发电厂电气部分第四章电气主接线及设计(三)(四)

发电厂变电所电气主系统第四章电气主接线及设计《发电厂电气部分》课题组电力工程学院电气工程系1在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本厂（站）用电的变压器，称为厂（站）用变压器或自用变压器。

第三节主变压器的选择2主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统5～10年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级以及接人系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。变压器容量选得过大、台数过多，不仅增加投资，增大占地面积，而且也增加了运行电能损耗，设备未能充分发挥效益；

变压器容量选得过小，将可能“封锁”发电机剩余功率的输出或者会满足不了变电站负荷的需要，这在技术上是不合理的，因为每千瓦的发电设备投资远大于每千瓦变电设备的投资。

一、主变压器的容量、台数的确定原则第三节主变压器的选择3

单元接线的主变压器容量应按下列条件中的较大者选择：发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度。按发电机的最大连续容量，（制造厂家提供的数据）扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组平均温升在标准环境温度或冷却水温度不超过

的条件选择。该

是依据我国电力变压器标准，即在正常使用条件下，油浸变压器在连续额定容量稳态下的绕组平均温度。

(一）单元接线的主变压器第三节主变压器的选择4

连接在发电机电压母线与系统之间的主变压器的容量，应考虑以下因素：（1）当发电机全部投入运行时，在满足发电机电压供电的日最小负荷，并扣除厂用负荷后，主变压器应能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。（2）当接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或者因供热机组热负荷变动而需限制本厂出力时，主变压器应能从电力系统倒送功率，保证发电机电压母线上最大负荷的需要。(二）具有发电机电压母线接线的主变压器第三节主变压器的选择5（3）若发电机电压母线上接有2台或以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器应能输送母线剩余功率的70%以上。（4）在电力市场环境下，中、小火电机组的高成本电量面临“竞价上网”的约束，特别是在夏季丰水季节处于不利地位，加之“以热定电”的中、小热电厂在夏季热力负荷减少的情况下，可能停用火电厂的部分或全部机组，主变压器应具有从系统倒送功率的能力，以满足发电机电压母线上最大负荷的要求。第三节主变压器的选择67(三）连接两种升高电压母线的联络变压器

联络变压器的台数一般只设置1台，最多不超过2台。这是考虑到布置和引线的方便。联络变压器的容量选择应考虑以下两点：（1）联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种不同运行方式下有功功率和无功功率交换。（2）联络变压器容量一般不应小于接在两种电压母线上的最大一台机组容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求；同时，也可在线路检修或故障时，通过联络变压器将剩余容量送入另一系统。第三节主变压器的选择7

（1）变电站主变压器容量确定原则：变电站主变压器容量，一般应按5～10年规划负荷来选择。根据城市规划、负荷性质、电网结构等综合考虑确定其容量。对重要变电站，应考虑当1台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足Ⅰ类及Ⅱ类负荷的供电；对一般性变电站，当1台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的70％～80％。（2）变电站主变压器台数确定原则：对于枢纽变电站在中、低压侧已形成环网的情况下，变电站以设置2台主变压器为宜；对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，可设3台主变压器，以提高供电可靠性。(四）变电站主变压器第三节主变压器的选择8容量为300MW及以下机组单元连接的主变压器和330kV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器。因为单相变压器组相对投资大、占地多、运行损耗也较大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。但是，由于变压器的制造条件和运输条件的限制，特别是大型变压器，需要考察其运输可能性。若受到限制时，则可选用单相变压器组。容量为600MW机组单元连接的主变压器和500kV电力系统中的主变压器应综合考虑运输和制造条件，经技术经济比较，可采用单相组成三相变压器。二、变压器型式和结构的选择原则(一）相数第三节主变压器的选择9电力变压器按每相的绕组数分为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；按电磁结构分为普通双绕组、三绕组、自耦式及低压绕组分裂式等型式。发电厂以两种升高电压级向用户供电或与系统连接时，可以采用2台双绕组变压器或三绕组变压器。最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，但三绕组变压器的每个绕组的通过容量应达到该变压器额定容量的15％及以上，否则绕组未能充分利用，反而不如选用2台双绕组变压器在经济上更加合理。在一个发电厂或变电站中采用三绕组变压器一般不多于3台，以免由于增加了中压侧引线的构架，造成布置的复杂和困难。(二）绕组数与结构第三节主变压器的选择10此外，选用时应注意到功率流向。三绕组变压器根据三个绕组的布置方式不同，分为升压变压器和降压变压器。升压变压器用于功率流向由低压绕组传送到高压和中压，常用于发电厂；降压变压器用于功率流向由高压绕组传送至中压和低压，常用于变电站。机组容量为200MW以上的发电厂采用发电机—双绕组变压器单元接线接人系统，而两种升高电压级之间加装联络变压器更为合理。联络变压器宜选用三绕组变压器(或自耦变压器)，低压绕组可作为厂用备用电源或厂用启动电源，亦可连接无功补偿装置。第三节主变压器的选择11扩大单元接线的主变压器，应优先选用低压分裂绕组变压器，可以大大限制短路电流。在110kV及以上中性点直接接地系统中，凡需选用三绕组变压器的场所，均可优先选用自耦变压器，因其损耗小、价格低。变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致，否则，不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式只有星形“Y”和三角形“d”两种。因此，变压器三相绕组的连接方式应根据具体工程来确定。在发电厂和变电站中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，主变压器接线组别一般都选用YN，d11常规接线。(三）绕组联接组号第三节主变压器的选择12为了保证发电厂或变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内。通过变压器的分接开关切换，改变变压器高压侧绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一种是不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在±2×2.5％以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30％。其结构较复杂，价格较贵。电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。(四）调压方式(五）冷却方法第三节主变压器的选择13短路是电力系统中较常发生的故障。短路电流直接影响电气设备的安全，危害主接线的运行，特别在大容量发电厂中，在发电机电压母线或发电机出口处，短路电流可达几万安至几十万安。为使电气设备能承受短路电流的冲击，往往需选用加大容量的电气设备。这不仅增加投资，甚至会因开断电流不能满足而选不到符合要求的高压电气设备。为了能合理地选择轻型电气设备，在主接线设计时，应考虑采取限制短路电流的措施。第四节

限制短路电流的方法14加装限流电抗器限制短路电流，常用于发电厂和变电站的6～10kV配电装置。依据电抗器的结构限流电抗器分为普通电抗器和分裂电抗器两类。

普通三相限流电抗器是由三个单相的空心线圈构成，采用空心结构是为了避免短路时，由于电抗器饱和而降低对短路电流的限制作用。因为没有铁心，因而它的伏安特性是线性的，当电流从额定电流到超过额定值10～20倍的短路电流的很大范围变化时，伏安特性都是线性的；同时由于无铁心，而电抗器的导线电阻又很小，因而在运行中的有功能量损耗也是极小的。普通电抗器可分为母线电抗器和线路电抗器两种。如图4-20。一、装设限流电抗器(一）普通电抗器第四节

限制短路电流的方法15正常工作情况下,母线分段处往往是电流流动最小的地方，在此装设电抗器，所引起的电压损失和功率损耗都比装在其他地方为小。对于母线电抗器L1，无论厂内(k1或k2点)或厂外(L3点)短路时，均能起到限流作用。为了运行操作方便和减小母线各段间的电压差，母线分段一般不宜超过三段。母线电抗器的额定电流按母线上因事故切除最大一台发电机时可能通过电抗器的电流进行选择，一般取为发电机额定电流的50％～80％，电抗百分值取为8％～12％。图4-20电抗器的接法线路电抗器主要用来限制电缆馈线回路短路电流。由于电缆的电抗值较小且有分布电容，即使在电缆馈线末端发生短路，短路电流也和母线短路相差不多。为了出线能选用轻型断路器，同时馈线的电缆也不致因短路发热而需加大截面，常在出线端加装线路电抗器。它只能在电抗器以后如k3点短路时，才有限制短路电流的作用。由于架空线路本身的感抗值较大，不长一段线路就可以把出线上的短路电流限制到装设轻型断路器的数值，因此通常在架空线路上不装设线路电抗器。当线路电抗器后发生短路时(如L3点)，电压降主要产生在电抗器上，这不仅限制了短路电流，而且能在母线上维持较高的剩余电压，一般都大于65％UN，这对非故障用户，尤其对电动机极为有利当在分段上装设母线电抗器或在发电机、主变压器回路装设分裂电抗器不满足要求时，再考虑在线路上装设线路电抗器。线路电抗器的额定电流300～600A，电抗百分值3％～6％第四节

限制短路电流的方法16分裂电抗器在结构上与普通电抗器相似，只是绕组中心有一个抽头，将电抗器分为两个分支，即两个臂1和2，一般中间抽头用来连接电源，分支1和2用来连接大致相等的两组负荷。正常工作时，两个分支的负荷电流相等，在两臂中通过大小相等、方向相反的电流，产生方向相反的磁通，如图4-21（a）所示。每臂的磁通在另一臂中产生互感电抗，则每臂的运行电抗(称为穿越型电抗)为

（4-1）XL－每臂的自感电抗；XM－每臂的互感电抗

f－互感系数，f＝XM/XL（二）分裂电抗器第四节

限制短路电流的方法17图4-21(a)分裂电抗器正常工作时的工作原理互感系数f一般等于0.5，则在正常工作时，每臂的运行电抗X＝0.5XL。可见，在正常工作时，分裂电抗器每个臂的电抗减少了一半。倘若将两个分支负荷等效为一个总负荷，则分裂电抗器的等值运行电抗仅为每臂自感电抗的1／4。第四节

限制短路电流的方法18当分支1出线短路时，如图4-21（b）所示。①若忽略分支2的负荷电流，显然分裂电抗器臂1对经变压器T提供的短路电流IkS呈现的运行电抗值为XL(称为单臂型电抗)。图4-21(b)分裂电抗器短路时的工作原理第四节

限制短路电流的方法19②对臂2可能送来的短路电流IkG和系统送来的短路电流IkS在分裂电抗器中的流向是相同的，磁通方向也相同。每一臂由IkQ=IkG+IkS产生的磁通在另一臂中产生正的互感电抗，则两臂的总电抗(称为分裂型电抗)为

（4-2）当f＝0.5时，X12＝3XL，分裂电抗器能有效的限制另一臂送来的短路电流。可见，当互感系数f＝0.5，每臂自感电抗为XL时正常工作：穿越电抗X＝0.5XL一臂短路：单臂电抗X＝XL；分裂电抗X＝3XL

当两个分支负荷不等或者负荷变化过大时，将引起两臂电压产生偏差，造成电压波动，甚至可能出现过电压。第四节

限制短路电流的方法20采用低压分裂绕组变压器组成发电机-变压器扩大单元接线，如图4-22（a）所示，以限制短路电流。分裂绕组变压器有一个高压绕组和两个低压的分裂绕组，两个分裂绕组的额定电压和额定容量相同，匝数相等。由于两个分裂绕组有漏抗，所以2台发电机之间的电路中有电抗，一台发电机端口短路时，另一台发电机送来的短路电流就受到限制。二、采用低压分裂绕组变压器图4-22分裂绕组变压器及其等值电路第四节

限制短路电流的方法21图4-22（b）所示的等效电路中，

为高压绕组漏抗；

、

分别为高压绕组开路时，两个低压分裂绕组的漏抗，通常

（已归算至高压侧）。在正常工作时的等值电路如图4-22（c）所示，若通过高压绕组电流为I，每个低压绕组流过相同的电流为I/2，则高低压绕组正常工作时的等值电抗称为穿越电抗，其值为(4-3)第四节

限制短路电流的方法22当任一低压侧发电机出口处短路，该处与另一低压侧发电机之间的短路电抗称为分裂电抗，其值为

(4-4)

当任一低压侧发电机出口处短路，该处与系统之间的短路电抗称为半穿越电抗，其值(4-5)

可见，低压分裂绕组正常运行时的穿越电抗值较小。当一个分裂绕组出线端口发生短路时，来自另一分裂绕组端口的短路电流将遇到分裂电抗的限制，来自系统的短路电流则遇到半穿越电抗的限制，这些电抗值都很大，能起到限制短路电流的作用。显然，在采用扩大单元接线方式时，采用低压分裂绕组变压器对发电机出口短路电流具有明显的限制作用。第四节

限制短路电流的方法23通常，变压器制造厂家仅提供分裂变压器的穿越电抗X12

、半穿越电抗X12’

和分裂系数Kf

的数值。分裂系数Kf

是两个分裂绕组间的分裂电抗与穿越电抗的比值，即