电气主系统第一章绪论2版g资料

1.本课程的目的和任务前言从“发电厂电气主系统”说起……实现将电能从发电机送到电网的电路称为发电厂电气主系统”发电厂电气主系统”从建设到发电运行，需要解决的问题：1)需要用到哪些电气设备？如变压器（变换电压）、断路器（切断电路）、隔离开关（隔离电路）、电压和电流互感器（测量）、导线（汇集电能或连接各设备）等。（开关电器和互感器的原理）2)这些电气设备如何连接？（电气主接线）第一页，共43页。4)发电厂自己也需要用电？（厂用电）7)电气主系统的运行问题？(发电机、变压器和断路器的运行)5)这些电气设备如何布置与安装？（配电装置）6)这些电气设备如何来控制？（二次接线）3)这些电气设备如何选择？（电气设备会受到发热和电动力的作用，不同型号的设备耐受发热和电动力的能力不一样）(导体的发热与电动力、电气设备选择)本课程主要学习“发电厂电气部分”从建设到发电，需要解决的基本理论、设计方法与运行理论。第二页，共43页。“发电厂电气主系统”是“电气工程及其自动化”专业的主要专业课程之一，是“电力系统及其自动化”方向的必修课程。目的和任务：通过课堂讲授、多媒体教学、课程设计、习题以及生产实习等教学环节，使学生树立起工程观点，掌握发电厂和变电所电气主系统的设计方法与运行理论，并在分析、计算和解决实际工程问题能力等方面得到一定的训练。第三页，共43页。2.教材体系本教材的体系可分为两条线：(1)发电厂变电所电气主系统的设计方法与计算理论，包括电气主接线设计、厂用电设计、配电装置设计、电气设备发热电动力和选择计算理论。(2)发电厂变电所电气主系统的运行理论，包括电力变压器的运行、同步发电机的运行及高压断路器的运行等。3.本课程的特点 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 杂乱，涉及的知识多；理论与实际联系紧密，涉及许多工程概念和电气设备，对于缺少工程实践的学生，学习感觉困难。第四页，共43页。4.课程内容说明近几年专业课学时大幅度压缩，为解决课时限制的矛盾，本教材的部分内容，如“支持式管形母线的选择”等内容可安排在实习和课程设计及毕业设计中学习；“同步发电机的运行”在电机学课程中已涉及，本章内容不讲授；“电气主接线的可靠性计算”、“大电流封闭母线的发热和电动力”等章节内容可作为选学内容，课件中未涉及。本课件尽量覆盖电气部分课的主要内容，让学生掌握完整的知识体系，适合30~50学时教学计划使用。采用多媒体教学，是解决课时限制矛盾的有效途径，可以有效地提高本课程的教学质量，图文并茂也深受学生欢迎。第五页，共43页。第一章绪论第一节我国电力工业发展概况第三节发电厂和变电所电气设备简述第二节发电厂和变电所的基本类型本章计划学时：2~3学时第六页，共43页。第一章绪论总装机容量和年发电量:我国自1882年有电力以来至1949年底，经过67年的发展，装机容量只达到185万kW，年发电量43亿kW·h，分别居世界第21位和第25位。2003年全国总装机容量达到38450万kW，年发电量19080亿kW·h，从1996年起，我国发电机装机容量和年发电量均居世界第二位，2006年全国总装机容量达到62200万kW，年发电量28344亿kW·h2009年全国总装机容量达到80000万kW，年发电量约为40000亿kW·h。电力发展和应用的程度，是衡量国民经济发展水平和社会现代化水平高低的重要 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 之一。电力发展必须超前国民经济的增长。第一节我国电力工业发展概况第七页，共43页。目前我国最大的汽轮发电机组容量为100万kW，安装在浙江玉环电厂(世界最大135万kW)；最大的水轮发电机组容量为70万kW，安装在三峡水力发电厂(世界最大80万kW)；最大的核电发电机组容量为100万kW，安装在岭澳核电厂(世界最大145万kW)。最高交流输电电压为1000kV(世界上最高为1000kV)，如山西长治晋东南1000kV变电站—河南南阳1000kV开关站---湖北荆门1000kV变电站特高压试验示范工程，第一期1000kV输电线路一回，全长645km，晋东南和荆门各一组3×100万kVA变压器,可以输送5台60万kW发电机的发出的功率300万kW。晋东南变电站最终变压器容量3×3×100万kVA。我国电力工业的之最(技术水平)：第八页，共43页。荆门变电站最终变压器容量2×3×100万kVA。电压等级为1000kV/500kV/110kV。1000kV为双母线双断路器接线，出线10回，500kV为3/2接线，出线10回，110kV为单母线接线，接无功补偿装置。南阳1000kV开关站装设并联高压电抗器，容量为3×240Mvar。1000kV特高压的优点：可以节省占地面积，钢材，线路损耗为500kV线路损耗的1/4。输送距离在同样容量下是500kV的4倍。改运煤为输电，降低发电成本，缓解电煤运输紧张的局面。第九页，共43页。目前我国最大的水力发电厂，也是世界上最大的水力发电厂是三峡水力发电厂，装有26台单机容量为70万kW的水轮发电机组，总装机容量1820万kW，年均发电量847亿kW·h。三峡大坝采用混凝重力坝，坝高185m，坝长(轴线长)2309m，坝顶总长3035m，总投资约2039亿。我国最大的火力发电厂是北仓港电厂，装机容量300万kW，单机容量60万kW。我国最大的核能发电厂是岭澳核电厂，装机容量200万kW，单机容量100万kW。这些都说明我国电力工业已进入大机组、大电厂、大电网、超高压、高度自动化的发展时期和向跨大区联网、推进全国联网的新阶段。最高直流输电电压为±500kV,如宜昌葛洲坝到上海南桥的±500kV直流输电线路。(世界上最高为±750kV)。第十页，共43页。东北电网:东三省及部分内蒙华中电网:河南、湖北、湖南、江西华北电网:北京、天津、山西、河北及部分内蒙华东电网:上海、江苏、浙江、安徽西北电网:陕西、甘肃、青海、宁夏川渝电网:四川、重庆南方电网:广东、广西、云南、贵州5个独立的省级电网:山东、福建、海南、乌鲁木齐和拉萨我国电力体制的改革:建立电力市场,实行厂网分开,竟价上网。网：国家电网公司:厂：五大发电公司：国电电力、大唐发电、华能、华电和中电投。南方电网公司:第十一页，共43页。第二节发电厂和变电所的基本类型一次能源是指直接由自然界采用的能源，如：煤、石油、天然气、水利资源、核原料等。二次能源是由一次能源经加工转换而获得的另一种形态的能源，如电力、煤气、蒸汽、焦碳等。一、发电厂的基本类型发电厂是把各种一次能源转换成二次能源，即电能的场所。按照发电厂所消耗一次能源的不同，发电厂有：1.火力发电厂：以煤炭、石油、天然气等为燃料。⑴凝汽式火电厂:只生产电能，热效率低，仅为30~40%。第十二页，共43页。凝气式火电厂生产过程示意图第十三页，共43页。⑵热电厂:既生产电能又生产热能。热电厂的热效率高达60~70%。⑶燃气轮机发电厂：燃气轮机与汽轮机工作原理相似，所不同的是燃气轮机的工质是高温高压的气体而不是蒸汽。工质一般用天然气，也可以是用清洁煤技术将煤炭转化成的清洁煤气等。2．水力发电厂水电厂：将水的位能和动能转换成电能的发电厂，也称水电站。水电站的类型可以分为：(1)堤坝式:一般河流水位的落差沿河流是分散的，为提高落差就需要在河流的上游修建拦河坝，将水积蓄、提高水头，进行发电。通常这类水电站又细分为坝后式和河床式两种。第十四页，共43页。坝后式水电站:发电机厂房建在坝后，全部水头的压力由坝体承受，水库的水由压力水管引入厂房，推动水轮发电机发电。图1-2坝后式水电站示意图第十五页，共43页。长江三峡水电站第十六页，共43页。长江三峡水电站坝长2309m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装机容量1820万kW，年发电量847亿KW·h；库区将淹没耕地36万亩，淹没城镇129座，需安置迁移人口113万；电站于93年起步，首批机组于2003年10月发电，以后每年投产4台机组（2800MW），2009年全部机组建成投产。三峡电站发出的强大电力将送往华中、华东地区和广东省。电站将引出15条超高压交流输电线路，其中3条线路通过换流站将交流电转换成直流电后，再通过500kＶ直流输电线路，2条送往华东、1条送往广东。第十七页，共43页。图1-3河床式水电站示意图河床式水电站:发电机厂房和挡水堤坝连成一体，厂房也起挡水作用。由于厂房修建在河床中，故称河床式。第十八页，共43页。图1-4引水式水电站示意图3．抽水蓄能电站抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站。⑵引水式水电站:建在山区水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地段，由引水渠道提供水头，一般不需要修建堤坝，或只修低堰，适用于水头比较高的情况。第十九页，共43页。具有水轮机-发电机和电动机-水泵两种可逆的工作方式：(1)夜晚或周末低负荷时，抽水蓄能电站的机组作为电动机运行，利用电力系统富余的电能将下库的水抽到上库，以位能的形式将电能储存起来。(2)在电力系统的峰荷期间，抽水蓄能电站的机组又作为发电机运行，将上库的水放下来通过水轮机发电，用以担任电力系统峰荷中的尖峰部分，即起到调峰作用。图1-5抽水蓄能电站示意图第二十页，共43页。广州抽水蓄能电站为目前世界上最大的抽水蓄能电站，是为大亚湾核电站安全经济运行而建设的配套工程，同时还承担着广东、香港电网的调峰填谷和事故备用的任务。电站总装机总装机容量2.4GW（8×300MW），分两期建设，每期4台，设计水头535m，电站一期工程于1989年5月25日开工且1993年6月29日1号机投产，二期工程于1994年9月12日开工，至2000年3月14日8号机投产。第二十一页，共43页。核电厂发电的原理与火电厂相似，都要有一个热源，将水加热成蒸汽，进而推动汽轮机旋转并带动发电机转动而发出电能。不同的是核电厂所用的热源不是煤或石油，它的热源是原子核的裂变能。4．核电厂核电是一种安全清洁的能源，利用它可以大大地节约煤和减少污染。一个1000MW的火电厂一天燃烧的煤是9600t，而相应1000MW的核电厂，一天只要3.3kg的U235，同样容量的电厂其用燃料量竟相差300万倍。5．新能源发电太阳能发电、风力发电、地热发电、潮汐发电、生物质能发电及垃圾电厂等。第二十二页，共43页。大亚湾核电站位于深圳市东部大亚湾畔，为我国目前最大的核电站。大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。核电站安装有两台单机容量为900MW的压水堆反应堆机组。1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运。大亚湾核电站每年发电量超过100亿度，其中七成电力供应香港，三成电力供应广东电网。第二十三页，共43页。秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2×300MW。1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。第二十四页，共43页。①太阳能热发电它是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，其基本组成与常规火力电厂相似。②太阳能光发电太阳能光发电不通过热过程而直接将太阳的光能转换成电能，其中光伏电池是一种主要的太阳能光发电形式，也叫光伏发电。1.光伏发电是利用“光”生“伏特”效应，当用适当波长的光照射到半导体材料上时，半导体材料吸收光能后两端产生电势，利用此原理，用半导体材料做成太阳能电池，可以将照射在它上面的太阳光直接变换成电能，它是目前太阳能发电的发展方向。太阳能发电第二十五页，共43页。2.硅是目前太阳能电池应用最多的材料，包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜电池等。单晶硅电池转换效率最高，已达16%~18%（晴天太阳的辐射功率每平方米为1000W,故每平方米单晶硅电池可以发出160W~180W的功率），但其生产成本高，价格贵；多晶硅电池转换效率可以达到15%~17%；非晶硅薄膜电池转换效率较低，为5%~8%，但其原材料丰富，生产过程无毒，能耗低，无污染，成本远远低于晶体硅太阳能电池。3.由于光伏系统发出的是直流电，如果要为交流负载供电，必须配备逆变器将其转换成交流电(380V)。独立（离网）光伏系统需要配置蓄电池，将有日照时发出的多余电能储存起来，供晚间或阴雨天使用。并网光伏系统与电网相连，有日照时发出的电供给用户使用，如有多余，可以输入电网，在晚间或阴雨天则由电网向用户供电。第二十六页，共43页。太阳能发电——光伏发电第二十七页，共43页。　　将风能转换成电能的发电方式称谓风力发电。风能属于再生能源，又是一种过程性的能源，无法直接储存，还具有随机性，所以对风能的应用技术上比较复杂。图1-9是风力发电装置的示意图。由此图可以看出风力发电机生产过程的简单描述。风力发电图1-9风力发电装置的示意图1—风力机2—升速齿轮箱3—发电机4—改变方向的驱动装置5—底板6—塔架7—控制和保护装置8—基础9—电缆线路10—配电装置第二十八页，共43页。达板城风力发电厂装机容量7.23万千瓦，占全国的30%。第二十九页，共43页。　　地球本身是个大热库，地热资源遍布世界各地。仅地表10公里以内就有可供开采的热能，地热能的储量很大，它的总量大约是煤炭的一亿七千万倍。但是，目前世界上实际能利用的地热资源很少，主要限于蒸汽田和热水田，这两者统称为地热田。地热电站是清洁的能源。它的发电成本比水电和火电都低，而且地热发电后排出的热水还可以供采暖、医疗、提取化学物质等利用，所以目前地热发电发展很快。地热发电第三十页，共43页。潮汐发电　　利用潮汐的落差推动水轮机而发电称之为潮汐发电。即在海湾或河流入海口处筑起堤坝，涨潮时蓄水，高潮时关闭。退潮时形成足以使水轮机工作的落差时才开始放水，将蓄水放出，驱动水轮发电机发电。第三十一页，共43页。潮汐发电示意图第三十二页，共43页。二、变电所的基本类型变电所起着变换和分配电能的作用。从发电厂送出的电能一般经过升压远距离输送，再经过多次降压后才供给用户使用，所以电力系统中的变电所的数量多于发电厂，变压器的容量约是发电机容量的7~10倍。变电所分发电厂的变电所(升压变电所)和电力网的变电所(降压变电所)，根据变电所在电力系统的地位与供电范围，可以将其分为以下几类。1.枢纽变电所(1)枢纽变电所位于电力系统的枢纽点，汇集着电力系统中多个大电源和多回大容量的联络线，连接着电力系统的多个大电厂和大区域。(2)电压等级一般为330~500kV。(3)枢纽变电所在系统中的地位非常重要，若发生全所停电事故，将引起系统解列，甚至系统崩溃的灾难局面。第三十三页，共43页。2.中间变电所中间变电所高压侧与枢纽变电所连接，以穿越功率为主，在系统中起交换功率的作用，或使高压长距离输电线路分段，它一般汇集2~3个电源，这样的变电所主要起中间环节作用。(2)电压等级多为220~330kV，其中压侧一般是110~220kV，供给所在的多个地区用电并接入一些中小型电厂。(3)当全所停电时，将引起区域电网解列，影响面也比较大。3.地区变电所地区变电所主要任务是给地区的用户供电，它是一个地区或城市的主要变电所。(2)电压等级一般为110~220kV。(3)若发生全所停电事故，只造成本地区或城市停电。第三十四页，共43页。4.终端变电所终端变电所位于输电线路的末端，靠近负荷点。(2)高压侧电压多为110kV或者更低（如35kV），经过变压器降压为6~10kV电压后直接向用户送电。(3)若发生全所停电事故，只是所供电的用户停电，影响面较小。5．开关站在远距离输电线路中间，用断路器将线路分段断开的接受电能并分配电能的工程设施。开关站与变电所的区别在于：①没有主变压器；②进出线属同一电压等级；③站用电的电源引自站外其他高压或中压线路。第三十五页，共43页。开关站的主要功能是：(1)将长距离输电线路分成若干段，以降低工频过电压水平和操作过电压水平；(2)当线路发生故障时，由于在开关站的两侧都装设了断路器，所以仅使一段线路被切除，缩小了事故范围，且系统阻抗增加不多，因此提高了系统的稳定性；(3)长距离的超/特高压交流输电,空载时线路末端电压随线路长度增加而增高，因无功补偿的需要,全段需分段并设开关站。(4)增设主变可以扩建为变电所。第三十六页，共43页。第三节发电厂和变电所电气设备简述1．电气一次设备直接生产、转换和输配电能的设备称为电气一次设备。一、主要电气设备它们主要有以下几种：变电所:输入电压等级在35kV及以上，有主变压器，有电压改变的叫变电所；如果10kV进380kV以下低压出，就是配电房。开闭所或开关站：接受电能并分配电能的供配电设施只有同一电压等级，没有变压器，10kV电压等级的，就是开闭所；35kV及以上电压等级的，叫开关站。没有断路器或负荷开关的叫电缆分接箱，电缆直接进出，用于小容量和用电可靠性不高的场所。第三十七页，共43页。(1)生产和转换电能的设备如发电机、电动机、变压器等，它们是直接生产和转换电能的最主要的电气设备。(2)接通或断开电路的开关电器为满足运行、操作或事故处理的需要，将电路接通或断开的设备，如断路器、隔离开关、接触器、熔断器等。(3)限制故障电流和防御过电压的电器如用于限制短路电流的电抗器和防御过电压的避雷器、避雷针、避雷线等。(4)接地装置用来保证电力系统正常工作的工作接地或保护人身安全的保护接地，它们均与埋入地中的金属接地体或接成接地网的接地装置连接。第三十八页，共43页。(5)载流导体电气设备必须通过载流导体按照生产和分配电能的顺序或者说按照设计要求连接起来，常见的载流导体如母线、架空线、电力电缆等。(6)补偿装置如调相机、电力电容器、消弧线圈、并联电抗器等。它们分别用来补偿系统的无功功率、补偿小电流接地系统中的单相接地电容电流、吸收系统过剩的无功功率等。(7)仪用互感器如电压互感器和电流互感器，它们将一次回路中的高电压和大电流变成低电压和小电流，供给测量仪表和继电保护装置用。第三十九页，共43页。2．电气二次设备对电气一次设备进行测量、控制、监视和保护用的设备，称为电气二次设备。它们主要有：(1)测量仪表如电压表、电流表、功率表、电能表等，它们用以测量一次回路的运行参数。(2)继电保护及自动装置它们用以迅速反应电气故障或不正常运行情况，并根据要求切除故障、发出信号或作相应的调节。(3)直流设备直流设备主要用于供给保护、操作、信号以及事故照明等设备的直流供电，它们有直流发电机组、蓄电池、硅整流装置等，第四十页，共43页。(4)控制和信号设备及其控制电缆控制设备是指对断路器进行手动或自动的开、合操作控制的设备。信号设备有光字牌信号、反映断路器和隔离开关位置的信号、主控制室的中央信号等。控制电缆是连接二次设备的电缆。(5)绝缘监察装置用以监察交流和直流系统的绝缘状况。第四十一页，共43页。二、电气接线电气一次设备根据工作要求和它们的作用，按照一定顺序连接起来而构成的电路称为电气主接线又叫一次回路、一次接线或电气主系统。二次设备连接成的电路称为二次回路、二次接线或二次系统。电气主接线表示出电能的生产、汇集、转换、分配关系和运行方式，是运行操作、切换电路的依据。二次接线表示出继电保护、控制与信号回路和自动装置的电气连接以及它们动作后作用于一次设备的关系。用国家规定的图形和文字符号将一次回路和二次回路绘制成的电路图或电气接线图，称为电气主接线图（常绘制成单线图）和电气二次接线图。第四十二页，共43页。三、配电装置配电装置是以电气主接线为主要依据，由开关设备、保护设备、测量设备、母线以及必要的辅助设备组成的接受和分配电能的装置。配电装置是电气主接线的物理实体，具体实现电气主接线功能的重要装置。按照电气设备的安装地点、电压等级和组装方式的不同，配电装置有着不同的分类方法，这些将在后续章节中详细介绍。第四十三页，共43页。