發(fā)電廠電氣部分第四章電氣主接線及設(shè)計(jì)(三)(四)

發(fā)電廠變電所電氣主系統(tǒng)第四章電氣主接線及設(shè)計(jì)《發(fā)電廠電氣部分》課題組電力工程學(xué)院電氣工程系1在發(fā)電廠和變電站中，用來向電力系統(tǒng)或用戶輸送功率的變壓器，稱為主變壓器；用于兩種電壓等級(jí)之間交換功率的變壓器，稱為聯(lián)絡(luò)變壓器；只供本廠（站）用電的變壓器，稱為廠（站）用變壓器或自用變壓器。

第三節(jié)主變壓器的選擇2主變壓器的容量、臺(tái)數(shù)直接影響主接線的形式和配電裝置的結(jié)構(gòu)。它的確定除依據(jù)傳遞容量基本原始資料外，還應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)5～10年發(fā)展規(guī)劃、輸送功率大小、饋線回路數(shù)、電壓等級(jí)以及接人系統(tǒng)的緊密程度等因素，進(jìn)行綜合分析和合理選擇。變壓器容量選得過大、臺(tái)數(shù)過多，不僅增加投資，增大占地面積，而且也增加了運(yùn)行電能損耗，設(shè)備未能充分發(fā)揮效益；

變壓器容量選得過小，將可能“封鎖”發(fā)電機(jī)剩余功率的輸出或者會(huì)滿足不了變電站負(fù)荷的需要，這在技術(shù)上是不合理的，因?yàn)槊壳叩陌l(fā)電設(shè)備投資遠(yuǎn)大于每千瓦變電設(shè)備的投資。

一、主變壓器的容量、臺(tái)數(shù)的確定原則第三節(jié)主變壓器的選擇3

單元接線的主變壓器容量應(yīng)按下列條件中的較大者選擇：發(fā)電機(jī)的額定容量扣除本機(jī)組的廠用負(fù)荷后，留有10%的裕度。按發(fā)電機(jī)的最大連續(xù)容量，（制造廠家提供的數(shù)據(jù)）扣除一臺(tái)廠用變壓器的計(jì)算負(fù)荷和變壓器繞組平均溫升在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度或冷卻水溫度不超過

的條件選擇。該

是依據(jù)我國(guó)電力變壓器標(biāo)準(zhǔn)，即在正常使用條件下，油浸變壓器在連續(xù)額定容量穩(wěn)態(tài)下的繞組平均溫度。

(一）單元接線的主變壓器第三節(jié)主變壓器的選擇4

連接在發(fā)電機(jī)電壓母線與系統(tǒng)之間的主變壓器的容量，應(yīng)考慮以下因素：（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)全部投入運(yùn)行時(shí)，在滿足發(fā)電機(jī)電壓供電的日最小負(fù)荷，并扣除廠用負(fù)荷后，主變壓器應(yīng)能將發(fā)電機(jī)電壓母線上的剩余有功和無功容量送入系統(tǒng)。（2）當(dāng)接在發(fā)電機(jī)電壓母線上的最大一臺(tái)機(jī)組檢修或者因供熱機(jī)組熱負(fù)荷變動(dòng)而需限制本廠出力時(shí)，主變壓器應(yīng)能從電力系統(tǒng)倒送功率，保證發(fā)電機(jī)電壓母線上最大負(fù)荷的需要。(二）具有發(fā)電機(jī)電壓母線接線的主變壓器第三節(jié)主變壓器的選擇5（3）若發(fā)電機(jī)電壓母線上接有2臺(tái)或以上的主變壓器時(shí)，當(dāng)其中容量最大的一臺(tái)因故退出運(yùn)行時(shí)，其它主變壓器應(yīng)能輸送母線剩余功率的70%以上。（4）在電力市場(chǎng)環(huán)境下，中、小火電機(jī)組的高成本電量面臨“競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”的約束，特別是在夏季豐水季節(jié)處于不利地位，加之“以熱定電”的中、小熱電廠在夏季熱力負(fù)荷減少的情況下，可能停用火電廠的部分或全部機(jī)組，主變壓器應(yīng)具有從系統(tǒng)倒送功率的能力，以滿足發(fā)電機(jī)電壓母線上最大負(fù)荷的要求。第三節(jié)主變壓器的選擇67(三）連接兩種升高電壓母線的聯(lián)絡(luò)變壓器

聯(lián)絡(luò)變壓器的臺(tái)數(shù)一般只設(shè)置1臺(tái)，最多不超過2臺(tái)。這是考慮到布置和引線的方便。聯(lián)絡(luò)變壓器的容量選擇應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：（1）聯(lián)絡(luò)變壓器容量應(yīng)能滿足兩種電壓網(wǎng)絡(luò)在各種不同運(yùn)行方式下有功功率和無功功率交換。（2）聯(lián)絡(luò)變壓器容量一般不應(yīng)小于接在兩種電壓母線上的最大一臺(tái)機(jī)組容量，以保證最大一臺(tái)機(jī)組故障或檢修時(shí)，通過聯(lián)絡(luò)變壓器來滿足本側(cè)負(fù)荷的要求；同時(shí)，也可在線路檢修或故障時(shí)，通過聯(lián)絡(luò)變壓器將剩余容量送入另一系統(tǒng)。第三節(jié)主變壓器的選擇7

（1）變電站主變壓器容量確定原則：變電站主變壓器容量，一般應(yīng)按5～10年規(guī)劃負(fù)荷來選擇。根據(jù)城市規(guī)劃、負(fù)荷性質(zhì)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等綜合考慮確定其容量。對(duì)重要變電站，應(yīng)考慮當(dāng)1臺(tái)主變壓器停運(yùn)時(shí)，其余變壓器容量在計(jì)及過負(fù)荷能力允許時(shí)間內(nèi)，應(yīng)滿足Ⅰ類及Ⅱ類負(fù)荷的供電；對(duì)一般性變電站，當(dāng)1臺(tái)主變壓器停運(yùn)時(shí)，其余變壓器容量應(yīng)能滿足全部負(fù)荷的70％～80％。（2）變電站主變壓器臺(tái)數(shù)確定原則：對(duì)于樞紐變電站在中、低壓側(cè)已形成環(huán)網(wǎng)的情況下，變電站以設(shè)置2臺(tái)主變壓器為宜；對(duì)地區(qū)性孤立的一次變電站或大型工業(yè)專用變電站，可設(shè)3臺(tái)主變壓器，以提高供電可靠性。(四）變電站主變壓器第三節(jié)主變壓器的選擇8容量為300MW及以下機(jī)組單元連接的主變壓器和330kV及以下電力系統(tǒng)中，一般都應(yīng)選用三相變壓器。因?yàn)閱蜗嘧儔浩鹘M相對(duì)投資大、占地多、運(yùn)行損耗也較大，同時(shí)配電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也增加了維修工作量。但是，由于變壓器的制造條件和運(yùn)輸條件的限制，特別是大型變壓器，需要考察其運(yùn)輸可能性。若受到限制時(shí)，則可選用單相變壓器組。容量為600MW機(jī)組單元連接的主變壓器和500kV電力系統(tǒng)中的主變壓器應(yīng)綜合考慮運(yùn)輸和制造條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可采用單相組成三相變壓器。二、變壓器型式和結(jié)構(gòu)的選擇原則(一）相數(shù)第三節(jié)主變壓器的選擇9電力變壓器按每相的繞組數(shù)分為雙繞組、三繞組或更多繞組等型式；按電磁結(jié)構(gòu)分為普通雙繞組、三繞組、自耦式及低壓繞組分裂式等型式。發(fā)電廠以兩種升高電壓級(jí)向用戶供電或與系統(tǒng)連接時(shí)，可以采用2臺(tái)雙繞組變壓器或三繞組變壓器。最大機(jī)組容量為125MW及以下的發(fā)電廠多采用三繞組變壓器，但三繞組變壓器的每個(gè)繞組的通過容量應(yīng)達(dá)到該變壓器額定容量的15％及以上，否則繞組未能充分利用，反而不如選用2臺(tái)雙繞組變壓器在經(jīng)濟(jì)上更加合理。在一個(gè)發(fā)電廠或變電站中采用三繞組變壓器一般不多于3臺(tái)，以免由于增加了中壓側(cè)引線的構(gòu)架，造成布置的復(fù)雜和困難。(二）繞組數(shù)與結(jié)構(gòu)第三節(jié)主變壓器的選擇10此外，選用時(shí)應(yīng)注意到功率流向。三繞組變壓器根據(jù)三個(gè)繞組的布置方式不同，分為升壓變壓器和降壓變壓器。升壓變壓器用于功率流向由低壓繞組傳送到高壓和中壓，常用于發(fā)電廠；降壓變壓器用于功率流向由高壓繞組傳送至中壓和低壓，常用于變電站。機(jī)組容量為200MW以上的發(fā)電廠采用發(fā)電機(jī)—雙繞組變壓器單元接線接人系統(tǒng)，而兩種升高電壓級(jí)之間加裝聯(lián)絡(luò)變壓器更為合理。聯(lián)絡(luò)變壓器宜選用三繞組變壓器(或自耦變壓器)，低壓繞組可作為廠用備用電源或廠用啟動(dòng)電源，亦可連接無功補(bǔ)償裝置。第三節(jié)主變壓器的選擇11擴(kuò)大單元接線的主變壓器，應(yīng)優(yōu)先選用低壓分裂繞組變壓器，可以大大限制短路電流。在110kV及以上中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，凡需選用三繞組變壓器的場(chǎng)所，均可優(yōu)先選用自耦變壓器，因其損耗小、價(jià)格低。變壓器三相繞組的接線組別必須和系統(tǒng)電壓相位一致，否則，不能并列運(yùn)行。電力系統(tǒng)采用的繞組連接方式只有星形“Y”和三角形“d”兩種。因此，變壓器三相繞組的連接方式應(yīng)根據(jù)具體工程來確定。在發(fā)電廠和變電站中，一般考慮系統(tǒng)或機(jī)組的同步并列要求以及限制3次諧波對(duì)電源的影響等因素，主變壓器接線組別一般都選用YN，d11常規(guī)接線。(三）繞組聯(lián)接組號(hào)第三節(jié)主變壓器的選擇12為了保證發(fā)電廠或變電站的供電質(zhì)量，電壓必須維持在允許范圍內(nèi)。通過變壓器的分接開關(guān)切換，改變變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)，從而改變其變比，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整。切換方式有兩種：一種是不帶電切換，稱為無激磁調(diào)壓，調(diào)整范圍通常在±2×2.5％以內(nèi)；另一種是帶負(fù)荷切換，稱為有載調(diào)壓，調(diào)整范圍可達(dá)30％。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴。電力變壓器的冷卻方式隨變壓器型式和容量不同而異，一般有自然風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻。(四）調(diào)壓方式(五）冷卻方法第三節(jié)主變壓器的選擇13短路是電力系統(tǒng)中較常發(fā)生的故障。短路電流直接影響電氣設(shè)備的安全，危害主接線的運(yùn)行，特別在大容量發(fā)電廠中，在發(fā)電機(jī)電壓母線或發(fā)電機(jī)出口處，短路電流可達(dá)幾萬安至幾十萬安。為使電氣設(shè)備能承受短路電流的沖擊，往往需選用加大容量的電氣設(shè)備。這不僅增加投資，甚至?xí)蜷_斷電流不能滿足而選不到符合要求的高壓電氣設(shè)備。為了能合理地選擇輕型電氣設(shè)備，在主接線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮采取限制短路電流的措施。第四節(jié)

限制短路電流的方法14加裝限流電抗器限制短路電流，常用于發(fā)電廠和變電站的6～10kV配電裝置。依據(jù)電抗器的結(jié)構(gòu)限流電抗器分為普通電抗器和分裂電抗器兩類。

普通三相限流電抗器是由三個(gè)單相的空心線圈構(gòu)成，采用空心結(jié)構(gòu)是為了避免短路時(shí)，由于電抗器飽和而降低對(duì)短路電流的限制作用。因?yàn)闆]有鐵心，因而它的伏安特性是線性的，當(dāng)電流從額定電流到超過額定值10～20倍的短路電流的很大范圍變化時(shí)，伏安特性都是線性的；同時(shí)由于無鐵心，而電抗器的導(dǎo)線電阻又很小，因而在運(yùn)行中的有功能量損耗也是極小的。普通電抗器可分為母線電抗器和線路電抗器兩種。如圖4-20。一、裝設(shè)限流電抗器(一）普通電抗器第四節(jié)

限制短路電流的方法15正常工作情況下,母線分段處往往是電流流動(dòng)最小的地方，在此裝設(shè)電抗器，所引起的電壓損失和功率損耗都比裝在其他地方為小。對(duì)于母線電抗器L1，無論廠內(nèi)(k1或k2點(diǎn))或廠外(L3點(diǎn))短路時(shí)，均能起到限流作用。為了運(yùn)行操作方便和減小母線各段間的電壓差，母線分段一般不宜超過三段。母線電抗器的額定電流按母線上因事故切除最大一臺(tái)發(fā)電機(jī)時(shí)可能通過電抗器的電流進(jìn)行選擇，一般取為發(fā)電機(jī)額定電流的50％～80％，電抗百分值取為8％～12％。圖4-20電抗器的接法線路電抗器主要用來限制電纜饋線回路短路電流。由于電纜的電抗值較小且有分布電容，即使在電纜饋線末端發(fā)生短路，短路電流也和母線短路相差不多。為了出線能選用輕型斷路器，同時(shí)饋線的電纜也不致因短路發(fā)熱而需加大截面，常在出線端加裝線路電抗器。它只能在電抗器以后如k3點(diǎn)短路時(shí)，才有限制短路電流的作用。由于架空線路本身的感抗值較大，不長(zhǎng)一段線路就可以把出線上的短路電流限制到裝設(shè)輕型斷路器的數(shù)值，因此通常在架空線路上不裝設(shè)線路電抗器。當(dāng)線路電抗器后發(fā)生短路時(shí)(如L3點(diǎn))，電壓降主要產(chǎn)生在電抗器上，這不僅限制了短路電流，而且能在母線上維持較高的剩余電壓，一般都大于65％UN，這對(duì)非故障用戶，尤其對(duì)電動(dòng)機(jī)極為有利當(dāng)在分段上裝設(shè)母線電抗器或在發(fā)電機(jī)、主變壓器回路裝設(shè)分裂電抗器不滿足要求時(shí)，再考慮在線路上裝設(shè)線路電抗器。線路電抗器的額定電流300～600A，電抗百分值3％～6％第四節(jié)

限制短路電流的方法16分裂電抗器在結(jié)構(gòu)上與普通電抗器相似，只是繞組中心有一個(gè)抽頭，將電抗器分為兩個(gè)分支，即兩個(gè)臂1和2，一般中間抽頭用來連接電源，分支1和2用來連接大致相等的兩組負(fù)荷。正常工作時(shí)，兩個(gè)分支的負(fù)荷電流相等，在兩臂中通過大小相等、方向相反的電流，產(chǎn)生方向相反的磁通，如圖4-21（a）所示。每臂的磁通在另一臂中產(chǎn)生互感電抗，則每臂的運(yùn)行電抗(稱為穿越型電抗)為

（4-1）XL－每臂的自感電抗；XM－每臂的互感電抗

f－互感系數(shù)，f＝XM/XL（二）分裂電抗器第四節(jié)

限制短路電流的方法17圖4-21(a)分裂電抗器正常工作時(shí)的工作原理互感系數(shù)f一般等于0.5，則在正常工作時(shí)，每臂的運(yùn)行電抗X＝0.5XL?？梢姡谡９ぷ鲿r(shí)，分裂電抗器每個(gè)臂的電抗減少了一半。倘若將兩個(gè)分支負(fù)荷等效為一個(gè)總負(fù)荷，則分裂電抗器的等值運(yùn)行電抗僅為每臂自感電抗的1／4。第四節(jié)

限制短路電流的方法18當(dāng)分支1出線短路時(shí)，如圖4-21（b）所示。①若忽略分支2的負(fù)荷電流，顯然分裂電抗器臂1對(duì)經(jīng)變壓器T提供的短路電流IkS呈現(xiàn)的運(yùn)行電抗值為XL(稱為單臂型電抗)。圖4-21(b)分裂電抗器短路時(shí)的工作原理第四節(jié)

限制短路電流的方法19②對(duì)臂2可能送來的短路電流IkG和系統(tǒng)送來的短路電流IkS在分裂電抗器中的流向是相同的，磁通方向也相同。每一臂由IkQ=IkG+IkS產(chǎn)生的磁通在另一臂中產(chǎn)生正的互感電抗，則兩臂的總電抗(稱為分裂型電抗)為

（4-2）當(dāng)f＝0.5時(shí)，X12＝3XL，分裂電抗器能有效的限制另一臂送來的短路電流?？梢姡?dāng)互感系數(shù)f＝0.5，每臂自感電抗為XL時(shí)正常工作：穿越電抗X＝0.5XL一臂短路：?jiǎn)伪垭娍筙＝XL；分裂電抗X＝3XL

當(dāng)兩個(gè)分支負(fù)荷不等或者負(fù)荷變化過大時(shí)，將引起兩臂電壓產(chǎn)生偏差，造成電壓波動(dòng)，甚至可能出現(xiàn)過電壓。第四節(jié)

限制短路電流的方法20采用低壓分裂繞組變壓器組成發(fā)電機(jī)-變壓器擴(kuò)大單元接線，如圖4-22（a）所示，以限制短路電流。分裂繞組變壓器有一個(gè)高壓繞組和兩個(gè)低壓的分裂繞組，兩個(gè)分裂繞組的額定電壓和額定容量相同，匝數(shù)相等。由于兩個(gè)分裂繞組有漏抗，所以2臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的電路中有電抗，一臺(tái)發(fā)電機(jī)端口短路時(shí)，另一臺(tái)發(fā)電機(jī)送來的短路電流就受到限制。二、采用低壓分裂繞組變壓器圖4-22分裂繞組變壓器及其等值電路第四節(jié)

限制短路電流的方法21圖4-22（b）所示的等效電路中，

為高壓繞組漏抗；

、

分別為高壓繞組開路時(shí)，兩個(gè)低壓分裂繞組的漏抗，通常

（已歸算至高壓側(cè)）。在正常工作時(shí)的等值電路如圖4-22（c）所示，若通過高壓繞組電流為I，每個(gè)低壓繞組流過相同的電流為I/2，則高低壓繞組正常工作時(shí)的等值電抗稱為穿越電抗，其值為(4-3)第四節(jié)

限制短路電流的方法22當(dāng)任一低壓側(cè)發(fā)電機(jī)出口處短路，該處與另一低壓側(cè)發(fā)電機(jī)之間的短路電抗稱為分裂電抗，其值為

(4-4)

當(dāng)任一低壓側(cè)發(fā)電機(jī)出口處短路，該處與系統(tǒng)之間的短路電抗稱為半穿越電抗，其值(4-5)

可見，低壓分裂繞組正常運(yùn)行時(shí)的穿越電抗值較小。當(dāng)一個(gè)分裂繞組出線端口發(fā)生短路時(shí)，來自另一分裂繞組端口的短路電流將遇到分裂電抗的限制，來自系統(tǒng)的短路電流則遇到半穿越電抗的限制，這些電抗值都很大，能起到限制短路電流的作用。顯然，在采用擴(kuò)大單元接線方式時(shí)，采用低壓分裂繞組變壓器對(duì)發(fā)電機(jī)出口短路電流具有明顯的限制作用。第四節(jié)

限制短路電流的方法23通常，變壓器制造廠家僅提供分裂變壓器的穿越電抗X12

、半穿越電抗X12’

和分裂系數(shù)Kf

的數(shù)值。分裂系數(shù)Kf

是兩個(gè)分裂繞組間的分裂電抗與穿越電抗的比值，即