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火力发电厂电气部分毕业设计论文

摘要

發電廠是電力系統的重要組成部分，也直接影響整個電力系統的安全與運行。

在發電廠中，一次接線和二次接線都是其電氣部分的重要組成部分。

在本次設計中，主要針對了一次接線的設計。

從主接線方案的確定到廠用電的設計，從短路電流的計算到電氣設備的選擇以及配電裝置的佈置，都做了較為詳盡的闡述。

二次接線則以發電機的繼電保護的設計為專題，對繼電保護的整定計算做了深入細緻的介紹。

設計過程中，綜合考慮了經濟性、可靠性和可發展性等多方面因素，在確保可靠性的前提下，力爭經濟性。

設計說明書中所採用的術語、符號也都完全遵循了現行電力工業標準中所規定的術語和符號。

畢業設計任務書

1畢業設計題目

火力發電廠電氣部分設計

專題：

發電機繼電保護設計

2畢業設計要求及原始資料

1、凝氣式發電機的規模

（1）裝機容量裝機4臺容量2×25MW+2×50MW，UN=10.5KV

（2）機組年利用小時TMAX=6500h/a

（3）廠用電率按8%考慮

（4）氣象條件發電廠所在地最高溫度38℃，年平均溫度25℃。

氣象條件一般無特殊要求（颱風、地震、海拔等）

2、電力負荷及電力系統連接情況

（1）10.5KV電壓級電纜出線六回，輸送距離最遠8km，每回平均輸送電量4.2MW，10KV最大負荷25MW，最小負荷16.8MW，COSφ=0.8，Tmax=5200h/a。

（2）35KV電壓級架空線六回，輸送距離最遠20km,每回平均輸送容量為5.6MW。

35KV電壓級最大負荷33.6MW，最小負荷為22.4MW。

COSφ=0.8，Tmax=5200h/a。

（3）110KV電壓級架空線4回與電力系統連接，接受該廠的剩餘功率，電力系統容量為3500MW，當取基準容量為100MVA時，系統歸算到110KV母線上的電抗X*S=0.083。

（4）發電機出口處主保護動作時間tpr1=0.1S，後備保護動作時間tpr2=4S。

3畢業設計主要任務：

3、發電廠電氣主接線設計

4、廠用電的設計

5、短路電流計算

6、導體、電纜、架空線的選擇

7、高壓電器設備8、的選擇

9、電氣設備10、的佈置設計

11、發電廠的控制與信號設計

12、（專題）發電機的繼電保護設計

第一章電廠電氣主接線設計

1-1原始資料分析…………………………………7

1-2主接線方案的擬定…………………………………8

1-3主接線方案的評定…………………………………10

1-4發電機及變壓器的選擇……………………………11

第二章廠用電設計

2-1負荷的分類與統計…………………………………13

2-2廠用電接線的設計…………………………………16

2-3廠用變壓器的選擇…………………………………18

第三章短路電流計算

3-1概述……………………………………………19

3-2系統電氣設備標麼電抗計算………………………20

3-3短路電流計算………………………………………23

第四章導體、電纜、架空導體的選擇

4-1導體的選擇……………………………………………

4-2電纜的選擇

4-3架空導線的選擇

第五章高壓電器設備的選擇

5-1斷路器與電抗器的選擇

5-2隔離開關的選擇

5-3互感器的配置

第六章電氣設備的佈置設計

6-1概述

6-2屋內配電裝置

6-3屋外配電裝置

6-4發電機與配電裝置的連接

第七章發電廠的控制與信號設計

7-1發電廠的控制方式

7-2斷路器的控制與信號

7-3中央信號裝置

7-4發電廠的弱電控制

第八章發電機的繼電保護設計（專題）

8-1概述

8-2縱聯差動保護

8-3橫聯差動保護

8-4低電壓起動的過電流保護

8-5過負荷保護

8-6定子繞組單相接地保護

8-7發電機保護總接線圖說明

結束語

參考文獻

第一章發電廠電氣主接線設計

第二章1-1原始資料分析

設計電廠總容量2×25+2×50=150MW，在200MW以下，單機容量在50MW以下，為小型凝汽式火電廠。

當本廠投產後，將占系統總容量為150/（3500+150）×100%=4.1%＜　　　　15%，未超過電力系統的檢修備用容量和事故備用容量，說明該電廠在未來供電系統中的地位和作用不是很重要，但Tmax=6500h/a>5000h/a，又為火電廠，在電力系統中將主要承擔基荷，從而該電廠主接線的設計務必著重考慮其可靠性。

從負荷特點及電壓等級可知，它具有10.5KV，35KV，110KV三級電壓負荷。

10.5KV容量不大，為地方負荷。

110KV與系統有4回饋線，呈強聯繫形式，並接受本廠剩餘功率。

最大可能接受本廠送出電力為150-16.8-22.4-150×8%=98.8MW，最小可能接受本廠送出電力為150-25-33.6-150×8%=79.4MW，可見，該廠110KV接線對可靠性要求很高。

35KV架空線出線6回，為提高其供電的可靠性，採用單母線分段帶旁路母線的接線形式。

10.5KV電壓級共有6回電纜出線其電壓恰與發電機端電壓相符，採用直饋線為宜。

2-2主接線方案的擬訂

在對原始資料分析的基礎上，結合對電氣接線的可靠性、靈活性及經濟性等基本要求，綜合考慮。

在滿足技術，積極政策的前提下，力爭使其技術先進，供電安全可靠、經濟合理的主接線方案。

發電、供電可靠性是發電廠生產的首要問題，主接線的設計，首先應保證其滿發，滿供，不積壓發電能力。

同時盡可能減少傳輸能量過程中的損失，以保證供電的連續性，因而根據對原始資料的分析，現將主接線方案擬訂如下：

（1）10KV電壓級鑒於出線回路多，且為直饋線，電壓較低，宜採用屋內配電。

其負荷亦較小，因此採用單母線分段的接線形式。

兩臺25MW機組分別接在兩段母線上，剩餘功率通過主變壓器送往高一級電壓35KV。

由於25MW機組均接於10KV母線上，可選擇輕型設備，在分段處加裝母線電抗器，各條電纜饋出線上裝出線電抗器。

（2）35KV電壓級出線6回，採用單母線分段帶旁路接線形式。

進線從10KV側送來剩餘容量2×25-[（150×8%）+25]=13MW，不能滿足35KV最大及最小負荷的要求。

為此以一臺50MW機組按發電機一變壓器單元接線形式接至35KV母線上，其剩餘容量或機組檢修時不足容量由聯絡變壓器與110KV接線相連，相互交換功率。

（3）110KV電壓級出線4回，為使出線斷路器檢修期間不停電，採用雙母線帶旁路母線接線，並裝有專門的旁路斷路器，其旁路母線只與各出線相連，以便不停電檢修。

其進線一路通過聯絡變壓器與35KV連接，另一路為一臺50MW機組與變壓器組成單元接線，直接接入110KV，將功率送往電力系統。

據以上分析，接線形式如下：

3主接線方案的評定

該電氣主接線的設計始終遵循了可靠性、靈活性、經濟性的要求。

在確保可靠性、靈活性的同時，兼顧了經濟性。

在可靠性方面該主接線簡單清晰，設備少，無論檢修母線或設備故障檢修，均不致造成全廠停電，每一種電壓級中均有兩臺變壓器聯繫，保證在變壓器檢修或故障時，不致使各級電壓解列。

機組的配置也比較合理，使傳遞能量在變壓器中損耗最小。

但是10KV及35KV母線檢修將導致一半設備停運。

在靈活性方面，運行方式較簡單，調度靈活性差，但各種電壓級接線都便於擴建和發展。

在經濟性方面，投資小，占地面積少，採用了單元接線及封閉母線，從而避免了選擇大容量出口斷路器，節省了投資，有很大的經濟性。

通過以上分析，該主接線方案對所設計的這一小型火電廠而言，是比較合理的，可以採納。

1-4發電機及變壓器的選擇

1、發電機的選擇查《電力工程設計手冊》（第三冊），兩臺25MW發電機選用QF2-25-2型汽輪發電機，兩臺50MW的發電機選用QFS-50-2型汽輪發電機。

2、變壓器的選擇35KV電壓母線所接的主變壓器容量S=50/0.8=62.5MW，查《電力工程設計手冊》（第三冊），變壓器選用SSPL—60000/35型，其短路電壓百分數UK%=8.5；110KV電壓母線所接的主變器容量S=50/0.8=62.5MW，查《電力工程設計手冊》（第三冊），變壓器選用SFPL1—63000/110型，其短路電壓百分數為UK%=10.5；用於聯絡三級電壓的聯絡變壓器，通過它向110KV傳輸的最大容量為50-22.4+[（25×2）-16.8-150×8%]=48.8MW，當35KV母線所連機組和10.5KV母線所連機組各有一臺檢修時，通過聯絡變壓器的最大容量為14.2+12=26.2MW。

綜合考慮，聯絡變壓器應選48.8÷0.8=61MW，故選SFSL—60000/110型，其中UK（1-2）%=17.5，UK（2-3）%=6.5，UK（3-1）%=10

.5，。

現將發電機和變壓器的選擇結果列表如下，以供查詢：

表1-1

發電機G1,G2

QF2-25-2

發電機G3,G4

QFS-50-2

變壓器T1

SSPL—60000/35,UK%=8.5

變壓器T2

SFPL1—63000/110,UK%=10.5

變壓器T3

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

第二章廠用電設計

1-1負荷的分類與統計

發電廠在電力生產過程中，有大量的電動機械，用以保證主要設備和輔助設備的正常運行。

這些電動機及全廠的運行操作、試驗、修配、照明等用電設備的總耗電量，統稱為廠用電或自用電。

廠用負荷，按其用電設備在生產中的作用和突然中斷供電時造成危害程度可分為四類：

（1）Ⅰ類廠用負荷凡短時停電會造成設備損壞，危及人身安全，主機停運及大量影響出力的廠用負荷，都屬於Ⅰ類負荷。

如火電廠的給水泵，凝結水泵，迴圈水泵，引風機，送風機，給粉機等以及水泵的調速器，壓油泵，潤滑油泵等。

通常他們都設有兩套設備互為備用，分別接到兩個獨立電源的母線上。

（2）Ⅱ類廠用負荷允許短時停電，恢復供電後，不致造成生產紊亂的廠用負荷，均屬於Ⅱ類負荷。

如火電廠的工業水泵，疏水泵，灰漿泵，輸煤設備和化學水處理設備等，一般它們應由兩段母線供電，並採用手動切換。

（3）Ⅲ類廠用負荷較長時間停電，不會影響生產，僅造成生產上的不方便者，都屬於Ⅲ類廠用負荷。

如試驗室，中央修配廠，油處理室等負荷，通常由一個電源供電。

（4）事故保安負荷指在停機過程中及停機後一段時間內仍應保證供電的負荷，否則將引起主要設備損壞，重要的自動控制裝置失靈或推遲恢復供電，甚至可能危及人身安全的負荷稱為事故保安負荷。

它分為直流保安負荷，如發電機組的直流潤滑油泵等，其直流電源由蓄電池組供電；交流保安負荷，如盤車電動機，即時控制用的電子電腦等都屬於交流保安負荷。

現將火電廠的主要負荷統計如下（見表2-1）

表2-1

分類

名稱

負荷類別

運行方式

備註

鍋爐

部分

引風機

鼓風機

磨粉機

給粉機

Ⅰ

Ⅰ或Ⅱ

Ⅰ

經常，連續

無煤粉倉時為Ⅰ

汽機

部分

凝結水泵

迴圈水泵

給水泵

給水油泵

生水泵

工業水泵

Ⅰ

Ⅱ

經常，連續

給水泵不帶主油泵時

電氣及

公用部分

充電機

變壓器

變壓器冷卻風機

通訊電源

矽整流裝置

Ⅱ

Ⅰ

不經常，斷續

經常，短時

經常，連續

出灰

負荷

灰漿泵

碎渣機

電氣除塵器

沖灰水泵

Ⅱ

經常，連續

輔助

車間

油處理設備

中央修理車間

起重機

電氣實驗室

Ⅲ

經常，連續

不經常，斷續

2-2廠用電接線的設計

廠用電接線的設計原則基本上與主接線的設計原則相同。

首先，應保證對廠用電負荷可靠和連續供電，使發電廠主機安全運轉；其次，接線應能靈活地適應正常，事故，檢修等各種運行方式的要求；還應適當注意經濟性和發展的可能性並積極慎重的採用新技術、新設備，使其具有可行性和先進性。

此外，在設計廠用電系統接線時還要對供電電壓等級，廠用供電電源及其引接進行分析和論證。

火電廠的輔助機械多、容量大，供電網路複雜，其主要負荷分佈在鍋爐、氣機、電氣、輸煤、出灰、化學水處理以及輔助車間和公用電氣部分，因此，廠用電電壓必須由10KV和0.4KV兩級電壓，以單母線分段接線形式合理地分配廠用各級負荷。

現將該火電廠的廠用電接線的系統圖設計示於圖2-1。

一、廠用供電電壓等級的確定

發電廠廠用電系統電壓等級是根據發電機額定電壓，廠用電動機的電壓和廠用電網路的可靠運行等諸方面因素，由上一節負荷分析可知，取兩級廠用電壓，高壓級取6KV，由兩組廠用主變壓器從25MW機組的電壓母線上取，低壓級取380V，採用母線分段式。

1、6KV電壓等級供電分析

對同樣的廠用系統，6KV網路不僅節省有色金屬及費用，且短路電流也較小，同時6KV電壓等級電動機功率可製造得較大，滿足大量負荷要求。

擬採用兩段6KV的廠母線，另外再設置兩段6KV備用母線，以提高供電可靠性。

2、380V電壓級低壓供電分析

380V廠用電一般採用動力和照明共用的三相四線制接地系統，在技術經濟合理時，採用動力和照明分開供電及其引接。

二、廠用電工作電源及其引接

圖2-1所設計電廠廠用電接線圖，廠內裝在二機三爐，發電機電壓為10.5KV，6KV廠用高壓母線分單母線，按鍋爐臺分為三段，通過T11、T12、T13廠用高壓變壓器分別接於主母線上兩個分段上，380/220V低壓廠用母線，由於機組容量不大，設啟動電源和事故保安電源，低壓廠用母線分為兩段，備用電源採用明備用形式，即專設一臺T10備用廠用高壓變壓器，平時斷開，當任一段廠用工作母線的電源回路發生故障時QF3斷開，QF1和QF2在備用電源自動投入裝置作用下合閘。

於是，T10廠用高壓變壓器代替T11廠用高壓變壓器工作。

為了在主母線上發生故障時，仍有可靠的備用電源，運行中可將T10備用廠用高壓變壓器和主變壓器T2都接到備用母線上，並將主母線第段的母聯斷路器QF4合上，使備用母線和工作母線均帶電運行。

這樣，當主母線發生事故時，QF4斷開，T10變壓器還可通過T2供電。

2-3廠用變壓器的選擇

廠用變壓器容量選擇的基本原則和應考慮的因素為：

（1）變壓器原、副邊電壓必須與引接電源電壓和廠用網路電壓一致。

（2）變壓器的容量必須滿足廠用機械從電源獲得足夠的功率。

（3）廠用高壓備用變壓器或起動變壓器應與最大一臺高壓廠用工作變壓器容量相同；低壓廠用設備用變壓器的容量應與最大一臺低壓廠用工作變壓器容量相同。

據此，廠用變壓器T4，T5，T6，T7，選擇如下：

S=（25×2+50×2）×8%/0.8×3=5000KVA，查設計手冊，應選SJL1-6300/10型雙繞組鋁線電力變壓器。

第三章短路電流計算

1-1概述

電力系統中，常見的短路故障有三相對稱短路、兩相短路和單相接地短路。

其中三相短路電流的計算是為了選擇和校驗QF、QS、母線等電氣設備，兩相短路電流用於整定繼電保護裝置。

短路發生後，短路電流的值是變化的，變化的情況決定於系統電源容量的大小、短路點離電源的遠近以及系統內發電機是否帶有電壓自動調整裝置等因素。

按短路電流的變化情況，通常把電力系統分為無限容量系統和有限容量系統。

無限容量系統短路電流的計算，採用短路回路總阻抗法計算；有限容量系統短路電流的計算採用運算曲線法，這中間要用到網路的等效變換。

本次設計中，短路電流的計算就涉及到這兩個方面的內容。

3-2系統電氣設備標麼電抗計算

一、系統設備電運算100MVA，基準電壓Uj=Upj

1、發電機標2、麼電抗的計算

發電機G1：

X*G1＝Xd*N”＝0.125×＝0.4

發電機G2：

X*G2＝X*G1

發電機G3：

X*G3＝Xd*N”＝0.125×＝0.2

發電機G4：

X*G4＝X*G3＝0.2

3、變壓器標4、麼電抗的計算

變壓器T1：

X*T1＝×＝×＝0.142

變壓器T2：

X*T2＝×＝×＝0.167

變壓器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、架空線、電纜標6、麼值計算

35KV出線架空線：

XL*1＝X1×L×＝0.4×20×＝0.584

10.5KV出線架空線：

XL*2＝X1×L×＝0.06×8×＝0.435

7、電抗器的電抗標8、麼值：

1、母線電抗器：

發電機G1（或G2）的額定電流ING＝＝1.72KA。

母線電抗器一般取發電機額定電流的5％～8％，電抗百分值取為8％～12％，照此標準選得電抗器為NKL-10-1000-8型，額定電流為IN＝1KA，額定電壓UN＝10KV，電抗百分數XR%＝8，由此得電抗標麼值為：

XR*j1＝××＝××＝0.419

2、線路電抗器：

線路電抗器的額定電流為300～600A，電抗百分值取3％～6％，照此標準選電抗器NKL-10-400-4型，額定電流IN＝0.4KA，UN＝10KV，電抗百分比數XR%＝4，由此得電抗標麼值為：

XR*j2＝××＝××＝0.524

9、系統歸算到110KV側的電抗標10、麼值：

X*S＝0.083

3－3短路電流計算

2用於校驗設備的最大三相對稱短路電流的計算。

㈠、10.5KV電壓等級

⒈發電機出口處d1點發生短路（假定QS5閉合，QS6打開），其等值電路圖如下：

2網路化簡，求計算電抗

系統S對d1點的轉移阻抗X18＝0.34，計算電抗為Xsjs＝0.34×＝14.88。

電源歸併後，G3～G4對d1點的轉移阻抗X17＝0.357，計算電抗為X3js＝0.357×＝0.45。

電源G2對d1點的轉移阻抗X15＝0.819，計算電抗為X2js＝0.819×＝0.26。

電源G1對d1點的轉移阻抗X11＝0.4，計算電抗為X1js＝0.4×＝0.13。

4查《供電技術》氣輪機運算曲線數值表，求短路電流：

a．由於Xsjs＝14.88＞3，b．所以I*＝＝0.067。

c．G3～G4各時刻短路電流：

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

d．G2各時刻短路電流：

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

e．G1各時刻短路電流：

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

⑶、各時刻短路電流的有名值：

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、校驗QF1、QS1的短路電流為：

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、母線d2點發生三相短路故障

其等值電路圖如下：

網路化簡為：

可見，d2點的短路電流與d1點的短路電流完全相同，但是校驗QF4，QS5，QS6的短路電流為：

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、母線電抗器d3點發生三相對稱短路等值電路圖如下：

2網路化簡，求計算電抗

系統S對d3點的轉移阻抗X20＝1.513，計算電抗為Xsjs＝1.513×＝66.19。

電源歸併後，G1、G3、G4對d3點的轉移阻抗X19＝0.841，計算電抗為X3js＝0.841×＝1.31。

電源G2對d3點的轉移阻抗X11＝0.4，計算電抗為X2js＝0.4×＝0.13。

3、《供電技術》氣輪機運算曲線數值表，求短路電流：

a、由於Xsjs＝66.19＞3，所以I*＝＝0.02。

b、電源G1、G3、G4各時刻短路電流：

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

C、電源G2各時刻短路電流：

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

⑶、各時刻短路電流的有名值：

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、校驗QF3、QS3、QS4及電抗器L1的短路電流為：

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、電纜出線處d4點發生三相對稱短路等值電路圖如下：

現將計算結果列於下表：

表3－1

I0（KA）

I0.2（KA）

I2（KA）

I4（KA）

短路點的電流

8.91

8.56

8.69

校驗QF3、QS3、QS4及電抗器L1的短路電流

8.91

8.56

8.69

5、電纜末端d5點發生三相對稱短路等值電路圖如下：

現將計算結果列於下表：

表3－2

I0（KA）

I0.2（KA）

I2（KA）

I4（KA）

短路點的電流

5.31

5.19

5.32

校驗電纜的短路電流

5.31

5.19

5.32

㈡、35KV電壓級

1、發電機－變壓器母線d6點發生三相短路等值電路圖如下：

計算結果列於下表：

表3-3

I0（KA）

I0.2（KA）

I2（KA）

I4（KA）

短路點的電流

10.87

8.92

8.23

8.45

校驗QF11、QS19、QS3

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