第四章 电气主接线及设计

4.1 电气主接线设计原则和程序

概念：由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络。

一、 对电气主接线的要求

基本要求： 可靠性、灵活性、经济性

1. 可靠性 安全可靠是电力生产的首要任务，

保证供电可靠是电气主接线的最基本要求

电气主接线的可靠性不是绝对的

影响电气主接线可靠性的因素：发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用

负荷性质和类别设备的制造水平长期实践运行经验

2. 灵活性灵活性： （ 1）操作的方便性 （ 2）调度的方便性 （ 3）扩建的方便性

3. 经济性 经济性：

节省一次投资占地面积少电能损耗少

二、电气主接线设计的原则设计基本原则： （ 1 ）前提：设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求

（ 2 ）要求： 兼顾运行、维护方便，尽可能地节约投资、就近取材，力争设备元件和设计的先进性和可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则

三、电气主接线的设计程序按照工程基本建设程序，分为四个

阶段： 可行性研究阶段 初步设计阶段 技术设计阶段 施工设计阶段

设计步骤和内容对原始资料的分析主接线方案的拟定与选择短路电流计算和主要电器选择绘制电气主接线图编制工程概算

原始资料的分析包括

设备供货情况

环境条件

负荷情况

电力系统情况工程情况

概算的构成部分：

主要设备器材费

安装工程费

其他费用

概算的构成概算的构成

4.2 主接线的基本接线形式

母线的接线形式有汇流母线： 单母线接线、双母线接线无汇流母线： 桥形接线、角形接线、单元接线

一、单母线接线及单母线分段接线

1. 单母线接线隔离开关 分类：母线隔离开关、线路隔离开关

作用：用作设备停运后退出工作断开电路，隔离电压

接地开关 QEQE 为线路隔离开关的接地开关，用于线路检修是替代临时安全地线

110kV 时，应在断路器两侧的隔离开关和线路隔离开关的线路侧配置

35kV 以上的母线，每段应配置 1至 2组接地开关

S—电源（发电机或变压器）进线

QF—断路器W—母线QS—隔离开关QE—接地开关WL—出线（输电线路）

操作顺序1. 接通电路 : （ 1）应先合断路器两侧的隔离开关 （ 2）再投入断路器 QF22. 切断电路： （ 1）应先断开断路器 QF2 （ 2）在依次断开 QS22 和 QS21

单母线接线的优缺点优点： 接线简单、操作方便、设备少、经济性好、母线便于延伸，扩张方便

缺点： 可靠性差、调度不方便适用： 出线回路少，无重要负荷的电厂和变电站

2. 单母线分段接线QFd 分段，可提高供电可靠性和灵活性

特点：两个电源供电；一段发生故障， QFd 自动隔离故障段

适用：中小容量电厂和变电站的6-10kV 接线

二、双母线接线及双母线分段接线

1.双母线接线

（ 1）两组母线 （ 2）每一电源和出线回路都有一台断路器，两组母线隔离开关，与两组母线相连

（ 3）母线间通过 QFC母线联络断路器相连

特点供电可靠调度灵活扩建方便适用出线带电抗器 6-

10kV 配电装置，35-60kV 出线回路数超过 8 回，连接电源较大、负荷较大时， 110-220kV 出线数 5 回及以上

2. 双母线分段接线

作用 1. 缩小母线故障的停电范围 2. 增加了可靠性适用 1 、电厂发电机电压配电装置 2 、 220-500kV大容量配电装置 3 、 6-10kV 配电装置

特点： 1.分段断路器将工作母线分为两段 2.每段母线用各自的母联断路器与备用母线相连 3.电源和出线回路均匀分布在母线上

三、带旁路母线的单母线和双母线接线

旁路母线的接线方式：1.有专用旁路断路器2.母联断路器兼作旁路断路器3.分段断路器兼作旁路断路器

1. 单母线分段带旁路母线的接线

图 4-5 带专用旁路断路器的旁路母线接线

图 4-6 分段断路器兼作旁路断路器的接线

图 4-7 旁路断路器兼作分段断路器的接线

2. 双母线带旁路母线的接线作用： 双母线可以带旁路母线，用旁路替代检修中的回路断路器，使该回路不致停电

图 4-8 双母线带旁路母线的接线

（ a）设专用旁路断路器；（ b）旁路断路器兼作母联断路器；（ c）母联断路器兼作旁路断路器。

3. 旁路母线设置的原则

① 当 110kV 的出线在 6回以上、 220kV 的出线在 4回以上，采用带专用旁路断路器的旁路母线

② 出线回路较少时，采用母联断路器或分段断路器与旁路断路器之间互相间用的带旁路母线的接线方式

不设旁路设备的原则：系统条件允许断路器停电检修接线允许断路器停电检修中小型水电站枯水季节允许停电检修出线断路器

采用高可靠的六氟化硫（ SF6）断路器及全封闭组合电器（ GIS）

图 4-9 用母联断路器代替出线断路器的途径

对于特殊需要时，可使用“跨条”代替旁路母线

四、一台半断路器及 台断路器接线

1. 一台半断路器接线 适用： 在 330-500kV 的配电装置中，进出线为 6回以上，配电装置占重要地位，采用一台半断路器接线

3

11

图 4-10 一台半断路器接线

特点1. 任一母线出现故障不会停电

2. 任一断路器检修，不会停电

3. 两组母线同时故障，仍能传输功率

一台半断路器接线原则

① 电源线宜与负荷线配对——要求采用在同一个“断路器串”上配置一条电源回路和一条出线回路。

② 配电装置建设初期仅有两串时，同名回路宜分别接入不同侧的母线，进出线装设隔离开关。

图 4-11 一台半断路器的配置方式 图中（ a）交叉接线，（ b）非交叉接线。

交叉接线比非交叉接线有更高的运行可靠性。注：图中未画出隔离开关。

2. 台断路器接线组成： 一个串有 4 台断路器，连接 3回进出线回路。

应用： 发电机台数（进线）大于线路（出线）的大型水电厂。

特点： 投资节省，可靠性降低，布置复杂

3

11

五、 变压器母线组接线组成： 2台断路器分别接在两组母线，变压器直通隔离开关接在母线。

优点： 接线灵活，电源、负荷自由分配，安全可靠，利于扩建

图 4-12 变压器母线组接线

适用：远距离，大容量输电系统，对系统稳定和供电可靠性要求较高的变电站中

六、单元接线单元接线是无母线接线中最简单的、最基本的形式。

优点： 接线简单，开关设备少，操作简单，减小了在发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流。

图 4-14 扩大单元接线

a) 发电机 -双绕组变压器扩大单元接线

b) 发电机 -分裂绕组变压器扩大单元接线

七、桥型接线使用条件： 只有 2 台变压器和 2 条线路分类：内桥接线、外桥接线

组成： 3 台断路器，没有母线

特点：节省投资，但可靠性不高

图 4-15 桥型接线

a)内桥接线

b)外桥接线

特点只用 3 台 QF ，比有 4 条回路的单母线

省了 1 台 QF ，且无母线，投资省，但可靠性不高

适用小容量发电厂或变电站单母分段或双母线工程的初期接线形式大型机组启动 / 备用变压器的高压侧接

线形式

八、多角形接线断路器数 =电源回路＋出线回路 =接线“角”数

优点：断路器数目少于单母线或双母线接线，但更可靠；检修、故障时，不会引起回路停电；没有母线；操作方便。

缺点：开环运行时，供电出现紊乱；运行方式变化大，出现工作电流差别大。

图 4-16 多角形接线

a) 四角形接线

b) 三角形接线

优点 QF 数目比单母线分段或双母线少 1 台，可靠

性＝双母线接线 任一 QF 检修时，只需断开其两侧的 QS ，

任何回路不停电 无母线故障影响 任一回路故障时，只需跳开与之相连的两台

QF ，不影响其它回路工作 操作方便，所用 QS 仅用于隔离电源，不作

操作用，不会产生带负荷断开 QS 事故

缺点 QF 检修，导致开环运行。若此时有 QF 跳开，

会导致供电紊乱 运行方式变化大，开环、闭环使工作电流差别

大，导致设备选择困难，继保复杂 不利于扩建

适用 回路数少，且已定型的 110kV 及以上配电装

置 以三角形、四角形为宜，最多到六角形

九、典型主接线分析1. 火力发电厂电气主接线分类：地方性、区域性火电厂地方性火电厂特点： 建在城市附近。单机容量小，主接线包括发电机电压线及 1-2级升高电压级接线，与主系统相连

图 4-17 某种型热电厂主接线

区域性火电厂特点

为凝气式发电厂。

使用高压或超高压输电线路传送。

装机总容量在 1000MW 以上。

图 4-18 某区域性火电厂的主接线

2. 水力发电厂电气主接线 特点：a) 距负荷中心远，全部电能用于升高电

压送入系统。b) 装机容量和台数由水能利用条件的一

次性确定。c) 电气主接线尽量简单。

图 4-19 某大型水力发电厂的主接线

3. 变电站电气主接线主接线高压侧：采用断路器数目少的方式，如桥形、单母线、双母线、角形。

超高压级或枢纽变电站：采用双母线分段带旁路接线或一台半断路器。

低压侧：采用单母线分段线或双母线。

采用最简单的限制电流方式。

4.3 主变压器的选择

基本概念主变压器： 向电力系统或用户输送功率的变压器联络变压器： 用于两种电压等级之间交换功率的变压器

厂用变压器（自用变压器）： 只供本厂（站）用电的变压器

一、变压器容量和台数的确定原则

1. 单元接线的主变压器容量： 按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷，留有 10%的裕度来确定。

采用扩大接线，使用分裂绕组变压器，容量按单元界限的计算原则得出的 2台机容量之和确定。

2. 具有发电机电压母线接线的主变压器

容量的选择因素：a) 发电机全部运行时，满足发电机的日最小

负荷，扣除厂用负荷后，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。

b) 检修或限制工作时，主变压器能从电力系统倒送功率。

c) 最大的主变压器退出时，其他应能输送母线剩余功率的 70%。

3. 连接两种升高电压母线的联络变压器 台数： 一般 1台，最多不超过 2台。 容量选择因素：

①满足有功和无功功率在不同方式下交换。

②一般不小于接在电压母线上最大的一台机组的容量。

4. 变电站主变压器 容量： 一般按 5-10年的规划负荷来选择 台数：

a)枢纽变电站在中、低压侧，设置 2台

b)专用变电站，设置 3台主变压器

二、变压器形式和结构的选择原则

1. 相数 300MW 及以下机组的主变和 330kV及以下电力系统采用三相变压器

受限制时采用单相变压器组 600MW 的主变和 500kV 电力系统采用单相组成的三相变压器

2. 绕组数与结构分类： 按每相的绕组数：双绕组、三绕组、更多绕组

按电磁结构：双绕组、三绕组、自耦式、低压绕组分裂式等

选择原则发电厂用两种升高电压供电或者连接系统时，采用 2台双绕组或三绕组变压器。

最大机组容量为 125MW及以下的发电厂采用三绕组。

机组容量为 200MW 以上的发电厂采用发电厂 -双绕组变压器单元接线。

扩大单元接线的主变压器，选用低压分裂绕组变压器

110kV级以上中性点直接接地系统，凡需三绕组变压器的场所，采用自耦变压器

600MW级大型机组采用多绕组（如四绕组）电力变压器

3. 绕组接线组别特点： 接线组别和系统电压相位一致连接方式： 星形“ Y” 三角形“ d”常用接线类别： YN、 d11全星形电压比： 220/110/35 、 330/220/35 、330/110/35 、 500/220/110

4. 调压方式 调压切换方式 ：a)不带电切换，称为无激磁调压（常

用） ,调压范围： ±2x2.5%

b)带负荷切换，成为有载调压 ,调压范围最大达 30%

5. 冷却方式冷却方式： 自然风冷却 强迫风冷却 强迫油循环水冷却 强迫油循环风冷却 强迫油循环导向冷却

使用条件中小型变压器： 使用自然冷、强迫风冷却。大容量变压器： 强迫油循环风冷却、强迫循环水冷却（水源充足）。

大型变压器： 强迫油循环导向冷却（高效冷却）。

4.4 限制短路电流的方法

短路电流的危害

1. 直接影响电器安全

2. 危害主接线的运行

一、装设限流电抗器使用条件： 发电厂和变电站的 6-10kV 配电装置分类： 普通电抗器、分裂电抗器

1. 普通电抗器组成： 三个单相的空心圈作用： 避免短路时电抗器饱和而降低对电流的限制

分类： 母线电抗器、线路电抗器

(1) 母线电抗器

作用： 让发电机出口断路器、变压器低压侧断路器、母联断路器和分段断路器不因电流过大而使容量升级

使用条件： 限制并列运行发电机提供的短路电流

（ 2 ）线路电抗器作用： 限制电缆馈线回路短路电流使用条件： 出线能选择轻型断路器，馈线的电缆也不至于因短路发热和需要加大截面

2. 分裂电抗器组成： 绕组中心有一个抽头，将电抗器分为两个分支，中间插头接电源，两个分支连接相等的两组负荷

图 4-21 分裂电抗器工作原理

（ a ）正常工作（ b ）一臂短路

a ）正常工作

两分支的负荷电流相等，两臂中通过大小相等、方向相反的电流。

穿越型电抗： X=XL－XM－fXL=(1－f)XL XL—每臂的自感电抗。 XM—每臂的互感电抗。 f—互感系数， f=XM/XL,与分裂电抗器机构有关，一般取0.5 。

b ）一臂短路其中一臂的短路电流与分裂电抗器的短路电流方向相同，磁通方向相同。

分裂型电抗： X12=2(XL+XM)=2XL+(1+f) 当 f=0.5 时， X12= 3XL，分裂电抗器能有效限制另一臂的短路电流。

※注意：当两分支负荷不等或负荷变化大，引起两臂电压产生偏差，造成电压波动，甚至出现过电压。

二、采用低压分裂绕组变压器组成： 一个高压组和两个低压分裂绕组（其额定电压、额定容量相同，匝数相同）

高压绕组开路低压分裂绕组的漏抗： X’2

=X”2=X2通过分裂绕组的短路电抗： X2’2”=X’2+X”2=2X2

正常工作低压绕组通过的电流为高压组的 1/2。

等值电抗：X12=X1+ X2 =X1+ X2’2”

低压分裂组正常运行的电抗值为两分列绕组的 1/4 。

2

1

4

1

三、采用不同的主接线形式和运行方式 主接线形式和运行方式：1. 大容量发电站：单元接线，发电机电

压级尽量不采用母线。2. 降压变电站：变压器低压侧分列运行。3. 双回路：单回路运行。4. 环形供电网络：穿越功率最小处开环。

4.5 电气主接线设计举例

一、发电厂电气主接线举例原始资料： 装机 4 台，供热式机组 2×50MW（ UN=10.5kV ），凝气式机组 2×300MW（ UN=15.75kV ），厂用电率 6%，机组年利用小时 Tmax=6500h 。

电力负荷与电力系统连接资料 10.5kV 电压级：最大负荷 20MW ，最小负荷 15MW ， ，电缆馈线 10 回。

220kV 电压级：最大负荷 250MW ，最小负荷 200MW ， ，架空线 5回。

500kV 电压级：与 3500MW 的电力系统相连，标幺电抗 x*s=0.021 ，架空线 4回，备用线 1回。

cos

85.0cos

1. 原始资料的分析 地位分析：1. 容量 : 2×50+2×300=700MW,占系统总容量 700/（ 3500+700 ）＝ 16.7%，超过系统检修备用容量 8～ 15%和事故备用容量 10%的限额

2. 年利用小时数： 6500h>5000h，远远大于平均最大负荷利用 4800 小时数。

结论：在系统中地位和作用重要

从负荷等级分析10.5kV 电压级：地方负荷不大，与 50MW发电机的机端电压相等，采用直馈线。

15.75kV 电压级：为 300MW 发电机出口电压，采用单元接线。

220kV 电压级：出线回路 5回，采用带旁路母线接线。

500kV 电压级： 4回出线，最大输出负荷 700-15-200-700*6%=443MW。

结论：可靠性要求很高

2. 主接线方案拟定（ 1 ） 10kV 电压级：采用双母线分段接线——回路多，单机容量大于 24MW （单母线分段接线的要求）。

设 1台主变压器——供热机组，且考虑 10kV 与 220kV 电压按弱联系。

分段处加母线电抗器，各电缆馈线装线路电抗器——限制短路电流。

（ 2 ） 220kV 电压级：采用单母线分段带旁路接线或双母线带旁路——出线回路大于 4回，为了检修不停电。

以 1台 300MW 机组按发电机 -变压器单元接线接至 220kV 母线上，其余由联络变压器与 500kV 接线，相互交换功率。

（ 3 ） 500kV 电压级采用双母线带旁路接线和一台半断路器，通过联络变压器与 220kV连接，并通过一台三绕组变压器联系 220kV 和 10kV 电压。

1台 300MW 机组于变压器组成单元接线，直接将功率传到 500kV 电力系统。

方案一：如图示。 方案二： 500kV 侧采用双母线， 220kV 侧采用单母线分段带旁路。

3. 方案的经济性比较

采用最小费用法，对拟定的两方案进行经济比较。

计算内容：一次投资、年运行费。由方案一得年费用：

其中： n=25年， i=0.1。

)(3.1781']1)1(

)1([ 万元Ⅰ

mn

n

m Ci

iiIAC

4. 主接线最终方案的确定确定原则： 通常选择经济性优先。但也要考虑可靠性、灵活性等方面。

对于本次设计： 技术上方案一优先，但经济性不如方案二，但大、中型机组优先考虑可靠和灵活性，故选择方案一。

二、变电站电气主接线设计举例原始数据： 2台 160MV·A自耦变压器， 110kV侧负荷为 200MW ， 330kV 进线为 2回，一回与火电厂相连（ 250km），另一回与系统中输变电站相连（ 200km）， 330kV 侧的穿越功率 100MW。

可靠性数据：330kV 线路：事故率 λL=1 次 /（年·100km）故障停运时间 TLf=8h 。

330kV 断路器：事故率 λQ=0.1 次 / 年，故障停运时间 TQf=10h，年检修周期 MQr=1 次/ 年，计划检修时间 TQr=168h 。

变电站值班人员事故倒闸、处理事故、恢复供电等时间 T0=0.5h 。

1. 电气主接线的拟定建设考虑到负荷的远期发展——采用无母线的简单接线。

有三种方法：无母线接线、桥形接线、角形接线。

无母线接线方式

桥形接线

此接线方式投资节省。

角形接线

此方案有较高的可靠性

2. 方案的经济性计算方法： 采用静态比较法。本次设计： 因两方案可靠性存在差异，可应用产值损失偿还年限进行评估。

桥形接线方案（ 1）桥断路器出现拒动故障 变电站对用户少送电量：

K为变电站少送电系数，取值为 2。)(2000025.01.0200000

01

hkW

KTPA Q

（ 2）检修任一台出现断路器是另一台出现断路器故障此时少送电量：

N——线路断路器台数；KQr——断路器计划检修停运系数，其值为： 0.02。

)(16000

210202.01.0200000

2

hkW

KNTKPA QfQrQ

（ 3）检修任一台出线断路器时线路故障跳闸此时少送电量：

少送电总和：)(36000

100

45025.0102.02200000

10003

hkW

LKTPNKA LQr

)(72000360001600020000 hkWA

故障停电损失：

（ 4）中断穿越功率的损失：开端穿越功率的时间：

)(1087200015 万元u

)/(142.05.0100

45002.02

5.0202.01.05.01.0

年h

t

四角形接线（ 1）断路器出现拒动故障用户停电量：

年起用 200MW 备用容量时间：)(1600

25.002.01.04200000

0

hkW

KTKPNA QrQ

)(08.0

1002.01.04

年

h

TKNt QfQrQ

比较结果角形接线用户的停电损失远小于桥形接线。

在电力辅助服务市场中参与交易的备用容量与桥形接线大致相同。

3. 主接线最终方案的确定原则：以经济计算为基础，评估可靠性、灵活性、可扩建性。

由计算可知，采用角形接线，虽然投资大，但可通过减少停电在短期内得到补偿

对于 330kV 侧有扩建有求，可考虑桥形接线