发电厂的电气系统-重庆大学版电力系统(第2版)课件

1 第3章发电厂的电气系统 2 发电厂的电气系统包括由电气一次设备构成的电气一次系统和由电气二次设备构成的电气二次系统 电气一次系统包括电气主结线和厂用电系统 电气二次系统包括测量 控制 监视 信号 保护等系统以及操作电源系统等 3 1发电厂的电气一次设备发电厂中安装有各种服务于电力生产的电气设备 其中直接参与生产 分配和输送电能的一类设备 如发电机 变压器 断路器和隔离开关等 我们称之为电气一次设备 根据作用和功能的不同 发电厂中的电气一次设备一般可分为如下几类 生产和转换电能的设备 如将机械能转换为电能的发电机 将电能转换为机械能的电动机 根据需要升高或降低电压后输送电能的变压器等 3 接通和断开一次回路的开关电器 如断路器 隔离开关 熔断器 接触器等 限制故障电流和防御过电压的电器 如用来限制短路电流的电抗器和防御过电压的避雷器等 接地装置 包括埋入地中的接地体和接地线 其作用是为电力系统中性点和电气设备提供良好的工作接地 保护接地和防雷接地 从而保证电力系统可靠工作和人身 设备安全 载流导体 如裸导体 包括硬导体和软导线 电力电缆等 其作用是将有关电气一次设备连接成电气一次回路 传输电功率 互感器 包括电流互感器和电压互感器 其作用是将一次回路中的大电流和高电压转换成小电流和低电压并供给测量仪表和继电保护装置等二次回路使用 4 3 1 1开关电器中的电弧当用开关电器开断具有一定电压和电流的电路时 只要电源电压大于10 20V 电流大于80 100mA 在开关电器的触头刚刚分离之后瞬间 动 静触头之间便会产生电弧 1 电弧的产生触头周围的介质虽因开关形式的不同而有所不同 但通常情况下都是绝缘的 介质中产生电弧 说明绝缘介质发生了物态变化 从绝缘体变成了导体 电弧的产生和维持燃烧是触头间的绝缘介质中性质点被游离的结果 游离就是绝缘介质中性质点在一定条件下转化为带电质点的过程 1 强电场发射在开关动 静触头分离的瞬间 触头间距离很小 虽然此时触头间的电压不 5 图3 1电弧的形态 6 一定很高 但足以产生很强的电场 2 热电发射开关触头都是由金属材料制成的 在开关即将断开之前 由于触头接触压力和有效接触面逐渐减小 引起触头接触电阻逐渐增大 触头表面会形成炽热的斑点 3 碰撞游离开关触头间隙中的自由电子 包括阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子 它们在强电场的作用下向阳极高速运动 4 热游离电弧形成之后 弧柱中的温度很高 在高温作用下 介质质点的不规则热运动加剧 具有足够动能的中性质点相互碰撞 会产生出正离子和自由电子 这种现象称为热游离 7 2 电弧的熄灭在开关触头间隙中产生上述游离过程的同时 还存在着使带电质点减少的去游离现象 去游离主要有复合和扩散两种形式 1 复合去游离复合是指正电荷质点和负电荷质点互相吸引 相互接触后电荷中和致使带电质点减少的过程 2 扩散去游离扩散是指带电质点从电弧内部逸出并进入周围介质中 从而使弧柱中带电质点减少的现象 开关电器中的电弧是否能够最终熄灭 首先取决于弧柱区内介质的游离和去游离速度 其次是电源加在触头之间的外施电压的大小 8 3 1 2高压断路器高压断路器是发电厂最重要的电气设备之一 是结构最复杂 功能最完备 价格最昂贵的一类开关电器 在发电厂乃至整个电力系统中起着至关重要的作用 1 高压断路器的功能在系统正常运行时 高压断路器用来将高压电气设备或高压输电线路接入电路或退出运行 可倒换电气结线的运行方式 起着控制电路的作用 在系统发生故障时 高压断路器能通过快速断开电路的方式切除故障设备或故障回路 以保证非故障部分正常运行 使故障设备或故障回路免遭更严重的损坏 防止故障进一步扩大 起着保护作用 在断开电路时 高压断路器触头间将会产生电弧 高压断路器必须具有完善 9 的灭弧装置和快速动作的特性 必须具有足够的开断能力 即切断电流时熄灭电弧的能力 2 高压断路器熄灭电弧的基本方法高压断路器断开交流电路时 电弧能否熄灭取决于电弧电流过零时弧隙的介质强度恢复速度和弧隙电压恢复速度的快慢 1 利用性能优良的灭弧介质电弧中的去游离速度 在很大程度上取决于电弧周围介质的特性 采用不同介质可以制成不同类型的断路器 如空气 压缩 断路器 油断路器 SF6断路器和真空断路器等 2 采用特殊金属材料制成的灭弧触头电弧中的去游离强度在很大程度上取决于触头材料 若采用熔点高 导热 10 系数和热容量大的耐高温金属作为触头材料 可以减少热电发射和电弧中的金属蒸气 抑制游离作用 3 利用气流或油流吹动电弧电弧在气流或油流中被强烈地冷却而使复合去游离加强 同时 高速油气流吹弧有利于带电粒子的扩散 4 采用多断口熄弧在高压断路器中 每一相采用两个或更多的断口串联熄弧时 断口把电弧分割成多个小电弧段 在相等的触头行程下 多断口与单断口相比其电弧被数倍拉长 从而增加了弧隙电阻 同时也增大了介质强度的恢复速度 5 拉长电弧并加快断路器触头的分离速度迅速拉长电弧可使弧隙的电场强度骤降 同时使电弧的表面积突然增大 11 图3 2吹弧方式 12 有利于冷却电弧和带电质点向周围介质中扩散 使热游离作用削弱 加快离子的复合速度 从而加速电弧的熄灭 6 断路器加装并联电阻在高压断路器的触头两端并联一个电阻 当触头分开时 并联电阻r接入电路 使其在触头断开过程中起分流作用 r越小则分流越大 对触头的灭弧也越有利 7 断路器加装并联电容当电压等级较高时 高压断路器常采用多个灭弧装置串联并形成多断口断路器 为了充分发挥每个灭弧室的作用 应使各个断口的工作条件接近相等 通常在每个断口之间并联一个电容 称之为均压电容 13 图3 3灭弧室的并联电阻连接方式 14 3 高压断路器的类型高压断路器的种类很多 一般按断路器的安装地点可分为户内型和户外型 按断路器的灭弧介质可分为油断路器 空气 压缩 断路器 SF6断路器和真空断路器等 1 油断路器采用绝缘油 断路器油或变压器油 作为灭弧介质的断路器称为油断路器 它可分为多油断路器和少油断路器两种 2 空气断路器空气断路器又称为压缩空气断路器 它采用压缩空气作为灭弧介质灭弧 3 SF6断路器采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作为灭弧介质的断路器 15 称为SF6断路器 4 真空断路器利用真空的高介质强度来实现灭弧的断路器 称为真空断路器 4 高压断路器的基本结构图高压断路器通断电路的功能是由操动机构经过传动机构驱动动 静触头的接触和分开来实现的 高压断路器的结构原理如图3 4所示 以LW 550型的500kVSF6断路器为例 其总体结构如图3 5所示 3 1 3隔离开关隔离开关是发电厂中常用的开关电器 一般与断路器配套使用 与高压断路 16 图3 4高压断路器结构原理图 17 图3 5LW 550型SF6断路器总体结构图 18 图3 6LW 550型SF6断路器灭弧室单级剖面 19 器不同的是 隔离开关没有灭弧装置 不能用来接通和切断负荷电流和短路电流 1 隔离开关的功能隔离开关的功能主要是隔离电压 其次是用于倒闸操作和分合小电流 隔离电压 倒闸操作 分合小电流 2 隔离开关的类型与结构隔离开关种类繁多 一般按安装地点分为户内式和户外式 按闸刀运动方式分为水平旋转式 垂直旋转式 水平伸缩式和垂直伸缩式等 按每相的绝缘支柱数分为单柱式 双柱式和三柱式 按操作特点分为单极式和三极式 按有无接地隔离开关分为带接地隔离开关和不带接地隔离开关 20 3 1 4电流互感器互感器是电力系统中一次系统与二次系统之间的联络元件 一般归类于电气一次设备 1 电流互感器的工作原理目前 电力系统中广泛采用电磁式电流互感器 其一次绕组串联接入被测一次电路中 而且绕组匝数很少 因而一次绕组的电流完全取决于被测一次电路中电流的大小 与电流互感器的二次电流无关 电流互感器的原理结线和等值电路如图3 7和图3 8所示 其相量图也类似于变压器的相量图 电流互感器一 二次额定电流之比 称为电流互感器的额定变比或额定电流比 用Ki表示 其值为 21 式中IN1 电流互感器一次额定电流 根据所在一次回路而定 IN2 电流互感器二次额定电流 为5A或1A的标准电流 N1 N2 电流互感器一 二次绕组的匝数 电流互感器等值电路电流误差fi为二次电流的实际测量值I2乘以额定电流比Ki后所得的结果KiI2与实际一次电流I1之差 再除以实际一次电流I1后得到的百分数 即因Ki N2 N1 故上式可写成 22 图3 7电流互感器原理图 23 图3 8电流互感器等值电路 24 进一步分析的结果表明 电流互感器的误差将随一次绕组磁动势F1和二次绕组电流I2的大小而变化 2 电流互感器的准确级和额定容量测量用的电流互感器的标准准确级是根据测量时误差的大小来划分的 我国测量用电流互感器准确级和误差限值如表3 1所示 电流互感器二次绕组所串接的全部阻抗即为其二次负荷 包括它所连接的全部测量仪表和继电器电流线圈的阻抗 二次电缆的电阻和导线连接接头的接触电阻等 电流互感器的额定容量也可以用阻抗ZN2 额定二次负荷或额定二次阻抗 来表示 25 26 式中SN2 电流互感器的额定容量 VA IN2 电流互感器的二次额定电流 为5A或1A ZN2 电流互感器的二次额定负荷 3 电流互感器的工作状态电流互感器正常工作时 二次回路近似于短路状态 这时二次电流所产生的磁动势F2对一次磁动势F1有去磁作用 故合成磁动势F0 F1 F2及合成磁通 0都不大 二次绕组内感应电动势e2也不大 使用中的电流互感器如果发生二次绕组回路开路 其二次去磁磁动势F2等于零 一次磁动势F1仍保持不变 且全部用于励磁 合成磁动势F0 F1 这时的F0较正常时的合成磁动势 F1 F2 增大了许多倍 使得铁芯中的磁通急剧增加而达到饱和状态 27 图3 9电流互感器二次开路时磁通和电动势波形 28 电流互感器二次绕组与测量仪表和继电器的结线最常见的有三种形式 如图3 10所示 4 电流互感器的类型和结构电流互感器按安装地点可分为户内式和户外式 按安装方式可分为支持式 穿墙式和装入式 按一次绕组匝数可分为单匝式和多匝式 按绝缘结构可分为干式 浇注式 油浸式和SF6气体绝缘式 3 1 5电压互感器电力系统中目前广泛应用的电压互感器按工作原理分为电磁式和电容分压式两种 1 电磁式电压互感器的工作原理电磁式电压互感器相当于一台小容量的变压器 其特点是一次绕组并联接入 29 图3 10电流互感器的二次结线 30 图3 11电磁式电压互感器 31 被测一次电路 其所承受的电压随被测电路电压变化而变化 而二次绕组则并联接入测量仪表和继电器的电压线圈 电压互感器的一 二次绕组额定电压之比就是电压互感器的额定变比 又称为额定电压比 即Ku UN1 UN2 由于UN1为电网的标准额定电压 而UN2为标准电压100V 或100 3V 所以Ku也已标准系列化 电压误差fu为电压互感器二次电压的测量值U2乘以额定电压比Ku的所得值与实际一次侧电压U1之差 再除以实际一次电压U1 通常以百分数表示为 运行中的电压互感器的电压误差与二次负荷和一次电压等因素有关 32 2 电容式电压互感器的工作原理电容式电压互感器实质上是一个电容分压器 电容分压器由主电容C1和分压电容C2串联而成 当系统的相对地电压为U1时 按电压分压原理可得分压电器C2上的电压UC2为 式中 K为分压比 K C1 C1 C2 负载越大 误差也越大 为尽可能消除内阻抗1 j C1 C2 所导致的误差 在电容C2的测量回路中串入补偿电抗器L 此时的内阻抗为 33 图3 12电容式电压互感器原理结线图 34 合理选择补偿电抗器L 使 L 1 C1 C2 则内阻抗为零 输出电压UC2与负荷无关 电容式电压互感器的误差由空载误差f0 0 负载误差f1 1和阻尼器负载产生的误差fd d等组成 即 3 电压互感器的准确级和额定容量电压互感器的准确级是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内 二次负荷功率因数为额定值时 互感器的电压误差最大值 电压互感器的额定容量是指在最高准确级工作时所容许的二次最大负荷的容量 如果二次电缆较长又需要精确测量时 应考虑电压互感器二次导线上的电压损失 35 36 4 电压互感器的结线 5 电压互感器的分类和结构电压互感器除按工作原理分为电磁式和电容式以外 还可按安装地点分为户内式和户外式 按相数分为单相式和三相式 按绝缘结构分为干式 浇注式和油浸式 按每相绕数分为双绕组 三绕组和四绕组 3 1 6母线 绝缘子和绝缘套管 1 母线各种电气一次设备之间要用载流导体连接才能构成回路 在发电厂中 连接导体大都采用无外层绝缘的敞露硬导体 这些导体称为敞露母线或裸导体 根据母线截面形状 敞露母线可分为矩形母线 槽形母线和圆管形母线等 封闭母线可分为共箱封闭母线和分相封闭母线 37 图3 13电压互感器结线 38 2 绝缘子在电力系统的一次回路中 绝缘子的作用是支持和固定载流导体 并使导体与接地部分绝缘或使处于不同电位的载流导体之间相互绝缘 绝缘子的制成材料有电瓷 钢化玻璃和有机绝缘材料等 按安装地点可分为户内式和户外式两种 按支持导体的方式可分为支持式和悬挂式 3 绝缘套管当电气回路的导体穿过建筑物墙体或楼板 或从设备内部引出导体时 使导体与接地部分绝缘的设备称为绝缘套管 分为户内和户外两种形式 穿过墙体或楼板的绝缘套管又被称为穿墙套管 3 2发电厂的电气主结线3 2 1概述将发电机 变压器 断路器和隔离开关等电气一次设备按照功能要求或预定 39 的方式连接起来并能完成生产 转换和分配电能任务的电路 称为电气一次结线或电气一次系统 其中承担向厂外系统或电力用户输送电能任务的部分称为电气主结线 发电厂电气主结线代表了发电厂电气系统的主体结构 是电力系统网络的重要组成部分 直接影响着发电厂乃至整个系统的运行可靠性和灵活性 对一次设备的选定和二次系统的构成都起着决定性的作用 电气主结线的基本单元是电源 发电机或变压器 回路 汇流母线 简称母线 和出线 又称馈线或线路 回路 常见的电气主结线的基本结线形式包括单母线结线 双母线结线 一台半断路器结线 单元结线 扩大单元结线 桥形结线 角形结线 3 2 2单母线结线单母线结线如图3 14所示 其每回进出线都分别经过一台断路器和一组隔离 40 开关接入一组母线 改变电气设备的运行状态可以通过倒闸操作来实现 即通过合上或断开断路器和隔离开关达到改变运行方式的目的 对断路器和隔离开关进行操作的基本原则是 用断路器接通和断开电路 用隔离开关隔离电压或在等电位的前提下切换电路 即在接通和断开隔离开关时 必须保证同一回路的断路器处于断开状态 或者保证隔离开关两侧等电位 在同一回路断路器没有断开的情况下拉开隔离开关 是带负荷拉开隔离开关的误操作 可能会引起严重的短路事故 按上述要求对线路进行停送电操作时 即使出现带负荷分合隔离开关的误操作 也可以缩小故障影响范围或缩短停电时间 单母线结线是一种最简单的有汇流母线的结线 它具有简单清晰 设备投资少 运行操作方便等优点 且有利于扩建 41 图3 14单母线结线 42 图3 15单母线分段结线 43 当进出线回路数较多时 为提高供电可靠性 可将单母线用断路器分段 成为单母线分段结线 单母线分段结线的任何一段母线故障或检修时 另一段母线仍可继续正常运行 但任一回路断路器检修时 该回路必须停电 为克服单母线结线或单母线分段结线中出线断路器检修时出线不得不停电的缺点 可采用加设旁路母线的方法分别构成单母线带旁路结线和单母线分段带旁路结线 单母线带旁路结线中设有专用旁路断路器 增加了价格昂贵的断路器和隔离开关数量 投资因此而增加 3 2 3双母线结线每回进出线都各用一台断路器和两组隔离开关分别接入两组母线 两组母线 44 图3 16单母线带旁路母线结线 45 图3 17单母线分段带旁路结线 46 图3 18单母线分段带旁路结线的其他形式 47 之间通过母线联络断路器 简称母联断路器或母联 连接 这种结线形式称为双母线结线 如图3 19所示 双母线结线具有较高的可靠性和灵活性 双母线结线具有供电可靠 调度灵活 扩建方便的优点 在电力系统中广为采用 并已积累了丰富的运行经验 当进出线回路数或母线上电源较多 输送功率较大时 可采用双母线分段 三分段或四分段 结线 以进一步提高供电可靠性和运行灵活性 3 2 4一台半断路器结线每两个进出线回路用3台断路器接在两组母线上 即每一回路经一台断路器接至一组母线 两个回路间设一台联络断路器连接 形成一串 这种结线形式称一台半断路器结线 又称二分之三 3 2 结线或一又二分之一结线 48 图3 19双母线结线 49 图3 20双母线分段结线 50 图3 21双母线带旁路结线 51 图3 22双母线带旁路 母联兼旁路断路器 结线 52 图3 23一台半断路器结线 53 3 2 5单元结线发电机与变压器直接连接而组成发电机 变压器组 称为单元结线 这种结线具有结线简单 开关设备少 操作简便等特点 为了减少变压器台数和高压侧断路器数目 节省配电装置占地面积 在系统允许时可将两台发电机与一台变压器相连接 从而组成扩大单元结线 3 2 6桥形结线两台变压器和两条输电线路可通过3台断路器连接构成桥形结线 如图3 26所示 这种结线使用断路器数目最少 桥形结线虽具有采用设备少 结线清晰简单的优点 但可靠性不高 且隔离开关又用作操作电器 54 图3 24单元结线 55 图3 25扩大单元结线 56 图3 26桥形结线 57 图3 27角形结线 58 3 2 7角形结线将一组母线闭合成环形 按进出线回路数用断路器分段且在每一段上接入一回进出线 即构成角形结线 又称为环形结线或多角形结线 3 3发电厂的厂用电结线在生产电能的过程中 发电厂有大量的厂用机械设备为主设备 如锅炉 汽轮机或水轮机 发电机等 和辅助设备服务 它们一般由电动机拖动 3 3 1厂用电率厂用电负荷是发电厂的重要负荷之一 在额定工况下 厂用电率可根据下式计算 59 式中Kp 厂用电率 Sc 厂用计算负荷 kVA cos av 厂用负荷的平均功率因数 一般取0 8 PN 发电机的额定功率或总装机容量 kW 厂用电率是发电厂的主要运行经济指标之一 其影响因素很多 主要与发电厂的类型有关 3 3 2厂用电结线 1 厂用供电电压发电厂的厂用电系统供电电压等级一般要根据发电机容量和额定电压 厂用电动机的容量和额定电压以及厂用供电网络的可靠性要求等诸多因素 经过经济 技术综合比较后才能最终确定 60 发电厂的厂用电供电电压一般分为高压和低压两种 高压等级有3kV 6kV和10kV 低压为0 4kV 380 220V 2 厂用母线结线形式发电厂的厂用负荷有很多 其厂用电结线一般采用简单清晰 操作方便的单母线分段结线形式 并配置高可靠性的成套高压和低压开关柜 3 厂用电源及其引接为保证发电厂在各种运行方式下对厂用负荷可靠供电 必须合理设置供电电源并采取可靠的电源引接方式 1 工作电源在正常情况下给厂用负荷供电的电源称为工作电源 为保证发电厂的正常运行 工作电源不仅应具有足够的供电可靠性 还要满足各级电压厂用负荷的 61 容量要求 高压厂用工作电源的引接方式与发电机回路的主结线形式有关 图3 28示出几种典型的高压厂用工作电源的引接方式 当发电机容量为300MW及以上时 厂用高压工作电源可用一台低压绕组分裂变压器或两台双绕组变压器给服务于同一台机组的两段高压厂用母线供电 2 备用电源当工作电源因故障失去后 代替工作电源向厂用负荷供电的电源称为备用电源或事故备用电源 启动电源是指厂用工作电源消失后 保证机组快速启动或发电机成功投运的厂用电源 它也是一种备用电源 为保证备用电源的可靠性 避免工作电源失去的同时也失去备用电源 厂用备用电源应具有相对独立性 62 图3 28厂用高压工作电源引接方式 63 3 事故保安电源和不停电电源对于300MW及以上的大型发电机组 当其厂用工作电源和备用电源都消失时 为确保事故状态下能安全停机并在事故消除后又能及时恢复供电 应设置事故保安电源和不停电电源 保证事故保安负荷和不停电负荷的连续供电 3 4电气设备的选择电气一次系统是由各电气一次设备连接而成的回路 电气设备的合理选型是电气主结线和厂用电系统安全可靠经济运行的重要条件 3 4 1电气设备选择的一般条件总体而言 制成电气设备的材料主要是导体 通过电流 和绝缘体 耐受电压 导体和电器的工作状态有两种 一种是正常工作状态 另一种是短路工作状态 64 图3 29事故保安电源结线 65 图3 30大型火电厂用电结线典型示例 66 1 正常工作条件1 额定电压电网的运行电压受调压或负荷变化的影响而常高于电网的额定电压UNS 可按照电器的额定电压UN不低于安装地点电网的额定电压UNS的条件来选择电器 即 2 额定电流电器的额定电流IN是指周围环境温度为额定值并在保证发热温度不超过长期最高允许发热温度的前提下的电器长期允许工作电流 因此 IN应不小于电器所在回路在各种可能的合理运行方式下的最大持续工作电流Imax 即 67 同一工作回路在不同的运行方式下具有不同的持续工作电流 应按最大情形考虑 3 型式与环境条件应根据电器的使用条件 检修和运行等方面的要求来选择适当的电气设备型式 还应考虑安装地点的环境条件对电器的特殊要求 2 短路工作条件按正常工作条件选择的电器能否承受短路电流 这还必须经过短路情况校验才能判断 电气设备必须能够承受短路发热和短路电动力的作用 1 短路热稳定校验从分析短路电流通过电器时的发热过程可知 只要短路切除时电器的发热温度不超过短时最高允许发热温度 则称为热稳定 短路热稳定条件为 68 电器中通过短路电流时 电器各部件温度或短路电流产生的等值热效应不超过允许值 即 式中QK 短路电流产生的等值热效应 It t 电器允许通过的热稳定电流和时间 由生产厂家提供 2 短路动稳定校验电器承受短路电动力机械效应的能力称为动稳定或电动力稳定 电器满足动稳定的条件为 式中ish 电器所在回路通过的短路冲击电流幅值 通过短路电流计算得出 69 ies 电器允许通过的动稳定电流幅值 由厂家提供 3 4 2主要电气设备的选择校验条件除了按额定电压 额定电流和型式环境等正常工作条件选择 以及按短路热稳定条件和短路动稳定条件校验外 不同的电器还有不同的特殊选择校验项目 1 高压断路器高压断路器的一般选择校验条件包括种类与型式 额定电压 额定电流以及热稳定和动稳定条件 特殊选择校验项目包括开断电流和短路关合电流 2 隔离开关隔离开关与高压断路器同属开关电器 且往往配合使用 3 敞露母线 支柱绝缘子和穿墙套管 70 敞露母线的选择校验项目一般包括导体材料 类型 敷设方式和截面积选择以及电晕电压 热稳定和动稳定等 发电机 变压器和汇流母线等重要回路中的导体还应校验共振频率 支柱绝缘子只需按类型和额定电压选择 并进行短路动稳定校验 穿墙套管则应按额定电压 额定电流和类型进行选择 以及按短路工作条件校验动稳定和热稳定 4 电流互感器对于电流互感器而言 应从种类和型式 额定一次电压 额定一次电流 额定二次电流等方面进行选择 同时 应选择合适的准确级 且应保证互感器二次侧所接负荷不大于所选准确级对应的额定容量 71 5 电压互感器为确保电压互感器的安全运行和规定的准确等级条件 电压互感器一次绕组所在电网电压UNS的变化范围应限制为 0 8 1 2 UN1 二次额定电压应满足继电保护和测量仪表的要求 3 5发电厂的电气二次结线电气一次设备及由其构成的一次系统要完成预定任务和实现要求的功能 并达到安全 可靠 经济的运行要求 必须对生产过程进行监视和控制 故必须有二次设备为一次设备服务 3 5 1二次结线和二次结线图二次结线是由对一次设备起控制 测量 监视和保护等作用的二次设备相互连接所构成的电路 又称为二次回路 72 73 用规定的图形符号和文字符号表示二次设备之间的连接关系的电路图称为二次结线图 根据表达对象和用途的不同 工程上将二次结线图分为单元结线图 互连结线图 端子结线图和电缆配置图 电气二次结线图中 任何设备或元件都必须用具有一定特征的图形符号来表示 并同时用相应的文字符号来标明 3 5 2测量与信号系统 1 测量系统为了保证发电厂的安全经济运行 需要在各电气一次回路中装设相应的电气测量仪表以对电气一次设备进行监测 电气测量仪表装设应满足下列要求 正确反映电气设备及系统的运行状态 在发生事故时 便于运行人员迅速判断事故的原因 地点和性质 监视电气回路的绝缘状态 74 75 为了保证测量和继电保护的需要 在发电机 变压器 线路 母线分段断路器 母线联络断路器 旁路断路器 发电机和主变压器的中性点等回路中均要装设电流互感器 电压互感器的配置要综合考虑测量仪表 同期 保护和自动装置的需要 同时还与主结线的形式有关 2 信号系统在发电厂和变电所中 除了依靠测量仪表来监测设备的运行状况以外 还必须借助信号系统来反映设备状态并及时发现和分析故障 以便迅速消除和处理事故 确保设备的正常运行 1 信号回路的分类和基本要求信号回路按电源电压高低可分为强电信号回路和弱电信号回路 76 图3 31发电机定子测量仪表回路 77 发电厂的信号按用途可分为事故信号 预告信号 位置信号和指挥信号 2 中央信号中央信号装置实现对全厂主要电气设备的监控 其安装在主控制室或单元控制室的中央信号屏上 3 5 3断路器的控制与信号回路 1 断路器的控制方式断路器是发电厂和变电所中的主要控制设备 断路器的工作状态由其控制回路所控制 按照控制方式 对断路器的控制可分为一对一强电控制和一对N弱电选线控制 根据控制地点的不同 强电控制又分为就地控制和远方控制 2 断路器的操动机构 78 图3 32中央信号逻辑回路 79 断路器的操动机构是断路器的跳 合闸驱动装置 其作用是使断路器合闸并维持在闭合状态 或使断路器跳闸 3 断路器的控制和信号回路断路器的跳合闸操作通过控制回路驱动操动机构来实现 因此 断路器的控制回路必须满足下列基本要求 断路器的跳合闸操作完成后应立即自动切断跳合闸回路 以防跳合闸线圈因长时间通电导致线圈过热而烧毁 断路器既可用控制开关或按钮进行手动跳合闸 又可由继电保护和自动装置实现自动跳合闸 控制回路应具有监视控制电源和跳合闸回路是否完好 动力源是否正常的功能 且应对二次回路的短路和过载提供保护 80 控制回路应具有反映断路器运行状态的位置信号 控制回路应具有防止断路器多次合 跳闸的电气 防跳 措施 3 5 4操作电源操作电源是提供给电气设备的控制 信号 测量 继电保护和自动装置以及断路器的跳合闸回路的工作电源 按电源性质 操作电源分为直流操作电源和交流操作电源两类 直流操作电源又分为蓄电池组 复式整流装置或电容储能整流装置 发电厂和大中型变电所通常采用由蓄电池组供电的直流操作电源 蓄电池按电解液的不同可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池 蓄电池直流系统除了蓄电池外 主要还包括充电设备和浮充电设备 蓄电池直流电源系统的运行方式有充电 放电运行方式和浮充电运行方式 81 图3 33断路器的控制和信号回路结线图 82 一般采用浮充电运行方式 蓄电池组的设置与电厂控制方式 机组容量等因素有关 为提高直流电源系统的运行可靠性和安全性 给控制负荷供电的专用蓄电池组宜采用 110V 给动力负荷和直流事故照明负荷供电的专用蓄电池组宜采用 220V 3 5 5电气结线的绝缘监视 1 交流绝缘监视110kV及以上中性点直接接地系统正常运行时的三相对地电压是相电压 发生单相接地短路时的接地电流很大 继电保护动作将接地故障切除 因而无需监视各相对地绝缘状况 中性点不直接接地系统必须装设绝缘监察装置 用来监视各相对地的绝缘状况 83 图3 34交流绝缘监察回路 84 2 直流绝缘监视当直流系统发生一点接地时 因不能构成回路而没有短路电流流过 故其并不影响直流系统正常工作 但是这种接地故障必须尽早发现并予以排除 否则再发生另一点接地时 会引起短路 造成信号回路 控制回路 继电保护或自动装置回路误动作 直流绝缘监察装置的原理结线如图3 36所示 该装置主要由灵敏电流继电器K 具有电压和电阻两种刻度指示的电压表PV1 双向电压表PV2 转换开关SA1和SA2以及电阻R1 R2 R3等设备组成 3 6 1水电厂微机监控系统的基本功能水电厂微机监控系统的功能与装机容量 机组数 电厂在系统中的重要性以及电厂承担的其他任务 如航运 灌溉 防洪等 等各方面因素有关 85 图3 35线路保护回路内两点接地 86 图3 36直流绝缘监察装置 87 从发电的角度考虑 监控系统应实现如下基本功能 1 参数数据的采集和处理2 开关量的监视和记录3 事件顺序记录4 事故追忆和故障录波5 正常的控制和操作6 紧急控制和恢复控制7 自动发电控制8 自动电压控制9 通信10 自诊断 88 11 人机接口12 自动处理电厂事故13 仿真培训3 6 2水电厂微机监控系统的基本结构早期的水电厂计算机监控系统的结构有集中式和功能分散式两种 目前 大型水电厂大都采用分层分布式微机监控系统 具有很高的可靠性和灵活性 1 水电厂的控制方式与网络通信水电厂生产过程复杂 被控设备多 设备所处地点分散且要实现的功能多 因而监控系统多采用分层分布式控制方式 相互之间的信息交换采用计算机局域网来实现 一般将水电厂的控制分为4层 89 考虑到水电厂生产设备分布地域较广 分层分布式监控系统内的计算机一般采用局域网实现通信 2 大型水电厂微机监控系统的原理结构图3 37示出了某大型水电厂微机监控系统的原理结构 该系统采用开放式分层全分布结构 这种开放式结构具有体系结构模块化 模块接口标准化 功能处理分布化 应用软件可移植和网络资源共享等特点 因而可以优化配置 易于升级和扩展 3 6 3火电厂微机监控系统的基本功能和典型结构20世纪80年代以后 大型火电厂的机组热力设备控制从传统的常规监控系统逐步过渡到以微机为基础的分散控制系统 DCS 90 91 1 火电厂监控系统的基本电气监控功能从电气监控的角度来说 以微机和可编程序控制器 PLC 为基础的火电厂监控系统的功能与水电厂类似 2 大型火电厂微机监控系统的结构对大型火电厂而言 由于其单机容量大 机组台数多 故除了各单元机组DCS 公用系统 辅助车间DCS用于实时监控外 一般还应配置厂级监控信息系统 SIS 用于实时生产过程管理 3 7同步发电机的正常操作现代发电厂通常都装有多台发电机 这些发电机一般都是并联运行 不同发电厂的发电机之间也是并联运行的 从而形成了大型电力系统 同步发电机的正常操作主要包括同期并列 正常解列和停机 92 图3 38火电厂微机监控系统结构图 93 3 7 1同步发电机的同期并列所谓发电机的并列运行 就是将两台或两台以上的发电机分别接入电力系统的对应母线 或通过变压器 输电线路接在电力系统的公共母线上 共同向用户供电 1 同步发电机的准同期并列同期并列操作在发电厂中是一项经常性的重要操作 要求同期并列时冲击电流和冲击力矩不能超过允许值 而且并列后发电机能迅速被拖入同步 1 同期并列的方法发电机同期并列的方法有自同期和准同期两种 自同期并列是将待并发电机由原动机拖至接近同步转速时 把待并发电机投入系统 然后再给发电机加上励磁 使发电机自行转入同步 94 准同期并列操作是将待并发电机转速升至接近同步转速后加上励磁 当发电机的频率 电压幅值和电压相角分别与运行系统的频率 电压幅值和电压相角接近相同时合上并列断路器 将待并发电机投入系统并列运行 2 准同期并列的条件发电机的同期并列操作最终是通过并列断路器的合闸来完成的 在并列前 同期并列断路器 亦称为同期点 两侧的电压分别是系统电压U S和待并发电机 或待并系统 电压UG 将它们表示为瞬时值形式 则 式中Usm 系统电压幅值 s 系统角频率 S0 系统电压初相角 95 S 系统电压t时刻的相角 S St S0 式中UGm 待并发电机电压幅值 G 待并发电机角频率 G0 待并发电机电压初相角 G 待并发电机电压t时刻的相角 G Gt G0 在进行并列操作前 同期并列断路器两侧电压的状态量一般是不相等的 并列断路器两侧电压的幅值差 Um 频率差 f 或角频率之差 和相角差 之间的关系为 96 发电机同期并列的理想条件是并列断路器两侧电压的3个状态量全部相等 即 或表示为 97 允许偏差的大小与机组容量有关 机组容量越大 允许偏差越小 准同期并列的条件通常可表示为 2 自动准同期并列装置的基本原理自动准同期装置通过比较并列断路器两侧的电压来检测并列条件是否满足 1 自动准同期装置的基本结构自动准同期装置的基本结构如图3 39所示 其装置包括频率差控制单元 电压差控制单元和合闸信号控制单元 98 图3 39自动准同期装置组成示意图 99 按照自动化程度的不同 准同期并列装置又分为半自动准同期并列装置和自动准同期并列装置 传统布线逻辑型自动准同期装置采用恒定越前时间规律控制 其输入检测信息采用发电机电压与系统电压的相量差即所谓的脉动电压 2 微机准同期并列装置微机准同期并列装置硬件结构简单 编程方便灵活 运行可靠 已逐步取代传统的布线逻辑型准同期装置成为目前