为校验用的短路电流应按下述条件确定

（1）容量和接线。

容量应按本工程设计的最终容量计算，并考虑电力系统的远景发展（一般为本工程建成后的5～10年）。

（2）短路种类。

导体和电器的动、热稳定及电器的开断电流，一般按三相短路校验。

（3）短路计算点。

应选择通过校验对象（电气设备）的短路电流为最大的那些点作为短路计算点。

对两侧都有电源的电器，通常是将电器的短路电流较大的一点。

2.短路计算时间

校验电气设备的热稳定和开断能力时，必须合理地确定短路计算时间。

（1）校验热稳定的短路计算时间tk。

即计算短路点球热效应Qk的时间由下式确定

tk=tpr+tab=tpr+（tin+ta）（s）（4-6）

式中tpr——后备继电保护动作时间，s；

tab——断路器全开断时间，s；

tin——断路器固有分闸时间，s；

ta——断路器开端时电弧持续时间，S，少油断路器为0.04～0.06s,SF6和压缩空气断路器约为0.02s～0.04s。

（2）校验开断电器开断能力的短路计算时间tbr。

开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，故tbr由下式确定

tbr=tprl+tin（4-7）

式中tprl——主继电保护动作时间（s），对于无延时保护，tprl为保护启动和执行机构动作时间之和。

1.热稳定和动稳定校验

（1）热稳定校验。

1）导体和电缆满足热稳定的条件为

S≥Smin（mm2）（4-8）

式中S——按正常工作条件选择的导体或电缆的截面积，mm2；

Smin——按热稳定确定的导体或电缆的最小截面积，mm2。

2）电器满足热稳定的条件为

It2≥Qk[（kA）2﹒s]（4-9）

式中It——制造厂规定的允许通过电器的热稳定电流，kA；

t——制造厂对定的允许通过电器的热稳定时间，s；

Qk——短路电流通过电器时所产生的热效应，（kA）2﹒s。

（2）动稳定校验。

动稳定就是要求电气设备能承受短路冲击电流所产生的电动力效应。

1）硬导体满足动稳定的条件为

σal≥σmax（Pa）（4-10）

式中σal——导体材料最大允许应力，Pa；

σmax——导体最大计算应力，Pa；

2）电器满足动稳定的条件为

ies≥ish（kA）（4-11）

式中ies——电器允许通过的动稳定电流（或称极限通过电流）幅值，kA；

ish——短路冲击电流幅值，kA。

4.3母线的选择

1.材料

2.截面形状

3.布置方式

结合以上条件，应按母线的允许载流量进行选择。

母线载流量的计算过程如下：

发电机的额定电流

IN=

=

=2.9×103A

=n

综上I=IN×

=2.93×

=130A

所以母线的载流量为130A，由于属于高压母线，根据实践经验，常用钢芯铝绞线代替。

母线选择型号为LGJQ-300的钢芯铝绞线，其热稳定、电晕的校验均能满足要求。

5．主变压器的选择

接于发电机电压母线与升高电压母线之间的主变压器的容量的选择条件为：

当发电机电压母线上的负荷最小时（特别是发电厂投入运行初期，发电机电压负荷不大），应能将发电厂的最大剩余功率送至系统，计算中不考虑稀有的最小负荷情况。

即

SN≈[∑PNG（1-Kp）/cosΦG-Pmin/cosΦ]/n（1-1）

式中∑PNG——发电机电压母线上的发电机容量之和，MW；

Pmin——发电机电压母线上的最小负荷，MW；

cosΦ——负荷功率因数；

n——发电机电压母线上的主变压器台数。

本次设计中，∑PNG=600MW；Pmin=600MW；cosΦ=0.85；n=2。

经计算SN=212000kVA；经查《电力工程电气设计手册》[1]附表主变压器选用SFPT-240000/220

主变压器型式的选择

在330kV及以下的发电厂和变电所中，一般都选用三相式变压器。

因为一台三相式较同容量的三台单相式投资小，占地少，损耗小，同时配电装置结构较简单，运行维护较方便。

故本次计设选用三相式变压器。

根据本次设计的要求及其原始资料，结合以上原则，选定采用双绕组变压器。

计算电路图

图2.1系统简化图图2.2等值电路图图2.3等值电路简化图

计算元件电抗标幺值

X1=

（

）2（

）=0.476X2=XN（

）2（

）=0.58

XΣ1=X1+X2=1.056

计算转移阻抗：

Xjs=

=0.528

查汽轮发电机运算曲线，得短路电流I=2.16kA

6．电气设备的选择

6.1避雷器的选择

1.按额定电压：

220kV最高工作电压为252kV，相对地电压为0.75Um=0.75×252=189kV，可以取避雷器的额定电压为200kV，满足额定电压要求。

2.按持续运行电压选择

220kV系统的相电压为

，查《电力工程电气设计手册》[1]可选Y10W—200/520W型无间隙氧化锌避雷器，其持续运行电压为156，故满足持续运行要求。

3.雷电冲击残压

查表可得220kV变压器雷电冲击耐受电压为850kV，则冲击残压为

Uble≤

=

=607kV（3-1）

查表得Y10W—200/520W型的雷电冲击残压，不大于520，即该值小于607kV

故所选避雷器满足要求。

6.2断路器选择及校验

1.额定电压选择

UN≥UNS=220kV（3-4）

2.按额定电流选择

Ial=KIN≥Imax（3-5）

Imax=

（3-6）

=

IN=2000A﹥Imax

SF6断路器与其他开关设备的不同点是能熄灭电弧，对地绝缘、相间绝缘和断口绝缘，同时也反映了断路器的开断性能和可靠性。

因为SF6断路器在熄灭电弧方面具有突出的优越性，所以越来越被广泛地应用于电力系统中。