发电厂电气部分设计

摘要：本设计是对4×600MW总装机容量为2400MW的凝汽式火力发电厂进行电气一次部分及其厂用电高压部分的设计，它主要包括了五大部分，分别为：电气主接线的选择、厂用电设计、短路电流的计算、主要电气设备的选择、完成主接线图与设计说明书。其中详细描述了短路电流的计算和电气设备的选择，从不同的短路情况进行分析和计算，对不同的短路参数来进行不同种类设备的选择，列出各设备选择结果表。并对设计进行了理论分析。最后的设计总图包括主接线，主要电气设备。

关键词：电气一次部分；电气主接线；短路计算；设备选择

Abstract:This design is for 4 × 600MW total installed capacity of the electrical powe r plant and a part of the high-pressu-re part of the design of 2400MW of condensing st eam power plant.Itincludes five parts, namely: the calculation of the main electrical co nnection options, power design, short-circuit current, the main electrical equipment se lection, complete the main wiring diagrams and design specification. Which describes in detail the selection of the short circuit current computing and electrical equipment for analysis and calculations from different short circuit, short circuit to different para meters to choose different types of devices, each device listed in the selection result ta ble.Theoretical analysis anddesign.The final master plan includes a main wiring,main electrical equipment.

Keywords: Electrical primary part；Electrical main wiring；Short circuit calculations；Equipment selection

目录

1 电气主接线 (1)

1.1 系统与负荷资料分析 (1)

1.2 主接线方案的选择 (3)

1.3 各接线方式的比较 (7)

1.3.1 双母线接线方式的特点： (7)

1.3.2 双母带旁路接线方式的特点： (8)

1.3.3 一台半断路器接线方式的特点： (8)

1.4 主变压器的选择与计算 (10)

1.4.1 单元接线的主变压器容量的确定原则 (10)

1.4.2 主变压器型式的确定原则 (10)

1.4.3 主变压器型式的选择 (11)

1.4.4 联络变压器的选择 (12)

1.5 厂用电的接线方式和选择 (13)

1.5.1 厂用电设计要求： (13)

1.5.2 厂用电的电压等级： (13)

1.5.3 厂用变压器的选择 (14)

1.5.4 厂用电系统中性点接地方式 (15)

1.5.5 厂用电接线形式 (15)

2 短路电流的计算 (17)

2.1 短路计算的一般规则 (17)

2.2 短路计算的一般规定和条件 (17)

2.3 短路计算过程 (18)

3 电气设备的选择 (28)

3.1 电气设备选择的一般规则 (28)

3.2 电气选择的条件 (28)

3.2.1 断路器的种类和形式的选择 (30)

3.2.2 隔离开关的种类和形式的选择 (32)

3.2.2 互感器的种类和形式的选择 (32)

3.2.3 避雷器的种类和形式的选择 (34)

3.3 500kV设备选择 (34)

3.3.1 500kV断路器的选择 (34)

3.3.2 500kV隔离开关的选择 (36)

3.3.3 500kV电流互感器的选择 (37)

3.3.4 500kV电压互感器的选择 (37)

3.3.5 500kV避雷器的选择 (37)

3.4 220kV设备选择 (38)

3.4.1 220kV断路器的选择 (38)

3.4.2 220kV隔离开关的选择 (39)

3.4.3 220kV电流互感器的选择 (40)

3.4.4 220kV电压互感器的选择 (41)

3.4.5 220kV避雷器的选择 (41)

3.5 电气设备选择的结果表 (42)

4 母线选择及校验 (44)

4.1 母线材料及形状的选择 (44)

4.2 500KV侧母线选择及校验 (45)

4.3 220KV侧母线选择及校验 (46)

5 配电装置 (48)

5.1 配电装置选择的一般原则 (48)

5.2 配电装置的选型和依据 (48)

5.3 主接线中设备配置的一般原则 (49)

5.3.1 隔离开关的配置 (49)

5.3.2 电压互感器的配置 (49)

5.3.3 电流互感器的配置 (50)

参考文献 (51)

致谢 (52)

附录I (53)

本次设计是在课程设计任务书的基础上，依靠本学期所学的<<电力系统基础>>专业理论知识进行的，翻阅及参考了多种资料，通过本设计树立工程观点，加强基本理论的理解和工程设计基本技能的训练，了解现代大型发电厂的电能生产过程及其特点，掌握发电厂电气主系统的设计方法，并在分析、计算和解决实际工程能力等方面得到训练，为今后从事电气设计、运行管理和科研工作，奠定必要的理论基础。

本设计为4×600MW凝汽式火电厂电气部分一次设计，它主要包括了四大部分，分别为电气主接线的选择、短路电流的计算、电气设备的选择、配电装置的选择。其中详细描述了主接线的选择、短路电流的计算和电气设备的选择，从不同的短路情况进行分析和计算，对不同的短路参数来进行不同种类设备的选择，并对设计进行了理论分析。

1 电气主接线

1.1 系统与负荷资料分析

（1）工程容量情况

由原始资料可知本设计根据电力系统的发展规划，拟在该地区新建一座装机容量为16000MW的凝汽式火力发电厂，发电厂安装4台600MW机组，总容量占相联电力系统总容量的，没有超过电力系统检修备用容量8％—15％的要求，这说明了该火电厂在未来电力系统中的不占主导作用和地位，主要是负责地区供电。而且年利用小时数为6000h a>5000h a,（我国电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数为5000h/a)又为凝汽式火力发电厂，在电力系统中将主要承担基荷，因此该电厂的电气主接线要求有较高的可靠性。厂用电为6％。以500kV电压等级供给系统，架空线3回，并以220kV电压等级供给

第1页，共52页

负荷，架空线6回，属于I级负荷，最大输送370MW，＝6000h/a。并且本设计需要做到的技术指标要求保证供电安全、可靠、经济。

（2）电力系统情况

该发电厂在电力系统中的作用与地位为地区电厂，地区电厂靠近城镇。

电力系统总装机容量为16000MW，短路容量为13000MVA。

该发电厂联入系统的电压等级为500kV。

(3)负荷分析

该发电厂有两个电压等级，其负荷分析分别如下：

220kV电压等级：有架空线6回，备用1回，即7回出线，500kV电压等级：有架空线3回，备用1回，即4回出线，负荷类型为一级负荷，最大输送370MW，最大负荷小时数为6000h/a。

（4）环境情况

由原始资料可知，当地年最高温40℃，年平均温度25℃，气象条件无其他特殊要求。

（5）设备情况

原始资料中给出了四台发电机的容量，这里对单台600MW发电机设备的型号进行选择。根据原始资料中给出的发电机的容量，查阅资料可选择出发电机的型号为QFSN-600-2-22A，发电机部分重要参数如表1.1所示：

表1.1 发电机型号及参数

型号含义；2——两极600——额定容量600MW22--额定电压22kVN——转子绕组氢内冷F——发电机Q——由汽轮机拖动S——定子绕组水内冷A--型号

第2页，共52页

1.2主接线方案的选择

对于主接型式的具体选择可以根据DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》综合发电厂的具体要求确定。在此设计中可以参考一下相关规定：（1）发电机电压母线可采用双母线或双母线分段的接线方式。为了限制短路电流，可在母线分段回路中安装电抗器。如不满足要求，可在发电机或主变压器回路中装设分裂电抗器，也可在直配线上安装电抗器。

（2）容量为600MW的发电机出口是否装设断路器或负荷开关，涉及诸多的技术经济因素。就技术要求而言，发电机出口装设断路器或负荷开关方案可避免正常起停机时高压厂用工作电源与起动电源之间的切换，可防止主变压器或高压厂用工作变压器内部故障的扩大（若发电机系采用其转子回路无灭磁开关和灭磁电阻的励磁系统），可减小由于主变压器高压侧断路器非全相运行时过大的负序电流对发电机转子的影响以及可在不致失去厂用电源的条件下实现机炉系统故障时的停机等。但发电机出口装设断路器或负荷开关后也将降低主回路的运行可靠性。对于上述因素对机组可用率的影响目前尚难以作出定性或定量的评价。另发电机出口装或不装断路器或负荷开关两方案的综合经济比较也涉及诸多的因素，如电厂的升高电压等级、电气主接线方式、起动/备用电源的引接方案与厂网分开后需收取基本和电度电费、高压厂用工作变压器的型式与台数、公用负荷的供电方案、高压厂用备用变压器的配置标准、起动/备用变压器高压侧的接线方式以及发电机断路器或负荷开关的制造和供货条件等，故也难以就其适用范围的经济条件作出一般性的规定。鉴于此，各工程可结合其具体条件和综合考虑上述因素经技术经济比较后确定是否设置发电机断路器或负荷开关。

（3）采用单母线或双母线的220～500kV配电装置，当断路器为少油型或压缩空气型时，除断路器有条件停电检修外，应设置旁路设施；当500kV线路、变压器等连接元件总数为6回及以上，且变电所在系统中居有重要地位时，宜通过技术经济比较确定采用一台半断路器或双母线旁路的接线方式。220kV可采用双母线，技术经济合理时，也可采用一个半断路器接线。当采用双母线，且出线和变压器等连接元件总数为10～14回时，可在一条主母线上装设分段断路器；15回及

第3页，共52页

以上时，在两条主母线上装设分段断路器。当断路器为六氟化硫(SF6)型时，可根据系统、设备、布置等具体情况，有条件时可不设旁路设施。

①500kV电压级：出线回路数3回，且为I级负荷，为使其出线断路器检修时不停电，应采用双母线带旁路接线方式或一台半断路器接线方式，以保证其供电的可靠性和灵活性。

②220kV电压级：出线回路数6回，且为I级负荷，应采用双母线接线方式。

综上所述，可拟定三种主接线方案：

方案一：发电机出口采用单元接线；220kV电压等级采用双母线接线形式，分段断路器兼作旁路断路器；500kV电压等级双母线接线形式，四台发电机与四台变压器接成发电机-变压器单元接线形式接至500kV电压母线上；500kV电压母线和220kV电压母线之间设有两台联络变压器；通过这两台联络变压器由

500kV电压母线给220kV侧负荷供电。如图1.1所示。

方案二：发电机出口采用单元接线；220kV电压等级采用双母线接线形式，分段断路器兼作旁路断路器；500kV电压等级双母线带旁路接线形式，四台发电机与四台变压器接成发电机-变压器单元接线形式接至500kV电压母线上；500kV 电压母线和220kV电压母线之间设有两台联络变压器；通过这两台联络变压器由500kV电压母线给220kV侧负荷供电。如图1.2所示。

方案三：发电机出口采用单元接线；220kV电压等级采用双母线接线形式，分段断路器兼作旁路断路器；500kV电压等级采用一台半断路器接线形式，其中一台半断路器接线的配置方式为交叉接线。四台发电机与四台变压器接成发电机-变压器单元接线形式接至500kV电压母线上；500kV电压母线和220kV电压母线之间设有两台联络变压器；通过这两台联络变压器由500kV电压母线给220kV 侧负荷供电。如图1.3所示。

第4页，共52页

图1.1 第一种方案的500kV侧电气主接线图

图1.2 第二种方案的500kV侧电气主接线图

第5页，共52页

图1.3 第三种方案的500kV侧电气主接线图

图1.4 三种方案中220kV侧电气主接线图

第6页，共52页

(4)主接线方案的比较原则:

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线最基本的要求。通常定性分析和衡量主接线可靠性时，从以下几个方面考虑：断路器检修时，是否影响连续供电；线路、断路器或母线故障，以及在母线检修时，造成馈线停运的回路数多少和停电时间长短，能否满足重要的一、二类负荷对供电的要求；本电厂有无全厂停电的可能性；大型机组突然停电对电力系统稳定运行的影响与产生的后果等因素。

②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：操作的方便性；调度的方便性；扩建的方便性。

③经济性:在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要从以下几个方面考虑：节省一次投资;占地面积少；电能损耗少。

（5）主接线方案的比较与选定

各方案的对比如表1.2所示：

表1.2 方案接线方式对比

1.3 各接线方式的比较

1.3.1 双母线接线方式的特点：

（1）双母线接线的主要优点如下：

①运行方式灵活。可以采用将电源和出线均衡地分配在两组母线上，母联断路器合闸的双母线同时运行方式；也可以采用任意一组母线工作，另一组母线备用，母联断路器分闸的单母线运行方式，所有回路均不中断工作。

第7页，共52页

②检修母线时不中断供电。只需将欲检修母线上的所有回路通过倒闸操作均换接至另一组母线上，即可不中断供电地进行检修。

（2）双母线接线的主要缺点如下：

①变更运行方式时，需利用母线隔离开关进行倒闸操作，操作步骤较为复杂，容易出现误操作，从而导致设备或人身事故。

②检修任一回路断路器时，该回路仍需停电或短时停电。

③增加了大量的母线隔离开关及母线的长度，配电装置结构较为复杂，占地面积与投资都增多。

1.3.2 双母带旁路接线方式的特点：

双母线带旁路接线就是在双母线接线的基础上，增设旁路母线。其特点是具有双母线接线的优点，当线路（主变）断路器检修时，仍能继续供电，但旁路的倒换操作比较复杂，增加了误操作的机会，也使保护及自动化系统复杂化，投资费用较大，一般为了节省断路器及设备间隔，当出线达到5个回路以上时，才增设专用的旁路断路器，出线少于5个回路时则采用母联兼旁路或旁路兼母联的接线方式。

1.3.3 一台半断路器接线方式的特点：

（1）操作方便。隔离开关只起隔离电压作用，避免用隔离开关进行倒闸操作。任意一台断路器或母线检修，只需拉开对应的断路器，各支路仍可继续运行。

（2）断路器故障影响范围小。一般情况下，一台母线侧断路器故障或拒动，只影响一个支路工作。只有联络断路器故障或拒动时，才会造成两个支路停电。

（3）为提高可靠性，防止同名回路（指两个变压器或两回供电线路）同时停电，应将同名回路接到不同串上。通常是电源与引出线接到同一串上。

（4）一般采用“交替布置”原则，即重要的同名支路交替接入不同侧母线。这样布置，可避免联络断路器检修时，因同名支路串的母线侧断路器故障，使同一侧母线的同名支路一起断开。

（5）一台半断路器接线的二次线和继电保护比较复杂，投资较大。

第8页，共52页

（6）接线至少应有三个“串”（每“串”为三台断路器）才能形成多环接线，使其优点更突出；只有两个“串”时则属于多角形接线。

由以上内容可得表1.3

表1.3 三种接线方式的比较

第9页，共52页

综上所述，500kV侧采用一台半断路器接线方式。选择更可靠和更具有灵活性的方案三。

1.4主变压器的选择与计算

1.4.1 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四台机容量之和来确定。

1.4.2 主变压器型式的确定原则

（1）主变压器容量和台数的选择，应根据《电力系统设计技术规程》SDJ161—85有关规定和审批的电力系统规划设计决定。凡装有两台(组)及以上主变压器的变电所，其中一台(组)事故停运后，其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的70%，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷。如变电所有其他电源能保证变压器停运后用户的一级负荷，则可装设一台主变压器。

（2）500kV主变压器选用三相或单相，应根据该变电所在系统中的地位、作用、可靠性要求和制造条件、运输条件等，经技术经济比较确定。当选用单相变压器组时，可根据系统和设备情况确定是否装设备用相；此时，也可根据变压器参数、运输条件和系统情况，在一个地区设置一台备用相。

（3）根据电力负荷发展及潮流变化，结合系统短路电流、系统稳定、系统继电保护、对通信线路的危险影响、调相调压和设备制造等具体条件允许时，应采用自耦变压器。当自耦变压器第三绕组接有无功补偿设备时，应根据无功功率潮流，校核公用绕组的容量。

（4）330～500kV并联电抗器的容量和台数，应首先考虑限制工频过电压的需要，并结合限制潜供电流，防止自励磁，同期并列及无功平衡等方面的要求，

第10页，共52页

进行技术经济综合论证。当需要装设备用相时，也可根据电抗器的参数、运输条件和系统情况，在一个地区设置一台。

（5）主变压器调压方式的选择，应符合《电力系统设计技术规程》SDJ161—85的有关规定。当500kV变压器采用有载调压时，应经过技术经济论证。

1.4.3 主变压器型式的选择

（1）相数

容量为600MV机组的主变压器和500kV电力系统的主变压器应综合考虑运输和制造条件，经技术经济比较，采用同一电厂3—4组的单相变压器组。

（2）绕组与结构

600MV级大型机组，采用多绕组电力变压器（如四绕组）。

（3）绕组连接组号

考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，主变压器连接组号选用YNd11常规接线.

（4）阻抗和调压方式

为保证发电厂的供电质量，电压必须维持在允许范围内。通过变压器的分接头开关切换，改变变压器高压绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。

采用不带电切换，称为无励磁调压，调整范围通常在±2x2.5%以内。

（5）冷却方式

容量在350MV及以上的特大变压器一般采用强迫油循环导向冷却。

该冷却方式是在采用强迫油循环风冷或水冷的大型变压器中，充分利用油泵加压的有利条件，利用潜油泵将冷却油压入线圈之间、线饼之间和铁芯的油道中，压力油在高、低压绕组之间有各自的油流路线，绕组中有纵向和横向油道，使铁芯和绕组中的热量直接由具有一定流速的油带走，而变压器上层热油用潜油泵抽出，经过水冷却器冷却后，再由潜油泵诸如变压器油箱底部，构成变压器油循环。

（6）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，

第11页，共52页

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。

考虑到本电厂有4台600MW发电机，且电厂和系统有较强联系，故500kV

电压等级接四台主变压器。

单元接线中的主变压器容量应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷，预留10的裕度选择。四台主变压器的容量分别为:

与600MW发电机相连的变压器的容量为750MW,这里选择四台三相油浸风冷变压器，型号全为SFP9-750000/500，参数如表1.4

表1.4 主变压器参数

S为三相；F为油浸风冷；P为强迫油循环；

1.4.4 联络变压器的选择

（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。

（3）联络变压器为了布置和引线方便，通常只选一台，在中性点接地方式允许条件下，以选自耦变压器为宜。其第三绕组，及低压绕组兼作厂用备用电源或引接无功补偿装置。

第12页，共52页

这里选择两台三相三绕组有载调压自耦电力变压器，型号全为OSFPS-750000/500，具体参数如下表1.5：

表1.5 联络变压器参数

O为自耦；S为三相；F为油浸风冷；P为强迫油循环；S为三绕组

1.5 厂用电的接线方式和选择

1.5.1 厂用电设计要求：

（1）供电可靠，运行灵活。

（2）各机组的厂用电系统是独立的，在任何运行方式下，一台机组故障停运或其他辅机的电气故障，不影响另一台机组的运行，并要求受厂用电故障影响而停运的机组能在短期内恢复运行。

（3）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。

（4）充分考虑发电厂正常、事故、检修、启停等运行方式下的供电要求，一般均应配备可靠的启动/备用电源，尽可能的使切换操作简便，启动/备用电源能在短时内投入。

（5）供电电源应尽量与电力系统保持紧密联系。

1.5.2 厂用电的电压等级：

（1）按发电机容量、电压确定高压厂用电压等级：

①容量在100—300MV时，宜用6kV作为高压厂用电。

②容量在600MV以上时，经技术经济比较可采用6kV一级电压，也可采用3kV和10kV两级电压作为高压厂用电。

第13页，共52页

（2）厂用电接线形式的拟定

依据对厂用电接线的基本要求，在本次设计中，厂用电接线采用单母线分段的接线方式。分段采取“按炉分段”的接线原则，由于本厂发电机组的容量均600MW，其锅炉的容量亦较大，为了安全起见，每个锅炉用两段厂用母线供电，即共分为八段，并且保证厂用负荷在各段上尽可能分配均匀。本厂机组容量为600，选用6kV作为厂用高压电压，0.4kV作为厂用低压电压。厂用工作电源从发电机出口端引接，通过分裂绕组厂用高压变压器给6kV厂用高压母线供电。备用电源从联络变压器的低压侧15.75kV引接，经低压分裂绕组变压器降压后接在两段共用备用母线上。从6kV厂用母线上以变压器分别引接到低压厂用段母线，构成厂用低压系统。由于该电厂为大型电厂，应设置事故保安电源。本次设计中，备用母线段备有柴油发电机作为事故保安电源。

1.5.3 厂用变压器的选择

本次设计厂用电系统主接线采用双母线接线方式，厂用电分别从四台发电机的出口端引接，因此，需要四台厂用变压器。由于四台发电机都属于大型机组，为限制短路电流，提高可靠性，四台变压器均采用低压分裂绕组变压器，联络变压器的低压侧电压为35kV，作厂备用电源通过低压分裂绕组降压变

38.5/6.3/6.3分别接至两段公用母线上。这个低压分裂绕组降压变压器选择、低压侧容量为20MVA的变压器，单机容量600MW的发电厂，厂用电通常采用6kV 电压等级，所以对应于600MW机组的厂用变压器，由于机端电压为20kV，其各侧电压为20/6.3/6.3，厂高变选SFF8-40000/20，厂用变压器参数如下1.6：

表1.6 厂用变压器参数

S为三相；F为油浸风冷；F为双分裂绕组；9为设计序号9型

第14页，共52页