发电厂电气部分课程设计指南

1、发电厂电气部分课程设计指南（变电站设计篇）龙军编第1章 主接线设计电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成的接受和分配电能的电路，其又称为一次接线或电气主系统。主接线代表了发电厂或变电所电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。它直接影响运行的可靠性、灵活性并对电气设备选择、配电装置布置、继电保护，自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。对主接线的基本要求：1、可靠性主接线可靠性应从以下的方面考虑：为了简化电气接线可以采用可靠性高的电气设备。断路器和母线检修时，不影响系统的供电。设备或母线发生故障时，尽可能地减少停运的回路数与停运时间，以确保系统的稳定性以及对重要用户的供

2、电。尽量避免全部停电的可能性。2、灵活性电气主接线应能适应各种运行状态，并且可以灵活地转换运行方式。主接线灵活性应考虑以下的方面：操作的方便性。在满足可靠性的前提下，电气主接线的接线尽量简单，操作步骤少，以避免操作过程中出现差错。调度的方便性。电气主接线应能根据调度要求灵活改变运行方式，尽快切除故障，使停电时间最短，影响范围最小。扩建的方便性。电气主接线能够方便地从初期设计的接线过渡到终期的接线，在主接线设计时应保留有发展扩建的空间。3、经济性在进行电气主接线的设计时，可靠性与经济性之间存在矛盾，但它们是统一的关系存在与主接线中。主接线的设计在满足可靠性和灵活性的前提下，尽可能做到投资与占地面

3、积小，电能损失少。1.1 原始资料分析1、工程规模（1）电压等级。（2）主变压器的容量及台数（3）各级电压线路回路数：（4）系统电源引接情况（5）负荷的性质及大小2、电力系统容量及发展规划，中性点接地方式3、环境条件如当地年最高温度、年最低温度、最热月平均最高温度、最热月平均地下0.8m土壤最高温度、海拔高度、最大风速等。1.2 负荷统计统计各电压等级的负荷容量。统计时应考虑负荷的同时率及线损率。 Pi=A（1+P%）Pi （1-1）式中：i电压等级代号，如10kV、35kV、110kV等 A同时率，指同时用电的负荷功率占负荷总功率的比率 P%线损率，一般可取5% 将各电压等级的总负荷相加，即

4、得到变电站的总负荷。一般只统计有功负荷，设定功率因数后，便可求出负荷的视在功率。1.3主变压器选择根据负荷的容量、性质，按照变压器的选择原则确定主变压器的容量及台数，并确定其型号。考虑的因素有：1、主变压器的相数和绕组数量2、 连接方式（组别）3、阻抗与调压方式4、冷却方式1.4 电气主接线设计1、主接线的设计依据（1）变电站在电力系统中的地位和作用是主要考虑因素。（2）根据5-10年电力系统的发展规划考虑。应根据负荷的分布和大小、区域电网情况、负荷的增长速度以及潮流分布，并分析计算电网的各种可能的运行方式，来确定主接线的形式、出线回数和所连接电源数。（3）负荷的重要性等级与出线回数量对电气主

5、接线有着影响。一级负荷必须要有两个独立电源供电；二级负荷，当一个电源失去作用后，另一电源供电给大部分二级负荷；三级负荷只需一个电源供电或环网开环运行。（4）变电站的主变压器的容量和台数会对变电站的电气主接线产生直接的影响。传输容量大的变电所，对供电可靠性要求较高。而传输容量小的变电所，对主接线的可靠性、灵活性则要求较低。（5）备用容量的大小以及备用容量的有无对主接线也有影响。电气主接线根据备用容量的有无决定断路器或母线检修时是否允许有关的线路、变压器停运；当线路故障时切除线路或变压器的数量都会影响电气主接线的形式。2、电气主接线的拟定（1）设计两个完整的主接线方案（2）对主接线方案进行技术比较

6、判断主接线方案是否满足可靠性、灵活性的要求。正常运行及计划检修时能否不停电；发生故障时的停电范围及恢复供电所需时间等。（3）对技术相当的两个主接线方案进行经济比较可用的经济比较方法有最小费用法、净现值法、抵偿年限法等。课程设计可采用抵偿年限法进行比较。抵偿年限Ta可由下式计算，抵偿年限小于5年时采用总投资大的方案。 (1-2)式中： I1、I2分别为方案1、2的投资，C1、C2分别为方案1、2的运行费。1.综合总投资综合总投资I主要包括变压器综合投资I0，开关设备，配电装置综合投资以及不可预见的附加投资等。综合总投资只算方案中的不同部分。 (1-3) a为不明显的附加费用比例系数，如基础加工、

7、电缆沟道开挖费用等，220kV取70，110kV取90。2.运行期的年运行费用 (1-4)式中：1为检修维护费率，取值0.0220.042； 2为折旧费率，取值0.0050.058； 为损耗电能的电价，元/(kWh);A为变压器年电能损耗，单位kWh 。年损耗电能A 随变压器类型不同而异：（1） 双绕组变压器。n台同类型、容量双绕组变压器并联运行时，其年损耗电能计算式为 (1-5)n-同容量、同类型变压器台数SN-每台变压器额定容量，kVAS-n台变压器负担的总负荷， kVAT-变压器年运行小时数，hmax-最大负荷损耗小时数，h（2）三绕组变压器n台同容量、类型三绕组变压器并联运行时，其年损

8、耗电能计算式为+(P3k+KQ3k)3max (kWh) (1-6)P0、Q0 -分别为变压器的空载有功损耗，kW和空载无功损耗，kvarT-变压器年运行小时数，hP1k 、P2k 、P3k -变压器一、二、三侧绕组的短路有功损耗，kWQ1k 、Q2k 、Q3k -变压器一、二、三侧绕组的短路无功损耗，kvar1max、2max、3max-变压器一、二、三侧绕组最大负荷损耗时间，h第2章短路电流计算在此所进行的短路电流计算，目的是为选择电气设备提供依据，亦即用于校验设备的动稳定及热稳定。一般来说，在同一地点发生各种短路时，三相短路电流值最大，故短路类型选用三相短路；选择各电压等级母线作为短路计

9、算点；采用标幺制进行短路电流计算。2.1短路电流计算步骤1、绘制主接线的等值电路图。绘制系统等值电源在内的变电站等值电路，对图中元件的阻抗进行编号。2、设定基准容量及基准电压，计算各元件的电抗标幺值3、分别计算每种运行方式下各短路点发生短路时的短路电流，包括次暂态电流、稳态电流、冲击电流、短路容量等。也可根据需要计算短路过程中某一时间点的短路电流。2.2元件阻抗及短路电流计算公式1、系统等值电源电抗系统等值电源电抗往往会给出，不必计算。2、线路电抗取架空线路电抗值x0=0.4/km，电缆线路的电抗值x0=0.08/km。可取基准容量SB=100 MVA，基准电压为各电压等级的平均额定电压。线路

10、电抗x1*= (x0LSB)/UB2 (2-1)式中，L为线路长度。3、变压器各电压侧电抗Uk1%=1/2(Uk1-2%Uk1-3%Uk2-3%) (2-2)Uk2%=1/2(Uk1-2%Uk2-3%Uk1-3%) (2-3)Uk3%=1/2(Uk2-3%Uk1-3%Uk1-2%) (2-4)则：xT1*=Uk1%100SBSN (2-5)xT2*=Uk2%100SBSN (2-6)xT3*=Uk3%100SBSN (2-7)4、短路电流的计算对于无穷大电力系统（供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时亦认为是无穷大系统），次暂态电流可认为与稳态电流大小相等，即I*=I*=1X*（2-8）

11、短路电流的有名值:Ik=I*IB（2-9）冲击电流： ish=2.55Ik (2-10)短路容量： SK=3UBIk (2-11)对于有限容量系统，可用运算曲线法计算短路电流。步骤如下：（1）将等值电路进行化简，得到与电源及短路点直接连接的转移阻抗；（2）将各电源的转移阻抗按该电源的功率归算，得到各电源的计算电抗；（3）按时刻t和计算电抗查运算曲线得到各电源送到短路点的短路电流标幺值（分别以各电源的功率为基准值）（4）求短路电流的有名值第3章电气设备选择电气设备选择原则1、按电气设备的工作条件选择电气设备。即根据电气装置所处的位置(户内或户外)、使用条件和工作环境，选择电气设备的类型或型号。2

12、、按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定。动稳定是指电气设备或载流导体承受短路电动力的能力；热稳定是指电气设备或载流导体承受短时发热的能力。3.1断路器和隔离开关的选择1、按额定电压选设备的额定电压UN应不低于其所在电网的额定电压US，即UNUS(3-1)2按额定电流选电气设备的额定电流IN应不小于通过它的最大持续工作电流Imax，即INImax(3-2)3、校验动稳定iesish(3-3)式中，ies为电气设备允许通过的动稳定电流的幅值；ish为短路冲击电流幅值。4、校验热稳定It2tQk(3-4)式中，Q k为短路电流产生的热效应；It、t分别为电气设备允许通过的最大热稳定电流和时间。5、

13、 断路器校验开断电流额定开断电流INbr是指断路器在额定电压下能保证开断的最大短路电流。对开断时间0.1秒的中、慢速断路器INbrI （3-5）开断时间0.1秒时INbrIk （3-6） Ik=Ipt2+(2Ie-tkT)2 式中：IptI”；Ta为短路电流非周期分量衰减时间，Ta=x/r, x、r分别为电源至短路点的总电抗和总电阻；Ik为短路开断计算时间。6、断路器校验关合电流INelish （3-7）3.2裸导体选择1、按最大工作电流选择导体截面SImaxKIal(3-8)式中，Imax为母线所通过的最大工作电流；Ial为所选母线长期允许载流量；K为温度修正系数。K=al-al-02、按经

14、济电流密度选择：S=ImaxJ3、热稳定校验：SSmin=1CQkKf(3-9)式中，S为所选母线的截面积；Smin为母线应有的最小面积；Kf为集肤效应系数；C为热稳定系数。表3-1 不同工作温度下裸导体的C值工作温度()4045505560657075808590硬铝及铝锰合金9997959391898785838281硬铜1861831811791761741711691661641614、硬导体动稳定校验（1）单位长度的导体所受的电动力： fph=1.7310-71aish2（N/m） （3-10）（2）最大弯矩： M=fphL210（Nm） （3-11）（3）截面系数：不同的导体形状、

15、布置方式以及每相导体的不同根数使用不同的计算公式。在三相系统平行布置时，对于长边为h、短边为b的矩形导体，当长边呈水平布置，每相为单条时，W取值为bh2/6（两条时为bh2/3，三条时为bh2/2）；当长边呈垂直布置，每相为单条时，W为b2h/6（两条时为1.44b2h，三条时为3.3b2h）。对于管型导体，W=(D4-d4)/32D d、D分别为管子的内、外径。（4）导体最大相间计算应力： alph =MW（Pa） (3-12)导体材料允许应力:硬铝70106Pa、硬铜140106Pa。绝缘子间最大允许跨距：多条矩形导体构成母线的应力计算almax=ph+b (3-13)矩形母线的b计算：同

16、相为2条时：（3-14）每相为3条时：（3-15）K12、K13 条1、2和条1、3之间的截面形状系数临界跨距Lcr防止同相导体互相接触的衬垫间允许的最大跨距：（3-16）条间作用应力计算（3-17）满足动稳定要求的最大允许衬垫跨距（3-18）所选衬垫跨距Lb应满足： LbLcr及Lb Lbmax3.3电缆选择 1、电缆芯线材料及型号选择根据用途、敷设方式和使用条件进行选择。2、按最大工作电流选择导线截面SImaxKIalK=KtK1K2（架设于空气中）或K=KtK3K4（直埋）3、按经济电流密度选择S=Imax /J 4、按额定电压选UNUS5、电压降校验（3-19）应满足U%5% 6、 热

17、稳定校验（3-20）3.4 电抗器选择1、按额定电压和额定电流的选择当分裂电抗器用于变电站主变压器回路时，Imax取两臂中负荷电流较大者，当无负荷资料时，一般按主变压器额定容量的70%选择。普通电抗器电抗百分值的选择设要求将经电抗器后的短路电流限制到I，则电源至电抗器后的短路点的总电抗标幺值 （基准电流Id、基准电压Ud）。设电源至电抗器前的系统电抗标幺值是 ，则所需电抗器的电抗标幺值。以电抗器额定参数（UN、IN）下的百分值电抗表示，则应选择电抗器的电抗百分值为（3-21）电压损失校验。（3-22）短路时母线残压校验（3-23）3.5电压互感器的选择1、一次额定电压和二次额定电压的选择电压互

18、感器一次绕组额定电压U1N，应根据互感器的高压侧接线方式来确定其相电压或相间电压。2、接线方式选择。（1）一台单相电压互感器。用于110kV及以上中性点接地系统时，测量相对地电压；用于35kV及以下中性点不接地系统时，只能用于测量相间电压，不能测量相对地电压。（2）三相式电压互感器（应用于315kV电压等级）及三台单相三绕组或四绕组电压互感器构成YNynd11接线，或YNyd11接线（应用于各个电压等级），其二次侧星形绕组用于测量相间电压或相对地电压，需抽取同期并列电压时b相或c相接地（y接线），否则为中性点接地（yn接线）；而剩余绕组d11三相首尾串联接成开口三角形，在中性点不接地的电力系统

19、中，供交流电网绝缘监视仪表与信号装置使用，在中性点直接接地的电力系统中，供接地保护使用。（3）两台单相电压互感器分别跨接于电网的UAB及UBC的线间电压上，接成不完全三角形，广泛应用在20kV以下中性点不接地的电网中，用来测量三个相间电压，（仍不能测量相对地电压）。3、容量和准确级选择。按照所接仪表的准确级和容量，选择电压互感器的准确级和额定容量。S2NS2L （3-24）（3-25）电压互感器三相负荷常不相等，为满足准确级要求，通常以最大相负荷进行比较。计算电压互感器各相的负荷时，必须注意电压互感器和负荷的接线方式。3.6电流互感器的选择1、种类和型式的选择。应根据安装地点（如屋内、屋外）和

20、安装方式（如穿墙式、支持式、装入式等）选择其型式。2、一次回路额定电压和电流的选择。一次回路额定电压UN和电流I1N应满足测量用电流互感器的一次额定电流不应低于回路正常最大负荷电流，且应尽可能比电路中的正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪表在正常运行时，指示在刻度标尺的3/4最佳位置，并且过负荷时能有适当指示。3、准确级和额定容量的选择。为了保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。对电量交换的关口计量点宜用0.2级；装于重要回路（如中小型发电机和变压器、调相机、厂用馈线、有收费电能计量的出线等）中的互感器的准确级采用0.20.5级；对供运行监视、100MW及以下发电

21、机组的厂用电、较小用电负荷以及供电企业内部考核经济指标分析的电能表和控制盘上仪表的电流互感器应为0.51级。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。表3-2 仪表与配套的电流互感器的准确等级指示仪表计量仪表仪表准确等级电流互感器准确等级仪表准确等级电流互感器准确等级有功功率表无功功率表0.51.01.52.50.50.51.01.00.20.51.02.01.02.02.03.00.10.2或0.2S 0.5或0.5S 0.5或0.5S 互感器按选定准确级所规定的额定容量S2N应大于或等于二次侧所接负荷，即（3-26）ra、rre分别为二次侧回路中所接仪表和继电器

22、的电流线圈电阻（忽略电抗）；rc为接触电阻，一般可取0.1；rL为连接导线电阻。满足电流互感器准确级额定容量要求下的二次导线的允许最小截面为（3-27）S、Lc分别为连接导线截面（mm2）和计算长度（m）；为导线的电阻率，铜=1.7510-2mm2/m。Lc与仪表到互感器的实际距离L及电流互感器的接线方式有关。三相负荷对称时，测量一相电流，Lc=2L；星形接线时，可不计中性线电流，Lc=L；对不完全星形接线，常用于35kV及以下电压等级的不重要出线，4、热稳定校验（3-28）式中，Kt为1s允许通过的热稳定电流It或一次额定电流I1N的倍数。5、动稳定校验动稳定校验包括由同一相的电流相互作用产生的内部电动力校验，以及不同相的电流相互作用产生的外部电动力校验。多匝式一次绕组主要经受内部电动力；单匝式一次绕组不存在内部电动力，则电动力稳定性为外部电动力决定。内部动稳定校验式为：（3-29）ies、Kes分别为电流互感器的动稳定电流及动稳定电流倍数。外部动稳定校验式为：