2×200MW发电机组电气部分设计

内容提要
我这次设计主要针对一次系统为主、二次设计为辅的原则，主要对2×200MW发电机组接线形式的选择、220KV主接线形式的选择、高压断路器、隔离刀闸的选择、电压互感器和电流互感器的选择，以及进行了短路计算，并对发电机和变压器的主保护进行了简单的配臵。

在电力系统中，大、中型电厂起着举足轻重的作用，一旦故障轻则引起大面积停电，重则可能引起电网崩溃。

本次设计的电厂220KV变电站是豫北电网和河南主网联系的纽带，一旦发生事故将引起河南主网的解裂，所以对220KV变电站接线形式进行了详细的分析比较，以期找到一种安全经济成熟的主接线形式。

引言
本次设计是在毕业设计任务书的基础上进行的，依靠大专三年所学的专业理论知识，结合自己参加工作几年来的经验，旨在提高自己的技术理论水平，以达到理论联系实际，学以致用的目的。

本次设计参考《电力工程电气设计手册》、《发电厂电气部分》、《电力系统分析》、《大型火力发电厂厂用电系统》等技术资料，对本设计进行经济技术上的选择，主要是对电气一次系统主接线及设备进行选择。

通过本次对发电厂发电机、变压器、主接线的选择及短路电流的计算、部分高压设备的选择，以达到理论联系实际的目的。

这次设计能够顺利完成，与指导老师的大力帮助是分不开的，同时也吸取了同学们的宝贵经验，在此向他们表示衷心的感谢。

由于本人水平有限，设计中难免存在不足之处，希望大家不惜多加指正。

2×200MW发电厂电气部分设计
一、原始资料：
1．发电厂类型：
火力发电厂
1、本厂设计规模：
根据系统规划本厂计划安装200MW汽轮发电机组两台，设计工作一次完成。

2、厂址地理条件：
本厂厂址地势平坦，平均海拔不超过50米，年最高温度40度，本厂位于县郊，距离负荷中心仅20余公里，供电半径70公里，周围有一些水泥厂，所以选择应选择抗污能力强的电气设备，并每年对220KV变电站进行带电水冲洗。

3、系统参数：
当装机容量为2×200MW时，220KV母线系统正序阻抗为0.011；零序阻抗为0.03。

根据系统220KV母线最低电压为205KV，最高电压为252KV。

220KV引出线：根据用户需要，工程引出线为5回，发电机电压无引出线向外供电。

第一节：发电机、主变压器的选择
一、发电机的选择：
由《火力发电厂设计技术规程》可知：
1、发电机的额定容量应与汽轮机的额定出力相匹配；发电机的最大连续输出容量应与汽轮机的最大进汽量工况下的
出力相匹配，其功率因数和氢压均应与额定值相同。

2、汽轮发电机的轴系自然扭振频率应躲开工频及两倍工频。

3、汽轮发电机组应有承受高压输电线出口单相重合闸能力。

4、发电机应具有一定的吸收无功功率、调峰及失磁后短时异步运行的能力。

5、励磁系统的参数、特性应满足电力系统各种运行方式的要求。

6、本厂设计规划为2×200MW汽轮机组。

经选择比较最终选择QFSN—200—2型汽轮发电机。

其参数：Pe=200MW Ue=15.75KV COSφ=0.85 n=98.7％接法YY Xd=22.2％
二、主变的选择
容量：
1、主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装臵的结构。

它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应
根据电力系统5～10年发展规划、输送功率大小；馈线回路数电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合
分析和合理选择。

2、单元接线时，变压器的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。

3、对于200MW发电机组一般采用发电机——变压器组单元接线。

4、我国国家标准GB1094《电力变压器》确定R10容量系列。

容量有100、12
5、160、200、250、315…KV.A等。

本机采用发电机——变压器组单元接线。

235-235×7％＋（235-235×7％）×10％=240MV.A。

相数：
1、变压器采用三相或单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素；
2、在330KV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。

因为单相变压器组相对来讲投资大，占地多，运行损耗也
较大，同时配电装臵结构复杂，也增加维修工作；
因本厂靠近京广铁路，所以不必考虑运输条件限制。

台数：
1、变压器是一种静止电器，运行实践证明他的工作是比较可靠的。

一般寿命为20年，事故率较小。

通常设计时，不
必考虑另设专用备用变压器。

2、容量为200MW及以上的机组在技术经济合理时，可采用发电机、变压器、线路组的单元接线。

3、本厂是2×200MW机组，且只有一种电压等级，故本次设计为发电机、变压器单元接线。

绕组数和连接方式：
1、对于200MW以上机组，其升压变压器一般不采用三绕组变压器；对于最大机组为200MW以上的发电机，由于机组容
量大，额定电流及短路电流都很大，发电机出口短路器制造困难，价格昂贵，且对供电可靠性要求较高。

所以，一般在
发电机回路及厂用分支回路均采用分相封闭母线，而封闭母线回路中一般不装臵断路器和隔离开关。

2、对于200MW以上机组，其升压变压器一般不采用三绕组变压器；变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一
致，否则，不能并列运行。

我国110KV及以上电压，变压器三相绕组都采用“YN”连接；35KV以下高压电压，变压器
三相绕组都采用“D”连接；在发电厂和变电所中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制三次谐波对电源的影
响等因素，根据以上绕组连接方式的原则，主变压器接线组别一般都选用Y，d11常规接线。

调压方式的确定：
1、与发电机作单元连接的双绕组变压器，可以由发电机调压，一般不须有载调压。

本厂发电机——变压器组采用单
元接线，故由发电机调压。

型号选择：
SFP7——240000/220
额定电压 242000/15750
高压 242±2×2.5/100
高压分接范围：±2×2.5％
低压 15.75KV
空载损耗：176KW
负载损耗：653KW
空载电流：0.36％
阻抗电压：13％
三、高压厂变的选择：
1、高压厂用工作变压器的容量应按在各种运行情况下满足厂用电的要求来考虑；
2、为保证厂用电的可靠性，大中型的电厂高压厂用工作变压器多采用分裂变压器；
3、机组通过升压变压器直接送入较高的电力电网，则从发电机的出口引线处直接引取高压电源；
4、各机组的高压厂用电系统应该相对独立，这一条对200MW以上的机组尤为重要；
5、高压负荷一般都比较重要，为使工作与备用设备不会因母线故障而全部停运，设计中又将母线分为两段，把互为备用的设备接于不同段上；
6、为给发电机组正常启动时提供电源，必须提供一启动电源，为保证高压厂用电系统的运行安全，设臵厂用备用电源也是非常必要的
7、200～300MW机组高压厂用电源由发电机的出口引接，经一台分裂变压器降压后，分别向两段高压厂用母线供电，两段母线间无联络开关；
8、高压厂用电线的启动/备用电源来向高压启动/备用变压器，与厂用变压器一样，高压启动/备用变压器也采用分裂变压器，两个低压绕组分别向两个厂用母线供给启动/备用电源。

由于系统电压变动范围较大，一般高压启动/备用变压器多采用有载调压器，而发电机的出口电压稳定，高压厂用变压器多采用无载调压变压器。

因为我本次设计的为200MW机组，所以高压厂用电源直接由发电机的出口15.75KV处引接，经一台分裂变压器降压为6.3KV后，分别向两段高压厂用母线供电。

高压厂用变压器容量的选择：
高压厂用变压器的型号：
SFFL—31500/15
使用条件：户外
容量KVA： 31500/20000—11500KVA
额定电压KV： 15750/6300—6300
损耗KW：空载 25KW
负载 158KW
阻抗电压：半穿越阻抗电压高压—低压1 15.8%
高压—低压2 16.6%
空载电流%： 0.4
接线组别： D,d0,d0
高压备用变压器的选择：
高压备用变压器因与高压厂用变压器的负荷相同，故容量形式基本相同：
SFPFZL—31500/220
容量KVA： 31500/2×20000KVA
额定电压KV： 220±7×1.488%
220/6.3—6.3KV
损耗KW：穿越运行时负载 94.9KW
空载 54.4KW
阻抗电压%：高压—低压1 17.7%
高压—低压2 17.7%
空载电流%： 0.78
接线组别： Yn,d11,d11
第三节电气主接线的设计
一、电气主接线的设计依据
1、地区电厂靠近城镇一般接入110～220KV系统；
2、发电厂的机组容量应根据系统规划容量、负荷增长速度和电网结构等因素来考虑，系统最大机组容量不超过系统容量的10/100；
3、对于一类负荷，当失去一个电源时应保证不停电；对于二类负荷，当失去一个电源时应保证不全部停电；对于三类负荷可以只有一个电源；
4、系统中应有一定的备用容量，运行备用容量不应少于10/100，以适应负荷突增、机组检修和事故停运三种情况。

设计主接线时，还应考虑检修母线或断路器时是否允许线路故障、变压器或发电机停运、故障时允许切除的线路、变压器和机组的数量等；
5、对于35～220KV配电装臵的接线方式，应根据发电厂在系统中的地位、负荷情况、出线回路数、设备特点、配电装臵形式及发电厂的单机、单机容量及规划容量等条件来设计；
6、当配电装臵在电力系统中居重要地位、负荷大、潮流变化大且出线回路数多时，宜采用双母线或双母线分段的接线方式；
7、采用单母线或双母线的110～220KV配电装臵，当断路器为少油或压缩空气型时缩空气型时，除断路器有条件停电检修外，应设臵旁路设施；当220KV出线在4回及以上、110KV出线在6回及以上时，宜采用带专用旁路断路器的旁路母线。

当断路器为SF6时，可根据系统的实际情况，有条件的可不设旁路设施；当需要设臵旁路设施，且220KV出线在6回及以上，110KV出线在8回及以上时，可采用带专用旁路断路器的旁路母线；
二、电气主接线的基本要求
可靠性：
1、断路器检修时，应不影响供电；
2、线路、断路器或母线故障时以及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对
一类负荷及部分二类负荷的供电；
3、尽量避免发电厂或变电站全部停电的可能；
灵活性：
1、主接线应满足调度、检修及扩建时的灵活性；
2、调度时应可以灵活的投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行、检修运行方式及特殊运行方式下的调度要求：
⑴修时可以方便的停运断路器、母线及其他继电保护设备，进行安全检修而不影响电网的运行和对用户的供电；
⑵扩建时可以容易的从初期接线过度到最终接线，在不影响连续供电或停电时间的情况下，投入新装机组变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次部分改建的工作量最少；
经济性：
1、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；
2、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；
3、能够限制短路电流，以便选择廉价的电气设备或轻型设备；
4、能满足系统安全和继电保护要求；
5、发电厂投入系统的电压等级一般不超过两种；
火电机组高压接线可靠性的几点特殊要求：
1、任何断路器检修时，不影响对系统的连续供电；
2、对于单机容量为200MW的电厂，在保证系统稳定和发电厂不全停的条件下，允许切除两台以上机组。

主接线形式：
1、单母线接线
只设一条母线，发电机和线路接在一条母线上。

单母线接线具有简单清晰、设备少、投资少、运行操作方便且有利于扩建等优点，但可靠性和灵活性差。

当母线或母线隔离开关发生故障或检修时，必须断开全部电源，造成全厂停电；此外，在检修断路器，也应停止该回路工作。

这种接线只适用于6~220KV系统中只有一台发电机或一台主变压器，且出线回路数又不多的中、小型发电厂或变电所。

故不采纳。

2、单母线分段接线
单母线分段接线用分段断路器对单母线进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性。

对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电。

当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电，不致使重要用户停电。

这种接线广泛用于中、小容量发电厂的6~10KV接线和6~220KV变电所中并且一段母线检修时会造成该母线上的发电机停运，这是不能允许的，故不采纳。

3、单母线分段带旁母接线
在单母线分段接线的基础上加装一条旁路母线，可以在检修出险断路器时不致中断该回路供电，提高了供电的可靠性。

但倒闸操作复杂，可靠性差，对于出线回路数较多，容量较大的发电厂不能达到可靠性和灵活性的要求，故不采纳。

4、双母线接线
双母线接线具有两组母线，每回线路都经一台断路器和两组隔离开关分别和两组母线相连，母线之间通过母线联络断路器连接，有了两组母线后运行的可靠性和灵活性得到了大大的提高。

检修任意母线时可以把全部电源和线路倒换到另一条线路上，不会停止对用户的供电。

线路断路器停电检修时，可临时用母联断路器代替。

但必须将该回路短时停电，用“跨条”将断路器遗留缺口接通，然后投入母联断路器向该回路供电，对可以短时停电的负荷比较合适。

但操作比较复杂，须接“跨条”，安全可靠性差，同时并不能避免对线路的停电；双母线接线使用设备多，配电装臵复杂，投资较多，在运行中隔离开关作为操作电器，容易发生误操作。

故不采纳。

5、双母线带旁母接线
在双母线线接线方式的基础上增加旁路母线的接线方式不仅具有双母线的所有优点，而且可以不免双母线检修断路器时必须进行短时停电的缺点，充分保证供电的可靠性。

对于出线较多的变电站由于断路器检修故障较多，母联断路器长期被占，对变电站的安全不利。

可以增加一条旁路断路器替代检修或故障的断路器，由于现在220KV线路保护都采用微机保护，跟改定植十分方便，使旁路断路器可以发挥很大的作用。

可见双母线带旁母接线方式具有供电可靠，检修方便，调度灵活等优点。

故在我省大中型发电厂和变电站中广泛应用，积累了长期运行经验。

但该接线方式隔离开关较多，在运行中隔离开关作为操作电器，容易发生误操作，必须配备防误闭锁装臵。

当母线故障时必须切除较多电源和线路，对于特别重要的大型发电厂和枢纽变电站是不允许的。

6、一台半断路器接线方式
每两个回路用三台断路器接在两组母线组成一个半断路器接线。

运行时，两组母线和全部断路器都投入工作，形成多环状供电，具有较多的供电可靠性和灵活性，任一母线故障或检修均不致停电；除联络断路器故障时与其相连的两回线路短时停电外，其他任何断路器故障或检修时都不会中断供电；甚至两组母线同时故障或检修时，仍不会造成系统解列裂。

该接线运行方便，操作简单，隔离开关只在检修时作为隔离电器，不作为操作电器，提高了安全性。

为进一步提高接线可靠性，并防止联络断路器故障可能同时切除两组电源线路，可尽量把同名元件布臵在不同串上，同名元件分别接入不同母线，即将变压器和出线同串交叉布臵，但必须增加配电装臵间隔。

该接线方式运行灵活，可靠性高，但须增加较多断路器，占地面积较大，继电保护配臵复杂，经济性较差。

一台半断路器和双母线带旁母接线的技术经济比较：
总结：经过对以上两种接线方式的综合比较，我认为双母线带旁母接线方式比较适合本次设计的要求，故采纳双母线带旁母接线方式作为220KV变电站的主接线。

第四节电器设备的选择
一．电器设备选择的一般条件
1、按正常工作条件选择电器
〈1〉所选电器允许最高工作电压Ualm不得地狱所接电网的最高运行电压Usm；
〈2〉所选电器的额定电压UN不低于装臵地点电网额定电压UNS的条件选择；
〈3〉电器的额定电流应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax；
〈4〉还应考虑电器安装地点的环境；
2、按短路情况校验
〈1〉短路电流通过电器是，电器各部件温度应不超过允许值。

满足热稳定的条件为I2tt≥Qk;
〈2〉满足动稳定的条件为：电器允许通过的动稳定电流的幅值ies≥短路冲击电流幅值ish;
〈3〉验算热稳定的计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tab之和;
二．一般原则：
1、应满足正常运行、检修、短路和过电压时的要求；
2、应按当地环境条件校验；
3、应力求技术先进、经济合理；
4、同类设备应尽量减少品种；
5、应选用性能完善并经正式鉴定合格的优良产品；
三．技术条件：
1、选用电器的最高允许电压不低于该回路的最高运行电压；
2、选用电器的额定电流不低于所在回路各种运行方式下的持续工作电流；
3、选用电器的机械荷载应大于电器引出线在正常和短路时的最大作用力；
4、选用电器应按最大可能通过的短路电流进行动热稳定效验；
5、在工作电压和过电压的作用下，电器的内外绝缘应保持必要的可靠性。

四．高压断路器的选择：
1、额定电压选择
UN≥UNS
2、额定电流选择
IN≥Imax
3、开断电流选择
高压断路器的额定开断电流Inbr，不应小于实际开断瞬间的短
路电流周期分量Ipt,即
INbr≥Ipt
当断路器的Inbr教系统短路电流大很多时，也可用次暂态电流I”
4、短路关合电流的选择
断路器的额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值ish,即 iNcl≥ish
5、热稳定校验
I2t≥Qk
6、动稳定校验
ies≥ish
经过科学的计算和综合比较，确定#1、#2发变组出口断路器为：
SW6——220/1200
6KV电源断路器选择： SN10—10III/2000
6KV备用电源断路器：SN10—10Ⅲ/2000
220KV系统母联断路器：SW6—220/1200
五、导体的选择
1、选择条件
（1）应能满足正常工作电流的需要；
（2）电流分布均匀；
（3）机械强度高；
（4）散热良好；
（5）电晕起始电压高；
（6）安装检修方便；
（7）连接方便；
2、导体的选择和校验
（1）最大工作电流校验
（2）经济电流密度校验；
（3）动稳定校验；
（4）热稳定校验；
（5）电晕校验；
3、选择结果
6KV母线：矩形、单条、竖放100×8铝母线
220KV母线：管母，LGJ—500/35
六、隔离开关的选择
隔离开关的选择应根据配电设备的布臵和使用特点，进行综合比较确定：
6KV侧隔离开关：GN2—10/2000—85
发电机出口隔离开关：GN21—20/10000
发变组出口隔离开关：SW6—220D/1000—50
220KV线路隔离开关不要接地的隔离开关：
SW6—220/1000—50
七、电流互感器的选择
6KV侧电流互感器：LMC—10型屋内电流互感器，变比为3000/5
220KV电流互感器：LCWB7—220W1
八、电压互感器的选择：
厂用电6KV母线电压互感器：JDZJ—6型
6KV电压互感器熔断器：RD—6型
220KV母线电压互感器：JCC5—220W1
九、避雷器的选择：
220KV避雷器型号：Y1W——100/260
6KV母线氧化锌避雷器：.Y2.5W—7.6/19
第五节短路电流的计算
一、短路电流的计算目的：
1、选择载流导体；
2、选择配电设备；
3、选择继电保护装臵和进行整定计算；
4、选择有效的限流措施；
二、进行短路计算的基本条件：
1、正常工作时三相系统对称运行；
2、所有电源电动势相位角相同；
3、短路瞬间短路电流最大；
4、母线电抗忽略不计；
三、限流措施：
1、发电厂和变电所
（1）出线装设电抗器；
（2）采用分裂变压器；
四、短路计算结果：
短路点： 220KV母线 f1
发电机出口 f2
6KV厂用母线 f3
计算结果：
第六节发电机变压器的继电保护配臵
发电机的保护配臵
一、对于200MW机组的发电机，应对下列故障及不正常工作状态作出响应：
1、定子绕组的相间短路；
2、定子绕组的单相接地；
3、定子绕组的匝间短路；
4、定子绕组过负荷；
5、转子过负荷；
6、励磁回路一点接地和两点接地；
7、发电机励磁降低或消失；
8、汽轮机主汽门突然关闭而使发电机转入调相机运行；
9、防止发电机静子冷却水中断使发电机过热而损坏；
10、发电机非全相；
11、发电机出口电压互感器断线监视和保护断线闭锁；
二、对应装设以下保护：
1、发电机纵差动保护；
2、定子接地保护；
3、定子匝间保护；
4、发电机过负荷保护（对称和不对称过负荷）；
5、转子过负荷保护；
6、转子一点接地和两点接地保护；
7、失磁保护；
8、逆功率保护；
9、发电机断水保护；
10、发电机非全相保护；
11、15.75KV电压回路断线；
变压器的继电保护
一、为了防止电力变压器出现下列故障及异常运行方式，应按下列规定装设相应的继电保护装臵：
1、绕组及引出线的相间短路故障和在中性点直接接地时的单相接地短路；
2、绕组的匝间短路；
3、外部相间短路引起的过电流；
4、中性点直接接地电网外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；
5、过负荷；
6、油面降低；
7、变压器温度升高和冷却系统故障；
8、防止变压器铁芯过饱和损坏；
二、对于0.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA及以上的车间内油浸式变压器，均装设瓦斯保护；当变压器壳内故
障或油面下降时应瞬时动作于信号；当出现大量瓦斯时，应动作于断开变压器各侧断路器。

三、对变压器引出线、套管及内部短路故障，应按以下规定装设相应的保护：
1、对发电机—变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，应装设单独的纵差保护；
2、当变压器纵差保护对单相接地短路灵敏性不符合要求时，可增设零序电流保护；
四、本次设计中主变压器的保护：
1、主变压器差动保护；
2、主变压器瓦斯保护；
3、主变压器零序保护；
4、过激磁；
5、主变压器冷却器全停；
五、本次设计中高压厂变的保护：
1、高厂变差动；
2、高厂变瓦斯；
3、高厂变过流；
六、高压备用变压器的保护与高压厂变的保护基本相同，另外还有220KV零序过流保护、220KV断路器失灵保护、有载
调压瓦斯保护、冷却器全停保护。

七、发电机—变压器组的保护：
1、发变组差动；
2、阻抗；
3、失灵保护；
第七节、配电装臵与防雷保护
配电装臵按电器装设地点的不同，分为屋内和屋外配电装臵。

本次设计屋内配电装臵主要选用成套配电装臵，这是因为本地环境恶劣，设备运行条件较差。

220KV配电装臵选用屋外式。

6KV厂用电系统选用屋内配电装臵，布臵形式选两层。

220KV配电装臵要选用能够抗8级地震的装臵。

220KV母线选用管形母线，管形母线一般安装在柱形绝缘子上，母线不会摇摆，相间距离减小，可节省占地面积。

但管形母线易产生微风共振和存在端部效应，对基础不均匀下沉比较敏感，应采用倾斜的V型绝缘子串将管形母线挂在母线构架上，也可提高抗震能力。

少油断路器安装在0.5～1m的混凝土基础上，检修比较方便，抗震性能好。

发电厂如果发生雷击事故，可能会使变压器及其他电器等主要设备发生损坏，造成大面积停电，因此，发电厂，必须装设防雷保护。

为了防止雷直击发电厂应装设避雷针，装设避雷针的原则：
1、所有被保护设备均应处于避雷针的保护范围之内，以免遭受雷击。

2、雷击避雷针时，应防止避雷针至被保护设备发生反击。

对于220KV系统，可以将避雷针装设在配电装臵的构架上；发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生反击和引起继。