2.300MW火电厂厂用电系统设计

摘 要

本毕业设计是对发电厂厂用电进行设计，主要运用发电厂电气部分、高电压技术、电力系统分析、电力系统自动化、电力系统继电保护等专业知识完成“发电厂厂用电的设计”，具体设计内容包括厂用电接线设计、负荷分析计算、变压器选择、电动机自启动校验，继电保护设计、配电装置设计、防雷设计、绘制厂用电接线图、继电保护二次回路接线图、绘制配电装置图。本设计严格遵循发电厂电气部分的设计原则，并结合实际情况确定了厂用电母线电压等级确定为6KV，利用换算系数法进行负荷分析计算，变压器选择低压分裂三绕组变压器，确定了合适的短路点进行短路电流计算。根据防雷保护要求确定避雷器；最后绘制了相关的图纸。

关键词：发电厂；变压器；继电保护；避雷器

.1 厂用电的电压等级确定

厂用电的电压等级是根据发电机的额定电压、厂用电动机的电压和厂用电供电网络的等因素，相互配合，经过技术经济综合比较决定的。为了简化厂用电接线，且使运行维护方便，厂用电压等级不宜过多。在发电厂和变电站中，低压厂用电常采用400V，高压厂用电电压有3、6、10KV等。为了正确选择高压厂用电的电压等级，需进行急速经济论证。火力发电厂常采用3、6、10KV作为厂用电电压，发电厂中拖动各种厂用机械设备的电动机，容量相差悬殊，从数千瓦到数千千瓦，而且和电动机的电压和容量有关。在满足技术要求的前提下优先采用电压较低的电动机，以获得较高的经济效益；而高压电动机，制造容量大、绝缘等级高、磁路较长、尺寸较大、价格高、空载和负载损耗均较大，效率较低。但是，结合厂用电供电网络综合考虑，电压等级较高时，可选择截面较小的电缆或导线，不仅节省有色金属，还能降低供电网络的投资。

本设计2x300MW发电厂厂用电设计采用6KV作为厂用电电压。6KV电动机的功率可制造的较大，以满足大容量负荷的要求；6KV和3KV厂用电系统相

比，不仅节省有色金属和费用，而且短路电路亦较小；发电机电压若为6KV时，可以省去高压厂用变压器，直接由发电机电压母线经电抗器供厂用电，以防止厂用电系统故障直接威胁主系统并限制其短路电流。

1.2 厂用电接线设计

300MW汽轮发电机组高压厂用电系统有两种接线方案，如图2.1所示。(a)所示方案Ⅰ，不设6KV公用负荷母线，将全厂公用负荷分别接在各机组A、B段母线上；如图b所示方案Ⅱ，单独设置二段公用负荷母线，集中供全厂公用负荷用电，该公用负荷母线段正常由启动备用变压器供电。方案Ⅱ的优点是公用负荷集中，无过度问题，各单元机组独立性强，便于各机组厂用母线清扫。其缺点是由于公用负荷集中，并因启动备用变压器要用工作变压器做备用，故工作变压器也要考虑在启动备用变压器检修或故障时带公用负荷母线段运行。因此，启动备用变压器和工作变压器均较方案Ⅰ变压器分支的容量大，配电装置也增多，投资较大。方案Ⅰ的优点是公用负荷分接于不同机组变压器上，供电可靠性高、投资省，但也由于公用负荷分接于各机组公用母线上，机组工作母线清扫时，将影响公用负荷的备用。另外，由于公用负荷分接于2台机组的公用母线上，因此，在机组G1发电时，必须也安装好机组G2的6KV厂用配电装置，并启动备用变压器供电。这两种方案各有优缺点，经过技术经济比较后选定方案Ⅰ。

火电厂主要厂用电负荷及其类别

负荷类别

汽轮机负荷

设备名称 电动给水泵 循环水泵 凝结水泵 引风机 送风机 一次风机 排粉机 磨粉机

电压（kv）

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

额定容量（kw）

5500 1250 315 2240 1000 300 680 1000 630 350 320 260 300 300 1600（kv.A）

1250（kv.A）

1000（kv.A）

1000（kv.A）

1000（kv.A）

1000（kv.A）

1000（kv.A）

315（kv.A）

台数 2 6 4 4 4 4 8 8 4 1 2 2 2 2 4 4 2 3 3 1 1 2

锅炉负荷和输煤负

荷

泵

凝结水升压主汽机调速油泵

碎煤机 喷射水泵 1号皮带机 4号皮带机 机炉变压器 电除尘变压器

化水变压器 公用变压器 输煤变压器 灰浆变压器 负压风机房变压器

污水变压器

低压负荷

修配变压器 水源地变压器

照明变压器

800（kv.A） 1000（kv.A）

315（kv.A）

1 2 2

2.2厂用负荷的计算方法

2.2.1 换算系数法

S(KP) KKMKL

cos式中 S—厂用母线上的计算负荷，KV·A

P—电动机的计算功率，KW

K—换算系数，可取表5-2所列的数值

KM—同时系数 KL—符合系数

—效率

cos—功率因数

表2-2 换算系数

机组容量（MW） 给水泵及循环水泵电动机 凝结水泵电动机 其他高压电动机及厂用电低压变压器（KV·A） 其他低压电动机 125 200 1.0 0.8 0.8 0.8 1.0 1.0 0.85 0.7

2.2.2 电动机计算功率确定

对经常、连续运行的设备和连续而不经常运行的设备，即连续运行的电动机均应全部计入。按下式计算

PPN

对经常短时及经常断续运行的电动机应按下式计算 P0.5PN

对不经常短时及不经常断续运行的设备，一般可不与计算

P0

对中央修配厂的用电负荷，通常按下式计算

P0.14P0.4P5

式中P—全部电动机额定功率总和，KW

P5—其中最大5台电动机的额定功率总和，KW

煤场机械负荷中，对大型机械应根据机械具体情况具体分析确定。对中小型机械，应按下式计算

P0.35P0.6P3

翻斗机 P0.22P0.5P5 轮斗机 P0.13P0.3P5

式中 P3—其中最大3台电动机的额定功率之和，KW 对照明负荷计算式为 PKdPi

式中 Kd—需要系数，一般0.8~1.0 Pi—安装容量，KW

根据表3.1、3.2和3.3负荷运行方式及特点计算如下 由公式S=(KP) ⅠA段负荷

P1550012503157065KW

P222401000300136020006302603003008390KW SHP10.85P270650.85*839014196.5KW

S16001250100010004850KW

SL0.85S0.85*48504122.5KW

ⅠB段负荷

P125003152815KW

P222401000300136020006303207850KW SHP10.85P228150.85*78509487.5KW

S16001250100010001000100031580010003159280KW SL0.85S0.85*92807888KW 同理ⅡA段

P1555012503157065KW

P222401000300136020006307530KW SHP10.85P270650.85*735013465.5KW

S1600125010003850KW

SL0.85S0.85*38503272.5KW

同理ⅡB段

P125003152815KW

P222401000300136020006303202603003008710KW SHP10.85P228150.85*871010218.5KW

S11600125010001000100031510003157840KW

SL0.85S0.85*78406385KW

2.3 厂用变压器的选择

2.3.1 额定电压

厂用变压器的额定电压应根据厂用电系统的电压等级和电源引接出电压确定,变压器一、二次额定电压必须与引接电源电压和厂用网络电压相一致.

各种变压器的台数和型式

工作变压器的台数和型式主要与厂用高压母线的段数有关,而母线的段数又与厂用高压母线等级有关.当只有6kV一种电压等级时，一般分两段；当10kV与3kV电压等级同时存在时，则分四段（10kV和3kV两段）。当只有6kV一种电压等级时，厂用高压工作变压器可选用1台全容量的分裂绕组变压器，两个分裂支路分别供两段母线；或者选用2台50%容量的双绕组变压器，分别供两段母线。如出现10kV和3kV两种电压等级时，厂用高压工作变压器可选用2台50%容量的三绕组变压器，分别供四段母线。

2.3.2 厂用变压器的容量

厂用变压器的容量必须满足厂用电负荷从电源获得足够的功率。因此，对厂用高压工作变压器的容量应按厂用电高压计算负荷的110%与厂用电低压计算负荷之和进行选择；而厂用低压工作变压器的容量应留有10%左右的裕度。

1) 厂用高压工作变压器容量。当为双绕组变压器时按下式选择容量

ST1.1SHSL

式中SH—厂用电高压计算负荷之和 SL—厂用电低压计算负荷之和

当选用分裂绕组变压器时，其各绕组容量应满足 高压绕组Sts1SCSr 分裂绕组Sts2SC

式中Sts1—厂用变压器高压绕组容量，KV·A

Sts2—厂用变压器分裂绕组容量，KV·A

SC—厂用变压器分裂绕组计算负荷，KV·A，SC1.1ShSL

Sr—分裂绕组两支重复计算负荷，KV·A

2) 厂用高压备用变压器容量。

厂用高压备用变压器或启动变压器应与最大一台厂用高压工作变压器的容量相同；厂用低压备用变压器的容量应于最大一台厂用低压工作变压器容量相同。

3) 厂用低压工作变压器容量。 可按下式选择变压器容量

KSSL

式中S—厂用低压工作变压器容量，KV·A

K—变压器温度修正系数。一般对装于屋外或由屋外进风小间内的变压器，

可去K=1，但宜将小间进出风温差控制在10C以内；对由住厂进风小间内的变压器，当温度变化较大时，随地区而异，应当考虑温度进行修正。

厂用变压器容量的选择，除了考虑所接负荷的因素外，还应考虑：①电动机自启动时的电压降；②变压器低压侧短路容量；③留有一定的备用裕度。

4) 厂用变压器的阻抗

变压器的阻抗是厂用工作变压器的一项重要指标。厂用工作变压器的阻抗要求比一般动力变压器的阻抗大，这是因为要限制变压器低压侧的短路容量，否则将影响到开关设备的选择，一般要求阻抗应大雨10%；但是，阻抗过大又将影响厂用电动机的自启动。厂用工作变压器如果选用分裂绕组变压器，则能在一定程度上环节上诉矛盾，因为分裂绕组变压器在正常工作时具有较小阻抗，而分裂绕组出口短路时则具有较大的阻抗。

5) 变压器选择计算 ⅠA段

SHP10.85P270650.85*839014196.5KW

S16001250100010004850KW

SL0.85S0.85*48504122.5KW

ⅠB段

SHP10.85P228150.85*78509487.5KW

S16001250100010001000100031580010003159280KW SL0.85S0.85*92807888KW Ⅰ段重复容量负荷

P1315KW P2630KW

SHP10.85P23150.85*630850.5KW

S160012502850KW

SL0.85S0.85*28502422.5KW

ⅠA段分裂绕组负荷SC1.1SHSL1.1*14196.54122.519738.6 KV·A ⅠB段分裂绕组负荷SC1.1SHSL1.1*9487.5788818324 KV·A 重复分裂绕组负荷SC1.1SHSL1.1*850.52422.53358 KV·A 高压绕组负荷SCSr19738.61832433583470.64 KV·A 根据计算选择Ⅰ变压器

本设计选用三绕组低压分裂变压器，电压比为18/6-6KV,短路电压为UK(%)=15,容量比为40/20-20MV·A。

ⅡA段

SHP10.85P270650.85*735013465.5KW

S1600125010003850KW

SL0.85S0.85*38503272.5KW

ⅡB段

SHP10.85P228150.85*871010218.5KW

S11600125010001000100031510003157840KW

SL0.85S0.85*78406358KW

Ⅱ段重复容量负荷

P1315KW P2630KW

SHP10.85P23150.85*630850.5KW

S160012502850KW

SL0.85S0.85*28502422.5KW

ⅠA段分裂绕组负荷SC1.1SHSL1.1*13465.53272.518084.5 KV·A ⅠB段分裂绕组负荷SC1.1SHSL1.1*10128.5635817598 KV·A 重复分裂绕组负荷SC1.1SHSL1.1*850.52422.53358 KV·A 高压绕组负荷SCSr18084.517598335832324.5 KV·A

本设计选用三绕组低压分裂变压器，电压比为18/6-6KV,短路电压为UK(%)=15,容量比为40/20-20MV·A。

0 短路计算及电气设备选择

4.1 短路计算的目的及意义

1. 短路计算的目的

系统的设计和运行都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行的情况。而这些故障多数是由于短路引起的，所以要靠短路电流来选择校验设备。

2. 短路计算的规定

1) 电力系统中所有电源均在额定负荷下运行； 2) 短路发生在短路电流为最大值的瞬间； 3) 所有电源的电动势相位角相同；

4) 所有接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式； 5) 计算容量应考虑电力系统的远景发展规划； 6) 应按最严重的情况进行校验； 7) 应注意选择短路点。 3. 短路电流计算的意义

1) 电气主接线的比选； 2) 选择导体和电器；

3) 设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对

地安全距离；

4) 选择继电保护装置和进行整定计算；

4.2 短路计算

图4-1 短路计算图

变压器T=40MV·A ，UK(%)15 取SB100MV·A , VBVav

设a处得短路功率为1000MV·A，则它的电抗标幺值

xsSB1000.1 SS1000变压器电抗标幺值为

X0.151000.375 40在网络6.3KV电压级的基准电流为

IB10036.39.16KA

f1点短路时 Xffx0.375

短路电流为

I9.16KA24.43KA 0.375f2点短路时

XffXsx0.10.3750.475

I9.16KA19.28KA 0.475短路点f3和f4电流相同不做计算 基准容量：Sj= 100MVA 系统的正序阻抗为X%0.04 发电机

XTVS%SJ111000.031 100SN/cos100300/0.85Xff0.375

X0.3750.0310.406

计算电抗为：

XS0.4063001.218 100根据汽轮发电机计算曲线数字表得

I''0.8060

4.3 电气设备选择的要求和原则

1) 应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展； 2) 应按当地环境条件校核； 3) 应力求技术先进和经济合理； 4) 与整个工程的建设标准应协调一致； 5) 同类设备应尽量减少品种；

6) 选用的新产品均应有可靠的试验数据，并经正式验定合格。在特殊情况

下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经上级批准。 电压：

UmaxUg （4-1）

式中： Umax —— 电器允许最高工作电压

Ug —— 最高运行电压

电流：

IeIg （4-2）

式中： Ie —— 电器额定电流

Ig —— 持续工作电流

由于变压器短路时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度比较大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。高压电器没有明确的过载能力，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。

4.4 校验的原则及热稳定条件

1. 校验的一般原则：

1) 电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定效验。校验

的短路电流一般取三相短路时的短路电流,若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况校验。

2) 用熔断器保护的电器可不验算热稳定；当熔断器有限流作用时，可不演

算动稳定；用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。

2. 短路的热稳定条件：

I2tQk （4-3） QkI''210I12.5I52t/12 （4-4）

式中： Qk —— 短路电流产生的热效应

1. 电动力稳定效验：

IesIch （4-5）

式中：Ich —— 短路冲击电流幅值

Ies—— 电器允许通过的动稳定电流的幅值

3. 下列几种情况下可不效验热稳定或动稳定：

1) 用熔断器保护的电器，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器可不验算动、热稳定。

4.6 电气设备的选择

4.6.1 断路器参数的选择

1) 按额定电压选择： UNUNS 2) 按额定电流选择： INImax 3) 按开断电流选择： INbrI''

4) 按额定关合电流选择：INclIsh 5) 热稳定效验： ItIs 6) 动稳定效验：

IesIsh

4.6.2 隔离开关参数的选择

1) 按额定电压选择： UNUNS 2) 按额定电流选择： INImax 3) 热稳定效验： ItIs 4) 动稳定效验： IesIsh

4.6.3 形式选择

断路器的形式选择，除应满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于施工调试的运行维护，并经技术经济比较后确定。

发电机的主保护按种类和形式选择：隔离开关的形式和种类的选择应根据配电装置的布置特点和使用条件等因素进行综合技术比较后确定。时间tpr10.05S

后备保护时间tpr23.9S 配电装置内最高室温40C 发电机最大持续工作电流为

Imax1.05p3UNcos1.054000035.30.852246A

Imax及断路器安装在室内的要求，根据发电机回路UNS、查表，可选SN1010Ⅲ/3000少油断路器

短路计算电抗 X*X*SXS/Sd0.375300/1001.125 短路计算时间tktpr2tinta3.90.060.064.02S

根据短路计算电抗查短路电路计算曲线，并换算成有名值后，所得短路电路为

I''26.4KA I2.0129.3KA I4.0229.5KA

由于tK1s，不计非周期热效应。短路电流的热效应QK等于周期分量热效应QP,即

QK2I''210It2I/2tKK1226.421029.3229.522tK4.023401[KA·S]

12冲击电流 ish1.92I''2.6926.471.0(KA)

表4-1 断路器和隔离开关选择结果及数据比较

计算数据 SN1010Ⅲ/3000型断路器 UN 10KA IN 3000A INbr 43.3KA INcl 130KA 2GN1010T/3000型隔离开关 UN 10 IN 3000 It2 13005（KA）·s 2UNS 6.3KV Imax 2246A I'' 4KA ish 71.0KA QK 3401(KA) It2 7499（KA）·s 2ish 71.0KA ies 130KA ies 85KA

4.6.4 电流互感器的选择

参数的选择

1. 按一次额定电压选择： UN1UNS 2. 按一次额定电流选择： IN1Imax

为了确保所供仪表的准确度，互感器的一次额定电流应尽可能与最大工作电流接近。

3. 按二次额定电流选择：一般弱电系统用1A，强电系统用5A，当配电装

置距离控制室较远时亦可考虑用1A。

4. 按二次级数量选择：二次级的数量决定于测量仪表、保护装置和自动装

置的要求。一般情况下，测量仪表与保护装置宜分别接于不同的二次绕组，否则应采取措施，避免互相影响。

5. 按准确度级选择：为了保证测量仪表的准确度，电流互感器的准确级不

得低于所测量仪表的准确级。因此，需先要知道电流互感器二次回路所接测量仪表的类型及对准确级的要求，并按准确等级要求最高的表计选择电流互感器，具体要求如下：

1) 装设在发电机、电力变压器、调相机、厂用馈线、出线等回路中的电度

表及所有用于计算电费的电度表用电流互感器，其准确等级应为0.5级。 2) 供运行、监视、估算电能的电度表、功率表和电流表用电流互感器，其

准确等级应为1级。

3) 供指示被测数值是否存在或大致估计被监测数值的表计用的电流互感

器，其等级为3级和10级。 6. 热稳定效验： ItIs 7. 动稳定校验 IesIsh 型式的选择动稳定效验：

10KV及以下配电装置一般采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。 综上所述：本设计电流互感器选用LA-10 50/5 0.5级

4.6.5 电压互感器的选择

参数的选择

1、按一次回路电压选择：

为了保证电压互感器的安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电网电压应在（0.8～1.2）UN1范围内变动，即应满足下列条件：

1.2UN1UN30.8UN1

2、按准确度级选择：参照电流互感器的准确等级进行选择。、 按接线方式选择

在满足二次电压和负荷要求的条件下，电压互感器应尽量采用简单接线。在需要检查和监视一次回路单相接地时，采用三个单相三绕组电压互感器。

三个单相三线圈电压互感器适用范围：

主二次绕组连接成星形以供电给测量表计、继电器以及绝缘检查电压表。对于要求相电压的测量表计，只有在系统中性点直接接地时才能接入。附加的二次绕组接成开口三角形，构成零序电压路过器供电给保护继电器和接地信号（绝缘检查）继电器。

表4-2 电压互感器技术参数

安装地点 6KV侧 型 号 JDZJ—6 额定变比（KV） 原绕组 6/3 副绕组 0.1/3 辅助绕组 0.1/3 4.7 母线的选择

4.7.1 母线材料、形式、和布置方式的选择

1. 由于铝的导电性能好、成本低，因此，母线材料一般采用铝或铝合金材料。 2. 常用的母线有软母线和硬母线，本设计220KV采用软母线。

软母线选择的一般条件：

1) 配电装置中软母线的选择，应根据环境和回路负荷电流、电晕、无线电

干扰等条件，确定导线的截面和导线的结构形式；

2) 在空气中含盐较大的沿海地区或周围气体对铝有明显腐蚀的场所，应尽

量选用防腐型铝绞线；当负荷电流较大时，应根据负荷电流选择较大截面的导线，当电压较高时，为保持导线表面的电场强度，导线最小截面必须满足电晕的要求，可增加导线外径或增加每相导线的根数； 3) 对于220KV及以下的配电装置，电晕对选择导线截面一般不起决定作用，

故可根据负荷电流选择导线截面，导线的结构形式可采用单根钢芯铝绞线组成的复导线。

3. 母线的散热条件和机械强度与母线的布置方式有关，其布置方式可分为支持

和悬挂式；支持式使用和母线工作电压的支持绝缘子把母线固定在钢架或墙板等建筑物上，采用水平布置方式。

4.7.2 母线选择计算

（1）汇流母线按正常工作最大电流Igmax选择其截面S（mm2），即按长期发热允许电流选择，要求导体所选的电路中最大持续工作电流Igmax应不大于导体长期发热允许电流Iy，即IgmaxIy （2）按短路热稳定校验：

SICtjkf (4-6)

式中 C——散热系数；

kf——肌肤效应系数。

（3）按电晕电压校验（35kV及以上电压级母线）：使晴天工作电压小于临界电晕电压，即

UljUg (4-7)

式中 Ulj——临近电晕电压（kV）；

其值按下式计算：

Ulj84kmrr(10.301alg) (4-8) rr式中 k——三相导体等边三角形布置取1，水平布置取0.96；

mr——导体表面粗糙系数，管型母线及单股导线取0.98~0.93，

多股绞线取0.87~0.83；

——空气相对密度；

r——导体半径,矩形母线为四角的曲率半径； a——相间距离。

（4）硬母线校验动稳定

xur （4-9） 式中 xu——允许应力