发电厂电气一次系统设计.docx
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发电厂电气一次系统设计
发电厂电气一次系统设计
摘要
由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。
电气主接线是发电厂、变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。
主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。
并且对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大的影响。
电能的使用已经渗透到社会、经济、生活的各个领域，而在我国电源结构中火电设备容量占总装机容量的75%。
本文是对配有六台50MW汽轮发电机的大型火电厂一次部分的初步设计，主要完成了电气主接线的设计。
包括电气主接线的形式的比较、选择；主变压器、启动/备用变压器和高压厂用变压器容量计算、台数和型号的选择；短路电流计算和高压电气设备的选择与校验;并作了防雷与接地。
关键词：
变压器；发电厂；电力系统；一次设计；电气设备
1前言
由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。
由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。
因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。
据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。
电能是一种清洁的二次能源。
由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度,易于实现自动化。
因此，电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生活的各个方面。
绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅猛发展。
到2003年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第2位。
工业用电量已占全部用电量的50～70%，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。
电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。
电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。
2电气主接线设计
2.1主接线的设计原则
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，直接关系着全站电气设备的选择、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。
主接线的设计是一个综合性的问题。
必须在满足国家有关技术经济政策的前提下，力争使其技术先进、经济合理、安全可靠。
对于6～220KV电压配电装置的接线，一般分两类：
一为母线类，包括单母线、单母线分段、双母线、双母线分段和增设旁路母线的接线；其二为无母线类，包括单元接线、桥形接线和多角形接线等。
2.2主接线设计的基本要求
发电厂的电气主接线应根据该发电厂所在电力系统中的地位，发电厂的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。
并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。
2.2.1主接线可靠性的要求
可靠性的工作是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。
主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次部分在运行中可靠性的综合。
因此，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。
评价主接线可靠性的标志是：
（1）断路器检修时是否影响停电；
（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，以及能否对重要用户的供电；
（3）变电站全部停电的可能性。
2.2.2主接线灵活性的要求
主接线的灵活性有以下几个方面的要求：
（1）调度要求。
可以灵活的投入和切除变压器、线路，调配电源和负荷；能够满足系统在事故运行方式下、检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。
（2）检修要求。
可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备进行安全检修，且不致影响对用户的供电。
（3）扩建要求。
可以容易的从初期过渡到终期接线，使在扩建时，无论一次和二次设备改造量最少。
2.2.3主接线经济性的要求
在满足技术要求的前提下，做到经济合理。
（1）投资省：
主接线简单，以节约断路器、隔离开关等设备的投资；占地面积小：
电气主接线设计要为配电装置布置创造条件，以节约用地、架构、导线、绝缘子及安装费用。
（2）电能损耗少：
经济选择主变压器型式、容量和台数，避免两次变压而增加电能损失。
2.3电气主接线的选择和比较
2.3.1主接线方案的拟定
110kV侧是4回出线，35kV侧有6回出线，10kV侧有8回出线。
方案1：
图2-1方案一主接线
方案2：
图2-2方案二主接线
方案3：
图2-3方案三主接线
方案4：
图2-4方案四主接线
方案5：
图2-5方案五主接线
2.3.2主接线各方案的讨论比较
方案2：
此方案中只有一台三绕组变压器，如果遇到检修等情况难以保证供电的可靠性，不宜采用。
方案3：
此方案中35kV侧发电机所接双绕组变压器难以选出符合要求的变压器，不宜采用。
方案5：
10kV侧采用双母线接线。
因为10kV安装了四台发电机，会造成短路电流过大，不宜采用。
2.3.3主接线方案的初步选择
通过分析原始资料,可以知道该发电厂在系统中的地位较重要,年运行小时数较高,因此主接线要求有较高的可靠性和调度的灵活性.根据以上各个方案的初步经济与技术性综合比较,兼顾可靠性，灵活性,我选择方案1与方案4，待选择完电气设备后再进行更详尽的技术经济比较来确定最终方案。
3主变压器的选择
3.1变压器的确定原则
电力变压器（文字符号为T或TM），根据国际电工委员会的界定，凡是三相变压器的额定容量在5kVA及以上，单相的在1kVA及以上的输变电用变压器，均成为电力变压器。
电力变压器是发电厂和变电所中重要的一次设备之一，随着电力系统电压等级的提高和规模的扩大，电压升压和降压的层次增多，系统中变压器的总容量已达发电机容量的7-10倍。
可见，电力变压器的运行是电力生产中非常重要的环节。
主变压器在电气设备投资中所占比例较大，同时与之相适应的配电装置，特别是大容量、高电压的配电装置的投资也很大。
因此，主变压器的选择对发电厂、变电所的技术性影响很大。
例如，大型发电厂高、中压联络变压器台数不足（一台）或者容量不足将导致电站、电网的运行可靠性下降，来年络变压器经常过载或被迫限制两级电网的功率交换。
反之。
台数过多、容量过大将增加投资并使配电装置复杂化。
发电厂200MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变压器应满足DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》的规定：
“变压器容量可按发电机的最大连续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组的平均温度或冷却水温度不超过650C的条件进行选择”。
连接在发电机电压母线与系统间的主变压器容量，应按下列条件计算：
（1）当发电机电压母线上负荷最小时，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统，但不考虑稀有的最小负荷情况。
（2）当发电机电压母线上最大一台发电机组停用时，能由系统供给发电机电压的最大负荷。
在电厂分期建设过程中，在事故断开最大一台发电机组的情况下，通过变压器向系统取得电能时，可以考虑变压器的允许过负荷能力和限制非重要负荷。
（3）根据系统经济运行的要求，而限制本厂的输出功率时能供给发电机电压的最大负荷。
（4）按上述条件计算时，应考虑负荷曲线的变化和逐年负荷的发展。
特别注意发电厂初期运行时当发电机电压母线负荷不大时，能将发电机电压母线上的剩余容量送入系统。
（5）发电机电压母线与系统连接的变压器一般为两台。
对装设两台变压器的发电厂，当其中一台主变退出运行时，另一台变压器应承担70%的容量。
5方案1主要电气设备的选择
断路器的选择及校验
断路器选择原则与技术条件
在各种电压等级的变电站的设计中，断路器是最为重要的电气设备。
高压断路器的工作最为频繁，地位最为关键，结构最为复杂。
在电力系统运行中，对断路器的要求是比较高的，不但要求其在正常工作条件下有足够的接通和开断负荷电流的能力，而且要求其在短路条件下，对短路电流有足够的遮断能力。
高压断路器的主要功能是：
正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用；当设备或电路发生故障时，能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，能起保护作用。
高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备。
其最大特点是能断开电路中负荷电流和短路电流。
按照断路器采用的灭弧介质和灭弧方式，一般可分为：
多油断路器、少油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、SF6断路器等。
断路器型式的选择，除应满足各项技术条件和环境外，还应考虑便于施工调试和维护，并以技术经济比较后确认。
目前国产的高压断路器在110KV主要是少油断路器。
断路器选择的具体技术条件如下：
1）电压：
Ug≤UNUg---电网工作电压
2）电流：
Ig.max≤INIg.max---最大持续工作电流
3）断开电流：
Idt≤INbr
Idt---断路器实际断开时间t秒的短路电流周期分量
INbr---断路器额定断开电流
4）动稳定：
ich≤imax
imax---断路器极限通过电流峰值
ich---三相短路电流冲击值
5）热稳定：
I∞²tdz≤It²t
I∞---稳态三相短路电流
tdz---短路电流发热等值时间
It---断路器t秒热稳定电流
其中tdz=tz+0.05β"²，tz由β"=I"/I∞和短路电流计算时间t决定，从《发电厂电气部分课程设计参考资料》P112，图5－1查出短路电流周期分量等值时间tz，从而可计算出tdz。
5.3隔离开关的选择及校验
隔离开关的选择原则及技术条件：
隔离开关形式的选择，应根据配电装置的布置特点和使用要求等要素，进行综合的技术经济比较然后确定。
其选择的技术条件与断路器的选择的技术条件相同。
隔离开关也是发电厂和变电所常用的电器，它需与断路器配套使用。
但隔离开关没有灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。
隔离开关的类型很多，按安装地点不同，可分为屋内式和屋外式，按绝缘支柱数目又可分为单柱式、双柱式和三柱式。
它对配电装置的布置和占地面积有很大影响，选型时应根据配电装置特点和使用要求以及技术经济条件来确定。
本设计110kV、35kV侧为屋外布置，10kV为屋内布置。
隔离开关的技术条件与断路器相同。
6方案4主要电气设备的选择
6.1隔离开关的选择及校验
隔离开关的选择原则及技术条件
隔离开关形式的选择，应根据配电装置的布置特点和使用要求等要素，进行综合的技术经济比较然后确定。
其选择的技术条件与断路器的选择的技术条件相同。
隔离开关也是发电厂和变电所常用的电器，它需与断路器配套使用。
但隔离开关没有灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。
隔离开关的类型很多，按安装地点不同，可分为屋内式和屋外式，按绝缘支柱数目又可分为单柱式、双柱式和三柱式。
它对配电装置的布置和占地面积有很大影响，选型时应根据配电装置特点和使用要求以及技术经济条件来确定。
本设计110kV、35kV侧为屋外布置，10kV为屋内布置。
隔离开关的技术条件与断路器相同。
7主接线方案的经济比较
本章是将方案1和方案4进行经济比较。
经济计算是从国民经济整体利益出发，计算电气主接线各方案的费用和效益，为选择经济上的最优方案提供依据。
在经济比较中，一般有综合投资和年运行费用两大项。
7.1方案1与方案4的综合投资
（1）方案1的综合投资
主变压器：
SFS-750002台
SFPL1-900004台
断路器：
KW5-11010台
SW2-358台
SN4-10G5台
SN3-108台
隔离开关：
GW4-11041台
GW4-3524台
GW10-10T10台
GN1-1030台
（2）方案4的综合投资
主变压器：
SFPL1-900004台
SFSLQ-630002台
断路器：
KW5-11010台
SW2-358台
SN4-10G-150011台
SN4-10G-60001台
隔离开关：
GW2-1102台
GW4-11037台
GW4-358台
GW2-3518台
GN10-10T-300024台
GN10-10T-400010台
GN10-10T-60006台
8其他电气设备的选择
8.1电流互感器的选择
电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。
对于6~20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构的电流互感器，对于35kV及以上配电装置，一般用油浸箱式绝缘结构的独立式电流互感器，有条件时，应尽量釆用套管式电流互感器。
电流互感器的二次侧额定电流有5A和1A两种，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。
电流互感器的技术条件主要包括以下几项：
1）一次侧额定电压：
UN≥Ug
Ug为电流互感器安装处一次回路的工作电压，UN为电流互感器额定电压。
2）一次侧额定电流：
I1N≥Ig.max
Ig.max为电流互感器安装处一次回路的工作电压，I1N为电流互感器额定电压
3）热稳定校验:
电流互感器热稳定能力常以1s允许通过一次额定电流Im来校验：
（Im×Kt）²≥I∞²tdz，
Kt---CT的1s热稳定倍数；
4）动稳定校验：
内部动稳定可用下式校验：
ImKdw≥ich
Im---电流互感器的一次绕组额定电流（A）
ich---短路冲击电流的瞬时值（kA）
Kdw---CT的1s动稳定倍数
8.2电压互感器的选择
电压互感器的配置原则是应满足测量、保护、同期和自动装置的要求；保证在运行方式改变时，保护装置不失压、同期点两侧都能方便的取压。
通常如下配置：
1．母线6—220kV电压级的每组母线的三相上应装设电压互感器，旁母线则视各回路出线外侧装设电压互感器的需要而定。
2．线路当需要坚实和检测线路断路器外侧有无电压，共同期和自动重合闸使用，该侧装一台单相电压互感器。
3．发电机一般在出口处装两组。
一组（△/Y）用于自动重合闸。
一组供测量仪表、同期和继电保护使用。
各种互感器的使用范围
（1）6—220kV配电装置一般采用油浸绝缘结构；在高压开关柜或在布置地位狭窄的地方，可采用树脂胶柱绝缘结构。
（2）35—110kV配电装置一般采用油浸绝缘结构电磁式电压互感器。
（3）220kV以上配电装置，当容量和准确登记满足要求时，一般采用电容式电压互感器。
（4）接在110kV及以上线路侧的电压互感器，当线路上装有载波通讯时，应尽量与耦合电容器结合，统一选用电容式电压互感器。
1.110kV母线侧
拟选型号为JCC—110系列电压互感器
表8-10JCC—110系列电压互感器技术数据
额定工作电压（kV）
二次负荷
连接组标号
初级绕组
次级绕组
剩余电压绕组
1.级
3级
0.1
500VA
1000VA
型号含义：
J——电压互感器
C——串级绝缘
C——瓷箱式
110——额定电压
2．35kV母线侧
拟选型号为JDJJ—35系列电压互感器
表8-11JDJJ—35系列电压互感器技术数据
额定工作
电压（kV）
二次负荷
连接组标号
初级绕组
次级绕组
0.5级
1.0级
3级
35
0.1
150VA
250VA
600VA
型号含义：
J——电压互感器
D—单相
J——油浸式
J——接地保护用
35——额定电压
3．10kV母线侧
拟选型号为JSJB—10系列电压互感器
表8-12JSJB—10系列电压互感器技术数据
额定工作
电压（kV）
二次负荷
连接组标号
初级绕组
次级绕组
0.5级
1.0级
3级
10
0.1
120VA
200VA
480VA
型号含义：
J——电压互感器
S——三相
J——油浸式
B——带补偿绕组
10——额定电压
8.3母线的选择及校验
导线截面的选择按下列技术条件选择：
（1）工作电流；
（2）经济电流密度；（3）电晕；（4）动稳定和机械强度；（5）热稳定。
同时也应注意环境条件，如温度、日照、海拔。
9配电装置的设计
配电装置是发电厂和变电所的重要组成部分。
它是根据主接线的联结方式，由开关电器、保护和测量电器、母线和必要的辅助设备组建而成，用来接受和分配电能的装置。
配电装置按电器装设地点不同，可分为屋内和屋外配电装置。
屋内配电装置的特点是：
1、由于允许安全净距小和可以分层布置而使占地面积较小；
2、维修、巡视和操作在室内进行，不受气候影响；
3、外界污秽空气对电器影响较小，可减少维护工作量；
4、房屋建筑投资较大。
屋外配电装置的特点是：
1、土建工作量和费用较小，建设周期短；
2、扩建比较方便；
3、相邻设备之间距离较大，便于带电作业；
4、占地面积大；
5、受外界环境影响，设备运行条件较差，须加强绝缘；
6、不良气候对设备维修和操作有影响。
配电装置的型式选择，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜、节约用地，并结合运行及检修要求，通过技术经济比较确定。
一般情况下，在大、中型发电厂和变电所中，35kV及以下的配电装置宜采用屋内式；110kV及以上多位屋外式。
当在污秽地区或市区建110kV屋内和屋外配电装置的造价相近时，宜采用屋内型，在上述地区若技术经济合理时，220kV配电装置也可采用屋内型。
发电厂和变电所中6~10kV的屋内配电装置，按其布置型式，一般可以分为三层、二层和单层式。
三层式是将所有电器依其轻重分别布置在各层中，它具有安全、可靠性高，占地面积少等特点，但其结构复杂，施工时间长，造价较高，检修和运行不大方便。
二层式是将断路器和电抗器布置在底层。
与三层式相比，它的造价较低，运行和检修较方便，但占地面积有所增加。
三层式和二层式均用于出线有电抗器的情况。
单层式占地面积较大，如容量不太大，通常采用成套开关柜，以减少占地面积。
屋外配电装置的型式除与主接线有关外，还与场地位置、面积、地址、地形条件及总体不知有关，并受到设备材料的供应、施工、运行和检修要求等因素的影响和限制。
普通中型配电装置，国内采用较多，已有丰富的经验，施工、检修和运行都比较方便，抗震能力较好，造价比较低。
缺点是占地面积较大。
中型配电装置广泛应用于110~500kV电压级。
高型配电装置的最大优点是占地面积少，一般比普通中型节约50%左右。
但耗用钢材较多，检修运行不及中型方便。
半高型布置节约占地面积不如高型显著，但运行、施工条件稍有改善，所用钢材比高型少。
一般高型适用于220kV配电装置，而半高型宜于110kV配电装置。
根据以上原则，选择配电装置如下表：
配电装置表
110kV
屋外高型配电装置
35kV
屋外高型配电装置
10kV
屋内双层配电装置
10防雷保护设计
发电厂和变电所是重要的电力枢纽,一旦发生雷击事故,就会造成大面积停电。
一些重要设备如变压器等,多半不是自恢复绝缘,其内部绝缘如故发生闪络,就会损坏设备。
发电厂和变电所的雷害事故来自两个方面:
一是雷直击变电所;二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电所。
10.1避雷针的作用
防直击雷最常用的措施是装设避雷针，它是由金属制成，比被保护设备高，具有良好接地装置，其作用是将雷吸引到自己身上并安全导入地中，从而保护了附近比它矮的设备、建筑免受雷击。
10.2避雷针的配置
一、避雷针的配置原则：
1.独立式避雷针宜装设独立的接地装置。
在非高土壤电阻率地区，其工频接地电阻
。
当有困难时，可将该接地装置与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点沿接地线的长度不得小于15m。
2.独立式避雷针与变配电装置在空气中的间距
≥0.2
＋0.1h,且
；独立式避雷针的接地装置与变配电所主接地网在地中距离
≥0.3
，且
，式中
为冲击接地电阻。
二、避雷针位置的确定：
首先应根据变电所设备平面布置图的情况而确定，避雷针的初步选定安装位置与设备的电气距离应符合各种规程规范的要求。
1、电压110kV及以上的配电装置，一般将避雷针装在配电装置的构架或房顶上。
2、35kV及以下高压配电装置架构或房顶不宜装避雷针，因其绝缘水平很低，雷击时易引起反击。
3、在变压器的门型架构上，不应装设避雷针、避雷线，因为门形架距变压器较近，装设避雷针后，构架的集中接地装置距变压器金属外壳接地点在地中距离很难达到不小于15m的要求。
10.3防雷保护方案
避雷针的设计一般有以下几种类型：
①单支避雷针的保护；
②两针避雷针的保护；
③多支避雷针的保护；
在对较大面积的发电厂和变电所进行保护时,采用等高避雷针联合保护要比单针保护范围大。
因此，为了对本站覆盖,采用四支避雷针。
11接地网的设计
11.1设计说明
变电站需要有良好的接地装置，以满足工作安全和防雷保护接地要求。
一般做法是根据安全和工作接地的要求，敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体，以满足防雷接地的要求。
总的接地电阻为水平接地体接地电阻和垂直接地体接地电阻的并联等效阻值。
一般要求总的接地电阻
才能保证运行的安全。
11.2接地体的设计
工程实用的接地体主要由扁钢、圆钢、角钢或钢管组成，埋入地表下0.5—1m。
水平接地体多用扁钢，宽度一般为20～40mm，厚度不小于4mm，或者用直径不小于6mm的圆钢。
垂直接地体一般用角钢（
～
）或钢管，长度一般为2.5m。
11.3典型接地体的接地电阻计算
1）垂直接地体：
式中：
l是接地体长度（m）;d是接地体直径（m）。
当采用扁钢时d=d/2,b为扁钢的宽度。
当采用角钢时d=0.84b,b是角钢每边宽度。
当有n根垂直接地体时，总接地电阻
可按并联电阻计算：
式中：
称为利用系数，它表示由于电流互相屏蔽而使接地体不能充分利用的程度，一般
为0.65—0.8。
2}水平接地体：
式中：
L是接地体的总长度（m）;h是接地体埋设深度（m）；A是表示因受屏蔽影响是接地体电阻增加的系数。
其数值如下表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
接地体形式
屏蔽系数
0
0.38
0.48
0.87
1.691
2.14
5.27
8.81
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