发电厂电气部分课程设计报告.docx

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发电厂电气部分课程设计报告

发电厂电气部分课程设计报告

设计课题：

学院：

专业：

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

日期：

年月日

2×25MW+2×50MW火电厂主接线设计

学生：

指导教师：

摘要

本次设计是火电厂主接线设计。

该水电站的总装机容量为2×25MW+2×50MW=150MW。

高压侧为110Kv，四回出线与系统相连，发电机电压级有10条电缆出线，其最大输送功率为150MW，该电厂的厂用电率为10%。

根据所给出的原始资料拟定两种电气主接线方案，然后对这两种方案进行可靠性、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确定最终的电气主接线方案。

在对系统各种可能发生的短路故障分析计算的基础上，进行了电气设备和导体的选择校验设计。

在对发电厂一次系统分析的基础上，对发电厂的配电装置布置、防雷保护做了初步简单的设计。

此次设计的过程是一次将理论与实际相结合的初步过程，起到学以致用，巩固和加深对本专业的理解，建立了工程设计的基本观念，提升了自身设计能力。

关键字：

电气主接线，短路电流计算，设备选型，配电装置布置，防雷保护。

课程设计任务书

一、原始资料：

某新建地方热电厂，发电机组2×25MW+2×50MW，

，U=，发电机电压级有10条电缆出线，其最大综合负荷30MW，最小负荷20MW，厂用电率10%，高压侧为110KV，有4条回路与电力系统相连，中压侧35KV,最大综合负荷20MW，最小负荷15MW。

发电厂处于北方平原地带，防雷按当地平均雷暴日考虑，土壤为普通沙土。

系统容量2000MW，电抗值（归算到100KVA）。

二、设计内容：

a）设计发电厂的主接线（两份选一），选择主变的型号；

b）选择短路点计算三相对称短路电流和不对称短路电流并汇总成表；

c）选择各电压等级的电气设备（断路器、隔离开关、母线、支柱绝缘子、穿墙套管、电抗器、电流互感器、电压互感器）并汇总成表；

三、设计成果：

设计说明计算书一份；1号图纸一张。

设计时间：

两周。

第一部分设计说明书

第一章概述

课程设计的目的

本次课程设计为初步了解设计流程，建立设计项目的整体观念，融会贯通本学期所学知识，锻炼分析和解决实际工程问题的能力。

本课程设计的内容

1.2.1本次设计的主要内容

（1）、电厂分析及发电机、主变选择。

（2）、电气主接线设计。

（3）、短路电流计算。

（4）、选择短路点计算三相对称短路电流和不对称短路电流并汇总成表。

（5）、选择各电压等级的电气设备（断路器、隔离开关、母线、支柱绝缘子、穿墙套管、电抗器、电流互感器）并汇总成表。

1.2.2本次设计最终的设计成品

（1）、设计说明计算书一份。

（2）、主接线图一张。

第二章电气主接线设计

原始资料分析

2.1.1原始资料

发电机组2×25MW+2×50MW，

，U=，发电机电压级有10条电缆出线，其最大综合负荷30MW，最小负荷20MW，厂用电率10%，高压侧为110KV，有4条回路与电力系统相连，中压侧35KV,最大综合负荷20MW，最小负荷15MW。

发电厂处于北方平原地带，防雷按当地平均雷暴日考虑，土壤为普通沙土。

系统容量2000MW，电抗值（归算到100KVA）。

2.1.2原始资料分析

根据设计任务书所提供的资料可知：

该火电厂为小火电，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，拟定4台变压器。

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。

另外，周围的环境和气候对设备的选择的制约也不大。

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，做到设计的方案具有可靠性、安全性、经济性等。

电气主接线设计依据

电气主接线设计是火电厂电气设计的主体。

它与电力系统、枢纽条件、电站动能参数以及电站运行的可靠性、经济性等密切相关，并对电气布置、设备选择、继电保护和控制方式等都有较大的影响，必须紧密结合所在电力系统和电站的具体情况，全面地分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，通过技术经济比较，合理地选定接线方案。

电气主接线的主要要求为:

1、可靠性：

衡量可靠性的指标，一般是根据主接线型式及主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种接线形式的择优。

2、灵活性：

投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便、调度灵活。

3、经济性：

通过优化比选，工程设计应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗小。

主接线图

见附录图（a）；（b）

由于图（a）设计可靠性、灵活性、经济性皆强于图（b），故选择图（a）为主接线设计方案。

发电机的选择

由原始资料可知，需选用两台25MW发电机G3、G4，同时选择两台50MW发电机G1、G2。

查《电气工程手册》可知这两类发电机参数如下：

G1、G2的参数：

；X’’d2=；

G3、G4的参数：

；X’’d1=；

主变压器的选择

火电厂的厂用电较少（10%），且没有地区负荷，因此，选择主变压器的容量应大致等于与其连接的发电机容量。

水电厂多数担任峰荷，为了操作方便，其主变压器经常不从电网切开，因此要求变压器空载损耗尽量小。

2.5.1相数的选择

主变采用三相或单相，主要考虑变压器的可靠性要求及运输条件等因素。

根据设计手册有关规定，当运输条件不受限制时，在330KV及以下的电厂及变电所均选用三相变压器。

因为三相变压器比相同容量的单相变压器具有节省投资，占地面积小，运行过程损耗小的优点，同时本电厂的运输地理条件不受限制，因而选用三相变压器。

2.5.2绕组数量和连接方式的选择

（1）绕组数量选择：

根据《电力工程电气设计手册》规定：

“最大机组容量为125MW及以下的发电厂，当有两种升高电压向用户供电与或与系统相连接时，宜采用三绕组变压器。

结合本电厂实际，因而采用双绕组变压器。

（2）绕组连接方式选择：

我国110KV及以上的电压，变压器绕组都采用

连接，35KV一下电压，变压器绕组都采用

连接。

结合很电厂实际，因而主变压器接线方式采用

连接。

2.5.3普通型与自偶型选择

根据《电力工程电气设计手册》规定：

“在220KV及以上的电压等级才宜优先考虑采用自偶变压器。

自偶变压器一般作为联络变压器和连接两个直接接地系统。

从经济性的角度出发，结合本电厂实际，选用普通型变压器。

综上所述，需要两种容量的变压器：

20000KVA（两台台）和6300KVA（两台）。

结合本电厂实际，从经济性的角度出发，选择型式为：

110kV级三绕组电力变压器SFS9-20000/110和双绕组电力变压器SF9-6300/110。

第三章短路电流计算

短路电流计算的基本假设

（1）短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都相同电位。

（2）负荷只作近似估计，或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源，视具体情况而定。

（3）不计磁路饱和。

系统各元件的参数都是恒定的，可以用叠加原理。

（4）对称三相系统。

除不对称短路故障处不对称之外，实际系统都是对称的。

（5）忽略了高压线的电阻电容，忽略变压器的电阻和励磁电流，这就是说，发电机、输电、变电和用电的元件均匀纯电抗表示。

（6）金属性短路，即不计过度电阻的影响，认为过渡电阻为零的短路情况。

电路元件的参数计算

选取基准容量为150MVA，归算到100KV侧进行标么值计算。

具体的计算过程详见设计计算书。

网络变换与化简方法

综合运用Y—

变换，网络中间点消去法，对该电厂的接线与外界接线进行变换和简化。

具体的计算过程详见设计计算书。

短路电流实用计算方法

工程计算中短路电流的计算常采用实用曲线法，其计算步骤如下：

（1）选择计算短路点；

（2）画等值网络图；

A、选取基准容量

和基准电压

。

B、首先去掉系统中的所有负荷分支。

线路电容、各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗

。

C、将各元件电抗换算为同一基准的标么值电抗。

D、汇出等值网络图，并将各元件电抗统一编号。

E、化简等值网络：

为计算不同短路点的短路电流值，需要将等值网络分别化简为短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电流与短路点之间的电抗，即转移电抗

以及无限大电源对短路点的转移电抗

。

（3）求出计算电抗，

式中

为第i台等值发电机的额定容量。

（4）由运算曲线查出个电源供给的短路电流周期分量标么值（运算曲线只作到

）。

（5）计算无限大功率的电源供给的短路电流周期分量。

（6）计算短路电流周期分量有名值和短路容量。

（7）计算冲击电流。

（8）绘制短路电流计算结果表（表）。

具体的计算过程详见设计计算书。

第四章电气设备选择

电气设备选择的一般规定

选择与校验电气设备时，一般应满足正常工作条件及承受短路电流的能力，并注意因地制宜，力求经济，同类设备尽量减少品种，同时考虑海拔、湿热带、污秽地区等特殊环境条件。

本设计主要考虑温度和海拔两个环境因素。

4.1.1按正常工作条件选择

电器、电缆允许最高工作电压

不得低于该回路的最高运行电压

，即

；电器、导体长期允许电流

不得小于该回路的最大持续工作电流

，即

。

在计算发电机变压器回路最大持续工作电流时，应按额定电流增加5%。

这是考虑到在电压降低5%时，为确保功率输出额定，则电流允许超5%。

在选择导体、电器时，应注意环境条件：

1、选择导体、电器的环境温度一般采用表所列的数值。

表选择导线、电器时使用的环境温度

类别

安装起点

环境温度（

）

最高

最低

裸导体

屋外

最热月平均最高温度

屋内

该处通风设计温度。

无资料时，可取最热月平均最高温度加5

电缆

屋外电缆沟

最热月平均最高温度

年最低气温

屋内电缆沟

屋内通风设计温度。

无资料时，可取最热月平均最高温度

电缆隧道

屋内通风设计温度。

无资料时，可取最热月平均最高温度

电气

屋外

年最高温度

年最低气温

屋内电抗器

该处通风设计最高排风温度

屋内其它电器

该处通风设计温度。

无资料时，可取最热月平均最高温度加5

按《交流高电压电器在长期工作时的发热规程》规定：

电器使用在环境温度高于+40

（但不高于60

）时，环境温度没增加1

，建议较少额定电流%；当环境温度低于+40

，每低1

建议增加额定电流%，但最大过负荷不得超过额定电流的20%。

2、110KV及以下电器，用于海拔不超过2000米时，可选用一般产品。

4.1.2按短路条件校验

包括动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。

1、短路热稳定校验

式中：

—电器设备允许通过的热稳定电流及相应时间

—短路电流产生的热脉冲

计算

用下式：

式中：

、

、

—分别为短路发生瞬间、

短路切除时间、短路切除时间的短路电流周期性分量（KA）

—短路切除（持续）时间，为继电保护时间与断路器的全开断时间之和（S）

T—短路电流非周期分量等效时间，对于发电机出口可取～，发电厂升压母线取～，一般变电所取。

若切除时间大于1S,只需考虑周期分量。

2、短路动稳定校验

动稳定校验一般采用短路冲击电流峰值，当回路的冲击系数与设备规定值不同，而且冲击电流值接近于设备极限通过电流峰值时，需要校验短路全电流有效值。

校验条件：

或

式中：

—短路冲击电流峰值（KA）；

—短路全电流有效值（KA）；

—电器允许极限通过电流峰值（KA）；

—电器允许的极限通过电流有效值（KA）。

3、电器的开断电流校验时，电器的开断计算时间取主保护时间及断路器固有分闸时间之和。

这里，我们按最坏的情况考虑，主保护失灵，机端断路器取后备保护时间2S，其余的取4S。

4、《导体和电器选择设计技术规定》

“用熔断保护的导体和电器可不验算热稳定，除用有限流作用的熔断器保护者外，导体和电器的动稳定仍应验算。

”

断路器和隔离开关的选择和校验

断路器可按下表进行选择和校验

项目

额定电压

额定电流

开断电流

短路关合电流

热稳定

动稳定

断路器

应满足要求

应满足要求

因此，220KV处断路器的额定电压取220KV，最高工作电压选用252KV，额定电流选用1600A,开断电流选用40KA，最高工作电压选用26KV，额定电流选用1600A，开断电流选用。

采用LW11-110

隔离开关可按下表进行选择和校验

项目

额定电压

额定电流

热稳定

动稳定

隔离开关

应满足要求

应满足要求

采用GW7-220和GW5-110W，GM7-220额定电流为1250A，动稳定电流为80KA，GW5-110W额定电流为1600A，动稳定电流为80A。

电流互感器的选择和校验

根据相关规定，在机端和110kV及以上等级的互感器的接线均采用三相星型接线，设互感器离测量仪表的距离均为100m，厂用变进线互感器采用两相星型接线，设互感器离测量仪表的距离为40m。

选择步骤大致如下：

一、根据相关原始资料选择种类和型式。

二、一次回路额定电压和额定电流的选择。

三、准确级和额定容量的选择。

四、热稳定和动稳定的校验。

选择结果如下：

电压等级

型号

额定电流（A）

准确等级

热稳定倍数

动稳定倍数

二次负荷

110kV

LB-110

2000/1

40

100

第二部分设计计算书

第一章变压器选择计算

在此主接线设计中，共有4台变压器T1、T2、T3、T4。

T1、T2选用三绕组变压器，采用发电机有母线的接线方式；T3、T4选用双绕组变压器，采用单元接线方式。

首先，计算T1、T2两台三绕组变压器的容量，如下：

1.当母线上负荷最小，且两台发电机满发时：

则美台变压器的容量：

2==30940KVA；

又因为35KV侧最大供电容量为20MW，则每台承担10MW；

则中压绕组=10/ωSφ=；

在发电厂有两种升高电压的情况下，当机组容量为125MW以下时，一般采用三绕组变压器，但每个绕组的通过功率应达到变压器容量的15%以上。

所以：

35KV侧变压器绕组所占百分比为：

=%>15%满足要求。

2.当母线符合最小，且T1、T2退出时有：

根据上边计算结果应选20000KVA的变压器，选用型号为SFS9-20000/110，其参数如下：

额定容量（KVA）：

20000

额定电压（高/中/低）（KV）：

/

联机组号：

YNynod11

短路阻抗电压：

高中17-18

中低

高低

接下来对两台采用单元接线的双绕组变压器T3、T4进行容量计算：

查《电工手册》选定变压器型号为双绕组SF9-6300/110，参数如下：

额定容量（KVA）：

6300

连接组号：

YNd11

额定电压（KV）：

高压侧：

%

低压侧：

短路阻抗电压（%）：

第二章短路电流计算

2.1等值电抗图

根据主接线图画出计算短路电流等值电抗图，如下图：

2.2计算电抗

选取各设备电抗值的计算

选取SB=100MW；UB=Uav；

发电机G3、G4的X’’d1=；UB=；

则G3、G4的电抗：

X7=X10=

25=；

发电机G1、G2的X’’d2=；UB=；

则G1、G2的电抗：

X2=X4=

50=；

对绕组变压器T1、T2的电抗：

X1=X2=

63=

三绕组变压器T3、T4的电抗：

2.3d1点的短路计算

110kV母线短路点d1的短路电流计算：

2.3.1转移阻抗

系统对d1的转移阻抗：

XS=；

发电机组G1、G2对d1的转移阻抗：

X13=；

发电机组G3、G4对d1的转移电抗：

X34=X14+X15=

2.3.2计算电抗

系统：

发电机组G1、G2：

发电机组G3、G4：

2.3.3标幺值

有计算电抗查运算曲线的短路电流的标幺值：

；

；

；

2.3.4短路点总短路电流

2.4d2点的短路计算

35kV母线上短路点d2的短路电流计算:

2.4.1电抗图化简如下：

2.4.2转移电抗计算

2.4.3计算电抗计算

2.4.4标幺值计算

由计算电抗查运算曲线得短路电流的标幺值为：

；

；

；

2.4.5短路总电流

2.5d3的短路计算

母线短路电流d3的计算

2.5.1电抗图化简如下：

2.5.2转移阻抗计算

2.5.3计算电抗计算

2.5.4标幺值计算

由计算电抗运算曲线查得短路电流的标幺值为：

；

；

；

2.5.5短路总电流

短路电流汇总表

短路电流计算：

短路点

短路支路

基准容量

（MVA）

基准电压

（KV）

基准电流

（KA）

转移电抗

（标幺值）

计算电抗

（标幺值）

短路电流

（标幺值）

短路电流

（KA）

短路容量

（MVA）

发电机G1、G2

100

115

220

发电机G3、G4

100

490

系统S

100

115

发电机G1、G2

100

115

发电机G3、G4

100

505

系统S

100

115

发电机G1、G2

100

115

发电机G3、G4

100

490

系统S

100

115

220

附录

电气设备选择结果

断路器选择

电压等级

型号

UNS

IMax

I’’

Ish

QK

Ish

110kV

LW11-110

110

电压等级

型号

UN

IN

INbr

INU

It2（3s）

Ies

110kV

LW11-110

110

1600

40

100

100

隔离开关选择

电压等级

型号

UNS

IMax

QK

Ish

110

GW5-110W

110

电压等级

型号

UN

IN

It2（5s）

Ies

110

GW5-110W

110

1600

100

电流互感器选择

电压等级

型号

额定电流（A）

准确等级

热稳定倍数

动稳定倍数

二次负荷

110kV

LB-110

2000/1

40

100