4×300MW火力发电厂电气部分初步设计_毕业设计(论文)

4×300MW火力发电厂电气部分初步设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

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。

该设计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，通过计算论证火电厂实际设计的合理性与经济性。采用软件绘制了大量电气图和查阅相关书籍，进一步完善了设计。

关键词：

主接线设计；短路电流；配电装置；电气设备选择；继电保护

Abstract：

With the developing of economy in our country, we need more and more Electricity energy. The Electricity is the most important energy of economic development which can be conveniently and efficiently converted into other forms of energy. The Electricity industry as a advanced produced energy. It is the most important basic energy industry. And the thermoelectricity is the main energy in the Electricity industry .Until the end of 2006,power Electricity produce is 48405 kilowatt, occupied 77.82 percent in the entire capacity. So thermoelectricity energy plays an important role in our country which is a developing country.

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 protective relaying detailed in theory and comparing with the power plant, 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 following the new criterion of electric engineering-enchiridion.

Key words：main electric connection design ；short current；electric equipment choice electric equipment layout；protective relaying

目录

1.前言 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2 原始资料介绍 (2)

1.3 设计原则和基本要求 (2)

2.电气主接线设计 (4)

2.1 电气主接线分析 (4)

2.2 两种主接线方案 (5)

2.3 方案的评定 (6)

2.4发电机的选择 (7)

2.5主变压器的选择 (7)

3.短路电流计算 (9)

3.1短路电流计算的目的 (9)

3.2短路计算原则 (9)

3.3短路电流计算的一般规定 (10)

3.4短路点选取 (10)

3.5短路电流计算 (11)

4.电气设备的选择及校验 (15)

4.1电气设备选择的原则 (15)

4.2 断路器的选择与校验 (16)

4.3 隔离开关的选择与校验 (17)

4.4 电压互感器的选择与校验 (18)

4.5 电流互感器的选择与校验 (20)

4.6 避雷器的选择 (22)

5.继电保护的配置方案 (23)

5.1 300MW发电机双绕组变压器组的保护配置 (23)

5.2 发电机的保护 (25)

5.3 短路保护 (25)

5.4 发电机接地保护 (26)

5.5 异常运行保护 (26)

5.6 母线保护 (26)

5.7 线路保护 (27)

5.8 220KV线路必需装设的保护 (27)

5.9 220KV线路接地保护 (28)

5.10 220KV线路相间距离保护 (28)

6. 部分保护整定计算 (28)

6.1 发电机的整定计算 (28)

总结 (31)

参考资料 (32)

致谢 (33)

1.前言

1.1课题背景

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满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·h，人均占用发电装机容量仅为0.6kW；我国第二产业用电比重为76.49%，第三产业为9.78%，生活用电比重为11%。由此可见，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。

我国近些年电力需求持续上升，2003年增速达到15%左右，大大超过GDP的增长幅度。由于需求的高速增长，全国2002年有12个省、市、区，2003年有21个省、市、区先后出现缺电局面，对经济发展和人民生活带来了一定影响，电力供应不足已成为国民经济发展的制约瓶颈。

时至今日电力供应仍然十分紧张，据最新统计，1月到4月份全国社会用电量同比增长了16.1%，其中4个省增长30%以上，发电厂、变电站和输电线路几乎都在满负荷极限运行，发生大面积停电事故的概率加大。由于电力系统的备用容量不足，一些发电机组处于满负荷运行，给电网运行的安全带来一定的隐患。

正是基于以上所有的考虑，在能源中心建设一批骨干发电厂,改“输煤为输电”是非常必要的，它将缓解该地区乃至整个电网的供需不平衡。而且借着“振兴东北老工业基地”的东风，我国的国民经济水平一定会达到一个新的高度。

本次的设计题目是：4*300MW发电厂电气部分初步设计（励磁系统），主要是进行电气主接线设计，通过方案比较确定主接线方案，选择发电机和主变压器；厂用电设计，选择厂用变压器；通过短路电流计算，进行主要电气设备选择及校验，然后是励磁系统设计，发电机主保护设计以及配电装置设计；通过此次设计，使学生对自己所学专业知识在临近毕业前进行一次检验和巩固，同时利用自己所掌握的知识初步的设计出一个符合实际的能够安全运行的电厂。

通过本次设计，对大中型发电厂有一个全方位的了解和认识，将所学的理论知识与实际相结合，在巩固自己的所学的专业知识的同时，也使自己更能胜任今后的工作。

1.2 原始资料介绍

1 凝汽式发电厂建设的规模

（1）装机容量：装机4台，总容量为12000MV A。

T=6500h/a。

（2）机组年利用小时数取

max

（3）环境条件：发电厂所在最高温度+40℃，年平均温度+8℃，气象条件一般无特殊要求（台风、地震、海拔等）。

（4）厂用电率：10%

2 电力负荷及电力系统的连接情况：

（1）220KV电压级，架空线路4回与系统相连。

（2）其中线路长度分别是2*200KM；2*150KM。

（3）当取基准容量为100MV A时，系统归算到200KV母线上电抗为0.267。

1.3 设计原则和基本要求

1．发电厂电气主接线是电力系统接线的重要组成部分。它表明了发电机、变压器、线路、断路器等其它电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输

电和配电的任务。电气主接线的设计直接关系到全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置安装，关系到电力系统的安全、稳定和经济运行。

2．电气主接线设计的原则依据

（1）发电厂在电力系统中的地位和作用：电力系统中的发电厂有大型主力电厂、中小型地区电厂及企业自备电厂类型。大型主力火电厂靠近煤矿或沿海、沿江，并接入330-500KV 超高压系统，地区电厂靠近城镇，一般接入110-220KV系统；企业自备电厂则以对本企业供电供热为主，中小型电厂常有发电机电压馈线向附近供电。

（2）发电厂的分期和最终建设规模：发电厂的机组容量，应根据电力系统规划容量、负荷增长速度和电网结构等因素进行选择，最大机组的容量以占系统总容量的8～10%为宜。一个厂房内的机组，其台数以不超过6台、容量等级以不超过两种为宜。

（3）负荷的大小和重要性：①一级负荷必须有两个独立电源供电且当任何一个电源失去后，保证全部一级负荷不间断供电；②二级负荷一般有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，保证全部或大部分二级负荷供电；③三级负荷只需一个电源供电。

（4）系统备用容量大小：系统中需要有一定的发电机装机备用容量。运行备用容量不宜少于8～10%，以适应负荷突增、机组检修和故障停运三种情况。系统备用容量的大小将会影响运行方式的变化。设计主接线时，应充分考虑这个因素。

（5）发电厂电气主接线方案的选择，主要决定发电厂的类型、工作特性、发电厂的容量、发电机和主变压器的台数和容量。

（6）发电厂建设规模应根据电力系统5-10年发展规划进行设计。

3．主接线应该满足可靠性，灵活性，经济性三项要求。

1、可靠性

供电可靠性是指电力生产和分配的要求。主接线应满足这个要求：

（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电。

（2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间。并且对一次负荷全部或大部分二次负荷供电。

（3）尽量避免发电厂，变电所全部停运的可能性。

（4）大机组超高压电气主接线应满足可靠性特殊要求

2、灵活性

主接线应满足在调度，检修及扩建时的灵活性：

(1)调度时应可以灵活的接入和切除发电机，变压器和线路。调配电源和负荷，满足系统在

事故运行方式，检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。

（2）检修时可以方便的停运断路器，母线及其继电保护设备。进行安全检修。

（3）扩建时，可以容易的从初期接线过渡到最终接线。

3、经济性

主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。

（1）投资省

a.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，避雷器等一次设备；

b.要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆；

c.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；

d.如能满足系统安全运行及继电保护要求，110KV及以下终端可采用简易电器。

（2）占地面积小

主接线设计要为配电装置创造条件，尽量使占地面积减少。

（3）电能损失少

经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量，要避免因两次变压而增加电能损失，此外在系统规划设计中，要避免建立复杂的操作枢纽，为简化主接线，发电厂、变电所接入系统的电压等级一般不超过两种。

2.电气主接线设计

2.1 电气主接线分析

单元接线

其是无母线接线中最简单的形式，也是所有主接线基本形式中最简单的一种，此种接线方法设备更多。

1) 本设计中机组容量为300MW，所以发电机出口采用封闭母线，为了减少断开点，可不装断路器。这种单元接线，避免了由于额定电流或短路电流过大，使得选择断路器时，受到制造条件或价格甚高等原因造成的困难。

2）单母线分段带专用旁路断路器的旁路母线接线

优点：在正常工作时，旁路断路器以及各出线回路上的旁路隔离开关，都是断开的，旁路母线不带电，通常两侧的开关处于合闸状态，检修时两两互为热备用；检修QF时，可不停电；可靠性高，运行操作方便。

缺点：增加了一台旁路断路器的投资。

3）单母分段线分段断路器兼作旁路断路器的接线

优点：可以减少设备，节省投资；同样可靠性高，运行操作方便；

4）双母线接线

优点：供电可靠，调度方式比较灵活，扩建方便，便于试验。

缺点：由于220KV电压等级容量大，停电影响范围广，双母线接线方式有一定局限性，而且操作较复杂，对运行人员要求高。

5）双母线带旁路母线的接线

优点：增加供电可靠性，运行操作方便，避免检修断路器时造成停电，不影响双母线的正常运行。

缺点：多装了一台断路器，增加投资和占地面积，容易造成误操作。

2.2 两种主接线方案

方案一：

图2-1 方案一接线

方案二：

图2-2 方案二接线

2.3 方案的评定

由原始资料可知,设计为大型火电厂,其机组容量为4*300MW,最大单机容量300MW,年利用小时数为6500h,在电力系统中承担主要负荷,从而该厂主接线设计务必着重考虑其可靠性。发电机出口电压为18KV,采用单元接线。要根据多方面进行考虑，比较方案的可靠性、灵活性和经济性。

表2-1 方案比较表

结论：两个方案的灵活性、可靠性相差不大，这时就要对两个方案的经济性做出比较，从占地面积和投资比较，方案二的占地面积较小，投资较少。方案二明显比方案一的经济性好，所以选择方案二。

2.4发电机的选择

对于300MW及以上发电机组:一般与双绕组变压器组成单元接线,主变压器的容量和台数与发电机容量配套选用.

故查得4台发电机型号为QFS-300-2

表2-2 发电机参数表

2.5主变压器的选择

主变压器的容量、台数直接影响主接线的形和配电装置的结构，它的选择除依据基本料外，还取决于输送功率的大小与系统联系的紧密程度，同时兼顾发电机电压负荷增长速度等方面，并根据电力系统5~10年发展规划综合分析，合理选择，否则将造成经济技术的不合理。

2.5.1 容量和台数的确定

1、发电厂主变压器容量的确定

本电厂发电机变压器采用单元接线，变压器容量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。

2、主变压器台数的确定

⑴与系统有强联系的大、中型电厂和枢纽变电厂，在一种等级电压下，主变压器应不少于两台。

⑵与系统联系较弱的中、小型电厂和低压侧电压为6~10kV的变电所或与系统联系只是备用性质时，可只装一台主变压器。

⑶对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设三台主变压器。

根据以上确定条件可以选择火力发电厂主变压器，此外，带负荷调压变压器，可以在不停电的情况下调节分接头，调整电压值，并且在以下情况下比普通变压器合理：

⑴具有可送工作特点；

⑵功率潮流变化较大；

⑶发电机常在低功率因数下运行。

除此之外，一般宜选用普通分接头变压器。当综合考虑继电保护、通讯干扰和系统发展因素进行分析比较后，如果技术经济合理时，可选用全星形连接的变压器，否则仍应选用普通星角连接组别的变压器。

参照《电力工程电气设计手册》可知，发电机变压器单元接线时,变压器容量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：

(1) 1.1 1.1cos N P K S ??-?=?=?发电机额定有功功率（1-厂用电率）发电机功率因数

所以采用发电机—变压器单元接线，每台发电机配一台变压器。

2.5.2 型式的选择

1.相数

容量为300MW 及以下机组单元接线的主变压器和330kV 及以下电力系统中，一般都选用三相变压器。

2.绕组和结构

由于机组只有一种220kV 升高电压与系统连接，所以采用双绕组变压器。

绕组连接方式必须和系统相位一致，否则不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式大多采用Y 型和D 型。对于220kV 高压侧，采用YN 连接，发电机出口采用D 连接。

3.变压器型号的确定

已知:G P =300MW, cos 0.85?=.

1﹟、2﹟、3#，4#双绕组变压器（220KV ）:

N S =1.1NG P (1-P K )/cos 0.85?=

=1.1×300(1-10﹪)/0.85=349.47（MV A ）

查得其主变压器型号为：SFP-360000/220

表2-3 变压器参数表

3.短路电流计算

3.1短路电流计算的目的

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，不仅要考虑系统在正常状态下的运行情况，还应考虑系统发生故障时的运行情况及故障产生的后果等。电力系统短路是各种系统故障中出现最多，情况最为严重的一种。所谓短路，就是指电力系统中一切不正常的相与相或相与地（指中性点直接接地系统）在电气上被短接。短路电流计算的目的是：

（1）电气设备选择和校验。

（2）确定中性点接地方式。

（3）选择继电保护装置和进行整定计算。

在发电厂和变电所的电气设计中,短路电流计算是其中的一个重要环节。其计算的目的主要有以下几个方面:

（1）在选择电气主接线时，为了比较各种方式接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。

（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。

（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路电流为依据。

（5）接地装置的设计，也需用短路电流。

3.2短路计算原则

短路电流实用计算中,采用以下假设条件和原则：

（1）正常工作时,三相系统对称运行；

（2）所有电源的电动势相位角相同；

（3）系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体

120电气角度；

集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间位置相差0

（4）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁心的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；

（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；

（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；

（7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；

（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；

（10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；

（11）输电线路的电容略去不计；

（12）用概率统计法指定短路电流运算曲线。

3.3短路电流计算的一般规定

（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。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，应考虑具有反馈作用的异步电动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为最大的地点。

（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，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况计算。

高压短路电流计算一般只计各元件的电抗，采用标幺值计算。

3.4短路点选取

根据本厂主接线的特点,厂用变压器和备用变压器等值电抗的不同,以及选择设备的要求,

选择两个短路点作为短路计算的短路点,这两个短路点位置为:

(1)d —1在220KV 母线上.

(2)d —2在1#发电机的出口.

3.5短路电流计算

4# 3# 1# 图3-1 短路电流等值电路图

1．电力设备参数计算

(1) 1#、2#、3#、4#号发电机电抗标么值计算:

已知: S b =100MVA 、P G =300MW cos 0.85?= d

x ''=0.3 1b d n

s x x s ''==1000.30.0850.85

?= %21*14.3100*0.0397100100360K b n U S x xT S ==

=?= (2)1#发电机提供的短路电流

110.3n js b

S x x S =?= 查表得：*0 3.603I = *0.2

2.785I = * 2.347I ∞=

b I =

10.8n N b b S I I KA S =?== *0010.8 3.60338.9n I I I KA =?=?=

*0.20.210.8 2.78530.1n I I I KA =?=?=

*10.8 2.34725.35n I I I KA ∞∞=?=?=