小型凝气式火力发电厂电气部分设计

目录

1 选题背景 (1)

1.1 概念解释 (1)

图1-1 凝气式汽轮机发电厂电能生产过程示意图 (1)

1.2 资料分析 (1)

1.3 指导思想 (2)

2 方案论证 (2)

2.1 主接线方案设计原理与选择 (2)

2.1.1 主接线原理 (2)

2.1.2 主接线方案选择 (3)

2.2 主变压器设计方案的原理与选择 (5)

2.2.1 主变压器原理 (5)

2.2.2 主变压器方案选择 (6)

2.3 短路电流计算 (7)

2.3.1 短路电流计算的目的 (7)

2.3.2 短路电流计算的条件 (7)

2.3.3 短路电流的计算过程 (8)

2.4 电气设备的选择 (10)

2.4.1 电气设备选择的一般条件 (10)

2.4.2 断路器和隔离开关的选择和校验 (10)

3 总结与体会 (13)

1 选题背景

1.1 概念解释

火力发电厂简称火电厂，是利用煤炭、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，

其能量的转换过程是：燃料的化学能—热能—机械能—电能。

火电厂按原动机分为凝汽式汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸

汽-燃气轮机发电厂等。我国火电厂所使用的燃料主要是煤炭，且主力电厂是凝气式

汽轮机发电厂。其生产过程可分为三个阶段，称为燃烧系统、汽水系统和电气系统。

我这次要设计的就是小型凝气式汽轮机火力发电厂的电气部分。凝气式汽轮机火力发

电厂生产过程示意图如下图所示。

图1-1 凝气式汽轮机发电厂电能生产过程示意图

1.2 资料分析

原始资料如下：

(1)、发电机数据：

型号:QFS-15-2, 参数: PN=15MW, UN=10.5kV, IN=1031A, cos?=0.8, X″=0.141

(2)、发电厂与系统连接情况：

本电厂通过一条35kV线路与系统相连（系统电抗标么值为 0.5，基准容量100MW，

基准电压为平均额定电压）。

(3)、负荷情况：

发电机机压负荷：最大负荷18MW，最小负荷12MW，平均功率因数cos?=0.8，最

大负荷利用小时数Tmax=5500小时，共8回线，每回线最大输送功率2MW。

(4)、电厂厂用电率9％，厂用高压采用6kV供电。

(5)、环境条件：

年最高气温40℃，最低气温-8℃，最热月平均气温33℃；

海拔高度520m；

非污染地区；

主导风向：西北风。

资料分析如下：

（1）工程情况：本发电厂是小型凝汽式火力发电厂，设计只有一个机组单机容量平均为15MW。最大负荷利用小时数达5500h，由于年利用小时数直接影响着主接线设计，由此可见其承担基荷为主，则其相应的主接线应以供电可靠为主选择接线形式。

（2）电力系统情况：由资料可以看出此小型凝汽式火力发电厂以承担着基荷为主，基本上是自带负荷，且设备利用率较高，靠近负荷中心，应该为某企业或某地自备发电厂；只是将剩余功率送入系统，对系统的作用及影响不大；而且根据国家相关政策本电厂没有发展潜力，为节能减排，此电厂会被关停。

（3）负荷情况：由于与负荷中心靠近，所以本电厂发出的电基本上都供给附近负荷使用，电压等级及容量较小，但出线回路较多，可见其设备利用率较高。

1.3 指导思想

电气主接线简称主接线，又称为电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。代表了发电厂和变电站高电压、大电流的电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。因此电气主接线设计必须经过技术与经济的充分论证比较，综合考虑各个方面的因素，应满足可靠性、灵活性、经济性三方面。

电气主接线的设计伴随着发电厂或变电站的整体设计进行。按国家规定，发电厂和变电站基本建设的程序一般分为初步可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图设计四个阶段。

2 方案论证

2.1 主接线方案设计原理与选择

2.1.1 主接线原理

（1）单元接线单元接线是无母线接线中最简单的形式，也是所有主接线基本形式中最简单的一种。主要优点：接线简单、开关设备少、操作简便、以及因不设发电机电压级母线，而在发电机和变压器之间采用封闭母线，使得发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压级母线时有所减小。

（2）单母线接线优点：接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。而缺点是可靠性差。母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行；调度不方便，电源只能并列运行，并且线路侧发生短路时，

有较大的短路电流。所以这种接线形式一般只用在发电机容量小、台数较多而负荷较近的小型电厂和出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。

（3）单母线分段接线单母线用分段断路器QFD进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性，不致使重要用户停电；但这种接线当进出线较多或需要对重要负荷采用两条出线供电时，增加了出线数目，且常使架空线交叉跨越，使整个母线系统的可靠性受到限制；适用范围：在具有两回进线电源的条件下，采用单母线分段接线比较优越。

（4）双母线接线双母线接线有两组母线，并且可以相互备用，两组母线之间的联络，通过母线联络断路器QFC来实现。具有供电可靠、调度灵活、扩建方便的优点，与单母线接线相比，投资有所增加，但使运行的可靠性和灵活性大为提高。其缺点是：当母线故障或检修时，需将隔离开关进行倒闸操作，容易发生误操作事故，需在隔离开关和断路器之间装设可靠的联锁装置，对运行人员的要求比较高；

2.1.2 主接线方案选择

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等的不同考虑确定出两个接线方案如下：

(1) 发电机出口就带有负载，且有8回出线，最小负荷达到12MW，大量供电给近区负荷，所以单元接线在此不适用，主接线必须设置发电机电压母线；

(2) 此发电厂只装有一台发电机，且容量只有15MW，靠近负荷中心，属于企业自备发电厂或某小地区自用电厂，多数情况下发出的电能只供给附近负荷，送入系统的很少，所以对可靠性要求不是很高，主接线只考虑单母线、单母线分段、或双母线接线形式；

(3) 由于只有一台发电机，所以在此电厂单母线分段接线不适用；

(4) 通过原始资料分析，该电厂只是将很少的一部分剩余电能送入系统，所以只考虑用一台主变压器；

通过各方面的分析考虑拟定出如下两种方案供选择：

方案一

图2-1 方案二

图2-2 双母线主接线图

对两方案进行综合比较可以看出：单母线接线简单清晰，使用设备少，经济性比较好。且运行经验表明，误操作是造成系统故障的重要原因之一，所以主接线简单，操作人员发生误操作的可能性小；所以其适用于发电机容量小而负荷较近的电厂。双母线接线供电可靠，两个母线可以互为备用，但当母线故障或检修，进行倒闸操作时，容易发生误操作事故，对运行人员要求高。同时与单母线接线形式相比增加了一条母线和一台母联断路器的投入，投资较大。通过对原始资料的分析表明：此电厂容量小，只供近区负荷使用，所以在可靠性的基础上，经济性是最重要的；通过对两种主接线的可靠性、灵活性和经济性等各方面的综合考虑，最终确定方案一为设计方案。

2.2 主变压器设计方案的原理与选择

2.2.1 主变压器原理

在发电厂和变电站中，用来向电力系统和用户输送功率的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本厂用电的变压器，称为厂用变压器。变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。如果变压器容量选得过大、台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出或者会满足不了电站负荷的需要，这在技术上是不合理的。

2.2.2 主变压器方案选择

主变压器容量的选择

此小型电厂具有发电机电压母线，应考虑一下因素：

（1）接在母线上的发电机处于满载状态而母线负荷（包括厂用电）最小时能将全

部剩余功率送入系统；

（2）发电机开机容量最小、母线负荷最大时。主变压器应具有从系统倒送功率的

能力，以满足发电机电压母线是最大负荷的要求。

主变压器台数的选择

具有发电机电压母线的发电厂，通常接的小型机组，按照“以热定电的运行方式，

坚持自发自用”的原则，严格限制上网电量，为确保对发电机电压上的负荷供电可靠

性，接于母线上的变压器不少于2台；对于小型电厂，可只装1台主变压器与电力系

统构弱连接。

(1) 主变压器型号的选择

主变压器型号的选择应尽量考虑采用低损耗、高效率的变压器。同时也要考虑变

压器绕组耦合方式、相数、冷却方式、绕组数、绕组导线材质及调压方式等。

根据原始资料分析，相关计算如下：

可以得出送入系统的最大容量为：

()()MVA S P S L N 0625.28

.012%918.015%91cos min max =--?=--=? 所以主变压器的容量选择：MVA S S N 6875.2%110max =≥

经过综合考虑，主变压器的型号选为35/25007-SL 主要技术参数如下表

表2-1 35/25007-SL 型变压器技术参数

同时，对厂用变压器选择过程如下：

MVA S S N 856.1%98

.015%110%110=??=≥厂用负荷

最终厂用变压器的型号选为10/20007-SL 主要技术参数如下表：

表2-2 10/20007 SL 型变压器技术参数

2.3 短路电流计算

2.3.1 短路电流计算的目的

在发电厂和变电所电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节，其计算的

目的主要有以下几个方面：

(1) 选择电气设备。在选择各种电气设备时，需要计算出可能通过电气设备的最

大短路电流及其产生的电动力效应及热效应，以便检验电气设备的动稳定性和热稳定

性；

(2) 配置和整定继电保护装置。系统中应配置哪些继电保护以及参数整定，都必

须对电力系统各种短路故障进行计算分析；

(3) 选择限流电抗器。当短路电流过大时，会造成设备选择困难或不经济，这时

可在供电线路中串接电抗器来限制短路电流。通过短路电流的计算，决定是否使用限

流电抗器，并确定所选电抗器的参数；

(4) 确定供电系统的接线和运行方式。供电系统的接线和运行方式不同，短路电

流的大小也不同。只有在计算出在某种接线和运行方式下的短路电流，才能判断这种

接线及运行方式是否合理；

(5) 设计屋外高压配电装置时，需按短路电流为依据；接地装置的设计，也需用

短路电流。

2.3.2 短路电流计算的条件

验算导体和电器时所用短路电流，一般有以下规定:

(1) 计算的基本情况

(a)电力系统中所有电源均在额定负荷下运行：

(b)所有同步电机都具有自动调整励磁装置(包括强行励磁)；

(c)短路发生在短路电流为最大值的瞬间；

(d)所有电源的电动势相位角相同：

(e)应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。对异

步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。

(2) 接线方式计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正

常接线方式(即最大运行方式)，而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

(3) 计算容量应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划

(一般考虑本工程建成后5—10年)。

(4) 短路种类一般按三相短路计算。若发电机出口的两相短路，或中性点直接接

地系统以及自耦变压器等回路中的单相(或两相)接地短路较三相短路情况严重时，则

应按严重情况的进行校验。

(5) 短路计算点在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点，称

为短路计算点。对于带电抗器的6一10kV 出线与厂用分支线回路，在选择母线至母

线隔离开关之间的引线、套管时，短路计算点应该取在电抗器前。选择其余的导体和

电器时，短路计算点一般取在电抗器后。

2.3.3 短路电流的计算过程

系统的等值电路图如图3-1

图3-1 系统等值电路

取基准容量为MVA S B 100=，同时取各级电压的平均额定值为基准值。

即有KV U B 5.101= KV U B 372= KV U B 3.63=

发电机 752.075.18100141.02*1=?=???

? ?????? ??=N B B N d S S U U x X =0.44 主变压器 6.25.2100%5.6100(%)2

*2=?=???? ?????? ??=N

B B N s

S S U U U X 厂用变压器 75.22100%5.5100(%)2*3=?=???? ?????? ??=N

B B N s

S S U U U X 系统 5.0*4=X

1f 点短路时，等值电路如下图所示

图3-2 1f 点短路故障等值电路

()605.0*4*2*1*4*2*1*=+++=∑X X X X X X X 65.11*

==''∑X I f 所以1f 点短路电流的有名值为：KA U S I I B B f f 07.931

1=''= 2f 点短路时，等值电路如下图所示

图3-3 2f 点短路故障等值电路

()435.0*4*2*1*1*2*4*=+++=∑X X X X X X X 3.21*

==''∑X I f 所以2f 点短路电流的有名值为：KA U S I I B B f f 59.332

2='

'= 3f 点短路时，等值电路如下图所示

图3-4 3f 点短路等值电路

()355.3*3*4*2*1*4*2*1*=++++=∑X X X X X X X X 298.01*

==''∑X I f 所以3f 点短路电流的有名值为：KA U S I I B B f f 73.233

3=''= 2.4 电气设备的选择

2.4.1 电气设备选择的一般条件

电气设备总是在一定的电压、电流、频率和工作环境下工作的，电气设备的选择

除了满足正常工作条件下安全可靠运行，还应满足在短路故障条件下不损坏，开关电

器还必须具有足够的断流能力，并适应所处的位置（户内或户外）、环境温度，海拔

高度及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件。

(1) 按环境条件选择电气设备。根据电气装置所处的位置（户内或户外）、使用

环境和工作条件，选择电气设备的型号；

(2) 按工作电压选择电气设备的额定电压N U ，电气设备的额定电压N U 应不低于

其所在电网的额定电压U ，即 U U N ≥；

(3) 按长期工作电流选择电气设备的额定电流N I ，电气设备的额定电流应不小

于通过它的长时最大工作电流（即30min 平均最大负荷电流，以m ax I 表示），即

max I I N ≥

(4) 按短路条件校验电气设备的热稳定和动稳定。为保证电气设备在短路故障时

不致损坏，就必须按最大可能的短路电流校验电气设备的热稳定和动稳定，即k t Q I ≥2

，

sh es i i ≥； (5) 开关电器断流能力的校验。断路器和熔断器等电气设备负担着切断短路电流

的任务，通过最大短路电流时必须可靠切断，包括开断电流和短路关合电流的校验，

即I I Nbr ''≥，sh Ncl i i ≥

2.4.2 断路器和隔离开关的选择和校验

发电机出口断路器和隔离开关的选择及校验

(1) 发电机出口长时最大工作电流为：A U P I N N 10838

.05.1031505.1cos 305.1max =???==? 根据发电机回路的G U 、m ax I 及断路器安装在屋内的要求，可选LN-10/1250型六

氟化硫断路器及2000/102-GN 型隔离开关，其相关参数如下表

表4-1 LN-10/1250型六氟化硫断路器技术参数

表4-2 2000/102-GN 型隔离开关技术参数

(2) 相关校验

次暂态电流为：KA I I f 07.91==''；冲击电流为：KA I i sh 37.2429.1=''=

计算数据与表4-1、表4-2列出的相关参数相比较，可以看出所选的LN-10/1250

型六氟化硫断路器及2000/102-GN 型隔离开关合格。

厂用变压器及负荷出线回路断路器和隔离开关的选择及校验

(1) 发电机端负荷每回出线的长时最大工作电流为：

A U P I N N 1448

.05.103205.1cos 305.1max =???==? 厂用电回路的长时最大工作电流为：

A U P I N N 1348

.05.1036875.105.1cos 305.1max =???==? 因为以上两者的最大工作电流相差不大，且都从发电机电压母线上引出，所以它

们的断路器型号可以选为一样的。根据母线的N U 、各自的m ax I 及断路器安装在屋内

的要求，可选103-SN 型户内少油断路器及200/108-GN 型隔离开关，其相关参数如

表4-3 103-SN 型户内少油断路器技术参数

表4-4 型隔离开关技术参数

(2) 校验

发电机端负荷每回出线次暂态电流为 KA I I f 07.91==''， 冲击电流

KA I i sh 37.2429.1=''=

厂用电回路次暂态电流为 KA I I f 73.23==''， 冲击电流KA I i sh 34.729.1=''=

计算数据与表4-3、表4-4列出的相关参数相比较，可以看出所选的103-SN 型

户内少油断路器及200/108-GN 型隔离开关合格

主变压器断路器和隔离开关的选择及校验

(1) 主变压器低压侧长时最大工作电流为：

A U P I N N 1498

.05.1030625.205.1cos 305.1max =???==? 根据母线的N U 、m ax I 及断路器安装在屋内的要求，可选109-SN 型户内少油断路

器及200/108-GN 型隔离开关，其相关参数如下表

表4-5 109-SN 型户内少油断路器技术参数

表4-5 型隔离开关技术参数

(2)校验

发电机端负荷每回出线次暂态电流为 KA I I f 07.91==''， 冲击电流

KA I i sh 37.2429.1=''=

计算数据与表（）、表（（）列出的相关参数相比较，可以看出所选的109-SN 型

户内少油断路器及200/108-GN 型隔离开关合格

D 、主变压器接系统侧断路器的选择及校验

（1）主变压器高压侧长时最大工作电流为：

A U P I N N

458

.03530625.205.1cos 305.1max =???==? 根据系统的N U 、m ax I 及断路器安装在屋外的要求，可选353-SW 型户内少油断

路器及200/108-GN 型隔离开关，其相关参数如下表

(2)校验

主变压器高压侧次暂态电流为 KA I I f 59.32==''， 冲击电流KA I i sh 65.929.1=''=

计算数据与列出的相关参数相比较，可以看出所选的353-SW 型户外少油断路器

合格。

3 总结与体会

在课程设计过程中，遇到了很多困难，比如短路电流的计算、隔离开关及断路器

的选择和校验我都是不熟练的，但是在查阅了很多资料以及和同学的交流探讨后，最

终还是得出了答案。就像我们的未来一样，遇到困难时不应放弃，要竭尽所能去克服、

去超越，最终一定会收货意想不到的财富！

参考文献

[1]熊信银主编.发电厂电气部分.北京：中国电力出版社，2009.

[2]陈跃主编.电气工程专业毕业设计指南—电力系统分册.中国水利水电出版

社.2008.

[3]韩笑主编.电气工程专业毕业设计指南—继电保护分册.中国水利水电出版社.2008.

[4]西北电力设计院.电力工程电气设计手册（电气一次部分）.中国电力出版社.

[5]西北电力设计院.电力工程电气设计手册（电气二次部分）.中国电力出版社.

[6]李光琦主编.电力系统暂态分析.北京：中国电力出版社.2007.