1000MW火力发电机组电气主接线及厂用电接线的设计及仿真

吉林大学本科毕业论文 设计 本科生毕业论文 设计 本科生毕业论文 设计 中文题目中文题目 1000MW 火力发电机组的电气主接线及厂用电 接线的设计及仿真 英文题目英文题目 Design and Simulation of the Main and Auxiliary Power Wiring for 1000MW Thermal Power Units 学生姓名学生姓名 王健 班级班级 650505 学号学号 65050510 学学 院院 仪器科学与电气工程学院 专专 业业 电气工程及其自动化 指导教师指导教师 孙淑琴 职称职称 副教授 吉林大学本科毕业论文 设计 I 中中文文摘摘要要 摘要摘要 随着我国经济的发展 用电需求的增大 1000MW容量的发电机组开 始成为电力系统的主力机组 由于机组容量的增大和厂用电压等级的提高 带来了电动机起动困难 短路电流过大等问题 本文利用电力设计专用仿 真软件构建了1000MW容量发电机组的电气主接线和厂用电接线系统模型 计算了整个系统所有母线处的潮流 短路电流 给出了短路电流与专业设 计值对比结果 为开关电气设备的选择提供依据 并对系统中最大一台容 量的电动机起动 电动机成组及串联自启动进行了检验计算 给出电机启 动校验仿真数据与实际计算结果的对比 分析了系统设计方案的优劣 为 今后大容量机组系统优化设计提供参考 关键词 关键词 1000MW机组 电气主接线 厂用电接线 设计 仿真 潮流 短 路 电动机起动 吉林大学本科毕业论文 设计 II 外外文文摘摘要要 Title Design and Simulation of the Main and Auxiliary Power Wiring for 1000MW Thermal Power Units Abstract As China s economy developing and electricity demand growing 1000MW capacity of generating units has become the main force With the increased capacity and enhanced voltage grade of the plant serious problem is coming such as motor starting short circuit current is too large and so on In this paper the power designing simulation software was adopt to build the model of the main and auxiliary power wiring for 1000MW thermal power units Calculated power flow and short circuit of all buses in this system then compared the short circuit value with the value of professional design it provides a basis for the choice of switching equipment And the largest capacity motor starting the group motor and the series motor starting were tested then give the comparison of starting checking data and actual simulation values analyses the designing project of system it will be a reference for Optimal design of Large capacity unit system Keywords 1000MW unit the electric main power connection auxiliary power wiring designing simulating power flow short circuit motor starting 吉林大学本科毕业论文 设计 III 目录目录 1 引言 1 1 1 电气主接线的设计 仿真的目的和意义 1 1 2 厂用电接线的设计 仿真的目的和意义 2 1 3 ETAP 及其在电力系统中的应用 2 1 4 本文的主要工作 4 2 1000MW 火电机组电气主接线设计 5 2 1 电气主接线设计的要求 5 2 2 电气主接线方案的选择 5 2 3 主接线方案的论证 6 2 4 主变压器的选择 7 3 1000MW 火电机组厂用电接线的设计 9 3 1 厂用起动 备用电源的接线方案选择 9 3 2 厂用电电压等级的选择 9 3 3 厂用电接线方案的论证 11 4 电气系统设备模型及参数 12 4 1 分裂变压器 12 4 2 双绕组变压器 12 4 3 电动机 13 4 4 电缆 13 5 电气系统的软件仿真 14 5 1 潮流 14 5 2 短路电流的计算 16 5 3 电动机的起动校验 21 5 4 开断设备的选择 24 总结 25 参考文献 26 致谢 28 附录 29 附录一 一台机组的厂用电主要负荷 29 附录二 厂用电接线的分配及变压器的选择 31 附录三 双绕组变压器参数表 36 吉林大学本科毕业论文 设计 IV 附录四 主接线潮流仿真数据 36 附录五 厂用电接线潮流仿真数据 37 附录六 主接线短路电流仿真数据 38 附录七 厂用电接线的短路电流仿真数据 39 附录八 整体方案的仿真数据 41 附录九 部分仿真软件计算截图 42 英文文章 44 中文翻译 51 吉林大学本科毕业论文 设计 1 1 1 引言引言 1 1 电气主接线的设计 仿真的目的和意义电气主接线的设计 仿真的目的和意义 目前世界上的大型发电厂一般是指总容量在千兆瓦及以上 单机容量在 300 1300MW 不等 我国在 20 世纪 80 年代以来 已将原来的小火电 小水 电建设转向以单机容量 200 600MW 为主的大火电 目前 1000MW 容量的机 组在国内已经逐渐成为主流 随着用电需求量急增 大规模的城市电网和农 村电网改造也同时展开 系统容量也在不断扩大 以 500KV 为主网 主干线的 全国性网架已逐步形成 长江三峡水利发电工程的建成和西电东送工程的实 施 促成全国联网的必要性 为此发电厂电气主接线的可靠性对电力系统的 安全运行将提出更高的要求 电气主接线主要指发电厂 变电所及电力系统中传送电能的通路 这些 通路中有发电机 变压器 母线 断路器 隔离开关 电抗器 线路等设 备 它们的连接方式 对供电可靠 运行灵活 检修方便以及经济合理等起 着决定性的作用 它反映出电厂的整个供电系统全貌和其所选用的电气设备 元件型号规格和数量以及它们之间的相互关系 它不仅是初步设计审查的 重要内容之一 同时也是将来电气值班运行人员进行各种操作的重要依据 所以电气主接线的设计是否合理 将直接影响到电厂基本建设投资效益和今 后的安全及可靠运行 同时也是搞好发电厂电气设计的关键 电气主接线 的设计是变电所电气设计的主体 它与电力系统 电厂功能参数 基本原 始资料以及电厂的运行可靠性 经济性的要求等密切相关 并对电器选择 和布置 继电保护和控制方式等都有较大的影响 因此 主接线的设计显 得尤为重要 因此 电气主接线已经成为电厂输送电最为关键的环节 关系着发电量 的安全输送 关系着居民用电的可靠保障 电气主接线的好坏显得尤为重 要 其设计方案的仿真更是在投入运行之前的重中之重的环节 本文依托 吉林大学本科毕业论文 设计 2 某 1000MW 机组电厂进行设计主接线 对潮流和短路等进行仿真最后得出 可靠的主接线方案 1 2 厂用电接线的设计 仿真的目的和意义 厂用电接线的设计 仿真的目的和意义 随着机组容量的加大 厂用电系统的规模和主要辅机的容量较600MW机 组有较大幅度的提高 会带来高压厂用电系统的短路水平增大和单台最大容 量电动机启动困难等诸多问题 如何解决好这些问题 是今后电气专业面临 的课题之一 厂用电系统是发电厂的重要组成部分 它的确定就代表着电厂基本轮廓的确 定 基本组成设备的确定 投资成本的确定 因此合理的厂用电接线 适当 的电压等级 对于保证机组的安全连续满发 降低厂用电率 方便操作和维 护 节约投资 缩短建设工期 控制造价等有着重要的作用 由上述可见厂用电系统对于电力系统来说也是及其重要的组成部分 它 是电能的源头 是保障安全可靠供电的最最基本的因素 对厂用电方案的 设计必须严格按照 厂技规 的要求 达到指定的指标 目前国内1000MW 容量及以上的机组在技术上相对600MW不够成熟 但是发展很迅猛 技术 投资很大 主要是要解决大容量机组自身存在的短路电流限制和起动性能 加强等问题 本文主要是对1000MW容量机组进行电压等级和接线形式的选 择 最后在仿真软件进行上述项目的校验仿真 最后确定最终的厂用电接 线方案 1 3 ETAP 及其在电力系统中的应用及其在电力系统中的应用 1 3 1 ETAP 软件的简介 ETAP PowerStation是一个最全图形界面的电力系统仿真分析 计算高 级应用软件 能够运行在Microsoft NT SP6 Windows 2000SP2 Me和XP平 台上 吉林大学本科毕业论文 设计 3 ETAP 由美国OTI 公司 Operation Tech2nology Inc 开发 最初的版本 于1983 年发行 ETAP在美国确立了电力系统设计和分析软件的标准 也是 全美第一个特许提供给核电站进行电力系统分析的商用软件 经过多年的 开发与完善 ETAP 已具备智能建模 多维数据管理模式 多种输入表达方 式 统一数据库 虚拟现实操作 无限复合网络嵌套及电机嵌套 集成全 面的电力和物理数据库以及大量工程数据库 用户自定义动态模型等特点 用ETAP 可以制作电力系统单线图 阻抗图 继电保护图 分析计算图 配电柜接线图等100 多种不同的图形 1 3 2 ETAP 软件的优点 1 综合性 以一个统一的符合现实观念的并具有开放性的数据平台为基础 可进行 电力系统的各个专业方向和应用领域中的定量计算与定性分析 并具有简单 直观的优点 2 数学模型多样 在同一分析领域中 对同类元件提供多种数学模型 使用者可根据需要在 多种模型中进行选择 在其自定义动态模块中可允许用户自己增加数据库 中没有的数学模型 3 电气操作直观 可直观的接入开关设备 各种继电保护设备 使在计算机上的操作与现 实更相近 4 使用简单 上手快 人机界面非常友好 所用的原始资料输入都以图形编辑方式 对于同一 版的原始数据 可提供不同的外观显示 以方便用户强调不同的内容 计算结 果的输出也提供多种方式 如单线图上显示 分类计算报告 曲线图显示 由于 此方面的优点 就可以使计算人员将主要精力放在数学模型的选择和计算结 果的分析归纳上 吉林大学本科毕业论文 设计 4 1 3 3 ETAP 在电力系统中的应用 ETAP的计算分析设计模块种类繁多 功能强大 其中针对电力电气系统 设计和保护部分的模块有 潮流计算 短路计算 ANST和IEC标准 继电保护配 合 弧闪分析 谐波分析 谐波潮流 频率扫描和滤波器自动设计 电机参数估 计 变压器容量自动选择 地下电缆管道系统的设计与分析 电缆拉力分析 多 重电缆和三维立体视图 接地网设计 低压配电系统的设计 针对直流系统的模块有 直流系统潮流计算 直流系统短路计算 直流系统 蓄电池容量估计 交直流控制系统接线图设计 针对暂态及稳定分析的模块有 电机启动 动态及静态加速 发电机启动 暂态 稳定分析 用户自定义动态模块设计 针对输电及配电系统的模块有 优化潮流 不平衡潮流 可靠性分析 补偿电 容器最佳位置选择 传输线的弧垂 张力以及容量计算 除此之外 ETAP还有实时在线功能 ETAP的实时在线功能是通过 PSMS 来实现的 PSMS 是ETAP 电力系统分析软件的一个实时在线的扩 展 结合Window的终端一服务器模块架构和最新的在线监测 实时模拟以 及远程控制应用 PSMS可与计算机工作站 历史数据库 智能仪表以及其他 SCADA 系统的任意组合进行接口连接 PSMS有在线监测 实时分析 在 线控制 优化管理 数据反演等主要功能 1 4 本文的主要工作本文的主要工作 1 学习关于电气主接线和厂用电接线的设计方法 熟悉设计的流程 2 根据 厂技规 的规定对主接线和厂用电方案进行设计 对有限的资料 进行合理的设计分配 最终形成初步方案 3 对已设计的方案在ETAP软件中进行重建 对主接线和厂用电接线进行 仿真 其中指标包括潮流 短路计算和电动机起动分析等几项 4 将所仿真的结果与 厂技规 的规定范围进行校验 再将仿真值与专业 设计人员的计算值进行对比 从而判断方案的合理与否 吉林大学本科毕业论文 设计 5 2 2 1000MW1000MW 火电机组电气主接线火电机组电气主接线设计设计 2 1 电气主接线设计的要求电气主接线设计的要求 对一个电厂而言 电气主接线在电厂设计时就根据机组容量 电厂规模 及电厂在电力系统中的地位等 从供电的可靠性 运行的灵活性和方便性 经济性 发展和扩建的可能性等方面 经综合比较后确定 它的接线方式能 反映正常和事故情况下的供送电情况 电气主接线又称电气一次接线图 电气主接线应满足以下几点要求 1 运行的可靠性 主接线系统应保证对用户供电的可靠性 特别是保证对重 要负荷的供电 2 运行的灵活性 主接线系统应能灵活地适应各种工作情况 特别是当一部 分设备检修或工作情况发生变化时 能够通过倒换开关的运行方式 做到调度 灵活 不中断向用户的供电 在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线 3 主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下 做到经济合理 尽量减少占地面积 节省投资 2 2 电气主接线方案的选择电气主接线方案的选择 电气主接线是保证电网的安全可靠 经济运行的关键 是电气设备布置 选择 自动化水平和二次回路设计的原则和基础 按照 火力发电厂设计技术规程 DL5000一2000 中第13 213之规定 330 一500kV配电装置的接线必须满足系统稳定性和可靠性的要求 同时也应考 虑运行的灵活性和建设的经济性 当进出线回路数为六回及以上 配电装 置在系统中具有重要地位时 宜采用一台半断路器接线 进出线回路数少于 六回 如能满足系统稳定性和可靠性的要求时 也可采用双母线接线 在一台半断路器的接线中 电源线宜与负荷线配对成串 同名回路配置 吉林大学本科毕业论文 设计 6 在不同串内 初期仅两串时 同名回路宜分别接入不同侧的母线 进出线 应装设隔离开关 当一台半断路器接线达三串及以上时 同名回路可接于 同一侧母线 进出线不宜装设隔离开关 本课题为1000MW机组容量的采 用500KV电压等级 主接线采用最常用的一台半断路器接线方案如下图2 1 所示 图2 1 一台半断路器接线示意图 2 3 主接线方案的论证主接线方案的论证 一台半断路器接线的定义 两个元件引线用三台断路器接往两组母线组 成一个半断路器接线 每一回路经一台断路器接至母线 两回路间设一联 络断路器 形成一串 又称二分之三接线 一台半断路器接线是现代国内 外大型电厂和变电所超高压配电装置广泛应用的一种接线 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 具有较高的供电可靠性 和运行灵活性 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 吉林大学本科毕业论文 设计 7 任何断路器故障或检修都不会中断供电 甚至两组母线同时故障 或一组检修 时另一组故障 的极端情况下 功率仍然继续输送 此种接线运行方便 操 作简单 隔离开关只在检修时作为隔离电器 一台半断路器接线的特点 1 有高度可靠性 每一回路由两台断路器供电 发生母线故障时 只跳开与此母线相连的 所有断路器 任何回路不停电 2 运行调度灵活 正常时两组母线和全部断路器都投入工作 从而形成多环形供电 运行 调度灵活 3 操作检修方便 隔离开关仅作检修时用 避免了将隔离开关作操作用时的倒闸操作 检 修断路器时 不需带旁路的倒闸操作 检修母线时 回路不需要切换 2 3断路器接线的缺点是使用设备较多 特别是断路器和电流互感器 投资 费用大 二次控制接线和继电保护都比较复杂 综上所述 本课题采用一台半断路器接线形式是合适的 2 4 主变压器的选择主变压器的选择 主变压器的结构型式推荐采用单相变压器组 不设备用相 因为三相变 压器的运输较难实现 其运载设备以及对路桥等的加固措施的费用远远高 于设备费 且国产三相变压器的制造和运行业绩不多 如有事故 三相变 压器返厂检修困难 运输费用高 单相变压器虽然初投资较高 但其运输 较易实现 公路与铁路都可运输 即使出现主变故障返厂维修也比较容易 影响停役时间较短 其经济性明显占优势 单相变压器已有成熟的运行经验 且质量可靠 为节约工程投资 因此本工程不设备用相 发电机与主变压器为单元连接 按照 电力工程电气设计手册1 中 发电 机与主变压器为单元连接时 主变压器的容量可按下列条件中较大者选择 吉林大学本科毕业论文 设计 8 1 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 2 按发电机的最大连续输出容量扣除本机组的厂用负荷 经计算 机组负荷为65MVA 发电机的容量为1000MW 按上述两种方法计 算后容量基本相当 约为1109MVA 故主变压器容量选择结果为3x380MVA 其接线形式如下图2 2所示 图2 2 主接线形式图 吉林大学本科毕业论文 设计 9 3 3 1000MW1000MW 火电机组厂用电接线火电机组厂用电接线的设计的设计 对于1 000MW超超临界火力发电机组 锅炉 汽机 发电机辅机系统与 600MW机组有所区别 有自己本身的特点 DL5000 94 火力发电厂设计技 术规程 及其他相关规程还未作出相关的规定 3 1 厂用起动 备用电源的接线方案选择厂用起动 备用电源的接线方案选择 目前国内主要采用两种引线方式 第一种是起动备用变压器从厂内 220KV母线引接 经过220KV断路器和隔离开关接入厂用高压段 作为厂 用设备的起动备用电源 第二种是起动备用变压器直接从厂外500KV母线 直接经过500KV断路器和隔离开关进行引接 作为厂用高压母线的起动备 用电源用 对于方案一 当220KV断路器检修或者故障时 将直接导致起动备用变 压器失去电源 使2台1000MW机组失去启动 备用电源 影响2台机组的安全 停机 对于方案二 起动备用变压器单独由500KV母线直接供电 任一回 路故障或者检修时 由于厂外高压母线不会停电 所以能够保障起动备用 变压器的安全供电 也就能够保障机组的安全停机 方案一在断路器故障 前将切除整个起动备用电源 方案二在任一回路故障时 对另一回路将不 造成影响 但从2台1000MW机组的安全起停考虑 尽管方案1投资较低 仍选 择方案2 即由500KV母线直接引线 3 2 厂用电电压等级的选择厂用电电压等级的选择 在DL5000 94 火力发电厂设计技术规程 中 对600MW机组规定其厂 用电压可根据具体情况采用6kV一级或10kV 3kV两级 目前 我国600MW 机组以上2种接线 电压等级均存在 当前 国内大型发电厂厂用高压系统采 用3种电压等级方案 6kV一级电压 10kV一级电压 10kV及3kV 或6kV 2个等 级电压 吉林大学本科毕业论文 设计 10 对于上述提到的 10kV及3kV 或6kV 2个等级电压 方案 其电压等级 为两级 有过运行业绩 但是从当前看 在建和扩建的电厂中已经不再采 用两级电压的接线形式 原因是目前大部分设备的额定电压都是6KV或者 10KV 并且有都向10KV发展的趋势 从经济性角度看虽然3KV会节约投资 但是两级的电压接线形式从管理角度看很混乱 加重了运行人员的负担 增加了备品备件的种类和数量 不便于设备的管理 维护和检修 因此本 课题只对60KV和10KV一级电压接线形式讨论 从目前已建和再建的1000MW等级的机组中来看 高压厂用电电压很多 采用10kV 1级电压的 如 山东邹县发电厂等等 10KV和6KV等级接线将 从以下几个方面进行综合经济技术比较 共箱母线 6kV电压等级目前一般仍采用10 kV共箱母线 2种方案电压 等级一致 而6kV电流为4 000A 热稳定电流50 kA 10 kV 电流为2500A 热稳 定电流40kA 因此 6kV共箱母线价格要贵一些 开关柜 6 kV开关柜热稳定电流50 kA产品目前在常熟 太仓等电厂均 已经应用 10 kV开关柜真空断路器为40 kA常规产品 而F C回路熔断器及真 空接触器产品型号不多 可选择余地较小 电动机 采用6kV电压等级时 电动机启动电压降较大 启动比10 kV要困 难 10 kV或6 kV电压等级电动机均有大量成型产品 10kV电动机体积较大 布置成本比6kV的稍高 高压电缆 相同截面电缆10 kV价格比6 kV高 且电缆外径比6 kV大 但相 同容量6 kV电缆需采用更大截面或更多电缆 综合比较 两者相差不大 综上所述 高压厂用电源采用10 kV及6 kV电压等级在技术上均可满足要 求 采用6 kV电压等级 短路水平大 启动压降大 需增加软起动器 短路试 验升压变压器等设备 采用10 kV电压等级 2台机组总体投资比6 kV电压等级 约增加一些 但10 kV级短路水平较小 启动压降满足规程要求 且10 kV电动机 有功损耗比6 kV 小 因此 该期2台1000MW机组厂用中压系统采用10 kV一级 吉林大学本科毕业论文 设计 11 电压 3 3 厂用电接线方案的论证厂用电接线方案的论证 两台机组设置 2 台 65 38 38MVA 电压 27 2X2 5 10 5kV 10 5kV 分 裂变压器作为高压厂用变压器 两台机组设置一台 65 38 38MVA 电压 500 8X1 25 10 5kV 10 5kV 高压起动 备用变压器作为两台高压厂用变压 器的备用电源 同时 每两台机组设置两台 38MVA 的双绕组变压器作为高 压公用变压器 带两台机组的脱硫和输煤等公用负荷 两台高压公用变压 器互为备用 在机组起动时 采取临时措施 用高压起动 备用变压器给高 压厂用母线和高压公用母线供电 作为起机电源 200kW 及以上的电动机由 10kV 供电 额定功率 1500kW 及以下的电动 机和 2000kVA 及以下的变压器 使用接触器加熔断器的方案 F C 回路 大于 1500kW 的电动机和大于 2000kVA 的变压器 采用真空断路器 起动 备用变压器电源取自厂外 500kV 配电装置 其接线示意图如下图 3 1 所示 图3 1 厂用电接线示意图 吉林大学本科毕业论文 设计 12 4 4 电气系统设备模型及参数电气系统设备模型及参数 4 1 分裂变压器分裂变压器 在国外 基于ETAP软件 可以根据下述方法应用三绕组变压器建立分 裂变压器的模型 分裂系数 Kf和穿越电抗 X1 23是分裂变压器的两个重要技术参数 分裂变压 器的等值电抗 X1 X2和 X3与分裂系数 Kf和穿越电抗 X1 23之间的关系正如 公式 4 1 和 4 2 X1 1 Kf 4 X1 23 4 1 X2 X3 Kf 2 X1 23 4 2 绕组 1 2 和 3 之间的等值电抗 X12 X13 和 X23 的计算公式分别如下 列公式 4 3 4 4 和 4 5 X12 X1 X2 4 3 X13 X1 X3 4 4 X23 X2 X3 4 5 进而得到三绕组变压器的阻抗电压百分数 Ups X12 Upt X13 Ust X23 4 2 双绕组变压器双绕组变压器 双绕组变压器为低压段提供电能功率 在这里采用型网络对低压变压器建模 计 算公式如下 4 6 2 1 2 1 2 100 kN N UU X S A 4 7 1 2 12 RRR 则有 4 8 22 1 2 1 2 1 2 ZXR 吉林大学本科毕业论文 设计 13 4 9 2 1 2 1 2 1 2 12 100 kN N UU XRRR S A 其中 为额定值 NN SU 厂用双绕组变压器的主要参数见下附录三 4 3 电动机电动机 异步电机在做电动运行时 有结构简单 操作方便 运行可靠 性能价 格比好等优点 因此在厂用电系统得到了普遍的应用中 在正序 负序网络中 异步电动机的阻抗为 4 10 2 11 3 RMRM M LRRMLRRMRM RM UU Z IIIISI 式中为电动机额定电压 RM U 为电动机额定电流 RM I 为电动机额定容量 RM S 为电动机堵转电流与额定电流之比 LRRM II 在高压段 厂用变压器低压侧 设置 400 在低压段 PC 段和 LRRM II MCC 段 设置 500 LRRM II 4 4 电缆电缆 对于电缆长度的选定 电动机的连接电缆长度大概在 50m 左右 变压 器的连接电缆长度大概在 150m 左右 这样设置更接近于实际情况 算出的 数据可信度更高 电缆横截面积的选择取决于所连接线路的额定电流的大 小 一般来说 中压段电缆的截面积选为 95 mm2 低压段电缆的截面积选 为 185 mm2 其它参数可以按照ETAP的库选定 吉林大学本科毕业论文 设计 14 5 5 电气系统的软件仿真电气系统的软件仿真 5 1 潮流潮流 潮流是指电力网络中功率的流动 母线电压水平是潮流一个直接的体现 所以母线电压的波动范围是评价潮流优劣的标准 电力系统的潮流计算是 电力系统分析中的一种最基本的计算 它是分析电力系统的基础 它的任 务是根据给定的运行条件确定网络中的功率分布 功率损耗 以及各母线 的电压 Newton Raphso 法是数学上解非线性方程式的有效方法 有较好的收 敛性 将 N R 法用于潮流计算是以导纳矩阵为基础的 由于利用了导纳矩 阵的对称型 稀疏性及节点编号顺序优化等技巧 使 N R 法在收敛性 占 用内存 计算速度方面的优点都超过了阻抗法 成为了 20 世纪 60 年代末 以来普遍采用的方法 根据厂用电系统的复杂性 本文采用牛顿 拉夫逊方法进行以下潮流等式的 计算 5 1 12 34 J JP JQJV 其中和 分别是母线有功功率和无功功率设定值和计算值的差相量 P Q 和表示母线电压相角和幅值的相量增量 到构成了一个基本函 V 1 J 4 J 数行列式 牛顿 拉夫逊方法的收敛标准一般为 0 001MW 和 Mvar 对于任何系统 来说 牛顿 拉夫逊算法都是首选 本文采用最前沿的牛顿 拉夫逊方法进行 讨论各个母线的电压波动范围 其计算结果波动如下图 5 1 和图 5 2 所示 其数据见附录四 附录五 吉林大学本科毕业论文 设计 15 主接线部分母线潮流 99 0 99 5 100 0 100 5 101 0 101 5 102 0 500 I ABB母线 500 II ABB母线 发电机出口母线I 发电机出口母线II 厂用变侧母线I 厂用变侧母线II 厂用变侧母线III 厂用变侧母线IV 高公变侧母线I 高公变侧母线II 母线段名称 电压仿真值 图5 1 主接线部分母线潮流 厂用电部分母线潮流波动 95 96 97 98 99 100 101 102 103 10KV厂用母线1A 10KV厂用母线2A 10KV公用母线A 保安PC A段 除尘PC 1A段 锅炉PC A段 汽机PC A段 灰场PC段 照明PC段 补给水源PC B段 厂前区PC B段 废水处理PC B段 公用PC B段 化学处理PC B段 输煤PC B段 输煤PC D段 脱硫PC B段 脱硫PC D段 循环水PC B段 循环水MCCB段 锅炉MCC B段 汽机MCC B段 检修MCC段 公用MCC B段 化学处理MCCB段 母线段名称 电压仿真值 图5 2 厂用电部分母线潮流 潮流分析 从计算结果来看 所有母线段的电压值都在5 范围内 见附录四及附录五 满足电厂设计相关规范 吉林大学本科毕业论文 设计 16 5 2 短路电流的计算短路电流的计算 短路电流是指某段母线发生短路时母线中流动的电流水平 短路水平的 大小是选择电力系统中开断设备的决定性因素 配电系统中有三相 线 地 线 线 线 线 地几种短路故障 三相交流系统短路电流计算是电 气工程设计中一项十分重要的内容 在国内 对短路电流的计算主要采用GB T 15544 1995 三相交流系统 短路电流计算 简称GB T 15544 标准法 和DL T 5153 2002 火力发电厂 厂用电设计技术规定 简称厂技规 进行计算 IEC 909算法与厂技规算法相比 虽然计算项目多 但概念明确 算法简 单扼要 准确性高 容易使用 必将得到设计部的普遍使用 本文对如下几个短路电流值进行计算 初始对称短路电流 短路电流峰 值和对称短路中断电流 计算公式如下 对称短路电流值为 5 2 3 n k k cU I Z 式中 c 为用于计算最大或最小短路电流的电压系数 其值在 0 95 1 10 之间 为短路点的系统标称电压 为归算至短路点的短路阻抗 n U k Z 短路电流峰值 5 3 2 pk ikI 式中 k 为峰值系数 其大小取决于短路回路的 R X 稳态短路电流 5 4 krG II 式中为计算稳态短路电流的系数 本文采用IEC909算法 通过建立模型在ETAP软件仿真进而判断方案的 开断能力 其计算数据波形图见图5 3到图5 8所示 其数据见附录六 附录 七 吉林大学本科毕业论文 设计 17 短路电流初始值对比图 0 50 100 150 200 250 300 500 I ABB母线 500 II ABB母线 发电机出口母线I 发电机出口母线II 厂用变侧母线I 厂用变侧母线II 厂用变侧母线III 厂用变侧母线IV 高公变侧母线I 高公变侧母线II 电流值 KA 软件仿真值原始计算值 图5 3 主接线短路电流初始值 短路电流峰值对比图 0 100 200 300 400 500 600 700 800 500 I ABB母线 500 II ABB母线 发电机出口母线I 发电机出口母线II 厂用变侧母线I 厂用变侧母线II 厂用变侧母线III 厂用变侧母线IV 高公变侧母线I 高公变侧母线II 电流值 KA 软件仿真值原始计算值 图5 4主接线短路电流峰值 吉林大学本科毕业论文 设计 18 主接线短路电流稳态值 0 20 40 60 80 100 120 140 500 I ABB母线 500 II ABB母线 发电机出口母线I 发电机出口母线II 厂用变侧母线I 厂用变侧母线II 厂用变侧母线III 厂用变侧母线IV 高公变侧母线I 高公变侧母线II 母线段名称 电流值 KA 图5 5 主接线短路电流稳态值 厂用电短路电流初始值 5 10 15 20 25 30 35 40 45 10KV厂用母线1A 10KV厂用母线2A 10KV公用母线A 保安PC A段 除尘PC 1A段 锅炉PC A段 汽机PC A段 灰场PC段 照明PC段 补给水源PC B段 厂前区PC B段 废水处理PC B段 公用PC B段 化学处理PC B段 输煤PC B段 输煤PC D段 脱硫PC B段 脱硫PC D段 循环水PC B段 循环水MCCB段 锅炉MCC B段 汽机MCC B段 检修MCC段 公用MCC B段 化学处理MCCB段 母线段名称 电流值 KA 图5 6 厂用电短路电流初始值 吉林大学本科毕业论文 设计 19 厂用电短路电流峰值 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10KV厂用母线1A 10KV厂用母线2A 10KV公用母线A 保安PC A段 除尘PC 1A段 锅炉PC A段 汽机PC A段 灰场PC段 照明PC段 补给水源PC B段 厂前区PC B段 废水处理PC B段 公用PC B段 化学处理PC B段 输煤PC B段 输煤PC D段 脱硫PC B段 脱硫PC D段 循环水PC B段 循环水MCCB段 锅炉MCC B段 汽机MCC B段 检修MCC段 公用MCC B段 化学处理MCCB段 母线段名称 电流值 KA 图5 7厂用电短路电流峰值 厂用电短路电流稳态值 0 3 6 9 12 15 18 21 10KV厂用母线1A 10KV厂用母线2A 10KV公用母线A 保安PC A段 除尘PC 1A段 锅炉PC A段 汽机PC A段 灰场PC段 照明PC段 补给水源PC B段 厂前区PC B段 废水处理PC B段 公用PC B段 化学处理PC B段 输煤PC B段 输煤PC D段 脱硫PC B段 脱硫PC D段 循环水PC B段 循环水MCCB段 锅炉MCC B段 汽机MCC B段 检修MCC段 公用MCC B段 化学处理MCCB段 母线段名称 电流值 KA 图5 8 厂用电短路电流稳态值 整体方案的仿真部分母线段短路电流数据见附录八 波形图略 从仿真数 据可以看出 所有厂用电段母线的短路电流值相同 不受主接线的影响 即初始值在40KA以内 峰值在100KA以内 满足实际需要 故数据只列出 吉林大学本科毕业论文 设计 20 了主接线的母线段短路电流值 其数值与单独仿真时有点差别 但是在允 许的范围内 短路分析 通过下表的对比可以看出 本文仿真值与原始计算值基本一 致 但是有少数母线段不一致 如500KV母线段 现分析原因如下 表5 1 软件仿真值与原始计算值对比表 值的类型初始值峰值稳态值 仿真值31 6081 8418 2410KV厂用母线 1A段计算值32 5285 5018 38 仿真值29 3463 7615 4310KV公用母线 A段计算值32 0984 3518 38 仿真值276 95755 69119 78发电机出口母 线段计算值271 15719 40189 01 仿真值33 5789 2823 34500KV母线段 计算值47 42124 0743 06 1 对于专业设计值 电力设计人员对厂用电和主接线部分进行了简化计算 并没有将负荷具体分配并列出 而是全部用了等效代替的方法 这就导致 了可供参考的专业设计值只有很少的一部分母线段 对于厂用高压段负荷 也只是用了等效电机代替 PC段和MCC段没有列出 这在工程设计上是允 许的 但是不够严谨 2 在主接线部分 专业的设计是对两期工程四台机组的全部等效仿真 本 文所做的是对本期工程两台机组进行仿真 所以会导致500KV母线段的短 路电流值与设计值相差较大 如果将四台机组全部仿真 结果是相一致的 但是对于等效仿真是很简单的事 对于要全部细化的仿真却是相当繁琐的 由于负荷太多 所以本设计没有做出扩建的四台机组 3 厂用电接线部分的高压公用变压器低压侧也就是10KV公用段的短路电 流值比专业值要小 原因是对于专业的仿真 是把所有的负荷用一个大容 量的电机代替 与厂用母线1A段相 吉林大学本科毕业论文 设计 21 同 但是这从计算值的角度是不合理的 原因是公用段连接的电动机容量 都很小 虽然总的电动机容量与厂用1A段相同 但是小容量电机和容量相 等的大容量电机对短路的贡献是不一样的 大容量的贡献短路电流值会大 很多 从设计的角度只是会增大短路电流值 从而选择开断电流更大的开 断设备 从安全的角度无疑是增加了可靠性 但是却大幅度的提高了投资 成本 从工程的角度考虑是可以接受的 但是从学术的角度考虑是没有必 要的 只要可靠性能够满足即可 没有必要用增加投资来增加额外的不需 要的可靠 所以本设计符合实际情况 从相关运行数据也可以得到验证 5 3 电动机的起动校验电动机的起动校验 在电机起动期间 正在起动的电机对于系统来说就像是一个连接在母线 上的小阻抗负荷 它从系统中吸取很大的电流 相当于电机额定电流的六 倍 使系统产生电压降 并对其它系统负荷的正常动作产生干扰 因为电 机加速转矩由电机终端电压决定 所以很多情况下 正在起动的电机由于 终端电压较低而无法达到额定速率 这就使电机起动分析变得重要 电机 起动分析的目的有两个 分析电机能否在运行条件下成功地起动 另一个 是看电机起动时是否严重的阻碍了系统中其它负荷的正常运行 目前最新的电机起动计算方法有 动态电机加速和静态电机起动 在动 态电机加速计算中 以动态模型模拟发动机 用程序模拟电机的整个加速 过程 用这种方法来确定电机是否可以以这种形式起动 电机要用多长时 间达到它的额定速率 以及确定电压降对系统的影响 在静态电机起动方 法中 在加速期间 用堵转的方法 起动电机 模拟对正常运行负荷最坏 的影响 1 单台电动机启动或者成组电动机启动时的母线电压计算公式均如下 5 0 m 1 U U SX 5 式中 电动机正常启动时的母 m U线电压 pu 吉林大学本科毕业论文 设计 22 厂用母线上的空载电压 对电抗器取 1 对无激磁调压变 0 U pu 压器取 1 05 对有载调压变压器取 1 1 在本计算中取 1 05 变压器或电抗器的电抗 见附录三 X pu 合成负荷 见附录二 S pu 2 高 低压串联自启动时的母线电压计算公式如下 自启动时高压厂用母线电压标幺值按下式计算 gm U 5 6 1 g gm gg U U S X 式中 高压厂用母线的合成负荷 见附录二 g S pu 高压厂用变压器或电抗器的电抗 见附录二 g X pu 自启动时低压厂用母线电压标幺值按下式计算 d m U 5 7 1 d dm dd U U S X 式中 低压厂用母线的合成负荷 见附录二 d S pu 低压厂用变压器的电抗 见附录三 d X pu 5 8 1 1 100 d d U X 本课题进行静态电动机启动校验 对 1机组的重负荷母线段校验结果如 下表5 2所示 吉林大学本科毕业论文 设计 23 表5 2 电动机起动计算结果表 启动校验项目母线段名称起动电压值 可靠起动范 围 仿真值70 65 10KV厂用母线1A段 计算值71 18 65 70 仿真值72 21 10KV厂用母线1B段 计算值71 24 65 70 仿真值85 70 0 38KV锅炉PC A段 计算值92 49 60 仿真值87 01 成组自起动校验 0 38KV汽机PC B段 计算值90 21 60 仿真值90 13 10KV厂用母线1A段 计算值87 19 80 仿真值89 58 单台最大容量电动 机起动校验 10KV厂用母线1B段 计算值87 23 80 仿真值66 05 10KV厂用母线1A段 计算值80 71 65 70 仿真值57 25 0 38KV锅炉PC A段 计算值66 16 55 仿真值66 63 10KV厂用母线1B段 计算值80 77 65 70 仿真值55 81 高压与低压串联自 启动校验 0 38KV汽机PC B段 计算值63 35 55 电动机起动分析 从表5 1可以看出 系统的仿真值和原始计算值相比 稍小 但是两种值都是合理的都满足要求 只是仿真值更接近于实际 校 验的结果使得电厂系统的开机起动更加安全 差别的主要原因是手算计算 结果很多是要等效代替的 由于其系统庞大 要做到全部细化是办不到的 这也是相比之下手算的一个小缺点 但是不影响电厂的校验结果 从整体 看电动机起动满足要求 吉林大学本科毕业论文 设计 24 5 4 开断设备的选择开断设备的选择 通过对方案的仿真计算及结果的分析 看出本设计完全符合实际及工程的 要求 所有数据均正确 根据已经计算的短路电流数据 高压母线的短路 电流初始值在40KA以内 峰值电流在100KA以内 故高压断路器的开断电 流选择为40KA 峰值电流为100KA 低压母线的短路电流也在40KA以内 但是除尘段接近40KA 一般工程要求低压段在65KA以内 所以选择低压 断路器的开断电流为65KA 其峰值控制在143K以内 从结果看符合要求 隔离开关只在倒闸操作的时候才会使用 一般只要额定电压符合要求即可 F C回路安装在高压母线段处 故其参数值的选择与高压断路器相同 现选 择开断设备参数如下表5 3所示 高压断路器 低压断路器 隔离开关和 F C回路 表5 3 开断设备选择值 额定电压 KV 额定电流 A 峰值电流 KA 开断电流 KA 高压断路低压断路器0 415125014365 隔离开关13 81200 F C回吉林大学本科毕业论文 设计 25 总结总结 发电厂电气主接线和厂用电接线的设计是发电厂最最核心的部分 其他 部分如化学水 冷却循环等都是辅助性的设施 本文只要进行核心部分非 硬件的设计 从细化的角度进行了设计仿真 打破了传统的等效设计仿真 做法 从结果可以看出与实际和专业仿真值基本一致 达到预期的指标 结果都符合 厂技规 的要求 对部分与专业值有差距的母线段做了分析 这样的细化设计在以前是没有的 本文通过目前外国最流行的ETAP软件进行仿真 计算结果具有说服力 从设计过程中体现出了大容量机组的启动难 短路电流大的特点 在计算 潮流时有些母线段负荷比较重 最终采取调节低压变压器分接头的办法 对于短路电流计算 发现电动机对短路电流的贡献很大 从设计和实际的 角度都是电流越小越好 这就要求电动机的参数要达到一个很高的水平 比如说电动机的堵转电流倍数 目前有很多学者在讨论这个问题 总之堵 转电流倍数越小越好 但是同时会增加投资 本文参考IEC标准的一个算法 中的算例对电动机进行参数选择 结果满意 在启动时 影响最大的变压 器的阻抗的大小 原则是越小越好 但是越小会使短路电流又增大 它们 之间是相互制约的 必须综合全面去对各个元器件的参数进行合理的选择 最终达到合理的结果 本文在设计仿真时按照常规电厂经验值设置的断路器参数 F C回路参 数 隔离开关参数 电动机的堵转电流倍数等的选择都是合理的 正确的 整体设计方案达到专业的要求 可以被电厂采纳 吉林大学本科毕业论文 设计 26 参考文献参考文献 1 孙淑琴 周磊 王健 孟令帅 韩亮 谌随 600MW 空冷机组厂用电系统运 行状态模拟 J 2008 中国国际供电会议 2008 12 SUN Shu qin ZHOU Lei WANG Jian MENG Ling shuai HAN Liang SHEN Sui Simulation of Auxiliary Power system Operating State for 600 MW Air Cooling Unit J 2008 China International Conference on Electricity Distribution CICED 2008 2008 12 2 孙淑琴 周磊 王健 孟令帅 韩亮 谌随 李维博 基于 ETAP 的 1000MW 发电机组的三种厂用电接线方案的比较 J IEEE Asia Pacific Power