發(fā)電廠和變電站主變壓器的選擇與設(shè)計(jì)

#發(fā)電廠和變電所主變壓器的選擇在發(fā)電廠和變電所中，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。只供本廠（所）用電的變壓器稱為廠（所）用變壓器或稱自用變壓器。一、主變壓器容量、臺(tái)數(shù)的確定原則（一）發(fā)電廠主變壓器容量、臺(tái)數(shù)的確定主變壓器容量、臺(tái)數(shù)直接影響主接線的的形式和配電裝置的結(jié)構(gòu)。它的確定應(yīng)綜合各種因素進(jìn)行分析，做出合理的選擇。1．具有發(fā)電機(jī)電壓母線接線的主變壓器容量、臺(tái)數(shù)的確定（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓母線上負(fù)荷最小時(shí)，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)電壓母線上最大一臺(tái)發(fā)電機(jī)組停用時(shí)，主變壓器應(yīng)能從系統(tǒng)中倒送功率，以保證發(fā)電機(jī)電壓母線上最大負(fù)荷的需要。（3）根據(jù)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求而限制本廠輸出功率時(shí)，能供給發(fā)電機(jī)電壓的最大負(fù)荷。（4）發(fā)電機(jī)電壓母線與系統(tǒng)連接的變壓器一般為兩臺(tái)。對(duì)裝設(shè)兩臺(tái)或以上主變壓器的發(fā)電廠，當(dāng)其中容量最大的一臺(tái)因故退出運(yùn)行時(shí)，其它主變壓器在允許正常過負(fù)荷范圍內(nèi)，應(yīng)能輸送母線剩余功率的70%以上。2．單元接線的主變壓器容量的確定單元接線時(shí)變壓器容量應(yīng)按發(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%的裕度來確定。采用擴(kuò)大單元時(shí)，應(yīng)盡可能采用分裂繞組變壓器，其容量亦應(yīng)等于按上述（1）或（2）算出的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)容量之和。（二）變電所主變壓器容量、臺(tái)數(shù)的確定主變壓器容量的確定變壓器容量和它所在電網(wǎng)功能相適應(yīng)，一般情況下單位容量（MVA）費(fèi)用、系統(tǒng)短路容量、運(yùn)輸條件等都是影響選擇變壓器容量時(shí)的因素。具體選擇時(shí)，可遵循以下原則。（1）主變壓器容量一般按變電所建成后5?10年的規(guī)劃負(fù)荷選擇，并適當(dāng)考慮到遠(yuǎn)期10?20年的負(fù)荷發(fā)展。對(duì)于城郊變電所，主變壓器容量應(yīng)與城市規(guī)劃相結(jié)合。（2）根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)和電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來確定主變壓器的容量。對(duì)重要變電所，應(yīng)考慮當(dāng)一臺(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H負(fù)荷的供電；對(duì)一般性變電所，當(dāng)一臺(tái)主變壓器停運(yùn)時(shí)，其余變壓器容量應(yīng)能保證全部負(fù)荷的70?80%。2．主變壓器臺(tái)數(shù)的確定（1）對(duì)城市郊區(qū)的一次變電所，在中、低壓側(cè)已構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的情況下，變電所以裝設(shè)兩臺(tái)主變壓器為宜。（2）對(duì)地區(qū)性孤立的一次變電所或大型工業(yè)專用變電所，可考慮裝設(shè)3臺(tái)主變壓器。（3）對(duì)不重要的較低電壓等級(jí)的變電所，可以只裝設(shè)一臺(tái)主變壓器。二、變壓器型式的選擇原則相數(shù)的確定電力變壓器按相數(shù)可分為單相變壓器和三相變壓器兩類，三相變壓器與同容量的單相變壓器組相比較，價(jià)格低、占地面積小，而且運(yùn)行損耗減少12?15%。因此，在330kV及以下電力系統(tǒng)中，一般都選用三相變壓器。繞組數(shù)的確定變壓器按其繞組數(shù)可分為雙繞組普通式、三繞組式、自耦式以及低壓繞組分裂式等型式。當(dāng)發(fā)電廠只升高一級(jí)電壓時(shí)或35kV及以下電壓的變電所，可選用雙繞組普通式變壓器。當(dāng)發(fā)電廠有兩級(jí)升高電壓時(shí)，常使用三繞組變壓器作為聯(lián)絡(luò)變壓器，其主要作用是實(shí)現(xiàn)高、中壓的聯(lián)絡(luò)。其低壓繞組接成三角形抵消三次諧波分量。110kV及以上電壓等級(jí)的變電所中，也經(jīng)常使用三繞組變壓器作聯(lián)絡(luò)變壓器。當(dāng)中壓為中性點(diǎn)不直接接地電網(wǎng)時(shí)，只能選用普通三繞組變壓器。自耦變壓器特點(diǎn)是其中兩個(gè)繞組除有電磁聯(lián)系外，在電路上也有聯(lián)系，其繞組布置如圖8-17、8-18所示。因此，當(dāng)自耦變壓器用來聯(lián)系兩種電壓的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一部分傳輸功率可以利用電磁聯(lián)系，另一部分可利用電的聯(lián)系。電磁傳輸功率的大小決定變壓器的尺寸、重量、鐵芯截面和損耗，所以與同容量、同電壓等級(jí)的普通變壓器比較，自耦變壓器的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。但是，由于自耦變壓器在高壓電網(wǎng)和中壓電網(wǎng)之間有電氣連接，故具備了過電壓從一個(gè)電壓等級(jí)的電網(wǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電壓等級(jí)電網(wǎng)的可能性。例如，高壓側(cè)電網(wǎng)發(fā)生過電壓時(shí)，它可通過串聯(lián)繞組進(jìn)入公共繞組，使其絕緣受到危害。如果在中壓電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓時(shí)，它同樣進(jìn)入串聯(lián)繞組，可能產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓。為了防止高壓側(cè)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，在中壓繞組其它兩相出現(xiàn)過電壓，要求自耦變壓器的中性點(diǎn)必須直接接地。調(diào)壓方式的確定為了保證供電質(zhì)量可通過切換變壓器的分接頭開關(guān)，改變變壓器高壓繞組的匝數(shù)，從而改變其變比，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整。切換方式有兩種：一種是不帶電壓切換，稱為無激磁調(diào)壓，調(diào)整范圍通常在±2X2.5%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)復(fù)雜，價(jià)格較貴。發(fā)電廠在以下情況時(shí),宜選用有載調(diào)壓變壓器：當(dāng)潮流方向不固定,且要求變壓器副邊電壓維持在一定水平時(shí)；具有可逆工作特點(diǎn)的聯(lián)絡(luò)變壓器,要求母線電壓恒定時(shí)；發(fā)電機(jī)經(jīng)常在低功率因數(shù)下運(yùn)行時(shí)。變電所在以下情況時(shí),宜選用有載調(diào)壓變壓器：地方變電所、工廠、企業(yè)的自用變電所經(jīng)常出現(xiàn)日負(fù)荷變化幅度很大的情況時(shí),又要求滿足電能質(zhì)量往往需要裝設(shè)有載調(diào)壓變壓器；330kV及以上變電站，為了維持中、低壓電壓水平需要裝設(shè)有載調(diào)壓變壓器；110kV及以下的無人值班變電站，為了滿足遙調(diào)的需要應(yīng)裝設(shè)有載調(diào)壓變壓器。繞組接線組別的確定我國(guó)110kV及以上電壓，變壓器三相繞組都采用“YN”聯(lián)接；35kV采用“Y”聯(lián)接，其中性點(diǎn)多通過消弧線圈接地；35kV以下高壓電壓，變壓器三相繞組都采用“D”聯(lián)接。因此，普通雙繞組一般選用YN，d11接線；三繞組變壓器一般接成YN，y,d11或YN，yn,d11等形式。近年來，也有采用全星形接線組別的變壓器，即變壓器高、中、低三側(cè)均接成星形。這種接線零序組抗大，有利于限制短路電流，也便于在中性點(diǎn)處連接消弧線圈。缺點(diǎn)是正弦波電壓波形發(fā)生畸變，并對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生干擾，同時(shí)對(duì)繼電保護(hù)整定的準(zhǔn)確度和靈敏度均有影響。冷卻方式的選擇變壓器的冷卻方式主要有自然風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、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、水內(nèi)冷變壓器、SF6充氣式變壓器等。第四節(jié)電氣主接線設(shè)計(jì)電氣主接線是發(fā)電廠、變電所電氣設(shè)計(jì)的首要部分，也是構(gòu)成電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。主接線的確定對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電廠、變電所本身運(yùn)行的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，并對(duì)電氣設(shè)備選擇和布置、繼電保護(hù)和控制方式等都有較大的影響。因此，必須處理好各方面的關(guān)系，綜合分析有關(guān)影響因素，經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，合理確定主接線方案。一、電氣主接線的設(shè)計(jì)原則電氣主接線設(shè)計(jì)的基本原則是以設(shè)計(jì)任務(wù)書為依據(jù)，以國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的方針、政策、技術(shù)規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)繩，結(jié)合工程實(shí)際情況，在保證供電可靠、運(yùn)行靈活、維護(hù)方便等基本要求下，力爭(zhēng)節(jié)約投資，降低造價(jià)，并盡可能采用先進(jìn)技術(shù)，堅(jiān)持供電可靠、技術(shù)先進(jìn)、安全使用、經(jīng)濟(jì)美觀的原則。二、電氣主接線的設(shè)計(jì)程序主接線的設(shè)計(jì)伴隨著發(fā)電廠或變電所的整體設(shè)計(jì)，即按照工程基本建設(shè)程序，歷經(jīng)可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段等三個(gè)階段?？尚行匝芯侩A段屬于設(shè)計(jì)前期工作階段，主要包括初步可行性研究、項(xiàng)目建議書編制、可行性研究、設(shè)計(jì)任務(wù)書編制等內(nèi)容，初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)工作階段，在設(shè)計(jì)工作階段后面還有一個(gè)施工運(yùn)行階段。三、電氣主接線的設(shè)計(jì)依據(jù)電氣主接線的設(shè)計(jì)依據(jù)是設(shè)計(jì)任務(wù)書，主要包括以下內(nèi)容：發(fā)電廠、變電所在電力系統(tǒng)中的地位和作用電力系統(tǒng)的發(fā)電廠有大型主力發(fā)電廠、中小型地區(qū)電廠及企業(yè)自備電廠三種類型。電力系統(tǒng)的變電所有系統(tǒng)樞紐變電所、中間變電所、地區(qū)重要變電所、一般變電所和企業(yè)專用變電所等五種類型。發(fā)電廠、變電所的分期和最終建設(shè)容量。負(fù)荷的性質(zhì)對(duì)于一類負(fù)荷必須有兩個(gè)獨(dú)立電源供電，而且失去任一電源時(shí)，都能保證全部一類負(fù)荷不中斷供電。對(duì)于二類負(fù)荷一般要有兩個(gè)獨(dú)立電源供電，且當(dāng)任一電源失去后，能保證全部或大部分二類負(fù)荷的供電。對(duì)于三類負(fù)荷一般只需一個(gè)電源供電。電力系統(tǒng)備用容量的大小以及系統(tǒng)對(duì)電氣主接線提供的具體資料。環(huán)境條件，如當(dāng)?shù)氐臍鉁?、濕度、覆冰、污穢、風(fēng)向、水文、地質(zhì)、海拔高度等，這些因素對(duì)主接線中電氣設(shè)備的選擇和配電裝置的實(shí)施均有影響。四、電氣主接線與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較（一）電氣主接線方案的初步擬定

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，在原始資料分析的基礎(chǔ)上，可擬定出若干個(gè)主接線方案，以不遺漏最優(yōu)方案為原則。按照主接線的基本要求，從技術(shù)上對(duì)擬出的方案進(jìn)行分析比較，淘汰明顯不合理的方案，最終保留2?3個(gè)技術(shù)上相當(dāng)，又能滿足任務(wù)書要求的方案，再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。對(duì)于重要的發(fā)電廠或變電所的電氣主接線還應(yīng)進(jìn)行可靠性的定量計(jì)算。（二）經(jīng)濟(jì)比較計(jì)算綜合總投資計(jì)算方案的綜合總投資為Z=Z=Z(1+0100（7-1）式中Z0——主體設(shè)備投資，包括變壓器、配電裝置以及明顯的大額費(fèi)用，如拆遷、征地、土石方工程等費(fèi)用。a—-不明顯的附加費(fèi)用比例系數(shù)，如現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)用、基礎(chǔ)加工、輔助設(shè)備的費(fèi)用等。對(duì)110kV可取90,對(duì)35kV取100。年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算年運(yùn)行費(fèi)用主要包括變壓器的電能損耗費(fèi)及設(shè)備的檢修、維護(hù)和折舊等費(fèi)用,按投資百分率計(jì)算,即F=aAA+F+F （7-2）jz式中F.——檢修維護(hù)費(fèi)，一般?。?.022?0.042）Z； Fz——折舊費(fèi)，取0.058Z；a——電能電價(jià)，可參考各地區(qū)實(shí)際電價(jià)； △A——變壓器電能損失。經(jīng)濟(jì)比較的方法在幾個(gè)主接線方案中，綜合總投資Z和年運(yùn)行費(fèi)用F均為最小的方案，應(yīng)優(yōu)先選用，若某方案的Z大而F小，或反之，則應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，比較的方法有靜態(tài)比較法和動(dòng)態(tài)比較法兩種。在中小工程中常使用靜態(tài)比較法（此方法不計(jì)資金的利息）。這里介紹常用的抵償年限法。設(shè)第一方案的綜合總投資大,年運(yùn)行費(fèi)?。坏诙桨傅木C合總投資小,Z—Z年運(yùn)行費(fèi)大，則T=7一-2 （7-3）F-F12如果T小于5年，則采用投資大的第一方案。若T大于5年，則應(yīng)選擇投資小的第二方案為宜。第五節(jié)自用電及接線一、自用電的作用所謂自用電是指發(fā)電廠或變電所在生產(chǎn)過程中,自身所使用的電能。尤其是發(fā)電廠,為了保證電廠的正常生產(chǎn),需要許多由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械為發(fā)電廠的主要設(shè)備和輔助設(shè)備服務(wù),這些機(jī)械被稱為廠用機(jī)械。此外,還要為運(yùn)行、檢修和試驗(yàn)提供用電負(fù)荷。發(fā)電廠的自用電也稱為廠用電。自用電也是發(fā)電廠或變電所的最重要的負(fù)荷,其供電電源、接線和設(shè)備必須可靠,以保證發(fā)電廠或變電所的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理地運(yùn)行。二、廠用電率發(fā)電廠在一定時(shí)間內(nèi),廠用電所消耗的電量占發(fā)電廠總發(fā)電量的百分?jǐn)?shù),稱為廠用電A率。計(jì)算公式為K= 義IoO%CYAG式中KCY——廠用電率（％）；ACY——廠用電量，kW-h；AG——總發(fā)電量，kW-h。發(fā)電廠的廠用電率與電廠類型、容量、自動(dòng)化水平、運(yùn)行水平等多種因素有關(guān)。一般凝汽式火電廠的廠用電率為5%?8%,熱電廠為8%?10%,水電廠為0.3%?2.0%。降低廠用電率，減少?gòu)S用電的耗電量，不僅能降低發(fā)電成本，提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以增加對(duì)系統(tǒng)的供電量。三、廠用負(fù)荷分類廠用電負(fù)荷,按其在電廠生產(chǎn)過程中的重要性可分為以下幾類。類負(fù)荷凡短時(shí)停電（包括手動(dòng)操作恢復(fù)供電所需的時(shí)間）會(huì)造成設(shè)備損環(huán)、危及人身安全、主機(jī)停運(yùn)或出力明顯下降的廠用負(fù)荷都屬于I類負(fù)荷。II類負(fù)荷允許短時(shí)停電（不超過數(shù)分鐘）,經(jīng)運(yùn)行人員及時(shí)操作后恢復(fù)供電,不致造成生產(chǎn)混亂的廠用負(fù)荷。III類負(fù)荷較長(zhǎng)時(shí)間停電而不直接影響電能生產(chǎn)的廠用負(fù)荷,一般由一個(gè)電源供電。事故保安負(fù)荷指在發(fā)電機(jī)停機(jī)過程及停機(jī)后的一段時(shí)間內(nèi)仍應(yīng)保證供電的負(fù)荷,否則將引起主要設(shè)備損壞、自動(dòng)控制失靈或者推遲恢復(fù)供電,甚至危及人身安全。按事故保安負(fù)荷對(duì)供電電源的不同要求,可分為兩類：（1）直流保安負(fù)荷。包括直流潤(rùn)滑油泵、事故照明等。直流保安負(fù)荷由蓄電池組供電。（2）交流保安負(fù)荷。包括頂軸油泵、交流潤(rùn)滑油泵、盤車電機(jī)、實(shí)時(shí)控制用的電子計(jì)算機(jī)等。四、廠用供電電源廠用電供電電壓等級(jí)的確定廠用負(fù)荷的供電電壓,主要取決于發(fā)電機(jī)的額定容量、額定電壓、廠用電動(dòng)機(jī)的電壓、容量和數(shù)量等因素。發(fā)電廠和變電所中一般供電網(wǎng)絡(luò)的電壓:低壓供電網(wǎng)絡(luò)為0.4kV（380V/220V）；高壓供電網(wǎng)絡(luò)有3kV、6kV、10Kv等。工作電源工作電源是指保證發(fā)電廠或變電所正常運(yùn)行的電源。工作電源應(yīng)不僅要供電可靠,而且要滿足廠用負(fù)荷容量的要求。廠用低壓工作電源，一般采用0.4kV電壓等級(jí)，由廠用低壓變壓器獲得。備用電源為了提高可靠性,每一段廠用母線至少要由兩個(gè)電源供電,其中一個(gè)為工作電源,另一個(gè)為備用電源。當(dāng)工作電源故障或檢修時(shí),仍能不間斷地由備用電源供電。廠用備用電源有明備用和暗備用兩種方式。明備用就是專門設(shè)置一臺(tái)變壓器（或線路）,它經(jīng)常處于備用狀態(tài)（停運(yùn)）。暗備用就是不設(shè)專用的備用變壓器。而將每臺(tái)工作變壓器的容量加大,正常運(yùn)行時(shí),每臺(tái)變壓器都在半載下運(yùn)行,互為備用狀態(tài)。廠用備用電源應(yīng)盡量保證其獨(dú)立性，即失去工作電源時(shí)，不應(yīng)影響備用電源的供電。此外，還應(yīng)裝設(shè)備用電源自動(dòng)投入裝置。事故保安電源事故保安電源是為保證事故保安負(fù)荷的用電而設(shè)置的，并能自動(dòng)投入。事故保安電源必須是一種獨(dú)立而又十分可靠的電源。它分直流事故保安電源和交流事故保安電源。前者由蓄電池組供電；后者宜采用快速起動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)組，或由外部引來的可靠交流電源，此外，還應(yīng)設(shè)置交流不停電電源。交流不停電電源，宜采用接在直流母線上的逆變機(jī)組或靜態(tài)逆變裝置。五、廠用電接線廠用電接線的基本要求供電可靠、運(yùn)行靈活。接線簡(jiǎn)單清晰、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低。盡量縮小廠用電系統(tǒng)的故障停電范圍，并應(yīng)盡量避免引起全廠停電事故。本機(jī)、爐的廠用電源由本機(jī)供電，這樣當(dāng)廠用系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只影響一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。接線的整體性。廠用電接線應(yīng)與發(fā)電廠電氣主接線緊密配合，體現(xiàn)其整體性。電廠分期建設(shè)時(shí)廠用電接線的合理性。應(yīng)便于分期擴(kuò)建或連續(xù)施工，不致中斷廠用電的供應(yīng)。尤其是對(duì)備用電源的接入和公共負(fù)荷的安排要全面規(guī)劃、便于過渡。廠用電接線的基本形式發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)接線通常都采用單母線分段接線形式，并多以成套配電裝置接受和分配電能。在火電廠中，高壓母線均采取按爐分段的接線原則，即將廠用電母線按照鍋爐的臺(tái)數(shù)分成若干獨(dú)立段，凡屬同一臺(tái)鍋爐及同組的汽輪機(jī)的廠用負(fù)荷均接于同一段母線上，這樣既便于運(yùn)行、檢修，又能使事故影響范圍局限在一機(jī)一爐，不致