河南理工大学电厂电气设计_课程设计

本设计主要内容

在本设计中，所设计的电厂是一座装机容量为200MW的凝气式火力发电厂，就规模上讲属于中型发电厂。

本设计根据实际要求，考虑到工矿企业的用电电压是10KV，而发电机的输出电压时10.5KV，所以不经变压而直接向其供电；煤矿和化肥厂的用电电压是110KV，通过升压变压器送电至110KV母线，然后有四回出线向负荷供电；而电网系统是220KV，通过另一台变压器升压后送电至电网，两台高压变压器采用型号为：SSPSL-18000/220。全部负荷均有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级负荷。另外厂用电变压器采用的型号为：SJL1—6300/10。系统采用的发电机是两台50MW的汽轮发电机组，型号为QFQ-50-2，功率因数为0.8，安装顺序为1#、2#机；安装一台100MW的汽轮发电机组，型号为TQN-100-2，功率因数为0.85，安装顺序为3#机。

对所选厂址具备的客观条件分析知，位于江边，周围地势平坦，具有铁路与外相连，所以地理位置优越，容易获得燃料；该地区绝对最高温度为40℃，最高月平均温度为26℃ ，年平均温度为10.7℃，该地区气候适宜，考虑到以东北风为主，火电厂对空气和环境的污染大等考虑，该厂宜选在处于市区西南角的下风口位置。本电厂的设计目标是保证市区居民及其附近机械厂、棉纺厂、钢厂等工矿企业的用电（10KV），向附近的化肥厂和煤矿提供可靠供电（110KV），剩余的功率要送入电网系统（220KV）。

本设计说明书详细叙述了该发电厂的电气主接线设计，另外对10KV出线的14条回路中使用的母线，输电线路，断路器，隔离开关，及相关的电气设备选用都做了详细的分析和计算，另外还考虑了发电厂事故后的重新启动问题，附带电气主接线图一张。

1

河南理工大学本科课程设计报告

目 录

1.电气主接线的设计………………………………………………………… 3

1.1总体设计方案 ……………………………………………………………3 1.2线路各级电压输出接线方式分析……………………………………… 3

2.主变压器的选择……………………………………………………………… 5

2.1 主变压器的选择原则……………………………………………………5 2.2 主变压器的具体选择…………………………………………………… 5

3.短路电流计算……………………………………………………………………6

3.1各元件的电抗的标幺值的计算………………………………………… 6

3.2K1点短路电流计算……………………………………………………… 7

4.母线的选择 ……………………………………………………………………11 4.1 220KV母线的选择……………………………………………………11 5.隔离开关、断路器的选择……………………………………………………13 5.1 电气设备选择的一般条件…………………………………………… 13

5.2 母线隔离开关、断路器的选择………………………………………13 附1.设计原始资料以及对其分析

2

河南理工大学本科课程设计报告

1.电气主接线的设计

1.1总体设计方案：

在总体上，我们主要采用三个机组。一个100MW的汽轮发电机组通过变压器向220KV电网系统送电；两个50MW的汽轮发电机组向工矿企业和市区供电；110KV的煤矿和化肥厂用电通过变压器从10KV母线上获得，考虑到系统的稳定性、供电的可靠性运行成本的经济性，本设计在在110KV和220KV线路之间通过三绕组变压器建立联络，以备两个50MW机组为工矿企业和市区供电不足时，可以从220KV系统上送来电能，同时也可以将两个50MW机组在电量多余时供给220KV系统。 1.2线路各级电压输出接线方式分析 1.2.1、10KV侧（12回出线，预留2回）

10KV配电装置出线回路数为12回，出线回路数较多，而在一般的设计要求中，考虑到可靠性和安全性，单母分段接线一般不得超过20MW，本设计中已经远超过20MW，母线宜采用双母线分段的接线方式。

10KV配电装置中采用的是电缆出线，为了控制短路电流，在母线和各电缆上加装母联电抗器和线路电抗器。 1.2.2、110KV侧（4回出线，预留2回）

参考设计要求中的《发电厂电气部分课程设计参考资料》，一般情况下，110KV~220KV配电装置中，当出线2回时，采用桥形接线，当出线不超过4回时，采用单母现分段接线或者双母线接线。本系统出现回路数为4，为了符合一般要求，保证系统供电安全，综合考虑，宜采用双母线接线。 1.2.3、220KV侧（2回出线，预留1回）

3

河南理工大学本科课程设计报告

参考设计要求中《发电厂电气部分课程设计参考资料》要求，一般情况下，在110KV~220KV配电装置中，当出线为2回时，一般采用桥形接线，本设计中考虑到220KV系统的作用比较重要，较大程度的影响着供电可靠性与经济性，同时又要求方便调度运行等，本设计中使用双母线接线方式。

2.主变压器的选择

2.1 主变压器的选择原则

1、主变容量一般按变电所建成后5—10年的规划负荷来进行选择，并适当考

虑远期10—20年的负荷发展；

2、根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。对于有重要负

荷的变电所，应考虑一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，保证用户的Ⅰ级和Ⅱ级负荷，对于一般变电所，当一台主变停运时，其他变压器容量应能保证全部负荷的70%-80%。 2.2 主变压器的具体选择

按照设计要求，我们班负责是220KV出线线路的相关计算，参照主接

线的设计方案，我们只涉及一个双绕组变压器的选择。

根据《电力工程设计手册》，变压器容量应根据计算负荷选择，对平稳

负荷供电的单台变压器，负荷率一般在85%左右。有容量确定公式：

S/Se其中S表示计算负荷容量（KVA）；Se表示变压器容量（KVA）；

β表示负荷率。所以:SeS/100MW/0.85118MW。

参考《发电厂电气部分课程设计资料》，型号为SFP-120000/220的双

绕组无励磁调压电力变压器符合我们的要求，其额定容量为120MW，一次侧

4

河南理工大学本科课程设计报告

电压为220-242KV，二次侧电压为10.5-13.8KV，空载损耗为94KW，负载损耗为347KW，短路阻抗为12%-14%，空载电流为0.9%。 3. 短路电流计算

3.1各元件的电抗的标幺值的计算

XGX 发电机：

X变压器：

*T*''*d''sdsGNsTN

UK%sd

100X线路：

*LXsdLUd2

基准容量选取：

Sd100MW短路电流计算如下图

火力发电机

*G1,G2*2电抗标幺值为：

X1X火力发电机

0.195100500.39

G3的电抗标幺值为：

5

河南理工大学本科课程设计报告

X

*30.183T1,T21001000.183

火电厂变压器各绕组抗电压百分比分别为：

UK1%1UK()%UK()%UK()%13.5121UK2%UK()%UK()%UK()%8.512 （中压侧）

UK3%1UK()%UK()%UK()%0.521 （低压侧）

T1,T2*5电厂变压器各绕组电抗标幺值：

XX*4XX0.5100100638.5100100630.008

*6*70.13

X*8X*913.5100100630.216

厂用变压器

T3绕组电抗标幺值：

X*1010100100120SdS0010020000.8

系统电抗标幺值：

X*110.05

3.2

K1点短路电流计算

由于在桥形电路中，电流值从220KV处流向10KV，故110KV电压级可忽略

将等值电路图1简化为图2

6

河南理工大学本科课程设计报告

图2

X*12X//X*1*2120.390.195

*9X(XX)//(XX)*13*4*8*5120.0080.2160.112

X*14XX*3*100.283

0.115(5050)1000.195

''S1,S2火电厂电源共给的短路电流为

X(1.2)X1.2Sd'' 计算电抗

S(1.2)*osX查汽轮机运算曲线，次暂态短路电气标幺值为

5.432

4 s电路电流标幺值为

次暂态，短路电流有名值为

X42.452*

II*4*SN3VavSN3Vav6.432250311525031152.73KA

4 S短路电路有名值：

II*4*2.4521.74KA

短路电流

ish1.822.736.95KA7

河南理工大学本科课程设计报告

火电厂源

S3供给的短路电流

Xis(s)(计算电抗

10.04810.285)0.2830.1120.75

查汽轮发电机曲线数字表，次暂态

os短路电气标幺值为

X*''1.39

X''4S短路电流标幺值为

*41.596

10031150.7IISN3Uav1.39次暂态短路电流有名值

''*

II次暂态短路电流有名值4S短路电流有名值

SN3USV1.3910031150.70.8

I4I4*SN3Uav1.5910031150.70.8

短路电流

ish182I1.820.717.8''③大系统提供的短路电流

由于系统是无穷大电源，不考虑电抗，则次暂态os短路电流标幺值

I*''10.048*''20.83次暂态4 s时短路电流和OS时相等，即

II*420.83

''*''次暂态短路电流有名值 II4s短路电流有名值 I4I''''20.83100311510.47

10.47

短路电流 ish1.83I18310.4726.65

8

河南理工大学本科课程设计报告

电源 OS短路电流 4s短路电流 1.24 0.80 10.47 12.51 短路冲击电流i shS1S2 S3 2.73 0.70 10.47 13.9 6.95 1.78 26.65 35.38 大系统 总和

4.母线的选择 4.1 220KV母线的选择

本设计中220KV母线为硬导线，考虑到经济性，采用矩形铝导体即可。

4.1.1、按最大持续工作电流选择

最大持续工作电流为I(2002432)103/220655A，设计中所采用的母线必须满足最大持续工作电流小于铝的允许载流量。

参考资料电气主接线的有关资料得：选择矩形铝导体，允许载流量为872A，截面为636.3mm2

4.1.2、热稳定校验

热稳定校验公式为：

1S2Qk1S2teqIC

22其中，C为热稳定系数，S为母线截面积，Qk为短路电流热效应，teq为电流通过导体的时间。

由材料知：该地区绝对最高温度为40℃，最高月平均温度为26℃ ，年平均温度为10.7℃，由查表得对应的C值为100. 由第三篇短路电流计算得teq1.5s，I1.74KA于是

SIteq/C21.3mm2636.3mm

2 所以符合要求。

9

河南理工大学本科课程设计报告

4.1.3 电动力校验

电动力校验公式为：Fmax1.73107La2ish 其中L为两条平行细长

导线长度，a为两者中心距离，ish为三相短路时冲击电流。

由第三篇短路电流计算得ish=35.38KA，而支柱绝缘子之间的距离L=1.2m，相间距离a=0.35m。于是Fmax1.73107满足要求。

La2ish=742.5N

5.隔离开关、断路器的选择

5.1 电气设备选择的一般条件

5.1.1 额定电压必须满足

UNUNs

通常，一般电气设备允许的最高工作电压为额定电压的1.1至1.5倍之

间，而电气设备所在电网运行电压波动，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不低于装置地点电网额定电压的条件选择，故使用上述公式。

5.1.2 额定电流必须满足

INImax

5.1.3 环境对设备的影响

当电气设备安装地点的环境（尤其注意小环境）条件如温度、风速。污染等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚底等超过一半电气设备使用的条件，应该采取相应的保护措施。

10

河南理工大学本科课程设计报告

5.2 母线隔离开关、断路器的选择

由短路电流计算可知：流过母线断路器的最大持续电流为12.51KA，而流过联络断路器的最大持续短路电流为0.8KA。查找工作手册知道：QFS-100-2型断路器额定容量为100MW，额定电压为10.5KV，功率因数为0.85，同步电抗为1.806，静态电抗为0.286，次暂态电抗为0.183，符合联络断路器的要求；SW6220/1200型断路器额定电压为220KV，额定电流为13KA，符合母线断路器的要求，可以直接使用。

隔离开关按额定电压和额定电流选择GW4-220D/1000-80型，其中，Un=220KV，In=1000A，极限通过电流峰值：热稳定电流：It=23.7KA，可以直接使用。

附1.设计原始资料以及对其分析

某地根据电力系统的发展规划，拟在该地区新建一座装机容量为200MW的凝汽式火力发电厂，发电厂安装2台50MW机组，1台100MW机组，发电机端电压为10.5KV,电厂建成後以10KV电压供给本地区负荷，其中有机械厂、钢厂、棉纺厂等，最大负荷48MW,最小负荷为24MW，最大负荷利用小时数为4200小时，全部用电缆供电，每回负荷不等，但平均在4MW左右，送电距离为3-6KM，并以110KV电压供给附近的化肥厂和煤矿用电，其最大负荷为58MW,最小负荷为32MW，最大负荷利用小时数为4500小时，要求剩余功率全部送入220KV系统，负荷中Ⅰ类负荷比例为30%，Ⅱ类负荷为40%，Ⅲ类负荷为30%。 计划安装两台50MW的汽轮发电机组，型号为QFQ-50-2，功率因数为0.8，安装顺序为#1、#2机；安装一台100MW的起轮发电机组，型号为TQN-100-2，

11

河南理工大学本科课程设计报告

功率因数为0.85，安装顺序为#3机；厂用电率为6%，，机组年利用小时Tmax=5800。 （部分省略）

根据原始资料分析，本电厂是中型发电厂，比较靠近负荷中心。本电厂要向本地区的各工厂企业供电，还要与220KV系统相连，并担负着向市区供电，保障市区人民生产和生活用电的责任。由于本厂的地理位置优越，一般情况下都容易获得燃料，能确保本地区以及附近的工厂、市区的正常供电，还可以向220KV提供电能。 有资料我们可知，10KV侧可以不用变压而直接向用户供电，本电厂还通过升压，以110KV的电压等级向用户送电。这里有两电压等级，分别是110KV，有四回出线；220KV，有二回出线，全部负荷有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级负荷。

12