电气工程课程设计.docx
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电气工程课程设计
目录
摘要
1、引言
2、原始资料
3、系统与负荷资料分析
4、电气主接线
4.1发电机组的选择
4.2变压器的选择与计算
4.2.1变压器的选择原则
4.2.2主变压器的选择
4.3主接线方案的选择
4.3.1主接线的方案的选择依据
4.3.2主接线方案的拟定
4.3.3主接线方案的比较和选择
5、短路电流计算
5.1短路电流计算的目的
5.2短路电流计算的条件
5.3短路电流计算
6、电气设备的选择与校验
6.1
摘要
课程设计是对所学知识的一次综合性运用,能够加深我们对基础知识的理解,为以后的工作打下良好基础。
本设计严格遵循发电厂电气部分的设计原则,主要介绍了发电厂电气一次部分设计的基本知识,包括设计原则、步骤和计算方法等。
通过对电气主接线的设计和计算、短路电流的计算、电气设备的选择和校验以及继电保护装置的设计,简要完成了对所给(2×50+125MW)发电厂的电气一次部分的设计。
关键词:
火力发电厂;电气部分;供配电;主接线设计。
1、引言
在高速发展的现代社会中,电力工业在国民经济中有着重要作用,它不仅全面地影响国民经济其他部门的发展,同时也极大的影响人民的物质与文化生活水平的提高。
一、设计在工程建设中的作用
设计工作是工程建设的关键环节。
做好设计工作对工程建设的工期、质量、投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益,起着决定性作用。
设计是工程建设的灵魂。
设计的基本任务是,在工程建设中贯彻国家的基本建设方针和技术经济政策,做出切合实际、安全实用、技术先进、综合效益好的设计,有效的为电力建设服务。
二、设计工作应遵循的主要原则
1.遵守国家的法律、法规,贯彻执行国家的经济建设方针、政策和基本建设程序,特别应贯彻执行提高综合经济效益和促进技术进步的方针
2.要运用系统工程的方法从全局出发,正确处理中央与地方、工业与农业、城市与乡镇、近期与远期、技改与新建、生产与生活、安全与经济等方面的关系。
3.要根据国家规范、标准与有关规定,结合工程的不同性质、要求,从实际情况出发,合理确定设计标准。
4.要实行资源的综合利用,节约能源、水源,保护环境,节约用地等。
三、设计的基本程序
设计要执行国家规定的基本建设程序。
工程进入施工阶段后,设计工作还要配合施工、参加工程管理、试运行和验收,最后进行总结,从而完成设计工作的全过程。
2、原始资料
(1)待建电厂容量2×50+125MW,Tmax=6500h,厂用电率5%,该厂容量的20%供给本市负荷;10KV负荷18MW,35KV负荷27MW,其余容量都汇入地区电网,接入系统情况如图:
95km双回线LGJ-150
大系统:
110KV断路器开端容量3500MVA。
清泉变电所:
最大负荷50+j20MVA,Tmax=5000h;最小负荷为最大负荷的60%。
石岗变电所:
最大负荷60+j29MVA,Tmax=5800h;最小负荷为最大负荷的60%。
水电厂:
2台60MW水轮机组(自选型号),厂用电率2%。
(2)气象资料
海拔高度:
60米。
年平均气温:
15℃。
最热月平均气温:
28℃。
年最低气温:
-8℃。
(3)设计任务
1、选定火电厂发电机、变压器的型号、参数等,经过技术、经济比较,确定电器主接线;
2、对火电厂高、中、低压母线进行短路计算(短路电流计算曲线);
3、选择导体及主要电气设备,并选择一个电压等级进行校验;
4、对125MW发电机组的主变压器进行继电保护的配置(主保护、后备保护)。
3、系统与负荷资料分析
设计电厂为火电厂,其容量为2×50+125=225MW,共三个发电机组,其最大单机容量为125MW,当电厂全部机组投入运行后,将占电力系统总容量225/(3500+225)=6.04%,从年利用小时看,该厂年利用小时数位6500h/a>5000h/a,又为火电厂,在电力系统中将主要承担基荷,说明该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要。
因此,该厂主接线要求有较高的可靠性;从负荷特点及电压等级可知,该厂具有10KV、35KV和110KV三级电压负荷。
10KV、35KV供本市用电,最大的输送功率为45MW,说明对其可靠性有一定的要求,对35KV拟采用单母带旁路母线接线形式;110KV电压等级供入电网,最大输送功率为175MW,送出本厂最大可能的电力为185-225×5%=173.75MW,其可靠性要求较高,为保证检修出线断路器不致对该回路断电,所以拟采用双母线接线形式。
4电气主接线
4.1发电机组的选择
本次设计是火电厂的设计,所以应选用汽轮式发电机。
下面给出汽轮式发电机的定义:
汽轮式发电机是用汽轮机驱动的发电机。
由锅炉产生的过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功,使叶片转动而带动发电机发电,做功后的废汽经凝汽器、循环水泵、凝结水泵、给水加热装置等送回锅炉循环使用。
本电厂容量2×50+125=225MW,因此要用到2个50MW的和1个125MW的发电机,故结合设计手册分别选出选合适的发电机,电机类型如下:
50MW的发电机:
TQQ-50-2
125MW的发电机:
QFS-125-2
发电机的主要参数:
发电机型号
额定容量(MW)
功率因数
额定电压
(KV)
额定电流
(A)
(%)
TTQ-50-2
50
0.8
10.5
E
0.1347
QFS-125-2
125
0.85
13.8
6150
0.18
水电厂2×60MW机组选择(不要求)
4.2变压器的选择与计算
4.2.1变压器的选择原则
(1)单元接线的主变压器容量的确定原则
单元接线时变压器容量应按发电机的田定容量扣除本机组的厂用负荷后,留有l0%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两台机容量之和来确定。
(2)具有发电机电压母线接线的主变压器容量的确定原则
连接在发电机电压母线与系统之间的主变压器的容量,应考虑以下因素:
a.当发电机全部投入运行时,在满足发电机电压供电的日最小负荷,并扣除厂用负荷后,主变压器应能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。
b.当接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或故障时,主变压器应能从电力系统倒送功率,保证发电机电压母线上最大负荷的需要。
c.若发电机电压母线上接有两台或以上的主变压器时,当其中容量最大的一合因故退出运行时,其它主变压器在允许正常过负荷范围内,应能输送母线剩余功率的70%以上。
d.对水电比重较大的系统。
由于经济运行之要求,应克分利用水能。
在丰水期,有时可能停用火电厂的部分或全部机组,以节省燃料。
此时,火电厂主变压器应具有从系统倒送功率的能力,以满足发电机电压母线上最大负荷的要求。
4.2.2主变压器的选择
发电机—变压器单元接线中的主变容量应按发电机额定容量扣除本机组厂用电后,留有10%的裕度来确定。
主变容量一般按变电所建成后5~10年的规划负荷来进行选择,并适当考虑远期10~20年的负荷发展。
根据本设计具体情况,2台50MW和125MW机组的主变容量分别计算如下:
其中
为发电机的额定容量,5%为厂用电,
为发电机功率因数。
查《电气工程电气设备手册》选定主变型号为三绕组SFSZ7-75000/110,其主要参数如下:
额定容量KVA
连接组号
额定电压KV
空载电流
损耗
75000
YN
n0
d11
高压:
121±2×2.5%
中压:
38.5
低压:
10.5
1.3
短路385
空载80
2
选定主变型号为双绕组SSPL-150000/110,其主要参数如下:
额定容量KVA
连接组号
额定电压KV
短路电压
空载电流
损耗
63000
YN
yn0
d11
高压:
121±2×2.5%
低压:
10.5
10.57
0.8
短路291.48
空载65.4
4.3主接线方案的选择
4.3.1主接线方案的选择依据
电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体,它反映各设备的作用、连接方式和回路的相互关系。
所以,由相关文献可知它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、自动装置和控制方式的确定,对电力系统的安全、经济运行起着决定的作用。
概括地说包括以下三个方面:
(1)运行的可靠
断路器检修时是否影响供电;设备和线路故障检修时,停电数目的多少和停电时间的长短,以及能否保证对重要用户的供电。
(2)具有一定的灵活性
主接线正常运行时可以根据调度的要求灵活的改变运行方式,达到调度的目的,而且在各种事故或设备检修时,能尽快地退出设备。
切除故障停电时间最短、影响范围最小,并且再检修在检修时可以保证检修人员的安全。
(3)操作应尽可能简单、方便
主接线应简单清晰、操作方便,尽可能使操作步骤简单,便于运行人员掌握。
复杂的接线不仅不便于操作,还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。
但接线过于简单,可能又不能满足运行方式的需要,而且也会给运行造成不便或造成不必要的停电。
(4)经济上合理
主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上,还应使投资和年运行费用小,占地面积最少,使其尽地发挥经济效益。
(5)应具有扩建的可能性
由于我国工农业的高速发展,电力负荷增加很快。
因此,在选择主接线时还要考虑到具有扩建的可能性。
4.3.2主接线方案的拟定
方案一容量为125WM的发电机通过双绕组变压器组成单元接线连接在110KV母线上,两台50WM的发电机通过三绕组变压器分别接到110KV和35KV母线上,发电机出口到变压器采用双母线分段接线(有专用旁路断路器);110KV采用双母带母线断路器;35KV电压等级采用单母分段带旁路接线形式;10KV电压等级直接为发电机的出口电压,通过双母分段输出到市内。
如图1所示。
图2.1方案一主接线图
方案二容量为125WM的发电机通过双绕组变压器组成单元接线连接在110KV母线上,两台50WM的发电机通过三绕组变压器分别接到110KV和35KV母线上,发电机出口到变压器采用双母线分段接线。
110KV电压等级采用双母带旁路;35KV电压等级采用单母分段接线形式;10KV和方案一一样,直接和发电机出口电压相连接。
如图2所示。
4.3.3主接线方案比较与选择
总结两种主接线方式如表:
主接线方案
电压等级
方案一
方案二
10KV
双母分段
双母分段
35KV
单母分段带旁路
单母分段
110KV
双母分段带母线断路器
双母分段带旁母
两种接线方式的比较如下表:
主接线方案比较
方案
项目
方案一
方案二
可
靠
性
①35kv检修出线断路器而不中断该回路供电。
②110kv双母分段带母线断路器,检修时能正常供电。
①35kv当一段母线隔离开关发生故障或检修时该段母线上的所有回路都要长时间停电。
②110kv和方案一可靠性差不多。
灵
活
性
①35KV调度灵活,相对较复杂。
②110调度灵活,多种运行方式。
①35kv调度灵活,相对简单。
②110KV较复杂。
经
济
性
①35kv相对投资较大。
②110kv利用母线断路器兼作旁落开关,以节省投资。
相对占地面积少。
①35KV投资较小。
②110KV占地面积大,投资大。
通过对系统与负荷资料分析以及方案一二的对比可知,方案一较优于方案二,故采用方案一。
5、短路电流计算
5.1短路电流计算的目的
在发电厂和变电所电气设计中,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,为了比较各种接线方案,或确定某一接线是否需要采用限制短路电流的措施,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状况下都能安全、可靠的工作。
同时又力求节约资金,这就需要按短路情况进行全面校验。
(3)在设计屋外高压配电装置时,需按短路条件校验软导线相间和相对地安全距离。
(4)在选择继电保护方式和进行整定计算,需以各种短路时的短路电流为依据。
(5)接地装置的设计,也需用短路电流。
5.2短路电流计算的条件
1.基本假定:
(1)正常工作时,三相系统对称运行
(2)所有电流的电动势相位角相同
(3)电力系统中所有电源均在额定负荷下运行
(4)短路发生在短路电流为最大值的瞬间
(5)不考虑短路点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
(6)不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流
(7)元件的技术参数均取额定值,不考虑参数的误差和调整范围
(8)输电线路的电容略去不计
2.一般规定
(1)验算导体电器的动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流,应按本工程设计规划容量计算,并考虑电力系统远景的发展计划。
(2)选择导体和电器用的短路电流,在电器连接的网络中,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影响。
(3)选择导体和电器时,对不带电抗回路的计算短路点,应选择在正常接线方式时短路电流最大地点
(4)导体和电器的动稳定、热稳定和以及电器的开断电流,一般按三相短路计算。
5.3系统短路电路的计算
系统的等效电路图:
X17
G5
G4
X5
X4
X6
X7
d2
X15
110kv
35kv
d4
d3
G3
G1
X3
10kv
X13
X14
X8
X10
X11
d1
X12
X9
X2
X1
G2
X16
计算短路电流为:
选取基准值:
.
发电机电抗:
变压器电抗:
架空线电抗:
大系统:
令
然后分别对各短路点求短路电流:
(1)当d1点短路时,等效电路图:
d1
35KV
X23
X22
X21
10.5KV
X19
G1G2
G3
X20
X17
S
110KV
X16
X18
G4G5
简化得:
将
,得到:
35kv
d1
X22
X20
X26
X25
X24
G3
G1G2
S
G4G5
当为0.2s时;查运算曲线表得:
多个电源共同经过一个电抗向短路点提供短路电流:
X17
X17
X17
.
(2)当d2点短路时,等效电抗图如下:
110kv
d2
X18
X17
X16
X20
X27
G4G5
G3
G1G2
有:
将由
、
、
组成的Y型连接转化成△型,得到最终的简化电抗图如下:
110kv
d2
X29
X28
X20
X27
S
G4G5
G3
G1G2
当0.2S时,查运算曲线表得:
(3)当d3点短路时,电抗图如下:
d3
10.5kv
110kv
G1G2
X19
X30
X20
X29
X27
S
G3
G4G5
当0.2S时,查运算曲线表得:
(4)当d4点短路时,简化电抗图如下:
d4
S
X29
X28
X27
X8
X3
G3
G4G5
G1G2
当0.2S时,查运算曲线表得:
6、电气设备的选择与校验
正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。
在进行电器选择时,应根据工程实际情况,在保证安全、可靠的前提下,积极而稳妥地采用新技术,并注意节省投资,选择合适的电气设备。
尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样,具体选择方法也不完全相同,但对它们的基本要求确是一致的。
电气设备要可靠地工作,必须按正常工作条件进行选择,并按短路状态来校验动、热稳定性。
本设计,电气设备的选择包括:
断路器和隔离开关的选择,电流、电压互感器的选择、导线的选择。
6.1电气设备选择的一般规则
(1)应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求,并考虑远景发展。
(2)应按当地环境条件校核。
(3)应力求技术先进和经济合理。
(4)与正个工程的建设标准应协调一致。
(5)同类设备应尽量减少品种。
(6)用新的产品均应有可靠的试验数据,并经正式鉴定合格。
6.2电气选择的技术条件
6.2.1按正常工作条件选择电器
(1)额定电压和最高工作电压
所选用的电器允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压,即
Ualm≥Usm。
一般电器允许的最高工作电压:
当额定电压在220KV及以下时为1.15UN;额定电压是330~500KV时是1.1UN。
而实际电网的最高运行电压Usm一般不会超过电网额定电压的1.1UNs,因此在选择电器时,一般可按电器额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNS的条件选择,即UN≥UNs
(2)额定电流
电器的额定电流IN是指在额定周围环境温度下,电器的长期允许电流。
IN不应该小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax,即IN≥Imax
由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时,出力保持不变,故其相应回路的Imax为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍;若变压器有过负荷运行可能时,Imax应按过负荷确定;母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax;母线分段电抗器的Imax应为母线上最大一台发电机跳闸时,保证该段母线负荷所需的电流,或最大一台发电机额定电流的50%~80%;出线回路的Imax除考虑正常负荷电流外,还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。
此外,还与电器的装置地点、使用条件、检修和运行等要求,对电器进行种类和形式的选择。
(3)按当地环境条件校核
在选择电器时,还应考虑电器安装地点的环境(尤须注意小环境)条件,当气温,风速,温度,污秽等级,海拔高度,地震列度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件时,应采取措施。
我国目前生产的电器使用的额定环境温度θ0=+40℃,如周围环境温度高于+40℃(但≤+60℃)时,其允许电流一般可按每增高1℃,额定电流减少1.8%进行修正,当环境温度低于+40℃时,环境温度每降低1℃,额定电流可增加0.5%,但其最大电流不得超过额定电流的20%。
6.2.2按短路情况校验
(1)短路热稳定校验
短路电流通过电器时,电器各部分的温度应不超过允许值。
满足热稳定的条件为:
It2t≥Qk
式中Qk—短路电流产生的热效应
It、t—电器允许通过的热稳定电流和时间。
(2)电动力稳定校验
电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力,亦称动稳定。
满足动稳定条件为:
Ies≥Ish
式中Ish—短路冲击电流有效值;
Ies—电器允许的动稳定电流的有效值;
6.2.3电气设备选择的技术条件
选择的高压电器,应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。
同时,所选择导线和电气设备应按短路条件下进行动、热稳定校验。
各种高压设备的一般技术条件如表
序号
电器名称
额定电压KV
额定电流A
额定容量KVA
机械荷载N
额定开断电流A
热稳定
动稳定
绝缘水平
1
断路器
是
是
是
是
是
是
是
2
隔离开关
是
是
是
是
是
是
3
电流互感器
是
是
是
是
4
电压互感器
是
是
是
是
是
是
6.3电气设备的选择
6.3.1断路器的选择
断路器的选择,除满足各项技术条件和环境条件外,还应考虑到要便于安装调试和运行维护,并经济技术方面都比较后才能确定。
根据目前我国断路器的生产情况,电压等级在10KV~220KV的电网一般选用少油断路器,而当少油断路器不能满足要求时,可以选用SF6断路器。
1、选择1号和2号发电机的出口断路器:
额定电流的选择:
IN≥IMAX=
额定电压的选择:
查表可选型号为SN10-10Ⅲ型少油断路器:
型号
额定电压
额定电流
开断电流
断流容量
动稳电流
分闸时间
合闸时间
SN10-10III
10KV
3000A
40KA
750MVA
125KA
0.07S
0.2S
2、选择1号和2号主变压器的断路器:
(1)低压入口
额定电压的选择:
额定电流的选择:
A
查表可选型号为SN4—10G/5000型少油断路器
型号
UN
IN
INbr
ies
It
t
tin
SN4—10G/5000
10KV
5000A
105KA
300KA
120KA
5S
0.15S
(2)35kv出口处断路器:
额定电压的选择:
额定电流的选择:
查表可选型号为SN10-35Ⅱ型少油断路器:
型号
额定电压
额定电流
开断电流
断流容量
动稳电流
分闸时间
合闸时间
SN4-35II
35KV
1250A
20KA
50KA
0.06S
0.25S
(3)110kv出口处断路器:
额定电压的选择:
额定电流的选择:
查表可选型号为SW4—110/1000型户外少油断路器:
:
型号
UN
IN
INbr
ies
It
t
tin
SW4—110/1000
110KV
1000A
18.4KA
55KA
21KA
5S
0.06S
3、选择3号主变压起的断路器
额定电压的选择:
额定电流的选择:
查表可选型号为SW4—110/1000型户外少油断路器:
型号
UN
IN
INbr
ies
It
t
tin
SW4—110/1000
110KV
1000A
18.4KA
55KA
21KA
5S
0.06S
4、选择35KV出线回路的断路器:
已知:
35kv负荷37MW,出线回路为4回,设其功率因数为0.9。
额定电压的选择:
额定电流的选择:
查表可选型号为SW2—35/1000型户外少油断路器:
型号
UN
IN
INbr
ies
It
t
tin
SW2—35/1000
35KV
1000A
24.8KA
63.4KA
24.8KA
4S
0.06S
5、选择110kv出线回路的断路器:
已知:
110kv负荷180MW,出线回路为四回,其功率因数为0.9。
额定电压的选择:
额定电流的选择:
查表可选型号为SW4—110/1000型户外少油断路器:
型号
UN
IN
INbr
ies
It
t
tin
SW4—110/1000
110KV
1000A
18.4KA
55KA
21KA
5S
0.06S
6.3.2隔离开关的选择
选择条件:
(1)额定电压的选择:
UN≥UNS(电网工作电压)
(2)额定电流的选择:
IN≥Imax(最大
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