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13—站用变压器；

14—厂用电高压母线

燃烧用的助燃空气，由送风机送入空气预热器加热，加热后的热空气一部分进入磨煤机，用于干燥和输送煤粉，大部分热空气则进入燃烧室助燃。

水和蒸汽是将热能转换成机械能的主要工质。

经净化后的给水，先送入省煤器预热，然后进入锅炉顶部的汽包再降入水冷壁管中，待吸收了燃烧室的热能后蒸发成蒸汽，此蒸汽流经过热器时，进一步吸收烟气的热量而变为高温高压的过热蒸汽，然后经过主蒸汽管道进入汽轮机，进入汽轮机的蒸汽在喷管里膨胀而高速冲动汽轮机的转子转动，将热能转换成机械能。

汽轮机带动发电机旋转，将机械能转换成电能。

汽轮机做功后的蒸汽在冷凝气中被冷却凝结成水。

凝结水经除氧器除氧，再经加热器加热后，用给水泵重新送入省煤器预热。

上述过程循环往复，周而复始，发电厂便连续不断地生产着电能。

火力发电厂的主要系统包括锅炉的熔烧系统，汽轮机的汽水系统，发电机及其电气系统。

从能量转换的观点来看，在锅炉燃料的化学能转变成了蒸汽的热能；

在汽轮机蒸汽的热能转变为轴的旋转运动的机械能；

在发电机机械能转变成了电能。

发电厂的电气系统包括电气一次回路部分与电气二次回路部分。

发电厂电气一次接线指的是对用户供电的电路部分。

其中，对外供电（或由外部受电）的部分称为电气主接线。

为了保证发电厂、变电站的生产和工作人员的生活，对供电的部分称为厂用电接线。

为了保证一次接线安全、可靠、优质、经济地运行，对一次接线中的设备实施测量、信号、控制、调节的电路部分称为二次接线。

二次系统中，测量功能包括显示、打印、记录电压、电流、功率及电度等运行量。

信号功能指的是用文字、声音和灯光等显示接线及设备的状态：

正常、异常或事故。

控制指的是对断路器实施跳闸和合闸操作，可以由运行人员手动也可以自动。

检查一次接线是否发生事故，当其发生事故时，自动实施切除事故相关部分的控制系统称为继电保护系统。

自动重合闸、备用电源自动投入、发电机自动同期并列装置属于自动合闸的控制装置。

电力系统的调节主要包括发电机组的有功——功率调节、无功——电压调节、有载调压变压器分接头的自动调节以及无功补偿、谐波补偿等补偿设备的自动调节。

在一次接线中，将通过同一电流的电路部分称为一条支路，每条支路以其主要元件命名，例如：

发电机支路、变压器支路、出线支路等。

电力系统的额定电压分为下列等级：

0.38kV；

3kV；

6kV；

10kV；

35kV；

110kV；

220kV；

330kV；

500kV；

750kV；

1150kV。

发电厂、变电站的主接线电压一般有三个电压等级，相对地称为高、中、低压。

厂用电电压一般为两级，低压为380/220V，高压为3kV、6kV或10kV。

发电厂电气部分设计的主要任务是完成发电、变电、配电系统的设计，保证电能安全可靠地送入电力系统，并力争节约投资，降低能耗。

本文主要针对较为普遍的中小型火力发电厂的电气部分设计作了阐述，重点是对其一次接线部分的设计。

1电气主接线设计

1.1概述

发电厂电气主接线是电力系统接线的主要组成部分，由各种电气元件如发电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、电缆、线路等按照一定的要求和顺序连接起来，并用国家统一规定的图形和文字符号表示的发、变、供电的电路图。

因为三相交流电气设备的每相结构一般是相同的，所以电气主接线图以单线图形式表示。

电气主接线表明了发电机、变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式以及可能的运行方式，对供电可靠性、运行灵活、检修方便以及经济合理等起着决定性的作用，从而完成发电、变电、输配电的任务。

它的设计直接关系着全厂电气设备的选择，配电装置的布置，继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。

1.2对电气主接线的基本要求

1.2.1根据系统和用户的基本要求，保证必要的供电可靠性和电能质量

供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，主接线首先应满足这个要求。

停电不仅是发电厂的损失，对国民经济各部门带来的损失将更严重，甚至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失，也会造成不良的政治影响。

在考虑主接线可靠性时，应全面地看待以下几个问题：

（1）主接线可靠性的客观衡量标准是运行实践，应重视国外长期运行的实践积累经验及其可靠性的定性分析。

（2）主接线的可靠性要包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中的可靠性的综合。

（3）可靠性并不是绝对的，同样的主接线对某些系统和用户来说是可靠的，而对另外一些系统和用户来说可能就不够可靠，因此，分析和估价主接线时，不能脱离系统和用户的具体条件，要根据系统和用户的具体要求，进行具体分析，以满足必要的供电可靠性。

（4）主接线的可靠性是发展的。

随着电力事业的不断发展，新型设备的投运，自动装置和先进技术的使用，主接线的可靠性会发生改变，过去被认为不可靠的主接线，现在不一定就不可靠。

（5）衡量主接线运行可靠性的评判标准是：

a.母线故障时或母线检修时，停电围的大小和停电时间的长短，能否保证供电。

b.断路器检修时，停运出线回路数的多少和停电时间的长短，能否保证供电。

c.发电厂、变电所全部停运的可能性。

1.2.2具有运行、维护的灵活性和方便性

电气主接线的灵活性要求有以下几个方面：

（1）调度灵活、操作简便，应能灵活地投入（或切除）某些机组、变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。

（2）检修安全：

应能方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。

（3）扩建方便：

应能容易地从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，一次和二次设备等所需改造最少。

1.2.3经济性

电气主接线应在满足供电可靠性、灵活性等技术要求的前提下，做到经济合理。

（1）投资省：

主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备的投资，要使控制、保护不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。

要能限制短路电流，以便于选择价廉电气设备或轻型电器，做到投资省。

（2）电能损失小：

合理地选择主变压器的种类、容量、台数，避免两次变压而增加电能的损失。

（3）占地面积小：

电气主接线选择时要为配电装置的布置创造条件，尽量使占地面积减少。

在可能和允许的条件下，应采取一次设计分期投资、投产，尽快发挥经济效益。

1.2.4电气主接线具有发展和扩建的可能性

随着我国建设事业的发展，已投产的发电厂和变电所，经过一段时间之后，往往需要扩建。

实践经验表明，火电厂的装机容量和出线回数都有发展可能。

所以在设计主接线时应适当留有发展余地，为将来的发展创造条件。

1.3电气主接线的设计原则

主接线除满足上述基本要求外，还应考虑下列情况：

1.3.1发电机容量和台数

发电厂装机容量标志着电厂的规模和在电力系统中的地位和作用。

发电厂容量的确定是与国民经济发展计划、电力负荷增长速度、系统规模和电网结构以及备用容量大小等因素有关。

为使生产管理以及运行检修方便，一个发电厂机组容量等级以不超过两种为宜，台数最好不要超过六台，同容量机组尽量选用同一型式。

1.3.2电压等级及接入系统方式

大中型发电厂的电压等级不宜多于三级，一般设置升高电压一级到两级，发电机电压一级。

如果与系统的连接只是输送本厂剩余功率，容量不大，可采用单线弱联系，在可靠性要求较高，且输送容量又大时，则采用双回路或环网等强联系方式，分别接于两段母线上。

1.3.3主变压器选择

（1）对于200MW及以上发电机组，一般与双绕组变压器组成单元接线，主变压器的容量和台数与发电机容量配套选用。

当有两种升高电压时，宜在两种升高电压之间装联络变压器，其容量按两种电压网络的交换功率选择。

（2）对于中、小型发电厂应按下列原则选择：

a.为节约投资及简化布置，主变压器应选用三相式。

b.为保证发电机电压，出线供电可靠，接在发电机电压母线上的主变压器，一般不少于两台。

在计算通过主变压器总容量时，至少应考虑五年负荷的发展需要，并要求：

在发电机电压母线上的负荷为最小时，影响剩余功率送入电力系统；

发电机电压母线上的最大一台发电机停运时，能满足发电机电压的最大负荷用电需要；

因系统经济运行而须限制本厂出力时，也应满足发电机电压的最大负荷用电。

c.在发电厂有两种升高电压的情况下，当机组容量为125MW及以下时，从经济上考虑，一般采用三绕组变压器，但每个绕组的通过功率应达到该变压器容量的15%以上。

三绕组变压器一般不超过两台。

d.在高、中压系统均为中性点直接接地系统的情况下，可考虑采用自耦变压器。

e.对潮流方向不固定的变压器经计算采用普遍变压器不能满足调压要求时，可采用有载调压变压器。

1.3.4断路器的设置

根据电气接线方式，每回线路均应设有相应数量的断路器，用以完成切合电路的任务。

但在有些情况下，断路器的设置也应适当简化，如：

对于大容量发电机的出口断路器，由于制造困难，造价高，一般可不装设；

在出线上装有电抗器的6~10kV配电装置中，向不同用户供电的两回线可共用一台断路器和一组电抗器，但每回线上应各装一组隔离开关；

在满足安全运行和继电保护要求的情况下，110kV及以下的终端变电所和分支变电所的高压侧，可采用熔断器或接地开关。

1.4电气主接线形式的分类

发电厂的电气主接线形式指的是发电厂采用的电压等级，各级电压的进、出线情况及其横向联络关系。

在进、出线确定之后，按其横向联络的形式分为两大类：

有横向联络形式和无横向联络形式。

1.4.1有横向联络的接线形式

按联络形式的不同，此种接线分为有母线接线和无母线的简易接线形式两种。

（1）有母线形式

此种接线设有一组或两组汇流母线，其作用是实现进、出线支路的并联，分别称为单母线接线和双母线接线。

发电厂和变电所的主接线的基本环节是电源（发电机或变压器）和引出线。

母线（又称汇流母线）是中间环节，它起着汇总和分配电能的作用。

由于多数情况下引出线数目要比电源数目多好几倍，故在二者之间采用母线连接既有利于电能交换，还可使接线简单明了和运行方便，也便于扩建。

有母线的接线形式布置清晰，是电力系统特别是大型发电厂、变电站，高、中电压等级普遍采用的接线方式。

a.单母线接线

只有一组母线的接线称为单母线接线，这种接线的特点是电源和供电线路都连在同一母线上。

为了便于投入和切除任何一条进出引线，在每条引线上都装有可以切除负荷电流和故障电流的断路器。

当需要检修断路器而又要保证其它线路正常供电时，则应使被检修的断路器和电源隔离。

为此，又在每个断路器的两侧装有隔离开关，它的作用只是保证检修断路器时，使其和电源隔离，而不能用来断开电路。

单母线接线的主要优点是：

接线简单清晰，采用设备少，投资省，操作方便，便于扩建和采用成套配电装置。

单母线接线一般只适用于一台发电机或一台变压器的以下三种情况：

16~10kV配电装置的出线回路数不超过5回；

235~63kV配电装置的出线回路数不超过3回；

3110~220kV配电装置的出线回路数不超过2回。

其主要缺点是：

不够灵活可靠，当母线和母线隔离开关发生故障和检修时，均需断开电源，造成整个发电厂、变电站停电。

b.单母线分段接线

单母线接线的缺点可以通过将母线分段的方法来克服。

由于单母线分段接线既保留了单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，又在一定程度上克服了它的缺点。

故这种接线目前仍被广泛应用。

单母线分段接线适用围：

16~10kV配电装置的出线回路数为6回及以上时；

235~63kV配电装置的出线回路数为4~8回时；

3110~220kV配电装置的出线回路数为3~4回时；

但是单母线分段接线也有较显著的缺点，这就是当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时，各段母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电，显然对于大容量发电厂和枢纽变电所来说，这都是不能容许的。

c.双母线接线

双母线接线是针对单母线接线分段接线的缺点而提出来的。

这种接线有两组母线，两组母线之间用母线联络断路器连接起来，每一个回路都通过一只断路器和两只隔离开关接到两组母线上，当母联断路器断开时，一组母线带电，另一组母线不带电。

带电的称为工作母线，不带电的称为备用母线，正常运行时，接至母线上的隔离开关接通，接到备用母线上的隔离开关断开。

采用双母线接线具有以下特点：

1正常计划检修时，不会中断对用户的供电。

2当修理任一回路的母线隔离开关时，只需断开该回路。

3工作母线故障时，可将全部回路转移到备用母线上，从而使用户迅速恢复供电。

4可用母联断路器代替任意回路需要检修的断路器，在这种情况下，只需短时停电。

5在个别回路中需要单独进行试验时，可将该回路分出来，并单独接至备用母线上。

双母线接线的最重要操作是切换母线，在切换母线时，为了避免发生事故，必须遵循一定的操作程序。

接通电路时，先合隔离开关，后合断路器。

断开电路时，先断开断路器，后断开隔离开关。

在任何情况下，都不允许带负荷拉开隔离开关。

双母线接线的主要优点是可以在不影响供电的情况下，对母线系统进行检修。

但是双母线接线仍存在下列缺点：

1接线较复杂。

在检修母线隔离开关和线路断路器时，需要用隔离开关进行复杂的操作；

2当工作母线故障时，在切换母线的过程中仍要短时停电。

检修线路断路器时，尽管可以用母联来代替，但在装接跨线期间，仍需短时停电。

这种停电对重要用户仍是不允许的。

为了消除上述的缺点，可以采取下列措施：

1为了避免工作母线故障时，造成全部停电，可以采用双母线同时运行的方式，这是可以把电源和负荷合理分配在两组母线上，通过母联，使两组母线并联运行。

这样既提高了供电可靠性，在必要时又可以空出一组母线进行检修。

2采用双母线分段接线。

当任一段母线故障或检修时，仍可保持双母线并联运行。

3为了避免在检修线路断路器时造成短时停电，可采用双母线带旁路母线的接线。

4采用双母线三分段（或四分段）带旁路母线接线。

5采用一台半断路器接线。

（2）简易接线形式

此种接线不用汇流母线，它包括多角形接线和桥形接线。

a.桥形接线：

两个变压器—线路单元接线相连，便构成桥形接线。

桥形接线分为桥接线和外桥接线两种。

桥形接线的优点是高压断路器数量少，四个回路只需要三台断路器。

桥形接线的可靠性不是很高，有时也需要用隔离开关作为操作电器，但由于使用电器少，布置简单，造价低，目前在35~220kV的发电厂和变电所中也被广泛应用。

此外，只要在配电装置的布置上采用适当措施，这种接线有可能发展成单母线或双母线，因此，可利用作电力装置初期的一种过渡接线。

b.多角形接线：

将各断路器互相连接构成闭合的环形，因而得环形接线，又称为多角形接线。

多角形接线按角的多少又分为三角形接线、四角形接线和五角形接线。

这种接线所用断路器数目等于回路数，比相同回路的单母线分段或双母线分段接线，还可少用一台断路器。

但是，每个回路却都经两个断路器连接，因而在一定程度上，具有双断路器类型接线的优点。

与单台断路器的双母线接线相比较，多角形接线运行的可靠性与灵活性较高，也较经济。

多角形接线的缺点是：

1任一台断路器检修时都要开环运行；

2每一进出线回路都连接着两台断路器，每一台断路器又连接着两个回路，这给电器选择带来困难，并使继电保护的整定复杂化。

3扩建不方便。

多角形接线适用于进出线最终为3~5回的110kV及以上配电装置。

对于最终规模不够明确的发电厂、变电所不宜采用本接线形式。

1.4.2无横向联络的接线形式

当不用发电机电压对周围供电时，发电机不在机端并联运行（即在低压无横向联络），这时将发电机和变压器之间直接串联并不设断路器，组成发电机—变压器组，再经高压断路器接至高压母线，称为发电机—变压器单元接线，此种接线普遍用于大、中型发电厂不带近区负荷的机组。

当高压（或低压）无横向联络时形成变压器—线路单元接线，当出现低压或高压均无横向联络，线路很短时，则形成发电机—变压器—线路单元接线。

在系统备用能力足够的情况下，可采用两台发电机组共用一台变压器的扩大单元接线形式，使用扩大单元接线可以减少变压器台数和高压断路器数目，因此可以节约投资和减少占地面积。

1.5典型电气主接线设计

火力发电厂可分为两大类：

地方性电厂和区域性电厂。

地方性电厂的特点是厂址位于负荷中心，容量较小，生产的电能大部分都用6~35kV电压馈送给近区负荷，将剩余的电能经升压送入110kV电网。

当厂机组检修时，还可通过主变压器由系统倒送功率供给地方负荷。

根据这些特点，地方性电厂均设有发电机电压母线，母线接线形式由机组容量大小和负荷性质来选择。

一般采用单母线分段或双母线单断路器接线。

当发电机母线短路电流较大时，还要考虑限制短路电流的措施。

在母线分段之间电缆馈线上加装电抗器，以便出线回路能选用轻型断路器。

在升高电压侧，则根据电厂与系统交换功率的大小、用户重要性、电压等级、回路数多少等因素来确定接线形式，可采用单母线分段、双母线、桥形、角形接线等。

下图2为一地方性发电厂的主接线图，该电厂有4台25MW机组和1台50MW的机组，110kV出线有四回，35kV出线四回，10kV机端负荷有20回。

该电厂近区负荷比较大，因此生产的电能大部分通过10kV馈线供给发电厂附近用户。

规程规定，当容量为25MW及以上时，应采用双母线接线，考虑到10kV出线回路很多，因此发电机母线增设分段断路器，即实际形成三段结构，可以保证对重要负荷供电可靠性和运行灵活性的要求。

接在发电机电压母线上的发电机台数和容量，应保证满足其全部机端负荷的供电需要（并考虑远期发展），根据机端负荷情况，发电机G1，G2和G3，G4分别接入一、二段工作母线上，以满足地区负荷和重要用户供电的可靠性要求。

为使出线能选用轻型断路器，在母线分段处和出线上，加装电抗器以限制短路电流。

升高电

图2地区性热电厂典型电气主接线图

压有两种电压等级（35kV和110kV），故采用三绕组变压器T1和T2，把10kV、35kV以及110kV三种电压的母线相互连接起来，以提高供电的可靠性和灵活性。

在正常运行时，发电机除供电给附近地方用户外，并通过两台三绕组变压器T1、T2向35kV中距离负荷供电，然后将剩余功率通过G5送入110kV电网。

110kV侧采用双母线接线，正常运行时，双母线可按固定连接方式并联运行。

35kV侧采用单母线分段接线。

35kV负荷为一级负荷，故变压器台数选为两台。

10kV最小负荷为38MW，正常运行时，发电机最大出力为100MW，厂用电负荷为8MW，故经变压器送出的最大功率为

100－（38＋8）=54（MW）

发电机功率因数cosφ=0.8，因此通过变压器的容量为

S=54/0.8=67.5（MVA）

若最大一台机组（50MW）检修，其余一台50MW的发电机，则不能满足10kV最大负荷（58MW）的用电。

此时厂用电负荷为4MW，故缺额为

50－（58＋4）=－12（MW）

此缺额需由系统变压器倒送。

按上述计算，对变压器作如下选择：

2×

（40MVA）三绕组变压器

中压侧负荷最大值为：

28/0.85=33（MW），故选择绕组容量比为100%/100%/50%。

当一台变压器突然故障切除时，在最大开机且10kV母线负荷最小情况下，另一台变压器过负荷倍数为：

67.5/40=1.68。

允许过载时间接近2小时，可在此时间处理事故，调整发电功率。

一台变压器运行时，在母线日负荷低谷时段，变压器过载15%，可传输容量与最大传输容量的比值为：

40×

（1＋15%）/67.5=68%，即可满足Ⅰ类负荷和大部分Ⅱ类负荷的要求。

由于两机剩余功率已能满足35kV负荷要求，故远期2×

50MW机组直接接入110kV。

2厂用电设计

2.1厂用负荷的分类

发电厂在电力生产过程中，有大量以电动机拖动的机械设备，用以保证主要设备和辅助设备的正常运行。

这些电动机以及全厂的运行操作、试验、修配、照明、电焊等用电设备的总用电量，统称为厂用电或自用电。

厂用电的电量，大部分由发电厂本身供给，且为重要负荷之一。

其耗电量与电厂类型、机械化程度和自动化程度、燃料种类及其燃烧方式、蒸气参数等因素有关。

厂用电负荷，根据其用电设备在生产中的作用和突然供电中断时造成危害的程度，按其重要性可分为四类：

（1）Ⅰ类厂用负荷

凡短时停电（包括手动操作恢复供电）会造成设备损坏、危及人身安全、主机停运及大量影响出力的厂用负荷，都属于Ⅰ类厂用负荷。

如火电厂的给水泵、凝结水泵、循环水泵、引风机、送风机、给粉机等，以及水电厂的调速器、压油泵、润滑油泵等。

通常，它们都设有两套设备互为备用，分别接于两个独立电源的母线上，当一个电源失去后，另一个电源就立即自动投入。

（2）Ⅱ类厂用负荷

允许短时停电（几秒至几分钟），恢复供电后，不致造成生产紊乱的厂用负荷，属于Ⅱ类厂用负荷，如火电厂的工业水泵、疏水泵、灰浆泵、输煤机械和化学水处理设备等，以及水电厂中绝大部分厂用电动机负荷，一般它们应由两段母线供电，并采用手动切换。

（3）Ⅲ类厂用负荷

较长时间停电不会直接影响生产仅造成生产上不方便者，都属于Ⅲ类厂用负荷，如中央修配厂、试验室、油处理室等负荷，通常由一个电源供电。

（4）事故保安负荷

在200MW及以上机组的大容量发电厂中，自动化程度较高，要求在事故停机过程中以及停机后的一段时间，仍必须保证供电，否则，可能引起主要设备损坏、重要的自动控制失灵或危及人身安全的负荷称为事故保安负荷。

按对电源的要求不同又可分为：

直流保安负荷，如发电机组的直流润滑油泵；

交流不停电保安负荷，如实时控制用电子计算机；

允许短时停电的交流保安负荷，如盘车电动机等。

为满足保安负荷的基本要求，对大容量机组应采用事故保安电源。

通常事故保安负荷是由蓄电池组，柴油发电机组，燃气轮机组或具有可靠的外部独立电源进行供电。

随着电厂类型的不同，厂用电的重要程度也有较大差异。

此外，厂用电的重要性也与各厂采用的技术条件有关。

在火电厂中一般都设有两台以上厂用高压变压器（或电抗器）和厂用低压变压器，以满足厂用负荷专用电的需要。

一般把厂用变压器以下所有的厂用负荷供电网络，统称为厂用电系统。

2.2厂用电设