某热电厂扩建工程(电气部分)设计.doc

电气信息学院 毕 业 设 计 说 明 书 题 目 某热电厂扩建工程 电气部分 设计 专 业 电气工程与自动化 年 级 08 级自动化一班 学 生 张 尚 勇 学 号 312008080608112 指导教师 郭 秀 丽 完成日期 2012 年 5 月 30 日 目 录 1 绪论 1 1 1 社会背景 1 1 2 设 计 目 的 和 意 义 1 1 3 设 计 思 路 1 1 4 设 计 任 务 1 2 设计总体方案 2 2 1 设计规划 2 2 1 1 设计依据 2 2 1 2 设计内容 2 2 1 3 设计成品与要求 2 2 2 原始资料分析 3 2 3 电压等级的确定 3 3 电气主接线 4 3 1 电气主接线的重要性 4 3 2 电气主接线设计的原则 4 3 3 对电气主接线的基本要求 5 3 4 电气主接线的确定 5 3 4 1 10kv 系统接线方式的确定 5 3 4 2 35kV 系统接线方式的确定 6 3 4 3 发电机接线方式的确定 6 3 5 汽轮发电机的选择 8 3 5 1 汽轮发电机容量的选择 8 3 5 2 汽轮发电机的主要参数 8 3 6 主变压器的选择 8 3 6 1 主变压器容量和台数的选择 9 3 6 2 绕组连接方式的确定 9 4 厂用电系统 11 4 1 厂用电的概述 11 4 2 对厂用电接线的要求 11 4 3 厂用电的电压等级 12 4 3 1 按发电机容量 电压确定高压厂用电压等级 12 4 4 厂用电源及其引接 12 4 4 1 工作电源 12 4 4 2 备用电源和启动电源 13 4 5 厂用电接线形式 14 4 6 厂用变压器的选择 15 4 6 1 变压器的类型 15 4 6 2 额定电压 15 4 6 3 厂用变压器的容量 16 4 6 4 厂用电主接线 16 5 短路电流计算 18 5 1 短路电流计算概述 18 5 2 电力系统各主要元件等值阻抗的计算 18 5 2 1 发电机等值电抗 18 5 2 2 变压器的等值电抗 19 5 3 计算电路图与等值电路图 19 5 3 1 计算电路图 19 5 3 2 等值电路图 20 5 4 各短路点短路电流的计算 20 5 4 1 f1 短路点的计算 20 5 4 2 f2 短路点的计算 21 5 4 3 f3 短路点的计算 22 5 4 4 f4 短路点的计算 24 6 电气设备的选择与校验 26 6 1 电气设备选择的一般条件 26 6 1 1 按正常工作条件选择电气设备 26 6 1 2 按短路状态校验 27 6 2 断路器和隔离开关的选择 27 6 2 1 35kv 侧 QF1 断路器和隔离开关 QS1 的选择 27 6 2 2 10kv 侧 QF2 断路器 隔离开关 QS2 的选择 28 6 2 3 35kv 侧 QF3 断路器 隔离开关 QS3 的选择 30 6 2 4 10kv 侧 QF4 断路器 隔离开关 QS4 的选择 31 6 3 互感器的选择及校验 32 6 3 1 35kV 侧互感器的选择及校验 32 6 3 2 10kV 侧互感器的选择及校验 33 6 4 绝缘子的选择 33 6 5 避雷器的选择 34 6 6 电气设备选择清单 34 7 结论 35 8 总结与体会 36 9 谢辞 37 10 参考文献 38 附录 外文资料翻译 39 译文 39 原文 43 某热电厂扩建工程 电气部分 设计 摘要 本次设计为某热电厂扩建工程电气部分的一次设计 机组容量为 2 6MW 1 12MW 设计的主要内容包括 电气主接线 主变压器 方案的 拟定 比较和选择 短路电流的计算 主要电气设备的选择及校验 厂用电系 统的设计 本次设计根据对原始资料的分析 比较了 10kV 与 35kV 系统其各 种主接线的可行性方案的可靠性 灵活性 经济性 并最终确定最优方案 接 下来对厂用电系统的电压等级及接线方式进行了设计 然后短路电流计算按最 严重的三相短路考虑 并根据短路计算结果来进行主要电气设备选择和校验 最后进行了主接线图的绘制 关键词 热电厂 电气主接线 短路计算 电气设备 Abstract This design is the electrical part of the design of a thermal power plant expansion project the Generators Capacity is 2 6000kW and 1 12000kW This design is including the development of electrical main line the main transformers scheme comparison and selection the main choice and check of electrical equipment and conductors the design of the electricity of the power plant This design is based on the analysis of raw data to compare the 10kV and 35kV system of its various programs main connection reliability flexibility economy and ultimately determine the optimal solution Next designed the Auxiliary power system voltage levels and wiring Then did the short circuit current calculation and according to the most serious three phase short circuit consideration Based on the Result of the Short circuit current calculation selecting the main electrical equipment and checking it Finally drawing the the main wiring diagram Key words Thermal power plants electrical main connection short circuit calculations electrical equipment 1 绪论 1 1 社会背景 电能是现代社会中最重要 最方便的能源 电能具有许多优点 它可以方便地转 化为其他形式的能源 例如机械能 热能 光能 化学能等 它的输送和分配易于实 现 它的应用规模也很灵活 因此 电能被日益广泛地应用于工农业 交通运输业以 及人民的日常生活中 水力发电厂的建设和生产都要受到河流的地形 水量及季节气象条件的限制 因 此发电量也受到水文气象条件的制约 发电不均衡 绿色能源发电在我国也开始应用 比如风力发电 太阳能发电 核能发电等 但这些新兴能源的发电量远远不能满足我 国国民经济快速发展得需求 所以 在我国火力发电仍是主力军 1 2 设 计 目 的 和 意 义 热电厂能够在满足供热需求的同时 将热能转换为电能 节约能源 而小型热电 厂能够减少电能距离的传输 对当地居民和工厂供电 此外 小型热电厂还能就地调 节电力系统的电压 频率等 保证电能质量 上述都是小型热电厂存在的实际意义 本次设计就是针对一个小型热电厂的设计 设计的范围为电厂新建厂区内所有相 关电气部分设计 1 3 设 计 思 路 本次设计者在大学四年期间认真地修完了电气工程与自动化专业的所有课程 掌 握了使电力系统安全运行以及如何排除不正常运行故障的知识 能运用发电厂电气部 分设计 电力系统分析 等专业知识完成本次设计 设计大体思路是先分析任务书 确定主接线方案 选择短路点并进行短路电流的计算 然后根据短路计算结果选择主 要的电气设备 并绘制出电气主接线图 1 4 设 计 任 务 本次设计的主要任务包括 通过分析原始资料确定热电厂主接线形式 主变压器 的型号 通过经济 技术的比较并确定最佳方案 合理的选择各电压等级的接线方式 确定厂用电的电压等级和接线方式 计算短路电流 合理选择计算短路点 利用计算 曲线计算各点的短路电流 并列出计算结果表 合理地选择主要的电气设备 主变双 侧的断路器和隔离开关闸 电压互感器 电流互感器 避雷器和绝缘子等 最终绘制 电气主接线图 2 设计总体方案 2 1 设计规划 2 1 1 设计依据 1 某热电厂扩建工程任务书 2 各专业提供的用电负荷及有关资料 3 与本专业有关的现行标准 规范和规定 2 1 2 设计内容 1 本工程的设计范围为电厂新建厂区内所有相关的电气部分设计 2 系统简况 某热电厂位于绍兴市正在筹建中的某开发区内东部 现有装机容量为 2x6MW 抽凝 发电机组 主要用于某镇的供热 发电通过 10kV 的二回电缆送入隔壁的马山 35kV 变 电所 由于开发区用热的需要 本工程建 3x130t h 循环流化床锅炉 2x6MW 背压机组和 1x12000kW 抽凝发电机组 3 电气主接线的确定级主变压器的选择 以电厂终期总装机容量较小 按简单 经济 可靠的要求 来考虑电气主接线方 案 发电机组为 2 台 6MW 背压式汽轮发电机和 1 台 12MW 抽凝汽轮发电机 4 厂用电系统 厂用电压等级的确定 厂用负荷计算及变压器选择 厂用电接线 5 短路电流计算 因接入系统设计未完成 短路电流为估算值 6 主要电气设备的选择 根据短路电流计算结果 选择主要电气设备 包括 断路器 隔离开关 电流电 压互感器 避雷器 绝缘子等 选用产品均能满足载流量 动稳定 热稳定及其他相 关技术要求 2 1 3 设计成品与要求 1 编写说明书与计算书 说明书 选择的依据 计算与选择结果 计算书 主要的计算公式及计算过程 2 绘制图纸 变电所主接线图 2 2 原始资料分析 1 根据原始资料分析 本次设计的热电厂的发电机容量为2x6MW 1x12MW 属于 小型热电厂 而小型热电厂主要用于工厂和当地居民的供电 2 根据原始资料分析 本次设计的包括热电厂和变电所两个部分 热电厂的电 压等级是10kV 并且通过两回电缆 送入25KV等级变电所 再通过变电所两回出线 送入系统 2 3 电压等级的确定 众所周知 电力系统的能量输送是靠电力线路来完成的 当输送一定的功劳时 输电电压越高 电流越小 相应的导线载流部分的截面积越小 相应的导线投资越小 但电压越高 对耐压的绝缘要求越高 杆塔 变压器 断路器等的投资也越大 并且 电力网电压等级的选择应符合国家规定的标准电压等级 我国现行规定的额定电压标 准为 220 380V 3 6 10 35 110 220 330 500 750 10000kV 一般来说 输电网的主干线和相邻电网间的联络线多采用500 330和220KV等级 二级输电网采用 220和110KV等级 35KV即用于城市和农村的配电网 也用于大工业企业内部电网 10KV是最常用的较低一级高压配电电压 综合经济技术比较 对应一定的输送功率和 输送距离有一最适合的线路电压 各级电压送电线路的合理输送能力如表2 1所示 表2 1 各级电压送电线路的合理输送能力 额定电压 kV 输送容量 MW 输送距离 km 额定电压 kV 输送容量 MW 输送距离 km 3 0 1 1 0 1 3 110 10 50 50 150 6 0 1 1 2 4 15 220 100 500 100 300 10 0 2 2 6 20 330 200 1000 200 600 35 2 10 20 50 500 800 2000 150 850 60 3 5 30 30 100 700 2000 2500 500 以上 根据原始资料 本次设计属于小型热电厂 且输送距离很短 所以确定该热电厂 的电压等级为 厂用电侧6kV 发电机侧 10kV 系统并网侧35kV 3 电气主接线 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 综合各个方面的影响因素 最终得到实际工程确认 的最佳方案 3 1 电气主接线的重要性 首先 电气主接线是电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据 因此电 气运行人员必须熟悉本厂电气主接线图 了解电路中各种电气设备的用途 性能及维 护 检察项目和运行的步骤 其次 电气主接线表明了发电机 变压器 断路器和线 路等电气设备的数量 规格 连接方式及可能的运行方式 电气主接线直接关系着全 场电气设备的选择 配电装置 几点保护和自动装置的确定 是发电厂电气部分投资 大小的决定性因素 再次 由于电能生产的特点是 发电 变电 输电和用电是在同 一时刻完成的 所以主接线的好坏 直接影响着电力系统的安全 稳定 灵活和经济 运行 也直接影响到工农业生产和人民的生活 3 2 电气主接线设计的原则 发电厂和变电所的电气主接线是保证电网安全可靠 经济运行的关键 是电气设 备布置和选择 自动水平及二次回路设计的原则和基础 电气主接线选择的主要要求 是根据发电厂和变电所在系统中的地位和作用确定对主接线的可靠性 灵活性和经济 性的要求 电气主接线的设计原则一要以设计任务书为依据 二要以国家经济建设的方针 政策 技术规范和标准为准则 1 主接线的设计除考虑电网安全稳定运行的要求外 还应满足电网出现故障时 应急处理的要求 2 各种配电装置接线的选择 要考虑配电装置所在发电厂或变电所的性质 电 压等级 进出线回路数 采用的设备情况 供电负荷的重要性和本地区的运行习惯等 因素 3 近期接线与远期接线相结合 方便接线的过度 4 进行必要额技术经济比较 3 3 对电气主接线的基本要求 对主接线的基本要求 概括地说应该包括可靠性 灵活性和经济性三方面 1 可靠性 发 供电的安全可靠 是电力生产的第一要求 主接线必须首先给予满足 主接 线可靠性可从以下几个方面考虑 断路器检修时是否影响供电 断路器 母线或线路故障时以及母线或母线侧隔离开关检修时 停电线路数目 的多少和停电时间的长短 以及能否保证对重要用户的供电 有没有使发电厂或变电所全部停止工作的肯能性 大型机组突然停运时 对电力系统稳定运行的影响与后果等 2 灵活性 主接线的灵活性主要体现在正常运行或故障情况下都能迅速改变接线方式 它包 括调度灵活 检修灵活 扩建灵活 事故处理灵活 3 经济性 主接线在保证安全可靠 操作方便的基础上 尽可能地减少与接线方式有关的投 资 使发电厂或变电站尽快地产生经济效益 3 4 电气主接线的确定 3 4 1 10kv系统接线方式的确定 本次设计因为电厂终期装机容量为2 6MW 1 12MW 装机容量较小 按简单 经 济 可靠的要求 10KV系统可以采用两种接线方式 单母线和单母线分段接线 方案一 单母线接线 图3 1 单母线接线 单母线接线的优点是 接线简单 操作方便 设备少 经济性好 并且母线便于 向两端延伸 扩建方便 单母线接线的缺点是 可靠性差 母线或母线隔离开关检修或故障时 所有回路 都要停止运行 调度不方便 电源只能并列运行 不能分列运行 方案二 单母线分段接线 图3 2 单母线分段接线 单母线分段接线的优点是 单母线用分段断路器QFD进行分段 可以提高供电的可 靠性和灵活性 当一段母线发生故障 分段断路器自动将故障隔离 保证正常段母线 不间断供电 不致重要用户停电 单母线分段接线的缺点是 当一段母线隔离开关故障或检修时 该段母线及回路 全部停电 扩建时 需要向两个方向扩建 方案比较 由于本次设计发电机组分为2 6MW背压式机组 1 12MW抽凝发电机组 且采用2回电缆出线 为了保证系统的可靠性 综合考虑 10KV系统采用单母线分段的 接线方式 通常情况下 为了限制短路电流 简化继电保护 在降压变电站中 采用单母线 分段接线时 低压侧母线分段器常处于断开状态 电源是分列运行的 3 4 2 35kV 系统接线方式的确定 同样是因点电厂装机容量较小 按简单 经济 可靠的要求 10KV 系统两回电缆 出线 分别接入 35K 系统 并且 35KV 系统也是两回出线 接入电网 综合考虑 35KV 系统主接线也选用单母线分段的接线方式 3 4 3 发电机接线方式的确定 根据我国现行的规范和成熟的运行经验 再结合本次设计热电厂的实际情况 在 满足可靠性 灵活性和经济性的条件下 发电机接线方式可有两种 方案一 单元接线 图 3 3 单元接线 单元接线的优点 接线简单 开关设备少 操作方便 主变压器与发电机容量相 同 故障影响范围小 可靠性高 接线简单 清晰 运行灵活 发电机电压设备最少 布置简单 维护工作量小 继电保护简单 单元接线的缺点 主变压器与高压电气设备增多 高压设备布置场地增加 投资 大 主变故障时影响机组送电 适用范围 对可靠性很高的大型电站适用 而小电站 只在一些特殊情况下采用 单机容量在 45MW 80MW 之间 方案二 单母线断路器分段接线 图 3 4 单母线断路器分段接线 单母线断路器分段接线优点 当任意段母线及其所接隔离开关故障或检修时 另 一段母线的机组可继续向电网送电 可靠性比单母线高 主变压器数量小 投资小 电能损耗小 接线简单 运行方便 单母线断路器分段接线缺点 发电机电压配电装置原件多 增加检修工作量 适用范围 在电网中占重要地位的小型电站采用 机组较多且具有区负荷电站采 用 方案比较 由于本次设计发电机组为 2 6MW 背压式机组和 1 12MW 抽凝发电机组 且发电机直接接入 10KV 系统 不需要变压器 所以本次设计选择采用单母线断路器分 段接线 3 5 汽轮发电机的选择 3 5 1 汽轮发电机容量的选择 发电厂的机组容量应根据系统内总装机容量和备用容量 负荷增长速度 电网结 构和制造厂供货情况等因素进行选择 在条件具备时 应优先采用大容量机组 但为 使调度运行不致发生困难 最大机组一般不超过系统总容量的 8 10 为方便于生产 管理 一个厂房内的机组台数不宜超过 6 台 同容量机 炉应尽量采用同一制造厂的 同一形式 3 5 2 汽轮发电机的主要参数 目前 我国生产的汽轮发电机容量是以 3 6 12 25 50 100 125 200 300MW 和 600MW 等为系列的 主要参数有额定功 率 额定电压 额定电流 功率因素 冷却方式 转速 同步电抗 瞬变电抗 超瞬 变电抗等 本次设计所用的汽轮机为 2 6MW 背压机组和 1 12MW 抽凝发电机组其主要参数如 表 3 1 所示 表 3 1 汽轮发电机参数 电抗值 额定容量 功率 S N P N MVA MW 额定功率因数 cos dX d dX02X 7 5 6 0 0 8 180 195 18 24 12 15 5 5 7 8 12 20 15 12 0 8 180 195 18 24 12 15 5 5 7 8 12 20 由于本次设计的热电厂发电机容量为 6MW 和 12MW 而容量为 50WM 及以下的 汽轮发电机 的平均值为 0 145 所以本次设计发电机的 取为 0 145 dX dX 3 6 主变压器的选择 发电厂和变电所中 用于向电力系统或用户输送功率的变压器 称为主变压器 用于两种升高电压等级之间交换功率的变压器 称为联络变压器 只供本厂 所 用 电的变压器 称为厂 所 用变压器 主变压器容量 台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构 它的悬着除依据 基础资料外 主要取决于输送功率的大小 与系统联系的紧密程度 运行方式及负荷 的增长速度等因素 并至少要考虑 5 10 年负荷的发展需要 如果变压器容量选得过大 台数过多 则会增加投资 增大占地面积和损耗 不能充分发挥设备的效益 并增加 运行和检修的工作量 如果容量选得过小 台数过少 则可能封锁发电厂剩余功率的 输送 或限制变电所负荷的需要 影响系统不同电压等级之间的功率交换运行的可靠 性 因此 应合理选择变压器的容量和台数 3 6 1 主变压器容量和台数的选择 本次设计的热电厂发电机是出线是直接接入 10KV 母线 不是发电机单元接线 所以发电机出线不需要接变压器 本次设计要对变电所主变压器进行选择 变电所主 变压器的容量一般按变电所建成后 5 10 年的规划负荷选择 为保证供电的可靠性 变 电所一般装设 2 台主变压器 本次设计热电厂有 10KV 和 35KV 两个电压等级 且需 要从 35KV 系统母线上接出一回备用电源 用作电厂扩建部分的启动和备用电源 所 以本次设计需要 3 台主变压器 主变压器容量的计算公式为 SN 1 1PN 1 K P K P 为厂用电率 热电厂为 8 10 K P 这里取 8 cos 3 1 1 26 8 15 0 NSMW 3 6 2 绕组连接方式的确定 变压器的连接方式必须和系统电压相位一致 否则不能并列运行 电力系统采用 的绕组连接方式之一 Y 型和 型 高 中 低三侧绕组如何组合要根据具体工程来确 定 三相变压器的一组相绕组或连接成三相组的三相变压器的相同电压的绕组连接成 星型 三角型 曲折型时 对高压绕组分别以字母 Y D 或 Z 表示 对中压或低压绕组 分别以字母 y d 或 z 表示 如果星型连接或曲折型连接的中性点是引出的 则分别以 YN ZN 表示 带有星三角变换绕组的变压器 应在两个变换间用 隔开 我国 110kV 以上电压 变压器的绕组都采用 Y 连接 35KV 以下电压 变压器绕 组都采用 连接 综上考虑 10KV 和 35KV 电压等级及发电机容量 本次设计选用的主变压器型号 为 SF7 16000 35 35kV 级 SF7 系列三相油浸风冷式铜线电力变压器 供交流 50Hz 输配电系统中作 为分配电能 交换电压之用 可供户内外连续使用 该系列产品选用优质晶粒取向冷轧硅钢片 采用 45 全斜接缝铁芯 芯柱采用环 氧扎带冲孔 该系列产品绕组根据容量大小和电压等级 连续式和螺旋式两种 油箱采用钟罩 式结构 即可方便用户检查器身 又增加了油箱的机械强度 冷却方式采用管式散热 器和风扇冷却装置 用户可根据变压器负载大小 开启或关闭风扇冷却装置 该系列产品为无载调压电力变压器 调压范围为 2 2 5 其主要参数如表 3 2 所 示 表 3 2 主变压器 SF7 16000 35 参数 电压组合 KV 型号 额定容 量 KV A 高 压 低压 连接组 标号 空载 损耗 K W 负载损 耗 KW 空载电 流 短路阻 抗 SF7 16000 35 16000 38 5 2 2 5 10 5 YNd11 19 0 77 0 7 8 4 厂用电系统 4 1 厂用电的概述 发电厂在启动 运转 停役 检修过程中 有大量以电动机拖动的机械设备 用 以保证机组的主要设备 如锅炉 汽轮机或水轮机 发电机等 和输煤 碎煤 除灰 除尘及水处理的正常运行 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 总的耗电量 统称为厂用电 厂用电的可靠性 对电力系统的安全运行非常重要 随着超超临界 超临界参数 大容量机组 双水内冷发电机冷却方式 计算机实时控制的采用以及核电厂的出现 对厂用电的可靠性提出了更高的要求 提高厂用电可靠性的目的是使电厂长期无故障 运行 不致因厂用电局部故障而被迫停机 为此必须认真考虑合理的厂用电源的取得 方式 工作电源和接线方式 厂用电耗电量占同一时期内全厂总发电量的百分数 称为厂用电率 厂用电率可 计算为 4 1 10 PpAK 式中 K P 为某一时期的厂用电率 A P 为厂用电耗电量 kW h 厂用电率是发电厂的主要运行经济指标之一 一般凝汽式火电厂的厂用电率为 5 8 热电厂为 8 10 水电厂为 0 5 1 0 目前 1000MW 超超临界发电机 组的厂用电率为 4 45 降低厂用电率不仅能降低电能生成成本 同时可相应地增加 对电力系统的供电量 4 2 对厂用电接线的要求 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 厂用电接线应满足下述要求 1 供电可靠 运行灵活 厂用负荷的供电除了正常情况下有可靠的工作电源外 还应保证异常或事故情况下有可靠的备用电源 并可实现自动切换 要求无论在正常 事故 检修以及机组启停情况下均能灵活地调整运行方式 可靠 不间断地实现厂用 负荷的供电 2 对 200MW 及以上机组应做到各机组的厂用电系统是独立的 任何运行方式 下 一台机组故障停运 不应影响另一台机组的运行 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 不应该存 在可能导致切断多于一个单元机组的故障点 更不应该存在导致全厂停电的可能性 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 一般均 应该配备可靠的启动 备用电源 尽可能地使切换操作简便 启动 备用电源能在短时内 投入 5 供电电源应尽量与电力系统保持紧密的练习 当机组无法取得正常的工作电 源时 应尽量从电力系统取得备用电源 4 3 厂用电的电压等级 厂用电的电压等级是根据发电机额定电压 厂用电动机的电压和厂用电供电网络 等因素 相互配合 经过技术经济综合比较后确定的 为了简化厂用电接线 使运行维护方便 厂用电电压等级不宜过多 在发电厂中 低压厂用电压常采用 380V 高压常用电压有 3 6 10KV 等 在满足技术要求的前提 下 优先采用较低的电压 以获得较高的经济效益 4 3 1 按发电机容量 电压确定高压厂用电压等级 1 发电机组容量在 60MW 及以下 发电机电压为 10 5kV 可采用 3kV 作为高 压厂用电压 发电机电压为 6 3kV 可采用 6kV 作为高压厂用电压 2 当容量在 100 300MW 时 宜选用 6kV 作为高压厂用电压 3 当容量在 600MW 以上时 经技术经济比较可采用 6kV 一级电压 也可采用 3kV 和 10kV 两级电压作为高压厂用电压 本次设计的发电机组为 2 6MW 1 12MW 的汽轮发电机组 容量都在 60MW 以 下 发电机电压为 10 5kV 由于国内目前大都采用 6kV 作为厂用电高压等级 所以本 次设计也采用高压厂用电 6kV 低压厂用电采用 380V 4 4 厂用电源及其引接 发电厂的厂用电源必须供电可靠 且能满足各种工作状态的要求 除应具有正常 的工作电源外 还应设置备用电源 启动电源和事故保安电源 一般电厂中都以启动 电源兼作备用电源 4 4 1 工作电源 发电厂的厂用工作电源是保证正常运行的基本电源 通常 工作电源应不少于两 个 现代发电厂一般都投入系统并联运行 若从发电机电压回路通过高压厂用变压器 取得高压厂用工作电源 即使发电机组全部停止运行 仍可从电力系统倒送电能供给 厂用电源 这种引接方式 供电可靠 操作简单 调度方便 投资和运行费都比较省 高压厂用电源从发电机回路的引接方式与主接线形式有密切联系 方案一 直接从发电机所接母线引接 当主接线具有发电机电压母线时 则高压厂用电工作电源 厂用变压器或厂用电 抗器 一般直接从母线上引线 如图 4 1 所示 图 4 1 直接从发电机所接母线引接 图 4 2 从发电机主变压器低压侧引接 方案二 从发电机主变压器低压侧引接 当发电机和主变压器单元接线时 则厂用电工作电源从主变压器的低压侧引接 如图 4 2 所示 低压厂用工作电源由高压厂用母线通过低压厂用变压器引接 若高压厂用电设有 10kV 和 3kV 两个电压等级 则低压厂用工作电源一般从 10kV 厂用母线引接 本次设计主接线具有发电机电压母线 且发电机不是采用单元接线 所以采用方 案一 直接从母线上引接 4 4 2 备用电源和启动电源 厂用备用电源用于工作电源因事故或检修而失电时替代工作电源 起后备作用 备用电源应具有独立性和足够的供电容量 最好能与电力系统紧密联系 在全厂停电 情况下仍能从系统取得厂用电源 启动 备用电源的引接应保证其独立性 并且具有足够的供电容量 常用的引接方 案有四种 方案一 从发电机电压母线的不同分段上通过备用变压器引接 方案二 从发电机联络变压器的低压绕组引接 方案三 从与电力系统联系紧密 供电最可靠的一级电压母线引接 方案四 由外部电网引接专用线路 经过变压器取得独立的备用电源或启动电源 方案比较 方案一适合于母线分段的情况下使用 方案二必须保证在机组全停的 情况下能够获得足够的电源容量 方案三的可靠性较高 但是有可能要采用变比较大 的启动 备用变压器 增大高压配电装置的投资而导致经济性差 本次设计 10kV 系统 即发电机所接母线 是采用的单母线分段 所以采用方案一 从发电机电压母线的不同分段上直接引接 但可以不采用变压器 这样经济性较好 而对于本次设计的 35kV 系统 可由 段母线上接出一回备用电源 经联络变压器接入 10kV 系统厂用电 再经过联络变压器接至 3kV 厂用电系统 作为启动 备用电源和电 厂扩建部分启动和备用电源 如图 4 3 所示 图 4 3 备用电源和启动电源 4 5 厂用电接线形式 发电厂厂用电系统接线通常都采用单母线分段接线形式 并多以成套配电装置接 受和分配电能 火电厂的厂用电负荷容量较大 分布面广 尤其以锅炉的辅助机械设备耗电大 在采用母线管理制的中 小型发电厂中 往往机 炉的数量是不对应的 为了保证厂 用电系统的供电可靠性和经济性 高压厂用母线均采用 按锅炉分段 的原则 低压厂用母线一般也按锅炉分段 厂用电源则由相应的高压厂用母线供电 对于 125MW 及以下机组 一般可在厂用电分支上按额定电流装设断路器 隔离 关关或连接片 此时若发生故障 应立即停机 如图 4 4 所示 图 4 4 厂用电源接线 4 6 厂用变压器的选择 4 6 1 变压器的类型 目前生产的厂用变压器有油浸式和干式两种 结合本设计的实际情况和现代厂用 变压器的发展状况选用干式变压器 干式变压器的冷却介质是空气 没有爆炸和火灾 蔓延的危险 布置灵活 维护方便 由于干式变压器的绝缘水平比相同电压等级的油 浸式变压器低 因此不允许直接与架空线连接 否则要经过不短于 500M 的电缆或采 用灭弧电压较低的避雷器作为进线保护 4 6 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等级确 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 结合本次 设计实际情况 电源引线处的电压等级为 10kV 厂用电源高压侧为 6kV 所选变压器 的一二次额定电压分别为 10kV 和 6kV 4 6 3 厂用变压器的容量 为了合理正确地选择厂用变压器容量 需对每段母线上引接的电动机台数和容量 进行统计和计算 厂用电负荷的计算方法常采用换算系数法 可计算为 S KP 式中 S 为厂用母线上的计算负荷 kV A P 为电动机的计算功率 kW K 为换 算系数 可取表 4 1 中所列数值 表 4 1 换 算 系 数 机组容量 MW 125 200 给水泵及循环水泵电动机 1 0 1 0 凝结水泵电动机 0 8 1 0 其他高压电动机及低压厂用变压器 kV A 0 8 0 85 其他低压电动机 0 8 0 7 S1 0 8 6 2 110 10 56MW S2 0 8 12 110 10 56MW 所以本次设计厂用电变压器高压侧为 10 5kV 低压侧为 6kV 额定容量大于等于 10 56MW 综合技术经济指标考虑 本次设计采用厂用变压器型号为 S7 630 7 其主 要参数如表 4 2 所示 表 4 2 变压器 SF7 16000 35 主要参数 电压组合 KV 型号 额定容 量 KV A 高 压 低压 连接组 标号 空载 损耗 K W 负载损 耗 KW 空载电 流 短路阻 抗 S7 630 7 630 10 5 6 3 YNd11 1 30 8 1 2 0 5 5 4 6 4 厂用电主接线 经过以上方案比较 本次设计的厂用电主接线图如图4 5所示 图4 5厂用电主接线 5 短路电流计算 5 1 短路电流计算概述 短路是电力系统中常见的故障 所谓短路 是指一切不正常的相与相之间或相与 地之间 对于中性点接地的系统 发生通路的情况 正常运行时 除中性点外 相与 相之间或相与地之间是绝缘的 如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路 我们 就称电力系统发生了短路故障 电力系统简单短路故障共有四种类型 三相短路 两 相短路 两相短路接地和单相接地短路 短路是电力系统中十分严重的故障 短路结 果将使系统电压降低 短路回路电流增大 可能破坏电力系统的稳定运行和损坏电气 设备 本次设计主要计算三相短路 其计算目的是为了电气主接线方案的比较和选择 电气设备和载流导体的选择 短路电流的计算包括各主要元件电抗的计算 计算电路 图和等值电路图的化简 转移电抗的计算 计算电抗的计算 短路电流曲线的应用等 5 2 电力系统各主要元件等值阻抗的计算 本次设计的短路计算所取基准值为 基准功率 SB 100MVA 基准电压 VB Vav 5 2 1 发电机等值电抗 发电机的等值电路可用相应的电动势和电抗串联起来 发电机的电抗用短路起始 瞬间电抗 即纵轴次暂态电抗 表示 各类发电机的此暂态电抗 产品目录中给出的 dX 为标幺值 它是以发电机的额定参数为基准值的 当数据不全或作近似计算时可采用 表 5 1 所列的平均值 表 5 1 部分发电机次暂态电抗 平均值 dX 序号 类型 dX 1 无阻尼绕组的水轮发电机 0 29 2 有阻尼绕组的水轮发电机 0 21 3 容量为 50MW 及以下的汽轮发电机 0 145 4 100MW 及 125WM 的汽轮发电机 0 175 5 200MW 的汽轮发电机 0 145 6 300MW 的汽轮发电价 0 167 7 同步调相机 0 16 8 同步电动机 0 15 本次设计的发电机容量为 2 6MW 1 12MW 共 3 台发电机 容量都为 50MW 以下 所以 0 145 功率因数 cos 0 8 发电机等值电抗计算如下 dX SB 100MVA V B Vav SN1 S N2 S N3 1 5MVA 5 1 67 508MA 67 508MVA 120 8 XG1 0 145 1 93 5 2 1d 2avN2B1 XG2 XG1 1 93 XG3 0 145 0 97 5 3 3d 2avNVS2B105 5 2 2 变压器的等值电抗 本次设计选用的主变压器型号为 SF7 16000 35 主要参数为 额定容量 SN 16MVA 短路阻抗 VS 8 所以 SB 100MVA V B Vav XT1 0 5 5 4 10 21avN28016 XT1 XT2 0 5 5 3 计算电路图与等值电路图 5 3 1 计算电路图 由于主接线 10kV 系统与 35kV 系统都采用单母线分段的接线形式 通常 为了限 制短路电流 简化继电保护 在正常运行时 母线分段断路器常处于断开状态 电源 是分列运行的 所以计算电路图可以分为 a 和 b 两部分 如图 5 1 所示 图 5 1 a b 5 3 2 等值电路图 将计算电路图转化为等值电路图 并把各个元件的等值阻抗值标记 如图 5 2 所示 图 5 2 等值阻抗 5 4 各短路点短路电流的计算 短路电流是对各短路点分别进行计算的 所以计算电路的等值电路 应根据各短 路点分别拟出 化简 然后算出各电源对短路点的转移阻抗 根据转移阻抗计算出计 算电抗 根据计算电抗查表得出短路周期电流的 0 s 2s 4s 的标幺值 根据标幺值算 出短路电流的有名值 并列于表中 5 4 1 f1 短路点的计算 1 求转移阻抗 图 5 3 等效阻抗图的化简 X4 X2 与 X3 并联 X4 0 965 1 93 5 5 X5 X4 X1 0 965 0 5 1 465 5 6 G12 对 f1 的转移阻抗 XG12 1 465 2 计算电抗 XJS12 5 7 60 81 45 2 3 查短路电流周期分量计算曲线数字表 求短路电流的标幺值 t 0s 时 I G120 4 938 t 2s 时 I G122 2 561 t 4s 时 I G124 2 444 4 短路电流的有名值 IB 5 8 60 8 25k3A If0 IG120 IB 4 938 0 225 1 111kA 5 9 If2 IG122 IB 2 561 0 225 0 576kA If4 IG124 IB 2 444 0 225 0 550kA 计算结果列于表 5 2 表 5 2 f1 短路电流计算结果 短路电流标幺值 短路电流有名值 kA电源 t 0s t 2s t 4s t 0s t 2s t 4s G1 G2 合并 4 938 2 561 2 444 1 111 0 576 0 550 5 4 2 f2 短路点的计算 1 求转移阻抗 图 5 3 等效阻抗图的化简 XG1 1 93 XG2 1 93 5 10 2 计算电抗 XjSG1 5 11 60 819314 XJSG2 3 查短路电流周期分量计算曲线数字表 求短路电流的标幺值 t 0s 时 I G10 7 718 I G20 7 718 5 12 t 2s 时 I G12 2 808 I G22 2 808 t 4s 时 I G14 2 526 I G24 2 526 4 短路电流的有名值 IB 5 13 60 8 412k153A If0 IG10 IG20 IB 7 718 7 718 0 412 6 36kA 5 14 If2 IG12 IG22 IB 2 808 2 808 0 412 2 31kA If4 IG14 IG24 IB 2 526 2 526 0 412 2 08kA 计算结果列于表 5 3 表 5 3 f2 短路电流计算结果 电源 短路电流标幺值 短路电流有名值 kA t 0s t 2s t 4s t 0s t 2s t 4s G1 7 718 2 808 2 526 3 18 1 155 1 04 G2 7 718 2 808 2 526 3 18 1 155 1 04 G1 和 G2 14 36 5 616 5 052 6 36 2 31 2 08 5 4 3 f3 短路点的计算 1 转移阻抗 X3 X1 与 X2 串联 X 3 X1 X2 0 5 0 97 1 47 5 15 图 5 4 等值电抗图的化简 2 计算电抗 XjsG3 5 16 120 8 47 3 查短路电流周期分量计算曲线数字表 求短路电流的标幺值 t 0s 时 I G30 4 938 5 17 t 2s 时 I G32 2 561 t 4s 时 I G34 2 444 4 短路电流的有名值 IB 5 18 60 8 25k3A If0 IG30 IB 4 938 0 225 1 111kA If2 IG32 IB 2 561 0 225 0 576kA If4 IG34 IB 2 444 0 225 0 550kA 计算结果列于表 5 4 表 5 4 f 3 短路电流计算结果 短路电流标幺值 短路电流有名值 kA电源 t 0s t 2s t 4s t 0s t 2s t 4s G3 4 938 2 561 2 444 1 111 0 576 0 550 5 4 4 f4 短路点的计算 1 转移阻抗 图 5 5 等值电抗图 XG3 0 97 2 计算电抗 XJSG3 5 19 120 8 9746 3 查短路电流周期分量计算曲线数字表 求短路电流的标幺值 由于查表只能得到计算电抗为 0 14 与 0 16 的短路电流标幺值 所以这里要用到斜 率法来求 XJSG3 0 146 时的短路电流标幺值 查表所得数据如表 5 5 所示 表 5 5 查表数据 XJS 0S 2S 4S 0 14 7 718 2 808 2 526 0 16 6 763 2 706 2 490 图 5 5 0s 时计算电抗与短路电流标幺值的斜率图 设 y kx b 则根据坐标图上两点可列出两个方程 7 718 0 14k b 5 20 6 763 0 16k b 5 21 由方程 5 20 5 21 解得 k 47 45 b 14 403 即 y 47 75x 14 403 5 22 当 Xjs 0 146 时 I G30 7 4315 同理可得 t 0s 时 I G30 7 4315 5 23 t 2s 时 I G32 2 777 t 4s 时 I G34 2 515 4 短路电流的有名值 IB 5 24 120 8 453kA If0 IG30 IB 7 432 0 8248 6 13kA 5 25 If2 IG32 IB 2 777 0 8248 2 29kA If4 IG34 IB 2 515 0 8248 2 074kA 计算结果列于表 5 6 表 5 6 f4 短路电流计算结果 电源 短路电流标幺值 短路电流有名值 kA t 0s t 2s t 4s t 0s t 2s t 4s G3 7 432 2 777 2 515 6 13 2 29 2 074 6 电气设备的选择与校验 电气设备的选择是变电所电气设计的主要内容之一 正确的选择电气设备的目的 是为了使导体和电器无论在正常情况或故障情况下 均能安全 经济合理的运行 在 进行设备选择时 应根据工程实际情况 在保证安全 可靠的前提下 积极而稳妥的 采用新技术 并注意节约投资 选择合适的电气设备 6 1 电气设备选择的一般条件 尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样 具体选择方法也不完 全相同 但对它们的基本要求却是一致的 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 6 1 1 按正常工作条件选择电气设备 1 额定电压 电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化 有时会高于电网的额定电压 故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压 通常 规定 一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的 1 1 1 5 倍 而电网运行电压的波 动范围 一般不超过电网额定电压的 1 15 倍 因此 在选择电气设备时 一般可按照 电气设备的额定电压 UN 不低于装置地点电网额定电压 USN 的条件选择 即 UN U SN 6 1 2 额定电流 电气设备的额定电流 IN 是指在额定环境温度下 电气设备的长期允许电流 IN 应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 Imax 即 IN Imax 6 2 由于发电机 调相机和变压器在电压降低 5 时 输出功率可保持不变 故其相应 回路的 Imax 应为发电机 调相机或变压器的额定电流的 1 05 倍 若变压器有过负荷运 行可能时 I max 应按过负荷确定 母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变 压器的 Imax 母线分段电抗器的 Imax 应为母线上最大一台发电机跳闸时 保证该段母线 负荷所需的电流 或最大一台发电机额定电流的 50 80 出线回路的 Imax 除考虑正 常负荷电流外 还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷 3 环境条件 选择电气设备时 还应考虑其安装地点的环境条件 当气温 风速 污秽 海拔 高度 地震烈度 覆冰厚度等环境条件超过一般电气的基本使用条件时 应采取相应 的措施 6 1 2 按短路状态校验 1 短路热稳定校验 短路电流通过电气设备时 电气设备各部件温度 或发热效应 应不超过允许值 满足热稳定的条件为 6 3 2tkIQ 式中 Q k 为短路电流产生的热效应 It t 分别为电气设备允许通过的热稳定电流 和时间 2 动稳定校验 当电气设备中有短路电流通过时 将产生很大的电动力 可能对电气设备产生严 重的破坏作用 因此 各制造厂所生产的电器 都用最大允许的电流的幅值 imax 或最 大有效值 Imax 表示其电动力稳定的程度 它表明电器通过上述电流时 不至因电动力 的作用而损害 满足动态稳定的条件为 ish imax 或 Ish I max 6 4 式中 ish 及 Ish 三相短路时的冲击电流及最大有效值电流 电气设备的选择除了要满足上述技术数据要求外 尚应根据工程的自然环境 位 置 气候条件 厌恶 化学污染 海拔高度 地震等 电气主接线极短路电流水平 配电装置的布置及工程建设标准等因素考虑 3 短路计算时间 热稳定短路计算时间 tk 该时间用于检验电气设备在短路状态下的热稳定 其值 为继电保护动作时间 tpr 和相应断路器的全开段时间 tbr 之和 即 tk tpr tbr 6 5 6 2 断路器和隔离开关的选择 6 2 1 35kv 侧 QF1 断路器和隔离开关 QS1 的选择 1 短路热稳定计算 短路热稳定计算时间为 tk 本次设计取 tk 4s 由于 tk 1s 不计非周期热效应 短 路电流的热效应 Qk 等于周期分量热效应 Qp 即 6 6 22 10tktkkII 根据表 5 2 数据得 6 7 22 10tktkkIIQ 2222 1 0 576 0 41 68 kAs 2 短路冲击电流 短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流 以 ish 表示 短路冲击电流主要用 来检验电气设备的电动力稳定度 短路冲击电流为 6 8 1 92shiI 根据表 5 2 数据得 6 9 1 92shiI 85kA 根据断路器有关参数与计算结果比较 QF1 选择 ZN 35 630 型断路器 GW4 35 630 型隔离开关合格 表 6 1 QF1 断路器 隔离开关 QS1 选择结果 计算数据 ZN 35 630 型断路器 GW4 35 630 型隔离开关 USN 35kV Imax 129 9A 1 111kA ish 2 985kA Qk 1 618 kA 2 s ish 2 985kA UN 35kV IN 630A INbr 8kA INcl 20kA 2t 28456 kAs ies 20kA UN 35kV IN 630A 2tI 20416 2 kAs ies 50kA 3 动稳定校验 ish 2 985kA 20kA 断路器动稳定满足要求 ish 2 985kA 50kA 隔离开关动稳定满足要求 4 热稳定校验 6 10 22 10tktkkIIQ 2222 1 0 576 0 41 68 kAs 断路器 Q k 断路器热稳定满足要求 2tI 28456 As 2tI 隔离开关 Q k 隔离开关热稳定满足要求 t201 t 6 2 2 10kv 侧 QF2 断路器 隔离开关 QS2 的选择 1 发电机最大持续工作电流 10kV 系统为发电机所接母线 须选择发电机出口断路器 发电机最大持续工作电流为 6 11 max1 05I3cosNPU 式中 PN 为发电机容量 UN 为发电机额定电压 为发电机的功率因素角 cos 所以 6 12 max1 05I3cosNP 3 120865 9 A 2 短路热稳定计算 根据表 5 3 数据得 6 13 22 10tktkkIIQ 22 26 310 843 kAs 3 短路冲击电流 根据表 5 3 数据得 6 14 1 92shiI 6 317 09kA 根据断路器有关参数与计算结果比较 QF2 选择 ZN 10 1000 型断路器 GN19 10 1000 型隔离开关合格 表 6 2 QF2 断路器 QS2 隔离开关选择结果 计算数据 ZN 10 1000 型断路器 GN19 10 1000 型隔离开关 USN 10kV