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1、-黑龙江大学课程设计说明书学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化课程名称：发电厂电气部分设计题目：火力发电厂电气部分设计姓名：宋丹学号：20101965指导教师：瞿晓东成绩： 2013.7.5发电厂电气部分课程设计评分表序号评分项该项得分1论文结构20分；2论文内容正确，正文结构合理20分；3参考文献引用质量10分；4附件图纸10分；5出勤20分；6答辩成绩20分。论文评语： 课程设计总成绩：目 录1设计任务书 41.1设计的原始资料41.2设计的任务与要求42电气主接线 62.1系统与负荷资料分析62.2主接线方案的选择 62.2.1方案拟定的依据62.2.2主接线方案的拟定82.3 主
2、变压器的选择与计算 92.3.1变压器容量、台数和型式的确定原则92.3.2变压器的选择与计算103短路计算 113.1短路计算的一般规则113.2短路电流的计算113.2.1各元件电抗的计算113.2.2 等值网络的化简 124电气设备的选择 174.1电气设备选择的一般原则174.2电气设备的选择条件174.2.1按正常工作条件选择电气设备 174.2.2按短路情况校验 184.2.3 断路器和隔离开关的选择 204.2.4 电流互感器的选择 215结束语 226参考文献 231 火力发电厂电气部分设计任务书1.1设计的原始资料凝汽式发电厂：（1） 凝汽式发电组3台：3100MW，出口电压
3、：10.5KV，发电厂次暂态电抗：0.12；额定功率因数：0.8（2） 机组年利用小时：=5700小时；厂用电率：8%。发电机主保护动作时间0.1秒，环境温度36度，年平均气温为22度。电力负荷：送入220KV系统容量200MW，剩余容量送入110KV系统。发电厂出线：220KV出线3回; 110KV出线4回（10KM），无近区负荷。电力系统情况: 220KV系统的容量为无穷大，选基准容量100MVA归算到发电厂220KV母线短路容量为3400MVA，110KV系统容量为500MVA。1.2设计的任务与要求（1）发电机和变压器的选择表1-1 汽轮发电机的规格参数型 号额定电压额定容量功率因数接
4、线方式次暂态电抗QFS-100-210.5KV100MW0.8YY0.12注：发电及参数如上表，要求选择发电厂的主变，联络110KV和220KV的联络变压器的型号。(2) 电气主接线选择注：火力发电厂的发电机-变压器接线方式通常采用单元接线的方式，注意主变容量应与发电机容量相配套。110KV和220KV电压级用自耦变压器联接，相互交换功率，我们的两电压等级母线选用的接线方式为：220KV采用双母三分段接线，110KV采用双母线接线。(3) 短路电流的计算在满足工程要求的前提下，为了简化计算，对短路电流进行近似计算法。结合电气设备选择选择短路电流计算点求出各电源提供的起始次暂态电流，冲击电流，及
5、计算短路电流热效应所需不同时刻的电流。(4) 主要电气设备的选择 要求选择：110KV侧出线断路器、隔离开关、电流互感器。2 电气主接线2.1 系统与负荷资料分析发电厂容量的确定与国家经济发展规划、电力负荷增长速度、系统规模和电网结构以及备用容量等因素有关。发电厂装机容量标志着发电厂的规模和在电力系统中的地位和作用。发电厂运行方式及年利用小时数直接影响着主接线设计。从年利用小时数看，该电厂年利用小时数为5700h/a，远大于我国电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数5000h/年；又为火电厂，所以该发电厂为带基荷的发电厂，在电力系统占比较重要的地位，因此，该厂主接线要求有较高的可靠性；从负荷
6、特点及电压等级可知，该电厂具有110KV和220KV两级电压负荷。110KV电压等级有4回架空线路，最大年利用小时数为5700h/a，说明对其可靠性有一定要求；220KV电压等级有3回架空线路，最大年利用小时数为5700h/a,其可靠性要求较高。2.2 主接线方案的选择 2.2.1方案拟定的依据电气主接线又称为电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。对电气主接线的基本要求，概括的说应该包括可靠性、灵活性和经济性三方面。(1) 电气主接线设计的基本要求a.可靠性安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接最基本的要求。电气
7、主接线的可靠性不是绝对的。同样形式的主接线对某些发电厂和变电站来说是可靠的，而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。所以，在分析电气主接线可靠性时，要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类型、设备制造水平及运行经验等诸多因素。发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用。负荷的性质和类型。设备的制造水平 。长期运行实践经验。b.灵活性电气主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。灵活性包括以下几个方面。操作的方便性。调度的方便性。扩建的方便性。c.经济性在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。经济性主要从一下几方面考虑。节约一次投资。占地
8、面积少。电能消耗少。(2) 电气主接线的设计程序 电气主接线设计在各阶段中随着要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计原则、方法和步骤基本相同。其设计步骤及内容如下。a. 对原始资料分析 工程情况，包括发电机类型（凝气式火电厂、热电厂、或者堤坝式、引水式、混合式水电厂等），设计规定容量（近期、远景），单机容量及台数，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。 电力系统情况，包括电气系统近期及远景发展规划（510年），发电厂或变电站在电力系统的地位及作用等 负荷情况，包括负荷的性质和地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。 环境条件，包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、
9、地质海拔高度及地震等因素c.主接线方案的拟定与选择 根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源的出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等的不同考虑，可以确定主接线方案。2.2.2主接线方案的拟定表2-1主接线方案电 压 等 级方案 110KV双母线接线 220KV双母三分段接线电气主接线如下图：图2-1 电气主接线图2.3 主变压器的选择与计算2.3.1变压器容量、台数和型式的确定原则(1) 单元接线的主变压器容量的确定原则单元接线时主变压器应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%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
10、单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。(2) 连接两种升高电压母线的联络变压器的确定原则联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种运行方式下，网络间的有功功率和无功功率交换，一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求。根据以上原则知，本电厂3台机组的最大容量为125MW，应根据125MW发电机来选择联络变压器，又为了布线方便，只选一台自耦联络变。(3) 变压器台数的确定原则发电厂或变电所主变压器的台数与电压等级、接线形式、传输容量以及和系统的联系有密切关系。通常与系统具有强联系的大、中型发电厂和重要变电所，在一种电
11、压等级下，主变压器应不少于2台；而对弱联系的中、小型发电厂和低压侧电压为6-10KV的变电所或与系统只是备用性质时，可只装一台主变压器；对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设3台主变压器。考虑到本电厂有3台100MW发电机，且电厂和系统有较强联系，故220KV电压等级接两台主变压器，110KV电压等级接一台主变压器。(4) 主变压器型式的确定原则选择主变压器型式时，应从相数、绕组数、绕组接线组别、冷却方式、调压方式等方面考虑，通常只考虑相数和绕组数以及绕组接线组别。在330KV及以下电力系统，一般都应选用三相变压器。对于大型三相变压器，当受到制造条件和运输条件的限制时，则宜选用两台
12、小容量的三相变压器来取代一台大容量三相变压器，或者选用单相变压器。一般当最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，对于最大机组容量为200MW及以上的发电厂，通常采用双绕组变压器加联络变压器，当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，这样可以大大限制短路电流。2.3.2变压器的选择与计算按照变压器容量、台数和型式的确定原则，该发电厂主接线采用3台三相双绕组主变压器和一台联络变压器。3台主变压器分别和3台发电机组组成单元接线，联络变压器选用三相三绕组降压自耦变压器。S=（100-1008%）1.1/0.8 =126.5MVA表2-2 主变压器的参数型号额定容量（MVA）
13、额定电压（KV）连接组别阻抗电压（%）SFP7-120000/220120000高压低压YN,d11121422013.8SFP7-120000/110120000高压低压YN,d111311013.8表2-3 联络变压器的参数型号额定电压（KV）连接组别阻抗电压（%）SFPS7-120000/220高压中压低压Yn,yn0,d11232202313.83 短路电流的计算短路计算在设计发电厂主接线的过程中有着重要作用，它为电气设备的选型、动稳定校正和热稳定校正提供依据。当短路发生时，对发电厂供电的可靠性可能会产生很大影响，严重时，可能导致电力系统失去稳定，甚至造成系统解列。因此，对短路事故的计
14、算是非常有必要的，而且是必须进行一项工作。3.1短路计算的一般规则(1) 验算导体和电气设备动稳定、热稳定以及电气设备开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划内容计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本工程建成后5至10年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。(2) 选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具体反馈作用对异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。(3) 选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大的点。对带电抗器的6KV至10KV出线与厂用分支回路，
15、除其母线与母线隔离开关之间隔离板前的引线和套管的计算短路点选择在电抗器前外，其余导体和电器的计算短路点选择在电抗器后。(4) 导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。3.2 短路电流的计算3.2.1各元件电抗的计算选基准容量：Sd=100MVA，Uav=Ud发电机: =125MVA=0.12=0.0768等值电源：S1：Sd=100MVA，S1=3400MVA Xs1= =0.0294 S2：S2=500MVA Xs2= =0.2变压器: T1，T2：=0.108 T3：= T4：=0.19电缆： =0.410=0.033.2.2 等值网络的化简图2-2 等值网络图图
16、2-3 等值网络化简图1图2-4 等值网络化简图2图2-5 等值网络化简图3图2-6 等值网络化简图4图2-7 等值网络化简图5各电抗值的计算：=0.108+0.0768=0.1848=0.108+0.0768=0.1848=0.08175+0.19+=0.8=0.0294+0.19+=0.288与合并后电抗：=0.096转移阻抗： =0.030.288 =0.419=0.030.096 =0.14=0.80.03 =1.163计算电抗：=1.163=2.9075 表3-1 短路电流计算结果短路计算时间电流值/KA,短路电流/KA0标幺值0.3277.3862.795有名值0.5133.708
17、1.4035.6241标幺值0.3277.3862.795有名值0.5133.7081.4035.6242标幺值0.3277.3862.795有名值0.5133.7081.4035.624电流基准值：=1.26=0.502 短路电流： =0.513+3.708+1.403=5.6244 电气设备的选择电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。正确的选择电气设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电气设备选择时，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，并注意节省投资，选择合适的电器。4.1 电气设备选择的一般原则(1) 所选设备应能
18、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；在满足可靠性要求的前提下，应尽可能的选用技术先进和经济合理的设备，使其具有先进性；(2) 应按当地环境条件对设备进行校准；(3) 所选设备应予整个工程的建设标准协调一致；(4) 同类设备应尽量减少品种；(5) 选用新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经过上级批准。4.2 电气设备的选择条件正确的选择电器是使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，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。电器要
19、能可靠的工作，必须按正常条件下进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。4.2.1按正常工作条件选择电气设备(1) 额定电压和最高工作电压 电气设备所在电网的运行电压调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.1-1.15倍，而电网运行电压的波动范围，一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，所选用的电气设备允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压，即。(2) 额定电流 电气设备的额定电流IN是指额定周围环境温度下，电气设备的长期允许电流。应不小
20、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（1.3-2倍变压器额定电流）；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。4.2.2按短路情况校验a. 短路热稳定校验短路电流通过
21、电气设备时,电气设备各部分的温度应不超过允许值.满足热稳定的条件为Qk式中：Qk为短路电流产生的热效应，It、t分别为电器允许通过的热稳定电流和时间。b.电动力稳定校验电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条件为iesish或IesIsh式中ish、Ish分别为短路冲击电流幅值和有效值；ies、Ies分别为电气设备允许的动稳定电流的幅值和有效值。同时，应按电气设备在特定的工程安装使用条件，对电气设备的机械负荷能力进行校验，即电气设备的端子允许荷载应大于设备引线在短路时的最大电动力。下列几种情况可不校验热稳定或动稳定。（1） 用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔
22、断时间保证，故可不验算热稳定。（2） 采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。（3） 装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不验算动、热稳定。c.短路计算时间（1）热稳定短路计算时间。该时间用于校验电气设备在短路状态下的热稳定，其值为继电保护动作时间和相应断路器的全开断时间之和，即=+断路器全开断时间是指给断路器的分闸脉冲传送到断路器操动机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后电弧完全熄灭为止的时间段。显然，包括两个部分，即= （2）短路开断计算时间。断路器不仅在电路中作为操作开关，而且在短路时要作为保护电器，能迅速可靠地切断短路电流。为此，断路器应能在动静触头刚分离时刻，可靠开断短路
23、电流，该短路开断计算时间和断路器固有分闸时间之和，即= 对于无延时保护，为保护启动和执行机构时间之和，传统的电磁式保护装置一般为0.050.06s，微机保护装置一般为0.0160.03s。4.2.3 断路器和隔离开关的选择选=20MVA发电机最大持续工作电流：105.4A根据110KV出线回路的、及断路器安装在屋内的要求，查附表5，可选SW4-110 /1000型少油断路器，固有分闸时间为0.06s短路热稳定计算时间为2s由于1s，不计非周期热效应，短路电流的热效应等于周期分量热效应=63.26短路开端时间=0.1+0.060.1s，故用校验。冲击电流：表4-1 断路器、隔离开关选择结果表计算
24、数据SW-110/1000型断路器GW4-1100/1000-80型隔离开关110KV110KV110KV105.4A1000A1000A5.624KA32KA-14.31KA55KA- 63.2614.31KA55KA80KA断路器的选择：1从表1-2中可知，。 符合高压断路器额定电压和电流的选择。2开断电流选择：从表1-2中可知 3.短路关合电流的选择：从表1-2中可知 4.短路热稳定和动稳定校验：从表1-2中知， 隔离开关与断路器相比，在额定电压、电流的选择及短路动、热稳定校验的项目相同。但由于隔离开关不用来接通和切除短路电流，故无需进行开断电流和短路关合电流的校验。4.2.4 电流互感
25、器的选择=14.31A =63.26 =105.4A根据电流互感器安装处的电网电压，查附表8电流互感器的技术参数，选LCWD-110型电流互感器。校验互感器的热稳定和动稳定：从附表8中得知，热稳定系数=75，动稳定系数=150动热稳定均符合要求。5 结束语发电厂课程设计是理论知识的具体运用，是一种综合能力的强化，通过设计，我了解了发电厂的基本整体设计思路，由于部分条件的理想化，难免与实际发电厂线路设计以及电气设备的选择有出入。通过这次设计，将前面所学的知识运用到了设计之中，更好了融会贯通了各学科之间的联系，所学的理论和实践结合起来更好的达到了学以致用的效果，原来模糊的概念在这次设计中得以清晰化
26、、条理化，特别是短路计算，得到了明显的加强。在这次设计中，通过查阅各种资料，也对发电厂电气部分的知识有了更进一步的拓展了解。此次设计不仅加强了专业课的知识运用，同时也对以后工作中可能遇到的问题有了提醒，各部分都是相互联系的，稍有错误将导致后续部分分析全部错误，这也提醒了我们学习需要很好的严谨性。在此次课程设计中，主要的任务是电气主接线的选择，主变压器和联络变压器的选择，短路电流的计算，断路器、隔离开关和电流互感器的选择，通过这些步骤的设计，使我能熟练运用以前的所学知识，提高的自己的理论与实践结合的能力。在这一个星期的设计过程中，得到了瞿老师和同学们的很大的帮助，使我顺利的完成了这次课程设计。在
27、此表示由衷地感谢！ 6 参考文献1 涂光瑜. 汽轮发电机及电气设备. 北京： 中国电力出版社，20072 熊信银，朱永利. 发电厂电气部分. 3版. 北京：中国电力出版社，20043 楼樟达，李杨. 发电厂电气设备. 北京： 中国电力出版社，19984 丁德邵. 怎样读新标准电气一次接线图. 北京：中国水利水电出版社，20015 姚春球. 发电厂电气部分. 北京： 中国电力出版社，20046 傅知兰. 电力系统电气设备选择与实用计算. 北京：中国电力出版社，20047 陈启卷. 电气设备及系统. 北京： 中国电力出版社，20068 熊信银,张步涵. 电力系统工程基础. 武汉： 华中科技大学出版社，20059 熊信银，唐巍. 电气工程概论. 北京：中国电力出版社，200810 胡志光. 火电厂电气设备及运行. 北京：中国电力出版社，2001-第 23 页-