内容提要
众所周知，电力行业是国民经济的基础工业，它的发展直接关系到国家经济建
设的兴衰成败，因此有“经济要发展，电力应先行”的口号。随着经济建设的发展，电力行业也必然要更好的发展，所以发电设备的容量越来越大，而电力行业的自动化程度也越来越高，相应的对系统的安全性，稳定性的要求也越来越高。
本次设计是我们在校期间进行的一次比较系统、具体、完整的颇为重要的设计，是一次比较综合的训练。本设计的主要内容是设计主接线并进行方案的技术经济比较，可靠性指标的定量分析计算，主变的选择，短路电流计算，电气设备的选择与校验，配电装置、厂用电、防雷保护及发电机和主变保护设计。本设计完成设计说明书和设计计算书各一份，英文原版翻译一份，绘制电气主接线图、平面布置图、断面图。
在完成此设计过程中，我们可以学习电力工程设计、技术问题研究的程序和方法，获得搜集资料、查阅文献、调查研究、方案比较、设计制图等多方面训练，并进一步补充新知识和技能。通过毕业设计，结合发电厂电气部分设计，进一步巩固所学的专业知识，提高理论联系实际的能力，为将来走向社会打下坚实基础。
关键词：电力系统、火力发电厂、主接线、电气设备
As everyone knows, the power industry is the fundamental industry of national economy, its development is directly related to the economic development of the country's success, it is "economic development, power should be the first" slogan. With the development of economic construction, the development of the electric power industry is also bound to be better, so more and more generation capacity of equipment, and the degree of automation of power industry is getting higher and higher, to the corresponding security system, stability requirements are also getting higher and higher.
This design is for us during the period of school a more systematic, specific, complete important design, is a more comprehensive training. The main content of this design is the design of the main wiring and technical and economic comparison, quantitative analysis and calculation of reliability index, the selection of the main transformer, short-circuit current calculation, electrical equipment choice and verification, power distribution equipment, electricity, lightning protection and generator and main transformer protection design. This design completes the design specification and design calculations on each one, the original English translation a, draw the main electrical wiring diagram, layout, section map.
Upon completion of the design process, procedure and method we can study on technical problems of electric power engineering design, study, be collected information, consulting literature, investigation, comparison, design drawings and other aspects of training, and further add new knowledge and skills. Through the graduation design, combined with the design of electrical power plant, further consolidate professional knowledge, improve the ability of integrating theory with practice, for the future to lay a solid foundation for social.
Keywords: electric power systems, thermal power plant, the main wiring and electrical equipment
内容提要............................................................................................................ I Smmary ............................................................................................................ II 第一部分设计说明书 (1)
1电气主接线设计 (1)
1.1主接线的设计原则和要求 (1)
1.2电气主接线的设计 (2)
1.3发电机的选择 (5)
1.4主变压器的选择 (5)
2厂用电设计 (7)
2.1厂用电设计的要求 (8)
2.2厂用电设计的原则 (8)
2.3厂用电接线的最终确定 (9)
3 短路电流计算 (11)
3.1短路电流计算的目的和规定 (11)
3.2短路计算步骤 (12)
4电气设备选择与校验 (15)
4.1 电气设备选择的一般原则 (15)
4.2断路器的选择及校验 (17)
4.3隔离开关选择与校验 (19)
4.4电压互感器选择 (20)
4.5电流互感器的选择与校验 (22)
4.6高压熔断器的选择与校验 (23)
4.7母线的选择与校验 (24)
4.8 500kV进出线的选择与校验 (26)
4.9 接地开关的选择与校验 (27)
5配电装置设计 (29)
5.1配电装置的分类及其要求 (29)
5.2配电装置的设计原则及步骤 (30)
6防雷保护设计 (33)
6.1避雷器的类型及作用 (33)
6.2避雷器的选择 (33)
7发电机、主变保护设计 (35)
7.1发电机保护 (35)
7.2变压器保护 (41)
第二部分设计计算书 (42)
8短路电流计算 (42)
8.1点短路电流计算 (42)
8.2点短路电流计算 (46)
8.3点短路电流计算 (47)
9电气设备的选择与校验计算 (51)
9.1断路器校验计算 (51)
9.2隔离开关校验计算 (52)
9.3互感器校验计算 (53)
9.4母线及接地开关校验计算 (53)
总结 (56)
参考文献 (57)
致谢 (58)
附录 (59)
第一部分设计说明书
1电气主接线设计
1.1主接线的设计原则和要求
发电厂电气主接线是电力系统接线的主要组成部分。它表明了发电机、变压器、线路和断路器等电气设备的数据和连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输配电的任务。它的设计，直接关系着全厂电气设备的选择。配电装置的布置，继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
因此，主接线的设计必须根据电力系统、发电厂或变电站的具体情况，全面分析，正确处理好各方面的关系，通过技术经济比较，合理地选择主接线方案。
电气主接线设计的基本要求：
主接线应满足可靠性、灵活性、经济性和发展性等四方面的要求。
（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：
①断路器检修时，能否不影响供电。
②线路、断路器或母线检修时，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。
③发电厂全部停运的可能性。
④大型机组突然停运时，是否会危及电力系统稳定运行。
（2）灵活性
①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。
②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扩建方便。在设计主接线时，应留有余地，应能容易地从初期过渡到最终接线，使在扩建时，一次和二次设备所需的改造最少。
（3）经济性
在满足技术要求的前提下，做到经济合理。
①节省一次投资：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。
②占地面积少：电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件。
③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。
（4）发展性
主接线可以容易地从初期接线方式过渡到最终接线。在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，完成过渡期的改扩建，且对一次和二次部分的改动工作量最少[2]。
1.2电气主接线的设计
1.2.1主接线的设计步骤
首先分析原始资料，拟定可行的主接线方案。根据设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，拟定出若干可行方案，内容包括主变压器型号、台数和容量，以及各级电压配电装置的接线方式等。并根据对主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰较差的方案，保留较好方案。
其次对技术上较好的方案进行经济计算，选出最佳方案。各主接线方案都应该满足系统和用户对供电可靠性的要求。
最后绘制电气主接线图。按工程要求，绘制工程图，途中采用全国通用的图形符号和文字代号，并将所有设备的型号、发电机的主要参数、母线及电缆截面等标注在图上。图上还应示出电压互感器、电流互感器、避雷器等设备的配置及其一次接线方式，以及主变压器接线组别和中性点接地方式等[2]。
1.2.2原始资料给定工程情况
（1）类型：区域性凝气式火电厂，远离负荷中心；
（2）工程装机容量和台数：2×600MW；
（3）发电厂在电力系统中的地位和作用：承担基荷电厂；
（4）发电厂联入系统的电压等级为500kV，出现回路数2回；
（5）电力系统装机容量为10000MV A，系统短路容量或归算后的标幺值电抗为0.212（100MV A为基准）；
（6）厂用电率：6%，COSφ=0.9，最大负荷利用小时数7000小时/年；
（7）环境条件：当地年最高温度38℃，年最低温度-2℃，最热月平均最高温度2℃，最热月平均地下温度1℃，当地海拔高度100米，当地雷暴日14日/年。
1.2.3分析原始资料确定接线方式
（1）为使生产管理及运行检修方便，一个发电厂内单机容量以不超过两种为宜，台数以不超过6台为宜，且同容量的机组应尽量选用同一型式。
（2）年最大负荷利用小时数在7000小时以上，其主接线应以保证供电可靠性为主进行选择。
（3）发电厂远离负荷中心，绝大部分电能向系统输送，与系统之间则采用双回强联系方式。
（4）500kV电网中性点采用直接接地，从而决定了主变压器中性点也采用直接接地。发电机中性点采用经接地变压器接地。
（5）对500kV电压等级的主接线可以采用双母线四分段带旁路接线或二分之三断路器接线[3]。
1.2.4电气主接线方案
方案一：500kV侧采用双母线四分段带旁路接线。
方案一采用双母线四分段带旁路母线接线。在每一回路的线路侧装一组隔离开关接到旁路母线上，而旁路母线再经旁路断路器及隔离开关接至两组母线上。要检修某一线路断路器时，基本步骤是：先合旁路断路器两侧的隔离开关，再合旁路断路器对旁路母线进行充电与检查；若旁路母线正常，则待修断路器回路上的旁路隔离开关两侧已为等电位，可合上该旁路隔离开关；此后可断开待检修及其两侧隔离开关，对断路器进行检修。此时该回路已通过旁路断路器、旁路母线及有关旁路隔离开关向其送电。该接线型式的特点是：①供电可靠。②运行灵活，扩建方便。③所用设备多，配电装置复杂。④占地面积增加，且旁路断路器继电保护较复杂。
方案二：500kV侧采用二分之三断路器接线。
方案二采用二分之三断路器接线形式，即3/2接线。再接线中每2条回路共用3台断路器，每串中间的一台断路器为联络断路器。正常运行时，每组母线和全部断路器都投入工作，形成多环供电，因此，具有很高的可靠性和灵活性。其主要特点是，任一母线故障或检修，均不致停电，任一断路器检修也不引起停电，甚至两组母线同时故障的极端情况下，功率仍能继续输送。一串中任何一台断路器退出或检修时，此时仍不影响其他元件的运行。这种接线运行方便、操作简单，隔离开关只在检修时作为隔离电器用[2]。
1.2.5比较两个方案
双母线四分段带旁路母线接线在正常时母线和分段断路器均合上，四个分段同时运行，每段母线上均接有1/4左右的机组和负荷。这样，当任意一段母线故障时只影响1/4电源和负荷停电；当任一母线或分段断路器故障时，只影响一半左右的电源和负荷停电。但是当母联断路器故障（短路）或一组母线检修而另一组母线故障（或出线故障，断路器拒动）时。这一缺点对于大容量电厂和500kV系统的影响尤为严重。
在断路器的使用方面，如果采用专用旁路断路器或进出线数少于8回采用四分段接线方式时，每回线占用断路器数多于一个半。因此，在机组及出线数数较少时，不宜采用双母线四分段接线方式。此外，研究结果指出，四台机组和四回出线的电厂采用双母线四分段带旁路与二分之三断路器接线相比，无论是500kV送点线路还是发电机变压器回路，二分之三断路器接线的可靠性指标（包括故障和停运时间）都比双母线四分段带旁路母线要好。其次，就故障后果而言，二分之三断路器接线方式没有切除三个及以上回路的可能，而双母线四分段存在这种可能。
二分之三断路器接线在国内330kV～500kV系统中的应用日益增多，已显示出这种接线方式的优越性，并逐渐积累了不少运行经验。它既是一种双母线接线，又是一种多环接线。二分之三断路器接线与双母线带旁路母线比较，隔离开关少，配电装置结构简单，占地面积小，土建投资少，隔离开关不当作操作电器使用，不易因误操作造成事故。
对于这两种电气主接线的技术经济比较，建设投资费Z与年运行费μ最小的方案优先选用。若投资Z大的方案而年运行费μ小，则应进一步计算比较。具体方法采用静态比较法。所谓静态比较法，其基本思想是：不考虑设备，材料，人工等费用随时间的变化，认为费用与时间是无关的，因而只是对各种费用按固定价值分析比较，包括抵偿年限法，年计算费用两种。此处采用抵偿年限法。目前我国的标准抵偿年限为5-8年。当N小于5-8，选用投资大的方案一；反之则选用年运行费低的方案二。
抵偿年限法：即两方案比较时，若投资>,而年运行费<，则可用抵偿年限判断最优方案。
N=（-）/（-） (1-1) 式中N—抵偿年限，年。
运行中输变电设备，本身要产生一定的电能损耗，每年电能损耗的度数按时后也属于电力系统年运行的一部分，称为年电能损耗折价费。
年运行费μ的计算为：
（+）Z+ΔA (1-2) 式中：μ—年运行费，元/年；
—基本折旧率，取4.8%；
—大修率，国产设备取1.4%，进口设备取1%，此处选1.4%；
Z—投资费，元；
ΔA—年电能损耗，kW.h /年；
B—电价，元/kW.h，取全国平均电价0.5元/kW.h。
参考《发电厂电气部分》P127-P132，取方案一中=6554.2万元，按式（1-2）计算得=1083.04万元；取方案二中=6954.7万元，按式（1-2）计算得=1016.29万元。由式（1-1）可计算出N=6，选择方案二，即二分之三断路器接线。
根据上述两种方案在可靠性和经济性等方面的比较，另考虑到本电厂在系统中的作用和负荷对本电厂的要求，方案二应为首选方案[3]。
1.3发电机的选择
（1）发电厂的机组容量，应根据系统内总总装机容量、负荷增长速度、电网结构和制造厂供货情况等因素进行选择。
（2）在条件具备时，应优先采用大容量机组，但为使调度运行不致发生困难，最大机组一般不超过系统总容量的8%~10%。对形成中的电力系统，若负荷的增长迅速或较快就可连入其他大电力系统时，可根据具体情况并进行技术经济论证后，可选用的机组。
（3）为便于生产管理，一个厂房内的机组台数以不超过6台为宜；同容量机、炉应尽量采用同一制造厂的同一型式，其配套设备的型式也应尽量一致[3]。
根据原始资料所给容量选择发电机型号及各技术参数见表1-1。
表1-1 600MW机组的参数
型号额定
容量
（MW）
额定
电压
（kV）
N
cos
电抗（标么值）时间
常数
d
X'
d
X''
d
X
2
X'
d
T''
d
T
QFSN—
600—
2YHG
600 20 0.9 2.15 0.26 0.205 0.203 8.27 0.045
1.4主变压器的选择
1.4.1主变压器容量、台数的选择
主变压器容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的选择除依据基础资料外，主要取决于输送功率的大小、与系统联系的紧密程度、运行方式及负荷的增长速度因素，并至少要考虑5~10年内负荷的发展需要。如果容量选的过大，台数过多，则会增加投资，占地面积和损耗，不能充分发挥设备的效益，并增加运行和检修的工作量；如果容量选得过小，台数过少，则可能封锁发电厂剩余功率的输送，或限制变电所负荷的需要，影响系统不同电压等级之间的功率交换及运行的可靠性等。 主变压器容量选择的一般原则：
（1）为节约投资及简化布置，变压器应选用三相式。
（2）当发电机母线上负荷最小时，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。
（3）当发电机电压母线上接有两台或两台以上的主变压器时，当其中容量最大的一台退出运行时，其他主变压器在允许正常过负荷的范围内，应能输送母线剩余的功率的70%。
（4）当发电机电压母线上最大一台发电机组停用时，能由系统侧送电以满足发电机电压母线上的最大负荷的要求。
（5）根据系统经济运行的要求，而限制火电厂的输出功率。此时火电厂的主变压器应具有从系统侧倒送功率的能力，以满足发电机电压母线上最大负荷的要求。
（6）单元接线时的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[3]。
1.4.2主变压器型号的选择
单元接线中的主变压器容量 应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度选择。
)(cos )1(1.1MVA K P S G P NG N φ-≈（1-3）
式中：NG P —发电机容量；
G φcos —发电机额定功率因数；
P K —厂用电率；
发电机主变的容量为：
)(67.6749.0/%)81(6001.1MVA S N =-??= （1-4）
则可选择主变及参数的型号如表1-2所示。
表1-2发电机主变的参数
型号 额定电压（kV ） 阻抗电压 空载损耗
（kW ）
负载损耗（kW ） 3×DFP-24000/500 550/ /20 14% 162 600
2 厂用电设计
2.1厂用电设计的要求
2.1.1厂用负荷分类
根据厂用负荷在发电厂运行中所起的作用及其供电中断对人身、设备及生产所造成的影响程度，将其分为下列五类：
（1）Ⅰ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Ⅰ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。
（2）Ⅱ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。如工业水泵、输水泵等。对Ⅱ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。
（3）Ⅲ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Ⅲ类负荷，一般由1个电源供电。
（4）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，又可分下列三种：
②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。
②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。
③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。
（5）交流不间断供电负荷
在机组启动、运行及停机（包括事故停机）过程中，甚至停机以后的一段时间内，要求连续提供具有恒频恒压特性电源的负荷。一般由接于蓄电池组的逆变装置或由蓄电池供电的直流电动发电机组供电[2]。
2.1.2基本要求
厂用电接线应保证厂用电的连续供应，使发电厂能安全满发，除满足正常运行安全、可靠、灵活、经济、先进等一般要求外，还应满足下列特殊要求：（1）接线方式和电源容量，充分考虑发电厂正常、事故、检修、起动等运行方式下的供电要求，切换操作简单。
（2）尽量缩小厂用电系统的故障影响范围，并应尽量避免引起全厂停电事故。
（3）应设置足够容量的交流事故保安电源及电能质量合格的交流不间断供电装置。
（4）便于分期扩建或连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别是对公用负荷的供电，要结合远景规模统筹安排[2]。
2.2厂用电设计的原则
厂用电设计的一般原则：
（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
厂用电供电电压等级是根据发电机的容量和额定电压、厂用电动机的额定电压及厂用网络的可靠、经济运行等诸多方面因素，经技术比较后确定。
高压厂用电一般采用6kV或3kV和10kV配合使用。
（3）厂用母线接线方式
高压厂用电系统应采用单母线接线。火电厂的高压母线一般都采用“按炉分段”锅炉容量为400T/H及以下时，一般每炉由一段母线供电；容量为400T/H及以上时，每炉不少于两段母线供电，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。
（4）厂用工作电源
高压厂用工作电源一般采用引接方式。高压厂用工作电源（变压器或电抗器）应从发电机回路引接，并尽量满足炉、机、电的对应性要求。
（5）交流事故保安电源
大型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。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,并能在短时间内恢复本机组的运行[3]。.
2.3厂用电接线的最终确定
2.3.1厂用电接线的设计
本厂厂用电主接线设计说明：
本设计中采用每个单元机组设置两台分裂绕组的工作变压器（厂总变压器）
T1A、T1B，机组设公用的一台分裂绕组变压器做启动兼备用变压器。这种接线的特点是，厂用母线分为4段，也可以设置公用负荷段，互为备用的负荷接入两台厂用变压器的两个低压分裂绕组上，使高压侧容量增大，但它可以与启动/备用变压器组成一对一的接线方式，任一台厂用变停运，只要投入启动/备用变压器即可。此接线可靠性高，调度灵活。
对于在失去正常厂用电的事故中，会危及机组主、辅机安全，造成永久损坏的负荷，即机组的保安负荷，由专门设置的保安电动机控制中心对其供电。每台600MW 机组设置一台柴油发电机作为交流负荷的备用电源（也称交流保安备用电源）。
600MW机组单元一般设置有汽轮机保安电动机控制中心和锅炉保安电动机控制中心[3]。
2.3.2厂用变压器的选择
（1）负荷计算原则：
①连续运行的设备应予计算。
②机组正常运行时不经常而连续运行的设备（如备用励磁机，备用电工给水泵等）也应计算。
③不经常短路时及不经常而断续运行的设备不予计算，但由电抗器供电的应全部计算。
④由同一电源供电的互为备用的设备只计算运行的部分。
⑤由不同电源供电的互为备用设备时，应全部计算，但台数较少时，允许扣除其中一部分。
⑥对于分裂绕组变压器，其高低压绕组应分别计算。当两个低压绕组接有互为备用设备时对高压绕组只计算其运行部分。对低压绕组，则对其中一段均予计算。（2）厂用变与起备变的容量计算和选择
①发电机厂用变压器的选择。
发电机厂用变压器的容量为：
)
(
44
1.1
%
6
9.0/
600MVA
S=
?
?
=（2-1）则可选择主变及参数的型号如表2-1[9]。
表2-1发电机厂用变压器的参数
型号额定电压（kV）
额定容量
（MV A）半穿越阻抗
电压
分裂系数
SFF9-CY-50000/20 20/6.3-6.3 50/25-25 15% 3.3～3.5
参考与《电力工程电气设计200例》第89页
②发电机启/备变压器的选择
发电机启/备变压器的容量为：
)
(
44
1.1
%
6
9.0/
600MVA
S=
?
?
=（2-2）
则可选择启/备变压器的型号如表2-2[9]。
表2-2 发电机启/备变压器的参数
型号
额定
容量
（MV A）
高压
（kV）
低压
（kV）
联结
组
阻抗电压
Ud1-2'=Ud1-3'
SFFZ-50000/50050/25-25525±8×
1.25%
6.3-6.3 D,yn0-yn0 23%( =3.5)