中型发电厂电气主接线设计

1.1对原始资料的分析

设计电厂为中型凝汽式电厂，其容量为2×100+2×300=800MW,占电力系统总容量800/（3500+800）×100%=18.6%，超过了电力系统的检修备用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，但是其年利用小时数为5000h，小于电力系统电机组的平均最大负荷利用小时数（2006年我国电力系统发电机组年最大负荷利用小时数为5221h）。该厂为凝汽式电厂，在电力系统中将主要承担腰荷，从而不必着重考虑其可靠性。

从负荷特点及电压等级可知，10.5kV电压上的地方负荷容量不大，共有6回电缆馈线，与100MW发电机的机端电压相等，采用直馈线为宜。300MW发电机的机端电压为20kV，拟采用单元接线形式，不设发电机出口断路器，有利于节省投资及简化配电装置布置；110kV电压级出线回路数为5回，为保证检修出线断路器不致对该回路停电，拟采取双母线带旁路母线接线形式为宜；220kV与系统有4回路线，送出本厂最大可能的电力为800-200-25-800×8%=511MW，拟采用双母线分段接线形式。 1.2主接线方案的拟定

在对原始资料分析的基础上，结合对电气接线的可靠性、灵活性及经济性等基本要求，综合考虑。在满足技术，积极政策的前提下，力争使其技术先进，供电安全可靠、经济合理的主接线方案。

发电、供电可靠性是发电厂生产的首要问题，主接线的设计，首先应保证其满发，满供，不积压发电能力。同时尽可能减少传输能量过程中的损失，以保证供电的连续性，因而根据对原始资料的分析，现将主接线方案拟订如下： （1）10.5kV电压级：鉴于出线回路多，且发电机单机容量为100MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线每段上不宜超过12MW的规定，应确定为双母线接线形式，2台100MW机组分别接在母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压110kV。由于两台100MW机组均接于10.5kV母线上，有较大短路电流，为选择轻型电器，应在各条电缆馈线上装设出线电抗器。 （2）110kV电压级：出线回数大于4回，为保证检修出线断路器不致对该回路停电，采取双母线带旁路母线接线形式，以保证其供电的可靠性和灵活性。 （3）220kV电压级：出线4回，考虑现在断路器免维护减小投资，采用双母线分段接线。通过两台三绕组变压器联系10.5kV及110kV电压，以提高可靠性。2台300MW机组与变压器组成单元接线，直接将功率送往220kV电力系统。

1.3发电机及变压器选择

（1）发电机的选择：通过查着资料，两台100MW发电机选用QFQ-100-2型，两台300MW发电机选用QFSN-300-2型。具体参数如下表： 表1-1 发电机参数

发电机G1,G2 发电机G3，G4， 型号 QFQ-100-2 QFSN-300-2 额定功率/MW 100 300 额定电压/kV 10.5 20 功率因数 电抗（标”幺值）Xd 0.85 0.85 0.124 0.143 （2）变压器选择：220kV双绕组变压器选择SFP7-360000/220，三绕组变压器选择SFPS7-180000/220/110/10。具体参数如下表： 表1-2 变压器参数 双绕组变压器 三绕组变压器 型号 额定容量 连接组 损耗 空载 短路 空载阻抗电流 电压(%) 180KW 828KW 0.7% 13.1 SFP7-360000/220 360MVA Ynd11 SFP7-180000/220/110/10 180MVA Ynynd11 178KW 650KW 0.7% 14.0 23.0 7.0 1.4 年运行费用的计算 （1）双绕组变压器

△P0=180KW △Q0=2520Kvar △PK=828KW △QK=47160Kvar

S=527MVA SN=360MVA ｔmax=4500h/a T=5000h/a

K=0.02 n=2 α=0.32元/（kW·h）

△A1=n（△P0+K△Q0）T+ ｔmax/n(△PK+K△QK)(S/ SN)2

=10844166（kW·h） (2)三绕组变压器

△P0=178KW △Q0=1260Kvar

△P1k=650KW △P2k=650KW △P3k=650KW

△Q1k=27000Kvar △Q2k=-1800Kvar △Q3k=14400Kvar

t1max=5000h/a t2max=4500h/a t3max=5000h/a

T=5000h/a n=2 K=0.02

△A2=n（△P0+K△Q0）T+1/n[(△P1k+K△Q1k)ｔ1max+(△P2k+K△Q2k)ｔ2max+(△P3k+K△Q3k)ｔ3max]

=8733500（kW·h）

C=α（△A1+△A2）α=626.5万 1.5电气主接线图 见附录一

短路电流计算

2.1 概述

电力系统中，常见的短路故障有三相对称短路、两相短路和单相接地短路。其中三相短路电流的计算是为了选择和校验QF、QS、母线等电气设备，两相短路电流用于整定继电保护装置。

短路发生后，短路电流的值是变化的，变化的情况决定于系统电源容量的大小、短路点离电源的远近以及系统内发电机是否带有电压自动调整装置等因素。按短路电流的变化情况，通常把电力系统分为无限容量系统和有限容量系统。

无限容量系统短路电流的计算，采用短路回路总阻抗法计算；有限容量系统短路电流的计算采用运算曲线法，这中间要用到网络的等效变换。 本次设计中，短路电流的计算就涉及到这两个方面的内容。 2.2 系统电气设备电抗标幺值计算

系统基准值SB100MVA，基准电压UB= Uav.n （1）发电机电抗标幺值的计算

100MVA发电机电抗标幺值

X*G1＝0.124×100×0.85/100=0.105 300MVA发电机电抗标幺值

X*G2＝0.143×100×0.85/300=0.422 （2）变压器电抗标幺值的计算 双绕组变压器电抗标幺值 X*T1＝0.131×100/360＝0.036 (3)三绕组变压器电抗标幺值

UK1%＝1/2×[UK(1-2)%＋UK(3-1)%-UK(2-3)%]=15 UK2%＝1/2×[UK(1-2)% ＋UK(2-3)%-UK(3-1)%]=-1.0 UK3%＝1/2×[UK(3-1)%＋UK(2-3)%-UK(1-2)%]=8.0 X*T2.1＝0.15×100/180＝0.083 X*T2.2＝(-0.01)×100/180＝-0.006 X*T2.3＝0.08×100/180＝0.044

(4)系统归算到220kV侧的电抗标幺值：X2.3短路电流计算 2.3.1系统的简化图 2.3.2 220KV母线短路

s0.021

等值电路图如下：

简化后：

短路电流标幺值：I*1＝1/O.014+1/0.116=80.48 短路电流：I1＝I*1×100/(√3×220)=21.1KA 短路冲击电流：Ish1＝1.9√2I1=56.7KA 2.3.3 110KV母线短路 等值电路图如下：

0.036/2AC0.041/20.083/20.044/20.105/2AC0.021AC-0.006/2简化后：

110kv

短路电流标幺值：I*2＝1/0.029=36.2

短路电流：I2＝I*2×100/(√3×110)=11.1KA 短路冲击电流：Ish2＝1.9√2I2=29.8KA 2.3.4 10.5KV母线短路 等值电路图如下： 简化后：

短路电流标幺值：I*3＝1/0.053+1/0.077=33.4 短路电流：I3＝I*3×100/(√3×10.5)=183.6KA 短路冲击电流：Ish3＝1.9√2I3=494.1KA

第三章 电气设备的选择

3.1断路器的选择

断路器的选择，除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑到要便于安装调试和运行维护，并经技术方面都比较后才能确定。根据目前我国断路器的生产情况，电压等级在10kV~220kV的电网一般选用少油断路器，而当少油断路器不能满足要求时，可以选用SF6断路器。

断路器选择的具体技术条件如下：

1）额定电压校验： UNUmax 2）额定电流选择： INImax

3）开断电流： INbrIw（短路电流有效值）

4）动稳定： iesish （短路冲击电流） 5）热稳定： QrQk 隔离开关的选择校验条件与断路器相同，并可以适当降低要求。 3.1.1 220KV侧断路器选择 （1）双绕组变压器出口最大电流： I1max＝1.05×360000/(√3×220)=992A (2)三绕组变压器220KV侧最大电流： I2max＝1.05×180000/(√3×220)=496A 母线上流过的最大电流短路电流：I＝21.1KA

短路冲击电流：Ish1＝56.7KA

为了检测与校验方便，可均选择SFM-220型号的断路器。

表3-1 SFM-220型号断路器参数表 型号 额定电额定电额定开额定闭热稳定合闸时固有分压 流 断电流 合电流 电流3S 间 闸时间 SFM-220 220KV 2000A 40kA 100kA 40kA 0.1 0.25 ''Imax=2I1max= 1984A

3.1.2 220kV断路器校验 额定电压：UN≥UNS=220kV 额定电流：IN=2000A≥Imax=1984A 额定断开电流: INbr=40kA≥I =21.1kA 额定闭合电流：INcl=100kA≥Ish1=56.7kA 动稳定校验：Ies=INcl=100kA≥Ish1=56.7kA 热稳定校验：It2×t=4800(kA2·S) tk= tpr2+ta+tin=2.35s

经查资料得到：Itk=18.4KA ， Itk/2=17.45kA 则Qk=

''tk(I2+10×Itk2+Itk/22) =749.8(kA2·S) 因此It 2×t> Qk 12''所以所选断路器的热稳定满足需求。 此断路器满足系统需求。

3.1.3 110KV侧断路器选择 （1）母线的最大电流：

Imax＝300000/(0.8×110×√3)= 1968 A

(2)三绕组变压器110KV侧最大电流： Imax＝1.05×180000/(√3×110)=992A

短路电流：I2＝11.1 KA

短路冲击电流：Ish2＝29.8 KA

为了检测与校验方便，可均选择LW6-110Ⅱ型号的断路器。

表3-2 LW6-110Ⅱ型号断路器参数表 型号 LW6-110Ⅱ 额定电压 110KV 额定电流 2000A 额定开额定闭热稳定合闸时断电流 合电流 电流3S 间 31.5kA 80kA 31.5kA 0.04 固有分闸时间 0.025 3.1.4 110kV断路器校验

额定电压：UN≥UMS=110kV 额定电流：IN=2000A≥Imax=1968A 额定断开电流: INbr=31.5kA≥I2=11.1kA 额定闭合电流：INcl=80kA≥Ish2=29.8kA 动稳定校验：Ies=INcl=80kA≥Ish2=29.8kA 热稳定校验：It 2×t=2976.8(kA2·S) tk= tpr2+ta+tin=2.065s

经查资料得到：Itk=19.28 kA Itk/2=18.0kA 则Qk=630.3(kA2·S) 因此，It 2×t> Qk 所以所选断路器的热稳定满足需求。 此断路器满足系统需求。 3.1.5 10.5KV侧断路器选择 （1）发电机出口侧最大电流

Imax＝1.05×100000/(√3×10.5×0.85)=6792A （2）负载出线的最大电流： Imax＝42000/(√3×10.5×0.8)=2886A (3三绕组变压器10.5KV侧最大电流： Imax＝1.05×90000/(√3×10.5)=5196A 短路电流：I3＝183.6 KA

短路冲击电流：Ish3＝494.1 KA

为了检测与校验方便，可均选择SN10-10型号的断路器。

表3-3 SN10-10型号断路器参数表 型号 额定电额定电额定开额定闭热稳定合闸时固有分压 流 断电流 合电流 电流 4S 间 SN10-10 10.5KV 8000A 100kA 230kA 100kA 0.1 闸时间 0.15 3.1.6 10.5kV断路器校验 额定电压：UN≥UNS=10.5kV 额定电流：IN=8000A≥Imax=6792A 额定断开电流: INbr=100kA≤I3=183.6kA 额定闭合电流：INcl=230kA≤Ish3=494.1kA 动稳定校验：Ies=INcl=230kA≤Ish3=494.1kA 热稳定校验：It 2×t=40000(kA2·S) tk= tpr2+ta+tin=2.25s

经查资料得到：Itk=192.45 kA Itk/2=182.8kA 则Qk=69046(kA2·S) 因此，It 2×t ﹤Qk

所以所选断路器不满足需此断路器满足系统需求。 因此，应在此处接限流电抗器来限制短路电流 3.2电抗器选择

发电机QFQ-100-2的额定电流为6470A，10.5KV出线采取出线电抗器，线路最大工作电流值Imax一般取发电机额定电流的5％～8％，照此标准选电抗器XKK-10-600-4型，额定电流IN＝600A，UN＝10kV，电抗百分比数XL(%)＝4，基准：Sd=100MV·A , Ud=10.5KV ,Id=5.5KA,由此得电抗标么值为：

550010000xL%IdUNX*L＝=0.04×=0.349 IU100Nd60010500'X*L=X*L＋X*L=0.349＋0.031=0.380

I*3=1.05/0.380=2.76

I3''=I*3×100/(√3×10.5)=15.19 KA

Ish3=1.9√2 I3=40.9KA 电抗器校验：

''xL%I‘’短路时残压为△U re%=×100%=74%﹥60%～70%

100IN额定电压：UN≥UNS=10.5kV 额定电流：IN=8000A≥Imax=6792A 额定断开电流: INbr=100kA≥I3=15.19kA 额定闭合电流：INcl=230kA≥Ish3=40.9kA

动稳定校验：Ies=INcl=230kA≥Ish3=40.9kA 热稳定校验：It 2×t=40000(kA2·S) tk= tpr2+ta+tin=2.25s

经查资料得到：Itk= 15.19kA Itk/2=15.19 KA 则Qk=507.6(kA2·S) 因此，It 2×t ≥Qk

所以,接上限流电抗器后，所选断路器满足需此断路器满足系统需求 3.3 隔离开关的选择

因隔离开关一般装在断路器的两侧，故可根据断路器的额定电流进选择。因此隔离开关选择如下表：

表3-4 隔离开关参数表 型号 GW6-220 GW4-110 GN10-10T 额定电压（Kv） 额定电流（kA） 动稳定电流热稳定电流（KA） （kA） 220 2500 100 40（3s） 110 2000 104 46（4s） 10 9000 300 100（5s） 3.3.1 220kV隔离开关的校验 额定电压：UN≥UNS=220kV 额定电流：IN=2500A≥Imax=1984A 动稳定校验：Ies =100kA≥Ish1=56.7kA 热稳定校验：It 2×t=4800(kA2·S) Qk=749.8(kA2·S) 因此，It 2×t> Qk 所以所选隔离开关的热稳定满足需求。 此隔离开关满足系统需求。

3.3.2 110kV隔离开关的校验

额定电压：UN≥UNS=110kV 额定电流：IN=2000A≥Imax=1968A 动稳定校验：Ies =104kA≥Ish2=29.8kA 热稳定校验：It 2×t=8464(kA2·S) Qk=630.3(kA2·S) 因此，It 2×t> Qk 所以所选隔离开关的热稳定满足需求。 此隔离开关满足系统需求。

3.3.3 10.5kV 隔离开关的校验

额定电压：UN≥UNS=10.5kV 额定电流：IN=9000A≥Imax=6792A 动稳定校验：Ies =300kA≥Ish3=40.9kA 热稳定校验：It 2×t=50000(kA2·S) Qk=507.6 (kA2·S) 因此，It2×t> Qk 所以所选隔离开关的热稳定满足需求。 此隔离开关满足系统需求。 3.4电流互感器的选择

电流互感器的选择和配置应按下列条件：

1．型式：电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。对于6~20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35kV及以上配电装置，一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。有条件时，应尽量采用套管式电流互感器。 2．一次回路电压： UNSUN

3．一次回路电流： Imax（一次回路最大工作电流）I1N（原边额定电流） 4．准确等级：要先知道电流互感器二次回路所接测量仪表的类型及对准确等级的要求，并按准确等级要求高的表计来选择。 5．二次负荷： S2Sn

2式中，S2NI22NZ2N(VA) S2I2nZ2

6．动稳定： iSh2I1NKes

式中，Kes是电流互感器动稳定倍数，等于电流互感器极限值，过电流峰值ies 与一次绕组额定电流Im 峰值之比，即 Kesies2I1N

根据以上规则选择的电流互感器如下：

表3-5 电流互感器参数表 型号 LCWB-220(W) LCWB6-110B LBJ-10 额定电流（A） 2×1200/5 2×1000/5 8000/5 1s热稳定电流 40 KA 45 KA 50倍 动稳定电流 102 KA 115 KA 90倍 3.4.1 220kV电流互感器校验 一次回路电压：UN≥UNS=220kV

一次回路电流：IN=2400A≥Imax=1984A 动稳定校验： IeS=102kA≥Ish=56.7kA

热稳定校验：It2=1600≥Qk=749.8(kA2·S) 所以所选电流互感器的热稳定满足需求。 此电力互感器满足系统需求。 3.4.2 110kV电流互感器校验 一次回路电压：UN≥UNS=110kV

一次回路电流：IN=2000A≥Imax=1968A 动稳定校验： IeS =115kA≥Ish=29.8kA

热稳定校验：It2=2025≥Qk=630.3(kA2·S) 所以所选电流互感器的热稳定满足需求。 此电力互感器满足系统需求。

3.4.3 10.5kV电流互感器校验 一次回路电压：UN≥UNS=10.5kV 一次回路电流：IN=8000A≥Imax=6972A

动稳定校验：√2INKES=1018.2kA≥Ish=40.9kA 热稳定校验：（INKES）2=160000≥Qk=507.6(kA2·S) 所以所选电流互感器的热稳定满足需求。 此电力互感器满足系统需求。 3.5电压互感器选择

电压互感器配置

（1）母线 除旁路母线外，一般工作及备用母线都装有一组电压互感器，用于同步、测量仪表和保护装置。

（2）线路 35KV及以上输电线路，当对端有电源时，为了监视线路有无电压进行同步和装置重合闸，装有一台单相电压互感器

（3）发电机 一般装2～3组电压互感器。一组供自动调节励磁装置。另一组供测量仪表，同步和保护装置用，该互感器采用三相五柱式或三只单相专用互感器，其开口三角形供发电机在未并列之前检查是否接地之用。当互感器负荷太大时，可增设一组不完全星形连接的互感器，专供测量仪表使用。50000KW及以上发电机中性点常接有单相电压互感器，用于100%定子接地保护。

（4）变压器 变压器低压侧有时为了满足同步或继电保护的要求，没有一组电压互感器。

（5）容量和准确级的选择

根据以上方法和设计的实际情况选择的电压互感器如下表

表3-6 电压互感器参数表 型号 额定电压（kV） 二次绕组额定容量（V·A） 最大容量（V·A） 一次 二次 三次 0.5 1 3 JDZJ1-10 10/√0.1/√3 0.1√3 50 80 200 300 3 JCC2-110 110/0.1/√3 0.1 500 1000 2000 √3 JCC2-220 220/0.1/√3 0.1 500 1000 2000 √3 3.6 导体的选择 导体截面可以按长期发热允许电流或经济密度选择，除配电装置的汇流

母线外，对于年负荷利用小时数大，传输容量大，长度在20m以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。

一般来说，母线系统包括截面导体和支撑绝缘两部分，载流导体构成

硬母线和软母线，软母线是钢芯铝绞线，有单根，双分和组合导体等形式，因其机械强度决定支撑悬挂的绝缘子，所以不必校验其机械强度。110kV及以上高压配电装置一般采用软导线。

硬导体截面常用的有矩形.槽形和管形。单条矩形导体截面最大不超过1250mm2，以减小集肤效应，使用于大电流时，可将2~4条矩形导体并列使用，矩形导体一般只用于35kV及以下.电流在4000A及以下的配电装置中；槽形导体机械强度好，载流量大，集肤效应系数较小，一般用于4000~8000Ａ的配电装置中；管形导体集肤效应系数小.机械强度高，用于8000A以上的大电流母线或要求电晕电压高的110kV及以上的配电装置中。软导体常用的有钢芯铝绞线.组合导线.分裂导线和扩径导线，后者多用于330kV及以上配电装置。

根据以上规则选出导线如下表： 表3-7 导体参数表 分类 220KV 110KV 10.5KV 导体截导体尺寸（mm） 集肤效应导体载流导体截面面 系数 Kf 量（A） （mm2） h b 双槽形 75 35 1.012 2280 1040 双槽形 75 管型 35 1.012 1.02 2280 14150 1040 10200 (D)350 (d)330 3.6.1 220kV导体的校验 环境因素：海拔小于1000米，环境温度25℃，母线运行温度80℃，经查表得出C=83 ，δph=a β=1 ， L1=1 ， W=bh2/6 。 热稳定校验：

Smin=1/C√(QKKf)=331.9 mm2<1040 mm2 符合要求。 动稳定校验： fbmax=1.73×

L271ish×10=1.73×0.5×29.82×1.35×10=103.7 (N/m) aW=23.7cm3 Lmax=

10alW=12.65m fph所以，当绝缘子之间的跨距L取值小于Lmax ， 取8m时，动稳定符合要求。 3.6.2 110kV导体的校验 热稳定校验：

Smin=1/C√(QKKf)=290.3mm2<1040 mm2 符合要求。 动稳定校验： fbmax=1.73×

L271ish×10=1.73×29.82×1.35×10=207.4 (N/m) aW=23.7cm3 Lmax=

10alW=8.94m fph所以，当绝缘子之间的跨距L取值小于Lmax ， 取6m时，动稳定符合要求。 3.6.3 10.5kV导体的校验 热稳定校验：

Smin=1/C√(QKKf)=274.5 mm2<10200 mm2 符合要求。

第四章 厂用电原则 4.1厂用电接线原则

（1）供电可靠，运行灵活。厂用负荷除了正常情况下有可靠的工作电源外，还应保证异常或事故情况下有可靠的备用电源，并可实现自动切换。另外，由于厂用电系统负荷种类复杂、供电回路多，电压变换频繁，波动大，运行方式的变化多样，要求无论在正常、事故、检修以及机组启停情况下均能灵活地调整运行方式，可靠、不间断地实现厂用负荷的供电。（2）各机组的厂用电系统应是独立的，特别是200MW以上机组应做到这一点。在任何运行方式下，一台机组故障停运或其辅机的电气故障，不应影响另一台机组的运行，并要求受厂用电故障影响而停运的机组应能在短期内恢复运行。（3）全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或或公用负荷母线。在厂用电系统接线中，不应存在可能导致切断多于一个单元机组的故障点，更不应存在导致全厂停电的可能性，应尽量缩小故障影响的范围。（4）充分考虑发电厂正常、事故、检修、启停等运行方式下的供电要求，一般均应配备可靠的启动/备用电源，尽可能地使切换操作简便，启动/备用电源能在短时内投入。(5)供电电源应尽量与电力系统保持紧密的联系。当机组无法取得正常的工作电源时，应尽量从电力系统取得备用电源，这样可以保证其与电气主接线形成一个整体，一旦机组故障时以便从系统倒送厂用电。

（6）充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡，尽量减少接线和更换设置。 4.2厂用电接线 见附录二 附录一 附录二