1、4200MW火力发电厂电气部分设计毕业设计论文广东工业大学本科毕业设计（论文）4200MW火力发电厂电气部分设计系 部 机械电气学部 专 业 电气工程及其自动化 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说
2、明本人完全了解XX大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 摘 要本设计主要4200MW火力发电厂电气部分设计包括电气主接线设计；发电机与变压器的连接形式选择；发电厂厂用电设计；主变压器、启动/备用变压器和高压厂用变压器容量计算、台数和型号的选择；220kV高压配电装置配置原则；短路电流计算和部分高压电气设备的选择与校验；发电机与
3、变压器保护配置，按照设计规范与规定完成上述设计工作。关键词：发电厂；电气一次部分；短路计算；电气设备选择AbstractThis design takes Electrical design of 4 200MW power plant, including the main electrical wiring design; choice of generators and transformers connecting form; auxiliary-part design; choice of main transformer, start / back-up transformers
4、and high voltage transformer factory capacity calculation, number and type; configuration rules of 220kV high-voltage power distribution device; short-circuit current calculation and high-voltage electrical equipment selection and validation; generator and transformer protection configuration, in ac
5、cordance with design specifications and requirements to complete the design work.Keywords: power plant; electrical first part; short-circuit calculation; selection of electrical equipmentsKeywords：power plant; electrical first part; short-circuit calculation; selection of electrical equipments1 绪论1.
6、1概述由发电、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送过程进行测量、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。电能是一种
7、清洁的二次能源。由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度，易于实现自动化。因此，电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生活的各个方面。绝大多数电能都由电力系统中的发电厂提供，电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅猛发展。目前工业用电量已占全部用电量的5070%，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。1.2毕业设计主要内容1.
8、2.1 电力系统情况待设计火电厂所在电力系统详细情况，见图1-1：（1）火力发电厂 汽轮发电机：3QFS-300-2。装机容量900MW，3台机组。其中： QFS-300-2:300MW，2极。cos=0.83， d=16.7% 变压器：3SFPL-360/220，3台，360MVA，220kV，Uk%=14.6 （2）水力发电厂 水轮发电机：TSS1264/160-48，300MW，cos=0.875， d=28% 变压器：4SFPL-360/220，4台，360MVA，220kV，Uk%=14.61.2.2 待设计火力发电情况该电厂机组总容量为4200MW，生产的电力除厂用电外，全部通过4
9、回220kV输电线路输送到电力系统中。该厂为大型煤矿区内的坑口发电厂，所用燃料由煤矿直接供给。厂区地势平坦，地质条件较好，属于五级地震区，有公路、铁路通往矿区，交通方便。厂址附近有河流通过，并有水库，水源充足。冻土层厚1m，覆冰厚度7mm，最大风速25m/s，年平均温度5，最高温度35，最低温度-35。多年平均降水量400mm，年最大降水量760mm，最小降水量300mm，多年平均蒸发量为1510mm，积雪深180mm。主导风向全年为东南风，冬季为西北风，夏季为偏南风。1.2.3 设计内容（1）发电厂电气主接线设计 （2）发电厂厂用电接线设计（3）220kV配电装置的设计（4）短路电流计算和电
10、气设备选择（5）200MW机组继电保护及自动装置的规划设计基本步骤：（1）主接线的设计 发电厂的主接线是保证电网的安全可靠、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。（2）主变压器、发电机-变压器连接形式的选择 发电厂200MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变
11、压器应满足DL50002000火力发电厂设计技术规程的规定：“变压器容量可按发电机的最大连续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组的平均温度或冷却水温度不超过650C的条件进行选择”。（3）短路电流的计算短路就是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。短路电流计算是发电厂和变电所电气设计的主要计算项目，它涉及接线方式及设备选择。工程要求系统调度或系统设计部门提供接入本电厂和变电所的各级电压的综合阻抗值，由电气专业负责计算。进行短路计算的目的是为了减低短路的危害和缩小故障的影响范围。三相短路是危害最严重的短路形式，因此，三相短路电流是选择和校验电器和导体的基本依据。（4）电气
12、设备的选择选择并校验断路器、隔离开关、电抗器、电流互感器、电压互感器、母线、电缆、避雷器等，选用设备的型号。正确的选择电气设备的目的是为了事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，积极而稳妥的采取新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。（5）主变压器继电保护的设计继电保护是保证系统安全和设备可靠运行的关键装置之一。当电力系统和设备发生故障时，继电保护应准确、可靠快速的切出故障，保证系统和设备的安全发供电，并能保证其他设备的正常继续运行。为防止变压器发生各类故障和不正常运行造成的不应有的损失以及保证电力
13、系统安全连续运行，变压器应设置相应的保护。2发电厂电气主接线2.1概述电气主接线也称为电气主系统或电气一次接线，它是由电气一次设备按电力生产的顺序和功能要求连接而成的接受和分配电能的电路，是发电厂、变电所电气部分的主体，也是电力系统网路的重要组成部分。其反映了发电机、变压器、线路、断路器和隔离开关等有关电气设备的数量、各回路中电气设备的连接关系及发电机、变压器与输电线路、负荷间及怎样的方式连接，直接关系到电力系统运行的可靠性、灵活性和安全性，直接影响发电厂、变电所电气设备选择，配电装置的布置，保护与控制方式和检修的安全与方便性。2.2电气主接线的确定与验证2.2.1 电气主接线的设计原则电气主
14、接线的设计原则是：根据发电厂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。（1）可靠性 供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，电气主接线也必须满足这个要求。衡量主接线运行可靠性的标志是： 断路器检修时，是否影响供电。 线路、断路器、母线检修时，停运出线回路数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。 发电厂全部停运的可能性。 对大机组超高压情况下的电气主接线，应满足可
15、靠性准则的要求。（2）灵活性 调度灵活，操作简便：应能灵活地投入某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。 检修安全：应能方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。（3）经济性 投资省：主接线应简单清晰，控制、保护方式不过于复杂，适当限制断路器电流。 占地面积小：电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件。 电能损耗少：经济合理地选择主变压器的型式、容量和台数，避免两次变压而增加电能损失。2.2.1 电气主接线的初步方案（1） 主接线基本评价1）方案I：双母线接线接线图见图2-1，双母线接线的主要优
16、点如下：供电可靠，表现为：检修任一母线时，可以利用母联把该母线上的全部回路倒换到另一组母线上，不会中断供电。这是在进、出线带负荷情况下倒换操作，俗称“热倒”，对各回路的母线隔离开关是“先合后拉”。检修任一回路的母线隔离开关时，只需停该回路及与该隔离开关相连的母线。任一母线故障时，可将所有连与该母线上的线路和电源倒换到正常母线上，使装置迅速恢复工作。这是在故障母线的进、出线没有符合的情况下倒换操作，俗称“冷倒”，对各回路的母线隔离开关是“先拉后合”，否则故障会转移到正常母线上。运行方式灵活，可以采用两组母线并列运行方式、两组母线分裂运行方式、一组母线工作，另一组母线备用的运行方式等。扩建方便，可
17、向母线的任一端扩建。可以完成一些特殊功能。例如，必要时，可利用母联断路器与系统并列或解列；当某个回路需要独立工作或进行试验时，可将该回路接到一组母线上进行；当线路需要利用短路方式融冰时，可腾出一组母线作为融冰母线，不致影响其他回路等。缺点：变更运行方式时，都是用各回路母线侧的隔离开关进行道闸操作，操作步骤较为复杂，容易出现误操作。检修任一回路断路器时，该回路仍需停电或短时停电。任一母线故障时仍会短时停电，且影响范围较大。由于增加了大量母线隔离开关和母线长度，双母线的配电装置结构较单母线而言复杂，占地面积大，投资大。综上，双母线接线广泛用于对可靠性要求较高，出现回路数较多的6220KV配电装置中
18、。图2-1 方案一双母线接线图2-2 方案一双母线接线2）方案II：双母线带旁路母线接线双母线带旁路母线接线接线图见图2-2，它是在双母线接线基础上，增设了一组旁路母线及专用旁路断路器回路，需要利用旁路母线不停电检修断路器的各回路，均需装设可接至旁路母线的旁路隔离开关。各回路除通过断路器与两组汇流母线连接外，还通过旁路隔离开关与旁路母线相连接。双母线带旁母的接线进一步提高双母线接线的可靠性，据我国国情，规定当220kv出线在4回及以上、110kV出线在6回及以上时候，宜采用有专用旁路断路器的旁路母线接线。这种接线所用电气设备数量较多，配电装置也较为复杂，占地面积较大，经济性较差，但是被广泛用于
19、国内火力发电厂。综上介绍，虽然双母线具有相当的可靠性、灵活性，可是考虑到双母线带旁路母线的投资较双母线接线要大许多，多增加多了一条母线的投资成本，以及六台断路器。而双母线接线也能满足火电厂的运行的要求，而且经济性上前者亦优，故方案最终确定为方案I，双母线接线。2.3.1 有关设计原则（1）技术经济合理时，容量为200MW及以上的机组可采用发电机变压器线路组的单元接线。（2）容量为125MW及以下的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不宜装设断路器；发电机与三绕组变压器或自耦变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间宜装设断路器和隔离开关，厂用分支线应接在变压器与该断路器之间。容
20、量为200MW300MW的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不应装设断路器、负荷开关或隔离开关，但应有可拆连接点。技术经济合理时，容量为600MW机组的发电机出口可装设断路器或负荷开关，此时，主变压器或高压厂用工作变压器应采用有载调压方式。当两台发电机与一台变压器作扩大单元连接或两组发电机双绕组变压器组作联合单元连接时，在发电机与变压器之间应装设断路器和隔离开关。（3）容量为200MW及以上发电机的引出线、厂用分支线以及电压互感器与避雷器等回路的引下线应采用全连式分相封闭母线。（4）发电机变压器组的高压侧断路器不宜接入旁路母线。2.3.2 本厂发电机与变压器之间的连接 2.
21、3.2.1发电机的选型汽轮发电机由汽轮机直接耦合传动。励磁机是向汽轮发电机提供励磁的设备。（1）冷却方式采用的冷却方式，定子绕组和转子有空冷、水内冷和氢冷等。在转子氢内冷系统中，又有轴向通风等多种方式。（2）励磁方式发电机容量在100MW以上的普遍采用同轴交流励磁机经静止半导体整流励磁方式。（3）选择型号：QFQS-200-2型号含义：22极；200额定容量；Q氢内冷；F发电机；Q汽轮机；S水内冷（4）QFQS-200-2型汽轮发电机主要参数 发电机主要参数见表2-1：表2-1 QFQS-200-2型汽轮发电机主要参数视在功率（MVA）有功功率（MW）电压（V）电流（A）功率因数cos 235
22、2001575086250.85本次设计题目为4200MW的火力发电厂电气部分的设计。由于容量分别为4200MW， UN=10.5KV，所以可以选取的发电机台数有四台。考虑到汽轮机的最大连续进汽量工况出力系制造厂为补偿制造偏差和汽轮机等老化所留的余度，也即汽轮机不宜在此工况下长期连续运行，所以，发电机的最大连续出力在功率因数和氢压为额定值时与汽轮机的最大连续出力配合即可。2.3.2.2变压器的选型发电厂200MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变压器应满足DL50002000火力发电厂设计技术规程的规定：“变压器容量可按发电机的最大连续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组的平均温度
23、或冷却水温度不超过650C的条件进行选择”。根据接线方式，本厂选用四台容量相等双绕组变压器，单机容量为200MW，为了以后扩建的可能和电压等级的变动，高低压之间采用自耦变压器为系统之间联络变压器，发电机与变压器为单元接线时，主变压器的容量可按下列条件中的较大者选择。对于中、小型发电厂应按下列原则选择：（1）为节约投资及简化布置，主变压器应选用三相式。（2）为保证发电机电压出线供电可靠，接在发电机电压母线上的主变压器一般不少于两台。在计算通过主变压器的总容量时，至少应考虑5年内负荷的发展需要，并要求：在发电机电压母线上的负荷为最小时，能将剩余功率送入电力系统；发电机电压母线上最大一台发电机停运时
24、，能满足发电机电压的最大负荷用电需要；因系统经济运行而需限制本厂出力时，亦应满足发电机电压的最大负荷用电。（3）在发电厂有两种升高电压的情况下，当机组容量为125MW及以下时，从经济上考虑，一般采用三绕组变压器，但每个绕组的通过功率应达该变压器容量的15%以上。三绕组变压器一般不超过两台。（4）在高、中系统均为中性点直接接地系统的情况下，可考虑采用自耦变压器。当经常由低、高压侧向中压侧送电或由低压侧向高、中压侧送电时，不宜使用自耦变压器。（5）对潮流方向不固定的变压器，经计算采用普通变压器不能满足调压要求是，可采用有载调压变压器。所以选择的型号为SFP9-240000的三相自耦变压器。根据主接
25、线和设计要求，需用四台型号为SFP9-240000/220的三相自耦主变压器。其参数见表2-2：型号变比容量(KVA)短路电压%绕组形式台数相数SFP9-240000220/15.7524000013%Ynd11四三备注变压器中性点全部接地。表2-2根据所选电气主接线，本厂采用发电机-三相自耦变压器单元接线，发电机和变压器容量配套。3发电厂用电设计3.1厂用电设计的要求3.1.1 厂用负荷分类按其负荷的重要性一般分为以下四类：事故保安负荷在事故停机过程中及停机后的一段时间内，仍应保证供电，否则可能引起主要设备损坏、重要的自动装置控制失灵或危及人身安全的负荷，称为事故保安负荷。根据对电源要求不同
26、，又可分下列三种： 直流保安负荷。 由蓄电池组供电，如发电机组的直流润滑油泵等。 直流不停电保安负荷。 一般由接于蓄电池组的逆变装置供电，如实时控制用电子计算机。 允许短时停电的交流保安负荷。 平时由交流厂用电供电，失去厂用工作电源时，交流保安电源应自动投入，如200MW及以上机组的盘车电动机。类负荷短时（手动切换恢复供电所需时间）的停电可能影响人身或设备安全，使生产停顿或发电量大量下降的负荷。如给水泵、凝结水泵等。对类负荷，必须保证自起动，并应由有2个独立电源的母线供电，当一个电源失去后，另一个电源应立即自动投入。类负荷允许短时停电，但停电时间过长，有可能损坏设备或影响正常生产的负荷。如工业
27、水泵、输水泵等。对类负荷，应由有2个独立电源的母线供电，一般采用手动切换。类负荷长时间停电不会直接影响生产的负荷。如中央修配厂、实验室等的用电设备。对类负荷，一般由1个电源供电。3.1.2 基本要求（1） 对厂用电设计的要求厂用电设计应按照运行、检修和施工的需要，考虑全厂发展规划，积极慎重的采用经过实验鉴定的新技术和新设备，使设计达到技术先进、经济合理。（2）厂用电电压对于火电厂当容量在100MW到300MW时，高压厂用电一般采用6KV，低压厂用电采用380/220V的三相四线制系统。（3）厂用母线接线方式高压厂用电系统应采用单母线。锅炉容量为130 220T/H时，一般每炉由一段母线供电；容
28、量为400T/H及以上时，每炉由两段母线供电，并将两套辅机电动机分接在两段母线上，两段母线可由同一台厂用变压器供电；容量为65T/H时，两台锅炉可合用一段母线。低压厂用电系统应采用单母线接线。当锅炉容量在220T/H及以下，且接有机炉的类负荷时，一般按机炉对应分段，并用刀开关将母线分为两个半段；锅炉容量在400T/H及以上时，每台机炉一般由两段母线供电。当公用负荷较多、容量较大、采用集中供电方式合理时，可设立公用母线，但应保证重要公用负荷的供电可靠性。（4）厂用工作电源高压厂用工作电源一般采用下列引接方式： 当有发电机电压母线时，由各段母线引接，供给接在该段母线上的机组的厂用负荷。 当发电机与
29、主变压器采用单元接线时，由主变压器低压侧引接，供给本机组的厂用负荷。发电机容量为125MW及以下时，一般在厂用分支线上装设断路器。若断路器开断容量不够时，也可采用能满足动稳定要求的负荷开关、隔离开关或连接片等方式。大容量200MW发电机组，厂用分支采用分相封闭母线，在该分支上不应装设断路器，但应有可拆连接点。通过分裂绕组厂用高压变压器供6KV厂用的A段和B段。（5）厂用备用或起动电源高压厂用备用或起动电源一般采用下列引接方式： 当无发电机电压母线时，一般由高压母线中电源可靠的最低一级电压引接，或由联络变压器的低压绕组引接，并应保证在发电厂全停的情况下，能从电力系统取得足够的电源。 当有发电机电
30、压母线时，一般由该母线引接1个备用电源。当技术经济合理时，可由外部电网引接专用线路作为高压厂用备用或起动电源。（6）交流事故保安电源200MW及以上发电机组应设置交流事故保安电源，当厂用工作和备用电源消失时，应自动投入，保证交流保安负荷的起动，并对其持续供电。（7）于200MW机组，各机组的厂用电系统应是独立的，一台故障的停运或辅机的电气故障，不应影响到另一台机组的正常运行，并能在短路时间内恢复本机组的运行。3.2.2 本厂厂用电主接线设计说明本厂为200MW发电机组，发电机与主变压器采用单元接线，厂用电由主变压器低压侧引接，供给本机组的厂用负荷。本厂为四台发电机组，选择四台厂用电主变压器，并
31、且配备两台高压启动/备用变，8#备用变供8#、9#发电机备用，9#备用变供10#、11#发电机备用。由220KV系统接入厂用，高压厂用电压采用6KV，低压厂用采用380/220V的三相四线制系统。厂用分支采用分相封闭母线，在该分支上不应装设断路器，但应有可拆连接点。通过分裂绕组厂用高压变压器供6KV厂用的A段和B段，200MW发电机组应装设交流事故保安电源。G8，G9厂用电主接线图（见图3-1），6KV厂用负荷分配及高压厂用工作变压器容量选择统计表（见表3-1）。图3-1表3-1序号设备名称额定容量（kW）8#高压厂用变压器6kV8A段6kV8B段重复容量（kW）台数容量（kW）台数容量（kW）1给水泵520015200152002凝结水泵400140014004003循环水泵16001160011600
