发电厂低压电容器补偿柜设计书

- 1 - 发电厂低压电容器补偿柜设计书 第一章 电力系统 1力系统的概述 一、电力系统的基本概念 电力系统 是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。 电力网络 是由 变压器 、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。 动力系统 在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如 火力发电厂 的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。 总装机容量 指该系统中实际安装的 发 电机组 额定 有功功率 的总和，以千瓦（ 兆瓦（ 吉瓦（ 单位计。 年发电量 指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（ 兆瓦时（ 吉瓦时（ 单位计。 最大负荷 指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（ 兆瓦（ 吉瓦（ 单位计。 额定频率 按国家标准规定，我国所有交流电力 系统的额定功率为50 最高 电压等级 是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。 二、电力系统的发展概况 1882 年，英国建成第一座发电厂，原始线路输送的是低压直流电。 同年，法国人德普列茨提高了直流输电电压，被认为是世界上第一个电力系统。 - 2 - 1892 年，第一条三相交流输电线路在德国运行，三相交流输电是输送 功率、输电电压、输电距离日益增大。 目前，大电力系统不 断涌现，甚至出现全国性和国际性电力系统。 我国已建成华东、华北、华中、东北、西北、华南六个跨省电力系统，独立的省属电力系统还有山东、福建、海南、四川、和台湾系统。 三、电力线路接线图 地理接线图 :按比例显示电力系统中各发电厂和变电所相对地理位置，它反映电力线路的路径和相互的联接，但不能全显示各个元件的连接情况。 电气接线图 :显示系统中各个电力元件之间的电器联系，但不能反映发电厂和变电所的相对地理位置。 1电力系统运行的基本要求 根据电能生产、输送、消费的特殊性，对电力系统运行有如下三 点要求。 一、保证可靠持续供电 根据用户对电可靠性的要求，将负荷分为三个等级： 第一级负荷 第二级负荷 第三级负荷 电力系统供电的可靠性，就是要保证一级负荷在任何情况下都不停电，二级负荷尽量不停电，三级负荷可以停电。 二、保证良好的电能质量 良好的电能质量有三个指标：电压质量、频率质量、波形质量。 电压偏移：一般不超过用电设备额定电压 5%。 频率偏移：一般不超过 波形畸变频：指各次谐波有效值平方和的方根与基波有效值的百分比。 三、提高系统运行的经济性 - 3 - 电力系统的经 济指标一般是指火电厂的煤耗以及电厂的厂用电率和电力网的网损率等。 环境保护问题也将成为对电力系统运行的基本要求。 联合电力系统是由若干单一系统互联组成，它容易满足对电力系统运行的基本要求，但同时又必须在技术上采取措施，以满足电力系统稳定性的要求。 1力系统的电压等级负荷 一、电力系统的电压等级 电力系统电压等级的确定主要从电力系统输送电能的经济性，生产产品的系统性和经济性两个方面考虑。 说明： 用电设备的容许电压偏移一般为 5% 沿线路的电压降落为 10% 在 额定负荷下，变压器内部的电压降落为 5% 电力线路平均额定电压，是指电力线路首末端所接电气设额定电压的平均值，即 2=电设备的额定电压：与线路的额定电压相同。 发电机的额定电压：同步发电机往往接在线路始端，因此 ,其额定电压比电 力线路的额定电压高 5%。 变压器的额定电压：一次侧相当于用电设备，其额定电压等于线路的额定电压；二次侧相当于发电机，其额定电压较线路额定电压高 10%。 注意：当一次侧直接和发电机相连时，其额定电压等于发电机额定 电压； 当变压器漏抗较小，或二次侧直接与用电设备相连的厂用变压器， 其额定电压可以只比线路电压高 5%。 电力线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系 - 4 - 500、330、220 110电力系统的主干线及大电力系统的二次网络； 35广泛用于农村网络； 10 6 3 二、电力系统的负荷 电力系统的总负荷：指系统中各个用电设备消耗功率的总和。它们可分为动力负荷和照明负荷。 综合用电负荷：指工业、农业、交通运输、 市政生活等各方面消耗的功率之和。 供电负荷：指电力系统的综合用电负荷加上电力网的功率损耗，即发电厂供出的负荷。 发电负荷：指发电负荷再加上发电厂厂用电，即发电机发出 的功率。 电力负荷曲线：指某一段时间内负荷随时间变化的规律的曲线。 有功功率 (无功功率 )日负荷曲线：表明系统有功功率或无功功率负荷在一天 24小时的变化规律。 用途：制定各发电厂发电负荷计划及系统调度运行的依据。 额定电压(输 送 功 率(输 送 距离 (额定电压(输送功率 (输送距离(3 100 1000 1 3 60 3500 30000 30 100 6 100 1200 4 15 110 10000 50000 50 150 10 200 2000 6 20 220 100000 50000 100 300 35 2000 10000 20 50 - 5 - 注意：无功功率与有功功率最大负荷不一定同时出现。 有功功率年最大负荷曲线：表示一年内每月最大有功功率负荷变化的曲线。 用途：作为扩建发 电机组，新建电厂以及安排全年发电设备检修计划的依据。 年持续负荷曲线：由一年中系统负荷按其数值大小及持续时间顺序由大到小排列面成的曲线。 用途：可靠性估算和电网规划与运行的能量损耗计算。 持续负荷曲线，计算系统负荷全年小号电量 W W= 08760大负荷小时数 08760中 1电力系统的组成 一、 电力系统的类型 火电：锅炉汽轮机发电机 水电：水库 水轮机 发电机 核电： 核反应堆 汽轮机发电机 其它：如风能、地热能、 太阳能 、潮汐等 二、 系统构成 电力系统的主体结构有电源（ 水电站 、 火电厂 、 核电站 等发电厂），变电所（升压变电所、负荷中心变电所等），输电、配电线路和负荷中心。各电源点还互相联接以实现不同地区之间的 电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成。电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。 根据电力系统中装机容量与用电负荷的大小，以及电源点与负荷中心的相对位置，电力系统常采用不同电压等级输电（如高压输电或超高压输电），以 - 6 - 求得最佳的技术经济效益。根据 电流 的特征，电力系统的输电方式还分为交流输电和直流输电。交流输电应用最广。直流输电是将交流发电机发出的电能经过整流后采用直流电传输。 由于自然资源分布与经济发展水平等条件限制，电源点与负荷中心多处于不同地区。由于电能目前还无法大量储存，输电过程本质上又是以光速进行，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就成为制约电力系统结构和运行的根本特点。 三、电力系统的规 划 电能是二次能源。电力系统的发展既要考虑一次能源的资源条件，又要考虑电能需求的状况和有关的物质技术装备等条件，以及与之相关的经济条件和指标。在社会总能源的消耗中，电能所占比例始终呈增长趋势。信息化社会的发展更增加了对电能的依赖程度。以美国为例 ,1920 1970 年期间 ,电能占能源总消耗的比例由 11上升到 26， 90 年代将超过 40。为满足用户对电能不断增长的需要，必须在科学规划的基础上发展电力系统。电力系统的建设不仅需要大量投资，而且需要较长时间。电能供应不足或供电不可靠都会影响国民经济的发展，甚 至造成严重的经济损失；发电和输、配电能力过剩又意味着电力投资效益降低，从而影响发电成本。因此，必须进行电力系统的全面规划，以提高发展电力系统的预见性和科学性。 制定电力系统规划首先必须依据国民经济发展的趋势（或计划），做好电力负荷预测及一次能源开发布局，然后再综合考虑可靠性与经济性的要求，分别作出电源发展规划、电力网络规划和配电规划。 在电力系统规划中 ,需综合考虑可靠性与经济性 ,以取得合理的投资平衡。对电源设备，可靠性指标主要是考虑设备受迫停运率、水电站枯水情况下电力不足概率和电能不足期望值 ；对输、变电设备，可靠性指标主要是平均停电频率、停电规模和平均停电持续时间。大容量机组的单位容量造价较低，电网互联可减少总的备用容量。这些都是提高电力系统经济性需首先考虑的问题。 电力系统是一个庞大而复杂的大系统，它的规划问题还需要在时间上展开，从多种可行方案中进行优选。这是一个多约束条件的具有整数变量的非线性问 - 7 - 题，远非人工计算所能及。 60 年代以来出现的系统工程理论，以及计算技术的发展，为电力系统规划提供了有力的工具。 四、电力系统的研究与开发 电力系统的发展是研究开发与生产实践相互推动、密切结合 的过程，是电工理论、电工技术以及有关科学技术和材料、工艺、制造等共同进步的集中反映。电力系统的研究与开发，还在不同程度上直接或间接地对于信息、控制和系统理论以及计算技术起了推动作用。反过来，这些科学技术的进步又推动着电力系统现代化水平的日益提高。 从 19 世纪末到 20 世纪 20、 30 年代，交流电路的理论、三相交流输电理论、分析三相交流系统的不平衡运行状态的对称分量法、电力系统潮流计算、短路电流计算、同步电机振荡过程和电力系统稳定性分析、流动波理论和电力系统过电压分析等均已成熟，形成了电力系统分析的理论基础。随着 系统规模的增大，人工计算已经远远不能适应要求，从而促进了专用模拟计算工具的研制。20世纪 20年代，美国麻省理工学院电机系首次研制成功机械式模拟计算机 微分仪，后来改进成为电子管、继电器式模拟计算机，以后又研制成直流计算台和网络分析仪 ,成为电力系统研究的有力工具。 50 年代以来 ,电子计算机技术的发展和应用，使大规模电力系统的精确、快速计算得以实现，从而使电力系统分析的理论和方法进入一个崭新的阶段。 电能是二次能源。电力系统的发展既要考虑一次能源的资源条件，又要考虑电能需求的状况和有关的物质技术装备等条 件，以及与之相关的经济条件和指标。在社会总能源的消耗中，电能所占比例始终呈增长趋势。信息化社会的发展更增加了对电能的依赖程度。以美国为例 ,1920 1970 年期间 ,电能占能源总消耗的比例由 11上升到 26， 90 年代将超过 40。为满足用户对电能不断增长的需要，必须在科学规划的基础上发展电力系统。电力系统的建设不仅需要大量投资，而且需要较长时间。电能供应不足或供电不可靠都会影响国民经济的发展，甚至造成严重的经济损失；发电和输、配电能力过剩又意味着电力投资效益降低，从而影响发电成本。因此，必须进行电力系统的全 面规划，以提高发展电力系统的预见性和科学性。 - 8 - 制定电力系统规划首先必须依据国民经济发展的趋势（或计划），做好电力负荷预测及一次能源开发布局，然后再综合考虑可靠性与经济性的要求，分别作出电源发展规划、电力网络规划和配电规划。 在电力系统规划中 ,需综合考虑可靠性与经济性 ,以取得合理的投资平衡。对电源设备，可靠性指标主要是考虑设备受迫停运率、水电站枯水情况下电力不足概率和电能不足期望值；对输、变电设备，可靠性指标主要是平均停电频率、停电规模和平均停电持续时间。大容量机组的单位容量造价较低，电网互联可减 少总的备用容量。这些都是提高电力系统经济性需首先考虑的问题。 在电力系统的主体结构方面，燃料、动力、发电、输变电、负荷等各个环节的研究开发，大大提高了电力系统的整体功能。高电压技术的进步，各种超高压输变电设备的研制成功，电晕放电与长间隙放电特性的研究等，为实现超高压输电奠定了基础。新型超高压、大容量断路器以及气体绝缘全封闭式组合电器，其额定切断电流已达 100 千安， 全开断时间由早期的数十个工频周波缩短到 1 2 个周波 ,大大提高了对电网的控制能力 ,并且降低了过电压水平。依靠电力电子技术的进步实现了超高压直 流输电。由电力电子器件组成的各种动力负荷，为节约用电提供了新的技术装备。 从 19 世纪末到 20 世纪 20、 30 年代，交流电路的理论、三相交流输电理论、分析三相交流系统的不平衡运行状态的对称分量法、电力系统潮流计算、短路电流计算、同步电机振荡过程和电力系统稳定性分析、流动波理论和电力系统过电压分析等均已成熟，形成了电力系统分析的理论基础。随着系统规模的增大，人工计算已经远远不能适应要求，从而促进了专用模拟计算工具的研制。20世纪 20年代，美国麻省理工学院电机系首次研制成功机械式模拟计算机 微分仪，后来改进 成为电子管、继电器式模拟计算机，以后又研制成直流计算台和网络分析仪 ,成为电力系统研究的有力工具。 50 年代以来 ,电子计算机技术的发展和应用，使大规模电力系统的精确、快速计算得以实现，从而使电力系统分析的理论和方法进入一个崭新的阶段。 从 19 世纪末到 20 世纪 20、 30 年代，交流电路的理论、三相交流输电理论、分析三相交流系统的不平衡运行状态的对称分量法、电力系统潮流计算、短路电流计算、同步电机振荡过程和电力系统稳定性分析、流动波理论和电力系统 - 9 - 过电压分析等均已成熟，形成了电力系统分析的理论基础。随着系统规模的增大 ，人工计算已经远远不能适应要求，从而促进了专用 电力系统示意图 图 1 从 19 世纪末到 20 世纪 20、 30 年代，交流电路的理论、三相交流输电理论、分析三相交流系统的不平衡运行状态的对称分量法、电力系统潮流计算、短路电流计算、同步电机振荡过程和电力系统稳定性分析、流动波理论和电力系统过电压分析等均已成熟，形成了 电力系统分析的理论基础。随着系统规模的增大，人工计算已经远远不能适应要求，从而促进了专用模拟计算工具的研制。20世纪 20年代，美国麻省理工学院电机系首次研制成功机械式模拟计算机 微分仪，后来改进成为电子管、继电器式模拟计算机，以后又研制成直流计算台和网络分析仪 ,成为电力系统研究的有力工具。 50 年代以来 ,电子计算机技术的发展和应用，使大规模电力系统的精确、快速计算得以实现，从而使电力系统分析的理论和方法进入一个崭新的阶段。 - 10 - 在电力系统的主体结构方面，燃料、动力、发电、输变电、负荷等各个环节的研究开发， 大大提高了电力系统的整体功能。高电压技术的进步，各种超高压输变电设备的研制成功，电晕放电与长间隙放电特性的研究等，为实现超高压输电奠定了基础。新型超高压、大容量断路器以及气体绝缘全封闭式组合电器，其额定切断电流已达 100 千安， 全开断时间由早期的数十个工频周波缩短到 1 2 个周波 ,大大提高了对电网的控制能力 ,并且降低了过电压水平。依靠电力电子技术的进步实现了超高压直流输电。由电力电子器件组成的各种动力负荷，为节约用电提供了新的技术装备。 超导电技术的成就展示了电力系统的新前景。 30 万千瓦超导发电机已经投入试 运行，并且还继续研制容量为百万千瓦级的超导发电机。超导材料性能的改进会使超导输电成为可能。利用超导线圈可研制超导储能装置。动力蓄电池和燃料电池等新型电源设备均已有千瓦级的产品处于试运行阶段 ,并正逐步进入工业应用 ,这些研究课题有可能实现电能储存和建立分散、独立的电源，从而引起电力系统的重大变革 。 - 11 - 第二节 功率因数的概念 2率因数的定义 在交流电路中，电压与电流之间的相位差 () 的余弦叫做功率因数，用符号，示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值 对于电力系统中的供电部分，提供电能的发电机是按要求的额定电压和额定电流设计的，发电机长期运行中，电压和电流都不能超过额定值，否则会缩短其使用寿命，甚至损坏发电机。由于发电机是通过额定电流与额定电压之积定额的，这意味着当其接入负载为电阻时，理论上发电机得到完全的利用，因为P=U*I* ；但是当负载为干性或容性时， A） 功率因数为： ) / ) = 70=足了规定的要求，并减少了变压器的投资。 补偿前后变压器容量及功率因数对照表如下： 变压器容量(A) 功率因数 有功功率(无功功率(视在功率（ A） 补偿前 1000 40 730 908 补偿后 630 70 3设备的选择 一、电气设备选择的一般原则 按正常工作条件下选择额定电流、额定电压及型号等，按短路情况下开关的开断能力、短路热稳定和动稳定。 按正常工作条 件选择电气设备 （一）、电气设备的额定电压不得低于所接电网运行的最高电压。 （二）、电气设备的额定电流不小于该回路的最大持续工作电流或计算电流。 （三）、选择电气设备时还应考虑设备的安装地点、环境及工作条件，合理的选择设备的类型 如户内户外、海拔的高低、环境温度及防尘、防腐、防暴等。 二、短路的热稳定校验 当系统发生短路，有短路电流通过电气设备，导体和电器各部件温度（或热量）不应该超过允许值，即满足热稳定的条件 I 2 式中： I 短路电流的稳态值； 短路电流的家乡时间； 设备在 t 设备热稳定时间。 - 23 - 三、短路动稳定校验 当短路电流通过电气设备时短路电流产生电动力不超过设备允许的应力，即满足动稳定的条件 中： 短路电流的冲击值和冲击有效值； 设备允许的通过的极限电流峰值和有效 值。 四、开关设备断流能力校验 对要求能开断短路电流的开关设备，如断路器、熔断器，其断流容量不小于安装处的三相短路容量即： ) 式中： )， 三相最大短路电流与最大短路容量； 断路器的开断电流与开断容量。 五、 低压电容器补偿柜线路的设计图 根据上两节对无功补偿的计算和设备的选择，所以低压电容器补偿柜的设计的内部接线图如图 8 及外型图如图 9。 低压电容器补偿柜的内部接线图 图 8 - 24 - 无功补偿的容量计算及上述各设备的选择原则得出元件明细表 低压电容器补偿柜的外形图 图 9 序号 代号 名称 型号 数量 备注 1 换开关 2 雷器 7 3 3 断器 0/4P 6 4 压表 V 1 5 容器 1 6 容接触器 7 号灯 3 8 流表 9 流互感器 10 离开关 11 电器 - 25 - 低压电容器补偿柜的原理图 图 10 - 26 - 结束语 : 无功功率补偿是当前乃至今后相当长的时期内 , 缓解电力供需矛盾