MW火力发电厂电气部分课程设计

1. 发电厂情况
装机四台，容量2 x 100MW ，2x50MW, 发电机额定电压10.5KV ，功率因数分别为cos φ=0.85，cos φ=0.8，机组年利用小时数4800h ，厂用电率7%，发电机主保护时间0.05s ，后备保护时间3.9s ，环境条件可不考虑。

2. 接入电力系统情况
（1）、 10.5KV 电压等级最大负荷10MW ，最小负荷8MW ，cos φ=0.8，架空线路6回，二级负荷。

通过发电机出口断路器的最大短路电流：''40.2I KA = 238.6S I KA = 438.1S I KA =
（2）、 剩余功率送入220KV 电力系统，，架空线路4回，系统容量1800MW ，通过并网断路器的最大短路电流：''17.6I KA = 216.5S I KA = 416.1S I KA = ，
3、厂用电采用6kv 及380/220三级电压。

摘要
随着高速发展的现代社会，电力工业在国民经济中的作用已为人所共知，其中发电厂在电力系统中起着重要的作用，它不仅影响国民经济其他部门的发展，同时，也影响着整个社会的进步。

电能是经济发展最重要的一种能源，火力发电在我国乃至全世界范围，其装机容量占总装机容量的70%左右，发电量占总发电量的80%左右。

由此可见，电能在我国的国民经济中担任着主力军的作用。

火力发电是我国乃至全世界范围内最主要的发电形式。

本次设计最重要的任务是一次系统中的接线形式、变压器形式的选择、母线的选择和校验及电气设备的选择；主变压器的继电保护，母线继电保护防雷规划，配电装置设计等主要内容。

设计本着使电力供应和传输安全可靠灵活经济的原则。

发电厂是电力系统的重要组成部分。

它直接影响整个电力系统的安全与经济。

发电厂的作用是将其他形式的能量转化成电能。

按能量转化形式大体分为火力发电厂，水力发电厂，核能发电厂，风力发电场。

考虑发电厂中的地位和作用，电力系统中的发电厂有大型主力发电厂，中小型地区电厂及企业自备电厂三种类型。

无论是那种形式的电厂它们的电气部分设计的主要内容及基本思想都是相通的。

关键词：电力系统变电所变压器电气设备
目录
第1章绪论 (1)
1.1 项目概况 (1)
1.2 发电厂电气部分国内外现状及发展趋势 (1)
1.3 项目建设的必要性和投资意义 (2)
1.4 设计工作应遵循的主要原则 (2)
1.5 发电厂生产过程 (2)
1.6 项目设计资料分析 (3)
第2章主设备的选择 (5)
2.1 电器一次设备及其作用 (5)
2.2 电器二次设备及其作用 (5)
2.3 断路器的选择 (5)
2.4 隔离开关的选择 (7)
第3章电气主接线设计 (8)
3.1 电气主接线的基本要求和设计步骤 (8)
3.2 电气主接线的基本要求 (8)
第4章方案的选择 (10)
4.1 方案一：采用双母线接线 (10)
4.2 方案二：采用双母线带旁路母线接线 (10)
4.3 方案三：采用多角形接线 (11)
4.4 方案比较及结论 (12)
第5章电气设备的选择 (13)
5.1 断路器选择 (13)
5.2 隔离开关选择 (14)
5.3 电流互感器的选择 (15)
第6章厂用变压器主接线设计 (16)
6.1 对厂用电接线的要求 (16)
6.2 厂用电接线方式选择 (16)
6.3 厂用电系统中性点接地方式 (16)
总结.........................................................................................错误!未定义书签。

参考文献.. (18)
附录 (19)
第1章绪论
在高速发展的现代社会中，电力工业在国民经济中有着重要作用，它不仅全面地影响国民经济其他部门的发展，同时也极大的影响人民的物质与文化生活水平的提高。

1.1 项目概况
1875年法国巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂并开始发电，采用很小的直流电机专供附近照明用电。

美国、俄国、英国也相继建成小火电厂。

1886年，美国建成第一座交流发电厂。

1882年，中国在上海建成一座装有1台12KW 直流发电机的火电厂，供电灯照明用。

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，它的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。

1.2 发电厂电气部分国内外现状及发展趋势
电能一种清洁的二次能源。

由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度,易于实现自动化。

绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅猛发展。

到2003年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第2位。

工业用电量已占全部用电量的50～70%，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。

电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。

电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。

我国的电力系统从50年代开始迅速发展。

到1991年底，电力系统装机容量为14600万千瓦，年发电量为6750亿千瓦时，均居世界第四位。

输电线路以220 千伏、330千伏和500千伏为网络骨干，形成4个装机容量超过1500万千瓦的大区电力系统和9个超过百万千的省电力系统，大区之间的联网工作也已开始。

此外，1989年，台湾省建立了装机容量
为1659万千瓦的电力系统。

1.3 项目建设的必要性和投资意义
火力发电由于起步较早，到目前为止各项措施已取得了不断的完善和发展，其电气部分也得到很大的进展，但仍然存在一些不足期待改进。

这就要求我们改善这些不良方面，最大限度的发挥经济效益，并减少事故的发生。

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。

按其功用可分为两类，即凝汽式电厂和热电厂。

前者仅向用户供应电能，而热电厂除供给用户电能外，还向热用户供应蒸汽和热水，即所谓的“热电联合生产”。

目前采用最广泛的发电形式是利用煤的燃烧来获得电能，而我国煤的储量也是相当丰富的，因此本课题的提出具有很大的现实意义，如何设计好火电厂的电气主接线及各项保护性措施，就显得尤为重要。

1.4 设计工作应遵循的主要原则
（1）遵守国家的法律、法规，贯彻执行国家的经济建设方针、政策和基本建设程序，特别应贯彻执行提高综合经济效益和促进技术进步的方针。

（2）要运用系统工程的方法从全局出发，正确处理中央与地方、工业与农业、城市与乡镇、近期与远期、技改与新建、生产与生活、安全与经济等方面的关系。

（3）要根据国家规范、标准与有关规定，结合工程的不同性质、要求，从实际情况出发，合理确定设计标准。

（4）要实行资源的综合利用，节约能源、水源，保护环境，节约用地等。

1.5 发电厂生产过程
原煤从产地运进电厂后，先储入原煤仓，然后经输煤皮带送进原煤斗并落入磨煤机中，煤被磨成煤粉后，由煤粉机抽出，随同热空气经喷燃器送入锅炉的燃烧室内燃烧。

燃烧时产生的热量，一部分被燃烧室四周的水冷壁所吸收，一部分加热燃烧室顶部和烟道入口处的过热器中的蒸汽，其余的热量则被烟气携带穿过省煤器、空气预热器,继续把热量传给蒸汽、水和空气。

烟气经除尘器净化处理后，由引风机从烟囱排入大气。

燃烧时生成的灰渣和由除尘器收集下来的细灰，用水冲进冲灰沟排出厂外。

燃烧用的助燃空气，由送风机送入空气预热器加热，加热后的热空气一部分
进入磨煤机用于干燥和输送煤粉，大部分热空气则进入燃烧室助燃。

水和蒸汽是将热能转换成机械能的主要物质。

经净化后的给水，先送入省煤器内预热，然后进入锅顶部的汽包内再降入水冷壁管中，待吸收了燃烧室的热能后蒸发成蒸汽，此蒸汽流经过热器时，进一步吸收烟气的热量而变为高温高压的过热蒸汽，然后经过主蒸汽管道进入汽轮机，进入汽轮机的热蒸汽在喷管里膨胀而高速冲动汽轮机的转子转动，将热能转换成机械能。

汽轮机带动转子旋转，将机械能转换成电能。

汽轮机内做功后的蒸汽，在冷凝器中被冷却凝结成水。

凝结水经除氧器除氧，再经加热器加热后，用给水泵重新送进省煤器预热。

上述过程循环往复，周而复始，发电厂便连续不断地生产出电能。

1.6 项目设计资料分析
装机四台，容量2 x 100MW，2x50MW, 发电机额定电压10.5KV，功率因数分别为cosφ=0.85，cosφ=0.8，机组年利用小时数4800h，厂用电率7%，发电机主保护时间0.05s，后备保护时间3.9s，环境条件可不考虑。

发电厂除厂用电外，全部送入220KV电力系统，，架空线路4回，系统容量4000MW。

（2）10.5KV电压等级最大负荷10MW，最小负荷8MW，cosφ=0.8，架空线路6回，二级负荷。

通过发电机出口断路器的最大短路电流：
（3）剩余功率送入220KV电力系统，，架空线路4回，系统容量1800MW，通过并网断路器的最大短路电流：
火力发电厂的电气设备可分为电气一次设备和电气二次设备。

通常把生产和输送、分配电能的设备称为一次设备。

包括:
（1）生产和转换电能的设备:如发电机将机械能转变成电能，电动机将电能转变成机械能变压器使电压升高或降低，以满足输配电需要。

这些都是发电厂中最主要的设备；
（2）接通或断开电路的开关电器：如：断路器、隔离开关、熔断器、接触器之类。

它们用于正常或事故时，将电路闭合或断开；
（3）限制故障电流和防御过电压的电器：如避雷器；
（4）接地装置:无论是电力系统中性点的工作接地还是保护人身安全的保护
接地，均采用金属接地体埋入地中(或连成接地网)。

（5）载流导体：如母线、电缆等，它们按设计的要求，将有关电气设备连接起来。

还有一些电气设备,是对上述设备进行测量、控制、监视和保护用的，称为二次设备，包括:
（1）仪用互感器：如电压互感器和电流互感器，可将电路中的电压或电流降至较低的值，供给仪表和保护装置使用；
（2）测量表计：如电压表、电流表、功率因数表等，用于测量电路中的参量值；
（3）继电保护及自动装置：这些装置能迅速反映不正常情况并进行调节或作用于断路器跳闸，使故障切除；
表示一次设备电气连接关系的高压电气回路称为一次回路。

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。

同时，它与继电保护、自动装置和二次接线的设计有密切关系。

当火力发电厂接入电网时，它对于电力系统运行的安全性、稳定性和经济性也将发生直接影响。

电气一次部分设计，通常包括以下几方面的内容：
（1）发电厂与电网的连接：根据地方的电力系统规划设计及发电厂接入系统设计，确定本发电厂的送电地区、输电电压等级、出线回路数目、输电容量，以及电网对本发电厂的运行方式、稳定措施等方面的要求；
（2）电气主接线：论证、选定电气主接线；
（3）厂用电系统：确定厂用电源的取得方式与厂用电电压等级，统计厂用电高低压负荷，选择高压、低压厂用变压器容量、台数，确定厂用电接线；
（4）电气设备选择：计算短路电流，按照短路电流计算结果选择变压器、断路器、隔离开关和互感器等电气设备的型式、规格及有关技术参数；
（5）设备布置：包括主厂房内、外的电气设备平面布置和升压站布置；
（6）过电压保护和接地：选定主厂房及电气设备的过电压保护方式、保护设备型式、规格及其布置位置；计算接地电阻及敷设接地装置等。

第2章主设备的选择
在发电厂和变电所中，根据电能生产、转换和分配等各环节和需要，配置了各种电气设备。

根据它们在运行中所起的作用不同，通常将它们分为电气一次设备和电气二次设备。

2.1 电器一次设备及其作用
直接参与生产、变换、传输、分配和消耗电能的设备称为电气一次设备，主要有：
(1)进行电能生产和变换设备，如发电机、电动机、变压器等。

(2)接通、断开电路和开关电器，如断路器、隔离开关、自动空气开关、接触器、熔断器等。

(3)限制过电流或过电压的设备，如限流电抗器、避雷器等。

(4)将电路中的电压和电流降低，供测量仪表和继电保护装置使用的变换设备，如电压互感器、电流互感器。

(5)载流导体及其绝缘设备，如母线、电力电缆、绝缘子、穿墙套管等。

(6)为电气设备正常运行及人员、设备安全而采取的相应措施，如接地装置等。

2.2 电器二次设备及其作用
为了保证电气一次设备的正常运行，对其运行状态进行测量、监视、控制、调节、保护等的设备称为电气二次设备，主要有[9]：
(1)各种测量表计，如电流表、电压表、有功功率表、无功功率表、功率因数表等。

(2)各种继电保护及自动装置。

(3)直流电源设备，如蓄电池、浮充电装置等。

2.3 断路器的选择
（1）所选断路器的额定电压应大于或等于安装处电网的额定电压。

即：
U N≥U G
（2）断路器经校正后的额定电流不小于通过断路器的最大持续工作电流。

短路热稳定计算时间为：s t t t t a in pr k 96.303.003.09.32=++=++= 倒闸时由于，不计较非周期热效应。

短路电流的热效应K Q 等于周期分量热效应P Q ，即
（3）校验断Tk ＞1s 路器的断流能力。

为使断路器安全可靠地切断短路电流，应满足下列条件：()br kt I I kA ≥ 式中br I —断路器的额定开断电流，kA ；
kt I —刚分电流（断路器触头刚分瞬间的短路全电流有效值），kA 。

为了计算kt I ，需首先确定短路切断计算时间，即从短路发生瞬间起到断路器触头刚分开瞬间为止的一段时间。

设这段时间为t 1，它可由下式计算，即：1()p g t t t s =+
式中 p t —继电保护（主保护）动作时间,s 。

g t —断路器固有分闸时间，s ，型号初定后可从有关手册查到。

刚分电流kt I 可按下式计算出：kt I =
式中pt I —触头分开瞬间实际通过断路器的短路周期电流的有效值（可由运
算曲线查得），kA ；
a T —非周期电流衰减时间常数
当t 1＞0.1s 时，非周期电流的相对值实际上已衰减到20%以下，对I kt 的影响（小于2%）可以忽略不计。

此时可采用刚分瞬间的周期电流I pt 对断路器进行校核。

考虑到断路器的安全，周期电流的数值通常取其短路初瞬的有效值"I ，这样校核条件即变为"br I I ≥。

额定电所以我们选择的型号为SW7-220/1500
额定电压：220K V 开断容量：6000
额定电流：1500A 额定开断电流：21KA
额定关合电流：100KA 动稳定电流：100KA
热稳定电流:21KA(4S) 固有分闸时间：≤0.04 S
合闸时间：≤0.15 S 全开断时间：≤0.05 S
2.4 隔离开关的选择
（1）隔离开关的额定电压应大于装设所处电路所在的电网的额定电压。

【1】（2）隔离开关经校正后的额定电流应大于装设电路的最大持续工作电流。

（3）动稳定校验应满足的条件
（4）热稳定校验应满足的条件
（5）隔离开关一般选用手动操作机构
通过上面的计算，选择型号为GW4-220（D）的隔离开关,可以查表得到隔离开关的有关参数：
型号：GW4-220（D）额定电压：220KV
额定电流：1000A 动稳态电流:80KA
热稳态电流23.7KA(4S)
第3章电气主接线设计
3.1 电气主接线的基本要求和设计步骤
发电厂和变电所电气主接线，是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，也称为一次接线；它反映各设备的作用、连接方式和各回路间相互关系，从而构成发电厂或变电所电气部分的主体。

电气主接线是保证出力，连续供电和电能质量的关键环节，它直接影响着配电装置的布置、继电保护的配置、自动装置和控制方式的选择，它必须满足工作可靠、调度灵活、运行检修方便、且具有经济性和发展的可能性等基本要求。

3.2 电气主接线的基本要求
（1）保证必要的供电可靠性和电能质量
安全可靠是电力生产的首要任务，停电不仅使发电厂造成损失，而且对国民经济各部门带来的损失将更严重，往往比少发电能的价值大几十倍，至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失和政治影响，更是难以估量。

因此，主接线的接线形式必须保证供电可靠。

电压、频率和供电连续可靠，是表征电能质量的基本指标，主接线应在各种运行方式下都能满足这方面的要求。

（2）具有一定的灵活性和方便性
主接线不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且在系统故障或设备检修及故障时，也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。

（3）具有经济性
在主接线设计时，在满足供电可靠的基础上，尽量使设备投资费和运行费为最少，注意节约占地面积和搬迁费用，在可能和允许条件下应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。

（4）具有发展和扩建的可能性
在设计主接线时应留有余地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到
分期过渡接线的可能和施工的方便。

发电厂和变电所电气主接线，是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，也称为一次接线；它反映各设备的作用、连接方式和各回路间相互关系，从而构成发电厂或变电所电气部分的主体。

电气主接线是保证出力，连续供电和电能质量的关键环节，它直接影响着配电装置的布置、继电保护的配置、自动装置和控制方式的选择，它必须满足工作可靠、调度灵活、运行检修方便、且具有经济性和发展的可能性等基本要求。

电气主接线的一般设计步骤如下：
（1）对设计依据和基础资料进行综合分析；
（2）选择发电机台数和容量，拟定可能采用的主接线形式；
（3）确定主变压器的台数和容量；
（4）厂用电源的引接；
（5）论证是否需要限制短路电流，并采取什么措施；
（6）对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。

第4章方案的选择
4.1 方案一：采用双母线接线
图4.1 双母线接线图
适用场所
该接线适用于：220KV配电装置出现到4回及以上，中等容量机组，所以满足设计要求。

优缺点
优点：
供电可靠性大，可以轮流检修母线而不使供电中断，当一组母线故障时，只要将故障母线上的回路倒换到另一组母线，就可迅速恢复供电，另外还具有调度、扩建、检修方便的优点。

缺点：
每一回路都增加了一组隔离开关，使配电装置的构架及占地面积、投资费用都相应增加；同时由于配电装置的复杂，在改变运行方式倒闸操作时容易发生误操作，且不宜实现自动化；尤其当母线故障时，须短时切除较多的电源和线路，这对特别重要的大型发电厂和变电站是不允许的。

4.2 方案二：采用双母线带旁路母线接线
图4.2 双母线带旁路接线图
适用场合：
不允许因检修断路器而长时间停电的场所，均需要设置旁路母线。

适应于110KV出线在6回以上、220KV在4回及以上时，宜采用双母线分段带旁路母线。

优缺点：
优点：提高了运行的可靠性，对特殊场合供电是不可或缺的。

缺点：增加了投资，多装了价格昂贵的旁路断路器。

4.3 方案三：采用多角形接线
适用场合
一般用于回路数较少且能一次建成、而不需要再扩建的110KV及以上的配电装置中。

由于角形接线无母线配电装置面积小，故多用于进出线数不超过6回、地形不宽裕的发电厂。

优缺点：
优点：
多角形接线所用设备少，投资省、运行可靠性高，正常情况下为双重连接，任何一台断路器检修时都不影响供电，由于没有母线，在连接的任何部分发生故障时，对电网的影响都比较小。

图3 多角形接线图
缺点：
回路数受到限制，因为当环形接线处有一台断路器检修时就要开环运行，此时当其他线路发生故障就要造成两个回路停电，扩大了停电范围，且开环时间运行越长，这一缺点就越大，环中的断路器越多，开环检修的机会就越大。

可以采用四角形和五角形接线，同时为了可靠性，线路和变压器要求用对角连接。

4.4 方案比较及结论
方案一双母线接线结构简单，且能满足设计要求，且线路和设备需要量少，相比方案二和方案三来说比较经济，倒闸操作简单，但是可靠性不高。

方案二双母线带旁路接线方式相比方案一增加了可靠性，且允许断路器故障能保证不停电，但却增加了昂贵的旁路断路器。

方案三角形接线来说，大大提高了可靠性，但是要满足这一要求线路和变压器接线方式也要改线，线路较复杂，且多用于中小型水利发电厂，且受到地域的限制，增加了断路器个数增加了经济投资，所以再多满足要求的同时，应该选择方案一采用双母线接线，既满足设计要求，又能满足经济性要求。

第5章电气设备的选择
5.1 断路器选择
（1）发电机出口端断路器
由于设计采用单元接线形式且容量为300MW，则可不用装发电机出口断路器。

（2）主变压器与母线之间断路器选择
实际设计计算
1. 额定电压220 kV
2. 额定电流I=1.05(P/1.732*220)=275 A
3. 额定关短电流17.6 kA
4. 额定关合电流17.6kA
5. 短路热稳定计算*t =*4=1037(kA)2·s
6. 动稳定检验=1
7.6 kA
根据以上计算条件可选择型号：SW7-220/1500
参数比较及校验
1. 额定电压220 kV （合格）
2. 额定电流1500 A >275A（合格）
3. 额定开断电流21 kA>17.6kA（合格）
4. 热稳定电流21 kA>176.1 kA（合格）
表5.1 断路器选择结果
计算数据SW7-220/1500型断路器合格/不合格
220kV
275A
17.6kA
17.6KA 1037(kA)2·s
220kV
1500A
21kA
21kA
(kA)2·s
合格
合格
合格
合格
合格
（3）母线与出线侧断路器选择
由于出线一般大于进线数，所以选择型号比变压器到母线的断路器型号要求参数略小即可，可选择型号：SW6-220/1200
5.2 隔离开关选择
（1）主变压器到母线侧隔离开关的选择[1]
实际设计计算
额定电压220 kV
额定电流I=1.05(P/1.732*220)=275 A
额定关短电流17.6 kA
额定关合电流17.6 kA
短路热稳定计算*I =*4=1037A
动稳定检验=17.6 kA
参数比较及校验
额定电压220 KV （合格）
额定电流1000 A（合格）
极限电流通过峰值80kA>17.6kA（合格）
热稳定电流23.7 kA>17.6 KA（合格）
根据以上计算条件可选择型号：GW4-220D/1000-80所需条件均满足设计要求
表5.2 隔离开关选择结果
计算数据GW4-220D/1000-80型隔离开关合格/不合格
220kV
275A
17.6kA 1037(kA)2·s
220kV
1000A
80kA
(kA)2·s
合格
合格
合格
合格
（2）母线与出线侧断路器选择
由于出线一般大于进线数，所以选择型号比变压器到母线的断路器型号要求参数略小即可，可选择型号：SW6-220/1200
（3）母线与出线侧隔离开关选择
由于出线一般大于进线数，所以选择型号比变压器到母线的断路器型号要求参数略小即可，可选择型号：GW4-220D/1000-50
5.3 电流互感器的选择
（1）变压器到母线侧电流互感器的选择
一次侧电流275 A
二次侧电流 5 A
额定电流I=1.05(P/1.732*220）=572 A
则可选择型号：LA-10 可满足要求
（2）母线与出线侧电流互感器的选择
由于出线一般大于进线数，所以选择型号比变压器到母线的断路器型号要求参数略小即可，可选择型号：LFZJ1-10
（3）变压器到母线侧电压互感器的选择
一次侧电压220 KV
二次侧电压100 V
额定电压220 kV
则可选择型号: YDR-220。