4×200MW火力发电厂电气一次部分设计-张宁.doc

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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作摘 要阳泉桃东发电厂为一煤矿的发电厂,对整个煤矿来说是最重要的。发出的电为整个煤矿供电。该煤矿也是阳泉市主要的煤矿,是阳泉经济发展的重要动力。阳泉境内煤炭总储量100.77亿吨,以高变质年轻无烟煤及贫煤为主。另外,本市尚有大量风化煤、瓦斯和煤成气资源可供开采利用。发电厂是电力系统的重要组成部分,它直接影响整个电力系统的安全与经济。发电厂的作用是将其他形式的能量转化成电能。按能量转化形式大体分为火力发电厂,水力发电厂,核能发电厂和风力发电场。电气主接线是发电厂电气设计的首要部分,也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及发电厂、

2、变电所本身的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。本次设计遵守了发电厂设计规范,通过对发电厂电气主接线、厂用电接线、有关短路电流的计算、电气设备选择及校验、继电保护、以及防雷保护的设计,简要完成了4200MW火力发电厂电气一次部分的设计。将四台发电机全部升压接入220kV电网,简化了电网结构及电气主接线,省去了升高电压级之间的联络变压器,降低了变压器损耗。关键词:发电厂,电气主接线,继电保护,防雷保护AbstractYangquan power plant as a coal power plant, east is the most important for the whole coal

3、mine. The electricity for the whole coal mine power supply. The mine is also a major coal mine in Yangquan city, is an important motivation of Yangquan economic development. Yangquan coal within the territory of the total reserves of 10.077 billion tons, mainly young high metamorphism anthracite coa

4、l and lean coal. In addition, this city has a lot of weathered coal, gas and coal-derived gas resources available for exploitation.Power plants is an important part of power system, it directly affects the whole power system security and economic. Is the role of plants in other forms of energy into

5、electricity. According to the forms of energy conversion can be divided into thermal power plant, hydroelectric power station, nuclear power plants and wind farms. The main electrical wiring is the first part of power plant, substation electrical design, is also constitute an important part of the p

6、ower system. Determination of the main wiring of electric power system as a whole and the running reliability of power plants, substation itself, flexibility and economy are closely related.The design comply with the power plant design specifications, and through the power plant, the main electrical

7、 wiring, auxiliary power wiring and the short-circuit current calculation, electrical equipment selection and calibration, related to relay protection and lightning protection design, brief completed the 4 x 200 MW coal-fired power plant electrical part of the design at a time. All four generator st

8、ep-up access 220 KV power grids, simplifies the network structure and the main electrical wiring, save the contact between the higher voltage level transformer, reduce the loss of the transformer.Key words: Power plants, main electrical connection, protective relaying, lightning protect 目 录第1章 发电厂设计

9、基本概述.11.1 发电厂设计原始资料. 11.2 设计目的与原则. .2第2章 发电厂主接线的确定.32.1 主接线设计基本要求. 32.2 方案的拟定 .32.3 发电机型号的选择 .62.4 主变压器的选择 .7第3章 厂用电的设计 .83.1 厂用电接线的要求 .83.2 厂用电接线设计原则 .83.3 厂用供电电源 93.3.1 厂用工作电源 .93.3.2 厂用备用电源 .93.4 厂用电接线的确定 .103.5 厂用电主变压器选择 .113.5.1 主变选择原则 .113.5.2 厂用电主变型号确定 .12第4章 短路电流的计算 .134.1 短路电流计算目的 .134.2 短路

10、电流的计算 .134.2.1 短路电流计算方法 .144.2.2 求短路电流 .174.2.3 短路电流计算结果 .27第5章 电气设备的选择与校验 .285.1 电气设备选择的一般条件 .285.2 回路最大持续工作电流 .285.3 高压断路器和隔离开关的选择与校验 .295.3.1 高压断路器选择与校验 .305.3.2 隔离开关选择与校验.335.4 互感器的原理及选择 .365.4.1 电流互感器的选择及校验 .375.4.2 电压互感器的选择及校验 .42第6章 发电厂继电保护 .476.1 变压器保护 .476.1.1 变压器纵差动保护 .476.1.2 变压器过电流保护 .49

11、6.1.3 变压器的瓦斯保护 .496.2 发电机保护 .506.2.1 发电机纵差动保护 .50第7章 防雷保护 .517.1 架空输电线路的防雷保护 .517.2 发电厂直击雷保护 .517.3 发电机的防雷保护 .537.4 变压器防雷保护 .537.5 母线防雷保护 .54参考文献 .55结 论 .56致 谢 .57附录一 .58附录二 .59ContentsChapter Basic overview of power plant design .11.1 The raw data of the power plant design .11.2 Design purpose and

12、principle .2Chapter The determination of main generator wiring .32.1 Main wiring design basic requirements .32.2 Scheme of the proposed .32.3 Generator models of choice .62.4 The choice of the main transformer .7Chapter The design of the auxiliary power .83.1 Auxiliary power wiring requirements 83.2

13、 Auxiliary power wiring design principles .83.3 Factory with the power supply .93.3.1 Factory work with power supply .93.3.2 Factory with standby power .93.4 The determination of auxiliary power wiring .103.5 Main transformer auxiliary power option 113.5.1 Main transformer selection principles .113.

14、5.2 Auxiliary power main transformer model .12Chapter The calculation of short-circuit current .134.1 Short circuit current calculation purposes .134.2 The calculation of short-circuit current .134.2.1 Short circuit current calculation method .144.2.2 For short circuit current .174.2.3 Short-circuit

15、 current calculation results .27Chapter Electrical equipment selection and calibration .285.1 Electrical equipment selection of general conditions .285.2 Loop maximum continuous working current .285.3 High voltage circuit breaker and isolating switch selection and checking .295.3.1 High voltage circ

16、uit breaker selection and calibration .305.3.2 Isolating switch selection and calibration .335.4 The principle of transformer and choice .345.4.1 The choice of current transformer and check .375.4.2 The choice of voltage transformer and check 47Chapter Power plant relay protection .476.1 Transformer

17、 protection .476.1.1 The transformer longitudinal differential protection .476.1.2 Transformer overcurrent protection .496.1.3 The transformer gas protection .496.2 Generator protection .506.2.1 Generator longitudinal differential protection .50Chapter Lightning protection .517.1 The lightning prote

18、ction of overhead transmission line protection .517.2 Power station lightning protection .517.3 Lightning protection of generator 537.4 Transformer lightning protection .537.5 Busbar lightning protection .54References .55Conclusion .56Acknowledgements .57Appendix One.58Appendix Two.59第1章 发电厂设计基本概述1.

19、1发电厂设计原始资料阳泉市是山西第三大城市,是山西省东部地区政治,经济,教育,文化中心。是中国能源重化工基地的重要组成部分。市区桃河横贯,境内山川叠翠,矿产资源丰富,是全国最大的无烟煤场地。这里气候宜人,有“煤铁之乡”的称誉。阳泉市地处黄土高原东缘,属山西东部山地。从整体看,西高东低,最高点海拔为1803.6米,最低点海拔仅为350米。由于受大陆性季风及复杂地形影响,市内不同地区的气候差异较大。气候特点:冬夏长,春秋短,四季分明;日照比较充足,昼夜温差较大;春季少雨多风,干旱时有发生;夏季炎热多雨,降水量年际变化大;秋天云高气爽,降温快;冬季干冷,时有风沙天气。旱灾、洪涝、雹灾、风灾、霜冻等气

20、象灾害频繁。境内煤炭总储量100.77亿吨,以高变质年轻无烟煤及贫煤为主。另外,本市尚有大量风化煤、瓦斯和煤成气资源可供开采利用。阳泉桃东发电厂远离负荷中心,在一大型煤矿区内,为坑口电厂,因为火力发电厂耗煤量非常大,一个中等规模的火力发电厂一年需要消耗标准煤150万吨左右,如果不设在坑口附近,就必须依靠铁路、海运等远途运输来降低生产成本,不在海边,也不在铁路边的电厂,一般会配套修建专门的铁路。所有燃料由煤矿直接供给。电厂生产的电能除用于厂用外,全部以双回220kV线路送入系统。 厂区地势较不平坦,地质条件好,有新的公路、铁路通向矿区,交通方便。发电厂发出的电主要用于三种负荷:一级负荷,主排水泵

21、,提升机,通风机,瓦斯泵,压风机等。二级负荷,井下采、掘工作面,机电运输,地面生产系统等。三级负荷,食堂宿舍,地面附属车间及矿山机修厂等。阳泉桃东发电厂所在地区最高气温+25,最低气温-35,平均气温+8,最热日平均气温+22,冻土层1.5米,覆冰厚6mm,最大风速20M/S,大气无明显污染,土壤电阻率大于500欧,海拔标高175米,地震基本烈度为5度。装机容量: 4200MW功率因数: 0.9厂用电率: 8%线路阻抗: 0.41.2设计目的与原则1.使其具有较高的可靠性、灵活性、经济性2.电厂生产的电能除厂用电外全部双回升压接入220kV电力网,每回最大输送容量为110MVA。3.选用技术先

22、进、运行经验良好的开关设备、低损耗变压器,降低投资和运行费用4.接线标准化,为自动化创造条件,使运行维护、调度操作统一规格。简化日常工作,提高效率、减少差错、减少维护和检修费用5.使电气主接线在保证供电可靠、调度灵活、满足各项指标要求的前提下,兼顾运行、维护方便,尽可能地节省投资,力争设备元件和设备的先进性,坚持可靠、先进、适用、经济原则。第2章发电厂主接线的确定电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中,为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。2.1 主接线设计基本要求电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路

23、等。它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。一般在研究主接线方案和运行方式时,为了清晰和方便,通常将三相电路图描绘成单线图。对一个电厂而言,电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等,从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面,经综合比较后确定。它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。同时满足以下要求:(1)可靠性。(2)灵活性。(3)操作应简单、方便。(4)经济性。(5)具有扩建的可能性。2.2 方案的拟定方案一:双母线分段接线方式:双母线分段可以缩小故障的停电范围,比双母线的可靠性更高,当一段母线

24、发生故障后,在继电保护作用下,分段断路器自动跳开,而后将故障段母线所连的电源回路的断路器跳开,该母线所连的出现回路停电;随后,将故障母线所连的电源回路和出线回路切换到备用母线上,即可恢复供电。这样,只有部分短时停电,而不必全部短期停电。将双回路分别接于不同的母线段上,保证了系统的供电可靠性,减小了停电的几率,缩小了母线的故障范围。虽然多装了价高的断路器及隔离开关,投资增大,占地面积增加。但双母分段不仅拥有双母线的优点而且还有较高的可靠性和灵活性。如图2-1所示图2-1双母线分段接线方式方案二:双母线接线方式,断路器采用高可靠性的SF6断路器。通过两组母线隔离开关的倒换操作,可以轮流检修一组母线

25、而不致使供电系统中断;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时,只需断开此隔离开关所属的一条电路和与此隔离开关相连的该组母线,其他电路均可运行,但操作步骤必须正确。调度灵活,各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上,能灵活的适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化需求;通过倒换操作可以组成各种运行方式。扩建方便,向双母线左右两侧扩建,均不会影响两组母线的电源和负荷组合分配,在施工中也不会造成原回路停电。如图2-1图2-2双母线接线方式经比较,方案二在可靠性上略低于方案一,但断路器采用SF6断路器,它的检修周期长,不需要经常检修。这样就可以减小了断路器检修停电的几率。在

26、经济性上,方案二明显高于方案一,因而综合考虑选择方案二。2.3 发电机型号的选择(1)容量由原始资料知装机容量为4200MW。(2)电压不同输出功率发电机的端电压,如表2-1。表2-1 不同输出功率发电机的端电压发电机输出功率/(MW/MVA)端电压/kV200MW6.3,10.5,13.8,15.75300MW2024353667MW2024668MVA24271000MVA2627本方案中选定端电压。(3)功率因数本设计中发电机采用功率因数。(4)冷却方式的选择大型汽轮发电机的冷却方式有全氢冷、水氢氢、水水空、水水氢、全水冷和油水油冷等。综合考虑,确定发电机机型为QFQS-200-2,主要

27、参数见表2-1其中:Q汽轮机; F发电机; Q氢冷;S转子绕组水内冷; 200额定功率; 22极。表2-1 QFQS-200-2技术参数视在功率有功功率电压(V)电流(A)功率因数235MVA200(MW)1575086250.852.4 主变压器的选择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。本次设计中变压器均为单元接线形式,应按下列条件中较大者选择。(1)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65的条件进行选

28、择(2)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。 厂用电为8%; 发电机的额定功率为0.85。发电机的额定容量200MW,扣除厂用电后经过变压器的容量为:选定三相双绕组无励磁调压变压器,型号为:,参数为。第3章 厂用电的设计发电厂在启动、运转、停役、检修过程中,有大量由电动机拖动的机械设备,用以保证机组的主要设备和输煤、碎煤、除灰、除尘及水处理等辅助设备的运行。这些电动机及全场的运行、操作、试验、检修、照明等用电设备等都属于厂用负荷。总的耗电量,统称为厂用电。3.1 厂用电接线的要求(1)供电可靠,运行灵活。(2)各机组的厂用电系统应是独立的。(3)全厂性公用负荷应分散

29、接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线上。(4)充分考虑发电厂正常,事故,检修,启停等运行方式的供电要求。(5)供电电源应尽量与电力系统保持紧密联系。(6)充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式。3.2 厂用电接线设计原则厂用电接线的设计原则与主接线的设计原则基本相同,主要有:厂用电接线应保证对厂用负荷可靠和连续供电,使发电厂主机安全运转;接线应能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求;厂用电源的对应供电性,本机、炉的厂用负荷由本机组供电,这样,当厂用电系统发生故障时,只影响一台发电机组的运行,缩小故障范围,接线也简单;设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重

30、地采用新技术、新设备、使厂用电接线具有可行性和先进性;在设计厂用电接线时,还应对厂用电的电压等级、中性点接地方式、厂用电源及其引接和厂用电接线形式等问题进行分析和论证。3.3 厂用供电电源3.3.1 厂用工作电源发电厂或变电所的厂用工作电源,是保证正常运行的基本电源。不仅要求电源供电可靠,而且应满足各级厂用电电压负荷容量的要求。通常,工作电源应不少于两个。现代发电厂,一般都投入系统并联运行,即使发电机组全部停止运行,仍可从电力系统倒送电能供给厂用电源。本次设计的发电厂即采用了这样的配置,一方面从发电机得到电能,另一方面将厂用电系统连接到电网以保证供电的可靠性。3.3.2 厂用备用电源(1)厂用

31、备用电源厂用备用电源主要用于事故情况失去工作电源时,起后备作用,又称事故备用电源。而启动电源系指在厂用工作电源完全消失情况下,为保证使机组快速启动,向必要的辅助设备供电的电源。这些辅助设备在正常运行时由工作电源供电,只有当工作消失后,才自动切换到启动电源供电。因此,启动电源实质上也是一个备用电源。我国目前对200MW以上大型机组,为了确保机组安全和厂用电的可靠才设置厂用启动电源,且以启动电源兼作事故备用电源,统称启动(备用)电源。(2)厂用备用电源的数量厂用高压或低压工作电源在6个及以下时,只装设一个备用电源,并与第一个工作电源同时设置;工作电源在7个及以上时,应装设第二个备用电源,并与第7个

32、工作电源同时设置。在下列任一情况下,第二个备用电源可提前与第6个工作电源同时装设:a有较多的厂用工作电源均带有两段母线时;b在连续扩建的条件下,为便于过渡时;c工作和备用电源均在发电机电压主接线上,而备用电源不可避免要与供给几台较大容量锅炉的工作电源接于同一主母线时,第二备用电源可提前与第五或第四个工作电源同时装设,实行交叉备用。3.4 厂用电接线的确定本厂用电系统共设4台高压厂用变压器,根据厂用备用电源数量的设置原则,3台以上200MW机组一般每两台机组设一台启动/备用变压器,因而共设置两台启动/备用变压器。厂用电源及其启动/备用电源的引接已在主接线图中标明。厂用电接线方式如图3-1所示:图

33、3-1厂用电接线方式3.5 厂用电主变压器选择3.5.1 主变选择原则(1)变压器副边额定电压应分别与引接点和厂用电系统额定电压相适应。(2)连接组别的选择,宜使同一电压级的厂用工作、备用变压器输出电压的相位一致。(3)阻抗电压及调压型式的选择,宜使在引接点电压及厂用电负荷正常波动范围内,厂用电各级母线的电压偏移不超过额定电压的5%。(4)变压器容量必须保证常用机械及设备能从电源获得足够的功率。3.5.2 厂用电主变型号确定1高压厂用变压器的容量选择按厂用电率确定厂用电主变的容量,厂用电率确定为厂用电率(%); 厂用计算负荷(KVA);平均功率因数,一般取0.8。 发电机的额定功率(kW)。所

34、以由上式选定高压厂用变压器型号为:,额定容量为:;电压比为:。2高压启动/备用变压器的容量选择200MW及以上的机组中,厂用工作变压器电源由发电机母线直接引接。本次设计中选用的高压厂用备用变压器容量为31.5MVA,因而启动/备用变压器选用两台40MVA的变压器,型号为:,额定容量为:,电压比为:。第4章 短路电流的计算在进行电气设备和载流导体的选择时,为了保证各种电气设备和导体在正常运行时和故障情况下都能安全、可靠的工作,同时又要力求节约、减少投资,需要根据短路电流对电气设备进行动、热稳定的校验。在进行继电保护装置及进行整定计算时,必须以各种不同类型短路时的短路电流作为依据。4.1 短路电流

35、计算目的计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围。在变电所和供电系统的设计和运行中,基于如下用途必须进行短路电流的计算:(1)选择电气设备和载流导体,必须用短路电流校验其热稳定性和动稳定性。(2)选择和整定继电保护装置,使之能正确的切除短路故障。(3)确定合理的主接线方案、运行方式及限流措施。(4)保护电力系统的电气设备在最严重的短路状态下不损坏,尽量减少因短路故障产生的危害。4.2 短路电流的计算选择流过所要校验的设备内部和载流导体的短路电流最大的短路点为短路计算点,本次计算中选取的短路点为发电机出口短路点d1、220kV母线短路点d2、厂用6kV高压母线短路点d3。4.2

36、.1短路电流计算方法对应系统最大运行方式,按无限大容量系统,进行相关短路点的三相短路电流计算,求得、值。三相短路电流;三相短路冲击电流,用来校验电器和母线的动稳定。三相短路全电流最大有效值,用来校验电器和载流导体热稳定。三相短路容量,用来校验断路器和开断容量以及判断容量是否超过规定值,作为选择限流电抗器的依据。注:选取基准容量为 基准容量(MVA)所在线路的平均电压(KV)1去掉系统中的所有负荷分支、线路电容和各元件的电阻,发电机电抗用次暂态电抗。2计算网络中各发电机的基本参数,各变压器的基本参数见详见表4-1,4-2。表4-1 发电机参数型号额定容量(MW)额定 电压 (KV)额定电流(A)

37、功率因数QFQS-200-220015.758625A0.8514.44%QFS-300-23001811320A0.8516.7%TS1264/300-483001811000A0.87530.56%TQN-100-210010.56475 A0.8518.3%表4-2 变压器参数型号额定电压(kW)短路阻抗(%)SF10-240000242/15.7513SF10-3150015.75/6.39.8SFP7-360000242/1814SFP7-120000242/10.514由4200MW火力发电厂电气主接线图和原始资料中给出的相关参数,可画出系统的等值网络图如图所示。3将各元件电抗换算

38、为同一基准的标么电抗取基准容量=100MVA,电压基准值为各段的平均额定电压, =242kV,=15.75kV,=6.3kV。(1)4200MW发电厂QFQS-200-2发电机的电抗标幺值为SF10-240000主变压器的电抗标幺值为SF10-31500厂用高压变压器的电抗标幺值为(2)系统、QFS-300-2发电机的电抗标么值为 SFP7-360000变压器的电抗标幺值为(3)系统、TS1264/300-48发电机的电抗标么值为SFP7-360000变压器的电抗标幺值为(4)系统、TQN-100-2发电机的电抗标么值为SFP7-120000变压器的电抗标么值为(5)线路阻抗标幺值4.2.2求短路电流为计算不同短路点短路电流值,把原等值网络化简为以短路点为中心的网络,并求各电源与短路点之间电抗,即转移电抗。1d1点短路(1)网络化简,求转移阻抗如图4-1所示,将系统、合并为,、合并为,、合并为,合并后的阻抗值为图4-1 d1点短路时网络化简图1将、合并为,、合并为,、合并为,如图4-2所示。图4-2 d1点短路时网络化简图2,即为、对d1点的转移阻抗,即为、对d1点的转移阻抗。(2)求各电源的计算电抗 (3)查运算曲线查得各电源0s短路电流标幺值为;

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