新建凝汽式火力发电厂电气部分设计.docx

毕业设计（论文）新建凝汽式火力发电厂电气部分设计学生姓名： 学生学号： 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业：04级电气工程与自动化 指导教师： 二七年五月摘 要发电厂是电力系统中的重要组成环节,它将直接影响整个电力系统的安全与经济运行,是电力系统存在的基础。 本毕业设计为175MW凝汽式火电厂电气部分设计。该厂的厂用电率为9%，由于只有一个升压等级,各机组均采用发电机-变压器单元组接线。本厂在系统中起着很重要的作用,所以与两个变电所的连接均为双回路架空电线。根据火力发电厂设计技术规程SDJ1-84的规定,结合本厂的实际情况,本厂110千伏配电装置主接线采用双母线形式。在对系统三相短路故障进行分析计算的基础上,进行母线和电器的选择设计。在户外配电装置上采用半高型形式,且对电厂的自动装置作了初步的介绍,对同期接线作了初步的设计。最后对本厂的防雷保护作了简单的设计。关键词 电力系统,短路电流,配电装置,同期,防雷保护ABSTRACTThe power plant is the important composition links in the power system, it will influence security of the whole power system and economical operation directly, it is the foundation that the power system exists. This design for graduate concentrates on the electrical system of the steamy-coagulating power plant by firepower with the dimension of 175 MW. The percentage of the electricity power for the mainframe of the plant is 9%, because only one rises to press the rank,various units use the generator - transformer unit group wiring.This factory is playing the very vital role in the system,therefore and two transformer substations connections for double return route overhead line.According to the Technical Regulation of Design for Power plant with firepower SDJ1-84,unifies this power plant the actual situation,this power plant 110 kilovolts power distribution install the buyer wiring to use the double generatrix form.In three-phase short-circuits the breakdown to the system to carry on the analysis computation in the foundation,carries on the generatrix and the electric appliance choice design.Uses half high form in the outdoors power distribution equipment,also has made the preliminary introduction to the power plant automatic device,has made the preliminary design to the same time wiringFinally has made the simple design to this factory anti-radar protection.Key words electrical power system，short-circuit current，power distribution equipment，same time,anti-radar protection.目 录摘 要.ABSTRACT.绪 论.1 1 发电厂接入电力系统的方式.2 1.1发电厂容量和初期运行方案.21.1.1安排停机检修计划.2 1.2 系统及负荷无功的计算.2 1.3电厂接入系统方案3 1.4发电机型号及参数的选择102 电气主接线及设计.11 2.1电气主接线11 2.1.1 对电气主接线的基本要求.11 2.1.2 电气主接线的设计原则.12 2.2 电气主接线的设计选择12 2.3 厂用变压器的选择.153 开关电器、母线及互感器的选择设计.17 3.1 短路电流的计算17 3.2 开关电器、熔断器的选择.26 3.3 裸导体的选择.273.3.1发电机出口引线的选择293.3.2 厂用分支引出线的选择.293.3.3 110kV双绕组变压器高压侧引出线选择303.3.4 110kV汇流母线的选择303.3.5 绝缘子的选择.31 3.4 互感器的选择31 3.4.1 本厂继电保护配置31 3.4.2 电流互感器的选择.31 3.4.3 电压互感器的选择.334 配置继电保护、自动装置.34 4.1 继电保护的配置.34 4.1.1 同步发电机保护的意义及分类344.1.2 发电机保护的整定计算.354.1.3 发电机差动保护整定37 4.2 自动装置的配置.39 4.2.1 发电机的自动准同期并列装置394.2.2 发电机的自动调节励磁装置394.2.3 输电线路三相自动重合闸装置415 高压配电装置的布置.42 5.1 设计原则与要求.42 5.1.1高压配电装置的分类及设计原则.425.1.2 屋内配电装置的安全净距.42 5.2 屋外配电装置.436 防雷方案设计.44 6.1 防雷保护的基本措施44 6.1.1 避雷针.446.1.2 避雷器.44 6.2 避雷器的设置.45结论.46参考文献 47附录A48附录B49致 谢50绪 论我国的动力资源非常丰富，水能资源居世界第一，而煤、石油和天然气等资源也十分丰富。1882年7月26日，在中国上海，成立了上海电气公司，安装了1台以蒸汽机带动的直流发电机，正式发电，从电厂到外滩，沿街架线，供给照明用电，引起了极大的轰动。它比世界上最早的公用电厂仅晚6个月。我过的水力发电始于1912年农历4月12 日，在云南昆明附近的螳螂川上建成了石龙坝水电厂，装有2台240kW的水轮发电机组。这些是公认的中国电力工业的起点。但是，从1882年7月上海第一台发电机组发电开始，到1949年新中国成立，在60多年中，电力发展迟缓，全国发电设备的总装机容量仅184.86kW，年发电量仅43.1kW.h，人均年占有发电量不足10 kW.h。当时中国的电力系统大多是大城市发、供电系统，跨地区的有东北中部和南部的154、220kV电力系统、东北东部的110kV电力系统以及翼北电力系统。新中国成立后，电力工业有了很大的发展，尤其是1978年以来，改革开放、发展国民经济的正确决策和综合国力的提高，使电力工业取得了突飞猛进、举世瞩目的辉煌成就。到1995年末，全国年发电量已达到10 000 kW.h，仅次于美国而跃居世界第二位；全国发电设备装机容量达2.1kW，当时居世界第三位。其中，装机容量从1987年末的1kW到1995年3月突破2kW，前后只用了7年多的时间，这在世界电力发展史上是罕见的。到2003年末全国发电装机容量超过3.8kW，年发电量超过19 000kW.h，人均占有发电量超过1 000 kW.h。从1996年起，我国发电装机容量和年发电量均跃居世界第二位，超过俄罗斯和日本，仅次于美国，进入世界电力生产和消耗大国的行列。我国电力工业虽然发展较快，但是还远远不能满足经济发展的要求。20世纪80年代我国国民生产总值的憎长率约为9%，而我国在这一时期的年发电量的增长率约为7.5%，这说明电力供应不足，影响了工业产值的发展。此外，输变电容量的增长率又低于发电设备容量的增长率。使有限的发电设备不能充分的发挥效益。自1980年以来，电力工业已有显著发展，但仍然不能满足国家经济发展和全社会进步的需要。社会人均用电量是衡量现代化的粗略判据。近20年已有显著进步，1996年平均每个中国人拥有0.2KW的装机容量以及具有918 kW.h的电能消耗，其中94 kW.h是城乡住宅的份额。它约为世界平均消耗定额的1/3 。等值于工业国家消耗定额的1/71/10 。这些数据充分说明电力工业发展的重要性与紧迫性。1 发电厂接入电力系统的方式1.1 发电厂容量和初期运行方案在不考虑负荷增加及备用的情况下：新建电厂自带负荷100MW，厂用电占9%，可以选2台额定功率为50MW的汽轮发电机和1台25MW的汽轮发电机。在考虑负荷增长及备用后，变电所A的负荷从150MW增长到180MW ，变电所a的负荷从30MW增长到45MW，变电所b 的负荷从35MW增长到40MW，一共增加了50MW，负荷增加后，发电厂的装机容量也增加到175MW 。此时，厂用电为15.75MW，再除去所有负荷150MW，还剩9.25MW，占总容量的5.3%，刚好符合发电厂备用在2%5%，所以确定在电厂建设初期，装机容量为125MW，在以后的5年内，逐渐增加到175MW。现在选择电厂建设初期的装机方案：1） 2 50 + 125 =125MW 2） 1 50 + 325 =125MW首先，如果选择方案2），则是先投入1台50MW，3台25MW的发电机，一共4台。此方案的好处在于1台机组停电检修的情况下，停25MW的机组的机率占3/4，这样发电厂除了厂用电外，还能向负荷提供88.75MW，剩余11.25MW的功率差额可以从系统取得。50MW的机组停机检修的机率占1/4，其停机检修时，负荷的功率缺额就更大了，增加到36.75MW，此时，也可以考虑由系统的其他发电机增发一些电，来满足负荷的需求。如果选择方案1），则是先投入2台50MW，1台25MW的发电机，一共3台。此方案的好处在于，发电机的台数少了一台，这一台发电机的相关保护，维护，检修等费用可以省下来，而且，发电厂有扩建的可能，在负荷增长的情况下，有要有新的发电机投入运行。但是，负荷是逐渐增长的选择1台25MW的机组就可以满足要求，而方案2）则是要投入1台50MW的机组，在经济性方面也是不利的。所以选择方案1）作为发电厂初期的运行方案。1.1.1 安排停机检修计划因为该发电厂的=6 000h，应属于带基荷的发电厂，在系统中是比较重要的。但发电厂也有可能发生机组突然故障，为了使系统负荷与发电量保持平衡。可以选择在负荷低谷的时候，定期的给50MW的机组作检修。1.2 系统及负荷无功的计算 系统：=200MW，=0.85，所以=0.53。=0.62 =2000.62=124Mvar系统： =100MW，=0.85，所以=0.53 =0.62 ，=1000.62=62Mvar =80MW，=0.8，所以=0.6，=0.75=800.75=60Mvar=150MW，=0.8，所以=0.6，=0.75=1500.75=112.5Mvar变电所a： =30MW，=0.8，所以=0.6，=0.75 =300.75=22.5Mvar变电所b： =35MW，=0.8，所以=0.6，=0.75 =350.75=26.25Mvar负荷： =100MW，=0.8，所以=0.6，=0.75 =1000.75=75Mvar发电厂（初期）：=125MW， =1250.75=93.8Mvar厂用电为11.25MW，=11.250.75=8.4Mvar1.3 电厂接入系统的方案1）连接F和A，F和a，线路共长48km。2）连接F和A，F和b，线路共长58km。以上两种方案通过潮流计算，选择一种较优方案作为电厂接入系统的方案。下面进行潮流分析：图1.1中的箭头表示选取的参考方向。方案1）：（电厂建成初期） =30+j22.5（40.4+j26.8）=10.4j4.3 MVA=+=35+j26.2510.4j4.3=24.6+j21.95 MVA方案1）：（电厂扩建后） = = = 4.8+j19.1 MVA = （40+j11）(4.8+j19.1)=44.8j30.1 MVA =45+j33.75(44.8+j30.1)=0.2+j3.65 MVA =40+j30+(0.2+j3.65)=40.2+j33.65 MVA同理可得：方案2）的两种情况下的潮流计算如下。电厂建成初期的潮流计算结果如表1.1。 表1.1 方案2）初期潮流计算23.5j2.7 MVA46.5j30.8 MVA18.5+j17.95 MVA 方案2）在电厂扩建后的潮流计算结果如表1.2。 表1.2 方案2）最终潮流计算9.6+j22 MVA 49.6j33 MVA35.4+j30.75 MVA方案1）计算最大负荷电流： A A电厂扩建后： A方案2）计算最大负荷电流： A A电厂扩建后： A A现在知道两种方案在扩建后和扩建前通过线路的最大负荷电流，可以先按发热条件选导线的截面如表1.3。表1.3 输电线路持续容许负荷（MVA）导线型号持续容许电流（A） 电压等级 110kV LG16105LGJ25135LGJ35170LGJ50220LGJ70275 52.4110kV级的输电线的最小截面为：LGJ70 ，持续容许电流为275A，满足两种方案的任何情况下流过导线的电流及负荷要求。LGJ70的电阻为0.450 /km，电抗为0.441/km。 将导线的电阻、电抗代入再次计算潮流验证电压降落是否满足要求： 方案1）：（电厂建成初期） 29.6j6.7 MVA 40.4j26.8 MVA 10.4j4.3 MVA 24.6+j21.95 MVA所以变电所b为功率分点，于是网络从b打开变成两个幅射网，如图1.3。 MVA=24.6+j21.95+0.61+j0.59=25.21+j22.54 MVA= =2.91 kV=2.6%10%0.017+.j0.052 MVA10.4+j4.3+0.017+j0.052 10.417+j4.352 MVA0.354 kV40.417+j26.852 MVA0.321+j0.973 MVA40.74+j37.825 MVA kV70+j33.540.74j27.825 =29.26+j5.675 MVA0.297+j0.291 MVA kV所以从变电所A经变电所a 到b 的电压降落为：0.354+1.88=2.234 kV。从变电所A经发电厂F 到b的电压降落为：2.91=1.28=4.19 kV。3.8% 10% ,所以此时电压降落满足要求。当电厂扩建后（即负荷增加后）的潮流分析如下：4.8+j19.1 MVA40j114.8j19.1=44.8j30.1 MVA45+j33.7544.8j30.1=0.2+j3.65 MVA40+j30+0.2+j3.65=40.2+j33.65 MVA此时，变电站a 为功率分点，于是网络从a 打开变成两个幅射网，如图1.4。=0.4+j1.2 MVA0.4+j1.2+44.8+j30.1=45.2+31.3 MVA kV40j11+44.8+j30.1+0.4+j1.2=15.2+j20.3 MVA MVA15.2+j20.3+0.215+j0.21=15.415+j20.51 MVA1.34 kV0.002+j0.015 MVA0.002+j0.015+0.2+j3.65=0.202+j3.665 MVA0.17 kV0.202+j3.665+40+j30=40.202+j33.665 MVA0.227(6.8+j6.6)=1.54+j1.5 MVA40.202+j33.665+1.54+j1.5=41.742+j35.165 MVA4.7 kV从发电厂F到变电所a 的电压降落为：2.1+1.34=3.44 kV ，从到变电所a 的电压降落为：0.17+4.7=4.87 kV。 ，所以电压降落满足要求。方案2）：（电厂建成初期）在电厂建成初期，其功率分点为a ，于是网络从 a 打开变成两个幅射网，如图1.5。由方案1）的计算方法可得方案2）初期潮流计算结果如表1.4。表1.4 方案2）初期潮流分析 功率损耗(MVA)电压降落(kV)0.26+.j0.791.760.43+j1.32.230.17+j0.170.86 所以从变电所A到变电所 b 的电压降落为：1.76+2.23=3.99 kV。，电压降落满足要求。电厂扩建后，其功率分点为a ，于是网络从 a 打开变成两个幅射网，如图1.6。 方案2）的最终潮流分析如表1.5。假设变电所b的用电完全由F经A再到a到b而来，则电压降落为：2.02+2.37+1.29=5.68 kV。 表1.5 方案2）最终潮流分析功率损耗(MVA)电压降落(kV)0.34+j1.032.020.34+j0.482.37如果b的用电由F到a再到b而来，则电压降落可近似为：5.6+2.02=7.62 kV。，所以电压降落满足要求。负荷矩的计算：方案1），电厂建成初期： = 29.618+24.630+10.425+40.425 = 2 540.8 MW.km电厂扩建后： = 4.818+40.230+0.225+44.825 =2 417.4 MW.km 方案2），电厂建成初期： =23.518+46.525+18.540+3525 = 3 200.5 MW.km电厂扩建后： 9.618+49.625+35.440+40253 828.8 MW.km综上所述：方案1）的线路长度小于方案2），负荷矩也小于方案2），电压降落两种情况都满足要求。因为都是选择双回路供电，其供电的可靠性较高，所需的开关数量都一样，开关不作考虑，所以选择方案1）作为电厂接入系统的方案。1.4 发电机型号和参数的选择因为发电厂投入运行的发电机组的容量分为25MW和50MW两种，所以在选择汽轮发电机时，应选择发电机的机端电压相同，以便以后选择变压器。汽轮发电机的选择如表1.6。表1.6 汽轮发电机的技术数据 型号 项目QF-25-2（哈尔滨）QF-50-2（东方）额定容量（MW）2550额定电压（KV）10.510.5额定电流（A）1 7203 440转速（r/min）3 0003 0000.80.8效率（%）97.5798.5定子接线 瞬变电抗（%）20.520超瞬变电抗（%）12.612.39负序电抗（%）1615.1零序电抗（%）8.966.2 2 电气主接线及设计2.1 电气主接线电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。2.1.1 对电气主接线的基本要求对电气主接线的基本要求，概括的说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。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线最基本的要求。因此，电气主接线必须保证供电可靠。电气主接线的可靠性不是绝对的。所以，在分析电气主接线的可靠性时，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别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。1）发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用。发电厂和变电站都是电力系统的重要组成部分，其可靠性应与系统相适应。中小型发电厂的主接线，没有必要为了追求过高的可靠性而采用复杂的接线形式，在与电力系统的接入方式上，可采用单回线弱联系的接入方式。然而，中小型发电厂和变电站一般靠近负荷中心，且常常有610 kV电压等级的近区负荷，容量不大。此时，610 kV电压等级宜采用供电可靠性较高的母线接线形式，以便适应近区各类负荷对供电可靠性的要求。2）负荷性质和类别。负荷按其重要性有类、类和类之分。担任基荷的发电厂，设备利用率较高，年利用小时在5 000h以上，主要供应、类负荷用电，必须采用供电较为可靠的接线形式，且保证有两路电源供电。3）设备的制造水平。电气设备制造水平决定着质量和可靠程度，直接影响着主接线的可靠性。因此，主接线的设计必须同时考虑设备的故障率及其对供电的影响。4）长期实践运行经验。主接线可靠性与运行管理水平和运行值班人员的素质等因素有密切关系，衡量可靠性的客观标准是运行实践。国内外长期运行经验的积累，经过总结均反映于技术规范之中，在设计时均应予以遵循。在可靠性分析中，应考虑瞬时故障、永久故障及检修停电的影响。评估供电可靠性的主要指标有停电频率、每次停电的持续时间及用户在停电时的生产损失或电力企业在电力市场环境下通过辅助服务市场获得备用容量所付出的代价。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：1）操作的方便性。电气主接线应该在满足可靠性的条件下，接线简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。 2）调度的方便性。电气主接线在正常运行时，要能根据调度的要求，方便的改变运行方式，并且在发生事故时，要能尽快的切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。 3）扩建的方便性。对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。尤其是火电厂和变电站，在设计主接线时应留有发展扩建的余地。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。通常设计应满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要从以下几个方面考虑：1）节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采用限制短路电流的措施，以节省开关电器数量、选用廉价的电器或轻型电器，以便降低投资。 2）占地面积少。3）电能损耗小。在发电厂或变电站中，电能损耗主要来自变压器，应经济合理的选择变压器的形式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗。2.1.2 电气主接线的设计原则电气主接线的设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠和调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。2.2 电气主接线的设计选择根据火力发电厂设计技术规程，本厂的主接线依据如下：1）单元接线时，不装设发电机出口断路器；2）110220kV配电装置，当出线回路数为5回及以上时，采用双母线接线；在对原始资料分析的基础上，结合对电气主接线的可靠性、灵敏性及经济性等基本要求，综合考虑。在满足技术、经济政策的前提下，力争使其为技术先进、供电安全可靠、经济合理的主接线。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，以保证供电连续性。为此，对中型发电厂主接线的可靠性，拟从以下几个方面考虑：断路器检修时，是否影响连续供电；线路、断路器或母线故障，以及在母线检修时，造成馈线停运的回路数多少和停电时间长短，能否满足重要的、类负荷对供电的要求；本发电厂有无全厂停电的可能性；根据对原始资料的分析，本厂采用发变单元接线形式。现列出两种较佳方案供比较。选择出最佳方案作为本厂的主接线。根据主接线形式初步选择主变型号如表2.1。表2.1 主变型号及参数表型号额定容量（kVA）额定电压（kV）空载电流（%）损 耗阻抗电压（%）高压低压空 载（kW）负载（kW）63 00012110.50.65225410.531 50012110.50.8314710.5对于以下两种电气主接线来说，可以从可靠性、灵活性和经济性来进行比较。对可靠性来说，断路器检修时，方案1）只停断路器所在的出线，方案2）可以通过旁路母线供电。母线故障时，方案1）可以通过另一母线供电，而方案 2）则是故障段下的所有发电机停机，会出现大面积停电，而且方案2）带旁路母线，倒闸操作多，容易出现误操作。对灵活性来说，两种方案的调度都很灵活，但方案2）操作不如方案1）简单，两种方案的检修都安全，在电厂的扩建方面，方案1）优于方案2），方案1）两边都可以扩建，而方案2）要两段母线平均扩建。对经济性来说，方案1）比方案2）的投资省，无论是初期还是扩建后，都比方案2）节省2台断路器，4个隔离开关，方案1）不带旁路母线，占地面积相对较小。综上所述，选择方案1）作为本厂的电气主接线。 图2.1 电气主接线方案1） 图2.2 电气主接线方案2）2.3 厂用变压器的选择厂用变压器的选择主要考虑厂用高压工作变压器和启动备用变压器的选择，其选择内容包括变压器的台数、型式、额定电压、容量和阻抗，为了正确选择厂用变压器容量，应先统计厂用电设备的容量。因为该厂的厂用电为9% ，所以每一台发电机个带一台厂变，该厂的发电机都是50MW和25MW的，厂用电等级为3kV。 259%=2.25 MW ，2.250.8=2 812.5 kVA ，509%=4.5 MW ，4.50.8=5 625 kVA所以25MW的机组选择 变压器，50MW的机组选择变压器，其参数如表2.2。 表2.2 厂用变压器型号及参数型号额定电压（kV）连接组标号损耗（kW）空载电流（%）阻抗电压（%）容量（kVA）高压低压短路空载10.53.15Y，d1122.730.65.53 15010.53.15Y，d1134.85.20.555.56 300由选出的厂变可知：起备变的容量应满足电厂中任何一台发电机的起动所需的电能，所以起备变的型号选择 。3 开关电器、母线及互感器选择设计3.1 短路电流的计算选100MVA ，为基值。25MW的汽轮机电抗标幺值12.6 。0.1260.1260.40350MW的汽轮机电抗标幺值：0.123 9 0.198主变的电抗标幺值： 0.1050.333主变的电抗标幺值：0.1050.167线路： 0.401250.076 0.406150.012 0.406200.0150.401250.0760.441180.060.441300.1 0.030.013 0.1250.106变电所A的变压器型号为，阻抗电压，高中；14.5 ，高低：23 ，中低：7 ，在计算短路电流时，只用到变压器的高压绕组和中压绕组，所以在此也只计算两个绕组的电抗。0.5（0.145+0.23-0.07）=0.152 50.5（0.145+0.07-0.23）=-0.007 5点短路时，对对网络上半部分进行Y变换。0.025+0.204+=0.27 转移电抗 （） 计算电抗（） ： 0.27 =0.270.635： 1.31 1.5