火力发电厂电气一次部分设计(参考)

4×200MW火力发电厂电气一次部分设计

Design of 4x200MW Thermal Power Plant Primary System

职

摘 要

由发电、配电、输电、变电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。

火力本文主要完成了电气主接线的方案设计及其经济型分析，主要电气设备的选择，包括主变压器的容量计算。在发电厂短路电流计算的基础上，进行配电装置的选型方案的设计。回路。在火力发电厂电气部分设计中，一次回路的设计是主体，它是保证供电可靠性、经济性和电能质量的关键，并直接影响着电气部分的投资。

本文主要完成了电气主接线的方案设计及其经济型分析，主要电气设备的选择，包括主变压器的容量计算。在发电厂短路电流计算的基础上，进行配电装置的选型方案的设计。

关键词：发电厂；电气主接线；电气设备

目 录

摘 要 ··········································································································································· II 第1章 绪 论 ··································································································································· 1

1.1 电力工业的发展概况 ······································································································· 1 1.2 发电厂预设规模 ··············································································································· 1 1.3 发电厂接入系统的原则 ·································································································· 2 第2章 电气主接线设计 ················································································································ 3

2.1 概述 ···································································································································· 3

2.1.1 电气主接线设计的基本要求 ··············································································· 3 2.1.2 220kV电压等级常用接线方式 ············································································ 3 2.2 拟定可行的主接线方案 ·································································································· 4

2.2.1 方案一 ···················································································································· 4 2.2.2 方案二 ···················································································································· 4 2.2.3 方案的比较与选定 ······························································································· 5 2.3 变压器的选型 ··················································································································· 5 第3章 火电厂厂用电接线的选择 ······························································································· 6

3.1 概述 ···································································································································· 6

3.1.1 方案的比较与选定 ······························································································· 6 3.1.2 厂用电的电压等级 ······························································································· 6 3.1.3 厂用电系统中性点接地方式 ··············································································· 6 3.1.4 厂用电源及其引接 ······························································································· 8 3.2 厂用电系统的设计及确定 ······························································································ 8 第4章 短路电流的计算 ·············································································································· 10

4.1 概述 ·································································································································· 10 4.2 短路电流计算条件 ········································································································· 10

4.2.1 短路计算的基本假定 ························································································· 10 4.2.2 短路计算的一般规定 ························································································· 11 4.3 短路计算 ························································································································· 11

4.3.1 画等值网络图 ······································································································ 11 4.3.2 化简等值网络图，求短路电流········································································· 13 4.3.3 短路计算结果 ······································································································ 20

第5章 电气设备的选择与校验 ································································································· 21

- III -

5.1 电气设备选择的概述 ····································································································· 21

5.1.1 一般原则 ·············································································································· 21 5.1.2 有关的几项规定·································································································· 21 5.1.3 按额定电压选择的要求 ····················································································· 22 5.1.4 按额定电流选择的要求 ····················································································· 22 5.1.5 短路热稳定校验的要求 ····················································································· 22 5.1.6 校验动稳定校验的要求 ····················································································· 22 5.2 电气设备的选择与校验 ································································································ 22

5.2.1 回路最大持续工作电流的确定········································································· 22 5.2.2 高压断路器的选择与校验 ················································································· 23 5.2.3 隔离开关的选择与校验 ····················································································· 25 5.2.4 导体的选择与校验 ····························································································· 26

结 论 ········································································································································· 30 参考文献 ········································································································································· 31 致 谢 ········································································································································· 32

第1章 绪 论

由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。

1.1 电力工业的发展概况

随着我国电力事业迅猛发展，工程规模在不断扩大，所采用的电气设备在不断更新换代。通过具体实践摸索及不断总结、积累和丰富了很多宝贵的运行经验和设计经验。

自九十年代起，我国陆续修订了所有的规程和规范，电气标准全面向IEC标准靠拢，并等效地被采用。从1982年起，分十几批淘汰了大量的落后机电产品，多次整顿生产秩序，加强了对电气产品的质量管理，努力缩小了发达国家的差距，引进和开发了具有国际先进水平的电气设备。

二十多年来我们无论是在设计标准、设计依据和设计方法上，还是在设计所选用的先进技术和设备上都有了腾飞性的发展。随着对大中型水电站推广“无人值班、少人值守”的运行方式，电站的自动化水平越来越高，要更广泛地采用高水准的设备，相应地对厂用电系统设计和厂用设备选型上也提出了更高的要求。

1.2 发电厂预设规模

1．厂址概况：本厂为坑口电厂，所有燃料由煤矿直接供给。电厂生产的电能除用于厂用外，全部220kV线路送入周边系统。厂区地势较不平坦，地质条件好，有新的公路、铁路通向矿区，交通方便。厂址附近有大河通过，水量丰富，冻土层1.5米深，覆冰厚10mm；最大风速20m/s；年平均温度+6℃，最高气温+38℃，最低气温-36℃，土壤电阻率>500m。

2．机组参数： 锅炉：4HG-670/140-1 汽机：2N200-130/535/535

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第1章 绪 论

由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。

1.1 电力工业的发展概况

随着我国电力事业迅猛发展，工程规模在不断扩大，所采用的电气设备在不断更新换代。通过具体实践摸索及不断总结、积累和丰富了很多宝贵的运行经验和设计经验。 自九十年代起，我国陆续修订了所有的规程和规范，电气标准全面向IEC标准靠拢，并等效地被采用。从1982年起，分十几批淘汰了大量的落后机电产品，多次整顿生产秩序，加强了对电气产品的质量管理，努力缩小了发达国家的差距，引进和开发了具有国际先进水平的电气设备。

二十多年来我们无论是在设计标准、设计依据和设计方法上，还是在设计所选用的先进技术和设备上都有了腾飞性的发展。随着对大中型水电站推广“无人值班、少人值守”的运行方式，电站的自动化水平越来越高，要更广泛地采用高水准的设备，相应地对厂用电系统设计和厂用设备选型上也提出了更高的要求。

1.2 发电厂预设规模

1．厂址概况：本厂为坑口电厂，所有燃料由煤矿直接供给。电厂生产的电能除用于厂用外，全部220kV线路送入周边系统。厂区地势较不平坦，地质条件好，有新的公路、铁路通向矿区，交通方便。厂址附近有大河通过，水量丰富，冻土层1.5米深，覆冰厚10mm；最大风速20m/s；年平均温度+6℃，最高气温+38℃，最低气温-36℃，土壤电阻率>500m。

2．机组参数：

锅炉：4HG-670/140-1

汽机：2N200-130/535/535

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发电机：4QFQS-200-2

3．电力系统接线图，如图1-1。

图1-1 电力系统接线图

1.3 发电厂接入系统的原则

在拟定发电厂接入系统的方案时，应明确该厂规划装机容量、单机容量、送电方向、功率、供电距离及在电力系统中的地位和作用，对于不同规模的发电厂及发电机组，应根据在系统中的地位，接入相应电压等级的电力网。在负荷中心的中小发电厂，在发电机端设立母线，发电机经母线及升压变压器接入系统；对远离负荷中心的火力发电厂，应直接接入高压主网。单机容量为100~125MW的机组，当系统有稳定性要求时，应直接升压接入220kV电力网；单机容量为500MW及以上的机组，一般直接升压接入500kV电力网[1]。

本次设计中要求将电厂生产的电能除厂用电外，全部送入系统，根据发电厂接入系统的原则，预设4台发电机组全部升压接入220kV电力网。

第2章 电气主接线设计

2.1 概述

2.1.1 电气主接线设计的基本要求

电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，它反映各设备的作用、连接方式和回路的相互关系。所以，它的设计直接关系到全厂电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护、自动装置和控制方式的确定，对电力系统的安全、经济运行起着决定的作用。概括地说包括以下五个方面：[2]

1．可靠性；

2．灵活性；

3．经济性；

4．操作应尽可能简单、方便 ；

5．应具有扩建的可能性；

2.1.2 220kV电压等级常用接线方式

220kV电压级常用接线方式及适用范围总结见表2-1。

表2-1 220kV电压级常用接线方式及适用范围

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2.2 拟定可行的主接线方案

2.2.1 方案一

采用双母线分段接线方式，将双回路分别接于不同的母线段上，可缩小母线故障的影响范围，主接线形式见图2-1。

图2-1 方案一接线图

2.2.2 方案二

采用双母线接线，断路器采用高可靠性的SF6断路器。主接线形式见图2-2。

图2-2 方案二接线图

2.2.3 方案的比较与选定

1．可靠性

方案一将双回路分别接于不同的母线段上，保证了系统的供电可靠性，减小了停电的几率，缩小了母线的故障范围。

方案二可以通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不至使供电中断。在检修任意线路断路器时，该回路需短时停电。断路器采用SF6断路器，检修周期长，不需要经常检修减小了断路器检修停电的几率。

通过对比可见，可靠性方面方案一的可行性稍高于方案二。

2．经济性

方案一多装了价高的断路器及隔离开关，投资增大，占地面积增加。

方案二设备相对少，投资小，年费用小，占地面积相对较小。

通过对比可见，经济性方面方案二的可行性明显优于方案一。

通过对实际情况的分析，方案二在可靠性上略低于方案一，但断路器采用SF6断路器，它的检修周期长，不需要经常检修。这样就可以减小了断路器检修停电的几率。在经济性上，方案二明显高于方案一，因而综合考虑选择方案二。

2.3 变压器的选型

主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是大容量、高电压的配电装置的投资也很大。因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。

本次设计中变压器均为单元接线形式，单元接线时变压器容量应按发电机的额度容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。

SN1.1PNG(1-KP) （2-1） cosG

式中PNG—发电机容量，为200MW； SN—通过主变的容量；

K—厂用电，为8%； cosG—发电机的额定功率，为0.85。

发电机的额定容量为200MW，扣除厂用电后经过变压器的容量为：

SN1.1PNG(1-KP)1.1200(1-0.08)238.12MVA cosG0.85

选定三相风冷自然循环双绕组无励磁调压变压器，型号为：SF10-240，参数为24000024222.5%/15.75。

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第3章 火电厂厂用电接线的选择

3.1 概述

发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量由电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备和输煤、碎煤、除灰、除尘及水处理等辅助设备的运行。这些电动机及全场的运行、操作、试验、检修、照明等用电设备等都属于厂用负荷。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。提高厂用电可靠性的目的，是使发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厂用供电电源的取得方式、工作电源和接线方式。

3.1.1 方案的比较与选定

发电厂厂用电系统接线通常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。火电厂的厂用负荷容量较大，分布面较广。其用电量约占厂用电量的60%以上。为了保证厂用电系统的供电可靠性与经济性，且便于灵活调度，一般都采用“安炉分段”的接线原则，厂用负荷在各段上应尽量分配平均，且符合生产程序要求。全厂公用性负荷应适当集中，可设立公用厂用母线段低压380/220V厂用电的接线，对于大型火电厂，一般宜采用单母线分段接线，即按炉分段，对于中小型电厂，则根据工程具体情况，厂用低压负荷的大小和重要程度，全厂可只分2—3段，仍采用低压成套配电装置供电[3]。

本次设计中装机容量为4×200MW，属于大中型发电厂，依据上述原则，确定厂用电接线形式采用单母线分段接线，按炉分段。

3.1.2 厂用电的电压等级

发电厂中一般采用的低压供电网络电压为380/220V；高压供电网路电压有3、6、10kV。为了简化厂用电接线，且使运行维护方便，电压等级不宜过多。对于火电厂当发电机容量在60MW及以下，发电机电压为10.5kV时，可采用3kV作为厂用高电压；当发电机容量在100—300MW时，宜选用6kV作为厂用高电压；当发电机容量在300MW以上时可采用3kV、10kV两种电压[5]。

本次设计单机容量为200MW，因此采用6kV作为厂用高压供电网路，380/220V作为厂用低压供电网络。

3.1.3 厂用电系统中性点接地方式

高压厂用电系统及低压厂用电系统的中性点接地方式及其特点、适用范围详见表3-1。

表3-1 厂用电系统中性点接地方式

由上表可以看出，中性点不接地方式适用于接地电容电流小于10A的高电压厂用电系统。而200MW及以下机组的高压厂用电系统中，电容电流一般不会大于5~10A，所以传统上一直采用不接地系统，而且这种接地方式较简单，接线也方便，因而本次设计中高压厂用电系统采用中性点不接地方式。

DL500《火力发电厂设计技术规程》中规定“主厂房内的低压厂用电系统宜采用高电阻接地方式，也可采用中性点直接接地方式。”结合上表中，200MW及以上机组主厂房适宜采用高电阻接地，因而本次设计中低压厂用电系统采用中性点经高电阻接地方式。

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3.1.4 厂用电源及其引接

火力发电厂厂用电源分为工作电源和备用工作电源，厂用电源的引接方式见表3-2。

表3-2 厂用电源的引接方式

本次设计中电气接线为发电机—变压器组形式，升压电压级仅220kV一级，因而确定厂用高压工作电源引自升压变压器低压侧，高压备用启动电源引自220kV母线，低压工作电源与备用电源分别引自对应的高压厂用母线。

3.2 厂用电系统的设计及确定

本厂用电系统共设4台高压厂用变压器，根据厂用备用电源数量的设置原则，3台以上200MW机组一般每两台机组设一台启动/备用变压器，因而共设置两台启动/备用变压器。厂用电源及其启动/备用电源的引接已在主接线图中标明。图中显示为两台变压器及一台启动/备用变压器，其余两台不再绘图说明。

图3-1 厂用电接线

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第4章 短路电流的计算

4.1 概述

电力系统运行有三种状态：正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。在供电系统的设计和运行中，还要考虑到可能发生的故障以及不正常运行情况。对供电系统危害最大的是短路故障。短路电流将引起电动力效应和发热效应以及电压的降低等。因此，短路电流计算是电气主接线的方案比较、导体及电气设备的选择、接地计算以及继电保护选择和整定的基础。短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。如电力系统中，相与相之间的中性点直接接地系统中的相与地之间的短接都是短路。为了保证电力系统的安全，可靠运行，在电力系统设计和运行分析中，一定要考虑系统等不正常工作状态。造成短路的原因通常有以下几种：

1．导体及电气设备因绝缘老化、或遭受机械损伤，或因雷击、过电压引起的绝缘损坏。

2．架空线路或因大风或导线覆冰引起的电杆倒塌等，或因鸟兽跨界裸露导体等都可能导致短路。

3．电气设备因设计、安装、维护不良和运行不当或设备本身不合格引发的短路。

4．运行人员违反安全操作规程而误操作，如运行人员带负荷拉隔离开关，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等都会造成短路。根据国外资料显示，每个人都有违反规程操作的意识。

5．其它原因，如输电线断线、倒杆、碰线、或人为盗窃、破坏等原因都可能导致短路。

4.2 短路电流计算条件

4.2.1 短路计算的基本假定

1．正常工作时，三相系统对称运行。

2．所有电流的电功势相位角相同。

3．电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。

4．短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

5．不考虑短路点的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻略去不计。

6．不考虑短路点的电流阻抗和变压器的励磁电流。

7．元件的技术参数均取额定值，不考虑参数的误差和调整范围。

8．输电线路的电容略去不计[7]。

4.2.2 短路计算的一般规定

1．验算导体电器的动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统远景的发展计划。

2．选择导体和电器用的短路电流，在电器连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流影响。

3．选择导体和电器时，对不带电抗回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流最大地点。

4．导体和电器的动稳定、热稳定和以及电器的开断电流，一般按三相短路计算[9]。

4.3 短路计算

选择流过所要校验的设备内部和载流导体的短路电流最大的短路点为短路计算点，本次计算中选取的短路点为发电机出口短路点d1、220kV母线短路点d2、厂用6kV高压母线短路点d3。 4.3.1 画等值网络图

1．去掉系统中的所有负荷分支、线路电容和各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗Xd"。

2．计算网络中各发电机的基本参数见表4-1，各变压器的基本参数见表4-2。

表4-1 发电机参数

型号 QFQS-200-2 QFS-300-2 TS1264/300-48

额定容量 200MW 300MW 300MW

额定电压 15.75kV 18kV 18kV

表4-2 变压器参数

型号 SF10-240000 SF10-31500 SFP7-360000

额定电压(kW) 242/15.75 15.75/6.3 242/18

短路阻抗(%)

13 9.8 14

额定电流 8625A 11320A 11000A

功率因数 0.85 0.85 0.875

Xd

14.44% 16.7% 30.56%

"

本设计的系统的等值网络图如图4-1所示。

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图4-1 等值网络图

3．将各元件电抗换算为同一基准的标么电抗

取基准容量SB=100MVA，电压基准值为各段的平均额定电压，Up1=242kV，

Up2=15.75kV，Up3=6.3kV。

(1)4×200MW火力发电厂 发电机的电抗标幺值为

Xd"%S14.44100

X12X14X16X18()(B)()()0.0722

100SN100200

主变压器的电抗标幺值为

X11X13X15X17(

SUs%13100

)(B)()()0.0541 100SN100240

厂用高压变压器的电抗标幺值为

X19X22X25X28(1-KfS3.4100)X1-2(B)(1-)0.0980.046

4SN431.5

X20X21X23X24X26X27X29X30

S11100

KfX1-2(B)3.40.0980.529 2SN231.5

(2)系统S11、S12，即600MW火电厂

发电机的电抗标么值为

Xd"%SB16.7100

X1X30.0557

100SN100300

变压器的电抗标幺值为

X2X4

Us%SB14100

0.0389 100SN100360

(3)系统S21、S22，即600MW水电厂 发电机的电抗标么值为

Xd"%SB30.56100

X5X70.1019

100SN100300

变压器的电抗标幺值为

X6X8

Us%SB14100

0.0389 100SN100360

4.3.2 化简等值网络图，求短路电流

为计算不同短路点的短路电流值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗。

1．d1点短路

(1)网络化简，求转移阻抗

如图4-2所示，将系统S11、S12合并为S1，S21、S22合并为S2，合并后的阻抗值为

11

X31(X1X2)(0.02780.0389)0.0333

2211

X32(X5X6)(0.10190.0389)0.0704

22

X33X34X35X36X11X120.07220.05410.1263

- 13 -

图4-2 d1点短路时网络化简图2

将X31、X9合并为X38，X32、X10合并为X39，如图4-3所示。

X38X31X90.04730.03410.0814 X39X32X100.07040.0512

0.1216

图4-3 d1点短路时网络化简图3

X33，X34，X35，X36即为G1、G2、G3、G4对d1点的转移阻抗，S1、S2对d1点的转移阻抗。

(2)求各电源的计算电抗

XS1js0.0814

600

1000.4884

X38，X39即为

XS2js0.1216

600

0.7296 100

200

0.2526100

XG1jsXG2jsXG3jsXG4js0.1263

(3)查运算曲线查得 各电源0s短路电流标幺值为

IG1IG2IG3IG44.25 IS12.19；IS21.41；

4s短路电流标幺值为

IG1IG2IG3IG42.39 IS12.02；IS21.69；

(4)计算短路点短路电流 短路点总电流为

I''4.2542.191.418.1123.1342.01813.264(kVA)

冲击电流为

ish2KshI'' （4-1）

式中Ksh—冲击系数，实际电路中，1Ksh2。发电机机端取1.9，发电机经变压

器后的高压母线和发电机机端母线的引出线的电抗器后取1.85，远离发电机时取1.8，低压电网取1.3；本次计算中短路点位于发电机经变压器后的高压母线，所以计算时取Ksh1.85。

ishshI''1.8513.26434.7(kVA)

全电流为

Ict

I''2(Ksh-1)2

13.26413.2641.31217.4(kVA)

稳态短路电流为

I2.3942.021.69 - 15 -

4.5622.8912.4191.3469.872(kVA)

2．d2点短路

d2点短路时，其网络化简图如4-4所示。

图4-4 d2点时短路网络化简图1

(1)求转移阻抗

将G1、G2、G3合并，得

1

X40X33//X34//X350.12630.0421

3

系统S1、S2离短路点较远，可将它们合并为一个电源计算，电源合并后的网络简化图如4-5所示。

X41X38//X390.0814//0.1216

0.049

图4-5 d2点短路时网络化简图2

如图4-6所示，将星形X41、X40、X17化成网形X42、X43、X44，即消去了网络中的中间节点，X43即为G对d2点的转移阻抗，X44即为系统S对d2点的转移阻抗。

X43X41X40

X44X41X17

X41X400.0490.0421

0.0490.04210.129 X170.0541

X41X170.0490.0541

0.0490.05410.166 X400.0421

G4对d2点的转移阻抗为

X180.0722

(2)求各电源的计算电抗

XGjs0.129

600

0.774 100

XG4js0.0722XSjs0.166

200

0.1444100

600600200

2.324

100

图4-6 d2点短路时网络化简图3

(3)由计算电抗查运算曲线得各电源 0s短路电流标幺值为

- 17 -

IG1.53；IS0.523；IG47.54

4s短路电流标幺值为

IG1.598；IS0.497；IG42.493

(4)短路点总短路电流

I''1.53

600315.75

0.523

140015.75

7.54

200315.75

33.6526.8455.28115.77(kVA)

冲击电流为

ish2KshI''21.9115.77311.1(kVA)

全电流为

IctI''2(Ksh-1)2115.7720.92115.771.619187.4(kVA)

稳态短路电流为

I1.598

60015.75

0.497

140015.75

2.493

200315.75

35.1525.5118.2878.94(kVA)

3．d3点短路

网络化简图如4-7所示。

X45

11

X29X280.5290.046

0.3105 22

图4-7 d3点短路时网络化简图1

(1)求转移电抗

如图4-8所示，将星形X44、X43、X18、X45化成网形，只计算有关的转移阻抗X46、

X47、X48。

图4-8 d3点短路时网络化简图2

X46X44X45(

0.1660.3105(

1111

) X43X44X45X18

1111

)1.59 0.1290.1660.31050.0722

X47X43X45(

0.1290.3105(

1111) X43X44X45X18

1111

)1.236 0.1290.1660.31050.0722

X48X18X45(

0.07220.3105(

1111) X43X44X45X18

1111

)0.692 0.1290.1660.31050.0722

600

7.416 100

(2)求各电源的计算电抗

XGjs1.236

XG4js0.692

XSjs1.59

200

1.384 100

600600200

22.26

100

- 19 -

(3)由计算电抗查运算曲线得各电源0s和4s短路电流标幺值

当Xjs3.45，各时刻短路电流相等，相当于无限大电源短路电流，可以用1/Xjs求得。

0s短路电流标幺值

IG40.712；IG1/7.4160.135；IS1/22.260.045

4s短路电流标幺值

IG41.39；IG1/7.4160.135；IS1/22.260.045

(4)短路点总短路电流为

I''0.1350.0450.71226.247(kVA) 冲击电流为

ishshI''1.326.24748.254(kVA)

全电流为

IctI26.2471.08628.5(kVA)

稳态短路电流为

I0.1350.0451.3935.751(kVA) 4.3.3 短路计算结果

短路计算结果汇总于表4-3。

表4-3 短路计算结果汇总表

短路点 d1 d2 d3

基准电压(kV) 220 15.75 6.3

短路电流

冲击电流

稳态短路电流

短路全电流

I''(kVA)

14.719 115.77 26.247

ish(kVA)

38.51 311.7 48.254

i(kVA)

11.218 78.94 35.751

Ict(kVA)

19.31 187.4 28.5

第5章 电气设备的选择与校验

5.1 电气设备选择的概述

导体和电器的选择设计，同样必须执行国家的有关技术政策，并应做到技术先进，经济合理，安全可靠，运行方便和适当的留有余地，以满足电力系统安全运行的需要，对导体和电器选择设计规定简述如下： 5.1.1 一般原则

1．应满足正常运行，检修，短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。 2．应按当地环境条件检验。

3．应与整个工程的建设标准协调一致，尽量使新老电器型号一致。 4．选择导线时应尽量减少品种。

5．选用新产品应积极慎重，新产品应有可靠试验数据，并经主管部门鉴定合格。 5.1.2 有关的几项规定

导体和电器应按正常运行情况选择，按短路条件验算其动稳定和热稳定，并按环境条件校核电器的基本使用条件：

1．在正常运行条件下，各回路的持续工作电流，应按有关规定进行计算。 2．验算导体和电器用的短路电流，按下列情况进行计算：

（1）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，元件的电阻都略去不计。

（2）在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。

（3）在变电所中，应考虑如果安有同步调相机时，应将其视作附加电源，短路电流的计算方法与发电机相同。

（4）对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点，对带电抗器的6—10KV出线的计算点，除其母线隔离开关前的引线和套管应选择在电抗器前外，其余导线和电器宜选择在电抗器之后。

3．验算导体和110KV以下电缆短路热稳定时，所用的计算时间，一般用主保护的动作时间加相应在的断路器全分闸时间，如主保护有死区时，则采用能对该处死区起作用的后备保护动作时间，并采用相应处的短路电流值。电器和110KV及以上充油电缆和短路电流计算时是，一般须用后备保护动作时间加相应的短路器全分闸时间。

- 21 -

4．导体和电器的动稳定，热稳定以及电器开断电流，可按三相短路验算，若发电机出口两相短路或中性点直接接地系统，自耦变压器等回路中的单相，两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况验算。

5．环境条件：选择导体和电路时，应按当地环境条件校核，当气温、风速、湿度、污秽、海拔、覆冰等环境条件超出一般电器的基本使用条件时，应通过经济技术比较分别采取下列措施：

（1）向制造部门提出补充要求，订制符合该环境条件的产品。

（2）在设计或运行中采取相应的防护措施，如采用屋内配电装置、水冲洗、减震器等。

5.1.3 按额定电压选择的要求

要求设备的额定电压不低于设备安装地点的电网的额定电压，由于线路供电端额定电压比受电端额定电压高10-5%,因此设备必须能够长期承受这个电压值，电器能够长期承受的最高电压称为最高工作电压，对220KV及以下设备其最高工作电压额定电压高15%，330及500KV设备的最高工作电压比额定工作电压高10%，由此可知，只要设备的额定电压不小于该处电网的额定电压，其最高工作电压不小于该处电网的额定电压，其最高工作电压一定能满足电网首端电压要求。 5.1.4 按额定电流选择的要求

设备的额定电流不小于流过设备的最大长期负荷电流，当周围介质的温度不等于规定值时，设备的容许电流应进行修正。 5.1.5 短路热稳定校验的要求

导体的最高短时温度不大于短时允许最高温度，对于电器来说，是短路电流热脉冲不大于电器允许的热脉冲It2t，It是t秒钟的热稳定电流。It和t值可由电器的铭牌或手册中查出。

5.1.6 校验动稳定校验的要求

对导体(母线)来说，其中通过三相短路冲击电流时产生的应力不小大于材料的允许应力，对于电器来说，是通过它的三相短路冲击电流不大于它的最大允许动稳定电流。

5.2 电气设备的选择与校验

5.2.1 回路最大持续工作电流的确定

1．变压器回路

Imax取1.05倍变压器的额定电流。

3

IN629.8

Imax1.05IN1.05629.8661.29

2．发电机回路

Imax取1.05倍的发电机额定电流。

3

IN8625

Imax1.05IN1.0586259056.25

3．母线联络回路

一般可取母线上最大一台发电机或变压器的额定电流，本次计算中取变压器的额定电流Imax629.8。

5.2.2 高压断路器的选择与校验

1．变压器回路

(1)断路器种类和型式的选择

拟选定高压六氟化硫断路器，不检修间隔期长，运行稳定，安全可靠，寿命长。 (2)额定电压和电流选择按下列原则选取

UNUNS （5-1） INImax （5-2）

UNS220(kV)；Imax661.29

(3)开断电流选择

高压断路器的额定开断电流INbr不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Ipt，简化计算可用INbrI''进行选择。

INbrI'' （5-3）

I''14.719kVA

(4)短路关合电流的选择

断路器的额定关合电流INcl不应小于短路电流最大冲击值ish。

INclish

- 23 -

ish38.51kVA

根据以上所列条件，拟选LW-220型高压六氟化硫断路器，LW-220型高压六氟化硫断路器能进行快速自动重合闸，并带有LRB-220型电流互感器，供测量保护之用断路器在最高工作电压下，能开断120~360MVA变压器的电感电流。在最高工作电压下，能开断200~400km空载架空线路的电容电流。断路器在不检修情况下，能承受满容量开断不大于10次或开断累计电流500kA以上。其技术数据见表5-1。

表5-1 LW-220型高压六氟化硫断路器技术数据

额定工作

额定电流 3s热稳定

电流（kA）

40

额定动稳定电 流峰值（kA）

100

固有分闸 时间（s） 0.04

额定闭合 电流(kA) 100

额定开断电 流(kA) 40

电压（kV） （A） 220

1600

(5)动稳定校验 动稳定校验式为

iesish （5-4）

ies100kVA；ish38.51kVA

满足动稳定校验式，校验合格。 (6)热稳定校验

设保护装置后备保护时间为3.5s，则短路计算时间

tktprtinta3.50.040.043.58(s)

短路电流衰减特性"I"/I14.719/11.2181.3，由周期分量等值曲线查得

tp3.8(s)

短路电流热效应

QkItp11.21823.8478.2(kA2s)

2

Itt40234800(kA2s)

动稳定检验式为

IttQk （5-5）

经检验，满足热稳定校验式，校验合格。 2．母联断路器

(1)断路器种类和型式的选择

2

2

拟选定高压六氟化硫断路器。 (2)额定电压和电流选择

UNUNS （5-6） INImax （5-7）

UNS220kV；Imax629.8

(3)开断电流与短路关合电流的选择同上。

根据以上条件，拟选LW-220型高压六氟化硫断路器，技术数据见表5-5。

表5-5 LW-220型高压六氟化硫断路器技术数据

额定工作

额定电流

3s热稳定

额定动稳定电流固有分闸

时间（s） 0.04

额定闭合 电流(kA) 100

额定开断电 流(kA) 40

电压（kV） （A） 220

1600

电流（kA） 峰值（kA） 40

100

(4)动稳定与热稳定校验过程与变压器回路相似，此处不再做详细叙述。 5.2.3 隔离开关的选择与校验

1．变压器回路

(1)隔离开关种类和型式的选择

拟选定GW6系列高压隔离开关，GW6系列隔离开关是单柱式三相交流50Hz的户外输电设备，俗称剪刀式隔离开关，分闸后形成垂直方向的绝缘断口，具有清晰可见，便于监视及有效缩小变电所的占地面积等优点[10]。

(2)额定电压和电流选择

UNUNS，UNS220kV INImax，Imax661.29A

根据以上所列条件，拟选GW6-220D型隔离开关，技术数据见表5-6。

表5-6 GW6-220D型隔离开关技术数据

额定工作电压（kV）

220

额定电流（A）

2000

3s热稳定电流（kA）

40

动稳定电流峰值（kA）

100

(3)动稳定校验

- 25 -

ies100kVA；ish38.51kVA

满足动稳定校验式，校验合格。 (4)热稳定校验

Qk478.2(kA2s)

Itt40234800(kA2s)

满足热稳定校验式，校验合格。 2．母线联络回路 (1)种类和型式的选择

拟选定GW6系列高压隔离开关。 (2)额定电压和电流选择

2

UNUNS，UNS220kV INImax，Imax629.8A

根据以上所列条件，拟选GW6-220D型隔离开关，技术数据见表5-10。

表5-10 GW6-220D型隔离开关技术数据

额定工作电压（kV）

220

额定电流（A）

2000

3s 热稳定电流（kA）

40

动稳定电流峰值（kA）

100

(3)动稳定与热稳定校验过程同变压器回路相似，此处不再做详细说明。 5.2.4 导体的选择与校验

1．220kV母线 (1)导体截面选择

按导体长期发热允许电流选择

ImaxKIal

Ial

Imax661.29

629.8(A) K1.05

按照导体最大持续工作电流Imax,依照《电力工程电气设计手册》选取截面为539mm2圆管形铝锰合金导体,其技术数据如表5-18所示。

表5-18 圆管形铝锰合金导体参数表

导体尺寸 导体截D1/D2 (mm)

面（mm2） 导体最高允许温度为下值时的截流量（A） 70℃ 80℃ 截面系数 W(cm3) 惯性半径

ri(cm)

惯性矩 J(cm4) 质量 （㎏/m） (2)综合校正系数校修正：

当导体允许温度为+70℃和不计日照时，K值可以用下试计算 温度修正系数为

al

K

al0

式中al—导体长期发热允许最高温度，为70℃

—导体装地点实际环境温度，取最热日平均温度22℃。

K

1.03

则导体长期发热允许电流

Ial

Imax661.29642.0(A) 1.031.03

(3)热稳定校验

Smin

QkKf478.21

251.3(mm2) QkKf

87AhAwC

所选导体截面积为539(mm2)，满足要求。 (4)动稳定校验

由手册差得均布荷载最大弯矩系数为0.125，则母线自重产生的垂直弯矩Mcz为

2

Mcz0.125qlljs9.80.1250.8021029.898.25N/m

由手册查得集中荷载最大弯矩系数为0.188，则集中荷载产生的垂直弯矩

Mcj0.188ljs9.80.18815109.8276.36N/m

Mcj

为

短路电动力产生的水平弯矩Msd为

Msd0.125fdljs29.80.1251.121029.8137(N/m)

- 27 -

短路电动力fd为

ick218.152

fd1.760.581.12(kg/m) 1.76

300a

在内过电压情况下的风速产生的风压f'y为

f

水平弯矩M'sj

'y

v2152

dykyD111.20.11.69(kg/m)

1616

M'sj0.125f‘yljs29.80.1251.691029.8207.03(N/m)

短路状态时母线所受的最大弯矩Md

Md

(MsdM'sj)2(MczMcj)2

508.75(N/m)

应力d为

d100

Md508.751006978.4(N/cm2)W7.29

铝锰合金的最大允许应力8820N/cm2，因而满足要求。 2．变压器引出线 (1)导体选型 拟选用钢芯铝绞线。 (2)导体截面选择 按经济电流密度来选择

SJ

Imax661.29711.1(mm2)J0.93 Imax661.29

629.8(A)K1.05

2

还需满足条件ImaxKIal

Ial

选择LGJ-800型钢芯铝合金绞线，标称面积为铝800mm，允许载流量为1330A，外径为36.9mm。

校验过程与出线相似，此处不再做详细说明。 3．发电机引出线

200MW及以上容量发电机的引出线以及至高压厂用工作变压器、电压互感器和避雷器柜、中性点接地设备柜等的分支线均采用全连式分相封闭母线，有效地防止了相间短

路和消除周围钢构件的涡流发热，也减少了母线短路时导体和外壳所受的电动力。本次设计中采用自冷式封闭母线，可安装微正压充气装置，向壳内提供干燥清洁的空气，其技术数据见表5-19。

表5-19 自冷式封闭母线技术数据

额定电绝缘子电导体直导体厚外壳直流/A

主回路 厂用分支

10000 1200

压/kV 20 20

径/mm 400 150

度/mm 12 10

径/mm 850 600

外壳厚度/mm 7 5

相间中心距离/mm 1200 850

- 29 -

结 论

本次毕业设计的题目是“4×200MW火力发电厂电气一次部分设计”。在这次设计中的发电机台数为四台，装机容量为4200MW；机组年利用小时数max6000h，厂用电p8%，发电机的额定功率因数COSG0.85。

所设计的火电厂电气部分具有可靠性、灵活性、经济性，并能满足工程建设规模要求。采用的电气主接线具有供电可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性和扩建的可能性等特点。所选主变压器经济、合理。进短路电流计算，一般需要计算短路电流基频交流分量的初始值，本设计中采用的是计算曲线法，其反映短路电流周期分量同计算电抗和时间的函数关系的一组曲线，可以利用计算曲线查出短路瞬间和短路后任意时刻该电源向短路点提供的短路电流周期分量的数值。电气设备的选择条件包括两大部分：一是电气设备所必须满足的基本条件，即按正常工作条件选择，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。防雷保护中采用双避雷线对输电线路进行保护，选用金属氧化物避雷器对变压器中性点、母线及发电机进行保护。

参考文献

[1] GB50660-2011大中型火力发电厂设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[2] 熊信银.发电厂电气部分[M]. 北京：中国电力出版社，2009，102-112.

[3] 胡志光.火电厂电气设备及运行[M]. 北京：中国电力出版社，2001，40-56.

[4] Venison V A. Transient Processes in Electrical Power Systems[M].Mir Publishers,1980.

[5] 钱亢木.大型火力发电厂厂用电系统[M]. 北京：中国电力出版社，2001，26-53．

[6] A.G.Phadke,J.S.Therp.Computer Relaying for Power Systems[M].NewYork Research Study Press,1998.

[7] 李梅兰，李丽娇.发电厂变电所毕业设计指导书[M]. 北京：中国电力出版社，2008，15-20．

[8] 姜胜利.浅谈火力发电厂电气一次的部分设计[J].黑龙江科技信息,2010(28):58-60.

[9] 房俊龙.电力系统分析[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007，167-168．

[10] 电力工程电气设计手册：电气一次部分. 北京：中国电力出版社，2004.

[11] 邹颖博，郑伟.戈兰滩水电站工程电气一次设计[J].水利水电工程设计，2009（S1）.

[12] DL/T5352-2006高压配电装置设计技术规程[S]. 北京：中国电力出版社，2006．

[13] 王兆云.基于平坡电站电气一次设计的技术研究[J].云南水力发电，2011（18）.

[14] Cate Jones. Birchwood Power Facility[J].Power.1997.141(3): 49-53.

[15] 沈方丽,王卓.火力发电厂直流电源系统[J].火电厂机电技术.2004,12(2)：63-66.

[16] 杨冠程.电力系统自动装置原理[M]. 北京：中国电力出版社，2004，23-77．

[17] 赵智大.高电压技术[M]. 北京：中国电力出版社，2006，80-84.

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致 谢

本次设计即将画上一个句号，在老师的指导下，我完成了此次课程设计。经过两周的努力，我终于将成果的终稿呈现在大家面前，通过本次设计，让我对所学的知识有了更深刻的理解。本次设计从选题、材料收集到论文的编写，都倾注了老师大量的心血。老师时常关注课题的进展，及时地帮助我解决在编写论文过程中遇到的难点与问题。老师渊博的知识、严谨的态度以及认真的工作作风，不仅让我在这两周来受益匪浅，更让我在以后的工作岗位上时时不忘老师的这种态度和精神。在此，我要再次衷心的感谢老师的悉心指导和热心帮助。

虽然本次设计并不是十分的完善，它也存在一些缺陷和偏差，但它确实我这辛苦的成果。这次设计让我学会了让自己独立完成一件事，这对我今后的工作和生活有着重大的意义。

同时，还要感谢我的同学，在这次的设计中，他们也提出了不少具有建设性的意见和建议，充实了我的阅历。

最后，再一次感谢在本次设计中给予我帮助的老师同学们，谢谢。