电力系统设计第二讲——主变压器PPT课件

1 第二讲电力网络方案设计 2 电网设计是根据设计期内的负荷需求及电源建设方案 确定相应的电网接线 以满足可靠 经济地输送电力的要求 主要内容 1 电网设计的任务 原则和标准 2 电力网电压等级的选择 3 电网结构的设计方法 4 发电厂接入系统的设计 5 主变压器的选择 6 电气主接线的设计 7 电力网中性点接地方式的确定 3 一 电网设计的一般内容 电网设计涉及大型水 火电厂及核电厂接入系统设计 大区电网或省级电网受端主干电网设计 城市电网设计 大型工矿企业的供电网络设计等方面 电网设计的重点是主网网架及与其关系紧密部分的设计 交流输电网的具体设计内容 1 确定输电方式2 选择电网电压3 确定网络结构4 各方案的初步潮流计算 分析电压及无功补偿情况5 稳定性计算 研究提高稳定性的措施及其效果6 系统短路容量计算 为断路器的选择提供依据7 供电安全和可靠性分析 应达到有关标准的要求8 研究大跨越 出线走廊 通信干扰等问题 4 二 电网设计应具备的条件 1 设计年度用电负荷的电力 电量资料 其中包括总水平 分省 分区及分变电所的电力电量值 以及必要的负荷特性参数 2 设计年度电源 现有和新增 的情况 包括电厂位置 厂址 装机容量 单机容量和机型等 对水电厂 除上述参数以外 还应有不同水文年发电量 保证出力 受阻容量 重复容量 调节特性等参数 3 现有电网 包括在建和已列入基建计划的线路和变电所 基础资料 其中包括电压等级 网络接线 线路长度 导线型号 变电所主变压器容量 型式 台数等主要规范资料 一般应具有包罗上述资料的系统现况图 地理接线及单线接线图 对未来网络规划的发展情况 应掌握包括可能架设新线路的路径 长度 以及变电所扩建和待建变电所所址等资料 以便能够组成足够数量的网络方案 4 送变电设备资料 5 三 电网设计的基本原则 电网设计的基本原则是满足运行中的安全可靠性 近 远景发展的灵活适应性 以及供电的经济合理性的要求 可靠性 应当具有 电力系统安全稳定导则 所规定的抗干扰的能力 满足向用户安全供电的要求 防止发生灾难性的大面积停电 灵活性 能适应电力系统的近 远景发展 便于过渡 尤其要注意到远景电源建设和负荷预测的各种可能变化 能满足调度运行中可能发生的各种运行方式下潮流变化的要求 经济性 在满足上述要求的条件下 设计方案要节约电网建设费 包括节约钢材 水泥 木材和设备 和年运行费 使年计算费用达到最小 6 四 电网设计的安全稳定标准 1 对电网结构的基本要求根据 电力系统安全稳定导则 DL755 2001 合理的电网结构应满足如下基本要求 能够满足各种运行方式下潮流变化的需要 具有一定的灵活性 并能适应系统发展的要求 任一元件无故障断开 应能保持电力系统的稳定运行 且不致使其它元件超过规定的事故过负荷和电压允许偏差的要求 应有较大的抗扰动能力 并满足导则规定的有关各项安全稳定标准 满足分层和分区原则 合理控制系统短路电流 7 2 电力系统的安全稳定标准 电力系统安全稳定导则 将安全稳定的标准分为3级 第一级标准 正常运行方式下 发生常见的单一故障 例如线路发生瞬间单相接地重合成功 任一发电机跳闸和失磁等 保护 开关及重合闸正确动作 不采取稳定控制措施 电网能保持稳定和对负荷的正常供电 其它元件不超过规定的事故过负荷能力 不发生连锁跳闸 第二级标准 正常运行方式下 电力系统发生较严重的故障扰动后 如单回线单相永久故障重合不成功 任一母线故障等 保护 开关及重合闸正确动作 应能保持稳定运行 必要时允许采用切机和切负荷等稳定控制措施 第三级标准 大电网最为重要的最后一道防线 在发生极端严重的故障时 如故障时开关拒动 继电保护自动装置误动或拒动 多重故障等 必须采取措施 防止系统崩溃 避免造成长时间大面积停电和对重要用户的灾害性停电 使负荷损失尽可能减少道到最小 并尽快恢复正常运行 8 3 提高电网安全稳定水平的措施 电力系统技术导则 把电力网络管理分为受端系统 电源接入系统与系统间联络线3部分 为提高整个电力系统的安全稳定水平 并根据各部分的重要性及技术经济条件 对电网设计提出了不同的要求 受端系统受端系统是指以负荷集中地区为中心 包括区内和邻近电厂在内 用较密集的电力网络将负荷和这些电源连接在一起的电力系统 受端系统通过接受外部及远方电源输入的有功和电能来实现供需平衡 加强受端系统内部最高一级电压的网络联系 为加强受端系统的电压支持和运行的灵活性 在受端系统应接有足够容量的电厂 受端系统要有足够的无功补偿容量 枢纽变电所的规模要同受端系统的规模相适应 受端系统发电厂运行方式改变 不应影响正常受电能力 9 电源接入系统 根据发电厂在系统中的地位和作用 不同规模的发电厂应分别接入相应的电压网络 在经济合理与建设条件可行的前提下 应在受端系统内建设一些较大容量的主力电厂 直接接入高一级电压网络 外部电源宜经相对独立的送电回路接入受端系统 尽量避免电源或送端系统之间的直接联络 尽量避免送电回路落点过于集中 每一组送电回路的最大输送功率所占受端系统总负荷的比例不宜过大 应结合受端系统的具体条件来决定 10 系统间联络线 系统间采用交流或直流方式互联应进行技术经济比较 交流联络线的电压等级宜与主网最高一级电压等级相一致 互联电网在任一侧失去大电源或发生严重单一故障时 联络线应保持稳定运行 并不应超过事故过负荷能力的规定 在联络线因故障断开时后 要保持各自系统的安全稳定运行 系统间的交流联络线不宜构成弱联系的大环网 并要考虑其中一回断开时 其余联络线应保持稳定运行 并可转送规定的最大电力 对交流弱联网方案 应详细研究对电网安全稳定的影响 经技术经济论证合理后方可采用 11 五 电力网电压等级的选择原则 1 选定的电压等级应符合国家电压标准3 6 10 35 63 110 220 330 500 750kV 2 电压等级不宜过多 以减少变电重复容量 同一地区 同一电力网内 应尽可能简化电压等级 3 各级电压级差不宜太小 根据国内外经验 110kV以下 或称电网配电电压等级 电压级差一般在3倍以上 110kV及以上 或称电网输电电压等级 电压级差一般在2倍左右 我国现有电网的电压等级的配置大致分为两类 即110 220 500kV及110 330kV 220kV以下电压等级的配置则为10 63 220kV及10 6 35 110 220kV两种系列 4 发电厂向系统送电 考虑采用高一级电压一回线还是低一级电压多回线向系统送电 与该电厂在系统中的重要性有关 5 对于单回线供电系统 在输电电压确定后的一回线送电容量与电力系统总容量应保持合适的比例 以保证在事故情况下电力系统的安全 12 我国各级电压输送能力统计 13 六 网络结构设计一般方法 1 常规设计方法是目前电网设计的主要方法 一般分为方案形成和方案检验两个阶段 方案形成阶段的任务是根据输电容量和输电距离 拟订几个可比的网络方案 方案检验阶段的任务是对已形成的方案进行技术经济比较 其中包括电力系统潮流 调相 调压计算 稳定电流 短路电流 工频过电压 潜供电流计算及技术经济比较等 在进行网络方案检验的同时 还可以根据检验得到的信息 增加或修改原有的网络方案 2 优化设计方法是利用计算机手段 将技术 经济和优化方法综合为一体 确定最优电网结构 对提高电网设计质量和速度很有帮助 目前在工程上只能作为辅助手段 14 网络结构常规设计的步骤 15 1 送电容量和送电方向的确定应用电力电量平衡方法 将一个待设计的电网分成若干个区域 在每个区域内根据其负荷与装机容量进行电力 或电量 平衡 确定各地区间的送电容量 2 送电距离的确定一般是在有关的地形图上量得长度 再乘以曲折系数1 1 1 15 作业时可参考同路径已运行的线路实际长度 或取送电线路可行性研究后的设计长度 16 3 拟定网络接线方案根据送电线路输电能力 以往类似工程实例以及设计者的经验 即可拟出几个待选的网络连接方式 设计电网方案时 可分为静态电网设计法和动态电网设计法 静态电网设计法只对未来一个水平年的电网接线方案进行研究 因而又称水平年规划法 动态电网设计法将设计期分为几个年度并考虑其过渡问题 现代电力网的电网接线可分为无备用网络和有备用网络两大类 17 18 19 20 4 电气计算1 潮流计算分析目的是观察各方案是否满足正常与事故运行方式下送电能力的需要 在正常运行方式下 各线路潮流一般应接近线路的经济输送容量 各主变 联变 的潮流应小于额定容量 在N 1的事故 包括计划检修的情况 下 线路潮流不应超过持续允许的发热容量 变压器应没有长时期过负荷现象 2 暂态稳定计算检验各方案能否满足SDJl61 85 电力系统设计技术规程 中关于电网结构设计所规定的稳定标准 电力系统设计一般仅对推荐方案和少数主干网络比较方案进行静态和暂态稳定计算 但若根据系统特点能判别哪类稳定起控制作用时 则可只进行这类稳定计算 必要时进行动态稳定计算 21 网络结构在以下故障时必须满足系统稳定运行和正常供电 任何线路发生单相瞬时接地故障重合成功 同级电压的双回线或多回线和环网 任一回线发生单相永久接地故障重合不成功及无故障三相断开不重合 同级电压的双回线或多回线和环网 任一回路三相故障断开不重合 任一台发电机跳闸或失磁 受端系统任一台变压器故障退出运行 系统中任一大负荷突然变化 如冲击负荷或大负荷突然退出 任一交流联络线故障或无故障断开不重合 直流输电线路单极故障 22 网络结构在以下故障时可采取措施保持系统稳定运行 但允许损失部分负荷 单回线发生单相永久接地故障重合不成功及无故障三相断开不重合 任一母线故障 同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功 或双回线三相同时跳开 直流输电线路双极故障 23 3 短路电流计算 短路电流计算的主要目的是选择新增断路器的额定断流容量 额定开断电流 提出今后发展新型断路器的额定断流容量 以及研究限制系统短路电流水平的措施 包括提高变压器中性点绝缘水平 24 4 调相 调压计算 调相 调压计算 研究在系统各种运行方式下变电所母线的运行电压是否符合电压质量标准 研究增加无功补偿设备以满足电压质量标准 在增加无功补偿设备后电压波动幅度仍不能满足要求时 可选用有载调压变压器 除上述情况外 有载调压变压器一般应装设在供 配电网络中 25 5 工频过电压 工频过电压计算应以正常运行方式为基础 加上一重非正常运行方式及一重故障型式 正常运行方式包括过渡年发电厂单机运行 网络解环运行等 非正常运行方式包括联络变压器退出运行 中间变电所的1台主变压器退出运行 故障时局部系统解列等 但单相变压器组有备用相时 可不考虑该变压器组退出运行 故障型式可取线路一侧发生单相接地三相断开或仅发生无故障三相断开两种情况 330 350kV网络的工频过电压水平 线路断路器的变电所侧及线路侧应分别不超过网络最高相电压 有效值 kV 的1 3及1 4倍 采用氧化锌避雷器时 工频过电压水平可适当提高 线路侧过电压可提高到1 5倍 26 6 潜供电流计算 高压线路的濳供电流由容性和感性两个分量组成 容性分量是由于两个非故障相的工作电压通过相间电容向故障相进行电容性供电而形成的 与线路的运行电压有关 感性分量是由于两个非故障相的工作电流通过相间互感向故障相进行感应供电而产生的 与非故障相通过的电流 线路故障地点有关 潜供电流的允许值取决于潜供电弧自灭时间的要求 潜供电流的自灭时间等于单相自动重合闸无电流间隙时间减去弧道去游离时间 单相自动重合闸无电流间隙时间要结合系统稳定计算决定 弧道去游离时间可取0 1 0 15s 并考虑一定裕度 27 5 经济比较 经济比较是工程设计中项目或方案经济评价的一个组成部分 通过经济比较对方案进行筛选后 将其优选方案再进行国民经济评价 财务评价及不确定性分析 电力系统规划中经济评价应用最广泛的是方案经济比较 常用的方法有 最小费用法 净现值法 内部收益率法 折返年限法等 静态电网设计法只对未来一个水平年的电网接线进行经济比较 在进行费用比较时 可以不考虑资金的贴现 动态电网设计法进行费用比较时 要计及资金的时间价值 28 6 选择方案时还应综合考虑的因素 主干电网结构 厂内接线 运行灵活性 是否便于过渡 电源 负荷变化的适应性 对国民经济其他部门的影响 国家资源 如土地 劳力 矿藏等 利用政策 国家物资和设备的平衡 环境保护和生态平衡 工程规模和措施是否与现有技术水平相适应 缩短建设工期和改善技术经济指标的可能性和必要性 建设条件和运行条件 对人民生活条件的影响 对远景发展的适应情况等 29 七 发电厂接入系统设计 发电厂接入系统的设计是以审议过的中长期电力规划或审定的电力系统设计为基础 即在明确了电厂规划容量 单机容量 送电方向 功率 距离和该电厂在系统中的地位后 更深入地研究该厂与电力系统的关系 确定发电厂的送电范围 出线电压 出线回路数等 以满足电厂初步设计中电气系统部分的需要 30 八 主变压器的选择 主变压器联络变压器厂用变压器 31 1 主变压器容量和台数的确定 发电厂主变压器 1 单元接线的主变压器容量的确定原则按下列条件中的较大者选择 1 按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后 留有10 裕度 2 按汽轮发电机组的最大连续输出容量扣除本机组的厂用负荷 当采用扩大单元接线时 应采用分裂绕组变压器 其容量应等于按上述 1 或 2 算出的两台机组容量之和 32 2 具有发电机电压母线接线的主变压器容量的确定原则 1 当发电机电压母线上为最小负荷时 能将发电机电压母线上剩余容量送人系统 但可不考虑出现频率极少的最小负荷的特殊情况 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 3 根据系统经济运行的要求 如充分利用丰水季节的水能 而限制本厂输出功率时 能供给发电机电压的最大负荷 4 发电机电压母线与系统连接的变压器一般选用两台 对主要由发电机电压供电 而系统电源仅作为备用的地方电厂 则允许只装设一台主变压器作为发电厂与系统间的联络 对小型发电厂 接在发电机电压母线上的主变压器宜设置一台 对装有两台主变压器的发电厂 其变压器容量按能承担70 的电厂容量选择 即当其中一台主变压器退出运行时 另一台主变压器仍能承担全部电厂的容量 33 变电站主变压器 1 变电所主变容量 一般应按5 10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 2 重要变电所 应考虑一台主变停运 其余主变容量在计及过负荷能力允许时间内 应满足I II类负荷的供电 3 一般性变电所 当一台主变停运 其余主变容量应能满足全部负荷的70 80 34 联络变压器容量 1 联络变的容量应能满足两种电压网络在各种不同运行方式下 网络间的有功和无功功率的交换 2 联络变容量一般不小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量 以保证最大一台机组故障或检修时 通过联络变来满足本侧负荷的要求 同时在线路检修或故障时 通过联络变将剩余容量送入另一系统 35 变压器的台数 变压器的台数与电压等级 接线形式 传输容量 和系统的联系等因素有密切关系 1 与系统有强联系的大 中型发电厂和枢纽变电所 在一种电压等级下 主变应不少于2台 2 对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所 可设3台主变 3 与系统若联系的中 小型电厂和低压侧电压为6 10KV的变电所 或与系统联系只是备用性质时 可只装1台变压器 4 联络变为布置和引线方便 通常只选一台 在中性点接地方式允许条件下 以选自耦变为宜 其第三绕组 即低压绕组兼作厂用备用电源或引接无功补偿装置 36 2 主变压器型式的选择 1 相数的确定主变选择三相还是单相 主要考虑变压器的制造条件 运输条件和可靠性要求等因素 如因变压器制造条件和运输条件的限制 高度 重量 则宜选用两台小容量三相变取代一台大容量三相变 或者选用单相当不受运输条件限制时 330KV及以下电力系统 一般都应选三相变压器 500KV及以上电力系统中的主变相数的选择 除按容量 制造水平 运输条件确定外 更重要的是考虑负荷和系统情况 保证供电可靠 进行综合分析 在满足技术 经济的条件下 来确定选用单相变还是三相变 37 2 绕组数的确定 变压器按绕组分类有 双绕组 三绕组 自耦和低压绕组分裂等形式 发电厂如以两种升高电压等级向用户供电或与系统连接时 可采用二台双绕组或一台三绕组或自耦变 a 一般当最大机组容量为125MW及以下的发电厂 多采用三绕组变压器 因为一台三绕组变的价格和其控制电器 辅助设备 与相应的两台双绕组变相比都较少 但三绕组变的每个绕组的通过容量应达到该变压器额定容量的15 及以上 否则绕组未能充分利用 反而不如选两台双绕组变合理 b 对于最大机组为200MW以上的发电厂 一般采用双绕组变压器 加联络变压器 c 在110KV及以上中性点直接接地系统中 凡需选用三绕组变的场所 均可优先选用自耦变 它损耗小 体积小 效率高 但限流效果差 且变比不宜过大 38 3 绕组接线组别的确定 变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致 否则 不能并列运行 电