发电厂电气部分课程设计标准(包含模版)
课程设计说明书
学院：机电工程学院
专业：电气工程及其自动化
课程名称：发电厂电气部分
设计题目：中型火力发电厂电气部分设计姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
发电厂电气部分课程设计评分表
目录
一设计任务书 (3)
1.1设计的原始资料 (3)
1.2设计的任务与要求 (3)
二电气主接线 (4)
2.1电气主接线依据 (4)
2.2主接线方案的设计 (5)
2.2.1对原始资料的分析 (5)
2.2.2主接线方案的拟定 (7)
2.3 主变压器的选择与计算 (7)
2.3.1变压器容量、台数和型式的确定原则 (7)
2.3.2变压器的选择与计算 (8)
三短路计算 (9)
3.1短路计算的一般规则 (9)
3.2短路电流的计算 (9)
3.2.1各元件电抗的计算 (9)
3.2.2 等值网络的化简 (10)
四电气设备的选择 (14)
4.1电气设备选择的一般原则 (14)
4.2电气设备的选择条件 (14)
4.2.1按正常工作条件选择电气设备 (14)
4.2.2按短路情况校验 (15)
4.2.3 断路器和隔离开关的选择 (17)
4.2.4 电流互感器的选择 (18)
五结束语 (19)
六参考文献 (20)
一火力发电厂电气部分设计任务书
1.1设计的原始资料
凝汽式发电厂：
（1）凝汽式发电组3台：3×100MW，出口电压：10.5KV，发电厂次暂态电抗：0.12；额定功率因数：0.8
（2）机组年利用小时：
T=5700小时；厂用电率：8%。发电机主保护动
max
作时间0.1秒，环境温度36度，年平均气温为22度。
电力负荷：
送入220KV系统容量200MW，剩余容量送入110KV系统。
发电厂出线：
220KV出线3回; 110KV出线4回（10KM），无近区负荷。
电力系统情况:
220KV系统的容量为无穷大，选基准容量100MVA归算到发电厂220KV 母线短路容量为3400MVA，110KV系统容量为500MVA。
1.2设计的任务与要求
（1）发电机和变压器的选择
表1-1 汽轮发电机的规格参数
注：发电及参数如上表，要求选择发电厂的主变，联络110KV和220KV的联络变压器的型号。
(2) 电气主接线选择
注：火力发电厂的发电机-变压器接线方式通常采用单元接线的方式，注意主变容量应与发电机容量相配套。110KV和220KV电压级用自耦变压器联接，相互交换功率，我们的两电压等级母线选用的接线方式为：220KV采用双母三分段接线，110KV采用双母线接线。
(3) 短路电流的计算
在满足工程要求的前提下，为了简化计算，对短路电流进行近似计算法。
结合电气设备选择选择短路电流计算点求出各电源提供的起始次暂态电流
''
I，冲击电流
I，及计算短路电流热效应所需不同时刻的电流。
sh
(4) 主要电气设备的选择
要求选择：110KV侧出线断路器、隔离开关、电流互感器。
二电气主接线
2.1．电气主接线依据
2.1.1 对电气主接线的基本要求
电气主接线的重要性
电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体。它表明了各种设备的数量及连接情况。电气主接线决定了可能存在的运行方式，影响着运行的可靠性和灵活性。电气主接线决定了电气设备的选择，配电装置的布置。电气主接线决定了继电保护和控制的方式。对电气主接线的基本要求，概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。
1. 可靠性
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。
电气主接线的可靠性不是绝对的。同样形式的主接线对某些发电厂和变电站来说是可靠的，而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。所以，在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水
2. 灵活性
电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：
(1)操作的方便性。
(2)调度的方便性。
(3)扩建的方便性。平及运行经验等诸多因素。
3. 经济性
在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。经济性主要从以下几方面考虑：
(1)节省一次投资。
(2)(2)占地面积少。
(3)电能损耗少。
2.1.2 电气主接线设计的原则
电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主体。它与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大的影响。因此，主接线设计，必须结合电力系统和发电厂或变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理地选择主接线方案。
电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
在工程设计中，经上级主管部门批准的设计任务书或委托书是必不可少的。它将根据国家经济发展及电力负荷增长率的规划，给出所设计电厂(变电站)的容量、机组台数、电压等级、出线回路数、主要负荷要求、电力系统参数和对电厂的具体要求，以及设计的内容和范围。这些原始资料是设计的依据，必须进行详细的分析和研究，从而可以初步拟定一些主接线方案。国家方针政策、技术规范和标准是根据国家实际状况，结合电力工业的技术特点而制定的准则，设计时必须严格遵循。
2.2电气主接线的设计
2.2.1对原始资料分析
设计电厂为大机组中型凝汽式火电厂，其容量为3*100=400MW，，年利用小时数为5700h/年，远大于我国电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数5000h/年，又为火电厂，所以该发电厂为带基荷的发电厂，在电力系统占比较重要的地位，因此，该厂主接线要求有较高的可靠性；从负荷特点及电压等级可知，该电厂具有110KV和220KV两级电压负荷。110KV电压等级有4回架空线路，最大年利用小时数为5700h/a，说明对其可靠性有一定要求；220KV电压等级有3回架空线路，最大年利用小时数为5700h/a,其可靠性要求较高。电机单机容量为100MW，其型号和参数选择见表2-1。
表2-1 汽轮发电机的规格参数
2.2.2主接线的方案拟定
根据对原始资料的分析，现将各电压等级可能采用的较佳方案列出。进而，以优化组合的方式，组成最佳可比方案。拟订两方案如表2-2
表2-2 拟定的两种方案
主接线方案的比较：
方案Ⅰ
1、可靠性：可靠性一般，可以停电检修出线断路器；可靠性一般，可
以停电检修出线断路器
2、灵活性：运行灵活性一般，且带旁路母线接法已不是当今趋势
3、可靠性：投资较双母线分段接法较为经济
方案Ⅱ
1、可靠性：可靠性较高，检修任一组母线时不会中断对用户的供电；
工作母线故障时，用户在经历短暂倒排时间后迅速恢复供电；单母
分段方式减少了母线故障时造成的损失，缩小了停电范围
2、灵活性：运行灵活，各个电源和备用回路负荷可以任意分配到某一
组母线上，通过倒排操作组成各种运行方式；扩建方便，可不影响
两组母线的电源和负荷自由组合负荷，向母线任意方向扩建
3、经济性：母线隔离开关数目较多，整个配电装置结构复杂，占地面
积和投资费用较大，经济性较差
通过对两种方案的综合分析，方案Ⅰ在经济性上占优势而方案Ⅱ在可靠性和灵活性上占优势，故最终方案选用方案Ⅱ。
电气主接线如下图
2.3 主变压器的选择与计算
2.3.1变压器容量、台数和型式的确定原则
(1) 单元接线的主变压器容量的确定原则
单元接线时主变压器应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。
(2) 连接两种升高电压母线的联络变压器的确定原则
联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种运行方式下，网络间的有功功率和无功功率交换，一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求。
根据以上原则知，本电厂3台机组的最大容量为100MW，应根据100MW发电机来选择联络变压器，又为了布线方便，只选一台自耦联络变。
(3) 变压器台数的确定原则
发电厂或变电所主变压器的台数与电压等级、接线形式、传输容量以及和系统的联系有密切关系。通常与系统具有强联系的大、中型发电厂和重要变电所，在一种电压等级下，主变压器应不少于2台；而对弱联系的中、小型发电厂和低压侧电压为6-10KV的变电所或与系统只是备用性质时，可只装一台主变压器；对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设3台主变压器。
考虑到本电厂有3台100MW发电机，且电厂和系统有较强联系，故220KV 电压等级接两台主变压器，110KV电压等级接一台主变压器。
(4) 主变压器型式的确定原则
选择主变压器型式时，应从相数、绕组数、绕组接线组别、冷却方式、调压方式等方面考虑，通常只考虑相数和绕组数以及绕组接线组别。在330KV及以下电力系统，一般都应选用三相变压器。对于大型三相变压器，当受到制造条件和运输条件的限制时，则宜选用两台小容量的三相变压器来取代一台大容量三相变压器，或者选用单相变压器。一般当最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，对于最大机组容量为200MW及以上的发电厂，通常采用双绕组变压器加联络变压器，当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，这样可以大大限制短路电流。
2.3.2变压器的选择与计算
按照变压器容量、台数和型式的确定原则，该发电厂主接线采用3台三相双绕组主变压器和一台联络变压器。3台主变压器分别和3台发电机组组成单元接线，联络变压器选用三相三绕组降压自耦变压器。
三 短路电流的计算
短路计算在设计发电厂主接线的过程中有着重要作用，它为电气设备的选型、动稳定校正和热稳定校正提供依据。当短路发生时，对发电厂供电的可靠性可能会产生很大影响，严重时，可能导致电力系统失去稳定，甚至造成系统解列。因此，对短路事故的计算是非常有必要的，而且是必须进行一项工作。
3.1短路计算的一般规则
(1) 验算导体和电气设备动稳定、热稳定以及电气设备开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划内容计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本工程建成后5至10年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
(2) 选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具体反馈作用对异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。
(3) 选择导体和电器时，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最大的点。对带电抗器的6KV 至10KV 出线与厂用分支回路，除其母线与母线隔离开关之间隔离板前的引线和套管的计算短路点选择在电抗器前外，其余导体和电器的计算短路点选择在电抗器后。
(4) 导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。
3.2 短路电流的计算 3.2.1各元件电抗的计算
选基准容量：Sd=100MVA ，Uav=Ud
发电机: MW S S S 1258
.0100'
3'2'1==== 096.0125
10012.0'
'3''2''1=?===X X X
等值电源：S1：Sd=100MVA ，S1=3400MVA
0294.01
*11*
1===
S S S X d
s S2：S2=500MVA ==
*21*2S X s =2S SD 2.0500
100= 变压器: T1，T2：*1T X =*2T X =
100(%)
Uk ?)(N S S T d =10013?
108.0120
100= T3：*3T X =2T X =*1T X
T4： 1917.0120
100
10023)(100(%)*4=?=?=
N S S Uk X T d T
电缆： 03.0115
100
104.02
*=??=L X
3.2.2 等值网络的化简
图3-1等值网络图
图3-2等值网络化简图1
图3-3 等值网络化简图2
图3-4 等值网络化简图3
图3-5 等值网络化简图4
图3-6 等值网络化简图5 各电抗值的计算：
204.0096.0108.0''1
121=+=+
=
=
X
X X X T
204.0096.0108.0''3
33=+=+
=
X
X X T
8076
.00294
.0192
.008175.0192.008175.01
4
4
5=?+
+=?+
+=X X X X
X X S T eq
T eq 2904.008175
.0192
.00294.0192.00294.04
1
4
1
6
=?+
+=?+
+=X
X X
X X X eq
T S T S
G 3
与E S 2
合并后电抗：1010.02
.0204.02
.0204.02
3
23
7
=+?=
+
?=X
X X X
X S S
转移阻抗：
4229
.0)03
.01
101.012904.018076.01(
2904.003.0)
1
1
1
1
(
7
6
5
61=+++??=+
+
+
?=X
X
X
X X X X L
L K 1452
.0)03.01
1010.012904.018076.01(1010.003.0)
1
1
1
1
(
7
6
5
72=+++??=+
+
+
?=X
X
X
X
X X X L
L K 1609
.103
.01
1010.012904.018076.0103.08076.0)
1
1
11
(
7
6
5
53=+++??=+
+
+
?=）（X
X
X X
X X X L
L K
计算电抗：9022.2100
2
1251609.1)2,1(3=??=?=d k ceq S S X X
电流基准值：004.1115
32
10032)2,1(=??==
av d d U S I 502.0115
3100
3)(1=?==
av d s d U S I 短路电流： 624.5403.1708.3513.0=++=K
I
四 电气设备的选择
电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。正确的选择电气设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电气设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。 4.1 电气设备选择的一般原则
(1) 所选设备应能满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；在满足可靠性要求的前提下，应尽可能的选用技术先进和经济合理的设备，使其具有先进性；
(2) 应按当地环境条件对设备进行校准；
(3) 所选设备应予整个工程的建设标准协调一致； (4) 同类设备应尽量减少品种；
(5) 选用新产品均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格。在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经过上级批准。
4.2 电气设备的选择条件
正确的选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。电器要能可靠的工作，必须按正常条件下进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。
4.2.1按正常工作条件选择电气设备
(1) 额定电压和最高工作电压
电气设备所在电网的运行电压调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.1-1.15倍，而电网运行电压的波动范围，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，所选用的电气设备允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压，即N U ≥SN U 。
(2) 额定电流
电气设备的额定电流IN 是指额定周围环境温度下，电气设备的长期允许电流。N I 应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax ，即N I ≥Imax 。
由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Imax 为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍；若变压器有过负荷运行可能时，Imax 应按过负荷确定（1.3-2倍变压器额定电流）；母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax ；母线分段电抗器的Imax 应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50%～80%；出线回路的Imax 除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。
4.2.2按短路情况校验
a. 短路热稳定校验
短路电流通过电气设备时,电气设备各部分的温度应不超过允许值.满足热稳定的条件为
t I t 2
≥Qk
式中：Qk 为短路电流产生的热效应，It 、t 分别为电器允许通过的热稳定电流和时间。
b.电动力稳定校验
电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条件为
ies ≥ish 或Ies ≥Ish
式中ish 、Ish 分别为短路冲击电流幅值和有效值；ies 、Ies 分别为电气设备允许的动稳定电流的幅值和有效值。
同时，应按电气设备在特定的工程安装使用条件，对电气设备的机械负荷能力进行校验，即电气设备的端子允许荷载应大于设备引线在短路时的最大电动力。
下列几种情况可不校验热稳定或动稳定。
（1） 用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热
稳定。
（2） 采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。
（3） 装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不验算动、热稳定。 c.短路计算时间
（1）热稳定短路计算时间k t 。该时间用于校验电气设备在短路状态下的热稳定，其值为继电保护动作时间pr t 和相应断路器的全开断时间br t 之和，即 k t =pr t +br t
断路器全开断时间br t 是指给断路器的分闸脉冲传送到断路器操动机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后电弧完全熄灭为止的时间段。显然，br t 包括两个部分，即 br t =a in t t +
（2）短路开断计算时间'
k t 。断路器不仅在电路中作为操作开关，而且在短路时要作为保护电器，能迅速可靠地切断短路电流。为此，断路器应能在动静触头刚分离时刻，可靠开断短路电流，该短路开断计算时间'
k t 和断路器固有分闸时间
in t 之和，即 '
k t =in pr t t +1
对于无延时保护，1pr t 为保护启动和执行机构时间之和，传统的电磁式保护装置一般为0.05~0.06s ，微机保护装置一般为0.016~0.03s 。
tk 是短路电流的切除时间，等于继电保护动作时间加上断路器全开断时间。 其中，在无继电保护整定资料的情况下，继电保护后备保护的时限，一般在电厂高压母线上认定为4秒，对发电机直配线路上认定为2秒。 4.3 断路器和隔离开关的选择 4.3.1断路器的选择
高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它既可以在正常情况下接通或断开电路，又可以在系统发生短路故障时迅速的自动断开电路。断开电路时会在断口处产生电弧，为此断路器设有专门的灭弧装置。 110KV 侧出线断路器
110KV 出线4回，每回输送25MW 即 MVA P N 25= 发电机最大持续工作电流：
A U N N
P I 23.1728.01103102505.1cos 305.13
max =????==φ
根据110KV 出线回路的NS U 、I max 及断路器安装在屋内的要求，查附表6，可选SW4-110 /1000型少油断路器，固有分闸时间t in 为0.06s 短路计算时间 s t k
2=
由于t k >1s ，不计非周期热效应，短路电流的热效应Q k
等于周期分量热效应Q p
()??
????
?=?+?+=++=
S KA t
I I I
Q
K
k
2
2
22
2
22
26.63212
1012
2
110''264.5264.5264
.5短路开端时间s t t t in pk k 1.006.01.01'
>+=+=，故用I '
‘校验I Nbr 。 冲击电流：()KA i sh 31.14624.528.1=?=
断路器的选择：
1．从表4-1中可知，I I U U N SN N KV max ,110>== 符合高压断路器额定电压和电流的选择。 2．开断电流选择：从表4-1中可知 I
I Nbr ‘
‘≥
3.短路关合电流的选择：从表1-2中可知 i i sh NCL >
4.短路热稳定和动稳定校验： 从表1-2中知，()
()S S t t KA Q KA I K
?=>?=?=?2
2
2
2
26
.631024
132
i i
sh ES
>
隔离开关与断路器相比，在额定电压、电流的选择及短路动、热稳定校验的项目相同。但由于隔离开关不用来接通和切除短路电流，故无需进行开断电流和短路关合电流的校验。 4.3.2 电流互感器的选择
sh i =14.31A K Q =63.26S KA ?2)( max I =105.4A
根据电流互感器安装处的电网电压，max I ，查附表8电流互感器的技术参数，选LCWD-110型电流互感器。 校验互感器的热稳定和动稳定：
从附表8中得知，热稳定系数t K =75，动稳定系数es K =150
S KA Q S KA I K K N t ?=>?=?=22221)(26.63)(5625)175()(
)(31.14)(1.2121501221KA i KA K I sh es N =>=??= 动热稳定均符合要求。
五、总结
经过近一周的时间，火力发电厂的设计已完成，同时本次课程设计也已结束了。在这次设计的过程中，我们翻阅了许多的相关资料，进一步提高了利用手头所拥有的材料自习并完成设计的能力，更重要的是通过本次设计，我们能够巩固所学的基本理论、专业知识，并综合运用所学知识来解决实际的工程问题，学习工程设计的基本技能，基本程序和基本方法。
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可扩建发展的可能性等特点。所选主变经济、合理。在设计过程中，短路电流是按最严重情况考虑计算的，并结合实际环境，选择的电气设备提高了运行的可靠性，节约运行成本。
在设计的初期我们查阅了有关的资料，在查阅资料和分析的过程中，学习了许多相关专业知识和方法，不仅仅局限于书本上的东西，更学会了理论与实际相结合，加强了独立的分析问题、解决问题的能力。通过这次设计，使我对发电厂的设计有了整体的了解，为我们今后的学习和工作都奠定了良好的基础。