1、火力发电厂电气系统课程设计论文东南大学东南大学毕 业 论 文（设 计） 2009 届 电气工程及其自动化 专业题 目 火力发电厂电气系统 姓 名 崔正林 学号 * 指导教师 王宝安 职称 教授 二一 一 年 十 月 二十一 日摘 要发电厂是电力系统的重要组成部分，目前就全国电源形式来看，火力发电依然全国发电量的主力，因此火力发电厂的安全将直接影响整个电力系统的安全与运行。在发电厂中，厂用电系统、升压站系统、发电机励磁及并网系统、继电保护配置、电气监控系统ECS等都是其电气部分的重要组成部分。在本次课程设计中，主要针对了火力发电厂的电气系统设计，从厂用电系统、升压站系统、发电机励磁及并网系统、继
2、电保护配置、电气监控系统ECS都做了较为详尽的阐述。设计过程中，综合考虑了经济性、可靠性和可发展性等多方面因素，在确保可靠性的前提下，力争经济性。设计说明书中所采用的术语、符号也都完全遵循了现行电力工业标准中所规定的术语和符号。毕业设计任务书1毕业设计题目火力发电厂电气部分设计2毕业设计要求及原始资料1、 凝气式发电机的规模1、 凝气式发电机的规模（1）装机容量 装机2台 容量250MW，UN=10.5KV（2）机组年利用小时 TMAX=6500h/a（3）厂用电率 按8%考虑（4）气象条件 发电厂所在地最高温度38，年平均温度25。气象条件一般无特殊要求（台风、地震、海拔等）2、 电力负荷及
3、电力系统连接情况（1）10.5KV电压级 电缆出线六回，输送距离最远8km，每回平均输送电量4.2MW，10KV最大负荷25MW，最小负荷16.8MW，COS = 0.8，Tmax = 5200h/a。（2）35KV电压级 架空线六回，输送距离最远20km,每回平均输送容量为5.6MW。35KV电压级最大负荷33.6MW，最小负荷为22.4MW。COS=0.8， Tmax =5200h/a。（3）110KV电压级 架空线4回与电力系统连接，接受该厂的剩余功率，电力系统容量为3500MW，当取基准容量为100MVA时，系统归算到110KV母线上的电抗X*S = 0.083。（4）发电机出口处主保
4、护动作时间tpr1 = 0.1S，后备保护动作时间tpr2 = 4S。第一章 发电厂电气主接线设计1-1 原始资料分析设计电厂总容量250=100MW，在200MW以下，单机容量在50MW及以下，为小型凝汽式火电厂。当本厂投产后，将占系统总容量为100/（3500+100）100%=2.78%15%，未超过电力系统的检修备用容量和事故备用容量，说明该电厂在未来供电系统中的地位和作用不是很重要，但Tmax=6500h/a5000h/a，又为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，从而该电厂主接线的设计务必着重考虑其可靠性。从负荷特点及电压等级可知，它具有10.5KV，35KV，110KV三级电压负荷
5、。10.5KV容量不大，为地方负荷。110KV与系统有4回馈线，呈强联系形式，并接受本厂剩余功率。最大可能接受本厂送出电力为100-16.8-22.4-1008%=52.8MW，最小可能接受本厂送出电力为100-25-33.6-1008%=33.4MW，可见，该厂110KV接线对可靠性要求很高。35KV架空线出线6回，为提高其供电的可靠性，采用单母线分段带旁路母线的接线形式。10.5KV电压级共有6回电缆出线其电压恰与发电机端电压相符，采用直馈线为宜。2-2 主接线方案的拟订在对原始资料分析的基础上，结合对电气接线的可靠性、灵活性及经济性等基本要求，综合考虑。在满足技术，积极政策的前提下，力争
6、使其技术先进，供电安全可靠、经济合理的主接线方案。发电、供电可靠性是发电厂生产的首要问题，主接线的设计，首先应保证其满发，满供，不积压发电能力。同时尽可能减少传输能量过程中的损失，以保证供电的连续性，因而根据对原始资料的分析，现将主接线方案拟订如下：（1）10KV电压级 鉴于出线回路多，且为直馈线，电压较低，宜采用屋内配电。其负荷亦较小，因此采用单母线分段的接线形式。两台25MW机组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35KV。由于25MW机组均接于10KV母线上，可选择轻型设备，在分段处加装母线电抗器，各条电缆馈出线上装出线电抗器。（2）35KV电压级 出线6回，采用单母线
7、分段带旁路接线形式。进线从10KV侧送来剩余容量225-（1508%）+25=13MW，不能满足35KV最大及最小负荷的要求。为此以一台50MW机组按发电机一变压器单元接线形式接至35KV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110KV接线相连，相互交换功率。（3）110KV电压级 出线4回，为使出线断路器检修期间不停电，采用双母线带旁路母线接线，并装有专门的旁路断路器，其旁路母线只与各出线相连，以便不停电检修。其进线一路通过联络变压器与35KV连接，另一路为一台50MW机组与变压器组成单元接线，直接接入110KV，将功率送往电力系统。据以上分析，接线形式如下：1-3 主接线方案
8、的评定该电气主接线的设计始终遵循了可靠性、灵活性、经济性的要求。在确保可靠性、灵活性的同时，兼顾了经济性。在可靠性方面该主接线简单清晰，设备少，无论检修母线或设备故障检修，均不致造成全厂停电，每一种电压级中均有两台变压器联系，保证 在变压器检修或故障时，不致使各级电压解列。机组的配置也比较合理，使传递能量在变压器中损耗最小。但是10KV及35KV母线检修将导致一半设备停运。在灵活性方面，运行方式较简单，调度灵活性差，但各种电压级接线都便于扩建和发展。在经济性方面，投资小，占地面积少，采用了单元接线及封闭母线，从而避免了选择大容量出口断路器，节省了投资，有很大的经济性。通过以上分析，该主接线方案
9、对所设计的这一小型火电厂而言，是比较合理的，可以采纳。1-4 发电机及变压器的选择1、发电机的选择 查电力工程设计手册（第三册），两台50MW的发电机选用QFS-50-2型汽轮发电机。2、变压器的选择 35KV电压母线所接的主变压器容量S = 50/0.8 = 62.5MW，查电力工程设计手册（第三册），变压器选用SSPL60000/35型，其短路电压百分数UK%=8.5；110KV电压母线所接的主变器容量S = 50/0.8 = 62.5MW，查电力工程设计手册（第三册），变压器选用SFPL163000/110型，其短路电压百分数为UK%=10.5；用于联络三级电压的联络变压器，通过它向11
10、0KV传输的最大容量为50-22.4+（252）-16.8-1508%=48.8MW，当35KV母线所连机组和10.5KV母线所连机组各有一台检修时，通过联络变压器的最大容量为14.2+12=26.2MW。综合考虑，联络变压器应选48.80.8=61MW，故选SFSL60000/110型，其中UK(1-2)%=17.5，UK(2-3)%=6.5，UK(3-1)%=10.5，。现将发电机和变压器的选择结果列表如下，以供查询：表1-1发电机G1,G2QF2-25-2发电机G3,G4QFS-50-2变压器T1SSPL60000/35, UK%=8.5变压器T2SFPL163000/110 ,UK%=
11、10.5变压器T3SFSL60000/110，UK(1-2)%=17.5，UK(2-3)%=6.5，UK(3-1)%=10第二章 厂用电设计2-1 负荷的分类与统计发电厂在电力生产过程中，有大量的电动机械，用以保证主要设备和辅助设备的正常运行。这些电动机及全厂的运行操作、试验、修配、照明等用电设备的总耗电量，统称为厂用电或自用电。厂用负荷，按其用电设备在生产中的作用和突然中断供电时造成危害程度可分为四类：（1）类厂用负荷 凡短时停电会造成设备损坏，危及人身安全，主机停运及大量影响出力的厂用负荷，都属于类负荷。如火电厂的给水泵，凝结水泵，循环水泵，引风机，送风机，给粉机等以及水泵的调速器，压油泵
12、，润滑油泵等。通常他们都设有两套设备互为备用，分别接到两个独立电源的母线上。（2）类厂用负荷 允许短时停电，恢复供电后，不致造成生产紊乱的厂用负荷，均属于类负荷。如火电厂的工业水泵，疏水泵，灰浆泵，输煤设备和化学水处理设备等，一般它们应由两段母线供电，并采用手动切换。（3）类厂用负荷 较长时间停电，不会影响生产，仅造成生产上的不方便者，都属于类厂用负荷。如试验室，中央修配厂，油处理室等负荷，通常由一个电源供电。（4）事故保安负荷 指在停机过程中及停机后一段时间内仍应保证供电的负荷，否则将引起主要设备损坏，重要的自动控制装置失灵或推迟恢复供电，甚至可能危及人身安全的负荷称为事故保安负荷。它分为直
13、流保安负荷，如发电机组的直流润滑油泵等，其直流电源由蓄电池组供电；交流保安负荷，如盘车电动机，实时控制用的电子计算机等都属于交流保安负荷。现将火电厂的主要负荷统计如下（见表2-1）表2-1分类名称负荷类别运行方式备注锅炉部分引风机鼓风机磨粉机给粉机或经常，连续无煤粉仓时为汽机部分凝结水泵循环水泵给水泵给水油泵生水泵工业水泵经常，连续给水泵不带主油泵时电气及公用部分充电机变压器变压器冷却风机通讯电源硅整流装置不经常，断续经常，短时经常，连续经常，连续经常，连续出灰负荷灰浆泵碎渣机电气除尘器冲灰水泵经常，连续辅助车间油处理设备中央修理车间起重机电气实验室经常，连续经常，连续不经常，断续不经常，断续
14、2-2 厂用电接线的设计厂用电接线的设计原则基本上与主接线的设计原则相同。首先，应保证对厂用电负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运转；其次，接线应能灵活地适应正常，事故，检修等各种运行方式的要求；还应适当注意经济性和发展的可能性并积极慎重的采用新技术、新设备，使其具有可行性和先进性。此外，在设计厂用电系统接线时还要对供电电压等级，厂用供电电源及其引接进行分析和论证。火电厂的辅助机械多、容量大，供电网络复杂，其主要负荷分布在锅炉、气机、电气、输煤、出灰、化学水处理以及辅助车间和公用电气部分，因此，厂用电电压必须由10KV和0.4KV两级电压，以单母线分段接线形式合理地分配厂用各级负荷。现将该火
15、电厂的厂用电接线的系统图设计示于图2-1。一、厂用供电电压等级的确定发电厂厂用电系统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网络的可靠运行等诸方面因素，由上一节负荷分析可知，取两级厂用电压，高压级取6KV，由两组厂用主变压器从25MW机组的电压母线上取，低压级取380V，采用母线分段式。1、6KV电压等级供电分析对同样的厂用系统，6KV网络不仅节省有色金属及费用，且短路电流也较小，同时6KV电压等级电动机功率可制造得较大，满足大量负荷要求。拟采用两段6KV的厂母线，另外再设置两段6KV备用母线，以提高供电可靠性。2、380V电压级低压供电分析380V厂用电一般采用动力和照明共用的
16、三相四线制接地系统，在技术经济合理时，采用动力和照明分开供电及其引接。二、厂用电工作电源及其引接 图2-1所设计电厂厂用电接线图，厂内装在二机三炉，发电机电压为10.5KV，6KV厂用高压母线分单母线，按锅炉台分为三段，通过T11、T12、T13厂用高压变压器分别接于主母线上两个分段上，380/220V低压厂用母线，由于机组容量不大，设启动电源和事故保安电源，低压厂用母线分为两段，备用电源采用明备用形式，即专设一台T10备用厂用高压变压器，平时断开，当任一段厂用工作母线的电源回路发生故障时QF3断开，QF1和QF2在备用电源自动投入装置作用下合闸。于是，T10厂用高压变压器代替T11厂用高压变
17、压器工作。为了在主母线上发生故障时，仍有可靠的备用电源，运行中可将T10备用厂用高压变压器和主变压器T2都接到备用母线上，并将主母线第段的母联断路器QF4合上，使备用母线和工作母线均带电运行。这样，当主母线发生事故时，QF4断开，T10变压器还可通过T2供电。2-3 厂用变压器的选择厂用变压器容量选择的基本原则和应考虑的因素为：（1）变压器原、副边电压必须与引接电源电压和厂用网络电压一致。（2）变压器的容量必须满足厂用机械从电源获得足够的功率。（3）厂用高压备用变压器或起动变压器应与最大一台高压厂用工作变压器容量相同；低压厂用设备用变压器的容量应与最大一台低压厂用工作变压器容量相同。据此，厂用
18、变压器T4，T5，T6，T7，选择如下：S=（252+502）8% / 0.83=5000KVA，查设计手册，应选SJL1-6300 / 10型双绕组铝线电力变压器。第三章 发电机励磁及并网系统3-1 概 述现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400500
19、HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。火电厂的并网系统也是一个相当重要的电气组成单元，本系统中采用NAS-965微机自动准同期系统，完成发电机等并网点的并网。3-2 发电机励磁系统自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控
20、制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证控硅的正确触发。调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元 。励磁系统稳定单元 用于改善励磁系统的稳定性。限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流，厂用AC380v、厂用DC220
21、v控制电源.厂用DC220v合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开，一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压100V，发电机机端电流5A，母线电压100V，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流，失磁，励磁装置异常等。 励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外，还必须灭磁，把转子磁场尽快地减弱到最小程度，保证转子不过的情况下，使灭磁时间尽可能缩短，是灭磁装置的主要功能。根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁。3-3
22、 发电机并网系统NAS-965微机自动准同期装置，以单片计算机为核心，采用PSD技术和超大规模集成在线可编程技术CPLD及动态相位跟踪技术，不断监测发电机和系统的电压、频率，并可根据频差、压差大小发出宽窄不同的调节脉冲，直到频差、压差满足要求。在压差、频差满足要求的情况下，不断监测发电机电压和系统电压的相位差，准确确定断路器合闸时刻，实现快速无冲击合闸。本装置配备了两路模拟信号源，其中一路模拟系统电压，不可调；另一路模拟发电机电压，可以人为地调节电压、频率。进行试验时，断开待并双方电压，试验信号由模拟信号源提供，这样可对装置本身逻辑进行检查，以保证装置的可靠性。NAS-965型自动准同期装置适
23、用于各种类型的水电站、火电厂，对于变电站同样适用，可充分满足电厂、变电站实现并网自动化的要求。主要功能1.准确测量并显示待并双方的电压和频率；2.在压差和频差不合格的情况下,能够发出长短不同的调节脉冲，使得待并双方的电压和频率快速逼近。调频和调压功能的投入与否由硬件设定；3.在频差和压差合格时能够不断检测相位差，提前一恒定导前时间发出合闸脉冲，在频差和压差不合格时能够对合闸回路进行闭锁；4.能够自动破坏同频不同相的现象，加快同期并列过程；5.能够自动检测并显示断路器的合闸时间，并可根据需要进行修改或保存；6.具有固定偏转角修正功能；7.能够实现同频返网；8.装置本身提供工频信号源，供模拟调试和
24、试验用，其电压、频率可根据需要进行调整；9.同期并列允许的压差、频差及调压、调频宽度参数可由键盘设定并保存；10.具有PT断线和过压报警功能；11.具有与上位机通讯的功能；12.装置的软硬件均具有完善的自检措施，软硬件的任何故障都会使装置进入闭锁状态。故障部位及性质可以在面板上显示；第四章 继电保护配置4-1 发变组保护配置发变组采用NAS-928C型微机保护装置控制屏，该装置是适用于需要配置发变组差动的发电机变压器单元接线的保护装置。保护配置（出口可编程）二次谐波制动的两侧比率差动保护高速差动电流速断保护各侧三相过电流保护变压器高侧过流I段（两时限）发电机中性点侧过流I段（两时限）100%定
25、子接地保护基波零压I段基波零序II段t1基波零序II段t2三次谐波电压型保护启停机保护零序过压保护中性点过流保护励磁绕组过负荷保护(三相交流)过负荷I段过负荷II段非电量保护六路非电量可选择独立出口可选择经CPU延时出口或告警断路器失灵启动保护TA断线检测可选择闭锁差动保护TV断线监视告警、事故事件记录故障录波及故障分析软件测控配置10开关量采集电路，64路遥信信号及相关的SOE信号。12路模拟量采集：Ugtab，Ifa，Ifb，Ifc，Ugt0，Ugn0，Itha，Igna， Ithb，Ignb，Ithc，Ignc。（注Ugtab为发电机机端电压AB相，Ifa，Ifb，Ifc，为三相励磁电流
26、，Ugt0 为发电机机端零序电压，Ugn0 为发电机中性点零序电压，Itha，Ithb，Ithc，为主变高侧三相电流，Igna，Ignb，Ignc，为发电机中性点三相电流）开关量、保护动作信号有顺序事件记录。4-2 高压侧线路保护配置高压侧线路采用国电南自PSL-620D型微机保护测控装置，PSL 620D 系列数字式电流差动保护装置是以光纤分相电流差动保护为全线速动的主保护，距离保护、零序保护和三相一次重合闸为后备保护的成套线路保护装置，并集成了电压切换箱和三相操作箱，适用于110kV、66kV 或35kV 输配电线路。功能配置及型号4-3 厂用电馈线保护部分配置厂用电馈线保护采用TDR93
27、1型微机综合保护测控装置，TDR931综合保护装置适用于110kV及以下的线路保护、变压器保护、电容器保护、电动机保护等，提供了完整的电流电压保护，可根据要求选配复合电压闭锁（方向）电流保护、过电流保护、零序电流保护、零序电压保护、过压保护、低压保护、非电量保护、重合闸等，装置还具有完善的通信接口，同时提供工业以太网、RS485通信接口，采用IEC-60870-103通信规约。保护基本配置 三段式复压方向过流保护（跳闸） 零序过流保护/不平衡电流保护（告警或跳闸） 加速段保护（跳闸） 过负荷保护（告警） 重合闸（非同期、检无压、检同期） 低电压保护（跳闸） 过电压保护（跳闸） 低频保护（跳闸）
28、 零序过压保护1（告警或跳闸） 零序过压保护2/不平衡电压保护（跳闸） 两路非电量保护（告警或跳闸） TV断线监视 开关位置监视 故障录波及故障分析软件测控配置 23路开关量采集电路，64路遥信信号； 12路模拟量采集（Ua、Ub、Uc 、Ia、Ib、Ic、IA、IB、IC、Ux、3U0、3I0）； 功率、功率因数、频率等模拟量的遥测； 遥控断路器的分合闸； 内带压力闭锁的操作回路。4-4 保护配置图第5章 发电厂的控制与信号设计ECS5-1 发电厂的控制方式发电厂的电气设备，有些是就地控制，有些是集中在一起控制。目前我国火电厂所采用的控制方式有主控制室的控制方式和单元控制室的控制方式。考虑到
29、本次设计电厂的单机容量在100MW以下，所以采用主控制室的控制方式。其中发电机和主变压器的控制元件、中央信号装置等位于主环正中屏台上；而线路和厂用变压器的控制元件、直流屏以及远动屏均布置在主环的两侧；继电保护屏、自动装置屏及电能表屏布置在主环的后面。结合实际情况，主控制室设在厂房的固定端。5-2 断路器的控制与信号断路器的控制方式可分为手动合闸、手动跳闸、自动跳闸等。结合本次设计的实际情况，断路器的控制采用自动跳闸方式。当发生故障时，引起继电保护动作，使断路器跳闸，同时发出相应的声光信号，通知维护人员。5-3 中央信号装置在发电厂和变电所中，为了及时掌握电气设备的工作状态，须用信号显示当时的情
30、况。中央信号装置，就是对全厂主要电气设备的信号进行集中监控的装置，它安装在主控制室的中央信号屏上。中央信号包括事故信号和预告信号。其中，事故信号的作用是，当主设备发生重大事故，则应发出闪光信号，并起动电喇叭，发出音响。预告信号的作用是，当设备运行中出现危害及安全的异常情况时，如变压器过负荷、母线接地、电压回路断线等，便发出预告信号，提醒值班人员注意，进行适当处理。在本次设计中，中央信号装置采用新型的闪光报警装置WXZ-2型信号报警装置。5-4 发电厂的弱电控制发电厂的弱电控制分为：1、弱电小开关一对一控制。2、弱电按钮或开关选线控制。本次设计采用的弱电控制为弱电选线控制。所谓选线，是指每个断路
31、器的操作都要通过选择来完成。每一条线路用一个选择按钮（或选择开关）来代替常用的控制开关，仅在全厂（或一组）中，设置一个公用的控制开关。进行选控时，先操作选择按钮（或选择开关），使被控对象的控制回路接通，再转动公用的控制开关，即可发出“分”、“合”闸命令。选择按钮（或选择开关）可布置在控制屏上的主接线模拟图上。这样的控制方式，只用一个控制开关去控制若干个对象，可达到减少设备的目的。控制平台的结构，带用的有：1、控制台与返回屏分开的结构。2、屏台合一的结构。对主接线复杂，被控对象较多时，常采用前一种结构。对主接线比较简单的厂、所，其被控对象较少，常采用屏台合一结构。本次设计所采用的就是屏台合一的结构
