電氣主接線設計原則和設計程序

1、電氣主接線設計原則和設計程序4.5.1 電氣主接線的設計原則電氣主接線的設計是發(fā)電廠或變電站電氣設計的主體。 它與電力系統(tǒng)、 電廠 動能參數(shù)、 基本原始資料以及電廠運行可靠性、 經(jīng)濟性的要求等密切相關， 并對 電氣設備選擇和布置、 繼電保護和控制方式等都有較大的影響。 因此，主接線設 計，必須結(jié)合電力系統(tǒng)和發(fā)電廠或變電站的具體情況，全面分析有關影響因素， 正確處理它們之間的關系，經(jīng)過技術、經(jīng)濟比較，合理地選擇主接線方案。電氣主接線設計的基本原則是以設計任務書為依據(jù)，以國家經(jīng)濟建設的方 針、政策、技術規(guī)定、標準為準繩，結(jié)合工程實際情況，在保證供電可靠、調(diào)度 靈活、滿足各項技術要求的前提下，兼顧運

2、行、維護方便，盡可能地節(jié)省投資， 就近取材，力爭設備元件和設計的先進性與可靠性，堅持可靠、先進、適用、經(jīng) 濟、美觀的原則。在工程設計中，經(jīng)上級主管部門批準的設計任務書或委托書是必不可少的。 它將根據(jù)國家經(jīng)濟發(fā)展及電力負荷增長率的規(guī)劃， 給出所設計電廠 （變電站） 的容 量、機組臺數(shù)、電壓等級、出線回路數(shù)、主要負荷要求、電力系統(tǒng)參數(shù)和對電廠 （ 變電站 ） 的具體要求， 以及設計的內(nèi)容和范圍。 這些原始資料是設計的依據(jù)， 必 須進行詳細的分析和研究，從而可以初步擬定一些主接線方案。國家方針政策、 技術規(guī)范和標準是根據(jù)國家實際狀況，結(jié)合電力工業(yè)的技術特點而制定的準則， 設計時必須嚴格遵循。設計的主

3、接線應滿足供電可靠、靈活、經(jīng)濟、留有擴建和 發(fā)展的余地。 設計時，在進行論證分析階段， 更應合理地統(tǒng)一供電可靠性與經(jīng)濟 性的關系，以便于使設計的主接線具有先進性和可行性。4.5.2 電氣主接線的設計程序 電氣主接線的設計伴隨著發(fā)電廠或變電站的整體設計進行， 即按照工程基本 建設程序，歷經(jīng)可行性研究階段、 初步設計階段、 技術設計階段和施工設計階段 等四個階段。在各階段中隨要求、任務的不同，其深度、廣度也有所差異，但總 的設計思路、方法和步驟基本相同。電氣主接線的設計步驟和內(nèi)容如下：1 對原始資料分析（1）工程情況，包括發(fā)電廠類型 （ 凝汽式火電廠，熱電廠，或者堤壩式、引水 式、混合式水電廠等

4、） ，設計規(guī)劃容量 （近期、遠景 ） ，單機容量及臺數(shù)，最大負 荷利用小時數(shù)及可能的運行方式等。發(fā)電廠容量的確定與國家經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃、 電力負荷增長速度、 系統(tǒng)規(guī)模和電 網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及備用容量等因素有關。 發(fā)電廠裝機容量標志著發(fā)電廠的規(guī)模和在電力 系統(tǒng)中的地位和作用。 在設計時， 對發(fā)展中的電力系統(tǒng)， 可優(yōu)先選用較為大型的 機組。但是，最大單機容量不宜大于系統(tǒng)總?cè)萘康?0，以保證在該機檢修或事故情況下系統(tǒng)的供電可靠性。當前，單機 300、600MW容量的機組已成為電網(wǎng) 的主力機組，1000MW級的火電機組正在醞釀中。發(fā)電廠運行方式及利用小時數(shù)直接影響著主接線設計。 承擔基荷為主的發(fā)電 廠，設備利用率

5、高，一般年利用小時數(shù)在 5000h 以上；承擔腰荷的發(fā)電廠，設備 利用小時數(shù)應在30005000h;承擔峰荷的發(fā)電廠，設備利用小時數(shù)在 3000h以 下。對不同的發(fā)電廠其工作特性有所不同。 對于核電廠或單機容量300MW及以上 的火電廠以及徑流式水電廠等應優(yōu)先擔任基荷， 相應主接線應以供電可靠為主選 擇主接線形式。水電廠是電力系統(tǒng)中最靈活的機動能源，啟、停方便，多承擔系 統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)相任務，根據(jù)水能利用及庫容的狀態(tài)可酌情擔負基荷、腰荷和峰荷。 因此，其主接線應以供電調(diào)度靈活為主選擇主接線形式。（2）電力系統(tǒng)情況，包括電力系統(tǒng)近期及遠景發(fā)展規(guī)劃 （510 年），發(fā)電廠 或變電站在電力系統(tǒng)中的位置

6、（地理位置和容量位置 ）和作用，本期工程和遠景與 電力系統(tǒng)連接方式以及各級電壓中性點接地方式等。發(fā)電廠的總?cè)萘颗c電力系統(tǒng)容量之比，若大于15時，則就可認為該廠是在系統(tǒng)中處于比較重要地位的電廠， 應選擇可靠性較高的主接線形式。 因為它的 裝機容量已超過了電力系統(tǒng)的事故備用和檢修備用容量， 一旦全廠停電， 會影響 系統(tǒng)供電的可靠性。主變壓器和發(fā)電機中性點接地方式是一個綜合性問題。 它與電壓等級、 單相 接地短路電流、過電壓水平、保護配置等有關，直接影響電網(wǎng)的絕緣水平、系統(tǒng) 供電的可靠性和連續(xù)性、主變壓器和發(fā)電機的運行安全以及對通信線路的干擾 等。我國一般對35kV及以下電壓電力系統(tǒng)采用中性點非直接

7、接地系統(tǒng)（中性點不 接地或經(jīng)消弧線圈接地 ） ，又稱小電流接地系統(tǒng); 對 llOkV 及以上高壓電力系統(tǒng)， 皆采用中性點直接接地系統(tǒng)， 又稱大電流接地系統(tǒng)。 發(fā)電機中性點都采用非直接 接地方式，目前，廣泛采用的是經(jīng)消弧線圈接地方式或經(jīng)中性點接地變壓器接地。(3) 負荷情況，包括負荷的性質(zhì)及其地理位置、輸電電壓等級、出線回路數(shù) 及輸送容量等。 電力負荷的原始資料是設計主接線的基礎數(shù)據(jù)， 電力負荷預測工 作是電力規(guī)劃工作的重要組成部分， 也是電力規(guī)劃的基礎。 對電力負荷的預測不 僅應有短期負荷預測， 還應有中長期負荷預測， 對電力負荷預測的準確性， 直接 關系著發(fā)電廠和變電站電氣主接線設計成果的質(zhì)

8、量， 一個優(yōu)良的設計， 應能經(jīng)受 當前及較長遠時間 (510年) 的檢驗。發(fā)電廠承擔的負荷應盡可能地使全部機組安全滿發(fā)， 并按系統(tǒng)提出的運行方 式，在機組間經(jīng)濟合理地分配負荷， 減少母線上電流流動， 使發(fā)電機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定和 滿足電能質(zhì)量要求。(4) 環(huán)境條件，包括當?shù)氐臍鉁?、濕度、覆冰、污穢、風向、水文、地質(zhì)、 海拔高度及地震等因素，對主接線中電氣設備的選擇和配電裝置的實施均有影 響。對此，應予以重視。對重型設備的運輸條件亦應充分考慮。(5) 設備供貨情況。這往往是設計能否成立的重要前提，為使所設計的主接 線具有可行性， 必須對各主要電氣設備的性能、 制造能力和供貨情況、 價格等資 料匯集并分析比

9、較。2 主接線方案的擬定與選擇根據(jù)設計任務書的要求， 在原始資料分析的基礎上， 根據(jù)對電源和出線回路 數(shù)、電壓等級、變壓器臺數(shù)、容量以及母線結(jié)構(gòu)等不同的考慮，可擬定出若干個 主接線方案 (本期和遠期 ) 。依據(jù)對主接線的基本要求， 從技術上論證并淘汰一些 明顯不合理的方案，最終保留23個技術上相當，又都能滿足任務書要求的方 案，再進行經(jīng)濟比較。 對于在系統(tǒng)中占有重要地位的大容量發(fā)電廠或變電站主接 線，還應進行可靠性定量分析計算比較， 最終確定出在技術上合理、 經(jīng)濟上可行 的最終方案。3 短路電流計算和主要電器選擇 對選定的電氣主接線進行短路電流計算，并選擇合理的電氣設備。4 繪制電氣主接線圖對

10、最終確定的主接線，按工程要求，繪制工程圖。5 編制工程概算 對于工程設計，無論哪個設計階段 （ 可行性研究、初步設計、技術設計、施 工設計 ） ，概算都是必不可少的組成部分。它不僅反映工程設計的經(jīng)濟性與可靠 性的關系，而且為合理地確定和有效控制工程造價創(chuàng)造條件，為工程付諸實施， 為投資包干、招標承包、正確處理有關各方的經(jīng)濟利益關系提供基礎。 概算的編制以設計圖紙為基礎， 以國家頒布的 工程建設預算費用的構(gòu)成及 計算標準、全國統(tǒng)一安裝工程預算定額 、電力工程概算指標 以及其他有關 文件和具體規(guī)定為依據(jù)，并按國家定價與市場調(diào)整或浮動價格相結(jié)合的原則進 行。概算的構(gòu)成主要有以下內(nèi)容：（1）主要設備器

11、材費，包括設備原價、主要材料 （ 鋼材、木材、水泥等 ） 費、 設備運雜費 （ 含成套服務費 ） 、備品備件購置費、 生產(chǎn)器具購置費等。 除設備及材 料費外，其他費用均按規(guī)定在器材費上乘一系數(shù)而定。 其系數(shù)由國家和地區(qū)隨市 場經(jīng)濟的變化在某一時期內(nèi)下達指標定額。（2）安裝工程費，包括直接費、間接費及稅金等。直接費指在安裝設備過程 中直接消耗在該設備上的有關費用， 如人工費、 材料費和施工機械使用費等； 間 接費指安裝設備過程中為全工程項目服務， 而不直接耗用在特定設備上的有關費 用，如施工管理費、臨時設施費、勞動保險基金和施工隊伍調(diào)遣費用等；稅金是 指國家對施工企業(yè)承包安裝工程的營業(yè)收入所征收

12、的營業(yè)稅、 教育附加和城市維 護建設稅。以上各種費用都根據(jù)國家某時期規(guī)定的不同的費率乘以基本直接費來 計算。（3）其他費用， 系指以上未包括的安裝建設費用， 如建設場地占用及清理費、 研究試驗費、 聯(lián)合試運轉(zhuǎn)費、 工程設計費及預備費等。 所謂預備費是指在各設計 階段用以解決設計變更 （含施工過程中工程量增減、 設備改型、材料代用等 ）而增 加的費用、一般自然災害所造成的損失和預防自然災害所采取的措施費用以及預 計設備費用上漲價差補償費用等。根據(jù)國家現(xiàn)階段下達的定額、價格、費率，結(jié)合市場經(jīng)濟現(xiàn)狀，對上述費用 逐項計算，列表匯總相加，即為該工程的概算。4 6 發(fā)電廠和變電所主變壓器的選擇發(fā)電廠和變

13、電所中， 用于向電力系統(tǒng)或用戶輸送功率的變壓器， 稱為主變壓 器；只用于兩種升高電壓等級之間交換功率的變壓器，稱為聯(lián)絡變壓器。4.6.1 主變壓器容量、臺數(shù)的選擇 主變壓器的容量和臺數(shù)直接影響主接線的形式和配電裝置的結(jié)構(gòu)。 它的選擇 除依據(jù)基礎資料外， 主要取決于輸送功率的大小、 與系統(tǒng)聯(lián)系的緊密程度、 運行 方式及負荷的增長速度等因素， 并至少要考慮 5 年內(nèi)負荷的發(fā)展需要。 如果容量 選得過大、臺數(shù)過多，則會增加投資、占地面積和損耗，不能充分發(fā)揮設備的效 益，并增加運行和檢修的工作量；如果容量選得過小、臺數(shù)過少，則可能封鎖發(fā) 電廠剩余功率的輸送， 或限制變電所負荷的需要， 影響系統(tǒng)不同電壓

14、等級之間的 功率交換及運行的可靠性等。1發(fā)電廠主變壓器容量、臺數(shù)的選擇發(fā)電廠設計技術規(guī)程規(guī)定：(1) 單元接線中的主變壓器容量 SN 應按發(fā)電機額定容量扣除本機組的廠用負 荷后，留有 10的裕度選擇S n 1.1Pn&1 - Kp) /cos G (MVA)(4.6.1)式中Png發(fā)電機容量，在擴大單元接線中為兩臺發(fā)電機容量之和，MW；cos G 發(fā)電機額定功率因數(shù)；K P 廠用電率。每個單元的主變壓器選擇一臺。(2) 接于發(fā)電機電壓母線與升高電壓母線之間的主變壓器容量Sn按下列條件選擇。1) 當發(fā)電機電壓母線上的負荷最小時 (特別是發(fā)電廠投入運行初期，發(fā)電機 電壓負荷不大 ) ，應能將接于發(fā)

15、電機電壓母線上發(fā)電機發(fā)出的功率減去發(fā)電機電 壓母線上的最小負荷而得到的最大剩余功率送至系統(tǒng) (計算中不考慮稀有的最小 負荷情況 )。即S N刀 PnGEI - Kp) /CO G Pmin/cos /n (MVA) (4.6.2)式中刀Png 發(fā)電機電壓母線上的發(fā)電機容量之和，MWP min發(fā)電機電壓母線上的最小負荷，MWcos 負荷功率因數(shù)；n 接于發(fā)電機電壓母線上的主變壓器臺數(shù)。2) 若發(fā)電機電壓母線上接有 2 臺及以上主變壓器， 當負荷最小且其中容量最 大的一臺主變壓器退出運行時，其他主變壓器應能將發(fā)電廠最大剩余功率的 70以上送至系統(tǒng)。即S N 刀 PNo(1 - Kp) / COS

16、G - Pmin / cos x 70 % / (n 1) (MVA) (4.6.3)3) 當發(fā)電機電壓母線上的負荷最大且其中容量最大的一臺機組退出運行時， 主變壓器應能從系統(tǒng)倒送功率，滿足發(fā)電機電壓母線上最大負荷的需要。即S N Pmax/cos 一刀 p/ Nd(1 - Kp) /CO G (MVA) (464)式中 刀p/ NG發(fā)電機電壓母線上除最大一臺機組外，其他發(fā)電機容量之和， MW；Pmax發(fā)電機電壓母線上的最大負荷，MW/4) 對水電廠比重較大的系統(tǒng)， 由于經(jīng)濟運行的要求， 在豐水期應充分利用水 能，這時有可能停用火電廠的部分或全部機組， 以節(jié)約燃料， 火電廠的主變壓器 應能從系

17、統(tǒng)倒送功率，滿足發(fā)電機電壓母線上最大負荷的需要。即S N Pmax/cos 一刀 P Nd(1 - Kp) /CO G (MVA) (465)式中刀P NG 發(fā)電機電壓母線上停用部分機組后，其他發(fā)電機容量之和，MW/對式(4.6.2)式(4.6.5)計算結(jié)果進行比較，取其中最大者。 接于發(fā)電機電壓母線上的主變壓器一般說來不少于 2臺，但對主要向發(fā)電機 電壓供電的地方電廠、系統(tǒng)電源主要作為備用時，可以只裝設一臺。2 變電所主變壓器容量、臺數(shù)的選擇 變電所主變壓器的容量一般按變電所建成后 510年的規(guī)劃負荷考慮， 并應 按照其中一臺停用時其余變壓器能滿足變電所最大負荷Smax 的 60%70%選擇

18、(對于35110kV變電所取60%，對于220500kV變電所取70%)。當全部I、U類重要負荷超過上述比例時，應按滿足全部I、U類重要負荷的供電要求選擇。 即S N(0.6 0.7) S max /(n-1)(MVA) (4.6.7)式中 n 變電所主變壓器臺數(shù)。為了保證供電的可靠性， 變電所一般裝設 2臺主變壓器；樞紐變電所可裝設 24臺；地區(qū)性孤立的一次變電所或大型工業(yè)專用變電所，可裝設 3臺3聯(lián)絡變壓器容量的選擇1) 聯(lián)絡變壓器的容量應滿足所聯(lián)絡的兩種電壓網(wǎng)絡之間在各種運行方式下 的功率交換。2) 聯(lián)絡變壓器的容量一般不應小于所聯(lián)絡的兩種電壓母線上最大一臺發(fā)電 機組的容量， 以保證最大

19、一臺發(fā)電機組故障或檢修時， 通過聯(lián)絡變壓器來滿足本 側(cè)負荷的需要； 同時也可在線路故障或檢修時， 通過聯(lián)絡變壓器將剩余功率送入 另一側(cè)系統(tǒng)。聯(lián)絡變壓器一般只裝一臺。4.6.2 主變壓器型式的選擇1 相數(shù)的確定在 330kV 及以下的發(fā)電廠和變電所中， 一般都選用三相式變壓器。 因為一臺三 相式較同容量的三臺單相式投資小、 占地少、損耗小，同時配電裝置結(jié)構(gòu)較簡單， 運行維護較方便。如果受到制造、運輸?shù)葪l件 (如橋梁負重、隧道尺寸等)限制時， 可選用兩臺容量較小的三相變壓器， 在技術經(jīng)濟合理時， 也可選用單相變壓器組。在500kV及以上的發(fā)電廠和變電所中，應按其容量、可靠性要求、制造水平、 運輸條

20、件、負荷和系統(tǒng)情況等，經(jīng)技術經(jīng)濟比較后確定。2 繞組數(shù)的確定(1) 只有一種升高電壓向用戶供電或與系統(tǒng)連接的發(fā)電廠，以及只有兩種電 壓的變電所，采用雙繞組變壓器。(2) 有兩種升高電壓向用戶供電或與系統(tǒng)連接的發(fā)電廠，以及有三種電壓的 變電所，可以采用雙繞組變壓器或三繞組變壓器 ( 包括自耦變壓器 )。1)當最大機組容量為125MW及以下，而且變壓器各側(cè)繞組的通過容量均達到 變壓器額定容量的 15及以上時 (否則繞組利用率太低 ) ，應優(yōu)先考慮采用三繞 組變壓器，如圖 4.6.1(a) 所示。因為兩臺雙繞組變壓器才能起到聯(lián)系三種電壓 級的作用， 而一臺三繞組變壓器的價格、 所用的控制電器及輔助設

21、備比兩臺雙繞 組變壓器少，運行維護也較方便。但一個電廠中的三繞組變壓器一般不超過2臺。當送電方向主要由低壓側(cè)送向中、高壓側(cè)，或由低、中壓側(cè)送向高壓側(cè)時， 優(yōu)先采用自耦變壓器。2)當最大機組容量為125MW及以下，但變壓器某側(cè)繞組的通過容量小于變壓 器額定容量的 15時， 可采用發(fā)電機一雙繞組變壓器單元加雙繞組聯(lián)絡變壓器， 如圖 4.6.1 (b) 所示。3) 當最大機組容量為200MW及以上時，采用發(fā)電機一雙繞組變壓器單元加聯(lián) 絡變壓器。其聯(lián)絡變壓器宜選用三繞組 (包括自耦變壓器 ) ，低壓繞組可作為廠用 備用電源或啟動電源，也可用來連接無功補償裝置，如圖 4.6.1 (c) 所示。4) 當采

22、用擴大單元接線時， 應優(yōu)先選用低壓分裂繞組變壓器， 以限制短路電 流。5) 在有三種電壓的變電所中， 如變壓器各側(cè)繞組的通過容量均達到變壓器額 定容量的 15及以上，或低壓側(cè)雖無負荷，但需在該側(cè)裝無功補償設備時，宜 采用三繞組變壓器。當變壓器需要與110kV及以上的兩個中性點直接接地系統(tǒng)相 連接時，可優(yōu)先選用自耦變壓器。圖 4.6.1有兩種升高電壓的發(fā)電廠連接方式(a) 采用三繞組 ( 或自耦 ) 主變壓器； (b) 采用雙繞組主變壓器和聯(lián) 絡變壓器； (c) 采用雙繞組主變壓器和三繞組 (或自耦 )聯(lián)絡變壓器3繞組接線組別的確定 變壓器的繞組連接方式必須使得其線電壓與系統(tǒng)線電壓相位一致，否則

23、不 能并列運行。電力系統(tǒng)變壓器采用的繞組連接方式有星形“Y”和三角形“D”兩種。我國電力變壓器的三相繞組所采用的連接方式為：110kV及以上電壓側(cè)均為“YN,即有中性點引出并直接接地；35kV(60 kV) 作為高、中壓側(cè)時都可能采用“ 丫”，其中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地，作為低 壓側(cè)時可能用“ Y”或“D； 35kV以下電壓側(cè)(不含0.4kV及以下)一般為“ D, 也有“ Y方式。變壓器繞組接線組別 (即各側(cè)繞組連接方式的組合 )，一般考慮系統(tǒng)或機組同 步并列要求及限制三次諧波對電源的影響等因素。接線組別的一般情況是：(1)6500kV均有雙繞組變壓器，其接線組別為“ 丫 d11”或“ Y

24、N d11”、“YN yO”或“丫，yn0”。下標0和11,分別表示該側(cè)的線電壓與前一側(cè)的線 電壓相位差0。和330。(下同)。組別“I , I0 ”表示單相雙繞組變壓器，用在 500kV系統(tǒng)。(2)110500kV均有三繞組變壓器，其接線組別為“ YN y0, dll ”、“ YN yn0, d11”，“YN yn0, y0”、“ YN dll dll ” (表示有兩個“ D接的低壓分 裂繞組)及“ YN a0, d11” (表示高、中壓側(cè)為自耦方式)等。組別“I , I0 ,10 ” 及“I , a0, I0 ”表示單相三繞組變壓器，用在 500kV系統(tǒng)。4 結(jié)構(gòu)型式的選擇 三繞組變壓器或自耦變壓器，在結(jié)構(gòu)上有兩種基本型式。(1) 升壓型。升壓型的繞組排列為： 鐵芯一中壓繞組一低壓繞組一高壓繞組， 高、中壓繞組間相距較遠、阻抗較大、傳輸功率時損耗較大。(2) 降壓型。降壓型的繞組排列為： 鐵芯一低壓繞組一中壓繞組一高壓繞組， 高、低壓繞組間相距