发电厂电气部分设计.docx

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发电厂电气部分设计

一原始资料分析

1、已知资料

装机容量:

装机2台，容量分别为：

2X200MW,UN=15.75KV

机组年利用小时数:

Tmax=5500h

气象条件：

当地最高温度41.7°C，最热月平均最高温度32.5°C，最低温度-18.6°C，最热月地面下0.8米处土壤平均温度25.3°C。

厂用电率：

8%。

220KV，出线五回，预留备用空间间隔，每条线路最大输出容量200MVA。

变电站220KV与系统有五回馈线，呈强连接方式。

2、分析

根据以上原始资料，该电厂为一中型火电厂，在未来电力系统中的作用和地位至关重要，且年利用小时数为5500h，大于电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数，从而该厂主接线设计应着重考虑其可靠性；200MW发电机的机端电压为15.75KV，拟采用单元接线形式，不设发电机出口断路器，有利于节省投资和简化配电装置布置；220KV电压级出线回路数为5回，为保证检修出线断路器不致对该回路停电，拟采取带旁路母线接线形式为宜，且变电站220KV与系统有五回馈线，呈强连接方式，所以该厂200KV级的接线对可靠性要求很高。

二主接线方案拟定

1、方案拟定

方案一：

单母线分段带旁路母线的接线形式

由于220KV电压等级的电压馈线数目是5回，所以220KV电压等级的接线形式可以选择单母线分段接线形式。

由于单母线分段接线既保留了单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，又在一定程度上克服了它的缺点，所以这种接线目前仍被广泛应用。

单母线分段接线适用范围：

（1）6～10KV配电装置的出线回数为6回及以上时；

（2）35～63KV配电装置的出线回数为4～8回时；

（3）110～220KV配电装置的出线回数为3～4回时。

单母线分段有其如下优点：

用断路器把母线分段后，对重要的用户可以从不同的段引出两条回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

但是单母线分段接线也有较显著的缺点，就是当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电；所以为保证供电的可靠性，本方案采用单母线分段带专用旁路断路器的旁路母线接线形式，如下图所示：

方案二：

双母线带旁路母线的接线形式

由于220KV电压等级的电压馈线数目是5回，所以220KV电压等级的接线形式可以选择双母线接线形式。

双母线接线，其中一组为工作母线，一组为备用母线，并通过母联断路器并联运行，在进行道砟操作时应注意，隔离开关的操作原则是：

在等电位下操作或先通后断。

它可以有两种运行方式，一种是固定连接分段运行方式。

即一些电源与出线固定连接在一组母线上，母联断路器合上，相当于单母线分段运行。

另一种工作方式相当于单母线运行方式。

很显然双母线分段的可靠性高于前两种接线方式，只是母线保护较复杂。

然而它比单母线分段接线的投资更大。

双母线接线的适用范围：

（1）6～10KV配电装置，当短路电流较大，出线需要带电抗器时；

（2）35～63KV配电装置的出线回数超过8回火连接电源较多、负荷较大时；

（3）110～220KV配电装置的出线回数为5回以上时，或110～220KV配电装置，在系统中居重要地位，出线回数在4回以上时。

双母线接线的优点有：

a供电可靠。

通过两组母线隔离开关的倒闸操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断，一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路的母线隔离开关，只停该回路。

b调度灵活。

各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上能灵活的适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。

c扩建方便。

向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线单位电源和符合均匀分配，不会引起原有回路的停电。

当有双回架空线路时，可以顺序布置，以至界限不同的母线断路时不回如单母线分段那样导致出线交叉跨越。

为保证供电的可靠性，本方案采用双母线带专用旁路断路器的旁路母线接线形式，如下图所示：

2、方案的比较和选择

设计发电厂的电气主接线时，首先应按技术要求确定可能选用的方案。

当有多个方案在技术上相当时，则需进行经济比较。

设计发电厂主接线时在技术上应考虑的主要问题是：

1）保证全系统运行的稳定性，不应再本厂、站内的故障造成系统的瓦解；2）保证负荷、特别是重要负荷供电的可靠性及电能质量；3）各设备、特别要注意高、中压联络变压器的过载是否在允许范围内。

在上述两种方案中，他们在技术上都是有显著差异的，在不同的技术等级中，都有差异。

单母线分段带旁路母线在投资上是比双母线带旁路母线接线的投入要小的，而双母线带旁路母线接线的可靠性又比单母线分段带旁路母线接线的可靠性高。

根据设计任务书中的要求，变电站220KV与系统有五回馈线，呈强连接方式。

综合考虑，则选择双母线带旁路母线接线形式。

通过对两种方案的比较，并且连同电气主接线的设计原则即可靠性、经济性和灵活性的综合考虑，选择出的最优方案是方案二。

三火电厂发电机、变压器的选择

3.1主变压器和发电机中性点接地方式

3.1.1电力网中性点接地方式

选择电力网中性点接地方式是一个综合性问题。

它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。

电力网中性点接地方式有以下几种：

1、中性点非直接接地

a.中性点不接地

中性点不接地方式最简单，单相接地时允许带故障运行两小时，供电连续性好，接地电流仅为线路及设备的电容电流。

但由于过电压水平较高，要求有较高的绝缘水平，不宜用于110KV及以上电网。

①中性点消弧线圈接地

当接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间歇接地过电压。

②中性点经高电阻接地

当接地电容电流超过允许值时，也开采用中性点经高电阻接地。

此接地方式降低弧光间隙接地过电压，同时可以提供足够的电流和零序电压，使接地保护可靠动作，一般用于大型发电机中性点。

b.中性点直接接地

直接接地方式的单相短路电流很大，线路或设备需立即切除，增接了断路器的负担，降低了供电的连续性。

但由于过电压较低，绝缘水平可下降，减少了设备的造价，特别是在高压和超高压电网，经济效益显著。

故适用于110KV及以上电网中。

3.1.2变压器中性点接地方式

电力网中性点接地方式，决定了主变压器中性点接地方式。

主变压器的110-500KV侧采用中性点直接接地方式

（1）凡是自耦变压器，其中性点需要直接接地或经小阻抗接地。

（2）凡中、低压有电源的升压站和降压变电所至少应有一台变压器直接接地。

（3）终端变电所的变压器中性点一般不接地。

（4）变压器中性点接地点的数量是电网所有短路点的综合零序电抗与综合正序电抗之比小于三，以使单相接地时健全相上工频过电压不超过阀型避雷器的灭弧电压。

（5）所有普通变压器的中性点都应经隔离开关接地，以便于运行调度灵活选择接地点。

当变压器中性点可能断开运行时，若该变压器中性点绝缘不是按线电压设计，应在中性点装设避雷器保护。

（6）选择接地时应保证任何故障形式都不应使电网节烈成为中性点不接地的系统。

双母线接线有两台以上主变压器时，可考虑两台主变压器中性点接地。

3.1.3发电机中性点接地方式

发电机中性点采用非直接接地方式

发电机定子绕组发生单相接地故障时，接地点流过的电流后是发电机本身及其引出回路所连接元件的对地电容电流。

本次设计采用发电机中性点经消弧线圈接地方式。

由于它适应于单相接地电流大于允许值的中小机组或200MW及以上大机组。

消弧线圈可接在直配线发电机的中性点上。

当发电机为单元接线时，则应接在发电机的中性点上。

3.2发电机的选型

3.2.1简介

汽轮发电机由汽轮机直接耦合传动。

励磁机是向汽轮发电机提供励磁的设备。

1.冷却方式

采用的冷却方式，定子绕组和转子有空冷、水内冷和氢冷等。

在转子氢内冷系统中，又有轴向通风等多种方式。

2.励磁方式

发电机容量在100MW以上的普遍采用同轴交流励磁机经静止半导体整流励磁方式。

3.2.2选型

1.型号（已知）：

QFSN—200--2

型号含义；2——2极

200——额定容量

N——氢内冷

F——发电机

Q——汽轮机

S——水内冷

2.QFSN—200—2型汽轮发电机主要参数

视在功率

（MVA）

有功功率Pe

（MW）

电压Ue

（V）

电流Ie

（A）

次暂态电抗Xd‘‘

（Ω）

功率因数

φ

235

200

15750

8625

0.1413

0.85

3.3变压器的选型

电力变压器（文字符号为T或TM），根据国际电工委员会的界定，凡是三相变压器的额定容量在5KVA及以上，单相的在1KVA及以上的输变电用变压器，均成为电力变压器。

电力变压器是发电厂和变电所中重要的一次设备之一，随着电力系统电压等级的提高和规模的扩大，电压升压和降压的层次增多，系统中变压器的总容量已达发电机容量的7-10倍。

可见，电力变压器的运行是电力生产中非常重要的环节。

主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是大容量、高电压的配电装置的投资也很大。

因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。

例如，大型大电厂高、中压联络变压器台数不足（一台）或者容量不足将导致电站、电网的运行可靠性下降，来年络变压器经常过载或被迫限制两级电网的功率交换。

反之。

台数过多、容量过大将增加投资并使配电装置复杂化。

发电厂200MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变压器应满足DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》的规定：

“变压器容量可按发电机的最大连续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组的平均温度或冷却水温度不超过650C的条件进行选择”。

3.3.1具有发电机电压母线的主变压器

1.容量的计算及确定

连接在发电机电压母线与系统间的主变压器容量，应按下列条件计算：

（1）当发电机电压母线上负荷最小时，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统，但不考虑稀有的最小负荷情况。

（2）当发电机电压母线上最大一台发电机组停用时，能由系统供给发电机电压的最大负荷。

在电厂分期建设过程中，在事故断开最大一台发电机组的情况下，通过变压器向系统取得电能时，可以考虑变压器的允许过负荷能力和限制非重要负荷。

（3）根据系统经济运行的要求，而限制本厂的输出功率时能供给发电机电压的最大负荷。

（4）按上述条件计算时，应考虑负荷曲线的变化和逐年负荷的发展。

特别注意发电厂初期运行时当发电机电压母线负荷不大时，能将发电机电压母线上的剩余容量送入系统。

（5）发电机电压母线与系统连接的变压器一般为两台。

对装设两台变压器的发电厂，当其中一台主变推出运行时，另一台变压器应承担70%的容量。

具体计算的过程如下：

220KV电压等级下的最大容量

S=S220max

（1-0.08）

0.85

=216（MVA）

由上式计算结果，以此为基准选择一个双绕组的变压器.

2.绕组连接方式的确定

变压器的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接方式只有Y型和△型，高、低两侧绕组如何组合要根据具体工程来确定。

我国110KV以上电压，变压器的绕组都采用Y连接。

35KV以下电压，变压器绕组都采用△连接。

3.3.2单元接线的主变压器

发电机与主变压器为单元接线时，发电机和变压器成为一个单元组，电能经升压后直接进入高压电网。

这种接线由于发电机和变压器都不能单独运行，因此，二者的容量应当相等。

所以这个双绕组变压器的容量等于所选发电机的额定容量，即

所选型号为：

SSPL—26000/220型

参数如下：

额定容量S

（VA）

额定电压（KV）

空载电流

I0（kA）

损耗（W）

阻抗电压

Uk%

高压U1

低压U2

空载损耗

负载损耗

260000

242

2

15.75

0.7

255

1553

14%

四火力发电厂短路电流计算

4.1概述

电力系统运行有三种状态：

正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。

在供电系统的设计和运行中，还要考虑到可能发生的故障以及不正常运行情况。

对供电系统危害最大的是短路故障。

短路电流将引起电动力效应和发热效应以及电压的降低等。

因此，短路电流计算是电气主接线的方案比较、电气设备及载流导体的选择、节地计算以及继电保护选择和整定的基础。

短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。

如电力系统中，相与相之间的火中性点直接节地系统中的相与地之间的短接都是短路。

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，一定要考虑系统等不正常工作状态。

4.1.1短路的原因及后果

1.短路原因

造成短路的原因通常有以下几种：

（1）电气设备及载流导体因绝缘老化、或遭受机械损伤，或因雷击、过电压引起的绝缘损坏。

（2）架空线路因大风或导线覆冰引起的电杆倒塌等，或因鸟兽跨接裸露导体等都可能导致短路。

（3）电气设备因设计、安装、维护不良和运行不当或设备本身不合格引发的短路。

（4）运行人员违反安全操作规程而误操作，如运行人员带负荷拉隔离开关，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等都回造成短路。

根据国外资料显示，每个人都有违反规程操作的潜意识。

（5）其他原因。

如输电线断线、倒杆、碰线、或人为盗窃、破坏等原因都可能导致短路。

2．短路后果

短路故障发生后，由于网络总阻抗大为减小，将在系统中产生几倍甚至几十倍于正常工作电流的短路电流。

强大的短路电流将造成严重的后果，主要有以下几方面：

（1）强大的短路电流通过电气设备是发热急剧增加，断路持续时间较长时，足以使设备因过热而损坏甚至烧毁；

（2）巨大的短路电流将在电气设备的导体间产生很大的电动力，可能使导体变形、扭曲或损坏；

（3）短路将引起系统电压的突然大幅度下降，系统中主要负荷异步电动机将因转矩下降而减速或停转，造成产品报废甚至设备损坏；

（4）短路将引系统中功率分布的突然变化，可能导致并列运行的发电厂失去同步，破坏系统的稳定性，造成大面积停电。

这是短路所导致的最严重后果；

（5）巨大的短路电流将在周围空气产生很强大电磁厂，尤其是不对称短路时，不平衡电流所产生的不平衡交变磁场，对周围的通信网络、信号系统、晶闸管触发系统及自动控制系统产生干扰。

4.1.2短路计算的目的和简化假设

因为短路故障对电力系统可能造成极其严重的后果，所以一方面应采取措施以限制短路电流，另一方面要正确选择电气设备、载流导体和继电保护装置。

这一切都离不开对短路电流故障的分析和短路电流的计算。

概括起来，计算短路的主要目的在于：

（1）为选择和校验各种电气设备的机械稳定性和热稳定性提供依据，为此，计算短路冲击电流以校验设备的机械稳定性，计算短路电流的周期分量以校验设备的热稳定性；

（2）为设计和选择发电厂和变电所的电气主接线提供必要的数据；

（3）为合理配置电力系统中各种继电保护和自动装置并正确整定其参数提供可靠的依据。

在实际短路计算中，为了简化计算工作，通常采用一些简化假设，其中主要包括：

（1）符合用恒定电抗标识或忽略不计；

（2）认为系统中个元件参数恒定，在高压网络中不计元件的电阻和导纳，即个元件军用春电抗表示，并认为系统中各发电机的电势通相位，从而避免了复数的运算；

（3）系统出不对称故障出现局部不对称，其余部分是三相对称的。

4.2各系统短路电流的计算

4.2.1短路计算的基本假定和计算方法

1．基本假定

（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）系统中的电机均为理想电机，不考虑电磁饱和、磁滞、涡流及导体肌肤效应等影响；转子结构完全对称；

（4）短路发生在短路电流为最大的瞬间；

（5）不考虑短路电的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

2．短路电流计算的方法

对应系统最大运行方式下，按无限大容量系统，进行相关的短路点的三项短路电流计算，求得I//、ish值。

I//——三相短路电流；

ish——三相短路冲击电流。

4.2.2电抗图及电抗计算

由所设计变电站的主接线图，和设计任务书中给出的相关参数，可画出系统的等值电抗图如图所示：

选取基准容量为Sj=100MVAUj=Uav=1.05Ue

Sj——基准容量；

Uav——所在线路的品平均电压

以上均采用标幺值计算方法，省去“*”。

1．对于QFSN—200—2型发电机的电抗

2．对于SSPL—260000型的双绕组变压器的电抗

式中Uk%——变压器短路电压的百分数（%）；

Se——最大容量绕组的额定容量（MVA）；

Sj——基准容量（MVA）。

当发电机出口短路，即k1点短路时，等效电路图如下：

其中，

化简后，其中，

由以上计算可得,短路电流周期分量标么值

有铭值：

冲击电流：

当220KV母线短路，即k2点短路，等效电路图如下，

其中，

则短路电流周期分量标么值：

有铭值：

冲击电流：

系统短路电流小结

电流值

短路点

220KV母线发生短路（k2点）

发电机出口回路发生短路（k1点）

电流周期分量标幺值

34.48KA

15.24KA

电流周期分量有铭值

8.655KA

53KA

短路冲击电流

22KA

143KA

五变电站一次设备的选择

5.1选择电气一次设备遵循的条件

电气设备的选择是变电所电气设计的主要内容之一，正确的选择电气设备的目的是为了使导体和电器无论在正常情况或故障情况下，均能安全、经济合理的运行。

在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。

在发电厂和变电所中，采用的电气设备种类很多，其作用和工作条件并不一样，具体选择的方法也不同，但对他们的基本要求都是相同的。

电气设备的选择的一般要求是：

满足工作要求：

应满足正常运行、检修以及短路过电压情况下的工作要求。

适应环境条件：

阴干当地的环境条件进行校验。

先进合理：

应力求技术先进和经济合理。

整体协调：

应与整个工程的建设标准协调一致。

适应发展：

应适当考虑发展，留有一定的裕量。

电气设备能安全、可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，斌干短路条件来校验其动稳定和热稳定。

5.1.1按正常工作条件选择

1．额定电压

电气设备的额定电压是标示在其铭牌上的线电压。

电器可以长期在其额定电压的110%-115%下安全运行，这一电压成为最高允许工作电压。

当Ue在220KV及以下时其UNs为1.15，当UNe为330-500KV是，其UNs为1.1UNe。

另外，电气设备还有一个最高工作电压，即允许长期运行的最高电压，一般不得超过其额定电压的10%~15%。

在选择时，电气设备的额定电压不应低于安装地点的电网额定电压，即

式中，UNe－电气设备铭牌上所标示的额定电压（KV）；

UNs－电网额定工作电压（KV）。

110KV以下电压等级的电气设备绝缘裕度较大。

因此，在非高海拔地区，按所在电网的额定电压选择电气设备的额定电压即可满足要求。

2．额定电流

满足此条件的目的在于使电气设备的储蓄温度不超过长期发热的最高允许温度值。

在额定周围环境条件下，导体和电气设备的额定电压不应小于所在回路的最大工作电流，即

式中，IN－电气设备铭牌上所标示的额定电流（A）

Iwmax－回路中的最大工作电流（A）

在决定

时，应以变压器和线路的负荷作为出发点，同时考虑这些设备的长期工作状态。

在确定变压器回路的最大长期工作电流时，应考虑到变压器过负荷运行的可能性；母线分段电抗器的最大长期工作电流应为保证该母线负荷所需的电流；出线回路的最大长期工作电流处考虑线路正常过负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。

各支路最大持续电流

回路名称

最大长期工作电流

变压器回路

1.3~2倍的变压器额定电流

出线回路

1.05倍的最大负荷电流

母联回路

母线上最大一台变压器的Iwmax

分段回路

变电所应满足用户的一级负荷和二级负荷

汇流回路

按实际潮流分布计算

3.环境条件

选择电气设备时，还应考虑其安装地点的环境条件，当气温、风速、污秽、海拔高度、地震烈度、覆冰厚度等环境条件超过一般电气的基本使用条件时，应采取相应的措施。

（1）空气温度。

标准的电气周围空气温度为40℃。

若安装地点日最高温度高于40℃，但不超过60℃，则因散热条件较差，最大连续工作电流应适当减少，则设备的额定电流应按下式修正：

式中，Ial——电气设备的额定电流经实际的周围环境温度修正后的允许电流（A）

Kt——温度修正系数

al——电气设备的长期发热最高允许温度（℃）

——实际的周围环境温度，取所在地方最热月平均最高温度（℃）

Ne——电气设备的额定环境温度（℃）

设备的额定环境温度一般取40℃，如周围环境温度高于40℃，但小于或等于60℃时，其允许电流一般可按每增加1℃，其额定电流减少1.8%进行修正；当环境温度低于40℃，每降低1℃，额定电流可增加0.5%，但其最大负荷不得超过其额定电流的20%。

裸导体的额定环境温度一般取25℃，如安装地点的环境温度在-5℃~50℃范围内变化时，其允许通过的电流可按上市进行修正。

（2）海拔高度。

在电气设备使用条件中，制造厂规定的基准海拔高度为1000没。

当海拔升高时，空气密度降低，散热条件变坏，是高压电器在运行中温升增加，但应空气温德随海拔高度升高而递减，其值足以补偿海拔升高对电气温升的影响，因而高压电在高海拔地区（不超过4000米）使用时，其额定电流可以保持不变。

当海拔高度超过规定值时，由于大气压力空气密度和湿度相应减少，使空气间隙和外绝缘的放电特性下降，显然对内绝缘影响较小，但对外绝缘影响较大。

在海拔高度为1000~3500米的范围内，海拔高度每升高100米，电器最高工作电压要下降1%，以此修正电器最高工作电压值。

5.1.2按短路条件进行校验

电气设备按短路故障情况进行校验，就是要按最大可能的短路故障（通常为三相短路故障）时的动、热稳定度进行校验。

但有熔断器和有熔断器保护的电器和导体（如电压互感器等），以及架空线路，一般不必考虑动稳定度、热稳定度的校验，对电缆，也不必进行动稳定度的校验。

在电力系统中尽管各种电气设备的作用不一样，但选择的要求和条件有诸多是相同的。

为保证设备安全、可靠的运行，各种设备均按正常工作的条件下的额定电压和额定电流选择，并按短路故障条件校验其动稳定度和热稳定度。

1、热稳定校验

校验电气设备的热稳定性，就是校验设备的载流部分在短路电流的作用下，其金属导电部分的温度不应超过最高允许值。

如果满足这一条件，则选出的电气设备符合热稳定的要求。

作热稳定校验时，已通过电气设备的三项短路电流为依据，工程计算中常用下式校验所选的电气设备是否满足热稳定的要求，即：

式中，

——三相