发电厂课程设计.docx

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发电厂课程设计

青岛科技大学

自动化与电子工程学院

发电厂电气部分课程设计

学院：

自动化与电子工程学院

专业班级：

电气工程及其自动化101班

姓名：

郭浩

学号：

31

时间：

2013。

7

设计任务书

设计题目：

地区电力网规划及发电厂电气部分设计

1、电源情况

某市拟建一座火电厂，容量为

取6500h。

该厂部分容量的30％供给本市负荷:

10KV负荷16MW，其余容量都汇入地区电网，供给地区负荷.同时，地区电网又与大系统相连。

地区原有水电厂一座,容量为

取4000h;没有本地负荷，全部供出汇入地区电网。

2、负荷情况

地区电网有两个大型变电所：

清泉变电所负荷为50+j30MVA，Tmax取5000h。

石岗变电所负荷为60+j40MVA，Tmax取5800h.

（均有一、二类负荷，均占66%,最小负荷可取60％）

3、气象数据

本地区年平均气温15℃，最热月平均最高气温28℃.

4、地理位置数据

见上图（图中1cm代表30km）.数据如下：

①石岗变；②水电厂；③新建火电厂；④清泉变；⑤大系统。

5、设计内容

（1）根据所提供的数据,选定火电厂的发电机型号、参数，确定火电厂的电气主接线和升压变压器台数、型号、容量、参数.

（2）制定无功平衡方案，决定各节点补偿容量.

（3）拟定地区电网接线方案。

可初定出两个比较合理的方案参加经济比较.

（4）对火电厂内高、中、低三个电压等级母线进行短路电流计算。

（5）选择火电厂电气主接线中的主要设备，并进行校验

6、设计成果

（1）设计计算说明书一份,要求条目清楚、计算正确、文本整洁.

（2）地区电网最大负荷潮流分布图一张，新建火电厂电气主接线图一张。

设计说明书

1、确定火电厂和水电厂的发电机型号、参数……………...。

....。

.。

。

.。

。

。

.。

。

3

2、通过技术经济比较确定地区电网接线方案.。

.。

。

。

。

。

.。

..。

.。

。

.。

.。

。

......。

。

。

。

。

...。

..4

3、确定发电厂的电气主接线…………………………………………。

。

5

3。

1火电厂电气主接线的确定……………………………………………………..5

3。

2水电厂电气主接线的确定……………………………………………………..6

4、确定发电厂的主变压器……………………………………………。

.7.

4.1火电厂主变压器的选择………………………………………………………..7

4。

2水电厂主变压器的选择………………………………………………………..7

5、短路电流水平及电气设备的选择和校验

设计计算书

1、发电厂主变压器容量的选择………………………………………。

。

8

1.1火电厂主变压器容量的选择…………………………………….。

……………8

1.2水电厂主变压器容量的选择……………………………………………。

。

……8

2、地区电网接线方案1的计算（辐射网）…………………………..。

9

2。

1地区电网接线方案1的功率平衡计算………………………………………。

。

。

9

2.2地区电网接线方案1的架空线路导线型号初选…………………………….12

2。

3地区电网接线方案1的导线截面积校验…………………………………。

。

13

2。

4地区电网接线方案1的总投资和年运行费用………………………………。

19

3、地区电网接线方案2的计算（环网）……………………………。

20

3。

1地区电网接线方案2的功率平衡计算………………………………………20

3。

2地区电网接线方案2的架空线路导线型号初选……………………………。

22

3。

3地区电网接线方案2的导线截面积校验……………………………………。

22

3。

4地区电网接线方案2的总投资和年运行费…………………………………。

24

4、通过技术经济比较确定最佳方案…………………………………25

变电站课程设计中的问题总结………………………………………。

26

设计体会………………………………………………………………。

28

设计说明书

1。

确定火电厂和水电厂的发电机型号、参数

发电厂是电能的生产单位,电能由发电机发出,经升压变压器升压后送到电网供用户使用。

发电机是电厂的主要设备,也是及其昂贵的设备。

因此在设计中要对发电机进行保护设计，避免故障等原因损坏发电机。

发电机按原动机分类可分类为：

汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机及燃气轮发电机。

按冷却方式可分为外冷式和内冷式发电机。

按冷却介质可分为空气冷却发电机、氢气冷却发电机、水冷却发电机及油冷却发电机等。

按结构特点分为凸极式和隐极式发电机.

同步发电机的额定参数有：

（1）额定功率：

发电机在规定条件下运行时，连续输出的最大电功率，单位为千瓦或兆瓦.

（2）额定电压：

发电机在正常运行时钉子绕组的标称电压,单位为V或KV，通常带有6.3KV、10.5KV、13。

8KV等。

（3）额定电流:

发电机在额定条件下运行时,流过定子绕组的标称线电流，单位为A或KA。

（4）额定转速:

转子正常运行时的转速，单位为r/min。

（5）额定频率：

我国规定频率为50HZ。

（6）额定效率:

发电机在额定状态下运行的效率。

发电机的容量越大，效率越高.（7）额定温升：

运行中，发电机的定子绕组和转子绕组允许比环境温度升高的度数。

（8）额定功率因数：

在额定功率下，额定电压与额定电流之间相位差的余弦值.

根据设计任务书，拟建火电厂容量为汽轮发电机50MW2台、125MW1台;水电厂容量为水轮发电机60MW2台。

确定汽轮发电机型号、参数见表1—1，水轮发电机型号、参数见表1—2

表1-1汽轮发电机型号、参数

型号

额定容量

（MW）

额定电压

（KV）

额定电流

（A）

功率因数

COSΦ

次暂态电抗

台数

QF—50-2

50

10。

5

3440

0.85

0.124

2

QF-125—2

125

13.8

6150

0.8

0.18

1

表1—2水轮发电机型号、参数

型号

额定容量

（MW）

额定电压

（KV）

额定电流（A）

功率因数

次暂态电抗

Xd

台数

SF60—96/9000

60

13。

8

2950

0.85

0。

270

2

2。

通过技术经济比较确定地区电网接线方案

根据地理位置，可拟出多个地区电网接线方案.根据就近送电、安全可靠、电源不要窝电等原则,初步选出两个比较合理的方案,进行详细的技术经济比较。

方案1:

如图2.1所示,火电厂以双回线分别送电给石岗变电所和大系统；水电厂以双回线送电给清泉变电所，以单回线送电给大系统.所有线路均选用110KV。

方案2：

如图2.2所示，火电厂仍以双回线分别送电给石岗变电所和大系统；水电厂则以单回线分别送电给清泉变和大系统，同时再以单回线连接大系统和清泉变,形成3点单环网。

所有线路均选用110KV.

图2。

1方案1接线图

图2.2方案2接线图

经过输电线选择计算和潮流计算，两个设计方案在技术上都可行,再对这两个方案进行详细的技术、经济比较。

在对设计方案进行经济性能比较时，有时要用抵偿年限来判断。

抵偿年限的含义是：

若方案1的工程投资小于方案2的工程投资，而方案1的年运行费用却大于方案2的年运行费用，则由于方案2的运行费用的减少，在若干年后方案2能够抵偿所增加的投资。

一般，标准抵偿年限T为

年（负荷密度大的地区取较小值；负荷较小的地区取较大值）。

当T大于标准年限时，应选择投资小而年费用较多的方案：

反之，则选择投资多而年费用较少的方案。

在本设计中方案1的工程投资小于方案2的工程投资：

Z2—Z1=13392–12207=1185（万元）

而方案1的年运行费用也小于方案2的年运行费用：

U2—U1=3553-3454.5=98.5（万元）

本设计中方案1总投资和年运行费用都少于方案2.方案1不仅技术可行,经济上也比方案2合理,因此，不需要采用抵偿年限来判断。

最终选取方案1作为本地区电网最佳接线方案经济指标比较见表1—3。

表1-3方案的经济比较

方案

线路总长度

（km）

线路总投资

（万元）

线路年电能损耗

（万元）

年运行费用

（万元）

1

582

12207

2600

3454。

5

2

517

13392

2615.6

3553

3。

确定发电厂的电气主接线

电气主接线是由高压电器通过连接线按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络。

用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为电气主接线图.主接线代表了发电厂或变电所电气部分主体结构,是电力系统网络结构的重要组成部分.

3。

1火电厂电气主接线的确定

（1）50MW汽轮发电机2台，发电机出口电压为10。

5KV.10KV发电机电压母线采用双母线分段接线方式，具有较高的可靠性和灵活性.

（2）125MW汽轮发电机1台，发电机出口电压为13.8KV，直接用单元接线方式升压到110KV，110KV侧采用双母线接线,运行可靠性高,调度灵活方便。

（3）10KV发电机电压母线接出2台三绕组升压变压器,其高压侧接入110KV母线，其中压侧为35KV，选用单母线接线方式。

图1-3火电厂电气主接线简图

3.2水电厂电气主接线的确定

水电厂有60MW水轮发电机2台，发电机出口电压为13.8KV。

直接用单元接线方式升压到110KV，110KV侧选用内桥接线方式，经济性好且运行方便.

4。

确定发电厂的主变压器

4.1火电厂主变压器的选择

选用1台125MW发电机采用150MVA双绕组变压器直接升压至110KV;2台50MW发电机采用2台63MVA三绕组变压器升压至35KV和110KV。

两台变压器可以互为备用。

火电厂主变压器型号、参数见表4-1

表4—1火电厂主变压器型号、参数

名称

型号

额定容量

（KVA）

额定电压（KV）

阻抗电压（%）

台数

高压

中压

低压

高—中

高-低

中—低

三绕组变压器

S—FPSL7-6300/110

6300

121

38．5

10．5

17

10.5

6.5

2

双绕组变压器

SSPL-150000/110

150000

121

13．8

12.68

1

4。

2水电厂主变压器的选择

水电厂水轮发电机为2台60MW，全部以110KV供本地系统。

考虑到供电可靠性的要求,采用两台双绕组变压器.

水电厂主变压器型号、参数见表4-2。

表4-2水电厂主变压器型号、参数

名称

型号

额定容量

（KVA）

额定电压（KV）

阻抗电压

（%）

台数

高压

低压

双绕组变压器

SSPL-90000/110

90000

121

13.8

10.5

2

5、短路电流水平

对优选法案1的火电厂内110KV（K1点）、35KV（K2点）、10KV（K3点）三级电压母线进行了短路电流的计算,计算出系统在最大运行方式下的三相短路电流,为电气设备的选择和校验提供依据。

为了使一般10KV出线断路器能选为轻型断路器，例如SN10-101/630型，需要安装10Kv出线电抗器.当电抗器后K4点短路，其短路电流被大大限制了。

短路电流计算结果汇总见下表

系统最大运行方式下三相短路电流汇总表

短路点

0s短路电流周期分量I”

4s短路电流I1

短路冲击电流

110KV（K1点）

8.9

6.6

23。

1

35KV（K2点）

12.8

9.4

33。

7

10KV（K3点）

91

51

243

10KV（K4点）

5。

14

5.2

13

6、主要电气设备的选择和校验

1、110kv断路器及隔离开关的选择

以110kv双母线的母联断路器及其两侧隔离开关为例,列表检验如下表所示。

110kv断路器及隔离开关的校验

项目

计算数据

断路器（FAI）

隔离开关（GW4-110）

合格与否

额定电压

UN110KV

UN110KV

UN110KV

√

额定电流

IK·max787A

IN2500A

IN2000A

√

开路电流

I”8。

9KA

Ibx40KA

√

动稳定

iNh23。

1KA

imax100KA

imax80KA

√

热稳定

I2tcq

Ith2t407×4

Ith2t31.52×4

√

2、35kv断路器及隔离开关的选择

以35kv单母线的进线断路器及其两侧隔离开关为例,列表检验如下表所示。

3、l0kV断路器及隔离开关的选.择

安装于不同地点的l0kV断路器所承受的短路电流差别很大，故应仔细区分.

（1）G1发电机出口断路器及其隔离开关。

列表校验如下表所示。

（2）l0kV出线断路器及其限流电抗器。

K4点短路时，全部短路电流都会流过出线断路器及其电抗器

轻型断路器SN10—l0I/630的开断能力为16kA〉5。

14kA（合格）

断路器SN10-l0I/630的动稳定电流为40kA>13kA（合格）

断路器SNlO—l0I/630的热稳定数据为162×2〉5.22×2（合格）

电抗器NKL—10-300—4的动稳定电流为19.1KA>13KA（合格）

电抗器NKL-10-300—4的热稳定数据为17.452>5.22×1（合格）

设计计算书

1发电厂主变压器容量的选择

1.1火电厂主变压器容量的选择

火电厂共有汽轮发电机3台。

其中50MW2台，125MW1台。

（1）125MW发电机采用双绕组变压器直接升压至110KV。

按发电机容量

选择配套的升压变压器：

故125MW发电机输出采用容量为150000KVA的双绕组变压器,变比为13.8/121,型号为SSPL—150000/110，具体参数见表2—3。

（2）10KV母线上有16MW供本市负荷，同时厂用电取为5％，则通过两台升压变压器的总功率为：

两台50MW发电机剩余容量采用两台三绕组变压器输出,两台变压器应互为备用，当一台检修时，另一台可承担70％的负荷，故每台变压器容量计算如下：

选用两台容量相近的63000KVA三相绕组变压器，变比为10。

5/38.5/121，型号为SFPL7-63000/110,具体参数详见表1-1。

1。

2水电厂主变压器容量的选择

水电厂每台水轮发电机为60MW，拟采用发电机—双绕组变压器单元式接线,直接升压至110KV输出.水电厂厂用电很少，仅占容量的1%。

按发电机容量选择变压器：

选用两台容量为90000KVA的双绕组变压器输出，变比为13.8/121,型号为SFP7—90000/110。

2.地区电网接线方案1的计算

2。

1地区电网接线方案1的功率平衡计算

（1）石岗变电所

石岗变电所负荷功率为：

则功率因数

按要求应当采用电容器将功率因数补偿到0。

9以上:

解得

即经电容QC补偿后，石岗变电所所需功率变为：

石岗变电所补偿电容容量至少为:

火电厂拟采用双回线供电给石岗变，线路末端每一回路的功率为：

火电厂供石岗变电所线路首端,每一回路的功率初步估算为：

（2）清泉变电所

清泉变电所负荷功率为：

则功率因数

按要求应当采用电容器将功率因数补偿到0。

9以上。

设用电容将功率因数补偿到0。

93

解得

经电容补偿后，清泉变电所实际负荷为：

清泉变补偿电容容量为：

水电厂拟以双回线供电给清泉变，每回路末端功率为：

线路首端每一回线的功率初步估算为：

（3）水电厂

水电厂输出有功功率：

水电厂一般无附近电荷，因此可设其运行功率因数为较高值，以避免远距离输送无功.

令水电厂110KV出口处：

则输出视在功率为：

输出无功功率为:

水电厂输出功率为:

水电厂分别向大系统和清泉变两个方向供电。

水电厂双回线向清泉变供电,线路首端每一回线的功率初步估算为：

水电厂多余功率拟以单回线送往大系统。

则送往大系统的功率为:

（4）火电厂

火电厂需要分别向石岗变电所和大系统两个方向供电。

火电厂厂用电取为总容量的5％以10KV供出16MW，以35KV供出26MW,其余容量汇入110KV系统.

火电厂以110KV外送总有功功率为：

令其运行功率因数为:

则外送总视在功率为：

外送总无功功率为：

火电厂以110KV外送总功率为：

火电厂供石岗变电所总功率.火电厂供石岗变电所线路首端双回线总功率估算为:

火电厂送大系统总功率.火电厂送大系统总功率为：

火电厂拟以双回线送往大系统,线路首端每一回线的功率为：

（5）大系统

火电厂送给大系统的总功率为：

水电厂送给大系统的总功率为：

火电厂、水电厂送至大系统的功率合计为：

2。

2地区电网接线方案1的架空线路导线型号初选

（1）火电厂→石岗变电所

由于火电厂至石岗变电所采用双回路,因此每条线路上总功率和电流为：

，查软导线经济电流密度图，得

则其经济截面为：

试取最接近的导线截面为

，选取LGJ—210/35钢芯铝绞线。

（2）火电厂→大系统

火电厂至大系统采用双回路，每条线路上的总功率和电流为：

，查软导线经济电流密度图，得

则其经济截面为：

取导线截面为

，选取LGJ—300/50钢芯铝绞线.

（3）水电厂→清泉变电所

水电厂至清泉变电所采用双回路,每条线路上的总功率和电流为：

，查导线经济电流密度图，得

则其经济截面为：

取导线截面为150mm2，选取LGJ—150/25钢芯铝绞线.

（4）水电厂→大系统

水电厂经单回路送往大系统

，查导线经济电流密度图,得J=1.28A/mm2则其经济截面为：

取导线截面为240mm2,选取LGJ-240/50钢芯铝绞线。

2.3地区电网接线方案1的导线截面积校验

（1）按机械强度校验导线截面积

为保证架空线路具有必要的机械强度，对于110KV等级的线路，一般认为不得小于35mm2。

因此所选的全部导线均满足机械强度的要求。

（2）按电晕校验导线截面积

根据下表可见，所选的全部导线均满足电晕的要求。

按电晕校验导线截面积

额定电压

（KV）

110

220

330

500

（四分裂）

750

（四分裂）

单导线

双分裂

导线外径

（mm2）

9。

6

21。

4

33。

1

相应型号

LGJ—50

LGJ-240

LGJ—600

2LGJ-240

4×LGJ—300

4×LGJQ—400

（3）按允许载流量校验导线截面积

允许载流量是根据热平衡条件确定的导线长期允许通过的电流。

所有线路都必须根据可能出现的长期运行情况作允许载流量校验。

进行这种校验时，钢芯铝绞线的允许温度一般去70℃，并取导线周围环境温度为25℃。

各种导线的长期允许通过电流如下表所示。

导线长期允许通过电流单位：

A

截面积（mm2）

标号

35

50

70

95

120

150

185

240

300

400

LJ

170

215

265

325

375

440

500

610

680

830

LGJ

170

220

275

335

380

445

515

610

700

800

按经济电流密度选择的导线截面积,一般都会比按正常运行情况下的允许载流量计算的面积大得多.

而在故障情况下，例如双回线中有一回线断开时，则有可能使导线过热.

根据气象资料，最热月平均最高气温为28℃，查得的允许载流量应乘以温度

修正系数：

①火电厂→石岗变（LGJ—210双回线）:

LGJ—210钢芯铝绞线允许载流量为586A，乘以温度修正系数后：

，合格.

当双回路断开一回，流过另一回路的最大电流为：

，仍小于温度修正后的允许载流量586A,合格。

LGJ-210/35导线满足要求，查得其参数（电阻,电抗，冲电功率）如下：

r1=0。

13Ω/km,x1=0。

388Ω/km，QCL=3.35Mvar/100km

②火电厂→大系统（LGJ-300双回线）：

LGJ—300钢芯铝绞线允许载流量为700A，乘以温度修正系数后：

700×0。

97=679〉273A，合格。

当双回路断开一回，流过另一回的最大电流为：

2×273=546A，仍小于允许载流量679A，合格

LGJ—300/50导线满足要求，查得其参数如下：

r1=0。

107Ω/km，x1=0.382Ω/km，QCL=3。

48Mvar/100km

③水电厂→清泉变（LGJ—150双回线）：

LGJ-150钢芯铝绞线允许载流量为445A，乘以温度修正系数后:

445×0.97=431.65A〉172A合格

当双回路断开一回，流过另一回的最大电流为:

2×172=344A,仍小于允许载流量431.65A，合格

LGJ—150/25导线满足要求，查得其参数如下：

r1=0。

21Ω/km,x1=0.403Ω/km,QCL=3.3Mvar/100km

④水电厂→大系统（LGJ—240单回线）:

LGJ-240钢芯铝绞线允许载流量为680A，乘以温度修正系数后：

680×0。

97=660A〉316A,合格。

LGJ—240/50导线满足要求,查得其参数如下：

r1=0.27Ω/km，x1=0。

409Ω/km，QCL=3.48Mvar/100km

（1）方案1线路的电能损耗

①火电厂→石岗变电所（双回线）

查表得:

则全年电能损耗：

②火电厂→大系统（双回线）：

，

查表得:

则全年电能损耗：

③水电厂→清泉变电所（双回线）:

查表得：

则全年电能损耗:

④水电厂→大系统（单回线）：

，

查表得：

则全年电能损耗：

⑤方案1的全年总电能损耗（仅限于线路损耗）:

（2）方案1线路投资

火电厂→石岗变电所：

LGJ-210/35双回110KV线路60km。

火电厂→大系统:

LGJ-300/50双回110KV线路80km。

水电厂→清泉变电所：

LGJ-150/25双回110KV线路90km。

水电厂→大系统:

LGJ-240/50单回110KV线路100km。

（3）方案1线路总投资：

线路造价为虚拟的，与导线截面成正比，同杆架设双回线系数取0。

9。

（4）方案1变电所和发电厂投资

方案1与方案2的变电所投资和发电厂投资均相同，设为

.

方案1的工程总投资为:

（5）方案1的年运行费用

维持电力网正常运行每年所支出的费用，称为电力网的年运行费用。

年运

行费用包括电能损耗费、小维修费、维护管理费。

电力网的年运行费可以按下式计算：

式中

为计算电价，元/

（此设计中电价取0。

52元/

）

ΔA为每年电能损耗,

；

Z为电力网工程投资，元；

PZ为折旧费百分数；

PX为小维修费百分数；

PW为维修管理费百分数。

电力网折旧、小修和维护管理费占总投资的百分数，一般由主管部门制定。

设计时可查表3—4取适当的值.

表3-4电力网的折旧、小修和维护费占投资的百分数单位：

%

设备名称

折旧费

小修费

维护管理费