中型火电厂电气设计

2电气主接线设计

发电厂和变电所的电气主接线是保证电网安全可靠﹑经济运行的关键,是电气设备布置﹑选择﹑自动化水平和二次回路设计的原则和基础。

电气主接线的设计原则是：应根据发电厂和变电所在电力系统的地位和作用，首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求。根据规划容量、本期建设规模、输送电压等级、进出线回路数、供电负荷的重要性、保证供需平衡、电力系统的线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规划与要求等条件确定。应满足可靠性、灵活性和经济性的要求[5]。

电气主接线的主要要求为：

（1）可靠性：衡量可靠性的指标，一般根据主接线的型式及主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件发生的规律，对几种主接线型式中择优。

（2）灵活性：投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便、调度灵活。

（3）经济性：通过优化比选，工程设计应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗少。

2.1 明确任务和设计原理

2.1.1原始资料

装机4台，分别为供热式机组2*50MW (10=N U kV)、凝气式机组2*300MW(KV U N 20=),厂用电率6%，机组年利用小时数h T 6500max =。系统规划部门提供的电力符合及与电力系统连接情况资料：10KV 电压级最大负荷20MW,最小负荷15MW,8.0cos =φ,电缆馈线10回。220KV 电压级最大负荷250MW ，最小负荷200MW, 85.0cos =φ, h T 6500max =，架空线路4回。500KV 电压级与容量为3500MW 的电力系统连接，系统归算到本电厂500KV 母线上的标幺电抗021.0=S X ，基准容量为100MVA,500KV 架空线4回，备用线路1回。

此外，尚有相应的地理资料、气候条件和其它资料。

2.1.2原始资料的分析

设计电厂为大﹑中型火电厂,其容量为2*50+2*300=700(MW),占电力系统容量700/(3500+700)*100%=16.7%,超过了电力系统的检修备用容量8%～15%和事故备用容量10%的限额,说明该厂在未来电力系统中的作用和地位至关重要,而

且年利用小时数为6500h>5000h,远远大于电力系统发电机组的平均最大负荷利用小时数（如2005年我国电力系统发电机组年最大负荷利用小时数为5225h）。该厂为火电厂，在电力系统中将主要承担基荷，从而该厂主接线设计务必着重考虑其可靠性[6]。

从负荷特点及电压等级可知，10KV电压等级上的地方负荷容量不大，共有10回电缆馈线，与50MW发电机的机端电压相等，采用直馈线为宜。20KV电压为300MW发电机出口电压，既无直配负荷，又无特殊的要求，拟采用单元接线的形式，可以节省价格昂贵的发电机出口断路器，又利于配电装置的布置；220KV电压级出现回路数为4回，为了保证检修出线断路器不致对该回路停电，拟采用带旁路母线接线形式为宜；500KV与系统有4回馈线，呈强联系形式并送出本厂最大可能的电力为700-15-200-700*6%=443（MV）。可见，该厂500KV级的接线对可靠性要求应当很高[7]。

2.2方案的设计、论证和选择

2.2.1 方案设计

根据对原始资料的分析,现将各电压级可能采用的较佳方案列出，进而以优化组合方式,组成最佳的方案。

（1）10KV电压级。由于10KV出线回路多，而且发电机的单机容量为50MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线不得超过24MW的规定，应确定为双母线分段接线的形式，2台50MW发电机分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压220KV。考虑到50MW机组为供热式机组，通常“以热定电”，机组的年负荷最大小时数较低，即10KV电压级与220KV电压级之间按弱联系考虑，只设1台主变压器；同时，由于10KV电压最大负荷20MW，远远小于2*50MW 发电机组装机容量，即使在发电机检修或升压变压器检修的情况下，也可以保证该电压等级负荷的要求。由于2台50MW机组均接于10KV母线上，有较大的短路电流，为了选择合适的电气设备，应在分段处加装母线电抗器，同时各条电缆馈线上装设线路电抗器。

（2）220KV电压级。出线回路数为4回，为了使其出线断路器检修时不停电，应采用单母线分段带旁路母线接线或双母线带旁路母线接线，以保证供电的可靠性和灵活性。其进线仅从10KV送来剩余容量2*50—[（100*6%）+20]=74MW，并不能够满足220KV最大负荷250MW的要求。为此，拟采用以1台300MW机组按照发电机——变压器单元接线形式接至220KV母线上，其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与500KV接线连接，彼此之间相互交换功率。

(3)500KV电压级。500KV负荷容量大，其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式，为保证可靠性，可能有多种接线方式，经过定性分析筛选后，可以

选用的方案为双母线带旁路母线接线和一台半断路器接线，通过联络变压器与220KV 连接，并通过一台三绕组变压器联系220KV 和10KV 电压，以提高可靠性，一台300MW 机组与变压器构成单元接线，直接将功率送到500KV 电力系统[8]。

根据以上分析、筛选、组合，可以保留两种可能的接线方案：

方案Ⅰ如图2.1所示:

图2.1 电气主接线图

方案Ⅱ为500KV 侧采用双母线带旁路母线接线，220KV 侧采用单母线分段带

图2-1

旁路母线接线，示意图略。

2.2.2 方案的经济比较 采用最小费用法，对拟订的两方案进行经济比较，上述两方案中的相同部分不参与比较计算，只是对相异部分进行计算。计算内容包括一次投资、年运行费用。

若图 2.1所示方案Ⅰ参与比较部分的设备折算到施工年限的总投资为6954.7万元，折算年的运行费用为1016.29万元，火电厂使用年限按照n=25年计算，电力行业预期投资回报率i =0.1,则方案Ⅰ的费用为：

m n n m C i i i I AC +-++=]1)1()1([1万元3.178129.1016]1

)1.01()1.01(1.0[7.69542525

=+-++⨯= 同理，在计算出方案Ⅱ的折算年总投资和年运行费用之后，可得到方案Ⅱ的年费用低于方案Ⅰ[9]

2.3 本章小结 通常，经过经济比较计算，求得的年费用AC 最小方案者，即为经济上的最优方案；然而，住接线最终方案的确定还必须从可靠性、灵活性等多方面综合评估，包括大型电厂、变电站对主接线可靠性若干指标的计算，最后确定最终方案。通过定性分析和可靠性及经济计算，在技术上（可靠性、灵活性）方案Ⅰ明显占优势，这主要是由于一台半断路器接线方式的高可靠性指标，但在经济上则不如方案Ⅱ。鉴于大、中型发电厂大机组应以可靠性和灵活性为主，所以，经过综合的分析，决定选用图2.1所示的方案Ⅰ作为设计的最佳方案。 3短路电流的计算

3.1 短路的原因、后果及其形式

在电力系统中，出现次数比较多的严重故障就是短路。所谓短路是指电力系统中不等电位的导体在电气上被短接。产生短路的主要原因，是由于电气设备载流部分绝缘损坏所造成。而绝缘损坏主要是因为绝缘老化、过电压、机械性损伤等引起。人为误操作及鸟兽跨越裸导体等也能引起短路。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减少，因而短路电流可能达到很大数值（几万安至十几万安）。这样大的电流所产生的热效应和机械效应会使电气设备受到破坏；同时短路点的电压降到零，短路点附近的电压也相应地显著降低，使此处的电力系统受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使整个电力系统运行解列，引起严重后果。

在三相供电系统中，可能发生的主要短路类型有三相短路、二相短路、两相接地短路和单相接地短路，三相短路属对称短路，其余三种为不对称短路。在四种短路故障中，出现单相短路故障的机率最大，三相短路故障的机率最小。但在电力系统中，用三相短路作为最严重的故障方式，来验算电器设备的运行能力。为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要进行短路电流计算，以便校验电气设备的动热稳定性、选择和整定继电保护装置、确定限流措施及选择主接线方案 [10]。

3.2短路的物理过程及计算方法

当突然发生短路时，系统总是由工作状态经过一个暂态过程进入短路稳定状