某热电厂扩建工程（电气部分）设计

电气信息学院

毕 业 题 目：专 业：年 级：学 生：学 号：指导教师：完成日期：设 计 说 明 书

某热电厂扩建工程（电气部分）设计 电气工程与自动化 08级自动化一班 张 尚 勇 312008080608112 郭 秀 丽 2012年5月30日

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目 录

1. 绪论 ....................................................................................................................................... 1 1.1 社会背景 .......................................................................................................................... 1 1.2 设计目的和意义 ...................................................................................................... 1 1.3 设计思路 ..................................................................................................................... 1 1.4 设计任务 ..................................................................................................................... 1 2. 设计总体方案 ....................................................................................................................... 2 2.1 设计规划 .......................................................................................................................... 2 2.1.1 设计依据 ................................................................................................................. 2 2.1.2 设计内容 ................................................................................................................. 2 2.1.3 设计成品与要求 ..................................................................................................... 2 2.2 原始资料分析 .................................................................................................................. 3 2.3 电压等级的确定 .............................................................................................................. 3 3. 电气主接线 ........................................................................................................................... 4 3.1 电气主接线的重要性 ...................................................................................................... 4 3.2 电气主接线设计的原则 .................................................................................................. 4 3.3 对电气主接线的基本要求 .............................................................................................. 5 3.4 电气主接线的确定 .......................................................................................................... 5 3.4.1 10kv系统接线方式的确定 ....................................................................................... 5 3.4.2 35kV系统接线方式的确定 ...................................................................................... 6 3.4.3 发电机接线方式的确定 ........................................................................................... 6 3.5 汽轮发电机的选择 .......................................................................................................... 8 3.5.1 汽轮发电机容量的选择 ........................................................................................... 8 3.5.2 汽轮发电机的主要参数 ........................................................................................... 8 3.6 主变压器的选择 .............................................................................................................. 8 3.6.1 主变压器容量和台数的选择 ................................................................................... 9 3.6.2 绕组连接方式的确定 ............................................................................................... 9 4. 厂用电系统 ......................................................................................................................... 11 4.1 厂用电的概述 ................................................................................................................ 11 4.2 对厂用电接线的要求 .................................................................................................... 11 4.3 厂用电的电压等级 ........................................................................................................ 12 4.3.1 按发电机容量、电压确定高压厂用电压等级 ..................................................... 12 4.4 厂用电源及其引接 ........................................................................................................ 12 4.4.1 工作电源 ................................................................................................................. 12 4.4.2 备用电源和启动电源 ............................................................................................. 13 4.5 厂用电接线形式 ............................................................................................................ 14 4.6 厂用变压器的选择 ........................................................................................................ 15 4.6.1 变压器的类型 ......................................................................................................... 15 4.6.2 额定电压 ................................................................................................................. 15 4.6.3 厂用变压器的容量 ................................................................................................. 16 4.6.4 厂用电主接线 ......................................................................................................... 16

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5. 短路电流计算 ..................................................................................................................... 18 5.1 短路电流计算概述 ........................................................................................................ 18 5.2 电力系统各主要元件等值阻抗的计算 ........................................................................ 18 5.2.1 发电机等值电抗 ..................................................................................................... 18 5.2.2 变压器的等值电抗 ................................................................................................. 19 5.3 计算电路图与等值电路图 ............................................................................................ 19 5.3.1 计算电路图 ............................................................................................................. 19 5.3.2 等值电路图 ............................................................................................................. 20 5.4 各短路点短路电流的计算 ............................................................................................ 20 5.4.1 f1短路点的计算 ...................................................................................................... 20 5.4.2 f2短路点的计算 ...................................................................................................... 21 5.4.3 f3短路点的计算 ...................................................................................................... 22 5.4.4 f4短路点的计算 ...................................................................................................... 24 6. 电气设备的选择与校验 ..................................................................................................... 26 6.1电气设备选择的一般条件 ............................................................................................. 26 6.1.1按正常工作条件选择电气设备 .............................................................................. 26 6.1.2 按短路状态校验 ..................................................................................................... 27 6.2 断路器和隔离开关的选择 ............................................................................................ 27 6.2.1 35kv侧QF1断路器和隔离开关QS1的选择 ....................................................... 27 6.2.2 10kv侧QF2断路器、隔离开关QS2的选择 ....................................................... 28 6.2.3 35kv侧QF3断路器、隔离开关QS3的选择 ....................................................... 30 6.2.4 10kv侧QF4断路器、隔离开关QS4的选择 ....................................................... 31 6.3 互感器的选择及校验 .................................................................................................... 32 6.3.1 35kV侧互感器的选择及校验 ................................................................................ 32 6.3.2 10kV侧互感器的选择及校验 ................................................................................ 33 6.4 绝缘子的选择 ................................................................................................................ 33 6.5 避雷器的选择 ................................................................................................................ 34 6.6 电气设备选择清单 ........................................................................................................ 34 7. 结论 ..................................................................................................................................... 35 8. 总结与体会 ......................................................................................................................... 36 9. 谢辞 ..................................................................................................................................... 37 10. 参考文献 ........................................................................................................................... 38 附录 外文资料翻译 ................................................................................................................ 39 译文 ....................................................................................................................................... 39 原文 ....................................................................................................................................... 43

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某热电厂扩建工程（电气部分）设计

摘要:本次设计为某热电厂扩建工程电气部分的一次设计，机组容量为2

36MW+1312MW。设计的主要内容包括：电气主接线（主变压器）方案的拟定、比较和选择；短路电流的计算；主要电气设备的选择及校验；厂用电系统的设计。本次设计根据对原始资料的分析，比较了10kV与35kV系统其各种主接线的可行性方案的可靠性、灵活性、经济性，并最终确定最优方案。接下来对厂用电系统的电压等级及接线方式进行了设计，然后短路电流计算按最严重的三相短路考虑，并根据短路计算结果来进行主要电气设备选择和校验，最后进行了主接线图的绘制。

关键词：热电厂，电气主接线，短路计算，电气设备

Abstract：This design is the electrical part of the design of a thermal power

plant expansion project, the Generators‘ Capacity is 236000kW and 1312000kW. This design is including: the development of electrical main line(the main transformers) scheme, comparison and selection; the main choice and check of electrical equipment and conductors ;the design of the electricity of the power plant. This design is based on the analysis of raw data to compare the 10kV and 35kV system of its various programs main connection reliability, flexibility, economy, and ultimately determine the optimal solution. Next，designed the Auxiliary power system voltage levels and wiring. Then,did the short-circuit current calculation , and according to the most serious three-phase short-circuit consideration.Based on the Result of the Short-circuit current calculation, selecting the main electrical equipment and checking it.Finally, drawing the the main wiring diagram.

Key words：Thermal power plants, electrical main connection, short circuit calculations,electrical equipment

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1. 绪论

1.1 社会背景

电能是现代社会中最重要、最方便的能源。电能具有许多优点，它可以方便地转化为其他形式的能源，例如机械能、热能、光能、化学能等；它的输送和分配易于实现；它的应用规模也很灵活。因此，电能被日益广泛地应用于工农业、交通运输业以及人民的日常生活中。

水力发电厂的建设和生产都要受到河流的地形、水量及季节气象条件的限制，因此发电量也受到水文气象条件的制约，发电不均衡。绿色能源发电在我国也开始应用，比如风力发电，太阳能发电，核能发电等。但这些新兴能源的发电量远远不能满足我国国民经济快速发展得需求。所以，在我国火力发电仍是主力军。

1.2 设计目的和意义

热电厂能够在满足供热需求的同时，将热能转换为电能，节约能源；而小型热电厂能够减少电能距离的传输，对当地居民和工厂供电；此外，小型热电厂还能就地调节电力系统的电压、频率等，保证电能质量。上述都是小型热电厂存在的实际意义。

本次设计就是针对一个小型热电厂的设计，设计的范围为电厂新建厂区内所有相关电气部分设计。

1.3 设计思路

本次设计者在大学四年期间认真地修完了电气工程与自动化专业的所有课程，掌握了使电力系统安全运行以及如何排除不正常运行故障的知识。能运用发电厂电气部分设计，电力系统分析，等专业知识完成本次设计。设计大体思路是先分析任务书，确定主接线方案，选择短路点并进行短路电流的计算，然后根据短路计算结果选择主要的电气设备，并绘制出电气主接线图。

1.4 设计任务

本次设计的主要任务包括：通过分析原始资料确定热电厂主接线形式、主变压器的型号。通过经济、技术的比较并确定最佳方案，合理的选择各电压等级的接线方式、确定厂用电的电压等级和接线方式。计算短路电流：合理选择计算短路点、利用计算曲线计算各点的短路电流、并列出计算结果表。合理地选择主要的电气设备：主变双侧的断路器和隔离开关闸、电压互感器、电流互感器、避雷器和绝缘子等。最终绘制电气主接线图。

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2. 设计总体方案

2.1 设计规划

2.1.1 设计依据

(1)某热电厂扩建工程任务书

(2)各专业提供的用电负荷及有关资料。 (3)与本专业有关的现行标准、规范和规定。 2.1.2 设计内容

(1)本工程的设计范围为电厂新建厂区内所有相关的电气部分设计。 (2)系统简况：

某热电厂位于绍兴市正在筹建中的某开发区内东部，现有装机容量为2x6MW抽凝发电机组。主要用于某镇的供热，发电通过10kV的二回电缆送入隔壁的马山35kV变电所。由于开发区用热的需要，本工程建3x130t/h循环流化床锅炉2x6MW背压机组和1x12000kW抽凝发电机组。

(3)电气主接线的确定级主变压器的选择

以电厂终期总装机容量较小，按简单、经济、可靠的要求，来考虑电气主接线方案。发电机组为2台6MW背压式汽轮发电机和1台12MW抽凝汽轮发电机

(4)厂用电系统 ①厂用电压等级的确定 ②厂用负荷计算及变压器选择 ③厂用电接线 (5)短路电流计算

因接入系统设计未完成，短路电流为估算值。 (6)主要电气设备的选择

根据短路电流计算结果，选择主要电气设备。包括：断路器、隔离开关、电流电压互感器、避雷器、绝缘子等。选用产品均能满足载流量、动稳定、热稳定及其他相关技术要求。

2.1.3 设计成品与要求

(1)编写说明书与计算书： ①说明书：选择的依据； ②计算与选择结果；

③计算书：主要的计算公式及计算过程。

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(2)绘制图纸 变电所主接线图。

2.2 原始资料分析

（1）根据原始资料分析，本次设计的热电厂的发电机容量为2x6MW+1x12MW,属于小型热电厂，而小型热电厂主要用于工厂和当地居民的供电。

（2）根据原始资料分析，本次设计的包括热电厂和变电所两个部分，热电厂的电压等级是10kV，并且通过两回电缆，送入25KV等级变电所，再通过变电所两回出线，送入系统。

2.3 电压等级的确定

众所周知，电力系统的能量输送是靠电力线路来完成的，当输送一定的功劳时，输电电压越高，电流越小，相应的导线载流部分的截面积越小，相应的导线投资越小；但电压越高，对耐压的绝缘要求越高，杆塔、变压器、断路器等的投资也越大。并且电力网电压等级的选择应符合国家规定的标准电压等级。我国现行规定的额定电压标准为：220、380V，3、6、10、35、110、220、330、500、750、10000kV。一般来说，输电网的主干线和相邻电网间的联络线多采用500、330和220KV等级，二级输电网采用220和110KV等级。35KV即用于城市和农村的配电网，也用于大工业企业内部电网。10KV是最常用的较低一级高压配电电压。综合经济技术比较，对应一定的输送功率和输送距离有一最适合的线路电压。各级电压送电线路的合理输送能力如表2-1所示：

表2—1 各级电压送电线路的合理输送能力 额定电压∕kV 3 6 10 35 60 输送容量∕MW 0.1~1.0 0.1~1.2 0.2~2 2~10 3.5~30 输送距离 ∕km 1~3 4~15 6~20 20~50 30~100 额定电压∕kV 110 220 330 500 700 输送容量 ∕MW 10~50 100~500 200~1000 800~2000 2000~2500 输送距离∕km 50~150 100~300 200~600 150~850 500以上 根据原始资料，本次设计属于小型热电厂，且输送距离很短，所以确定该热电厂的电压等级为：

厂用电侧6kV 发电机侧：10kV 系统并网侧35kV

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3. 电气主接线

电气主接线又称为电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。主接线代表了发电厂或变电站高电压、大电流的电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。它直接影响电力生产运行的可靠性、灵活性，同时对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式等诸多方面都有决定性的关系。因此，主接线设计必须经过技术与经济的充分论证比较，综合各个方面的影响因素，最终得到实际工程确认的最佳方案。

3.1 电气主接线的重要性

首先，电气主接线是电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据，因此电气运行人员必须熟悉本厂电气主接线图，了解电路中各种电气设备的用途、性能及维护、检察项目和运行的步骤。其次，电气主接线表明了发电机、变压器、断路器和线路等电气设备的数量、规格、连接方式及可能的运行方式。电气主接线直接关系着全场电气设备的选择、配电装置、几点保护和自动装置的确定，是发电厂电气部分投资大小的决定性因素。再次，由于电能生产的特点是：发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的，所以主接线的好坏，直接影响着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，也直接影响到工农业生产和人民的生活。

3.2 电气主接线设计的原则

发电厂和变电所的电气主接线是保证电网安全可靠、经济运行的关键，是电气设备布置和选择、自动水平及二次回路设计的原则和基础。电气主接线选择的主要要求是根据发电厂和变电所在系统中的地位和作用确定对主接线的可靠性、灵活性和经济性的要求。

电气主接线的设计原则一要以设计任务书为依据，二要以国家经济建设的方针、政策、技术规范和标准为准则。

（1）主接线的设计除考虑电网安全稳定运行的要求外，还应满足电网出现故障时应急处理的要求。

（2）各种配电装置接线的选择，要考虑配电装置所在发电厂或变电所的性质。电压等级、进出线回路数、采用的设备情况、供电负荷的重要性和本地区的运行习惯等因素。

（3）近期接线与远期接线相结合，方便接线的过度。 （4）进行必要额技术经济比较。

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3.3 对电气主接线的基本要求

对主接线的基本要求，概括地说应该包括可靠性、灵活性和经济性三方面。 (1)可靠性

发、供电的安全可靠，是电力生产的第一要求，主接线必须首先给予满足。主接线可靠性可从以下几个方面考虑：

①断路器检修时是否影响供电。

②断路器、母线或线路故障时以及母线或母线侧隔离开关检修时，停电线路数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。

③有没有使发电厂或变电所全部停止工作的肯能性。

④大型机组突然停运时，对电力系统稳定运行的影响与后果等。 (2)灵活性

主接线的灵活性主要体现在正常运行或故障情况下都能迅速改变接线方式，它包括调度灵活、检修灵活、扩建灵活、事故处理灵活。

(3)经济性

主接线在保证安全可靠、操作方便的基础上，尽可能地减少与接线方式有关的投资，使发电厂或变电站尽快地产生经济效益。

3.4 电气主接线的确定

3.4.1 10kv系统接线方式的确定

本次设计因为电厂终期装机容量为236MW+1312MW，装机容量较小，按简单、经济、可靠的要求，10KV系统可以采用两种接线方式：单母线和单母线分段接线。 方案一：单母线接线

图3.1 单母线接线

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单母线接线的优点是：接线简单，操作方便，设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。

单母线接线的缺点是：可靠性差，母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止运行；调度不方便，电源只能并列运行，不能分列运行。 方案二：单母线分段接线

图3.2 单母线分段接线

单母线分段接线的优点是：单母线用分段断路器QFD进行分段，可以提高供电的可靠性和灵活性。当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障隔离，保证正常段母线不间断供电，不致重要用户停电。

单母线分段接线的缺点是：当一段母线隔离开关故障或检修时，该段母线及回路全部停电。扩建时，需要向两个方向扩建。

方案比较：由于本次设计发电机组分为236MW背压式机组+1312MW抽凝发电机组，且采用2回电缆出线，为了保证系统的可靠性，综合考虑，10KV系统采用单母线分段的接线方式。

通常情况下，为了限制短路电流，简化继电保护，在降压变电站中，采用单母线分段接线时，低压侧母线分段器常处于断开状态，电源是分列运行的。 3.4.2 35kV系统接线方式的确定

同样是因点电厂装机容量较小，按简单、经济、可靠的要求，10KV系统两回电缆出线，分别接入35K系统；并且35KV系统也是两回出线，接入电网。综合考虑，35KV系统主接线也选用单母线分段的接线方式。 3.4.3 发电机接线方式的确定

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根据我国现行的规范和成熟的运行经验，再结合本次设计热电厂的实际情况，在满足可靠性，灵活性和经济性的条件下，发电机接线方式可有两种： 方案一：单元接线

图3.3 单元接线

单元接线的优点：接线简单，开关设备少，操作方便，主变压器与发电机容量相同，故障影响范围小，可靠性高；接线简单，清晰，运行灵活；发电机电压设备最少，布置简单，维护工作量小；继电保护简单。

单元接线的缺点：主变压器与高压电气设备增多，高压设备布置场地增加，投资大；主变故障时影响机组送电。适用范围：对可靠性很高的大型电站适用，而小电站只在一些特殊情况下采用。单机容量在45MW-80MW之间。

方案二：单母线断路器分段接线

图3.4 单母线断路器分段接线

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单母线断路器分段接线优点：当任意段母线及其所接隔离开关故障或检修时，另一段母线的机组可继续向电网送电，可靠性比单母线高：主变压器数量小，投资小，电能损耗小；接线简单，运行方便。

单母线断路器分段接线缺点：发电机电压配电装置原件多，增加检修工作量。 适用范围：在电网中占重要地位的小型电站采用，机组较多且具有区负荷电站采用。 方案比较：由于本次设计发电机组为236MW背压式机组和1312MW抽凝发电机组，且发电机直接接入10KV系统，不需要变压器，所以本次设计选择采用单母线断路器分段接线。

3.5 汽轮发电机的选择

3.5.1 汽轮发电机容量的选择

发电厂的机组容量应根据系统内总装机容量和备用容量、负荷增长速度、电网结构和制造厂供货情况等因素进行选择。在条件具备时，应优先采用大容量机组，但为使调度运行不致发生困难，最大机组一般不超过系统总容量的8%-10%。为方便于生产管理，一个厂房内的机组台数不宜超过6台，同容量机、炉应尽量采用同一制造厂的同一形式。 3.5.2 汽轮发电机的主要参数

目前，我国生产的汽轮发电机容量是以3、6、12、25、50、100、125、200、300MW和600MW等为系列的；主要参数有额定功率、额定电压、额定电流、功率因素、冷却方式、转速、同步电抗、瞬变电抗、超瞬变电抗等。

本次设计所用的汽轮机为236MW背压机组和1312MW抽凝发电机组其主要参数如表3-1所示：

表3-1汽轮发电机参数

额定容量∕功率 （SN∕PN）(MVA∕MW) 额定功率因数 cos? 电抗值（%） 'Xd ''Xd Xd 7.5/6.0 0.8 180~195 X0 5.5~7.8 X2 12~20 18~24 12~15 15/12 0.8 180~195 18~24 12~15 5.5~7.8 12~20 由于本次设计的热电厂发电机容量为6MW和12MW，而容量为50WM及以下的汽

''''轮发电机Xd的平均值为0.145，所以本次设计发电机的Xd取为0.145。

3.6 主变压器的选择

发电厂和变电所中，用于向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；用

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于两种升高电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本厂（所）用电的变压器，称为厂（所）用变压器。

主变压器容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的悬着除依据基础资料外，主要取决于输送功率的大小、与系统联系的紧密程度、运行方式及负荷的增长速度等因素，并至少要考虑5~10年负荷的发展需要。如果变压器容量选得过大、台数过多，则会增加投资，增大占地面积和损耗，不能充分发挥设备的效益，并增加运行和检修的工作量；如果容量选得过小、台数过少，则可能封锁发电厂剩余功率的输送，或限制变电所负荷的需要，影响系统不同电压等级之间的功率交换运行的可靠性。因此，应合理选择变压器的容量和台数。 3.6.1 主变压器容量和台数的选择

本次设计的热电厂发电机是出线是直接接入10KV母线，不是发电机单元接线，所以发电机出线不需要接变压器。本次设计要对变电所主变压器进行选择。变电所主变压器的容量一般按变电所建成后5~10年的规划负荷选择。为保证供电的可靠性，变电所一般装设2台主变压器。本次设计热电厂有10KV和35KV两个电压等级，且需要从35KV系统母线上接出一回备用电源，用作电厂扩建部分的启动和备用电源，所以本次设计需要3台主变压器。主变压器容量的计算公式为SN=1.1PN（1-KP）/cos?，KP为厂用电率，热电厂为8%~10%，KP这里取8%

1.1?2?6?(1?8%)SN??15.18MW (3-1)

0.83.6.2 绕组连接方式的确定

变压器的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式之一Y型和Δ型，高、中、低三侧绕组如何组合要根据具体工程来确定。

三相变压器的一组相绕组或连接成三相组的三相变压器的相同电压的绕组连接成星型、三角型、曲折型时，对高压绕组分别以字母Y\\D或Z表示，对中压或低压绕组分别以字母y、d或z表示。如果星型连接或曲折型连接的中性点是引出的，则分别以YN、ZN表示，带有星三角变换绕组的变压器，应在两个变换间用“-”隔开。

我国110kV以上电压，变压器的绕组都采用Y连接。35KV以下电压，变压器绕组都采用Δ连接。

综上考虑10KV和35KV电压等级及发电机容量，本次设计选用的主变压器型号为SF7-16000/35。

35kV级SF7系列三相油浸风冷式铜线电力变压器，供交流50Hz输配电系统中作为分配电能、交换电压之用，可供户内外连续使用。

该系列产品选用优质晶粒取向冷轧硅钢片，采用45°全斜接缝铁芯，芯柱采用环氧扎带冲孔。

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该系列产品绕组根据容量大小和电压等级，连续式和螺旋式两种，油箱采用钟罩式结构，即可方便用户检查器身，又增加了油箱的机械强度。冷却方式采用管式散热器和风扇冷却装置，用户可根据变压器负载大小，开启或关闭风扇冷却装置。

该系列产品为无载调压电力变压器，调压范围为±232.5，其主要参数如表3-2所示：

表3-2主变压器SF7-16000/35参数

型号 额定容量（KVA） 16000 电压组合（KV） 连接组标号 高 低压 压 38.5±232.5% 10.5 YNd11 空载负载损空载电短路阻损耗耗（KW） 流（%） 抗（%） （KW） 19.0 77 0.7 8 SF7-16000/35

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4. 厂用电系统

4.1 厂用电的概述

发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量以电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备（如锅炉、汽轮机或水轮机、发电机等）和输煤、碎煤、除灰、除尘及水处理的正常运行。这些电动机以及全厂的运行、操作、试验、检修、照明等用电设备都属于厂用负荷，总的耗电量，统称为厂用电。

厂用电的可靠性，对电力系统的安全运行非常重要。随着超超临界、超临界参数大容量机组、双水内冷发电机冷却方式、计算机实时控制的采用以及核电厂的出现，对厂用电的可靠性提出了更高的要求。提高厂用电可靠性的目的是使电厂长期无故障运行，不致因厂用电局部故障而被迫停机。为此必须认真考虑合理的厂用电源的取得方式，工作电源和接线方式。

厂用电耗电量占同一时期内全厂总发电量的百分数，称为厂用电率。厂用电率可计算为：

AP?100% (4-1) A式中：KP为某一时期的厂用电率（%）；AP为厂用电耗电量（kW2h）。

Kp?厂用电率是发电厂的主要运行经济指标之一。一般凝汽式火电厂的厂用电率为5%~8%，热电厂为8%~10%，水电厂为0.5%~1.0%。目前，1000MW超超临界发电机组的厂用电率为4.45%。降低厂用电率不仅能降低电能生成成本，同时可相应地增加对电力系统的供电量。

4.2 对厂用电接线的要求

厂用电接线的设计应按照运行、检修和施工的要求，考虑全厂发展规划，积极慎重地采用成熟的新技术和新设备，使设计达到经济合理、技术先进，保证机组安全、经济地运行。

厂用电接线应满足下述要求：

（1）供电可靠，运行灵活。厂用负荷的供电除了正常情况下有可靠的工作电源外，还应保证异常或事故情况下有可靠的备用电源，并可实现自动切换。要求无论在正常、事故、检修以及机组启停情况下均能灵活地调整运行方式，可靠、不间断地实现厂用负荷的供电。

（2）对200MW及以上机组应做到各机组的厂用电系统是独立的，任何运行方式下，一台机组故障停运，不应影响另一台机组的运行。

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（3）全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线，不应该存在可能导致切断多于一个单元机组的故障点，更不应该存在导致全厂停电的可能性。

（4）充分考虑发电厂正常、事故、检修、启停等运行方式下的供电要求，一般均应该配备可靠的启动/备用电源，尽可能地使切换操作简便，启动/备用电源能在短时内投入。

（5）供电电源应尽量与电力系统保持紧密的练习。当机组无法取得正常的工作电源时，应尽量从电力系统取得备用电源。

4.3 厂用电的电压等级

厂用电的电压等级是根据发电机额定电压、厂用电动机的电压和厂用电供电网络等因素，相互配合，经过技术经济综合比较后确定的。

为了简化厂用电接线，使运行维护方便，厂用电电压等级不宜过多。在发电厂中，低压厂用电压常采用380V，高压常用电压有3、6、10KV等。在满足技术要求的前提下，优先采用较低的电压，以获得较高的经济效益。

4.3.1 按发电机容量、电压确定高压厂用电压等级

（1）发电机组容量在60MW及以下，发电机电压为10.5kV，可采用3kV作为高压厂用电压；发电机电压为6.3kV，可采用6kV作为高压厂用电压。

（2）当容量在100~300MW时，宜选用6kV作为高压厂用电压。

（3）当容量在600MW以上时，经技术经济比较可采用6kV一级电压，也可采用3kV和10kV两级电压作为高压厂用电压。

本次设计的发电机组为236MW+1312MW的汽轮发电机组，容量都在60MW以下，发电机电压为10.5kV。由于国内目前大都采用6kV作为厂用电高压等级，所以本次设计也采用高压厂用电6kV，低压厂用电采用380V。

4.4 厂用电源及其引接

发电厂的厂用电源必须供电可靠，且能满足各种工作状态的要求，除应具有正常的工作电源外，还应设置备用电源、启动电源和事故保安电源。一般电厂中都以启动电源兼作备用电源。

4.4.1 工作电源

发电厂的厂用工作电源是保证正常运行的基本电源。通常，工作电源应不少于两个。现代发电厂一般都投入系统并联运行。若从发电机电压回路通过高压厂用变压器取得高压厂用工作电源，即使发电机组全部停止运行，仍可从电力系统倒送电能供给厂用电源。这种引接方式，供电可靠、操作简单、调度方便、投资和运行费都比较省。

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高压厂用电源从发电机回路的引接方式与主接线形式有密切联系。 方案一：直接从发电机所接母线引接

当主接线具有发电机电压母线时，则高压厂用电工作电源（厂用变压器或厂用电抗器）一般直接从母线上引线，如图4.1所示：

图4.1直接从发电机所接母线引接 图4.2从发电机主变压器低压侧引接

方案二：从发电机主变压器低压侧引接

当发电机和主变压器单元接线时，则厂用电工作电源从主变压器的低压侧引接，如图4.2所示。

低压厂用工作电源由高压厂用母线通过低压厂用变压器引接。若高压厂用电设有10kV和3kV两个电压等级，则低压厂用工作电源一般从10kV厂用母线引接。

本次设计主接线具有发电机电压母线，且发电机不是采用单元接线，所以采用方案一，直接从母线上引接。

4.4.2 备用电源和启动电源

厂用备用电源用于工作电源因事故或检修而失电时替代工作电源，起后备作用。备用电源应具有独立性和足够的供电容量，最好能与电力系统紧密联系，在全厂停电情况下仍能从系统取得厂用电源。

启动/备用电源的引接应保证其独立性，并且具有足够的供电容量。常用的引接方案有四种。

方案一：从发电机电压母线的不同分段上通过备用变压器引接；

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方案二：从发电机联络变压器的低压绕组引接；

方案三：从与电力系统联系紧密、供电最可靠的一级电压母线引接；

方案四：由外部电网引接专用线路，经过变压器取得独立的备用电源或启动电源。 方案比较：方案一适合于母线分段的情况下使用；方案二必须保证在机组全停的情况下能够获得足够的电源容量；方案三的可靠性较高，但是有可能要采用变比较大的启动/备用变压器，增大高压配电装置的投资而导致经济性差。

本次设计10kV系统（即发电机所接母线）是采用的单母线分段，所以采用方案一，从发电机电压母线的不同分段上直接引接，但可以不采用变压器，这样经济性较好；而对于本次设计的35kV系统，可由Ⅱ段母线上接出一回备用电源，经联络变压器接入10kV系统厂用电，再经过联络变压器接至3kV厂用电系统，作为启动/备用电源和电厂扩建部分启动和备用电源，如图4.3所示：

图4.3 备用电源和启动电源

4.5 厂用电接线形式

发电厂厂用电系统接线通常都采用单母线分段接线形式，并多以成套配电装置接受和分配电能。

火电厂的厂用电负荷容量较大，分布面广，尤其以锅炉的辅助机械设备耗电大，在采用母线管理制的中、小型发电厂中，往往机、炉的数量是不对应的，为了保证厂用电

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系统的供电可靠性和经济性，高压厂用母线均采用“按锅炉分段”的原则。

低压厂用母线一般也按锅炉分段，厂用电源则由相应的高压厂用母线供电。 对于125MW及以下机组，一般可在厂用电分支上按额定电流装设断路器、隔离关关或连接片，此时若发生故障，应立即停机。如图4.4所示：

图4.4厂用电源接线

4.6 厂用变压器的选择

4.6.1 变压器的类型

目前生产的厂用变压器有油浸式和干式两种。结合本设计的实际情况和现代厂用变压器的发展状况选用干式变压器。干式变压器的冷却介质是空气，没有爆炸和火灾蔓延的危险，布置灵活，维护方便，由于干式变压器的绝缘水平比相同电压等级的油浸式变压器低，因此不允许直接与架空线连接，否则要经过不短于500M的电缆或采用灭弧电压较低的避雷器作为进线保护。 4.6.2 额定电压

厂用变压器的额定电压应根据厂用电系统的电压等级和电源引接处的电压等级确定，变压器一、二次额定电压必须与引接电源电压和厂用网络电压相一致。结合本次设计实际情况，电源引线处的电压等级为10kV，厂用电源高压侧为6kV，所选变压器的一二次额定电压分别为10kV和6kV。

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4.6.3 厂用变压器的容量

为了合理正确地选择厂用变压器容量，需对每段母线上引接的电动机台数和容量进行统计和计算。厂用电负荷的计算方法常采用换算系数法，可计算为：

S=∑(KP)

式中：S为厂用母线上的计算负荷（kV2A）；P为电动机的计算功率（kW）；K为换算系数，可取表4-1中所列数值。

表4-1换 算 系 数 机组容量（MW） 给水泵及循环水泵电动机 凝结水泵电动机 其他高压电动机及低压厂用变压器（kV2A） 其他低压电动机 ≦125 1.0 0.8 0.8 0.8 ≧200 1.0 1.0 0.85 0.7 S1=(0.83632) 3110%=10.56MW S2=(0.8312) 3110%=10.56MW

所以本次设计厂用电变压器高压侧为10.5kV，低压侧为6kV，额定容量大于等于10.56MW。综合技术经济指标考虑，本次设计采用厂用变压器型号为S7-630/7，其主要参数如表4-2所示：

表4-2变压器SF7-16000/35主要参数 型号 额定容电压组合（KV） 连接组量标号 （KV高 低压 A） 压 630 10±5% 6.3 YNd11 空载负载损空载电短路阻损耗耗（KW） 流（%） 抗（%） （KW） 1.30 8.1 2.0 5.5 S7-630/7 4.6.4 厂用电主接线

经过以上方案比较，本次设计的厂用电主接线图如图4.5所示：

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图4.5厂用电主接线

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5. 短路电流计算

5.1 短路电流计算概述

短路是电力系统中常见的故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。正常运行时，除中性点外，相与相之间或相与地之间是绝缘的。如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，我们就称电力系统发生了短路故障。电力系统简单短路故障共有四种类型：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。短路是电力系统中十分严重的故障，短路结果将使系统电压降低、短路回路电流增大，可能破坏电力系统的稳定运行和损坏电气设备。本次设计主要计算三相短路，其计算目的是为了电气主接线方案的比较和选择、电气设备和载流导体的选择。短路电流的计算包括各主要元件电抗的计算、计算电路图和等值电路图的化简、转移电抗的计算、计算电抗的计算、短路电流曲线的应用等。

5.2 电力系统各主要元件等值阻抗的计算

本次设计的短路计算所取基准值为：基准功率SB=100MVA，基准电压VB=Vav. 5.2.1 发电机等值电抗

发电机的等值电路可用相应的电动势和电抗串联起来。发电机的电抗用短路起始瞬

''间电抗，即纵轴次暂态电抗Xd表示。各类发电机的此暂态电抗，产品目录中给出的为

标幺值，它是以发电机的额定参数为基准值的，当数据不全或作近似计算时可采用表5-1所列的平均值。

表5-1部分发电机次暂态电抗Xd平均值

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 类型 无阻尼绕组的水轮发电机 有阻尼绕组的水轮发电机 容量为50MW及以下的汽轮发电机 100MW及125WM的汽轮发电机 200MW的汽轮发电机 300MW的汽轮发电价 同步调相机 同步电动机 ''Xd ''0.29 0.21 0.145 0.175 0.145 0.167 0.16 0.15 本次设计的发电机容量为236MW+1312MW，共3台发电机，容量都为50MW以

''下，所以Xd=0.145,功率因数cos?=0.8.发电机等值电抗计算如下：

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SB=100MVA，VB=Vav

6612SN1==1.5MVA (5-1) ?7.5MVA，SN2=?7.5MVA，SN3=

0.80.80.8V2avS100XG1=X332B=0.1453=1.93 (5-2)

SN1VB7.5''d1XG2 =XG1=1.93

V2avS100XG3=X332B=0.1453=0.97 (5-3)

SN3VB15''d35.2.2 变压器的等值电抗

本次设计选用的主变压器型号为SF7-16000/35。主要参数为：额定容量SN=16MVA，短路阻抗VS%=8%，所以：

SB=100MVA，VB=Vav

VS%V2avS8100XT1=332B=3=0.5 (5-4)

SN1VB10010016XT1 =XT2=0.5

5.3 计算电路图与等值电路图

5.3.1 计算电路图

由于主接线10kV系统与35kV系统都采用单母线分段的接线形式，通常，为了限制短路电流，简化继电保护，在正常运行时，母线分段断路器常处于断开状态，电源是分列运行的，所以计算电路图可以分为a和b两部分，如图5.1所示：

图5.1 (a) (b)

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5.3.2 等值电路图

将计算电路图转化为等值电路图，并把各个元件的等值阻抗值标记，如图5.2所示：

图5.2等值阻抗

5.4 各短路点短路电流的计算

短路电流是对各短路点分别进行计算的，所以计算电路的等值电路，应根据各短路点分别拟出，化简；然后算出各电源对短路点的转移阻抗，根据转移阻抗计算出计算电抗；根据计算电抗查表得出短路周期电流的0 s，2s，4s的标幺值，根据标幺值算出短路电流的有名值，并列于表中。 5.4.1 f1短路点的计算 1.求转移阻抗

图5.3 等效阻抗图的化简

1.93?1.93=0.965； (5-5)

1.93?1.93X5=X4+X1=0.965+0.5=1.465 (5-6)

X4=X2与X3并联，X4=

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G12对f1的转移阻抗XG12=1.465 2.计算电抗

66?XJS12=1.465?0.80.8=0.22 (5-7)

1003.查短路电流周期分量计算曲线数字表，求短路电流的标幺值

t=0s时，IG120=4.938 t=2s时，IG122=2.561 t=4s时，IG124=2.444 4.短路电流的有名值

66?IB=0.80.8=0.225kA (5-8)

38.5?3If0=IG1203IB=4.93830.225=1.111kA (5-9) If2=IG1223IB=2.56130.225=0.576kA If4=IG1243IB=2.44430.225=0.550kA 计算结果列于表5-2：

表5-2 f1短路电流计算结果

电源 t=0s G1,G2合并 4.938 短路电流标幺值 t=2s 2.561 t=4s 2.444 t=0s 1.111 短路电流有名值/kA t=2s 0.576 t=4s 0.550 5.4.2 f2短路点的计算 1.求转移阻抗

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图5.3等效阻抗图的化简

XG1=1.93， XG2=1.93 (5-10) 2.计算电抗

6XjSG1=1.93?0.8?0.14 (5-11)

1006XJSG2=1.93?0.8?0.14

1003.查短路电流周期分量计算曲线数字表，求短路电流的标幺值

t=0s时，IG10=7.718，IG20=7.718 (5-12) t=2s时，IG12=2.808，IG22=2.808 t=4s时，IG14=2.526，IG24=2.526 4.短路电流的有名值

6IB=0.8=0.412kA (5-13) 10.5?3If0=(IG10+IG20)3IB=(7.718+7.718)30.412=6.36kA (5-14) If2= (IG12+IG22)3IB=(2.808+2.808)30.412=2.31kA If4= (IG14+IG24)3IB=(2.526+2.526)30.412=2.08kA 计算结果列于表5-3：

表5-3 f2短路电流计算结果

电源 t=0s G1 G2 G1和G2 7.718 7.718 14.36 短路电流标幺值 t=2s 2.808 2.808 5.616 t=4s 2.526 2.526 5.052 t=0s 3.18 3.18 6.36 短路电流有名值/kA t=2s 1.155 1.155 2.31 t=4s 1.04 1.04 2.08 5.4.3 f3短路点的计算 1.转移阻抗

X3=X1与X2串联，X3=X1+X2=0.5+0.97=1.47 (5-15)

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图5.4等值电抗图的化简

2.计算电抗

12XjsG3=1.47?0.8?0.22 (5-16)

1003.查短路电流周期分量计算曲线数字表，求短路电流的标幺值

t=0s时，IG30=4.938 (5-17) t=2s时，IG32=2.561 t=4s时，IG34=2.444 4.短路电流的有名值

66?IB=0.80.8=0.225kA (5-18)

38.5?3If0=IG303IB=4.93830.225=1.111kA If2=IG323IB=2.56130.225=0.576kA If4=IG343IB=2.44430.225=0.550kA 计算结果列于表5-4：

表5-4 f 3短路电流计算结果

电源 短路电流标幺值 t=0s G3 4.938 t=2s 2.561 t=4s 2.444 短路电流有名值/kA t=0s 1.111 t=2s 0.576 t=4s 0.550 第 23 页

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5.4.4 f4短路点的计算 1.转移阻抗

图5.5等值电抗图

XG3=0.97 2.计算电抗

12XJSG3=0.97?0.8?0.146 (5-19)

1003.查短路电流周期分量计算曲线数字表，求短路电流的标幺值

由于查表只能得到计算电抗为0.14与0.16的短路电流标幺值，所以这里要用到斜率法来求XJSG3=0.146时的短路电流标幺值。查表所得数据如表5-5所示：

表5-5查表数据

XJS 0.14 0.16 0S 7.718 6.763 2S 2.808 2.706 4S 2.526 2.490

图5-5 0s时计算电抗与短路电流标幺值的斜率图

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设y=kx+b，则根据坐标图上两点可列出两个方程

7.718=0.14k+b (5-20) 6.763=0.16k+b (5-21) 由方程（5-20）、（5-21）解得:k=-47.45,b=14.403

即y=-47.75x+14.403 (5-22) 当Xjs=0.146时，IG30=7.4315 同理可得：

t=0s时，IG30=7.4315 (5-23) t=2s时，IG32=2.777 t=4s时，IG34=2.515 4.短路电流的有名值

12IB=0.8?0.8248kA (5-24) 10.5?3If0=IG303IB=7.43230.8248=6.13kA (5-25) If2=IG323IB=2.77730.8248=2.29kA If4=IG343IB=2.51530.8248=2.074kA: 计算结果列于表5-6：

表5-6 f4短路电流计算结果

电源 t=0s G3 7.432 短路电流标幺值 t=2s 2.777 t=4s 2.515 t=0s 6.13 短路电流有名值/kA t=2s 2.29 t=4s 2.074

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6. 电气设备的选择与校验

电气设备的选择是变电所电气设计的主要内容之一，正确的选择电气设备的目的是为了使导体和电器无论在正常情况或故障情况下，均能安全、经济合理的运行。在进行设备选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。

6.1电气设备选择的一般条件

尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。 6.1.1按正常工作条件选择电气设备 (1)额定电压

电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.1~1.5倍，而电网运行电压的波动范围，一般不超过电网额定电压的1.15 倍。因此，在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压USN的条件选择，即：

UN≥USN (6-1)

(2)额定电流

电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即：

IN≥Imax (6-2)

由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，输出功率可保持不变，故其相应回路的Imax应为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍：若变压器有过负荷运行可能时，Imax应按过负荷确定：母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax；母线分段电抗器的Imax应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50%~80%；出线回路的Imax除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。 (3)环境条件

选择电气设备时，还应考虑其安装地点的环境条件，当气温、风速、污秽、海拔高度、地震烈度、覆冰厚度等环境条件超过一般电气的基本使用条件时，应采取相应的措施。

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6.1.2 按短路状态校验

(1)短路热稳定校验

短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。满足热稳定的条件为：

It2t?Qk (6-3)

式中：Qk为短路电流产生的热效应；It、t分别为电气设备允许通过的热稳定电流和时间。

(2)动稳定校验

当电气设备中有短路电流通过时，将产生很大的电动力，可能对电气设备产生严重的破坏作用。因此，各制造厂所生产的电器，都用最大允许的电流的幅值imax或最大有效值Imax表示其电动力稳定的程度，它表明电器通过上述电流时，不至因电动力的作用而损害。满足动态稳定的条件为

ish≤imax或Ish≤Imax (6-4)

式中ish及Ish——三相短路时的冲击电流及最大有效值电流。

电气设备的选择除了要满足上述技术数据要求外，尚应根据工程的自然环境、位置（气候条件、厌恶、化学污染、海拔高度、地震等）、电气主接线极短路电流水平、配电装置的布置及工程建设标准等因素考虑。

(3)短路计算时间

热稳定短路计算时间tk。该时间用于检验电气设备在短路状态下的热稳定，其值为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开段时间tbr之和，即

tk=tpr+tbr (6-5)

6.2 断路器和隔离开关的选择

6.2.1 35kv侧QF1断路器和隔离开关QS1的选择 (1)短路热稳定计算

短路热稳定计算时间为tk，本次设计取tk=4s，由于tk>1s，不计非周期热效应。短路电流的热效应Qk等于周期分量热效应Qp,即

22I\?10Itk/2?ItkQk?tk (6-6)

12根据表5-2数据得：

22I\?10Itk(1.1112?10?0.5762?0.5502)/2?ItkQk?tk=?4?1.168(kA2?s) (6-7)

1212(2)短路冲击电流

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短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，以ish表示。短路冲击电流主要用来检验电气设备的电动力稳定度。

短路冲击电流为：

ish?1.92I\ (6-8)

根据表5-2数据得：

ish?1.92I\=1.9?2?1.111?2.985kA (6-9)

根据断路器有关参数与计算结果比较，QF1选择ZN-35/630型断路器、GW4-35/630型隔离开关合格。

表6-1 QF1断路器、隔离开关QS1选择结果

计算数据 USN 35kV Imax 129.9A ZN-35/630型断路器 UN 35kV IN 630A INbr 8kA INcl 20kA GW4-35/630型隔离开关 UN 35kV IN 630A — — I'' 1.111kA ish 2.985kA Qk 1.618（kA）22s ish 2.985kA It2?t 82?4?256(kA)2?s ies 20kA It2?t 202?4?1600(kA)2?s ies 50kA (3)动稳定校验：

ish=2.985kA<20kA，断路器动稳定满足要求； ish=2.985kA<50kA，隔离开关动稳定满足要求。

(4)热稳定校验：

22I\?10Itk(1.1112?10?0.5762?0.5502)/2?ItkQk?tk=?4?1.168(kA2?s) (6-10)

1212断路器It2?t=82?4?256(kA)2?s，Qk

10kV系统为发电机所接母线，须选择发电机出口断路器。 发电机最大持续工作电流为：

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Imax?1.05PN3UNcos? (6-11)

式中：PN为发电机容量，UN为发电机额定电压，cos?为发电机的功率因素角； 所以：

Imax1.05?12?103?=?865.98A (6-12)

3UNcos?3?10.5?0.81.05PN(2)短路热稳定计算

根据表5-3数据得：

22I\?10Itk6.362?10?2.312?2.082/2?ItkQk?tk=?4?33.88(kA2?s) (6-13)

1212(3)短路冲击电流

根据表5-3数据得：

ish?1.92I\=1.9?2?6.36?17.09kA (6-14)

根据断路器有关参数与计算结果比较，QF2选择ZN-10Ⅱ/1000型断路器、GN19-10/1000型隔离开关合格。

表6-2 QF2断路器、QS2隔离开关选择结果

计算数据 USN 10kV Imax 865.98A ZN-10Ⅱ/1000型断路器 UN 10kV IN 1000A INbr 20kA INcl 50kA GN19-10/1000型隔离开关 UN 10kV IN 1000A — — I'' 6.36kA ish 17.09kA Qk 33.88（kA）22s ish 17.09kA It2?t 202?4?1600(kA)2?s ies 50kA It2?t 31.52?4?3969(kA)2?s ies 80kA (4)动稳定校验：

ish=17.09kA<50kA，断路器动稳定满足要求； ish=17.09kA<80kA，隔离开关动稳定满足要求。

(5)热稳定校验：

22I\?10Itk6.362?10?2.312?2.082/2?ItkQk?tk=?4?33.88(kA2?s) (6-15)

1212 第 29 页

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断路器It2?t=202?4?1600(kA)2?s，Qk

隔离开关It2?t=31.52?4?3969(kA)2?s(kA)2?s，Qk

6.2.3 35kv侧QF3断路器、隔离开关QS3的选择 (1)短路热稳定计算

根据表5-4数据得：

22I\?10Itk?I(1.1112?10?0.5762?0.5502)/2tkQk?tk=?4?1.168(kA2?s) (6-16)

1212(2)短路冲击电流

根据表5-4数据得：

ish?1.92I\=1.9?2?1.111?2.985kA (6-17)

根据断路器有关参数与计算结果比较，QF1选择ZN-35/630型断路器、GW4-35/630型隔离开关合格。

表6-3 QF3断路器、隔离开关QS3选择结果

计算数据 USN 35kV Imax 129.9A ZN-35/630型断路器 UN 35kV IN 630A INbr 8kA INcl 20kA GW4-35/630型隔离开关 UN 35kV IN 630A — — I'' 1.111kA ish 2.985kA Qk 1.618（kA）22s ish 2.985kA It2?t 82?4?256(kA)2?s ies 20kA It2?t 202?4?1600(kA)2?s ies 50kA (3)动稳定校验：

ish=2.985kA<20kA，断路器动稳定满足要求； ish=2.985kA<50kA，隔离开关动稳定满足要求。

(4)热稳定校验：

22I\?10Itk(1.1112?10?0.5762?0.5502)/2?ItkQk?tk=?4?1.168(kA2?s) (6-18)

1212断路器It2?t=82?4?256(kA)2?s，Qk

第 30 页

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隔离开关It2?t=202?4?1600(kA)2?s，Qk

Imax1.05?12?103?=?865.98A (6-19)

3UNcos?3?10.5?0.81.05PN(2)短路热稳定计算

根据表5-6数据得：

22I\?10Itk6.132?10?2.292?2.0742/2?ItkQk?tk=?4?31.44(kA)2?S (6-20)

1212(3)短路冲击电流

根据表5-6数据得：

ish?1.92I\=1.9?2?6.13?16.47kA (6-21)

根据断路器有关参数与计算结果比较，QF3选择ZN5-10Ⅱ型断路器、GN19-10/1000型隔离开关合格。

表6-4 QF4断路器、QS4隔离开关选择结果

计算数据 USN 10kV Imax 865.98A ZN5-10Ⅱ型断路器 UN 10kV IN 1000A INbr 20kA INcl 50kA GN19-10/1000型隔离开关 UN 10kV IN 1000A — — I'' 6.13kA ish 16.47kA Qk 31.44（kA）22s ish 16.47kA It2?t 202?4?1600(kA)2?s ies 50kA It2?t 31.52?4?3969(kA)2?s ies 80kA (4)动稳定校验：

ish=16.47kA<50kA，断路器动稳定满足要求； ish=16.47kA<80kA，隔离开关动稳定满足要求。

(5)热稳定校验：

22I\?10Itk6.132?10?2.292?2.0742/2?ItkQk?tk=?4?31.44(kA)2?S (6-22)

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断路器It2?t=202?4?1600(kA)2?s，Qk

6.3 互感器的选择及校验

互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、100/3V）和小电流（5、1A），其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。

为了确保工作人员在接触测量仪表和继电保护装置时的安全，互感器的每一个二次绕组必须有一可靠的接地，以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。 6.3.1 35kV侧互感器的选择及校验

(1)电压互感器一次侧的额定电压UN1，应大于或等于所接电网的额定电压UNW。选用的电压互感器型号为JDX7-35。

表6-5 JDX7-35型电压互感器主要参数

型号 额定电压（kV） 一次绕组 JDX7-35 353 二次绕组 0.1/3 1000 最大容量（VA） (2)根据电流互感器安装处的电压、最大工作电流和安装地点的要求，查表选择的电流互感器型号为LQZ-35。

表6-6 LQZ-35型电流互感器主要参数

型号 额定电流 比 级次组 准确合 度 级 电流（kA） LQZ-35 30/5 0.5/D 0.5D — 倍数 65 1s热稳定 电流（kA） 倍数 — 100 动稳定 3.热稳定应满足的条件为：

(KtIN1)2t?Qk (6-23)

Qk=1.168(kA)2?s?(65?0.03)2?3.8(kA)2?s，热稳定性满足要求。 4.动稳定应满足的条件为：

(Kes2IN1)?ish (6-24)

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ish=2.985kA?(100?2?0.03)?4.24kA，动稳定性满足要求。

6.3.2 10kV侧互感器的选择及校验

(1)电压互感器一次侧的额定电压UN1，应大于或等于所接电网的额定电压UNW。选用的电压互感器型号为JDZ12-10。

表6-7 JDX7-35型电压互感器主要参数

型号 额定电压（kV） 一次绕组 JDZ12-10 10 二次绕组 0.1 800 最大容量（VA） (2)根据电流互感器安装处的电压、最大工作电流和安装地点的要求，查表选择的电流互感器型号为LA-10。

表6-8 LA-10型电流互感器主要参数

型号 额定电流 比 级次组 合 准确度 级 电流（kA） LA-10 100/5 0.5/3 0.5 — 倍数 90 1s热稳定 动稳定 电流（kA） — 倍数 160 (3)热稳定应满足的条件为：

(KtIN1)2t?Qk (6-25)

Qk=33.88(kA)2?s?(90?0.1)2?81(kA)2?s，热稳定性满足要求。

(4)动稳定应满足的条件为：

(Kes2IN1)?ish (6-26)

ish=17.09kA?(160?2?0.1)?22.63kA，动稳定性满足要求。

6.4 绝缘子的选择

本次设计采用高压户外支柱绝缘子，高压户外支柱绝缘子分为针式和棒式两种。 针式绝缘子属于空心可击穿结构，较笨重，易老化，制造不方便，已逐渐被淘汰；棒式绝缘子为实心不可击穿式结构，一般不会沿瓷件内部放电，在运行中不必担心瓷体被击穿。它与同级电压的针式绝缘子相比，具有质量轻、尺寸小，便于制造和维护的优点。本次设计10kV系统选择ZS-10/4型绝缘子，35kV系统选择ZS-35/4型绝缘子。

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表6-9普通户外棒式支柱绝缘子技术数据

型号 额定电压（kV） 适用海拔高度 工频试验电压有效值不小于（kV） 干耐受 ZS-10/4 ZS-35/4 10 35 1000 1000 47 100 湿耐受 34 85 80 195 4 4 全波冲击试验机械破坏抗弯电压幅值（kV） 负荷不小于（kN） 6.5 避雷器的选择

避雷器保护电气设备免受大气过电压的电器。避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。避雷器由顶盖、基本元件和绝缘底座三部分组成。110kV以上产品带有均压环，220kV以上的产品还有绝缘拉杆。

本次设计结合实际的经济技术指标，10kV系统选用FZ-10型避雷器，35kV系统选用FZ-35型避雷器。FZ、F2Z系列普通阀式避雷器，用于保护相应额定电压的交流变配电站设备的绝缘，免受大气过电压的损害。

表6-10 FZ-10,FZ-35型普通阀式避雷器技术参数

型号 额定电压有效值（kV） 灭弧电压有效值（kV） 工频放电电压1.5/20us冲击有效值（kV） 放电电压峰值 不大于（kV） 不小于 FZ-10 FZ-35 10 35 12.7 41 26 82 不大于 31 98 45 134 8/20us雷电冲击残压峰值不大于（kV） 5kV 45 134 10kV 50 148 6.6 电气设备选择清单

电气设备选择结果如表6-11：

表6-11电气设备选择清单 F1（10kV侧） F2（35kV侧） F3（10kV侧） F4（35kV侧） 断路器 ZN-35/630 ZN-10Ⅱ/1000 ZN-35/630 ZN5-10Ⅱ 隔离开关 GW4-35/630 GW19-10/1000 GW4-35/630 GW19-10/1000

电压互感器 JDX7-10 JDX7-35 JDX7-10 JDX7-35 电流互感器 LA-10 LQZ-35 LA-10 LQZ-35 绝缘子 ZS-10/4 ZS-35/4 ZS-10/4 ZS-35/4 避雷器 FZ-10 FZ-35 FZ-10 FZ-35

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7. 结论

经过了三个多月自己的努力和认真学习，通过大量查阅资料，并在老师的悉心指导下和同学的帮助下，我按时完成了本次某热电厂扩建工程（电气部分）的设计。本次设计的机组容量为236MW+1312MW，我通过对原始资料的分析，拟定了初步的主接线方案和主变压器的选择，并通过方案的比较和论证，最终确定了最优方案，并通过短路电流的计算选择了主要电气设备。本次设计是一个小型热电厂的设计，本着小型热电厂要经济简单的原则，我选择了单母线分段的主接线形式，并且方便热电厂日后的扩建，但系统的可靠性还有待提高。通过对短路点的计算，选择了10kV和35kV侧的断路器，隔离开关及互感器等主要电气设备。由于原始资料不完善，本次设计并没有选择裸导线及其保护。由于本次设计发电机是直接接入10kV母线，我选择了直接从10kV母线接厂用电源的最佳方案，根据国内主要厂用变压器的选择，厂用电高压侧电压确定为6kV；但本次设计并未设计厂用电低压侧部分的设计。总体来看，本次设计在满足236MW+1312MW小型热电厂电气部分简单经济的设计原则上，主接线方案的设计，主要电气设备的选择和厂用电部分的设计基本达到预期的要求。

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8. 总结与体会

本次设计已经结束，设计结果基本上满足设计要求。在本次设计之前，我认为毕业设计只是对我大学四年所学知识的一个总结和运用，但经过本次设计之后，我才发现当初的认识是很片面的，因为毕业设计不仅是对我大学四年所学知识的综合运用，还是对自身能力提升。本次设计的题目是某热电厂扩建工程（电气部分）的设计，通过对相关资料的查阅，我不仅知道了目前一些小型热电厂存在的意义，而且还对国家电力的发展有了新认识，对以后我的工作是十分有益的，而这些知识是我以前在书本上学不到的。

通过本次设计，对我大学四年所学专业知识是一个巩固，在设计过程中遇到的种种难题让我清楚地认识到我的专业知识是那么的薄弱与欠缺，虽然在老师的指导和同学的帮助下解决了困难，但我要进一步学习和巩固专业知识，为以后的工作打好良好的基础。

本次设计还教会了我查阅资料和快速学习的能力。以前查阅资料总是漫无目的。通过这次设计，使我学会，在遇到困难时，先要清楚地知道这是什么样的困难，再针对性地区查阅相关资料，才会有事半功倍的效果。另外就是快速学习的能力，本次设计中画图都是用的CAD软件，在此之前我是没碰过CAD软件的，通过本次设计，使我针对电力线路元件图，针对性地快速地学会运用CAD软件制图，我想这是对我非常有帮助的。

虽然本次设计主要还是我自己学习，但对我的人际关系也帮助不少。首先是我的指导老师郭老师由于是弱电方向的老师，所谓术业有专攻，在郭老师的帮助下，我找到了教学强电方向的陶老师和邢老师帮我解决设计中遇到的种种问题，很是感激。还有就是与专业同学专业知识的交流和学习资料的共享，让我更加明白团队团结的力量，我相信这一点也会对我以后的工作学习有莫大的帮助。

总之，在这次设计中最大的受益者是我自己。我不仅在这次毕业设计中发现了我学习和专业知识的薄弱之处，而且我学会了如何理论与实际相结合，明白了这次毕业设计的目的。这次毕业设计是我自己够独立的分析问题、解决问题，使理论知识与工程实际相联系，并达到对知识的融汇和贯通及合理应用。

通过这次设计，我进一步领会电力工业建设中的政策观念和经济技术观念，以及对工程技术中的技术和经济问题，能够进行比较全面的综合分析。使我对电力系统有了一个整体和具体的了解，这对我今后工作中有积极的意义。

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9. 谢辞

在本次设计中，我遇到了前所未有的困难。对于缺乏实际经验的大学生来说，实际电厂的设计会有很多考虑不到的地方，我拿到题目的那一刻，真的不知道如何下手。幸好有各位指导老师悉心的指导和各位同学热心的帮助，我才按时完成了我的毕业设计。

在这里，我首先要感谢的是我本次毕业设计的指导老师郭秀丽老师。在选题和设计之初，由于我当时考研和找工作的任务，郭老师相当理解，允许我先完成好考研和工作的事情，再全心投入到毕业设计中来，这一点我十分感激！在设计期间，郭老师在繁忙的工作之余，在照顾家庭的琐碎之中还抽出宝贵的时间为我解答疑问，查阅相关资料，修改毕业设计，并帮助我联系陶老师和邢老师，让我设计中遇到的问题及时得到解决。

再次，我要感谢我的两位专业指导老师，陶老师和邢老师。陶老师和邢老师在带自己毕业设计学生之余，耐心地为我分析毕业设计题目，引导我一步一步地进行毕业设计，并帮助我查阅了主接线图和配电装置图的资料。陶老师在每周四中午放弃休息时间，为我解答设计中的疑问；邢老师为我参考短路电流计算负荷选择的方案，等等等等。要不是各位老师的悉心指导，我要想完成这次设计是难以想象的。在这里，我十分感谢各位老师的指导！还有各位老师严谨的作风和耐心为我们同学授业解惑的奉献精神，也是值得我一生来学习的！

然后还要感谢大学四年来所有的老师们，是你们甘于奉献，为我们传道授业解惑，为我们打下扎实的电力专业知识的基础；同时还要感谢我所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，我此次毕业设计才会顺利完成。谢谢大家！

最后我要感谢西华大学电气信息学院四年来对我的大力栽培！愿母校越来越好！

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10. 参考文献

[1]邱晓燕、刘天琪．电力系统分析理论[M] ．2005

[2]何仰赞．电力系统分析第二版华中理工大学出版社[M] ．1996 [3]熊信银．发电厂电气部分[M]．北京：中国电力出版社，2004

[4]傅知兰．电力系统电气设备选择与实用计算[M] ．中国电力出版社，2004 [5]王锡凡．电力工程基础[M] ．西安交通大学出版社，1998 [6]吴希再．电力工程[M] ．华中科技大学出版社，2004 [7]牟道槐．发电厂变电站电气部分[M] ．重庆大学出版社，2003 [8]郭琳．发电厂电气部分课程设计[M] ．2009

[9]电力工业部．电力规划设计院.电力系统设计手册[M] ．中国电力出版社 [10]西北电力设计院．电力工程设计手册[M] ．中国电力出版社，2004 [11]西北电力设计院．电力工程电气设备手册[M] ．中国电力出版社，1989

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附录 外文资料翻译

译文

谐波

服务的可靠性和电能质量已成为越来越多设施经理的关注，尤其是随着电子设备和自动化控制灵敏度提高了很多。有几种类型的电压波动可能导致问题，包括浪涌和尖峰，凹陷，谐波失真，一时中断。谐波可能导致敏感的设备出现故障和其他问题，包括变压器、线路和断路器过热传输滋扰，并降低功率因数。

什么是谐波？

谐波电压和电流的频率在正常正弦电压和电流波形时为最佳。通常，这些谐波频率是基本频率，这里是60赫兹，在美国和加拿大（赫兹）的倍数。谐波失真的最常见的来源是使用电子设备开关电源，如电脑，调速器，以及高效率的电子灯用镇流器。

谐波也造成了这些“开关负载”（也称为“非线性负载”，因为目前不随电压变化，因为它是简单的电阻和负荷的反应）：每次电流接通和关断时间使电流脉冲产生。由此产生的脉冲波形组成的谐波频率频谱，包括60赫兹和它的倍数。从这个电压畸变到失真，结果目前通常反应在系统阻抗。（阻抗是完全对立的措施—电阻，电容和电感—交变电流。）在更高频率的波形，统称为总谐波失真（THD），不执行任何有用的工作，也可以成为重要的滋扰。

谐波波形的特点是其振幅和谐波级次。在美国和加拿大，三次谐波为180赫兹或3 3 60赫兹和第五次谐波为300赫兹（5 3 60赫兹）。第三谐波（和它的倍数）是在单相负载电路的最大问题例如电脑和传真

谐波的相关问题

任何配电线路服务在现代电子设备都存在某种程度的谐波频率。谐波并不总是导致问题，但是这些现代设备或其他非线性负载的功率越大，电压失真的程度就越厉害。由于谐波的潜在问题（或者症状）包括：

敏感设备故障 随机断路器跳闸 闪烁灯

非常高的中性电流 过热相导体，面板，变压器

过早失效的变压器，不间断电源（UPS） 降低功率因数

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降低系统的能力（因为谐波创造更多的热量，变压器和其他配电设备不能进行全额定负载）

辨别问题

没有明显症状例如断路器和变压器过热的滋扰，你如何确定引起谐波电流或电压的原因是值得关注？下面是简单的几点建议，设施经理或职员可以采取比较便宜电工测量，从插座向上检查：

测量峰值和均方根（RMS）的一个样本的容器电压。这“波峰因素”就是峰值比电压。对于一个完全正弦电压，波峰因素将是1.4倍低波峰因素是谐波的存在明确的指标。请注意，这些测量必须“真有效值”米——并不假设完全正弦波。

检查配电板。移开面板覆盖 及用眼睛检查有过热迹象的组成部分，包括变色或消退绝缘端子螺丝。如果你看见任何的这些特征，检查连接紧张（因为松散的连接也可导致过热），并比较各导体电流的评级。

测量阶段用嵌入的探头间接对不带电的互感器进行测量。如果没有谐波生成，中性线的三相配电系统目前只有相电流的不平衡。在一个均衡的三相配电系统，相电流将非常相似，而在中性导体电流应远低于目前的阶段，远远低于其额定电流容量。如果相电流类似，中性线的电流大幅度的不平衡，谐波存在。如果中性电流超过百分之七十的额定值，你需要来解决问题。

比较变压器温度和温度的上升和铭牌额定容量负荷。如果谐波电流高，即使是轻负载变压器也会过热。变压器是接近或超过其额定温度上升，但远低于其额定容量装载是一个明显的迹象，表明谐波在工作。（许多变压器有内置的温度传感器, 如果你没有谐波，红外热像仪可以用来检测过热。）

除了这些简单的测量，有很多电力监控设备，现在市面上的生产厂家制造了各种测量和记录谐波等级的仪器。这些仪器为总谐波失真提供详细资料，以及关于个别谐波频率的强度。之后采取适当的测量以确定是否有高水平的谐波，如果有的话，要查找原因，您需要做好充分准备，选择最佳的解决方案。

谐波问题的解决方案

最好的处理谐波的方法是通过预防：选择设备及安装方法，尽量减少谐波在任何一个电路或部分设施的等级。许多电能质量问题，其中包括因谐波造成的，它发生在新设备随意添加到就系统中。然而，即使在现有的设施，这些问题通常可以用简单的解决方案，解决例如确定劣质或不存在的个别设备或整个基础设施，需要在分支电路之间移除一些负载，或增加额外的电路，以帮助隔离引起的谐波失真的敏感设备。如果措施解决不了这些简单的问题，有两种基本选择：加强分散系统承受的谐波或者安装设备，减轻或消除谐波。加强分散意味着安装双尺寸中性线或分割每一阶段单独中性线，和/或安装特大型或Krated变压器，使得允许有更大的散热量。还有谐波级断路器和仪表盘，其目

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的是防止由于谐波导致过热。此选择通常更适合于新的设施，由于改型目前的设备的花费同样是值得注意的。减少谐波的策略，从廉价到昂贵，包括无源谐波滤波器，隔离变压器，谐波（HMTs）减轻变压器，由谐波有限公司提供的谐波抑制系统（高速钢），和有源滤波器。

无源滤波器（也称为陷阱），包括设备提供低阻抗路径转移到地面和设备设备提供了较高的阻抗路径阻止谐波流。这两种设备的必要性，改变他们在其中插入电路的阻抗特性。另一种被动谐波技术的缺点是，顾名思义，他们无法适应其运行电力系统的变化。这意味着改变电力系统（例如增加或去除功率因数校正电容器或更多的非线性负载）此外可能导致他们超负荷或引起“共振”，这实际上可以放大而不是减少谐波。

相反有源谐波滤波器不断调整响应监测到的谐波电流的大小，他们会不会引起共鸣。就像在汽车自动变速器，有源滤波器的设计，以适应在安装时预期的运行条件齐全，而无需操作员进一步调整。

隔离变压器隔离过滤设备，在其中隔离线路产生的谐波，保护上级设备免受谐波的影响。

这些变压器不消除电路产生的谐波问题，但可以防止影响到设施内的其他地方更敏感的设备的谐波。

谐波能减缓解压器实际上是减少谐波问题。HMTs的正确应用可以带来成本效益，因为它们既可以提高可靠性和降低能源成本。正确的应用包括那些重度，中度加载和那些谐波电流水平很高的地方。此外，HMTs是非常有效的支持临界负荷，他备份了UPS。UPS和备用发电机倾向于采用高阻抗，导致非线性负载的高电压畸变。正因为如此设备运行完美，当电力供应、公用事业可能故障时 备份系统会在从事一种实用的工具中断。请注意，这些电力系统的一些输出滤波器（或主动或被动）控制谐波的等级。是否存在这种过滤器的情况在决定之前，应增加一个HMT的。

谐波的谐波有限公司。抑制系统是一种单相，旨在抑制三次谐波负载独特的解决方案。通常一个HSS价格比HMT贵，但它的目的是削弱整个配电系统的谐波问题，而不仅仅是上游变压器。目前的设施，安装了高速钢的最有利的场合是那些地方对电力质量和可靠性要求很高的地方，如服务器场，电台和电视演播室，和医院。

经济评价

评价生命周期成本和谐波缓解技术的有效性是非常具有挑战性的，超出了大多数工业设施管理人员的专业知识。在执行了正确的测量和谐波问题的分析，这种类型的评估需要对谐波问题的成本分析（敏感设备的停机时间，降低功率因数，能量损失或潜在的能源节约）和解决方案的成本。一个好的地方执行这种类型的分析是请当地的公共事业或提供电力援助。许多公用事业提供自己的电能质量服务或减轻你可以参考外部电源提供优质服务。

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其他资源

电气与电子工程师协会（IEEE），标准519-1992，“电机及电子学工程师联合会建议措施和控制要求谐波在电力系统”（1992年），在www.ieee.org可用。

谐波和对称分量之间的关系

三相谐波分析，需要对谐波源之间，对称分量输入关系有清楚的了解（如调速，ASD负载）及其关系（对称分量）从一个谐波源应用程序所产生的线性系统谐波流动。

引用数量有限的简要信息包含关于谐波及对称分量。参考文献1，提供了关于这一主题的段落，并使用与谐波及标题'关系对称分量'。它包括一个由一个简短的解释性段落，支持表。表中的术语表达了积极的谐波，负，零序列。这些序列在平衡的三相系统谐波。指的标题，而对称的部分内容是指平衡三相系统。这就是异常。从本质上讲，（特别是埃罗序列）对称分量只适用于非平衡系统。

(a)是否对称分量（特别是零序）在传统意义上，适用于均衡和不平衡非正弦系统，这是从打破传统？

(b)对称，非对称，平衡，非平衡和对称的部件是什么意思？ (c)什么条件下运作的系统以便谐解决正序 负序，零序列?

所使用的术语描述，发现非正弦系统的不足。因此，有必要制定三阶段的术语，将显示的关系，并与输入（电流）和谐波流动（电压和电流）有意义的比较。

参考资料3提供了提供'定义为解决方案的基础'三相套，'对称设置'和'对称分量集'。 本文件的目的是引入到谐波分析的三相集分类的方法，并要通过表达的对称分量套数量的结果，输入之间的比较，从谐波源和相应的量化的谐波流动创立。

谐波流动及其决议对称分量取决于程度及注射相序列，从谐波源，对系统的序列阻抗，在三分线和四线连接的用户是否对系统非线性负载平衡或不平衡。因此，什么是在对称分量集合的输入一谐波源不一定是收到系统，即谐波流入可能会解决一，两个或三个对称套，这取决于三个类型相集发现。因此，任何三相谐波可能部分组成对称分量的任何一组。

四个案研究报告，他们显示出对教学的电力系统谐波流量的新方法。重要的是，作为一个人的教学案例研究的一部分，他们的联系学习观念，提高认识。它们表明如何对称分量的方法可以扩展到一个系统的反应谐波流动。当教授作为一个群体，这四个案例研究表明，改善不平衡的情况下对称分量的反应是不同的平衡状态的认知能力。

电机及电子学工程师联合会 电力电子第19卷，3号，2004年5月

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原文

Harmonics

Service reliability and quality of power have become growing concerns for many facility managers, especially with the increasing sensitivity of electronic equipment and automated controls. There are several types of voltage fluctuations that can cause problems, including surges and spikes, sags, harmonic distortion, and momentary disruptions. Harmonics can cause sensitive equipment to malfunction and other problems, including overheating of transformers and wiring, nuisance breaker trips, and reduced power factor. What Are Harmonics?

Harmonics are voltage and current frequencies riding on top of the normal sinusoidal voltage and current waveforms. Usually these harmonic frequencies are in multiples of the fundamental frequency, which is 60 hertz (Hz) in the US and Canada. The most common source of harmonic distortion is electronic equipment using switch-mode power supplies, such as computers, adjustable-speed drives, and high-efficiency electronic light ballasts. Harmonics are created by these ―switching loads‖ (also called “nonlinear loads,‖ because current does not vary smoothly with voltage as it does with simple resistive and reactive loads): Each time the current is switched on and off, a current pulse is created. The resulting pulsed waveform is made up of a spectrum of harmonic frequencies, including the 60 Hz fundamental and multiples of it. This voltage distortion typically results from distortion in the current reacting with system impedance. (Impedance is a measure of the total opposition—resistance, capacitance, and inductance—to the flow of an alternating current.) The higher-frequency waveforms, collectively referred to as total harmonic distortion (THD), perform no useful work and can be a significant nuisance.

Harmonic waveforms are characterized by their amplitude and harmonic number. In the U.S. and Canada, the third harmonic is 180 Hz—or 3 x 60 Hz—and the fifth harmonic is 300 Hz (5 x 60 Hz). The third harmonic (and multiples of it) is the largest problem in circuits with single-phase loads such as computers and fax machines. Figure 1 shows how the 60-Hz alternating current (AC) voltage waveform changes when harmonics are added. The Problem with Harmonics

Any distribution circuit serving modern electronic devices will contain some degree of harmonic frequencies. The harmonics do not always cause problems, but the greater the power drawn by these modern devices or other nonlinear loads, the greater the level of voltage distortion. Potential problems (or symptoms of problems) attributed to harmonics

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include:

Malfunction of sensitive equipment Random tripping of circuit breakers Flickering lights Very high neutral currents

Overheated phase conductors, panels, and transformers

Premature failure of transformers and uninterruptible power supplies (UPSs) Reduced power factor

Reduced system capacity (because harmonics create additional heat, transformers and other distribution equipment cannot carry full rated load) Identifying the Problem

Without obvious symptoms such as nuisance breaker trips or overheated transformers, how do you determine whether harmonic current or voltages are a cause for concern? Here are several suggestions for simple, inexpensive measurements that a facility manager or staff electrician could take, starting at the outlet and moving upstream:

Measure the peak and root mean square (RMS) voltage at a sample of receptacles. The ―crest factor‖ is the ratio of peak to RMS voltage. For a perfectly sinusoidal voltage, the crest factor will be 1.4. Low crest factor is a clear indicator of the presence of harmonics. Note that these measurements must be performed with a ―true RMS‖ meter—one that doesn‘t assume a perfectly sinusoidal waveform.

Inspect distribution panels. Remove panel covers and visually inspect components for signs of overheating, including discolored or receded insulation or discoloration of terminal screws. If you see any of these symptoms, check that connections are tight (since loose connections could also cause overheating), and compare currents in all conductors to their ratings.

Measure phase and neutral currents at the transformer secondary with clamp-on current probes. If no harmonics are being generated, the neutral current of a three-phase distribution system carries only the imbalance of the phase currents. In a well-balanced three-phase distribution system, phase currents will be very similar, and current in the neutral conductor should be much lower than phase current and far below its rated current capacity. If phase currents are similar and neutral current exceeds their imbalance by a wide margin, harmonics are present. If neutral current is above 70 percent of the conductor‘s rated capacity, you need to mitigate the problem.

Compare transformer temperature and loading with nameplate temperature rise and

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capacity ratings. Even lightly loaded transformers can overheat if harmonic current is high. A transformer that is near or over its rated temperature rise but is loaded well below its rated capacity is a clear sign that harmonics are at work. (Many transformers have built-in temperature gauges. If yours does not, infrared thermography can be used to detect overheating.)

In addition to these simple measurements, many power-monitoring devices are now commercially available from a variety of manufacturers to measure and record harmonic levels. These instruments provide detailed information on THD, as well as on the intensity of individual harmonic frequencies. After taking the appropriate measurements to determine whether you have high levels of harmonics and, if so, to find the source, you will be well-positioned to choose the best solution. Solutions to Harmonics Problems

The best way to deal with harmonics problems is through prevention: choosing equipment andinstallation practices that minimize the level of harmonics in any one circuit or portion of a facility. Many power quality problems, including those resulting from harmonics, occur when new equipment is haphazardly added to older systems. However, even within existing facilities, the problems can often be solved with simple solutions such as fixing poor or nonexistent grounding on individual equipment or the facility as a whole, moving a few loads between branch circuits, or adding additional circuits to help isolate the sensitive equipment from what is causing the harmonic distortion. If the problems cannot be solved by these simple measures, there are two basic choices: to reinforce the distribution system to withstand the harmonics or to

Install devices to attenuate or remove the harmonics. Reinforcing the distribution system means installing double-size neutral wires or installing separate neutral wires for each phase, and/or installing oversized or Krated transformers, which allow for more heat dissipation. There are also harmonic-rated circuit breakers and panels, which are designed to prevent overheating due to harmonics. This option is generally more suited to new facilities, because the costs of retrofitting an existing facility in this way could be significant. Strategies for attenuating harmonics, from cheap to more expensive, include passive harmonic filters, isolation transformers, harmonic mitigating transformers (HMTs), the Harmonic Suppression System (HSS) from Harmonics Ltd., and active filters(Table 1).

Passive filters (also called traps) include devices that provide low-impedance paths to divert harmonics to ground and devices that create a higher-impedance path to discourage the flow of harmonics. Both of these devices, by necessity, change the impedance characteristics

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of the circuits into which they are inserted. Another weakness of passive harmonic technologies is that, as their name implies, they cannot adapt to changes in the electrical systems in which they operate. This means that changes to the electrical system (for example, the addition or removal of power factor–correction capacitors or the addition of more nonlinear loads) could cause them to be overloaded or to create ―resonances‖ that could actually amplify, rather than diminish, harmonics.

Active harmonic filters, in contrast, continuously adjust their behavior in response to the harmonic current content of the monitored circuit, and they will not cause resonance. Like an automatic transmission in a car, active filters are designed to accommodate a full range of expected operating conditions upon installation, without requiring further adjustments by the operator.

Isolation transformers are filtering devices that segregate harmonics in the circuit in which they are created, protecting upstream equipment from the effects of harmonics. These transformers do not remove the problem in the circuit generating the harmonics, but they can prevent the harmonics from affecting more sensitive equipment elsewhere within the facility. Harmonic mitigating transformers actually do relieve problematic harmonics. HMTs can be quite cost-effective in the right application, because they can both improve reliability and reduce energy costs. The right application includes transformers that are heavily or moderately loaded and where high levels of harmonic currents are present. In addition, HMTs are very effective in supporting critical loads that are backed up by a UPS. UPSs and backup generators tend to have high impedance, which results in high voltage distortion under nonlinear loading.

Because of this, equipment that operates flawlessly when supplied by utility power may malfunction when the backup system engages during a utility outage. Note that some of these power systems have output filters (either passive or active) to control harmonic levels. The presence or absence of such filters should be determined before adding an HMT.

The Harmonics Ltd. Harmonic Suppression System is a unique solution for single-phase loads that is designed to suppress the third harmonic. An HSS is generally more expensive than an HMT, but it is designed to attenuate the harmonics problems throughout the entire distribution system, not just upstream of the transformer. The types of facilities that present the best opportunities for HSS installation are those that place a very high premium on power quality and reliability, such as server farms, radio and television broadcast studios, and hospitals. (See www.harmonicslimited.com.) Economic Evaluation

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