发电厂电气部分设计 (54页 PPT)

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发电厂电气部分课程设计 发电厂电气部分课程设计 1. 电气主接线设计原则和程 序 2. 主接线方案的拟定与选择 3. 计算短路电流 4. 选择电气设备 5. 绘制电气主接线图 1. 电气主接线设计原则和程序 1. 电气主接线设计原则和程序 一、对电气主接线的基本要求 二、电气主接线设计的原则 三、电气主接线的设计程序 3 一、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。 4 一、对电气主接线的基本要求 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、设备制造水平及运行经验 等诸多因素。 5 一、对电气主接线的基本要求 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。 6 一、对电气主接线的基本要求 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) 占地面积少。 (3) 电能损耗少。 7 二、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。 8 二、电气主接线设计的原则 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。 9 二、电气主接线设计的原则 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。 10 二、电气主接线设计的原则 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。 11 三、电气主接线的设计程序 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，即按照工程基本建设程序，历经可行 性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施 工设计阶段等四个阶段。在各阶段中随要求、任 务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设 计思路、方法和步骤基本相同。  1. 对原始资料分析  2. 主接线方案的拟定与选择  3. 短路电流计算和主要电器选择  4. 绘制电气主接线图  5. 编制工程概算 2. 主接线方案的拟定与选择 2. 主接线方案的拟定与选择 一、对原始资料分析 二、主接线方案的拟定与选择 三、主变压器容量的确定原则 四、主接线方案的经济比较 13 一、对原始资料分析 (1) 工程情况，包括发电厂类型 ( 凝汽式火电厂，热 电厂，或者堤坝式、引水式、混合式水电厂等 ) ， 设计规划容量 ( 近期、远景 ) ，单机容量及台数， 最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。 发电厂容量的确定与国家经济发展规划、电力负 荷增长速度、系统规模和电网结构以及备用容量 等因素有关。发电厂装机容量标志着发电厂的规 模和在电力系统中的地位和作用。在设计时，对 发展中的电力系统，可优先选用较为大型的机组。 但是，最大单机容量不宜大于系统总容量的 10 ％，以保证在该机检修或事故情况下系统的供电 可靠性。 14 一、对原始资料分析 (1) 工程情况，包括发电厂类型 ( 凝汽式火电厂，热 电厂，或者堤坝式、引水式、混合式水电厂等 ) ， 设计规划容量 ( 近期、远景 ) ，单机容量及台数， 最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。 发电厂运行方式及利用小时数直接影响着主接线 设计。承担基荷为主的发电厂，设备利用率高， 一般年利用小时数在 5000h 以上；承担腰荷的发 电厂，设备利用小时数应在 3000 ～ 5000h ；承 担峰荷的发电厂，设备利用小时数在 3000h 以下。 15 一、对原始资料分析 (1) 工程情况，包括发电厂类型 ( 凝汽式火电厂，热 电厂，或者堤坝式、引水式、混合式水电厂等 ) ， 设计规划容量 ( 近期、远景 ) ，单机容量及台数， 最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。 对不同的发电厂其工作特性有所不同。对于核电 厂或单机容量 300MW 及以上的火电厂以及径流 式水电厂等应优先担任基荷，相应主接线应以供 电可靠为主选择接线形式。水电厂是电力系统中 最灵活的机动能源，启、停方便，多承担系统调 峰、调相任务，根据水能利用及库容的状态可酌 情担负基荷、腰荷和峰荷。因此，其主接线应以 供电调度灵活为主选择接线形式。 16 一、对原始资料分析 (2) 电力系统情况，包括电力系统近期及远景发展 规划 (5 ～ 10 年 ) ，发电厂或变电站在电力系统 中的位置 ( 地理位置和容量位置 ) 和作用，本期 工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中 性点接地方式等。 发电厂的总容量与电力系统容量之比，若大于 15 ％时，则就可认为该厂是在系统中处于比较重要 地位的电厂，应选择可靠性较高的主接线形式。 因为它的装机容量已超过了电力系统的事故备用 和检修备用容量，一旦全厂停电，会影响系统供 电的可靠性。 17 一、对原始资料分析 (2) 电力系统情况，包括电力系统近期及远景发展 规划 (5 ～ 10 年 ) ，发电厂或变电站在电力系统 中的位置 ( 地理位置和容量位置 ) 和作用，本期 工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中 性点接地方式等。 主变压器和发电机中性点接地方式是一个综合性 问题。它与电压等级、单相接地短路电流、过电 压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘 水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和 发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。 18 一、对原始资料分析 (2) 电力系统情况，包括电力系统近期及远景发展 规划 (5 ～ 10 年 ) ，发电厂或变电站在电力系统 中的位置 ( 地理位置和容量位置 ) 和作用，本期 工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中 性点接地方式等。 我国一般对 35kV 及以下电压电力系统采用中性 点非直接接地系统 ( 中性点不接地或经消弧线圈 接地 ) ，又称小电流接地系统；对 110kV 及以上 高压电力系统，皆采用中性点直接接地系统，又 称大电流接地系统。发电机中性点都采用非直接 接地方式，目前，广泛采用的是经消弧线圈接地 方式或经中性点接地变压器接地。 19 一、对原始资料分析 (3) 负荷情况，包括负荷的性质及其地理位置、输 电电压等级、出线回路数及输送容量等。 电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据， 电力负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部 分，也是电力规划的基础。对电力负荷的预测不 仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测， 对电力负荷预测的准确性，直接关系着发电厂和 变电站电气主接线设计成果的质量，一个优良的 设计，应能经受当前及较长远时间 (5 ～ 10 年 ) 的检验。 20 一、对原始资料分析 (3) 负荷情况，包括负荷的性质及其地理位置、输 电电压等级、出线回路数及输送容量等。 发电厂承担的负荷应尽可能地使全部机组安全满 发，并按系统提出的运行方式，在机组间经济合 理地分配负荷，减少母线上电流流动，使发电机 运转稳定和满足电能质量要求。 21 一、对原始资料分析 (4) 环境条件，包括当地的气温、湿度、覆冰、污 秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素， 对主接线中电气设备的选择和配电装置的实施均 有影响。对此，应予以重视。对重型设备的运输 条件亦应充分考虑。 22 一、对原始资料分析 (5) 设备供货情况。这往往是设计能否成立的重要 前提，为使所设计的主接线具有可行性，必须对 各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、 价格等资料汇集并分析比较。 23 二、主接线方案的拟定与选择 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不同的考虑，可拟 定出若干个主接线方案 ( 本期和远期 ) 。 依据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰 一些明显不合理的方案，最终保留 2 ～ 3 个技 术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进 行经济比较。 对于在系统中占有重要地位的大容量发电厂或变 电站主接线，还应进行可靠性定量分析计算比较， 最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方 案。 24 二、主接线方案的拟定与选择 (1) 技术分析的主要内容为：供电的可靠性；运行 的灵活性；操作维护是否方便；远景过渡和远景 适应情况；对二次接线的影响。 经过技术分析以后，可将一些不合理的方案去掉， 剩下 2 至 3 个较好的方案进行技术经济比较。 25 二、主接线方案的拟定与选择 (2) 经济比较的内容为：投资；电能损耗；年运行 费，补偿年限的计算。 在计算投资时，须初步选出主要电气设备，再按 “发电工程概算指标”算出总投资。 电能损耗应按通过变压器的实际负荷算出。 年运行费包括电气设备的年折旧，维护和检修费 以及电能损耗费。 26 三、主变压器容量的确定原则 1 ．单元接线的主变压器 单元接线时，没有发电机 电压负荷，主变压器容量 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 线的计算原则计算出的两 台机容量之和来确定。 27 三、主变压器容量的确定原则 1 ．单元接线的主变压器 如：发电机容量 50MW ，功率因数 0.8 ， 厂用电率 8 ％，则主变压器容量为 MVA MW P S G T 62 .5 .8 0 50 cos = = = φ ② MVA K P P S c G G T 3.25 6 110 .8 0 8 - 50 50 110 cos - = × × = × × = ％ ％ ％ ① φ 28 三、主变压器容量的确定原则 2 ．具有发电机电压母线接线的主变压器 有发电机电压负 荷和剩余功率。 主变连接在发电 机电压母线和升 高电压母线之间， 主要作用是将剩 余功率送入系统。 容量确定原则： ① 当发电机全 部投入运行时， 在满足发电机电 压供电的日最小 负荷，并扣除厂 用负荷后，主变 压器应能将发电 机电压母线上的 剩余有功和无功 容量送人系统。 MVA S T .875 46 0.8 2 10 % 50 50 - 15 - 2 2 = × × × × = 如：发电机容量 50MW ，功率 因数 0.8 ，厂用电率 10 ％，发 电机电压负荷最小 15MW ，则 主变压器容量为 29 三、主变压器容量的确定原则 2 ．具有发电机电压母线接线的主变压器 容量确定原则： ② 当接在发电机 电压母线上的最大 一台机组检修或者 因供热机组热负荷 变动而需限制本厂 出力时，主变压器 应能从电力系统倒 送功率，保证发电 机电压母线上最大 负荷的需要。 容量确定原则： ③ 若发电机电压 母线上接有 2 台及 以上的主变压器时， 当其中容量最大的 一台因故退出运行 时，其他主变压器 应能输送母线剩余 功率的 70 ％以上。 台数确定原则： 为确保对发电机电 压上的负荷供电可 靠性，接于发电机 电压母线上的主变 压器不应少于 2 台。 其总容量除满足上 述几点要求外，还 应当考虑到满足不 少于 5 年负荷的逐 年发展。 30 四、主接线方案的经济比较 经济比较主要是通过经济计算方法对各方案的综 合投资和年运行费用进行综合效益比较，为选择 经济上的最优方案提供依据。计算时，可只考虑 各方案不同部分的投资和年运行费用。 方案比较主要用于多方案筛选，排列出不同方案 经济上的优劣次序。 方案比较常用的方法有最小费用法、净现值法、 内部收益率法、抵偿年限法。 在课程设计中，主要采用抵偿年限法。 31 四、主接线方案的经济比较 1. 抵偿年限法 即静态差额投资回收期法。 该方法的优点是计算简单，资料要求少；缺点是 以无偿占有国家投资为出发点，为考虑时间因素， 无法计算推迟投资效果，投资发生于施工期，运 行费发生于施工后，在时间上未统一起来；仅计 算回收年限，未考虑投资比例多少，未考虑固定 资产残值；多方案比较无法一次算出。 32 四、主接线方案的经济比较 1. 抵偿年限法 即静态差额投资回收期法。 计算表达式为 式中 Pa －静态差额投资回收期（低偿年限） I1、 I2 －分别为方案 1 、 2 的综合总投资 C’1、 C’2 －分别为方案 1 、 2 的年运行费 ' 1 ' 2 2 1 - I - C C Pa = I 33 四、主接线方案的经济比较 1. 抵偿年限法 即静态差额投资回收期法。 计算表达式为 由该式计算出的低偿年限低于电力工业基准回收 年限的方案为经济上优越的方案。即 ◆ 当 Pa < 5 年时，选方案 1 ◆ 当 Pa > 5 年时，选方案 2 ' 1 ' 2 2 1 - I - C C Pa = I 34 四、主接线方案的经济比较 2. 经济比较项目 (1) 综合总投资 综合总投资 I 主要包括变压器综合投资，开关设 备、配电装置综合投资以及不可预见的附加投资 等。进行方案比较时，一般不必计算全部费用， 只需算出方案不同部分。 计算式为 ) 100 a 0 ( 1 + I = I 35 四、主接线方案的经济比较 2. 经济比较项目 (1) 综合总投资 计算式为 I0－主体设备的综合投资，包括变压器、开关设 备、母线、配电装置及明显的增修桥梁、公路和 拆迁等费用。 a －不明显的附加费用比例系数，如基础加工、 电缆沟道开挖费用等。 220KV 系统取 70 ， 110 KV 取 90 。 ) 100 a 0 ( 1 + I = I 36 四、主接线方案的经济比较 2. 经济比较项目 (2) 运行期的年运行费用 年运行费用 C’ 主要包括变压器的电能损耗费及 设备的检修、维护、折旧费 ( 按投资百分率计算 ) 。 计算式为 α1 －检修维护费率，一般取为 0.022 ～ 0.042 ； α2 －折旧费率，一般取为 0.005 ～ 0.058 ； α －损耗电能的电价，元 /KW.h ，可参考各地区 实际电价，本设计中取 0.45 ； ΔA －变压器年电能损耗， KW.h 。 I I A C 2 1 ' α α α + + = Δ 3. 计算短路电流 3. 计算短路电流 一、短路电流的计算步骤 二、选取短路计算点 38 一、短路电流的计算步骤 主接线设计后，即可按电器设备选择的需要选定 短路点，算出在最大运行方式下，发生三相短路 时，各支路中 I0、 I0.1(35kV 及以上电压等级处短 路点 ) 、 I0.2(6 ～ 10kV 电压等级处短路点 ) 、 Itk、 Itk/2及 ich的短路电流。 其中， I0.1(35kV 及以上电压等级处短路点 ) 、 I0.2 (6 ～ 10kV 电压等级处短路点 ) 两个时刻的短路 电流值分别用于对应的电压等级断路器的开断能 力校验。 其中， I0、 Itk、 Itk/2用于电气设备和导体的热稳 定校验。 39 一、短路电流的计算步骤 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。 断路器全开断时间等于断路器固有分闸时间加上 燃弧时间，由选定的断路器来决定。 40 一、短路电流的计算步骤 在工程设计中，短路电流计算通常采用运算曲线 法，基准容量一般采用 100MVA 。 其计算步骤如下： 1 、选择短路点； 2 、画出等值网络（次暂态网络）图； 3 、化简等值网络图，计算各电源与短路点之间的 电抗即转移电抗 Xnd； 4 、求计算电抗 Xjs; 5 、由计算电抗值从适当的运算曲线中查出各电源 供给的短路电流周期分量标幺值（运算曲线只作 到 Xjs＝ 3 ） 41 一、短路电流的计算步骤 在工程设计中，短路电流计算通常采用运算曲线 法，基准容量一般采用 100MVA 。 其计算步骤如下： 6 、计算无限大容量（ Xjs≥3 ）的电源供给的短路 电流周期分量； 7 、计算短路电流周期分量有名值和短路容量； 8 、计算短路电流冲击值； 9 、计算异步电动机供给的短路电流； 10 、绘制短路电流计算结果表。 42 二、选取短路计算点 对于同一电压等级且在同一发电厂或变电所内的 一次设备的选型基本一致，且技术参数、性能也 基本相同。因而选取产生短路电流最大的短路点 计算的短路电流，基本上均能满足同一电压等级 的主设备的选型、校验。 43 二、选取短路计算点 在正常接线方式时，一般选取通过电气设备处于 最严重短路电流状态的短路点为短路计算点，具 体如下： 对于负荷部分，选出线端（电抗器后）为短路点， 可用于选择出线断路器和出线电抗器； 对于发电机电压等级，选发电机出口母线为短路 点，可用于选择发电机出口断路器和出口母线、 主变压器低压侧断路器、隔离开关和导体、分段 断路器和分段电抗器、母联电抗器； 对于升高电压等级，选该电