石家庄华电发电厂电气部分设计

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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
                                          





                                          



                                          
题    目：  石家庄华电发电厂电气部分设计


学习中心：                           
层    次：      专科起点本科         
专    业：    电气工程及其自动化     
年    级：       22 年秋季           
学    号：                           
学    生：                           
指导教师：        石鑫               
完成日期：    2024 年7月12日      
  


内容摘要

发电厂是通过将化学能转换为电能后进行对电能的分配输送的场所 。发电厂电气部分的设计对发电厂的整体运行意义重大。如果设计适当，可以有效降低电气系统安全隐患，达到安全、经济运行的目的。
本次设计以石家庄华电发电厂新建2×600 MW发电机组为背景，通过查阅相关设计标准与文献、反复计算与检验，对华电发电厂新建2×600 MW发电机部分的电气主接线进行选择设计，对变压器的台数和容量进行选择，系统短路电流进行计算，并最终对断路器、隔离开关等主要设备进行了选型。本文完成了对石家庄华电发电厂电气一次部分设计，从各个方面提出了自己的设计思路，对该发电厂的整体设计具有一定的指导作用。

关键词：华电发电厂；电气主接线；短路计算













目     录

内容摘要        I
1  绪论        1
1.1  我国发电厂的发展现状与趋势        1
1.2  发电厂设计研究背景        2
1.3  本次论文的主要工作        2
2  电气设计的主要内容        4
2.1  发电厂的总体分析及主变选择        4
2.1.1  主变压器布置原则        4
2.1.2  主变压器选择原则        4
2.2  电气主接线的选择        5
2.3  短路电流计算        5
2.4  电气设备选择        6
2.5  低压系统设计        6
3  石家庄华电电厂的总体分析及主变选择        8
3.1  华电发电厂拟建2×600 MW容量分厂的总体情况分析        8
3.2  主变压器容量的选择        8
3.3  主变压器台数的选择        9
4  电气主接线设计        10
4.1  电气主接线设计的原则和基本要求        10
4.2  接线方案        11
5  短路电流计算        15
5.1  短路计算的目的        15
5.2  发电厂短路电流计算        15
5.2.1  短路电流周期分量的计算        15
5.2.2  各元件电抗标幺值的计算        16
5.2.3  各点短路电流的计算        16
5.2.4  主要开关设备的选型        24
6  结论        27
参考文献        28


1  绪论  
1.1  我国发电厂的发展现状与趋势
电力工业是国民经济的重要部门之一，它既为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系，它能够创造巨大的物质财富和现代文明。电力是工业的先行，每个现代国家的发展都与电能的利用水平密切相关，电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。从世界各国经济发展的进程来看，国民经济每增长1%，就要求电力工业增长1.3%-1.5%左右。因此，一些工业发达国家几乎是每7-10年装机容量就要增长一倍。我国近些年对电力的需求量已相比于二十一世纪初有了下降。根据国家能源局和发改委统计，2020年我国的电力增速为6%，2021年仅为5.8%。虽然目前全国整体上已经很少再发生电力供应“卡脖子”现象，但是由于我国东、西部经济发展的不协调，部分地区经济建设与电力供应之间的供需矛盾仍然导致一些地区的电力供应紧张现象发生。而且我国部分地区的经济发展较为迅速，而当地的电力建设无法赶上其发展步伐，从而仍然存在着电力供需之间的矛盾，河南平顶山市目前也正是在面临着这一问题。区域经济发展与当地电力发展建设滞后，电力能源分布的不协调等现状仍然制约着国民经济的发展。
据统计，2021年河北省的社会用电量同比增长了5.3%，其中以石家庄和唐山的用电量增幅最大，分别达到7.8%和9.5%。石家庄市的发电厂、变电站和输电线路几乎都在满负荷极限运行，发生大面积停电事故的概率加大。由于电力系统的备用容量不足，一些发电机组处于满负荷运行，给电网运行的安全带来一定的隐患。为此，石家庄华电发电厂的增容改造工作刻不容缓。石家庄华电发电厂位于河北省石家庄市鹿泉区，为国家特大型企业，被誉为冀南明珠。电厂兴建伊始编号为“华电工程”。石家庄华电发电厂自建设以来，逐渐成为河北省南部电网主力电厂，装机容量占河北南网总装机容量的12%。石家庄华电电厂大力推进清洁生产，积极对现有机组进行脱硫改造，并根据国家“上大压小”政策正在谋划于厂区新建一个电厂。此新建电厂初步规划容量为2×600 MW。因此对于河北经济发展和石家庄华电电厂发展而言，其2×600 MW电气部分的设计对其具有重要的实际意义。
在传统的对于火力发电厂的电气设计中，往往都存在着高耗能、低电压等级、电气设备落后、规划设计不合理及对负荷评估不合理所导致的供电可靠性低下情况，石家庄华电发电厂也不例外。这些现象与我国的“发展绿色能源、建设清洁社会”、“可持续发展”等政策方针严重违背。尤其对于大容量的火力发电厂而言，如果其设计电气存在着不合理、设备选型不规范、运行维护不可靠等现象的话将会大大制约我国经济社会的可持续发展。因此。石家庄华电电厂目前的发展趋势也是从电气设计规范化、设备选型合理化、发电绿色低耗能化等方向发展。因此，本文在对石家庄华电发电厂2×600 MW火力发电电气部分设计时主要从可靠性、经济性等方面着手，力求做到合理、节能、规范。
1.2  发电厂设计研究背景
电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到重要作用。与社会经济和社会发展有着十分密切的关系，它不仅是关系国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着我国经济的发展，对电的需求量不断扩大，电力销售市场的扩大又刺激了整个电力生产的发展。对于位于河北省南部的石家庄而言，其西邻山西、南邻邢台、北邻保定、东临衡水，因此，其在煤炭能源的供货方面具有路途短、时间少、成本低廉的优势。而且其作为河北省省会城市，还有石家庄四药股份有限公司、中钢轧辊股份有限公司、德龙钢铁有限责任公司以及旭阳焦化等特大型、大型企业。因此，石家庄华电电厂的可靠供电性能将会影响到石家庄市甚至河北省的经济社会发展，对其电气部分的设计具有重大的现实意义。
本文以拟建立规划石家庄华电发电厂鹿泉分厂一个容量为2×600 MW的火力发电厂为背景。对其2×600 MW的火力发电厂的主要电气部分进行分析和设计，由于目前我国600 MW及以上大型发电机组将成为电力系统的主力机组，600 MW及以上机组运行状况的好坏将直接影响到电力系统的稳定、安全可靠和经济运行，因此本课题论文的研究具有重要的实际意义。
1.3  本次论文的主要工作
本文主要分为七章，大致分别为绪论部分，主体部分和总结部分。主要以河北省石家庄华电火力发电厂在鹿泉区建设2×600 MW容量的电厂背景为依托，主要对2×600 MW容量的火力发电电气部分进行设计计算，主要的工作如下：
第1章为绪论部分，主要对石家庄华电电厂发展方向趋势和本论文的研究背景意义进行阐述。
第2章为发电厂电气部分设计的原则综述部分，包括主变压器选择、主电气接线方式选择、短路电流计算原则、电气设备选择原则及厂用电低压系统的设计原则等几大项。
第3章为石家庄华电发电厂的实际2×600 MW机组实际扩建的背景情况及对本次设计中主变压器的选择原则和选择结果进行阐述分析，是本文后续短路电流计算及相关电气主接线分析的铺垫部分。
第4章为对石家庄华电电厂的电气主接线进行选择分析。由于本文中发电机组升压后达到550 kV等级的超高压系统，因此主要从550 kV超高压系统中常用的三种接线方式即3/2接线、变压器线路组接线和双母三分段带旁路接线这三种典型的接线方式进行本文中电气主接线形式的选择，并将其进行比较分析，最终确定以3/2接线方式作为本文设计中的主接线方式。
第5章为对在确定接线方式和主变压器后，对短路电流的计算，为石家庄华电发电厂2×600 MW电气部分的电气设备选型包括导线、断路器隔离开关等提供数据支撑。
第6章为本文的总结部分，主要对本文所进行的工作和主要研究内容结论进行综述。


2  电气设计的主要内容
发电厂是电力系统的重要组成部分。发电厂电气一次部分设计包括发电厂总体分析、主变选择、电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选择、配电装置和总平面设计等。
2.1  发电厂的总体分析及主变选择
发电厂的总体结构设计是发电厂设计的核心之一，发电厂主要电气设备的选择应满足DL/T5222的相关规定[1-2]。考虑设备的通用性，在一个地区同类设备参数应尽可能统一。
2.1.1  主变压器布置原则
（1）据环境要求，变压器可采用屋外布置或屋内布置方式，宜综合考虑降噪和通风的要求。
（2）变压器可采用自然油循环风冷和自冷的冷却方式，可采用变压器本体与散热器分体布置方式。
（3）500 kV主变布置在屋外，两台主变之间需设置防火墙。
（4）对于供电负荷较大的城市发电厂或有一类负荷的重要发电厂，应选用两台相同容量的主变压器，每台变压器的容量应满足一台变压器停运后，另一台变压器能供给全部一类负荷的需要；在无法确定一类负荷所占比重时，每台变压器的容量按计算负荷的60%-80%选择[3-5]。
2.1.2  主变压器选择原则
（1）变压器台数：主要根据负荷大小，负荷对供电可靠性和电能质量的要求来决定，并兼顾节约电能，降低造价，运行方便。
（2）变压器容量：应根据计算负荷选择。两台或两台以上的变压器，当其中一台停电后，其余变压器应能保证全部一级负荷及大部分二级负荷的用电。变压器的容量还应根据电动机起动电流或其它负荷冲击的条件进行验算。选择变压器容量应考虑低压电器的短路工作条件。
（3）变压器型号：一般分为电力变压器和特种变压器。电力变压器按用途又可分为升压变压器，降压变压器、配电变压器、联络变压器和厂用电变压器等几种；它还可以按线圈数、相数、冷却方式及调压方式等分类。
2.2  电气主接线的选择
电气主接线是发电厂的主要环节，电气主接线直接影响运行的可靠性、灵活性，它的拟定直接关系着全厂（所）的布置，是发电厂电气部分投资大小的决定性因素。电气主接线设计是发电厂电气系统设计中的关键环节之一，它涉及到不同电气设备之间的连接方式和电流传输路径的规划。正确选择电气主接线方案对于确保电力系统的稳定运行、安全可靠至关重要。在进行电气主接线的选择时，需要综合考虑多个因素，以满足电气系统的要求。
（1）设备类型和功率匹配：不同类型的电气设备具有不同的额定功率和工作特性。在电气主接线设计时，需要根据设备的功率要求和工作特点，选择合适的导线截面和连接方式，以确保电流传输的稳定性和安全性。
（2）电气系统拓扑结构：电气系统的拓扑结构直接影响着电气主接线的选择。需要考虑电气设备的布局、设备之间的距离以及电气路径的路径等因素，以确定合适的主接线方案，减少线路阻抗，降低电压降低，保证电流传输的效率。
（3）电气设备的连接方式：电气设备的连接方式通常包括并联和串联两种。不同的连接方式会影响电流分布和电气特性。在选择电气主接线时，需要根据设备的连接方式，确定合适的导线布置和连接方式，以保证电气设备之间的正常通信和传输。
（4）电气设备的工作环境：电气设备的工作环境也是电气主接线设计的考虑因素之一。在潮湿、高温、腐蚀等恶劣环境下，需要选择耐腐蚀、绝缘性能良好的导线和连接件，以确保电气设备的稳定运行。
（5）安全和维护性：电气主接线设计还应考虑线路的安全性和维护性。合理的主接线方案可以减少漏电和火灾等安全隐患，同时便于日常的检修和维护工作。
（6）经济性：在满足技术要求的前提下，电气主接线设计还应考虑经济性。选择适当的导线材料、连接件以及布线方式，以降低成本，提高电气系统的经济效益。
综上所述，电气主接线的选择需要充分综合考虑设备特点、系统拓扑、工作环境、安全性和经济性等多个因素。通过合理的主接线方案，可以确保电气系统的正常运行，提高系统的稳定性、可靠性和经济效益。
2.3  短路电流计算
短路电流应根据工程建设当地的电力系统条件，按设计规划容量和远景年系统发展规划的参数，进行系统短路计算。短路电流计算的基本步骤如下：
（1）计算各元件电抗标幺值，并折算到同一基准容量下；
（2）给系统制订等值网络图；
（3）选择短路点；
（4）对网络进行化简，把供电系统看成为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标幺值，并计算短路电流的标幺值、有名值[6]。
2.4  电气设备选择
电气设备的选择是发电厂和发电厂电气设计的主要内容之一。正确的选择电气设备是使电气主接线和高压配电装置达到安全、经济运行的重要条件之一。
常用电气设备包括高压断路器、隔离开关（刀闸）、母线、导线（架空线路、电力电缆）电压互感器、电流互感器、电容器、电抗器等、继电保护装置等。在进行电气设备选择时，应该根据工程得实际情况，在保证设备安全、可靠的前提下，积极而稳妥的采用新的技术，并注意尽量节省投资，电气设备的选择基本要求大致相似，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验电气设备的热稳定性和动稳定性。
2.5  低压系统设计
发电厂低压部分电源主要引自厂用变压器，由于发电机组经过升压后将电压等级上升至高压甚至超高压、特高压等级，因此此时无法直接将其转换成厂用电照明、取暖、空调、继电保护等装置的供电系统。因此，本设计中将低压系统直接引自发电机组6 kV输出侧，以提供厂用低压系统的供电电源所需380/220V的三相四线制系统，并且要有备用厂用电系统，所以根据独立性原则分别引自不同发电机组的输出侧，如图2.1所示。
厂用电系统必须保证厂用电的连续供应，使发电厂能安全满发，除满足正常运行安全、可靠、灵活、经济、先进等一般要求外，尚应满足如下要求：（1）接线方式和电源容量应充分考虑厂用设备在正常、事故、检修、启动、停运等方式下供电的要求，并尽可能地使切换操作简便，使启动（备用）电源能迅速投入；（2）尽量缩小厂用电系统的故障影响范围，避免引起全厂停电事故。各台机组的厂用电系统应独立，以保证在一台机组故障停运或其辅机发生电气故障时，不影响其他机组的正常工作；三、对于大于220 MW的大型机组，应设置足够容量的交流事故保安电源及电能质量指标合格的交流不间断供电装置[7]。

图2.1  低压系统电源
对于本次设计，当厂用工作电源和备用电源都消失时，为确保事故状态下安全停机，事故消失后又能及时恢复供电，应设置事故保安电源，以满足事故保安负荷的连续供电。本厂事故保安电源采用柴油发电机组和蓄电池组，并采用快速自动程序启动。如图2.2所示。

图2.2  事故保安电源接线图

3  石家庄华电电厂的总体分析及主变选择
3.1  华电发电厂拟建2×600 MW容量分厂的总体情况分析
本工程设计的电厂为一期工程，装机容量为2×600 MW属区域性凝汽式火电厂，远离负荷中心。两台发电机以大方式运行，发电机中性点采用非直接接地，功率因数cosφ=0.85，厂用电率8%，最大负荷年利用小时数6500 h。
电力系统总装机容量为1200 MVA，本工程设计的电厂属大型电厂，供电容量大、范围广，在系统中占有重要地位。系统归算到500 kV侧的电抗标幺值为0.2。电网中性点采用直接接地，为大接地电流系统。电网的中性点接地方式决定了主变压器的接地方式[8-9]。
负荷情况为500 kV架空线4回，最大负荷利用小时数6500 h/年。
（1）环境条件：当地年最高温度23℃，年最低温度－36℃，最热月平均最高温度25℃，平均温度6℃，冻土层1.5 m，覆冰厚7 mm，最大风速20 m/s大气无明显污染，土壤电阻率大于500 Ω•m。
（2）主要电气设备选型尽量选新型设备并要求校验。
基于对上述原始资料的分析可知，两台600 MW大机组以大方式运行，并超过系统总装机容量的15%，在电力系统中占有重要作用，主要承担系统基荷。本次设计宜采用简单可靠的单元接线方式，直接接于550 kV超高压系统。对550 kV超高压配电装置接线，首先要满足可靠性的要求，其次满足灵活性及经济性的原则。
3.2  主变压器容量的选择
在选择主变压器之前，先分析石家庄华电发电厂的发电机组的选型。对于发电机组的选型原则而言，对于200 MW及以上发电机组，一般与双绕组变压器组成单元接线，而且所选的主变压器的容量和台数与发电机容量配套选用。
根据石家庄华电电厂新建机组情况可知，单台发电机容量为600 MW，故查得两台发电机型号为QFSN-600-2。QFSN-600-2发电机参数如下表3-1所示。
表3-1 发电机参数列表
额定容量 MVA        额定功率因数        定子额定电流（A）        定子额定电压（V）        额定励磁电压（V）        额定励磁电流（A）        Xd"
733        0.85        11209        20001        509        2423        17.79
由于发电机的容量为600 MV，并且采用双绕组变压器组成单元接线。对于主变压器的选型原则而言，按发电机的容量且扣除厂用负荷8%后仍留有10%的裕度原则来选择主变压器，所以，选择主变压器的型号为：SFP10-600000/550。SFP10-600000/550的参数列表如下表3-2所示。
表3-2 变压器参数列表
额定电压（kV）        接线组别        相数        短路阻抗        空载损耗(kW)        空载电流        负载损耗(kW)        调压方式        接地方式
550-2 2.5%/20        YN，d11        三相        14%        160        0.2%        930        无载调压        中性点直接接地
在确定了接线方式和发电机与主变压器的型号及各项参数后，可以方便进行短路电流的计算，为继电保护的配置打下基础。
3.3  主变压器台数的选择
为了保证发电机出线供电的可靠，接在发电机电压母线上的主变压器一般不少于2台。若机组较多，发电机母线电压的负荷较小，发电机主要功率送入系统时，主变压器可多于2台。对于地方发电厂，主要是向发电机母线电压的负荷供电，而系统仅作备用电源时，则允许只装设1台主变压器。主变台数选择与主变容量之间应满足以下关系：
（1）对于单元接线的主变压器而言，变压器容量按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有20%的容量裕度来进行选择确定。采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则计算出的两台机容量之和来确定。
（2）对具有发电机电压母线接线的主变压器而言，连接在发电机电压母线与系统之间的主变压器的容量，应考虑以下因素：
1）当发电机全部投入运行时，在满足发电机电压供电的日最小负荷，并扣除厂用负荷后，主变压器应能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。
2）当接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或者因供热机组热负荷变动而需限制本厂出力时，主变压器应能从电力系统倒送功率，保证发电机电压母线上最大负荷的需要。
3）若发电机电压母线上接有2台及以上的主变压器时，其中容量最大的一台因故退出运行时，其他主变压器应能输送母线剩余功率的70%以上。

4  电气主接线设计
4.1  电气主接线设计的原则和基本要求
电气主接线的设计是发电厂在设计过程中的主要环节，电气主接线直接影响运行的可靠性、灵活性，它的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护、自动装置和控制方式的确定，是发电厂电气部分投资大小的决定性因素。发电厂电气主接线是由变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、避雷器等电气设备按一定顺序连接而成的，电气主接线的不同形式，直接影响运行的可靠性、灵活性，并对电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定等都有决定性的影响。因此电气主接线的正确、合理设计，必须综合处理各个方面的因素，经过技术、经济论证比较方可[10]。
（1）发电厂主接线设计的基本原则
应根据发电厂和发电厂所在电力系统的地位和作用来进行发电厂主接线的设计。首先应满足电力系统的可靠运行和经济调度的要求，根据规则容量，本期建设规模、输送电压等级、进出线回路数、供电负荷的重要性，保证供需平衡，电力系统线路容量、电气设备性能和周围环境及自动化规则与要求等条件确定，应满足可靠性、灵活性和经济性的要求。
（2）发电厂主接线设计的基本要求
1）可靠性。可靠性的客观衡量标准时运行实践主接线的可靠性是其组合元件（包括一次不分和二次部分）在运行中可靠性的综合，因此要考虑一次设备和二次部分的故障及其对供电的影响，衡量电气主接线运行可靠性的一般准则是：断路器检修时，是否影响供电、停电的范围和时间线路、断路器或母线故障以及母线检修时，停电出线回路数的多少和停电时间长短，能否保证对重要用户的不间断供电。
2）灵活性。投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便，调度灵活，电气主接线的灵活性要求有以下几方面：调度灵活、操作方便，应能灵活地投切电气元件，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整要求检修安全，应能容易地从初期过渡到最终接线，并在扩建过渡时使一次和二次设备等所需的改造最少。控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资，要适当限制经济型：通过优化比选，应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗少，在满足技术要求的前提下，要做到经济合理。投资省，电气主接线应简单清晰，以节省断路器、隔离开关等一次设备投资，要使短路电流，一边选择价格合理的电气设备。占地面积小，电气主接线的设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约地和节省架构、导线、绝缘小及安装费用，在运输调节许可的地方都应采用三相变压器。电能损耗少，经济合理的选择变压器的型式、容量和台数，避免因两次变压而增加投资。
3）易操作性。电气主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。复杂的接线不仅不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便，或造成不必要的停电。
4）经济性。主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上—，还应使投资和年运行费用最小，占地面积最少，使发电厂尽快的发挥经济效益。此外，由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快，因此，在选择主接线时，应考虑到有扩建的可能性，以节约扩建成本[11]。
4.2  接线方案
对500 kV电压等级的发电厂或变电站等场所而言，常用的接线方式包括3/2断路器接线、变压器线路组接线和双母三分段带旁路接线方式三种（分别如图4.1至图4.3所示）。本文经过对上述三种方案的对比分析，最终选择3/2断路器接线作为主接线方案。主要的分析过程如下。
对于2×600 MW火力发电厂而言，需从保证其供电可靠性、建设运行经济性、减小输电线路损耗等方面考虑。对3/2断路器接线、变压器线路组接线、双母三分段带旁路接线这三种典型的接线方式而言，其各有优缺点。
首先从可靠性方面分析。对于3/2接线而言，其任意母线故障或检修时均不停电，任何断路器检修时都不致停电，所以可靠性很高。对于变压器线路组接线而言，任意母线故障或检修时均不停电，任何断路器检修时都不致停电，但所形成的环网不如3/2接线方式多，所以可靠性不如3/2接线高。对于双母三分段带旁路接线而言，在母线检修或故障时，只有1/3的电源和负荷短时停电，检修任一回路的短路器时，只有该回路停电，可靠性较高。根据分析，从可靠性角度而言，3/2接线、变压器线路组接线、双母三分段带旁路接线这三种典型的接线方式均能够满足供电可靠性的要求，而且由于变压器线路组接线具有其环网较少的劣势，因此从可靠性角度出发时应优先选取3/2接线方式和双母三分段带旁路接线方式。
其次从灵活性角度进行比较。对于3/2接线方式而言，其运行调度灵活，操作、检修方便，隔离开关仅作为检修时隔离电器，检修时又不影响系统的正常运行及用户的供电要求。对于变压器线路组接线而言，其运行调度灵活，操作、检修方便，隔离开关仅作为检修时隔离电器，检修时又不影响系统的正常运行及用户的供电要求。对于双母三分段带旁路接线方式而言，其能灵活地投入或切除机组、变压器或线路，灵活地调配电源和负荷，满足系统在正常、事故检修及特殊运行方式下的要求，扩建方便。因此，从可靠性角度而言，3/2接线、变压器线路组接线、双母三分段带旁路接线这三种典型的接线方式均能够满足供电可靠性的要求。
然后从经济性角度进行比较。对于3/2接线方式而言，其所用断路器、电流互感器等一次设备较多，投资大。对于变压器线路组接线而言，其所用断路器、电流互感器较少，投资较小。对于双母三分段带旁路接线方式而言，其所用断路器、隔离开关多，而且其配电装置十分复杂，对于施工设计具有较大的难度。
从上述的可靠性、灵活性和经济性三方面考虑，可以看出，三个方案的可靠性、灵活性均满足设计的要求。但从可靠性、经济性及最优方案考虑，将方案二（变压器线路组接线）排除。将方案一（3/2接线）与方案三（双母三分段带旁路接线）进一步做经济比较。
下面本文把这三种接线方式需要用的断路器、母联分段断路器和隔离开关及占地面积的大小四方面将这三种接线方式进行比较，如表4-1所示。从表4-1可以方面的看出，经过以上的比较，3/2接线方式的经济性要比双母三分段带旁路接线略好，且3/2接线方式的可靠性、灵活性比要优于双母三分段带旁路接线方式，所以本文最终选择3/2接线方式为最终主接线形式。
表4-1 方案经济比较列表
序号        断路器个数（个）        母联个数（个）        隔离开关个数（个）        占地面积
方案一        8        2        30        大
方案三        10        0        22        小
综上所述，本文最终选择3/2断路器接线作为主接线方式。

图4.1  3/2断路器接线图

图4.2  变压器线路组接线图

图4.3 双母三分段带旁路接线图


5  短路电流计算
5.1  短路计算的目的
在发电厂的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。在选择电气设备时，为保证在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，需要进行全面的短路电流计算。例如：计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定值；计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。
5.2  发电厂短路电流计算
5.2.1  短路电流周期分量的计算
（1）求计算电抗Xjs：
Xjs是将各电源与短路点之间的转移电抗 归算到以各供电电源容量为基值的标幺值。可用下式计算：
Xjsm=Xf×Sn.m/Sb   (m=1，…，n)               （5-1）
式中Sn.m——为第m个电源等值发电机的额定容量（ MVA）
Xf——为第m个电源与短路点之间的转移电抗（标幺值）
Xjsm——为第m个电源至短路点的计算电抗。
（2）无限大容量电源的短路电流计算：
由无限大容量电源供给的短路电流，或计算电抗Xjs≥3.5时的短路电流，可以认为周期分量不衰减。短路电流标幺值由下式计算：
I*"= I∞*=I0.2*=1/Xjs                      （5-2）
（3）有限功率电源的短路电流计算：
通常使用运算曲线法，运算曲线是一组短路电流周期分量IZt*与计算电抗XjS短路时间t的变化关系曲线，即Izt*=f(Xjs，t)，所以，根据各电源的计算电抗XjS，查阅相应的运算曲线，可分别查出对应于任何时间t的短路电流周期分量标玄值Izt.m*。并由下式求出有名值。
Izt.m=It.m* Sn.m/ 3Ub                        （5-3）
Izt.m—第m各电源，短路后短路电流周期分量有名值
Sn.m—第m各电源等值发电机额定容量
5.2.2  各元件电抗标幺值的计算
取基准值为 、 。
（1）发电机电抗标幺值的计算
查表2-3知  、  
               （5-4）
（2）主变压器电抗标幺值的计算
查表2-4知 、  
               （5-5）
（3）厂变压器电抗标幺值的计算
查表3-1知 、 、分裂系数
                       （5-6）
   （5-7）
（4）系统电抗标幺值的计算
由原始资料知 。
5.2.3  各点短路电流的计算
（1）等值电路图及短路点的选取
等值电路图和各短路点的选取简化图如图5.1所示。

图5.1  发电厂等值电路图及短路点的选取
（2） 点的短路电流计算

图5.2  点短路等值网络化简图
根据 点短路等值网络化简图得
1）各电源的转移电抗           
2）各电源的计算电抗
                （5-8）       （5-9）
3） 短路电流标幺值计算
①S系统对 的短路周期电流
查汽轮发电机计算曲线数字表得 ， ，
②发电机 、 对 的短路周期电流
查汽轮发电机计算曲线数字表，得
，             （5-10）
，             （5-11）
，             （5-12）
，             （5-13）
则当 时，
     （5-14）   （5-15）    （5-16）
4） 短路电流的有名值计算
① 短路时525 kV等级下额定电流计算
，   （5-17）
②S系统对 的短路周期电流
             （5-18）
            （5-19）
             （5-20）
③发电机 、 短路周期电流
         （5-21）
        （5-22）
        （5-23）
5）冲击电流的计算
冲击电流 按式（5-1）计算                       （5-24）
式中： —冲击系数； —短路电流 周期分量起始有效值（kA）
点属发电厂高压侧母线短路，此点冲击系数 =1.85，由公式（5-24）得
系统对短路点 的冲击电流：
     （5-25）
发电机 、 对短路点 的冲击电流：
  （5-26）
6）短路全电流的计算
不计周期分量的衰减，短路电流全电流最大有效值 按式（5-16）计算：
                   （5-27）
则 =1.85，系统对短路点 的短路电流全电流：
  （5-28）
发电机 、 对短路点 的短路电流全电流：
（5-29）
7）短路容量的计算
系统的短路容量：
        （5-30）
发电机短路容量：
    （5-31）
（3） 点的短路电流计算

图5.3  点短路等值网络化简
1）各电源的转移电抗
    （5-32）
                    
    （5-33）
可得： ， ， 。
2）各电源的计算电抗
              （5-34）
            （5-45）
            （5-36）
3） 短路电流标幺值计算
①S系统对 的短路周期电流
查汽轮发电机计算曲线数字表，得
时，        
时，        
则当 时，
         （5-37）
        （5-38）
         （5-39）
②发电机 对 的短路周期电流
查汽轮发电机计算曲线数字表，得
时， ， ，  
时， ， ，
则当 时，
          （5-40）
        （5-41）
         （5-42）
③发电机 对 的短路周期电流
查汽轮发电机计算曲线数字表，得
时， ， ，  
时， ， ，
则当 时，
           （5-43）
         （5-44）
          （5-45）
4） 短路电流的有名值计算
① 短路时21kV等级下额定电流计算
                （5-46）
                （5-47）
②S系统对 的短路周期电流
            （5-48）
          （5-49）
           （5-50）
③发电机 对 的短路周期电流
          （5-51）
          （5-52）
          （5-53）
④发电机 对 的短路周期电流
          （5-54）
          （5-55）
          （5-56）
⑤冲击电流的计算
点短路属发电厂高压侧母线短路，此点冲击系数 =1.90由公式得：
系统对短路点 的冲击电流：
        （5-57）
发电机 对短路点 的冲击电流：
      （5-58）
发电机 对短路点 的冲击电流：
（kA）       （5-59）
⑥短路全电流的计算
按式（5-2），可得：
=1.90，系统对短路点 的短路电流全电流：
   （5-60）
发电机 对短路点 的短路电流全电流：
   （5-61）
发电机 对短路点 的短路电流全电流：
   （5-62）
⑦短路容量的计算
系统S的短路容量：
     （5-63）
发电机 短路容量：
     （5-64）
发电机 短路容量：
     （5-65）
（4） 点的短路电流计算

图5.4  点短路等值网络化简
1）各电源的转移电抗
              （5-66）
                （5-67）
（5-68）
（5-69）
（5-70）
         （5-71）
        （5-72）
        （5-73）
                     
2）各电源的计算电抗
               （5-74）
             （5-75）
             （5-76）
3）短路电流标幺值计算
①S系统对 的短路周期电流
当 时，可以近似地认为短路周期电流的幅值已不随时间而变， ，则当 时， 。
②发电机 对 的短路周期电流
查汽轮发电机计算曲线数字表，得
时， ， ，  
时， ， ，
则当 时，
       （5-77）
      （5-78）
      （5-79）
③发电机 对 的短路周期电流
查汽轮发电机计算曲线数字表，得
时， ， ，  
时， ， ，
则当 时，
      （5-80）
      （5-81）
      （5-82）
4） 短路电流的有名值计算
① 短路时6.3kV等级下额定电流计算
            （5-83）
            （5-84）
②S系统对 的短路周期电流
③发电机 对 的短路周期电流
            （5-85）
            （5-86）
            （5-87）
④发电机 对 的短路周期电流
            （5-88）
            （5-89）
            （5-90）
5）冲击电流的计算
点短路属发电厂高压侧母线短路，此点冲击系数 =1.80由公式得：
系统对短路点 的冲击电流
    （5-91）
发电机 对短路点 的冲击电流
    （5-92）
发电机 对短路点 的冲击电流
     （5-93）
6）短路全电流的计算
按式（5-2），可得
则 =1.80，系统对短路点 的短路电流全电流：
（5-94）
发电机 对短路点 的短路电流全电流：
（5-95）
发电机 对短路点 的短路电流全电流：
（5-96）
7）短路容量的计算
系统S的短路容量：
  （5-97）
发电机 短路容量：
   （5-98）
发电机 短路容量：
   （5-99）
5.2.4  主要开关设备的选型
根据5.2节计算出的各短路电流，可以用来指导电气设备的选取工作。由于电气设备较多，本节仅以500 kV侧3/2接线方式的断路器选择为例进行详细分析描述，其它设备同理，不再一一列出。
对于500 kV侧2×600 MW发电机出口而言，500 kV侧的母线短路计算结果为：
； ； ；
（1）电压校验：
                 （5-100）
（2）电流校验：
             （5-101）
                 （5-102）
（3）开断电流校验：
                （5-103）
根据（1）-（3）可以试选出500 kV侧3/2接线方式下的边断路器型号为SN4-500/2000。其相关参数如表5-1所示。
表5-1 断路器型号为SN4-550/2000的技术参数数据
型号        电压(kV)        额定电流(A)        额定断开容量( MVA)        额定断开电流(kA)        极限通过电流(kA)        热稳定电流(kA)        合闸时间(s)        固有分闸时间(s)        参考价格（元）
                                        峰值        有效        1s        4s        5s        10s                       
SN4-550/2000        550        2000        1500        29        75        43.5        43.5                30        21        0.3        0.14        854170
根据表5-1参数进行动稳定性校验，其中 ；不满足动稳定要求。因此，需要对边断路器型号进行更换。所以，选出500 kV侧断路器型号为SN4-550/5000。其相关参数如表5-2所示。
表5-2 断路器型号为SN4-550/5000的技术参数数据
型号        电压(kV)        额定电流(A)        额定断开容量( MVA)        额定断开电流(kA)        极限通过电流(kA)        热稳定电流(kA)        合闸时间(s)        固有分闸时间(s)        参考价格（元）
                                        峰值        有效        1S        4s        5S        10s                       
SN4-550/5000        550        5000        1800        105        300        173        173                120        85        0.35        0.15        1055500
根据表5-2参数进行动稳定性校验， ；满足动稳定要求。之后再进行热稳定校验。
热稳定性：t=5s，而：
                   （5-104）
根据资料， 7s，得：
7.701s                  （5-105）
                   （5-106）
                      （5-107）
而 ＜ ，故满足热稳定要求。
所以，选择2×600 MW发电机的500 kV侧输出侧的边断路器型号为SN4-500/5000。由于对于3/2接线方式而言，其中间母联断路器和边断路器的电压等级、额定载流量等参数完全相同，电气开关承载力完全相同，因此型号也相同。
综上所述，500 kV侧的边断路器和母联断路器的型号均选型为SN4-550/5000。
对500 kV侧的隔离开关而言，同样，其3/2接线中间母联断路器间隔隔离开关和边断路器间隔隔离开关的电压等级、额定载流量等参数完全相同，电气开关承载力也完全相同，因此型号也相同。其动热稳定校验方法和断路器类似，详细过程不再进行描述，经校验后最终选定GN8-550/5000型隔离开关。GN8-550/5000型隔离开关参数明细如表5-3所示。
表5-3 隔离开关型号GN8-550/5000的技术参数数据
型号        电压(kV)        额定电流(A)        极限通过电流(kA)        热稳定电流(kA)        参考价格（元）
                        峰值        有效        1S        4s        5S        10s       
GN8-550/5000        550        5000        200        115        115                120        85        258900

6  结论

本次设计完成了对石家庄华电发电厂电气部分设计的各项要求，包括电气主接线和厂用电接线的设计、变压器选择、短路电流计算、电气设备选型等。主要结论如下：
（1）根据2×600 MW的发电机容量和电压等级要求，确定采用双绕组变压器组成单元接线，并按发电机的容量且减去厂用电负荷的8%后仍留有10%的裕度来选择主变压器数量和容量，最终选择2台型号为SFP10-600000/550的主变压器。
（2）为使其满足电气主接线的要求及经济方面的要求，使发电机升压后的电压等级为550 kV，并采用3/2断路器接线方式。
（3）对短路电流进行了计算校验，并依据短路电流计算结果选择SN4-550/5000和GN8-550/5000分别作为500 kV侧的断路器和隔离开关。
本文虽然完成了华电发电厂主要电气部分的设计，但也只是掌握了其中很少的一部分，还有许多发电厂的设计工作需要完成，包括继电保护设计、保护接地设计等。我也将会在以后的工作、学习中不断学习相关知识，提高专业技术水平，增强应用能力，达到对专业内人员的要求。

参考文献

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