凝汽式火电厂一次部分设计.docx
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凝汽式火电厂一次部分设计
电气工程基础课程设计
题目凝气式火电厂一次部分设计
学院名称
2011年6月15日
设计任务书--凝汽式式火电厂一次部分课程设计
1．原始资料
1．1发电厂建设规模
1.1.1类型:
凝汽式火电厂
1.1.2最终容量、机组的型式和参数：
2×200MW+2×300MW、年利用小时数：
6000h/a
1．2电力系统与本厂的连接情况
1.2.1电厂在电力系统中的作用与地位：
区域电厂
1.2.2发电厂联入系统的电压等级：
220KV
1.2.3电力系统总装机容量：
14000MW，短路容量：
12000MVA
1.2.4发电厂在系统中所处的位置、供电示意图
1．3电力负荷水平:
1.3.1220KV电压等级：
架空线10回，I级负荷，最大输送1000MW，Tmax
＝5000h/a
1.3.2110KV电压等级：
架空线8回，I级负荷，最大输送180MW，Tmax＝
4500h/a
1.3.3穿越本厂功率为50MVA。
1.3.4厂用电率：
8%
1.4环境条件
1.4.1当地年最高温40℃，最低温－6℃，最热月平均最高温度28℃，最热月
平均最低温度24℃
1.4.2当地海拔高度为50m
1.4.3气象条件无其它特殊要求。
2.设计任务
2.1
发电厂电气主接线设计
2.2
厂用电设计
2.3
短路电流的计算
2.4
主要电气设备的选择
2.5
配电装置
3.设计成果
3.1设计说明书、计算书一份
3.2图纸一张
设计任务书
摘要
引
言1
1系统与负荷资料分析2
2电气主接线3
2.1主接线方案的选择3
2.2变压器的选择与计算7
2.3厂用电接线方式的选择11
3短路电流的计算14
3.1短路计算的一般规则14
3.2短路电流的计算15
3.3短路电流计算表17
4电气设备的选择18
4.1电气设备选择的一般规则18
4.2电气选择的条件18
4.3电气设备的选择20
4.4电气设备选择的结果表24
5配电装置26
5.1配电装置选择的一般原则26
5.2配电装置的选择及依据27
5.3主接线中设备配置的一般原则28
结束语31
参考文献32
附录Ⅰ：
短路计算33
附录Ⅱ：
电气设备的校验36
附录3：
设计总图
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300MW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。
引言
经济要发展，电力需先行。
进入21世纪，随着我国“十一五”计划的进行和“西部大开发”战略的实施，我国的电力建设事业将出现一个大发展的新局面为了适应这一新形势的要求，国家着重发展火电、水电、核电，高质量的电力资源和可靠的供电水平是衡量电力行业发展的指标，电力行业是国民经济发展的基础和关键，所以电力的发展必须与时俱进。
在理论学习的基础上，为了进一步加深对知识的掌握和理解，进行了本次课程设计。
本设计是针对地区变电站的要求来进行配置的，它主要包括了四大部分：
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。
其中主要部分为短路电流的计算和电气设备的选择，从不同的短路点进行分析和计算，不同的短路参数选择不同种类设备，并进行理论分析，在理论上证实变电站实际可行性，达到设计要求，做好预先设计工作对工程建设的工期、质量、投资，以及建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着重要的决定性作用。
本设计多处采用简明扼要、一目了然的表格形式及涉及到的电路图，同时采用我国发电厂技术方面的最新标准规范和技术材料，在此次设计过程中得到了很多同学的热情指导和帮助，还有徐祖华老师耐心的讲解，他们提出了不少宝贵意见，在此对他们表示衷心的感谢！
限于本人的水平，本设计中难免有错误和不足之处，热诚希望读者和同仁批评指正，本人不胜感激。
1系统与负荷资料分析
设计电厂为大型凝气式火电厂，其容量为2×300+2×300=1200MW其,最大单机容量为300MW，具有大型容量的规模、大型机的特点。
当电厂全部机组投入运行后，将占电力系统总容量的1200/14000≈8.57%，而电力系统的检修备用容量为8%～15%和事故备用容量为10%，说明该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要。
从年利用小时看，该厂年利用小时数位6000h/a>5000h/a,又为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，因此，该厂主接线要求有较高的可靠性；从负荷特点及电压等级可知，该厂具有110kv和220kv两级电压负荷。
110kv具有8回架空线路，承担一级负荷，最大的输送功率为180MW，最大年利用小时数为
4300h/a,说明对其可靠性有一定的要求，拟采用双母线接线形式；220KV电压等级有10回架空线路，承担一级负荷，最大输送功率为1000MW,最大年利用小时数为5000h/a,送出本场最大可能的电力为1000-1000×8%=920M，W其可靠性要求较高，为保证检修出线断路器不致对该回路断电，所以也拟采用双母线接线形式。
另外，因此次为2×300+2×300的凝气式火电厂，故需要用到4台300MW发电机，故结合设计手册分别选出选合适的电机，电机类型如下。
300MW的发电机：
QFS-300-2所选发电机的主要参数如表1.1
表1.1发电机的主要参数
发电机型号
额定容量（MW）
功率因数
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
X"d（%）
QFS-300-2
300
0.85
18
11320
16.7
2电气主接线设计
2.1主接线方案的选择
2.1.1主接线方案的选择依据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，由相关文献可知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：
⑴可靠性
衡量可靠性的指标，一般是根据主接型式及主要设备操作的可能方式，按一定规律算出“不允许”事件发生地规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种主接型式中择优。
可靠安全是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本要求。
它可以从以下几方面考虑：
1发电厂或者变电所在电力系统中的地位和作用；
2发电厂和变电所接入电力系统的方式；
3发电厂和变电所的运行方式及负荷性质；
4设备的可靠性程度直接影响着主接线的可靠性；⑤长期实践运行经验的积累是提高可靠性的重要条件。
⑵灵活性主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。
1调度时，应操作方便的基本要求，既能灵活的投入或切除某些机组、变器或线路，调配电源和负荷，又能满足系统在事故运行方式、检修运行方式及特殊运行方式下的调度要求；
2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；
3扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。
在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装机组、变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次部分的改建工作量最少。
⑶经济性
主接线应在满足可靠性和灵活性的前提下作到经济合理。
一般从以下几方面考虑。
1投资省；
2占地面积少；
3电能损耗少。
对于主接型式的具体选择可以根据DL5000—2000《火力发电厂设计技术规
程》综合发电厂的具体要求确定。
在此设计中可以参考一下相关规定：
（1）发电机电压母线可采用双母线或双母线分段的接线方式。
为了限制短路电流，可在母线分段回路中安装电抗器。
如不满足要求，可在发电机或主变压器回路中装设分裂电抗器，也可在直配线上安装电抗器。
（2）容量为200～300MW的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不应装设断路器、负荷开关或隔离开关，但应有可拆连接点。
（3）采用单母线或双母线的110～220kV配电装置，当断路器为少油型或压缩空气型时，除断路器有条件停电检修外，应设置旁路设施；当220kV出线在4回及以上、110kV出线在6回及以上时，宜采用带专用旁路断路器的旁路母线。
当断路器为六氟化硫（SF6）型时，可根据系统、设备、布置等具体情况，有条件时可不设旁路设施；当需要设置旁路设施，且220kV出线在6回及以上、110kV出线在8回及以上时，可采用带专用旁路断路器的旁路母线。
2.1.2各电压等级接线方案的拟定
根据对原始资料的分析，将各电压等级可能采用的较好的方案列出。
进行优化组合，得出最佳的方案。
（1）110KV电压等级：
出线为8回，I级负荷，最大输送180MW，为实现不停电检修出现断路器，可采用单母分段带旁路或双母接线形式。
且由于110KV侧的最大负荷为180MW，其全年平均负荷为180×4300/（365×24）=88.35MW,不管接的是300MW还是200MW，其容量均远大于180MW和其年平均负荷82.19MW，若当联络变压器出现故障，将造成发电机大量积压容量，可能引起发电机甩荷现象，选择主变压器也困难，因此110KV侧不接发电机，通过两台联络变压器从22KV侧输送功率。
（2）220KV电压等级：
出线为10回，承担一级负荷，根据手册可知，为使其检修出现断路器时不停电，可采用双母带旁路接线形式，以保证供电的可靠性。
但根据现实的实际应用情况，双母带旁路占地面积大，经济性差，因此常用双母线接线方式。
又四台发电机均接在220KV电压母线上，根据一次侧设计手册可知，容量在200MW及以上的大机组一般采用与双绕组变压器组成单元接线而不与三绕组变压器组成单元接线。
发电机到变压器采用分相封闭母线相连，这样既节省了断路器的费用，又能限制短路电流，提高了安全性。
2.1.3主接线方案的拟定
根据方案选择的依据及电压等级接线方案的分析，先拟定以下几种主接线方案。
方案一四台发电机全部通过双绕组变压器组成单元接线连接在220KV母线上，发电机出口到变压器采用分相封闭母线。
220KV电压等级采用双母线接线形式（有专用旁路断路器），110KV电压等级采用单母分段带旁路接线形式，分段断路器兼作旁路断路器;220KV电压母线和110KV电压母线之间设有两台联络变压器;通过这两台联络变压器由220KV电压母线给110KV侧负荷供电，如图2.1所示。
图2.1方案一主接线图
方案二四台发电机同样通过双绕组变压器组成单元接线，和220KV母线相连，发电机出口到变压器采用分相封闭母线。
220KV电压等级采用双母线接线形式，也采用专用旁路断路器的接线方式，110KV电压等级采用双母线接线形式，
有专用旁路断路器;220KV电压母线和110KV电压母线之间设有两台联络变压器
通过这两台联络变压器由220KV电压母线给110KV侧负荷供电，如图2.2所示
图2.2方案二主接线图
2.1.4主接线方案的比较和选择
总结两种主接线方式如表2.1
表2.1主接线方案
电压等级
方案I
方案II
110KV
单母分段带旁路
双母接线
220KV
双母接线
双母接线
两种接线方式的比较如表2.2
表2.2主接线方案比较
方案
项目
方案Ⅰ
方案Ⅱ
可
靠
性
①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。
②两台联络变压器还满足本厂的厂备用和启动电源的要求。
①供电可靠。
通过两组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②联络变压器起了联络和厂备用的作用。
灵
活
性
①110kv侧相对单一，灵活性差
②相应的保护装置相对简单。
①多种运行式。
②调度灵活，但相应的保护装置较复杂。
③易于扩建和实现自动化。
经
①相对投资少、设备数量少，年费用
济
低。
投资高、设备数量多，年费用大。
性
②相对占地面积少。
通过比较可知，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
2.2变压器的选择与计算
2.2.1主变压器容量的确定原则
（1）连接在发电机电压母线与系统之间的主变压器的容量，应考虑以下因素：
1发电机全部投入运行时，在满足发电机电压供电的日最小负荷，并扣除厂用负荷后，主变压器应能将发电机电压母线的剩余有功和无功容量送入系统。
2接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或故障时，主变压器应能从电力系统倒送功率，保证发电机电压母线上最大负荷的需要。
3若发电机电压母线上接有两台或以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器在允许正常过负荷范围内，应能输送母线剩余功率的70%以上。
4在电力市场环境下，主变压器应具有从系统倒送功率的能力，以满足发电机电压母线上最大负荷的要求。
（2）主变压器型式的选择原则
1相数的确定
容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330KV及以下电力系统中，般都应选用三相变压器。
若受到限制时，则宜选用两台小容量的三相变压器取
代一台大容量三相变压器，或者选用单相变压器
2绕组数和结构的确定
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，但三绕组变压器的每个绕组的通过容量应达到该变压器额定容量的15%以上。
对于最大机组为200MW以上的发电厂，一般以采用双绕组变压器加联络变压器更为合理。
其联络变压器宜选用三绕组变压器。
3绕组接线组别的确定变压器三相绕组的接线组别必须和系统的相位一致，否则，不能并列运行。
我国110KV及以上电压，变压器三相绕组都采用“YN”连接，35KV采用“Y”连接，其中性点多通过消弧线圈接地，35KV以下高压电压，变压器三相绕组都采用“D”连接。
4变压器型号的表示方法：
□□-□/□□
特殊环境代号
电压等级（KV）
额定容量代（KVA）
设计序号产品代号变压器产品代号含义：
S——三相F——风冷却装置P——强迫油循环S——三绕组
根据以上绕组连接方式的原则，主变压器接线组别一般都采用YN，d11常规接线。
（3）主变压器的选择：
根据主接线图将2台300MW和2台300MW的发电机都接在220KV侧，容量可通过联络变压器传送110KV侧。
和发电机相连的主变压器容量计算公式为：
S=（PG－P厂）×（1+10%）/cos
则根据公式和300MW发电机相连的主变压器容量为：
ST1，2=（300－300×8%）×1.1/0.85=357.17MW
故与300MW发电机相连的主变压器选择的容量为360MW变压器的型号为
SFP7-360000/220，其参数见表2.3。
2.2.2连接两种升高电压母线的联络变压器容量的确定原则
（1）联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种不同运行方式下，网络间的有功功率和无功功率的交换。
（2）联络变压器容量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，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。
（3）联络变压器为了布置和引线方便，通常只选一台，最多不超过两台。
在中性点接地方式允许条件下，以选自耦变压器为宜。
其第三绕组，及低压绕组兼作厂用备用电源或引接无功补偿装置。
但该发电厂的110KV电压级靠联络变压器来提供电源，功率主要从220KV的高压侧输送到110KV的中压侧,用自耦的变压器所需的公共容量太大。
因为110KV电压级的可靠性要求也比较高，且200MW及以上机组，一般采用两台联络变压器，所以，该电厂也用了两台。
且采用Y-Y-△连接方式，满足相位条件。
根据原则，可得容量为:
ST=PG/cos=300/0.85=352.94MW
所以用两台时，每一台是总容量的一半，即ST5，6=176.47MW，选标准的是180MW。
根据以上分析，选得OSFPS7-180000/220，其参数见表2.4。
2.2.3厂用变压器的选择
厂用电分别从4台300MW的发电机取得电源，所以，需要4台；在联络变压器的选型当中，低压侧电压是18KV，所以也需要两台变压器。
本设计采用厂用电母线分段形接线，以提高可靠性，也使调配灵活。
所以，发电机电压级的变压器采用分裂绕组，两低压侧分别接到两段母线上，达到相互备用的效果，而联络变压器的备用也分别接到两公用母线上。
由手册可知，容量为100MW~300M的W发电机，厂用电电压等级为6KV，故200MW机组的发电厂厂用电15.75/6.3/6.3，300MW机组的发电厂厂用电一般采用6KV，所以发电机电压级的变压器要用18/6.3/6.3,而联络变压器低压侧用18/6.3。
300MW发电机旁的厂用变压器容量是：
ST7，8=1.1×PG×8%/cos=1.1×300×8%/0.85=31.06MW
选用接近此容量的标准容量为31.5MW。
联络变压器低压侧的厂用备用变压器容量应该满足厂用电,所以其容量取31.5MW。
根据以上分析，发电级电压级厂用电变压器选为，联络变压器低压侧选为，其具体参数见表2.5和表2.6。
表2.3主变压器的参数
产品型号
额定容量（KV·A）
联结组标号
额定电压（KV）
短路阻抗（%）
空载电流（%）
损耗（KW）
高压
低压
空载
负载
SFP7-360
000/220
360000
YN,
d11
220±2
×2.5%
18
14.3
0.28
190
860
表2.4联络变压器的参数
产品型号
额定容量（KV·A）
联结组
标号
额定电压（KV）
短路阻抗（%）
损耗（KW）
高
压
中
压
低
压
高-中
中-低
高-低
空载
负载
OSFPS7-
180000/2
20
180000/
90000/
180000
YN,ao,d11
242±2
×2.5%
121
18
8~12
12~
14
14~
18
95~
105
430~
515
表2.5厂用变压器的参数
产品型号
额定容量（KV·A）
联结组
标号
额定电压（KV）
短路阻抗（%）
空载电流（%）
损耗（KW）
高压
低压
空载
负载
SFFL-315
000/15.75
315000/
20000
20000
D,d0-d
0
18±2
×2.5%
6.3-6.3
16.6
--
28.0
150.0
表2.6厂备用变压器的参数
产品型号
额定容量（KV·A）
联结组标号
额定电压（KV）
短路阻抗（%）
空载电流（%）
损耗（KW）
高压
低压
空载
负载
SFF7-315
000/15.75
315000/
20000
20000
D,d0-d0
18±2
×2.5%
6.3-6.
3
13.5
--
29.8
160.0
2.3厂用电接线方式的选择
发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量由电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备（如锅炉、气轮机或水轮机、发电机等）和输煤、碎煤、除灰、除尘及水处理的正常运行。
这些电动机以及全厂的运行、操作、试验、检修、照明用电设备等都属于厂用负荷，总的耗电量，统称为厂用电。
2.2.1厂用电电压等级
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。
查找手册可知：
1）容量60MW及以下、发电机电压10.5KV时，可采用3KV。
2）容量100MW～300MW宜,用6KV。
3）容量在300MW以上，当技术经济合理时，可采用3KV和10KV两段电压
2.2.2厂用电设计原则
（1）接线要求
1各机组的厂用电系统应是独立的。
特别是200MW及以上机组，应做到这一点。
一台机组的故障停运或者其辅助机的电气故障，不应影响到另一台机组的正常运行。
并能在短时内恢复本机组的运行。
2全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线。
3充分考虑发电厂正常、事故、检修、启动等运行方式下的供电要求，尽可能地使切换操作简便，启动（备用）电源能在短时内投入。
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，特别要注意对公用负荷供电的影响，也便于过渡，尽量减少改变接线和更换设置。
200MW及以上机组应设置足够容量的交流事故保安电源。
当全厂停电时，可以快速启动和自动投入，向保安负荷供电。
5200MW及以上机组应设置足够容量的交流事故保安电源。
当全厂停电时，可以快速启动和自动投入向保安负荷供电。
（2）设计原则厂用电的设计原则与主接线的设计原则基本相同，主要有：
①接线应保证对厂用负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运转。
②接线应灵活的适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求。
③厂用电源的对应供电性。
4设计还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重的采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性。
5在设计厂用电接线时，还应对厂用电的电压等级、中性点接地方式、厂用电源及其引线和厂用电接线形式等问题，进行分析和论证。
另外由于火电厂厂用电率较大，
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