完整版火电厂厂用电系统一次设计毕业设计.docx
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完整版火电厂厂用电系统一次设计毕业设计
毕业论文（设计）
题目火电厂厂用电系统一次设计
院（系）计算机与信息工程学院
专业电气工程及自动化
学生姓名符家晓
成绩
指导教师刘雪连（职称）讲师
2015年5月
诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下，由我本人独立完成。
有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中参考文献中指出。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。
如在文中涉及到抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。
毕业论文（设计）作者签名：
签名日期：
年月日
摘要
随着电力行业不断的发展，我国发电机、变压器单机容量不断增大，电力系统设计正朝着“大机组、超高压、大电网”的方向发展，对电网的安全、稳定运行尤为重要，保证机组安全、稳定运行的厂用电系统的设计越发显得重要。
本设计为4×660MW火力发电厂厂用电系统一次设计，根据厂用电设计规范，厂用电电气主接线采用发电机-变压器组单元接线直接接入电厂新建的500kV配电装置，电厂升压站500kV母线经一个半断路器接至10KV高压系统，高低压侧（10KV和0.4KV）选择母线形式都为单母线，使电厂电气主接线充分体现出安全性、可靠性、经济性。
对于厂用电变压器的选择，首先对火电厂各工艺设备进行负荷分类，其次进行负荷计算，以此为依据选择合适的变压器容量与台数。
在进行高压厂用电系统设计时，根据供电要求，确定厂用电源的取得方式与厂用电电压等级、厂用配电装置布置形式、设备选型等，利用浩辰CAD实现高压厂用电系统的设计。
在进行低压厂用电设计时，统计所有低压厂用电的负荷，选择合适的低压电气设备，利用浩辰CAD完成低压厂用电系统设计的绘制。
通过本课题的研究，掌握了厂用电设计的设计要求与设计规范，掌握了浩辰CAD绘图软件的使用与操作，提高了自己的工程实践能力。
关键字：
厂用电系统、负荷计算、变压器、CAD绘制
第一章绪论7
1.1课题研究的目的和意义7
1.2电力行业发展的趋势和研究现状8
1.2.1国内研究现状8
1.2.2国外研究现状8
1.3本文主要的工作9
第二章火电厂厂用电系统的设计内容和原则10
2.1电气主接线的设计和原则10
2.1.1负荷计算的目的和意义10
2.1.2主接线设计主要考虑因素11
2.1.3电气主接线设计11
2.2高低压厂用电系统接线设计与原则13
2.2.1厂用电接线基本形式和特点13
2.2.2厂用电电压的选择15
2.2.3高低压厂用电接线原则15
2.3变压器的选择原则16
2.3.1变压器台数的选择原则16
2.3.2变压器容量的选择原则17
2.3.3变压器类型的选择原则19
2.4短路电流的计算20
2.4.1短路计算的目的和意义20
2.4.2三相短路电流计算21
2.5厂用电气设备的选择原则21
2.6接地设计原则23
2.6.1接地分类23
2.6.2厂用电系统中性点接地方式24
第三章厂用负荷的分类及计算25
3.1火电厂厂用电的主要负荷类型25
3.1.1按电源的种类分类25
3.1.2按负荷的工艺系统分类26
3.1.3按负荷重要性分类26
3.2负荷计算的目的和意义27
3.3负荷计算的原则27
3.4负荷计算的方法28
3.5工艺负荷的计算30
第四章高低压厂用电系统设计42
4.1高压厂用电设计42
4.1.1高压厂用电接线方式43
4.1.2高压变压器选择的结果43
4.2低压厂用电系统设计46
4.2.1低压厂用接线方式46
4.2.2低压厂用变压器选择的结果47
4.2.3保安电源的配置47
4.3中性点接地设计50
4.4高低压厂用电系统设计图50
第五章结束语50
致谢52
参考文献53
附录A设计图纸54
附录B外文翻译文献54
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
电能是一种清洁的二次能源，由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度,易于实现自动化。
电力工业是我国民经济发展中最重要的基础行业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点，随着中国经济的发展，对电的需求量不断扩大，电力销售市场的扩大又刺激了整个电力生产的发展。
建立火电厂就是将不容易、不方便被人们利用的能量，通过火电厂转化为易被人们利用的电能。
在这个过程中，提高了能量的利用率，节约能源，对人类的可持续发展有重要的意义，而火力发电厂厂用电系统的设计是电力工业建设中必不可少的一个项目。
火电厂厂用电是发电厂本身的用电，是非常重要的负荷，其电能主要取自于发电厂本身发出的能量，因此厂用电设计对于火电厂有着很重要的影响。
对本课题的设计，是对已学知识的整理和进一步的理解、认识，学习和掌握火电发电厂厂用电设计的基本方法，培养运用专业知识解决实际问题的能力、查询资料的能力以及分析问题的能力，熟悉工程设计规范，掌握实际工程设计的基本技能，提高运用CAD绘图能力，锻炼了自己的操作能力，为进入实际工作时打下基础。
电力工业的迅速发展，各种类型的大、中、小型发电厂正在全国各地如火如荼地建设中，对各种类型的发电厂厂用电的设计提出了更高的要求，更需要我们提高知识理解应用水平，认真对待。
1.2电力行业发展的趋势和研究现状
1.2.1国内研究现状
目前我国火力发电厂发电量占全国总发电量的70%以上，而凝汽式火电厂是其中的主力军。
大型火力发电厂的建设对承担整个发电厂动力保证的发电厂厂用电系统来说，对其运行稳定和供电可靠性提出了很高的要求，因而火力发电厂厂用电系统的设计是电力工业建设中必不可少的一个项目。
火电厂厂用电接线设计首先应保证对厂用负荷可靠和连续供电，使发电厂安全满发、运行可靠，其次接线应能灵活的适应日常正常、事故、检修等各种运行方式的要求，要考虑厂用电源的对应供电性，本机、炉的厂用负荷由本机组供电，这样当厂用电系统发生故障时只会影响一台发电机组的运行，缩小了故障范围，接线也简单方便，应适当注意经济型和将来发展的可能性，并慎重的采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性。
火电厂厂用电源必须供电可靠，且能满足各种工作状态的要求，除应具有正常工作电源外，还应设备用电源、启动电源和事故保安电源。
一般电厂中都以启动电源兼作备用电源。
火电厂厂用电接线形式大都采用单母线分段接线，并多以成套配电装置接受和分配电能。
在采用母线管理制的中、小型发电厂中，往往机、炉的数量是不对应的，为了保证厂用电系统的供电可靠性和经济性，高压厂用母线均采用“按锅炉分段”的原则，即将高压厂用母线按锅炉台数分成若干独立段，凡属同一台锅炉的厂用负荷均接在同一段母线上，与锅炉同组的汽轮机的厂用负荷一般也接在该段母线上，而该段母线由其对应的发电机组供电。
全厂公用负荷应根据负荷功率及可靠性的要求分别接到各段母线上，各段母线上的负荷应尽可能均匀分配。
当公用负荷大时，可设公用母线段。
对于400t/h及以上的大型锅炉，每台锅炉设两段高压厂用母线。
低压厂用母线一般也按锅炉分段[5]。
1.2.2国外研究现状
目前关于火电厂厂用电研究已经较为成熟，对厂用电设计已经有了一套完整规范。
但厂用电主接线的确定对发电厂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很大的影响，因此全面考虑电厂的远景规划，结构布局，运用新技术，新设备，对厂用电电气部分进行优化设计，以提高供电可靠性和稳定性已成为国外研究的新课题。
在发电厂电气设备如高压开关方面，向高电压、大开断容量、智能化方向发展。
在发电机出口断路器方面，已有SF6型（GCB），它额定电流可达24000A，开断能力160kA，而且结构紧凑，故障率更低（<0.3%），还可以集成CT、PT、接地开关等设备，成为多功能的组合电器。
1.3本文主要的工作
（1）掌握火电厂主要工艺的流程
（2）学习并熟练掌握浩辰CAD的绘图工具及标注
（3）收集技术资料和技术标准，掌握厂用电系统的设计内容和设计原则。
（4）根据电厂机组容量，进行厂用电设计及负荷计算，负荷计算包括除尘、化水、机务、热控等负荷计算，设计内容包括：
电力负荷的分类及变压器的选择、电压等级的选择、厂用电主接线的选择、高压厂用电系统的接线和低压厂用电系统的接线、高低压厂用启动/备用变压器的选择。
（5）使用浩辰CAD绘制高低压厂用电系统图。
第二章火电厂厂用电系统的设计内容和原则
2.1电气主接线的设计和原则
2.1.1电气主接线的基本要求
电气主接线是发电厂电气的主体结构，是火电厂厂用电的重要组成部分，直接影响电厂运行的可靠性、灵活性并对电气选择、配电装置的布置、自动装置和控制方式的拟订都有决定性的关系。
主接线的正确、合理设计，必须综合各个方面的因素，经过技术，经济论证后方可确定。
因此，主接线必须满足以下基本要求。
1.可靠性
主接线的可靠性包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中可靠性的综合，在很大程度上也取决于设备的可靠程度。
可靠性的具体要求在于断路器检修时，不宜影响对电厂系统的供电；断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。
2.灵活性
主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。
在调度时，可以灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式的系统调度要求；在检修时，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；扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线
3.经济性
为了节省投资，主接线力求简单，以节省断路器、隔离开关、熔断器、电流和电压互感器、避雷器等一次设备；要节省继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆；要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备；主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少；经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量、要避免因两次变压而增加电能损失。
4.具有发展和扩建的可能性
随着经济的发展，火电厂可能需要扩大机组容量，从主变压器的容量、数量到馈电线路数均有扩建的可能，有的甚至需要升压，所以在设计主接线时应留有发展余地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到分期过渡接线的可能和施工的方便。
2.1.2主接线设计主要考虑因素
在对设计原始资料分析的基础上，结合对电力系统电气主接线的可靠性、经济性及灵活性等基本要求综合考虑。
（1）可靠发电是本设计火电厂应该考虑的首要问题，兼顾到经济性和火电厂自用电重要性等问题，主接线尽量缩小厂用电系统的故障影响范围，避免引起全厂停电事故。
万一发生全厂停电，尽快从系统取得启动电源。
（2）本火电厂有无全厂停电的可能性。
高压厂用母线一般按炉分段，即发电机供给各自机、炉的用电。
低压厂用变压器由一般由高压厂用母线段上引接。
高低压，厂用母线均采用单母线，双电源供电，即设有备用电源。
线路、断路器、主变或母线故障或检修时，对机组的影响，对发电机出力的影响。
（3）主接线是否具有足够的灵活性，能适应各种运行方式的变化，且在检修事故状态下操作方便，调度灵活，检修安全等。
在满足技术要求的前提下，尽可能考虑投资省、易操作，电能损失小和年运行费用少。
2.1.3电气主接线设计
1.原始资料分析
（1）火电厂厂用电一次设计。
（2）设计一个4×660MW机组火电厂厂用电，发电机出口电压22kV，起动/备用电源从500kV母线引入，电厂本期500kV出线2回，均接至±800kV换流站，线路采用4×JL/G1A-400导线，长度约为50km。
（3）主变压器选型
变压器：
双绕组单相自耦无励磁调压变，额定容量780MVA；
电压比：
（525±2×2.5%）/kV/22kV；
调压方式：
无载调压；
阻抗电压（%）：
16；
接线组别：
YN，d11
升压变压器高压侧中性点按直接接地设计，低压侧按不接地设计。
2.电气主接线
电气一次主接线通常有双母线接线、发电机—变压器—线路组单元接线、一台半断路器接线等三种主要接线形式，本工程采用发电机-变压器组单元接线直接接入电厂新建的500kV配电装置，电厂升压站500kV母线电气主接线拟采用一个半断路器接线形式。
如图2.1所示。
图2.1电气主接线图
2.2高低压厂用电系统接线设计与原则
2.2.1厂用电接线基本形式和特点
厂用电接线形式包括单母线和双母线接线。
单母线又分为单母线、单母线有分段、单母线分段带旁路母线等形式；双母线又分为双母线、双母线分段、带旁路母线的双母线和二分之三接线等形式，本电厂采用单母线接线形式，。
1.单母线接线形式，如图2.2所示。
图2.2单母线接线形式
接线特点：
所有电源及出线均接在同一母线上。
优点是简单明显，采用设备少，操作方便，便于扩建，造价低；
缺点是供电可靠性低。
2.单母线分段接线,如图2.3所示
图2.4单母线分段接线,
1.接线特点
（1）分段断路器闭合运行
一个电源故障时，仍可以使两段母线都有电，可靠性比较好，但线路故障时短路电流较大。
（2）分段断路器断开运行
在QF1处装设备自投装置，重要用户可以从两段母线引接采用双回路供电，还可以限制短路电流。
2.优缺点分析
优点：
提高了供电可靠性
缺点：
停电范围较大
2.2.2厂用电电压的选择
1.高压厂用电的电压
（1）容量为600MW及以下机组，发电机电压为10.5KV时，宜采用3KV、10KV；发电机电压为6.3时，宜采用6KV;
（2）容量125～300MW级的机组，宜采用6KV；
（3）容量为600MW及以上的机组，可根据具体条件采用6KV1级或1KV、10KV2级高压厂用电压。
2.低压厂用电电压
容量为200MW及以上的机组，主厂房内的低压厂用电系统宜采用动力与照明分开供电方式，动力网络的电压宜采用380V。
本课题机组为660MW容量，所以高压厂用电宜采用10KV电压，低压厂用电采用400V电压。
2.2.3高低压厂用电接线原则
1.高压厂用电接线原则和方式
高压厂用电接线原则
（1）每台机组的高压厂用电应该相对独立，对200MW及以上的机组尤为重要，防止某一台机组的厂用电母线故障时，不影响其他机组的正常运行。
200MW及以上的机组是电力的主力机组，一旦几台机组同时停运，有可能造成电力系统的崩溃和瓦解，同时由于事故被限制在小的范围，也便于处理事故，并使机组在短时间内恢复运行。
（2）高压厂用电应设有启动/备用电源，电源设置方式根据机组容量大小和它在系统的重要性而异，但必须是可靠的。
（3）考虑全厂的发展规划，各高压厂用电系统的布置应留有充分余地，容量上应考虑足够的裕度，以免在扩建时造成重复性浪费。
（4）应尽量减少在数台机组连续施工过程中多次停电改变接线和更换设备的几率。
高压厂用母线应采用单母线接线，锅炉容量为125MW以下时，每台锅炉可由1段母线供电，锅炉容量为125MW及以上时，每台锅炉每一级高压厂用电压应不少于2段，并将双套辅机的电动机分接在两段母线上，2段母线可由1台变压器供电；
2.低压厂用电接线原则
低压厂用电也应采用单母线接线，锅炉容量为50MW以下时，且在母线上接有机炉的1类负荷时，宜按炉或机对应分段；锅炉容量为200MW及以上时，每台锅炉应设置2段及以上母线。
2.3变压器的选择原则
根据负荷计算统计结果，可进行变压器的选择。
变压器的选择包括容量、台数、类型的选择。
变压器原、副边额定电压应分别与引接点和厂用电系统的额定电压相适应。
联接组别一致使同一电压等级的厂用工作、备用变压器输出电压相位一致。
变压器的容量必须保证厂用机械及设备能从电源获得足够的功率。
2.3.1变压器台数的选择原则
在厂用电中，变压器台数的选择与供电范围内用电负荷大小、性质、重要程度有关。
选择台数配置符合下列原则：
1.高压厂用工作变压器的台数
（1）125MW级机组的高压厂用工作电源宜采用1台双卷变压器。
（2）200MW级～300MW级机组的高压厂用工作电源宜采用1台分裂变压器。
（3）600MW级机组的高压厂用工作电源可采用1台分裂变压器或1台分裂家1台双卷变压器。
（4）1000MW级机组的高压厂用工作电源可采用2台分裂变压器或1台分裂变压器加1台双卷变压器
2.低压厂用变压器台数是根据负荷工艺来决定，采用成对设置。
3.高压启动/备用变压器的台数
（1）小型发电厂，一般没4～6台厂用高压工作变压器设置一台厂用高压备用电压器。
（2）单机容量100～125MW的机组采用单元接线时，一般每2~4台厂用高压工作变压器设置一台厂用高压备用电压器。
（3）单机容量200MW以上的机组采用单元接线时，一般每2台厂用高压工作变压器设置一台厂用高压备用电压器。
（4）单机容量600MW及以上的机组，一般每2台厂用高压工作变压器设置一台厂用高压备用电压器。
4.低压启动/备用电压器
（1）单机容量在125MW及以下的中、小发电厂，一般没6~8台厂用低压工作变压器设置一台厂用低压备用电压器。
（2）容量为200MW的机组，每2台机组可合用1台低压厂用备用变压器。
（3）容量为300MW及以上的机组，每台机组宜设1台低压厂用备用变压器。
本设计是4*660MW级机组，工作电压选择为分裂变压器，每两台机组设置一台高压启动/备用变压器
2.3.2变压器容量的选择原则
厂用电变压器的容量必须满足厂用电负荷从电源获得足够的功率，因此，对厂用高压变压器的容量应按厂用电高压计算负荷的110%与厂用电低压计算负荷之和进行选择；而厂用低压工作变压器的容量应留有10%左右的裕度。
1.厂用高压工作变压器容量，当为双绕组变压器时按下式容量；
（2.1）
式中—厂用电高压计算负荷之和；
—厂用电低压计算负荷之和；
2.当分裂绕组变压器时，其各绕组容量应满足
高压绕组（2.2）
分裂绕组（2.3）
式中—厂用变压器高压绕组容量；
—厂用变压器分裂绕组计算负荷；
（2.4）
—分裂绕组两支重复计算负荷；
（2.5）
—厂用变压器分裂绕组容量；
3.启动/备用变压器容量
双绕组变压器（2.6）
分裂组变压器
（2.7）
（2.8）
式中：
—启动/备用变压器高压绕组容量；
—启动/备用变压器低压绕组原有负荷容量；
—最大一台厂用分裂绕组的计算负荷；
—启动/备用分裂绕组的计算负荷之和；
—启动/备用分裂绕组互为备用的重复负荷；
2.3.3变压器类型的选择原则
1.变压器的型号
变压器的型号是由字母和数字两个部分组成的，一般可表示如下：
其中：
1为变压器的产品型号，由多个字母组成；
2为设计序号；
3为额定容量，kV·A；
4为高压绕组电压等级，kV；
2.变压器型式的选择
主要包括有：
相数、绕组数、调压方式、连接组别等，以下分别介绍。
（1）相数选择
变压器有三相变压器和单相变压器。
在330KV及以下的发电厂和变电所，一般选用三相变压器。
单相变压器组是由三个单相的变压器组成，造价高、占地多、运行费用高。
只有受变压器的制造和运输条件限制时，才考虑用单相变压器组。
对于500KV发电厂和变电所，应根据技术经济论证来确定选用三相变压器还是单相变压器组。
在本设计中，电压等级是500KV，因此选用三相变压器。
（2）绕组数的选择
发电厂的容量为100MW及以上的机组时，一般采用发电机-双绕组变压器单元接线形式接入系统。
采用扩大单元接线的变压器，适宜采用低压分裂绕组的变压器，可以大大限制短路电流。
根据以上选择原则，并结合主接线采用发电机-变压器单元接线形式，主变压器选用双绕组变压器。
（3）绕组联结方式
电力系统中变压器绕组采用的联结方式有星形和三角形两种，高压绕组为星形联结时，用符号Y表示，如果将中性点引出则用YN表示，对于中、低压绕组则用y及yn表示；高压绕组为三角形联结时，用符号D表示，低压绕组用d表示。
我国110KV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中性点都需要选择YN的联结方式，对于110KV变压器的35KV侧也采用yn的联结方式，以便接入消弧线圈，而6～10KV侧采用d形,因此，变压器高压侧采用YN，低压侧采用d形联结方式。
（4）调压方式选择
变压器的调压方式分带负荷切换的有载（有励磁）调压方式和不带负荷切换的无载（无励磁）调压方式两种。
在能满足电压正常波动情况下一般采用无载调压方式。
对于接于出力变化大的发电厂的主变压器，要求变压器的二次电压维持在一定的水平，应该采用有载调压方式。
由此，在设计中采用无载调压方式，发电机可以通过发电机的励磁调压来调压。
2.4短路电流的计算
2.4.1短路计算的目的和意义
1.短路故障的原因
（1）电气设备及载流导体因绝缘老化、或遭受机械损伤，或因雷击、过电压引起的绝缘损坏。
（2）电气设备因设计、安装、维护不良和运行不当或设备本身不合格引发的短路。
（3）运行人员违反安全操作规程而误操作，如运行人员带负荷拉隔离开关，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等都回造成短路。
2.短路故障的危害：
（1）电流急剧增大。
短路时的故障电流可以达到正常负荷电流的十几倍，高达几万甚至十几万安培，产生巨大的冲击力和大量的热量，引起设备损坏，危及人身安全。
（2）电网电压大幅下降。
（3）使系统并列同步运行的稳定性遭到破坏。
（4）不对称短路时流过的不平衡电流产生大量谐波，干扰通讯，危及设备和人身安全。
2.短路计算的目的：
（1）正确的选择电气设备及导体，使之在短路故障发生时不致损坏。
（2）正确选择合理的继电保护装置，使其在短路故障时能可靠切除故障。
3.短路计算主要用于：
（1）设备选择；
（2）继电保护装置的设计和整定；
（3）电网接线方式的合理选择
2.4.2三相短路电流计算
1.高压短路电流计算
高压厂电用电系统的短路电流由厂用电源和电动机两部分供电，按实用计算法
（1）三相短路电流分量的起始值
式中—短路电流周期分量的起始有效值（KA）；
—厂用电源短路电流周期分量的起始有效值（KA）；
—电动机反馈电流周期分量的起始有效值（KA）；
—基准电流（KA）；
—系统电抗（标幺值）；
—厂用变压器的电抗（标幺值）；
（2）短路冲击电流
式中—短路冲击电流（KA）；
—厂用电源的峰值电流（KA）；
—电动机的反馈峰值电流（KA）；
—厂用电源短路电流的峰值系数；
—电动机反馈电流的峰值系数；
（3）t瞬间三相短路电流
式中—t瞬间短路电流的周期分量有效值；
—t瞬间短路电流的非周期分量有效值；
—t瞬间厂用电源短路电流的周期分量有效值；
—t瞬间厂用电源短路电流的非周期分量有效值；
—t瞬间电动机反馈电流的周期分量有效值；
—t瞬间电动机反馈电流的非周期分量有效值；
（4）三相短路电流的热效应
式中—短路电流热效应；
—短路电流瞬时值；
2.低压短路电流
低压（380V）短路电流，由低压厂用变压器和异步电动机
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