《发电厂变电所电气一次部分课程设计指导资料》.docx

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《发电厂变电所电气一次部分课程设计指导资料》

广西水利电力职业技术学院

发电厂变电所

电气一次部分设计

指导资料

适用专业：

发电厂及电力系统

电力系统自动化

电力工程系

2011年3月

绪论电气设计概述---------------------------------------------------3

§1负荷资料的统计分析-------------------------------------------4

§2电气主接线的确定----------------------------------------------5

§3短路电流的计算-------------------------------------------------16

§4导体和电器的选择设计----------------------------------------18

§5厂（所）用电设计----------------------------------------------31

§6配电装置的设计-------------------------------------------------33

§7防雷保护配置----------------------------------------------------37

§8测量装置设计----------------------------------------------------38

§9设计说明书的编写和图纸绘制-------------------------------39

绪论电气设计概述

发电厂、变电所的设计是一门综合性的科学，它是在多种专业有机配合协作下完成的统一整体。

电力专业技术人员主要进行电气设计工作，它是整个设计的核心环节，并贯穿始终。

一、发电厂、变电所设计的一般程序如下：

1、首先根据负荷的增长需求及系统发展要求，分析确定建立新厂、所的必要性进行初步可行研究，提出项目建议书。

2、确立项目后，要多方勘察收集各方面的详细资料，如气象、地形、地质、交通、负荷分布等等，进行可行性研究，提出设计任务书。

3、根据设计任务书，组织人员正式进行工程的初步设计、勾画出工程概貌，控制工程投资，贯行技术经济政策，提出相应的初步设计文件。

4、初步设计经批准后，便可开展施工图设计，提出相应的设计图纸和说明，满足设备订货所需，并保证施工顺利进行。

二、本次电气课程设计的条件和内容

在进行本次设计前已规定了设计项目、任务书，并已收集了各方原始资料，即前期资料准备工作已不需要同学们考虑，而后期的施工图设计亦不在我们本次设计的范围内，我们此次设计主要是进行电气初步设计。

因而本电气课程设计指导资料是针对初步设计阶段进行的，其设计内容见本指导资料所列各章节内容。

三、电气课程设计的方法（步骤）

1、首先我们要搞清楚《电气课程设计》实际上是围绕着我们已经学习过的一些专业知识来进行设计的，它需要我们把原来学过的《电路基础》《电机学》《电力系统分析》《发电厂变电所电气设备》等多门课程的知识内容进行复习和巩固，通过做一个项目把这些知识连贯地串接起来，使我们能够明白原来分散学习的这些课程是如何配合的？

他们之间存在着怎样的相互交叉联系的关系？

如何应用这些知识来解决一些实际的问题？

从而达到提高我们综合解决问题的能力的目的。

为此，大家在设计之初和在设计过程中，要不断地翻书，对应查找原来讲过的内容，对原有的专业知识进行复习，并利用本次设计把原来在学习某门课程的过程中不太明白的地方重新弄清楚，而且通过这样的设计训练，更学习到一些新的知识，特别是运用知识解决问题的思维和思考能力，这样就能够达到提高的目的。

所以，设计就是一个庞大的系统工程，需要调动许多知识内容并通过综合整理判断才能完成，不会有现成的东西照抄的。

2、那么，如何进行设计呢？

通常，我们在做设计之前，应当先把设计任务书通读几遍，弄清楚要我们做什么？

需要用到哪些知识（课本）？

我们已经知道了哪些设计条件？

大概可能怎么做？

然后根据老师讲课的指导和提示，按照设计的要求项目，一步一步地往下编写。

在这个过程中，会遇到不少困难和问题，这就需要同学们要进行资料的查找，并应当与其他同学进行探讨分析。

当然老师也会及时地给大家进行一定的做法讲解，引导大家最终完成设计。

但最重要的是自己一定要积极参与和思考问题，独立自主地完成本次设计。

§1负荷资料的统计分析

一、电力负荷分类

负荷的统计分类对主接线的确定影响很大，因为重要的负荷要求的供电可靠性较高，也就是说要求选可靠性高的主接线形式，而次要的负荷要求的供电可靠性较抵，也就是说可以选可靠性不太高的简单主接线，使得设计合理经济。

对于电力负荷按供电重要性可分为以下三类：

1、一类负荷——是指此种负荷如中断供电，将造成人们生命危险，设备损坏，大量产品报废，给国民经济造成重大损失，在政治上造成重大影响。

2、二类负荷——是指此种负荷如停止供电，将造成大量减产，工厂窝工以及使城市中大量居民的正常生活受到影响等。

3、三类负荷——指不属于一、二级负荷的其他负荷，停电不会带来严重后果。

二、分级负荷对供电的要求

1、对于一类负荷——必须要有两个独立的电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对全部一类负荷不间断供电。

2、对于二类负荷——一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证大部分二类负荷的供电。

3、对于三类负荷——一般只需一个电源供电。

三、负荷的统计方法

电力生产、消费是一条龙，从头到尾都是息息相关的。

用户用多大的电量，电厂就输送多大的电量，输送电能的载流导体和电器开关也就应能承受这么多电量而不损坏。

即负荷的容量大小是选择导体和电器的依据。

例如对于主变压器容量的选择，断路器、隔离开关容量的选择等等，都要考虑实际有多大的负荷通过。

所以负荷统计是进行设计的首要考虑内容。

进行负荷统计时，要注意用户设备额定容量之和并不等于供电系统供给的总容量。

因为多数设备通常时在小于额定容量的条件下运行，并且有些设备是间歇运行的，所以实际由电源取得的功率要比用户所装的设备铭牌额定功率总和为小。

这个实际取用的功率我们称为“计算负荷”。

方法如下：

（1）一组设备的计算负荷Pjs=需要系数Kx×该组设备容量之和∑Pe。

（2）多组设备的计算负荷Pjs=同时系数Kt×各组的计算负荷之和∑Pjs。

另外，计算负荷要考虑电力网的电能损耗，即电网线路首端送出的负荷，等于电网末端的负荷加上电网线路产生的电能损耗。

如已知网损率ａ，则电能损耗＝网损率ａ×末端负荷。

所以电网线路首端负荷Pmax＝（１+ａ）×末端负荷Pjs。

进行负荷统计时，还应注意到负荷的发展，须把远期负荷也统计在内。

§2电气主接线的确定

发电厂（变电所）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量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（所）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。

我们应该在满足国家有关技术经济政策的前提下，着重分析发电厂、变电所在系统中所处的地位及其规模、性质和所采用的设备特点，设计出符合实际需要的经济合理的电气主接线。

一、主接线的设计中要考虑的原则

主接线是电力系统的组成部分，其设计应考虑下列问题：

1、发电厂和变电所在电力系统中的地位和作用。

2、近期和远期发展规模。

（供电电压、负荷大小和分布等）

3、出线回路数和负荷重要性分级。

4、主变压器的选择（台数、容量、型式、额定电压、调压范围）。

5、发、送、变电的备用容量。

6、无功补偿装置的选择（型式、容量、数量）。

7、系统短路容量和变压器中性点接地方式。

8、与系统连接方式。

二、主接线设计的基本要求

主接线设计应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求：

1.可靠性

供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，主接线首先要满足这个要求，避免全厂或全所停电和大面积停电等。

对可靠性应理解如下问题：

（1）可靠性的客观衡量标准是运行实践。

经长期实践考验的主接线应择优考虑，即应遵循现行设计规程。

（2）主接线的可靠性是它的各组成元件可靠性的综合。

因此，要同时考虑一、二次设备的故障率及其对供电的影响。

（3）可靠性不是绝对的。

同样的主接线对某些厂（所）是可靠的，但对另一些厂（所）却可能还不够可靠。

因此，评价可靠性时，不能脱离发电厂（变电所）在系统中的地位和作用。

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、母线故障时，以及母线检修时，停运出线回路数的多少和停电时间长短，以及能否保证对重要用户的供电。

（3）发电厂和变电所全部停运的可能性。

（4）对大机组超高压情况下的电气主接线，应满足可靠性准则的要求。

2.灵活性

主接线的灵活性要求有以下几方面：

（1）为了调度的目的，可以灵活地操作、投入或切除某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷；能够满足系统在事故运行方式以及特殊运行方式下的调度要求。

（2）为了检修的目的，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备进行安全检修，而不致影响电力网的运行或停止对用户的供电。

（3）为了扩建的目的，可以容易地从初期过渡到最终接线，在扩建过渡时，无论一次和二次设备等所需要的改造为最小。

3.经济性

主接线在满足上述要求的前提下要做到经济合理，即：

（1）投资省主接线应简单清晰，以节约断路器，隔离开关，电流和电压互感器，避雷器等一次设备的投资；要能使控制保护不过与复杂，以利于运行并节约二次设备和控制电缆的投资；要能限制短路电流，以便选择价格合理的电气设备或轻型电器；在终端或分支变电所所推广采用质量可靠的简易电器。

（2）占地面积小主接线要配电装置布置创造条件，以节约用地和节省架构、导线、绝缘子及安装费用。

在运输许可的地方，都要采用三相变压器，而不用单相变压器，以简化布置。

（3）电能损失少经济合理地选择变压器地型式，容量和数量，避免两次变压而增加电能损失。

此外，在系统设计中，要避免建立复杂地操作枢纽，不在发电厂和变电所出现两个中压或两个低压，总的电压等级不多于3个。

三、基本的主接线形式

1、单母线接线适用条件——该接线一般只适用于出线回路数少的下列配电装置中，并且电压等级越高，所连接的回路数越少：

（1）6～10千伏配电装置的出线回路数不超过5回时（对于厂用配电装置则一般按炉分段）；

（2）35～60千伏配电装置出线回路数不超过3回时（当为两回出线时，一般采用桥式连接）；

（3）110～220千伏配电装置出线回路数不超过两回时（当为两回出线时，多采用桥形连接或多角形接线）。

2、单母线分段接线其采用的条件如下：

（1）6～10千伏配电装置出线回路数为6回及以上时，一般采用单母分段接线。

（2）35～60千伏配电装置出线回路数为4—8回时，一般采用单母线分段接线。

（3）110～220千伏配电装置的出线回路数为4回时，一般采用单母线分段接线。

3、双母线连接及分段：

我国对于各级电压配电装置采用双母线的具体条件如下：

（1）出线带电抗器的6～10千伏的配电装置采用双母线。

（2）35～60千伏配电装置当出线回路数教多（超过8回）时，或连接线的电源较多，负荷较大时，可采用双母线连接。

（3）110～220千伏配电装置当出线回路数为5回以上时，一般采用双母线接线。

我国110～220千伏变电所和升压站，一般不采用双母线分段接线。

4、配电装置中的旁路设施或专用的旁路断路器，应按下列条件设置：

（1）采用分段单母线或双母线的110～220千伏配电装置中，除断路器允许停电检修外，一般设置旁路设施。

当有旁路母线时，应首先采用以分段断路器或母联断路器兼作旁路断路器的接线。

当220千伏出线回路5回及以上或110千伏出线为7伏以上时，一般装设专用的旁路断路器，在枢纽变电所中，当220千伏出线为4回及以上或110千伏出线为8回以上时，也可装设专用的旁路断路器。

（2）35～60千伏配电装置中，一般不设旁路母线；如线路断路器不允许停电检修，可设置其他旁路设施。

（3）当地区电力网或用户不允许停电检修线路断路器时，采用单母线或分段单母线的6千伏和10千伏配电装置中，可设旁路母线。

5、接在母线上的阀型避雷器和电压互感器，一般合用一组隔离开关，接在变压器引线上的阀型避雷器回路中，一般不装设隔离开关。

四、关于主变压器的选择、设计的一些问题

（一）变压器的类型和结构介绍

1、变压器有单相变压和三相变压器，一般情况下，多采用三相变压器，只有在特殊场合，如山区水电站，受运输条件的限制，三相变压器运不进或主变容量特大，三相变压器无法满足要求时才采用单相变压器。

2、变压器有双绕组变压器、三绕组变压器，自耦变压器和分裂变压器。

3、主变压器分为升压变压器和降压变压器两种。

①升压变压器

在电网中，升压变压器直接与电源联接，位于线路首端，故在升压变压器的低压侧额定电压与电源电压相等，在高压侧（或中压侧）的额定电压则应为线路额定电压的110％，例如发电机电压为10.5kV，线路额定电压为110kV，则升压变压器的额定电压应为121/10.5kV。

②降压变压器

与升压变压器相反，降压变压器的高压侧等于线路额定电压，而低（中）压侧比线路额定电压高10％，所以其变压器变比为110/11KV。

４、为适应电压水平变化，变压器上有分接头，在设计中，根据实际情况，应选用适应要求的分接头，电压分接头的范围如下：

（1）无激磁调压变压器（即普通变压器）

①6300KVA及以下的变压器，高压侧线圈有3个分接头：

U=Ue±5%

②8000KVA及以上的变压器，高压侧线圈有5个分接头：

U=Ue±2×2.5%

③三卷变压器的中压线圈U=Ue±5%

（2）有载调压变压器

①电压为110K及以下的高压线圈：

U=Ue±3×2.5%

②电压为220KV的高压线圈：

U=Ue±4×2.5%

③无激磁调压变压器的二次侧电压在-7.5和-10％分接时，应较其额定电流各降低2.5%和5%。

5、变压器结构有“吊芯式”和“钟罩式”。

这是指检修时变压器和吊装情况而言。

“吊芯式”须整个变压器线圈及铁芯吊出来才能检修，而“钟罩式”只需将油放干，然后吊起外壳即可检修，从而可减轻检修的起吊重量，通常，大容量变压器多采用“钟罩式”油箱结构。

6、变压器按采用的线圈材料不同，有铜芯变压器和铝芯变压器两种，铜芯的电能损耗较铝芯小，铝芯的价格较铜芯低。

7、110KV三卷变压器有全绝缘变压器和半绝缘变压器两种，这是就110KV中性点的绝缘水平而言，在110KV中性点直接接地系统中，一般采用半绝缘变压器。

（二）关于几种变压器的特点及应用范围

1、双绕组变压器

一般用于只有两个电压等级的发电厂或变电所中。

结构较简单可靠，价格较低。

2、三绕组变压器

（1）应用于具有三个电压等级的电网中。

（2）三个绕组的容量比有几种组合：

100/100/100、100/100/50、100/50/100，在设计中，应根据实际情况选定容量比。

（3）用三绕组变压器，要求通过主变压器各侧绕组的功率达到该变压器容量的15%以上。

（4）三绕组变压器除在变比上分为升压型、降压型，其内部结构也分为升压型和降压型两种，相应地绕组间短路电压数值也有参数差别，选择时应注意。

①升压型的绕组排列由外至内为高、低、中，即高、中压绕组之间的漏磁通较大，相应地短路电压Ud1-2%也比大。

②降压型地绕组排列由外至内为高、中、低，即高、低压绕组之间地漏磁通较大，相应地短路高压Ud1-3%也较大。

一般发电厂宜用升压型结构，降压变电所宜用降压型结构。

但考虑到系统的运行或限制短路电流的需要，降压变电所也可采用升压型结构的降压变压器。

总之，三绕组变压器的最大阻抗放在高、中压侧还是放在高、低压侧是选择时应全面考虑的问题。

3、自耦变压器

（1）自耦变压器除了自耦联系的高压绕组和中压绕组外，还有一个第三绕组，单独接成三角形。

此时，自耦变压器和一个普通的三绕组变压器作用相同，自耦变压器比普通变压器消耗的材料少，造价低。

（2）自耦变压器的中性特点必须直接接地，因此，它必须应用在有两个电压等级时中性点直接接地的电网中，即须有两个电压等级为110KV及以上。

（3）如果继电保护需要以及为限制系统的单相短路电流不大于三相短路电流，系统中部分变压器的中性点不允许接地时，就不能应用自耦变压器，而改用三绕组变压器。

（4）自耦变压器的设计还有一些特殊情况，可参考其他手册规定。

（三）降压变电所变压器的选择

1.变电所负荷统计：

S=（l+α）KtΣ（P/cosф）

式中：

α——网损率

Kt——同时率

P——各用户负荷（包括其他所有可能流经变压器的负荷，如穿越功率）

进行负荷统计时，应注意到负荷的发展，须把远期负荷也统计在内，另外所用负荷也不能忽略。

2、主变压器台数

为保证供电可靠性，变电所一般装设两台变压器。

当只有一个电源或变电所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。

对于大型枢纽变电所，根据工程具体情况，可安装2～4台主变压器。

3、主变压器容量

主变电压器的容量选择应根据5～10年的发展规划进行，并考虑变压器正常运行和事故时的过负荷能力。

对装两台变压器的变电所，每台变压器的额定容量一般按Se=0.6SM选择，SM为变电所最大负荷，这样，当一台变压器停用时，仍可保证对60%全部负荷的供电。

对于一、二类负荷比重大的变电所，应能在一台变压器停用时，其余变压器仍能保证用户的一类负荷和大部分二类负荷。

4、主变压器的型式

一般采用三相式变压器。

具有三种电压的变电所，如通过主变压器各侧绕组的功率均达到15%Se以上时，可采用三绕组变压器。

其中，当主网电压为110～220KV及以上，中压为110KV及以上时，多采用自耦变压，以得到较大的经济效益。

5、通常主变压器采用普通的变压器，只当系统有特殊调压要求，普通变压器又无法满足时，才采用有载调压变压器。

6、选择变压器分接头时，应考虑最大和最小两种运行分式，情况复杂。

本次设计只要求粗略选定分接头，不深入计算。

7、若选择两种不同型号的变压器，应注意其并列条件是否满足要求。

（四）主变压器布置的有关问题

1、主变的位置应尽可能靠近低压侧户内配电装置，但与建筑物的距离不应小于1.25米。

这样可减少连接母线的长度。

2、布置时，要注意防爆，考虑放宽距离，加设隔墙或改变变压器事故喷油孔的方向。

另外，防火也应考虑。

3、布置在主变旁边的避雷器高压引线，应考虑当避雷器端帽损坏时，避免甩线打坏主变压器的高压套管。

4、进行平面布置时，通常主变的上空不宜有架空线或引线架构跨越，如有，须考虑留足起吊高度，以方便检修吊芯、壳。

五、主接线的设计方法和步骤

（一）电气主接线的设计，一般分为以下几步：

1、拟定可行的主接线方案：

根据设计任务的要求，在分析原始资料的基础上，拟定出若干个可行的方案，内容包括主变压器型式、台数和容量、各级电压配电装置的接线方式等。

2、由接线的基本要求，从技术可靠性上论证各方案的优缺点，淘汰一些较差的方案，保留2～3个技术上相当的较好方案。

3、对2～3个技术上较好的方案进行经济计算，选择出经济上最佳的方案，该方案也就是技术经济均较合理的最优主接线方案。

4、绘制电气主接线单线图：

电气主接线一般按正常运行方式绘制，采用全国通用的图形符号和文字代号，并将所用设备的型号、变压器主要参数、母线及电缆截面等标注在单线图上。

单线图上还应标出电压互感器、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的接地方式等。

（二）电气主接线方案的经济计算

经济计算是计算各个主接线方案的费用和效益，为选择经济上的最优方案提供依据。

在经济比较中，一般有投资和年运行费用两大项。

计算时，并不需要计算全部建造费用，可只计算个方案不同部分的投资和年运行费用。

这样做，并不会影响比较的结果，此外，由于比较是相对的，故不必过分追求数字的精确。

实际上，在选择方案阶段，也不可能把投资计算得很准确。

具体计算如下：

1、计算综合投资Z：

Z=ZT+ZD（万元）

式中：

ZT——为变压器综合投资。

除包括变压器本身价格外，包括了运输和现场安装、架构、基础、铁轨、电缆等附加费用。

变压器本身价格为Z0，各项附加费用可用

Z0表示，则变压器综合投资为：

ZT=Z0（l+

）

ａ——不明显的附加费用比例系数，一般220KV取70，110KV取90。

ZD——为配电装置综合投资。

包括其中设备价格和建筑安装费用。

变压器及配电装置综合投资的指标可参见下面附录一、附录二。

2、计算年运行费用U：

U=ａ·△A×10-4+U1+U2（万元）

式中：

U1——小修、维护费，一般为（0.022～0.042）本次设计取0.022Z（变电工程）

U2——折旧费，一般为（0.005～0.058）Z，本次设计取0.058Z。

（变电工程）

ａ——电能电价，由各省市实际电价确定。

本次设计取0.50元/KW·h

△A——变压器年电能损失总值（KW·h）

※※关于△A的计算方法如下：

当已知最大负荷Smax（或平均负荷S）和最大负荷利用小时Tmax（或全年实际运行时间T0），采用如下公式计算：

（1）对双绕组变压器，当n台相同容量变压器并联运行时，有：

△A=n（△P0+K△Q0）T0+

（△P+K△Q）×（

）2τ（Kw.h）

或△A=n[（△P0+K△Q0）T0+

（△P+K△Q）×（

）2]T0（Kw.h）

式中Sn——一台变压器额定容量（KVA）

Smax——n台变压器承担的最大的总负荷（KVA）

S——n台变压器承担的总平均负荷（KVA）

T0——变压器全年实际运行小时数（h）,一般可取8000h

τ——最大负荷损耗时间（h），可查《电力系统分析》课本。

K——无功经济当量，即为每多发送（或补偿）1kvar无功功率，在电力系统中所引起的有功功率损耗增加（或减少）的值。

一般发电厂取0.2，变电所取0.1~0.15.

（2）n台同容量三绕组变压器并联运行时，有：

1）当容量比为100/100/100、100/100/50时

△A=n（△P0+K△Q0）T0+

（△P+K△Q）×（

+

+

）τ

2）当容量比为100/50/50时

△A=n（△P0+K△Q0）T0+

（△P+K△Q）×（

+

+

）τ

式中S1、S2、S3——为n台变压器三侧分别担负的最大的总负荷（KVA）

S2n、S3n ——分别为第二、三绕组的额定容量（KVA）

3、经济比较方法

对技术上较好的方案分别进行上述投资和年运行费计算后，再通过经济比较，选出经济上最优方案。

（1）抵偿年限法：

在各方案中，Z与U均为最小的方案应优先选用，若出现一各方案Z大U小，另一方案Z小U大，则可采用抵偿年限法决定：

T=

如果算出T小于5～8年，则采用综合造价Z较大的方案。

本次设计拟取偿还年限的准标值为7年。

（2）计算费用最小法：

如果在技术上相当的方案多于两个，可按下列公式分别计算各方案的计算费用C，其中C最小的方案为最经济方案。

C1=

+Ui（ⅰ=1、2、3……）

（3）年费用最小法：

考虑时间因素及复利计算时，可采用年费用最小法。

NF=Z[

]+u