2×125MW火电厂电气主接线及其厂用电系统

本科生毕业设计（论文）

题目： 2×125MW火电厂电气主接线及其厂用电系统

姓名：林旻威

学号：111000917

学院：电气工程与自动化学院

专业：电气工程与自动化(电力方向)

年级：2010

指导教师：（签名）

2014 年5 月30 日2×125MW火电厂电气主接线及其厂用电系统

福州大学本科生毕业设计（论文）诚信承诺书

福州大学本科生毕业设计

中文摘要

作为当今国内主力电源的火力发电厂，其主接线型式和厂用电系统结构都与电厂的安全运行和经济效益的最大化有直接关系。本设计是2×125MW火力发电厂的主接线部分电气设计和本电厂的厂用电系统设计。文中首先对发电厂的电气主接线进行了研究，并根据设计规程选出了若干种较为合理的电气主接线方案，并在通过经济技术比较后选定了单母线分段接线的接线方式作为该电厂的电气主接线方案。确定方案后对本电厂的发电机、主变压器和高压厂用变压器进行了选型。短路电流计算是进行其余设备选型的重要依据，计算时先对题目中给出的元件参数以及所选的发电机、变压器的参数进行变换，之后简化网络，求出了发电厂高压母线、发电机出口以及高压厂用母线发生三相短路时的短路电流大小。最后，以短路电流的计算结果为依据，对电气主接线内的载流导体、断路器和隔离开关进行了选择，并按照规程配置了电流互感器和电压互感器。最后完成电厂电气主接线部分的CAD制图。

厂用电系统的可靠性是发电厂安全生产的重要保证。在设计厂用电接线时，首先应对所有厂用负荷列表统计，并确定各个厂用负荷的安全等级。对I级和II级厂用负荷，都应配置的备用电源。对保安负荷，则应设置专用的柴油发电机组或者是蓄电池组与逆变器，在全厂停电的状况下也可取得电源。最后完成了发电厂厂用电系统部分的CAD制图。

关键词：火力发电厂，电气主接线，电气一次设计，厂用电设计2×125MW火电厂电气主接线及其厂用电系统

Abstract

As the main domestic power source, the thermal power plant, its main wiring and the structure of auxiliary power system are directly related to the safe operation of the plant and maximize economic benefits. This design is a 2×125MW power plant design and the main part of the electrical wiring system design of the auxiliary power system. Firstly, I studied various ways of main wiring and chose some of them as alternatives. After comparing the economic and technological factors, single bus bar wiring is selected as the main wiring type of the power plant. Then I chose the generator, the main transformer, and the transformer for the high-voltage auxiliary power source. Short-circuit current calculating is a key basis to choose other equipment. While calculating, I firstly transformed the parameters given by the chosen equipment like generators and transformers. Then I simplify the network, and got the short-circuit current on the high-voltage bus of the power plant, on the port of the generator, and on the high-voltage power source bus of auxiliary power system. The last is choosing equipment like the breaker, the switch and conductor in the main wiring of the power plant. And made the drawing of the main wiring part of the power plant with Auto CAD.

The reliability of auxiliary power system is a key proof of the safety of power plant. When designing the auxiliary power system, first thing is to list the auxiliary load and make a statistic on it, and classify the loads by safety level. For level 1 and level 2, independent stand-by power source is necessary. For the security loads, preserved diesel generator set or battery and inverter should be set for the blackout condition. Finally, I draw the map of auxiliary power system with CAD.

Keywords: Thermal Power Plant, Electrical Main Wiring, Electrical Design, Auxiliary Power System Design福州大学本科生毕业设计

目录

第一章绪论 (7)

1.1所研究课题的概况、目的和意义 (7)

1.2本课题设计原则 (7)

1.3本课题的工作内容和目标 (7)

1.4国内外对本课题的相关研究成果 (8)

第二章设计题目及原始资料 (9)

2.1设计题目 (9)

2.2原始资料 (9)

2.3原始资料分析 (10)

第三章草拟主接线方案及经济技术比较 (11)

3.1电气主接线的设计依据及设计基本要求 (11)

3.2拟定各方案简图 (12)

3.3各备选方案特点分析及经济技术比较 (13)

3.4方案选定 (13)

第四章发电机及主变压器型号的确定 (14)

4.1发电机的选择 (14)

4.2主变压器的选择 (14)

第五章厂用电系统设计 (16)

5.1厂用电系统设计的要求和原则 (16)

5.2高压厂用负荷分类及高压厂用负荷容量的统计 (16)

5.3厂用电压等级的确定 (17)

5.4厂用电源的引接 (17)

5.5厂用电系统设计图说明 (19)

第六章短路电流计算 (20)

6.1短路电流计算的目的和意义 (20)

6.2短路电流计算的基本假定 (20)

6.3本厂各短路点短路电流大小计算步骤 (21)

6.4短路电流计算结果的分析 (27)

第七章部分电气设备的选择和校验 (29)

7.1电气设备选择与校验的方法 (29)

7.2高压断路器的选择 (29)

7.3隔离开关的选择 (30)

7.4高压母线导体设计 (31)

7.5发电机出口导体设计 (32)

结论 (34)

参考文献 (35)2×125MW火电厂电气主接线及其厂用电系统

谢辞 (37)

附录 (38)

第一章绪论

1.1 所研究课题的概况、目的和意义

发电厂是电力系统的重要组成部分，直接影响电力系统供电的可靠性、灵活性、经济型。目前世界范围内在今后30~50年还主要依靠化石燃料提供能源，而电力工业是最能清洁、高效利用化石燃料的部门。因此在相当长一段时间内，火力发电技术仍然在电力工业建设中占有重要地位。目前，在我国现役发电机组总装机容量中，火电占74%，水电占23%，核电占2%，太阳能、风力发电等其他发电形式占不到1%。作为全网主力电源的火电厂，它的电气主接线必须保证其可靠运行，向电网可靠送电。同时，火电厂的可靠运行与启、停机也需要可靠的厂用电供电系统支持。本课题的目标即为：设计一套同时满足可靠性、灵活性和经济性要求的火电厂一次接线及其配套的厂用电供电系统。

1.2本课题设计原则

(1)首要的是保证供电的可靠性和电能质量。安全生产是电力企业的根本，保证安全生产，从设计开始就要步步把关。出现停电事故，不仅造成发电厂本身的损失，而且停电所产生的社会影响和经济损失更是难以估量。因此在设计发电厂电气接线时，可靠性必须摆在第一位。

(2)其次是所设计的电气主接线应具有一定的灵活性，操作时方便可靠。电力系统发生的一部分事故就是由于运行人员倒闸操作失误造成的。所以电气主接线形式应力求简洁明了，避免类似事故的发生。

(3)最后是要考虑电气主接线的经济性，设计电气接线方式和选择设备时要尽量将投资金额在合理地范围之内，避免不必要的经济损失。

1.3 本课题的工作内容和目标

(1)对新建电厂附近的电力系统情况进行分析：包括负荷调研、各个工况时的稳态潮流计算及故障流计算。

(2)新电厂周围环境的总体分析：包括电厂附近的气象条件、地理条件及水文条件，以及火电厂的年平均负荷量和最大负荷小时数。通过以上的分析可以得出新建电厂适合什么样的主接线形式。

(3)新火电厂的电气主接线分析与设计。步骤如下：一是根据新电厂所接入的系统，确定电厂的输电电压等级及出线回数。二是对发电机及主变压器进行选型，并确定它们的连接方式。三是对发电机电压及升高电压侧分别列出几套可行的主接线方案，经充分论证比较确定方案。四是对所选的方案，根据正常运行和故障工况选择和校验接线中的电气接线中的设备和导体，并配置电压互感器和电流互感器。设计时必须充分考虑各运行方式的可靠性及保护装置的需求。

(4)计算短路电流。电气设备的选择和校验、继电保护的整定和校验、整定自动化装置以及限流设备的选择等等都需要以短路电流计算结果为依据。计算短路电流普遍采用的是标么制，必须先确定短路点，特别是电气设备的安装点和母线通过负荷最重的点。之后进行短路电流的计算，工程上常用查短路电流曲线的方法，得出的结果精确度较高。

(5)火电厂厂用电系统分析与设计。步骤如下：一是确定厂用电电压等级与接线设计。二是计算厂用电负荷并选择高压厂用变压器。三是电动机自启动的校验。四是计算短路电流并选择相应的电气设备。最后进行保护和防雷的配置。

(6)用计算机绘制设计图纸，即CAD 制图。

1.4 国内外对本课题的相关研究成果

国外的火力发电站在800kV及400kV电压等级的配电装置接线形式的选择中，一般采用的是投资昂贵，可靠性和灵活性优越的的一台半断路器接线。对230kV电压等级，也可采用一台半断路器接线，或是双母线接线和双母线带旁路接线。甚至对于132kV等级，也可采用一台半断路器接线。国外的火力发电厂场内升压站常采用两个电压等级将电送出，各电压级之间采用自耦变压器联接。而国内火力发电厂的电气主接线君力求简洁、清晰，尽量降低投资。仅有330kV以上的超高压配电装置，因其在系统中地位重要，故一般采用投资昂贵的一台半断路器接线。其余中小型火力发电厂送出电压一般为220kV或110kV等级，在配电装置主接线的选型上采用双母线双分段接线或双母线单分段接线。对比之下，国外项目的电气主接线形式更为复杂，电气设备数量及其初投资更高，运行维护也更复杂。可靠性与经济性常不可兼得，而国外部分发达国家可以大量投资以保证电力系统的绝对稳定。对国内而言，随着国力的发展，可靠性和经济性的天平也应当往可靠性的方面倾斜。

第二章设计题目及原始资料

2.1 设计题目

为适应某地区由于工商业发展用电的需要，需在本地新建一座装机容量为2×125MW的火电厂。本课题要求对该火电厂电气主接线及其厂用电系统进行分析与设计。

2.2 原始资料

(1)电厂情况

火电厂为凝汽式火电厂，2台装机都为125MW，T

max

=4200小时/年。本厂发出的电能一部分送入系统，另一部分送到附近的工业区用电负荷。

(2)电力系统情况

本厂与系统的联接图如图2-1所示。在枯水期本厂要满发，而在丰水期可停一台机组。

图2-1 本厂与系统的联接图

(3)负荷情况

本厂220kV侧有两回出线，T

max =4200小时/年。#1经G变电站接入系统（8km），P

max

=150MW，

Q max =125Mvar，P

min

=60MW，Q

min

=38Mvar。#2送工业区用电（9km），P

max

=150MW，Qmax=125Mvar，

P min =80MW，Q

min

=65Mvar。厂用电率为6%。

(4)电气参数

系统：X

1=X

2

=0.4，S=2800MVA。

220kV线路：单回路X

1=X

2

=0.4Ω/ kM，X

=0.6Ω/ kM；双回路X

1

=X

2

=0.24Ω/ kM，X

=0.6 G变电站

2*90MVA

110kV

220kV

∽

175kM

新电厂8kM

系统Ω/ kM。

短路切除时间：220kV回路的主保护为0.15s，后备保护为2s。发电机与变压器回路的主保护为0.2s，后备保护为2s。

(5)地理与气象情况

有公路通达厂址。水质水量符合火电厂的要求，海拔197米，土壤温度为22。C，土壤电阻率为190Ω.M。年平均温度30。C，年最高温度39。C，月平均最高温度32。C，雷电日数65天/年。

(6)火电厂主要负荷种类

锅炉负荷：引风机、送风机、排粉机、磨煤机、给煤机、给粉机等。

汽轮机负荷：射水泵、凝结水泵、循环水泵、给水泵、备用给水泵等。

电气及公用负荷：充电机、浮充电装置、空压机、空压器冷却风机、通信电源等。

事故保安负荷：盘车电动机、顶轴油泵、交流润滑油泵、浮充电装置、机炉自控电源等。

输煤负荷：输煤皮带、碎煤机、电气除尘器等。

出灰负荷：灰渣机、碎渣机、电气除尘器等。

厂外水工负荷：循环水泵、消防水泵、生活水泵、冷却塔通风机等。

辅助车间负荷：化学水处理室、修配室、电气试验室、起重机械等。

2.3 原始资料分析

本厂的全厂容量为125×2=250MW，外接的大系统容量为2800MVA，本厂的容量占系统容×100%=8.92%，不到10%，在电力系统中属于边缘化的小型电厂，主量的百分比为250

2800

要任务是为附近工业区负荷提供电力；单台机组容量为125MW，对应的锅炉属于中温中压锅炉，故本厂所发出电力主要承担电力系统基荷，在设计主接线时应当把接线的可靠性放在首位。

有公路直达厂址，说明在选择主变压器的时候宜选择大型的三相电力变压器，不宜选择三台单相变压器组成的三相变压器。电厂的给水应从附近江边抽取，在设计厂用电系统时应设置江边泵。

发电机出口电压为13.8kV，没有连接直配负荷。故发电机出口接线适合采用单元接线方式。这样既可以节省昂贵的发电机出口断路器的投资，又有利于简化发电机出口电压电气设备的布局。发电机单机容量达到125MW，短路电流极大。为了减少发生发电机出口电压短路故障的几率，第三章草拟主接线方案及经济技术比较

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。主接线代表了发电厂或变电站高电压、大电流的电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。它直接影响电力生产运行的可靠性、灵活性，同时对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式等诸多方面都有决定性的关系。因此，主接线设计必须经过技术与经济的充分论证比较，综合考虑各个方面的影响因素，最重得到实际工程确认的最佳方案。

3.1 电气主接线的设计依据及设计基本要求

在选择电气主接线时，应以下列各点作为设计依据：

(1)发电厂在电力系统中的作用。

(2)发电厂的分期和最终建设规模。

(3)负荷大小和重要性。

(4)系统备用容量大小。

(5)系统专业对电气主接线提供的具体资料。

主接线的设计应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。

(1)可靠性：

供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，主接线首先应满足这个要求。具体表现为：1.断路器检修时，不宜影响对系统的供电。2.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的二级负荷供电。3.尽量避免发电厂全厂停运的可能性。4.大机组超高压电气主接线应满足可靠性的特殊要求。

(2)灵活性：

主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。具体表现为：1.调度时应可以灵活地投切发电机、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下的系统调度要求。2.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。3.

扩建时，可以容易地从初期接线过度到最重接线。在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装机组、变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次的改建工作量较少。

(3)经济性：

主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理。主要体现为：投资省、占地面积小和电能损失少。

3.2 拟定各方案简图

为了达成设计目标，初步对220kV侧的配电装置拟定了两个备选的电气主接线方案，分别如下：

(1)外桥接线如图3-1所示

图3-1 外桥接线示意图

(2)单母线分段接线如图3-2所示

图3-2 单母线分段接线示意图

而对于发电机出口的13.8kV侧，由于没有发电机直配负荷，统一采用发电机——变压器组单元接线的接线方式，厂用高压电源由厂用分支引接，以减少发电机出口断路器的投资。

3.3 各备选方案特点分析及经济技术比较

（1）外桥接线：该接线方式使用了三台高压断路器，系统中的穿越功率可以由桥接断路器通过，可以在较少的投资下实现较高的可靠性。外桥接线是无汇流母线的接线方式，没有母线故障的顾虑。配合跨条的使用，可以得到较好的运行灵活性。平时正常运行时撤掉跨条，运行可靠性也有较好的保障。但是在配电装置中某台断路器需要检修时，必须使用跨条。如果此时变压器高压侧发生短路故障，则必须将所有机组从系统中切除，对系统的影响极大。此时的运行可靠性就很低。而且外桥接线运行方式的多样给电气设备的选择造成了困难。另外，本厂的运行方式允许在丰水期时停止一台机组的运行，故发变组断路器的检修不会给运行的灵活性带来困难。

（2）单母线分段接线：该接线使用了五台高压断路器，与外桥接线相比，为两条出线添加了的开断闭合控制点，在可靠性上更有保证。系统中的穿越功率可以经母联断路器流通。在丰水期有一台机组停机时，不影响其余机组及线路的运行和控制，具有较高的可靠性和灵活性。接线清晰明了，运行人员操作不容易出错。相比前面的外桥接线，虽然增加了两台断路器和母线设备的投资，但是有效地提升了整个配电装置的可靠性和运行的灵活性，而且如果有扩建计划，实施起来也比外桥接线方便。因此单母线分段接线的主接线形式值得考虑。

3.4 方案选定

综上所述，最适合本厂的主接线方案为单母线双分段接线，其中每段母线分别连接一个电源和一回出线，两段母线之间由母联断路器连接。

第四章发电机及主变压器型号的确定

4.1 发电机的选择

选择的原则：按照锅炉的额定输出功率来选择。

确定的发电机型号为QFS-125-2，是额定功率为125MW的双水内冷型二级汽轮发电机。

所选发电机的参数：

发电机：QFS-125-2

额定容量：125MW

额定功率因数：0.85

额定电压：13.8kV

E*’’=1.11

以电机额定容量为基准值：S_j=S_N

此时的各电抗量标幺值如下：

Xd=1.8670 Xd'=0.2570 Xd''=0.1800

Xq=1.8670 Xq''=0.1800

X2=0.2200 X0=0.0690

4.2 主变压器的选择

(1)台数的确定

在单元接线方式的前提下，主变的台数与发电机的台数相同。本设计为两台。

(2)容量的选择

发电机与主变压器为单元接线时，主变压器的容量可按下列条件中的较大者选择：

A.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。

B.按发电机的最大连续输出容量，扣除本机组的厂用负荷。

计算方法：(125/0.85)*(100%-6%)=138MVA。

选择容量：150MVA。

(3)相数的选择

采用三相或是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求以及运输条件因素。

特别是大型变压器，尤其需要考查其运输的可能性，保证运输尺寸不能超过隧洞、涵洞、桥洞的允许通过限额，运输重量不超过桥梁、车辆、船舶等运输工具的允许承载能力。当不受运输条件的影响时，在330kV及以下的发电厂均应选用三相变压器。

(4)型号确定所选的主变压器型号如表4-1所示。表4-1 选择的主变压器型号

第五章厂用电系统设计

发电厂在启动、运行、停机、检修过程中，有大量使用电动机拖动的机械设备，用来保证发电机组的主要设备和输煤、碎煤、除尘及化学水处理装置的正常运行。这些电动机以及全厂的运行、操作、试验、检修、照明等用电设备都属于厂用负荷。它们总的耗电量称为厂用电。厂用电的可靠性，对电力系统的安全运行非常重要。提高厂用电可靠性的目的是使电厂能够长期无故障运行，不致因厂用电局部故障而被迫停机，造成经济损失。

5.1 厂用电系统设计的要求和原则

(1)对厂用电系统的设计要求

厂用电接线的设计应按照运行、检修和施工的要求，考虑全厂发展规划，积极慎重地采用成熟的新技术和新设备，使设计达到经济合理、技术先进，保证机组安全、经济地运行。

厂用电接线应满足如下要求：

1.供电可靠，运行灵活。

2.各机组的厂用电系统应该。

3.全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线。

4.充分考虑发电厂正常、事故、检修、启停等运行方式下的供电要求，一般应配

套可靠的启动/备用电源。

5.供电电源应尽量与电力系统保持紧密的联系。

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。

(2)厂用电接线的设计原则

1.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。

2.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。

3.厂用电源的对应供电性，本机、炉的厂用负荷由本机组供电。

4.设计时应适当注意其经济性和发展的可能性，并积极慎重地采用新技、新设备。

5.应对厂用电的电压等级、中性点连接方式、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。

5.2 高压厂用负荷分类及高压厂用负荷容量的统计

全厂共两台125MW发电机组，每台机组设两条6kV厂用工作母线，另设一条6kV启动/备用电源母线。

各母线的负荷连接情况详见附表1与附表2。

5.3 厂用电压等级的确定

火力发电厂采用3kV、6kV和10kV作为高压厂用电压。在满足技术要求的前提下，优先采用较低的电压，已获得较高的经济效益。200MW及以上的机组，主厂房内的低压厂用电系统应采用动力与照明分开的方式。动力网络的电压宜采用380V，当技术经济合理时，也可采用660V；照明网络的电压可采用220V。

高压厂用电压等级的选择按照以下两个条件来决定：一是按发电机容量、电压决定高压厂用电压；二是按厂用电动机的容量选择最经济的厂用电压。对于100MW~300MW容量的机组，一般采用的高压厂用电压等级为6kV。

本厂所采用机组是容量为125MW的机组，且没有容量超过2000kW的厂用电动机。故高压厂用电压等级选择6kV。

5.4 厂用电源的引接

(1)高压厂用工作电源的引接

高压厂用工作电源（变压器或电抗器）应由发电机电压回路引接，并尽量满足炉、机、电的对应性要求（即发电机供给各自炉、机和主变压器的厂用负荷）。当发电机与主变压器成单元连接时，高压厂用工作电源一般由主变压器低压侧引接，供给该机组的厂用负荷。

本厂机组发电机电压采用单元接线的形式，故高压厂用工作电源由发变组连接线上引出厂用分支，供给高压厂用工作变压器的电源。

(2)低压厂用工作电源的引接

低压厂用工作变压器一般由高压厂用母线段上引接。当无高压厂用母线段时，可从发电机电压主母线或发电机出口引接。按炉分段的低压厂用母线，其工作变压器应由对应的高压厂用母线段供电。本厂每台机组的低压电动机负荷都设立一条动力中心母线，由专门的低压工作变压器供电，及专门的低压备用电压器作为后备电源。

(3)备用电源的引接方式

对于单元控制的100~125MW机组，当高压厂用工作电源在五个及以上时，需设两个高压厂用工作电源。高压厂用工作电源在四个及以下时只需装设一个高压厂用工作电源。本厂的高压厂用备用电源从电厂附近的变电站A内的110kV母线上引接，通过一台容量与厂用高压工作变压器相同的启动备用变压器，将备用电源的电压降压为6kV。备用电源的运行方式为明备用，即在正常运行时启动备用变压器退出运行，当继电保护装置检测到厂用母线失电时，自动将启动备用变压器投入运行并接入厂用母线。

(4)事故保安电源的引接方式

事故保安电源分直流和交流两种分别设立，必须是一种而又十分可靠的电源，通常采用快速自动程序启动的柴油发电机组、蓄电池组及逆变器作为交流保安电源。事故保安电源的负荷由如下几种：润滑油泵、密封油泵、热工仪表及自动装置、盘车装置、顶轴油泵、事故照明和计算机等设施。

5.5 厂用工作变压器及启动/备用变压器的选择

(1)厂用工作变压器的选择

1.额定电压

发电机出口额定电压为13.8kV，且所选择的高压厂用电电压等级为6kV。所以厂用工作变压器的额定电压应该选择为13.8kV/6.3kV。

2.工作变压器的台数和型式

工作变压器的台数和型式主要和高压厂用母线的段数有关。本厂的高压厂用电母线分四段，每两段分配一台发电机组的厂用电负荷。所以本厂选择的工作变压器的台数为两台，每台工作变都仅与向本机组的厂用负荷的厂用高压母线连接。

3.厂用变压器的容量

厂用变压器的容量必须满足厂用电机械从电源获得足够的功率。因此，对高压厂用工作变压器的容量应按高压厂用计算负荷的110%与抵押厂用计算负荷之和进行选择，并留有一定裕度。具体计算过程见附表中的“6kV厂用负荷选择计算”表格。

4.厂用变压器的阻抗

变压器的阻抗是厂用工作变压器的一个重要指标。厂用工作变压器的阻抗要求比一般电力变压器大，这是因为要变压器低压侧的短路容量，否则将影响到厂用电系统中开关设备的选择。一般要求阻抗应大于10%。但是厂用工作变压器的阻抗如果过大就会影响到厂用电动机的自启动。所以在确定厂用变压器型号后应对变压器的带载自启动能力进行校验。

5.所选的厂用工作变压器型式

表5-1

(2)启动/备用变压器的选择

容量选择：与厂用工作变压器相同，为20MVA。

额定电压：备用电源由附近变电站A的110kV母线引接，故高压侧电压应为110kV。

低压侧电压应该与高压厂用电压相同，为6.3kV。

绕组连接组别：应当与主变压器产生的高、低压之间的相角差相同，为Yd11连接方式，高压侧中性点不接地。

所选型号：SFZ7-20000/110。

5.5 厂用电系统设计图说明

图纸为A3大小，采用电气单线图绘制方法绘制。详见附图2。

第六章短路电流计算

6.1 短路电流计算的目的和意义

(1)短路电流计算的意义

短路电流是电力系统中载流导体在相与相或相与地之间出现电气连接时产生的电流。短路电流的数值一般很大，可达到设备或导体额定电流的2倍或20倍，巨大的电流所产生的点动力和热效应可能会对电气设备和导体造成损伤。作为电力网络重要控制电器的断路器，其开断能力受到各种自然条件以及断路器制造能力等的制约。短路电流的计算值对于开关电器的选定具有决定性的作用。

(2)短路电流计算的目的

1.电气主接线比选；

2.选择导体和电器；

3.确定呢中性点接地方式；

4.计算软导线的短路摇摆；

5.确定导线间隔棒的间距；

6.验算接地装置的解除电压和跨步电压；

7.选择继电保护装置和进行整定计算。

6.2 短路电流计算的基本假定

短路电流实用计算中，采用如下假设条件和原则：

1.正常工作时，三相系统对称运行。

2.所有电源的电动势相位角相同。

3.系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体集

肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间位置相差120°电气角度。

4.电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗之不随电流大小发生变

化。

5.电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷

接在系统侧。

6.同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）。

7.短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

8.不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

9.除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都忽略不计。

10.元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数误差和调整范围。

11.输电线路的电容忽略不计。

12.用概率统计法制定短路电流运算曲线。

6.3 本厂各短路点短路电流大小计算步骤

(1)计算各点的电压、电流的基值

1.设全网容量基准值为：

S B=100MVA

各电压等级的基准值为：

220kV母线电压等级：

U B(220)=230kV

13kV发电机出口电压等级：

U B(13)=13.8kV

6kV厂用高压母线电压等级：

U B(6)=6.3kV

2.计算各电压级对应的电流基准值：

根据定义，三相基准电流的值为三相基准线电压输出三相基准功率时的负载电流。

公式：

I B

S

√3×U B

由上式计算：220kV母线:

I B(220)

100√3×230

13kV发电机出口：

I B(13)

100√3×13.8

6kV高压厂用母线：

I B(6)

100√3×6.3

3.计算各电压级对应的电抗基准值：

根据电抗基准值的定义，电抗基准值应等于三相基准线电压输出三相基准线电流时所对应的阻抗大小。

电抗基准值根据下式计算：Z B=

U

√3×I B

或者

Z B=U B2 S B

由上式得各电压等级的电抗基准值：220kV母线：

Z B(220)=2302

100

=529.0Ω

13kV发电机出口：

Z B(13)=13.82

100

=1.904Ω

6kV厂用高压母线：

Z B(6)=6.32

100

=0.397Ω

(2)计算各元件的电抗标幺值

发电机：

本厂发电机型号为QFS-125-2，发电机是短路电流的送出点，等效模型为一个电势点连接一个等效的标幺值电抗。短路电流计算网络中，电势点表示的是发电机的次暂态电势标幺值，而电抗表示的则是发电机直轴次暂态电抗的标幺值。为了简化计算，一般取次暂态电势为1，即：

E′′=1

发电机参数如下：

发电机容量：

S N=

P N

cosφ

=

125

0.85

=147MVA

基准值为标幺值，即S j=S N时，发电机各参数如下：Xd=1.8670 Xd'=0.2570 Xd''=0.1800

Xq=1.8670 Xq''=0.1800

X2=0.2200 X0=0.0690

次暂态电抗的标幺值计算过程如下：

X∗=X d×S B

S N

=0.122

主变压器：

本厂的主变选型结果为SSPL-150000/220，该变压器参数如下：

S N=150MVA

U N=242±2.5%×2/13.8kV

P k=883kWP0=173kW

U k%=13.13

I0%=0.7

电力变压器的等效模型即为一个串联电抗，表示的是变压器的短路电抗标幺值。该值计算过程如下：

X∗=U k%×S B

S N

=0.087

厂用高压工作变压器：

本厂厂高变的选型结果为：SF9-20000/13.8，该变压器的参数如下：

U N=13.8/6.3kV

U k%=10.26

I0%=0.32

该变压器的等效模型也是一个串联电抗，表示的是该变压器的短路电抗标幺值。该值的计算过程如下：

X∗=U k%×S B

S N

=0.515

外部系统：

外部大系统的容量为2800MVA，以该值作为基准值的内部串联电抗标幺值为0.4。同样地，大系统的等效模型与发电机类似，也是一个电势点连接一个串联电抗。为了计算方便，取大系统的次暂态电势为1，即为：

E′′=1

大系统的电抗标幺值的计算方法和结果如下：

X∗=X×S B

S N

=0.122

输电线路：

本系统中有两条输电线路，单位长度的参数均相同，为：

X1=X2=0.4Ω/ km

输电线路的等效模型与变压器类似，为一个串联电抗，表示的是输电线路的电抗标幺值。

连接发电厂与变电站A的220kV输电线路的长度为8km，其参数计算如下：

X∗=X1×L1

Z B(220)

=

0.4×8

529

=0.006

连接变电站A与外部大系统的220kV输电线路的长度为175km，其参数计算如下：

X∗=X1×L2

Z B(220)

=

0.4×175

529

=0.094

(3)画出标幺值阻抗网络，并计算三个短路点的次暂态短路电流标幺值。所计算的电力系统网络结构图如图6-1：

图6-1 电力系统网络结构

将所有算出的的元件电抗标幺值按网络结构连接起来，形成标幺值阻抗网络，如图6-2所示：

图6-2 标幺值计算网络三个短路点分别为：D1:220kV母线短路；

D2:发电机出口短路；

D3:高压厂用母线短路。

对于d1：

厂用高压变压器的电抗后面没有电源，可以省略。各电源送来的短路电流标幺值大小计算如下：

#1发电机送来的短路电流标幺值为：

I1=

1

0.122+0.087

=4.785

#2发电机送来的短路电流标幺值为：

I2=

1

0.122+0.087

=4.785

系统送来的短路电流标幺值为：

I S=

1

0.014+0.094+0.006

=8.772

总和：

I d1∗=I1+I2+I S=18.342

对于d2：

短路点d2为#1发电机出口短路，此时两个厂用高压变压器电抗仍然可以忽略。#1发电机送来的电流直接通过发电机次暂态电抗；#2发电机和系统送来的短路电流在220kV母线汇合后共同通过#1发电机对应的主变电抗，送至d2短路点。

各电源送来的短路电流标幺值大小计算如下：

#1发电机送来的短路电流标幺值为：

I1=

1

0.122

=8.197

#2发电机与系统送来的短路电流标幺值为：

I2+I S=

1

0.087+[(0.012+0.087)//(0.014+0.094+0.006)]

=

1

0.087+

0.209×0.114

0.209+0.114

=

1

0.087+0.074

=6.211

其中由#2发电机送来的短路电流为：

I2=(I2+I S)×

0.114

0.209+0.114

=2.192

由系统送来的短路电流为：

I S=6.211−2.192=4.019

总电流为：

I d2∗=I1+I2+I S=14.408

对于d3：

短路点d3为#1发电机的高压厂用母线短路点，#1发电机、#2发电机及系统送来的短路电流在#1发电机出口汇合后共同通过#1厂高变，流向d3短路点。其中，#2发电机和系统送来的短路电流先在220kV母线汇合后通过#1主变压器流向发电机出口，与#1送出的短路电流汇合。

先计算各电源至短路点的等效电抗标幺值：

XΣ=0.515+{0.122//[0.087+(0.209//0.114)]}=0.584

得出：

I d3∗=1

XΣ

=1.712

其中，由#1发电机送来的电流标幺值为：

I1=I d3∗×

0.161

0.112+0.161

=0.691

由#2发电机送来的电流标幺值为：

I2=(I d3∗−I1)×

0.114

0.209+0.114

=0.360

由系统送来的电流标幺值为：I S=(I d3∗−I1)×

0.209

0.209+0.114

=0.661

(4)计算各短路点次暂态电流有名值

短路点d1：

I d1=I d1∗×I B(220)=4.563kA

短路点d2：

I d2=I d2∗×I B(13)=60.62kA

短路点d3：

I d3=I d3∗×I B(6)=15.69kA

(5)列表给出最终结果

全部短路电流计算的结果如表6-1所示：

表6-1 短路电流计算结果

6.4 短路电流计算结果的分析

由短路点d1的短路电流计算结果可以看出，220kV母线的短路电流并不高，且外部220kV大系统的到220kV母线的电气距离比本厂的两台发电机更近。所以在选择断路器时，对发电厂的两个出线断路器和母联断路器都要严格把关，认真校验。

短路点d2指的是发电机出口，在这个点无论任何一个电源送来的短路电流值都很大，总和更是达到了60kA以上，仅有个别及其昂贵的高压断路器型号可供选择。60kA以上的短路电流对电气设备和导体的热冲击和电动力冲击也很大，所以在设计这部分电气接线时，应尽量避免短路故障的发生。所以对发电机出口处，应该选用受外部干扰程度极低的分相封闭母线，以避免发电机出口短路故障的发生和因故障被迫停机的可能。

对于厂用高压母线d3点短路，短路电流在10kA左右，有足够经济的断路器可供选择。

第七章部分电气设备的选择和校验

7.1 电气设备选择与校验的方法

电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

在正常状况下，选择电气设备的两个条件是电气设备的额定电压不低于装设点的电网额定电压、电气设备的额定电流不低于装设点电网的额定电流。校验式分别为：

U N≥U SN

I N≥I max

另外还有环境条件对电气设备选择的影响，如当电气设备装设地点的温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境因素。当这些因素超过一般电气设备的应用条件时，应采取额外措施或选择特种电气设备。

在短路状况下，需要校验的是电气设备的动稳定和热稳定。短路电流数值一般远大于正常的负荷电流，当短路电流流过电气设备时会在电气设备上产生额外的热量和额外的电动力。热稳定和动稳定的校验式分别为：

I t2t≥Q k

i es≥i sℎ或I es≥I sℎ。

热稳定短路开断时间t

k

是校验电气设备热稳定的重要依据。该值为继电保护动作时间

t pr 和相应的断路器全开断时间t

br

的和，即

t k=t pr+t br

现对额定负荷电流计算如下：

两台发电机组的容量均为147MVA，220kV的平均额定电压U

av

=230kV，由此对220kV侧

最大负荷电流计算：

I max=

√3×230

=0.37kA=370A 7.2 高压断路器的选择

高压断路器的选择项目有如下几种：

1.额定电压和额定电流选择；

2.开断电流的选择；

3.短路关合电流的选择；

4.短路动稳定和热稳定校验。

根据上述几项对高压断路器选择的要求，列出选择式如下：

U N≥220kVI N≥369A

I d12×t≥Q k

i es≥i sℎ

i Nbr≥I′′

i Ncl≥i sℎ

有的断路器厂家针对动稳定和热稳定两项提供的数据为4s热稳定电流和极限通过电流，如SW6-220/1200断路器。该断路器的额定电压为220kV，额定电流为1200A，均满足正常运行状态的要求。对于短路状态，该断路器的4s热稳定电流为21kA。本系统220kV 后备保护动作时间为2s，220kV侧短路电流为4.604kA，数据均小于4s及21kA，故该断路器满足热稳定的要求。220kV侧的短路冲击电流为i sℎ=1.9×√2×4.604=12.369kA，小于这款断路器的最大通过电流55kA。因此这台断路器也满足动稳定的要求。该断路器的额定开断电流为21kA，大于本厂220kV最大短路电流4.604kA。所以断路器的开断能力也满足要求。因此，220kV高压断路器的选择型号为SW6-220/1200。该断路器的参数如表7-1所示：

表7-1 SW6-220/1200型高压断路器参数表

7.3 隔离开关的选择

隔离开关的选择和校验项目有如下几种：

1.额定电压和额定电流选择；

2.短路动稳定和热稳定的校验。

根据上述几项对隔离开关选择的要求，列出选择式如下：

U N≥220kV

I N≥369A

I d12×t≥Q k

i es≥i sℎ

根据上式，所选择的隔离开关型号为GW6-200D/1000-50。该隔离开关各参数如表7-2所示：

表7-2 GW6-200D/1000-50型隔离开关参数表

7.4 高压母线导体设计

(1)导体型式选择

硬导体截面有矩形、双槽型和管型可以选择。矩形导体单条截面不超过1250mm2，大电流情况下可选2至4条导体并列使用，一般应用于电流4000A以下的情况。双槽型导体机械强度好，载流量大，集肤效应系数小，一般用于4000A~8000A的配电装置中。管型导体集肤效应系数小、机械强度高，用于8000A以上的大电流母线或要求电晕放电电压高的110kV及以上配电装置中。

本厂的220kV母线导体最大额定电流为370A，且对电晕电压没有要求。应选择矩形导体。

(2)导体截面选择

导体截面可以按照经济电流密度选择，或者按照长期发热允许电流选择。本厂220kV配电装置的汇流母线在正常运行方式下时传输容量不大，故按照长期允许电流密度来选择。

计算式：

I max≤KI al

其中，K为与实际环境温度和还把有关的总和修正系数。K的计算式为：

K=√θ

al

−θ

θ

al

−θ

本厂年最高温度为39℃，对应的K计算为：

K=√70−39

70−25

=0.69

所以，

I al≥I max

K

=

370

0.69

=535A

应选择的导体为单条水平布置的，规格为50×4mm2的矩形导体。

(3)对所选导体的校验

校验所选导体的热稳定：

计算Q

k

。

Q k=46042×(2+0.04)=43241504(A2×s)计算短路热稳定决定的导体最小截面：

S min=1

C

√Q k

导体长期工作温度为70度，查表得C=87，由此得到：

S min=

1

87

√4.324×107=75.58(mm2)该导体的截面积为S=200mm2，满足判别式

S≥S min

因此满足热稳定的要求。

校验所选导体的动稳定并计算满足动稳定要求的最大允许衬垫跨距：所选导体为单条矩形导体，三相横放水平布置，相间距离a=1500mm。母线相间应力计算：

f pℎ=1.73×10−7×i sℎ2

a

=17.(N/m)

按所采用的放置母线的方式，最大绝缘子跨距为：

W=bℎ2

6

=

0.004×0.052

6

=1.67×10−6(m3) L max=√

10σal W

f pℎ

=8.14(m)

最大允许跨距远超过了防止导体因自重而过分弯曲的极限跨距1.5m，故220kV母线的绝缘子跨距设置为1.5m。

共振校验：

导体不发生共振的最大绝缘子跨距为：

L max=√N f

f1

√

EJ

m

=

√1.57

155

√7×1010×

0.004×0.053

12

0.004×0.05×2700

=0.86(m)

因此1.5m的绝缘子跨距可能引起导体的共振。故将220kV母线的绝缘子跨距修改为：

L=0.8m

高压母线导体的选择结果如表7-3所示：

7.5 发电机出口导体设计

(1)导体型式选择

发电机出口导体额定运行电流计算：

I max=1.05×147

√3×13.8

=6.45kA

最大冲击电流计算：

i sℎ=1.9√2I′′=162kA

额定电流超过4000A ，故选择对称布置的槽型导体。 (2)导体的截面选择

查“槽型铝导体长期允许载流量及计算数据”表，选择的导体尺寸为：

表7-4 发电机出口槽型导体尺寸参数表

相对应的最大允许载流量为6600A ，超过了所需的最大运行电流，因此满足长时间发热要求。

(3)对所选导体的校验 校验热稳定：

Q k =602832×(2+0.04)=7.41×109(A 2×s)

查表得所选导体的截面积为S=4880mm 2。

S min =1

C

√Q k

查表得铝导体在长期运行温度为70度的情况下，C=87。故S min 计算为：

S min =1

87√7.41×109=9(mm 2) 满足了S ≥S min 。因此所选导体满足热稳定要求。 校验动稳定：

设三相导体成水平布置，且a=0.75m 。计算f ph ：

f pℎ=1.73×10−7

×i sℎ2a

=6053(N/m)

导体成水平布置，则有：

W =2W Y =2×25=50 计算所允许的最大绝缘子跨距：

L max

=√10σal W f pℎ

=2404(m)

因此取发电机出口导体的绝缘子跨距为L=1.5m 。 发电机出口的导体型式和参数如表7-4 所示

表7-5 发电机出口导体选择型式、尺寸和布置方式表

火力发电站的运行安全是能源安全的重要环节。正确的电气主接线设计和厂用电系统设计是保障火力发电厂运行安全的关键。本文严格按照设计规程要求，从对发电厂的原始资料分析开始到最后完成了主接线设计和部分设备选择，以及厂用电系统的设计。

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福州大学本科生毕业设计

谢辞

走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，三年的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。

本论文设计在温步瀛老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着温步瀛老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，温步瀛老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议。温老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向温步瀛老师表示深深的感谢和崇高的敬意！

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。

同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。

我还要感谢我的同学们以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！2×125MW火电厂电气主接线及其厂用电系统

附录

1.厂用负荷及其类别

2.6kV厂用负荷统计与计算

3.厂用电系统接线图

4.电气主接线图