河津电厂2X350MW火力发电厂电气设计.doc

山西大学工程学院 毕业论文山西大学工程学院 毕业设计（论文）题 目河津电厂2X350MW火力发电厂电气设计 系 别 电力系 专 业 电气自动化 班 级 姓 名 指导教师 下达日期 2010 年 1 月 16 日设计时间自 2010 年 2 月 16 日 至2010年 6 月 20 日 毕业设计（论文）任务书一、设计题目：1、题目名称 河津电厂2X350MW火力发电厂电气一次系统设计 2、题目来源 现场 二、目的和意义本设计充分应用和巩固所学专业知识，如发电厂电气部分、电力系统分析等，进行实际运算，加深学生对在校期间所学知识的理解和掌握，提高学生分析计算的能力，训练学生的综合运用能力和创造能力，使学生在行将毕业参加工程实际工作之前得到电气设计工程师的初步训练，为今后的工作打下坚实的基础。三、原始资料1、该厂为新建电厂，属凝汽式火力发电厂2、发电机出口电压23KV，经开压至220KV送入系统3、厂用电率4.6%4、220KV出线四回分别是赵家庄两回临晋一回，备用一回5、总规划容量（1300-1400MW）二期拟扩建2台300350MW机组6、发电机参数415MVA、23KV、10417A、cos=0.85、xd=17.4%四、设计说明书应包括的内容1、电气主接线的设计原则2、电气主接线的设计3、主变压器的选择4、短路电流的计算5、电气设备的配置和选择6、配电装置的设计7、保护装置的配置8、防雷与接地的设计五、设计应完成的图纸1、设计说明书；2、河津电厂首期电气主接线图；3、规划容量电气主接线图。六、主要参考资料电气工程电气设计手册专业课程教材七、进度要求1、实习阶段 第 周（ 月 日）至第 周（ 月 日）共 周2、设计阶段 第 周（ 月 日）至第 周（ 月 日）共 周3、答辩日期 第 周（ 年 月 日） 八、其它要求河津电厂2350MW火力发电厂电气设计摘 要电能是经济发展最重要的一种能源，可以方便、高效地转换成其它能源形式。当今，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，电能在我国这个发展中国家的国民经济中担任着主力军的作用。设计中将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，并与河津火力发电厂现行运行情况比较，同时，在保证设计安全的前提下，还要兼顾可靠性、经济性和灵活性，通过计算论证该火电厂实际设计的合理性与经济性。在计算和论证的过程中，结合电气工程手册规范，采用CAD软件绘制了大量电气图，进一步完善了设计。关键词：主接线设计；短路电流；配电装置；电气设备选择；继电保护Subsystem Design On Electricity Of Hejin Coal-Fired Power Plants In 2350MWAbstractElectricity is the most important energy of economic development which can be conveniently and efficiently converted into other forms of energy. Today,not only in China but also in the world ,the thermoelectricity capacity accounts to about 70% and the power about 80%.So, electricity plays an important role in our country which is a developing country.In this design, I will mainly discuss main electric connection design, short circuit account, electric equipment choice, electric equipment layout, lightning strike defending design, electrical machine, transformer and generatrix protective relaying detailedly in theory and comparing with the power plant of He jin, while ensuring the reliability of the design, under the premise we should also take into account economic and flexibility demonstrated by calculating the effective thermal power plant design and reasonable economy.During my counting and demonstrating,in order to consummate my design, I will protract a great lot of electric engineering-pictures by Auto-CAD following the new criterion of electric engineering-enchiridion.Keywords：main electric； connection design ；short current； electric equipment choice；electric equipment layout；protective relaying目录前言.1第1章 绪论.2第1节国内外研究现状.21.1.1电力系统的国内外发展现状.21.1.2火电厂设计研究的国内外发展概况.2第2节 原始资料及分析.21.2.1原始资料.21.2.2原始资料分析.2第2章 电气主接线方案的选择与确定.3第1节 概述.32.1.1 主接线的设计原则.32.1.2 主接线的要求.32.1.3 电气主接线的设计程序.4第2节 主接线的基本接线形式.52.2.1 可选方案的确定.52.2.2 可选方案的分析.62.2.3 单元接线（发电机与母线间的接线）.9第3节 最优方案的确定.102.3.1 方案的比较.102.3.2 两种方案的确定.12第3章 主变压器选择.13第1节 概述.13第2节 主变压器的选择.133.2.1 变压器相数的选择.133.2.2 变压器绕组数与结构的选择.133.2.3 变压器绕组接线组别的选择.133.2.4 变压器调压方式的选择.133.2.5 变压器冷却方式的选择.13第4章 厂用电接线及设计.15第1节 概述.154.1.1 厂用电概述.154.1.2 厂用电率.154.1.3 厂用电负荷分类.15第2节 厂用电接线的设计原则和接线形式.154.2.1 对厂用电接线的要求.154.2.2 厂用电接线的设计原则.164.2.3 厂用电的电压等级.164.2.4 厂用电源及其引接.164.2.5厂用电接线形式.17第3节 厂用变压器的选择.18第4节 厂用电动机选择和自启动校验.184.4.1 厂用电动机的选择.184.4.2 自启动校验.19第5章 短路电流的计算.22第1节 概述.22第2节 参数计算.225.2.1 等值电路图.225.2.2 各元件参数计算.22第3节 短路电流计算.225.3.1 各点短路计算.225.3.2 短路电流计算结果表.26第6章 电气设备的选择.27第1节 概述.27第2节 母线的选择.276.2.1 机端封闭母线的选择.276.2.2 汇流母线的选择.27第3节 断路器的选择.286.3.1 断路器的功能.286.3.2 断路器的种类.286.3.3 断路器的选择.28第4节 隔离开关的选择.296.4.1 隔离开关的主要用途.296.4.2 隔离开关的种类.296.4.3 隔离开关的选择.29第5节 电流互感器的选择.296.5.1电流互感器的作用.296.5.2电流互感器的种类.296.5.3电流互感器的选择原则.306.5.4电流互感器的选择.30第6节 电压互感器的选择.316.6.1电压互感器及其分类.316.6.2电压互感器的选择.31第7章 配电装置的选择.33第1节 概述.33第2节 屋内配电装置.33第3节 屋外配电装置.33第 4节 两种配电装置的比较.34第5节 配电装置的选择.34第8章 保护装置的配置.35第1节 概述.35第2节 发电机的保护及整定计算.358.2.1 发电机的纵差动保护.368.2.2 发电机的纵差动保护的整定原则与计算.36第3节 母线的保护.378.3.1 装设母线保护的几种情况.378.3.2 目前国内110KV及其以上母线保护装置的原理有以下几种.37第9章 防雷与接地的设计.39第1节 概述.399.1.1 雷害来源.399.1.2 避雷针作用.399.1.3 避雷针的保护范围.39第2节 避雷器的选择原则.409.2.1 型式.409.2.3 灭弧电压.409.2.4 工频放电电压.409.2.5 冲击放电电压和残压.40第3节避雷器的选择.409.3.1接地的定义.409.3.2接地的分类.419.3.3发电厂防雷接地.41结论.42参考文献.43附录.附录一 主接线图.附录二 配电装置图.中文原文.44英文译文.47指导教师评语表.5152前言本设计充分应用和巩固所学专业知识，如发电厂电气部分、电力系统分析等，进行实际运算，加深我们对在校期间所学知识的理解和掌握，提高我们分析计算的能力，训练我们的综合运用能力和创造能力，使我们在行将毕业参加工程实际工作之前得到电气设计工程师的初步训练，为今后的工作打下坚实的基础。发电厂时电力系统的重要组成环节，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行。本设计主要讲河津电厂电气设计，主要完成电气主接线设计、短路电流的计算、电气设备的选择和配电装置的选择的等内容。 2009.6.8第1章 绪论第1节 国内外研究现状1.1.1 电力系统的国内外发展概况新中国成立以后，特别是改革开放以来，我国电力工业得到了迅速发展。在党中央、国务院的正确领导下，广大电力职工奋发图强，辛勤耕耘，中国的电力工业取得了令人瞩目的成就。1987年，全国电力装机容量迈上1亿千瓦台阶；1995年突破2亿千瓦；到2000年底，全国电力装机容量已达3.19亿千瓦。从1949年到改革开放前的1978年，我国电力装机由185万千瓦增加到5712万千瓦，增长了29.9倍；年发电量由43亿千瓦时增加到2566亿千瓦时，增长了58.7倍。而从1978年到二十世纪末，我国电力装机和年发电量又分别增长了4.58和4.33倍。目前，我国的电力装机容量和年发电量均居世界第2位；我国的电力工业也已从大电网、大机组、超高压、高自动化阶段，进入了优化资源配置、实施全国联网的新阶段3。我国是发展中国家，我国的电力工业长期以来依靠多家办电的政策，吸引了投资，促进了我国电力工业的发展；并通过引进、消化和吸收和技术创新，极大地提高了电力的技术水平和装备水平；通过十年的坚持不懈的达标、创一流工作，大大提高了电力企业的管理水平，很多电力企业，尤其是一些发电厂的管理水平可以与发达国家的电厂的管理一比高低。但是，我国人均用电水平还很低，面临着继续快速发展的巨大压力。自从加入了以后，国家电力公司已经确定了“建成控股型、经营型、集团化、现代化、国际一流的电力公司”的战略目标，并已在2000年跻身世界500强，2001年在世界500强中位居77位。中国加入WTO对电力工业来说，是机遇与挑战并存，机遇大于挑战。1.1.2 火电厂设计研究的国内外发展概况在我国乃至全世界范围，火电厂的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。截止目前为止，我国火力发电厂单机容量以30万千瓦和60万千瓦机组为主，浙江省温州市玉环县的华能玉环电厂正在投建4台100万千瓦发电机组，首台机组预计今年投产发电。其100万千瓦超超临界火力发电机组主蒸汽压力为25兆帕，主蒸汽和再热蒸汽温度均为600度，这不仅在我国是最高参数，在世界上也处于最前沿水平。此前，上海电气与西门子合作制造的上海外高桥2台90万千瓦火力机组是我国第一个超临界百万级项目，首台机组已于2006年开始发电。第2节 原始资料及分析1.2.1原始资料 见任务书1.2.2节原始资料分析该厂为新建电厂，属凝汽式火力发电厂，发电机出口电压23KV，经开压至220KV送入系统。220KV出线四回分别是赵家庄两回临晋一回，备用一回。总规划容量（1300-1400MW）二期拟扩建2台300350MW机组。本设计充分地应用和巩固所学专业知识，如发电厂电气部分、电力系统分析、继电保护及自动装置和高电压技术等，进行实际运算，以提高分析问题和解决实际问题的能力，为今后的工作打下坚定的基础。第2章 电气主接线选择第1节 概述电气主接线时发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的要环节。本章以电气主接线的设计为中心，从工程的观点出发，介绍对主接线的基本要求、典型接线形式以及主要设备的作用、配置原则等。综合阐述了发电厂电气接线的特点和主接线的原则、步骤等。2.1.1 主接线的设计原则(1)发电厂在电力系统中的地位和作用这是主要因素，很大程度上决定了发电厂的主接线形式。如发电厂是系统的大型主力电厂，还是属于地区或企业的中小型电厂；是带基本负荷的电厂，还是只负责腰荷或调峰的电厂。各类发电厂在系统中的地位和作用不同，对于主接线的可靠性，选择性和灵活性的要求也不同。本设计发电厂为新建电厂，首期建成后分别供给临晋、赵家庄，且总规划容量为1300-1400MW，属于地区性的重要发电厂。(2)电厂的分期和最终建设规模发电厂的机组容量，应该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，且以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。本设计发电厂分为两期建设，最终建设规模为1300-1400MW。总之，我们设计的电气主接线基本原则是以设计任务为依据，以国家经济建设的方针，政策，技术规定，标准为准绳，结合工程实际情况，以保证宫殿可靠，调度灵活，满足各项技术要求的前提下，兼顾运行，维护方便，尽可能地节约投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠，先进，适用，经济，美观的原则。2.1.2主接线的要求(1)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，电气主接线必须保证供电可靠。电气主接线的可靠性不是绝对的。同样形式的主接线对某些发电厂是可靠的，而对另一些发电厂则不一定能满足可靠性要求。在分析电气主接线可靠性时，要考虑发电厂在系统中的地位和作用，用户的负荷类型和性质，设备运行制造水平及运行经验等。通常定性分析和衡量主接线可靠性时，从以下几方面考虑：发电厂或变电所在电力系统中的地位和作用发电厂接入电力系统的方式运行方式和负荷性质设备的可靠程度直接影响着主接线的可靠性长期实践运行经验的积累提高可靠性是主要条件(2)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变。灵活性包括以下几个方面：操作的方便性。电气主接线应该在满足可靠性的条件下，结构简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便运行人员掌握，不致再操作过程中出错。调度的方便性。电气主接线在正常运行时，要根据调度要求，方便地改变运行方式，并且在发生事故时，要尽快的切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多的影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。扩建的方便性。对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。尤其是火电厂和变电站，在设计主接线时要留有发展扩建的余地。设计时不仅要考虑最终接线的实现，还要考虑到从初期接线过渡到最终接线的可能和分阶段施工的可行方案，使其尽可能的不影响连续供电或在停电时间最短的情况下，将来可顺利完成过渡方案的实施，使改造工作量最少。(3)经济性在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。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。经济性要从以下几方面考虑：节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采用限制短路电流的措施，以节省开关电器数量，选用价廉的电器或轻型电器，以便降低投资。占地面积小。主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽可能使占地面积小，同时应注意节约搬迁费用，安装费用和外汇费用。对大容量发电厂或变电站，在可能和允许条件下，应采取一次设计，分期投资，投建，尽快发挥经济效益。电能损耗小。在发电厂或变电站中，电能损耗主要来自变压器，应经济合理的选择变压器的型式，容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。2.1.3 电气主接线的设计程序电气主接线的设计伴随着发电厂或变电站的整体设计进行，即按照工程基本建设程序，历经可行性研究阶段，初步设计阶段和施工设计阶段等四个阶段。在各阶段中随要求，任务的不同，其深度，广度也有所差异，但总的设计思路，方法和步骤基本相同。设计步骤和内容如下：(1)工程情况，对发电厂类型，设计规划容量，单机容量和台数，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等的分析。发电厂容量的确定与国家经济发展规划，电力负荷增长速度，系统规模和电网结构以及备用容量等因素有关。发电厂装机容量标志着发电厂的规模和在电力系统中的地位和作用。在设计时，对发展的电力系统可优先选用较为大型的机组。但是最大单机容量不宜大于系统总容量的10，以保证在该机检修或故障情况下系统的供电可靠性。发电厂运行方式及利用小时数直接影响着主接线设计。承担基荷为主的发电厂，设备利用率高，一般年利用小时数在5000小时以上；承担腰荷的发电厂，设备利用小时数在30005000小时；承担峰荷的发电厂，设备利用小时数在3000小时以下。不同的发电厂其工作特性不同。对于核电厂或300MW及以上的火电厂以及径流式水电厂等应优先担任基荷，相应主接线应保证可靠性。对于水电厂，其具有灵活的机动性，故其主接线应保证调度灵活。(2)电力系统情况，及对电力系统近期及远景发展规划，发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等的分析。发电厂的总容量与电力系统容量之比如果大于15时，则就可认为该厂在系统中处于重要地位，应选择可靠性较高的接线方式。以防一旦全厂停电影响系统供电的可靠性。主变压器和发电机中性点接地方式与电压等级，单相接地短路电流，过电压水平，保护配置等有关，其直接影响电网的绝缘水平，系统供电的可靠性和连续性，主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。我国规定：一般35千伏及以下电压系统采用中性点非直接接地方式（中性点不接地或经消弧线圈接地）;110千伏及以上的高压系统采用中性点直接接地方式。发电机中性点都采用非直接接地方式，目前广泛采用经消弧线圈接地方式或经中性点接地变压器接地。(3)负荷情况，及对负荷的性质及其地理位置，输电电压等级，出现回路数及输送容量等分析。在设计中，对电力负荷的预测不仅应有短期负荷预测，还应有中期负荷预测，对电力负荷预测的准确性直接关系着发电厂或变电站电气主接线设计成果的质量。发电厂承担的负荷应仅可能的让全部机组安全满发，并按系统提出的运行方式，在机组间经济合理的分配负荷，减少母线上的电流流动，让发电机运转稳定和满足电能质量要求。第2节 主接线的基本接线形式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。主接线的确定对电力系统整体如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配置继电保护和控制方式的拟订有较大影响。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。2.2.1 可选方案的确定据原始资料可知：220kV出线为四回，主变进线两回，厂用高压起动备用变两回，进出线共计八回。按手册：对主接线的基本要求为：安全性、可靠性灵活性经济性。根据该电厂的具体情况以及手册要求，对各种基本接线的具体分析如下：(1)单母线接线依手册可知，单母线适用于220kV配电装置的出线回路数不超过2回，而该电厂的出线数为4回，所以单母线接线不可选。(2)单母线分段接线根据手册，单母分段接线适用于出线回路数为34回，但可靠性不高，所以该接线也不可选。(3)双母线接线依手册，该接线适用于220kV配电装置的出线回路数为5回以上时；或220kV配电装置在系统中居重要地位，出线数为4回及以上时，所以双母接线可选。(4)双母线分段接线（包括双母三分段和双母四分段）按手册，双母分段接线适用于220kV配电装置的出线回路数为1014回时，所以该接线可选。(5)双母线带旁路母线接线依据手册可知：220kV线路输送功率较多送电距离较远停电影响较大，并且220kV少油断路器平均每台每年检修时间约需5天及7天，停电时间较长，一般需设置旁路母线或旁路隔离开关。而且220kV出线为5回及以上时，一般装设专用旁路断路器。所以双母线带旁路母线接线可选，并且设置专用旁路断路器。(6)一台半断路器接线查手册得：在特殊情况下，个别大型电厂和枢纽变电所未接入500kV系统而接入220kV系统，致使其220kV配电装置在系统中的地位特别重要而采用了超高压配电装置应用的一台半断路器接线可选。(7)桥形接线按照手册，桥形接线适用于较小容量的发电厂，而该发电厂为大容量的电厂，所以桥形接线不可选。(8)35角形接线根据手册可知：多角形接线适用于最终进出线为35回的110kV及以上配电装置，所以多角形接线不可选。2.2.2 可选方案的分析综合以上分析可知：符合原始资料和规程规定的方案有：方案：双母线接线（如21）(1)该方案的优点： 1)供电可靠；2)调度灵活；3)扩建方便；4)便于实验。(2)缺点：1)增加一组母线和一回路就需要增加一组母线隔离开关，增加投资；2-1双母线接线2)当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作；3)出线断路器检修时，该回路须停止供电。方案：双母线三分段（如图22）方案：双母线四分段（如图23）(1)两种方案的优点：1) 具有很高的可靠性和灵活性；2) 当母线故障时，不须短时切换较多电源和负荷。图2-2双母线三分段接线图2-3双母线四分段接线(2)缺点：1)增加分段断路器和母联断路器的数量，配电装置投资较大；2)检修出线断路器时，仍然会使该回路停止供电。方案：双母线带旁路接线（如图14）(1) 该方案的优点：图2-4双母线带旁路接线1)检修出线断路器时，该回路可以不停电；2)运行操作方便，不影响双母线正常运行。(2)缺点：1)多装一台断路器，增加了投资和配电装置的占地面积；2)旁路断路器的继电保护为适应各出线的要求，其整定较复杂。方案：一台半断路器接线（如图25）(1)该方案的优点：1)即使母线发生故障，只断开与此母线相连的所有断路器，任何回路均不停电，具有较高的供电可靠性；2)正常运行时，两组母线和全部断路器都闭合，形成多环行供电，运行调度灵活可靠；3)隔离开关不作为操作电器，只承担隔离电压的任务，减少误操作，对任何断路器检修可不停电，操作检修方便。(2)缺点：1)造价高；2)为解决继电保护校验问题，保护必须双重化；3)在8个回路以上时，一次设备的投资超过双母线四分段带旁路母线接线的投资，建设标准提高太多。图25 一台半接线通过分析筛选组合，在满足规程要求的前提下，保留两种可能的接线方案，即双母线三分段接线和双母线带旁路母线接线，在下一节中做进一步的可靠性和经济性比较。2.2.3 单元接线（发电机与母线间的接线）单元接线是无母线中最简单的形式，它有三种常用形式：发电机双绕组变压器单元接线，发电机三绕组变压器单元接线，发电机变压器线路单元接线。(1)发电机双绕组变压器单元接线是大型机组广泛采用的接线形式。发电机出口不装断路器，为调试发电机方便可装设隔离开关，对200MW以上机组，发电机出口采用分相封闭母线，为了减少开断点，也可不装断路器，但应留有可拆点，以便机组调试。该种接线避免了额定电流或短路电流过大，从而造成在选择断路器时受到价格和制造条件的限制。但其也有缺陷：1）当主变压器或厂总变压器发生故障时，除了跳主变压器高压出口断路器外，还需调发电机磁场开关。而大型发电机时间常数较大，从而即使磁场开关跳开后，在一段时间内通过发电机变压器组的故障电流仍很大；如果磁场开关拒跳，后果会更严重。2）发电机定子绕组本身故障时，如果变压器高压侧断路器失灵拒跳，就只能通过失灵保护出口启动母差保护或发远方跳闸信号使线路对侧断路器跳闸；如果由于通道原因远方跳闸信号失效，就只能由对侧后备保护来切除故障，从而造成切除时间大大延长，导致发电机，变压器严重损坏。3）发电机故障跳闸时，会失去厂用工作电源，如果此时备用电源切换不成功，厂用电就面临中断危险。(2)发电机三绕组变压器单元接线：为了在发电机停止工作时，仍能保持和中压电网的联系，在变压器的三侧均应装断路器。(3)发电机变压器线路单元接线：用于一机，一变，一线的厂或站。单元接线简单，开关设备少，操作简便，以及因不设发电机电压母线，而在发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压母线时有所减小。此外单元接线还有扩大单元接线：1）发电机双绕组变压器扩大单元接线：当发电机单机容量不大，且在系统备用容量允许时，为了减少变压器台数和高压侧断路器数目，并节省配电装置占地面积，将两台变压器与一台变压器相连接构成扩大单元接线。2）发电机分裂绕组变压器扩大单元接线：通常单机容量仅为系统容量的12或更小，而电厂的升高电压等级又较高时采用此种接线。本设计中发电机容量为350MW，发电机出口短路电流很大，考虑到其他条件，故采用发电机双绕组变压器单元接线，且采用分相封闭母线。第3节 最优方案的确定2.3.1方案的比较(1)各种电气设备的配置根据规程规定，各种设备的配置要求如下：1)隔离开关的配置中小型发电机出口一般应装设隔离开关，容量为220MW及以上大机组与双绕组变压器为单元接线时，其出口不装设隔离开关，但应有可拆连接点。由于该机组为350MW