4×300MW火力发电厂电气部分初步设计

4×300MW火力发电厂电气部分初步设计4×300MW火力发电厂电气部分初步设计摘要随着我国经济发展，对电的需求也越来越大。

电作为我国经济发展最重要的一种能源，主要是可以方便、高效地转换成其它能源形式。

电力工业作为一种先进的生产力，是国民经济发展中最重要的基础能源产业。

而火力发电是电力工业发展中的主力军，截止2022年底，火电发电量达到48405万千瓦，越占总容量77.82%。

由此可见，火力电能在我国这个发展中国家的国民经济中的重要性。

该设计主要从理论上在电气主接线设计、短路电流计算、电气设备的选择、配电装置的布局、防雷设计、发电机、变压器和母线的继电保护等方面做详尽的论述，并与火力发电厂现行运行情况比较，同时，在保证设计可靠性的前提下，还要兼顾经济性和灵活性，通过计算论证火电厂实际设计的合理性与经济性。

采用软件绘制了大量电气图和查阅相关书籍，进一步完善了设计。

近几年随着我国工业的高速发展，我国电力工业超常规发展，每年装机容量超过6000万千瓦，30万千瓦、60万千瓦亚临界火电机组成为我国电网的主力机组，百万千瓦的超超临界火电机组已经在建。

目前，我国30万千瓦、60万千瓦的火力发电机组，70万千瓦的水力发电机组，在国际招标中标成功率大于90%以上。

这几年电力工业之所以能飞速发展，其重要原因是，为中国电力市场提供的火力发电设备主要立足于国内生产。

这一观点得到国内各发电公司以及电厂老总们的认同。

今天电气制造企业的国内用户率已达到75%以上。

火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，
对不可再生能源的影响，虽然现在在我国已有部分核电机组，但火电仍占
领电力的大部分市场，近年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。

目前，我国的电力工业已经进入“大电网”、“大机组”、“超高压，交直流输电”、“电网调度自动化”、“状态检修”等新技术发展新阶段，一些世界水平的先进技术，已在我国电力系统得到了广泛的应用。

随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电
力工业的发展仍不能满足整个社会发展的需要。

另外，由于我国人口众多，因此在按人口平均用电方面，仍只处于中等水平，尚不能及全世界平均人
口用电量的一半。

2022年人均用电量2596kW·h，人均占用发电装机容量
仅为0.6kW；我国第二产业用电比重为76.49%，第三产业为9.78%，生活
用电比重为11%。

由此可见，我国人均用电水平远低于发达国家，与完成
其工业化进程国家的电力指标相比，我国经济发展正处于工业化进程的中
后期，我国用电远低于国际水平。

我国近些年电力需求持续上升，2003年增速达到15%左右，大大超过GDP的增长幅度。

由于需求的高速增长，全国2002年有12个省、市、区，2003年有21个省、市、区先后出现缺电局面，对经济发展和人民生活带
来了一定影响，电力供应不足已成为国民经济发展的制约瓶颈。

时至今日电力供应仍然十分紧张，据最新统计，1月到4月份全国社
会用电量同比增长了16.1%，其中4个省增长30%以上，发电厂、变电站
和输电线路几乎都在满负荷极限运行，发生大面积停电事故的概率加大。

由于电力系统的备用容量不足，一些发电机组处于满负荷运行，给电网运
行的安全带来一定的隐患。

正是基于以上所有的考虑，在能源中心建设一批骨干发电厂,改“输
煤为输电”是非常必要的，它将缓解该地区乃至整个电网的供需不平衡。

而且借着“振兴东北老工业基地”的东风，我国的国民经济水平一定会达
到一个新的高度。

本次的设计题目是：4*300MW发电厂电气部分初步设计（励磁系统），主要是进行电气主接线设计，通过方案比较确定主接线方案，选择发电机
和主变压器；厂用电设计，选择厂用变压器；通过短路电流计算，进行主
要电气设备选择及校验，然后是励磁系统设计，发电机主保护设计以及配
电装置设计；通过此次设计，使学生对自己所学专业知识在临近毕业前进
行一次检验和巩固，同时利用自己所掌握的知识初步的设计出一个符合实
际的能够安全运行的电厂。

通过本次设计，对大中型发电厂有一个全方位的了解和认识，将所学
的理论知识与实际相结合，在巩固自己的所学的专业知识的同时，也使自
己更能胜任今后的工作。

（2）机组年利用小时数取=6500h/a。

（3）环境条件：发电厂所在最高温度+40℃，年平均温度+8℃，气象
条件一般无特殊要求（台风、地震、海拔等）。

（4）厂用电率：10%2电力负荷及电力系统的连接情况：（1）220KV
电压级，架空线路4回与系统相连。

（2）其中线路长度分别是2*200KM；2*150KM。

（3）当取基准容量为100MVA时，系统归算到200KV母线上电抗为
0.267。

1.3设计原则和基本要求1．发电厂电气主接线是电力系统接线的重
要组成部分。

它表明了发电机、变压器、线路、断路器等其它电气设备的
数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输电和配电的
任务。

电气主接线的设计直接关系到全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置安装，关系到电力系统的安全、稳定和经济运行。

2．电气主接线设计的原则依据（1）发电厂在电力系统中的地位和作用：电力系统中的发电厂有大型主力电厂、中小型地区电厂及企业自备电
厂类型。

大型主力火电厂靠近煤矿或沿海、沿江，并接入330-500KV超高
压系统，地区电厂靠近城镇，一般接入110-220KV系统；企业自备电厂则
以对本企业供电供热为主，中小型电厂常有发电机电压馈线向附近供电。

（2）发电厂的分期和最终建设规模：发电厂的机组容量，应根据电
力系统规划容量、负荷增长速度和电网结构等因素进行选择，最大机组的
容量以占系统总容量的8～10%为宜。

一个厂房内的机组，其台数以不超
过6台、容量等级以不超过两种为宜。

（3）负荷的大小和重要性：①一级负荷必须有两个独立电源供电且
当任何一个电源失去后，保证全部一级负荷不间断供电；②二级负荷一般
有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，保证全部或大部分二级
负荷供电；③三级负荷只需一个电源供电。

（4）系统备用容量大小：系统中需要有一定的发电机装机备用容量。

运行备用容量不宜少于8～10%，以适应负荷突增、机组检修和故障停运
三种情况。

系统备用容量的大小将会影响运行方式的变化。

设计主接线时，应充分考虑这个因素。

（5）发电厂电气主接线方案的选择，主要决定发电厂的类型、工作
特性、发电厂的容量、发电机和主变压器的台数和容量。

（6）发电厂建设规模应根据电力系统5-10年发展规划进行设计。

3．主接线应该满足可靠性，灵活性，经济性三项要求。

1、可靠性供电可靠性是指电力生产和分配的要求。

主接线应满足这
个要求：（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电。

（2）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。

并且对一次负荷全部或大部分二次负荷供电。

（3）尽量避免发电厂，变电所全部停运的可能性。

（4）大机组超高压电气主接线应满足可靠性特殊要求2、灵活性主
接线应满足在调度，检修及扩建时的灵活性：(1)调度时应可以灵活的接
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下的系统调度要求。

（2）检修时可以方便的停运断路器，母线及其继电保护设备。

进行
安全检修。

（3）扩建时，可以容易的从初期接线过渡到最终接线。

3、经济性主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。

（1）投资省a.主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流
和电压互感器，避雷器等一次设备；b.要能使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；c.要能限制短路电流，以便于选择价
廉的电气设备或轻型电器；d.如能满足系统安全运行及继电保护要求，
110KV及以下终端可采用简易电器。

（2）占地面积小主接线设计要为配电装置创造条件，尽量使占地面
积减少。

（3）电能损失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，此外在系统规划设计中，要避免建立复
杂的操作枢纽，为简化主接线，发电厂、变电所接入系统的电压等级一般
不超过两种。

2.电气主接线设计2.1电气主接线分析单元接线其是无母线接线中最
简单的形式，也是所有主接线基本形式中最简单的一种，此种接线方法设
备更多。

1)本设计中机组容量为300MW，所以发电机出口采用封闭母线，为了
减少断开点，可不装断路器。

这种单元接线，避免了由于额定电流或短路
电流过大，使得选择断路器时，受到制造条件或价格甚高等原因造成的困难。

2）单母线分段带专用旁路断路器的旁路母线接线优点：在正常工作时，旁路断路器以及各出线回路上的旁路隔离开关，都是断开的，旁路母
线不带电，通常两侧的开关处于合闸状态，检修时两两互为热备用；检修QF时，可不停电；可靠性高，运行操作方便。

缺点：增加了一台旁路断路器的投资。

3）单母分段线分段断路器兼作旁路断路器的接线优点：可以减少设备，节省投资；同样可靠性高，运行操作方便；4）双母线接线优点：供
电可靠，调度方式比较灵活，扩建方便，便于试验。

缺点：由于220KV电压等级容量大，停电影响范围广，双母线接线方
式有一定局限性，而且操作较复杂，对运行人员要求高。

5）双母线带旁路母线的接线优点：增加供电可靠性，运行操作方便，避免检修断路器时造成停电，不影响双母线的正常运行。

缺点：多装了一台断路器，增加投资和占地面积，容易造成误操作。

表2-1方案比较表方案一方案二可靠性双母三分段接线，母线检修或故障时，只有1/3的电源和负荷短时停电，检修任一回路的短路器时，只有该回路停电，可靠性较高。

一组母线检修时，所有回路均不中断供电，检修任一回路的母线侧隔离开关时，只中断该回路的供电，检修任一回路电路器时，可用母联断路器代替工作，可靠性较高。

灵活性能灵活地投入或切除机组、变压器或线路，灵活地调配电源和负荷，满足系统在正常、事故检修及特殊运行方式下的要求扩建方便。

也能灵活地投入或切除机组、变压器或线路，有很强的灵活性，扩建方便。

经济性占地面积大，断路器和配电装置的投资很大。

多用于进出线回数较多的配电装置。

占地面积和双母三分段相比少了一些，设备比双母三分段少，所以投资较少。

结论：两个方案的灵活性、可靠性相差不大，这时就要对两个方案的经济性做出比较，从占地面积和投资比较，方案二的占地面积较小，投资较少。

方案二明显比方案一的经济性好，所以选择方案二。

2.5.1容量和台数的确定1、发电厂主变压器容量的确定本电厂发电机变压器采用单元接线，变压器容量应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。

⑶对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设三台主变压器。

根据以上确定条件可以选择火力发电厂主变压器，此外，带负荷调压变压器，可以在不停电的情况下调节分接头，调整电压值，并且在以下情况下比普通变压器合理：⑴具有可送工作特点；⑵功率潮流变化较大；⑶发电机常在低功率因数下运行。

除此之外，一般宜选用普通分接头变压器。

当综合考虑继电保护、通讯干扰和系统发展因素进行分析比较后，如果技术经济合理时，可选用全星形连接的变压器，否则仍应选用普通星角连接组别的变压器。

参照《电力工程电气设计手册》可知，发电机变压器单元接线时,变压器容量应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后,留有10%的裕度：所以采用发电机—变压器单元接线，每台发电机配一台变压器。

2.5.2型式的选择1.相数容量为300MW及以下机组单元接线的主变压器和330kV及以下电力系统中，一般都选用三相变压器。

2.绕组和结构由于机组只有一种220kV升高电压与系统连接，所以采用双绕组变压器。

绕组连接方式必须和系统相位一致，否则不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接方式大多采用Y型和D型。

对于220kV高压侧，采用YN连接，发电机出口采用D连接。

3.变压器型号的确定已知:=300MW,.1﹟、2﹟、3#，4#双绕组变压器（220KV）:=1.1(1-)/ =1.1×300(1-10﹪)/0.85=349.47（MVA）查得其主变压器型号为：SFP-360000/220表2-3变压器参数表型号额定容量KVA 额定电压（KV）高压/低压空载电流（%）空载损耗（KW）负载损耗（KW）
阻抗电压（﹪）SFP-360000/220360000242/180.2819086014.33.短路电流计算3.1短路电流计算的目的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，不仅要考虑系统在正常状态下的运行情况，还应考虑系统发生故障时的运行情况及故障产生的后果等。

电力系统短路是各种系统故障中出现最多，情况最为严重的一种。

所谓短路，就是指电力系统中一切不正常的相与相或相与地（指中性点直接接地系统）在电气上被短接。

短路电流计算的目的是：（1）电气设备选择和校验。

（2）确定中性点接地方式。

（3）选择继电保护装置和进行整定计算。

在发电厂和变电所的电气设计中,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）在选择电气主接线时，为了比较各种方式接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。

（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。

（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路电流为依据。

（5）接地装置的设计，也需用短路电流。

3.2短路计算原则短路电流实用计算中,采用以下假设条件和原则：（1）正常工作时,三相系统对称运行；（2）所有电源的电动势相位角相
同；（3）系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、
磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空
间位置相差电气角度；（4）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁心
的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；（5）电力系统中所有电源都
在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；（7）短路发
生在短路电流为最大值的瞬间；（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器
的励磁电流；（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电
流外，元件的电阻都略去不计；（10）元件的计算参数均取其额定值，不
考虑参数的误差和调整范围；（11）输电线路的电容略去不计；（12）用
概率统计法指定短路电流运算曲线。

3.3短路电流计算的一般规定（1）验算导体和电器动稳定、热稳定
以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并
考虑电力系统的远景发展规划。

确定短路电流时，应按可能发生最大短路
电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

（2）选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑
具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择
在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

（4）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三
相短路验算，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变
压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况
计算。

高压短路电流计算一般只计各元件的电抗，采用标幺值计算。

3.4短路点选取根据本厂主接线的特点,厂用变压器和备用变压器等
值电抗的不同,以及选择设备的要求,选择两个短路点作为短路计算的短路点,这两个短路点位置为:(1)d—1在220KV母线上.(2)d—2在1#发电机
的出口.3.5短路电流计算图3-1短路电流等值电路图1．电力设备参数计
算(1)1#、2#、3#、4#号发电机电抗标么值计算:已知:Sb=100MVA、
PG=300MW=0.3=(2)1#发电机提供的短路电流查表得：图3-2短路电流简化
图查表得：（3）K1点的短路电流查表得：4.电气设备的选择及校验4.1
电气设备选择的原则4.1.1导体和电器的选择设计原则导体和电器的选择
设计，必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和适当的留有发展余地，以满足电力系统安全经济运
行的需要。

1.应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景
发展的需要；2.应按当地环境条件校核；3.应力求技术先进和经济合理；4.选择导体时应尽量减少品种；5.扩建工程应尽量使新老电器型号一致；6.选用的新产品，均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。

4.1.2导体和电器选择和校验原则在选择导体和电器时，一般按下表
所列各项进行选择和校验。

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压和过电流的情
况下保持正常运行。

1长期工作条件①电压选用的电器在允许最高工作电压Umax不低于
该回路的最高运行电即≥（4-1）②电流选用的电器额定电流In不得低于
所在回路在各种可能方式下的持续工作电流。

≥（4-2）2短路稳定条件①校验的一般原则1)电器在选定后应按最
大可能通过的短路电流进行动稳定校验。

校验的短路电流一般取三相时的
短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器回路中的的单相、两相接地短路较三相严重时，则按严重情况校验。

2)用熔断器保护的电器可不校验热稳定。

当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定。

有熔断器的电压互感器，可不验算动、热稳定。

短路的热稳定条件：It²t≥I∞²tdz（4-3）It---t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值(kA)t---设备允许通过的热稳定电流时间(s)校验短路热稳定所用的计算时间tdz按下式计算：tdz=tz+0.05短路的动稳定条件：≥（4-4）-----短路冲击电流峰值（kA）-----电器允许极限通过电流峰值（kA）4.2断路器的选择与校验4.2.1断路器选择的技术条件断路器的选择除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装调试和运行维护，并经技术经济比较后才能确定。

电压110-500KV的电网，当少油断路器技术条件不能满足要求时，可选用六氟化硫或空气断路器；大容量机组采用封闭母线时，如果需要装设断路器，宜选用发电机专用断路器。

断路器的功能，正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备接入电路或退出运行，起着控制作用；故障时，快速切除故障回路，保证无故障部分正常运行，起到保护作用。

其最大特点是断开电路中的负荷电流与短路电流。

（1）电压：（电网工作电压）≤（2）电流：（最大持续工作电流）≤（3）开断电流（或开断容量）：≤（或≤）------断路器实际开断时间T秒的短路电流周期分量------断路器额定开断电流------断路器T秒的开断容量------断路器额定开断容量断路器的实际开断时间T，为继电主保护动作时间与短路器固有分闸时间之和。

（4）动稳定：≤------三相短路电流冲击值------断路器极限通过
电流峰值。

（5）热稳定：≤------稳态三相短路电流------短路电流发热等值
时间（又称假想时间）------断路器T秒热稳定电流4.2.2220KV侧断路
器选择与校验查设备手册，选断路器的型号LW-220 计算数据断路器
所选型号LW-220220KV992A9.58KA25.74KA27625.74KA
220KA1600A40KA100KA=4800100KA校验合格4.3隔离开关的选择与校验
4.3.1隔离开关选择的技术条件检修电气设备时，用隔离开关将被检修的
设备与电压隔离，以确保检修安全。

倒闸操作，投入备用母线或旁路母线
以及改变运行方式时常用隔离开关配合断路器，协同操作完成。

分合小电流，具有一定的分合电感电容电流的能力。

技术条件如下：（1）电压：（电网工作电压）≤（2）电流：（最大
持续工作电流）≤（3）动稳定：≤------三相短路电流冲击值；------
断路器极限通过电流峰值。

（4）热稳定：≤------稳态三相短路电流------短路电流发热等值
时间（又称假想时间）------断路器T秒热稳定电流4.3.2220KV隔离开
关选择与校验220KV侧：查设备手册，选择隔离开关GW4-220DW 计算数
据隔离开关所选型号GW4-220KW 220KV992A27625.74KA
220KA1250A=1984.580KA校验合格4.4电压互感器的选择与校验4.4.1.电
压互感器选择的技术条件1.电压互感器的选择（1）电压互感器的配置原则：应满足测量、保护、同期和自动装置的要求；保证在运行方式改变时，保护装置不失压、同期点两侧都能方便地取压。

（2）线路：当需要监视和检测线路断路器外侧有无电压，供同期和
自动重合闸使用，该侧装一台单相电压互感器。

（3）主变压器：根据继电保护装置、自动装置和测量仪表的要求，
在一相或三相上装设。

2.型式：电压互感器的型式应根据使用条件选择：（1）6—20KV屋
内配电装置，一般采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注绝缘结构的电压
互感器。

（2）35－110KV的配电装置，一般釆用油浸绝缘结构的电压互感器。

（3）220KV以上，一般釆用电容式电压互感器和六氟化硫断路器。

3.电压互感器的技术条件（1）将一次回路的大电压变为二次回路的
标准的低电压（100kv）；（2）使二次设备与高压部分隔离，且二次侧接地，以保证安全。

4.4.2电压互感器的选择（1）一次回路电压的选择：为了确保电压
互感器安全和在规定的准确等级下运行，电压互感器一次绕组所接的电网
电压UNS应在（0.8—1.2）UN1范围内变化，即应满足：0.8UN1〈UNS
〈1.2UN1（2）二次回路电压的选择：电压互感器的二次侧的额定电压应
满足保护和测量使用准确仪表的要求。

（3）种类和型号的选择：电压互感器的种类和型号应根据装设地点
和使用条件进行选择，例如：在6KV—35KV屋内配电装置中，一般采用油
浸式或浇注式；110KV—220KV配电装置通常采用串级式电磁式电压互感器；当容量和准确级满足要求时，也可采用电容式互感器。

（4）容量和准确级的选择：首先根据仪表和继电器接线要求方式，
并尽可能将负荷分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的
准确级和容量选择互感器的准确级和额定容量。

有关电压互感器准确级的。