2025年西安交通大学9年课程考试《发电厂电气部分》作业考核试题含主观题及答案

2025年西安交通大学9年课程考试《发电厂电气部分》作业考核试题含主观题及答案一、简答题（每题8分，共40分）1.简述发电厂电气主接线的基本要求，并说明单母线分段接线相较于单母线接线的主要改进及适用场景。2.隔离开关与断路器在功能、结构及使用条件上有何本质区别？列举3种隔离开关的典型应用场景。3.厂用电接线设计需满足哪些特殊要求？说明厂用高压母线采用单母线分段接线时，分段数目与厂用高压变压器数量的关系。4.限流电抗器在发电厂电气系统中的主要作用是什么？若某6kV母线拟采用分裂电抗器限流，其分裂系数β的取值范围及对限流效果的影响如何？5.发电厂直流系统的主要功能有哪些？说明高频开关电源型直流充电装置相较于相控整流型装置的技术优势。二、分析题（每题15分，共30分）6.某2×660MW超超临界燃煤电厂，发电机出口电压27kV，主变压器采用发电机-变压器单元接线，升压至1000kV接入系统。厂用高压工作电源拟从主变压器低压侧引接（27kV/6.3kV），备用电源由启动/备用变压器从110kV系统引接（110kV/6.3kV）。请分析：（1）厂用高压母线为何选择6.3kV而非10kV？（2）若厂用高压工作变压器容量为50MVA，阻抗电压14%，计算其额定电流及在6.3kV母线三相短路时的短路电流初始值（假设系统阻抗忽略不计）。（3）备用电源与工作电源的切换方式应选择快速切换还是同期捕捉切换？说明理由。7.某300MW机组发变组保护配置中，发电机出口装设了断路器（GCB）。请结合电气主接线设计原则，分析装设GCB的优缺点。若机组采用扩大单元接线（2台发电机接1台主变压器），是否仍需在每台发电机出口装设GCB？说明原因。三、计算题（每题15分，共30分）8.某110kV变电站10kV母线接线如图（注：此处假设为单母线分段接线，分段电抗器参数：额定电压10kV，额定电流1500A，电抗百分值Xk%=8），正常运行时两段母线分列运行。已知10kV母线最大运行方式下，系统短路容量为2000MVA，各馈线回路最大负荷电流为800A（共8回）。请计算：（1）母线分段电抗器的额定电抗标幺值（基准容量Sj=100MVA，基准电压Uj=10.5kV）；（2）当一段母线发生三相短路时，流经分段电抗器的短路电流周期分量有效值；（3）校验分段电抗器的动稳定（电抗器允许动稳定电流峰值为50kA）。9.某220kV变电站主变压器为三绕组变压器（220kV/110kV/10kV），容量为180MVA/180MVA/90MVA，阻抗电压百分比：Uk1-2%=14，Uk1-3%=23，Uk2-3%=8。110kV侧母线短路容量为1500MVA，10kV侧母线接有2回电缆线路（每回电抗0.08Ω，电缆额定电压10kV，基准容量100MVA）。计算10kV母线三相短路时的短路电流周期分量有效值（要求列出标幺值计算步骤，保留两位小数）。答案一、简答题1.基本要求：可靠性（满足N-1原则）、灵活性（操作检修方便）、经济性（投资与运行成本平衡）、可扩展性（适应未来负荷增长）。单母线分段接线通过断路器将母线分为两段，改进：提高可靠性（一段故障不影响另一段）、灵活性（可分段检修）。适用场景：6-10kV出线较多（≥5回）或对供电连续性要求较高的中低压母线。2.本质区别：断路器可开断负荷电流和短路电流（带灭弧装置），隔离开关仅用于电气隔离（无灭弧能力）。典型场景：（1）设备检修时隔离电源；（2）倒闸操作中配合断路器切换电路；（3）旁路母线中连接旁路断路器与线路。3.特殊要求：供电可靠性（确保机组安全停运）、运行灵活性（适应机组启停及事故状态）、经济性（降低厂用电率）、接线简洁性（减少故障点）。分段数目与高压变压器数量关系：通常1台高压厂用变压器对应1段母线，分段数等于工作变压器数量（如2台工作变则分2段）。4.主要作用：限制短路电流（降低设备选型成本）、维持母线电压（短路时减少电压波动）。分裂电抗器β=0.3-0.6，β越小，两臂电流反向时电抗值越大（约为单臂电抗的(1-β)/2倍），限流效果越强；同向时电抗值小（约为单臂电抗的(1+β)/2倍），正常运行压降小。5.主要功能：为控制、保护、信号、自动装置及事故照明提供可靠直流电源。高频开关电源优势：效率高（≥90%）、体积小、纹波系数小（≤0.5%）、动态响应快（稳压精度±0.5%）、可模块化冗余配置。二、分析题6.（1）选择6.3kV原因：厂用高压电动机（如给水泵、引风机）额定电压多为6kV，6.3kV母线可匹配电机电压（允许+5%偏差）；10kV电机成本高且容量适用性差（660MW机组厂用电动机容量多在2000-5000kW，6kV更经济）。（2）额定电流Ie=S/(√3U)=50×10³/(√3×6.3)≈4582A。短路电流初始值Ik''=Ie/(Uk%/100)=4582/(14/100)≈32729A≈32.73kA（系统阻抗忽略时，短路电流由变压器阻抗决定）。（3）应选择快速切换：厂用电机群惯性大（660MW机组电机GD²大），母线残压衰减慢，快速切换（≤0.5s）可避免电机转速大幅下降，减少重启时间；同期捕捉切换适用于残压与备用电源相位差较大的场景，本案例中工作与备用电源同源（均接系统），相角差小，快速切换更优。7.装设GCB优点：（1）发电机解列时无需跳主变压器高压侧断路器（减少系统冲击）；（2）可单独对发电机进行试验（如空载特性试验）；（3）发电机内部故障时仅跳GCB，不影响主变压器及系统。缺点：（1）增加投资（GCB价格高）；（2）引入额外故障点（GCB本身可能故障）。扩大单元接线时无需每台发电机出口均装GCB：扩大单元接线中2台发电机共享1台主变压器，若仅1台发电机故障，跳开该发电机出口GCB后，另一台发电机仍可通过主变压器送电；但实际工程中因扩大单元接线可靠性要求高（主变压器故障影响2台机），通常仍会在每台发电机出口装设GCB，以实现独立隔离，提高灵活性。三、计算题8.（1）电抗器额定电抗标幺值Xk=Xk%×Sj/(100×Uk×Ik)=(8×100)/(100×10.5×1.5)=8/(15.75)≈0.508（注：Uk为电抗器额定电压10kV，Ik为额定电流1.5kA）。（2）系统电抗标幺值Xsys=Sj/Ssc=100/2000=0.05。母线短路时，总电抗X=Xsys+Xk=0.05+0.508=0.558。短路电流周期分量有效值Ik=Ij/X=(100/(√3×10.5))/0.558≈5.498/0.558≈9.85kA。（3）短路电流峰值Ipk=√2×1.8×Ik≈2.55×9.85≈25.12kA＜50kA，动稳定校验合格。9.（1）计算变压器各绕组电抗标幺值（Sj=100MVA）：X1=(Uk1-2%+Uk1-3%-Uk2-3%)/2×Sj/Sn=(14+23-8)/2×100/180=29/2×0.555≈8.06X2=(Uk1-2%+Uk2-3%-Uk1-3%)/2×Sj/Sn=(14+8-23)/2×100/180=(-1)/2×0.555≈-0.278（取绝对值0.278）X3=(Uk1-3%+Uk2-3%-Uk1-2%)/2×Sj/Sn=(23+8-14)/2×100/180=17/2×0.555≈4.72（2）110kV系统电抗标幺值Xsys=Sj/Ssc=100/1500≈0.067（3）10kV电缆电抗标幺值（每回）Xc=(Xc×Sj)/(Uj²)=(0.08×100)/(10.5