XX理工大学《发电厂电气部分》200MW凝汽式发电的电气一次部分课程设计

摘要电气工程基础课程设计是对所学知识的一次综合性应用，能加深我们队基础知识的理解。本设计严格遵循发电厂电气部分的设计原则，主要介绍了发电厂电气一次部分设计的基本知识，包括设计原则、步骤和计算方法等。通过对电气主接线的设计和计算、厂用电的设计、短路电流的计算、电气设备的选择和校验，简要完成了对所给（2×50MW+100MW）凝汽式发电厂的电气一次部分的设计。本设计为220KV、110KV和10KV三个电压等级。关键词：火力发电厂，主接线，短路电流计算，电气设备目录TOC\o"1-5"\h\z\u第一章：电气主接线设计 51.1主接线介绍 51.2电气主接线的叙述 51.3执行可行的接线方案 51.3.1初步主接线方案 51.3.2初选四种方案： 101.3.3最终方案： 11第二章：确定变压器台数及容量 112.1主变压器的选择原则； 112.2计算主变压器的容量 112.3主变压器的选择： 12第三章：厂用电的设计 133.1厂用电设计的要求和原则 133.2厂用电源 14第四章：短路电流计算 144.1短路电流计算目的及规则 144.2短路计算条件 154.3短路等值电抗电路及其参数计算 154.3.1、系统参数的计算： 154.3.2、总等值电路： 164.3.3、各个等级电压下的短路电流计算： 174.5.3.1110kv处短路时的短路电流计算： 174.3.3.2220KV处短路时的短路电流计算： 194.3.3.310.5KV处短路时的短路电流计算： 21第五章：电气设备的选择 255.1、导体和电气设备选择的一般条件 255.1.1技术条件 255.1.2环境条件 275.2.电气设备的选型 275.2.1母线的选择与校验 275.2.1.1220kv管型母线选择： 275.2.1.2110KV管型导体母线: 295.2.1.3、10kv矩形导体（10kv母线可不进行电晕校验） 305.2.2隔离开关和断路器的选型与校验 325.2.2.1220KV断路器、隔离开关的选择： 325.2.2.2、110KV侧变压器出线隔离开关、断路器的选型与校验 335.2.2.3、10KV侧主变压器出线断路器、隔离开关的选型与校验 345.2.3．10.5kv出线电抗器选择： 355.2.4．10.5KV出线电缆选择 37第六章：心得体会： 38附录一：10KV的配置图： 40附录二：主接线图 41第一章：电气主接线设计1.1主接线介绍电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，它反映各设备的作用、连接方式和回路的相互关系，是构成电力系统的主要环节。它的设计直接关系到全厂电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护、自动装置和控制方式的确定，对电力系统的可靠、灵活、经济运行起着决定的作用。1.2电气主接线的叙述（1）单母分段接线优点：在正常工作时，旁路断路器以及各出线回路上的旁路隔离开关，都是断开的，旁路母线不带电，通常两侧的开关处于合闸状态，检修时两两互为热备用；检修QF时，可不停电；可靠性高，运行操作方便。另外分段断路器兼做旁路短路器可以减少设备，节省投资；同样可靠性高，运行操作方便；缺点:对于在电网中没有备用线路的重要用户以及出线回路数较多的大、中型发电厂和变电所，采用上述接线仍然不能保证供电的可靠性。（2）双母线接线优点：供电可靠，调度灵活，扩建方便，便于设计。缺点：增加了一组母线，每一回路增加一组母线隔离开关，增加了投资，操作复杂，占地面积增加。（3）双母线分段接线优点：增加供电可靠性，运行操作方便，避免检修断路器时造成停电，不影响上母线的正常运行。缺点：多装了一台断路器，增加了投资和占地面积，断路器整定复杂，容易造成误操作。1.3执行可行的接线方案1.3.1初步主接线方案第一种方案：左边为220KV电压等级，采用单母线分段接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线分段的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线分段的接线方式。第二种方案：左边为220KV电压等级，采用双母线的接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线分段的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线分段的接线方式。第三种方案：左边为220KV电压等级，采用单母线分段的接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线分段的接线方式。第四种方案：左边为220KV电压等级，采用双母线的接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线分段的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线分段的接线方式，其中100MW机组采用单元接线接线方式连接到220KV侧。第五种方案：左边为220KV电压等级，采用双母线的接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线的接线方式。第六种方案：左边为220KV电压等级，采用单母线分段的接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线的接线分段方式。第七种方案：左边为220KV电压等级，采用双母线的接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线分段的接线方式。第八种方案：左边为220KV电压等级，采用双母线的接线方式，右边为110KV电压等级，采用双母线分段的接线方式，发电机侧电压10.5KV采用双母线的接线方式。八种方案的比较原则如下：单母线分段接线适用于：小容量发电机电压配电装置，一般每段母线上所接发电机容量为12MW左右，每段母线上出线不多于5回；变电站有两台主变压器时的6—10kv配电装置；35—63KV配电装置出线4—8回；110—220KV配电装置出线3—4回。双母线分段：用于缩小母线故障的停电范围，分段短路器将母线分为WI段和WII段，每段工作母线用各自的母线断路器与备用母线相连，电源和出线回路均匀的分布在两段工作母线上。优点是可靠性比双母线接线更高，并且具有很高的灵活性。双母线：双母线接线有2组母线，并且可以互为备用。它的特点是：供电可靠，调度灵活，扩建方便，能广泛用于出线带电抗器6-10KV配电装置；35-60KV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110KV-220KV出线为4回及以上时。由于220KV侧与系统连接，考虑要往系统送负荷，可靠性要求比较高，故220KV侧采用双母线接线，110侧有8回，线路较多，考虑到负荷比较重要，要缩小母线故障的停电范围，考虑采用双母线接线和双母线分段接线，10.5KV侧单机容量为25MW以上的机组，且出线较多时，发电机电压母线采用双母线分段接线适宜，考虑机组为2台50MW和一台100MW的机组，出线有14回，故采用双母线分段接线。1.3.2初选四种方案：综上考虑，初选第二种、第五种、第七种、第八种共四种方案，继续按可靠性，经济性，灵活性比较：断路器隔离开关第二种方案40105第五种方案3799第七种方案39103第八种方案381011.3.3最终方案：考虑到现在断路器四种方案差别不大，现在断路器价格也下降，主要考虑其主接线的灵活性和可靠性。最终选方案二，即220侧采用双母线接线方式，110和10.5KV侧均采用双母线分段接线，其灵活性和可靠性比较高，能满足此发电厂的要求。第二章：确定变压器台数及容量2.1主变压器的选择原则；主变容量一般按变电所建成后5—10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10—20年的负荷发展。根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。对于有重要负荷的发电厂，应考虑一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，保证用户的Ⅰ级和Ⅱ级负荷，对于一般变电所，当一台主变停运时，其他变压器容量应能保证全部负荷的70%~80%。高、中压电网的联络变压器应按两级电网正常与检修状态下可能出现的最大功率交换确定容量，其容量一般不应低于接在两种电压母线上最大一台机组的容量。2.2计算主变压器的容量当发电机电压母线上的负荷最小时，应将发电厂的最大剩余功率送至系统，根据主接线的要求，选2台主变压器。当发电机电压母线上接有2台变压器，当负荷最小且其中容量最大的一台变压器退出运行时，其他主变压器应将发电厂最大剩余功率的70%以上主系统，即：3）当发电机电压母线的负荷最大且其中最大一台机组退出运行时，主变压器应能从系统倒送功率，满足发电机电压母线上最大负荷的需要：2.3主变压器的选择：综上，查《发电厂电气部分课程设计资料》，选2台三绕组变压器选用的型号为SFPS7-120000/220。参数如下：型号额定容量kv·A额定电压/kV高压中压低压SFPS7-120000/2201200002.5％12110.5,11损耗/kW阻抗电压（％）空载电流（％）联结组别总体质量/t备注空载短路高中高低中低13348014.023.07.00.8YNyn0d11197沈变第三章：厂用电的设计发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量由电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备（如锅炉、气轮机或水轮机、发电机等）和输煤、碎煤、除灰、除尘及水处理的正常运行。这些电动机以及全厂的运行、操作、试验、检修、照明用电设备等都属于厂用负荷，总的耗电量，统称为厂用电。3.1厂用电设计的要求和原则1、接线要求（1）各机组的厂用电系统应是独立的。特别是200MW及以上机组，应做到这一点。（2）全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线。（3）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。（4）充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别要注意对公用负荷供电的影响，也便于过渡，尽量减少改变接线和更换设置。（5）200MW及以上机组应设置足够容量的交流事故保安电源。当全厂停电时，可以快速启动和自动投入向保安负荷供电。2、设计原则厂用电的设计原则与主接线的设计原则基本相同，主要有：（1）接线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。（2）接线应灵活的适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求。（3）厂用电源的对应供电性。（4）设计还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重的采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性。（5）在设计厂用电接线时，还应对厂用电的电压等级、中性点接地方式、厂用电源及其引线和厂用电接线形式等问题，进行分析和论证。3.2厂用电源发电厂的厂用电源，必须供电可靠，且能满足各种工作要求，除应满足具有正常的工作电源外，还应设置备用电源、启动电源和事故保安电源。一般电厂中，都以启动电源兼作备用电源。设计中每台发电机从各单元机组的变压器低压侧接引一台高压工作厂用变压器作为6KV厂用电系统的工作电源。为了能限制厂用电系统的短路电流，以便是6KV系统能采用轻型断路器，并能保证电动机自启动时母线电压水平和满足厂用电缆截面等技术经济指标要求。第四章：短路电流计算4.1短路电流计算目的及规则在发电厂电气设计中，短路电流计算的目的的主要有以下几个方面：1、电气主接线的比选。2、选择导体和电器。3、确定中性点接地方式。4、计算软导线的短路摇摆。5、确定分裂导线间隔棒的间距。6、验算接地装置的接触电压和跨步电压。7、选择继电保护装置和进行整定计算。一、短路电流计算条件：正常工作时，三项系统对称运行。所有电流的电功势相位角相同。电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。短路发生在短路电流为最大值的瞬间。不考虑短路点的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻略去不计。不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流。元件的技术参数均取额定值，不考虑参数的误差和调整范围。输电线路的电容略去不计。二、短路计算的一般规定：验算导体的电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统远景的发展计划。2）选择导体和电器用的短路电流，在电器连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流影响。3）选择导体和电器时，对不带电抗回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大地点。4）导体和电器的动稳定、热稳定和以及电器的开断电流，一般按三相短路计算。4.2短路计算条件基本假定：1）正常工作时，三相系统对称运行2）所有电流的电动势相位角相同3）电力系统中所有电源均在额定负荷下运行4）短路发生在短路电流为最大值的瞬间5）不考虑短路点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6）不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流7）元件的技术参数均取额定值，不考虑参数的误差和调整范围8）输电线路的电容略去不计4.3短路等值电抗电路及其参数计算4.3.1、系统参数的计算：假定基准容量120MVA，基准电压为各电压的平均额定电压，变压器短路电压百分比如下：其中1为220侧，2为110侧，3为10.5侧。发电机机组电抗折算为：50MW的次暂态电抗为0.1239100MW的次暂态电抗为0.183归算至120MVA下4.3.2、总等值电路：4.3.3、各个等级电压下的短路电流计算：4.5.3.1110kv处短路时的短路电流计算：110KV处短路时的短路电流，即K4处断路器两侧短路时，经演算是断路器下侧短路时短路电流最大，其计算过程如下：首先进行简化（）,如下图：(1)系统到断路点的转移阻抗：发电机到短路点：(2)计算阻抗：(3)G和S送出的短路电流标幺值：(4)各短路电流有名值：=1\*GB3①系统送至短路点的电流为：=2\*GB3②三台发电机送至短路点的电流为：(5)短路总电流:4.3.3.2220KV处短路时的短路电流计算：220KV处短路时的短路电流，即K4处断路器两侧短路时，经演算是断路器下侧短路时短路电流最大，其计算过程如下：等效电路如下：(1)系统对f点转移阻抗(2)系统作为无限大功率母线不必查用运算曲线。(3)(4)各短路电流有名值：①系统送至短路点电流为②在220KV短路，流过其断路器QF的最大短路电流为：4.3.3.310.5KV处短路时的短路电流计算：10.5KV处短路时的短路电流,即K2、K3处断路器短路时取最大的短路点，经演算得知在K2断路器上侧短路时，短路电流最大，其演算过程如下:等效电路如下：考虑10.5KV线侧短路，有两类断路器的短路，考虑短路时，流过的短路电流为三个电源及系统分流流过的短路电流，明显比点短路及短路时的电流要大，故选短路时来选10.5侧的断路器。(1)算短路电流从而得到计算电抗查运算曲线知由于过来的电流1\2未经过此断路器，主要分流流入地下，故而最大的断路器的开断电流只有105KA，由于短路电流太大，须选重型断路器，故须在分段联断路器处加一个电抗器，根据分段断路器选电抗器的要求，取最大一台机组的额定电流的50％-80％取额定电流，故选额定电流为3KA，电抗值为12％的普通电抗器。重新计算短路电流如下：电路图:继续化简为下图：利用单位电流法，令计算电抗所以S还要分流所以一二台2s后：4s后：第三台：2s后：4s后：所以：第五章：电气设备的选择5.1、导体和电气设备选择的一般条件正确的选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济的重要条件。在进行设备选择时，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，并注意节约投资，选择合适的电气设备。5.1.1技术条件选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。各种电器的一般技术条件如表4-1所示。序号电器名称额定电压额定电流额定关合电流额定开断电流热稳定动稳定1高压断路器√√√√√√2隔离开关√√——√√3母线√√——√√4电抗器√√——√√5电缆√√———√（1）长期工作条件a、电压:选用电器允许最高工作电压Um不得低于该回路的最高运行电压Ug，即。b、电流选用的电器额定电流Ie不得低于所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig，即由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。高压电器没有明确的过载能力，所以在选择额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。短路稳定条件校验的一般原则电器在选定后按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流。用熔断器保护的电器可不校验热稳定。短路的热稳定条件：式中：--在计算时间s内，短路电流的热效应（KAs）Itt秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（KA）t设备允许通过的热稳定电流时间（s）校验短路热稳定所用的计算时间按下式计算：式中：--继电保护装置后备保护动作时间（s）--断路器全分闸时间（s）（3）短路动稳定条件：式中：短路冲击电流峰值（KA）短路全电流有效值（KA）电器允许的极限通过电流峰值（KA）电器允许的极限通过电流有效值（KA）5.1.2环境条件环境条件主要有温度、日照、风速、冰雪、湿度、污秽、海拔、地震。由于设计时间仓促，所以在设计中主要考虑温度条件。按照规程上的规定，普通高压电器在环境温度为+40°时，允许按照额定电流长期工作。当电气安装点的环境温度高于+40°时，每增加1°建议额定电流减少1.8%；当低于+40°时，每降低1°，建议额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。5.2.电气设备的选型本设计要求选择的设备有母线、断路器、隔离开关、互感器、避雷器，所有设备和母线应满足正常工作及短路状态的要求。5.2.1母线的选择与校验5.2.1.1220kv管型母线选择：取，查表有取选直径的管型导体。则热稳定校验：查表C=83，满足短时发热的最小截面积为<258.857电晕校验：管型直接为40/35(a=3m),则r=1.33cm几何均距取边相：1.06×244.95=259.647kv中间相：0.96×244.95=235.152kv线路实际运行相电压为故不会发生电晕4、动稳定校验：导体的自振频率由以下求得：由避开母线发生共振的自振频率范围和当f=0时L=0，当f=30时L=3.63m，当f=160时L=6.58m及以下满足条件的跨距范围（）综合考虑取（母线可不计共振影响）因为母线间应力为220kv母线截面系数导体最大相间应力绝缘子间最大允许跨距因此，符合硬导体动稳定校验要求5.2.1.2110KV管型导体母线:选择直径为50/45的管型母线因为Imin=850A（+80摄氏度时的电流值）所以Imin*K=850*0.8=680A>367.4A所以40摄氏度时电流I40>Imin>367.4A热稳定性校验因为r=22.5mm，几何间距Dm=2.53m取m1=0.9，m2=1.0，=1.0边相=204.6*1.06=216.876KV中间相=204.6*0.96=196.416kv所以不会产生电晕热稳定性校验查表C=83，满足短时发热的最小截面积为<258.857动稳定性校验导体的自振频率由以下求得：由避开母线发生共振的自振频率范围和当f=0时L=0，当f=30时L=3.63m，当f=160时L=6.58m及以下满足条件的跨距范围（）综合考虑取（母线可不计共振影响）因为母线间应力为220kv母线截面系数导体最大相间应力绝缘子间最大允许跨距因此，符合硬导体动稳定校验要求5.2.1.3、10kv矩形导体（10kv母线可不进行电晕校验）10KV母线导体选择过程：按长期发热允许电流选择截面由于故选多条导体。查附表，选择三条矩形导体，平放，允许电流为3725A，=1.8温度系数K=其中=25。取平均温度40。从而求得K=1.15则=2\*GB2⑵热稳定校验正常运行时导体温度查得C=91，则满足短路时发热的最小导体截面为。其中=925.72=3\*GB2⑶动稳定校验其中为35—155Hz。故可取L=1.5m。根据极限安全净距取a=0.75m按采用的效量母线方式，表面系数相间最大应力为母线同相间作用应力计算由导体形状系数曲线查得则有临界跨距（每相铝导体=1197）及条间衬垫最大跨距分别为所选衬里跨距应小于及，为了便于安装，没跨绝缘子应设三个衬里则满足要求。5.2.2隔离开关和断路器的选型与校验5.2.2.1220KV断路器、隔离开关的选择：（一）一般条件： 1.额定电压：查表可选SW6-220/1200短路热稳定计算时间：短路开断时间：故用校验冲击电流为：计算数据SW7-220/1250GW4-220D/1000-80220220KV220453A1200A10006.3743KA21KA——17.127KA55KA——151.0752808.45选择断路器SW7-220/1250隔离开关为GW4-220D/1000-80。5.2.2.2、110KV侧变压器出线隔离开关、断路器的选型与校验（一）一般条件：1.额定电压：查表可选SW4-110/1000短路热稳定计算时间：短路开断时间：故用校验冲击电流为：计算数据SW4-110/1000GW4-110D/1000-80110KV110KV110KV367A1000A100039.22KA40KA——99.8KA100KA——504.992311.25选择断路器SW4-110/1000、隔离开关为GW4-110D/1000-805.2.2.3、10KV侧主变压器出线断路器、隔离开关的选型与校验10.5kv断路器选择10kv出线故选初选断路器隔离开关选GW410-10G-1100，动稳定电流200KA，热稳定电流9443开断电流选择：=105KV>=82.074KA隔离开关选GW410—10T—11000计算数据SN4-10G-11000型断路器GW410-10T-1100型断路器10KV10KV10KV6972A11000A11000A78.22KA105KA105KA199.1KA300KA200KA9443KA5.2.3．10.5kv出线电抗器选择：10.5KV电抗器的选择1、最大持续工作电流根据额定电压，电流选择NKL-10-400型号的电抗器：出线断路器选择的是型，其开断电流为105KA。2、电抗百分比的选择假定出线侧短路，只有三个发电机可提供短路电流，可提供短路电流，系统侧由于变压器的限制，流过的短路电流很少，忽略不计，经验算：50MW的次暂态电抗为0.1239100MW的次暂态电抗为0.183归算至120MVA下其中分段断路器之间的电抗器也会限制器短路电流。归算到电抗器前的的总电抗当采用=3%时，经演算，出线处短路的次暂态电流为不满足动热稳定要求，故选用=4%，取=1+0.2=1.2s。查短路电流计算曲线后并换算成短路电流有名值。=3、短时残压校验：4、热稳定校验：因>1s，故不计非周期分量热效应。得：5、电压损失校验6、动稳定校验：故电压损失、短路残压，动热稳定均满足需求，选NKL-10-400-4型的电抗器5.2.4．10.5KV出线电缆选择1、按导线截面选择查曲线选用两根10KVZLQ2三芯油浸纸绝缘铝芯电力电缆，