河南理工大学凝汽式火力发电厂电气部分简单设计.docx
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河南理工大学凝汽式火力发电厂电气部分简单设计
第一章电气主接线设计
电气主接线代表了发电厂和变电站电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。
因此电气主接线应满足可靠性、灵活性、经济性三方面。
1.1对原始资料的分析
（1）本工程情况。
本发电厂是小型凝汽式火力发电厂，设计只有一个机组单机容量只有15MW。
而最大负荷利用小时数达5500h；由此可见其以承担着基荷为主，且设备利用率较高，此电厂应该为某企业或某地自备发电厂，靠近负荷中心；
（2）电力系统情况。
由资料可以看出此小型凝汽式火力发电厂以承担着基荷为主，基本上是自带负荷，且设备利用率较高，靠近负荷中心，应该为某企业或某地自备发电厂；只是将剩余功率送入系统，对系统的作用及影响不大；而且根据国家相关政策本电厂没有发展潜力，为节能减排，此电厂会被关停；
（3）负荷情况。
由于与负荷中心靠近，所以本电厂发出的电基本上都供给附近负荷使用，电压等级及容量较小，但出线回路较多，可见其设备利用率较高；
1.2主接线方案的拟定和选择
1.2.1电气主接线的叙述
（1）单元接线单元接线是无母线接线中最简单的形式，也是所有主接线基本形式中最简单的一种。
主要优点：
接线简单、开关设备少、操作简便、以及因不设发电机电压级母线，而在发电机和变压器之间采用封闭母线，使得发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压级母线时有所减小。
电力系统情况。
由资料可以看出此小型凝汽式火力发电厂以承担着基荷为主，基本上是自带负荷，且设备利用率较高，靠近负荷中心，应该为某企业或某地自备发电厂；只是将剩余功率送入系统，对系统的作用及影响不大；而且根据国家相关政策本电厂没有发展潜力，为节能减排，此电厂会被关停；
（2）（3）负荷情况。
由于与负荷中心靠近，所以本电厂发出的电基本上都供给附近负荷使用，电压等级及容量较小，但出线回路较多，可见其设备利用率较高；
（2）单母线接线优点：
接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。
而缺点是可靠性差。
母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行；调度不方便，电源只能并列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。
所以这种接线形式一般只用在发电机容量小、台数较多而负荷较近的小型电厂和出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。
（3）单母线分段接线单母线用分段断路器QFD进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性，不致使重要用户停电；但这种接线当进出线较多或需要对重要负荷采用两条出线供电时，增加了出线数目，且常使架空线交叉跨越，使整个母线系统的可靠性受到限制；适用范围：
在具有两回进线电源的条件下，采用单母线分段接线比较优越。
（4）双母线接线双母线接线有两组母线，并且可以相互备用，两组母线之间的联络，通过母线联络断路器QFC来实现。
具有供电可靠、调度灵活、扩建方便的优点，与单母线接线相比，投资有所增加，但使运行的可靠性和灵活性大为提高。
其缺点是：
当母线故障或检修时，需将隔离开关进行倒闸操作，容易发生误操作事故，需在隔离开关和断路器之间装设可靠的联锁装置，对运行人员的要求比较高；
1.2.2主接线方案的选择
根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等的不同考虑确定出两个接线方案如下：
（1）发电机出口就带有负载，且有8回出线，最小负荷达到12MW，大量供电给近区负荷，所以单元接线在此不适用，主接线必须设置发电机电压母线；
（2）此发电厂只装有一台发电机，且容量只有15MW，靠近负荷中心，属于企业自备发电厂或某小地区自用电厂，多数情况下发出的电能只供给附近负荷，送入系统的很少，所以对可靠性要求不是很高，主接线只考虑单母线、单母线分段、或双母线接线形式；
（3）由于只有一台发电机，所以在此电厂单母线分段接线不适用；
（4）通过原始资料分析，该电厂只是将很少的一部分剩余电能送入系统，所以只考虑用一台主变压器；
通过各方面的分析考虑拟定出如下两种方案供选择：
发电机出口母线采用单母线接线形式，电气主接线如图1-1所示
图1-1单母线主接线图
方案二
发电机出口母线采用双母线接线形式，电气主接线如图1-2所示
图1-2双母线主接线图
对两方案进行综合比较可以看出：
单母线接线简单清晰，使用设备少，经济性比较好。
且运行经验表明，误操作是造成系统故障的重要原因之一，所以主接线简单，操作人员发生误操作的可能性小；所以其适用于发电机容量小而负荷较近的电厂。
双母线接线供电可靠，两个母线可以互为备用，但当母线故障或检修，进行倒闸操作时，容易发生误操作事故，对运行人员要求高。
同时与单母线接线形式相比增加了一条母线和一台母联断路器的投入，投资较大。
通过对原始资料的分析表明：
此电厂容量小，只供近区负荷使用，所以在可靠性的基础上，经济性是最重要的；通过对两种主接线的可靠性、灵活性和经济性等各方面的综合考虑，辩证统一，最终确定方案一为设计方案。
第二章主变压器的选择
变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。
如果变压器容量选得过大、台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出或者会满足不了电站负荷的需要，这在技术上是不合理的。
2.1主变压器容量的选择此小型电厂具有发电机电压母线，应考虑一下因素：
（1）接在母线上的发电机处于满载状态而母线负荷（包括厂用电）最小时能将全部剩余功率送入系统；
（2）发电机开机容量最小、母线负荷最大时。
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是最大负荷的要求。
2.2主变压器台数的选择
具有发电机电压母线的发电厂，通常接的小型机组，按照“以热定电的运行方式，坚持自发自用”的原则，严格限制上网电量，为确保对发电机电压上的负荷供电可靠性，接于母线上的变压器不少于2台；对于小型电厂，可只装1台主变压器与电力系统构弱连接
（1）主变压器型号的选择
主变压器型号的选择应尽量考虑采用低损耗、高效率的变压器。
同时也要考虑变压器绕组耦合方式、相数、冷却方式、绕组数、绕组导线材质及调压方式等。
根据原始资料分析，相关计算如下：
可以得出送入系统的最大容量为：
PN
1512
SmaxcosN19%SLmin01.5819%01.282.0625MVA
所以主变压器的容量选择：
SN110%Smax2.6875MVA经过综合考虑，主变压器的型号选为SL72500/35主要技术参数如下表
额定容量KVA
额定电压KV
阻抗电压%
损耗W
空载电流%
高压
低压
空载
短路
2500
35
10.5
6.5
4000
23000
2.2
表2-1SL72500/35型变压器技术参数
同时，对厂用变压器选择过程如下：
15
SN110%S厂用负荷110%9%1.856MVA
0.8
最终厂用变压器的型号选为SL72000/10主要技术参数如下表：
额定容量KVA
额定电压KV
阻抗电压%
损耗W
空载电流%
高压
低压
空载
短路
2000
10.5
6.3
5.5
2970
16500
0,8
表2-2SL72000/10型变压器技术参数
第三章短路电流计算
3.1短路电流计算的目的
在发电厂和变电所电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节，其计算的目的主要有以下几个方面：
（1）选择电气设备。
在选择各种电气设备时，需要计算出可能通过电气设备的最大短路电流及其产生的电动力效应及热效应，以便检验电气设备的动稳定性和热稳定性；
（2）配置和整定继电保护装置。
系统中应配置哪些继电保护以及参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算分析；
（3）选择限流电抗器。
当短路电流过大时，会造成设备选择困难或不经济，这时可在供电线路中串接电抗器来限制短路电流。
通过短路电流的计算，决定是否使用限流电抗器，并确定所选电抗器的参数；
（4）确定供电系统的接线和运行方式。
供电系统的接线和运行方式不同，短路电流的大小也不同。
只有在计算出在某种接线和运行方式下的短路电流，才能判断这种接线及运行方式是否合理；
（5）设计屋外高压配电装置时，需按短路电流为依据；接地装置的设计，也需用短路电流。
3.2短路电流的计算条件
验算导体和电器时所用短路电流，一般有以下规定:
（1）计算的基本情况
（a）电力系统中所有电源均在额定负荷下运行：
（b）所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
（c）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
（d）所有电源的电动势相位角相同：
（e）应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。
对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
（2）接线方式计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
（3）计算容量应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑
本工程建成后5—10年）。
（4）短路种类一般按三相短路计算。
若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统以及自耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况的进行校验。
（5）短路计算点在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。
对于带电抗器的6一10kV出线与厂用分支线回路，在选择母线至母线隔离开关之间的引线、套管时，短路计算点应该取在电抗器前。
选择其余的导体和电器时，短路计算点一般取在电抗器后。
3.3短路电流的计算过程
系统的等值电路图如图3-1
图3-1系统等值电路图
取基准容量为SB100MVA，同时取各级电压的平均额定值为基准值。
即有UB110.5KVUB237KVUB36.3KV
0.1411000.752=0.44
18.75
厂用变压器X3*Us（%）
UN
SB
3*100
UB
SN
5.5%10202.75
系统X4*0.5
f1点短路时，等值电路如下图所示
图3-2f1点短路故障等值电路
1
If1.65
X*
SB
If1IfB9.07KA
3UB1
X1*X2*X4*
X*1*2*4*0.605X1*X2*X4*
所以f1点短路电流的有名值为：
f2点短路时，等值电路如下图所示
图3-3f2点短路故障等值电路
X4*X2*X1*
X*4*2*1*0.435
*X1*X2*X4*
所以f2点短路电流的有名值为：
f3点短路时，等值电路如下图所示
X*
所以f3点短路电流的有名值为：
2.73KA
SB
If3If
3UB3
第四章电气设备的选择
4.1电气设备选择的一般条件
电气设备总是在一定的电压、电流、频率和工作环境下工作的，电气设备的选择除了满足正常工作条件下安全可靠运行，还应满足在短路故障条件下不损坏，开关电器还必须具有足够的断流能力，并适应所处的位置（户内或户外）、环境温度，海拔高度及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件。
（1）按环境条件选择电气设备。
根据电气装置所处的位置（户内或户外）、使用环境和工作条件，选择电气设备的型号；
（2）按工作电压选择电气设备的额定电压UN，电气设备的额定电压UN应不低于其所在电网的额定电压U，即UNU；
（3）按长期工作电流选择电气设备的额定电流IN，电气设备的额定电流应不小于通过它的长时最大工作电流（即30min平均最大负荷电流，以Imax表示），即INImax
（4）按短路条件校验电气设备的热稳定和动稳定。
为保证电气设备在短路故障时不致损坏，就必须按最大可能的短路电流校验电气设备的热稳定和动稳定，即It2Qk，iesish；
（5）开关电器断流能力的校验。
断路器和熔断器等电气设备负担着切断短路电流的任务，通过最大短路电流时必须可靠切断，包括开断电流和短路关合电流的校验，
即INbrI，iNclish
4.2断路器和隔离开关的选择及校验
4.2.1发电机出口断路器和隔离开关的选择及校验
（1）发电机出口长时最大工作电流为：
Imax1.05PN1.05151083A
max3UNcos310.50.8
根据发电机回路的UG、Imax及断路器安装在屋内的要求，可选LN-10/1250型六氟化硫断路器及GN210/2000型隔离开关，其相关参数如下表
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
额定断开电流（KA）
极限通过电流（KA）
热稳定电流（KA）
合闸时间
（s）
固有分闸时间（s）
最大
有效
3S
10
1250
25
55
32
25
0.06
0.06
表4-1LN-10/1250型六氟化硫断路器技术参数
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
极限通过电流（KA）
热稳定电流
（KA）10S
最大
有效
10
2000
85
50
20
表4-2GN210/2000型隔离开关技术参数
（2）相关校验
次暂态电流为：
IIf19.07KA；冲击电流为：
ish1.92I24.37KA
计算数据与表4-1、表4-2列出的相关参数相比较，可以看出所选的LN-10/1250型六氟化硫断路器及GN210/2000型隔离开关合格。
4.2.2厂用变压器及负荷出线回路断路器和隔离开关的选择及校验
（1）发电机端负荷每回出线的长时最大工作电流为：
厂用电回路的长时最大工作电流为：
1.05PN1.051.6875
ImaxN134A
max3UNcos310.50.8
因为以上两者的最大工作电流相差不大，且都从发电机电压母线上引出，所以它们的断路器型号可以选为一样的。
根据母线的UN、各自的Imax及断路器安装在屋内的要求，可选SN310型户内少油断路器及GN810/200型隔离开关，其相关参数如下表
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
额定断开电流（KA）
极限通过电流（KA）
热稳定电流（KA）
合闸时间
（s）
固有分闸时间（s）
最大
有效
4S
10
600
11.6
52
37.5
20
0.25
0.05
表4-3SN310型户内少油断路器技术参数
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
极限通过电流（KA）
热稳定电流
（KA）5S
最大
有效
10
200
25.5
14.7
10
表4-4GN810/200型隔离开关技术参数
（2）校验
发电机端负荷每回出线次暂态电流为IIf19.07KA，冲击电流ish1.92I24.37KA厂用电回路次暂态电流为IIf32.73KA，冲击电流ish1.92I7.34KA计算数据与表4-3、表4-4列出的相关参数相比较，可以看出所选的SN310型户内少油断路器及GN810/200型隔离开关合格
4.2.3主变压器断路器和隔离开关的选择及校验
（1）主变压器低压侧长时最大工作电流为：
1.05PN1.052.0625
Imax149Amax3UNcos310.50.8
根据母线的UN、Imax及断路器安装在屋内的要求，可选SN910型户内少油断路器及
GN810/200型隔离开关，其相关参数如下表
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
额定断开电流（KA）
极限通过电流（KA）
热稳定电流（KA）
合闸时间
（s）
固有分闸时间（s）
最大
有效
4S
10
600
14.4
36.8
14.4
0.2
0.05
表4-5SN910型户内少油断路器技术参数
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
极限通过电流（KA）
热稳定电流
（KA）5S
最大
有效
10
200
25.5
14.7
10
表4-5GN810/200型隔离开关技术参数
（2）校验发电机端负荷每回出线次暂态电流为IIf19.07KA，冲击电流ish1.92I24.37KA计算数据与表（）、表（（）列出的相关参数相比较，可以看出所选的SN910型户内少油断路器及GN810/200型隔离开关合格
D、主变压器接系统侧断路器的选择及校验
（1）主变压器高压侧长时最大工作电流为：
1.05PN1.052.0625
Imax45A
max3UNcos3350.8
根据系统的UN、Imax及断路器安装在屋外的要求，可选SW335型户内少油断路器及
GN810/200型隔离开关，其相关参数如下表
额定电压
（KV）
额定电流
（A）
额定断开电流（KA）
极限通过电流（KA）
热稳定电流（KA）
合闸时间
（s）
固有分闸时间（s）
最大
有效
4S
35
600
6.6
17
9.8
6.6
0.12
0.06
（2）校验
主变压器高压侧次暂态电流为IIf23.59KA，冲击电流ish1.92I9.65KA计算数据与表（）、表（（）列出的相关参数相比较，可以看出所选的SW335型户外少油断路器合格。
第五章母线的选择
在电力系统中母线起汇集和分配电能的作用。
常用的母线材料有铜、铝和铝合金，而在我配电装置国铝的储量丰富，价格低。
因此，铝母线广泛用于户、内外配电装置。
应根据具体使用情况按下列条件选择和校验。
5.1母线型式的选择
母线的截面形状应保证集肤效应系数尽可能低、散热良好、机械强度高、安装简便和连接方便。
导体的散热和机械强度与导体的布置方式有关。
三相系统平行布置时，若矩形导体的长边水平布置（竖放）方式，散热较好，载流量大，但机械强度较低；若其长边呈水平布置（平放），与前者则相反。
因此，导体的布置方式应根据载流量的大小，短路电流水平和配电装置的具体情况而定。
对于持续工作电流较大且位置特别狭窄的发电机、变压器出线端部，或采用硬铝导体穿墙套管有困难时，以及对铝有较严重腐蚀场所，可选用铜质材料的硬裸导体。
回路正常工作电流在4000A及以下时，一般选用矩形导体。
在4000～8000A时，一般选用槽形导体对于容量为200MW及以上的发电机引出线和厂用电源、电压互感器等分支线，应采用全连式分相封闭母线。
容量为200～225MW发电机的封闭母线一般采用定型产品。
对于本电厂相关数据分析可以看出发电机电压母线应选择矩形铝导体水平布置。
5.2导体截面的选择
导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。
对年负荷利用小时大（通常指Tmax5000h），传输容量大，长度在20m以上的导体，如发电机、变压器的连接导体其截面一般按经济电流密度选择；而配电装置的汇流母线通常在正常运行方式下，传输容量不大，故可按长期允许电流来选择。
但是按经济电流密度选择的导体截面的允许电流还必须满足长期发热允许电流的相关要求。
通过对原始资料的分析得出，发电机电压母线的最大持续工作电流为：
Imax1083A由于此电厂的容量很小，设备简单，所以可以按照长期发热允许电流来选择导体截面。
查表选取一条80mm×10mm矩形铝导体，平放允许电流为1427A，Kf1.05；当地环境温度取年最高气温40C，则综合修正系数为
经过动稳定及热稳定的校验，选择的母线符合安装运行要求
总结和体会
本次课程设计的主要任务是小型凝汽式火力发电厂电气部分一次主接线的简单设计及关电器元件的选择。
在老师的悉心指导和同学的帮助下，经过一周的时间，顺利完成了本次课程设计的任务。
在前期的原始资料分析及数据计算过程中，使自己对以前所学的相关专业知识重温了一遍；同时，也学习到专业知识在实际中如何运用，加深了对其理解，使自己更好的掌握本专业的相关理论知识，而且也使自己对CAD制图有了更深入的学习和掌握为自己以后的工作打下良好基础。
总之，通过本次课程设计，自己受益匪浅。
参考文献
[1]熊信银主编.发电厂电气部分.北京：
中国电力出版社，2009.
[2]黄纯华主编.发电厂电气部分课程设计参考资料.水利电力出版社.1987.
[3]陈跃主编.电气工程专业毕业设计指南—电力系统分册.中国水利水电出版社.2008.
[4]李光琦主编.电力系统暂态分析.北京：
中国电力出版社.2007.
[5]王越明主编.电气设备的选择与计算.北京：
化学工业出版社.2009.
[6]刘介才主编,工厂供电设计指导.北京：
机械工业出版社.1998
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