(完整版)火电厂电气一次部分毕业设计论文

题目：火电厂电气一次部分毕业设计

学院：信息电子技术学院年级：

专业：电气工程及其自动化姓名：

学号：

摘要

发电厂是电力系统的重要组成部分，也直接影响整个电力系统的安全与运行。

在发电厂中，一次接线和二次接线都是其电气部分的重要组成部分。

本设计是电气工程及其自动化专业学生毕业前的一次综合设计，它是将本专业所学知识进行的一次系统的回顾和综合的利用。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，并与三河火力发电厂现行运行情况比较，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。

关键字主接线设计；短路电流；配电装置；电气设备选择；继电保护

Power plants is an important part of power system, and also affect the safety of the whole power system with operation. In power plant, a wiring and secondary wiring is the important part of electrical part.

This design is the electrical engineering and automation of professional students before graduation design, it is a comprehensive professional knowledge learnt this a systematic review and comprehensive utilization. Design mainly from theory will in the main electrical wiring design, short-circuit current calculation, electrical equipment choice, power distribution equipment layout, lightning protection design, generator, transformer and busbar protection etc, and a detailed discussion with the current operation sanhe coal-fired power plants, meanwhile, in comparison to ensure that the design reliability premise, even give attention to two or morethings economy and flexibility, through calculation demonstrates that the practical rationality of the design of power with economy. In the process of calculation and argumentation, combined with the new electric engineering manuals, using CAD software standard drawing a lot of electrical diagrams, further improve the design.

Keywords Lord wiring design; Short-circuit current; Distribution device; Electrical equipment selection; Relay protection

摘要........................................................................................................................................................ Abstract...................................................................................................................................................第 1 章绪论....................................................................................................................................

1.1课题背景 .......................................................................................................................................

1.1.1社会背景.................................................................................................................................

1.2课题研究的目的和意义................................................................................................................

1.3国内外研究现状 ...........................................................................................................................

1.4课题的主要研究工作 ...................................................................................................................第 2 章电气主接线设计..................................................................................................................

2.1电气主接线的设计原则及要求....................................................................................................

2.1.1明确任务和设计原理.............................................................................................................

2.2方案的设计、论证和选择............................................................................................................

2.3本章小结 .......................................................................................................................................第 3 章短路电流的计算..................................................................................................................

3.1短路的原因、后果及形式............................................................................................................

3.2短路的物理过程及计算方法........................................................................................................

3.3短路电流的计算数据和计算结果................................................................................................第 4 章电气设备的选择..................................................................................................................

4.1主变压器和发电机的选择............................................................................................................

4.2高低压电气设备的选择................................................................................................................

4.3导体的设计和选择 .......................................................................................................................第 5 章配电装置..............................................................................................................................

5.1屋外配电装置 ...............................................................................................................................

5.2屋内配电装置 ...............................................................................................................................第 6 章继电保护..............................................................................................................................

6.1发电机的保护 ...............................................................................................................................

6.2变压器的保护 ...............................................................................................................................

6.3母线保护 .......................................................................................................................................

6.4防直击雷保护 ...............................................................................................................................第7 章总结和展望..........................................................................................................................致谢........................................................................................................................................................参考文献..................................................................................................................................................附录A......................................................................................................................................................

第 1 章绪论

1.1 课题背景

1.1.1 社会背景

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现，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。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。

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。

目前，我国的电力工业已经进入“大电网”，“大机组”，“超高压，交直流输电”，“电网调度自动化”，“状态检修”等新技术发展新阶段，一些世界水平的先进技术，已在我国电力系统得到了广泛的应用。

随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电力工业

的发展仍不能瞒足整个社会发展的需要。另外，由于我国人口众多，因此在按人口平均用电方面，仍只处于中等水平，尚不能及全世界平均人口用电量的一半。2008年人均用电量2596kW ·=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：

万元3.178129.1016]1

)1.01()1.01(1.0[7.69542525

=+-++?= 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[9]

1.2 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，住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，这主要是由于一台半断路器接线方式的高可靠性指标，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活性为主，所以，经过综合的分析，决定选用图2.1所示的方案Ⅰ作为设计的最佳方案。

第 2 章短路电流的计算

2.1 短路的原因、后果及形式

在电力系统中，出现次数比较多的严重故障就是短路。所谓短路是指电力系统中不等电位的导体在电气上被短接。产生短路的主要原因，是由于电气设备载流部分绝缘损坏所造成。而绝缘损坏主要是因为绝缘老化、过电压、机械性损伤等引起。人为误操作及鸟兽跨越裸导体等也能引起短路。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减少，因而短路电流可能达到很大数值（几万安至十几万安）。这样大的电流所产生的热效应和机械效应会使电气设备受到破坏；同时短路点的电压降到零，短路点附近的电压也相应地显著降低，使此处的电力系统受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使整个电力系统运行解列，引起严重后果。

在三相供电系统中，可能发生的主要短路类型有三相短路、二相短路、两相接地短路和单相接地短路，三相短路属对称短路，其余三种为不对称短路。在四种短路故障中，出现单相短路故障的机率最大，三相短路故障的机率最小。但在电力系统中，用三相短路作为最严重的故障方式，来验算电器设备的运行能力。

2.2 短路的物理过程及计算方法

当突然发生短路时，系统总是由工作状态经过一个暂态过程进入短路稳定状态。暂态过程中的短路电流比其稳态短路电流大的多，虽历时很短，但对电器设备的危害性远比稳态短路电流严重得多。有限电源容量系统的暂态过程要比无限大电源容量系统的暂态过程复杂的多，在计算建筑配电工程三相短路电流时，都按无限大电源容量系统来考虑。短路全电流ik由两部分组成(ik=iz＋if)：一部分短路电流随时间按正弦规律变化，称为周期分量iz；另一部分因回路中存在电感而引起的自感电流，称为非周期分量if[11]。

短路电流的实用计算法：

１）三相短路电流周期分量的起始值

（3.1）

（3.2）

3...3.."10)cos 3(10--?=?=D D D e D

e D q D e D q D U P K I K I ?η

（3.3）

（3.4）

式中——短路电流周期分量的起始有效值（KA ）;

——厂用电源短路电流周期分量的起始有效值（KA ）;

——电动机反馈电流周期分量的起始有效值（KA ）;

——基准电流（KA ），当取基准容量=100MVA 、基准电压=6.3KV 时, =9.16KA;

——系统电抗（标幺值）；

——厂用电源引接点的短路容量（MVA ）;

——厂用变压器（电抗值）的电抗（标幺值）；

——以厂用变压器额定容量为基准的阻抗电压百分值；

——电抗器的百分电抗值；

——电抗器的额定电压（KV ）；

——电抗器的额定电流（KA ）；

——电动机平均的反馈电流倍数，100MW 及以上机组为5，125MW 及以上机组取5.5～6.0；

——计及反馈的电动机额定电流之和（A ）；

——计及反馈的电动机额定功率之和（KW ）；

——电动机的额定电压（KV ）；

2)短路冲击电流：

)1.1(2"."...D D ch B B ch D ch B ch ch I K I K i i i +=+= （3.5）

式中: ——短路冲击电流(KA)

——厂用电源的短路峰值电流(KA)

——电动机的反馈峰值电流(KA)

——厂用电源短路电流的峰值系数

——电动机反馈电流的峰值系数，100MW 及以上机组为1.4～1.6，125MW 及以上机组取1.7[12]。

3)t 瞬间三相短路电流：

")(")(.)(.)(D t D B t D z t B z t Z I K I I I I +=+=

（3.6）

)(2")(")()(.)(.)(D t D B t B t D fz t D fz t fz I K I K I I I +=+=

（3.7）

式中 ： ——t 瞬间短路电流的周期分量有效值（KA ）

——t 瞬间短路电流的非周期分量值（KA ）

——t 瞬间厂用电源短路电流的周期分量有效值（KA ）

——t 瞬间厂用电源短路电流的非周期分量值（KA ）

——t 瞬间电动机反馈电流的周期分量有效值（KA ）

——t 瞬间电动机反馈电流的非周期分量值（KA ）

——电动机反馈电流的衰减系数

——厂用电源非周期分量的衰减系数

——电动机反馈电流的衰减时间常数（S ），125MW 及以上机组为0.062

——主保护装置动作时间(S)

——断路器固有跳闸时间

2.3 短路电流的计算数据和计算结果

2.3.1.1.500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图

图3.1 500KV三相短路电流电流计算及其正序阻抗图2.3.1.2.500KV电气主接线及其设备规范

图3.2 500KV电气主接线及其设备规范2.3.1.3.短路电流的详细计算结果见附录

第 3 章电气设备的选择

为了满足电力生产和保证电力系统运行的安全稳定性和经济性，发电厂和变电所中安装有各种电气设备，其主要的任务是启停机组、调整负荷、切换设备和线路、监视主要设备的运行状态、发生异常故障时及时处理。根据电气设备的作用不同，可以将电气设备分为一次设备和二次设备。

（1）一次设备

通常把生产、变换、输送、分配和使用电能的设备，如发电机、变压器和断路器等称为一次设备。它们包括：生产和转换电能的设备、接通或断开电路的开关电器、限制故障电流和防御过电压的保护电器、载流导体、接地装置。

（2）二次设备

对一次设备和系统的运行状态进行测量、控制、监视和保护的设备，成为二次设备。它们包括：使用的互感器、测量表计、继电保护及自动装置、直流电源设备、操作电器。

由于各种电气设备的具体工作条件并不完全相同，所以，它们的具体选择方法也不完全相同，但基本要求是相同的。即，要保证电气设备可靠的工作，必须按正常工作条件选择，并按短路情况校验其热稳定和动稳定

3.1 主变压器和发电机的选择

3.1.1.1.主变压器的选择

1）台数分析：为了保证供电的可靠性，选两台主变压器。

（2）主变压器容量：额定容量为360MV.A，额定电压为2202*2.5%20kv、5002*2.5%20kv，连接组别为YN,d11，，。

（3）绕组分析：拟采用双绕组变压器[14]。

3.1.1.2.发电机的选择

此次设计的发电机拟采用2台上海汽轮发电机有限公司生产的型号为QFSN-300-2d的水氢式机组。额定功率300MW,最大连续出力338MW,额定功率因数

（滞后）0.85，额定电压20KV,额定电流10189A,额定转速3000rmin[13]。

3.2 高低压电气设备的选择

3.2.1.1.断路器的选择

室内高压断路器是开关电器中结构最为复杂的一类。在正常运行时，可用它来将用电负荷或某线路接入或退出电网，起倒换运行方式的作用；当设备或线路上发生故障时，可通过继电保护装置联动断路器迅速切除故障用电设备或线路，保证无故障部分仍正常运行。由此可见，高压断路器在电力系统中担负着控制和保护电气设备或线路的双重作用。

高压断路器具有分断能力强、性能稳定、工作可靠和运行维护方便的特点，其核心部件是灭弧装置和触头。按使用不同的灭弧介质而生产了各类高压断路器，目前我国电力系统中应用的断路器有如下几种：

（1）高压空气断路器是以压缩空气为灭弧介质和弧隙绝缘介质。并兼作操作机构的动力，操作机构与断路器合为一体。目前我国生产的KW4、KW5系列高压空气断路器的空气压力在2×兆帕以上，多用于是10KV及以上的电力系统中。

（2）六氟化硫（SF6）高压断路器则采用SF6气体作为灭弧介质，与其它高压元件组成全封闭式高压断路器，因此不受环境条件影响，运行安全可靠，在电力系统中，尤其是在110KV及以上电力系统中得到越来越广泛的采用。

（3）真空高压断路器是利用真空作为绝缘介质，其绝缘强度最高，而且绝缘强度恢复快。其真空灭弧室是高强度的真空玻璃泡构成，真空度可达到汞柱，多用10KV及以上的电力系统中。

（4）油高压断路器是利用变压器油作为灭弧和弧隙绝缘介质。按其绝缘结构及变压器油所起的作用不同，分为多油式和少油式两种高压断路器。多油高压断路器的变压器油除了作为灭弧介质外，还作为弧隙绝缘及带电部分与接地外壳（油箱）之间的绝缘。少油高压断路器的变压器油只作为灭弧介质和弧隙绝缘介质，其油箱带电，油箱对地绝缘则通过瓷介质（支持瓷套）来实现。少油高压断路器

的灭弧能力较强，工作安全可靠，维护方便，而且体积小，用油量少、重量轻，价格便宜，所以在电力系统中获得最为广泛的采用。在20KV及以下电压等级的供配电系统中广泛采用SN10系列（户内式）断路器，在 20KV以上则大量使用SW4和SW6（户外式）断路器[15]。

3.2.1.2.隔离开关的选择

隔离开关是一种没有专门灭弧装置的开关设备，主要用来断开无负荷电流的电路，隔离高压电流，在分闸状态时有明显的断开点，以保证其他电气设备的安全检修。在合闸状态时能可靠地通过正常负荷电流及短路故障电流。因它未有专门的灭弧装置，不能切断负荷电流及短路电流。因此，隔离开关只能在电路已被断路器断开的情况下才能进行操作，严禁带负荷操作，以免造成严重的设备和人身事故。只有电压互感器、避雷器、励磁电流不超过2A的空载变压器及电流不超过5A的空载线路，才能用隔离开关进行直接操作。

高压隔离开关一般可分为户内式和户外式两种。

（1）户外式高压隔离开关

GW4—35G型高压隔离开关也是目前应用较广泛的设备。它为双柱式结构，制成单极型式，借助于交叉连杆组成三极联动的隔离开关，也可作单极使用。主要用于220KV及以下各型配电装置，系列全，可以高型布置，重量较轻，可以手动，电动操作。

GW6型高压隔离开关的特点为220～500KV，单柱、钳夹、可以分相布置，220KV 为偏折，330KV为对称折，多用于硬母线布置或做为母线隔离开关。

GW7型高压隔离开关的特点为220～500KV，三柱式、中间水平转动，单相或三相操作，可以分相布置，多用于330KV及以上的屋外中型配电装置。

（2）户内式高压隔离开关

GN6、GN10的特点为三级，可以前后连接，可以立装、平装和斜装，价格比较便宜，主要用于屋外配电装置，成套的高压开关柜；GN10的特点为单极，大电

流3000～13000A，可以手动、电动操作，用于大电流和发电机回路；GN18和GN22的特点为三级，10KV，大电流2000～3000A,机械锁紧，用于大电流回路和发电机回路[15]

3.2.1.3.互感器的选择

互感器的作用主要是与测量仪表配合，对线路的电压、电流、电能进行测量；与继电保护装置配合，对电力系统和设备进行保护；使测量仪表、继电保护装置与线路高电压隔离，以保证运行人员和二次装置的安全；将线路电压与电流变换成统一的标准值，以利仪表和继电保护装置的标准化。

1.电压互感器

电压互感器是一种电压的变换装置，可将高电压变换为低电压，以便用低压量值反映高压量值的变化可以直接用普通电气仪表进行测量。由于电压互感器二次侧均为100V，使测量仪表和继电器电压线圈标准化，因此电压互感器在电力系统中得到了广泛应用。

电压互感器的形式选择如下:

（1）10KV的配电装置一般采用油浸绝缘结构;在高压开关柜中或在布置地方比较狭窄的地方,可采用树脂浇注绝缘结构。当需要零序电压时，一般采用三相五株式电压互感器。

（2）220KV及其以上的配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。

（3）接在110KV及其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。

（4）兼作为泄能用的电压互感器，应选用电磁式电压互感器。

2.电流互感器

电流互感器是一种电流变换装置，可将高压电流和低压大电流变换成电压较低的小电流，供给仪表和继电器保护装置，并将仪表和保护装置与高压隔离电路

隔开。电流互感器的二次电流均为5A，使测量仪表和继电保护装置使用安全、方便。因此，电流互感器在电力系统中得到了广泛应用。

（1）选择标准如下：

电流互感器的额定电压与电网的额定电压应相符。

电流互感器一次额定电流的选择，应使运行电流为其20%～100% ;10KV继电保护用的电流互感器一次侧电流一般应不大于设备额定电流的1.5倍。

所选用电流互感器应符合规定的准确度等级。

根据被测电流的大小选择电流互感器的变比，要使一次线圈额定电流大于被测电流。

电流互感器二次负载所消耗的功率或阻抗应不超过所选用的准确度等级相应的额定容量，以免影响准确度。

根据系统运行方式和电流互感器的接线方式来选择电流互感器的台数。

电流互感器选择之后，应根据装设地点的系统短路电流校验其动稳定和热稳定。

（2）形式选择如下：

35KV以下屋内配电装置的电流互感器，根据安装使用条件和产品的情况，采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构。一般常用的形式为：低压配电屏和配电设备中LQ线圈式，LM母线式；6～20KV屋内配电装置和高压开关柜中LD单匝贯穿式，LF复匝贯穿式；发电机回路和2000A以上的回路，LMC、LMZ型，LAJ、LBJ型，LRD、LRZD型。

35KV及其以上的配电装置一般采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器，常常采用LC系列[16]。

3.2.1.

4.熔断器的选择

高压熔断器是一种保护电器，当其所在电路的电流超过规定值并经一定时间后，它的熔体熔化而分断电流、断开电路。熔断器主要用来进行短路保护，但有

的也具有过负荷保护功能。

按安装环境，高压熔断器也有户内式和户外式两大类。我国生产的户内式熔断器有RN1、RN2、RN3、RN5和RN6等;户外式有RW3—10（G）、RW4—10（G）、RW5—35、RW7—10、RW10—35等。

（1）户内管式熔断器：

RN1、RN2 两者结构基本相同，都是充有石英砂填料的密闭管式熔断器。RN2的尺寸较小。RN1主要用作3～35KV电力线路和电气设备的短路保护；RN2用作3～35KV电压互感器的短路保护。

（2）户外跌落式熔断器：

RW3—10（G）型额定电压为10KV，额定电流50～200A，断流容量50～200MVA；RW4—1（G）型，除外形尺寸稍小于RW3—10（G）外，其它性能与RW3—10（G）相同。它们灭弧速度不高，因而没有限流作用；RW5—35型，额定电压为35KV，额定电流为50～200A，断流容量为200～800MVA，熔管采用钢纸管环氧玻璃布复合管制成，有较高机械强度并能保证连续三次顺利开断额定断流容量；RW7—10型是有统一支架的跌落式熔断器，在条件变更时，只需用钩棒更换不同的熔管即可。熔管有较高机械强度，具有多次开断能力，可免除熔断一次即更换熔管的麻烦；RW10—35型，额定电压35KV ，额定电流为0.5A 者是专用于保护电压互感器的，额定电流为2～10A 者用于保护线路或设备过载与短路，它具有限流作用，可代替RW2—35及其附加电阻，但安装时要注意熔体电流与被保护对象的电流一致方可投入运行；RW11—10型是10KV防污型跌落式熔断器，适用于工业污秽和沿海地区的输电线路及变压器的保护。除RW1—10型外其它型式只适用于周围空气没有导电尘埃和腐蚀性气体、没有易燃易爆及剧烈震动的户外场所[16]。

3.2.1.5.限流电抗器的选择

（1）电抗器几乎没有过负荷的能力，所以主变压器或出线回路的电抗器，应按照回路最大工作电流选择，而不能用正常持续工作电流选择。

（2）对于发电厂母线分段回路的电抗器，应根据母线上事故切断最大一台发电机时，可能通过电抗器的电流选择。一般取该台发电机额定电流的50%～80%。

（3）变电所母线分段回路的电抗器应满足用户的一级负荷和大部分二级负荷的要求。

3.2.1.6.避雷器的选择

选择原则：

（1）避雷器灭弧电压不得低于安装地点可能出现的最大对地工频电压。

（2）仅用于保护大气过电压的普通阀型避雷器的工频放电电压下限，应高于安装地点预期操作过电压；既保护大气过电压，又保护操作过电压的磁吹避雷器的工频放电电压上限，在适当增加裕度后，不得大于电网内过电压水平。

（3）避雷器冲击过电压和残压在增加适当裕度后，应低于电网冲击电压水平。

（4）保护操作过电压的避雷器的额定通断容量，不得小于系统操作时通过的冲击电流。

（5）中性点直接接地系统中，保护变压器中性点绝缘的阀型避雷器，如表4.1选

择。

表4.1 保护变压器中性点的阀型避雷器