小型凝氣式火力發(fā)電廠電氣部分設(shè)計(jì)

1、 目錄1 選題背景11.1 概念解釋1圖1-1 凝氣式汽輪機(jī)發(fā)電廠電能生產(chǎn)過程示意圖11.2 資料分析11.3 指導(dǎo)思想22 方案論證22.1 主接線方案設(shè)計(jì)原理與選擇22.1.1 主接線原理22.1.2 主接線方案選擇32.2 主變壓器設(shè)計(jì)方案的原理與選擇52.2.1 主變壓器原理52.2.2 主變壓器方案選擇62.3 短路電流計(jì)算72.3.1 短路電流計(jì)算的目的72.3.2 短路電流計(jì)算的條件72.3.3 短路電流的計(jì)算過程82.4 電氣設(shè)備的選擇102.4.1 電氣設(shè)備選擇的一般條件102.4.2 斷路器和隔離開關(guān)的選擇和校驗(yàn)113 總結(jié)與體會(huì)1421 選題背景1.1 概念解釋火力發(fā)電廠

2、簡稱火電廠，是利用煤炭、石油、天然氣作為燃料生產(chǎn)電能的工廠，其能量的轉(zhuǎn)換過程是：燃料的化學(xué)能熱能機(jī)械能電能?；痣姀S按原動(dòng)機(jī)分為凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電廠、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電廠和蒸汽-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠等。我國火電廠所使用的燃料主要是煤炭，且主力電廠是凝氣式汽輪機(jī)發(fā)電廠。其生產(chǎn)過程可分為三個(gè)階段，稱為燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。我這次要設(shè)計(jì)的就是小型凝氣式汽輪機(jī)火力發(fā)電廠的電氣部分。凝氣式汽輪機(jī)火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程示意圖如下圖所示。 圖1-1 凝氣式汽輪機(jī)發(fā)電廠電能生產(chǎn)過程示意圖1.2 資料分析原始資料如下：(1)、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)： 型號:QFS-15-2, 參數(shù): PN=15MW, UN=10.5kV

3、, IN=1031A, cosø=0.8, X=0.141 (2)、發(fā)電廠與系統(tǒng)連接情況： 本電廠通過一條35kV線路與系統(tǒng)相連（系統(tǒng)電抗標(biāo)么值為 0.5，基準(zhǔn)容量100MW，基準(zhǔn)電壓為平均額定電壓）。 (3)、負(fù)荷情況： 發(fā)電機(jī)機(jī)壓負(fù)荷：最大負(fù)荷18MW，最小負(fù)荷12MW，平均功率因數(shù)cosø=0.8，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax=5500小時(shí)，共8回線，每回線最大輸送功率2MW。(4)、電廠廠用電率9，廠用高壓采用6kV供電。 (5)、環(huán)境條件： 年最高氣溫40，最低氣溫-8，最熱月平均氣溫33； 海拔高度520m； 非污染地區(qū)； 主導(dǎo)風(fēng)向：西北風(fēng)。 資料分析如下：（1）

4、工程情況：本發(fā)電廠是小型凝汽式火力發(fā)電廠，設(shè)計(jì)只有一個(gè)機(jī)組單機(jī)容量平均為15MW。最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)達(dá)5500h，由于年利用小時(shí)數(shù)直接影響著主接線設(shè)計(jì)，由此可見其承擔(dān)基荷為主，則其相應(yīng)的主接線應(yīng)以供電可靠為主選擇接線形式。（2） 電力系統(tǒng)情況：由資料可以看出此小型凝汽式火力發(fā)電廠以承擔(dān)著基荷為主，基本上是自帶負(fù)荷，且設(shè)備利用率較高，靠近負(fù)荷中心，應(yīng)該為某企業(yè)或某地自備發(fā)電廠；只是將剩余功率送入系統(tǒng)，對系統(tǒng)的作用及影響不大；而且根據(jù)國家相關(guān)政策本電廠沒有發(fā)展?jié)摿?，為?jié)能減排，此電廠會(huì)被關(guān)停。（3） 負(fù)荷情況：由于與負(fù)荷中心靠近，所以本電廠發(fā)出的電基本上都供給附近負(fù)荷使用，電壓等級及容量較小，但出

5、線回路較多，可見其設(shè)備利用率較高。1.3 指導(dǎo)思想電氣主接線簡稱主接線，又稱為電氣一次接線，它是將電氣設(shè)備以規(guī)定的圖形和文字符號，按電能生產(chǎn)、傳輸、分配順序及相關(guān)要求繪制的單相接線圖。代表了發(fā)電廠和變電站高電壓、大電流的電氣部分的主體結(jié)構(gòu)，是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，直接影響運(yùn)行的可靠性、靈活性并對電器選擇、配電裝置、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和控制方式的擬定都有決定性的關(guān)系。因此電氣主接線設(shè)計(jì)必須經(jīng)過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的充分論證比較，綜合考慮各個(gè)方面的因素，應(yīng)滿足可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性三方面。電氣主接線的設(shè)計(jì)伴隨著發(fā)電廠或變電站的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行。按國家規(guī)定，發(fā)電廠和變電站基本建設(shè)的程序一般分為初步可行性

6、研究、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)四個(gè)階段。2 方案論證2.1 主接線方案設(shè)計(jì)原理與選擇2.1.1 主接線原理（1） 單元接線 單元接線是無母線接線中最簡單的形式，也是所有主接線基本形式中最簡單的一種。主要優(yōu)點(diǎn)：接線簡單、開關(guān)設(shè)備少、操作簡便、以及因不設(shè)發(fā)電機(jī)電壓級母線，而在發(fā)電機(jī)和變壓器之間采用封閉母線，使得發(fā)電機(jī)和變壓器低壓側(cè)短路的幾率和短路電流相對于具有發(fā)電機(jī)電壓級母線時(shí)有所減小。（2） 單母線接線 優(yōu)點(diǎn)：接線簡單，操作方便，設(shè)備少、經(jīng)濟(jì)性好，并且母線便于向兩端延伸，擴(kuò)建方便。而缺點(diǎn)是可靠性差。母線或母線隔離開關(guān)檢修或故障時(shí)，所有回路都要停止運(yùn)行；調(diào)度不方便，電源只能并列運(yùn)行，并且線

7、路側(cè)發(fā)生短路時(shí)，有較大的短路電流。所以這種接線形式一般只用在發(fā)電機(jī)容量小、臺數(shù)較多而負(fù)荷較近的小型電廠和出線回路少，并且沒有重要負(fù)荷的發(fā)電廠和變電站中。（3） 單母線分段接線 單母線用分段斷路器QFD進(jìn)行分段，可以提高供電可靠性和靈活性，不致使重要用戶停電；但這種接線當(dāng)進(jìn)出線較多或需要對重要負(fù)荷采用兩條出線供電時(shí)，增加了出線數(shù)目，且常使架空線交叉跨越，使整個(gè)母線系統(tǒng)的可靠性受到限制；適用范圍：在具有兩回進(jìn)線電源的條件下，采用單母線分段接線比較優(yōu)越。（4） 雙母線接線 雙母線接線有兩組母線，并且可以相互備用，兩組母線之間的聯(lián)絡(luò)，通過母線聯(lián)絡(luò)斷路器QFC來實(shí)現(xiàn)。具有供電可靠、調(diào)度靈活、擴(kuò)建方便的優(yōu)

8、點(diǎn)，與單母線接線相比，投資有所增加，但使運(yùn)行的可靠性和靈活性大為提高。其缺點(diǎn)是：當(dāng)母線故障或檢修時(shí)，需將隔離開關(guān)進(jìn)行倒閘操作，容易發(fā)生誤操作事故，需在隔離開關(guān)和斷路器之間裝設(shè)可靠的聯(lián)鎖裝置，對運(yùn)行人員的要求比較高；2.1.2 主接線方案選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，在原始資料分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)對電源和出線回路數(shù)、電壓等級、變壓器臺數(shù)、容量以及母線結(jié)構(gòu)等的不同考慮確定出兩個(gè)接線方案如下：(1) 發(fā)電機(jī)出口就帶有負(fù)載，且有8回出線，最小負(fù)荷達(dá)到12MW，大量供電給近區(qū)負(fù)荷，所以單元接線在此不適用，主接線必須設(shè)置發(fā)電機(jī)電壓母線；(2) 此發(fā)電廠只裝有一臺發(fā)電機(jī)，且容量只有15MW，靠近負(fù)荷中心，屬于企業(yè)

9、自備發(fā)電廠或某小地區(qū)自用電廠， 多數(shù)情況下發(fā)出的電能只供給附近負(fù)荷，送入系統(tǒng)的很少，所以對可靠性要求不是很高，主接線只考慮單母線、單母線分段、或雙母線接線形式；(3) 由于只有一臺發(fā)電機(jī)，所以在此電廠單母線分段接線不適用；(4) 通過原始資料分析，該電廠只是將很少的一部分剩余電能送入系統(tǒng)，所以只考慮用一臺主變壓器；通過各方面的分析考慮擬定出如下兩種方案供選擇：方案一發(fā)電機(jī)出口母線采用單母線接線形式，電氣主接線如圖2-1所示 圖2-1方案二發(fā)電機(jī)出口母線采用雙母線接線形式，電氣主接線如圖2-2所示圖2-2 雙母線主接線圖 對兩方案進(jìn)行綜合比較可以看出：單母線接線簡單清晰，使用設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)性比較好

10、。且運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，誤操作是造成系統(tǒng)故障的重要原因之一，所以主接線簡單，操作人員發(fā)生誤操作的可能性??；所以其適用于發(fā)電機(jī)容量小而負(fù)荷較近的電廠。雙母線接線供電可靠，兩個(gè)母線可以互為備用，但當(dāng)母線故障或檢修，進(jìn)行倒閘操作時(shí)，容易發(fā)生誤操作事故，對運(yùn)行人員要求高。同時(shí)與單母線接線形式相比增加了一條母線和一臺母聯(lián)斷路器的投入，投資較大。通過對原始資料的分析表明：此電廠容量小，只供近區(qū)負(fù)荷使用，所以在可靠性的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)性是最重要的；通過對兩種主接線的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性等各方面的綜合考慮，最終確定方案一為設(shè)計(jì)方案。2.2 主變壓器設(shè)計(jì)方案的原理與選擇2.2.1 主變壓器原理在發(fā)電廠和變電站中，用來向

11、電力系統(tǒng)和用戶輸送功率的變壓器，稱為主變壓器；用于兩種電壓等級之間交換功率的變壓器，稱為聯(lián)絡(luò)變壓器；只供本廠用電的變壓器，稱為廠用變壓器。變壓器的容量、臺數(shù)直接影響主接線的形式和配電裝置的結(jié)構(gòu)。如果變壓器容量選得過大、臺數(shù)過多，不僅增加投資，增大占地面積，而且也增加運(yùn)行電能損耗，設(shè)備未能充分發(fā)揮效益；若容量選得小，將可能“封鎖”發(fā)電機(jī)剩余功率的輸出或者會(huì)滿足不了電站負(fù)荷的需要，這在技術(shù)上是不合理的。2.2.2 主變壓器方案選擇主變壓器容量的選擇此小型電廠具有發(fā)電機(jī)電壓母線，應(yīng)考慮一下因素：（1）接在母線上的發(fā)電機(jī)處于滿載狀態(tài)而母線負(fù)荷（包括廠用電）最小時(shí)能將全部剩余功率送入系統(tǒng)；（2）發(fā)電機(jī)開

12、機(jī)容量最小、母線負(fù)荷最大時(shí)。主變壓器應(yīng)具有從系統(tǒng)倒送功率的能力，以滿足發(fā)電機(jī)電壓母線是最大負(fù)荷的要求。主變壓器臺數(shù)的選擇具有發(fā)電機(jī)電壓母線的發(fā)電廠，通常接的小型機(jī)組，按照“以熱定電的運(yùn)行方式，堅(jiān)持自發(fā)自用”的原則，嚴(yán)格限制上網(wǎng)電量，為確保對發(fā)電機(jī)電壓上的負(fù)荷供電可靠性，接于母線上的變壓器不少于2臺；對于小型電廠，可只裝1臺主變壓器與電力系統(tǒng)構(gòu)弱連接。(1) 主變壓器型號的選擇主變壓器型號的選擇應(yīng)盡量考慮采用低損耗、高效率的變壓器。同時(shí)也要考慮變壓器繞組耦合方式、相數(shù)、冷卻方式、繞組數(shù)、繞組導(dǎo)線材質(zhì)及調(diào)壓方式等。根據(jù)原始資料分析，相關(guān)計(jì)算如下：可以得出送入系統(tǒng)的最大容量為：所以主變壓器的容量選擇

13、：經(jīng)過綜合考慮，主變壓器的型號選為主要技術(shù)參數(shù)如下表額定容量KVA額定電壓KV阻抗電壓%損耗W空載電流%高壓低壓空載短路25003510.56.54000230002.2 表2-1 型變壓器技術(shù)參數(shù)同時(shí)，對廠用變壓器選擇過程如下：最終廠用變壓器的型號選為主要技術(shù)參數(shù)如下表：額定容量KVA額定電壓KV阻抗電壓%損耗W空載電流%高壓低壓空載短路200010.56.35.52970165000,8表2-2 型變壓器技術(shù)參數(shù)2.3 短路電流計(jì)算2.3.1 短路電流計(jì)算的目的在發(fā)電廠和變電所電氣設(shè)計(jì)中，短路電流計(jì)算是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其計(jì)算的目的主要有以下幾個(gè)方面：(1) 選擇電氣設(shè)備。在選擇各種電氣

14、設(shè)備時(shí)，需要計(jì)算出可能通過電氣設(shè)備的最大短路電流及其產(chǎn)生的電動(dòng)力效應(yīng)及熱效應(yīng)，以便檢驗(yàn)電氣設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；(2) 配置和整定繼電保護(hù)裝置。系統(tǒng)中應(yīng)配置哪些繼電保護(hù)以及參數(shù)整定，都必須對電力系統(tǒng)各種短路故障進(jìn)行計(jì)算分析；(3) 選擇限流電抗器。當(dāng)短路電流過大時(shí)，會(huì)造成設(shè)備選擇困難或不經(jīng)濟(jì)，這時(shí)可在供電線路中串接電抗器來限制短路電流。通過短路電流的計(jì)算，決定是否使用限流電抗器，并確定所選電抗器的參數(shù)；(4) 確定供電系統(tǒng)的接線和運(yùn)行方式。供電系統(tǒng)的接線和運(yùn)行方式不同，短路電流的大小也不同。只有在計(jì)算出在某種接線和運(yùn)行方式下的短路電流，才能判斷這種接線及運(yùn)行方式是否合理；(5) 設(shè)計(jì)屋外高

15、壓配電裝置時(shí)，需按短路電流為依據(jù)；接地裝置的設(shè)計(jì)，也需用短路電流。2.3.2 短路電流計(jì)算的條件驗(yàn)算導(dǎo)體和電器時(shí)所用短路電流，一般有以下規(guī)定:(1) 計(jì)算的基本情況(a)電力系統(tǒng)中所有電源均在額定負(fù)荷下運(yùn)行：(b)所有同步電機(jī)都具有自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁裝置(包括強(qiáng)行勵(lì)磁)；(c)短路發(fā)生在短路電流為最大值的瞬間；(d)所有電源的電動(dòng)勢相位角相同：(e)應(yīng)考慮對短路電流值有影響的所有元件，但不考慮短路點(diǎn)的電弧電阻。對異步電動(dòng)機(jī)的作用，僅在確定短路電流沖擊值和最大全電流有效值時(shí)才予以考慮。(2) 接線方式計(jì)算短路電流時(shí)所用的接線方式，應(yīng)是可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式(即最大運(yùn)行方式)，而不能用僅在切

16、換過程中可能并列運(yùn)行的接線方式。(3) 計(jì)算容量應(yīng)按本工程設(shè)計(jì)規(guī)劃容量計(jì)算，并考慮電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃(一般考慮本工程建成后510年)。(4) 短路種類一般按三相短路計(jì)算。若發(fā)電機(jī)出口的兩相短路，或中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)以及自耦變壓器等回路中的單相(或兩相)接地短路較三相短路情況嚴(yán)重時(shí)，則應(yīng)按嚴(yán)重情況的進(jìn)行校驗(yàn)。(5) 短路計(jì)算點(diǎn)在正常接線方式時(shí)，通過電器設(shè)備的短路電流為最大的地點(diǎn)，稱為短路計(jì)算點(diǎn)。對于帶電抗器的6一10kV出線與廠用分支線回路，在選擇母線至母線隔離開關(guān)之間的引線、套管時(shí)，短路計(jì)算點(diǎn)應(yīng)該取在電抗器前。選擇其余的導(dǎo)體和電器時(shí)，短路計(jì)算點(diǎn)一般取在電抗器后。2.3.3 短路電流的計(jì)算過

17、程系統(tǒng)的等值電路圖如圖3-1 圖3-1 系統(tǒng)等值電路取基準(zhǔn)容量為，同時(shí)取各級電壓的平均額定值為基準(zhǔn)值。即有 發(fā)電機(jī) =0.44主變壓器 廠用變壓器 系統(tǒng) 點(diǎn)短路時(shí)，等值電路如下圖所示 圖3-2 點(diǎn)短路故障等值電路 所以點(diǎn)短路電流的有名值為：點(diǎn)短路時(shí)，等值電路如下圖所示圖3-3 點(diǎn)短路故障等值電路 所以點(diǎn)短路電流的有名值為：點(diǎn)短路時(shí)，等值電路如下圖所示圖3-4 點(diǎn)短路等值電路 所以點(diǎn)短路電流的有名值為：2.4 電氣設(shè)備的選擇2.4.1 電氣設(shè)備選擇的一般條件電氣設(shè)備總是在一定的電壓、電流、頻率和工作環(huán)境下工作的，電氣設(shè)備的選擇除了滿足正常工作條件下安全可靠運(yùn)行，還應(yīng)滿足在短路故障條件下不損壞，開

18、關(guān)電器還必須具有足夠的斷流能力，并適應(yīng)所處的位置（戶內(nèi)或戶外）、環(huán)境溫度，海拔高度及防塵、防火、防腐、防爆等環(huán)境條件。(1) 按環(huán)境條件選擇電氣設(shè)備。根據(jù)電氣裝置所處的位置（戶內(nèi)或戶外）、使用環(huán)境和工作條件，選擇電氣設(shè)備的型號；(2) 按工作電壓選擇電氣設(shè)備的額定電壓，電氣設(shè)備的額定電壓應(yīng)不低于其所在電網(wǎng)的額定電壓U，即 ；(3) 按長期工作電流選擇電氣設(shè)備的額定電流，電氣設(shè)備的額定電流應(yīng)不小于通過它的長時(shí)最大工作電流（即30min平均最大負(fù)荷電流，以表示），即 (4) 按短路條件校驗(yàn)電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定。為保證電氣設(shè)備在短路故障時(shí)不致?lián)p壞，就必須按最大可能的短路電流校驗(yàn)電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定和

19、動(dòng)穩(wěn)定，即，；(5) 開關(guān)電器斷流能力的校驗(yàn)。斷路器和熔斷器等電氣設(shè)備負(fù)擔(dān)著切斷短路電流的任務(wù)，通過最大短路電流時(shí)必須可靠切斷，包括開斷電流和短路關(guān)合電流的校驗(yàn)，即，2.4.2 斷路器和隔離開關(guān)的選擇和校驗(yàn)發(fā)電機(jī)出口斷路器和隔離開關(guān)的選擇及校驗(yàn)(1) 發(fā)電機(jī)出口長時(shí)最大工作電流為：根據(jù)發(fā)電機(jī)回路的、及斷路器安裝在屋內(nèi)的要求，可選LN-10/1250型六氟化硫斷路器及型隔離開關(guān)，其相關(guān)參數(shù)如下表額定電壓(KV)額定電流(A)額定斷開電流(KA)極限通過電流(KA)熱穩(wěn)定電流(KA)合閘時(shí)間(s)固有分閘時(shí)間(s)最大有效3S101250255532250.060.06表4-1 LN-10/125

20、0型六氟化硫斷路器技術(shù)參數(shù)額定電壓(KV)額定電流(A)極限通過電流(KA)熱穩(wěn)定電流(KA)10S最大有效102000855020表4-2 型隔離開關(guān)技術(shù)參數(shù)(2) 相關(guān)校驗(yàn)次暫態(tài)電流為：；沖擊電流為：計(jì)算數(shù)據(jù)與表4-1、表4-2列出的相關(guān)參數(shù)相比較，可以看出所選的LN-10/1250型六氟化硫斷路器及型隔離開關(guān)合格。廠用變壓器及負(fù)荷出線回路斷路器和隔離開關(guān)的選擇及校驗(yàn)(1) 發(fā)電機(jī)端負(fù)荷每回出線的長時(shí)最大工作電流為：廠用電回路的長時(shí)最大工作電流為：因?yàn)橐陨蟽烧叩淖畲蠊ぷ麟娏飨嗖畈淮?，且都從發(fā)電機(jī)電壓母線上引出，所以它們的斷路器型號可以選為一樣的。根據(jù)母線的、各自的及斷路器安裝在屋內(nèi)的要求，

21、可選型戶內(nèi)少油斷路器及型隔離開關(guān)，其相關(guān)參數(shù)如下表額定電壓(KV)額定電流(A)額定斷開電流(KA)極限通過電流(KA)熱穩(wěn)定電流(KA)合閘時(shí)間(s)固有分閘時(shí)間(s)最大有效4S1060011.65237.5200.250.05表4-3 型戶內(nèi)少油斷路器技術(shù)參數(shù)額定電壓(KV)額定電流(A)極限通過電流(KA)熱穩(wěn)定電流(KA)5S最大有效1020025.514.710表4-4 型隔離開關(guān)技術(shù)參數(shù)(2) 校驗(yàn)發(fā)電機(jī)端負(fù)荷每回出線次暫態(tài)電流為 ， 沖擊電流廠用電回路次暫態(tài)電流為 ， 沖擊電流計(jì)算數(shù)據(jù)與表4-3、表4-4列出的相關(guān)參數(shù)相比較，可以看出所選的型戶內(nèi)少油斷路器及型隔離開關(guān)合格主變壓器斷路器和隔離開關(guān)的選擇及校驗(yàn)(1) 主變壓器低壓側(cè)長時(shí)最大工作電流為：根據(jù)母線的、及斷路器安裝在屋內(nèi)的要求，可選型戶內(nèi)少油斷路器及型隔離開關(guān)，其相關(guān)參數(shù)如下表額定電壓(KV)額定電流(A)額定斷開電流(KA)極限通過電流(KA)熱穩(wěn)定電流(KA)合閘時(shí)間(s)固有分閘時(shí)間(s)最大有效4S1060014.436.814.40.20.05表4-5 型戶內(nèi)少油斷路器技術(shù)參數(shù)額定電壓(KV)額定電流(A)極限