【第一组】发电厂电气部分课程设计

发电厂电气部分课程设计

学院：电气与信息工程学院

专业班级：电气工程及其自动化班xxx班

组号：第x组

指导老师：xxx

时间：2015.7

摘要

本设计是电厂主接线设计。该火电厂总装机容量为2×50+2×150+300=1300MW。厂用电率6%,机组年利用小时

T=6500h。根据所给出的原始资料拟定两种电气主m ax

接线方案，然后对比这两种方案进行可靠性、经济型和灵活性比较厚，保留一种较合理的方案，最后通过定量的技术经济比较确定最终的电气主接线方案。在对系统各种可能发生的短路故障分析计算的基础上，进行了电气设备和道题的选择校验设计。在对发电厂一次系统分析的基础上，对发电厂的配电装置布置做了初步简单的设计。此次设计的过程是一次将理论与实际相结合的初步过程，起到学以致用，巩固和加深对本专业的理解，建立了工程设计的基本观念，提升了自身设计能力。

关键字：电气主接线；火电厂；设备选型；配电装置布置。

目录

1设计任务书 (3)

1.1设计的原始资料 (3)

1.2设计的任务与要求 (3)

2电气主接线 (5)

2.1系统与负荷资料分析 (5)

2.2主接线方案的选择 (5)

2.2.1方案拟定的依据 (5)

2.2.2主接线方案的拟定 (7)

2.3 主变压器的选择与计算 (8)

2.3.1变压器容量、台数和型式的确定原则 (8)

2.3.2变压器的选择与计算 (9)

3短路计算 (10)

3.1短路计算的一般规则 (10)

3.2短路电流的计算 (10)

3.2.1各元件电抗的计算 (10)

3.2.2 等值网络的化简 (11)

4电气设备的选择 (16)

4.1电气设备选择的一般原则 (16)

4.2电气设备的选择条件 (16)

4.2.1按正常工作条件选择电气设备 (16)

4.2.2按短路情况校验 (17)

4.2.3 断路器和隔离开关的选择 (19)

4.2.4 电流互感器的选择 (20)

5结束语 (21)

6参考文献 (22)

1 火力发电厂电气部分设计任务书

1.1设计的原始资料

火力发电厂：

装机5台，分别为供热式机组2*50MVA(U

N

=10.5kv),凝汽式机组2*15MVA,

(U

N =10.5kv)，1*300MVA(U

N

=10.5kv),厂用电率6%，机组年利用小时

max

T=6500

小时。

电力负荷和电力系统连接情况如下：

1、10.5KV电压级最大负荷20MW,最小负荷15MW,cos?=0.8,电缆馈线6回；

2、110KV电压级最大负荷250MW,最小负荷200MW,cos?=0.85,

max

T=4500h,架空线6回，系统归算到本电厂110KV母线上的电抗标幺值X s=0.024（基准容量为100MVA）；

3、220KV电压级与容量为3500MW的电网连接，架空线6回，系统归算到本电厂220KV母线上的电抗标幺值X s=0.02（基准容量为100MVA）；

4、发电机组的电抗，均为折算到所连接母线上的电抗标幺值X s=0.02（基准容量为100MVA）。

电气主接线形式（老师规定）：

220KV采用双母带旁路母线接线，110KV采用双母带旁路母线接线。

1.2设计的任务与要求

(1) 电气主接线选择

注：火力发电厂的发电机-变压器接线方式通常采用单元接线的方式，注意主变容量应与发电机容量相配套。我们的两电压等级母线选用的接线方式为：220KV 采用双母带旁路母线接线，110KV采用双母带旁路母线接线。

(2) 短路电流的计算

在满足工程要求的前提下，为了简化计算，对短路电流进行近似计算法。

结合电气设备选择选择短路电流计算点求出各电源提供的起始次暂态电流

''I，冲击电流

I，及计算短路电流热效应所需不同时刻的电流。

sh

(3) 主要电气设备的选择

要求选择：220KV侧出线断路器、隔离开关、电流互感器。

2 电气主接线

2.1 系统与负荷资料分析

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。

发电厂运行方式及年利用小时数直接影响着主接线设计。从年利用小时数看，该电厂年利用小时数为6500h/a，远大于我国电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数5000h/年；又为火电厂，所以该发电厂为带基荷的发电厂，在电力系统占比较重要的地位，因此，该厂主接线要求有较高的可靠性；从负荷特点及电压等级可知，该电厂具有10.5kv、110KV和220KV三级电压负荷。110KV 电压等级有6回架空线路，最大年利用小时数为6500h/a，说明对其可靠性有一定要求；220KV电压等级有6回架空线路，最大年利用小时数为6500h/a，其可靠性要求较高。

2.2 主接线方案的选择

2.2.1方案拟定的依据

电气主接线又称为电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。

对电气主接线的基本要求，概括的说应该包括可靠性、灵活性和经济性三方面。

(1) 电气主接线设计的基本要求

a.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

最基本的要求。

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和变电站来说是可靠的，而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。所以，在分析电气主接线可靠性时，要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类型、设备制造水平及运行经验等诸多因素。

○1发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用。

○2负荷的性质和类型。

○3设备的制造水平。

○4长期运行实践经验。

b.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换。

灵活性包括以下几个方面。

○1操作的方便性。

○2调度的方便性。

○3扩建的方便性。

c.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。经济性主要从一下几方面考虑。

○1节约一次投资。

○2占地面积少。

○3电能消耗少。

(2) 电气主接线的设计程序

电气主接线设计在各阶段中随着要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计原则、方法和步骤基本相同。其设计步骤及内容如下。

a. 对原始资料分析

○1工程情况，包括发电机类型（凝气式火电厂、热电厂、或者堤坝式、引水式、混合式水电厂等），设计规定容量（近期、远景），单机容量及台数，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。

○2电力系统情况，包括电气系统近期及远景发展规划（5~10年），发电厂或变电站在电力系统的地位及作用等

○3负荷情况，包括负荷的性质和地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。

○4环境条件，包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质海拔高度及地震等因素

c.主接线方案的拟定与选择

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源的出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等的不同考虑，可以确定主接线方案。

2.2.2主接线方案的拟定

表2-1主接线方案

电气主接线如下图：

图2-1 电气主接线图

2.3 主变压器的选择与计算

2.3.1变压器容量的确定原则

(1) 单元接线的主变压器容量的确定原则

单元接线时主变压器应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。

(2) 变压器台数的确定原则

发电厂或变电所主变压器的台数与电压等级、接线形式、传输容量以及和系统的联系有密切关系。通常与系统具有强联系的大、中型发电厂和重要变电所，在一种电压等级下，主变压器应不少于2台；而对弱联系的中、小型发电厂和低压侧电压为6-10KV的变电所或与系统只是备用性质时，可只装一台主变压器；对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设3台主变压器。

(3) 主变压器型式的确定原则

选择主变压器型式时，应从相数、绕组数、绕组接线组别、冷却方式、调压方式等方面考虑，通常只考虑相数和绕组数以及绕组接线组别。在330KV 及以下电力系统，一般都应选用三相变压器。对于大型三相变压器，当受到制造条件和运输条件的限制时，则宜选用两台小容量的三相变压器来取代一台大容量三相变压器，或者选用单相变压器。一般当最大机组容量为125MW 及以下的发电厂多采用三绕组变压器，对于最大机组容量为200MW 及以上的发电厂，通常采用双绕组变压器加联络变压器，当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，这样可以大大限制短路电流。

2.3.2变压器的选择与计算

按照变压器容量、台数和型式的确定原则，该发电厂主接线采用3台三相双绕组主变压器和一台联络变压器。3台主变压器分别和3台发电机组组成单元接线，联络变压器选用三相三绕组降压自耦变压器。

表2-2 主变压器的参数

表2-3 联络变压器的参数

220kV 级三绕组电力变压器技术数据表

型号

额定容量（kVA) 额定容量（kV) 损耗（kW) 短路电压（%） 空载电压（%）

高

压 中压 低压 空载 短路 高-中 高-低 中-低 高-中 高-低 中-低 SSPSL-180000/220 180000 236 121 13.8 254 1057 1173 712 14.2 24.1

8.1

2.16

110Kv 级三项双绕组铝线电力变压器技术数据表

电力变压器型号

额定容量（kVA) 额定电压（Kv ） 损耗（kW) 短路电压（%）

空载电流（%） 连接组标

号 高压 低压 短路 空载 SSPL150000/110 150000 121±2×2.5% 13.8 646.25 204.5 12.68 1.73 YN,d11

220kV 级三相双绕组电力变压器技术数据表 电力变压器型号

额定容量（kVa) 额定电压（Kv ） 损耗（kW) 短路电压（%） 空载电压（%） 联结组标

号 高压 低压 短路 空载 SSP-360000/220 360000 236±2×2.5%

18

1950

155

15

1

YN,d11

3 短路电流的计算

短路计算在设计发电厂主接线的过程中有着重要作用，它为电气设备的选型、动稳定校正和热稳定校正提供依据。当短路发生时，对发电厂供电的可靠性可能会产生很大影响，严重时，可能导致电力系统失去稳定，甚至造成系统解列。因此，对短路事故的计算是非常有必要的，而且是必须进行一项工作。

3.1短路计算的一般规则

(1) 验算导体和电气设备动稳定、热稳定以及电气设备开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划内容计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本工程建成后5至10年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

(2) 选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具体反馈作用对异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

(3) 选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大的点。对带电抗器的6KV 至10KV 出线与厂用分支回路，除其母线与母线隔离开关之间隔离板前的引线和套管的计算短路点选择在电抗器前外，其余导体和电器的计算短路点选择在电抗器后。

(4) 导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。

3.2 短路电流的计算

3.2.1各元件电抗的计算

选基准容量：Sd=100MVA ，Uav=Ud

发电机:50MVA

04.050100

02.043=?

===S

S

X X X N

d S

G G

150MVA 0133.0150

100

02.021=?

==

=

S

S

X X X N

d S

G G

300MVA 0067.0300

100

02.05=?

==S

S X X N

d S

G 等值电源：Sd=100MVA

0286.03500

100

11

==

=

=

=

*

S

S

S

S

S

X d

d

S 变压器: T1，T2：*1T X =*2T X =

100(%)Uk ?)(N S S T d =100

68.12?150100=0.08453 T3：()1.15%1=U K ()9.0%2-=U K ()9%3=U K

()S S U X N d K K ?

=100%11=180100

1001.15?=0.0839 ()S

S U X N

d K K ?=100%2

2

=

180

100

1009.0?

-=-0.005 ()S S U X N d K K ?

=100%33=180

100

1009?=0.05

T4：*4T X =100(%)Uk ?)(N S S T d =360

100

10015?=0.0417

3.2.2 等值网络的化简

图2-2 等值网络图

图2-3 等值网络化简图1

图2-4 等值网络化简图2

图2-5 等值网络化简图3

477.420484

.01

07.011328.01=++=

I K

表3-1 短路电流计算结果

G1.2

标幺值

有名值

0s 2.78 4.17 2S 2.13 3.19 4s

2.21

3.315 G3.4 标幺值 有名值 15.436 7.718 2.918 1.459 2.760

1.38

G5 标幺值 有名值 7.718 23.154 2.808 8.424 2.526 7.578

短路电流 42.477 13.078 12.273

4 电气设备的选择

电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。正确的选择电气设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电气设备选择时，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，并注意节省投资，选择合适的电器。

4.1 电气设备选择的一般原则

(1) 所选设备应能满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；在满足可靠性要求的前提下，应尽可能的选用技术先进和经济合理的设备，使其具有先进性；

(2) 应按当地环境条件对设备进行校准；

(3) 所选设备应予整个工程的建设标准协调一致；

(4) 同类设备应尽量减少品种；

(5) 选用新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经过上级批准。

4.2 电气设备的选择条件

正确的选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，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，并注意节省投资，选择合适的电器。电器要能可靠的工作，必须按正常条件下进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

4.2.1按正常工作条件选择电气设备

(1) 额定电压和最高工作电压

电气设备所在电网的运行电压调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.1-1.15倍，而

电网运行电压的波动范围，一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，所选用的电气设备允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压，即N U ≥SN U 。

(2) 额定电流

电气设备的额定电流IN 是指额定周围环境温度下，电气设备的长期允许电流。N I 应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax ，即N I ≥Imax 。

由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Imax 为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍；若变压器有过负荷运行可能时，Imax 应按过负荷确定（1.3-2倍变压器额定电流）；母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax ；母线分段电抗器的Imax 应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50%～80%；出线回路的Imax 除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。

4.2.2按短路情况校验

a. 短路热稳定校验

短路电流通过电气设备时,电气设备各部分的温度应不超过允许值.满足热稳定的条件为

t I t 2

≥Qk

式中：Qk 为短路电流产生的热效应，It 、t 分别为电器允许通过的热稳定电流和时间。

b.电动力稳定校验

电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条件为

ies ≥ish 或Ies ≥Ish

式中ish 、Ish 分别为短路冲击电流幅值和有效值；ies 、Ies 分别为电气设

备允许的动稳定电流的幅值和有效值。

同时，应按电气设备在特定的工程安装使用条件，对电气设备的机械负荷能力进行校验，即电气设备的端子允许荷载应大于设备引线在短路时的最大电动力。

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定。

（1） 用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热

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） 装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不验算动、热稳定。 c.短路计算时间

（1）热稳定短路计算时间k t 。该时间用于校验电气设备在短路状态下的热稳定，其值为继电保护动作时间pr t 和相应断路器的全开断时间br t 之和，即

k t =pr t +br t

断路器全开断时间br t 是指给断路器的分闸脉冲传送到断路器操动机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后电弧完全熄灭为止的时间段。显然，br t 包括两个部分，即

br t =a in t t +

（2）短路开断计算时间'

k t 。断路器不仅在电路中作为操作开关，而且在短路时要作为保护电器，能迅速可靠地切断短路电流。为此，断路器应能在动静触头刚分离时刻，可靠开断短路电流，该短路开断计算时间'

k t 和断路器固有分闸时间

in t 之和，即

'

k t =in pr t t +1

对于无延时保护，1pr t 为保护启动和执行机构时间之和，传统的电磁式保护

装置一般为0.05~0.06s ，微机保护装置一般为0.016~0.03s 。

4.2.3 断路器和隔离开关的选择

选MVA P N 20=

发电机最大持续工作电流：

A u P I

n

N

4.105115

32005.1305.1103

max

=???==

根据110KV 出线回路的u NS 、I max 及断路器安装在屋内的要求，查附表5，可选SW4-110 /1000型少油断路器，固有分闸时间t in 为0.06s 短路热稳定计算时间t k 为2s

由于t k >1s ，不计非周期热效应，短路电流的热效应Q k

等于周期分量热效应Q p

()??

???

?

?=?+?+=++=

S KA t

I I I

Q

K

k

2

2

22

2

22

26.63212

1012

2

110''264

.5264.5264

.5短路开端时间s t t t in pk k 1.006.01.01'

>+=+=，故用I '

‘校验I Nbr 。 冲击电流：()KA i sh 31.14624.528.1=?=

断路器的选择：

1．从表1-2中可知，I I U U N SN N KV max ,220>== 符合高压断路器额定电压和电流的选择。 2．开断电流选择：从表1-2中可知 I I Nbr ‘

‘≥ 3.短路关合电流的选择：从表1-2中可知 i i sh NCL > 4.短路热稳定和动稳定校验： 从表1-2中知，()

()S S t t KA Q KA I K

?=>?=?=?2

2

2

2

754

.122110000

450

i i

sh ES

>

隔离开关与断路器相比，在额定电压、电流的选择及短路动、热稳定校验的项目相同。但由于隔离开关不用来接通和切除短路电流，故无需进行开断电流和短路关合电流的校验。

4.2.4 电流互感器的选择

sh i =114.14KA K Q =1221.754S KA ?2)( max I =1336.43A

根据电流互感器安装处的电网电压，max I ，查附表8电流互感器的技术参数，选LCW-220型电流互感器。

校验互感器的热稳定和动稳定：

从附表8中得知，热稳定系数t K =60，动稳定系数es K =60

S KA Q S KA I K K N t ?=>?=?=22221)(754.1221)(3600)160()(

5 结束语

发电厂课程设计是理论知识的具体运用，是一种综合能力的强化，通过设计，我了解了发电厂的基本整体设计思路，由于部分条件的理想化，难免与实际发电厂线路设计以及电气设备的选择有出入。通过这次设计，将前面所学的知识运用到了设计之中，更好了融会贯通了各学科之间的联系，所学的理论和实践结合起来更好的达到了学以致用的效果，原来模糊的概念在这次设计中得以清晰化、条理化，特别是短路计算，得到了明显的加强。在这次设计中，通过查阅各种资料，也对发电厂电气部分的知识有了更进一步的拓展了解。此次设计不仅加强了专业课的知识运用，同时也对以后工作中可能遇到的问题有了提醒，各部分都是相互联系的，稍有错误将导致后续部分分析全部错误，这也提醒了我们学习需要很好的严谨性。

在此次课程设计中，主要的任务是电气主接线的选择，主变压器和联络变压器的选择，短路电流的计算，断路器、隔离开关和电流互感器的选择，通过这些步骤的设计，使我能熟练运用以前的所学知识，提高的自己的理论与实践结合的能力。

在这两星期的设计过程中，得到了李老师和同学们的很大的帮助，使我顺利的完成了这次课程设计。在此表示由衷地感谢！