本科毕业论文---中型火电厂电气部分设计正文.doc

陕西理工学院毕业设计 毕业设计任务书院(系) 电气工程系 专业班级 电气专升本1301 学生姓名 种新艳 一、毕业论文设计题目 中型火电厂电气部分设计 二、毕业论文设计工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 20 日止三、毕业论文设计进行地点: 博思楼继电保护实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 一、原始资料 1.电厂规模 （1）装机容量：4台，450MW，UN=10.5KV，cos=0.8。 （2）机组每年利用小时为：Tmax=5200h/a。 （3）气象条件为年最高温度38度，平均气温25度，条件一般，无特殊要求。 （4）厂用电率占5% 。 2.电力负荷及与电力系统连接情况 （1）10.5KV电压等级：电缆馈线八回，每回出线平均输送容量为2000KVA。10KV最大负荷20MW，最小负荷15MW，cos=0.8，Tmax=4500h/a，为II类、III类负荷。 （2）35KV电压等级：架空线5回，每回平均输送容量5000KW。35KV最大负荷40MW，最小负荷20MW，cos=0。85，Tmax=5200h/a，为I类、II类负荷。 （3）110KV电压等级：架空线4回，110KV与电力系统连接，接受该发电厂的剩余功率。电力系统容量为5000MW，当取基准容量为100MVA时，系统归算到110KV侧的 （4）发电机出口处主保护动作时间取t=0.1s。 3. 厂区气象条件：全年最高气温37，最低气温-10，最热月平均最高气温32；主导风向为东南风；地震裂度6度。 二、设计任务 1分析原始资料； 2. 选择主变压器； 3.对电厂主接线方案进行设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）； 4. 厂用电设计； 5. 短路电流计算并进行电气设备选择； 6. 对电厂的继电保护及防雷措施进行选择。 三、主要设计指标：本设计的火电厂电气部分应具有可靠性、灵活性、经济性，并满足工程建设规模要求。 指导教师 杨琳霞 系(教 研 室) 电气系 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 I某中型火电厂电气部分设计种新艳（陕西理工学院电气工程专升本1301班， 陕西 汉中 723001 ）指导教师：杨琳霞摘要 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。而火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不可再生能源的影响，虽然现在中国已有部分核电机组，但火电仍占领电力的大部分市场，近年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。 本次毕业设计的题目是某中型火电厂电气部分设计。,在设计的过程中,根据设计任务书的要求以及变电站的地理环境,容量和各回路数确定火电厂各电压等级电气主接线和厂用电接线,并且选择了各变压器的型号;进行参数计算,画等值网络图,并计算各电压等级侧的短路电流,列出短路电流结果表;计算回路持续工作电流,选择各种高压电气设备,并根据相关技术条件和短路电流计算结果表校验各高压设备. 关键词 主接线；短路电流；电气设备；主变保护；配电装置；防雷接地 The Design Of the Middle electrical part Of Steam power plant Chongxinyan（Grade13,class01,The department of Electrical Engineering, Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，Shaanxi）Tutor：YanglinxiaAbstract: Power plant is an important part of power system, which directly affects the security and economy of the whole power system. The power plant is the role of other forms of energy into electricity. According to the energy conversion form of coal power plant, nuclear power plant and wind power plant. And thermal power is now the main force of the development of electric power, now put forward harmonious society, circular economy environment, we in the direction of improving the thermal power technology to focus on effects of power on the environment, does not affect the renewable energy, although now China has been part of the core motor group, but power is still occupying power of the majority of the market, in recent years power development lag economic development throughout the country, the many thermal power plant, but thermal power technology must enhance the continuous development in order to meet the requirements of harmonious society.According to the design request, in the design process, according to the transformer substation geographical environment, the capacity and various return routes number determined the transformer substation electricity host wiring and the station use electricity the wiring, and chooses various transformers the model; Carries on the parameter computation, the picture equivalent network chart, and calculates various voltages rank side the short-circuit current, lists the short-circuit current result table; Calculates the return route continually operating current, chooses each kind of high pressure electrical equipment, and verifies various high pressure unit according to the correlation engineering factor and the short-circuit current computed result table. Key words: Main wiring； Short-circuit current； Electrical equipment,；The host changes the protection； Power distribution equipment；Lightning protection grounding目 录1 引 言11.1 设计在工程建设中的作用11.2 设计工作应遵循的主要原则11.3 设计的基本程序12 电气主接线设计22.1 原始资料22.2 主接线方案的拟定22.3 主接线方案的评定52.4 发电机及变压器的选择53 厂用电设计83.1 负荷的分类与统计83.2 厂用电接线的设计93.3 厂用变压器的选择104 短路电流计算114.1 概 述114.2 系统电气设备电抗标幺值计算114.3 短路电流计算124.3.1 10.5kV侧短路计算124.3.2 35kV侧短路计算154.3.3 110kV侧短路计算185 电气设备的选择235.1 断路器的选择235.1.1 110kV侧高压断路器的选择235.1.2 35kV侧高压断路器的选择255.1.3 10.5kV侧断路器的选择285.2 隔离开关的选择315.2.1 110kv侧隔离开关的选择315.2.2 35kV侧隔离开关的选择335.2.3 10.5kV隔离开关的选择355.3 电流互感器的选择385.3.1 110kV侧电流互感器的选择385.3.2 35kV侧的TA的选择415.3.3 10kV侧电流互感器的选择435.4 电压互感器的选择455.4.1 110kV侧TV的选择465.4.2 35kV侧TV的选择465.4.3 发电机TV的选择475.5 导体的选择及校验475.5.1110kV母线选择485.5.2 110kV连接线选择495.5.3 35kV母线选择505.5.4 35kV连接线选择515.5.5 10.5kV母线选择525.5.6 发电机端封闭母线的选择536 配电装置规划及布置546.1 概 述546.2 屋内配电装置546.3 屋外配电装置556.4 发电机与配电装置的连接557 主系统保护配置整定567.1 系统防雷保护567.1.1 110kV侧避雷器的选择和校验577.1.2 35kV侧避雷器的选择和校验577.1.3 10.5kV侧避雷器的选择和校验587.2 变压器继电保护配置及整定597.3 发电机继电保护配置及整定617.4 输电线路保护64总 结65致 谢66参考文献67附录A68附录B69附录C 711 引 言在高速发展的现代社会中，电力工业在国民经济中有着重要作用，它不仅全面地影响国民经济其他部门的发展，同时也极大的影响人民的物质与文化生活水平的提高。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。而火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不可再生能源的影响，虽然现在中国已有部分核电机组，但火电仍占领电力的大部分市场，近年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。1.1 设计在工程建设中的作用 设计工作是工程建设的关键环节。做好设计工作对工程建设的工期、质量、投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性作用。设计是工程建设的灵魂。设计的基本任务是，在工程建设中贯彻国家的基本建设方针和技术经济政策，做出切合实际、安全实用、技术先进、综合效益好的设计，有效的为电力建设服务。1.2 设计工作应遵循的主要原则1遵守国家的法律、法规，贯彻执行国家的经济建设方针、政策和基本建设程序，特别应贯彻执行提高综合经济效益和促进技术进步的方针。2要运用系统工程的方法从全局出发，正确处理中央与地方、工业与农业、城市与乡镇、近期与远期、技改与新建、生产与生活、安全与经济等方面的关系。3要根据国家规范、标准与有关规定，结合工程的不同性质、要求，从实际情况出发，合理确定设计标准。4要实行资源的综合利用，节约能源、水源，保护环境，节约用地等。1.3 设计的基本程序设计要执行国家规定的基本建设程序。工程进入施工阶段后，设计工作还要配合施工、参加工程管理、试运行和验收，最后进行总结，从而完成设计工作的全过程。随着我国电力工业的技术水平和管理水平不断提高，现在已有许多电厂实现了集中控制和采用计算机监控电力系统也实现了分级集中调度，所有电力企业都在努力增产节约，降低成本，确保安全远行。随着我国国民经济的发展，电力工业将逐步跨入世界先进水平的行列。火力发电厂是生产工艺系统严密、土建结构复杂、施工难度较大的工业建筑。电力工业的发展,单机容量的增大、总容量在百万千瓦以上火电厂的建立促使火电厂建筑结构和设计不断地改进和发展。2 电气主接线设计2.1 原始资料分析设计电厂总容量450=200MW。当本厂投产后，将占系统总容量为200/（5000+200）100%=3.85%5000h/a，又为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，从而该电厂主接线的设计务必着重考虑其可靠性。从负荷特点及电压等级可知，它具有10.5kV，35kV，110kV三级电压负荷。10.5kV容量不大，为地方负荷。110kV与系统有4回馈线，呈强联系形式，并接受本厂剩余功率，最大可能接受本厂送出电力为200-15-20-2005%=155MW，最小可能接受本厂送出电力为200-20-40-2005%=130MW，可见，该厂110kV接线对可靠性要求很高，双母线带旁路母线接线形式。35kV架空线出线5回，为提高其供电的可靠性，采用单母线分段带旁路母线或单母线分段的接线形式。10.5kV电压级共有8回电缆出线，其电压恰与发电机端电压相符，采用直馈线为宜。2.2 主接线方案的拟定在对原始资料分析的基础上，结合对电气接线的可靠性、灵活性及经济性等基本要求，综合考虑。在满足技术，积极政策的前提下，力争使其技术先进，供电安全可靠、经济合理的主接线方案。发电、供电可靠性是发电厂生产的首要问题，主接线的设计，首先应保证其满发，满供，不积压发电能力。同时尽可能减少传输能量过程中的损失，以保证供电的连续性，因而根据对原始资料的分析，现将主接线方案拟订如下：方案一：（1）10KV电压级 鉴于出线回路多，且发电机单机容量为50MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线不得超过24MW的规定，应确定为双母线分段接线形式，两台50MW机组分别接在接在分段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压35kV。由于一台50MW机组接于10.5kV母线上，可选择轻型设备，在分段处加装母线电抗器，各条电缆出线上装出线电抗器。（2）35KV电压级 出线5回，采用单母线分段带专用旁路接线形式。进线从10KV侧送来剩余容量150-（2005%）+20=20MW，不能满足35KV最大负荷的要求。为此以一台50MW机组按发电机一变压器单元接线形式接至35KV母线上，其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与110KV接线相连，相互交换功率。（3）110KV电压级 出线4回，为使出线断路器检修期间不停电，采用双母线带旁路母线接线，并装有专门的旁路断路器，其旁路母线只与各出线相连，以便不停电检修。其进线一路通过联络变压器与35KV连接，另一路为一台50MW机组与变压器组成单元接线，直接接入110KV，将功率送往电力系统。据以上分析，接线形式如下：图2.1 电气主接线方案二：（1）10.5kV：鉴于出线回路多，且发电机单机容量为50MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线不得超过24MW的规定，应确定为双母线分段接线形式，两台50MW机组分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压35kV。由于两台50MW机组接于10.5kV母线上，可选择轻型设备，在分段处加装母线电抗器，各条电缆出线上装出线电抗器。（2）35kV：出线5回，采用单母线分段接线形式。进线从10.5kV侧送来剩余容量250-（2005%）+20=70MW，能满足35kV最大及最小负荷的要求。其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与110kV接线相连，相互交换功率。（3）110kV：出线4回，为使出线断路器检修期间不停电，采用双母线带旁路母线接线，。其进线一路通过联络变压器与35kV连接，另一路为两台50MW机组与变压器组成扩大单元接线，直接接入110kV，将功率送往电力系统。据以上分析，接线形式如下：图2.2 电气主接线方案三：（1）10.5kV：鉴于出线回路多，且为直馈线，电压较低，宜采用屋内配电。因此采用单母线分段接线形式，两台50MW机组分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压35kV。由于两台50MW机组接于10.5kV母线上，可选择轻型设备，在分段处加装母线电抗器，各条电缆出线上装出线电抗器。（2）35kV：出线5回，采用单母线分段带专用旁路接线形式。进线从10.5kV侧送来剩余容量250-（2005%）+20=70MW，能满足35kV最大及最小负荷的要求。其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与110kV接线相连，相互交换功率。（3）110kV：出线4回，为使出线断路器检修期间不停电，采用双母线带旁路母线接线，。其进线一路通过联络变压器与35kV连接，另一路为两台50MW机组与变压器组成扩大单元接线，直接接入110kV，将功率送往电力系统。据以上分析，接线形式如下：图2.3 电气主接线2.3 主接线方案的评定该电气主接线的设计始终遵循了可靠性、灵活性、经济性的要求。在确保可靠性、灵活性的同时，兼顾了经济性。在可靠性方面该主接线简单清晰，设备少，无论检修母线或设备故障检修，均不致造成全厂停电，每一种电压级中均有两台变压器联系，保证 在变压器检修或故障时，不致使各级电压解列。机组的配置也比较合理，使传递能量在变压器中损耗最小。在灵活性方面，运行方式较简单，调度灵活性好，各种电压级接线都便于扩建和发展。在经济性方面，投资小，占地面积少，采用了单元接线及封闭母线，从而避免了选择大容量出口断路器，节省了投资，有很大的经济性。通过以上分析，主接线方案一对所设计的这一火电厂而言，是比较合理的，可以采纳。2.4 发电机及变压器的选择1、发电机的选择： 查电气设备运行及事故处理两台50MW发电机选用QFS-50-2汽轮发电机，四台50MW汽轮发电机选用QFS-50-2型汽轮发电机。 2、变压器的选择： 根据本设计具体情况，应该选择2台双绕组变压器， 2台三绕组变压器， 本设计中的主变选择如下：110KV侧双绕组变压器容量确定公式：查电气设备运行及事故处理，选定变压器的容量为120MVA。根据实际要求，联络变压器的容量选取和主变一样3. 现将发电机和变压器的选择结果列表如下，以供查询：（1）发电机具体参数如表2 .1。表2.1 发电机技术参数型 号额 定功率/MW额 定电压/kV额 定电流/A功率因数电抗（标幺值）发电机QFS-50-25010.534370.80.1953（2）110kv 双绕组为SFP7-120000/110型。主要技术参数如表2.2。表2.2 技术参数额定容量（kVA）连接组别额定电压（kV）空载损耗(kW)阻抗电压（%）120000高压：11022.5%低压：10.510610.5(3)35kv 双绕组为SFP7-75000/35型。主要技术参数如表2.3。表2.3 技术参数额定容量（kVA）连接组别额定电压（kV）空载损耗(kW)阻抗电压（%）75000高压：3522.5%低压：10.55710.5(4) 联络变压器选取SFPSZ-75000/110型。主要技术参数如表2.4。表2.4 技术参数额定容量（kVA）容量比/MVA额定电压（kV）空载损耗(kW)阻抗电压（%）连接组别75000100/100/20高压：1105%中压：38.55%低压：10.580高-中：22.5高-低：13中-低：84. 10kV侧三绕组变压器选取SFSZ750000/110型。主要技术参数如表2.5。表2.5 技术参数额定容量（kVA）容量比/MVA额定电压（kV）空载损耗(kW)阻抗电压（%）连接组别50000100/100/50高压：11081.25%中压：38.55%低压：10.571.2高-中：10.5高-低：18中-低：6.53 厂用电设计3.1 负荷的分类与统计发电厂在电力生产过程中，有大量的电动机械，用以保证主要设备和辅助设备的正常运行。这些电动机及全厂的运行操作、试验、修配、照明等用电设备的总耗电量，统称为厂用电或自用电。厂用负荷，按其用电设备在生产中的作用和突然中断供电时造成危害程度可分为四类：（1）类厂用负荷 凡短时停电会造成设备损坏，危及人身安全，主机停运及大量影响出力的厂用负荷，都属于类负荷。如火电厂的给水泵，凝结水泵，循环水泵，引风机，送风机，给粉机等以及水泵的调速器，压油泵，润滑油泵等。通常他们都设有两套设备互为备用，分别接到两个独立电源的母线上。（2）类厂用负荷 允许短时停电，恢复供电后，不致造成生产紊乱的厂用负荷，均属于类负荷。如火电厂的工业水泵，疏水泵，灰浆泵，输煤设备和化学水处理设备等，一般它们应由两段母线供电，并采用手动切换。（3）类厂用负荷 较长时间停电，不会影响生产，仅造成生产上的不方便者，都属于类厂用负荷。如试验室，中央修配厂，油处理室等负荷，通常由一个电源供电。（4）事故保安负荷 指在停机过程中及停机后一段时间内仍应保证供电的负荷，否则将引起主要设备损坏，重要的自动控制装置失灵或推迟恢复供电，甚至可能危及人身安全的负荷称为事故保安负荷。它分为直流保安负荷，如发电机组的直流润滑油泵等，其直流电源由蓄电池组供电；交流保安负荷，如盘车电动机，实时控制用的电子计算机等都属于交流保安负荷。现将火电厂的主要负荷统计如下（见表3.1）表3.1分类名称负荷类别运行方式备注锅炉部分引风机鼓风机磨粉机给粉机或经常，连续无煤粉仓时为汽机部分凝结水泵循环水泵给水泵给水油泵生水泵工业水泵经常，连续给水泵不带主油泵时电气及公用部分充电机变压器变压器冷却风机通讯电源硅整流装置不经常，断续经常，短时经常，连续经常，连续经常，连续出灰负荷灰浆泵碎渣机电气除尘器冲灰水泵经常，连续辅助车间油处理设备中央修理车间起重机电气实验室经常，连续经常，连续不经常，断续不经常，断续3.2 厂用电接线的设计厂用电接线的设计原则基本上与主接线的设计原则相同。首先，应保证对厂用电负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运转；其次，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；还应适当注意经济性和发展的可能性并积极慎重的采用新技术、新设备，使其具有可行性和先进性。此外，在设计厂用电系统接线时还要对供电电压等级，厂用供电电源及其引接进行分析和论证。火电厂的辅助机械多、容量大，供电网络复杂，其主要负荷分布在锅炉、气机、电气、输煤、出灰、化学水处理以及辅助车间和公用电气部分，因此，厂用电电压必须由10KV和0.4KV两级电压，以单母线分段接线形式合理地分配厂用各级负荷。现将该火电厂的厂用电接线的系统图设计示于图3.1。 图3.1 厂用电接线图图3.1所设计电厂厂用电接线图，厂内装在二机三炉，发电机电压为10.5KV，6KV厂用高压母线分单母线，按锅炉台分为三段，通过T11、T12、T13厂用高压变压器分别接于主母线上两个分段上，380/220V低压厂用母线，由于机组容量不大，设启动电源和事故保安电源，低压厂用母线分为两段，备用电源采用明备用形式，即专设一台T10备用厂用高压变压器，平时断开，当任一段厂用工作母线的电源回路发生故障时QF3断开，QF1和QF2在备用电源自动投入装置作用下合闸。于是，T10厂用高压变压器代替T11厂用高压变压器工作。为了在主母线上发生故障时，仍有可靠的备用电源，运行中可将T10备用厂用高压变压器和主变压器T2都接到备用母线上，并将主母线第段的母联断路器QF4合上，使备用母线和工作母线均带电运行。这样，当主母线发生事故时，QF4断开，T10变压器还可通过T2供电。 发电厂厂用电系统电压等级是根据发电机额定电压，厂用电动机的电压和厂用电网络的可靠运行等诸方面因素，由上一节负荷分析可知，取两级厂用电压，高压级取6KV，由两组厂用主变压器从50MW机组的电压母线上取，低压级取380V，采用母线分段式。1、6KV电压等级供电分析对同样的厂用系统，6KV网络不仅节省有色金属及费用，且短路电流也较小，同时6KV电压等级电动机功率可制造得较大，满足大量负荷要求。拟采用两段6KV的厂母线，另外再设置两段6KV备用母线，以提高供电可靠性。2、380V电压级低压供电分析380V厂用电一般采用动力和照明共用的三相四线制接地系统，在技术经济合理时，采用动力和照明分开供电及其引接。3.3 厂用变压器的选择厂用变压器容量选择的基本原则和应考虑的因素为：（1）变压器原、副边电压必须与引接电源电压和厂用网络电压一致。（2）变压器的容量必须满足厂用机械从电源获得足够的功率。（3）厂用高压备用变压器或起动变压器应与最大一台高压厂用工作变压器容量相同；低压厂用设备用变压器的容量应与最大一台低压厂用工作变压器容量相同。据此，厂用变压器T4，T5，T6，T7，选择如下：S=（504）5% / 0.83=4200KVA，查设计手册，应选SJL1-6300 / 10型双绕组铝线电力变压器4 短路电流计算4.1 概 述电力系统中，常见的短路故障有三相对称短路、两相短路和单相接地短路。其中三相短路电流的计算是为了选择和校验QF、QS、母线等电气设备，两相短路电流用于整定继电保护装置。短路发生后，短路电流的值是变化的，变化的情况决定于系统电源容量的大小、短路点离电源的远近以及系统内发电机是否带有电压自动调整装置等因素。按短路电流的变化情况，通常把电力系统分为无限容量系统和有限容量系统。无限容量系统短路电流的计算，采用短路回路总阻抗法计算；有限容量系统短路电流的计算采用运算曲线法，这中间要用到网络的等效变换。本次设计中，短路电流的计算就涉及到这两个方面的内容。4.2 系统电气设备电抗标幺值计算系统基准值100MVA，基准电压= 1、发电机电抗标幺值的计算发电机G1,G2,G3,G4：2、变压器电抗标幺值的计算110kV主变压器：35kV主变压器: 10kV侧三绕组变压器: 3.母线电抗器电抗标幺值的计算：发电机G1(或G2)的额定电流ING3.437kA。母线电抗器一般取发电机额定电流的58，照此标准选电抗器NKL-10-400-5型，额定电流0.4kA，10kV，电抗百分比数5，由此得电抗标么值为：4. 系统归算到330kV侧的电抗标幺值：4.3 短路电流计算用于校验设备的最大三相对称短路电流的计算。本设计中，短路计算采用近似方法计算。即发电机和系统的次暂态电势=1。图4.1 全系统图的等值电路4.3.1 10.5kV侧短路计算k1点发生短路，其等值电路图如下：图4.2 K1点短路等值电路图图4.3 K1点短路Y电路图图4.4 K1点短路Y转换图Y图4.5 Y转换图图4.6 K1点短路总等效图 短路等值阻抗短路电流周期分量有效值 最大有效值 冲击电流 短路功率 4.3.2 35kV侧短路计算(1) 35kV母线（k2点）发生短路，其等值电路图如下：图4.7 K2点短路等值电路图Y图4.8 K2点短路Y型等值电路图 图4.9 K2点短路等值电路图图4.10 K2点短路最终等值电路图短路等值阻抗 短路电流周期分量有效值最大有效值 冲击电流 短路功率 (2) 发电机G2出口（k4点）短路计算，其等值电路图如下：