火力发电厂课程设计

课程设计说明书题目名称：火电厂电气主接线

系部：电力工程系

专业班级：电气工程12-3班

学生姓名：李梦莹

学号：2014220032

指导教师：何颖

完成日期：2015年1月4日

新疆工程学院

电力工程系课程设计任务书

教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日

新疆工程学院电气与信息工程系

课程设计评定意见

设计题目：火电厂电气主接线设计

学生姓名：李梦莹专业电气工程及其自动化班级电气工程12-3班

评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）：年月日

评定意见参考提纲：

1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。

2.学生的勤勉态度。

3.设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。

摘要

随着我国经济发展，对电的需求也越来越大。电作为我国经济发展最重要的一种能源，主要是可以方便、高效地转换成其它能源形式。电力工业作为一种先进的生产力，是国民经济发展中最重要的基础能源产业。而火力发电是电力工业发展中的主力军，截止2006年底，火电发电量达到48405万千瓦，越占总容量77.82%。由此可见，火力电能在我国这个发展中国家的国民经济中的重要性。电气主接线是发电厂、变电所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、变电所本身的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。并且对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。

设计中将主要从理论上在电气主接线设计，短路电流计算，电气设备的选择，配电装置的布局，防雷设计，发电机、变压器和母线的继电保护等方面做详尽的论述。同时，在保证设计可靠性的前提下，还要兼顾经济性和灵活性，通过计算论证该火电厂实际设计的合理性与经济性。在计算和论证的过程中，结合新编电气工程手册规范，采用CAD软件绘制了大量电气图，进一步完善了设计。

【关键词】：电气设备，火力发电厂，主接线设计

Abstract

With the development of economy in China, the demand for electricity is also more and more big. As a most important energy sources of China's economic development, which can be conveniently, efficiently converted into other forms of energy. The power industry as a kind of advanced productive forces，is the most important national economic development basic energy industry. While the thermal power is the main force in the development of electric power industry, by the end of 2006, thermal power generating capacity reached 484050000 kilowatts, the total capacity of 77.82%.Thus, the importance of thermal power in the developing countries of China's national economy.

Electrical wiring is the main power plant，electrical substation designed first and foremost part, but also constitute an important part of power system. The main connection to determine the overall power system and power plants, substations own operation reliability, flexibility and economy are closely related. And develop a greater impact on the selection of electrical equipment, distribution equipment configuration, relay protection and control.

In this design, I will mainly discuss main electric connection design, short circuit account, electric equipment choice, electric equipment layout, lightning strike defending design, electrical machine, transformer and generator protective relaying detailed in theory. While ensuring the reliability of the design, under the premise we should also take into account economic and flexibility demonstrated by calculating the effective thermal power plant design and reasonable economy. During my counting and demonstrating, in order to consummate my design, I will protract a great lot of electric engineering-pictures by Auto-CAD following the new criterion of electric engineering-enchiridion.

Key words: electric installation fuel electric plant, main electric connection design

目录

第一章绪论 (2)

1.1课题背景 (2)

1.1.1电力工业 (2)

1.1.2火力发电 (3)

第二章电气主接线设计 (4)

2.1主接线的设计 (4)

2.1.1概述和设计原则 (4)

2.1.2主接线及其优缺点 (5)

2.2设计任务 (9)

2.2.1原始资料及其分析 (10)

2.2.2方案的选择 (10)

2.3本章小结 (13)

第三章短路电流的计算 (14)

3.1概述 (14)

3.2短路的原因 (14)

3.3短路电流计算目的 (15)

3.4短路电流计算方法 (15)

3.4.1短路电流计算条件 (15)

3.4.2 短路电流的实用计算法 (16)

3.5 短路电流计算的数据和结果 (18)

第四章电气设备选择 (24)

4.1 概述 (24)

4.2 电气设备选择的一般原则 (24)

4.3 电气设备选择的校验内容 (24)

4.4 主变压器和发电机的选择 (25)

4.4.1发电机的选择 (25)

4.4.2 主变压器的选择 (25)

4.5 高低压电器设备的选择 (26)

4.5.1 断路器的选择 (26)

4.5.2 隔离开关的选择 (27)

4.5.3 互感器的选择 (27)

4.5.4 熔断器的选择 (29)

4.5.5 限流电抗器的选择 (30)

4.5.6 避雷器的选择 (30)

4.6 导体的设计和选择 (31)

4.6.1分相封闭母线 (31)

第五章配电装置 (32)

5.1 屋内配电装置 (32)

5.1.1 220KV屋内配电装置 (32)

5.1.2 10KV配电装置的布置方式 (32)

5.2 屋外配电装置 (34)

5.2.1 220KV屋外配电装置 (34)

5.2.2 500KV装置的布置方式 (36)

第六章总结 (39)

致谢 (40)

参考文献 (41)

附录1 主接线图 (42)

第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1电力工业

电力工业是国民经济的重要部门之一，是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，作为国民经济的其他各部门的快速，稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发达程度的重要标志，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。电力是工业的先行，电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。

近几年随着我国工业的高速发展，我国电力工业超常规发展，每年装机容量超过6000万千瓦，30万千瓦、60万千瓦亚临界火电机组成为我国电网的主力机组，百万千瓦的超超临界火电机组已经在建。目前，我国30万千瓦、60万千瓦的火力发电机组，70万千瓦的水力发电机组，在国际招标中中标成功率大于90%以上。这几年电力工业之所以能飞速发展，其重要原因是，为中国电力市场提供的火力发电设备主要立足于国内生产。这一观点得到国内各发电公司以及电厂老总们的认同。今天电气制造企业的国内用户率已达到75%以上。但是我国人均用电水平远低于发达国家，与完成其工业化进程国家的电力指标相比，我国经济发展正处于工业化进程的中后期，我国用电远低于国际水平.因此我国电力工业必须持续，稳步地大力发展，一方面要加强电源建设，搞好“西电东送”，确保电力先行，另一方面要深化电力体制改革，实施厂网分家。

未来几年，我国电力工业规模、水平将跃居世界前列，节能、减排和电力建设任务十分繁重，将遇到许多世界上首次出现的新问题、新技术，主要靠自己研究解决。发展中需要许多更先进的新技术、新产品、新材料，如节能减排性能更好的火电设备、环保设备、新一代核电设备、大容量水电设备、大型风力发电、新型太阳能发电设备、更高电压直流输电设备、大中型城市先进小型配电设备、高海拔地区水电施工技术及装备等，加强科学研究、扩大国际交流合作，引进国外先进技术设备，进行消化吸收再创新，增强自主创新能力，研发新技术、新材料、新产品，使电力技术、电力装备科学技术跃居世界先进水平，节能减排走在

世界前列。这也是电力工业发展战略的重要组成部分。

1.1.2火力发电

利用煤、石油和天然气等化石燃料所含能量发电的方式统称为火力发电。按发电方式，火力发电分为燃煤汽轮机发电、燃油汽轮机发电、燃气-蒸汽联合循环发电和内燃机发电。按其作用分单纯供电的和既发电又供热的。按原动机分汽轮机发电、燃气轮机发电、柴油机发电。按所用燃料分，主要有燃煤发电、燃油发电、燃气发电。为提高综合经济效益，火力发电应尽量靠近燃料基地进行。在大城市和工业区则应实施热电联供。

我国煤炭丰富、电力偏紧的资源特征决定了在今后相当长一段时间内，火力发电仍将在电力工业中占据重要地位。虽然当前火电发展增速减慢，但长远来看，在环保技术进步、发电成本降低、电力需求增加等积极因素的推动下，火电行业未来发展前景较为乐观。

近几年来，环保节能成为我国电力工业结构调整的重要方向，火电行业在“上大压小”的政策导向下积极推进产业结构优化升级，关闭大批能效低、污染重的小火电机组，在很大程度上加快了国内火电设备的更新换代。

第二章电气主接线设计

2.1主接线的设计

2.1.1概述和设计原则

发电厂的主接线的基本环节是电源（发电机或变压器）和引出线。母线（又称汇流母线）是中间环节，它起着汇总和分配电能的作用。由于多数情况下引出线数目要比电源数目多好几倍，故在二者之间采用母线连接既有利于电能交换，还可以使接线简单明了和运行方便。

发电厂和变电所的电气主接线是保证电网安全可靠﹑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。

电气主接线的设计原则是：根据发电厂在电力系统的地位和作用，首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求。根据规划容量、本期建设规模、输送电压等级、进出线回路数、供电负荷的重要性、保证供需平衡、电力系统线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规划与要求等条件确定。设计应满足可靠性、灵活性和经济性的要求。

（1）可靠性：电能的生产特点决定了电力生产的首要任务是保证电力系统的安全可靠的运行。而作为其中一个重要环节的电气主接线，首先应满足可靠性的要求。但可靠性不是绝对的，应全面的看待这个问题，分析主接线的可靠性时，要考虑发电厂与变电所在电力系统中的地位和作用、负荷的性质、设备的可靠性和运行实践等因素。

（2）灵活性：是指在调度时，可以灵活的投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在正常、事故运行方式、检修运行方式以极特殊运行方式下的系统电镀要求；在检修时，可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，而不致影响电力网的运行和对用户的供电；在扩建时，可以容易的从初期接线扩建到最终接线，在不影响连接供电或停电时间最短的情况下，投入新机组、变压器或线路，并对一次和二次部分的改建工作量最少。在操作时间便、安全、不易发生误操作的“方便性”。

（3）主接线应在满足供电可靠性、灵活性要求的前提下做到经济性。即：

主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器等一次设备，要使控制、保护不过于复杂，要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。做到投资省。合理的选择主变压器的种类（双绕组、三绕组或自耦变等）容量、台数，避免两次变压而增加电能的损失。电器主接线选择时要为配电装置的布置创造条件，尽量使占地面积减少。

2.1.2主接线及其优缺点

1、单母线接线

只有一组母线的接线如图2.1所示是一个典型的单母线接线图。这种接线的特点是电源和供电线路都联在同一母线上。为了便于投入或切除任何一条进、出引线每条引线上都装有可以切除符合电流和故障电流的断路器。

单母线接线的主要优点是：接线简单、清晰、采用设备少，投资省，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。单母线接线一般只适用于一台发电机或一台变压器的以下三种情况：

（1）6～10KV配电装置的出线回数不超过5回；

（2）35～63KV配电装置的出线回数不超过3回；

（3）110～220KV配电装置的出线回数不超过3回。

单母线接线最严重的缺陷是母线停运（母线检修、故障，线路故障后线路保护或断路器拒运）将使全部支路停运，即停电范围为该母线段的100%，且停电时间很长，若为母线自身损坏须待母线修复之后方能恢复各支路运行。

线路

母线

单母线接线单母线分段接线

图2.1 单母线接线图2.2 单母线分段接线

图2-1图2-2

隔离开关作为操作电器，所以断路器和隔离开关在正常运行操作时，必须严格遵守操作顺序；隔离开关“先合后断”或在等电位状态下进行操作。

2、单母线分段接线

单母线接线的缺点可以通过将母线分段的办法来克服。如图2.2所示。当母线的中间装设一个断路器后，即把母线分为两段，这样对重要的用户可以由分别接于两段母线上的两条线路供电。

由于单母线分段接线既保留了单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，又在一定程度上克服了它的缺点，所以这种接线目前仍被广泛应用。单母线分段接线适用范围：

（1）6～10KV配电装置的出线回数为6回及以上时；

（2）35～63KV配电装置的出线回数为4～8回时；

（3）110～220KV配电装置的出线回数为3～4回时。

单母线分段有其如下优点：用断路器把母线分段后，对重要的用户可以从不同的段引出两条回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

但是单母线分段接线也有较显著的缺点，就是当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电；当出线为双回路时，需时架空线路出现交叉跨越；扩建时须向两个方向均衡扩建。显然对于大容量发电厂来说，这都是不允许的。因此，还要改进。

3、双母线接线

如图2.3所示为双母线接线，其中一组为工作母线另一组为备用母线，通过母联断路器并联运行，在进行倒闸操作时应注意，隔离开关的操作原则是：在等电位下操作或先通后断。它可以有两种运行方式，一种是固定连接分段运行方式。即一些电源与出线固定连接在一组母线上，母联断路器合上，相当于单母线分段运行。另一种工作方式相当于单母线运行方式。很显然双母线分段的可靠性高于前两种接线方式，只是母线保护较复杂。不过它的投资比单母线分段接线更大。

2

图2.3 双母线接线

图2-3 双母线接线

如检修工作母线是其操作步骤是：先确定备用母线完好，合上母线断路器两侧的隔离开关，再合母线断路器，向备用线充电，这时两组母线等电位。为保证不中断供电，应先接通备用母线上的隔离开关，再断开工作母线上的隔离开关。完成母线转换后，在断开母联断路器及其两侧的隔离开关，即可对原工作母线进行检修。

双母线接线的适用范围：（1）6～10KV配电装置，当短路电流较大，出线需要带电抗器时；（2）35～63KV配电装置的出线回数超过8回火连接电源较多、（3）110～220KV配电装置的出线回数为5回以上时，或110～220KV 负荷较大时；

配电装置，在系统中居重要地位，出线回数在4回以上时。

双母线接线的优点有：（1）供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒闸操作，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，检修任一回路的母线隔离开关，只停该回路。（2）调度灵活。各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上能灵活的适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。（3）扩建方便。向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线单位电源和符合均匀分配，不会引起原有回路的停电。当有双回架空线路时，可以顺序布置，以至界限不同的母线断路时不会如单母线分段那样导致出线交叉跨越。（4）便于实验。当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。

但双母线接线也有其缺点：增加一组母线和使每回路就须加一组母线隔离开关；当母线故障或检修时隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。为了避免隔离开关误操作，需要隔离开关和断路器之间装设连锁装置。

4、单元接线

发电机和变压器直接连接成一个单元，组成发电机-变压器组，称为单元接

线，其间没有任何横的联系（如母线等），单元接线的特点是几个元件直接单独连接减少了电器的数目，简化了配电装置的结构和降低了造价，同时也大大减少了故障的可能性。

（1）发电机-双绕组变压器组成的单元接线。在图2.4（a）和（b）中，发电机和变压器成为一个单元组，电能经升压后直接进入高压电网。这种接线由于发电机和变压器都不能单独运行，因此，二者的容量应当相等。单元接线的基本缺点是原件之一损坏或检修时，整个单元将被迫停止工作。这种接线形式适用于大型的发电厂。

（2）发电机-变压器-线路单元接线。如图2.4（c）所示，这种接线不需在发电厂或变电所中建造高压配电装置，从而大大减小了占地面积与造价，并简化了运行。但这种接线的采用却具有相同的局限性，线路故障或检修时，变压器停运；变压器故障或检修时，线路停运。

（a ）(b) (c )

图2-4 单元接线

图2.4 单元接线

5、桥型接线

两个“变压器-线路”连接，便构成桥型接线。桥型接线分为内桥接线和外桥接线两种，如图2.5所示。

WL 1

WL 2

WL 1

WL

T 2T 2

图 2-5 前形接线

（a ）内桥式 （b ）外桥式 图2.5 桥形接线

(a)内桥接线 (b)外桥接线

(1) 内桥型接线

优点：高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。

缺点：a 、变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运。b 、桥联断路器检修时，两个回路需解裂运行。c 、出线断路器检修时，线路需较长时期停运。为避免此缺点，可加装正常段开运行的跨条，为了轮流停电检修任何一组隔离开关，在跨条上需加装两组隔离开关。桥联断路器检修时，也可利用此跨条。

适用范围：适用于较小容量的发电厂、变电所，并且变压器不经常切换或线路较长，故障率较高的情况下。

(2) 外桥型接线

优点：高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。

缺点：a 、线路的投入和切除较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运。b 、牵连断路器检修时，两个回路需解裂运行。c 、变压器侧断路器检修时，变压器需较长时间停运。为避免此缺点，可加装正常段开运行的跨条，桥联断路器检修时也可利用此跨条。

适用范围：适用于较小容量的发电厂、变电所，并且变压器切换或线路较短时，故障率较少的情况下。此外，线路有穿越功率时，也宜采用外桥型接线。

2.2设计任务

2.2.1原始资料及其分析

装机4台，分别为供热式机组2*50MW(N U =10KV)、凝气式机组2*300MW(N U =20KV),厂用电率6%，机组年利用小时数max T =6500h 。系统规划部门提供的电力符合及与电力系统连接情况资料：10KV 电压级最大负荷20MW,最小负荷15MW,8.0cos =α,电缆馈线10回。220KV 电压级最大负荷250MW ，最小负荷200MW, 85.0cos =φ,h T 6500max =，架空线路4回。500KV 电压级与容量为3500MW 的电力系统连接，系统归算到本电厂500KV 母线上的标幺电抗

021.0=S X ，基准容量为100MV A,500KV 架空线4回，备用线路1回。

此外，当地年最高温度40℃，年平均温度20℃；当地海拔高度700m ；当地雷暴日数30日/年；气象条件一般，无严重污染。

本设计电厂为大﹑中型火电厂,其容量为2*50+2*300=700(MW),占电力系统容量700/(3500+700)*100%=16.7%,超过了电力系统的检修备用容量8%～15%和事故备用容量10%的限额，说明该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要，而且年利用小时数为6500h>5000h,远远大于电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数（如2005年我国电力系统发电机组年最大负荷利用小时数为5225h ）。该厂为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，从而该厂主接线设计务必着重考虑其可靠性。从负荷特点及电压等级可知，10KV 电压等级上的地方负荷容量不大，共有10回电缆馈线，与50MW 发电机的机端电压相等，采用直馈线为宜。20KV 电压为300MW 发电机出口电压，既无直配负荷，又无特殊的要求，拟采用单元接线的形式，可以节省价格昂贵的发电机出口断路器，又利于配电装置的布置；220KV 电压级出线回路数为4回，为了保证检修出线断路器不致对该回路停电，拟采用带旁路母线接线形式为宜；500KV 与系统有4回馈线，呈强联系形式并送出本厂最大可能的电力为700-15-200-700*6%=443（MW ）。可见，该厂500KV 级的接线对可靠性要求应当很高；拟采用一台半断路器接线为宜。

2.2.2方案的选择

1、方案设计

根据对原始资料的分析,现将各电压级可能采用的较佳方案列出，进而以优化组合方式,组成最佳的方案。

（1）10KV 电压级。由于10KV 出线回路多，而且发电机的单机容量为

50MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线不得超过24MW的规定，应确定为双母线分段接线的形式，2台50MW发电机分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压220KV。考虑到50MW机组为供热式机组，通常“以热定电”，机组的年负荷最大小时数较低，即10KV电压级与220KV电压级之间按弱联系考虑，只设1台主变压器；同时，由于10KV电压最大负荷20MW，远远小于2*50MW发电机组装机容量，即使在发电机检修或升压变压器检修的情况下，也可以保证该电压等级负荷的要求。由于2台50MW机组均接于10KV母线上，有较大的短路电流，为了选择合适的电气设备，应在分段处加装母线电抗器，同时各条电缆馈线上装设线路电抗器。

（2）220KV电压级。出线回路数为4回，为了使其出线断路器检修时不停电，应采用单母线分段带旁路母线接线或双母线带旁路母线接线，以保证供电的可靠性和灵活性。其进线仅从10KV送来剩余容量2*50—[（100*6%）+20]=74MW，并不能够满足220KV最大负荷250MW的要求。为此，拟采用以1台300MW机组按照发电机——变压器单元接线形式接至220KV母线上，其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与500KV接线连接，彼此之间相互交换功率。

（3）500KV电压级。500KV负荷容量大，其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式，为保证可靠性，可能有多种接线方式，经过定性分析筛选后，可以选用的方案为双母线带旁路母线接线和一台半断路器接线，通过联络变压器与220KV连接，并通过一台三绕组变压器联系220KV和10KV电压，以提高可靠性，一台300MW机组与变压器构成单元接线，直接将功率送到500KV电力系统。

根据以上分析、筛选、组合，可以保留两种可能的接线方案：

方案Ⅰ如下图所示：

图2.6 电气主接线图

方案Ⅱ为500KV 侧采用双母线带旁路母线接线，220KV 侧采用单母线分段带旁路母线接线，示意图略。

2、方案的经济比较

采用最小费用法，对拟订的两方案进行经济比较，上述两方案中的相同部分不参与比较计算，只是对相异部分进行计算。计算内容包括一次投资、年运行费用。

若图2.6所示方案Ⅰ参与比较部分的设备折算到施工年限的总投资为6954.7万元，折算年的运行费用为1016.29万元，火电厂使用年限按照n=25年计算，电力行业预期投资回报率i=0.1,则方案Ⅰ的费用为：

m

n n

m C i i i I AC +-++=]1

)1()1([1

万元3.178129.1016]1

)1.01()1.01(1.0[7.695425

25

=+-++?=

同理，在计算出方案Ⅱ的折算年总投资和年运行费用之后，可得到方案Ⅱ的年费用低于方案Ⅰ

2.3本章小结

通常，经过经济比较计算，求得的年费用AC最小方案者，即为经济上的最优方案；然而，主接线最终方案的确定还必须从可靠性、灵活性等多方面综合评估，包括大型电厂、变电站对主接线可靠性若干指标的计算，最后确定最终方案。通过定性分析和可靠性及经济计算，在技术上（可靠性、灵活性）方案Ⅰ明显占优势，，但在经济上则不如方案Ⅱ。鉴于大、中型发电厂大机组应以可靠性和灵这主要是由于一台半断路器接线方式的高可靠性指标活性为主，所以，经过综合的分析，决定选用图2.6所示的方案Ⅰ作为设计的最佳方案。