发电厂电气部分规范设计

摘  要：

提高能源转换效率进行“绿色”发电是火力发电厂发展的必然趋势，因此，大中型及超超临界火力发电机组凭借更高的能量转换效率正逐渐替代资源损耗大的小型电厂。现针对2×200 MW+2×300 MW火力发电厂电气部分开展可靠性设计及规范设计，通过计算短路电流合理选择及校验一次设备及母线导体，达到低碳、可靠的目的，这不仅满足了我国绿色发展的需要，同时也符合我国能源发展战略实施的需求。

0  引言

改革开放以来，我国电力工业迅猛发展，火电的发电量随着装机容量的攀升而迅速提高。2020年，我国全年发电总量为74 170.4亿kW·h，较2019年全年发电量增长了2.7%；2020年我国全年火力发电总量为52 798.7亿kW·h，占2020年全年发电总量的71.19%，较2019年全年火力发电总量增长了1.2%[1-2]。近年来，我国600 MW、1 000 MW大容量机组相继投产，500 kV、750 kV超高压输电网络逐渐扩大，标志着我国电力工业已经进入一个新的发展阶段[3-4]，这就对发电厂的电气设计提出了更高的要求。火力发电厂的规划和设计要响应国家相关政策的号召，积极稳妥地应用通过可靠性论证的先进技术及新设备，努力提高自动化运维水平，做到经济技术合理，运行安全可靠。

某厂装机容量为2×200 MW+2×300 MW=1 000 MW，以220 kV电压等级向较远4大高用电等级用户供电，输出4回线路以500 kV高电压等级向系统供电，220 kV电压等级最大综合负荷为360 MW，系统联络如图1所示。

1  电气主接线设计

根据发电厂电压等级及该电厂在电网的重要性选型相应的电气主接线架构，电气主接线要兼顾可靠性和灵活性需求，同时也要实现降低运行和维修成本。该厂承担着重要负荷，断电会造成国民经济的重大损失[5-6]。220 kV侧有4回出线，主接线架构可以选用双母线接线，并增设旁路母线及旁路母线维修断路器，实现发电机不断电检修母线。本厂以4回500 kV线路和系统相连，对于500 kV配电装置，其必须保证系统的安全可靠稳定运行。虽然本厂在电力系统中居重要地位，但其500 kV侧出线只有4回，因此500 kV侧电气主接线架构为具有高可靠性的一台半断路器接线，便于扩建，没有像双母线带旁路母线接线那样，在检修时有着烦琐的倒闸操作。本厂电气主接线如图2所示。

2  厂用电接线设计

本厂有2台200 MW及2台300 MW共4台发电机组。高压厂用工作电压设定为6 kV，根据炉、机、电的对应性要求，高压厂用工作电源从发电机电压回路引接，即从主变的低压侧引接，同时每一台机组单独设置一个二分段的单母线，满足“按炉分段”的原则。每两台机组设置一台启动/备用电源，其中2台200 MW机组共用一台启动/备用电源，从与系统联系密切且供电可靠的200 kV母线引接。2台300 MW机组容量较大，共用一台启动/备用电源，其启动/备用电源需要具有更高的供电可靠性，设计从联络变压器低压绕组引接，220 kV母线和500 kV母线任何一段母线都可为300 MW机组的启动/备用电源供电。

3  变压器的选择

3.1主变压器的选择

发电机与相应变压器采用单元接线方式连接，发电机与变压器为一一对应关系。本厂共有4台发变机组，因此需要4台双绕组主变。周边有铁路经过，因此可以不受运输条件的限制而选用三相变压器。本厂中主变出力较大，且主副边电压须维持在一定水平上，因此选用有载调压方式的主变，冷却方式为强迫油循环风冷，其容量按发电机额定容量减去厂内负荷后留有10%的裕度。

200 MW机组选用240 MVA的主变，300 MW机组选用360 MVA的主变，容量满足要求。故200 MW机组主变选择SFP7-240000/220，300 MW机组主变选择SFP-360000/500。

3.2高厂变及启备变的选择

本厂厂用电电压等级为6 kV，每一台机组单独设置一个二分段母线，高压厂用变压器可选用全容量的分列式绕组变压器，两个分列绕组分别为两段母线供电。高厂变容量可按厂用电机械从电源获得足够的功率进行选择，启备变的容量不小于最大一台高厂变的容量。因此，200 MW机组高厂变选择SFF-31500/15.75，300 MW机组高厂变选择SFPF7-40000/18；启备变选择SFPF3-31500/220、SFPFZ7-40000/35。

3.3联络变的选择

本厂选用自耦变压器作为连接200 kV与500 kV两种电压等级的联络变压器，并在其低压绕组接启动/备用变压器。联络变压器的容量应大于连接在两种电压母线上容量最大的机组。本厂中最大一台机组容量为300 MW，故选择容量为360 MVA的联络变压器。联络变选择OSFPSZ-360000/500。

4  短路电流的计算

本设计采用运算曲线法进行工程实用计算[7-8]。本系统的等值电路图如图3所示，选取了d1（220 kV母线）、d2（500 kV母线）、d3（200 MW发电机出口）、d4（300 MW发电机出口）、d5～d8（6 kV高压厂用母线）共八个短路点进行短路电流计算。短路电流计算结果如表1所示。

5  导体及电气设备的选择

5.1断路器的选择

以220 kV侧断路器为例进行选择。220 kV侧双绕组变压器回路最大持续工作电流为：

断路器的选择条件：断路器额定电压UN≥220 kV；断路器额定电流IN≥Igmax=648.36 A；额定开断电流INbr≥I″=9.003 1 kA；额定短路关合电流iNc1≥ich=23.588 1 kA。

初步选择LW6-220型SF6断路器，对断路器进行热稳定及动稳定校验。短路电流的热效应为：

满足热稳定要求。

满足动稳定要求。

断路器的选择结果如表2所示。

5.2隔离开关的选择

隔离开关与断路器的选择方式相同，选择结果如表3所示。

5.3载流导体的选择

导体以220 kV进线为例进行选择。每条进线的最大输送功率按200 MW机组进行计算，最大持续工作电流为：

按经济电流密度选择导体截面积。查图可知钢芯铝绞线的经济电流密度J=0.94 A/mm2，则导体的经济截面为：

故选择型号为LGJ-800/55的钢芯铝绞线，其长期允许载流量Ia1=885 A，计算截面为870.60 mm2＞300 mm2，故无须进行电晕电压校验。选择的是软导线，故也无须进行动稳定校验。

满足要求，式中的K为综合校正系数，取0.88。

短路电流热效应：

则正常运行时导体的温度为（取环境温度 ℃）：

查表可得，热稳定系数C=95，则满足短路时发热的最小导体截面积为：

因此所选导体LGJ-800/55型钢芯铝绞线满足热稳定要求。

导体的选择结果如表4所示。

6  220 kV配电装置及防雷保护设计

6.1220 kV配电装置设计

结合本厂情况，220 kV侧采用双母线带旁路母线接线方式，由高压配电装置的特点和应用范围可得，220 kV配电装置采用屋外分相中型配电装置。母线采用管母线，隔离开关选用GW6型单柱式隔离开关，这样可以进一步压缩间隔宽度。配电装置断面图如图4、图5所示，标注单位为毫米。

本厂220 kV侧有4回出线，占据4个间隔。#1主变进线、#2主变进线、启备变进线及联络变进线共4回进线，占据4个间隔。母联、主母线与旁路母线连接线、母线电压互感器和避雷器占据3个间隔。因此，220 kV高压配电装置共有11个间隔。考虑到电气安全净距，每个电气间隔取13 m。

6.2220 kV配电装置防雷保护设计

220 kV电压等级侵入波保护选用Y10W1-200/496氧化锌无间隙避雷器。220 kV侧共有两只构架，构架高度为14.5 m，构架长143 m，构架间距为44.5 m。选用8只高度为30 m的避雷针装设在构架上，布置位置如图6所示。通过计算，保护最低点高度均高于所保护设备的高度，220 kV配电装置都在保护范围之内。

7  300 MW发电机变压器组继电保护设计

继电保护应满足四性要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。继电保护装置要能可靠反映各种故障和异常运行状态。300 MW发电机变压器组的保护装置配置如表5～7所示。

8  结语

本设计在设计过程中遵守国家政策和相关设计规程，始终把可靠性放在首位，满足功能与性能要求，同时降低运行和维修成本，运行安全可靠，具有一定参考价值。

本设计中所选用的电气主接线供电可靠、调度灵活、检修方便，并为以后扩建及安装大容量机组奠定了基础。所选主变、高厂变、启备变及联络变经济技术合理。通过对短路电流进行计算，选择了符合要求的导体及电气设备，从而使电气主接线及配电装置达到安全经济的目的。防雷保护采用8只避雷针对220 kV配电装置进行防雷。300 MW发电机变压器组保护分为短路保护、发电机接地保护、异常运行保护等三部分进行配置，满足大容量机组对保护选择性、灵敏性及可靠性的要求。

　　审核编辑：汤梓红