发电厂电气部分课程设计如何高效完成？

99ANYc3cd6 课程介绍 2025-12-06 1

下面我将为你提供一个完整、详尽的课程设计指南，从设计目标、内容、步骤、示例到报告撰写和常见问题,希望能帮助你顺利完成。

课程设计目标

巩固理论知识：系统性地应用和巩固发电厂电气部分的核心理论知识。
培养工程能力：掌握发电厂电气主接线设计、短路电流计算、设备选型、配电装置布置等基本工程设计方法和技能。
锻炼规范意识：熟悉并运用国家及行业相关的设计规范、标准和规程（如《电力工程设计手册》、《导体和电器选择设计技术规定》等）。
提升综合素养：培养查阅文献、分析问题、解决问题、团队协作（如果是小组项目）和工程报告撰写的能力。

设计原始资料（通常由老师给定）

一个典型的课程设计任务书会包含以下信息：

发电厂基本情况：
- 发电厂类型：火电厂、水电厂、核电厂或风电场/光伏电站（本科课程设计以火电厂为主）。
- 装机容量：2 x 300MW 或 4 x 600MW。
- 年利用小时数：5500 小时。
- 电厂在电力系统中的地位和作用：区域性主力电厂、枢纽电厂。
电力系统连接情况：
- 接入电压等级：220kV 和 500kV。
- 出线回路数：220kV 侧 4 回，500kV 侧 2 回。
- 系统情况：系统最大/最小运行方式下的短路容量,或系统阻抗图。
发电机参数：
- 额定容量 (Pn)：300MW。
- 额定电压 (Un)：18kV。
- 额定功率因数 (cosφ)：0.85。
- 次暂态电抗 (d'')：0.18 p.u.。
- 额定转速等。
负荷情况：
- 厂用电率：8%。
- 厂用电负荷等级：I类、II类、III类负荷的组成和容量。
环境条件：
- 海拔高度、最高/最低气温、污秽等级等,用于设备选型和校验。

设计核心内容与步骤

课程设计通常遵循以下逻辑顺序进行：

第一步：电气主接线设计

这是设计的核心,决定了电厂的电能生产和分配的骨架。

发电机与主变压器连接方式：
- 单元接线：发电机与变压器直接连接，无发电机电压母线，这是现代大型火电厂最常用的方式，简单、可靠、占地少。
- 扩大单元接线：两台发电机共用一台主变压器,可节省投资和占地。
- 选择：根据装机容量和电压等级，通常选择发电机-变压器单元接线。
升高电压侧主接线：
- 双母线接线：供电可靠、调度灵活、扩建方便，但投资较高，操作相对复杂，适用于出线回路数较多的场合（如 220kV 侧）。
- 双母线分段接线：可靠性更高，可分段运行，是大型电厂 220kV 及以上电压侧的常用接线。
- 一台半断路器（3/2）接线：可靠性极高，任一元件（母线、断路器、线路）故障不影响供电，但投资巨大，结构复杂，适用于 500kV 及以上枢纽变电站和大型电厂的进出线回路数多的情况。
- 选择：根据出线回路数和重要性，220kV 侧常采用双母线或双母线分段接线，500kV 侧常采用一台半断路器接线。
厂用电接线：
- 原则：安全、可靠、灵活、经济。
- 接线方式：
  - 高压厂用电：通常采用单母线分段接线，由高压厂用变压器供电，按锅炉或机组分段,一段故障不影响另一段。
  - 低压厂用电：也采用单母线分段接线，由低压厂用变压器供电,按负荷重要性或车间分段。
- 备用方式：采用明备用（专用的备用变压器）或暗备用（互为备用的分段变压器），大型电厂通常采用明备用。

第二步：短路电流计算

为了选择和校验电气设备，必须计算系统在最大运行方式下，各短路点（通常为发电机出口、母线、高压出线首端）的三相短路电流。

确定计算条件：
- 运行方式：系统最大运行方式。
- 短路类型：通常计算三相短路。
- 短路点：选择对设备选择起决定性作用的点。
绘制等值电路图：
- 将发电机、变压器、系统电源等元件用其等值电抗（标幺值或有名值）表示。
- 统一基准容量（通常取 Sj=100MVA 或 1000MVA）和基准电压。
计算短路电流：
- 计算各短路点的总等值电抗 X∑。
- 计算短路电流周期分量起始有效值 I''： I'' = Ij / X∑ (标幺值法)。
- 计算冲击电流 ish 和短路全电流最大有效值 Ish。

第三步：主要电气设备选择与校验

根据短路电流计算结果和环境条件，选择设备型号,并按正常和短路条件进行校验。

发电机：根据原始资料直接选型,无需校验。
主变压器：
- 容量选择：S_T ≥ 1.1 * P_G / cosφ (考虑厂用电和备用)。
- 电压选择：与发电机和系统电压匹配（如 18kV/525kV）。
- 绕组连接组别：通常为 YNd11（高压侧星形带中性点接地，低压侧三角形）。
- 校验：短路损耗、阻抗电压、温升等。
高压厂用变压器：
- 容量选择：S_T = P_G * η * cosφ / K_T (η为发电机效率，K_T为厂用负荷率)。
- 电压选择：如 18kV/6.3kV。
断路器：
- 选择：额定电压、额定电流、额定开断电流、额定关合电流、动稳定电流、热稳定电流。
- 校验：
  - 动稳定校验：Ies ≥ ish (断路器的额定峰值耐受电流 ≥ 短路冲击电流)
  - 热稳定校验：I²t ≥ Qk (断路器的额定短时耐受电流²×时间 ≥ 短路电流热效应)
隔离开关：选择与断路器类似，但无开断能力，只需校验动、热稳定性。
母线、电缆、绝缘子：
- 选择：按额定电流和经济电流密度选择截面。
- 校验：按最大持续电流校验发热；按 Ies ≥ ish 和 I²t ≥ Qk 校验动、热稳定性。
互感器 (CT, VT)：
- 选择额定电压、变比、准确级。
- 校验动、热稳定性（CT）。

第四步：厂用电系统设计

厂用电负荷统计与分类：统计全厂负荷，按重要性分为I、II、III类。
厂用变压器选择：选择容量、台数、电压等级。
厂用电接线设计：画出高压和低压厂用电的接线图,表明分段方式和电源引接点。

第五步：配电装置设计

类型选择：根据电压等级、重要性、环境条件选择。
- 屋内配电装置：用于 6-35kV，或污秽严重、场地狭窄地区。
- 屋外配电装置：用于 110kV及以上，结构清晰,投资较低。
- GIS (气体绝缘开关设备)：用于高电压、大城市或对环境要求高的场合,占地极小。
布置设计：
- 安全净距：严格遵守《高压配电装置设计技术规范》(DL/T 5352) 中的 A, B, C, D 值。
- 通道与出口：设置必要的操作和维护通道。
- 绘制平面布置图：用 AutoCAD 或 Visio 绘制主变压器、断路器、隔离开关、母线、构架等的相对位置。

第六步：防雷与接地设计

防雷：设计避雷针或避雷线保护范围,确保所有建筑物和设备都在保护区内。
接地：设计接地网，计算接地电阻，确保满足安全要求（一般 R ≤ 0.5Ω）。

设计成果（最终提交物）

课程设计说明书（计算书）：
- 封面、目录、前言。
- 设计任务与原始资料分析。
- 电气主接线方案论证与选择。
- 短路电流计算过程与结果。
- 主要电气设备选择与校验（列表汇总）。
- 厂用电系统设计。
- 配电装置布置方案说明。
- 结论与心得体会。
- 参考文献。
图纸：
- 电气主接线图：清晰画出所有设备、母线、连接线,并标注设备型号和参数。
- 厂用电接线图：画出高、低压厂用电系统图。
- 配电装置平面布置图：按比例绘制,标出主要尺寸和坐标。
- 短路电流计算等值电路图。

设计示例（简化版）

任务：设计一个 2 x 300MW 火电厂的电气主系统。

主接线：
- 发电机-变压器采用单元接线。
- 220kV 侧：出线 4 回，采用双母线分段接线,设专用旁路母线。
- 500kV 侧：出线 2 回，采用线路-变压器组接线（简化方案）。
短路计算：
- 取基准容量 Sj=1000MVA。
- 计算发电机出口、220kV 母线、500kV 母线等点的 I'', ish。
设备选型：
- 发电机：QFSN-300-2，300MW,20kV。
- 主变压器：SFP-360000/500，360MVA，20kV/525kV,YNd11。
- 220kV 断路器：选择 LW25-252 型 SF6 断路器，其额定开断电流 40kA > 计算的 I'' (约 25kA)，额定峰值耐受电流 100kA > ish (约 63.5kA),满足要求。
- 220kV 母线：选择 LGJ-2x400 型钢芯铝绞线，按经济电流密度选，校验动、热稳定合格。

常见问题与注意事项

资料不全：如果缺少系统短路容量，可以参考《电力工程设计手册》中典型系统的数据,或向老师询问假设值。
单位混乱：计算时务必统一单位，尤其是 kV, kA, MVA, MW 之间的换算，推荐使用标幺值法,可简化计算。
规范不熟：设计不是天马行空，必须遵循《电力工程设计手册》、《导体和电器选择设计技术规定》等，这些是设计的“法律”。
图纸潦草：图纸是工程师的语言，务必使用标准图形符号，线条清晰，标注完整,比例得当。
只算不选：短路电流计算后，一定要根据计算结果去选择具体型号的设备，并进行校验,只计算不选型是常见错误。
报告逻辑不清：说明书应条理清晰，从方案论证到具体计算，再到结果总结,环环相扣。

希望这份指南能为你提供一个清晰的框架,祝你课程设计顺利成功！

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