2×50MW发电厂电气部分设计

2×50MW发电⼚电⽓部分设计
引⾔
电⼒系统由发电⼚、变电所、线路及⽤户组成。

发电⼚是把各种能源（化学能、⽔能、原⼦能）转换成电能的⼯⼚。

发电⼚⽣产的电能，⼀般先由电⼚的升压站升压，经⾼压输电线路送出，再经变电所若⼲次降压后，才能供给⽤户使⽤。

直接⽣产、转换和输配电能的如：开关设备，载流导体称为⼀次设备。

对⼀次设备进⾏监察、测量、控制、保护、调节的辅助设备，称为⼆次设备，如⾃动保护及⾃动装置。

本次设计包括发电⼚⼀次设备及⼆次设备的部分设计。

发电⼚的主接线是根据容量，电压等级负荷等等情况设计，并经过技术经济⽐较，选出最佳⽅案，然后通过短路电流计算、回路最⼤持续⼯作电流计算，选出设备的型号，了解配电装置布置原则，设计防雷接地，最后对发电机配置保护。

断路器是发电⼚中⼗分重要的设备,本⼚选⽤的为真空断路器.对于真空断路器的技术性能改造还在不断进⾏,如⽤带有双重开关或多重开关的断路器代替只带有⼀个开关的断路器的先进技术,正在被很多发明者改进,存在的问题是真空断路器应为电介质的特性,⽽在⾼压范围内限制使⽤。

本设计基本达到安全可靠，经济合理的要求。

尽量采⽤新型技术设备。

作为现代化中型发电⼚，是建⽴⼤型发电⼚的基础。

因此意义重⼤。

第⼀章电⽓主接线的设计
1.1 电⽓主接线的设计
1.1.1 电⽓主接线设计的要求
电⽓主接线图是由各种电⽓元件如发电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、电缆、线路等，接照⼀定的要求和顺序接起来，并⽤国家统⼀规定图形的⽂字符号表⽰的发、变、供电的电路图。

电⽓主接线是发电⼚、变电所电⽓设计的⾸要部分，也是构成电⼒系统的重要环节。

主接线是的确定对电⼒系统整体及发电⼚、变电所本⾝运⾏的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电⽓设备选择，配电装置布置，继电保护和控制⽅式的拟定有较⼤影响。

因此，必须正确处理好各⽅⾯的关系，全⾯分析有关影响因素，通过技术经济⽐较，合理确定主接线⽅案。

1.1.2 基本接线及适⽤范围
1. 35kV及110kV母线采⽤单母分段接线
（1）优点：⽤断路器把母线分段后，对重要⽤户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；当⼀段母线发⽣故障，分段断路器⾃动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要⽤户停电。

（2）缺点：当⼀段母线或母线隔离开关故障或检修时，该母线的回路都要在检修期间内停电；当出线为回路时，常使架空线路出现交叉跨跃。

（3）适⽤范围： 35－63kV配电装置的出线回路数不超过4-8回；110－220kV配电装置的出线回路数不超过3-4回。

2. 10kV母线采⽤双母分段接线
3. 110kV母线采⽤内桥接线
（1）35－110kV线路为两回及以下时，宜采⽤桥形、线路变压器组成或线路分⽀接线。

（2）桥型接线：当只有两台主变压器和两回输电线路时，采⽤桥型接线。

当只有两台变压器和两回输电线路时采⽤内桥形式
（3）内桥使⽤范围：内桥接线适⽤于输电线路较长（则检修和故障机率⼤）或变压器不需经常投，切及穿越功率不⼤的⼩容量配电装置中。

（4）外桥使⽤范围：外桥接线使⽤于输电线路较短或变压器需经常投，切及穿越功率较⼤的⼩容量配电装置中。

1.2 设计⽅案⽐较与确定
1.2.1 主接线设计⽅案图
⽅案⼀. 采⽤110kV内桥连接⽅式.
图1-1 ⽅案⼀主接线图⽅案⼆.采⽤110kV单母分段接线⽅式.
图1-2 ⽅案⼆主接线图
由图1-1，1-2可看出
⽅案⼀中：110kV侧选⽤内桥接线；35kV侧选⽤单母分段接线；10kV侧选⽤双母分段接线。

⽅案⼆中：110kV侧选⽤单母分段接线；35kV侧选⽤单母分段接线；10kV侧选⽤双母分段接线。

表1-2 发电⼚主接线⽅案⽐较
从以上两个⽅案对⽐来看，⽅案⼆⽐⽅案⼀略占优势。

即⽅案⼀是第1点和第3点的情况下暂时停电。

操作后恢复送电，⽽⽅案⼆只是在上述情况下不停电⽽已，操作的这段时间⾥线路可能过负荷，但时间很短，故没有问题。

因为线路设计时，都做过（n-1）状态的校验，在故障后状态下，不会影响向系统送电，有可能电压低⼀些，但也是允许的。

⽽⽅案⼆⽐⽅案⼀多⽤了⼀组母线，两组短路器和两组隔离开关。

显然，在经济上⽅案⼀占绝对优势，考虑进后的发展，设计中就留下⾜够空地，以备扩建时发展成单母分段接线。

最后，选定⽅案⼀为本设计的主接线⽅案。

1.3 主变压器容量的选择
1.3.1 主变压器选择原则
1. 对于中⼩型发电⼚，主变压器应选⽤三相式。

2. 在发电机发电母线上的负荷为最⼩时，能将剩余功率送⼊电⼒系统。

3. 发电机电压母线上最⼤⼀台发电机停运时，能满⾜发电机电压的最⼤负荷⽤电需要。

4. 因系统经济运⾏⽽需要限制本⼚出⼒时，亦应满⾜发电机电压的最⼤负荷⽤电。

1.3.2 三绕组变压器的选择原则
1. 由于次发电⼚有三种电压，若采⽤双倍绕组变压器，则从6kV~110kV和6kV~35kV 需要四台双绕组变压器。

其经济性低于使⽤2台三绕组变压器，且占地⾯积⼤。

2. 在发电⼚有两种升⾼电压的情况下，当机组容量为125MW 及以下时，从经济上考虑，⼀般采⽤三绕组变压器。

但每个绕组的通过功率应达到该变压器容量的15%以上。

三绕组变压器⼀般不超过两台。

1.3.3 主变压器容量选择计算
1. 当10kV 母线上负荷最⼩，且两台发电机满发时 100-100×8%=100-8=92MW 92-20=72MW 72/0.8=90MVA
90/2=45MVA=45000kVA(每台变压器的容量) ⼜因为35KV 恒定供电20MW ，则每台承担10MW 。

10/cos
Φ=10/0.9=11.11MVA
在发电⼚有两种升⾼电压的情况下。

当机组容量为125MW 及以下时，⼀般采⽤三绕组变压器。

但每个绕组的通过功率应达到该变压器容量的15%以上。

（三绕组变压器⼀般不超过两台）
∴35kV 侧变压器绕组所占百分⽐： 11.11/45=24.7%>15% ∴满⾜要求。

2. 当10kV 母线上负荷最⼩且T 1 T 2 之⼀退出时有：S N =〔100-100×8%/0.9-20/0.9〕×0.7=(115-22.22)×0.7=64900kVA
350
⾼低 300 中低 255
（3）阻抗电压U k % ⾼中 17.5
⾼低 10.5 中低 6.5
（4）空载电流I%:0.8 综合投资 33.4
3. 当10kV 母线上负荷最⼤且G 1 G 2 之⼀退出时，应满⾜系统倒送电能。

由于10kV 母线上负荷最⼤为25MW 切除⼀台发电机剩余总容量为：50-50×8%=46MW 则没有变压器从系统倒送功率可能性。

由于所选变压器容量⼩于计算值需进⾏过负荷校验。

变压器事故过负荷倍数K=64900/50000=1.3 当事故过负荷倍数K 为1.3时允许过负荷时间为120min 。

可见当考虑过负荷能⼒的情况下，所选SFSL
-50000型变压器满⾜本条要求。

1
1.4 发电机型号的选择
本⼚发电机的容量为50MW，选择型号有如下两种：
表1-2 容量为50MW发电机的型号选择表
查表可知SQF-50-2的各项参数绝⼤部分⼤于QFS-50-2的参数，且重量，体积也⽐QFS-50-2⼤因此选择QFS-5-2型号的发电机。

1.5 电抗器的选择
因为主接线设计中有母联电抗器和出线电抗器，据母联电抗器电抗百分数为12%，出线电抗器电抗百分数为6%，选择型号
电抗器的选择（110kV NKL型铝电缆⽔泥电抗器技术数据）
表2-2 电抗器型号及参数表
第⼆章短路电流的计算
2.1 总系统中电抗值计算与合并
总系统的电抗图如下：
图2-1 总系统的电抗图
由于计算短路电流时，此图中的发电机将给发电⼚系统中输送能量，并作为⼀个电源点，因此需将这些发电机合并为⼀个电源点，图中各元件的电抗值合并为⼀个总电抗值。

具体计算如下：
设S
b =100MVA U
b
=115kV(已知正序阻抗为X
=（0.4Ω/km)
1. 线路阻抗的换算(1)168KM长线路
X L1*= X
l
1
×S
b
/ U
b
2=0.4×168×100/1152=67.2×0.00756=0.508
(2)14KM长线路
X L2*= X
l
2
×S
b
2=0.4×14×100/1152=5.6×0.00756=0.0423 (3)78KM长线路
X L3*= X
l
3
×S
b
/ U
b
2=0.4×78×100/1152=31.2×0.00756=0.236 (4)26KM长线路
X L4*= X
l
4
×S
b
/ U
b
2=0.4×26×100/1152=10.4×0.00756=0.0786 (5)18KM长线路
X L5*= X
l
5
×S
b
/ U
b
2=0.4×18×100/1152=7.2×0.00756=0.0544 (6)2KM长线路
X L6*= X
l
6
×S
b
2=0.4×2×100/1152=0.8×0.00756=0.00605 (7)12KM长线路
X L7*= X
l
7
×S
b
/ U
b
2=0.4×12×100/1152=4.8×0.00756=0.0363 (8)5KM长线路
X L8*= X
l
8
×S
b
/ U
b
2=0.4×5×100/1152=2×0.00756=0.0051 2. 系统中发电机阻抗标⼳值（X
d
″查表发电机型号与参数）（1） QJ:
容量为25MW的发电机
X F1*= X
d
″×S
b
cosΦ/S
n
=0.1215×4×0.8=0.486×0.8=0.3888
容量为12MW的发电机
X F2*= X
d
cosΦ/S
n
=0.1133×8.3×0.8=0.9442×0.8=0.7554
（2）YM: 同XF
1
*
（3）HLR: 同XF
2
*（4）YKSJ:
容量为6MW的发电机
X F3*= X
d
″×S
b
cosΦ/S
n
=0.1239×100×0.8/6=0.1239×16.6×0.8=2.065×0.8=1.652容量为1.5MW的发电机
X F4*= X
d
″×S
b
cosΦ/S
n
=0.184×100×0.8/1.5=0.184×66.6×0.8=12.26×
0.8=9.8136
3. 系统中变压器阻抗标⼳值计算.
双绕组:
（1）T
2
容量为31.5MVA的变压器
X
b2
（2）T
2
容量为31.5MVA的变压器
X
b4
*=0.105×100/15=0.105×6.66=0.7（3）T
6
容量为8MVA的变压器
X
b6
*=0.105×100/8=0.105×12.5=1.3125（4）T
8
容量为10MVA的变压器
X*=0.105×100/10=0.105×10 =1.05三绕组：
容量为31.5MVA 的变压器
(*1
1710.56)1002
0.341310031.5
L X +-=?=
(*
1
17610.5)10020.198410031.5
M X +-=?=
(*1
1710.56)1002010031.5
N X -++=?=
总系统图化简为下图：
图2-2 总系统图化简图
11
12
1211
0.170700.50821
0.38880.7554
0.15460.17070.5080.8332Z N L l F F X X X X X X = ++++=
++++
=++=
YM:
222
1
1
21
0.16670.042320.38880.4033Z B l F X X X X =
++'
=++= HLR:
3248'0.75540.70.01510.19840.34132.0102Z F B l L M X X X X X X =++++=++++= YKS:
466543
1211
1.31250.006050.05440.09920.170721
09.8136 1.6522.8787
Z B l l M L
F F X X X X X X X X =
++++++=
++++++
=
312344
11
1111111
0.23611111
0.83320.4033 2.01020.0786 2.878711
++
+++=
++
+++=++
=++= 系统图中，系统所给的电抗值转换为基准电抗：
100100500
0.50.15005
C S s C X X S X ===== 2.2 发电⼚中各元件阻抗标⼳值的计算：
1. 容量为50MW 的发电机 X G1*=X G2* =
X d ″×S b /S n ×cos Φ =0.1475×100/50×0.8 =0.1475×2×0.8 =0.295×0.8 =0.236
2. 电抗器的标⼳值。

(1)出线电抗器:电抗百分数 U R1%=6%
325
10152.72()n I A ?== (2)母线电抗器: U R3%=12%
（I gmax 按该母线上事故切除最⼤⼀台发电机时，可能通过电抗器的电流计算。

⼀般取该台发电机50~80%I n ）I n 查50MW 发电机参数为3440A=3.44kA(按80%计算) ∴选3000A 得X R3*=0.209
3. 三绕组变压器电抗值计算三绕组变压器容量为50MVA
*L 1
(17.510.5 6.5)100
2X 0.21510050
+-=
=
*
M 1
(17.5 6.510.5)100
2
X 0.135100
50
+-==
*N 1
( 6.510.517.5)100
2X 0100
50
++-=
=
2.3 发电⼚中的短路电流计算
2.3.1 短路电流计算步骤
1. 选择计算短路点画等值⽹络（次暂态⽹络）图，⾸先去掉系统中的所有负荷分⽀，线路电容、各元件的电阻，发电机电抗⽤次暂态电抗X d "。

选取基准容量S b 和基准电压U b (⼀般取后级的平均电压),将各元件电抗换算为同⼀基准值的标么值。

2. 给出等值⽹络图，并将各元件电抗统⼀编号。

3. 化简等值⽹络，为计算不同短路点的短路电流值，需将等值⽹络分别化简为以短路点为中⼼的辅射形等值⽹络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电X nd 。

4. 计算⽆限⼤容量(或X js =3)的电源供给的短路电流周期分量。

5. 计算短路电流周期分量有名值和短路容量。

6. 计算短路电流冲击值。

7. 计算异步电动机供给的短路电流。

8. 绘制短路电流计算结果表。

发电⼚短路点的选择图:
图2-3 短路点的选择图2.3.2 短路电流的计算
1.各电源点的计算：
S Z=133/0.8=166.25MV A
S S=500MV A
S G1=50/0.8=62.5MV A
S G2=50/0.8=62.5MV A
2. 当d
1点发⽣短路时短路电抗图如下
图2-4 d
1
点短路电抗图
图2-5 d
1点短路电抗化简图图2-6 电源点到d 1
点转移电抗图
X
9
=0.5572+0.215=0.7727
X
10
=0.1+0.215=0.315
X
11
=0.7727+0.135+0.7727×0.135/0.236=0.9077+0.442=1.3497
X
12
=0.135+0.236+0.135×0.236/0.7727=0.371+0.0962=0.4672
X
13
=0.315+0.135+0.315×0.135/0.236=0.45+0.1802=0.6302
X
14
=0.135+0.236+0.135×0.236/0.315=0.371+0.1011=0.4721 （1）①S Z→d1点的转移电抗 X nd=1.3497②计算电抗 X
js
=1.3497×166.25/100=2.2439
⽤等微分法： 0.4550.465
(2.24 2.20)0.4650.4650.0080.4572.25 2.20-?-+=-=-
t=0S 时
''*(0)0.457I =
t=0.2S 时
''*
(0.2)0.4330.443(2.24 2.2)0.4430.4430.0080.4352.25 2.2
I -=?-+=-=-
t=4S 时
''*
(4)0.4590.47(2.24 2.2)0.470.470.0080.46122.25 2.2
I -=?-+=-=-
④有名值
''(0)0.457 1.185537
I ?==
''(0.2)0.435 2.5942 1.1285I =?= ''(4)0.4612 2.5942 1.1964I =?=
⑤冲击电流 d 1点为发电⼚⾼压侧母线K ch
=1.85
''''(0)(0)2.63 2.63 1.1855 3.1179()ch ch i I I kA ===?=
⑥短路全电流
'' 1.1855 1.5636 1.8536()I I kA ch ===?= （2）S S →d 1 转移电抗①X nd =0.6302②X js =0.6302×500/100=3.151
① 0S 时''*(0)I =0.321 0.2S 时''*(0.2)I =0.312 4S 时''*(4)I
=0.321
7.80237
b I ==
④''*
''*(0)
(4)0.3210.3217.802 2.504437
I I =?=?== ''*
(0.2)0.3127.802 2.4342I =?=
⑤''
(0)2.63 2.63 2.5044 6.587ch i I ==?=
⑥''
2.50442.5044 1.5636
3.9159
ch I I ===?=
⑦短路容量
''
(0) 2.504437160.4967()N S U kW ==?=
（3）S G1 →d 1 ① X nd =0.4672
② X js =0.4672×62.5/100=0.292
③ ''*
(0) 3.603 3.872(0.290.28) 3.872 3.73750.30.28I -=?-+=-
''*
(0.2) 2.785 2.939(0.290.28) 2.939 2.8620.30.28I -=?-+=-
''*
(4) 2.347 2.378(0.290.28) 2.378 2.36250.30.28
I -=?-+=-
0.975337
b I ==
④''(0) 3.73750.9753 3.6452I =?= ''(0.2) 2.8620.9753 2.7913I =?= ''(4) 2.36250.9753 2.3041I =?=
⑤''(0) 2.63 3.64529.5869()ch ch i K I kA ==?=
⑥''
3.6452 1.5636 5.6996()ch I I kA ==?= （4）S G2→d 1 ① X nd =0.4721
② X js =0.4721×62.5/100=0.292
③ ''*(0) 3.603I = ''*(0.2) 2.785I = ''*
(4) 2.347I = ④ ''(0) 3.6030.9753 3.514I =?= ''
(0.2) 2.7850.9753 2.7162I =?= ''(4) 2.3470.9753 2.289I =?=
⑤''(0)2.63 2.63 3.5149.2418()ch i I kA =?=?=
⑥ 3.514 1.5636 5.4945()ch I kA =?= 3. 当d 2点发⽣短路时
图2-7 d 1点短路电抗图图2-8 电源点到d 1点转移电抗图 X 7=0.215+0.236=0.451 X 8=0.215+0.236=0.451 （1）S Z →d 2 K ch =1.85 U n =110KV ① X nd =0.5577
② X js =0.5577×166.25/100=0.9272
③ ''*(0) 1.153I = ''*(0.2) 1.055I = ''*
(4) 1.279I = 166.250.83463115
b I ==
④''(0) 1.1530.83460.9623I =?= ''(0.2) 1.0550.83460.8805I =?= ''(4) 1.2790.8346 1.0675I =?=
⑤''''(0)(0)2 2.63 2.630.9623 2.5308ch ch i K I I ==?=?=
⑥''(0) 1.563651.5047ch I I =?=
（2）S S →d 2 ① X nd =0.1
② X js =0.1×500/100=0.5
③ ''*(0) 2.111I = ''*(0.2) 1.813I = ''*(4) 2.027I =
2.5102115
b I ==
④ ''
(0) 2.111 2.5102 5.299I =?= ''
(0.2) 1.813 2.5102 4.551I =?= ''(4) 2.027 2.5102 5.088I =?=
⑤''''(0)(0)2.6313.9364ch i I K I ==?=
⑥''(0) 1.56368.2855ch I I =?=
（3）S G1 →d 2 同 S G2 →d 2 ① X nd =0.451
② X js =0.451×62.5/100=0.2819
③ ''*(0) 3.872I = ''*(0.2) 2.939I = ''*(4) 2.378I =
0.3138115
b I ==
④''(0) 3.8720.3138 1.2149I =?= ''(0.2) 2.9390.31380.9223I =?= ''(4) 2.3780.31380.7462I =?=
⑤''(0) 2.63 1.2149 3.1952ch ch i K ==?=
⑥''(0) 1.5636 1.8996ch I I =?=
⑦''(0)1159909n S U ===
4. 当d 3点发⽣短路时
图2-9 d 1点短路电抗图图2-10 d 1点短路电抗化简图
图2-11 电源点到d 1点转移电抗图
X 8=0.5577+0.215=0.7727 X 9=0.1+0.215=0.315
X 10=0.7727+0.209+0.7727×0.209/0.236=1.666 X 11=0.236+0.209+0.236×0.209/0.7727=0.5088 （1）S Z →d 3 ① X nd =1.666
② X js =1.666×166.25/100=2.8
③ ''*(0)0.363I = ''*(0.2)0.35I = ''*
(4)0.364I =
166.25
9.1414310.5
b I ==
④''(0)0.369.1414 3.318I =?= ''(0.2)0.359.1414 3.199I =?= ''(4)0.3649.1414 3.327I =?=
⑤ 2.63 3.3188.726i =?=。