电力工程15-第15章-电气设备的选择课件

1、 第四篇 电力工程设计与管理 Part 4 Power Engineering Design and Management 电气主接线 电力网络接线的设计 电气设备的选择电力工程管理 第15章 电气设备的选择 风江水电站位于湖南省西部，电站建成后将向株州市等地供电。电力系统接线如图所示。电站将在相距70公里处的株州变电所接入系统，电站自用电率0.4%，当地最高气温41，最热月平均气温28.5， 设计代建水电站的电气主接线以及接入系统 电气主接线的设计概述 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及发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活性和经

2、济性密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大的影响。因此，必须处理好各方面的关系，综合分析有关影响因素，经过技术、经济比较，合理确定主接线方案。 电气主接线的设计原则 电气主接线设计的基本原则是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、运行灵活、维护方便等基本要求下，力争节约投资，降低造价，并尽可能采用先进技术，坚持供电可靠、技术先进、安全使用、经济美观的原则。环保与美观是目前电气设计不得不考虑的因素!环保与美观是目前电气设计不得不考虑的因素! 电气主接线的设计依据 电气主接线的设计依据是设计任务书，主要包括以

3、下内容： （1）发电厂、变电所在电力系统中的地位和作用（2）发电厂、变电所的分期和最终建设容量。3）负荷的性质（4）电力系统备用容量的大小以及系统对电气主接线提供的具体资料。 （5）环境条件，如当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度等，这些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。设计内容系统接入设计 根据待建水电站在系统中的地位、作用、运行方式和输送功率、距离，选择技术上满足要求的水电站与系统连接输电线路的回路数、电压等级、导线规格。确定待建水电站技术上满足要求的地方用户供电方案：供电线路回路数、电压等级、导线规格。设计水电厂接入点系 统 根据待建水电站电压等级

4、、机组台数、功率输送情况，拟订满足供电可靠性和水电站各种运行方式要求的主变压器可选用方案（主变类型、台数、容量、型号）。设计内容主变选择设计设计水电厂接入点系 统 保留23个技术上相当，又能满足任务书要求的方案，通过对选用方案经济比较，选定综合经济指标最优的水电站主变方案。根据所确定的主变方案和进出线回路数，通过分析、论证，确定待建水电站各电压等级的主接线型式。设计内容主接线选择设计综合比较投资费用与运行费用的关系设计内容高压电气设备选择本课程要求掌握内容根据待建水电站在系统中的地位、作用、运行方式和输送功率、距离，选择技术上满足要求的水电站与系统连接输电线路的回路数、电压等级、导线规格。确定

5、待建水电站技术上满足要求的地方用户供电方案：供电线路回路数、电压等级、导线规格。（输电线路规格确定）根据待建水电站电压等级、机组台数、功率输送情况，拟订满足供电可靠性和水电站各种运行方式要求的主变压器可选用方案（主变类型、台数、容量、型号）。保留23个技术上相当，又能满足任务书要求的方案，通过对选用方案经济比较，选定综合经济指标最优的水电站主变方案。根据所确定的主变方案和进出线回路数，通过分析、论证，确定待建水电站各电压等级的主接线型式。设计待建水电站自用电接线，选用自用电变压器台数、容量、型号。手算所选短路点的三相短路电流，选择水电站发电机低压和高压电气设备：断路器、隔离开关、母线、TA、T

6、V等。（设备选择基本概念,TA、TV配置原则）1）选择 材料型号 ：LGJ、LGJJ、LGJQ 按输送功率、输送距离确定电压等级（表15）按照经济电流密度选择导线截面其中：j 为经济电流密度，根据 、导线材料查表或图（图152）可得；根据计算所得Sj，查表可得导线标准截面。综合考虑投资、年运行费和国家当时的技术经济政策而确定的电流密度，可使选择的导体年计算费用最小。输电线路选择2）校验 发热校验正常运行：一回线故障：电能少送部分不能超过系统容量的15 电晕校验（表155）则不需校验 电压损耗校验正常运行：一回线故障：校验不满足要求： 1）增加回路数（小于220KV） 2）分裂导线（大于等于22

7、0KV）主变压器的选择发电厂主变压器变电所变压器发电厂、变电所主变压器的选择一、确定主变压器容量、台数的原则 发电厂主变压器容量、台数的原则 变电所主变压器容量、台数的原则二、变压器型式的选择原则 相数的确定 绕组数的确定 调压方式的确定 绕组接线组别的确定 冷却方式的确定 发电厂主变压器容量、台数的原则 200MW及以上发电机采用单元接线时， 变压器容量按下列条件大者选择 1.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。 2.发电机的最大连续输出容量扣除厂用负荷 采用扩大单元时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应等于按上述条件算出的两台发电机容量之和。具有发电机电压母

8、线接线的主变压器容量的确定 具有发电机电压母线接线的主变压器容量、台数的确定 （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。 （2）当接在发电机电压母线上最大一台发电机组停用时，主变压器应能从系统中倒送功率。 （3）根据系统经济运行的要求（如水电站充分利用丰水季节的水能）而限制本厂输出功率时，能供给发电机电压母线的最大负荷。 （4）发电机电压母线与系统连接的变压器一般为两台。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。对装设两台或以上主变压器的发电厂，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器在允许正常过负荷范围内，应能输送母线剩余功率

9、的70%以上。火力发电厂110KV220KV330KV500KV一次降压变电站35KV二次电压变电站10KV10KV工厂变压器台220V住宅380V/220V 电力系统示意图 变电所主变压器容量、台数的原则 （1）主变压器容量一般按变电所建成后510年的规划负荷选择，并适当考虑到远期1020年的负荷发展。 （2）有类及负荷的变电所宜装设两台主变压器。根据负荷的性质和电网的结构来确定主变压器的容量。对重要变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足类及负荷的供电；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的7080%。 （3）对城

10、市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。 对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可考虑装设3台主变压器。对不重要的较低电压等级的变电所，可以只装设一台主变压器。变压器的台数一般在24台之间。满足最大负荷的60%-70%满足重要负荷变 压 器 的 型 号 变压器相数的确定 电力变压器按相数可分为单相变压器和三相变压器两类，三相变压器与同容量的单相变压器组相比较，价格低、占地面积小，而且运行损耗减少1215。因此，在330kV及以下电力系统中，一般都选用三相变压器。但是，随着电压的提高，容量的增大，变压器的外形尺寸及重量均会增大，可能会出现由制造厂

11、到发电厂（或变电所）的运输困难：如隧洞的高度、桥梁的承载能力不足等。若受到限制时，则宜选用两台小容量的三相变压器取代一台大容量的三相变压器，或者选用单相变压器组。 变压器绕组数的确定 变压器按其绕组数可分为双绕组普通式、三绕组式、自耦式以及低压绕组分裂式等型式。当发电厂只升高一级电压时或35kV及以下电压的变电所，可选用双绕组普通式变压器。当发电厂有两级升高电压时，常使用三绕组变压器或两台双绕组变压器。最大机组容量为125MW以下，每个绕组的通过容量要达到该变压器额定容量的15%以上。 容量大于200MW及以上机组，一般采用双绕组变压器，2个电压等级采用联络变压器连接。 变压器调压方式的确定

12、通过切换变压器的分接头开关，改变变压器高压绕组的匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一种是不带电压切换，称为无励磁调压，调整范围通常在22.5以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30，其结构复杂，价格较贵。 发电厂在以下情况时，宜选用有载调压变压器： （1）当潮流方向不固定，且要求变压器副边电压维持在一定水平时； （2）具有可逆工作特点的联络变压器，要求母线电压恒定时； （3）发电机经常在低功率因数下运行时。 变电所在以下情况时，宜选用有载调压变压器： （1）地方变电所、工厂、企业的自用变电所经常出现日负荷变化幅度很大的情况时，又要求满足电能质量往往需要装设有载

13、调压变压器； （2）330kV及以上变电站，为了维持中、低压电压水平需要装设有载调压变压器； （3）110kV及以下的无人值班变电站，为了满足遥调的需要应装设有载调压变压器。 变压器调压方式的确定 变压器绕组接线组别的确定 我国110kV及以上电压，变压器三相绕组都采用“YN”联接；35kV采用“Y”联接，其中性点多通过消弧线圈接地；35kV以下高压电压，变压器三相绕组都采用“D”联接。因此，普通双绕组一般选用YN，d11接线；三绕组变压器一般接成YN，y，d11或YN，yn，d11等形式。 变压器冷却方式的选择 变压器的冷却方式主要有自然风冷却、强迫空气冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷

14、却、强迫油循环导向冷却、水内冷变压器、SF6充气式变压器等。设计内容高压电气设备选择电气设备在运行中的两种工作状态第一，正常工作状态指运行参数都不超过额定值，电气设备能够长期而经济地工作的状态。第二，短路时工作状态指电力系统中发生短路故障时，电气设备要流过很大的短路电流。选择的设备应该满足何种条件？如何选择？电气设备选择与校验的一般条件为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择总原则：按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。第一，第二，第三， 额定电压 高压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，

15、最高运行电压一般不超过1.1UNs 。（电网的额定电压） 一般电气设备允许的最高工作电压可达1.11.15UN(电气设备的额定电压)。因此在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即 UN UNs 额定电流电气设备的额定电流N是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许通过电流。 N应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流max，即N max 。 按环境工作条件校验在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境条件，当气温、温度、海拔高度和覆冰厚度等环境条件超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。 当周围环境温度0和电气设备额定环境

16、温度不等时，其长期允许工作电流应乘以修正系数K，即公式中的N一般为25。海拔对绝缘的影响内绝缘。电力设备内部的绝缘。包括固体介质、液体介质或气体介质的绝缘以及由不同介质构成的组合绝缘。外部大气条件对内绝缘基本没有影响。但材料的老化、高温、连续加热以及受潮等因素对内绝缘的绝缘强度有不利的影响。内绝缘若发生击穿，一般说来，它的绝缘强度是不能自行恢复的。外绝缘。在直接与大气相接触的条件下工作的电工设备的各种不同形式的绝缘。包括空气间隙和电力设备固体绝缘的外露表面。外绝缘在放电停止后，其绝缘强度通常能迅速地完全恢复并与重复放电的次数无关。外绝缘的绝缘强度与外部大气条件密切相关。电气设备选择与校验条件为

17、了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择总原则：按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。第一，第二，第三，为什么需要进行校验？短路电流引起发热发热对电气设备造成以下几种不良影响。（1）机械强度下降。（2）接触电阻增加。（3）绝缘性能下降。 电气设备流过短路电流时的危害 载流部分可能因为电动力而振动，或 者因电动力所产生的应力大于其材料 允许应力而变形，甚至使绝缘部件或 载流部件损坏。 电气设备的电磁绕组，受到巨大的电 动力作用，可能使绕组变形或损坏。 巨大的电动力可能使开关电器的触头 瞬间解除接触压力，

18、甚至发生斥开现 象，导致设备故障。第一,第二,第三,短路电流计算原则？最大运行方式，可能出现的最严重的短路电流。 短路条件校验短路电流计算条件 （1）接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式（最大运行方式），但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式(如切换厂用变压器时的并列)。 容量和接线按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划； 短路条件校验短路电流计算条件 （2）短路种类一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。 （3）短路计算时间： 在进行短路电流热效应校验时，短路计算时间 等于继电保护动作时间与相应断路器的全开断时间： 短路条件校验短

19、路电流计算条件 （4）计算短路点选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。 短路条件校验动稳定校验 动稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力。满足动稳定的条件为 或式中 im、M短路冲击电流及最大有效值电流； ies 、es电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。 短路条件校验短路热稳定校验（不至于被融化） 短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度(或发热效应)应不超过允许值。满足热稳定的条件为 式中 t 厂家给的电气设备在时间t秒内的热稳定电流。 t与t相对应的时间。 Qk在计算时间内短路电流的热效应。（1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断 时间保证，故可不校验热稳定。（

20、2）采用限流熔断器保护的设备，可不校验动稳定。（3）装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定。下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：短路电流产生热量计算由哪些因素决定？与动稳定短路电流计算的区别？计算时间的设定 开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，考虑到主保护拒动等原因，按最不利情况（考虑延时或后备保护的动作时间）当保护为延时或后备时，需要加上相应的时间计算时间内短路电流的热量计算短路电流是在变化的，可分为周期分量和非周期分量，短路电流热效应值Qk的计算 短路全电流中包含周期分量Ip和非周期分量Inp，其热效应Qk也由两部分构成：周期分量热效应计算需要三个时刻的电流值，可

21、以通过查运算曲线获得。Qk的计算非周期分量Qnp计算式中Ta为非周期分量时间常数值 计算时间大于1秒时，忽略非周期分量热效应影响T为非周期分量等效时间 电气设备选择与校验条件为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择总原则：按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定（短路电流的最大峰值或有效值）、热稳定（一段时间内短路电流产生的热量）校验；按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。第一，第二，第三，电气设备选择与校验项目表设备名称额定电压额定电流开断能力短路电流校验环境条件其它动稳定热稳定断路器操作性能负荷开关操作性能隔离开关操作性能熔断器上、下级间配合电流互

22、感器电压互感器二次负荷、准确等级支柱绝缘字二次负荷、准确等级穿墙套管母线电缆注：表中“”为选择项目，“”为校验项目。 高压断路器选择一般635kV选用真空断路器，35500kV选用六氟化硫断路器。 高压断路器选择额定电压与电流选择 高压断路器选择额定开断电流 在额定电压下，断路器能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流Nbr。在高压断路器中其值不应小于实际开断瞬间短路电流周期分量k ，即 一般： 高压断路器选择短路关合电流 在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏。 断路器在

23、关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电流是断路器的重要参数之一。为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值ich ， 即接下来，还需要进行热稳定，动稳定校验！ 高压隔离开关的选择：不需要进行开断电流和开 合电流的选择 隔离开关选择及校验条件除额定电压、电流、动热稳定校验外，还应看其种类和形式的选择，其型式应根据配电装置特点和要求及技术经济条件来确定。使用场合特 点参 考 型 号屋内屋内配电装置成套高压开关柜三级， 10kV以下GN2，GN6，GN8，GN19发电机回路，大电流回路单极，大电流300

24、013000AGN10三级，15kV，200600AGN11三级，10kV，大电流20003000AGN18，GN22，GN2单极，插入式结构，带封闭罩20 kV，大电流1000013000AGN14屋外220kV及以下各型配电装置双柱式，220kV及以下GW4高型，硬母线布置V型，35110kVGW5硬母线布置单柱式，220500 kVGW620kV及以上中型配电装置三柱式，220500 kVGW7 例 试选择容量为25MW， 的发电机出口断路器及回路的隔离开关。 已知发电机出口短路时，系统侧电抗 （基准容量 ），系统等值机容量为400MVA 。发电机主保护时间 ，后备保护时间 ，配电装置内

25、最高室温为+40。 例计算数据SN10-10III/2000型断路器GN2-10/2000型隔离开关电流互感器的配置原则 （1）每条支路的电源侧均装设足够数量的电流互感器，供该支路测量、保护使用。此原则同于开关电器的配置原则，因此有断路器与电流互感器紧邻布置。配置的电流互感器应满足下列要求：1）一般应将保护与测量用的电流互感器分开；2）尽可能将电能计量仪表互感器与一般测量用互感器分开，前者必须使用0.5级互感器，并应使正常工作电流在电流互感器额定电流的2/3 左右；3）保护用互感器的安装位置应尽量扩大保护范围，尽量消除主保护的不保护区；4）大接地电流系统一般三相配置以反应单相接地故障；小电流接

26、地系统发电机、变压器支路也应三相配置以便监视不对称程度，其余支路一般配置于A、C相。 （2）为了减轻内部故障时发电机的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的宜装在发电机中性点侧。电流互感器的配置原则 （3）配备差动保护的元件，应在元件各端口配置电流互感器，当各端口属于同一电压级时，互感器变比应相同，接线方式相同。Y，d11接线组别变压器的差动保护互感器接线应分别为三角形与星形，以实现两侧二次电流的相位校正同时低压侧变流比Kb与高压侧变流比Kh的关系为Kb=KhKT/ 3，其中KT为变压器的变比（KT=高

27、压/低压）。 （4）为了防止支持式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。 电压互感器的配置原则 电压互感器配置原则是：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地取压。通常如下配置： （1）母线。 6220kV电压级的每组主母线的三相上应装设电压互感器，旁路母线则视回路出线外侧装设电压互感器的需要而确定。 （2）线路。当需要监视和检测线路断路器外侧有无电压，供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（三只单相、双绕组D，y接线）用于自动调节励磁装置。一组

28、供测量仪表、同期和继电保护使用，该组电压互感器采用三相五柱式或三只单相接地专用互感器， Y，y，接成接线，辅助绕组接成开口三角形，供绝缘监察用。 电压互感器的配置原则 当互感器负荷太大时，可增设一组不完全星形连接的互感器，专供测量仪表使用。50MW及以上发电机中性点常还设一单相电压互感器，用于100%定子接地保护。 （4）变压器 变压器低压侧有时为了满足同步或继电保护的要求，设有一组电压互感器。 （5）330500kV电压级的电压互感器配置：双母线接线时，在每回出线和每组母线三相上装设。一个半断路器接线时，在每回出线三相上装设，主变压器进线和每组母线上则根据继电保护装置、自动装置和测量仪表的要求，在一相或三相上装设。线路与母线的电压互感器二次回路不切换。短路冲击电流及最大有效值电流计算1.无穷大电源系统三相短路2.非无穷大电源系统三相短路无穷大电源供电系统的三相短路故障故障发生后电流中会出现哪些分量？何种情况短路电流最大？短路冲击电流和最大有效值电流的出现时间？短路电流的最大值约在短路后的T/2（0.01S）时刻出现。 冲击系数短路冲击电流