Электрическая часть тепловых электрических станций

 
 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
 
 
 

УДК 621.311.22(075) 
Э 454 
 
Коллектив авторов: 
М.А. Купарев, И.И. Литвинов, В.Е. Глазырин,  
В.И. Ключенович, Д.В. Бакланов 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор П.А. Щинников; 
заведующий науч.-исслед. лаб. Инженерной школы энергетики 
Томского политехн. ун-та М.В. Андреев; 
д-р техн. наук, профессор Т.А. Филиппова 
 
Э 454  
Электрическая часть тепловых электрических станций : учебник / коллектив авторов. – Новосибирск : Изд-во 
НГТУ, 2019. – 275 с. – (Серия «Учебники НГТУ»). 
ISBN 978-5-7782-4042-1 
Приведены основные сведения об электроустановках, дана 
краткая характеристика всех типов электростанций. Изложены вопросы выбора генераторов, трансформаторов, токоограничивающих реакторов, коммутационных аппаратов, измерительных 
трансформаторов тока и напряжения, линий нагрузки и связи  
с энергосистемой, сборных шин и ошиновок при проектировании 
тепловых электростанций. Большое внимание уделено особенностям конструкции и режимам работы автотрансформаторов. Рассмотрена методика расчета токов коротких замыканий и отдельных их составляющих для выбора и проверки электрооборудования. Представлены наиболее распространенные электрические 
схемы распределительных устройств, указаны их области применения и основные свойства. Приведены примеры фрагментов 
принципиальных схем электрических соединений электрооборудования, даны указания по составлению на их основе полной 
принципиальной электрической схемы электростанции. Отдельный раздел посвящен примерам решения задач, закрепляющих 
практические навыки по разработке структурных схем электростанций и выбору электрооборудования. 

УДК 621.311.22(075) 

ISBN 978-5-7782-4042-1 
© Коллектив авторов, 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ...................................................................................................... 7 
Введение ............................................................................................................ 8 
Принятые сокращения ...................................................................................... 9 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ  
И ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ ..................................................................... 11 
1.1. Основные понятия и определения ...................................................... 11 
1.2. Классы напряжений электроустановок и режимы работы 
нейтралей .............................................................................................. 12 
1.3. Краткая характеристика электростанций .......................................... 18 
Контрольные вопросы ................................................................................ 29 
2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ТЭС ................................................................. 31 
2.1. Структурные схемы КЭС .................................................................... 31 
2.2. Структурные схемы ТЭЦ .................................................................... 37 
Контрольные вопросы ................................................................................ 41 
3. ВЫБОР ОСНОВНОГО СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ........ 43 
3.1. Выбор генераторов .............................................................................. 43 
3.2. Общие принципы выбора силовых (авто)трансформаторов ........... 44 
3.3. Выбор блочных трансформаторов по номинальной мощности ...... 48 
3.4. Выбор трансформаторов связи на ТЭЦ по номинальной  
мощности .............................................................................................. 50 
3.5. Особенности конструкции и работы автотрансформаторов ........... 54 
3.6. Выбор автотрансформаторов по номинальной мощности  
на КЭС .................................................................................................. 66 
3.7. Выбор трансформаторов собственных нужд по номинальной 
мощности .............................................................................................. 69 
3.8. Выбор средств ограничения токов КЗ на ТЭЦ ................................. 73 
Контрольные вопросы ................................................................................ 79 
4. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ ДЛЯ ВЫБОРА  
И ПРОВЕРКИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ ............................ 81 
4.1. Расчетные условия для выбора аппаратов ........................................ 81 
4.2. Расчет токов короткого замыкания .................................................... 88 
4.3. Определение токов для любого момента времени переходного 
процесса КЗ .......................................................................................... 98 
Контрольные вопросы .............................................................................. 101 

 

5. ВЫБОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ ..................................... 103 
5.1. Выбор выключателей ........................................................................ 103 
5.2. Выбор разъединителей ...................................................................... 110 
5.3. Выбор измерительных трансформаторов ........................................ 112 
5.4. Выбор линейных реакторов и сечений КЛ, подключаемых  
к ГРУ ТЭЦ .......................................................................................... 121 
5.5. Выбор средств ограничения перенапряжения ................................ 132 
Контрольные вопросы .............................................................................. 133 
6. ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО 
УСТРОЙСТВА .......................................................................................... 135 
6.1. Классификация схем .......................................................................... 135 
6.2. Выбор электрических схем РУ 6–10 кВ ТЭЦ и подстанций ......... 136 
6.3. Выбор электрических схем РУ повышенных напряжений ............ 137 
6.4. Схемы подключения резервных источников собственных 
нужд электростанций ........................................................................ 153 
Контрольные вопросы .............................................................................. 159 
7. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ .............................................................. 161 
Задача 1. Разработка структурной схемы ТЭЦ 409 МВт ...................... 161 
Задача 2. Разработка структурной схемы КЭС 2460 МВт .................... 176 
Задача 3. Выбор группового токоограничивающего реактора  
и сечения кабельной потребительской линии ....................... 198 
Задача 4. Расчет токов КЗ для выбора выключателей ТЭЦ .................. 206 
Задача 5. Выполнение преобразования схемы замещения ТЭЦ  
с ГРУ кольцевого типа для расчета тока КЗ .......................... 241 
Библиографический список ......................................................................... 248 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Обоснование недопустимости разземления 
нейтрали автотрансформаторов .................................................................. 251 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Фрагменты принципиальных схем электрических соединений ТЭС ................................................................................... 256 
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Применение программной среды Simulink для 
расчета режима работы электрической станции ........................................ 264 
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Технические характеристики элегазовых выключателей серии ВГГ ........................................................................................ 273 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 основу учебника легли материалы авторов по дисциплине 
«Электрическая часть электрических станций и подстанций», преподаваемой для студентов, обучающихся по электроэнергетическому профилю. В учебнике даны необходимые сведения для 
полноценного освоения курса электрической части электростанций, 
а также выполнения и защиты выпускной квалификационной работы. Около трети объема учебника занимают примеры решения задач по основным этапам проектирования электрической части тепловых электростанций. 
Материал, изложенный в учебнике, соответствует действующим в настоящее время нормативным документам, таким как Свод 
правил проектирования тепловых электрических станций, Правила 
устройства электроустановок, государственные стандарты на электрооборудование и др. Авторы преследовали главную цель – дать 
системное изложение основных нормативных документов и раскрыть причины принятия соответствующих решений. Важно, чтобы 
обучающиеся не только знали нормативную базу, но и могли ответить на вопросы, почему и для чего предъявляются такие требования к расчетам и принятию технических решений при проектировании энергообъектов. 
Авторы выражают благодарность коллективу кафедры электрических станций НГТУ, в особенности доценту Г.В. Глазырину  
и старшему преподавателю С.И. Белкину за сделанные ими полезные замечания, которые учтены при окончательной подготовке рукописи. Отдельную благодарность авторы выражают рецензентам 
за ценные замечания и методические рекомендации по педагогическому подходу к изложению материала. 
Все пожелания и замечания читателей авторы просят направлять по адресу: 630073, г. Новосибирск, пр-т Карла Маркса, 20, 
НГТУ, кафедра электрических станций, корпус 2, каб. 212. 

В

 

 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 настоящее время идет развитие нетрадиционных источников электрической энергии, таких как ветровые электрические станции, солнечные батареи и пр. Но их суммарная доля 
в выработке электрической мощности в Российской Федерации ничтожна по сравнению с традиционными мощными электростанциями. Большинство из них было построено в годы СССР. Сейчас 
строительство новых традиционных электростанций продолжается, 
хоть и меньшими темпами, а также реконструируются многие старые электростанции. Как и во всех отраслях современного производства, осуществляется техническое усовершенствование электрооборудования электростанций и подстанций, изменяются требования нормативных документов к их проектированию, строительству 
и эксплуатации. Поэтому «Электрическая часть электрических 
станций и подстанций» – одна из базовых дисциплин при подготовке специалистов электроэнергетического профиля. 
Бо´льшая часть (67,9 %) электрической энергии в России вырабатывается на тепловых электрических станциях (ТЭС). Доля гидроэлектростанций (ГЭС) и атомных электростанций (АЭС) значительно меньше – 20,2 и 11,6 % соответственно. Остальная выработка приходится на нетрадиционные виды электростанций: солнечные (0,2 %) и ветряные (0,1 %). Структура электрической части 
ГЭС и АЭС мало чем отличается от структуры конденсационных 
электростанций (КЭС), относящихся к классу ТЭС. Среди ТЭС существенно выделяются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) по структуре 
электрической части. Поэтому в рамках дисциплины «Электрическая часть электрических станций и подстанций» основное внимание уделяется тепловым электростанциям.  
 

В

 

 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 
 
ав. п. – аварийная перегрузка 
ав. рез. – аварийный резерв 
АВР – автоматика включения резерва 
АПВ – автоматическое повторное 
включение 
АТ – автотрансформатор 
АТБ – автотрансформатор блока 
(блочный автотрансформатор) 
АТС – автотрансформатор связи 
АТЭЦ – атомная теплоэлектроцентраль 
АЭС – атомная электростанция 
бл. св. – блочная связь 
ВЛ – воздушная линия 
ВН – высшее напряжение 
ГАЭС – гидроаккумулирующая 
электростанция 
ГРУ – генераторное распределительное устройство 
ГРЭС – государственная районная электростанция 
ГТУ – газотурбинная установка 
ГТЭС – газотурбинная электростанция 
ГЭС – гидроэлектростанция 
доп – допустимый 
з – зимний период 
изб – избыточный 
КЗ – короткое замыкание 
КЛ – кабельная линия 
КЭС – конденсационная электростанция 
л – летний период 

ЛЭП – линия электропередачи 
м. нг. – местная нагрузка 
МЭК – Международная электротехническая комиссия 
нг. – нагрузка 
НН – низшее напряжение 
ном – номинальный 
НТП ТЭС – нормы технологического проектирования тепловых 
электростанций 
о.е. – относительные единицы 
ОПН – ограничитель перенапряжений нелинейный 
ОСШ – обходная система шин 
ОЭС – Объединенная энергетическая система 
пав – послеаварийный 
ПГУ – парогазовая установка 
ПТУ – паротурбинная установка 
ПС – подстанция 
ПУЭ – правила устройства электроустановок 
рем – ремонтный 
РЗиА – релейная защита и автоматика 
РОУ – редукционно-охладительная установка 
РП – распределительный пункт 
РПН – регулирование под нагрузкой 
РУ – распределительное устройство 
РУВН – распределительное 
устройство высшего напряжения 

 

РУНН – распределительное 
устройство низшего напряжения 
РУСН – распределительное 
устройство среднего напряжения 
СН – среднее напряжение 
с.н. – собственные нужды 
с.п. – систематическая перегрузка 
СП ТЭС – Свод правил по проектированию 
тепловых 
электростанций 
СР – секционный реактор 
ССШ – система сборных шин 

ТБ – трансформатор блока 
ТГ – турбогенератор 
ТН – трансформатор напряжения 
ТС – трансформатор связи 
(Р)Тс.н. – (резервный) трансформатор собственных нужд 
ТТ – трансформатор тока 
ТЭС – тепловая электростанция 
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль 
утж – утяжеленный 
ШСВ – шиносоединительный выключатель 
 
 
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА СХЕМАХ  
И РИСУНКАХ 
 
К – точка короткого замыкания 
С – эквивалентная энергосистема 
с – секция системы сборных шин 
T – силовой трансформатор  
или автотрансформатор  
G (или Г) – генератор 
KA – реле тока 
K – система сборных шин или ее 
секция 
KВ – обходная система сборных 
шин 

LR – токоограничивающий реактор 
М – двигатель 
Q – выключатель 
QK – шиносоединительный  
или секционный выключатель 
QB – обходной выключатель 
QS – разъединитель 
ТА – трансформатор тока 
TV – трансформатор напряжения 
W – линия электропередачи 
 

 

1.2. КЛАССЫ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 

11 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  

ОБ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ  
И ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ 

 
 
 
 
 
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

нергоустановка – комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для производства, 

преобразования, передачи, накопления, распределения и потребления энергии. 

Электроустановка – это энергоустановка, предназначенная для 

производства,  преобразования, передачи, распределения и потребления электрической энергии согласно ГОСТ 19431–84. Согласно 
Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) [1] электроустановками называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, 
в которых они установлены), предназначенных для производства,  
преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии. 

Электрическая станция – это предприятие или энергоустанов
ка, предназначенная для производства электрической энергии или 
электрической энергии и тепла. 

Электрическая подстанция – это электроустановка, предназна
ченная для преобразования и распределения электроэнергии. 
Энергосистема – это совокупность параллельно работающих 
электростанций, электрических и тепловых сетей, связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем 
управлении этим режимом. 
Нейтраль электроустановки – это общая точка трехфазных 
обмоток статоров генераторов или трансформаторов (автотрансформаторов), соединенных в звезду. 

Э 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ И ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ 

12 
 

1.2. КЛАССЫ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК  
И РЕЖИМЫ РАБОТЫ НЕЙТРАЛЕЙ 

В Российской Федерации согласно ПУЭ [2] по условиям электробезопасности электроустановки переменного тока подразделяются на низковольтные – до 1 кВ и высоковольтные – выше 1 кВ 
(по действующему междуфазному значению напряжения). 
Напряжение электроустановок, при котором они нормально и 
наиболее экономично работают, называют номинальным. Это 
напряжение указывают в паспорте электрической машины или аппарата. Согласно ГОСТ 23366–78 в России действует следующий 
ряд номинальных (действующих междуфазных) значений напряжений трехфазных электроустановок переменного тока частотой 
50 Гц. Для низковольтных электроустановок установлен следующий ряд номинальных напряжений: 12, 24, 36, 42, 127, 220, 380, 
660 В. Шкала номинальных напряжений высоковольтных электроустановок приведена в табл. 1. 
Номинальное напряжение генераторов с целью компенсации 
потери напряжения в питаемой ими сети принимается на 5 % больше номинального напряжения этой сети. Номинальные напряжения 
первичных обмоток повышающих трансформаторов, присоединяемых к генераторам, приняты на 5…10 % больше номинальных 
напряжений подключаемых к ним линий. Первичные обмотки понижающих трансформаторов имеют номинальные напряжения, 
равные номинальным напряжениям питающих их линий. 

Т а б л и ц а  1  

Номинальные напряжения сетей и приемников переменного тока  
с номинальной частотой 50 Гц 

Номинальные напряжения трехфазного тока, кВ 
Наибольшее  
рабочее  
напряжение, 
кВ 

Сети  
и приемники 

Генераторы  
и синхронные 
компенсаторы 

Трансформаторы 
и автотрансформаторы 

3 
3,15 
3,15 
3,6 

6 
6,3 
6; 6,3; 6,6 
7,2 

10 
10,5 
10; 10,5; 11 
12