150MW火力发电厂电气部分设计.docx

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150MW火力发电厂电气部分设计

摘要

由发电、配电、输电、变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。

火力本文主要完成了电气主接线的方案设计及其经济型分析，主要电气设备的选择，包括主变压器的容量计算。

在发电厂短路电流计算的基础上，进行配电装置的选型方案的设计。

回路。

在火力发电厂电气部分设计中，一次回路的设计是主体，它是保证供电可靠性、经济性和电能质量的关键，并直接影响着电气部分的投资。

本文主要完成了电气主接线的方案设计及其经济型分析，主要电气设备的选择，包括主变压器的容量计算。

在发电厂短路电流计算的基础上，进行配电装置的选型方案的设计。

关键词：

发电厂；电气主接线；电气设备

第1章绪论

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（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）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。

由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。

因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。

据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。

电力工业的发展概况

随着我国电力事业迅猛发展，工程规模在不断扩大，所采用的电气设备在不断更新换代。

通过具体实践摸索及不断总结、积累和丰富了很多宝贵的运行经验和设计经验。

自九十年代起，我国陆续修订了所有的规程和规范，电气标准全面向IEC标准靠拢，并等效地被采用。

从1982年起，分十几批淘汰了大量的落后机电产品，多次整顿生产秩序，加强了对电气产品的质量管理，努力缩小了发达国家的差距，引进和开发了具有国际先进水平的电气设备。

二十多年来我们无论是在设计标准、设计依据和设计方法上，还是在设计所选用的先进技术和设备上都有了腾飞性的发展。

随着对大中型水电站推广“无人值班、少人值守”的运行方式，电站的自动化水平越来越高，要更广泛地采用高水准的设备，相应地对厂用电系统设计和厂用设备选型上也提出了更高的要求。

发电厂预设规模

1．厂址概况：

本厂为坑口电厂，所有燃料由煤矿直接供给。

电厂生产的电能除用于厂用外，全部220kV线路送入周边系统。

厂区地势较不平坦，地质条件好，有新的公路、铁路通向矿区，交通方便。

厂址附近有大河通过，水量丰富，冻土层1.5米深，覆冰厚10mm；最大风速20m/s；年平均温度+6℃，最高气温+38℃，最低气温-36℃，土壤电阻率>500

。

2．机组参数：

锅炉：

4

HG-670/140-1

汽机：

2

N200-130/535/535

发电机：

4

QFQS-200-2

3．火力发电厂的接线图，如图1-1。

图1.1火力发电厂接线图

发电厂接入系统的原则

在拟定发电厂接入系统的方案时，应明确该厂规划装机容量、单机容量、送电方向、功率、供电距离及在电力系统中的地位和作用，对于不同规模的发电厂及发电机组，应根据在系统中的地位，接入相应电压等级的电力网。

在负荷中心的中小发电厂，在发电机端设立母线，发电机经母线及升压变压器接入系统；对远离负荷中心的火力发电厂，应直接接入高压主网。

单机容量为100~125MW的机组，当系统有稳定性要求时，应直接升压接入220kV电力网；单机容量为500MW及以上的机组，一般直接升压接入500kV电力网[1]。

第2章电气主接线设计

2.1电气主接线设计的基本要求

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，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。

概括地说包括以下五个方面：

[2]

1．可靠性；

2．灵活性；

3．经济性；

4．操作应尽可能简单、方便；

220kV电压等级常用接线方式

220kV电压级常用接线方式及适用范围总结见表2-1。

表2.1220kV电压级常用接线方式及适用范围

电压

接线方式

适用范围

220

双母线或单母线

采用SF6全封闭组合电器时，不设旁路措施；采用SF6断路器时，不宜设旁路措施；采用少油断路器出线在4回及以上时，采用带专用旁母断路器的旁路母线

双母线分段

安装200MW及以下机组，电厂容量在800MW及以上，进出线10~14回；采用双母线双分段配置困难的配电装置

双母线双分段

安装200MW及以下机组，电厂容量在1000MW及以上，进出线15回及以上

2.2拟定可行的主接线方案

1采用双母线分段接线方式，将双回路分别接于不同的母线段上，可缩小母线故障的影响范围，主接线形式见图2-1。

图2.1方案一接线图

2采用双母线接线，断路器采用高可靠性的

断路器。

主接线形式见图2.2。

2.2方案二接线图

3方案的比较与选定

1．可靠性

方案一将双回路分别接于不同的母线段上，保证了系统的供电可靠性，减小了停电的几率，缩小了母线的故障范围。

方案二可以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至使供电中断。

在检修任意线路断路器时，该回路需短时停电。

断路器采用

断路器，检修周期长，不需要经常检修减小了断路器检修停电的几率。

通过对比可见，可靠性方面方案一的可行性稍高于方案二。

2．经济性

方案一多装了价高的断路器及隔离开关，投资增大，占地面积增加。

方案二设备相对少，投资小，年费用小，占地面积相对较小。

通过对比可见，经济性方面方案二的可行性明显优于方案一。

通过对实际情况的分析，方案二在可靠性上略低于方案一，但断路器采用SF6断路器，它的检修周期长，不需要经常检修。

这样就可以减小了断路器检修停电的几率。

在经济性上，方案二明显高于方案一，因而综合考虑选择方案二。

2.3变压器的选型

主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是大容量、高电压的配电装置的投资也很大。

因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。

本次设计中变压器均为单元接线形式，单元接线时变压器容量应按发电机的额度容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。

（2-1）

式中

—发电机容量，为200MW；

—通过主变的容量；

—厂用电，为8%；

—发电机的额定功率，为0.85。

发电机的额定容量为200MW，扣除厂用电后经过变压器的容量为：

选定三相风冷自然循环双绕组无励磁调压变压器，型号为：

，参数为

。

第3章短路电流的计算

3.1概述

电力系统运行有三种状态：

正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。

在供电系统的设计和运行中，还要考虑到可能发生的故障以及不正常运行情况。

对供电系统危害最大的是短路故障。

短路电流将引起电动力效应和发热效应以及电压的降低等。

因此，短路电流计算是电气主接线的方案比较、导体及电气设备的选择、接地计算以及继电保护选择和整定的基础。

短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。

如电力系统中，相与相之间的中性点直接接地系统中的相与地之间的短接都是短路。

为了保证电力系统的安全，可靠运行，在电力系统设计和运行分析中，一定要考虑系统等不正常工作状态。

造成短路的原因通常有以下几种：

1．导体及电气设备因绝缘老化、或遭受机械损伤，或因雷击、过电压引起的绝缘损坏。

2．架空线路或因大风或导线覆冰引起的电杆倒塌等，或因鸟兽跨界裸露导体等都可能导致短路。

3．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。

4．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会造成短路。

根据国外资料显示，每个人都有违反规程操作的意识。

5．其它原因，如输电线断线、倒杆、碰线、或人为盗窃、破坏等原因都可能导致短路。

3.2短路电流计算条件

1．正常工作时，三相系统对称运行。

2．所有电流的电功势相位角相同。

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[7]。

3.3短路计算

选择流过所要校验的设备内部和载流导体的短路电流最大的短路点为短路计算点，本次计算中选取的短路点为发电机出口短路点d1、220kV母线短路点d2、厂用6kV高压母线短路点d3。

3.4画等值网络图

1．去掉系统中的所有负荷分支、线路电容和各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗

。

2．计算网络中各发电机的基本参数见表3.1，各变压器的基本参数见表4-2。

表3.1发电机参数

型号

额定容量

额定电压

额定电流

功率因数

QFQS-200-2

200MW

15.75kV

8625A

0.85

14.44%

QFS-300-2

300MW

18kV

11320A

0.85

16.7%

TS1264/300-48

300MW

18kV

11000A

0.875

30.56%

表3-2变压器参数

型号

额定电压（kW）

短路阻抗（%）

SF10-240000

242/15.75

13

SF10-31500

15.75/6.3

9.8

SFP7-360000

242/18

14

本设计的系统的等值网络图如图3.1所示。

图3.1等值网络图

3．将各元件电抗换算为同一基准的标么电抗

取基准容量

=100MVA，电压基准值为各段的平均额定电压，

=242kV，

=15.75kV，

=6.3kV。

（1）4×200MW火力发电厂

发电机的电抗标幺值为

主变压器的电抗标幺值为

厂用高压变压器的电抗标幺值为

（2）系统

、

，即600MW火电厂

发电机的电抗标么值为

变压器的电抗标幺值为

（3）系统

、

，即600MW水电厂

发电机的电抗标么值为

变压器的电抗标幺值为

其等值电抗图为：

图3.2等值网络图

2.各选取设备电抗值的计算（考虑到最严重故障情况，只进行母线的三相短路计算）

选取SB=100MW，UB=Uav，发电机选取的型号为QFSN-200-2，其中

，VB=15.75KV。

发电机电抗：

X1=X2=Xd″×SB/SN=0.142×100/235=0.06

变压器各绕组阻抗表么值：

X3=X4=1/2（V1-2+V1-3-V2-30）×SB/SN=1/2（0.245+0.145-0.085）×100/240=0.064

X5=X6=1/2（V1-2+V2-3-V1-3）×SB/SN=1/2（0.245+0.085-0.145）×100/240=0.039

X7=X8=1/2（V1-3+V2-3-V1-2）×SB/SN=1/2（0.145+0.085-0.245）×100/240=-0.033

联络变压器的阻抗表么值：

Ⅰ-Ⅱ=1/2（V1-2+V1-3-V2-3）×SB/SN=1/2（0.24+0.15-0.08）X100/150=0.103

Ⅱ-Ⅲ=1/2（V1-2+V2-3-V1-3）×SB/SN=1/2（0.24+0.08-0.15）X100/150=0.057

X11=XⅠ-Ⅱ+XⅡ-Ⅲ=0.16

图3.2可继续化简为下：

图3.3等值网络图化简图

图中X12=X13=X1+X7=X2+X8=0.06-0.033=0.027

可化简为

图3.4图3.5

X14=1/2X3=1/2X4=0.032

X15=1/2X5=1/2X6=0.0195

X16=1/2X12=1/2X13=0.0135.

对X14，X15，X16支路进行Y—△变换得出图五等值电路图，其中：

X17=X14+X16+X14X16/X15=0.032+0.0135+0.032×0.0135/0.0195=0.067

X18=X14+X15+X14X15/X16=0.098

X19=X11+X10=0.16+0.025=0.185

计算系统的电抗及短路容量，两台发电机组对短路点d2的转移电抗为：

XK=X17//X18//X19=0.067//0.098//0.185=0.032

SK=SB/XK=100/0.032=3125WMA

SC=10000-3125=6875WMA

可求的系统的电抗为：

X9=SB/SC=100/6875=0.015

系统对短路点的计算电抗为Xjs9=0.015

其分支额定电流为IN=SB/

Vav=100/（

×230）=0.25

发电机组对短路点d2的计算电抗为：

Xjs=（X17//X18）×235×2/100=0.18

其分支额定电流为IN=SN/（

×230）=235×2/

×230=1.18

系统对短路点的短路电流的表么值为计算电抗的倒数；各发电机组对短路点的短路电流表么值，可查发电机计算曲线数字表得出，所得短路电流表么值，如表3.1，短路电流值I″=18.17KA

冲击电流ish=ksh×

I″,其中ksh为冲击系数，表示冲击电流对周期分量幅值的倍数，当时间常数由零到无限大时，冲击系数的范围为：

1

ish=1.8×

×11.52=46.27KA

（2）110KV母线上短路点d2的短路电流计算：

由于110KV母线上短路点与220KV上等值电路图对称，则有：

图3.5等值电路图

对X14，X15，X16支路进行Y—△变换得出图五等值电路图，其中

X20=X15+X16+X15X16/X14=0.041

X21=X14+X15+X14X15/X16=0.098

X22=X11+X9=0.16+0.065=0.225

计算系统的电抗及短路容量，两台发电机组对短路点d2的转移电抗为：

XK=X20//X21//X22=0.041//0.098//0.225=0.026

SK=SB/XK=100/0.026=3846.15WMA

SC=10000-3846.15=6153.85WMA

可求的系统的电抗为：

X10=SB/SC=100/6153.85=0.016

系统对短路点的计算电抗为Xjs10=0.016

其分支额定电流为IN=SB/

Vav=100/（

×115）=0.50

发电机组对短路点d2的计算电抗为：

Xjs=（X20//X21）×235×2/100=0.14

其分支额定电流为IN=SN/（

×115）=235×2/

×115=2.36

系统对短路点的短路电流的表么值为计算电抗的倒数；各发电机组对短路点的短路电流表么值，可查发电机计算曲线数字表得出，所得短路电流表么值，如表3.1，短路电流值I″=35.11KA

冲击电流ish=1.8×

×35.11=89.37KA

第4章发电厂避雷装置的设计

4.1概述

雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。

几个世纪来，人类通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害。

雷害主要来源有直击雷、感应雷和雷电浪涌。

防止雷电对设备的造成过电压，从被保护物体上方引导雷电通过，并安全埋入大地，防止雷电直击，减小在其保护范围内的电器设备（架空输电线路及通电设备）和建筑物遭受直击雷的概率。

4.2雷电过电压的形成与危害

（1）直击雷过电压

雷电直接对电气设备、输电线、建筑物或其他物体直接放电，简称直击雷。

直击雷过电压又引起数万安的强大雷电流通过被击物体而入地，产生破坏性很大的热效应和机械效应，击坏设备，引起火灾，甚至造成人身伤亡。

利用避雷针和避雷线，可使各种建筑物、输电线路和电气设备免遭直击雷的危害。

避雷针主要用于保护建筑物、发电厂变电所等免受直击雷的危害，避雷器主要用以保护架空输电线路[17]。

本次设计中，采用避雷线保护架空线路，采用避雷针对发电厂进行直击雷保护。

（2）雷电波

输电线路上遭受直接雷或感应雷后，电荷沿着输电线进入发电厂或变电所，这种由雷电流形成的电流称为雷电波。

直接雷、感应雷及其形成的雷电波均对电气设备的绝缘构成严重威胁。

利用保护间隙和避雷器，可保护电气设备免遭沿线入侵的雷电波的袭击。

本次设计中，采用避雷器对电气设备进行雷电波防护。

4.3电气设备的防雷保护

因为电气设备的结构和工作性质的不同，所采取的措施也不同。

发电厂和变电所电气设备对直击雷的防护主要采用避雷针；对入侵雷的防护采用进线保护和避雷保护的综合措施，即用进线保护限制雷电流的幅值和陡度，用避雷器限制雷电过电压的同值。

电线路采用装设避雷线的方法防止线路遭受直击雷引起跳闸次数，可采用系统中性点经消弧线圈接地工作方式，为避免雷击跳闸造成供电中断，可采用自动重合闸装置

完善进线保护的同时，还应采用性能良好的阀型避雷器或金属氧化物避雷器，来保护电机的主绝缘，同时还应考虑装设电容器和中性点避避雷器，以保护匝间绝缘和中性点绝缘。

除了对配电变压器高低压侧以及柱上断路器必须装设避雷器或放电间隙保护外，对配电线路本身主要应适当提高其绝缘水平，应广泛采用重合闸，以减少断线和停电事故。

发电厂是电力系统的心脏，万一发生损坏设备的事故，往往会带来严重的后果，造成重大的损失。

设计中重点对发电机、变压器组、线路的防雷保护进行配置。

4.4避雷针的配置原则

1．独立式避雷针宜装设独立的接地装置。

在非高土壤电阻率地区，其工频接地电阻

。

当有困难时，可将该接地装置与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点沿接地线的长度不得小于15m。

2．独立式避雷针与变配电装置在空气中的间距

；独立式避雷针的接地装置与变配电所主接地网在地中距离

，且

，式中

为冲击接地电阻。

4.5避雷针位置的确定

首先应根据发电厂设备平面布置图的情况而确定，避雷针的初步选定安装位置与设备的电气距离应符合各种规程规范的要求。

1．电压110KV及以上的配电装置，一般将避雷针装在配电装置的构架或房顶上，但在土壤电阻率大于1000n米的地区，宜装设独立的避雷针。

2．独立避雷针（线）宜设独立的接地装置，其工频接地电阻不超过10Ω。

3．35KV及以下高压配电装置架构或房顶不宜装避雷针，因其绝缘水平很低，雷击时易引起反击。

4．在变压器的门型架构上，不应装设避雷针、避雷线，因为门形架距变压器较近，装设避雷针后，构架的集中接地装置，距变压器金属外壳接地点在址中距离很难达到不小于15m的要求。

4.6防雷保护措施

发电厂电气设备对直击雷的防护主要采用避雷针。

由于发电场面积较大，采用多支等高避雷针保护。

预设发电厂占地面积为225公顷，规模为长500m，宽450m，保护高度为18m。

工程中避雷针的高度一般选用20~30m，本次设计中拟选用30m的避雷针，避雷针间的布置距离通过计算求得。

四只等高避雷针的保护范围如图4.1所示。

图4.1四只等高避雷针的保护范围

式中

—避雷针的高度；

—被保护物高度；

—两针间联合保护范围上部边缘的最低点的高度；

—在高度

的水平面上，保护范围的最小宽度。

在多针保护时，当各边的保护范围最小宽度

均

，则多边形中间的全部面积都处于联合保护范围之内，即

当

时，保护半径最大，即为地面上的保护范围，由此算出

（m）

在高度为

的水平面上算得

（m）

即任意两只避雷针之间的距离不得大于210m，才能保护整个发电厂的地面范围。

在地面上的外部保护半径为

（4

在高度为

的水平面上的保护半径为为

根据本厂的面积，需设置9~16只30m的避雷针。

输电线路是电力系统的大动脉，担负着将发电厂产生和经过变压所变压后的电力输送到各地区用电中心的重任。

架空输电线路往往穿越山岭旷野、纵横延伸，遭受雷击的机会很多，线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的比重。

沿全线装设避雷线是目前为止110kV及以上架空输电线路最重要和最有效的防雷措施。

本次设计中对220kV架空输电线路采用双避雷线保护。

在工程上可以用相对简单的方式—保护角来表示避雷线对导线的保护程度。

保护角是指避雷线和外侧导线的连接与避雷线的垂线之间的夹角。

220kV双避雷线线路，一般采用保护角20度左右，即可认为导线已处于避雷线的保护范围之内。

本次设计中设定保护角为20度，可认为架空输电线路已处于保护范围之内。

1．非直配电机的防雷措施

从防雷的观点来看，发电机可以分为两大类：

（1）经过变压器再接到架空线上的电机，简称非直配电机；

（2）直接与架空线相连的电机，简称直配电机。

本次设计中四台发电机均为非直配电机。

非直配电机所受到的过电压均须经过变压器绕组之间的静电和电磁传递。

只要变压器的低压绕组不是空载，那么传递过来的电压就不会太大，只要电机的绝缘状态正常，一般不会构成威胁。

所以只要把变压器保护好就可以了，不必再对发电机再采取专门的保护措施。

对于处在多雷区的经升压变压器送电的大型发电机，仍宜装设一组氧化锌或磁吹避雷器加以保护，如果再装上并联电容和中性点避雷器，那就可以认为保护已足够可靠。

本次设计中对发电机装设一组金属氧化物避雷器加以保护。

2．金属氧化物避雷器的选择

（1）型式选择

拟选用复合外套金属氧化物避雷器，产品体积小，重量轻，除了自立式安装外，还可以悬挂安装，有效的节约占地面积。

密封性能好，防潮防爆，无炸裂危险，机械强度高，不易碰损，便于运输和安装。

憎水性好，耐污力强。

（2）额定电压的选择

金属氧化物避雷器的额定电压是指避雷器两端允许施加的最大工频电压有效值。

在中性点有效接地系统中，可能出现的最大工频电压值等于电网额定线电压的80%。

第5章电气设备的校验

5.1断路器的校验

（1）动稳定校验

IMAX=661.33A，断路器额定电流IN=1600A,所以IMAX

动稳定电流峰值Ies=80KA,Ish=46.27KA所以Ies＞Ish

则动稳定检验合格。

（2）热稳定校验

短路电流的热效应（kA2·S）：

设继电保护时间

为2.0S，则短路计算时间：

＝2.0+0.06＝2.06（S）

查短路电流计算曲线数字表得：

Itk/2=2.944,Itk=2.659

所以Qk　=（

+10

+

）TK/12=（18.172+10×2.9442+2.6592）×2.06/12=72.76

其中,短路电流的对应值是发电机总的短路电流的一半，而电器可以承受的热效应是：

I2tt=402×3=4800＞Qk

断路器热稳定校验合格。

（三）开断电流校验

额定开断电流INbr=40>I″=18.17

开断电流校验合格。

（四）短路闭合电流校验

额定闭合电流INcl=100>Ish=46.27

闭合电流校验合格

5.2隔离开关的校验

（一）220KV