毕业设计55火电厂电气设计e_secret

I 摘 要 电能是经济发展最重要的一种能源，可以方便、高效地转换成其它能源形式。当今，火力发电在我国乃至全世界范围，其装机容量占总装机容量的 70左右，发电量占总发电量的 80左右。由此可见，电能在我国这个发展中国家的国民经济中担任着主力军的作用。 设计中将主要从理论上在电气主接线设计，短路电流计算，电气设备的选择，配电装置的布局，防雷设计，发电机、变压器和母线的继电保护等方面做详尽的论述，并与三河火力发电厂现行运行情况比较，同时，在保证设计可靠性的前提下，还要兼顾经济性和灵活性，通过计算论证该火电厂 实际设计的合理性与经济性。在计算和论证的过程中，结合新编电气工程手册规范，采用 CAD软件绘制了大量电气图，进一步完善了设计。 关键词 ： 主接线设计，短路电流，配电装置，电气设备选择，继电保护 II Abstract Electricity is the most important energy of economic development which can be conveniently and efficiently converted into other forms of energy. Today,not only in China but also in the world ,the thermoelectricity capacity accounts to about 70% and the power about 80%.So, electricity plays an important role in our country which is a developing country. In this design, I will mainly discuss main electric connection design, short circuit account, electric equipment choice, electric equipment layout, lightning strike defending design, electrical machine, transformer and generatrix protective relaying detailedly in theory and comparing with the power plant of San he, while ensuring the reliability of the design, under the premise we should also take into account economic and flexibility demonstrated by calculating the effective thermal power plant design and reasonable economy.During my counting and demonstrating,in order to consummate my design, I will protract a great lot of electric engineering-pictures by Auto-CAD following the new criterion of electric engineering-enchiridion. Keywords： main electric connection design ,short current, electric equipment choice, electric equipment layout,protective relaying III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 社会背景 . 1 1.1.2 专业学习背景 . 1 1.2 课题研究的目的和意义 . 1 1.3 国内外研究现状 . 2 1.3.1 电力系统的国内外发展概况 . 2 1.3.2 火电厂设计研究的国内外发展概况 . 3 1.4 课题的主要研究工作 . 3 1.4.1 设计内容 . 3 1.4.2 拟解决的关键问题 . 3 2 电气主接线设计 . 4 2.1 明确任务和设计原理 . 4 2.1.1 原始资料 . 4 2.1.2 原始资料的分析 . 4 2.2 方案的设计、论证 和选择 . 5 2.2.1 方案设计 . 5 2.2.2 方案的经济比较 . 6 2.3 本章小结 . 7 3 短路电流的计算 . 8 3.1 短路的原因、后果及其形式 . 8 3.2 短路的物理过程及计算方法 . 8 3.3 短路电流的计算数据和计算结果 . 10 3.3.1 500KV 三相短路电流电流计算及其正序阻抗图 . 10 3.3.2 500KV 电气主接线及其设备规范 . 11 3.3.3 短路电流的详细计算结果见附录 . 11 4 电气设备的选择 . 12 4.1 主变压器和发电机的选择 . 12 4.1.1 发电机的选择 . 12 4.1.2 主变压器的选择 . 12 4.2 高低压电器设备的选择 . 12 4.2.1 断路器的选择 . 12 4.2.2 隔离开关的选择 . 13 4.2.3 互感器的选择 . 14 4.2.4 熔断器的选择 . 15 4.2.5 限流电抗器的选择 . 16 4.2.6 避雷器的选择 . 16 4.3 导体的设计和选择 . 16 4.3.1 分相封闭母线 . 16 IV 5 配电装置 . 19 5.1 屋外配电装置 . 19 5.1.1 220KV 室外配电装置 . 19 5.1.2 500KV 装置的布置方式 . 20 5.2 屋内配电装置 . 22 6 继电保护 . 26 6.1 发电机的保护 . 27 6.1.1 发电机纵差动保护 . 27 6.1.2 发电机的横差动保护 . 28 6.2 变压器的保护 . 29 6.2.1 变压器主保护设计 . 29 6.2.2 纵差动保护的整定计算原则 . 30 6.3 母线的保护 . 30 6.3.1 装设母线保护的几种情况 . 30 6.3.2 目前国内 110KV 及其以上母线保护装置的原理有以下几种 : . 31 6.4 防直击雷的保护 . 31 6.4.1 直击雷的保护范围 . 31 6.4.2 直击雷的保护措施 . 32 7总结与展望 . 33 致 谢 . 34 参考文献 . 35 附录 . 37 独创性声明 . 错误 !未定义书签。 学位论文（设计）版权使用授权书 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪 论 1.1 课题背景 1.1.1 社会背景 电能是经济发展最重要的一种能源，可以方便、高效地转换成其他能源形式。提供电能的形式有水利发电，火力发电，风力发电，随着人类社会跨进高科技时代又出现了太阳能发电，磁流体发电等。但对于大多数发展中国家来说，火力发电仍是今后很长一段时期内的必行之路。 火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不可再生能源的影响，虽然现在在我国已有部分核电机组，但火电仍占领电力的大部分市场，近 年电力发展滞 后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。 “十五”期间我国火电建设项目发展迅猛。 2001 年至 2005 年 8 月，经国家环保总局审批的火电项目达 472个，装机容量达 344382MW，其中 2004 年审批项目 135个，装机容量 107590MW，比上年增长 207%； 2005年 1至 8月份，审批项目 213 个，装机容量 168546MW，同比增长 420%。如果这些火电项目全部投产，届时我国火电装机容量将达 5.82亿千瓦，比 2000年增长 145%1。 2006年 12月， 全国火电发电量继续保持快速增长，但增速有所回落。当月全国共完成火电发电量 2266 亿千瓦时，同比增长 15.5%，增速同比回落 1 个百分点，环比回落 3.3 个百分点；随着冬季取暖用电的增长，火电发电量环比增长较快， 12月份与上月相比火电发电量增加 223 亿千瓦时，环比增长 10.9%。 2006年全年，全国累计完成火电发电量 23186亿千瓦时，同比增长 15.8%，增速高于2005年同期 3.3个百分点 2。 随着中国电力供应的逐步宽松以及国家对节能降耗的重视，中国开始加大力度调整火力发电行业的结构。 1.1.2 专业学习背 景 本课题设计者在大学期间认真地修完了电气工程专业的所有课程，掌握了使电力系统安全运行以及如何排除其不正常运行故障的知识，能运用电机，发电厂、变电所电气部分，高电压技术，电力系统自动化，电力系统继电保护等专业知识解决实际问题，为本次毕业设计做了充分的知识原料准备。 1.2 课题研究的目的和意义 三河发电厂位于河北省三河市燕郊经济技术开发区，距规划的北京通州新城仅十几公里。 2000 年，该项目一期工程的两台 35万千瓦燃煤发电机组正式投产， 2 主要保障首都用电。 2007年底竣工的二期工程规模为 70万千瓦热电联 产燃煤机组，总投资约 28亿元。该项目建成后，将成为北京 2008年奥运会稳定的电源支撑点之一，还能为通州新城提供清洁热源，供热面积达 1680 万平方米。该工程的特点如下： “ 热电联产 ” ，温暖京冀千家万户。可满足通州新城及燕郊开发区 1680 万平方米面积的冬季采暖供热。 “ 烟塔合一 ” ，国内首家自主创新。采用水塔排烟 (烟塔合一 )新工艺，为目前国内首家自主设计、自主施工，具有自主知识产权的先进工艺技术。 “ 脱硫脱硝 ” ，共享一方碧水蓝天。二期工程建设将引进国内外先进的环保技术和设施，实现一期已建成的两台机组与二期工程同步 进行 100烟气脱硫；在采用低氮燃烧技术的基础上，二期两台锅炉采用 100烟气脱硝系统和采用高效除尘器，排放指标低于北京市标准。 “ 利用中水 ” ，节约宝贵自然资源。引进污水处理厂提供的中水，作为发电冷却用补充水，每年可节约 1500 万立方米优质水资源，促进循环经济和社会的可持续发展。 “ 灰渣零排 ” ，综合利用再生资源。锅炉采用干除灰、干排渣技术。灰、渣及脱硫石膏 100综合利用和深加工，变废为宝，实现零排放 3。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 电力系统的国内外发展概况 新中国成立以后，特别是改革开放以来， 我国电力工业得到了迅速发展。在党中央、国务院的正确领导下，广大电力职工奋发图强，辛勤耕耘，中国的电力工业取得了令人瞩目的成就。 1987 年，全国电力装机容量迈上 1 亿千瓦台阶；1995 年突破 2 亿千瓦；到 2000 年底，全国电力装机容量已达 3.19 亿千瓦。从1949 年到改革开放前的 1978 年，我国电力装机由 185 万千瓦增加到 5712 万千瓦，增长了 29.9倍；年发电量由 43亿千瓦时增加到 2566亿千瓦时，增长了 58.7倍。而从 1978 年到二十世纪末，我国电力装机和年发电量又分别增长了 4.58和 4.33 倍。目前，我国的 电力装机容量和年发电量均居世界第 2 位；我国的电力工业也已从大电网、大机组、超高压、高自动化阶段，进入了优化资源配置、实施全国联网的新阶段 3。 我国是发展中国家，我国的电力工业长期以来依靠多家办电的政策，吸引了投资，促进了我国电力工业的发展；并通过引进、消化和吸收和技术创新，极大地提高了电力的技术水平和装备水平；通过十年的坚持不懈的达标、创一流工作，大大提高了电力企业的管理水平，很多电力企业，尤其是一些发电厂的管理水平可以与发达国家的电厂的管理一比高低。但是，我国人均用电水平还很低，面临 3 着继续 快速发展的巨大压力。 自从加入了以后，国家电力公司已经确定了“建成控股型、经营型、集团化、现代化、国际一流的电力公司”的战略目标，并已在 2000 年跻身世界500 强， 2001 年在世界 500 强中位居 77 位。中国加入 WTO 对电力工业来说，是机遇与挑战并存，机遇大于挑战。 1.3.2 火电厂设计研究的国内外发展概况 在我国乃至全世界范围，火电厂的装机容量占总装机容量的 70左右，发电量占总发电量的 80左右。截止目前为止，我国火力发电厂单机容量以 30万千瓦和 60 万千瓦机组为主，浙江省温州市玉环县的华能玉环电厂 正在投建 4 台100万千瓦发电机组，首台机组预计今年投产发电。其 100万千瓦超超临界火力发电机组主蒸汽压力为 25 兆帕，主蒸汽和再热蒸汽温度均为 600 度，这不仅在我国是最高参数，在世界上也处于最前沿水平。此前，上海电气与西门子合作制造的上海外高桥 2 台 90 万千瓦火力机组是我国第一个超临界百万级项目，首台机组已于 2006年开始发电 4。 1.4 课题的主要研究工作 1.4.1 设计内容 拟订主接线的方案：分析原始资料、确定主接线、主变形式、设计经济比较并确定最佳方案、合理的选择各侧的接线方式、确定所用电接线方式 。 计算短路电流：选择计算短路点、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：选择 220KV、 500KV 电气的主接线、主变双侧的断路器和刀闸、限流电抗器、避雷针、避雷器、避雷线和各个电压等级主母线上的电压互感器。 配置主要的电气设备：配置各级电压互感器、配置避雷器和各个支路的电流互感器和屋内屋外配电装置。 合理设计各种保护：防直击雷保护、主变的继电保护、发电机的继电保护和发电厂出线的线路的保护。 1.4.2 拟解决的关键问题 发电机、变压器、线路的各种保护问题；电气主接线的一二次设计问题 。 4 2 电气主接线设计 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 ,是电气设备布置选择自动化水平和二次回路设计的原则和基础。 电气主接线的设计原则是：应根据发电厂和变电所在电力系统的地位和作用，首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求。根据规划容量、本期建设规模、输送电压等级、进出线回路数、供电负荷的重要性、保证供需平衡、电力系统的线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规划与要求等条件确定。应满足可靠性、灵活性和经济性的要求 5。 电气主接线的主要要求为： （ 1）可 靠性：衡量可靠性的指标，一般根据主接线的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”事件发生的规律，对几种主接线型式中择优。 （ 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、电能损耗少。 2.1 明确任务和设计原理 2.1.1 原始资料 装机 4 台，分别为供热式机组 2*50MW( KVUN 10)、凝气式机组2*300MW( KVUN 20),厂用电率 6%，机组年利用小时数 hT 6500max 。系统规划部门提供的电力符合及与电力系统连接情况资料： 10KV 电压级最大负荷 20MW,最小负荷 15MW, 8.0cos ,电缆馈线 10回。 220KV电压级最大负荷 250MW，最小负荷 200MW, 85.0cos , hT 6500max ，架空线路 4回。 500KV电压级与容量为3500MW 的电力系统连接，系统归算到本电厂 500KV 母线上的标幺电抗021.0SX ，基准容量为 100MV.A,500KV架空线 4回，备用线路 1回。 此外，尚有相应的地理资料、气候条件和其它资料。 2.1.2 原始资料的分析 设计电厂为大中型火电厂 ,其容量为 2*50+2*300=700(MW),占电力系统容量 700/(3500+700)*100%=16.7%,超过了电力系统的检修备用容量 8% 15%和事故备用容量 10%的限额 ,说明该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要 ,而 5 且年利用小时数为 6500h5000h,远远大于电力系统发电机组 的平均最大负荷利用小时数（如 2005 年我国电力系统发电机组年最大负荷利用小时数为 5225h）。该厂为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，从而该厂主接线设计务必着重考虑其可靠性 6。 从负荷特点及电压等级可知， 10KV 电压等级上的地方负荷容量不大，共有10回电缆馈线，与 50MW发电机的机端电压相等，采用直馈线为宜。 20KV电压为300MW发电机出口电压，既无直配负荷，又无特殊的要求，拟采用单元接线的形式，可以节省价格昂贵的发电机出口断路器，又利于配电装置的布置； 220KV电压级出现回路数为 4回，为了保证检修 出线断路器不致对该回路停电，拟采用带旁路母线接线形式为宜； 500KV与系统有 4 回馈线，呈强联系形式并送出本厂最大可能的电力为 700-15-200-700*6%=443（ MV） 。可见，该厂 500KV 级的接线对可靠性要求应当很高 7。 2.2方案的设计、论证和选择 2.2.1 方案设计 根据对原始资料的分析 ,现将各电压级可能采用的较佳方案列出，进而以优化组合方式 ,组成最佳的方案。 （ 1） 10KV电压级。由于 10KV出线回路多，而且发电机的单机容量为 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的形式， 2 台 50MW 发电机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 220KV。考虑到 50MW 机组为供热式机组，通常“以热定电”，机组的年负荷最大小时数较低，即 10KV 电压级与 220KV电压级之间按弱联系考虑，只设 1台主变压器；同时，由于 10KV电压最大负荷 20MW，远远小于 2*50MW发电机组装机容量，即使在发电机检修或升压变压器检修的情况下，也可以保证该电压等级负荷的要求。由于 2台 50MW机组均接于 10KV母线上，有较大的短路电流，为了选择合适的电气设备，应在 分段处加装母线电抗器，同时各条电缆馈线上装设线路电抗器。 （ 2） 220KV 电压级。出线回路数为 4 回，为了使其出线断路器检修时不停电，应采用单母线分段带旁路母线接线或双母线带旁路母线接线，以保证供电的可靠性和灵活性。其进线仅从 10KV送来剩余容量 2*50 （ 100*6%） +20=74MW，并不能够满足 220KV 最大负荷 250MW的要求。为此，拟采用以 1台 300MW 机组按照发电机 变压器单元接线形式接至 220KV 母线上，其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与 500KV接线连接，彼此之间相互交换功率。 （ 3） 500KV电压级。 500KV负荷容量大，其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式，为保证可靠性，可能有多种接线方式，经过定性分析筛选后，可 6 以选用的方案为双母线带旁路母线接线和一台半断路器接线，通过联络变压器与220KV连接，并通过一台三绕组变压器联系 220KV和 10KV电压，以提高可靠性，一台 300MW机组与变压器构成单元接线，直接将功率送到 500KV电力系统 8。 根据以上分析、筛选、组合，可以保留两种可能的接线方案： 方案如图 2.1 所示 : 图 2 - 1厂用2厂用1备用厂备用图 2.1 电气主接线图 方案为 500KV 侧采用双母线带旁路母线接线， 220KV侧采用单母线分段带旁路母线接线，示意图略。 2.2.2 方案的经济比较 采用最小费用法，对拟订的两方案进行经济比较，上述两方案中的相同部分不参与比较计算，只是对相异部分 进行 计算。计算内容包括一次投资、年运行费 7 用。 若图 2.1 所示方案参与比较部分的设备折算到施工年限的总投资为6954.7万元，折算年的运行费用为 1016.29 万元，火电厂使用年限按照 n=25年计算，电力行业预期投资回报率 i=0.1,则 方案的费用为： mnnm CiiiIAC 1)1()1(1 万元3.1 7 8 129.1 0 1 61)1.01()1.01(1.07.6 9 5 42525 同理，在计算出方案的折算年总投资和年运行费用之后，可得到方案的年费用低于方案 9 2.3 本章小结 通常，经过经济比较计算，求得的年费用 AC 最小方案者，即为经济上的最优方案；然而，住接线最终方案的确定还必须从可靠性、灵活性等多方面综合评估，包括大型电厂、变电站对主接线可靠性若干指标的计算，最后确定最终方案。通过定性分析和可靠性及经济计算， 在技术上（可靠性、灵活性）方案明显占优势，这主要是由于一台半断路器接线方式的高可靠性指标，但在经济上则不如方案。鉴于大、中型发电厂大机组应以可靠性和灵活性为主，所以，经过综合的分析，决定选用图 2.1所示的方案作为设计的最佳方案。 8 3 短路电流的计算 3.1 短路的原因、后果及其形式 在电力系统中，出现次数比较多的严重故障就是短路。所谓短路是指电力系统中不等电位的导体在电气上被短接。产生短路的主要原因，是由于电气设备载流部分绝缘损坏所造成。而绝缘损坏主要是因为绝缘老化、过电压、机械性损伤等引起。人为误操作及鸟兽跨越裸导体等也能引起短路。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减少，因而短路电流可能达到很大数值（几万安至十几万安）。这样大的电流所产生的热效应和机械效应会使电气设备受到破坏；同时短路点的电压降到零，短路点附近的电压也相应地显著降低，使此处的电力系统受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使整个电力系统运行解列，引起严重后果。 在三相供电系统中，可能发生的主要短路类型有三相短路、二相短路、两相接地短路和单相接地短路，三相短路属对称短路，其余三种为不对称短路。在四种短路故障中 ，出现单相短路故障的机率最大，三相短路故障的机率最小。但在电力系统中，用三相短路作为最严重的故障方式，来验算电器设备的运行能力。为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要进行短路电流计算，以便校验电气设备的动热稳定性、选择和整定继电保护装置、确定限流措施及选择主接线方案 10。 3.2 短路的物理过程及计算方法 当突然发生短路时，系统总是由工作状态经过一个暂态过程进入短路稳定状态。暂态过程中的短路电流比其稳态短路电流大的多，虽历时很短，但对电器设备的危害性远比稳态短路电流严重得多。有限电源容量系 统的暂态过程要比无限大电源容量系统的暂态过程复杂的多，在计算建筑配电工程三相短路电流时，都按无限大电源容量系统来考虑。短路全电流 ik由两部分组成 (ik=iz if)：一部分短路电流随时间按正弦规律变化，称为周期分量 iz；另一部分因回路中存在电感而引起的自感电流，称为非周期分量 if11。 短路电流的实用计算法： ）三相短路电流周期分量的起始值 DB III （ 3.1） )( TX jB XXII （ 3.2） 9 3.3. 10)c o s3(10 DDDeDeDqDeDqD UPKIKI （ 3.3） xjX SSX （ 3.4） 式中 I 短路电流周期分量的起始有效值（ KA） ; BI 厂用电源 短路电流周期分量的起始有效值（ KA） ; DI 电动机反馈电流 周期分量的起始有效值（ KA） ; jI 基准电流（ KA） ，当取基准容量 jS =100MVA、基准电压jU=6.3KV时 , jI=9.16KA; xX 系统电抗（标幺 值）； xS 厂用电源引接点的短路容量（ MVA） ; TX 厂用变压器（电抗值）的电抗（标幺值）； (%)dU 以厂用变压器额定容量 eS 为基准的阻抗电压百分值； (%)KX 电抗器的百分电抗值； keU. 电抗器的额定电压（ KV）； keI. 电抗器的额定电流（ KA）； DqK. 电动机平均的反馈电流倍数， 100MW 及以上机组为 5， 125MW 及以上机组取 5.5 6.0； DeI. 计及反馈的电动机额定电流之和（ A）； DeP. 计及反馈的电动机额定功率之和（ KW） ； DeU. 电动机的额定电压（ KV）； 2)短路冲击电流： )1.1(2 . DDchBBchDchBchch IKIKiii （ 3.5） 式中 : chi 短路冲击电流 (KA) 10 Bchi. 厂用电源的短路峰值电流 (KA) Dchi. 电动机的反馈峰值电流 (KA) BchK. 厂用电源短路电流的峰值系数 DchK. 电动机反馈电流的峰值 系数， 100MW及以上机组为 1.4 1.6，125MW及以上机组取 1.712。 3)t瞬间三相短路电流 ： )()(.)(.)( DtDBtDztBztZ IKIIII （ 3.6） )(2 )()()(.)(.)( DtDBtBtDfztDfztfz IKIKIII （ 3.7） 式中 ： )(tZI t瞬间短路电流的周期分量有效值（ KA） )(tfzI t瞬间短路电流的非周期分量值（ KA） )(. tBzI t瞬间厂用电源短路电流的周期分量有效值（ KA） )(. tBfzI t瞬间厂用电源短路电流的非周期分量值（ KA） )(. tLzI t瞬间电动机反馈电流的周期分量有效值（ KA） )(. tDfzI t瞬间电动机反馈电流的非周期分量值（ KA） )(tDK 电动机反馈电流的衰减系数 )(tBK 厂用电源非周期分量的衰减系数 DT 电动机反馈电流的衰减时间常数（ S）， 125MW 及以上机组为0.062 bt 主保护装置动作时间 (S) gut 断路器固有跳闸时间 3.3短路电流的计算数据和计算结果 3.3.1 500KV 三相短路电流电流计算及其正序阻抗图 如图 3.1： 11 图 3.1 500KV 三相短路电流电流计算及其正序阻抗图 3.3.2 500KV 电气主接线及其设备规范 同 # 1 高 压 厂变高压厂用变压器