变电工程设计第四章

变电工程设计第四章第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日变电所电气部分设计主要包括：电气主接线设计；短路电流计算；主要电气设备的选择；电气设备的布置；所用电系统；继电保护的配置等。电气主接线是变电所设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第1节电气主接线的基本要求和设计原则

1.电气主接线电气主接线是由多种电气设备通过连接线，按其功能要求组成的接受和分配电能的电路，也称电气一次接线或电气主系统。

2.电气主接线图用规定的设备文字和图形符号将各电气设备，按连接顺序排列，详细表示电气设备的组成和连接关系的接线图，称为电气主接线图。

电气主接线图一般画成单线图。第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日3.电气主接线的作用（1）可以了解各种电气设备的规范、数量、联接方式和作用，以及和各电力回路的相互关系和运行条件等。（2）主接线的选择正确与否，对电气设备选择、配电装置布置、运行可靠性和经济性等都有重大的影响。第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日4.标准的图形符号和文字符号主要设备的图形符号和文字符号表第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日5.不同形式的主接线图（1）主接线全图：全面画出电路中的所有一次设备。（2）主接线简图：酌情省略互感器等设备的主接线。（3）主接线模拟图：是主接线的模型，着重表示运行中各电力元件的运行状态。特点：①准确反映设备的现场情况；②可以做操作前的模拟演示；③主接线电压等级线路用不同颜色表示；④在设备旁标注本站统一的运行编号。第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日全图第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日500kVG1~G2~220kVG3~G4~厂用电简图第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日一、电气主接线的基本要求1.可靠性主接线可靠性的具体要求如下：（1）断路检修时，不宜影响对系统的供电。（2）线路、断路器或母线故障时及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对Ⅰ类负荷及全部或大部分Ⅱ类负荷的供电。（3）尽量避免变电所全部停运的可能性。（4）大机组超高压电气主接线应满足可靠性的特殊要求。2.灵活性3.经济性第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日二、电气主接线的设计原则（教材）普通规律：特殊情况下，各台G都有停机的可能，←各台G之间互为备用；供电线路应做到连续供电←每回线应能从任一台G获得电源；正常运行的，任一主要设备的投退不影响其它设备←QF；检修设备时，应隔离电源←QS。三、电气主接线的设计程序（教材）第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日四、电气主接线的分类电气主接线第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第2节单母线接线基本操作：断路器与隔离开关的操作顺序保证隔离开关“先合后断”或“等电位操作”。即接通电路时，先合上断路器两侧的隔离开关，再合断路器；切断电路时，先断开断路器，再拉开两侧的隔离开关。为防止发生误操作，加装电磁闭锁、机械闭锁或电脑钥匙等闭锁装置。第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日一、单母线接线通电：合QS2，合QS3，合QF2。断电：断QF2，断QS3，断QS2。第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1.接线特点特点：每一回路均经过一台断路器QF和隔离开关QS接于一组母线上。2.优缺点分析优点：接线简单清晰，设备少，操作方便，投资少，便于扩建。缺点：可靠性和灵活性较差。在母线和母线隔离开关检修或故障时，各支路都必须停止工作；引出线的断路器检修时，该支路要停止供电。3.典型操作停电：先断路器后隔离开关(先负荷侧再母线侧)4.适用范围不能满足不允许停电的供电要求，一般用于6～220kV系统中，出线回路较少，对供电可靠性要求不高的中、小型发电厂与变电站中。单母线接线第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日二、单母线分段接线第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1.接线特点（1）分段断路器闭合运行

一个电源故障时，仍可以使两段母线都有电，可靠性比较好，但线路故障时短路电流较大。（2）分段断路器断开运行在QF1处装设备自投装置，重要用户可以从两段母线引接采用双回路供电，还可以限制短路电流。2.优缺点分析优点：提高了供电可靠性缺点：停电范围较大

3.适用范围（1）6～10k：出线回路数为6回及以上；（2）35～63kV：出线回路数为4～8回；（3）110～220kV：出线回路数为3～4回。单母线分段接线第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日三、单母线带旁路母线的接线检修QF1：（1）闭合QS4，闭合QS5，闭合QF2。（2）闭合QS3。（3）打开QS1，QS2，QF1。QF1退出运行第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日运行状态：QS1,QS2,QF1闭合，QS3,QS4,QS5打开。检修出线断路器（1）闭合QS5。（2）打开QF1,QS2(QS1）。（3）闭合QS4（QS3），QF1。（4）闭合QS8，打开QF2，QS6,QS7。第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日L11QF0QF01QSI段Ⅱ段90QF901QS15QS902QS13QS905QS2QF02QS11QS具有专用旁路断路器的单母线分段接线第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日L11QF0QF01QSI段Ⅱ段06QS03QS15QS13QS11QS02QS04QS05QS901QS2E线04QS23QS25QS2QF21QSL2分段断路器兼作旁路断路器第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日L11QF90QF01QSI段Ⅱ段905QS15QS13QS11QS02QS03QS901QSL22QF21QS23QS11QS旁路断路器兼作分段断路器第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1.接线特点（1）分段断路器兼作旁路断路器（2）旁路断路器兼作分段断路器2.优点出线断路器故障或检修时可以用旁路断路器代路送电，使线路不停电。3.适用范围主要用于电压为6～10kV出线较多而且对重要负荷供电的装置中；35kV及以上有重要联络线路或较多重要用户时也采用。单母线分段带旁路母线接线第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第3节双母线接线假设W1为工作母线，W2为备用母线。（1）合QS5,QS6。（2）合QF，W2得电。（3）合QS2,QS4。（4）打开QS1，QS3。（5）打开QF,QS5,QS6。第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1.接线特点

两组母线通过母联断路器连接；每一条引出线和电源支路都经一台断路器与两组母线隔离开关分别接至两组母线上。2.优缺点分析（1）可靠性高（2）灵活性好（3）扩建方便（4）检修出线断路器时该支路仍然会停电（5）设备较多、配电装置复杂，易引起误操作，投资和占地面积也较大3.适用范围（1）6～10kV短路容量大，有出线电抗器的装置；（2）35～60kV出线超过8回或电源较多，负荷较大的装置；（3）110～220kV出线为5回及以上，或者在系统中居重要位置、出线为4回及以上的装置。双母线接线第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日双母线分段接线

主要适用于大容量进出线较多的装置中：

（1）220kV进出线为10～14回的装置；

（2）6～10kV配电装置中，进出线回路数或者母线上电源较多，输送的功率较大，短路电流较大时，常采用双母线分段接线，并在分段处装设母线电抗器。第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日双母线带旁路母线接线

1.接线特点2.优缺点分析3.适用范围采用母联断路器兼作旁路断路器的接线：两组母线带旁路一组母线带旁路设有旁路跨条（1）大大提高了主接线系统的工作可靠性（2）母联断路器兼做旁路断路器接线经济（3）代路过程中降低了可靠性一般用在220kV线路4回及以上出线或者110kV线路有6回及以上出线的场合。第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日一个半断路器接线

1.接线特点2.优缺点分析3.适用范围（1）运行灵活可靠（2）操作方便（3）一台母线侧断路器故障或拒动，只影响一个回路工作；联络断路器故障或拒动，造成二条回路停电。（4）一台半断路器接线的二次线和继电保护比较复杂，投资较大。广泛应用于大型发电厂和变电站的330～500kV的配电装置中。第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日变压器－母线组接线

出线双断路器接线出线一台半断路器接线变压器直接接入母线，调度灵活，电源与负荷可自由调配，安全可靠，利于扩建。

第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第4节桥形接线1.内桥接线2.外桥接线（1）线路操作方便（2）正常运行时变压器操作复杂。（3）在实际接线中可采用设外跨条来提高运行灵活性。适用于：两回进线两回出线且线路较长、故障可能性较大和变压器不需要经常切换运行方式的发电厂和变电站中。（1）变压器操作方便（2）线路投人与切除时，操作复杂（3）桥回路故障或检修时设内跨条适用于：两进两出且线路较短、故障可能性小和变压器需常切换，线路有穿越功率通过。适用于仅有两台变压器和两回出线的装置中。第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

桥形接线中跨条的作用

在内桥中，利用跨条可避免出线断路器检修，线路将较长时间中断运行；在外内桥中，利用跨条可避免变压器侧断路器检修时，造成变压器在较长时间内中断运行的情况。跨条上设置两组隔离开关进行串联，便于轮流停电检修跨条上的任何一组隔离开关。

第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第5节多角形接线

（1）双断路器接线（2）所有隔离开关只用作隔离电器使用（3）运行可靠性高（4）接线最多不超过6角（5）设备选择和继电保护整定难（6）不便于扩建和发展

用于最终容量和出线数已确定的110kV及以上的水电厂中。第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第6节单元接线

1.发电机-变压器单元接线发电机－变压器单元接线的特点：

（1）接线简单清晰，电气设备少，配电装置简单，投资少，占地面积小。

（2）不设发电机电压母线，发电机或变压器低压侧短路时，短路电流小。

（3）操作简便，降低故障的可能性，提高了工作的可靠性，继电保护简化。

（4）任一元件故障或检修全部停止运行，检修时灵活性差。

单元接线适用于机组台数不多的大、中型不带近区负荷的区域发电厂以及分期投产或装机容量不等的无机端负荷的中、小型水电站。第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

2.发电机—变压器—线路单元接线方式在大型发电厂中采用这种接线，不需要在发电厂中设置高压配电装置，而把电能通过线路直接输送到附近的枢纽变电所，从而简化了发电厂中的电气主接线，压缩了占地面积，并解决了屋外配电装置遭受电厂烟囱飞灰和水塔冒出的水汽的污染问题。

第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第6节单元接线

3.扩大单元接线特点：

（1）减小了主变压器和主变高压侧断路器的数量，减少了高压侧接线的回路数，从而简化了高压侧接线，节省了投资和场地。

（2）任一台机组停机都不影响厂用电的供给。

（3）当变压器发生故障或检修时，该单元的所有发电机都将无法运行。扩大单元接线用于在系统有备用容量时的大中型发电厂中。第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第7节主接线典型方案举例

第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第8节电气主接线设计主接线设计的一般步骤：①确定电站的接入形式，接入点，出线回路数和出线电压等级。②拟定变压器的选择方案。③拟定发电机电压侧及升高电压侧的基本接线形式。④选择站用电和近区用电的电源引进形式。⑤进行技术比较，确定2-3个较优方案。⑥进行经济比较，确定一个最优方案。第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日⑦初选导线截面⑧短路电流计算⑨设备的配置和选择和校验计算⑩绘制主接线图第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

1.主变压器容量的确定（1）主变压器容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展。对于城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。（2）根据负荷的性质和电网的结构来确定主变压器的容量。对重要变电所，应考虑当一台主变压器停运时，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负荷的供电；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70～80%。一、主变压器选择第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日2．主变压器台数的确定（1）对城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变压器为宜。（2）对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可考虑装设3台主变压器。（3）对不重要的较低电压等级的变电所，可以只装设一台主变压器。第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日3.变压器型式的选择原则相数的确定绕组数的确定调压方式的确定绕组接线组别的确定冷却方式的确定第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

3.变压器类型的确定（1）变压器相数的确定电力变压器按相数可分为单相变压器和三相变压器两类，三相变压器与同容量的单相变压器组相比较，价格低、占地面积小，而且运行损耗减少12～15％。因此，在330kV及以下电力系统中，一般都选用三相变压器。但是，随着电压的提高，容量的增大，变压器的外形尺寸及重量均会增大，可能会出现由制造厂到发电厂（或变电所）的运输困难：如隧洞的高度、桥梁的承载能力不足等。若受到限制时，则宜选用两台小容量的三相变压器取代一台大容量的三相变压器，或者选用单相变压器组。第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日（2）变压器绕组数的确定变压器按其绕组数可分为双绕组普通式、三绕组式、自耦式以及低压绕组分裂式等型式。当发电厂只升高一级电压时或35kV及以下电压的变电所，可选用双绕组普通式变压器。当发电厂有两级升高电压时，常使用三绕组变压器作为联络变压器，其主要作用是实现高、中压的联络。其低压绕组接成三角形抵消三次谐波分量。110kV及以上电压等级的变电所中，也经常使用三绕组变压器作联络变压器。当中压为中性点不直接接地电网时，只能选用普通三绕组变压器。自耦变压器特点是其中两个绕组除有电磁联系外，在电路上也有联系。第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日（3）变压器调压方式的确定通过切换变压器的分接头开关，改变变压器高压绕组的匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一种是不带电压切换，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％，其结构复杂，价格较贵。发电厂在以下情况时，宜选用有载调压变压器：（1）当潮流方向不固定，且要求变压器副边电压维持在一定水平时；（2）具有可逆工作特点的联络变压器，要求母线电压恒定时；（3）发电机经常在低功率因数下运行时。第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日（3）变压器调压方式的确定变电所在以下情况时，宜选用有载调压变压器：（1）地方变电所、工厂、企业的自用变电所经常出现日负荷变化幅度很大的情况时，又要求满足电能质量往往需要装设有载调压变压器；（2）330kV及以上变电站，为了维持中、低压电压水平需要装设有载调压变压器；（3）110kV及以下的无人值班变电站，为了满足遥调的需要应装设有载调压变压器。第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日（4）变压器绕组接线组别的确定我国110kV及以上电压，变压器三相绕组都采用“YN”联接；35kV采用“Y”联接，其中性点多通过消弧线圈接地；35kV以下高压电压，变压器三相绕组都采用“D”联接。因此，普通双绕组一般选用YN，d11接线；三绕组变压器一般接成YN，y，d11或YN，yn，d11等形式。近年来，也有采用全星形接线组别的变压器，即变压器高、中、低三侧均接成星形。这种接线零序组抗大，有利于限制短路电流，也便于在中性点处连接消弧线圈。缺点是正弦波电压波形发生畸变，并对通信设备产生干扰，同时对继电保护整定的准确度和灵敏度均有影响。第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日（5）变压器冷却方式的选择变压器的冷却方式主要有自然风冷却、强迫空气冷却、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、水内冷变压器、SF6充气式变压器等。第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1.综合总投资计算方案的综合总投资为（7-1）式中Z0——主体设备投资，包括变压器、配电装置以及明显的大额费用，如拆迁、征地等费用。a——不明显的附加费用比例系数，如现场安装费用、基础加工、辅助设备的费用等。对110kV可取90，对35kV取100。二、经济比较第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日2.年运行费用计算年运行费用主要包括变压器的电能损耗费及设备的检修、维护和折旧等费用，按投资百分率计算，即

Fn=β△A+F1+F2

式中F1——检修维护费，一般取（0.02～0.042）Z；F2——折旧费，取（0.0050.058）Z；

β——电能电价，可参考各地区实际电价；△A——变压器电能损失。第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日3、经济最优方案的确定（1）Z1＞Z2Fn1＞Fn2

选择方案2（2）Z1＞(＜)Z2Fn1

＜(＞)Fn2，采用偿还年限法：

Ns=(Z1-Z2)/(Fn1-Fn2)如果Ns＜

5年，则采用投资大的第一方案。若Ns＞

5年，则应选择投资小的第二方案为宜。Ns=5年，方案均可。第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日（3）技术上相当的方案，采用计算费用最小法。

Fji=Zi/Nb+Fni第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日补充内容：站用电第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第9节自用电及接线一、自用电的作用二、厂用电率三、厂用电负荷分类四、厂用电的供电电源五、厂用电接线六、变电所的自用电接线第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉自用电的作用所谓自用电是指发电厂或变电所在生产过程中，自身所使用的电能。尤其是发电厂，为了保证电厂的正常生产，需要许多由电动机拖动的机械为发电厂的主要设备和辅助设备服务，这些机械被称为厂用机械。此外，还要为运行、检修和试验提供用电负荷。发电厂的自用电也称为厂用电。自用电也是发电厂或变电所的最重要的负荷，其供电电源、接线和设备必须可靠，以保证发电厂或变电所的安全可靠、经济合理地运行。第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉厂用电率发电厂在一定时间内，厂用电所消耗的电量占发电厂总发电量的百分数，称为厂用电率。计算公式为

式中KCY——厂用电率（%）；ACY——厂用电量，kW·h；AG——总发电量，kW·h。发电厂的厂用电率与电厂类型、容量、自动化水平、运行水平等多种因素有关。一般凝汽式火电厂的厂用电率为5%～8%，热电厂为8%～10%，水电厂为0.3%～2.0%。降低厂用电率，减少厂用电的耗电量，不仅能降低发电成本，提高发电厂的经济效益，而且还可以增加对系统的供电量。第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉厂用电负荷的分类厂用电负荷，按其在电厂生产过程中的重要性可分为以下几类。1．Ⅰ类负荷2．Ⅱ类负荷3．Ⅲ类负荷4.事故保安负荷指在发电机停机过程及停机后的一段时间内仍应保证供电的负荷，否则将引起主要设备损坏、自动控制失灵或者推迟恢复供电，甚至危及人身安全。按事故保安负荷对供电电源的不同要求，可分为两类：（1）直流保安负荷。（2）交流保安负荷。第六十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉厂用电的供电电源

1.厂用电供电电压等级的确定厂用负荷的供电电压，主要取决于发电机的额定容量、额定电压、厂用电动机的电压、容量和数量等因素。发电厂和变电所中一般供电网络的电压:低压供电网络为0.4kV（380V/220V）；高压供电网络有3kV、6kV、10Kv等。

2.工作电源工作电源是指保证发电厂或变电所正常运行的电源。工作电源应不仅要供电可靠，而且要满足厂用负荷容量的要求。厂用低压工作电源，一般采用0.4kV电压等级，由厂用低压变压器获得。第六十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉厂用电的供电电源

3.备用电源为了提高可靠性，每一段厂用母线至少要由两个电源供电，其中一个为工作电源，另一个为备用电源。当工作电源故障或检修时，仍能不间断地由备用电源供电。厂用备用电源有明备用和暗备用两种方式。明备用就是专门设置一台变压器（或线路），它经常处于备用状态（停运）。暗备用就是不设专用的备用变压器。而将每台工作变压器的容量加大，正常运行时，每台变压器都在半载下运行，互为备用状态。厂用备用电源应尽量保证其独立性，即失去工作电源时，不应影响备用电源的供电。此外，还应装设备用电源自动投入装置。第六十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉厂用电的供电电源

4.事故保安电源事故保安电源是为保证事故保安负荷的用电而设置的，并能自动投入。事故保安电源必须是一种独立而又十分可靠的电源。它分直流事故保安电源和交流事故保安电源。前者由蓄电池组供电；后者宜采用快速起动的柴油发电机组，或由外部引来的可靠交流电源，此外，还应设置交流不停电电源。交流不停电电源，宜采用接在直流母线上的逆变机组或静态逆变装置。目前，多用静态逆变装置。第六十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉厂用电接线

1.厂用电接线的基本要求（1）供电可靠、运行灵活。（2）接线简单清晰、投资少、运行费用低。（3）尽量缩小厂用电系统的故障停电范围，并应尽量避免引起全厂停电事故。（4）接线的整体性。厂用电接线应与发电厂电气主接线紧密配合，体现其整体性。（5）电厂分期建设时厂用电接线的合理性。应便于分期扩建或连续施工，不致中断厂用电的供应。尤其是对备用电源的接入和公共负荷的安排要全面规划、便于过渡。第六十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉厂用电接线2.厂用电接线的基本形式发电厂厂用电系统接线通常都采用单母线分段接线形式，并多以成套配电装置接受和分配电能。在火电厂中，高压母线均采取按炉分段的接线原则，即将厂用电母线按照锅炉的台数分成若干独立段，凡属同一台锅炉及同组的汽轮机的厂用负荷均接于同一段母线上，这样既便于运行、检修，又能使事故影响范围局限在一机一炉，不致过多干扰正常运行的完好机炉。低压厂用母线一般也按炉分段，高压厂用电源则由相应的高压厂用母线提供。第六十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

▉变电所自用电接线1．变电所的自用电负荷在中小型降压变电所中，自用电的负荷