电气主接线及设计.ppt

第四章 电气主接线及设计,定性分析和衡量主接线可靠性 断路器检修时，能否不影响供电； 线路、断路器或母线故障与检修时，停运回路数多少和停电时间的长短，以及能否保证对I、类负荷的供电； 发电厂或变电站全部停电的可能性； 大机组突然停运，对系统稳定运行影响与后果。,主接线是发电厂、变电站电气部分主体，是电力系统网络结构的重要组成部分，直接影响运行可靠性、灵活性；对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定有决定性的影响。因此，主接线的设计，必须综合处理各个方面因素，经技术、经济论证后确定。,主要内容：本章以电气主接线设计为中心，介绍对主接线的基本要求、典型接线形式以及主要设备的作用、配置原则，并对变压器选择、限制短路电流的方法等进行了详尽的分析；综合阐述了各种类型发电厂或变电站电气主接线的特点和主接线设计的一般原则、步骤。,4-1 电气主接线设计原则和程序,一、对电气主接线的基本要求,1、可靠性,安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。停电不仅给发电厂造成损失，而且给国民经济各部门带来的损失将更加严重。,(1)发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用； (2)负荷性质和类别； (3)设备的制造水平； (4)长期实践运行经验。,2、灵活性,(1)操作的方便性； (2)调度的方便性； (3)扩建的方便性。,3、经济性,(1)节省一次投资；(2)占地面积少；(3)电能损耗少。,根据任务书要求，经过原始资料分析，对电源和出线回路、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等不同的考虑，拟定出若干方案。从技术上论证并淘汰一些明显不合理方案，保留23个技术上相当的方案，进行经济比较。最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。,包括发电厂类型、设计规划容量、单机容量及台数，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。,以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。,二、电气主接线设计的原则,三、电气主接线的设计程序,1、对原始资料分析,(1)工程情况,(2)电力系统情况,包括电力系统近期及远景发展规划，发电厂或变电站在电力系统中的位置和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式及各级电压中性点接地方式等。,(3)负荷情况,包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。,(4)环境条件,包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素，对主接线中电气设备的选择和配电装置的实施均有影响。,(5)设备供货情况,为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较。,2、主接线方案的拟定与选择,3、短路电流计算和主要电器选择,4、绘制电气主接线图,5、编制工程概算,4-2 主接线的基本接线形式,一、单母线接线及单母线分段接线,1、单母线接线,接线特点,操作原则,应用,优点,缺点,2、单母线分段接线,分段作用,分段数目,应用,610kV出线在6回及以上时，每段所接容量不超过25MW；3560kV出线回路数不超过8回；110220kV出线回路数不宜超过4回。,二、双母线接线及双母线分段接线,1、双母线接线,(1)检修任一组母线都不必停止对用户供电,(2)一组母线故障后能迅速恢复供电,(3)检修任一组母线隔离开关不影响其它回路运行,(4)检修任一出线断路器可用母联断路器代替其工作,双母线接线的适用范围 (1)610kV配电装置，当短路电流较大出线需带电抗器; (2)3560kV配电装置当出线回路超过8回时，或连接的电源较多、负荷较大。 (3)110220kV配电装置出线回路为5回及以上时。,2、双母线分段接线,应用：610kV进出线或电源较多,输送功率较大时,为限制短路电流,选择轻型设备,常采用双母线三分段。 220500kV容量较大的发电厂或变电所高压接线，有时采用双母线三分段或四分段接线。,三、带旁路母线的单母线和双母线接线,普通单母线带旁路母线接线,1、单母线带旁路母线的接线,单母线分段带旁路接线,利用分段兼旁路(旁路兼分段) 单母线分段接线,单母线(或分段)带旁路母线的应用范围 (1)610kV屋内配电装置一般情况下不装设旁路母线。 (2)3560kV配电装置一般不设旁路母线，因为重要用户多为双回路供电，允许停电检修断路器。如果线路断路器不允许停电检修，在采用单母线分段接线时可考虑增设旁路母线，但多用分段断路器兼作旁路断路器。 (3)110220kV如果采用单母分段，一般应设置旁路母线且以专用旁路断路器为宜。 (4)凡采用SF6断路器的接线，可不装设旁路母线。,2、双母线带旁路母线的接线 (1)普通双母线带旁路母线的接线,(2)利用旁路兼母联(母联兼旁路)的双母线带旁路接线,3、旁路母线设置的原则,110kV出线在6回及以上、220kV出线在4回及以上时,宜采用带专用旁路断路器的旁路母线。 在出线回数较少的情况下，为节省投资，采用母联断路器或分段断路器兼作旁路断路器的接线方式。 下列情况下，可不设置旁路设施 (1)允许断路器停电检修时(如双回路供电的负荷)； (2)中小型水电站枯水季节允许停电检修出线断路器时； (3)采用六氟化硫(SF6)断路器及封闭组合电器(GIS)时。,4、电源侧断路器是否接入旁路母线,变电站主变压器可靠性较高，通常不需检修,但是高压侧断路器有定期检修需要，则应接入; 发电厂升压变压器高压侧断路器的定期检修,可安排在发电机组检修期同步进行，则不需接入。,5、设置旁路设施,每两回进出线用3台断路器构成一串，接在二组母线之间，因而称3/2断路器接线，也称一台半断路器接线。,1、一台半断路器接线,四、一台半断路器及4/3接线,(1)3/2断路器接线的特点,操作方便；,(2)配置原则,电源与负荷尽量布置在同一串上，避免在联络断路器故障时,使两条电源或两条出线同时被切除；,可靠性高；,调度灵活；,投资较大，保护较复杂。,检修方便；,当接线仅为两串时，同名回路宜分别接入不同侧的母线(交叉接线)，进出线应装设隔离开关。,(3)交叉接线特点,(4)适用范围,3/2断路器接线是现代大型电厂和变电所超高压、特高压配电装置，对供电可靠性要求较高时常用接线形式。,2、4/3接线,4/3接线的一个串中有4台断路器，连接3回进出线回路。,应用 通常用于发电机台数(进线)大于线路(出线)数的大型水电厂，以便实现在一个串的3个回路中电源与负荷容量相互匹配；与一台半断路器接线相比，投资节省，但可靠性有所降低，布置比较复杂。,(1)与3/2接线相比有何特点,(2)应用范围,五、变压器母线接线,六、单元接线 1、发电机-双绕组变压器单元接线,优点, 存在的技术问题,当主变发生故障，除了跳主变高压侧断路器外还需跳发电机磁场开关。 由于大型发电机时间常数较大，即使磁场开关跳开后，一段时间内通过发变组的故障电流仍很大；若磁场开关拒跳，则后果更为严重。,发电机故障时，若变压器高压侧断路器失灵拒跳，只能通过失灵保护出口启动母差保护或发远方跳闸信号使线路对侧断路器跳闸； 若因通道原因远方跳闸信号失效，则只能由对侧后备保护切除故障，故障切除时间大大延长，会造成发电机、主变压器严重损坏。,接线简单，开关设备少，操作简便。,发电机故障跳闸时，将失去厂用工作电源，而这种情况下备用电源的快速切换极有可能不成功，因而机组面临厂用电中断的威胁。,2、发电机-三绕组变压器(自耦变压器)单元接线,3、发电机-变压器-线路单元接线,4、发电机-双绕组变压器扩大单元接线,5、发电机-分裂变压器扩大单元接线,当只有2台变压器和2条线路时，宜采用桥形接线。桥形接线，根据桥断路器的安装位置，可分为内桥接线和外桥接线两种。,七、桥形接线,1、内桥接线,适用于线路较长和变压器不需要经常切换的情况。,2、外桥接线,适用于线路较短和变压器需要经常切换的情况。 另外当系统中有穿越功率通过高压侧,或桥形接线的2条线路接入环网时。,优缺点 适用范围 小容量发电厂或变电站，以及作为最终将发展为单母线分段或双母线接线的初期接线方式,角形接线断路器数等于电源回路和出线回路的总数，断路器接成环形电路，电源回路和出线回路都接在2台断路器之间，多角形接线的“角”数等于回路数，等于断路器数。,八、角形接线,1、三角形接线,2、四角形接线,优点,缺点,断路器数目较少; 任一台断路器检修时，不需要繁琐 的操作，不影响任何回路供电; 无母线,不存在母线故障产生的影响； 任一回路故障，只跳开与其相连的两台断路器，不影响其它回路运行。 操作方便，所有隔离开关，只用于检修时隔离电源，误操作机会少。,检修任何一台断路器时，开环运行，如此时出现故障，将造成解列； 设备选择困难,继电保护装置复杂化。,配置原则,电源应尽量配置在多角形的对角上，使所选电气设备的额定电流不致过大; 当有故障发生解列开环时,不至于使负荷失去电源。,应用,多角形接线，一般用于回路数较少、不适用于回路数较多的情况。一般最多用到六角形，以减少开环运行所带来的不利影响。 适用于110kV及以上的配电装置。,九、典型主接线分析 1、火力发电厂电气主接线 (1)地方性火电厂的特点,建设在城市附近或工业负荷中心； 为提高能源利用率和环境保护要求，逐步对小火电实行关停的政策，当前在建或运行的地方性火电厂多为热电厂，以推行热电联产，在提供蒸汽和热水热能的同时，生产的电能大部分都用发电机电压直接送给地方用户，只将剩余的电能以升高电压送往电力系统。一般热电厂的单机容多为中小型机组。通常电气主接线包括发电机电压接线及12级升高电压级接线。,(2)区域性火电厂,建在煤炭生产基地附近，为凝汽式电厂，一般距负荷中心较远，电能几乎采用高压或超高压输电线路送至远方，担负着系统的基本负荷，装机总容量在1000MW以上，单机容量为200MW以上，目前以600MW为主力机组。,2、水力发电厂电气主接线,(1)一般远离负荷中心，当地负荷很小甚至没有，电能绝大部分要以较高电压输送到远方。主接线不设发电机电压母线，多采用发变组单元接线或扩大单元接线。 (2)主接线应力求简单，主变台数和高压断路器数量应尽量减少，高压配电装置应布置紧凑、占地少，以减少土石方开挖量和回填量。 (3)装机台数和容量大都一次确定，高压配电装置也一次建成，不考虑扩建问题。 (4)水轮发电机组启动快，常在系统中担任调频、调峰及调相任务，因此机组开停频繁，运行方式变化大，主接线应具有较好的灵活性。 (5)水轮发电机组的运行控制比较简单，较易实现自动化，为此主接线应尽力避免以隔离开关作为操作电器。,3、变电站电气主接线,变电站主接线的设计应根据变电站在电力系统中的地位、负荷性质、出线回路数等条件和具体情况确定。 通常变电站主接线的高压侧，应尽可能采用断路器数目较少的接线，以节省投资，可采用桥形、单母线、双母线接线及角形接线等。如果变电站电压为超高压等级，又是重要的枢纽变电站，宜采用双母线分段带旁路接线或采用一台半断路器接线。,变电站低压侧常采用单母分段接线或双母接线，以便于扩建。610kV馈线应选轻型断路器，如SNl0型少油断路器或ZNl3型真空断路器；若不能满足开断电流及动稳定和热稳定要求时，应采用限流措施。 变电站限制短路电流方法，变压器低压侧分列运行；若分列运行仍不能满足要求，则可装设分裂电抗器或出线电抗器,一般尽可能不装限流效果较小的母线电抗器。,发电厂中用来向电力系统或用户输送电能的变压器称为主变压器； 用于联接两个升高电压等级并可相互交换功率的变压器称为联络变压器； 只供发电厂本身用电的变压器称厂用变压器。 除发电机外，主变压器是发电厂中最为贵重的大型电气设备。 主变压器台数、容量和型式的选择是否合理，对发电厂的安全经济运行至关重要。,4-3 主变压器的选择,一、主变压器容量和台数的确定原则,主变压器容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统510年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。如果变压器容量选得过大、台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；若容量选得过小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出或者会满足不了变电站负荷的需要，这在技术上是不合理的。,1、单元接线的主变压器,单元接线的主变压器容量应按照发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。 一般情况下，主变压器容量与发电机相配套即可。 例如100MW发电机配120MVA主变压器；200MW发电机配240MVA主变压器；300MW发电机配360MVA主变压器；600MW发电机配720(3240)MVA主变压器等。,2、具有发电机电压母线接线的主变压器,发电机电压母线与系统连接的升压变压器一般情况下应选2台，某些小型发电厂，或发电厂主要电能是以发电机电压向附近供出，系统电源仅作为备用时，亦可选用1台主变压器。,(1)当发电机电压母线上的负荷最小时，应能将发电机剩余的功率送入系统。 (2)当接入发电机电压母线上的最大一台发电机停用时，能由系统倒送功率供给机压母线的最大负荷。 (3)当丰水季节为充分利用水能发电而对本厂发电机出力进行限制时，应能从系统返送电能满足发电机电压母线的最大负荷 (4)对于装有2台主变压器的发电厂，当1台故障或检修时，另1台主变压器应能承担总传输功率的70%。,3、连接两种升高电压母线的联络变压器,联络变压器一般只设一台，最多不超过两台，否则会造成布置和引接线的困难。 (1)容量应满足在各种不同运行方式下两级电压间的功率交换； (2)容量一般不小于接在两电压母线上最大一台机组容量.,4、变电站主变压器,一般应按510年规划负荷来选择。根据城市规划、负荷性质、电网结构等综合考虑确定其容量。,重要变电站应考虑当1台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足I类及类负荷的供电； 一般变电站当l台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的7080。 一般情况下，设置2台变压器；对于地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，可设3台主变压器。,二、变压器型式和结构的选择原则,1、三相变压器与单相变压器,容量相同情况下，一台三相变压器比由三台单相变压器组成的变压器组价格便宜，占地和运行损耗都小。 当受到运输条件限制而不能采用三相变压器时，可采用一组单相变压器，亦可采用两台小容量三相变压器,具体应经技术经济比较决定。,2、双绕组变压器与三绕组变压器,200MW及以上的机组，其升压等级一般只有一级。 联络变压器一般都选用三绕组变压器(多为自耦三绕组变压器)，其第三绕组可接发电厂厂用起动备用变压器，并可接大功率无功设备(调相机、静止补偿器),机组为125MW及以下容量的发电厂有两级升高电压时,一般优先考虑采用三绕组变压器。但当两种升高电压的负荷相差很大，经常流过三绕组变压器某一侧的功率小于该变压器额定容量的15时，则宜选两台双绕组变压器。,3、普通型变压器与自耦变压器,容量相同情况下，自耦变压器消耗材料省、体积小、重量轻、造价低，同时功率损耗也低，输电效率较高。 大容量发电厂中，自耦变压器常用于高压和中压系统之间的联络变压器，一般应有2个110kV及以上电压等级。 在中小发电厂中，可用三绕组自耦变压器作为125MW及以下发电机的升压变压器，此时主要的潮流方向是低压侧和中压侧同时向高压侧输送功率，这样可以将部分发电机接到中压侧，充分利用自耦变压器的通过容量，节省变压器和开关设备的投资。 升压结构的自耦变压器不适于由低压侧和高压侧同时向中压侧输送功率(漏磁较大)。 自耦变压器的中性点必须直接接地(或经过小电抗接地)，否则，当高压电网中发生单相接地时，自耦变压器的中压侧绕组会出现过电压。,4、分裂绕组变压器的选用,发电机单机容量小于系统容量的1%2%，而发电厂与系统连接的电压又较高，如200MW机组升压到500kV时，采用单元接线不经济，可采用两台发电机共用一台低压绕组分裂的主变压器构成扩大单元接线。分裂变压器低压侧有两个完全相同的绕组，节约了投资，减小发电机端短路时短路电流数值，从而可选用轻型断路器作为发电机出口开关及厂用分支开关。 分裂绕组变压器在大容量发电厂中,还常被用作厂用电变压器及厂用高压启动/备用变压器。,5、调压方式,无载调压变压器必须在停电的情况下才能调节其高压绕组的分接头位置，从而改变变压器的变比达到调节电压的目的。调压范围较小，一般在5%以内。一年中只能调节12次，电力系统中广泛使用的变压器大多数是无载调压变压器。 有载调压变压器具有专用的分接头切换开关，能够在不停电(带着负载)的情况下改变分接头位置进行调压。调压的范围一般为15%以上甚至可达30%,并且可根据负荷大小的变化在一天中调节好几次，并可进行自动调节。 价格要较贵，当负载变化较大，采用无载调压变压器电压质量无法保证时，可以选用有载调压变压器。,6、绕组接线组别,主变压器多采用Y,d接线或者Y,y,d接线。 没有绕组，铁芯中主磁通会形成平顶波，其中包含较大的三次谐波磁通分量，会使变压器铁轭部件及油箱等铁磁物体产生附加铁损,降低变压器效率并引起局部过热。 另外线路上如出现三次谐波电流则会对通信线路造成干扰。有绕组后，三次谐波电流仅在绕组内部循环流通，而不流到线路上去，就不会干扰通信线路了。在绕组内部流通的三次谐波电流，对主磁通中的三次谐波分量产生强烈的去磁作用，从而使主磁通的波形变为正弦波，也使各相电压波形为正弦波。,我国330/220/35、330/110/35、220/110/35kV自耦变压器为全星形变压器，其第三绕组(35kV)也是星形接线。 高、中压绕组均为星形且中性点直接接地，可以让三次谐波电流流通，从而使变压器主磁通保持正弦波。同时，适当采用这种全星形变压器,还可以增大系统的零序阻抗，以减少日益增大的单相短路电流。,7、冷却方式的选择,4-4 限制短路电流的方法,当发电机有发电机电压母线时，其短路电流可能高达十几万甚至几十万安培，这将使母线、断路器等一次设备遭受到严重的冲击(发热和电动力)。为了安全，必须加大设备型号，而无法采用价格便宜的轻型开关电器和较小截面的导线，这不仅会使投资大为增加，甚至会因短路电流太大而无法选到合乎要求的设备。因此，应当采取某些限制短路电流的措施。,一、选择适当的主接线形式和运行方式 1、发电机组采用单元接线,发电机和升压变压器采用单元接线而不在机端并联运行，将大大减少发电机机端短路的短路电流。,2、环形电网开环运行,在环形电网某一穿越功率最小处开环运行，或将发电厂高压母线分裂运行，就是将本来并联运行的两部分分开运行，当然使短路时的阻抗增大，短路电流变小。,3、并联运行的变压器分开运行,多数降压变电所中装有两台变压器，其低压侧母线常采用单母线分段接线，当分段断路器分开运行时，会使短路电流大为减少。为保证供电可靠性，分段断路器上可装设“备用电源自动投入装置”，当一台变压器故障退出运行时，分段断路器能自动合闸，恢复对失电母线段及所带出线的供电。,二、装设限流电抗器 1、在发电机电压母线上装设分段电抗器,装在发电机电压母线(6kV或10kV)分段处的电抗器能有效地降低发电机出口断路器、母线分段断路器、母线联络断路器以及变压器低压侧断路器所承受的短路电流。由于正常通过分段的电流不大，可以选较大电抗百分数(8%12%)，而两段母线间的电压降也不会太大，电能损耗也少，因此优先采用。,2、在发电机电压电缆出线上装设出线电抗器,610kV出线上短路时，母线分段电抗器能起限流作用，有时还须在出线上装设电抗器,以使发电机电压直配线的短路电流限制到轻型廉价的开关所能开断的范围内(SNl0-10I型少油断路器开断电流为16kA)。由于出线电抗器的额定电流较小(300600A)，虽额定电抗标么值仅取3%6%，但实际的有名值电抗较大，限流作用也大，但出线加装电抗器会使配电装置复杂,占地增多，正常运行时损耗增大。,3、装设分裂电抗器,分裂电抗器两臂在正常运行时，负荷应相同或相近。使电抗器所造成的电压降较小，而在分裂电抗器某一臂所带线路发生短路时，短路电流受到很大的限制,这是分裂电抗器的优点。,三、采用低压绕组分裂变压器,4-5 电气主接线设计举例 发电厂电气主接线设计举例 某火力发电厂原始资料 供热式机组2 50MW (UN=10.5kV)； 凝汽式机组2300MW(UN=18kV)； 厂用电率6%，机组年利用小时Tmax=6500h。 电力负荷及与电力系统连接情况资料 (1)10.5kV电压级Pmax=20MW，Pmin=15MW， cos =0.8，电缆馈线10回。 (2)220kV电压级Pmax=250MW，Pmin=200MW， cos =0.85， Tmax=4500h，架空线5回。 (3)500kV电压级与容量为3500MW的电力系统连接，系统归算到本电厂500kV母线上的标幺电抗0.021(基准容量为100MVA)，500kV架空线4回，备用线1回。,1、对原始资料的分析 设计电厂容量:250+2300MW=700MW; 占系统总容量700/(3500+700) 100%=16.7%; 超过系统检修备用容量8%15%和事故备用容量10%的限额。 说明该厂在系统中的作用和地位至关重要。 由于年利用小时数为6500h5000h，远大于电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数。 该电厂在电力系统中将主要承担基荷,从而在设计电气主接线时务必侧重考虑可靠性。,10.5kV电压级:地方负荷容量最大为20MW,共有10回电缆馈线,与50MW发电机机端电压相等，采用直馈线为宜。 18kV电压级: 300MW发电机出口电压，既无直配负荷,又无特殊要求,拟采用单元接线形式。 220kV电压级:出线回路数为5回，为保证检修出线断路器不致对该回路停电，拟采取带旁路母线接线形式为宜。 500kV电压级:与系统有4回馈线，最大可能输送的电力为700-15-200-7006%=443MW。500kV电压级的接线对可靠性要求应当很高。,2、主接线方案的拟定 (1)10kV电压级 10kV出线回路多,发电机单机容量为50MW， 根据设计规程规定：当每段母线超过24MW时，采用双母线分段接线，将2台50MW机组分别接在两段母线上。 剩余功率通过主变压器送往电压220kV。 50MW机组为供热式机组,通常“以热定电”,机组年负荷小时数较低,即10kV电压级与220kV电压之间按弱联系考虑,只设1台主变压器； 10kV电压最大负荷20MW，远小于250MW发电机组装机容量，即使在1台发电机检修的情况下，也可保证该电