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电力系统规划及发电厂电气部分设计
摘要：本设计通过对原始资料的分析，对电力系统进行电源规划、电网规划、电器主接线的设计、主变压器的选取，并进行了相应的短路计算，选取合理的断路器、隔离开关、限流电抗器。最后，对所选的最优方案进行了潮流计算，对不合理的电压采取了相应的无功补偿和调压措施。最终又选取了火电厂的厂用变压器设计了厂用电的接线形式。
关键词：电力系统规划；电气主接线；短路计算；潮流计算；电网规划
Power system planning and power plant electrical part design
Abstract: This design through the analysis of original data, power supply to power system planning and power grid planning, the main electrical wiring design, selection of the main transformer, and the corresponding short circuit calculation, selecting reasonable circuit breaker, isolating switch, current limiting reactor. Finally, selected the optimal solution for the flow calculation, to adopt the corresponding unreasonable voltage reactive power compensation and voltage regulation measures. Eventually they pick the coal-fired power plant factory with the transformer design of auxiliary power wiring forms.
Key words: Power system planning; The main electrical wiring; Short circuit calculation; Power flow calculation; Power grid planning.

0 引言
随着社会的不断发展，电力工业在国家建设和国民经济发展中占据的地位越来越大。要满足国民经济发展的要求，电力必须超前发展，这是世界电力工业发展的规律。因此，做好电网规划，加强电网建设，极为重要。本次研究课题为电力系统规划及发电厂电气部分设计，其主要内容包括：电源规划、网络方案的确定、电气主接线的确定、电气设备的选择、潮流计算及调压、厂用电设计及防雷保护。
原始资料分析：有一个火电厂，一个水电厂，四个变电所和原系统。其中，各变电所均有重要负荷，所以要求系统接线必须保证每个变电所均为双电源供电。在正常运行时，可靠满足变电所最大负荷的要求；故障时应保障重要负荷的要求。
1 电源规划
根据给定的负荷资料确定火电厂新增装机容量。火电厂新增装机容量为：4台100MW机组和1台50MW机组。
1.1 电力负荷分析
电力负荷分析主要是考虑用电负荷、供电负荷及发电负荷。
（1）系统的用电负荷：各变电所的最大负荷、水平年发电机机压母线最大负荷、水电厂近区负荷及系统从新区吸收的最大功率之和。
其中，为同时系数。
（2）系统的供电负荷：用电负荷和网络损耗功率之和。
（2）
其中， 为网损率。
（3）系统的发电负荷：供电负荷加厂用电功率。
（3）
其中，为发电机电压直配负荷
为厂用电率。
1.2 系统的备用容量
系统备用容量一般考虑负荷备用（负荷和国民经济备用）、事故备用、国民经济备用和检修备用

[1]
。
负荷备用：通常取最大发电负荷的2%~5%,低值用于大系统，高值用于小系统；
事故备用：取最大发电负荷的10%左右，但应大于最大一台发电机容量；
检修备用：通常取最大发电负荷的8%~15%左右。
火电厂安排在夏季检修，周期为一年，时长为为30天；水电厂安排在冬季检修，周期为2年，时长为20天。
1.3 负荷的增长
本设计中认为水平年末的负荷比年初增加10%，年中负荷比年初减少3%。
2 网络方案的确定
2.1 电压等级的确定
电压等级的确定应根据输送距离、输送容量及周围电力网的额定电压确定[2]
。
为了避免发电厂、变电所的设备接线复杂，所以系统中电压等级不宜过多，一般设2~3中电压等级。
下表展示了我国各级电压输送容量和传输距离的范围。
表2.1 我国各级电压输送能力统计
输电电压（kv）
输送容量（MW）
传输距离（km）
110
10~50
50~150
220
100~150
100~300
原始资料中的系统新区接口电压为220kv，由以上可知，本次设计中输电线路电压等级为220kv。
2.2 网络方案的确定
2.2.1 方案的初选
依据经验，初步设计18种系统接线形式，依据可靠性、经济性、灵活性的原则选择2种接线形式作为初选方案，接线形式如下：
S

1
2
3
4
1
2

3

图1 方案一

4
S

图2 方案二

2.2.2 方案的细选
（1）导线截面积的选择
按经济电流密度选择导线截面积，根据电晕条件、电压损失、导线长期允许载流量以及机械强度校验导线截面积[3]
。本设计中，初选出的两种方案导线均选LGJ-240/40。
（2）经济技术比较
在经济技术比较中，投资费用和年运行费用最小的方案优先选用。若投资而年运行费用小，则可采用抵偿年限进行比较，具体方法如下：
若投资，而年运行费用，则令。目前，我国采用标准的抵偿年限发为5~8年，当N小于5~8时，选用投资费用大的方案；否则选用难免运行费用大的方案。
本设计中，最终选择方案一。
3 电气主接线的确定
3.1 主变压器的选择
主变压器的选择，主要包括变压器型式、台数和容量的选择。
对于220Kv电压等级为大电流接地系统，其主变压器型式应为三相双绕组变压器，且采取YN的联结方式。
由于火电厂有机压重要负荷，为保证可靠供电，所以机压母线侧选取两台主变压器，其余发电机组采取扩大单元接线；由于四个变电所均有重要负荷，所以各个变电所均应有两台变压器；由于水电厂采取扩大单元接线，所以水电厂应有两台主变压器。
根据发电机、单元接线及变电所主变压器容量选取原则，计算每台主变压器的容量。
3.2 发电厂及变电所主接线的确定
确定发电厂变电所主接线的基本原则为：可靠性、经济性、灵活性[4]
。
依据接线准则，火电厂220kv侧有9回进线，10回出线，应采用双母线四分段的接线方式，其中6台100MW和1台50MW发电机采用单元接线直接接到220kv母线上，另2台50MW机组经10kv机压母线、主变压器接到220kv母线上；火电厂10kv机压母线侧采用双母线三分段的接线形式。
水电厂有4台机组，采用扩大单元接线、四角形接线，经升压变压器接到变电所1母线上。
变电所2、3、4均有2回进线，且无穿越功率，故均采用内桥接线；变电所1有4回进线，故采用双母线接线形式。
最终，本设计中主变压器的选择结果如下表，

接线形式
台数
主变压器型号
50MW机组
单元接线
6
SFP7-150000/220
100MW机组
双母线三分段
3
SFP7-120000/220
水电厂
扩大单元接线
2
SFP7-90000/220
变电所1
双母线接线
2
SFP7-120000/220
变电所2
内桥
2
SFP7-90000/220
变电所3
内桥
2
SFP7-63000/220
变电所4
内桥
2
SFP7-50000/220

4 电气设备的选择
电气设备的选取原则为：按正常运行条件下选取额定电压和额定电流；按短路运行条件下校验热稳定和动稳定。主要选取高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器[5]
。
4.1 短路计算
短路电流计算的目的[6]
：
（1）选取电气设备；
（2）为继电保护的设计和整定值提供依据。
短路计算的一般步骤
（1）绘制等值网络；
（2）进行网络变换，计算等值发电机到短路点的转移电抗；
（3）计算各发电机到短路点的计算电抗；
（4）查运算曲线，求出0s、2s、4s的短路电流标幺值；
（5）计算短路电流有名值。
4.2 电气设备的选择
依据电气设备选取原则，本设计电气设备选择结果如下：

断路器
隔离开关
电流互感器
电压互感器
火厂220kv侧
LW1-220/2000
GW4-220/630
LCLWD3-220-4´300/5
TYD220/Ö3-0.0075
火电厂机压母线侧
SN4-10G/4000
GN-10T/5000-300
LMC-10-4000/5
JDZ-10
水电厂侧
LW1-220/2000
GW4-220/630
LCLWD3-220-4´300/5
TYD220/Ö3-0.0075
变电所1
LW1-220/2000
GW4-220/630
LCLWD3-220-4´300/5
TYD220/Ö3-0.0075
变电所2
LW1-220/2000
GW4-220/630
LCLWD3-220-4´300/5
TYD220/Ö3-0.0075
变电所3
LW1-220/2000
GW4-220/630
LCLWD3-220-4´300/5
TYD220/Ö3-0.0075
变电所4
LW1-220/2000
GW4-220/630
LCLWD3-220-4´300/5
TYD220/Ö3-0.0075
5 潮流计算及调压
5.1手算潮流
本设计需进行冬季最大运行方式下的潮流，计算时，将火电厂设为平衡节点，系统、水电厂及各变电所均设为PQ节点。
手算潮流基本步骤[7]
：
（1）计算各电气元件的基本参数；
（2）画出网络等值图，并进行简化；
（3）计算各支路首末端的功率；
（4）计算各节点电压。
5.2 计算机算潮流
计算机计算潮流时，将火电厂设为平衡节点，系统和水电厂设为PV节点，各个变电所设为PQ节点[8]
。采用牛顿拉弗逊法，用MATLAB编程计算。
冬季最大运行方式下，各个变电所负荷为原来最大负荷的1.1倍；冬季最小运行方式下，各个变电所负荷为冬季最大运行方式下负荷的0.7倍；夏季最大运行方式下，各个变电所负荷为原来最大负荷的0.97倍；夏季最小运行方式下，各个变电所负荷为夏季最大运行方式下负荷的0.7倍。
5.3 调压措施
在潮流计算中，各个变电所允许电压波动范围为，否则视为不合理，此时需采用调压措施。
常用的调压措施有：
（1）改变发电机机端电压，优先选取，因为此种方法简单易操作。
（2）改变变压器分接头。双绕组变压器的高压侧、三绕组的高中压侧通常设有三个或五个分接头，进行调节变比。
（3）改变网络参数，如串联电抗器、并联电容器。
6 厂用电的计算
6.1 厂用电压等级的确定
（1）发电机容量在100~300MW时，宜采用6Kv作为高压厂用电压等级；
（2）发电机容量在60MW及以下，发电机电压为10.5Kv时，可采用3kv作为高压厂用电压等级。
本设计中，采用6Kv 作为高压厂用电压等级
。
6.2 厂用变压器的选择原则
（1）大型机组一炉两段，宜选用低压分裂绕组变压器，两个低压绕组分别向厂用电供电；
（2）厂用变压器的一、二次侧分别与引接电源电压和厂用电电压等级相等；
（3）厂用变压器的容量选择：
（4）
其中，为厂用变压器的容量。
（4）启动/备用厂用变压器应按照能满足最大一台厂用变压器故障时来选择。
7 防雷保护的设计
采用装设避雷针防范直击雷，以保护配电装置，避免雷击设备，使设备损坏
。
本设计中共有9个进线间隔、10个出线间隔、2个电压互感器和避雷器间隔、2个母联间隔、1个分段间隔，共有24个间隔。分段间隔长度为15m，其余间隔均为14m，则总的长度为337m，宽为54.5m。本设计中，，，，假设安装8支避雷针，经计算得全部在保护范围内，故安装8支避雷器即可。
结束语
经过三个月的努力，毕业设计终于接近尾声。本次毕业设计包含《发电厂电气部分》、《电力系统稳态分析》、《电力系统暂态分析》、《高电压技术》、《继电保护》等等众多学科，知识面广，任务量大。主要内容包括以下内容：
（1）电源规划：通过对系统中原有负荷的分析，计算出火电厂需新增容量和做出了检修计划。
（2）网络方案的确定：初步设定18种方案，依据可靠性、经济性、灵活性的原则从中选出2种，进行经济技术比较，确定最终方案。
（3）电气主接线确定：首先选取了主变压器的型式、台数和容量，然后设计出系统主接线图。
（4）电气设备的选择：按正常运行时选取额定电压和额定电流，故障时进行校验。
（5）潮流计算：根据手算和计算机算出的功率分布来检查系统运行稳定性和电压偏差，对电压偏差较大的点进行了调压。
（6）厂用电设计：首先，依据规程，确定厂用电高压侧为6kv；然后根据机组容量选取厂用电变压器的容量。
（7）防雷保护：装设避雷针防直击雷对电气设备的损坏，并进行了检验。
最后经经济技术比较后，本设计具有经济可行性。

参考文献
[1] 张青燕，陈宁，张健.抽水蓄能电站备用效益研究综述[J].水力发电，2007
[2] 许珉.发电厂电气主系统[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3] 谢璐滨，杜鹏.电网接线最优方案的制定与研究[J].电气开关，2010
[4] 莫小红. 浅谈电气主接线设计的原则和要求[J]. 中国科技纵横,2012.
[5] 陈轶伟.数字化变电站实用化研究[J].电气工程，2007
[6] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京：中国电力出版社，2007
[7] 李光琦.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2007
[8] 刘苏琴.考虑风电机模型的电力系统随机潮流计算[J].带那里系统及其自动化，2007
[9] 甘焱.1000MW机组高压厂用电电压等级及接线选择研究[J].电气工程，2010
[10] 沈其工，方瑜，周泽存，等.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2012.8