发电厂课程设计(DOC)

长沙理工大学城南学院

教师批阅发电厂电气主系统

课程设计（论文）任务书

城南学院（系）电气工程及其自动化专业1104 班

题目3×200MW大型火电厂电气主接线设计

任务起止日期；2014 年06月16 日～

2013年06 月27 日

学生姓名学号

指导教师

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一绪论

电能是经济发展最重要的一种能源，可以方便、高效地转换成其他能源

形式。提供电能的形式有水利发电，火力发电，风力发电，随着人类社会跨

进高科技时代又出现了太阳能发电，磁流体发电等。但对于大多数发展中国

家来说，火力发电仍是今后很长一段时期内的必行之路。

火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的

环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不

可再生能源的影响，虽然现在在我国已有部分核电机组，但火电仍占领电力

的大部分市场，近年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电

技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。

“十五”期间我国火电建设项目发展迅猛。2001年至2005年8月，经国

家环保总局审批的火电项目达472个，装机容量达344382MW，其中2004年

审批项目135个，装机容量107590MW，比上年增长207%；2005年1至8

月份，审批项目213个，装机容量168546MW，同比增长420%。如果这些火

电项目全部投产，届时我国火电装机容量将达5.82亿千瓦，比2000年增长

145%。

2006年12月，全国火电发电量继续保持快速增长，但增速有所回落。当

月全国共完成火电发电量2266亿千瓦时，同比增长15.5%，增速同比回落1

个百分点，环比回落3.3个百分点；随着冬季取暖用电的增长，火电发电量环

比增长较快，12月份与上月相比火电发电量增加223亿千瓦时，环比增长

10.9%。2006年全年，全国累计完成火电发电量23186亿千瓦时，同比增长

15.8%，增速高于2005年同期3.3个百分点。

随着中国电力供应的逐步宽松以及国家对节能降耗的重视，中国开始加

大力度调整火力发电行业的结构。

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设计说明

由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。

它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变

电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。

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。电能的使用已经渗透到社会、经

济、生活的各个领域，而在我国电源结构中火电设备容量占总装机容量的

75%。本文是对配有3 200MW汽轮发电机的大型火电厂一次部分的

初步设计，主要完成了电气主接线的设计。包括电气主接线的形式的比较、

选择；主变压器、启动/备用变压器和高压厂用变压器容量计算、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。

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目录

第一章 发电厂电气部分课程设计(论文)任务书 (1)

1.1 拟建火电厂的目的.................................................1 1.2 拟建火电厂情况...................................................1 2 设计任务要求........................................................2 3 设计完成后应提交的文件(或图表、设计图纸 )...........................2 第二章 火力发电厂电气主接线的确定. (3)

1 电气主接线的意义和要求.............................................3 2 主接线的设计方案:..................................................4 方案一................................................................5 方案二................................................................6 方案三................................................................6 3负荷计算及变压器的选择...................................................7 3.1 主变压器选型......................................................7 3.2 主变压器容量、型号的确定..........................................7 4最大负荷电流及短路电流计算结果..........................................8 4.1最大负荷电流........................................................8 4.2 短路电流计算结果.................................................8 5 设备选择...............................................................9 5.1断路器型式的选择....................................................10 5.2 隔离开关的选择....................................................10 5.3 母线的选择说明....................................................10 5.4电流互感器和电压互感器的选择说明....................................11 第三章 设计计算书......................................................12 1 短路电流计算书.........................................................12 1.1 概 述.............................................................12 1.2 负荷计算...........................................................13 1.3短路计算.............................................................15 1.4 选择电器设备计算...................................................18 1.4（一）高压断路器与隔离开关的选择计算.................................18 1.4（二）隔离开关的选择计算.............................................19 1.4 (三)母线选择的计算..................................................20 1.4 (四) 电流互感器选择................................................22 1.4 (五) 电压互感器选择................................................24 实习心得..................................................................26 主要文献 (27)

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第一章 发电厂电气部分课程设计任务书

1 对原始材料的分析：

设计电厂为大型凝汽式火力发电厂，其容量为MW 6002003=?最大单机容量为200MW ，即具有大型容量的规模，大型机组的特点。其中该发电厂占系统容量的比例为S=600/5500=10.9%，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；且年利用小时为5200h/a>5000h/a 。并在系统中承担地区负荷，则主接线的设计着重考虑其可靠性。

本厂投产后，在电力系统中占有相当重要的地位，该厂在未来电力系统中的作用和地位将是主导性的作用。 1.1 拟建火电厂的目的

为了满足某地区周围用电需要，拟建一个火电厂，向周围地区供电，并与 220kV 和 110kV 电力系统相连。 1.2 拟建火电厂情况

发电机 200MW 机组额定电压N U 均为 18kV ，600MW ；额定功率因数 8.0cos =N f ；电抗 :4.0)1(*=X 35.0)0(*=X ，

2.0''=d x 。

（1）系统火电厂 220kV 共 4回线路，其中通过 220kV 1回和 110kV 2回线 路与系统相连，系统容量 5500MV A. （3）负荷情况

（a ）2200kV 线路 4回，其中备用 1回，负荷同时系数为 0.9。年利用小时 数 5200h ，负荷情况如下表1所示。

负荷名称

最大负荷 （MW ） 年最大负荷利用小时

数（小时） fN cos 线路长度（ＫＭ） 天心变电站

160 5200 0.9 95 琅山变电站

125 5000 0.9 80

（b ）110KV 线路负荷 负荷名称 最大负荷（MW ） 年最大负荷利用小时数（小时） fN cos 线路长度

（ＫＭ）

新沙变电站

30 4800 0.89 25 开福变电站

28 4500 0.85 30 二桥变电站

35 4300 0.89 25 罗锦变电站

22 4500 0.85 18 注：各线路之间的同时率为0.9。

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220KV 、110KV 线路参数：正序电抗为0.4Ω/Km ，零序电抗为正序电抗的4倍。 火电厂的自用电按装机容量的6％考虑。

（4）保护：各电器主保护动作时间为 0，后备保护的动作时间为 4秒。 2 课题任务要求

2.1能从发电厂、变电所的电气一次系统的功能与工作流程要求出发，制订和分析设计方案，合理选择主接线和厂所用电接线形式，正确配置主要电气设备。

2.2能按发电厂、变电所电气一次系统的正常工作状况分析和计算负荷与长期发热，合理选择变压器的台数、容量和型式，初选其他主要电气设备的主要额定电气参数。

2.3能按发电厂、变电所电气一次系统的短路工作状况分析和计算短路电流与短时发热与电动力，对初选电气设备进行短路运行能力校验，确定电气设备的电气参数及尺寸。

2.4能绘制电气系统图，图面符合制图标准，尺寸及符号标注正确，技术要求完整合理。 3 课题完成后应提交的文件(或图表、设计图纸 ) 3．1课程设计论文一份，论文中应包含有：

设计任务书；设计说明书（各电压级各主要的电气设备结果表、短路电流计 算结果表）；计算说明书（负荷计算、各支路最大负荷电流计算、短路电流计 算，设备校验计算等等）；绘制的各种图纸（电气主接线图、厂用电接线图和 220kV 配电装置的配置图）和总结等。

教师批阅第二章火力发电厂电气主接线的确定

1 电气主接线的意义和要求

电气主接线是发电厂、变电所电气设计的重要部分，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、配电装置布置、继

电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须处理好各方的关系，全面

分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案，决定于电压

等级和出线回路数。

电气主接线是由高压电气设备连成的接收和分配电能的电路，是发电厂

和变电所最重要的组成部分之一，对安全可靠供电至关重要。因此设计的主

接线必须满足如下要求：

(1) 满足对用户供电必要的可靠性和电能质量的要求；

(2) 接线简单、清晰，操作简便；

(3) 必要的运行灵活性和检修方便；

(4) 投资少，运行费用低；

(5) 具有扩建的可能性。

电气主接线设计依据:

(1)对于一级负荷必须有两个独立电源供电，切当任何一个电源失去后，

能保证对全部一级负荷不间断供电。

（2）对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，

能保证全部或大部分二级负荷的供电。

（3）对于三级负荷一般只需一个电源供电。

电气主接线的设计原则

电气主接线的设计原则是：应满足可靠性、灵活性和经济性的要求。

可靠性：衡量可靠的标准，一般是根据主接线型式机主要设备作

的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件发生的规律，停运的持续

时间期望值等指标，对几种主接线型式中择优。

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

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线路等；在检修时，可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备；在扩 建时，可以容易的从初期接线扩建到最终接线。

经济性：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，要是控制、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。 方案一：

方案二：

教师批阅方案三：

课程设计用纸

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2 主接线的设计方案:

经济比较

价格：

QF（1个）QS（1个）

220kv 6万元60万

110kv 1万10万

方案一：220kv：QF：29 QS：10

110kv：QF: 38 QS: 13

方案二：220KV：QF: 29 QS: 10

110KV: QF: 35 QS: 12

方案一：P（220kv）=1315.8

P（11kv）=319.2

P1=1635

方案二： P（220kv）=1315.8

P(110kv)=294.5

P2=1610.3

由于年运行费与P成正比，所以从经济角度出发，方案二相对方案一较好

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3负荷计算及变压器的选择 3.1 主变压器选型

Sn=1.1（220-220*0.06）/0.8根据以上要求，选取主变压器型号为：SFP3000000/220

其变压器主要参数为

变压器型号 高压

（KV ）

低压（KV ）

空载损耗（KV ）

负载损耗（KV ）

空载电流（%）

阻抗电压（%）

SFP-300000/220

220±2

×2.5%

242±2×2.5%

10.5 YN

a0 D11 255

1553 1 14

3.2 18kv,110kv.,220kv 短路时的简化等值电路图如下：

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4最大负荷电流及短路电流计算结果 4.1最大负荷电流

最大负荷电流计算结果如表所示. 最大负荷电流计算结果

110kV 双绕组变压器低压侧 986A 220 kV

双绕组变压器高压侧

918A

其中()φcos 3/05.105.1max ???==U P I I n n

4.2 短路电流计算结果 短路电流计算结果如表所示 表2-6短路电流计算结果

类型 0s 0.2s 0.4s 220kv 95.9 5.6 5.94 110kv

11.4

11.05

11.51

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18kv

93.22 87.63 95.1

5 设备选择

5.1断路器型式的选择 （1）按额定电压选择

断路器的额定电压，应不小于所在电网的额定电压，即Uzd ≥Ug （2）按额定电流选择

断路器的额定电流应不小于回路的持续工作电流，即 （3）按配电装置种类选择

装置的种类系指断路器安装的场所。装设在屋内的应选屋内型，装设在 屋外的，应选屋外型。 （4）按构造型式选择

在相同技术参数的条件下，有各种型式的短路器，如多油断路器、少油 断路器、空气断路器、SF6断路器等。要根据配电装置的工作条件和要求， 结合各断路器的特点来选用。

a 、少油断路器的特点是油量少，重量轻，不用采取特殊的防火防爆措施。 其尺寸小、占地面积小，造价低。因此，凡是在技术上能满足要求的场合应 优先采用。但少油断路器由于油量少，在低温下易于凝冻，故不适宜严寒地 区低温下运行，也不适于多次重合的场合。

b 、空气断路器的特点是无油不会起火，而且其动作速度快，断路时间短， 断流容量大，适用于多次重合的场合。但是，其结构复杂，附有一套压缩空 气装置，价格高。因此，只在要求动作速度快，多次重合的情况下，才选用 空气断路器。

c 、SF6断路器的特点灭弧性能好，端流容量大，检修期长，结构紧凑，占地 面积小，有益于变电所小型化。但是设备价格高，在封闭不好的情况下， 在断路器周围环境中易于沉积气体，并需进行充气。 （5）按断流容量选择

按切断电流断路容量或根据切断能力来选择断路器时，在给定电网电压 下，必须满足下述条件：

（6）动稳定校验

所谓动稳定校验系指在冲击电流作用下，断路器的载流部分多产生的电

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动力是否能导致断路器的损坏。为防止这种破坏，断路器极限电流必须大于 三相短路时通过断路器的冲击电流，即 （7）热稳定校验

所谓热稳定校验系指稳态短路电流在假想时间内通过断路器时，其各部 分的发热量不会超过规定的最大允许温度，即 5.2 隔离开关的选择 隔离开关的主要用途：

隔离电压，在检修电气设备时，用隔离开关将被检修的设备与电源 电压隔离，以确保检修的安全；

倒闸操作，投入备用母线或旁路母线以及改变运行方式时，常用隔 离开关配合断路器，协同操作来完成；

分、合小电流。隔离开关与断路器相比，额定电压、额定电流的选 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。

隔离开关选型时应根据配电装置特点和使用要求以及技术经济条件来 确定。 5.3 母线的选择说明 母线的材料类型和布置方式

母线的材料主要使用铝，屋外配电装置可以采用软母线或硬母线。35kV 及以上的屋外配电装置中采用铝绞线的软母线。当母线通过较大电流时，可 以采用组合导线，用专用的组合导线夹具固定。

屋内配电装置由于线间距离较小，布置紧凑，采用硬母线。常用的硬母 线截面是矩形截面。其散热较好，有一定的机械强度，便于固定和连接，但 集肤效应较大，为了避免集肤效应过大，单条矩形的截面不应小于1000~1200 。当工作电流过大时，可采用多条矩形母线并联。当每相有3条并联 时中间一条的电流约占总电流的20%，而边上两条各占40%。不宜采用每相 有4条以上并联的母线。矩形母线一般只用于35kV 及以下电流为4000A 及 以下的配电装置中。

母线的散热条件和机械强度与母线的布置装置有关。矩形母线当三相水 平布置时，母线条立放方式比平放方式散热条件好，截流量大，但机械强度 较低，而后者正好相反。

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从以上各方面考虑，并结合实际情况，在本设计中110kV 和220kV 母线 均采用矩形铝导体。

5.4电流互感器和电压互感器的选择说明

互感器是变换电压、电流的电气设备，它的主要功能是向二次系统提供 电压、电流信号也反映一次系统地工作状况，前者称为电压互感器，后者称 为电流互感器。

在高压配电装置中，广泛采用互感器给测量仪表、继电保护和其他二次 设备供电。互感器包括电流互感器和电压互感器两类。前者将大电流变成规 定的小电流；后者将高电压变成规定的低电压。测量仪表和继电器的线圈与 互感器的二次线圈相连，互感器的二次线圈应有可靠的接地。采用互感器的 目的，除了将二次回路与一次回路隔离，以保证运行人员和设备的安全外， 还使由它供电的二次设备标准化、小型化，从而个给运行维护提供方便。

设计计算书

1 短路电流计算书

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1.1 概 述

电力系统运行有三种状态：正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。 在供电系统的设计和运行中，还要考虑到可能发生的故障以及不正常运行情 况。对供电系统危害最大的是短路故障。短路电流将引起电动力效应和发热 效应以及电压的降低等。因此，短路电流计算是电气主接线的方案比较、电 气设备及载流导体的选择、节地计算以及继电保护选择和整定的基础。 短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。如电力系统中， 相与相之间的火中性点直接节地系统中的相与地之间的短接都是短路。为了 保证电力系统的安全、可靠运行，在电力系统设计和运行分析中，一定要考 虑系统等不正常工作状态。

4.0=s x 844.02101=?=l x

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007

.05500100

4.01

.0200100

2.006.0230100

3207.0230100

38158.0230100

2104.02

.0324.080384.0952

22

32132=?==?==?==?==??===?==?=*****s g g x x x x x x x x l l l l l

%

15.10%

95.2%

65.8)(2

1

043

.010032231312111===-+==?=*k k k N B

k T u u u u u u s s u x 0148.010022=?=*N B k T s s u x 051

.010033=?=*N

B

k T s s u x

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18kv,110kv.,220kv 短路时的简化等值电路图如下： 18kv 短路

1438

.02

1

1

.01212

1

=+++===*****s l T T g x x x x z x z 110kv 短路

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152

.02

1

1578

.0123312

1

=+++==++=*******s l T T T T g x x x x z x x x z

220kv 短路

086

.02

1

158

.01212

1

=+==++=*****s l T T g x x z x x x z

1.2短路电流计算

转移阻抗转化成计算阻抗： 220kv 母线短路电流计算电抗

73

.4100

5500

086.09468

.0100

600

1578.021=?=?==?=?=B s z js B G z jg s s x x s s x x

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110kv 转移阻抗转化成计算阻抗：

36

.8100

5500

152.0164

.1100

600

194.021=?=?==?=?=B s z js B G z jg s s x x s s x x

18KV 转移阻抗转化成计算阻抗：

909

.7100

5500

1438.06

.0100

600

1.021=?=?==?=?=B s z js B G z jg s s x x s s x x

短路电流计算：

根据所得电流计算电抗，查运算曲线可得短路电流如下

220kv 各时间短路电流标幺值汇总表

类型 计算电抗 0s 0.2s 0.4s 系统（S ） js Z =4.73 0.293 0.289 0.293 发电机（G) jg Z =0.9468

1.04

0.95

1.06

110kv 各时间短路电流标幺值汇总表

类型 计算电抗 0s 0.2s 0.4s 系统（S ） Zjs =8.36 0.292 0.286 0.292 发电机（G) Zjg =1.164

0.92

0.84

0.92

18kv 各时间短路电流标幺值汇总表