青海大学 发电厂电气部分课程设计.docx

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青海大学发电厂电气部分课程设计

发电厂电气部分

课程设计

题目：

4×10MW火电厂电气主接线设计姓名：

瑜

学号：

1300303030

年级：

13级电机班

专业：

电气工程及其自动化

学院系别：

水利电力学院

完成日期：

2016年6月4日

大学课程设计任务书

学生

瑜

专业、班级

电气工程及其自动化

13级电机班

指导教师

严晋青

学号

1300303030

课程（设计）题目：

4×10MW火电厂电气主接线设计

课程（设计）主要容：

本次课程设计将4×10MW火电厂电气主接线设计与所学专业理论知识紧密结合起来，按照现行的电气工程设计规、规程并结合工程实际具体情况，完成规程规所要求的电气主接线设计容和深度。

要求完成的主要任务：

1、对提供原始资料进行分析，查找有关规程规和参考资料。

2、对发电机侧、升高电压侧接线方案分别进行比较。

3、确定变压器台数、容量及其形式。

4、确定最优的电气主接线方案。

5、主要电气设备的选择，以及厂用工作电源和备用电源的引接方案。

5、汇总设计成果，完成设计论文。

指导教师签名：

学生签名：

年月日

学院教研室意见：

教研室主任签名：

2010年月日

4×10MW火电厂电气主接线设计

摘要

电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的主要环节。

电气主接线代表了发电厂或变电站高电压、大电流的电气部分主体结构，是电力系统网络的重要组成部分。

它直接影响电力生产运行的可靠性，灵活性同时对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式等诸多方面都有决定性的关系。

课程设计中笔者主要介绍了4台10MW的火电厂电气系统的设计，容包括电气主接线的设计，变压器台数、容量的选择，主要电气设备的选择，并根据所给出的原始资料拟定三种电气主接线方案，然后对这三种方案进行可靠性、经济性和灵活性比较后，保留一种较合理的方案，最后通过定量的技术经济比较之后确定了最终的最优设计方案。

关键词：

火电厂，电气主接线，短路电流，配电装置，电气设备选择，继电保护

ABSTRACT

Themainelectricalwiringisthefirstpartofpowerplantandsubstationelectricaldesign,alsoformthemainpartofpowersystem.Themainelectricalwiringonbehalfofthepowerplantortransformersubstationelectricalpartofthemainstructureofhighvoltage,largecurrent,isanimportantpartofpowersystemnetwork.Itdirectlyaffectsthereliabilityofelectricpowerproduction,flexibilityaswellastheelectricalequipmentselection,powerdistributionequipmentlayout,relayprotectionandautomaticdeviceandcontrolmodehasmanyaspects,suchasthedecisiverelations.

Thiscoursedesignmainlyintroducesfour10MWheat-engineplantelectricalsystemdesign,includingthemainelectricalwiringdesign,thecapacityoftransformerstationschoice,thechoiceofthemainelectricalequipment,andonthebasisofelectricpowerdesignmanualtodeterminethefinaloptimaldesignscheme.

KEYWORDS：

heat-engineplant,themainelectricalwiring,short-circuitcurrent,powerdistributionequipment,electricalequipmentselection,relayprotection

绪论

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，其发展水平是反映国家经济发达程度的重要标志，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。

在高速发展的现代社会中，电力工业在国民经济中的作用已为人所共知，不仅全面的影响国民经济及其它部门的发展，同时也极影响人民的物质和文化生活水平的提高，影响整个社会的进步。

随着国民经济的持续发展，人民的生活质量和生活水平不断提高家用电器越来越多的进入千家万户，人们对用电质量的要求越来越高。

并且电力系统的发展电网结构越来越复杂。

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。

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，据我国国情，以及社会经济的发展需要，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。

要积极加强我国电力总体性的规划与布局，确定合理可靠的的电源结构和布局。

同时要留有充足的容量和能量作为后期储备，建成容量充足，结构合理可靠、运行灵活性强的联合式电力系统。

为了防于未然，必须积极采取必要的防措施。

要确保联合式电力系统的安全、稳定运行，为国民经济的正常运转与人民的正常的生活需求提供充足、可靠、优质和廉价的电能。

第1章原始资料及分析

1.1原始资料

设计火电厂总装机容量为4×10MW，一期建成发电机型号为TS425/94-28，额定容量为10MW，额定电压UN=10.5KV，额定功率因数COS

N=0.8；设计电站通过60km双回线路与系统相连，连接至系统110kv侧，该电站设备年利用小时数4500小时，厂用电率1%，该电站近区负荷最大功率按8MW考虑，其它环境条件，均按照理想条件设计。

1.2原始资料分析

1.2.1工程情况

根据设计任务书所提供的资料可知：

该电厂装机容量为4×10MW，额定容量为10MW，为一小型电站，不担任重要负荷的供电，对设计的可靠性、安全性、灵活性等没有很严格的要求。

其地形条件限制不严格，但从节省用地考虑，尽可能使其布置紧凑，便于运行管理。

目前，火电厂可分为地方性火电厂和区域性火电厂两大类。

地方性火电厂，通常建设在城市附近或工业负荷中心。

随着我国近年来为提高能源利用率和环境保护的要求，对小火电实行关停的政策，当前在建或运行的地方性火电厂多为热力发电厂，以推行热电联产，在为工业和民用提供蒸汽和热水热能的同时，生产的电能大部分都用发电机电压直接馈送给地方用户，只将剩余的电能以升高电压送往电力系统。

这种靠近城市和工业中心的发电厂，由于受供热距离的限制，一般热电厂的单机容量多为中小型机组。

通常，它们的电气主接线包括发电机电压接线形式及1—2级升高压级接线形式，且与系统相连接。

区域性火电厂，通常建在煤炭生产基地附近，为凝气式火电厂，一般距负荷中心较远，电能几乎全部用高压或超高压输电线路送至远方，担负着系统的基本负荷，装机容量1000MW以上，单机容量为200MW以上，目前在建工程以600MW为主力机组，新近相继投入1000MW超临界压力蒸汽机组。

本次设计电厂为4×10MW，额定容量为10MW，为一小型电站，不担任重要负荷的供电，对设计的可靠性、安全性、灵活性等没有很严格的要求。

其地形条件限制不严格，但从节省用地考虑，尽可能使其布置紧凑，便于运行管理。

该电厂设备年利用小时数为4500h/n，在3000-5000围之，故该电厂主要承担腰荷。

综上，在设计中要充分分析所给的原始资料，同时结合实际的情况，做到设计的方案满足可靠性、安全性、经济性等基本要求。

1.2.2负荷情况

发电机出口侧电压为10.5KV，有近区负荷，通过60km双回线路与系统相连，连接至系统110kv侧。

1.2.3环境条件

其它气象环境无其他要求，可按照理想条件设计。

第2章电气主接线方案设计

2.1电气主接线基本要求

（1）可靠性：

安全可靠是电力生产的主要任务，保证供电可靠是电气主接线的基本要求。

电气主接线必须保证供电的可靠性，应分别按各类负荷的重要程度安排相应可靠程度的接线方式。

保证电力系统正常运行。

（2）灵活性：

电气系统接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。

满足操作的方便性，调度的方便性以及扩建的方便性，保证能将符合质量要求的电能送给用户。

（3）经济性：

在设计主接线的时候，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。

通常设计应满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。

其中包括：

节省一次投资；占地面积尽可能少；电能损耗尽可能小。

2.2发电机侧主接线方案设计

2.2.1单母线分段接线——首选方案

（1）、优点：

母线分段断路器和近区馈电线路都加装电抗器，也可以限制发电机母线短路电流。

近区馈电线路均采用电缆线路，避免雷电直击线路影响发电机。

接线方式相对简单，设备少，投资少。

（2）缺点：

只有一条母线，供电可靠性较差，运行方式也不灵活。

（3）适用围：

一般只是适用于在出现回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站。

2.2.2双母线分段接线——备用方案

（1）特点：

有两组母线，并且可以互为备用。

每一个回路经过一组断路器和两组隔离开关，分别接在两条母线上，两组母线之间增设母联断路器及配套使用的隔离开关。

（2）优点：

发电机由于带近区负荷，采用双母线分段接线，母线分段断路器和近区馈电线路都加装电抗器，以限制发电机母线短路电流。

还可缩小母线故障的停电围，每段工作母线用各自的母联断路器与备用母线相连，电源和出线回路均匀的分布在两端工作母线上。

分段处加装电抗器，有效的限制了短路电流，可靠性和灵活性提高。

（3）缺点：

接线复杂，设备增多，配电装置投资增加。

（4）适用围：

进出线回数较多，容量较大，出线带电抗器的6～10KV配电装置；35～60KV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110KV出线为6回及以上时；220KV出线数为4回及以上时。

2.2.3单母线接线

（1）优点：

结构简单，操作简便，投资少见效快，运行费用低，较适用于小容量和用户对可靠性要求不高的场所。

（2）缺点：

可靠性差，母线或断路器检修时，所有回路都要停止运行，调度不方便，不能分列运行，线路侧发生短路时有较大的短路电流。

综合考虑供电的安全可靠性、运行灵活性和经济性，并结合该电厂的实际情况，发电机侧最总选用双母线接线形式，两组母线互为备用，供电可靠，调度灵活。

2.3升高压侧主接线方案设计

2.3.1双母线分段带旁路母线接线——首选方案

（1）优点：

带旁路母线的双母线接线，用旁路断路器代替检修中的回路断路器工作，使该回路不致停电。

可靠性高，调度方便，便于扩建。

（2）缺点：

增加了投资，只用于出线侧，经济性较差，操作较复杂。

2.3.2双母线接线——备用方案一

（1）特点：

有两组母线，并且可以互为备用。

每个回路经过一组断路器和两组隔离开关，分别接在两条母线上，两组母线之间增设母联断路器配套使用的隔离开关。

（2）优点：

运行方式灵活。

检修母线时，电源和出线都可以继续工作，不会中断对用户的供电；检修任一回路母线隔离开关时，只需断开该回路；工作母线故障时，所有回路能迅速恢复工作；检修任一线路断路器时，可用母联断路器代替其工作；便于扩建。

双母线接线可以任意向两侧延伸扩建，不影响母线的电源和负荷分配，扩建施工时不会引起原有回路停电。

（3）缺点：

接线复杂，设备增加，投资较大；倒闸操作复杂，接线保护复杂。

2.3.3单母线分段带旁路母线接线——备用方案二

（1）特点：

单母线用分段断路器QFD进行分段，当一段母线发生故障时，分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电。

并且有了旁路母线，检修与它相连的任意回路的断路器时，该回路便可以不停电，从而提高了供电的可靠性。

（2）优点：

有了旁路母线，检修与它相连的任意回路的断路器时，该回路便可以不停电，从而提高了供电的可靠性，广泛应用于重要负荷系统中。

（3）缺点：

带有专用旁路断路器的接线，加装了价高的断路器和隔离开关，增加了投资。

综合考虑供电的安全可靠性、运行灵活性和经济性，并结合该电厂的实际情况，升高电压侧最总选用单母线分段带旁路接线接线，供电可靠，调度灵活，检修方便。

第3章变压器台数、容量及其型式的确定

3.1变压器容量和台数的确定原则

主变压器的容量、台数直接影响电气主接线的形式和配电装置结构。

它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统5～10年来的发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等诸多因素，进行综合分析和合理选择。

如果变压器容量选的过大、台数过多，不仅增加投资、增大占地面积，而且也增加了运行电能的损耗，设备未能充分发挥其效益；若容量选的过小，将可能封锁发电机剩余功率的传输或满足不了变电站负荷的需要，这在技术上是不合理的，因为每千瓦的发电设备投资远大于每千瓦变电设备的投资。

因此,确定合理的变压器的容量是变电站安全可靠供电和网络经济运行的保证。

根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量,对于有重要负荷的变电站,应考虑当一台主变停运时,其余变压器容量在计及过负荷能力的允许时间,应保证用户的一级和二级负荷,对一般变电站,当一主变停运时,其他变电器容量应能保证全部负荷的70%-80%。

3.2变压器型式和结构的选择原则

（1）相数:

容量为300MW及以下机组单元接线的主变压器和330KV及以下的电力系统，一般都应选用三相变压器。

（2）绕组数与结构：

机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，但三绕组变压器的每个绕组的通过容量应达到该变压器额定容量的15%以上，否则绕组未能充分利用，反而不如选用2台双绕组变压器在经济上更加合理。

此外，在一个发电厂或变电站中采用三绕组变压器台数一般不多于3台，以免由于增加了中压测引线的构架，造成布置的复杂和困难。

（3）绕组联接组号：

在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制三次谐波对电源的影响等因素，主变压器联接组号一般都选用YNd11常规接线。

3.3变压器台数、容量及其型式和结构的选定

综合以上信息和原始资料分析，结合相关的规程规，最终确定，主变压器选用两台三相双绕组变压器，互为备用。

①单元接线中的主变压器容量SN应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10％的裕度选择

SN=1.1PNG（1-KP）/COS

N

PNG——发电机容量；COS

N——发电机额定功率因数；KP——厂用电率。

SN=1.1PNG（1-KP）/COS

N=54.45MW

②接于发电机电压母线与升高电压母线之间的主变压器容量SN按下列条件选择。

当发电机电压母线上的负荷最小时，应能将发电厂的最大剩余功率送至系统。

SN=【1.1PNG（1-KP）/COS

N-Pmin/COS

N】/n

PNG——发电机电压母线上的发电机容量之和MW；

Pmin——发电机电压母线上的最小负荷MW；

cos——负荷功率因数；n——发电机电压母线上的主变压器台数。

若发电机电压母线上接有2台及以上主变压器，当负荷最小且其中容量最大的一台变压器退出运行时，其它主变压器应能将发电厂最大剩余功率的70％以上送至系统。

SN=【1.1PNG（1-KP）/COS

N-Pmin/COS

N】/（n-1）

自耦变压器：

连接两个电压等级的联络变压器，其低压绕组兼做厂用电的备用电源和启动电源。

第4章主要电气设备的选择

4.1断路器的选择

4.1.1断路器的作用与原理

断路器按其使用围分为高压断路器和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。

低压断路器又称自动开关，俗称＂空气开关＂也是指低压断路器，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。

它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。

4.1.2断路器的分类

按操作方式分：

有电动操作、储能操作和手动操作。

按结构分：

有万能式和塑壳式。

按使用类别分：

有选择型和非选择型。

按灭弧介质分：

有油浸式、真空式和空气式。

按动作速度分：

有快速型和普通型。

按极数分：

有单极、二极、三极和四极等。

按安装方式分：

有插入式、固定式和抽屉式等。

4.1.3断路器具体参数的选择

根据断路器的工作条件，对发电机出口侧断路器作出如下计算：

（1）、额定电压UNUN≥USN=10.5KV，

（2）、额定电流ININ≥ImaxP=10MW

发电机最大持续工作电流Imax=1.05IN

=1.05

=721.71A

综合以上计算数据，选择断路器为：

型号

额定电压（KV）

额定电流

（A）

额定开断电流（KA）

极限通过电流（KA）

SN10-10II/1000

10KV

721.71

31.5

80

分析原始资料，最终决定选用SF6断路器，升高压侧的断路器工作电压应大于110KV。

110KV断路器的选择：

（1）、额定电压UNUN≥USN=110KV，

（3）、额定电流ININ≥ImaxP=40MW

其中最大持续工作电流Imax=1.05IN

=1.05

=275.56A

综合以上计算数据，选择断路器为：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

额定开断电流（KA）

极限通过电流（KA）

SW3-110G/1200

110KV

275.56A

15.8

41

另外，不管是发电机侧还是升高压侧的断路器都要进行开断电流和短路关合电流的计算，同时还要根据实际运行情况进行动稳定和热稳定的校验。

综上所述：

电压等级

型号

额定电流（A）

额定开断电流（KA）

极限通过电流（KA）

10.5KV

SN10-10II/1000

721.71

31.5

80

110KV

SW3-110G/1200

275.56A

15.8

41

4.2隔离开关

4.2.1隔离开关的作用与原理

隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，顾名思义，是在电路中起隔离作用的它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。

刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。

隔离开关的工作特点是在有电压，无负荷电流情况下分合线路。

其主要功能为以下三点：

（1）、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。

（2）、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，协同操作完成。

（3）、分，合小电流。

因隔离开关具有一定的分，合小电感电流和电容电流的能力，故一般可用来进行以下操作：

分、合避雷器、电压互感器和空载母线；分、合励磁电流不超过2A的空载变压器；关合电容电流不超过5A的空载线路。

4.2.2隔离开关具体参数的选择

根据隔离开关的选择要求，对发电机出口侧隔离开关进行计算：

（1）、额定电压UNUN≥USN=10.5KV，

（2）、额定电流ININ≥ImaxP=10MW

发电机最大持续工作电流Imax=1.05IN

=1.05

=721.71A

综合以上计算数据，选择断路器为：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

极限通过电流（KA）

GN6-10/1000-80

10KV

721.71

80

110KV隔离开关的选择：

（2）、额定电压UNUN≥USN=110KV，

（4）、额定电流ININ≥ImaxP=40MW

其中最大持续工作电流Imax=1.05IN

=1.05

=275.56A

综合以上计算数据，选择断路器为：

型号

额定电压（KV）

额定电流（A）

极限通过电流（KA）

GW4-110D/1000-80

110

275.56

52

分析原始资料，最终决定选用GW系列户外高压隔离开关，特别注意，因为隔离开关不具有灭弧作用，因此在高压系统中不能对其带电流开合，必须配合高压断路器进行倒闸操作，升高压侧的隔离开关选择要求与发电机侧一致，但是要注意升高压侧的额定工作电压应该大于110KV，并进行相应的动稳定和热稳定校验。

综上所述：

电压等级

型号

额定电流（A）

极限通过电流（KA）

10.5KV

GN6-10/1000-80

1000

80

110KV

GW4-110D/1000-80

275.56

52

4.3电压互感器

4.3.1电压互感器的作用与原理

电压互感器是一个带铁心的变压器。

它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。

当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。

改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。

电压互感器将高电压按比例转换成低电压，即100V，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。

4.3.2电压互感器的分类

（1）按安装地点可分为户式和户外式，35kV及以下多制成户式；35kV以上则制成户外式。

（2）按相数可分为单相和三相式，35kV及以上不能制成三相式。

（3）按绕组数目可分为双绕组和三绕组电压互感器，三绕组电压互感器除一次侧和基本二次侧外，还有一组辅助二次侧，供接地保护用。

（4）按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式和充气式，干式浸绝缘胶电压互