发电厂及变电站电气设备第6章.docx

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发电厂及变电站电气设备第6章

第6章自用电接线

教学要求：

了解火电厂、水电站的自用负荷的特点及分类；学会对自用负荷的分析统计并进行自用变压器的选择；熟悉自用电源的引接方式、自用负荷的供电回路及自用电的接线方式。

发电厂、变电站的自用电是指发电厂、变电站在生产电能过程中，发电厂、变电站自身所使用的电能,也称厂用电。

其用电设备主要是一些辅助机械的电动机、照明、电热和整流电源等。

除此之外还有满足运行、检修和试验等的用电。

自用电供电安全与否，将直接影响电厂、变电站的安全、经济运行。

为此，发电厂、变电站的自用电源引接、电气设备的选择和接线等，应考虑运行、检修和施工的需要，以满足确保组安全、技术先进、经济合理的要求。

6．1自用负荷

6．1．1自用负荷

1．水电站的站用负荷

水电站的站用负荷通常有以下三类：

（1）水轮发电机组的自用电

机组自用电是指机组及其配套的调速器、蝴蝶阀和进水阀门等的辅助机械用电，通常有：

调速器压油装置的压油泵、漏油泵，机组轴承的润滑油（水）泵，水轮机顶盖排水泵，机组技术供水泵，蝴蝶阀压油装置压油泵和漏油泵，输水管电动阀门或进水闸门启闭机，可控硅励磁装置的冷却风扇和起励电源等。

这些负荷直接关系到机组的正常和安全运行，大多是重要负荷。

（2）站内公用电

站内公用电是指直接服务于电站的运行、维护和检修等生产过程，并分布在主、副厂房、开关站、进水平台和尾水平台等处的附属用电。

通常包括：

1）水电站油、气、水系统的用电。

其中油系统包括油处理设备如滤油机、油泵、电热和烘箱等；气系统有高、低压空压机等；水系统有向各机组提供冷却水的联合技术供水泵、消防水泵、厂房渗漏排水泵、机组检修排水泵等；

2）直流操作电源与载波通讯电源；

3）厂房桥机、进水口阀门和尾水闸门启闭机等；

4）厂房和升压站的照明和电热；

5）全厂通风、采暖及空调、降温系统；

6）主变冷却系统如冷却风扇、油泵、冷却水泵等；

7）其他如检修电源、试验室电源等；

这些负荷中也有不少是重要负荷。

（3）站外公用电

站外公用电主要是坝区、水利枢纽等用电。

主要有：

溢洪闸门启闭机、船闸或筏道电动机械、机修车间电源、生活水泵、坝区及道路照明等。

这类负荷布置比较分散，根据水电站的型式不同，其位置和布置也将有所区别，坝区负荷可以设坝区变压器供电，有时也把一部分并入站内公用电，另一部分由生活区供电。

中小型水电站的厂用电特点是：

厂用电容量占电站总容量的比例很小，一般只占总容量的0.5～3%；厂用电的主要负荷是电动机，一般单相容量不超过40kW，额定电压采用380V，因此中小型水电站的厂用电供电电压一般采用380／220V中性点接地的三相四线制系统；大部分的厂用电负荷都是不经常运行的，只有少部分负荷是处于经常运行状态，且其中大部分是属于短时、断续运行的，因此整个厂用电的负荷率和同时率很低；各种厂用设备的重要性是不相同。

少部分负荷如机组润滑系统、主变冷却装置以及可控硅励磁系统的冷却装置用电等维系着整个电站的正常生产和安全，对供电的可靠性要求很高，而大部分厂用负荷短时停止工作并不影响电站的正常运行。

因此在设计厂用电系统时，要考虑在电站处于各种运行状态下保证厂用电的供电可靠性。

2．火电厂的厂用负荷

火电厂的厂用机械主要有如下几类：

（1）煤场中用于卸煤或在煤场范围内运煤的设备；

（2）将煤从煤场送给碎煤机，然后再送到锅炉间的设备；

（3）碎煤设备。

（4）制造煤粉的设备；

（5）为锅炉服务的设备；

（6）汽轮发电机组自用设备；

（7）主变冷却系统设备；

（8）供热装置的设备；

（9）其它辅助设备。

火电厂厂用电的特点是：

厂用电容量占全厂总容量的比例比水电厂（站）大，一般凝汽式火电厂占5％～8％。

热电厂占8％～10％；厂用负荷主要是电动机，随着机组容量的不同，厂用电动机的单机容量可达几兆瓦。

因此，火电厂大容量厂用电动机一般采用3～10kV电源供电。

考虑到其它小负荷及照明需要，火电厂的厂用电系统一般采用高压3～10kV和低压380／220kV混合供电。

一般情况下，电动机单机容量超过200kW一般采用高压供电，小于200kW一般采用低压供电；容量在200～1800kW一般采用3kV或6kV高压供电；容量超过1800kW采用10kV供电。

6．1．2自用电负荷的分类

1．按重要性可分为以下三类。

（1）Ⅰ类负荷

Ⅰ类负荷（重要负荷）指短时（即手动切换恢复供电所需的时间）的停电可能影响人身或设备安全，使发电厂无法正常运行或发电量大量下降的负荷。

例如水电站中的主变压器冷却风扇、机组压油装置油泵、技术供水泵、硅整流装置等。

对Ⅰ类负荷，应由两个独立电源供电，当一个电源消失后，另一个电源要立即自动投入继续供电，它只允许瞬间中断电源；为此，应配置备用电源自动投入装置。

除此之外，还应保证Ⅰ类负荷的电动机能够可靠自起动。

（2）Ⅱ类负荷

Ⅱ类负荷（次重要负荷）指允许短时停电，但停电时间过长有可能损坏设备或影响正常生产负荷。

例如水电站中的压油装置用的空压机、主厂房桥机、渗漏排水泵及厂内照明等。

对Ⅱ类负荷负荷，应由两个独立电源供电，一般备用电源采用自动或手动切换方式投入。

允许停电一般不超过几十分钟。

（3）Ⅲ类负荷

Ⅲ类负荷（不重要负荷）指较长时间停电不会直接影响发电厂生产的负荷。

例如机修间、试验室、油处理设备等。

对Ⅲ类负荷，一般由一个电源供电，不需要考虑任何备用。

2．按运行方式可分为以下四类：

（1）A类：

经常连续运转负荷，如技术供水泵、浮充电电源、轴承润滑油泵或水泵、主变冷却风扇以及照明、通风、取暖和空调等。

（2）B类：

经常短时断续运转负荷，如压油装置油泵、厂房渗漏排水泵、高低压空压机、水轮机顶盖排水泵等。

（3）C类：

不经常连续运转负荷，如机组检修排水泵、蓄电池充电电源、油处理室设备和某些检修用电。

（4）D类：

不经常短时断续运转负荷，如闸门启闭机、蝴蝶阀压油装置压油泵、消防水泵、各种短时工作的备用泵等

这里所指的“经常”与“不经常”是指该负荷的使用机会。

“经常”是指负荷与正常生产过程密切相关，一般每天都要使用的电动机；“不经常”是指正常时不用，只在检修、事故或开停机时使用的电动机。

“连续”、“短时”、“断续”是指每次使用时间的长短。

“连续”是指每次带负荷运转2h以上的负荷；“短时”是指每次连续带负荷运转在10～120min之间的负荷；“断续”是指每次使用时从带负荷运行到停止，如此反复周期性地工作，而每个工作周期均不超过10min。

3．按是否自起动分可分为两类

电动机自起动是指当厂用电源短时消失后又恢复（如切换电源和故障后恢复）时，原来运转的厂用电动机在电源消失时停止运行后无需运行人员作起动操作即可自行起动，迅速恢复运转。

自起动能大大缩短电动机重新起动的时间，对一些不允许长时间停电的Ⅰ、Ⅱ类负荷来说是很重要的。

由于厂用变压器的容量有限，不可能所有的电动机都参与自起动，另外有部分电动机短时停电对发电厂正常运行不会造成直接影响。

所以厂用电动机可分为具有自起动和不具有自起动两类。

一般Ⅲ类和部分Ⅱ类厂用负荷无需自起动。

6．2厂用变压器的选择

6．2．1自用负荷的分析统计

1．计算自用负荷的运行方式

自用负荷统计的目的是为了求出最大自用负荷值，并以此作为选择厂用变压器和自用电器的依据。

其值与电站的型式、所在地区及运行状况等因素有关。

最大负荷值与电站的各种运行状况有关，不同的运行方式其自用电的负荷值是不同的，只有分析不同运行状况才能准确地确定自用最大负荷。

一般情况下，自用最大负荷出现在下列两种运行情况：

（1）全部机组运行；

（2）一台机组检修，其它机组满载运行。

所以，厂用最大负荷取上述两种运行方式下的最大值作为自用负荷的计算运行方式。

2．自用负荷的统计原则

由于自用负荷的运行方式不同，在计算最大厂用负荷时，并不是简单地把所有的自用负荷相加，而是按以下原则计入：

（1）计入经常连续运转和经常短时断续运转的负荷；

（2）计入不经常连续运转的负荷；

（3）不经常短时断续运转的负荷可不计入；

（4）互为备用的负荷只计入同时运行的容量。

3．各负荷的计算容量

各种负荷的额定容量表示方法不同，要统一表示为计算容量，即三相输入电功率的额定视在容量。

（1）电动机

SMj＝

　（6-1）

式中，SMj——电动机的计算容量，kVA；

PMN——电动机的额定功率，kW；

ηM——电动机的效率，平均取0.85；

cosφMN——电动机的额定功率因数，平均取0.82；

（2）日光灯和高压汞灯

Sgj＝

×10-3（6-2）

式中，Sgj——日光灯（或高压汞灯）的计算负荷，kVA；

ΣPgN——日光灯（或高压汞灯）的装置容量，W；

cosφgN——日光灯（或高压汞灯）的额定功率因数，一般取0.4～0.6。

（3）白炽灯

白炽灯、碘钨灯、电热器及电炉等纯有功负荷，计算容量（kVA）等于其额定容量（kW）。

（4）电焊机

Shj＝ShN

（6-3）

式中，Shj——电焊机的计算容量，kVA；

ShN——电焊机的额定容量，kW；

ε——电焊机的暂载率，指焊接时间与工作周期之比，一般取0.65。

（5）单相负荷

若单相负荷能按三相对称分布，则三相计算容量S3j等于各单相容量S1之和。

S3j＝ΣS1（6-4）

4．厂用电最大负荷

Smax＝kfktkwΣSj（6-5）

式中，Smax——厂用电总计算负荷，kVA；

ΣS1——参加统计的厂用电负荷计算容量之和，kVA；

kf——厂用电负荷的平均负荷率,一般取0.7～0.8；

kt——厂用电负荷的平均同时率，一般取0.6～0.8；

kw——厂用电网络的网损率，一般取1.05。

6．2．2厂用变的选择

1．型式的选择

目前可供选择的厂用变压器的型式有：

油浸式和干式两种，后者又分为普通干式和环氧树脂浇注式等。

三种变压器作为厂用变各具有特点。

油浸式的特点是过载能力强，屋内外均可布置，维修简便，价格便宜，但由于采用油为绝缘和冷却介质，屋内布置必须要有防火防爆小间，同时检修、维护复杂；干式变压器的特点是无油，防火性能较好，布置简单，可就近布置在中压开关柜附近，缩短了电缆长度并提高供电可靠性，还可节省间隔及土建费用，但过载能力低，绝缘余度小，在有架空线路直接连接的场合不宜使用，以免遭受感应雷过电压；环氧树脂浇注式的特点是具有一定的防尘耐潮和难燃的优点，比普通干式变更佳，但价格相对昂贵。

随着干式变压器生产技术的不断进步，已能生产出散热性能更好，体积小，过载能力大的干式变压器。

由于油浸式变压器屋内布置需要防火防爆小间，且要考虑通风散热以及事故排油设施，因此，目前中小型水电站推荐采用干式变压器。

2．台数和容量的选择

中小型水电站厂用变压器一般采用1～2台，2台变压器应分别接在2个独立引接点。

正常运行时各分担一半的厂用负荷；当其中一个厂用电源停电或发生故障时，由另一台厂用变担负全部厂用负荷。

故每台厂变的容量应为

kgSN≥Smax（6-6）

式中，SN——单台厂用变压器额定容量，kVA；

Smax——厂用电最大计算负荷，kVA；

kg——考虑事故情况下的变压器允许过负荷倍数，对油浸式取1.3～1.4，对干式取1.1～1.2。

部分小型水电站只设一台厂用变压器，而另从电站生活区或附近配电变压器引接低压电源作为明备用，此厂变的选择一般不考虑正常过负荷运行，则

SN≥Smax（6-7）

3．自起动校验

为保证人身安全和发电厂正常运行，要求发电厂Ⅰ、Ⅱ类负荷的电动机能自起动。

由于厂用母线电压消失后又恢复时，具有自起动要求的电动机同时自起动，巨大的起动电流将使主盘母线电压急剧下降，过低的母线电压又将导致电动机起动转矩过小而延长起动时间，引起磁力起动器抖动甚至跳跃，造成起动困难。

因此，规定在电动机自起动瞬间，主盘母线电压不得低于额定电压380V的70%～80%；在正常运行时，电动机一般是单个起动，规定单个大容量电动机起动时主母线上的电压波动不得超过10%～15%。

为保证厂用重要电动机顺利自起动，必须进行电动机自起动电压和容量的校验。

（1）主母线起动电压校验

进行主母线电压校验时，首先必须确定全厂自起动电动机群的数量。

为方便计算，假设自起动电动机群在停电后已全部处于停止状态，在恢复供电时同时起动；厂变高压侧为无穷大电源，起动过程电压保持不变；忽略厂变原来所带负荷。

则自起动时主母线电压与母线额定电压的百分数可按下式计算：

＝

（6-8）

式中，Ust%——起动电压与额定电压之比的百分数；

U1%——高压侧电源平均电压折算到低压侧时与低压侧额定电压之比的百分数，一般取1.05；

Uk%——厂变阻抗电压百分数；

Kst——自起动电动机群的平均起动电流倍数，一般取6～7；

SM——自起动电动机群总额定容量，kVA；

SN——厂用变压器额定容量，kVA。

（2）起动容量校验

由（6-8）式导出允许电动机自起动容量SM为

SM＝

（6-9）

若电动机起动前厂变已带有负荷S0，则起动容量SˊM可修正如下

SˊM＝SM－

（6-10）

对于不同的Uk%，由式（6-9）可得到表6-2结果。

表6-2电动机自起动容量的允许值（按维持主母线电压的80%计）

厂变阻抗电压百分数Uk%

4

4.5

5.5

7

8

SM/SN（起动前空载）

1.2

1.07

0.87

0.68

0.6

SM/SN（起动前半载）

1.1

0.99

0.80

0.61

0.52

由于中小型水电站单台厂用电动机容量一般不大，在正常起动时，主母线电压波动值不会超过10%～15%，故可不进行校验。

6．3厂用电接线

厂用电接线是指从厂用变压器高压侧的引接到厂用负荷供电的整个网络，包括电源引接方式、接线形式和供电网络等部分。

厂用电接线的总体要求是要保证对厂用负荷的供电可靠性和连续性，力求接线简单、清晰、运行维护方便，同时整个网络供电线路要短以节省电缆和导线，较小损耗，便于管理。

6．3．1厂用电源的引接方式

厂用电的引接点是指厂用变压器的高压侧与电厂或电网的连接点。

显然，引接点的供电可靠性很大程度上决定了厂用电的可靠性。

由于引接点本身并非供电源，为了满足对厂用电的要求，要求引接点必须与一个或几个电源相连，实现多电源的供电。

尽管引接点连接多个电源，但由一个引接点连接的厂用变压器所构成的厂用电源总是会出现故障而停止供电的情况，如引接点的母线电压消失或厂用变压器故障。

为满足供电可靠性，厂用负荷一般采用双电源供电，即既有工作电源又有备用电源，当工作电源故障或消失时，由备用电源继续供电。

因此，备用电源必须与工作电源相对独立。

当厂用电采用两台或两台以上厂变供电时，作为工作电源和备用电源的两台厂变就必须相对独立，一般不宜接在同一母线上。

备用电源的运行方式简称电源备用方式，通常有明备用和暗备用两种。

若备用电源在正常情况下不运行，处于停电备用状态，只有在工作电源发生故障时才投入运行的备用方式，称为明备用。

而暗备用是指两个电源平时都作为工作电源各带一部分厂用负荷且均保留有一定的备用容量，当一个电源发生故障时，另一个电源承担全部负荷的运行方式。

两个电源之间是互为备用的关系，在中小型水电站中广泛应用。

其特点是可靠性高，无明备用变压器的投入和冲击升压过程，但正常运行时厂用变的负荷率低，效率差。

中小型水电站的厂用电源尽可能从电压较低的高压母线上引接，常用的引接方式有如下几种：

（1）两台厂变分别接在单元接线的发电机电压母线或分段母线作为引接点，采用暗备用方式，这种备用方式厂变高压侧一般采用高压熔断器引入，如图6-1（a）、（b）所示。

当采用明备用时，宜采用断路器作为保护和操作电器。

在正常情况下，暗备用运行方式两台厂用变压器均在工作，各带一半厂用负荷，相互独立，不会因任一种电气故障同时停电。

这种引接方式是较为理想的两个独立引接点，当一段母线上的机组停机或故障时，该段母线可以由其主变倒送电来供给厂用负荷；当全部机组停运时，两段母线可分别由对应主变倒送电供电。

（2）两台厂用变压器以发电机电压母线为内侧厂用电源引接点，以对侧有可靠电源（如对侧是电网或发电厂）的输电线路或升压侧母线为外侧厂用电源引接点。

厂用变压器的高压侧一般用熔断器作为保护电器，采用暗备用的运行方式，如图6-1（c）、（d）所示。

这两个引接点也是两个独立的供电源。

当全厂停止运行或主变退出运行时，仍保持有外侧供电源，由系统倒送电供给厂用负荷，而且无需经过主变，节省了主变的损耗。

（3）设一台厂用变作为水电站厂用电源内侧引接点，作为厂用电工作电源，供给全部厂用负荷。

其明备用电源来自附近独立的低压配电网络或附近变电所的高压母线通过另设一台变压器供电。

若采用低压配电网作为备用要求其必须是独立于本站的电源，可靠性高，使之能真正作为可靠的备用电源使用。

6．3．2厂用电的接线形式

由于厂用负荷的正常工作直接影响了整个发电厂运行，为了保证对厂用负荷的供电可靠性，除了保证厂用电引接点的供电可靠性外，还应保证厂用电低压网络接线的供电可靠性。

为此，两个电源供电的低压母线常采用单母线分段的运行方式。

两个独立的厂用电源分别接在两段低压母线上，如图6-2所示。

对于上述

（2）的引接方式，由于两个厂用电源的高压侧电压相位不同，低压侧的电压相位也不同。

故厂用电低压母线不能

并列运行，分段开关处于断开位置。

当失去一个厂用电源时，分段开关投入供给另一段母线负荷。

为了使切换时间满足重要负荷的供电要求，一般分段开关应装设备用电源自动投入装置。

对于厂用负荷供电回路常采用以下几种方式供电：

1．单层辐射式供电

单层辐射式供电是指负荷由厂用母线直接供电的接线。

如图6-2中的接在Ⅰ、Ⅱ上的a、b、c、d等负荷。

每个负荷都由单独引接，配有隔离、操作和保护电器，互不影响，供电可靠性高。

一般适用于距主盘较近或容量较大或某些重要的公用负荷，如厂用吊车、直流整流电源、检修排水泵等。

2．双层辐射式供电

双层辐射式供电是指由主盘成辐射式供给分盘再由分盘成辐射式向各负荷供电的接线方式。

如图6-2中的母线A～D上的e、f…l等负荷。

这种供电的负荷一般是远离主盘而比较集中的同类负荷，如机组自用电；公用负荷按装设地点分片分组等等。

这种供电的优点是：

便于供电的分组管理、维护；减少主盘的供电回路数；可大量节省电缆等。

但供电可靠性略差。

有的分盘内负荷回路不设引接隔离开关而只设进线的总电源隔离开关，这类分盘称为动力配电箱如图6-2中的A、D分盘。

根据动力箱的结构不同可分为落地式和壁挂式（或嵌入式）。

其特点是结构简单，布置紧凑，供电回路数多，体积小。

可适用于不重要的小容量集中负荷。

3．干线式供电

对于一些相邻近的小容量Ⅲ类负荷或同一用电设备的不同负荷，可共用一组供电回路或电源电缆，直接在各负荷的操作电器的电源侧并接电源，如图6-2中的m、n回路中各负荷的供电。

这种供电方式可以节省配电盘（箱），缺点是任一回路故障，将直接影响到后面回路的供电，故可靠性差。

4．互为备用式供电

互为备用式供电是指在双层辐射式供电的基础上，为了提高分盘的供电可靠性，分盘之间用电缆连接起来互为备用，或分盘直接从另一主盘上再引接一个备用回路以提高可靠性的供电方式，如图6-2所示。

这种接线的供电可靠性高，可用于Ⅰ、Ⅱ类负荷，如机组动力盘等。

特别是在机组台数较多时，可采用此接线方式供电。

分盘之间一般采用隔离开关手动切换的备用方式。

另外，照明也是重要的厂用负荷之一。

由于照明相当分散，故常分片设置照明分电箱（照明箱），再由分电箱（照明箱）拉出单相电源供给单相照明器具。

容量较大的发电厂各照明分电箱（照明箱）一般直接从主盘引接，或在主盘上设置一块专用照明配电盘统一向各照明分电箱辐射供电，以保证对照明的供电可靠性。

同时还应把直流电源引入照明配电盘内。

当因故失去厂用电时，可在照明配电上采用手动或者自动的方式进行电源切换，使厂内部分重要的照明转为直流电源供电。

这部分重要的照明称为事故照明。

而不需进行切换的为常用照明。

它与事故照明各有一套独立的供电线路。

6．4厂用电接线实例

某小型水电站厂用电网络接线如图6-3所示。

厂用变压器设置两台，低压侧为380V，母线分段。

正常时都在运行，各带一半的厂用负荷，两台厂变互为备用，采用暗备用方式。

由于本例中两台厂变电源取之不同相位，低压380V母线不能并联运行。

但两段主母线之间装设了备用电源自动投入装置。

整个低压配电网络除了配置有主盘外，还对较为集中的远方厂用负荷设了分盘，如机组动力盘、油处理室、高低压空压机室、检修电源、照明分电箱等。

为了满足对重要负荷的供电，提高供电可靠性，重要分盘也采用双电源供电，如机组动力盘等，正常时备用回路断开运行，工作电源消失或发生故障时，采用手动切换的方式投入备用电源，继续向负荷供电，保证重要的厂用负荷不停电。

整个配电网络形成环形回路。

有些负荷可以直接由主盘供电。

它们通常是离主盘较近的或Ⅰ、Ⅱ类负荷或容量较大的负荷。

[图6-3某水电站厂用电接线]

变电所的所用电接线比发电厂的厂用电接线简单。

中等容量变电所的主变压器多采用强迫油循环风冷却或强迫油循环水冷却装置，因此，这类所用电的重要负荷是主变的冷却风扇、强迫油循环冷却油泵或水泵的电动机以及整流操作电源。

为了提高所用电的可靠性，一般采用两台所用变压器，分别接在10kV母线的两段上，低压侧互为备用。

在此不再举例。

习题

1．火电厂和中小型水电站的厂用负荷都有哪些特点？

各由哪些具体负荷组成？

分类如何？

2．厂用电最大负荷如何确定？

采用不同的备用方式和不同的变压器类型如何选择变压器的容量？

3．厂用电源引接时，如何保证两个电源的独立性？