发电厂电气部分课程设计-大型火电厂电气设计

hhhhhh《发电厂电气部分课程设计》说明书hhhhhh课程设计任务书(3#)大型火电厂电气设计一、原始资料发电厂情况：凝汽式大型火电厂。汽轮发电机组600MW×2台，机端电压20kV，300MW×2台，机端电压10.5kV，功率因数cosφ＝0.85，厂用电率5%，年运行时间T＝8000h，年最大负荷利用小时数Tmax＝6000h。故障计算时间Tk=0.6s。电力系统情况：通过2回500kV架空线与15000MVA的系统1交换功率800MW~900MW，cosφ＝0.9，Tmax＝5500h，系统在500kV母线处的等值短路阻抗为2.0(基值为15000MVA)；通过4回220kV架空线与8000MVA的系统2交换功率400MW~500MW，cosφ＝0.9，Tmax＝5500h，系统在220kV母线处的等值短路阻抗为2.5(基值为8000MVA)。剩余功率通过4条110kV线路供给负荷，cosφ＝0.9。二、设计任务1.电气主接线及厂用高压接线设计；2.短路电流计算；3.主要电气设备选择；4.绘制主接线图。hhhhhh摘要当今，电能已应用到人民生产生活中的各个领域，成为了国家建设、国民经济发展和人民生产生活不可或缺的主要能源之一。电能生产与消费主要由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成。在我国电力系统结构中，火电设备容量占总装机容量的75%左右，尤其在“十二五”规划出台后，大型火电厂兴建与投入运行、关停整并中小火电厂已成为火电发展的总体趋势。电气主接线是发电厂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及发电厂本身的运行的可靠性、灵活性和经济性，电气设备选择、厂用电的设计、配电装置选择及继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。本文对装设有2台600MW和2台300MW的凝汽式发电机组的大型火电厂的一次部分进行初步设计探讨，包括电气主接线的形式的比较、选择；主变压器及联络变压器容量计算、台数和型号的选择；短路电流计算和高压电气设备的选择与校验等，使该大型火电厂的一次部分具有可靠性、灵活性、经济性的特点，并且能够满足工程建设规模要求，且能够适应未来5~10年电力系统的发展要求及趋势。关键词：火电厂；主接线；主体设备hhhhhh目录绪论1第一章电气主接线的设计21.1电气主接线概述21.2各电压等级系统主接线方案的草拟31.3对草拟方案的比较和初选8第二章方案经济性的比较112.1经济计算方法112.2备选方案的经济性比较13第三章短路电流的计算163.1短路电流计算的规则163.2本方案中短路电流的计算18第四章主体设备的选择264.1主体设备选择的一般条件264.2本方案中主体设备的选定27参考文献47附录48致谢hhhhhh绪论能源(energysource)是人类赖以生存的基础，而对于电能(electricalenergy)的开发和应用，则是人类征服自然过程中取得的具有划时代意义的光辉成就。当今，电能已成为现代国民经济生产、科学技术研究以及人民生活等各个领域广泛应用且不可或缺的重要能源。电能之所以获得广泛应用，是因为它具有易于生产、便于传输、使用方便、利用率高和污染低的特点。火力发电厂(简称火电厂,thermalpowerplant)，即通过将煤、石油或天然气等燃料燃烧产生的热能转换为动能带动发电机(alternator)发电的电厂，是我国目前的主力发电厂，对国民经济发展起到至关重要的作用(李林川等,2011)。据统计资料显示，2013年1~5月，中国累计火力发电量总计达kW·h，仅5月当月，我国火力发电量为kW·h。数据来源：数据来源：中国报告大厅.2013年火力发电行业现状分析.http://.在各类发电厂中，火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要决定，一次性建造投资少，单位容量的投资仅为同容量水电厂的一半左右，建造工期短，发电设备年利用小时数较高。为响应“十二五”规划及中共十八大建设生态文明的号召，我国正在积极贯彻火电厂“上大压小”的政策，着力建设大型火电厂，关停、整并中小火电厂。因此，本文将就大型火电厂的设计进行电气部分初步设计方案的探讨。hhhhhh第一章电气主接线的设计1.1电气主接线概述电气主接线(mainelectricalconnectionscheme)是由高压电气设备通过连接线按功能要求组成的接受和分配电能的电路，又称一次接线或电气主系统，是发电厂电气设计的首要部分，也是构成电力系统(electricpowersystem)的重要环节。电气主接线代表了发电厂电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。因此，电气主接线的设计需要满足以下几个方面的技术指标要求：(1)可靠性(reliability)。安全可靠是电力生产和供应的首要任务，保证系统供电可靠是电气主接线的基本要求。在系统运行过程中，对不同地位、不同类型发电厂电气主接线的可靠性要求是不同的。因此，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，供电用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。(2)灵活性(flexibility)。电气主接线应能适应系统各种运行状态，并能灵活转换运行方式。一般而言，电气主接线的灵活性与可靠性相辅相成，对电气主接线设计的灵活性具有操作方便、调度灵活、便于扩建等要求。(3)经济性(economicefficiency)。电气主接线的设计在满足可靠性、灵活性要求的前提下要做到经济合理，一般要考虑投资、占地面积、电能损失等方面。(李林川等,2011)1.1.1电气主接线的设计原则电气主接线设计遵循的总原则：①符合设计任务书的要求；②符合有关方针、政策和技术规范、规程；③结合具体工程特点，设计技术经济合理的电气主接线。一般应考虑下列情况：(1)明确发电厂在电力系统中的地位和作用；(2)确定主体设备的运行方式；(3)确定电压等级及接入系统方式；(4)考虑发电厂的最终规模(一般以5~10年的电力系统远景规划进行设计)。(李林川等,2011)1.1.2电气主接线的设计步骤电气主接线的设计，一般可以分为如下步骤：(1)拟定可行的主接线方案，初选几个技术上较好的方案；(2)对初选方案进行经济计算，选择出经济上的最佳方案；(3)对所选方案进行全面的技术、经济比较，确定最优主接线方案；hhhhhh(4)电气主接线可靠性计算；(5)绘制电气主接线图。(黄纯华,1987)1.2各电压等级系统主接线方案的草拟1.2.1原始资料分析按照《课程设计任务书(3#)》的要求，本方案所需设计的发电厂为大型凝汽式火电厂，主机采用4台凝汽式汽轮机(CondensingSteamTurbine)，设计总装机容量(designtotalinstalledcapacity)为MW，最大单机容量(maximumsingle-machinecapacity)为600MW，具有大型容量的规模、大型机的特点。经计算，该电厂全部机组投入运行后，约占电力系统总容量的7.83%。因此该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要。该火电厂年运行时间(annualruntime)T=8000h，年最大负荷利用小时数Tmax=6000h，在电力系统中将主要承担基荷(baseloadunit)，因此，该厂电气主接线设计要求有较高的可靠性。从负荷特点及电压等级(voltageclass)可知，该厂具有500kV和220kV两级电压负荷以及110kV剩余功率系统。500kV具有2回架空线路(aerialconductor)，最大的输送功率为900MW，年最大负荷利用小时数Tmax=5500h，说明对其可靠性要求较高。220kV电压等级有4回架空线路，最大输送功率为500MW，年最大负荷利用小时数Tmax=5500h，对其可靠性亦有一定的要求。因此，本方案的设计应首要考虑满足可靠性要求。在满足可靠性要求的前提下，也应具有一定的经济性。另外，在设计时，我们需要同时考虑该电厂远景(一般为5~10年)的发展规划，电气主接线设计应考虑方便扩建。1.2.2方案草拟1.方案一如图1-2-1所示，在方案一中，500kV系统采用一台半断路器(breaker)接线，220kV系统采用双母线(bus)分段方式接线，厂用电接线从发电机升压变压器(transformer)的低压侧引出。2.方案二如图1-2-2所示，在方案二中，500kV系统采用一台半断路器接线方式以保证其拥有很高的可靠性，220kV系统采用双母线(doublebus)带旁路(bypass)接线方式，使得220kV母线在检修过程中能保证正常供电，可靠性较高。110kV系统采用双母线接线方式，调度灵活，供电可靠。3.方案三如图1-2-3所示，在方案三中，500kV系统采用一台半断路器接线，220kV系统采用双母线接线方式，110kV系统采用单母线分段接线。hhhhhh4.方案四如图1-2-4所示，在方案四中，500kV系统采用一台半断路器接线，220kV系统采用双母线分段带旁路方式接线，110kV系统采用双母线接线方式。hhhhhh图1图1-2-1方案一电气主接线图图图1-2-2方案二电气主接线图hhhhhhhhhhhh图1图1-2-3方案三电气主接线图hhhhhh图1图1-2-4方案四电气主接线图hhhhhh1.3对草拟方案的比较和初选在上述四个方案中，500kV系统均采用一台半断路器接线方式，每条回路共用3台断路器，即每条回路一台半断路器，每串的中间一台断路器为联络断路器。正常运行时，两组母线和全部断路器都投入工作，形成多环状供电，因此有很高的可靠性和灵活性。其优点在于任一母线故障或检修(所有接于该母线上的断路器断开)，均不致停电；当同名元件接于不同串，及同一串中有一回出线、一回电源时，在两组母线同时故障或一组检修两外一组故障的极端情况下，功率仍能经联络断路器继续输送；除了联络断路器内部故障时(同串中的两侧断路器将自动跳闸)，与其相连的两回路短时停电外，联络断路器外部故障或其他任何断路器故障最多停一个回路；任一断路器检修都不致停电，而且可同时检修多台断路器；运行调度灵活，操作、检修方便，隔离开关(disconnectingswitch)仅作为检修时隔离电器。其缺点是这种接线要求电源和出线数目最好相同；为提高可靠性，要求同名回路接在不同串上，对特别重要的同名回路，要考虑“交替布置”，即同名回路分别接于不同母线，以提高运行的可靠性。而由于配电装置的结构的特点，要求每对回路中的变压器和出线向不同方向引出，这将增加配电装置的间隔，限制这种接线的应用；与双母线带旁路比较，这种接线所用的断路器、电流互感器(currenttransformer,CT)多，投资大；正常操作时，联络断路器动作次数时其两侧断路器的2倍，一个回路故障时要跳两台断路器，断路器动作频繁，检修次数多；二次控制(secondarycontrol)接线和继电保护(powersystemprotection)都较复杂。1.3.1方案一的特点在方案一中，如图1-2-1所示，220kV系统采用双母线分段接线方式。双母三分段接线方式将一般双母线中的一组母线分为两段，不仅具有双母线接线的优点，任何时候都有备用母线(auxiliarybus-bar)。考虑以下两种运行方式：1.上面的母线作为备用，下面的两段分别经一台母联断路器(bustieswitch)与备用母线相连。正常运行时，电源、线路分别接于两个分段上，分段断路器(sectionswitch)合上，两台母联断路器均断开，相当于分段单母线运行。这种方式又称为工作母线分段的双母线接线，具有分段单母线和一般双母线的特点，而且有更高的可靠性和灵活性。2.母联断路器和分段断路器均合上，这种方式在一段母线故障时，分段断路器跳开，同时该段母线的出线停电，随后切换到备用母线上即可恢复。这样只是部分的短时停电。但是这种接线方式增加了母联断路器和分段断路器数量，使投资加大。厂用电接线从发电机升压变压器的低压侧引出。厂用分支通常与发电机出口hhhhhh回路一并采用分相封闭母线，因为故障率很小，可不装断路器和隔离开关，节省了投资。但是发生故障时或检修会使得操作十分困难甚至停运机组。如果在每个发电机侧与厂用电变压器高压侧之间加入断路器和隔离开关，与将母线作为厂用电源相比断路器数量反而增加，投资反而会加大。1.3.2方案二的特点在方案二中，如图1-2-2所示，220kV系统采用双母线带旁路接线方式，使得220kV系统在检修过程中能保证正常供电，可靠性较高。110kV系统采用双母线接线方式，调度灵活，供电可靠，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电。综上，该方案的优点是整个网络功率分配均衡，220kV、500kV及110kV系统在正常工作时各母线上的功率平衡，母线间的穿越功率(penetratingpower)少，减少了功率损耗，降低了风险。但是，在该方案的设计中，220kV系统只有一台600MW的发电机供电。当发电机退出网络时会造成大量的穿越功率很容易发生故障，可靠性较差。同时，该方案采用较为复杂的接线方式，需要的断路器、隔离开关等设备较多，成本较高。由于出现故障时各个网络间会产生大量的穿越功率，因此对各母线间的线路及其元件设备有很高的要求，变相增加了成本。1.3.3方案三的特点在方案三中，如图1-2-3所示，220kV系统采用双母线接线形式，其调度灵活、供电较为可靠。但母线故障或检修时，需短时切除该母线上电源与负荷；馈线(feederline)断路器或线路侧隔离开关故障时，会造成该回路供电中断。110kV系统采用单母线分段接线，一端有故障的时候可由另一端电源供电，同时又具有不影响另一端电源正常供电的特性，由于110kV系统在大型发电厂中的地位不高，不要求太高的可靠性，因而采用单母线分段接线方式使用断路器少，具有一定的经济性。1.3.4方案四的特点在方案四中，如图1-2-4所示，由于本案例对可靠性要求较高，因此电机采用单元接线方式，使发电机在短路故障时相互影响较小，具有较高可靠性。厂用电采用联络变压器，高、中压侧分别连接500kV、220kV侧，有平衡两系统功率能量的作用，低压侧连接厂用设备。110kV系统不直接安装发电机，靠变压器从500kV、220kV系统汲取较少能量，地位不高。110kV系统使用双母接线方式，短路时，对整个系统影响较小，只相当于500kV、220kV系统的一个负载。hhhhhh220kV系统采用双母分段带旁路的接线方式。分段母线可减小停电范围，当一段故障时，可将负荷切至备用母线而不用切断整个母线上的负荷。旁路的使用可避免检修负荷侧断路器时的停电，但其缺点是整个系统设计较为复杂，经济性相对较差。本案例对供电可靠性要求严格，故而使用旁路。综上分析，我们选择方案三和方案四进行经济性比较。hhhhhh第二章方案经济性的比较2.1经济计算方法经济计算(economiccalculation)是从国民经济整体利益出发，计算电气主接线各个比较方案的费用和效益，为选择经济上的最优方案提供依据。在经济比较中，一般有投资(investment,包括主要设备及配电装置的投资)和年最大运行费用(annualmaximumworkingcost)两大项。计算时，可只计算各方案不同部分的投资和年运行费用。2.1.1计算综合投资Z方案综合投资Z的计算采用如下方法 (万元) (2-1)式中，为主体设备的综合投资(即包括设备本体价格、其它设备(如控制设备、母线)费、主要材料费、安装费等各项费用的综合)，包括变压器、开关设备、配电装置等设备的综合投资；a为不明显的附加费用比例系数。综合投资指标可查表获得。2.1.2计算年运行费用u方案年运行费用 (万元) (2-2)式中，为小修、维护费，一般为，可查表获得；为折旧费，一般为，可查表获得；为电能电价()，取当地实际电价；为变压器年电能损失总值()。关于的计算，在已知最大负荷和最大负荷利用小时数时，若采用n台相同容量的双绕组变压器并联运行，则 () (2-3)或 () (2-4)hhhhhh式中，为一台变压器的空载有功损耗(kW)；为一台变压器的空载无功损耗(kVar)；为一台变压器空载电流百分值；为一台变压器的短路有功损耗(kW)；为一台变压器的短路无功损耗(kVar)；为变压器的短路电压(或称阻抗电压)百分值；为一台变压器的额定容量(kVA)；为n台变压器承担的最大总负荷(kVA)；S为n台变压器承担的总平均负荷(kVA)；为变压器全年实际运行小时数(h)，一般可取8000h；为最大负荷损耗时间(h)，可查表获得；K为无功经济当量(即每多发送(或补偿)1kVar无功功率，在电力系统中所引起的有功功率损耗增加(或减少)的值，一般发电厂取0.02)。2.1.3经济比较对技术上较好的方案，分别进行上述投资及年运行费用计算后，再通过经济比较，可选出经济上的最优方案。在诸方案中，Z与u均为最小的方案优先选用。若Z大的方案而u小，或反之，则应采用“动态比较法”进一步进行经济比较。动态比较法(dynamiccomparisonmethod)，即在经济分析中，对建设期的投资、运行期的年费用和效益都要考虑时间因素，并按复利计算，用以比较在同等可比条件下的不同方案的经济效益。经济计算一般可以采用年费用最小法，其计算公式为 (2-5)为最小，其中 (2-6) (2-7)式中，NF为年费用(平均分布在从到期间的n年内,万元)；Z为折算到第m年的总投资(即第m年的本利和,万元)；为第t年的投资(万元)；t为hhhhhh从工程开工当年()算起的年份；m为施工年数；为电力工业投资回收率，或称电力工业投资利润率，取0.1；n为工程的经济使用年限(火电厂为25年)；u为折算年运行费用(万元)；为第t年所需的年运行费；为从工程开工当年算起，工程部分投运的年份。依上述三式计算各方案的年费用，其中最小者即为经济上的最优方案。(黄纯华,1987)2.2备选方案的经济性比较2.2.1方案三的经济计算在方案三中，如图1-2-3所示，需要使用两台500/20kV主变压器，两台220/10.5kV主变压器，一台220/110kV自耦变压器以及一台500/220/35kV联络变压器。现根据变压器所需容量选择变压器型号及其参数如表2-1所示(关于变压器型号将在4.2.2节具体说明)。表2-1方案三变压器选型每台总投资(万元)30011035129注：1自上而下依次是UK1-2%、UK1-3%、UK2-3%I0%0.240.360.42-Uk%13.513.51338.311.824.81Pk(kW) 809653301544P0(kW)247.8175.859.2144型号SFP-720000/500SFPT-370000/200OSFPS8-120000ODFPS-250000/500hhhhhh变压器550/20kV主变压器220/10.5kV主变压器220/110kV自耦变压器500/220/35联络变压器方案三中的断路器需求量如表2-2所示。表2-2方案三的断路器需求量电压等级(kV)数量(个)单价(万元)5009370220730110518由表2-1和表2-2所示数据及式(2-1)可知，方案三的综合投资(万元)若无功经济当量K取0.1，功率因数，年最大负荷利用小时数，年运行时间，最大负荷损耗时间，由式(2-3)可得变压器年损耗电能()则由式(2-2)知该方案年运行费用hhhhhh(万元)采用“动态比较法”可得(万元)2.2.2方案四的经济计算如图1-2-4所示，方案四所设计的变压器方案与方案三完全相同，这里不再赘述。方案四中的断路器需求量如表2-3所示。表2-3方案四的断路器需求量电压等级(kV)数量(个)单价(万元)50093702201030110618由表2-1和表2-2所示数据及式(2-1)可知，方案三的综合投资(万元)则由式(2-2)知该方案年运行费用(万元)采用“动态比较法”可得(万元)2.2.3经济性分析结论综上，经过综合投资、年运行费用及年费用NF的计算比较，在备选方案中，方案三的经济性优于方案四。但是，方案四的可靠性要远高于方案三，并且方案hhhhhh四亦具有一定的经济性。因此综合考虑，我们仍然选择方案四为最终方案。hhhhhh第三章短路电流的计算3.1短路电流计算的规则短路电流计算(Short-CircuitCalculation)，是指电力系统发生短路时，对短路后的电流及其分布的计算，是发电厂电气设计中的一个重要环节。(全国科学技术名词审定委员会,2011)3.1.1短路电流计算的目的在发电厂的电气设计中，短路电流计算的目的主要有以下几个方面：(1)以短路计算为依据，选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备。(2)对电力网中发生的各种短路进行计算和分析，合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数。(3)设计和选择发电厂和电气主接线。通过必要的短路电流计算比较各种不同方案的接线图，确定是否需要采取限制短路电流的措施等。(4)进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等。此外，确定输电线对通信的干扰，进行故障时机故障后的安全分析，都必须进行短路计算。(李林川等,2009)3.1.2短路电流计算的一般规定1.计算的基本情况(1)电力系统中所有电源均在额定负荷(ratedload)下运行；(2)所有同步电机(synchronousmachine)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)所有电源电动势(ElectromotiveForce,EMF)的相位角(phaseangle)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(arcresistance)。对异步电动机(asynchronousmotor)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予以考虑。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(maximumoperatingplan))，而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。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(一般考虑本工程建成后5~10年)。hhhhhh4.短路种类一般按三相短路(threephaseshortcircuit)计算。若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统(neutral-pointsolidgroundsystem)以及自耦变压器(auto-transformer)等回路中的单相(或两相)接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重的情况进行校验。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(reactor)的6~10kV出线与厂用分支线回路，在选择母线至母线隔离开关之间的引线(pigtail)、套管(sleeving)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。(黄纯华,1987)3.1.3短路电流计算的步骤在工程设计中，短路电流的计算通常分为以下几个步骤：1.选择短路计算点。2.画等值网络(次暂态网络)图：(1)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。(2)选取基准容量和基准电压(一般取各级的平均电压)。(3)将各元件电抗换算为同一基准值的标幺电抗。(4)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：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形等值网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗。4.求计算电抗。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。6.计算无限大容量(或)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.绘制短路电流计算结果表。(黄纯华,1987)hhhhhh3.2本方案中短路电流的计算在本方案短路计算中，采取标幺值形式，选取，另取则有220kV母线侧等值电抗500kV母线侧等值电抗另外，取每台发电机的电压。220kV至500kV联络变压器的等值阻抗220kV至110kV自耦变压器的等值阻抗：hhhhhh3.2.1220kV母联断路器短路当短路点选择在220kV母联断路器(K1)处时，系统等效电抗如图3-2-1所示。图3-2-1220kV母联断路器短路时系统等效电抗图因为此时，且，则有，另有。每台发电机计算电抗查汽轮发电机计算曲线得，每台汽轮发电机时，在0s、0.2s、0.6s时刻向K1点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值分别为、、。系统2(220kV系统)每条出线的计算电抗查汽轮发电机计算曲线得，系统2每条出线时为大容量系统，在0s、hhhhhh0.2s、0.6s时刻向K1点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值不变，为、、。那么，流入K1点的短路电流为短路点在发电厂高压侧母线，根据规程规定，取冲击系数，于是可以得到冲击电流短路电流最大有效值短路容量3.2.2300MW发电机出口短路当短路点选择在300MW发电机出口(K2)处时，系统等效电抗如图3-2-2所示。图3-2-2300MW发电机出口短路时系统等效电抗图hhhhhh剩余一台300MW发电机对短路点的计算电抗查汽轮发电机计算曲线得，汽轮发电机时，在0s、0.2s、0.6s时刻向K2点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值分别为、、。系统2每条出线的计算电抗查汽轮发电机计算曲线得，系统2每条出线时为大容量系统，在0s、0.2s、0.6s时刻向K2点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值不变，为、、。那么，流入K2点的短路电流为短路点在发电厂高压侧母线，根据规程规定，取冲击系数，于是可以得到冲击电流短路电流最大有效值短路容量3.2.3220kV系统出线短路当短路点选择在220kV系统出线(K3)处时，系统等效电抗如图3-2-3所示。hhhhhh图3-2-3220kV系统出线短路时系统等效电抗图每台发电机对短路点的计算电抗查汽轮发电机计算曲线得，汽轮发电机时，在0s、0.2s、0.6s时刻向K3点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值分别为、、。系统2每条出线的计算电抗查汽轮发电机计算曲线得，系统2每条出线时为大容量系统，在0s、0.2s、0.6s时刻向K3点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值不变，为、、。那么，流入K3点的短路电流为hhhhhh短路点在发电厂高压侧母线，根据规程规定，取冲击系数，于是可以得到冲击电流短路电流最大有效值短路容量3.2.4600MW发电机出口短路当短路点选择在600MW发电机出口(K4)处时，系统等效电抗如图3-2-4所示。图3-2-4600MW发电机出口短路时系统等效电抗图每台600MW发电机对短路点的计算电抗查汽轮发电机计算曲线得，汽轮发电机时，在0s、0.2s、0.6s时刻向K4点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值分别为、、。系统1(500kV系统)每条出线的计算电抗hhhhhh查汽轮发电机计算曲线得，系统1每条出线时为大容量系统，在0s、0.2s、0.6s时刻向K4点提供的短路电流周期分量有效值的标幺值不变，为、、。那么，流入K4点的短路电流为短路点在发电厂高压侧母线，根据规程规定，取冲击系数，于是可以得到冲击电流短路电流最大有效值短路容量3.2.5110kV线路出线短路当短路点选择在110kV线路出线(K5)处时，系统等效电抗如图3-2-5所示。图3-2-5110kV线路出线短路时系统等效电抗图hhhhhh由于110kV母线是由220kV母线通过降压自耦变压器供电的，所以110kV线路出线处短路与220kV母联断路器短路相似，只是多了自耦变压器的阻抗值，计算过程略，计算结果见表3-1。表3-1本方案短路计算结果短路容量(MVA)84853.21858084454.7968110.9154.88三相短路电流(kA)333.0575.49313.49115.731.24557.2125.32554.963192.11.933133.0339.66131.77553.90.739158.1340.16156.87558.30.73921346.635212.09571.50.739短路点平均电压(kV)230230230525115短路点位置220kV母线300MW发电机220kV出线600MW发电机110kV出线短路点编号K1K2K3K4K5hhhhhh第四章主体设备的选择4.1主体设备选择的一般条件为保证电气设备工作的可靠性及安全性，选择电气设备时需要分别按正常工作条件选择、按短路条件校验其动稳定和热稳定。4.1.1按正常工作条件选择设备1.设备额定电压选择电气设备的额定电压(ratedvoltage)一般就是指其铭牌上所标出的线电压(line-to-linevoltage)，另外设备还规定有允许最高工作电压(maximumworkingvoltage,MWV)。要使设备能正常运行必须保证其允许最高工作电压不低于安装位置处系统可能出现的最高运行电压(maximumoperatingvoltage)，即。通常情况下，只要满足设备额定电压不低于安装位置处的系统额定电压，即，就可保证设备正常运行。2.设备额定电流选择电气设备的额定电流(ratedcurrent)是指在额定环境条件(环境温度、日照、海拔、安装条件等)下，电气设备的长期允许载流(currentcapacity)。经综合修正后的长期允许电流不得低于所在回路在各种可能运行方式下的最大持续工作电流，即 (4-1)式中，k为综合修正系数，与实际环境条件及设备布置情况等因素有关。4.1.2按短路状态校验1.短路热稳定校验短路电流通过电气设备时，设备各部件温度(或发热效应)应不超过允许值。满足热稳定(thermalstability)的条件为 (4-2)式中，为所在回路短路电流的热效应；、t分别为电气设备允许通过的热稳定电流(有效值)和时间，一般由制造厂直接给出。hhhhhh2.短路动稳定校验动稳定(dynamicstability)就是设备承受短路冲击电流所产生的机械效应的能力，满足动稳定的条件为 或 (4-3)式中，、分别为电气设备允许通过的动稳定电流幅值及其有效值(kA)；、分别为所在回路短路冲击电流幅值及其有效值(kA)。下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：(1)用熔断器(highvoltagefuse)保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，可不校验热稳定。(2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备，可不校验动稳定。(3)装设在电压互感器(potentialtransformer,PT)回路中的裸导体和电气设备可不校验热稳定和动稳定。(李林川等,2011)4.2本方案中主体设备的选定分工：各变压器-张天宇，电压互感器-戴文凯，电流互感器-邓永迪，母线-张天宇&甘青山，避雷器-崔彦博，限流电抗器&隔离开关-陈令英。4.2.1变压器的选定变压器的技术数据在我国，变压器的通用型号(type)表示为图4-2-1所示形式。图4-2-1变压器型号表示方式其中，各部分表示方式为：相数(S—三相，D—单相)，冷却方式(J—油浸自冷，E—油浸风冷，S—油浸水冷，N—氮气冷却，P—强迫油循环，FP—强迫油循环风冷，SP—强迫油循环水冷，G—干式)，绕组数(S—三绕组(双绕组不表示))，特性(Z—有载调压，Q—全绝缘，O—自耦，L—铝芯(铜芯不表示))。hhhhhh主变压器的选定1.主变压器的选定原则主变压器(GeneratorStep-Uptransformer,GSUtransformer)，是指用来向系统或用户输送功率的变压器。在确定主变压器容量时，应该考虑以下几个方面：(1)发电机全部投入运行时，在满足发电机电压供电的日最小负荷(dailyminimumload)，并扣除厂用负荷(station’sauxiliaries)后，主变压器应能将发电机电压母线的剩余有功和无功容量送入系统。(2)接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或故障时，主变压器应能从电力系统倒送功率，保证发电机电压母线上最大负荷的需要。(3)若发电机电压母线上接有两台或以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器在允许正常过负荷范围内，应能输送母线剩余功率的70%以上。(4)在电力市场环境下，主变压器应具有从系统倒送功率的能力，以满足发电机电压母线上最大负荷的要求。另外，变压器三相绕组的接线组别必须和系统的相位一致，否则不能并列运行。我国110kV及以上电压等级，变压器三相绕组都采用YN连接方式；35kV电压等级采用Y接方式，其中性点多通过消弧线圈接地；35kV以下电压等级，变压器三相绕组都采用D接方式。2.本方案中主变压器的选定本方案主变压器的选定情况如表4-1所示，其中550/20kV主变压器2台，242/10kV主变压器2台。表4-1本方案主变压器的选定型号额定电压(kV)空载损耗(kW)短路损耗(kW)空载电流(%)短路电压(%)联结组号高压侧低压侧SFP-720000/50020247.88090.2413.5YNd11SFPT-370000/20010175.86530.3613.5YNd联络变压器的选定1.联络变压器选定的原则联络变压器(systeminterconnectiontransformer)，是指在发电厂升压变电站中连接有交换功率的两种电压等级母线的变压器(全国科学技术名词审定委员会hhhhhh,2011)。在确定联络变压器容量时，应该考虑以下方面：(1)联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种不同运行方式下，网络间的有功功率和无功功率的交换。(2)联络变压器容量一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求，同时，也可在线路检修或故障时，通过联络变压器将剩余容量送入另一系统。2.本方案中主变压器的选定本方案所选联络变压器参数如表4-2所示。表4-2本方案联络变压器的选定型号额定电压(kV)空载损耗(kW)短路损耗(kW)短路电压(%)联结组号DFDS-250000/500550/242/35144540IYN,Ia0,Id自耦变压器的选定在本方案中，我们选择自耦变压器一台如表4-3所示。表4-3本方案自耦变压器的选定型号额定电压(kV)空载损耗(kW)短路损耗(kW)短路电压(%)空载电流(%)OSFPS8-120000220/11059.2301130.424.2.2高压断路器的选定高压断路器(highvoltagecircuitbreaker)不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电保护装置的作用，可以切断过负荷电流和短路电流。它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，一般分为油断路器(多油断路器、少油断路器)、SF6断路器、真空断路器和压缩空气断路器等。1.高压断路器的技术参数常见高压断路器型号表示一般具有如图4-2-2所示形式：hhhhhh图4-2-2高压断路器型号表示形式其中，各部分表示方式为：断路器种类(S—少油式，D—多油式，K—压缩空气式，Z—真空式，L—SF6式)，装设地点(N—户内式，W—户外式)，补充特性(C—手车式，G—改进型，W—防污型，Q—防震型)。2.本方案中高压断路器的选定在本方案中，110kV侧有4回出线，220kV侧有4回出线，500kV侧有2回出线，故接入110kV、220kV和500kV侧的应选择SF6断路器。(1)额定电压110kV侧(kV)220kV侧(kV)500kV侧(kV)(2)额定电流为简化选择的复杂性，本方案采用双绕组回路上最大的额定电流作为所选高压断路器的额定电流值。1)300MW发电机双绕组回路110kV侧(kA)220kV侧(kA)hhhhhh500kV侧(kA)2)600MW发电机双绕组回路220kV侧(kA)500kV侧(kA)综上，本方案以600MW发电机双绕组回路的额定电流作为断路器的额定电流。(3)开断电流高压断路器的额定开断电流不应小于实际开端瞬间的短路电流周期分量。为了简化计算，可应用暂态电流进行选择，即需满足。110kV侧(kA)220kV侧(kA)500kV侧(kA)(4)短路关合电流为了保证高压断路器在关合短路时的安全，规定其额定关合电流不应小于短路电流最大冲击值，即需满足。110kV侧(kA)220kV侧(kA)hhhhhh500kV侧(kA)(5)热稳定校验取短路切除时间s。由110kV侧kA，kA，kA，可得周期分量热效应((kA)2·s)因，故可不计入非周期分量(下同)，则有((kA)2·s)由220kV侧kA，kA，kA，可得周期分量热效应((kA)2·s)由500kV侧kA，kA，kA，可得周期分量热效应((kA)2·s)(6)动稳定校验根据规程，动稳定应满足。110kV侧(kA)220kV侧(kA)500kV侧(kA)综上所述，根据计算值及高压断路器选择原则，110kV侧高压断路器选择LW11-110型，220kV侧高压断路器选择LW2-220型，500kV侧高压断路器选择FA4-500型，具体参数及计算值对比如表4-4、表4-5、表4-6所示。hhhhhh表4-4110kV高压断路器选择情况及计算值对比高压断路器型号LW11-110断路器参数计算值110kV110kV1.6~3.15kA1.945kA31.5/40kA1.24kA80/100kA7.56kA4800(kA)2·s21.09(kA)2·s80/100kA7.56kA表4-5220kV高压断路器选择情况及计算值对比高压断路器型号LW2-220断路器参数计算值220kV220kV2.5kA1.944kA31.5kA25.49kA80kA56.34kA2976.75(kA)2·s2836.14(kA)2·s80kA56.34kAhhhhhh表4-6500kV高压断路器选择情况及计算值对比高压断路器型号FA4-500断路器参数计算值550kV500kV3.15kA0.856kA50kA40.11kA125kA60.34kA7500(kA)2·s4753.46(kA)2·s125kA60.34kA4.2.3隔离开关的选定隔离开关在电路中起隔离作用，它没有灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。1.隔离开关的技术参数一般，隔离开关的型号表示具有图4-2-3所示形式：图4-2-3隔离开关型号表示形式其中，隔离开关标志统一用G表示，其余各部分表示方式为：使用环境(N—户内型，W—户外型)，其它标志(T—统一设计，G—改进型，D—带接地开关，K—快分闸型，E—带支持导电杆，W—防污型，TH—湿热带型，TA—干热带型，Z—适合强震地区)。hhhhhh2.隔离开关的选定原则隔离开关的额定电压应满足，额定电流应满足，其中k为温度修正系数。(1)热稳定校验或其中，为短路电流产生的热效应，为短路时导体和电气设备允许的热效应，为s内允许通过的短时热电流(或短时耐受电流)。(2)动稳定校验或其中，、为允许通过稳定电流的幅值和有效值。3.本方案中隔离开关的选定本方案各电压等级隔离开关的选定情况如表4-7所示。hhhhhh表4-7本方案各电压等级隔离开关的选择热稳定电流峰值,kA)50(4s)50(4s)31.5(3s)40(3s)31.5(3s)50(4s)动稳定电流(峰值,kA)1251258012580125额定电流(kA)160025001000250012503150额定电压(kV)220220220220220500型号GW11-220(D)GW17-220(D)GW7-220(D)GW6-220(D)GW7-220(D)GW7-500(D)隔离开关位置主变高压侧母联侧分段侧旁路侧负荷侧主变压器侧负荷侧电压等级220kV500kV隔离开关的校验方法同母线的校验方法类似(详见后文，此处不再赘述)，如表4-7所示，对隔离开关进行查表选择，其中参数都提供了动稳定电流。显然，，，所选隔离开关均符合动稳定及热稳定要求，故本方案所选设备符合设计要求。hhhhhh4.2.4母线的选定1.220kV系统母线对于220kV系统的母线，发电机组额定功率为300MW，额定电压为10.5kV，功率因数为0.9，最大负荷利用小时数为5500小时，当三相水平布置导体平放时，相间距为1.4m，环境温度为40℃，母线上短路计算时间为0.6s。由于母线电流过大，需加装母线电抗器，母线短路电流为13.0584kA，为11.7637kA，为9.6548kA。(1)按经济电流密度选择母线截面母线最大持续电流为(A)采用铝母线，查表得时，A/mm2，有(mm2)查表选用矩形铝导体，平放时A，。当℃时允许电流满足长期允许发热条件。(2)热稳定校验短路电流周期分量热效应((kA)2·s)((kA)2·s)母线正常运行最高温度℃查表得出热稳定系数，得hhhhhh满足热稳定。(3)共振校验不发生共振的最大绝缘子跨距(kg/m)(m4)取，Hz，则有(m)选取m，则。(4)动稳定校验短路冲击电流为33.2413kA，则相间应力(N/m)(m3)(Pa)由，，查表可得，则同相条间应力(N/m)(m)，即每跨内满足动稳定所必须的最少衬垫数为1个，实际衬垫跨距hhhhhh临界跨距(m)故。综上，满足动稳定。300MW发电机和主变压器之间的连接母线及厂用分支母线采用全连离相封闭母线。主回路封闭母线为φ500mm×12mm(外径×壁厚)的圆管型铝母线，屏蔽外壳为φ1050mm×8mm的铝管，相间距离为1400mm。2.500kV系统母线对于500kV系统的母线，发电机组额定功率为600MW，额定电压为20kV，功率因数为0.9，最大负荷利用小时数为5500小时，当三相水平布置导体平放时，相间距为1.8m，环境温度为40℃，母线上短路计算时间为0.6s。接母线电抗器后，母线短路电流为5.6021kA，为4.4863kA，为4.0395kA。(1)按经济电流密度选择母线截面母线最大持续电流(A)采用铝母线，查表得h时，A/mm2，有(mm2)查表选用900mm×15mm矩形铝导体，平放时A，。当℃时允许电流为满足长期允许发热条件。(2)热稳定校验短路电流周期分量热效应hhhhhh((kA)2·s)((kA)2·s)母线正常运行最高温度为℃查表得出热稳定系数，得满足热稳定。(3)共振校验不发生共振的最大绝缘子跨距(kg/m)(m4)取，Hz，则有(m)选取m，则。(4)动稳定校验短路冲击电流为14.2607kA，相间应力(N/m)(m3)(Pa)由，，查表可得。同相间应力(N/m)hhhhhh(m)，即每跨内满足动稳定所必须的最少衬垫数为1个，实际衬垫跨距(m)临界跨距(m)故。综上，满足动稳定。600MW发电机与主变压器之间的连接母线及厂用分支均采用全连离相封闭母线，主回路封闭母线为φ900mm×15mm的圆管形铝导体，屏蔽外壳为φ1450mm×10mm的铝管，相间距离为1800mm。4.2.5电压互感器的选定1.电压互感器的选定原则电压互感器和变压器很相像，都是用来变换线路上的电压。但是电压互感器变换电压主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，从而测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器。电压互感器的配置应满足测量、保护、同期和自动装置的要求，保证在运行方式改变时，保护装置不失压，同期点两侧都能方便的取压。通常按照如下原则配置电压互感器：(1)母线：6~220kV电压等级的每组母线的三相上应装设电压互感器，旁母线侧视各回路出线外侧装设电压互感器的需要而定；(2)线路：当需要检测线路断路器外侧有无电压，供同期和自动重合闸使用，该侧装一台单相电压互感器；(3)发电机：一般在出口处装两组，一组(△/Y)用于自动重合闸，一组供测量仪表、同期和继电保护使用。不同的电压互感器具有不同的使用范围，简要介绍如下：(1)6~220kV配电装置一般采用油浸绝缘结构，在高压开关柜或在布置地位狭窄的地方，可采用树脂浇柱式绝缘结构；(2)35~110kV配电装置一般采用油浸绝缘结构电磁式电压互感器；(3)220kV及以上配电装置，当容量满足要求时，一般采用电容式电压互感器；hhhhhh(4)接在110kV及以上线路侧的电压互感器，当线路上装有载波通讯时，应尽量与耦合电容器结合，统一选用电容式电压互感器。2.本方案中电压互感器的选定(1)220kV母线侧拟选型号为JCC5-220系列电压互感器，具体参数如表4-8所示。表4-8JCC5-220系列电压互感器技术数据额定工作电压(kV)二次负荷(VA)连接组标号初级绕组次级绕组剩余电压绕组1级3级0.1500500I,I0,I0(2)110KV母线侧拟选型号为JCC-110系列电压互感器，具体参数如表4-9所示。表4-9JCC-110系列电压互感器技术数据额定工作电压(kV)二次负荷(VA)连接组标号初级绕组次级绕组剩余电压绕组1级3级0.15001000I,I0,I0(3)发电机侧拟选型号为JCC-20系列电压互感器，具体参数如表4-10所示。表4-10JCC-110系列电压互感器技术数据额定工作电压(kV)连接组标号初级绕组次级绕组剩余电压绕组0.1I,I0,I0电压互感器的动稳定、热稳定校验与断路器、母线相类似，经校验，本方案所选电压互感器均满足动稳定、热稳定要求，在此不再赘述。4.2.6电流互感器的选定hhhhhh1.电流互感器的特点电流互感器可以将高压和低压大电流变成电压较低的小电流，供给仪表和继电保护装置，并将仪表和保护装置与高压电器隔开(电流互感器的二次侧额定电流一般为5A)，这使得测量仪表和继电保护装置使用安全、方便，也使其在制造上可以标准化，简化了制造工艺并降低了成本。因此，电流互感器在电力系统中得到了广泛的应用，也是电力系统中的重要设备。电流互感器具有如下特点：(1)一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流无关；(2)电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器出线一般设三组，主要负责保护、测量、计量。若只有两组，那么测量和计量可以串联。若只用一组互感器，线路不配差动保护。高压后备电路一般也设三组，分别负责普通过流保护、差动保护、测量。低压后备电路同样也设三组，亦分别负责普通过流保护、差动保护、测量。若有计量要求，可以与测量公用一组互感器。2.本方案中电流互感器的选定(1)500kV侧最大工作持续电流kA，kV，要求。本方案拟选LB3-500W2型电流互感器，具体参数如表4-11所示。表4-11LB3-500W2型电流互感器参数额定电压(kV)准确级额定电流比(A)5s热稳定电流(kA)额定动稳定电流(峰值,kA)50025263160(2)220kV侧最大工作持续电流A，kV，要求。本方案拟选LCWB-220型电流互感器，具体参数如表4-12所示。表4-12LCWB-220型电流互感器参数额定电压(kV)准确级额定电流比(A)5s热稳定电流(kA)额定动稳定电流(峰值,kA)hhhhhh22025242110(3)110kV侧最大工作持续电流A，kV，要求。本方案拟选LCWB-110型电流互感器，具体参数如表4-13所示。表4-13LCWB-110型电流互感器参数额定电压(kV)准确级额定电流比(A)5s热稳定电流(kA)额定动稳定电流(峰值,kA)11025242110(4)发电机侧发电机回路最大工作持续电流kA。本方案拟选LMZB3-20型电流互感器，具体参数如表4-14所示。表4-14LMZB3-20型电流互感器参数额定电压(kV)准确级额定电流比(A)20B电流互感器的动稳定、热稳定校验亦与断路器、母线相类似，经校验，本方案所选电流互感器均满足动稳定、热稳定要求，在此亦不再赘述。4.2.7电抗器的选定1.电抗器的选定原则电抗器的选定从以下几个方面考虑：(1)电压：；(2)电流：；(3)动稳定：；(4)热稳定。我们按照“将电抗器所在回路的短路电流限制到不大于所选用的断路器的额定开关电流、母线最大允许电流”的原则来选择限流电抗器。电抗百分数由下式计算：hhhhhh (4-1)(熊信银等,2009)2.本方案中电抗器的选定(1)220kV母线对于220kV母线，如果短路发生在K1处，如图4-2-4所示。图4-2-4K1点短路等效电抗图图4-2-5K2点短路等效电抗图在母线上串联的电抗器，kA(由母线决定)，代入式(4-1)可得。如果短路发生在K2处，如图4-2-5所示。在发电机出口处串联的电抗器，kA，kA(由发电机决定)，代入式(4-1)可得。(2)500kV母线对于500kV母线，母线和发电机出口相连，则有，kA，kA(由发电机决定)，代入式(4-1)可得。进行动稳定及热稳定校验，显然符合要求。根据规范，当额定电抗为5%及以上时，电抗器采用油浸式单线圈、水泥柱式结构。4.2.8避雷器的选定避雷器(surgearrester)的作用是限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压。它实质是一种放电器，与被保护设备并联连接。(李林川等,hhhhhh2011)1.避雷器的配置原则避雷器的配置应遵循以下原则：(1)配电装置的每组母线上，应装设避雷器，但进出线都装设避雷器时除外；(2)旁路母线上是否需要装设避雷器，应视在旁路母线投入运行时，避雷器到保护设备的电气距离是否满足要求而定；(3)220kV以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值，应在变压器附设一组避雷器；(4)三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器；(5)自耦变压器必须在其两个自耦合的绕组出线上装设避雷器，并应接压器与断路器之间；(6)下列情况的变压器中性点应装设避雷器：①直接接地系统中，变压器中性点为分级绝缘且装有隔离开关时；②直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时；③不接地和经消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点上。(7)连接在变压器低压侧