發(fā)電廠電氣部分第四章電氣主接線及設計(三)(四)

發(fā)電廠變電所電氣主系統第四章電氣主接線及設計《發(fā)電廠電氣部分》課題組電力工程學院電氣工程系1在發(fā)電廠和變電站中，用來向電力系統或用戶輸送功率的變壓器，稱為主變壓器；用于兩種電壓等級之間交換功率的變壓器，稱為聯絡變壓器；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、臺數直接影響主接線的形式和配電裝置的結構。它的確定除依據傳遞容量基本原始資料外，還應根據電力系統5～10年發(fā)展規(guī)劃、輸送功率大小、饋線回路數、電壓等級以及接人系統的緊密程度等因素，進行綜合分析和合理選擇。變壓器容量選得過大、臺數過多，不僅增加投資，增大占地面積，而且也增加了運行電能損耗，設備未能充分發(fā)揮效益；

變壓器容量選得過小，將可能“封鎖”發(fā)電機剩余功率的輸出或者會滿足不了變電站負荷的需要，這在技術上是不合理的，因為每千瓦的發(fā)電設備投資遠大于每千瓦變電設備的投資。

一、主變壓器的容量、臺數的確定原則第三節(jié)主變壓器的選擇3

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

的條件選擇。該

是依據我國電力變壓器標準，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)電機電壓母線與系統之間的主變壓器的容量，應考慮以下因素：（1）當發(fā)電機全部投入運行時，在滿足發(fā)電機電壓供電的日最小負荷，并扣除廠用負荷后，主變壓器應能將發(fā)電機電壓母線上的剩余有功和無功容量送入系統。（2）當接在發(fā)電機電壓母線上的最大一臺機組檢修或者因供熱機組熱負荷變動而需限制本廠出力時，主變壓器應能從電力系統倒送功率，保證發(fā)電機電壓母線上最大負荷的需要。(二）具有發(fā)電機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)電機電壓母線上接有2臺或以上的主變壓器時，當其中容量最大的一臺因故退出運行時，其它主變壓器應能輸送母線剩余功率的70%以上。（4）在電力市場環(huán)境下，中、小火電機組的高成本電量面臨“競價上網”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荷減少的情況下，可能停用火電廠的部分或全部機組，主變壓器應具有從系統倒送功率的能力，以滿足發(fā)電機電壓母線上最大負荷的要求。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絡變壓器

聯絡變壓器的臺數一般只設置1臺，最多不超過2臺。這是考慮到布置和引線的方便。聯絡變壓器的容量選擇應考慮以下兩點：（1）聯絡變壓器容量應能滿足兩種電壓網絡在各種不同運行方式下有功功率和無功功率交換。（2）聯絡變壓器容量一般不應小于接在兩種電壓母線上的最大一臺機組容量，以保證最大一臺機組故障或檢修時，通過聯絡變壓器來滿足本側負荷的要求；同時，也可在線路檢修或故障時，通過聯絡變壓器將剩余容量送入另一系統。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，一般應按5～10年規(guī)劃負荷來選擇。根據城市規(guī)劃、負荷性質、電網結構等綜合考慮確定其容量。對重要變電站，應考慮當1臺主變壓器停運時，其余變壓器容量在計及過負荷能力允許時間內，應滿足Ⅰ類及Ⅱ類負荷的供電；對一般性變電站，當1臺主變壓器停運時，其余變壓器容量應能滿足全部負荷的70％～80％。（2）變電站主變壓器臺數確定原則：對于樞紐變電站在中、低壓側已形成環(huán)網的情況下，變電站以設置2臺主變壓器為宜；對地區(qū)性孤立的一次變電站或大型工業(yè)專用變電站，可設3臺主變壓器，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及以下機組單元連接的主變壓器和330kV及以下電力系統中，一般都應選用三相變壓器。因為單相變壓器組相對投資大、占地多、運行損耗也較大，同時配電裝置結構復雜，也增加了維修工作量。但是，由于變壓器的制造條件和運輸條件的限制，特別是大型變壓器，需要考察其運輸可能性。若受到限制時，則可選用單相變壓器組。容量為600MW機組單元連接的主變壓器和500kV電力系統中的主變壓器應綜合考慮運輸和制造條件，經技術經濟比較，可采用單相組成三相變壓器。二、變壓器型式和結構的選擇原則(一）相數第三節(jié)主變壓器的選擇9電力變壓器按每相的繞組數分為雙繞組、三繞組或更多繞組等型式；按電磁結構分為普通雙繞組、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向用戶供電或與系統連接時，可以采用2臺雙繞組變壓器或三繞組變壓器。最大機組容量為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繞組的通過容量應達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臺雙繞組變壓器在經濟上更加合理。在一個發(fā)電廠或變電站中采用三繞組變壓器一般不多于3臺，以免由于增加了中壓側引線的構架，造成布置的復雜和困難。(二）繞組數與結構第三節(jié)主變壓器的選擇10此外，選用時應注意到功率流向。三繞組變壓器根據三個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。機組容量為200MW以上的發(fā)電廠采用發(fā)電機—雙繞組變壓器單元接線接人系統，而兩種升高電壓級之間加裝聯絡變壓器更為合理。聯絡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電源，亦可連接無功補償裝置。第三節(jié)主變壓器的選擇11擴大單元接線的主變壓器，應優(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及以上中性點直接接地系統中，凡需選用三繞組變壓器的場所，均可優(yōu)先選用自耦變壓器，因其損耗小、價格低。變壓器三相繞組的接線組別必須和系統電壓相位一致，否則，不能并列運行。電力系統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根據具體工程來確定。在發(fā)電廠和變電站中，一般考慮系統或機組的同步并列要求以及限制3次諧波對電源的影響等因素，主變壓器接線組別一般都選用YN，d11常規(guī)接線。(三）繞組聯接組號第三節(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量，電壓必須維持在允許范圍內。通過變壓器的分接開關切換，改變變壓器高壓側繞組匝數，從而改變其變比，實現電壓調整。切換方式有兩種：一種是不帶電切換，稱為無激磁調壓，調整范圍通常在±2×2.5％以內；另一種是帶負荷切換，稱為有載調壓，調整范圍可達30％。其結構較復雜，價格較貴。電力變壓器的冷卻方式隨變壓器型式和容量不同而異，一般有自然風冷卻、強迫風冷卻、強迫油循環(huán)水冷卻、強迫油循環(huán)風冷卻、強迫油循環(huán)導向冷卻。(四）調壓方式(五）冷卻方法第三節(jié)主變壓器的選擇13短路是電力系統中較常發(fā)生的故障。短路電流直接影響電氣設備的安全，危害主接線的運行，特別在大容量發(fā)電廠中，在發(fā)電機電壓母線或發(fā)電機出口處，短路電流可達幾萬安至幾十萬安。為使電氣設備能承受短路電流的沖擊，往往需選用加大容量的電氣設備。這不僅增加投資，甚至會因開斷電流不能滿足而選不到符合要求的高壓電氣設備。為了能合理地選擇輕型電氣設備，在主接線設計時，應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。依據電抗器的結構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單相的空心線圈構成，采用空心結構是為了避免短路時，由于電抗器飽和而降低對短路電流的限制作用。因為沒有鐵心，因而它的伏安特性是線性的，當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，伏安特性都是線性的；同時由于無鐵心，而電抗器的導線電阻又很小，因而在運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最小的地方，在此裝設電抗器，所引起的電壓損失和功率損耗都比裝在其他地方為小。對于母線電抗器L1，無論廠內(k1或k2點)或廠外(L3點)短路時，均能起到限流作用。為了運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發(fā)電機時可能通過電抗器的電流進行選擇，一般取為發(fā)電機額定電流的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點短路時，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，不長一段線路就可以把出線上的短路電流限制到裝設輕型斷路器的數值，因此通常在架空線路上不裝設線路電抗器。當線路電抗器后發(fā)生短路時(如L3點)，電壓降主要產生在電抗器上，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，這對非故障用戶，尤其對電動機極為有利當在分段上裝設母線電抗器或在發(fā)電機、主變壓器回路裝設分裂電抗器不滿足要求時，再考慮在線路上裝設線路電抗器。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分裂電抗器在結構上與普通電抗器相似，只是繞組中心有一個抽頭，將電抗器分為兩個分支，即兩個臂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荷。正常工作時，兩個分支的負荷電流相等，在兩臂中通過大小相等、方向相反的電流，產生方向相反的磁通，如圖4-21（a）所示。每臂的磁通在另一臂中產生互感電抗，則每臂的運行電抗(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，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的工作原理互感系數f一般等于0.5，則在正常工作時，每臂的運行電抗X＝0.5XL。可見，在正常工作時，分裂電抗器每個臂的電抗減少了一半。倘若將兩個分支負荷等效為一個總負荷，則分裂電抗器的等值運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當分支1出線短路時，如圖4-21（b）所示。①若忽略分支2的負荷電流，顯然分裂電抗器臂1對經變壓器T提供的短路電流IkS呈現的運行電抗值為XL(稱為單臂型電抗)。圖4-21(b)分裂電抗器短路時的工作原理第四節(jié)

限制短路電流的方法19②對臂2可能送來的短路電流IkG和系統送來的短路電流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產生的磁通在另一臂中產生正的互感電抗，則兩臂的總電抗(稱為分裂型電抗)為

（4-2）當f＝0.5時，X12＝3XL，分裂電抗器能有效的限制另一臂送來的短路電流?？梢?，當互感系數f＝0.5，每臂自感電抗為XL時正常工作：穿越電抗X＝0.5XL一臂短路：單臂電抗X＝XL；分裂電抗X＝3XL

當兩個分支負荷不等或者負荷變化過大時，將引起兩臂電壓產生偏差，造成電壓波動，甚至可能出現過電壓。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-變壓器擴大單元接線，如圖4-22（a）所示，以限制短路電流。分裂繞組變壓器有一個高壓繞組和兩個低壓的分裂繞組，兩個分裂繞組的額定電壓和額定容量相同，匝數相等。由于兩個分裂繞組有漏抗，所以2臺發(fā)電機之間的電路中有電抗，一臺發(fā)電機端口短路時，另一臺發(fā)電機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，兩個低壓分裂繞組的漏抗，通常

（已歸算至高壓側）。在正常工作時的等值電路如圖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當任一低壓側發(fā)電機出口處短路，該處與另一低壓側發(fā)電機之間的短路電抗稱為分裂電抗，其值為

(4-4)

當任一低壓側發(fā)電機出口處短路，該處與系統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行時的穿越電抗值較小。當一個分裂繞組出線端口發(fā)生短路時，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，在采用擴大單元接線方式時，采用低壓分裂繞組變壓器對發(fā)電機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Kf

的數值。分裂系數Kf

是兩個分裂繞組間的分裂電抗與穿越電抗的比值，即