发电厂电气部分课程设计报告

发电厂电气部分课程设计报告

设计课题：                     

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指导教师：                     

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2×25MW+2×50MW火电厂主接线设计

学生：                        指导教师： 

摘要

本次设计是火电厂主接线设计。该水电站的总装机容量为2×25MW+2×50MW =150 MW。高压侧为110Kv，四回出线与系统相连，发电机电压级有10条电缆出线，其最大输送功率为150MW，该电厂的厂用电率为10%。根据所给出的原始资料拟定两种电气主接线方案，然后对这两种方案进行可靠性、经济性和灵活性比较后，保留一种较合理的方案，最后通过定量的技术经济比较确定最终的电气主接线方案。在对系统各种可能发生的短路故障分析计算的基础上，进行了电气设备和导体的选择校验设计。在对发电厂一次系统分析的基础上，对发电厂的配电装置布置、防雷保护做了初步简单的设计。此次设计的过程是一次将理论与实际相结合的初步过程，起到学以致用，巩固和加深对本专业的理解，建立了工程设计的基本观念，提升了自身设计能力。

关键字：电气主接线，短路电流计算，设备选型，配电装置布置，防雷保护。

课程设计任务书

一、原始资料：某新建地方热电厂，发电机组2×25MW+2×50MW，，U=6.3KV，发电机电压级有10条电缆出线，其最大综合负荷30MW，最小负荷20MW，厂用电率10%，高压侧为110KV，有4条回路与电力系统相连，中压侧35KV,最大综合负荷20MW，最小负荷15MW。发电厂处于北方平原地带，防雷按当地平均雷暴日考虑，土壤为普通沙土。

系统容量2000MW，电抗值0.8（归算到100KVA）。

二、设计内容：

a)设计发电厂的主接线（两份选一），选择主变的型号；

b)选择短路点计算三相对称短路电流和不对称短路电流并汇总成表；

c)选择各电压等级的电气设备（断路器、隔离开关、母线、支柱绝缘子、穿墙套管、电抗器、电流互感器、电压互感器）并汇总成表；

三、 设计成果：设计说明计算书一份；1号图纸一张。

设计时间：两周。

第一部分  设计说明书

第一章 概述

1.1课程设计的目的

    本次课程设计为初步了解设计流程，建立设计项目的整体观念，融会贯通本学期所学知识，锻炼分析和解决实际工程问题的能力。

1.2本课程设计的内容

1.2.1  本次设计的主要内容

    （1）、电厂分析及发电机、主变选择。

（2）、电气主接线设计。

（3）、短路电流计算。

（4）、选择短路点计算三相对称短路电流和不对称短路电流并汇总成表。

（5）、选择各电压等级的电气设备（断路器、隔离开关、母线、支柱绝缘子、穿墙套管、电抗器、电流互感器）并汇总成表。

1.2.2  本次设计最终的设计成品

 设计说明计算书一份。

    （2）、主接线图一张。

第二章 电气主接线设计

2.1 原始资料分析

2.1.1  原始资料

    发电机组2×25MW+2×50MW，，U=6.3KV，发电机电压级有10条电缆出线，其最大综合负荷30MW，最小负荷20MW，厂用电率10%，高压侧为110KV，有4条回路与电力系统相连，中压侧35KV,最大综合负荷20MW，最小负荷15MW。发电厂处于北方平原地带，防雷按当地平均雷暴日考虑，土壤为普通沙土。系统容量2000MW，电抗值0.8（归算到100KVA）。

2.1.2  原始资料分析

    根据设计任务书所提供的资料可知：该火电厂为小火电，不担任重要负荷的供电，对设计的可靠性、安全性、灵活性等没有很严格的要求，拟定4台变压器。其地形条件不严格，但从节省用地考虑，尽可能使其布置紧凑，便于运行管理。另外，周围的环境和气候对设备的选择的制约也不大。综上，在设计中要充分分析所给的原始资料，同时结合实际的情况，做到设计的方案具有可靠性、安全性、经济性等。

2.2  电气主接线设计依据

电气主接线设计是火电厂电气设计的主体。它与电力系统、枢纽条件、电站动能参数以及电站运行的可靠性、经济性等密切相关，并对电气布置、设备选择、继电保护和控制方式等都有较大的影响，必须紧密结合所在电力系统和电站的具体情况，全面地分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，通过技术经济比较，合理地选定接线方案。

电气主接线的主要要求为:

1、可靠性：衡量可靠性的指标，一般是根据主接线型式及主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种接线形式的择优。

2、灵活性：投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便、调度灵活。

3、经济性：通过优化比选，工程设计应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗小。

2.3  主接线图

见附录图2.3（a）；2.3（b）

由于图2.3（a）设计可靠性、灵活性、经济性皆强于图2.3（b），故选择图2.3（a）为主接线设计方案。

2.4  发电机的选择

由原始资料可知，需选用两台25MW发电机G3、G4 ，同时选择两台50MW发电机G1、G2 。查《电气工程手册》可知这两类发电机参数如下：

G1、G2 的参数： ；X’’d2=0.3；

G3、G4 的参数： ；X’’d1=0.13；

2.5  主变压器的选择

火电厂的厂用电较少（10%），且没有地区负荷，因此，选择主变压器的容量应大致等于与其连接的发电机容量。水电厂多数担任峰荷，为了操作方便，其主变压器经常不从电网切开，因此要求变压器空载损耗尽量小。

2.5.1相数的选择

主变采用三相或单相，主要考虑变压器的可靠性要求及运输条件等因素。根据设计手册有关规定，当运输条件不受时，在330KV及以下的电厂及变电所均选用三相变压器。因为三相变压器比相同容量的单相变压器具有节省投资，占地面积小，运行过程损耗小的优点，同时本电厂的运输地理条件不受，因而选用三相变压器。

2.5.2绕组数量和连接方式的选择

（1）绕组数量选择：根据《电力工程电气设计手册》规定：“最大机组容量为125MW及以下的发电厂，当有两种升高电压向用户供电与或与系统相连接时，宜采用三绕组变压器。结合本电厂实际，因而采用双绕组变压器。

（2）绕组连接方式选择：我国110KV及以上的电压，变压器绕组都采用连接，35KV一下电压，变压器绕组都采用连接。结合很电厂实际，因而主变压器接线方式采用连接。

2.5.3普通型与自偶型选择

根据《电力工程电气设计手册》规定：“在220KV及以上的电压等级才宜优先考虑采用自偶变压器。自偶变压器一般作为联络变压器和连接两个直接接地系统。从经济性的角度出发，结合本电厂实际，选用普通型变压器。

综上所述，需要两种容量的变压器：20000KVA（两台台）和6300KVA（两台）。结合本电厂实际，从经济性的角度出发，选择型式为：110kV级三绕组电力变压器SFS9-20000/110和双绕组电力变压器SF9-6300/110。

第三章  短路电流计算

3.1  短路电流计算的基本假设

（1）短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都相同电位。

（2）负荷只作近似估计，或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源，视具体情况而定。

（3）不计磁路饱和。系统各元件的参数都是恒定的，可以用叠加原理。

（4）对称三相系统。除不对称短路故障处不对称之外，实际系统都是对称的。

（5）忽略了高压线的电阻电容，忽略变压器的电阻和励磁电流，这就是说，发电机、输电、变电和用电的元件均匀纯电抗表示。

（6）金属性短路，即不计过度电阻的影响，认为过渡电阻为零的短路情况。

3.2  电路元件的参数计算

选取基准容量为150MVA，归算到100KV侧进行标么值计算。

具体的计算过程详见设计计算书。

3.3  网络变换与化简方法

综合运用Y—变换，网络中间点消去法，对该电厂的接线与外界接线进行变换和简化。

具体的计算过程详见设计计算书。

3.4  短路电流实用计算方法

工程计算中短路电流的计算常采用实用曲线法，其计算步骤如下：

（1）选择计算短路点；

（2）画等值网络图；

A、选取基准容量和基准电压。

B、首先去掉系统中的所有负荷分支。线路电容、各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗。

C、将各元件电抗换算为同一基准的标么值电抗。

D、汇出等值网络图，并将各元件电抗统一编号。

E、化简等值网络：为计算不同短路点的短路电流值，需要将等值网络分别化简为短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电流与短路点之间的电抗，即转移电抗以及无限大电源对短路点的转移电抗。

（3）求出计算电抗，

式中为第i台等值发电机的额定容量。

（4）由运算曲线查出个电源供给的短路电流周期分量标么值（运算曲线只作到）。

（5）计算无限大功率的电源供给的短路电流周期分量。

（6）计算短路电流周期分量有名值和短路容量。

（7）计算冲击电流。

（8）绘制短路电流计算结果表（表）。

具体的计算过程详见设计计算书。

第四章  电气设备选择

4.1  电气设备选择的一般规定

选择与校验电气设备时，一般应满足正常工作条件及承受短路电流的能力，并注意因地制宜，力求经济，同类设备尽量减少品种，同时考虑海拔、湿热带、污秽地区等特殊环境条件。本设计主要考虑温度和海拔两个环境因素。

4.1.1  按正常工作条件选择

电器、电缆允许最高工作电压不得低于该回路的最高运行电压，即；电器、导体长期允许电流不得小于该回路的最大持续工作电流，即。

在计算发电机变压器回路最大持续工作电流时，应按额定电流增加5%。这是考虑到在电压降低5%时，为确保功率输出额定，则电流允许超5%。

在选择导体、电器时，应注意环境条件：

1、选择导体、电器的环境温度一般采用表4.1所列的数值。

表4.1 选择导线、电器时使用的环境温度

2、110KV及以下电器，用于海拔不超过2000米时，可选用一般产品。

4.1.2  按短路条件校验

包括动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。

1、短路热稳定校验

式中：—电器设备允许通过的热稳定电流及相应时间

 —短路电流产生的热脉冲

计算用下式：

式中：、、—分别为短路发生瞬间、短路切除时间、短路切除时间的短路电流周期性分量（KA）

 —短路切除（持续）时间，为继电保护时间与断路器的全开断时间之和（S）

 —短路电流非周期分量等效时间，对于发电机出口可取0.15～0.2S，发电厂升压母线取0.08～0.1S，一般变电所取0.05S。若切除时间大于1S,只需考虑周期分量。

2、短路动稳定校验

动稳定校验一般采用短路冲击电流峰值，当回路的冲击系数与设备规定值不同，而且冲击电流值接近于设备极限通过电流峰值时，需要校验短路全电流有效值。

校验条件：

 或

式中：—短路冲击电流峰值（KA）；

—短路全电流有效值（KA）；

—电器允许极限通过电流峰值（KA）；

—电器允许的极限通过电流有效值（KA）。

3、电器的开断电流校验时，电器的开断计算时间取主保护时间及断路器固有分闸时间之和。这里，我们按最坏的情况考虑，主保护失灵，机端断路器取后备保护时间2S，其余的取4S。

4、《导体和电器选择设计技术规定》

“用熔断保护的导体和电器可不验算热稳定，除用有限流作用的熔断器保护者外，导体和电器的动稳定仍应验算。”

4.2  断路器和隔离开关的选择和校验

断路器可按下表进行选择和校验

   采用LW11-110

隔离开关可按下表进行选择和校验

4.3  电流互感器的选择和校验

根据相关规定，在机端和110kV及以上等级的互感器的接线均采用三相星型接线，设互感器离测量仪表的距离均为100m，厂用变进线互感器采用两相星型接线，设互感器离测量仪表的距离为40m。

选择步骤大致如下：

选择结果如下：

第一章  变压器选择计算

在此主接线设计中，共有4台变压器T1、T2、T3、T4 。T1、T2 选用三绕组变压器，采用发电机有母线的接线方式；T3、T4 选用双绕组变压器，采用单元接线方式。

首先，计算T1、T2 两台三绕组变压器的容量，如下：

1.当6.3KV母线上负荷最小，且两台发电机满发时：

则美台变压器的容量：61.88/2=30.94MW=30940KVA；

又因为35KV侧最大供电容量为20MW，则每台承担10MW；

则中压绕组=10/ωSφ=12.5MVA；

在发电厂有两种升高电压的情况下，当机组容量为125MW以下时，一般采用三绕组变压器，但每个绕组的通过功率应达到变压器容量的15%以上。所以：35KV侧变压器绕组所占百分比为：12.5/30.94=40.4% > 15%满足要求。

2.当6.3KV母线符合最小，且T1、T2 退出时有：

根据上边计算结果应选20000KVA的变压器，选用型号为SFS9-20000/110，其参数如下：

额定容量(KVA)：20000

额定电压（高/中/低）（KV）： /38.5/6.3

联机组号：YNynod11

短路阻抗电压：高中17-18

              中低 6.5

              高低10.5

接下来对两台采用单元接线的双绕组变压器T3、T4 进行容量计算：

查《电工手册》选定变压器型号为双绕组SF9-6300/110，参数如下：

额定容量（KVA）：6300

连接组号：YNd11

额定电压（KV）：高压侧：11022.5%

               低压侧：6.3

短路阻抗电压（%）：10.5

第二章  短路电流计算

2.1等值电抗图

根据主接线图画出计算短路电流等值电抗图，如下图：

2.2计算电抗

选取各设备电抗值的计算

选取 SB = 100MW；UB = Uav ；

发电机G3、G4 的X’’d1  = 0.13；UB = 6.3kV；

则G3、G4 的电抗：X7=X10=0.13100/25=0.52；

发电机G1、G2 的X’’d2=0.3；UB=6.3kV；

则G1、G2 的电抗：X2=X4=0.3100/50=0.6；

对绕组变压器T1、T2 的电抗：X1=X2=0.105100/63=0.17

三绕组变压器T3、T4 的电抗：

2.3d1点的短路计算

110kV母线短路点d1 的短路电流计算：

2.3.1 转移阻抗

系统对d1 的转移阻抗：

XS = 0.8；

发电机组G1、G2 对d1 的转移阻抗：

X13=0.385；

发电机组G3、G4 对d1 的转移电抗：

X34=X14+X15=0.5225

2.3.2 计算电抗

系统：

发电机组G1、G2 ：

发电机组G3、G4 ：

2.3.3标幺值

有计算电抗查运算曲线的0.2s短路电流的标幺值：

 ； ； ；

2.3.4短路点总短路电流

2.4d2点的短路计算

35kV母线上短路点d2的短路电流计算:

2.4.1  电抗图化简如下：

2.4.2  转移电抗计算

2.4.3  计算电抗计算

2.4.4  标幺值计算

由计算电抗查运算曲线得0.2s短路电流的标幺值为：

 ； ； ；

2.4.5  短路总电流

2.5d3的短路计算

6.3kV母线短路电流d3的计算

2.5.1电抗图化简如下：

2.5.2转移阻抗计算

2.5.3计算电抗计算

2.5.4标幺值计算

由计算电抗运算曲线查得0.2s短路电流的标幺值为：

 ； ； ；

2.5.5短路总电流

短路电流汇总表

短路电流计算：

电气设备选择结果

断路器选择