300MV火力电厂电气部分课程设计

发电厂电气部分课程设计

题目：300MW火力发电厂电气部分设计

院    系：工学院电气与电子工程系

专    业：电气工程及其自动化    

班    级：电气工程XXXX    　　

姓    名：XXXXXXX               

学    号：XXXXXXXXXXXXX       　

指导教师：XXXXXXXX     　　      

二〇一五年六月

发电厂电气部分课程设计要求

一、基本情况

课程名称：发电厂电气部分           课程代码：07130722

设计周数：1周                      学 分：1学分

适用专业年级：

二、进度安排

本设计共安排1周，合计20学时，具体分配如下：

实习动员及准备工作：    2学时    

总体方案设计：          4学时

查阅资料，讨论设计：    4学时

撰写设计报告：          8学时

总结：                  2学时

教师辅导：              随时

三、基本要求

1、课程设计的基本要求

发电厂电气部分课程设计是在学习完发电厂电气部分、电力系统分析、电力系统继电保护课程之后，按照课程教学要求，对学生进行综合性训练的一个实践教学环节。主要是培养学生综合运用理论知识的能力，分析问题和解决问题的能力，以及根据实际要求进行设计的能力。其中理论设计包括总体方案选择，负荷计算，电气主接线设计、高压开关设备选择等，课程设计的最后要求是写出设计报告，把设计内容进行全面的总结。

2、课程设计的教学要求

课程设计的任务相对分散，每8名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。

四、设计题目及选题要求

设计题目分为两大类，一类是总降压变电所设计；另一类是火力发电厂电气部分设计。

    选题要求： 采用指导教师制定设计题目和自主选择方法，首先由教师指定设计题目，如个人提出感兴趣设计题目，经指导教师同意，也可以选用。

   （一） 题目

    300MW火力发电厂电气部分设计

    (二)  原始资料

    1. 发电厂情况

   装机容量共300MV（2×50MV+2×100MV），发电机额定电压10.5KV，cosφ=0.85，cosφ=0.8。机组年利用小时数4800h，厂用电率7%，发电机主保护时间0.05s，后备保护时间3.9s，环境条件可不考虑。

2. 接入电力系统情况

10.5KV电压等级最大负荷10MV，最小负荷8MV，cosφ=0.8，架空回路6回，二级负通过发电机出口断路器最大短路电流：

 剩余功率输送入220KV电压系统，架空线路4回，系统容量1800MV，通过并网断路器最大短路电流： ：

（三） 设计内容

    1 发电机和主变压器的选择

     (1) 发电机型号、容量、台数、参数的选择

     (2 )主变压器,厂用变压器，启动变压器型号、容量、台数、参数的选择

    2 电气主接线设计

     (1 )电气主接线方案比较

     (2) 电气主接线方案确定，发电厂电气主接线图

    3 主要电器设备选择

     (1 )断路器的选择

     (2) 隔离开关的选择    

    4 总结

摘  要

火力发电在我国的起步较早，经过近几十年的迅速发展，各项措施已得到了不断的完善，但我们仍然还能够发现一些不足，如有关发电厂电气部分设计的一些不合理性、保护性措施的欠缺等。这些都需要我们通过设计出更加合理的方案来解决这些问题。

   本文将针对某火力发电厂的设计来对这些问题进行探讨，主要是对电气方面进行研究，期望提出更加合理的方案来完善现有设施。首先将会对火力发电的有关内容做一阐述，并对火力发电的现状做一描述；随后对火力发电厂的电气主接线设计和防雷保护的原理部分进行介绍，最后将给出该火力发电厂的主接线的设计和一些线路保护保护的具体实现。

    在本次的设计中，我们根据所学理论课程，由电器主接线、主变压器的选择、厂用电接线和其变压器的选择，以及电器主要设备的选择为方案，设计出完整的火电厂电气部分内容，我们列举出符合条件的选择内容，然后择优确定最后的方案，最后完成总体线路图。

关键词：火力发电  电气接线  电气保护

第1章绪论

 1.1  项目概况  

1875年法国巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂并开始发电，采用很小的直流电机专供附近照明用电。美国、、英国也相继建成小火电厂。1886年，美国建成第一座交流发电厂。1882年，中国在上海建成一座装有1台12KW直流发电机的火电厂，供电灯照明用。

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，它的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。

1.2  项目背景和建设意义

 1.2.1  项目背景

能源是我国国民经济的基础。煤、石油、天然气、核能均可作为发电燃料，其中应用最广泛的是煤。我国发电以燃煤为基础，以火电为主的基本格局，在短期内不会改变。 我国煤炭资源丰富，而石油资源相对短缺，目前的一些燃油电厂已有不少改为燃煤，因此现在火力发电燃料主要是指煤。电力燃料质量，直接关系到火力发电厂的成本及锅炉机组的安全经济运行。目前燃料费用约占电厂发电成本的70%左右，这就要求我们必须重视并切实加强燃料试验工作，并还要对火力发电厂的电气部分进行改进，使之能够更好地为发电厂的各项工作服务，达到经济、科学、稳定和安全的相统一。

  电力工业在国民经济起着重要的作用，是关系着国计民生的基础产业，同时也是世界各国经济发展战略中的优先发展重点，因此对发电厂电气部分的研究和设计也显得尤为重要。

    1.2.2  项目建设的必要性和投资意义

火力发电由于起步较早，到目前为止各项措施已取得了不断的完善和发展，其电气部分也得到很大的进展，但仍然存在一些不足期待改进。这就要求我们改善这些不良方面，最大限度的发挥经济效益，并减少事故的发生。

  火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。按其功用可分为两类，即凝汽式电厂和热电厂。前者仅向用户供应电能，而热电厂除供给用户电能外，还向热用户供应蒸汽和热水，即所谓的“热电联合生产”。目前采用最广泛的发电形式是利用煤的燃烧来获得电能，而我国煤的储量也是相当丰富的，因此本课题的提出具有很大的现实意义，如何设计好火电厂的电气主接线及各项保护性措施，就显得尤为重要。

 项目建设的主要内容

通过对火力发电有关文献的参考，明白我国火力发电的现状及未来的发展趋势。研究火力发电的工作过程，了解火力发电系统的组成、工作过程及工作原理。通过阅读有关火力发电厂的主接线图及相关介绍，明确主接线的设计规则和防雷保护的具体实现。 

1.3  对原始资料的分析

（1）装机四台，容量2 x 100MW，2x50MW, 发电机额定电压10.5KV，功率因数分别为cosφ=0.85，cosφ=0.8，机组年利用小时数4800h，厂用电率7%，发电机主保护时间0.05s，后备保护时间3.9s，环境条件可不考虑。 发电厂除厂用电外，全部送入220KV电力系统，架空线路4回，系统容量4000MW。

（2）10.5KV电压等级最大负荷10MW，最小负荷8MW，cosφ=0.8，架空线路6回，二级负荷。通过发电机出口断路器的最大短路电流：

    （3）剩余功率送入220KV电力系统，架空线路4回，系统容量1800MW，通过并网断路器的最大短路电流：

第2章  电气接线设计

电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的主要环节。对电气主接线的基本要求大致可以包括可靠性、灵活性和经济性三方面。

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 。

主接线电路图的定义是：用规定的电气设备图形符号和文字符号并按规定顺序排列，详细的表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图 。主接线代表了发电厂或变电站电气部分的主体结构，使电力系统网络结构的主要组成部分，直接影响运行的可靠性、灵活性并对电气选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。电器主接线设计的基本要求，概括的说包括可靠性、灵活性、经济性三方面。

（1）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要求。停电不仅使发电厂造成损失，而且对国民经济各部门带来的损失将更加严重，在经济发达地区，故障停电的经济损失是实时电价的数十倍，乃至上百倍，至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报销、城市生活混论等经济损失和社会影响更是难以估量。因此，主接线的接线形式必须保证供电可靠。

（2）灵活性：操作的方便性。电气主接线的基本要求条件下，接线简单，操作方便，尽可能的使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不至于在操作过程中出差错。

跳读的方便性。要在发生事故的时候，要能尽快的切出故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多的影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。扩建的方便性。设计时不仅要考虑最终接线的实现，还要考虑到从初期接线过度到最终接线的可能和分阶段施工的可行方案，使其尽可能的不影响连续供电或在停电时间最短的情况下，将来可顺利完成过渡方案的实施，使改造工作量最少。

（3）经济性：节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采用短路电流的措施，以节省开关电器数量、选用廉价的电器或情形电器，以便降低投资。

2.1  电气主接线方案比较

我们拟定三种方案：

（1）10kV时出线为6回，鉴于出线回路多，且发电机单机容量最小为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110kV。如图2.1所示。

图 2.1 双母线分段接线

（2）采用双母线接线形式，发电机与双绕组变压器也构成单元接线形式，厂用高压电源从每台发电机出口引出，220KV电压级配电装置采用双母线接线，4回出线接在母线上。如图2.2所示。

图 2.2 双母线接线

（3）双母线待旁路母线接线，在此方案中，此方案中，220配电装置采用双母线带旁路接线形式，安全性高。如图：2.3所示。

图2.3 双母线带旁路接线

 2.2  电气主接线方案确定

本次设计主要考虑主接线的可靠性、经济性，通过综合比较，现确定方案三为课程设计的最终方案。两方案中的相同部分不参与比较计算，只对在所实现的目的要求相差不大的情况下相异部分进行计算，很容易知道当采用双母线的时候倒闸操作时接线比较复杂易发生误操作，安全性不高，这在稳定的可靠性，及经济上都是不具有优势的，综合技术上的要求，我们采用方案三作为主接线形式。主接线图在附录。

2.3  厂用电设计

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[2]。

厂用电接线应满足如下要求：各机组的厂用电系统应该是的；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；在厂用电接线中不应存在可能导致切断多于有一个单元机组的故障点，更不应存在导致全厂停电的可能性，应尽量缩小故障影响范围；充分考虑发电厂正常、事故、检修、启动等运行方式下的供电要求，尽可能地使切换操作简便，启动（备用）电源能在短时内投入；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，特别要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡、尽量减少改变接线和更换设置。

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：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，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；④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地采用新技术、新设备、使厂用电接线具有可行性和先进性；⑤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。

据上述要求和原则，根据我们题目要求，我们采用采用不设公用负荷母线接线：

图2.4 无公用负荷母线接线

第三章  发电机及变压器的选择

3.1  发电机型号的选择

根据要求选用的发电机容量为300MW，选择发出的电压为10.5KV，我们分别选用2个50MV和2个100MV的发电机，发电机参数如下：

表3.1  发电机主要技术参数

台数：4台

年利用小时数：4800h/年 

3.2  变压器的选择

3.2.1  主变压器的选择

（1）额定电压：厂用变压器的额定电压应根据厂用电系统的电压等级和电源引线处的电压确定，变压器的一二次额定电压必须与引接电源电压和厂用网络相一致。

（2）单元接线的主变压器容量的确定原则：单元接线时主变压器应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。采用扩大单元接线时，应尽可能采用绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。

（3）变压器台数的确定原则：通常与系统具有强联系的大、中型发电厂和重要变电所，在一种电压等级下，主变压器应不少于2台。考虑到本电厂有2台300MW发电机，且电厂和系统有较强联系，故220KV电压等级接两台主变压器。

（4）主变压气的选择原则：a.相数：容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330KV及以下的电力系统中，一般都选用三相变压器。因为单相变压器组相对投资大、占地多、运行损耗也比较大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。b.绕组与结构：发电厂以两种升高电压级向用户供电或与系统连接时，可以采用2台双绕组变压器或三绕组变压器。c.绕组联结组号：变压器三相绕组的联结组号必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

主变压器选择220k双绕组变压器，其主要技术参数如下：

表3.2  220kV双绕组变压器技术参数

（1）火电厂主要常用电负荷：火电厂的厂用电负荷包括全厂机、炉、电、燃运等的用电设备，面广量大，且随各电厂机炉类型、容量、燃料种类、供水条件等而差异较大[1]。例如：高温高压电厂比同容量的中温中压电厂的给水泵容量大；大容量机组的辅助设备比中、小型机组要多且功率大；开式循环冷却方式比闭式冷却方式的耗电量要小；各种燃料的发热量不同，需要的风量不同，风机容量也不同，同时除尘设备也不尽一样；若电厂采用汽动给水泵则可大大减少厂用变压器容量等。一般厂用变压器连接在厂用母线段上，而用电设备由母线引接[3]。

（2）额定电压：厂用变压器的额定电压应根据厂用电系统的电压等级和电源引接处的电压确定，变压器一、二次额定电压必须与引接电源电压和厂用网络电压相一致[9]。

（3）工作变压器的台数和形式：

高压绕组

低压绕组

 式中：为厂用变压器高压绕组额定容量(kV.A )；为厂用 变压器绕组额定容量(kV.A)；为厂用变压器绕组计算负荷(kV.A )；绕组两分支重复计算负荷(kV.A )。

预留10%的裕度选择:

----发电机容量 ----厂用电  

  ----发电机的额定功率

    （4）厂用变压器的容量：厂用变压器的容量必须满足厂用电负荷从电源获得足够的功率。因此，对厂用高压工作变压器的容量应按常用高压计算负荷的110%左右的裕度[9]。

（5）厂用变压器的阻抗：变压器的阻抗是厂用变压器的一项重要指标。厂用工作变压器的阻抗要求比一般动力变压器的阻抗大，这是因为要变压器低压侧的短路容量，否则将影响到开关设备的选择，一般要求阻抗应大于10% [9]。厂用工作变压器如果选用绕组变压器，则能在一定程度上缓解上述矛盾，因为绕组变压器在正常工作时具有较小阻抗，而绕组出口短路时则具有较大的阻抗。  

根据以上的原则，本次设计所选用的如下表所示：

表3.3  绕组变压器技术参数

在发电厂和变电所中，根据电能生产、转换和分配等各环节和需要，配置了各种电气设备。根据它们在运行中所起的作用不同，通常将它们分为电气一次设备和电气二次设备。

4.1  电器一次设备及其作用

直接参与生产、变换、传输、分配和消耗电能的设备称为电气一次设备，主要有：

(1)进行电能生产和变换设备，如发电机、电动机、变压器等。

(2)接通、断开电路和开关电器，如断路器、隔离开关、自动空气开关、接触器、熔断器等。

(3)过电流或过电压的设备，如限流电抗器、避雷器等。

(4)将电路中的电压和电流降低，供测量仪表和继电保护装置使用的变换设备，如电压互感器、电流互感器。

(5)载流导体及其绝缘设备，如母线、电力电缆、绝缘子、穿墙套管等。

(6)为电气设备正常运行及人员、设备安全而采取的相应措施，如接地装置等。

4.2  电器二次设备及其作用

 为了保证电气一次设备的正常运行，对其运行状态进行测量、监视、控制、调节、保护等的设备称为电气二次设备，主要有[7]：

(1)各种测量表计，如电流表、电压表、有功功率表、无功功率表、功率因数表等。

(2)各种继电保护及自动装置。

(3)直流电源设备，如蓄电池、浮充电装置等。

4.3  断路器的选择 

（1）所选断路器的额定电压应大于或等于安装处电网的额定电压。 即：UN≥UG

（2）断路器经校正后的额定电流不小于通过断路器的最大持续工作电流。

短路热稳定计算时间为：

倒闸时由于，不计较非周期热效应。短路电流的热效应，即

（3）校验断Tk＞1s路器的断流能力。

为使断路器安全可靠地切断短路电流，应满足下列条件：

式中—断路器的额定开断电流，；

—刚分电流（断路器触头刚分瞬间的短路全电流有效值），。

为了计算，需首先确定短路切断计算时间，即从短路发生瞬间起到断路器触头刚分开瞬间为止的一段时间。设这段时间为t1，它可由下式计算，即：

 式中  —继电保护（主保护）动作时间,s。

 —断路器固有分闸时间，s，型号初定后可从有关手册查到。

刚分电流可按下式计算出：

式中—触头分开瞬间实际通过断路器的短路周期电流的有效值（可由运算曲线查得），；

 —非周期电流衰减时间常数

当t1＞0.1s时，非周期电流的相对值实际上已衰减到20%以下，对Ikt的影响（小于2%）可以忽略不计。此时可采用刚分瞬间的周期电流Ipt对断路器进行校核。考虑到断路器的安全，周期电流的数值通常取其短路初瞬的有效值，这样校核条件即变为。

额定电所以我们选择的型号为SW7-220/1500

额定电压：2开断容量：6000

额定电流：1额定开断电流：21KA

额定关合电流：1动稳定电流：100KA

热稳定电流:固有分闸时间：0.04 S

合闸时间：0全开断时间：0.05 S

4.4  隔离开关的选择 

（1）隔离开关的额定电压应大于装设所处电路所在的电网的额定电压。

（2）隔离开关经校正后的额定电流应大于装设电路的最大持续工作电流。

（3）动稳定校验应满足的条件

（4）热稳定校验应满足的条件

（5）隔离开关一般选用手动操作机构

通过上面的计算，选择型号为GW4-220（D）的隔离开关,可以查表得到隔离开关的有关参数：

型号：GW4-220（D） 额定电压：220KV

额定电流：1动稳态电流:80KA

热稳态电流23.7KA(4S)    

结论

本次设计到此就画上了句号。此次设计中，在老师的指导下，我对发电厂所学的知识有了深刻的理解。又学到了不少知识，受益匪浅。

通过对“300MV火力发电厂的电气部分”的设计，我主要做了以下几个方面：

1）发电厂电气主接线的设计（完成主接线；主变及厂变的选择：包括容量计算、台数和型号的选择；绘出主接线图）；2）主要电气设备选择； 

其中，发电厂的电气主接线应满足供电可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性和扩建的可能性等基本要求。在设计主接线时，须综合分析该厂的容量、装机台数、负荷性质以及在次同中的地位等条件，依据国家有关及技术规范，正确确定主接线形式，合理选择变压器。在设计过程中，应对任务书进行详细分析，关注电力市场化改革的进程，对草拟的主接线方案进行比较，始终围绕着可靠性和经济性之间的协调，使主接线最终方案保证供电可靠、技术先进，同时又尽可能满足经济性的原则。电气设备的选择条件包括两大部分：一是电气设备必须满足的基本条件，即按正常工作条件（最高工作电压和最大持续工作电流）选择，并按短路状态校验动、热稳定；二是根据不同电气设备的特点而提出的选择和校验项目。为了使发电厂运行安全可靠，我们还对其设计了断路器和隔离开关保护电路，主要是满足发电厂的安全可靠的运行。

我们的设计还有许多不足，比如没有设置防雷保护和对短路电流进行详细的分析和计算，并且电气接线也出现了一些小问题，但是最终在老师的帮助下得到了改正。

通过本次毕业设计我把大学所学专业知识进行了实际运用，从中收获了不少东西，这对我以后的学习和工作带了极大的帮助。要感谢老师对我的指导和帮助，使我对这一学期的理论知识有个更深的理解，也对实际的发电厂电气部分工作有了初步的掌握。

参考文献

[1] 熊新银.朱永利.发电厂电气部分(第4版）[M].北京中国电力出版社.2009.7.

[2] 刘学军.电力系统继电保护[M].机械出版社.

[3] 贺家李.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社.

[4] 郭琳.发电厂电气设备（第二版）[M].中国电力出版社.

[5] 李海涛.电力系统分析[M].人民邮电出版社.2012.

[6] 侯奎源.热工过程控制工程[M].化学工业出版社.

[7] 王满稼.张玉泽.热工自动控制系统[M].北京电力出版社.1985.

[8] 许珉.发电厂电力主系统[M].机械工业出版社.2006.

[9] 张保会.尹项根.电力系统继电保护[M].中国电力出版社.2005.

附录

电气主接线总图