文獻綜述某4*300MW火力發(fā)電廠電氣初步設計一、發(fā)電廠電氣設計的背景和意義我國電力工業(yè)的發(fā)展概況：我國自1882年以來至1949年底，經(jīng)過67年發(fā)展裝機容量只達到185萬千瓦，年發(fā)電量43億千萬時，分別居世界第21位和25位。新中國成立以后，電力工業(yè)的發(fā)展可以分為1950-1978年以后的兩個階段。在1950-1978年期間，新中國的建立為電力工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。1978年后，中國開始實行改革開放政策，電力工業(yè)更是以前所未有的速度向前發(fā)展。目前，比較完備的電力工業(yè)體系已經(jīng)初步建立，，技術(shù)裝備水平正在逐步提高。2003年全國總裝機容量達到38450萬千瓦，年發(fā)電量19080億千瓦，從1996年其起，我國發(fā)電機裝機容量和年發(fā)電量均居世界第二位，2004年全國總裝機容量達到44700萬千瓦，2004年電力彈性系數(shù)達到1.6。目前我國最大的火力發(fā)電廠是北侖港電廠，裝機容量300萬千瓦，單機容量60萬千瓦。我國的電力工業(yè)已經(jīng)進入大機組、大電廠、大電網(wǎng)、超高壓、超度自動化的發(fā)展的時期和向跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)、推進全國聯(lián)網(wǎng)的新階段。[1]我國有豐富的煤炭資源，儲量7241億噸。在我國電源結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)在火電設備容量占總裝機容量的75%以上，在相當長的時期內(nèi)，火電建設仍然是主要的。我國火電建設的重點是：積極采用高參數(shù)、大容量、高效率、高調(diào)節(jié)性。節(jié)水型，以裝機容量600MW以上為主的設備；大力開發(fā)清潔煤燃燒技術(shù)，以減輕對環(huán)境的壓力；鼓勵熱電聯(lián)產(chǎn)和熱、電、冷技術(shù)的推廣，以提高能源綜合利用率；積極支持和化大力氣建設礦口電廠，建設煤炭基地的電站群，發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟效益。[1]目前我國的電力網(wǎng)還不夠完善。正如在文獻[2]中研究的，我國的電網(wǎng)正在向智能型的多目標方向發(fā)展，也有許多新型的電網(wǎng)公司被建立。對于控制技術(shù)，文獻[3]談到的我國發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的綜合自動化時，其中涉及的有傳統(tǒng)地分布式控制技術(shù)，還有新型的以微型計算機為基礎(chǔ)的控制技術(shù)?；鹆Πl(fā)電廠電氣部分設計是發(fā)電廠的重要組成部分，合理的電氣設計既能安全運行，又能有效地節(jié)省資源，使得發(fā)出的電能有效的輸送給最終用戶。二．發(fā)電廠電氣設計的主要內(nèi)容發(fā)電廠是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響整個電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟。發(fā)電廠的作用是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化成電能。按能量轉(zhuǎn)化形式大體分為火力發(fā)電廠,水力發(fā)電廠,核能發(fā)電廠,風力發(fā)電場?？紤]發(fā)電廠中的地位和作用，電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠有大型主力發(fā)電廠，中小型地區(qū)發(fā)電廠及企業(yè)自備發(fā)電廠三種類型。無論是那種形式的電發(fā)廠它們的電氣部分設計的主要內(nèi)容及基本思想都是相通的。[4]1．主接線的設計電氣主接線是發(fā)電廠中的一次設備按照設計要求連接起來，表示生產(chǎn)、匯聚和分配電能的電路。主接線是構(gòu)成電力系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，主接線的擬定正確與否對電氣設備的選擇、配電裝置布置、運行可靠性和經(jīng)濟性等都有重大影響。[5]電氣主接線的設計原則是：應根據(jù)發(fā)電廠在電力系統(tǒng)的地位和作用，首先應滿足電力系統(tǒng)的可靠運行和經(jīng)濟調(diào)度的要求。根據(jù)規(guī)劃容量、本期建設規(guī)模、輸送電壓等級、進出線回路數(shù)、供電負荷的重要性、保證供需平衡、電力系統(tǒng)線路容量、電氣設備性能和周圍環(huán)境及自動化規(guī)劃與要求等條件確定。應滿足可靠性、靈活性和經(jīng)濟性的要求。由于我國工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，電力負荷增加很快。因此，在選擇主接線時還要考慮到具有擴建的可能性。電氣主接線設計的一般步驟：a.原始資料分析。根據(jù)下達的設計任務書的要求，在分析原始資料的基礎(chǔ)上，各電壓等級擬訂可采用的數(shù)個主接線方案。b.對擬訂的各方案進行技術(shù)、經(jīng)濟比較，選擇最好的方案。各主接線方案都應該滿足系統(tǒng)和用戶對供電可靠性的要求，最后確定和種方案，要通過經(jīng)濟比較，選用年運行費用最小的作為最終方案，當然，還要兼顧到今后的擴容和發(fā)展。c.繪制電氣主接線圖。按工程要求，繪制工程圖，圖中采用新國標圖形符號和文字代號，并將所有設備的型號、主要參數(shù)、母線及電纜截面等標注在圖上。[6]電氣主接線的基本要求：（1）可靠性：電氣可靠性的要求與其在電力系統(tǒng)中的地位和作用有關(guān)，由其容量、電壓等級、負荷大小和類別等因素決定。評價電氣主接線可靠性的標志是：斷路器檢修時，不宜影響對系統(tǒng)的供電；線路或母線發(fā)生故障時應盡量減少線路的停運回路數(shù)和主變的停運臺數(shù)，盡量保證對重要用戶的供電；盡量避免變電站全部停運的可能性。（2）靈活性：應滿足調(diào)度、檢修的靈活性，能靈活地投入或切除機組、變壓器或線路，靈活地調(diào)配電源和負荷，滿足系統(tǒng)在正常、事故、檢修及特殊運行方式下的要求；在擴建時應能很方便的從初期建設到最終接線。（3）經(jīng)濟性：主接線系統(tǒng)還應保證運行操作的方便以及在保證滿足技術(shù)條件的要求下，做到經(jīng)濟合理，盡量減少占地面積，節(jié)省投資。[7]主接線基本接線形式及適用范圍:(1)單母線接線,優(yōu)點：接線簡單清晰，設備用量少，操作方便、便于擴建和采用成套配電裝置。缺點：供電可靠性差，運行不夠靈活，當母線及母線隔離開關(guān)等設備故障或檢修時，均需將整個配電裝置停電，影響供電。適用范圍：10KV出線一般不超過5回，35KV出線不超過5回，110~220KV出線不超過2回。(2)單母線分段接線優(yōu)點：該接線方式由雙電源供電，故供電可靠性較高，同時具有接線簡單、操作方便、投資少等。當一段母線發(fā)生故障時，分段斷路器將故障切除，保證正常段母線不間斷地供電。缺點：當一段母線或母線隔離開關(guān)故障或檢修時，該段母線的回路都要在檢修期間內(nèi)停電。適用范圍：適用于變電所內(nèi)安裝2臺主變壓器，10KV出線不宜超過6回，35KV出線不宜超過8回，110~220KV出線不宜超過4回。(3)雙母線接線優(yōu)點：供電可靠，通過兩組母線隔離開關(guān)的倒閘操作，可以輪流檢修一組母線而不致使供電中斷，一組母線故障后，能迅速恢復供電；檢修任一回路的母線隔離開關(guān)，只停該回路。調(diào)度靈活，當雙母線的兩組母線同時工作時，通過母線聯(lián)絡斷路器并聯(lián)運行，電源與負荷平均分配在兩組母線上。當母聯(lián)斷路器斷開后，變電所負荷可同時接在主母線或副母線上運行。缺點：增加一組母線時每回路就需要增加一組母線隔離開關(guān)。當母線故障或檢修時，隔離開關(guān)作為倒換操作電器，容易誤操作。為了避免隔離開關(guān)誤操作，需在隔離開關(guān)和斷路器之間裝設聯(lián)鎖裝置。適用范圍：適用于出現(xiàn)回路較多，供電可靠性要求較高的變電所。一般35KV出線回路為8回，110-220KV出線為4回。[6]2.主變壓器的選擇在發(fā)電廠和變電站中,用來向電力系統(tǒng)或用戶輸送功率的變壓器,稱為主變壓器;用于兩種電壓等級之間交換功率的變壓器,稱為聯(lián)絡變壓器;只供廠(站)用電的變壓器,稱為(站)用變壓器或自用變壓器。主變壓器在電廠和變電站中非常重要,而主變壓器的選擇尤為關(guān)鍵。[8]主變壓器是發(fā)電廠電氣部分中的主要電氣設備,主要作用是變換電壓,以利于功率的傳輸,對供電的安全可靠性有著重大影響,合理選擇主變壓器容量與臺數(shù)可減少停電故障和限電概率,并能提高電網(wǎng)運行的可靠性和經(jīng)濟性。[9]主變壓器容量選擇原則:a.按電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃選擇主要變壓器容量。主變壓器容量一般按變電所建成后5~10年的發(fā)展規(guī)劃負荷選擇，并適當考慮到遠期10~20年的負荷發(fā)展。對于城市郊區(qū)變電所，選擇的主變壓器容量應與城市發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合。b.按電壓等級選擇主變壓器容量。變電所主變壓器容量選擇的一般原則為電壓等級高，變電所密度低，主變壓的容量就要選擇大些。電壓等級低、變電所密度高，一般變壓器的容量可選擇小些。c.根據(jù)變電所所帶負荷的性質(zhì)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來選擇主變壓器的容量。對于有重要負荷的變電所，應考慮當一臺主變壓器停運時，其余變壓器容量在計及過負荷能力時，在允許時間內(nèi)應保證用戶的一級和二級負荷；對于一般性變電所，當一臺主變壓器停運時，其余變壓器容量應能保證全部負荷的70%~80%。d.同級電壓的單臺變壓器容量的級別。同級電壓的單臺變壓器容量的級別不宜太多，應從全網(wǎng)出發(fā)，推行主變壓器容量的系統(tǒng)化、標準化。在一個地區(qū)的電網(wǎng)中，同一級電壓的主變壓器單臺容量不宜超過三種。一般在同一變電所中同一級電壓的主變壓器宜采用相同容量規(guī)格。否則將會給變電所的運行管理和檢修帶來麻煩。[6]主變壓器臺數(shù)選擇原則：（1）安全運行。主變臺數(shù)過多將導致接線復雜、投資成本高、占地面積大等問題。主變壓器臺數(shù)的下限應滿足(n-1)安全準則,主變壓器在正常運行時的負荷率為:k=(n-1)St/(nSt)(6)式中,St為單臺主變壓器容量;n為主變壓器的實際安裝臺數(shù)。假設有2臺主變壓器,要滿足(n-1)安全準則,并考慮主變壓器具備1.3倍的過負荷能力,則每臺變壓器運行時僅能帶50%～65%的負荷(備用容量為100%);當為3臺主變壓器時,則每臺可帶67%～87%的負荷(備用容量為50%);當為4臺主變壓器時,每臺可帶75.0%～97.5%的負荷,備用容量至33%,變壓器在較合理的經(jīng)濟運行范圍內(nèi)。因此,城市電網(wǎng)變電站主變壓器臺數(shù)一般選擇3～4臺較為合適。(2)容載比和供電靈活性。過大或過小的電網(wǎng)容載比均將使電網(wǎng)缺乏靈活性;過大將導致投資增加,反之將造成電網(wǎng)魯棒性變差、調(diào)度不靈活。從電網(wǎng)運行靈活性來看,2臺主變壓器將導致每臺各帶50%的負荷,否則無抗故障能力,電網(wǎng)靈活性差;而3～4臺主變壓器無論檢修或故障均可靈活適應,極大減少倒閘操作,降低停電概率。(3)投資成本。在滿足相同負荷需求前提下,規(guī)劃3～4臺主變壓器投資成本差異小,而一個變電站擁有3～4臺主變壓器相比2臺更節(jié)約占地面積,將極大節(jié)省城市電網(wǎng)建設開支。另外,在使用大容量變壓器后,較為集中的主變壓器安置也使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰,便于集中控制,可實現(xiàn)高質(zhì)量電能供給。[9]而在選擇變壓器的時候還要考慮到的是選擇三相變壓器，還是選擇選擇單相變壓器組，如文獻[]得出的結(jié)論是：三相變壓器在經(jīng)濟上、技術(shù)上有優(yōu)越性。[10]3.短路電流電力系統(tǒng)在運行中，由于多種原因，難免出現(xiàn)故障，而使系統(tǒng)的正常運行遭到破壞。各種短路故障是破壞電力系統(tǒng)正常運行最為常見而且危害最大的原因。1)短路的種類在三相系統(tǒng)中，短路的基本類型有：三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相短路和單相接地短路等。三相短路時，三相短路回路中的阻抗相等，三相電壓和電流仍然保持對稱，屬于對稱短路。其他形式的短路，由于短路回路三相阻抗不相等，三相電壓和電流均不對稱，屬于不對稱短路。除了上述短路外，對變壓器和電動機等電氣設備還可能發(fā)生一相繞組的匝間及層間短路。一切不對稱短路在采用對稱分量法后，都可以歸納為對稱短路的計算。2)短路的原因造成短路的原因很多，主要有以下幾個方面：（1）絕緣損壞。電氣設備年久陳舊，絕緣自然老化；絕緣瓷瓶表面污穢，使絕緣下降；絕緣受到機械性損傷；供電系統(tǒng)受到雷電的侵襲或者在切換電路時產(chǎn)生過電壓，將電氣裝置絕緣薄弱處擊穿，都會造成短路。（2）誤操作。例如，帶負荷拉切隔離開關(guān)，形成強大的電弧，造成弧光短路；或?qū)⒌蛪涸O備誤碼接入高壓電網(wǎng)，造成短路。（3）鳥獸危害。鳥獸跨越不等電位的裸露導體時，造成短路。（4）惡劣所氣候。雷擊造成的閃絡放電或避雷器動作，架空線路由于大風或?qū)Ь€覆冰引起電桿傾倒等。（5）其他意外事故。挖掘溝渠損傷電纜，起重機臂碰觸架空導線，車輛撞擊電桿等。[11]3)短路電流的計算方法其中一種常用的方法是標么值計算方法。標么值法經(jīng)常會用在高壓供電系統(tǒng)中，來進行短路電流的計算。標么值法又叫相對值法，就是說，某一個變量的相對值是該變量的實際值與另外選定的基準值的比值?；鶞手狄话阌?個，包括基準容量(常取100MVA)，基準電壓Ub=10.5UN基準電流Ib=Sb/Ub，基準電抗Xb=UbIb=Ub2/Sb下面是具體的計算步驟：①由供電系統(tǒng)圖得出等效的電路圖，在圖上標明元件參數(shù)。②選定基準值，包括基準容量和基準電壓，按公式求取基準電流和基準電抗。③計算系統(tǒng)中各個元件電抗的標么值。④計算電源至短路點的總阻抗X*。⑤按照I*=1/X*計算短路電流的標么值，如果是無限大電源容量系統(tǒng)，那么短路電流周期分量將會保持不變，即I″*=I*0.2=I*∞。⑥計算短路電流、短路沖擊電流和短路容量。[12]在電力系統(tǒng)中基本是采用標幺值計算短路電流的，因為它有著明顯的優(yōu)勢，這在文獻[13]中被討論。4.變壓器保護(1)瓦斯保護瓦斯保護的基本工作原理:反映故障時氣體數(shù)量和油流速度的保護稱為瓦斯保護。當變壓器內(nèi)部故障時，故障點局部高溫使變壓器油溫升高，體積膨脹，油內(nèi)空氣被排出而形成上升氣體。若故障點產(chǎn)生電弧，則變壓器油和絕緣材料將分解出大量氣體，這些氣體自油箱流向儲油柜。故障程度越嚴重，產(chǎn)生氣體越多，流向儲油柜的油流速度越快。由于氣體數(shù)量和油流速度能直接反映變壓器故障性質(zhì)和嚴重程度，股產(chǎn)生少量氣體和氣流速度較小時，輕瓦斯動作于信號；故障嚴重，油流速度高時，重瓦斯保護瞬時作用于跳閘。(2)差動保護差動保護的基本原理:變壓器差動保護是按循環(huán)電流原理構(gòu)成的，它能正確區(qū)分變壓器內(nèi)、外故障，并能瞬時切除保護區(qū)內(nèi)的故障。變壓器兩側(cè)分別裝設電流互感器TA1和TA2，其二次線圈按環(huán)流原則相串聯(lián)，差動繼電正常運行或外部故障時，變壓器兩側(cè)都有電流通過，兩個電流互感器的變比若選擇適當時，二次電流I12和I22的大小相等，方向相同，而在差動回路中I12和I22的方向相反，因而差動繼電器KD中的電流等于兩側(cè)電流互感器二次電流之差，電流為零，所以正常運行或外部故障時繼電器不會動作。當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，兩側(cè)電流互感器的二次電流Id12和Id22在差動回路中方向相同，差動繼電器流過的電流為兩電流之和，使差動繼電器動作。[14]不光是變壓器保護，發(fā)電廠還有還有很多設備需要進行電氣保護，從實際出發(fā)，需要特別注意幾點問題：電流閉鎖、斷路器防跳。在實行繼電保護時，要確保繼電保護裝置的選擇性、靈敏性、速動性。[15]三．結(jié)束語發(fā)電廠電氣部分設計，是構(gòu)成電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對電力系統(tǒng)整體及發(fā)電廠的運行的可靠性、靈活性和經(jīng)濟性密切相關(guān)。并且對電氣設備選擇、配電裝置配置、繼電保護和控制方式的擬定有較大的影響。因此，必須正確處理好各方面的關(guān)系，全面分析有關(guān)影響因素，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，合理確定發(fā)電廠的設計方案及電氣設備。四、參考文獻[1]許珉，楊宛輝，孫豐奇.發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)[B].北京：機械工業(yè)出版社，2006.5[2]鄭漳華,艾芊,徐偉華,施婕,解大,韓利.AMultiobjectiveDispatchOptimizationStrategyforEconomicOperationofSmartGrids[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010.2,34(2):7-13.[3]GuoWei,WangLi.IntegratedAutomationofPowerPlantElectricalSystem[E].