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电气电子毕业设计161河南理工大学发电厂电气部分设计,毕业设计论文

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河南理工大学毕业设计（论文） 摘要 ： 发电厂电气部分设计内容主要包括发电厂电气主接线的设计，发电厂厂用电系统的设计，发电厂电气二次系统的一般设计，发电厂电气系统主要电气设备的选择及其短路电流计算，其中主要内容是对电气一次系统的设计。 本课题设计从电力工业在国民经济中的重要作用以及电力系统的组成，发电厂的类型谈起，论述了发电厂电气部分设计在电力系统设计中的重要地位。针对发电厂电气部分设计中的重中之重 发电厂电气主接线设计做了重点阐述，其中包括电气主接线的基本要求、基本设计原则，电气主接线形式的分类，发电厂主变压器的选择设计以及发电厂电气主 接线图的设计、绘制等。然后谈到了发电厂厂用电系统的设计，发电厂主要电气设备的选择以及为其选择设计做准备的短路电流计算，最后还简要提到了发电厂电气二次系统的设计。还要说明的是本课题所做的设计主要针对的是中、小型火力发电厂电气部分的设计。 关键字 ： 一次系统 二次系统 电气主接线 热稳定性 动稳定性 nts河南理工大学毕业设计（论文） Summary: The power plant electricity part design contents includes primarily the power plant electricity lord connects the linear design, the power plant factory uses the design that give or get an electric shock the system, power plant electricity two the general design of subsystems, choice and its short-circuit electric currents of the main electricity in system in electricity in power plant equipments compute, among them main contents is to electricity the design of the subsystem. This lesson a design is from the electric power industry in national economy of important function and electric power systems constitute, the type of the power plant talks to rise, discussing the power plant electricity part important position designing in electric power system design. The heavy power plant electricity lord that aim at the heavy inside of power plant electricity parts of designs inside connects the line design did the point expatiates, among them include the electricity lord connect the linear and basic request, basic design principle, the electricity lord connects the classification of the line form, the choice of the main transformer in power plant designs and the design that power plant electricity lord connect the line diagram, draw etc. Then spoke of the power plant factory use the design that give or get an electric shock the system, the choice of the main electricity in power plant equipments and do for its choice design the short-circuit electric current of the preparation nts河南理工大学毕业设计（论文） compute, returning finally the synopsis mentioned the power plant electricity two the design of subsystems. Still want to explain of is this lesson a design for doing to aim at primarily of is inside, small scaled thermal power plant electricity part of designs. Key words: a subsystem two subsystem electricity lords connect the hot stability moves the stability nts河南理工大学毕业设计（论文） 目 录 前言 .1 1 电气主接线设计 .5 1.1 概述 .5 1.2 对电气主接线的基本要求 .5 1.3 电气主接线的设计原则 . .7 1.4 电气主接线形式的分类 . .9 1.5 典型电气主接线的设计 . .14 2 厂用电设计 .17 2.1 厂用负荷的分类 . .17 2.2 厂用电设计的基本要求 . .18 2.3 厂用电设计的一般原则 . .19 2.4 热电厂自用电接线设计 . .20 2.5 厂用电设计计算 . .22 3 短路电流计算 .25 3.1 限制短路电流的措施 . .25 3.2 短路电流计算的一般规定 . .27 3.3 短路电流计算的计算步骤 . .28 3.4 短路电流计算方法 . .29 4 电气设备的选择计算 .36 4.1 电气设备选择的一般条件 . .36 4.2 电气设备选择的一般规定 . .40 4.3 电气设备选择的技术条件和设计计算 . .41 4.4 电气设备 选择举例 49 nts河南理工大学毕业设计（论文） 5 二次接线及其它设计 .52 5.1 原理图 53 5.2 安装图 53结论 .56 谢辞 .57 参考文献 .58 nts河南理工大学毕业设计（论文） 1 前 言 国民经济要增长，社会要发展离不开机器、动力和能源，而电是一种最重要的能源。电力已成为工农业生产中不可或缺的一种动力，并广泛应用到一切生产部门和日常生活的各个方面。电是一种二次能源，各种天然能源如煤炭、水能、核能、石油等一次能源要转换成电能必须在发电厂中来完成。按输入能源形式及转换过程的不同，可将发电厂分为下列四类： （ 1）火力发电厂 火力发电厂又可分为凝气式火电厂和热电厂，二者的主要差别在于后者除发电外，更兼供热。 （ 2）水力发电站； （ 3）核能电站； （ 4）其它形式电站。 目前，虽然我国 各种形式电厂都有较大发展，且出于环境保护和经济社会可持续发展的考虑，更加大了后三种电厂建设的力度，但是火力发电在我国电力工业中仍是主力。那 么 ，火电厂究竟如何进行生产的呢？（工作流程见图 1） 原煤从产地运进电厂后，先储入原煤仓，然后经输煤皮带送入原煤斗并落入磨煤机中，煤被磨成煤粉后，由排粉机抽出，随同热空气经喷燃器送入锅炉的燃烧室内燃烧。燃烧时放出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。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 2 图 1 凝汽式电站的生产过程 1 锅炉； 2 蒸汽过热器； 3 汽轮机高压段； 4 中间蒸汽过热器； 5 汽轮机低压段； 6 凝汽器； 7 凝汽水泵； 8 给水泵； 9 发电机； 10 主变压器； 11 断路器；12 主母线； 13 站用变压器； 14 厂用电高压母线 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工质。经净化后的给水，先送入省煤器内预热，然后进入锅炉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。汽轮机带动发电机旋转，将机械能转换成电能。汽轮机内做功后的蒸汽在冷凝气中被冷却凝结成水。凝结水经除氧器除氧，再经加热器加热后，用给水泵重新送入省煤器预热。上述过程 循环往复，周而复始，发电厂便连续不断地生产着电能。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 3 火力发电厂的主要系统包括锅炉的熔烧系统，汽轮机的汽水系统，发电机及其电气系统。从能量转换的观点来看，在锅炉内燃料的化学能转变成了蒸汽的热能；在汽轮机内蒸汽的热能转变为轴的旋转运动的机械能；在发电机内机械能转变成了电能。发电厂的电气系统包括电气一次回路部分与电气二次回路部分。发电厂电气一次接线指的是对用户供电的电路部分。其中，对外供电（或由外部受电）的部分称为电气主接线。为了保证发电厂、变电站的生产和工作人员的生活，对内供电的部分称为厂用电接线。为了保证一次 接线安全、可靠、优质、经济地运行，对一次接线中的设备实施测量、信号、控制、调节的电路部分称为二次接线。 二次系统中，测量功能包括显示、打印、记录电压、电流、功率及电度等运行量。信号功能指的是用文字、声音和灯光等显示接线及设备的状态：正常、异常或事故。控制指的是对断路器实施跳闸和合闸操作，可以由运行人员手动也可以自动。检查一次接线是否发生事故，当其发生事故时，自动实施切除事故相关部分的控制系统称为继电保护系统。自动重合闸、备用电源自动投入、发电机自动同期并列装置属于自动合闸的控制装置。电力系统的调节主要包 括发电机组的有功 功率调节、无功 电压调节、有载调压变压器分接头的自动调节以及无功补偿、谐波补偿等补偿设备的自动调节。 在一次接线中，将通过同一电流的电路部分称为一条支路，每条支路以其主要元件命名，例如：发电机支路、变压器支路、出线支路等。 电力系统的额定电压分为下列等级： 0.38kV； 3kV； 6kV； 10kV； 35kV；110kV； 220kV； 330kV； 500kV； 750kV； 1150kV。发电厂、变电站的主接线电压一般有三个电压等级，相对地称为高、中、低压。厂用电电压一般为两级，低压为 380/220V，高压为 3kV、 6kV 或 10kV。 发电厂电气部分设计的主要任务是完成发电、变电、配电系统的设计，保证电能安全可靠地送入电力系统，并力争节约投资，降低能耗。本文主要针对较为普遍的中小型火力发电厂的电气部分设计作了阐述，重点是对其一nts河南理工大学毕业设计（论文） 4 次接线部分的设计。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 5 1 电气主接线设计 1.1 概述 发电厂电气主接线是电力系统接线的主要组成部分，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、线路等按照一定的要求和顺序连接起来，并用国家统一规定的图形和文字符号表示的发、变、供电的电路图。因为三相交流电气设备的每相结构一般是相同的，所以电气主接线图以单线图形式表示。 电气主接线表明了发电机、变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式以及可能的运行方式，对供电可靠性、运行灵活、检修方便以及经济合理等起着决定性的作用，从而完成发电、变电、输配电的任务。它的设计直接关系着全厂电气设备的选择，配电装置的布置，继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。 1.2 对电气主接线的基本要求 1.2.1 根据系统和用户的基本要求，保证必要的供电可靠 性和电能质量 供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，主接线首先应满足这个要求。停电不仅是发电厂的损失，对国民经济各部门带来的损失将更严重，甚至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失，也会造成不良的政治影响。在考虑主接线可靠性时，应全面地看待以下几个问题： （ 1）主接线可靠性的客观衡量标准是运行实践，应重视国内外长期运行的实践积累经验及其可靠性的定性分析。 （ 2）主接线的可靠性要包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中的可靠性的综合。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 6 （ 3）可靠性并不是绝对的，同样的主接线对某些系统和用户 来说是可靠的，而对另外一些系统和用户来说可能就不够可靠，因此，分析和估价主接线时，不能脱离系统和用户的具体条件，要根据系统和用户的具体要求，进行具体分析，以满足必要的供电可靠性。 （ 4）主接线的可靠性是发展的。随着电力事业的不断发展，新型设备的投运，自动装置和先进技术的使用，主接线的可靠性会发生改变，过去被认为不可靠的主接线，现在不一定就不可靠。 （ 5）衡量主接线运行可靠性的评判标准是： a. 母线故障时或母线检修时，停电范围的大小和停电时间的长短，能否保证供电。 b. 断路器检修时，停运出线回路数的多少和 停电时间的长短，能否保证供电。 c. 发电厂、变电所全部停运的可能性。 1.2.2 具有运行、维护的灵活性和方便性 电气主接线的灵活性要求有以下几个方面： （ 1）调度灵活、操作简便，应能灵活地投入（或切除）某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。 （ 2）检修安全：应能方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。 （ 3）扩建方便：应能容易地从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，一次和二次设备等所需改造最少。 1.2.3 经济性 电气主接线应在满足供电可靠性、灵活性等技术要求的前提下，做到经济合理。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 7 （ 1）投资省：主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备的投资，要使控制、保护不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。要能限制短路电流，以便于选择价廉电气设备或轻型电器，做到投资省。 （ 2）电能损失小：合理地选择主变压器的种类、容量、台数，避免两次变压而增加电能的损失。 （ 3）占地面积小：电气主接线选择时要为配电装置的布置创造条件，尽量使占地面积减少。在可能和允许的条件下，应采取一次设计分期投资、投产，尽快发挥 经济效益。 1.2.4 电气主接线具有发展和扩建的可能性 随着我国建设事业的发展，已投产的发电厂和变电所，经过一段时间之后，往往需要扩建。实践经验表明，火电厂的装机容量和出线回数都有发展可能。所以在设计主接线时应适当留有发展余地，为将来的发展创造条件。 1.3 电气主接线的设计原则 主接线除满足上述基本要求外，还应考虑下列情况： 1.3.1 发电机容量和台数 发电厂装机容量标志着电厂的规模和在电力系统中的地位和作用。发电厂容量的确定是与国民经济发展计划、电力负荷增长速度、系统规模和电网结构以及 备用容量大小等因素有关。 为使生产管理以及运行检修方便，一个发电厂内机组容量等级以不超过两种为宜，台数最好不要超过六台，同容量机组尽量选用同一型式。 1.3.2 电压等级及接入系统方式 大中型发电厂的电压等级不宜多于三级，一般设置升高电压一级到两级，发电机电压一级。如果与系统的连接只是输送本厂剩余功率，容量不大，可采用单线弱联系，在可靠性要求较高，且输送容量又大时，则采用双回路或环网等强联系方式，分别接于两段母线上。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 8 1.3.3 主变压器选择 （ 1）对于 200MW 及以上发电机组，一般与双绕组变压器组 成单元接线，主变压器的容量和台数与发电机容量配套选用。当有两种升高电压时，宜在两种升高电压之间装联络变压器，其容量按两种电压网络的交换功率选择。 （ 2）对于中、小型发电厂应按下列原则选择： a. 为节约投资及简化布置，主变压器应选用三相式。 b. 为保证发电机电压，出线供电可靠，接在发电机电压母线上的主变压器，一般不少于两台。在计算通过主变压器总容量时，至少应考虑五年内负荷的发展需要，并要求：在发电机电压母线上的负荷为最小时，影响剩余功率送入电力系统；发电机电压母线上的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；因系统经济运行而须限制本厂出力时，也应满足发电机电压的最大负荷用电。 c. 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。 d. 在高、中压系统均为中性点直接接地系统的情况下，可考虑采用自耦变压器。 e. 对潮流方向不固定的变压器经计算采用普遍变压器不能满足调压要求时，可采用有载调压变压器。 1.3.4 断路器的设置 根据电气接线方式，每回线路均应设有相 应数量的断路器，用以完成切合电路的任务。但在有些情况下，断路器的设置也应适当简化，如：对于大容量发电机的出口断路器，由于制造困难，造价高，一般可不装设；在出线上装有电抗器的 6 10kV 配电装置中，向不同用户供电的两回线可共用一台断路器和一组电抗器，但每回线上应各装一组隔离开关；在满足安全运行和继电保护要求的情况下， 110kV 及以下的终端变电所和分支变电所的高压侧，nts河南理工大学毕业设计（论文） 9 可采用熔断器或接地开关。 1.4 电气主接线形式的分类 发电厂的电气主接线形式指的是发电厂采用的电压等级，各级电压的进、出线情况及其横向 联络关系。在进、出线确定之后，按其横向联络的形式分为两大类：有横向联络形式和无横向联络形式。 1.4.1 有横向联络的接线形式 按联络形式的不同，此种接线分为有母线接线和无母线的简易接线形式两种。 （ 1）有母线形式 此种接线设有一组或两组汇流母线，其作用是实现进、出线支路的并联，分别称为单母线接线和双母线接线。发电厂和变电所的主接线的基本环节是电源（发电机或变压器）和引出线。母线（又称汇流母线）是中间环节，它起着汇总和分配电能的作用。由于多数情况下引出线数目要比电源数目多好几倍，故在二者之间采用母线连接既 有利于电能交换，还可使接线简单明了和运行方便，也便于扩建。有母线的接线形式布置清晰，是电力系统特别是大型发电厂、变电站，高、中电压等级普遍采用的接线方式。 a. 单母线接线 只有一组母线的接线称为单母线接线，这种接线的特点是电源和供电线路都连在同一母线上。为了便于投入和切除任何一条进出引线，在每条引线上都装有可以切除负荷电流和故障电流的断路器。当需要检修断路器而又要保证其它线路正常供电时，则应使被检修的断路器和电源隔离。为此，又在每个断路器的两侧装有隔离开关，它的作用只是保证检修断路器时，使其和电源隔离，而 不能用来断开电路。 单母线接线的主要优点是：接线简单清晰，采用设备少，投资省，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。单母线接线一般只适用于一台发电机nts河南理工大学毕业设计（论文） 10 或一台变压器的以下三种情况： 6 10kV 配电装置的出线回路数不超过 5 回； 35 63kV 配电装置的出线回路数不超过 3 回； 110 220kV 配电装置的出线回路数不超过 2 回。 其主要缺点是：不够灵活可靠，当母线和母线隔离开关发生故障和检修时，均需断开电源，造成整个发电厂、变电站停电。 b. 单母线分段接线 单母线接线的缺点可以通过将母线分段的方法来克 服。由于单母线分段接线既保留了单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，又在一定程度上克服了它的缺点。故这种接线目前仍被广泛应用。单母线分段接线适用范围： 6 10kV 配电装置的出线回路数为 6 回及以上时； 35 63kV 配电装置的出线回路数为 4 8 回时； 110 220kV 配电装置的出线回路数为 3 4 回时； 但是单母线分段接线也有较显著的缺点，这就是当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时，各段母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电，显然对于大容量发电厂和枢纽变电所来说，这都是不能容 许的。 c. 双母线接线 双母线接线是针对单母线接线分段接线的缺点而提出来的。这种接线有两组母线，两组母线之间用母线联络断路器连接起来，每一个回路都通过一只断路器和两只隔离开关接到两组母线上，当母联断路器断开时，一组母线带电，另一组母线不带电。带电的称为工作母线，不带电的称为备用母线，正常运行时，接至母线上的隔离开关接通，接到备用母线上的隔离开关断开。 采用双母线接线具有以下特点： 正常计划检修时，不会中断对用户的供电。 当修理任一回路的母线隔离开关时，只需断开该回路。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 11 工作母线故障时，可将全部回路转移到备 用母线上，从而使用户迅速恢复供电。 可用母联断路器代替任意回路需要检修的断路器，在这种情况下，只需短时停电。 在个别回路中需要单独进行试验时，可将该回路分出来，并单独接至备用母线上。 双母线接线的最重要操作是切换母线，在切换母线时，为了避免发生事故，必须遵循一定的操作程序。接通电路时，先合隔离开关，后合断路器。断开电路时，先断开断路器，后断开隔离开关。在任何情况下，都不允许带负荷拉开隔离开关。 双母线接线的主要优点是可以在不影响供电的情况下，对母线系统进行检修。但是双母线接线仍存在下列缺点： 接线较复杂。在 检修母线隔离开关和线路断路器时，需要用隔离开关进行复杂的操作； 当工作母线故障时，在切换母线的过程中仍要短时停电。检修线路断路器时，尽管可以用母联来代替，但在装接跨线期间，仍需短时停电。这种停电对重要用户仍是不允许的。 为了消除上述的缺点，可以采取下列措施： 为了避免工作母线故障时，造成全部停电，可以采用双母线同时运行的方式，这是可以把电源和负荷合理分配在两组母线上，通过母联，使两组母线并联运行。这样既提高了供电可靠性，在必要时又可以空出一组母线进行检修。 采用双母线分段接线。当任一段母线故障或检修时，仍可 保持双母线并联运行。 为了避免在检修线路断路器时造成短时停电，可采用双母线带旁路母线的接线。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 12 采用双母线三分段（或四分段）带旁路母线接线。 采用一台半断路器接线。 （ 2）简易接线形式 此种接线不用汇流母线，它包括多角形接线和桥形接线。 a. 桥形接线：两个变压器 线路单元接线相连，便构成桥形接线。桥形接线分为内桥接线和外桥接线两种。桥形接线的优点是高压断路器数量少，四个回路只需要三台断路器。 桥形接线的可靠性不是很高，有时也需要用隔离开关作为操作电器，但由于使用电器少，布置简单，造价低，目前在 35 220kV 的发电厂和变电所中也被广泛应用。此外，只要在配电装置的布置上采用适当措施，这种接线有可能发展成单母线或双母线，因此，可利用作电力装置初期的一种过渡接线。 b. 多角形接线：将各断路器互相连接构成闭合的环形，因而得名单环形接线，又称为多角形接线。多角形接线按角的多少又分为三角形接线、四角形接线和五角形接线。这种接线所用断路器数目等于回路数，比相同回路的单母线分段或双母线分段接线，还可少用一台断路器。但是，每个回路却都经两个断路器连接，因而在一定程度上，具有双断路器类型接线的优点。与单台断路器的双母线接线 相比较，多角形接线运行的可靠性与灵活性较高，也较经济。多角形接线的缺点是： 任一台断路器检修时都要开环运行； 每一进出线回路都连接着两台断路器，每一台断路器又连接着两个回路，这给电器选择带来困难，并使继电保护的整定复杂化。 扩建不方便。 多角形接线适用于进出线最终为 3 5 回的 110kV 及以上配电装置。对于最终规模不够明确的发电厂、变电所不宜采用本接线形式。 1.4.2 无横向联络的接线形式 nts河南理工大学毕业设计（论文） 13 当不用发电机电压对周围供电时，发电机不在机端并联运行（即在低压无横向联络），这时将发电机和变压器之间直接串联 并不设断路器，组成发电机 变压器组，再经高压断路器接至高压母线，称为发电机 变压器单元接线，此种接线普遍用于大、中型发电厂不带近区负荷的机组。当高压（或低压）无横向联络时形成变压器 线路单元接线，当出现低压或高压均无横向联络，线路很短时，则形成发电机 变压器 线路单元接线。在系统备用能力足够的情况下，可采用两台发电机组共用一台变压器的扩大单元接线形式，使用扩大单元接线可以减少变压器台数和高压断路器数目，因此可以节约投资和减少占地面积。 1.5 典型电气主接线设计 火力发电厂可分为两大类：地方性电厂 和区域性电厂。地方性电厂的特点是厂址位于负荷中心，容量较小，生产的电能大部分都用 6 35kV 电压馈送给近区负荷，将剩余的电能经升压送入 110kV 电网。当厂内机组检修时，还可通过主变压器由系统倒送功率供给地方负荷。根据这些特点，地方性电厂均设有发电机电压母线，母线接线形式由机组容量大小和负荷性质来选择。一般采用单母线分段或双母线单断路器接线。当发电机母线短路电流较大时，还要考虑限制短路电流的措施。在母线分段之间电缆馈线上加装电抗器，以便出线回路能选用轻型断路器。在升高电压侧，则根据电厂与系统交换功率的大小 、用户重要性、电压等级、回路数多少等因素来确定接线形式，可采用单母线分段、双母线、桥形、角形接线等。 下图 2 为一地方性发电厂的主接线图，该电厂有 4 台 25MW 机组和 1 台50MW 的机组， 110kV 出线有四回， 35kV 出线四回， 10kV 机端负荷有 20回。 该电厂近区负荷比较大，因此生产的电能大部分通过 10kV 馈线供给发电厂附近用户。规程规定，当容量为 25MW 及以上时，应采用双母线接线，nts河南理工大学毕业设计（论文） 14 考虑到 10kV 出线回路很多，因此发电机母线增设分段断路器，即实际形成三段结构，可以保证对重要负荷供电可靠性和运行灵活性的要求。 接在发电机电压母线上的发电机台数和容量，应保证满足其全部机端负荷的供电需要（并考虑远期发展），根据机端负荷情况，发电机 G1， G2 和G3， G4 分别接入一、二段工作母线上，以满足地区负荷和重要用户供电的可靠性要求。为使出线能选用轻型断路器，在母线分段处和出线上，加装电抗器以限制短路电流。升高电 图 2 地区性热电厂典型电气主接线图 压有两种电压等级（ 35kV 和 110kV），故采用三绕组变压器 T1 和 T2，把 10kV、35kV 以及 110kV 三种电压的母线相互连接起来，以提高 供电的可靠性和灵nts河南理工大学毕业设计（论文） 15 活性。在正常运行时，发电机除供电给附近地方用户外，并通过两台三绕组变压器 T1、 T2 向 35kV 中距离负荷供电，然后将剩余功率通过 G5 送入 110kV电网。 110kV 侧采用双母线接线，正常运行时，双母线可按固定连接方式并联运行。 35kV 侧采用单母线分段接线。 35kV 负荷为一级负荷，故变压器台数选为两台。 10kV 最小负荷为38MW，正常运行时，发电机最大出力为 100 MW，厂用电负荷为 8 MW，故经变压器送出的最大功率为 100（ 38 8） = 54（ MW） 发电机功率因数 cos =0.8，因此通 过变压器的容量为 S = 54/0.8 = 67.5（ MVA） 若最大一台机组（ 50 MW）检修，其余一台 50 MW 的发电机，则不能满足 10kV 最大负荷（ 58 MW）的用电。此时厂用电负荷为 4 MW，故缺额为 50（ 58 4） = 12（ MW） 此缺额需由系统变压器倒送。 按上述计算，对变压器作如下选择： 2（ 40 MVA） 三绕组变压器 中压侧负荷最大值为： 28/0.85 = 33（ MW），故选择绕组容量比为100%/100%/50%。 当一台变压器突然故障切除时，在最大开机且 10kV 母线负荷最小情况下，另一台变压器过负荷倍数为： 67.5/40 = 1.68。允许过载时间接近 2 小时，可在此时间内处理事故，调整发电功率。一台变压器运行时，在母线日负荷低谷时段，变压器过载 15%，可传输容量与最大传输容量的比值为： 40（ 1 15%） /67.5 = 68%，即可满足 类负荷和大部分 类负荷的要求。由于两nts河南理工大学毕业设计（论文） 16 机剩余功率已能满足 35kV 负荷要求，故远期 2 50 MW 机组直接接入110kV。 2 厂用电设计 2.1 厂用负荷的分类 发电厂在电力生产过程中，有大量以电动机拖动的机械设备， 用以保证主要设备和辅助设备的正常运行。这些电动机以及全厂的运行操作、试验、修配、照明、电焊等用电设备的总用电量，统称为厂用电或自用电。厂用电的电量，大部分由发电厂本身供给，且为重要负荷之一。其耗电量与电厂类型、机械化程度和自动化程度、燃料种类及其燃烧方式、蒸气参数等因素有关。 厂用电负荷，根据其用电设备在生产中的作用和突然供电中断时造成危害的程度，按其重要性可分为四类： （ 1）类厂用负荷 凡短时停电（包括手动操作恢复供电）会造成设备损坏、危及人身安全、主机停运及大量影响出力的厂用负荷，都属于类厂用负荷。 如火电厂的给水泵、凝结水泵、循环水泵、引风机、送风机、给粉机等，以及水电厂的调速器、压油泵、润滑油泵等。通常，它们都设有两套设备互为备用，分别接于两个独立电源的母线上，当一个电源失去后，另一个电源就立即自动投入。 （ 2）类厂用负荷 允许短时停电（几秒至几分钟），恢复供电后，不致造成生产紊乱的厂用负荷，属于类厂用负荷，如火电厂的工业水泵、疏水泵、灰浆泵、输煤机械和化学水处理设备等，以及水电厂中绝大部分厂用电动机负荷，一般它们应由两段母线供电，并采用手动切换。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 17 （ 3）类厂用负荷 较长时间停电不会直接影响生 产仅造成生产上不方便者，都属于类厂用负荷，如中央修配厂、试验室、油处理室等负荷，通常由一个电源供电。 （ 4）事故保安负荷 在 200MW 及以上机组的大容量发电厂中，自动化程度较高，要求在事故停机过程中以及停机后的一段时间内，仍必须保证供电，否则，可能引起主要设备损坏、重要的自动控制失灵或危及人身安全的负荷称为事故保安负荷。按对电源的要求不同又可分为：直流保安负荷，如发电机组的直流润滑油泵；交流不停电保安负荷，如实时控制用电子计算机；允许短时停电的交流保安负荷，如盘车电动机等。为满足保安负荷的基本要求，对大容 量机组应采用事故保安电源。通常事故保安负荷是由蓄电池组，柴油发电机组，燃气轮机组或具有可靠的外部独立电源进行供电。 随着电厂类型的不同，厂用电的重要程度也有较大差异。此外，厂用电的重要性也与各厂采用的技术条件有关。在火电厂中一般都设有两台以上厂用高压变压器（或电抗器）和厂用低压变压器，以满足厂用负荷专用电的需要。一般把厂用变压器以下所有的厂用负荷供电网络，统称为厂用电系统。 2.2 厂用电设计的基本要求 厂用电接线除应满足正常运行的安全，可靠，灵活，经济和检修维护方便等一般要求外，尚应满足以下特殊要求 ： （ 1）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。 （ 2）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。切换操作简便。 （ 3）便于分期扩建或连续施工，对公用负荷的供电，要结合远景规模统筹安排。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 18 2.3 厂用电设计的一般原则 2.3.1 对厂用电设计的要求 厂用电设计应按照运行、检修和施工的需要，考虑全厂发展规划，积极慎重地采用经过试验鉴定的新技术和新设备，使设计达到技术先进和经济合理。 2.3.2 厂用电电压 高压厂用电一般采用 6kV，经技术经济比较合理时，也 可采用 3kV 电压。低压厂用电采用 380/220V 的三相四线制系统。 2.3.3 厂用母线接线方式 高压厂用电系统应采用单母线。锅炉容量为 130 220t/h 时，一般每炉由一段母线供电；容量为 400t/h 及以上时，每炉由两段母线供电，并将两套辅机电动机分接在两段母线上，两段母线可由同一台厂用变压器供电；容量为 65t/h 时，两台锅炉可合用一段母线。 低压厂用电系统应采用单母线接线。当锅炉容量在 220t/h 及以下，且接有机炉的类负荷时，一般按机炉对应分段，并用刀开关将母线分为两个半段；锅炉容量在 400t/h 及 以上时，每台机炉一般由两台母线供电。 当公用负荷较多，容量较大，采用集中供电方式合理时，可设立公用母线，但应保证重要公用负荷供电的可靠性。 2.3.4 厂用工作电源 高压厂用工作电源一般采用下列引接方式： （ 1） 当有发电机电压母线时，由各段母线引接，供给接在该段母线上的机组的厂用负荷。 （ 2） 当发电机与主变压器采用单元接线时，由主变压器低压侧引接，供给本机组的厂用负荷。发电机容量为 125MW 及以下时，一般在厂用分支线上装设断路器。若断路器开断容量不够时，也可采用能满足动稳定要求的nts河南理工大学毕业设计（论文） 19 负荷开关，隔离开关或连接片等方式。大容 量发电机组，当厂用分支采用分相封闭母线时，在该分支上不应装设断路器，但应有可拆连接点。 2.3.5 厂用备用或启动电源 高压厂用备用或启动电源一般采用下列引接方式： （ 1） 当无发电机电压母线时，一般由高压母线中电源可靠的最低一级电压母线引接，或由联络变压器的电压绕组引接，并应保证在发电厂全停的情况下，能从电力系统取得足够的电源。 （ 2） 当有发电机电压母线时，一般由该母线引接 1 个备用电源。 （ 3） 当技术经济合理时，可由外部电网引接专用线路作为高压厂用备用或启动电源。 2.3.6 交流事故保安电源 200MW 及以上发电机组应 设置交流事故保安电源，当厂用工作和备用电源消失时，应自动投入，保证交流保安负荷的启动，并对其持续供电。 2.4 热电厂自用电接线设计 下图 3 为一中型热力发电厂自用电接线，厂内装有二机二炉，发电机电压为 10.5kV，发电机电压工作母线是断路器分段的双母 线，有两台升压变压器（ T1 和 T2）与 110kV 电力系统相联系。自用高压母线为单母线，电压为 6kV，按锅炉台数分为两段，每段各 有一台自用工作变压器 1T 和 2T 供电，其电源从发电机电压母线两 nts河南理工大学毕业设计（论文） 20 图 3 中型热电厂自用 电接线图 个分段上引接，备用电源采用明备用方式，专设一台高压自用备用变压器 0T，当任一段自用工作母线或自用高压变压器（ 1T 或 2T）发生故障时，它能在备用电源自动投入装置作用下自动投入，代替其工作。为了提高自用电系统供电可靠性，平时将升压变压器 T2 和高压自用备用变压器 0T 都接在备用主母线上，母联断路器 2QF 合上，这样的运行方式使高压自用备用变压器与系统联系更加紧密，而且能减少主母线故障的影响。 380/220V 低压自用母线，通过七台 560kVA 自用降压变压器接在五个分段上，每一分段又以闸刀分为两个半段，其中， 、段对机组汽机车间和锅炉车间的专用盘供电，其余各段分别对全厂的公用负荷（江边水泵房、燃nts河南理工大学毕业设计（论文） 21 料运输、除灰等）供电。全厂设立一台低压备用变压器 0T，对整个低压分段提供备用。 厂内电动机有两种供电方式，个别供电和成组供电，在图 2 中， D1 和D2 是个别供电，每一电动机直接由自用母线引出，每一馈线要占用一个高压开关柜或低压配电盘中的一条电路。 D3 是成组供电，若干电动机在每一配电盘中占用一条线路。在车间配电箱中再个别引出。电动机即在配电箱附近。对于大功率电动机和重要机械的电动机，采用个别供电，对于不重要机械的小功率电动机 和离开自用电配电装置较远的车间（如中央水泵房）中的设备和电动机可以成组供电。 2.5 设计计算 2.5.1 厂用负荷的计算 厂用负荷计算一般采用“换算系数”法。当按换算系数法求得的计算负荷接近变压器高压绕组的额定容量时，可用“轴功率”法校验，取其大者作为计算负荷。具体算法如下： （ 1）换算系数法（也称需用系数法） 由于接在厂用母线上的用电设备不会同时都工作，且工作的设备也未必满载运行，又考虑到供电线路电能损失和电动机效率等因素的影响，所以实际电源供给的容量小于用电设备总容量。二者比值用换算系数 K 表示，其表达式如下： S j s = ( KP ) 式中 S j s 计算负荷 （ kVA ）； P 电动机的计算功率 （ kW ）。 电动机的计算功率与电动机的运行特点有关，可按下述情况分别确定： 连续运行： P = P 式中 P 该类电动机额定功率之总和 （ kW ）。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 22 不经常连续运行： P = P 经常短时及经常断续运行： P = 0.5 P 不经常短时及不经常断续运行： P = 0 中央修配厂： P = 0.14 P + 0.4 P 5 式 中 P 全部电动机额定功率总和 （ kW ）； P 5 P 中最大 5台电动机额定功率总和 （ kW ）。 煤厂机械：对于大型机械应根据其工作情况具体分析确定，对于中小型机械 P = 0.35 P + 0.6 P 3 式中 P 3 其中最大三台电动机额定功率之和 （ kW ） 。 照明负荷： P = KX PA 式中 KX 需用系数，一般取 0.8 1.0； PA 安装容量 （ kW ）。 （ 2）轴功率法 S j s = Kt （ P2 / COS） + K2 S2n 式中 Kt 同时率，新建厂取 0.9，扩建厂取 0.95； P2 最大运行方式下的轴功率 （ kW ）； 对应于轴功率的电动机效率； COS 对应于轴功率的电动机功率因素； K2 低压变压器换算系数，取 0.85； S2n 低压变压器额定容量 （ kVA ）。 在本设计中， 6kV 厂用负荷统计计算结果如下表所示： 同样可得， 380/220V 车间专用盘负荷计算结果为 S = 517.8 kVA ，380/220V 公用负荷统计计算结果为 S = 35.7 kVA 。 6KV厂用负荷 统计计算表 序 名称 额定 第一段 第二段 备注 nts河南理工大学毕业设计（论文） 23 号 容量（ kw） 连接台数 工作容量 连接台数 工作容量 1 2 3 4 5 6 吸风机 排风机 磨煤机 给水泵 循环水泵 6/0.38kV 变压器 240 360 380 290 570 560 1 1 1 1 1 2 240 360 380 290 570 1120 1 1 1 2 2 1 240 360 380 580 1140 260 一台为备用 一台为备用 以上合计（ KW） 总计 P（ kw） 总计 S=0.80P（ KVA） 2960 3260 考虑扩建后可能全部同时投入 6220 4980 2.5.2 厂用变压器容量选择 各段厂用变压器应满足： Sn S j s / Kt Kf 式中 Sn 厂用变压器额定容量 （ kVA ）； Kf 对应于日负荷率的允许过负荷倍数，最小可取 1.04； Kt 对应于年平均温度的温度修正系数。 由上述负荷统计结果，各变压器容量选择如下，厂用主变压器选择为6300kVA，其他车间用变压器选为 560kVA。 3 短路电流计算 nts河南理工大学毕业设计（论文） 24 在发电厂和 变电所的电气设计中，短路电流的计算是其中的一个重要环节。其计算的目的主要有以下几个方面： （ 1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一节接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均须进行必要的短路电流计算。 （ 2）选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下，都能安全可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用以校 验设备动稳定。 （ 3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验，软导线的相间和相对地的安全距离。 （ 4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。 （ 5） 接地装置的设计也需用短路电流。 3.1 限制短路电流的措施 短路电流直接影响电气设备的选择和安全运行。电力系统的短路电流随系统中单机容量及总装机容量的加大而增长。在大容量发电厂和电力网中，短路电流可达很大数值，以至于使在选择发电厂和变电所的断路器以及其它配电设备时面临困难，要使配电设备能承受短路电流的冲击往往需要提高容量等级， 这不仅将导致投资增加，甚至还可能因断流容量不足而选不到合乎要求的断路器。在中压和低压电网中，这一现象尤为突出。所以在发电厂和变电所的接线设计中，常需采用限制短路电流的措施，减小短路电流，以便采用价格较便宜的轻型电器及截面较小的导线。对短路电流限制的程度，则取决于限制措施的费用与技术经济上的收益程度，二者之间的比较结果。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 25 各种限流措施，最终都可归结为增大电源至短路点的等效电抗，这些措施从设计上着手，并依靠正确的运行来实现，可归纳为以下几种： 3.1.1 选择适当的主接线形式和运行方式 由于并联支路越多 ，回路等效电抗越小，串联回路越多，回路等效电抗就越大，所以在接线中减少并联设备支路，或增加串联设备支路，可增大系统阻抗，减小短路电流，为此在主接线的设计和运行中常采用下列方法： （ 1）具有大容量机组的发电厂采用单元接线，以减小发电机机端短路和母线短路电流。 （ 2）在降压变电所，将两台降压变压器低压侧分开运行 （ 3）在环行网供电网络穿越功率最小处开环运行。 但是采用电网适当的接线方式来减小短路电流的措施，除了设计时应予考虑，还受运行方式是否允许的限制。 3.1.2 在发电厂和变电所某些电路中加装限流电抗器 这种限流措施一般使用于 10kV 及以下电网中，目的在于使发电机回路及用户能采用轻型断路器，从而减少电气设备投资。限流电抗器是单相空心电感线圈，按中间有无抽头又分为普通电抗器和分裂电抗器（中间有抽头）两种。根据安装地点和作用不同，可称为出线电抗器和母线分段电抗器。 电抗标幺值等于通过额定电流时的压降标幺值，因此，受正常压降的限制而不能选择过大。在电抗标幺值相同情况下，电抗器额定电流越大，电抗基准值越小，因此有名电抗越小。 考虑一台发电机停运后的状况，母线分段电抗器的额定电流选为母线上最大容量发电机的额定电 流的 50% 80%，这比出线电抗器额定电流要大得多，也就是说，母线电抗器对出线短路的限制作用较小，但是，由于母线分段电抗器装于母线分段处，此处往往是正常工作情况下功率流动最小的地方，在此设电抗器，所产生的电压的损失和功率损耗都比其他地方小，因此可取较大的标幺电抗。为解决限制短路电流和限制正常压降的矛盾，可采用分裂nts河南理工大学毕业设计（论文） 26 电抗器。 3.2 短路电流计算的一般规定 验算导体和电器时所用短路电流一般有以下规定： 3.2.1 计算的基本情况 （ 1） 电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。 （ 2） 所有同步电机都具有自动调 整励磁装置（包括强行励磁）。 （ 3） 短路发生在短路电流为最大值的瞬间。 （ 4） 所有电源的电动势相位角相同。 （ 5） 应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才给予考虑。 3.2.2 接线方式 计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中，可能并列运行的接线方式。 3.2.3 计算容量 应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。 3.2.4 短路种类 一般按三相短路计算。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的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况的进行校验。 3.2.5 短路计算点 在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。 对于带电抗器的 6 10kV 出线与厂用分支线回路，在选择母线至母线nts河南理工大学毕业设计（论文） 27 隔离开关之间的引线、陶管时，短路计算点应该取在电抗器前。选择其余的导体和电器时，短路计算点一般取在电抗器后。 在实际短路计算中，为了简化计算工作，通常采用一些简化假设，其中主要 包括： （ 1） 负荷用额定电抗表示或略去不计； （ 2） 认为系统中各元件参数恒定，在高压网络中不计元件的电阻和导纳，即各元件均用纯电抗表示，并认为系统中各发电机的电势同相位，从而避免了复数的运算； （ 3） 系统除不对称故障处出现局部不对称外，其余部分是三相对称的。 事实上，采用了上述简化假设所带来的计算误差，一般仍在工程计算的允许范围之内。 3.3 短路电流计算步骤 在工程设计中，短路电流的计算通常采用实用曲线法。现将其计算步骤简述如下： （ 1）选择计算短路点。 （ 2）画等值网络（次暂态网络）图； a. 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 Xd。 b. 选取基准容量 Sb 和基准电压 Ub（一般取各级的平均电压）。 c. 将各元件电抗换算为同一基准值的标幺电抗。 d. 绘出等值网络图，并将各元件电抗统一编号。 （ 3）化简等值网络图：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辐射性等值网络，并求出各个电源与短路点之间的电抗，即转移电抗 Xnd。 nts河南理工大学毕业设计（论文） 28 （ 4）求计算电抗 Xjs。 （ 5）由运算曲线查出各电源供给的短路电流周期分量标幺值 (运算曲线只作到 Xjs = 3.5)。 （ 6）计算无限大容量 (Xjs 3) 的电源供给的短路电流周期分量。 （ 7）计算短路电流周期分量有名值和短路容量。 （ 8）计算短路电流冲击值。 （ 9）计算异步电动机供给的短路电流。 （ 10）绘制短路电流结果表。 3.4 短路电流计算方法 3.4.1 标幺值换算 在实际电力系统接线中，各元件的电抗表示方法不统一，基值也不一样。如发电机电抗，厂家推出的是以发电机额定容量 Sn 和额定电压 Un 为基值的标幺电抗值 Xd；变压器的电抗，厂家给出的是短路电压百分值 Ud（ %）；而输电线路的电抗，通常是用有名值 表示的。为此，短路计算的第一步是将各元件电抗换算为同一基值的标幺电抗。 3.4.2 网络的等值变换与简化 在工程计算中，常采用以下方法化简