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发电厂及电力系统论文

第一章电气主接线设计

1.1 110KV变电站的技术背景 

近年来，我国的电力工业在持续迅速的发展，而电力工业是我国国民经济的一个重要组成部分，其使命包括发电、输电及向用户的配电的全部过程。

完成这些任务的实体是电力系统，电力系统相应的有发电厂、输电系统、配电系统及电力用户组成。

110KV变电所一次部分的设计，是主要研究一个地方降压变电所是如何保证运行的可靠性、灵活性、经济性。

而变电所是作为电力系统的一部分，在连接输电系统和配点系统中起着重要作用。

我们这次选题的目的是将大学四年所学过的《电力工程》、《电力系统自动化》、《电机学》、《电路》等有关电力工业知识的课程，通过这次毕业设计将理论知识得以应用。

1.2 主接线的设计原则 

在进行主接线方式设计时，应考虑以下几点：

变电所在系统中的地位和作用：

近期和远期的发展规模； 

负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响；

主变压器台数对主接线的影响：

备用容量的有无和大小对主接线的影响。

1.3主接线设计的基本要求 

根据有关规定：

变电站电气主接线应根据变电站在电力系统的地位，变电站的规划容量，负荷性质线路变压器的连接、元件总数等条件确定。

并应综合考虑供电可靠性、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过度或扩建等要求。

 a.可靠性 

所谓可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电，衡量可靠性的客观标准是运行实践。

主接线的可靠性是由其组成元件（包括一次和二次设备）在运行中可靠性的综合。

因此，主接线的设计，不仅要考虑一次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。

同时，可靠性并不是绝对的而是相对的，一种主接线对某些变电站是可靠的，而对另一些变电站则可能不是可靠的。

评价主接线可靠性的标志如下：

（1）断路器检修时是否影响供电； 

（2）线路、断路器、母线故障和检修时，停运线路的回数和停运时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电； 

（3）变电站全部停电的可能性。

b.灵活性 

主接线的灵活性有以下几方面的要求：

（1）调度灵活，操作方便。

可灵活的投入和切除变压器、线路，调配电源和负荷；能够满足系统在正常、事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。

（2）检修安全。

可方便的停运断路器、母线及其继电器保护设备，进行安全检修，且不影响对用户的供电。

（3）扩建方便。

随着电力事业的发展，往往需要对已经投运的变电站进行扩建，从变压器直至馈线数均有扩建的可能。

所以，在设计主接线时，应留有余地，应能容易地从初期过度到终期接线，使在扩建时，无论一次和二次设备改造量最小。

c.经济性 

可靠性和灵活性是主接线设计中在技术方面的要求，它与经济性之间往往发生矛盾，即欲使主接线可靠、灵活，将可能导致投资增加。

所以，两者必须综合考虑，在满足技术要求前提下，做到经济合理。

（1）投资省。

主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备投资；要使控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资；要适当限制短路电流，以便选择价格合理的电器设备；在终端或分支变电站中，应推广采用直降式（110/6～10kV）变电站和以质量可靠的简易电器代替高压侧断路器。

（2）年运行费小。

年运行费包括电能损耗费、折旧费以及大修费、日常小修维护费。

其中电能损耗主要由变压器引起，因此，要合理地选择主变压器的型式、容量、台数以及避免两次变压而增加电能损失。

（3）占地面积小。

电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和节省架构、导线、绝缘子及安装费用。

在运输条件许可的地方，都应采用三相变压器。

（4）在可能的情况下，应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。

1.4高压配电装置的接线方式 

a.单母线接线

图1  单母线接线方式

优点：

接线简单清晰、设备少、操作方便；隔离开关仅在检修设备时作隔离电压用，不担任其它任何操作，使误操作的可能性减少；此外，投资少、便于扩建。

缺点：

不够灵活可靠，任意元件的故障或检修，均需使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时各部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线分开后才能恢复到非故障段的供电。

适用范围：

只有一台主变压器，10KV出线不超过5回，35KV出线不超过3回，110KV出线不超过2回。

b.单母线分段接线

图2 单母线分段接线

优点：

（1）用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两条回路，有两个电源供电； 

（2）当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

缺点：

（1）当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电；

（2）当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越； （3）、扩建时需向两个方向均衡扩建。

适用范围：

（1）6～10KV配电装置出线回路数为6回及以上时； 

（2）35～63KV配电装置出线回路数为4～8回时； 

（3）110～220KV配电装置出线回路数为3～4回时。

c.双母线接线

图3双母线接线（TQF-母线联络断路器）

双母线接线，其中一组为工作母线，一组为备用母线，并通过母线联路断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上，由于母线继电保护的要求，一般某一回路母线连接的方式运行。

在进行倒闸操作时应注意，隔离开关的操作原则是：

在等电位下操作应先通后断。

如检修工作母线时其操作步骤是：

先合上母线断路器TQF两侧的隔离开关，再合上TQF，向备用线充电，这时两组母线等到电位。

为保证不中断供电，应先接通备用母线上的隔离开关，再断开工作母线上隔离开关。

完成母线转换后，再断开母联断路器TQF及其两侧的隔离开关，即可对原工作母线进行检修。

优点：

（1）供电可靠 

通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断,一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路的母线隔离开关,只停该回路。

（2）调度灵活 

各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。

（3）扩建方便 

向双母线的左右任何一个方向扩建,均不影响两组母线单位电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。

当有双回架空线路时，可以顺序布置，以至接线不同的母线短时不会如单母线分段那样导致出线交叉跨越。

（4）便于实验 

当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。

缺点：

（1）增加一组母线和使每回路就需要加一组母线隔离开关。

（2）当母线故障或检修是隔离开关作为倒换操作电器,容易误操作。

为了避免隔离开关误操作,需要隔离开关和短路器之间装设连锁装置。

适用范围：

出线带电抗器的6~10KV出线，35~60KV配电装置出线超过8回或连接电源较多，负荷较大时，110KV~220KV出线超过5回时。

d.双母线分段接线

图4 双母线分段接线

220KV进出线回路数较多,双母线需要分段,其分段原则是：

（1）当进线回路数为10～14时,在一组母线上用断路器分段；

（2）当进线回路数为15回及以上时，两组母线均用断路器分段；

（3）在双母线接线中,均装设两台母联兼旁断路器； 

（4）为了限制220KV母线短路电流或系统解列运行的要求,可根据需要将母线分段。

e.桥形接线  

当只有两台变压器和两条输电线路时，可采用桥形接线，分为内桥与外桥形两种接线。

（一）内桥形接线 

优点：

高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。

缺点：

（1）变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运。

（2）桥连断路器检修时，两个回路需解列运行。

（3）出线断路器检修时，线路需较长时期停运。

为避免此缺点，可加装正常断开运行的跨条，为了轮流停电检修任何一组隔离开关，在跨条上须加装两组隔离开关。

桥连断路器检修时，也可利用此跨条。

适用范围：

适用于较小容量的发电厂、变电所，并且变压器不经常切换或线路较长，故障率较高情况。

（二）外桥形接线 优点：

同内桥形接线 

缺点：

（1）线路的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运。

（2）桥连断路器检修时，两个回路需解列运行。

（3）变压器侧断路器检修时，变压器需较长时间停运。

为避免此缺点，可加装正常断开运行的跨条，桥连断路器检修时，也可利用此跨条。

适用范围：

适用于较小容量的发电厂、变电所，并且变压器切换或线路短时，故障率较少情况。

此外，线路有穿越功率时，也宜采用外桥形接线。

图5  桥形接线

f.角形接线 

多角形接线的各断路器互相连接而成闭合的环形，是单环形接线。

为减少因断路器检修而开环运行的时间，保证角形接线运行可靠性，以采用3～5角形接线为宜，并且变压器与出线回路宜对角对称分布。

优点 

（1）投资少，平均每回只需装设一台断路器。

（2）没有汇流母线，在接线的任意段上发生故障，只需切除这一段及与其相连接的元件，对系统运行的影响较小。

（3）接线成闭合环形，在闭环运行时，可靠性灵活性较高。

（4）每回路由两台断路器供电，任一台断路器检修，不需中断供电，也不需旁路设施。

隔离开关只作为检修时隔离之用，以减少误操作的可能性。

（5） 占地面积少。

多角形接线占地面积约是普通中型双母线带旁路母线的40%，对地形狭窄地区和地下洞内布置较合适。

缺点：

（1）任一台断路器检修，都成开环运行，从而降低了接线的可靠性。

因此，断路器数量不能多，即进出线回路数受到限制。

（2）每一进出线回路都江堰市连接着两台断路器，每一台断路器又连着两个回路，从而使继电保护和控制回路较单、双母线接线复杂。

（3）对调峰电站，为提高运行可靠性，避免经常开环运行，一般开停机需由发电机出口断路器承担，由此需要增设发电机出口断路器，并增加了变压器空载损耗。

适用范围 

适用于最终进出线为3～5回路的110KV及以上配电装置。

不宜用于有再扩建可能的发电厂，变电所中。

三角形接四角形接

图6  角形接线

1.5主接线的选择与设计 

本设计中电压等级为110/35/10KV，出线情况为110KV出线两回，35KV出线4回（架空），10KV出线10回（电缆）。

根据各种接线方式的优缺点拟定两种接线方案：

方案一：

110KV侧采用内桥形接线，35KV侧采用单母分段接线，10KV侧采用单母分段接线。

方案二：

110KV侧采用单母分段接线，35KV侧采用双母线接线，10KV侧采用单母分段接线。

a.技术比较 

对于110KV侧，由于负荷供电要求高，为了保证供电的可靠性和灵活性所以选择内桥形接线形式。

对于35KV电压侧，供电可靠性要求很高，同时全部采用双回线供电，为满足供电的可靠性和灵活性，应选择单母分段接线形式。

b.经济比较 

对整个方案的分析可知，在配电装置的综合投资，包括控制设备，电缆，母线及土建费用上，在运行灵活性上35KV、10KV侧单母线形接线比双母线接线有很大的灵活性。

由以上分析，最优方案可选择为方案一，其接线如图7所示。

图7  方案一接线方式

1.6主变压器型式的选择 

1.6.1选择原则 

（1）为保证供电可靠性，在变电所中，一般装设两台主变压器； 

（2）为满足运行的灵敏性和可靠性，如有重要负荷的变电所，应选择两台三绕组变压器，选用三绕组变压器占的面积小，运行及维护工作量少，价格低于四台双绕组变压器，因此三绕组变压器的选择大大优于四台双绕组变压器； 

（3）装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台事故后其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的70%以上，并保证用户的一级和二级全部负荷的供电。

1.6.2台数的确定 

为保证供电可靠性，变电站一般装设两台主变，当只有一个电源或变电站可由低压侧电网取得备用电源给重要负荷供电时，可装设一台。

本设计变电站有两回电源进线，且低压侧电源只能由这两回进线取得，故选择两台主变压器。

1.6.3相数的确定 

在330kv及以下的变电站中，一般都选用三相式变压器。

因为一台三相式变压器较同容量的三台单相式变压器投资小、占地少、损耗小，同时配电装置结构较简单，运行维护较方便。

如果受到制造、运输等条件限制时，可选用两台容量较小的三相变压器，在技术经济合理时，也可选用单相变压器。

1.6.4绕组数的确定 

在有三种电压等级的变电站中，如果变压器各侧绕组的通过容量均达到变压器额定容量的15%及以上，或低压侧虽然无负荷，但需要在该侧装无功补偿设备时，宜采用三绕组变压器。

1.6.5绕组连接方式的确定 

变压器绕组连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。

电力系统采用的绕组连接方式只有星形接法和三角形接法，高、中、低三侧绕组如何组合要根据具体工程来确定。

我国110KV及以上电压，变压器绕组都采用星形接法，35KV也采用星形接法，其中性点多通过消弧线圈接地。

35KV及以下电压，变压器绕组都采用三角形接法。

1.6.6三绕组变压器在结构上的基本型式 

（1）升压型。

升压型的绕组排列为：

铁芯—中压绕组—低压绕组—高压绕组，高、中压绕组间距较远、阻抗较大、传输功率时损耗较大。

（2）降压型。

降压型的绕组排列为：

铁芯—低压绕组—中压绕组—高压绕组，高、低压绕组间距较远、阻抗较大、传输功率时损耗较大。

应根据功率传输方向来选择其结构型式。

变电站的三绕组变压器，如果以高压侧向中压侧供电为主、向低压侧供电为辅，则选用降压型；如果以高压侧向低压侧供电为主、向中压侧供电为辅，也可选用升压型。

1.6.7调压方式的确定 

系统110KV母线电压满足常调压要求，且为了保证供电质量，电压必须维持在允许范围内，保持电压的稳定，所以应选择有载调压变压器。

 1.6.8主变压器容量的确定 

主变压器容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷选择，亦要根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。

对装设两台主变压器的变电所，每台变压器容量应按下式选择：

Sn=0.6PM。

因对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证70～80%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力40%。

由于一般电网变电所大约有25%为非重要负荷，因此，采用Sn=0.6

 PM确定主变是可行的。

已知：

35KV侧Pmax=54 MW，cosφ=0.80      

10KV侧Pmax=20 MW，cosφ=0.80 

所以，在其最大运行方式下：

Sn=0.6*（54/0.80+20/0.80）=55.5 MVA 

选择变压器的主要参数为 

额定电压：

110±8×1.25%KV，38.5±2×2.5%KV，10.5KV 

空载损耗：

84.7KW 

空载电流：

1.2%

接线组别：

Yn，yn，d11 

阻抗电压：

U（1-2）%=17.5% ，U（1-3）%=10.5% ，U（2-3）%=6.5% 

第二章.短路电流计算

2.1 短路电流计算的概述 

2.1.1概述 

短路是电力系统中最常见和最严重的的一种故障，所谓短路，是指电力系统正常情况以外的一切相与相之间或相与地之间发生通路的情况。

引起短路的主要原因是电气设备载流部分绝缘损坏。

引起绝缘顺坏的原因有：

过电压、绝缘材料的自然老化、机械损伤及设备运行维护不良等。

此外，运行人员的误操作、鸟兽跨接在裸露的载流部分以及风、雪、雨、雹等自然现象均会引起短路故障。

在三相系统中，可能发生的短路有：

三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路。

运行经验表明，在电力系统各种故障中，单相接地短路占大多数，两相短路较少，而三相短路的机会最少，但三相短路的短路电流最大，故障产生的后果也最为严重，必须给予足够的重视。

因此采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。

 2.1.2短路计算的意义  

在供电系统中，危接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。

造成短路的主要原因是电气设害最大的故障就是短路。

所谓短路就供电系统是一相或多相载流导体备载流部分的绝缘损坏、误操作、雷击或过电压击穿等。

由于误操作产生的故障约占全部短路故障的70%在短路回路中短路电流要比额定电流大几倍甚至大几十倍，通可达数千安，短路电流通过电气设备和导线必然要产生很大的电动力，并且使设备温度急剧上升有可能损坏设备和电缆。

在短路点附近电压显著下降，造成这些地方供电中断或影响电机正常，发生接地短路时所出现的不对称短路电流，将对通信工程线路产生干扰，并且短路点还可使整个系统运行解列。

 2.1.3短路计算的目的 

a.对所选电气设备进行动稳定和热稳定校验。

b.进行变压器和线路保护的整定值和灵敏度计算。

c.在选择继电保护和整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

2.2短路计算的一般规定 

2.2.1计算的基本情况 

（1）电力系统中所有电源均在额定负载下运行。

（2）所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）。

（3）短路发生在短路电流为最大值时的瞬间。

（4）所有电源的电动势相位角相等。

（5）应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。

对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。

 2.2.2接线方式 

计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。

2.2.3基本假定 

a.正常工作时，三相系统对称运行。

b.所有电源的电动势相位角相同。

c.短路发生在短路电流为最大值的瞬间。

d.不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

2.3短路计算的方法 

对应系统最大运行方式，按无限大容量系统，进行相关短路点的三相短路电流计算，求得I〞、ish、Ish值。

I〞──三相短路电流。

ish──三相短路冲击电流，用来校验电器和母线的动稳定。

Ish──三相短路全电流最大有效值，用来校验电器和载流导体的的热稳定。

Sd──三相短路容量，用来校验断路器和遮断容量和判断容量是否超过规定值，作为选择限流电抗的依据。

2.4短路电流计算 

a.选择计算短路点 

在下图中，d1，d2，d3分别为选中的三个短路点

b.画等值网络图

图8 等值网络通

c.计算 

已知：

（1）系统电压等级为110KV、35KV、10KV，基准容量Sj=100MVA，系统110KV母线系统短路容量为3000MVA，110KV侧为双回LGJ-185/30KM架空线供电。

（2）视系统为无限大电流源，故暂态分量等于稳态分量，即I＂=I∞，

S＂= S∞ 

（3）主变压器，基准容量Sj=100MVA 基准电压Uj=1.05 Ue =115KV

基准电流

基准电抗

所以：

对侧110kv母线短路容量Skt的标幺值为

对侧110kv母线短路电流标幺值

对侧110kv系统短路阻抗标幺值

对于LGJ-185线路X=0.382Ω/KM 

则XS*=0.0333+（0.382×35）/132/2=0.084

d1，d2，d3点的等值电抗值计算公式：

X1=1/2×｛U（1-2）%+U（1-3）%-U（2-3）%｝

X2=1/2×｛U（1-2）%+U（2-3）%-U（1-3）%｝

X3=1/2×｛U（1-3）%+U（2-3）%+U（1-2）%｝ 

由变压器参数表得知，绕组间短路电压值分别为：

U（1-2）%=17.5%  U（1-3）%=10.5%  U（2-3）%=6.5% 

主变额定容量SN=63MVA 

所以X1=1/2×（17.5+10.5-6.5）=10.75 

X2=1/2×（17.5+6.5-10.5）=6.75 

X3=1/2×（10.5+6.5-17.5）=-0.25

标么值:

X1*=X1/100×（Sj/SN）=10.75/100×（100/63）=0.17       

  X2*=X2/100×（Sj/SN）=6.75/100×（100/63）=0.11     

X3*=X3/100×（Sj/SN）=-0.25/100×（100/63）=-0.004 

已知110KV系统折算到110KV母线上的等值电抗Xs*=0.084

（1）当d1点短路时

图9 d1点短路等值电路

其中Id——短路电流周期分量有效值

 Id″——起始次暂态电流     I——t=∞时稳态电流     Sk——短路容量

（2）当d2点短路时

图10 d2点短路等值电路

（3）当d3点短路时

图11 d3点短路等值电路

额定电流计算 

因为IN=Ij×SN/Sj（SN=63MVA，Sj=100MVA，Ij1=0.502KA，Ij2=1.56KA，Ij3=5.5KA）

所以IN1=0.502×63/100=0.32KA

IN2=1.56×63/100=0.98KA

IN3=5.5×63/100=3.47KA 

第三章.电气设备选择与校验 

3.1电气设备选择的一般条件 

   各种电气设备的功能尽管不同，但都在供电系统中工作所以在选择时必然有相同的基本要求。

在正常工作时必需保证工作安全可靠，运行维护方便时，投资经济合理。

在短路情况下，能满足动稳定和热稳定要求。

（一）按正常工作条件，选择时要根据以下几个方面 

a.环境 产品制造上分户内型和户外型，户外型设备工作条件较差，选择时要注意。

此外，还应考虑防腐蚀、防爆、防尘、防火等要求。

b.电压 选择设备时应使装设地点和电路额定电压UN小于或等于设备的额定电压UN.et，即：

UN.et≥UN。

但设备可在高于其铭牌标明的额定电压10～15%情况下安全运行。

c.电流电气设备铭牌上给出的额定电流是指周围空气温度为时电气设备长期允许通过的电流，选择设备或载流导体时应满足以下条件：

IN.et≥Ig.max式中IN.et──该设备铭牌上标出的额定电流. 

Ig.max──该设备或载流导体长期通过的最大工作电流。

目前我国规定电器产品的θ0=40℃，如果电气设备或载流导体所处的周围环境温度是θ1时，则设备或载流导体允许通过电流I’N.et可修为

式中θN、θ1──分别为设备或载流导体的在长期工作时允许温度和实际环境温度。

d.按断流能力选择设备的额定开断电流Ico或断流容量SOC不应小于设备分断瞬间的短路电流有效值Ik或短路容量SK，即：

Ico≥Ik，Soc≥Sk。

（二）按短路情况下进行动稳定和热稳定的校验 

a.按短路情况下的动稳定，即以制造厂的最大试验电流幅值与短路电流的冲击电流相比，且iet≥ish。

式中iet──额定动稳定电流，用来表征断路器和承受短路电流电动力的能力，用来选择断路器时的动稳定校验。

ish──冲击电流。

b.短路情况下的热稳定 

热稳定应满足  

It──短路电流瞬时值（kA）；   t──短路电流热效应计算时间（s）； 

I──时间为∞短路电流周期分量；tjx──短路电流的假想时间； 

tjx＝tj＋tdl＋0.05（s）；    tj──继电保护整定时间（s）； 

tdl──断路器动作时间（s）；  0.05──考虑短路电流非周期分量热稳定的等效时间。

热稳定电流Ite是断路器能承受短路电流热效应的能力。

按照国家标准规定，断路器通过热稳定电流在4s时间内,温度不超过允许发热温度,且无触头熔解和妨碍其正常工作的现象,则认为断路器是热稳定的。

对电流互感器则满足下面的热稳定关系：

或

式中Kt──