發電廠電氣部分規范設計

摘要：提高能源轉換效率進行“綠色”發電是火力發電廠發展的必然趨勢，因此，大中型及超超臨界火力發電機組憑借更高的能量轉換效率正逐漸替代資源損耗大的小型電廠。現針對2×200 MW+2×300 MW火力發電廠電氣部分開展可靠性設計及規范設計，通過計算短路電流合理選擇及校驗一次設備及母線導體，達到低碳、可靠的目的，這不僅滿足了我國綠色發展的需要，同時也符合我國能源發展戰略實施的需求。

關鍵詞：電氣部分；可靠性；短路電流；火電

中圖分類號：TM645" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0020-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.006

0" " 引言

改革開放以來，我國電力工業迅猛發展，火電的發電量隨著裝機容量的攀升而迅速提高。2020年，我國全年發電總量為74 170.4億kW·h，較2019年全年發電量增長了2.7%；2020年我國全年火力發電總量為52 798.7億kW·h，占2020年全年發電總量的71.19%，較2019年全年火力發電總量增長了1.2%[1-2]。近年來，我國600 MW、1 000 MW大容量機組相繼投產，500 kV、750 kV超高壓輸電網絡逐漸擴大，標志著我國電力工業已經進入一個新的發展階段[3-4]，這就對發電廠的電氣設計提出了更高的要求。火力發電廠的規劃和設計要響應國家相關政策的號召，積極穩妥地應用通過可靠性論證的先進技術及新設備，努力提高自動化運維水平，做到經濟技術合理，運行安全可靠。

某廠裝機容量為2×200 MW+2×300 MW=1 000 MW，以220 kV電壓等級向較遠4大高用電等級用戶供電，輸出4回線路以500 kV高電壓等級向系統供電，220 kV電壓等級最大綜合負荷為360 MW，系統聯絡如圖1所示。

1" " 電氣主接線設計

根據發電廠電壓等級及該電廠在電網的重要性選型相應的電氣主接線架構，電氣主接線要兼顧可靠性和靈活性需求，同時也要實現降低運行和維修成本。該廠承擔著重要負荷，斷電會造成國民經濟的重大損失[5-6]。220 kV側有4回出線，主接線架構可以選用雙母線接線，并增設旁路母線及旁路母線維修斷路器，實現發電機不斷電檢修母線。本廠以4回500 kV線路和系統相連，對于500 kV配電裝置，其必須保證系統的安全可靠穩定運行。雖然本廠在電力系統中居重要地位，但其500 kV側出線只有4回，因此500 kV側電氣主接線架構為具有高可靠性的一臺半斷路器接線，便于擴建，沒有像雙母線帶旁路母線接線那樣，在檢修時有著煩瑣的倒閘操作。本廠電氣主接線如圖2所示。

2" " 廠用電接線設計

本廠有2臺200 MW及2臺300 MW共4臺發電機組。高壓廠用工作電壓設定為6 kV，根據爐、機、電的對應性要求，高壓廠用工作電源從發電機電壓回路引接，即從主變的低壓側引接，同時每一臺機組單獨設置一個二分段的單母線，滿足“按爐分段”的原則。每兩臺機組設置一臺啟動/備用電源，其中2臺200 MW機組共用一臺啟動/備用電源，從與系統聯系密切且供電可靠的200 kV母線引接。2臺300 MW機組容量較大，共用一臺啟動/備用電源，其啟動/備用電源需要具有更高的供電可靠性，設計從聯絡變壓器低壓繞組引接，220 kV母線和500 kV母線任何一段母線都可為300 MW機組的啟動/備用電源供電。

3" " 變壓器的選擇

3.1" " 主變壓器的選擇

發電機與相應變壓器采用單元接線方式連接，發電機與變壓器為一一對應關系。本廠共有4臺發變機組，因此需要4臺雙繞組主變。周邊有鐵路經過，因此可以不受運輸條件的限制而選用三相變壓器。本廠中主變出力較大，且主副邊電壓須維持在一定水平上，因此選用有載調壓方式的主變，冷卻方式為強迫油循環風冷，其容量按發電機額定容量減去廠內負荷后留有10%的裕度。

200×（1-8%）×110%/85%≈238.12 MVAlt;240 MVA

300×（1-8%）×110%/85%≈357.18 MVAlt;360 MVA

200 MW機組選用240 MVA的主變，300 MW機組選用360 MVA的主變，容量滿足要求。故200 MW機組主變選擇SFP7-240000/220，300 MW機組主變選擇SFP-360000/500。

3.2" " 高廠變及啟備變的選擇

本廠廠用電電壓等級為6 kV，每一臺機組單獨設置一個二分段母線，高壓廠用變壓器可選用全容量的分列式繞組變壓器，兩個分列繞組分別為兩段母線供電。高廠變容量可按廠用電機械從電源獲得足夠的功率進行選擇，啟備變的容量不小于最大一臺高廠變的容量。因此，200 MW機組高廠變選擇SFF-31500/15.75，300 MW機組高廠變選擇SFPF7-40000/18；啟備變選擇SFPF3-31500/220、SFPFZ7-40000/35。

3.3" " 聯絡變的選擇

本廠選用自耦變壓器作為連接200 kV與500 kV兩種電壓等級的聯絡變壓器，并在其低壓繞組接啟動/備用變壓器。聯絡變壓器的容量應大于連接在兩種電壓母線上容量最大的機組。本廠中最大一臺機組容量為300 MW，故選擇容量為360 MVA的聯絡變壓器。聯絡變選擇OSFPSZ-360000/500。

4" " 短路電流的計算

本設計采用運算曲線法進行工程實用計算[7-8]。本系統的等值電路圖如圖3所示，選取了d1（220 kV母線）、d2（500 kV母線）、d3（200 MW發電機出口）、d4（300 MW發電機出口）、d5～d8（6 kV高壓廠用母線）共八個短路點進行短路電流計算。

短路電流計算結果如表1所示。

5" " 導體及電氣設備的選擇

5.1" " 斷路器的選擇

以220 kV側斷路器為例進行選擇。220 kV側雙繞組變壓器回路最大持續工作電流為：

斷路器的選擇條件：斷路器額定電壓UN≥220 kV；斷路器額定電流IN≥Igmax=648.36 A；額定開斷電流INbr≥I″=9.003 1 kA；額定短路關合電流iNc1≥ich=23.588 1 kA。

初步選擇LW6-220型SF6斷路器，對斷路器進行熱穩定及動穩定校驗。短路電流的熱效應為：

Qk=（I″2+10Itk/22+Itk2）/12

=（9.003 12+10×7.099 82+7.311 42）/12

≈53.22 （kA）2·s

It2t=212×4=1 764（kA）2·s≥53.22 （kA）2·s，滿足熱穩定要求。

ies=53 kA≥ich=23.588 1 kA，滿足動穩定要求。

斷路器的選擇結果如表2所示。

5.2" " 隔離開關的選擇

隔離開關與斷路器的選擇方式相同，選擇結果如表3所示。

5.3" " 載流導體的選擇

導體以220 kV進線為例進行選擇。每條進線的最大輸送功率按200 MW機組進行計算，最大持續工作電流為：

按經濟電流密度選擇導體截面積。查圖可知鋼芯鋁絞線的經濟電流密度J=0.94 A/mm2，則導體的經濟截面為：

故選擇型號為LGJ-800/55的鋼芯鋁絞線，其長期允許載流量Ia1=885 A，計算截面為870.60 mm2gt;300 mm2，故無須進行電暈電壓校驗。選擇的是軟導線，故也無須進行動穩定校驗。

KIa1=0.88×885=778.8gt;648.36 A，滿足要求，式中的K為綜合校正系數，取0.88。

短路電流熱效應：

Qk=（I″2+10Itk/22+Itk2）/12

=（9.003 12+10×7.099 82+7.311 42）/12

≈53.22 （kA）2·s

則正常運行時導體的溫度為（取環境溫度θ=25 ℃）：

θ′=θ+（θa1-θ）Igmax2/Ia12

=25+（70-25）×648.362/8852

≈49.15 ℃

查表可得，熱穩定系數C=95，則滿足短路時發熱的最小導體截面積為：

因此所選導體LGJ-800/55型鋼芯鋁絞線滿足熱穩定要求。

導體的選擇結果如表4所示。

6" " 220 kV配電裝置及防雷保護設計

6.1" " 220 kV配電裝置設計

結合本廠情況，220 kV側采用雙母線帶旁路母線接線方式，由高壓配電裝置的特點和應用范圍可得，220 kV配電裝置采用屋外分相中型配電裝置。母線采用管母線，隔離開關選用GW6型單柱式隔離開關，這樣可以進一步壓縮間隔寬度。配電裝置斷面圖如圖4、圖5所示，標注單位為毫米。

本廠220 kV側有4回出線，占據4個間隔。#1主變進線、#2主變進線、啟備變進線及聯絡變進線共4回進線，占據4個間隔。母聯、主母線與旁路母線連接線、母線電壓互感器和避雷器占據3個間隔。因此，220 kV高壓配電裝置共有11個間隔。考慮到電氣安全凈距，每個電氣間隔取13 m。

6.2" " 220 kV配電裝置防雷保護設計

220 kV電壓等級侵入波保護選用Y10W1-200/496氧化鋅無間隙避雷器。220 kV側共有兩只構架，構架高度為14.5 m，構架長143 m，構架間距為44.5 m。選用8只高度為30 m的避雷針裝設在構架上，布置位置如圖6所示。通過計算，保護最低點高度均高于所保護設備的高度，220 kV配電裝置都在保護范圍之內。

7" " 300 MW發電機變壓器組繼電保護設計

繼電保護應滿足四性要求，即選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。繼電保護裝置要能可靠反映各種故障和異常運行狀態。300 MW發電機變壓器組的保護裝置配置如表5～7所示。

8" " 結語

本設計在設計過程中遵守國家政策和相關設計規程，始終把可靠性放在首位，滿足功能與性能要求，同時降低運行和維修成本，運行安全可靠，具有一定參考價值。

本設計中所選用的電氣主接線供電可靠、調度靈活、檢修方便，并為以后擴建及安裝大容量機組奠定了基礎。所選主變、高廠變、啟備變及聯絡變經濟技術合理。通過對短路電流進行計算，選擇了符合要求的導體及電氣設備，從而使電氣主接線及配電裝置達到安全經濟的目的。防雷保護采用8只避雷針對220 kV配電裝置進行防雷。300 MW發電機變壓器組保護分為短路保護、發電機接地保護、異常運行保護等三部分進行配置，滿足大容量機組對保護選擇性、靈敏性及可靠性的要求。

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收稿日期：2022-12-14

作者簡介：史艷博（1995—），男，內蒙古赤峰人，研究方向：電力系統調度優化、多脈波變壓整流技術。