4×300MW火力发电厂电气部分设计.doc

4300MW火力发电厂电气部分设计摘 要由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。电气主接线是发电厂、变电所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、变电所本身的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。并且对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。电能的使用已经渗透到社会、经济、生活的各个领域，而在我国电源结构中火电设备容量占总装机容量的75%。本文是对配有4台300MW汽轮发电机的大型火电厂一次部分的初步设计，主要完成了电气主接线的设计。包括电气主接线的形式的比较、选择；主变压器、启动/备用变压器和高压厂用变压器容量计算、台数和型号的选择；短路电流计算和高压电气设备的选择与校验; 并作了变压器保护。关键词： 发电厂；变压器；电力系统；继电保护；电气设备。Electrical design of 800MW regional power plantAuthor: Tutor: AbstractBy the power generation, transformation, transmission and distribution of electricity and energy components, and other aspects of production and consumption systems. It is the function of the natural world through the power of primary energy into electrical energy power plant, then lost, transforming the system and distribution system will supply power to the load centers.Electrical wiring is the main power plant, electric substation designed first and foremost part of the power system is also constitute an important part. Determination of the main cable on the power system as a whole and power plants, substations to run its reliability, flexibility and economy are closely related. And choice of electrical equipment, power distribution equipment configuration, relay protection and control of the means to develop a greater impact. The use of power has infiltrated the social, economic, in all areas of life, and in the power structure of Chinas thermal power equipment capacity of the total installed capacity of 75%. This article is equipped with 4*300MW turbo-generator of large-scale thermal power plants a part of the preliminary design of the main completed the main electrical wiring design. Including the electrical wiring of the main forms of comparison, the choice; main transformer, the start / stand-by transformer and the high-voltage transformer factory with the capacity of calculation, the number of models and options; short-circuit current calculation and high-voltage electrical equipment selection and validation; and made the protection of transformer .Key words: power plant; transformer; power system; relay; electrical equipment目 录1 绪 论.11.1 前言.11.2 原始资料.11.3 电力工业的发展概况. .22 电气主接线设计.42.1 主接线概述.42.1.1 可靠性.42.1.2 灵活性. .42.1.3 经济性.42.2 对原始资料的分析.4 2.3 拟定可行的主接线方案.42.3.1 确定变压器的台数及容量. .42.3.2 主接线方案.52.3.3 比较主接线方案.63 厂用电的设计.73.1 厂用电源选择.73.1.1 厂用电电压等级.7 3.1.2 厂用电系统接地方式.73.1.3 厂用工作电源引接方式.73.1.4 厂用备用电源引接方式. .73.1.5 确定厂用电系统.73.2 厂用主变选择.73.2.1 厂用电主变选择原则.73.2.2 确定厂用电主变容量.74 短路电流计算.94.1 短路计算目的.94.2 短路电流计算条件.94.2.1 基本假定.94.2.2 一般规定.94.3 短路电流分析.104.3.1 选取短路点.104.3.2画等值网络图.114.3.3化简等值网络图.124.3.4 各短路点短路电流计算. . .185 导体和电气设备的选择.24 5.1 电气设备选择概述.245.2 电气设备选择的一般原则.245.3 电气设备选择的校验内容. . .245.4 电气设备选择的技术条件.255.5 电气设备选择汇总.255.6 电气主接线.256 配电装置的设计.276.1 配电装置的选择原则.276.2 配电装置的基本要求.276.3 配电装置的设计. .27 6.3.1 500kV配电装置. 276.3.2 6kV配电装置.276.4 配电装置平面布置图. 27结论.33参考文献.34致 谢.35附录A 电气主接线图.36附录B 500KV配电装置布置图(a) . 37附录B 500KV配电装置布置图(b) . 38附录C 配电装置平面布置图.39附录D 继电保护配置图.40IV 1 绪 论1.1 课题背景由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、 控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。电能是一种清洁的二次能源。由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度,易于实现自动化。因此，电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生活的各个方面。绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅猛发展。本设计的主要内容包括：通过原始资料分析和方案比较，确定发电厂的电气主接线。计算短路电流，并根据计算结果来选择和效验主要电气设备。1.2 原始资料1、课题名称：某地区4300MW火力发电厂电气部分设计2、原始资料： 1）发电厂概况： （1）装机容量：4台300MW汽轮发电机 （2）发电机组参数： 型号：QFSN300220B1（东方电机厂） 额定电压：20KV 功率因数：0.85（滞后） 直轴瞬变电抗：（标么值） 直轴超瞬变电抗：（标么值） （3）厂用电率：7.31（计及脱硫），5.57（不计脱硫） （4）自然环境：平均气温11.7 ，最高气温32.7 ，最低气温9.3 （5）机组年利用小时数： 1.3 电力工业的发展概况到2003年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第2位。工业用电量已占全部用电量的5070%，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。我国的电力系统从20世纪50年代开始迅速发展。到1991年底，电力系统装机容量为14600万千瓦，年发电量为6750亿千瓦时，均居世界第四位。输电线路以500 千伏、330千伏和500千伏为网络骨干，形成4个装机容量超过1500万千瓦的大区电力系统和9个超过百万千瓦的省电力系统，大区之间的联网工作也已开始。此外，1989年，台湾省建立了装机容量为1659万千瓦的电力系统。2 电气主接线设计2.1 主接线概述电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，它反映各设备的作用、连接方式和回路的相互关系。所以，由文献1可知；它的设计直接关系到全厂电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护、自动装置和控制方式的确定，对电力系统的安全、经济运行起着决定的作用。概括地说包括以下三个方面：2.1.1 可靠性：在研究主接线可靠性时应重视国内外长期运行的实践经验和其可靠性的定性分析；主接线的可靠性要包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中可靠性的综合，在很大程度上也取决于设备的可靠程度。可靠性的具体要求在于断路器检修时，不宜影响对系统的供电；断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。2.1.2 灵活性：主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。在调度时，应可以灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式的系统调度要求；在检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电；扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。2.1.3 经济性：要节省投资，主接线应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备；要节省继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆；要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器；主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少；经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量、要避免因两次变压而增加电能损失。2.2 对原始资料的分析从原始资料和文献4可以知道，本电厂属于地区性火力发电厂，建成后总容量为800MW，建成后与周边的几个电厂形成区域电网。该电厂的发电容量除了本厂厂用电后剩余的电力向系统供电。因此，本电厂在系统有重要作用。电厂是否安全、可靠运行直接影响该地区的经济效益，可见该电厂的重要性。2.3 拟定可行的主接线方案2.3.1 确定变压器台数及容量：1、台数：根据原始资料，该厂除了本厂的厂用电外，其余向系统输送功率，所以不设发电机母系，发电机与变压器采用单元接线，保证了发电机电压出线的供电可靠，本厂主变压器选用三相式变压器4台。2、容量：单元接线中的主变压器容量SN 应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，预留10的裕度选择，为 (2.1)发电机容量； 通过主变的容量厂用电：Kp=7.31% 发电机的额定功率，发电机的额定容量为300MW，扣除厂用电后经过变压器的容量为： (2.2)采用三相风冷自然循环双绕组无励磁调压变压器，由文献2可知；型号为：SFP9-370000/500，参数为 Ud=14%2.3.2 主接线方案：根据变压器的组合方案拟定主接线的初步方案，并依据对主接线的基本要求，从技术上进行论证各方的优、缺点，淘汰了一些较差的方案，保留了两个技术上相对较好的方案，由文献3可知，如图2.1和图2.2所示:图2.1 一台半接线(方案一)图2.2 双母带旁路接线(方案二)2.3.3 比较主接线方案：1、技术上的比较：方案一供电可靠，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而不至使供电中断；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，能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要；扩建方便，向双母的左右任何一个方向扩建均不影响两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电；便于试验。方案一比方案二供电更可靠。2、经济上的比较：虽然方案二比方案一供电更可靠，但是从经济的角度看，方案二的投资比方案一要大很多，增加了旁路间隔和旁路母线，每回间隔增加一把隔离开关，大大的增加了投资，同时方案二方案一多占用了土地，当今我国的土地资源比较缺乏。从技术和经济的角度论证了两个方案，虽然方案一比方案二供电可靠，但是由于目前断路器采用的是六氟化硫断路器，它的检修周期长，不需要经常检修，所以采用旁路也就没有多大意义了，这样一来不仅仅节省了投资，也节约了用地，所以比较论证后确定采用了方案一。3 厂用电的设计3.1 厂用电源选择3.1.1 厂用电电压等级的确定：厂用电供电电压等级是根据发电机的容量和额定电压、厂用电动机的额定电压及厂用网络的可靠、经济运行等诸方面因素，经技术、经济比较后确定。因为发电机的额定容量为300MW，由文献5可知；比较后确定厂用电电压等级采用6kV的等级。3.1.2 厂用电系统接地方式：厂用变采用不接地方式，高压和低压都为三角电压，当容量较小的电动机采用380V时，采用二次厂用变，将6kV变为380V，中性点直接接地；启备变采用中性点直接接地，高压侧为星型直接接地，低压侧为三角电压。3.1.3 厂用工作电源引接方式：因为发电机与主变压器采用单元接线，高压厂用工作电源由该单元主变压器低压侧引接。3.1.4 厂用备用电源和启动电源引接方式：采用两台启备变，独立从500kV母线引至启备变，启备变采用低压侧双绕组分裂变压器。3.1.5 确定厂用电系统：厂用电系统采用如图方案一和方案二，厂用电在两个方案中都是一样。3.2 厂用主变选择3.2.1 厂用电主变选择原则：1、变压器、副边额定电压应分别与引接点和厂用电系统的额定电压相适应。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、变压器的容量必须保证常用机械及设备能从电源获得足够的功率。3.2.2 确定厂用电主变容量：按厂用电率确定厂用电主变的容量，厂用电率确定为，；选型号为： ，额定容量为：；电压比为：；启备变的容量为厂用变的总和，为80MVA，选用两台40MVA的变压器，型号为：，额定容量为：，电压比为：。4 短路电流计算4.1 短路电流计算的目的在发电厂电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。由文献6可知；其计算的目的的主要有以下几个方面：1、电气主接线的比选。2、选择导体和电器。3、确定中性点接地方式。4、计算软导线的短路摇摆。5、确定分裂导线间隔棒的间距。6、验算接地装置的接触电压和跨步电压。7、选择继电保护装置和进行整定计算。4.2 短路电流计算条件4.2.1 基本假定1、正常工作时，三项系统对称运行。2、所有电流的电功势相位角相同。3、电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。4、短路发生在短路电流为最大值的瞬间。5、不考虑短路点的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻略去不计。6、不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流。7、元件的技术参数均取额定值，不考虑参数的误差和调整范围。8、输电线路的电容略去不计。4.2.2 一般规定1、验算导体的电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统远景的发展计划。2、选择导体和电器用的短路电流，在电器连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流影响。3、选择导体和电器时，对不带电抗回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大地点。4、导体和电器的动稳定、热稳定和以及电器的开断电流，一般按三相短路计算。4.3 短路电流分析4.3.1 选取短路点由原始资料，选择母线处短路点d1、发电机回路出口处短路点d2、d3、d4、d5、和厂用变低压侧短路点d6、d7、d8、d9，如下图4.1所示:图4.1 短路点的选择具体元件用等值电抗表示,如图4.2图4.2 等值电抗表示的短路点4.3.2 画等值网络图1、去掉系统中的所有负荷分支、线路电容和各元件的电阻，发电机电抗用次暂太电抗Xd。2、计算网络中各元件参数见表4.1：表4.1 发电机参数(a)型号额定容量额定电压额定电流功率因素XdQFQS-300-2300MW15.75kV8625A0.8514.44%QFS-300-2300MW18kV11320A0.8516.7%TS1264/300-48300MW18kV11000A0.87530.56%TQN-100-2100MW10.5kV6475 A0.8518.3%表4.2 变压器参数(b)型号额定电压（kW）空载损耗（kW）短路损耗（kW）阻抗电压（%）SF10-240000242/15.7513SF10-3150015.75/6.39.8%SFP7-360000242/1814SFP7-130000242/10.5143、将各元件电抗换算为同一基准的标么电抗：取基准容量Sj=100MVA，基准电压Up1=242kV，Up2=15.75kV，Up3=6.3kV(1) 新建发电厂发电机、变压器、厂用变的标么值： (4.1) (4.2)(4.3) (4.4)(2) 系统600MW火电厂QFS发电机、变压器的标么值： (4.5) (4.6)(3) 系统600MW水电厂TS1264发电机、变压器的标么值： (4.7) (4.8)(4) 系统300MW火电厂TQN发电机、变压器的标么值： (4.9) (4.10)画出如图4.2的等值电抗图，并将各元件电抗统一编号4.3.2 化简等值网络图为计算不同短路点的短路电流值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗：1、化简d1短路点的等值网络：由图4.2化简得图4.3 (4.11) (4.12) (4.13) (4.14) (4.15) (4.16) (4.17)图4.3 d1短路点等值网络图(a)由图4.3化简得图4.4 (4.18)图4.4 d1短路点等值网络图(b)2、化简d2短路点的等值网络：由图4.2化简得图4.5图4.5 d2短路点等值网络图(a)由图4.5化简得图4.6 (4.19)图4.6 d2短路点等值网络图(b)由图4.6化简得图4.7 (4.20)图4.7 d2短路点等值网络图(c)由图4.7化简得图4.8 (4.21)图4.8 d2短路点等值网络图(d)由图4.8化简得图4.9 (4.22) (4.23) (4.24) (4.25) (4.26) (4.27) (4.28) (4.29)图4.9 d2短路点等值网络图(e)d2、d3、d4、d5各点的短路电流都相同，所以只化简一点3、化简d6短路点的等值网络：由图4.9得到短路点d6的等值阻抗图4.10图4.10 d6短路点等值阻抗图(a)由图4.10化简得图4.11 (4.30) (4.31)图4.11 d6短路点等值阻抗图(b)由图4.11化简得图4.12 (4.32) (4.33) (4.34) (4.35) (4.36) (4.37) (4.38) (4.39) (4.40) (4.41) (4.42)图4.12 d6短路点等值阻抗图(c)d6、d7、d8、d9各点的短路电流都相同，所以只化简一点4.3.3 各短路点短路电流计算1、d1短路点：(1) 计算电抗： ，将图4.4的等值阻抗化为计算阻抗 (4.43) (4.44) (4.45) (4.46)查曲线的出各电源供给的短路电流标么值：600MW火电厂： 600MW水电厂： 300MW火电厂： 发电机F1F4： (2) 各电源点供给的基准电流：600MW火电厂： (4.47)600MW水电厂： (4.48)300MW火电厂： (4.49)发电机F1F4： (4.50)(3) 各电源点供给的短路周期分量有效值：600MW火电厂：600MW水电厂：300MW火电厂：发电机F1F4： 总的短路电流： (4.51) (4.52) (4.53)(4) 短路容量和短路电流最大值：短路容量： (4.54) (4.55) (4.56)冲击电流： (4.57)全电流： (4.58)2、d2短路点：(1) 计算电抗：，将图4.9的等值阻抗化为计算阻抗 (4.59) (4.60) (4.61) (4.62) (4.63)查曲线的出各电源供给的短路电流标么值：600MW火电厂： 600MW水电厂： 300MW火电厂： 发电机F2F4： 发电机F1： (2) 各电源点供给的基准电流：600MW火电厂： (4.64)600MW水电厂： (4.65)300MW火电厂： (4.66)发电机F2F4： (4.67)发电机F1： (4.68)(3) 各电源点供给的短路周期分量有效值：600MW火电厂： 600MW水电厂： 300MW火电厂： 发电机F2F4： 发电机F1： 总的短路电流： (4.69) (4.70) (4.71)(4) 短路容量和短路电流最大值：短路容量： (4.72) (4.73) (4.74)冲击电流： (4.75)全电流： (4.76)3、d6短路点：(1) 计算电抗：，将图4.12的等值阻抗化为计算阻抗 (4.77) (4.78) (4.79) (4.80) (4.81)由于计算电抗大于3，所以采用 (4.82) (4.83)(2) 基准电流： (4.84)(3) 短路周期分量有效值：厂用变周期分量： (4.85)电动机反馈电流：KDd取6，为6倍启动电流；功率因素取0.8，电动机的容量取8000kW， (4.86)总的短路电流： (4.87)(4) 短路容量和短路电流最大值：短路容量： (4.88)冲击电流： (4.89)全电流： (4.90)表4.3 各短路点短路电流计算结果表短路点编号短路点位置短路点平均工作电压短路电流周期分量起始值短路容量短路电流冲击值短路全电流最大有效值U(kV)I(kA)S (MVA)ich(kA)Ich(kA)D1242kV母线24220.848735.2254.632.51D2D5发电机出口15.75118.483232.11310.41185.26D6D96.3kV母线6.311.0912129.0617.35 电气设备的选择5.1 电气设备选择概述由于各种电气设备的具体工作条件并不完全相同，所以，它们的具体选择方法也不完全相同，但基本要求是相同的。即，要保证电气设备可靠的工作，必须按正常工作条件选择，并按短路情况校验其热稳定和动稳定;由文献7可知：5.2 电气设备选择的一般原则5.2.1 应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。5.2.2 应按当地环境条件校核。5.2.3 应力求技术先进和经济合理。5.2.4 与正个工程的建设标准应协调一致。5.2.5 同类设备应尽量减少品种。5.2.6 用新的产品均应有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。5.3 电气设备选择的校验内容表 5.1 高压设备校验内容序号电器名称额定 电压额定 电流额定 容量机械 荷载额定开断电流热稳定动稳定绝缘水平单位kVAkVANA_1断路器是是_是是是是是2隔离开关是是_是_是是是3组合电器是是_是_是是是4负荷开关是是_是_是是是5熔断器是是_是是_是6PT是是_是_是7CT是是_是_是是是8电抗器是是_是_是是是9消弧线圈是是是是_是10避雷器是是_是_是11穿墙套管是是_是_是是是12绝缘子_是_ 注:“是”表示需要校验, “”表示不用校验5.4 电气设备选择的技术条件表 5.2 选择电器的一般技术条件序号电器名称额定 电 压额定 电 流额定 容 量机械 荷 载额定开断电流热稳定动稳定绝缘水平单位KVAKVANA_1断路器是是_是是是是是2隔离开关是是_是_是是是3组合电器是是_是_是是是4负荷开关是是_是_是是是5熔断器是是_是是_是6PT是是_是_是7CT是是_是_是是是8电抗器是是_是_是是是9消弧线圈是是是是_是10避雷器是是_是_是11穿墙套管是是_是_是是是12绝缘子_是_ 注:“是”表示需要选择的技术条件, “”表示不用选择的技术条件5.5 电气设备选择 由文献9可知：5.5.1 导体：500kV线路、500kV母线、发电机出口母线、主变间隔以及其他间隔1、500kV线路考虑都是从发电厂输送容量到系统，即800MW的容量都是通过线路输送到负荷，当有一回故障或者检修停电时，其他线路能够多输送容量到系统，所以每回线路的输送容量设定为300MW，每回线路的额定电流为620A，采用钢芯铝绞线LGJ-300型的导线。2、500kV母线采用穿越功率是800MW，流过母线的额定电流为2470A，采用LDRE-130/116铝锰合金管形母线。3、 主变间隔采用单元接线，所以流过该间隔的额定电流为620A，采用钢芯铝绞线LGJ-300型的导线。4、发电机出口额定电流为8625A，采用额定电流为9000A的封闭母线。5、其他间隔也采用钢芯铝绞线LGJ-300型的导线。5.5.2断路器：采用SF6断路器，断路器的额定电压取242kV，最高工作电压选用252kV，额定电流选用3150A，开断电流选用50 kA。5.5.3 隔离开关：采用GW16-245、GW16-245D和GW4-245IID，额定电流为1600A，动稳定为31.5kA。5.5.4 电压互感器：采用电容式互感器，线路带一组保护级和一个0.5级的测量绕组，母线电压互感器带一组保护级、一组0.5级测量级和0.2S计量级。5.5.5 电流互感器：采用SF6电流互感器，额定电流为800/1A。5.5.6 开关柜：6.3kV采用10kV等级的KYN型开关柜，额定电流为1250A，断路器开断电流为31.5kA。表5.3 电气设备选择汇总表242kV支柱绝缘子ZSW-252/12242kV断路器SW6-242