凝汽式火电发电厂一次部分课程设计

毕业设计论文
发电厂电气部分
课程设计
题目凝气式火电厂一次部分课程设计学院名称电气工程学院
指导教师
职称
班级
学号
学生姓名
2010年 6月 10日
凝汽式火电厂一次部分课程设计
1．原始资料
1．1 发电厂建设规模
1.1.1 类型:凝汽式火电厂
1.1.2 最终容量、机组的型式和参数：2×200MW、年利用小时数：6000h/a
1．2 电力系统与本厂的连接情况
1.2.1 电厂在电力系统中的作用与地位：地区电厂
1.2.2 发电厂联入系统的电压等级：220KV
1.2.3 电力系统总装机容量：16000M W，短路容量：10000MVA
1.2.4 发电厂在系统中所处的位置、供电示意图
1．3 电力负荷水平:
1.3.1 220KV电压等级：架空线10回，备用2回，I级负荷，最大输送200MW，
T max＝4000h/a
1.3.2110KV电压等级：架空线8回，I级负荷，最大输送180MW，T max＝4000h/a
1.3.3 穿越本厂功率为50MVA。

1.3.4 厂用电率：6%
1.4 环境条件
1.4.1 当地年最高温40℃，最低温－6℃，最热月平均最高温度28℃，最热月平均最低
温度24℃
1.4.2 当地海拔高度为50m
1.4.3 气象条件无其它特殊要求。

2.设计任务
2.1 发电厂电气主接线设计
2.2 厂用电设计
2.3 短路电流的计算
2.4 主要电气设备的选择
2．5 配电装置
3.设计成果
3.1 设计说明书、计算书一份
3.2 图纸一张
目录
摘要 (4)
引言 (5)
1.电气主接线 (6)
1.1 系统与负荷资料分析 (6)
1.2 主接线方案的选择 (7)
1.3 主变压器的选择与计算 (9)
1.4 厂用电接线方的选择 (12)
2. 短路电流计算 (14)
2.1 短路计算的一般规则 (14)
2.2 短路电流的计算 (16)
2.3 短路电流计算表 (16)
3. 电气设备的选择 (16)
3.1 电气设备选择的一般原则 (16)
3.2 电气设备的选择条件 (17)
3.3 电气设备的选择 (19)
3.4 电气设备选择结果表 (22)
3.5主接线中设备配置的一般规则 (24)
4. 配电装置 (25)
4.1 配电装置选择的一般原则 (25)
4.2 配电装置的选型和依据 (26)
5安全保护装置 (26)
5.1避雷器的选择 (26)
5.2继电保护的配置 (28)
6结束语 (30)
参考文献 (31)
附录Ⅰ短路电流计算 (32)
附录Ⅱ：电气设备的校验 (36)
附录III：设计总图 (39)
摘要
本设计是对2×200MW总装机容量为400MW的凝汽式区域性火电厂进行电气一次部分及其厂用电高压部分的设计，它主要包括了五大部分，分别为电气主接线的选择、短路电流的计算、电气设备的选择、配电装置的选择、安全保护装置。

其中详细描述了短路电流的计算和电气设备的选择，从不同的短路情况进行分析和计算，对不同的短路参数来进行不同种类设备的选择，列出各设备选择结果表。

并对设计进行了理论分析。

最后的设计总图包括主接线，厂用电，断路器，隔离开关等，设计总图用CAD画图软件做出。

［关键词］：主接线；发电机；变压器；短路电流；厂用电；厂备用；安全保护
凝气式火电厂一次部分课程设计
引言
设计工作是工程建设的关键环节，是工程建设的灵魂。

做好设计工作，对工程建设的工期、质量、投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作用。

它是一门涉及科学、技术、经济和方针政策等各方面的综合性的应用技术科学。

设计工作的基本任务是，在工程建设中贯彻国家的基本建设方针和技术经济政策，做出切合实际、安全适用、技术先进、综合经济效益好的设计，有效地为电力建设服务。

因此做好设计工作对工程的建设的工期、质量、投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作用。

本次设计是在课程设计任务书的基础上，依靠本学期所学的<<发电厂电气部分>>专业理论知识进行的，翻阅及参考了多种资料，通过本设计树立工程观点，加强基本理论的理解和工程设计基本技能的训练，了解现代大型发电厂的电能生产过程及其特点，掌握发电厂电气主系统的设计方法，并在分析、计算和解决实际工程能力等方面得到训练，为今后从事电气设计、运行管理和科研工作，奠定必要的理论基础。

本设计是对2×200MW总装机容量为400MW的凝汽式区域性火电厂进行电气一次部分及其厂用电高压部分的设计，它主要包括了四大部分，分别为电气主接线的选择、短路电流的计算、电气设备的选择、配电装置的选择。

其中详细描述了主接线的选择、短路电流的计算和电气设备的选择，从不同的短路情况进行分析和计算，对不同的短路参数来进行不同种类设备的选择，并对设计进行了理论分析。

1电气主接线
1.1系统与负荷资料分析
（1）工程情况
由原始资料可知，所设计的发电厂为凝气式火电厂机组台数与容量为2×200=400MW，电厂年利用小时数为6000h。

由上可知，设计电厂为大中型火电厂，其容量为400MW，占电力系统总容量400/16000×100%=2.5%。

年利用小时数为6000h/a>5000h/a，在电力系统中将主要承担基荷，因此，该厂主接线要求有较高的可靠性。

（2）电力系统情况
该发电厂在电力系统中的作用与地位为地区电厂，地区电厂靠近城镇。

电力系统总装机容量为16000 MW，短路容量为10000MVA。

该发电厂联入系统的电压等级为220KV。

(3)负荷分析
该发电厂有两个电压等级，其负荷分析分别如下：
220KV电压等级：有架空线10回，备用两回，即十二回出线，负荷类型为一级负荷，最大输送200 MW，最大负荷小时数为4000 h/a，功率因数为0.85。

110KV电压等级：有架空线8回，即8回出线，负荷类型为一级负荷，最大输送180 MW，最大负荷小时数为4000 h/a，功率因数为0.85。

由于两个电压等级所联负荷均为一级负荷，且最大负荷小时数为4000 h/a，故对主接线的可靠性要求很高。

（4）环境情况
由原始资料可知，当地海拔高50m，故可采用非高原型的电气设备；当地年最高温度为40度，年最低温度为-6度，最热月平均最高温度为28度，最热月平均最低温度为24度，气象条件无其他特殊要求。

（5）设备情况
原始资料中给出了两台发电机的容量，为200 MW，设备的型号进行选择。

根据原始资料中给出了发电机的容量，课选择出发电机的型号，选择结果如表1.1
表1.1 发电机型号及参数
1.2主接线方案的选择
（1）主接线方案的拟定
1) 110KV电压等级：出线为8回架空线路，I级负荷，最大输送180MW，为实现不停电检修出线断路器，可采用单母线分段带旁路或双母线带旁路接线形式。

由于两台发电机组单机容量均为200MW，而110KV侧的最大负荷为180MW，其全年平均负荷为220×4300÷8760=107.991MW。

若接一台200MW机组，其容量远大于最大负荷220MW以及年平均负荷107.991MW，若当联络变压器出现故障时，会造成发电机大量积压容量，可能引起发电机出现甩负荷现象，并且在选择主变压器时有一定困难，所以在110KV侧不接发电机，而通过两台联络变压器从220KV侧引接来给110KV侧负荷供电。

而且，最大输送200MW，同型号的发电机一般接在同一电压等级，因此为使联络变容量竟可能小，对于110KV 电压等级，拟采用不接发电机组的方式。

2) 220KV电压等级：出线为12回架空线路，承担一级负荷，为使其检修出线断路器时不停电，可采用双母线或双母分段接线形式，以保证供电的可靠性和灵活性。

两台发电机的出口电压均为220KV、单机容量均为200MW，其额定电流和短路电流都很大，发电机出口断路器制造困难，价格昂贵，并且200MW及以上机组对供电可靠性要求级高，拟采用分相封闭母线直接与主变压器连接，并构成单元接线接至220KV母线上，可减少出口断路器和隔离开关，大大限制短路电流，提高可靠性与经济性，也减少事故的发生。

综上所述，可拟定两种主接线方案：
方案一：发电机出口采用分相封闭母线；110KV电压等级采用单母分段带旁路接线形式，分段断路器兼作旁路断路器；220KV电压等级采用双母接线形式，两台发电机与分别与两台变压器接成发电机-变压器单元接线形式接至220KV电压母线上；220KV电压母线和110KV电压母线之间设有两台联络变压器；通过这两台联络变压器由220KV电压母线给110KV侧负荷供电。

方案二发电机出口采用分相封闭母线；110KV电压等级采用双母线带接线形式。

220KV电压等级采用双母线带接线形式。

两台发电机与分别与两台变压器接成发电机-变压器单元接线形式接至220KV电压母线上；220KV电压母线和110KV电压母线之间设有两台联络变压器；通过这两台联络变压器由220KV电压母线给110KV侧负荷供电。

（2）主接线方案的比较原则
对电气主接线的基本要求，概括的说应该包括可靠性、灵活性和经济性三方面。

可靠性:安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。

通常定性分析和衡量主接线可靠性时，从以下几个方面考虑：断路器检修时，是否影响连续供电；线路、断路器或母线故障，以及在母线检修时，造成馈线停运的回路数多少和停电时间长短，能否满足重要的一、二类负荷对供电的要求；本电厂有无全厂停电的可能性；大型机组突然停电对电力系统稳定运行的影响与产生的后果等因素。

所以对大、中型发电厂电气主接线，除一般定性分析其可靠性外，还需进行可靠性定量计算。

灵活性：电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。

灵活性包括以下几个方面：操作的方便性；调度的方便性；扩建的方便性。

经济性:在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。

通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。

经济性主要从以下几个方面考虑：节省一次投资;占地面积少；电能损耗少。

（3）主接线方案的比较与选定
方案一110KV侧采用单母分段带旁路接线形式，220KV侧采用双母接线形式；
方案二110KV侧采用双母接线形式，220KV侧也采用双母接线形式，其对比如表1.2所示。

表1.2 方案接线方式对比
两个方案发电机出口端都采用分相封闭母线，厂用电均从发电机出口端引接，所以不需要比较。

对于110KV电压等级接线形式，方案一采用的是单母线分段带旁路接线形式，方案二采用的是双母线接线形式。

从经济性方面看，两个方案中，方案二占地面积较大，但所用断路器数量和方案一一样，因此，在投资上，两个方案基本相当；从可靠性方面看，方案一可靠性相对较差；从灵活性方面看，方案一运行方式单一，灵活性最差。

因此，110KV侧应选用双母线接线形式，对于220KV电压等级接线形式，方案一和方案二接线形式一样，可靠性高。

因此，220KV侧选用双母线接线形式。

通过比较得出比较结果表1.3，两种方案中方案二是最优方案，所以选择方案二作为该凝汽式火电厂的主接线方案。

1.3 比较结果
1.3主变压器的选择与计算
变压器的选择包括容量、台数、型式和结构的选择。

(1) 单元接线的主变压器容量的确定原则
单元接线时主变压器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。

采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。

两台主变压器的容量为200-200×8%=184MW，200MW发电机的功率因素为0.85，所以这两台变压器的容量为184×(1+0.1) /0.85=238MVA
(2) 连接两种升高电压母线的联络变压器的确定原则
联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种运行方式下，网络间的有功功率和无功功率交换，一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求；同时，也可在线路检修或故障时，通过联络变压器将剩余容量送入另一系统。

这里选择两台三绕组变压器
(3) 变压器台数的确定原则
发电厂或变电所主变压器的台数与电压等级、接线形式、传输容量以及和系统的联系有密切关系。

通常与系统具有强联系的大、中型发电厂和重要变电所，在一种电压等级下，主变压器应不少于2台；而对弱联系的中、小型发电厂和低压侧电压为6-10KV的变电所或与系统只是备用性质时，可只装一台主变压器；对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设3台主变压器。

(4) 主变压器型式和结构的确定原则
选择主变压器型式时，应从相数、绕组数、绕组接线组别、冷却方式、调压方式等方面考虑，通常只考虑相数和绕组数以及绕组接线组别。

在330KV及以下电力系统，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，同时配电装置结构复杂，增加了维修工作量。

对于大型三相变压器，当受到制造条件和运输条件的限制时，则宜选用两台小容量的三相变压器来取代一台大容量三相变压器，或者选用单相变压器。

一般当最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，对于最大机组容量为200MW及以上的发电厂，通常采用双绕组变压器加联络变压器，当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，这样，可以大大限制短路电流。

变压器三绕组的接线组别必须与系统电压相位一致，否则，不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接方式只有星型“Y”和三角形“D”两种。

变压器三相绕
组的连接方式应根据具体工程来确定。

我国规定，110KV及以上电压等级，变压器三绕组都采用“YN”连接；35KV采用“Y”连接，其中性点通过消弧线圈接地；35KV以下高压电压，变压器三绕组都采用“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选用YN，d11常规接线。

综上所述，可分别选出主变压器和联络变压器的型号如表1.4表所示。

1.4 所选变压器的型号及参数
1.4厂用电接线方式的选择
厂用电接线除应满足正常运行安全、可靠、灵活、经济和检修、维护方便等一般要求外，尚应满足：
(1) 充分考虑发电厂正常、事故、检修、启动等运行方式下的供电要求，尽可能地使切换操作简便，启动（备用）电源能在短时内投入。

(2) 尽量缩小厂用电系统的故障影响范围，并应尽量避免引起全厂停电事故。

对于200MW及以上的大型机组，厂用电应是独立的，以保证一台机组故障停运或其辅助机械的电气故障，不应影响到另一台机组的正常运行。

(3) 便于分期扩建或连续施工，不致中断厂用电的供应。

对公用厂用负荷的供电，须结合远景规模统筹安排，尽量便于过渡且少改变接线和更换设备。

(4) 对200MW及以上的大型机组应设置足够容量的交流事故保安电源。

(5) 积极慎重地采用经过试验鉴定的新技术和新设备，使厂用电系统达到先进性、经济合理，保证机组安全满发地运行。

1.4.1 火力发电厂厂用电接线的设计原则
厂用电接线的设计原则基本上与主接线的设计原则相同。

首先，应保证对厂用负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运转；其次，接线应能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求；还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重地采用新技术、新设备，使其具有可行性和先进性。

实践经验表明：对于火电厂，当发电机容量在60MW及以下，发电机电压为10.5KV时，可采用3KV作为厂用高压电压；当容量在100MW—300MW时，宜选用6KV作为厂用高压电压；当容量在300MW以上时，若技术经济合理，可采用3KV 和10KV两段电压。

火电厂厂用电率较大，为了保证厂用电系统的供电可靠性与经济性，且便于运行、检修，一般都采用“按炉分段”的接线原则，即将厂用电母线按锅炉的台数分成若干独立段，既便于运行、检修，又能使事故影响范围局限在一机一炉，不致影响正常运行的完好机炉。

低压380/220V厂用电的接线，对大型火电厂，一般采用单母分段接线，即按炉分段。

1.4.2 厂用电接线形式的拟定
200MW汽轮发电机组高压厂用电系统常用的有两种供电方案，见图1.4。

方
案Ⅰ（图1.4，a ）为不设6KV 公用负荷段，将全厂公用负荷分别接在各机组A 、B 段母线上，而方案II （图1.4，b ）为单独设置二段公用负荷母线，集中供全厂公用负荷用电，该公用负荷段正常由起动备用变压器供电。

（a ） （b ）
图1.4 高压厂用电系统供电方案
（a ） 不设公用负荷母线；（b ）设置公用负荷母线
方案II 的优点是公用负荷集中，无过渡问题，各单元机组独立性强，便于各机组厂用母线清扫。

其缺点是由于公用负荷集中，并因起动备用变压器要用工作变压器作备用(若无第二台起动备用变压器作备用时)，故工作变压器也要考虑在起动备用变压器检修或故障时带公用段运行。

因此，起动备用变压器均较方案I 变压器分支的容量大，配电装备也增多，投资较大。

方案I 的优点是公用负荷分接于不同机组变压器上，供电可靠性高、投资省，但也由于公用负荷接于各机组公用母线上，机组工作母线清扫时，将影响公用负荷的备用。

另外，由于公用负荷分接于两台机组的公用母线上，因此，在#1机发电时，必须也安装好#2机的6kV 厂用配电装置，并用起动备用变压器供电。

由于二种方案各有优、缺点，应经过技术经济比较后选定。

而本设计采用上述方案II ，厂用电压共分两级，高压为6kV ，低压为380/220kV ，厂用高压设全厂6kV 公用厂用母线。

2 短路电流的计算
短路计算在设计发电厂主接线的过程中有着重要作用，它为电气设备的选
6
6
型、动稳定校正和热稳定校正提供依据。

当短路发生时，对发电厂供电的可靠性可能会产生很大影响，严重时，可能导致电力系统失去稳定，甚至造成系统解列。

因此，对短路事故的计算是非常有必要的，而且是必须进行一项工作。

2.1．短路计算的一般规则
2.1.1短路电流计算中，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120电气角度。

（4）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯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）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）用概率统计法则制定短路电流运算曲线。

2.1.2短路计算的一般规定
(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内容计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本工程建成后5至10年）。

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。

3.1
(2) 选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具体反馈作用对异步电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最大的点。

对带电抗器的6KV至10KV出线与厂用分支回路，除其母线与母线隔离开关之间隔离板前的引线和套管的计算短路点选择在电抗器前外，其余导体和电器的计算短路点选择在电抗器后。

(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以及自耦变压器等回路中的两相短路严重时，则应按严重的情况计算。

2.2短路电流的计算
短路电流由于其值很大，在极短的时间内就能产生较大的损耗，由于来不急散发热量而造成电气设备的温度急剧升高，引起设备的老化或损坏，对供电的可靠性产生影响。

当所选设备不能满足短路电流的限制时，对供电的可靠性将产生极为严重的影响。

为此，在设计主接线时，应计算短路电流。

短路电流计算的目的是为设备的选型提供依据；初步考察短路事故对发电厂以及系统的可靠性和稳定性的影响，为电厂主接线形式的选定、继电保护装置的选择和整定计算提供依据。

此外，通过对短路电流的计算，还可初步确定系统的损耗，为发电厂的经济运行提供依据。

本次短路计算中，选取了两个短路计算点，110KV母线和220KV母线上各一个；短路类型定为对系统影响最为严重的三相短路。

详细计算过程见附录I。

2.3短路电流计算表
短路电流计算的结果汇总在短路电流计算表中，如表3.1所示。

3 电气设备的选择
电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。

正确的选择电气设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。

在进行电气设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新
技术，并注意节省投资，选择合适的电器。

3.1电气设备选择的一般规则
(1) 所选设备应能满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；在满足可靠性要求的前提下，应尽可能的选用技术先进和经济合理的设备，使其具有先进性；
(2) 应按当地环境条件对设备进行校准；
(3) 所选设备应予整个工程的建设标准协调一致；
(4) 同类设备应尽量减少品种；
(5) 选用新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。

在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经过上级批准。

3.2电气设备的选择条件
正确的选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。

在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。

电器要能可靠的工作，必须按正常条件下进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

3.2.1按正常工作条件选择电气设备
（1）额定电压和最高工作电压所选用的电器允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压，即Ualm≥Usm。

一般情况下，当额定电压在220KV及以下时电器允许最高工作电压Ualm是1.15UN；额定电压是330KV—500KV时为1.1UN。

而实际电网的最高运行电压Usm 不会超过电网额定电压的1.1倍，因此在选择电器时一般可按电器额定电压UN 不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择,即UN≥UNs。

(2) 额定电流电器的额定电流IN是指额定周围环境温度下，电器的长期允许电流。

IN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，即IN≥Imax。

由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Imax为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍；若变压器有过负荷运行可能时，Imax应按过负荷确定（1.3-2倍变压器额定电流）；。