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发电厂电气部分 1 发电厂电气部分 课程讲什么 电厂或变电所的电气设备 发电厂和变电所的一次设备 配电装置 配电设备的选择设备组成的通路 发电厂和变电所的一次接线通路如何控制 对应发电厂变电所二次 控制回路通路出问题如何发现处理 发电厂变电所二次 信号回路如何把电送到系统中去 发电厂变电所二次 同期回路 2 概述 一 我国电力工业发展概况二 我国电力工业的几个之最三 我国电力工业的发展前景四 电力系统构成及各部分作用五 电力系统的额定电压及电压等级六 课程的学习目标 3 1831年 法拉第发现电磁感应原理 奠定了发电机的理论基础 科学的发现 引起了技术的发明 1866年 维 西门子发明了励磁电机 并预见 电力技术很有发展前途 它将会开创一个新纪元 1876年 贝尔发明了电话 1879年 爱迪生发明了电灯 这三大发明照亮了人类实现电气化的道路 继蒸汽机技术革命后 引起了电力技术革命 1882年 爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂 装有6台直流发电机 共900马力 1马力 0 735kw 下同 通过110V电缆供电 最大送电距离1 6km 供6200盏白炽灯照明用 完成了初步的电力工业技术体系 1881年 卢西恩 高拉德和约翰 吉布斯取得 供电交流系统 专利 美国发明家乔治 威斯汀豪斯买下此专利 并以它为基础于1885年制成交流发电机和变压器 并于1886年建成第一个单相交流送电系统 1888年又制成交流感应式电动机 1891年 在德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机 建成第一条三相交流送电线路 三相交流电的出现克服了原来直流供电容量小 距离短的缺点 开创了远方供电 电力除照明外 用于电力拖动等各种用途的新局面 4 1960年 美国制成50万kW汽轮发电机 1963年制成100万kW双轴汽轮发电机 1973年 美国将BBC公司制造的130万kW双轴汽轮发电机投入运行 1971年 原苏联将单轴80万kW机组投入运行 1980年 在科斯特罗姆火电厂单轴120万kW机组投入运行 这是世界上唯一的一台单轴最大机组 在高电压输电方面 瑞典于1954年首先建成第一条380kV输电线 此后美国 加拿大等欧美国家相继使用330 345kV输电系统 1964年 美国建成第一条500kV输电线路 原苏联也于1964年完成了500kV输电系统 1965年 原苏联建成 400kV直流输电线路 1965年 加拿大建成765kV输电线路 1989年 原苏联建成一条世界上最高电压1150kV 长1900km交流输电线路 5 一 我国电力工业发展概况1 电力工业发展的阶段 1882年7月上海创建第一个12kW发电厂1912年4月 云南昆明附近螳螂川建立石龙坝水电厂 电力工业发展的始端 到1949年 电力工业缓慢发展 总装机容量184 86万kW 年发电量43 1亿kW h 21位 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 2003年全国总装机容量达到38450万kW 年发电量19080亿kW h 2004年全国总装机容量达到44700万kW 2010全年预计新增装机容量超过9000万千瓦 年底全国装机容量将达到9 5亿千瓦 6 2 电压等级及电网建设电压等级 1 1954年建成220kV丰满水电厂至虎石台变电站至李石寨变电站 全长369 25kM 2 1974年建成330kv输电线路 由甘肃刘家峡水电站到陕西关中 3 1981年建成500kv输电线路 由河南姚孟火电厂 1975年 我国自行设计制造的第一台30万kW汽轮发电机 到武汉 4 1990年 第一条葛洲坝至上海 南桥 500kV直流输电线路投入运行 5 2003年建成750kv输电线路 由官亭至兰州东输变电工程 7 6 2010年8月 我国首条1000千伏 晋东南 南阳 荆门 特高压交流试验示范工程已正式投入商业化运营 7 2007年12月四川 上海 800千伏特高压直流输电示范工程开工 2010年8月投产 世界上电压等级最高 输送距离最远 容量最大的直流输电工程 该工程西起云南省楚雄州 途经广西壮族自治区 至广东省广州市 输电距离1373公里 额定电压 800千伏 额定容量500万千瓦 8 电网建设 我国已建成跨省电力系统6个 华东 华北 华中 东北 西北及南方电网 除西北电网采用330 220 110kv网架外 其它电网网架均采用500 220 110kv 9 10 二 我国电力工业的几个之最最大的发电机组 目前我国最大的汽轮发电机组容量为90万kW 安装在外高桥第二发电厂 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 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 最大145万kW 11 12 最大的发电厂最大水力发电厂 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32台单机容量为70万kW的水轮发电机组 总装机容量2240万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 最大的火力发电厂 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 最大的核能发电厂 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 13 14 我国电力工业的发展前景基本任务 为国民经济各部门和人民生活提供充足 可靠 优质 廉价的电能 15 2000年以来 我国工业化发展加速 2001 2009年工业用电年均增长12 4 人均用电量2006年超过2000千瓦时 2009年达到2729千瓦时 工业用电增速高于全社会用电量年均增速6 7 从发达国家的经历看 我国当前的人均用电量水平 属于重化工业加速发展阶段的工业化中期后段 16 三 我国电力工业的发展前景基本任务 为国民经济各部门和人民生活提供充足 可靠 优质 廉价的电能 发展方向 节能减排 一特四大 实现高度自动化 西电东送 南北互供 发展联合电力系统 是我国电力工业的发展方向 也是一项全局性的庞大系统工程 为了实现这一目标 还有很多事要做 且依赖于各方面相关技术的全面进步 如下为相关的技术与目标 1 节能减排 世纪之约2 做好电力规划 加强电网建设3 电力工业现代化4 联合电力系统5 电力市场6 IT技术7 洁净煤发电技术8 绿色能源的开发和利用 17 我国电源结构在相当长的时期内 直到2020年都将以煤电为主 这是难以改变的 但为了努力减少环境污染 必须要尽可能降低煤电的比例 尽可能地早开发 多开发水电 并尽快增加核电 天然气及可再生新能源发电的比例 根据世界电力发展规律并结合中国的资源和技术供应情况 对2020年的电源结构的规划设想是 煤电占70 水电占16 核电占6 气电占7 新能源为占1 18 19 四 电力系统构成及各部分作用 一 电力系统由发电厂 变电所 各级输配电线路 用户组成 一 电厂类型 火电厂 水电厂 核电厂 潮汐电厂 地热电厂 风电厂 垃圾电厂等 二 电力网类型地方网 110KV 远距离输电网 330KV 低压 1KV 中压 10KV 高压 330KV 超高压网 750KV 特高压 1000kV 电力网 20 三 用户类型 按可靠性分 四 电能质量衡量指标国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量五个方面的国家标准 即 供电电压允许偏差 供电电压允许波动和闪变 供电三相电压不允许平衡度 公用电网谐波 以及供电频率允许偏差等的指标限制 21 五 电力系统的额定电压及电压等级 我国电力网额定电压等级 0 38 0 22KV 3KV 6KV 10KV 110KV 220KV 330KV 500KV 750KV等 电气设备额定电压确定 用电设备额定电压 电力网额定电压发电机额定电压 1 05倍所连电网额定电压 大容量发电机按技术经济条件定 升压变压器一次侧额定电压 1 05倍所连电网额定电压降压变压器一次侧额定电压 所连电网额定电压变压器二次侧额定电压 1 05倍所连电网额定电压 Ud 7 5 1 1倍所连电网额定电压 Ud 7 5 22 表1 5我国交流电力网和电气设备的额定电压 线间电压 单位kv 23 24 六 学习目标 1 了解不同类型发电厂的发电过程 2 掌握发电厂 变电站主接线基本形式 3 理解导体发热 电动力计算的实质 掌握计算方法 4 熟练掌握电气设备的图形符号和文字符号 掌握常用电气设备选择和校验的方法 5 掌握厂用电接线的方法 电源引接方式 常用变压器的选择原则 6 理解最小安全净距的概念 了解配电装置的类型 掌握配电装置的布置原则 7 熟悉二次回路不同的接线方式 掌握断路器的控制与信号电路的分析方法 25 第二节发电厂类型火力发电厂水力发电厂核能发电厂目标和要求 了解能源和电能的基本概念 电能的分类 能源资源和电能的特点 了解火力发电厂 水力发电厂和核能发电厂的电能生产过程及其特点 第一章概述 26 一 物质 能量和信息世界是由物质构成的 是客观存在的 能量是物质的属性 是一切物质运动的动力 信息是客观事物和主观认识相结合的产物 到目前为止 人类所认识的能量主要有 1 机械能 2 热能 3 化学能 4 辐射能 5 核能 6 电能 27 二 能源分类及电力系统 1 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 2 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 电气一次设备即直接生产 转换和输配电能的设备 电气二次设备即对电气一次设备进行测量 控制 监视和保护用的设备 电力系统 动力系统和电力网的概念 1 电力系统 发电厂 变电所 输电线路 用户 2 动力系统 电力系统 动力装置 3 电力网 变压 输电线路 用户 28 发电厂是把各种一次能源转换成二次能源 即电能 的场所 火电厂以煤炭 石油 天然气等为燃料 1 按燃料分类燃煤发电厂 以煤为燃料的发电厂 燃油发电厂 以石油 实际是提取汽油 煤油 柴油后的油渣 为燃料的发电厂 燃气发电厂 以天然气 煤气等可燃气体为燃料的发电厂 余热发电厂 用工业企业的各种余热进行发电的发电厂 此外 还有利用垃圾及工业废料作为燃料的发电厂 2 按原动机分类凝汽式汽轮机发电厂燃汽轮机发电厂内燃机发电厂蒸汽 燃汽轮机发电厂 29 3 按供出能源分类凝汽式发电厂 只向外供应电能的电厂热电厂 同时向外供应电能和热能的电厂4 按发电装机容量的多少分类小容量发电厂 装机总容量在100MW以下的发电厂 中容量发电厂 装机总容量在100 250MW范围内的发电厂 大中容量发电厂 装机总容量在250 600MW范围内的发电厂 大容量发电厂 装机总容量在600 1000MW范围内的发电厂 特大容量发电厂 装机总容量在1000MW以上的发电厂 30 5 按蒸汽压力和温度分类中低压发电厂 蒸汽压力一般为3 92MPa 40kgf cm2 温度为450 的发电厂 单机功率小于25MW 高压发电厂 蒸汽压力一般为9 9MPa 101kgf cm2 温度为540 的发电厂 单机功率小于100MW 超高压发电厂 蒸汽压力一般为13 83MPa 141kgf cm2 温度为540 540 的发电厂 单机功率小于20MW 亚临界压力发电厂 蒸汽压力一般为16 77MPa 171kgf cm2 温度为540 540 的发电厂 单机功率为300MW直至1000MW不等 超临界压力发电厂 蒸汽压力大于22 11MPa 225 6kgf cm2 温度为550 550 的发电厂 机组功率为600MW及以上 6 按供电范围分类区域性发电厂 在电网内运行 承担一定区域性供电的大中型发电厂 孤立发电厂 不并入电网内 单独运行的发电厂 自备发电厂 由大型企业自己建造 主要供本单位用电的发电厂 一般也与电网相连 31 二 火力发电厂三大主机锅炉汽轮机发电机火电厂的生产过程 把煤中含有的化学能转变为电能的过程 整个生产过程分三个系统 1 燃料的化学能在锅炉燃烧中转变为热能 加热锅炉中的水使之变为蒸汽 称为燃烧系统 2 锅炉产生的蒸汽进入汽轮机 冲动汽轮机的转子旋转 将热能转变为机械能 称为汽水系统 3 由汽轮机转子旋转的机械能带动发电机旋转 把机械能变为电能 称为电气系统 32 电厂锅炉 由锅炉本体和辅助设备构成 它利用燃料 如煤 重油 天然气等 燃烧时产生的热量使水变成具有一定温度和压力的过热蒸汽 以驱动汽轮发电机发电 电厂锅炉以其容量大 参数 压力 温度 高区别于一般工业锅炉 电厂锅炉在火电厂中是提供动力的关键设备 因而电厂锅炉技术的进步对电力生产的发展有着直接影响 33 结构和分类以燃煤锅炉为例 电厂锅炉本体由炉膛 燃烧器 水冷壁 过热器 省煤器 空气预热器以及钢架炉墙等组成 此外 还有重要的辅助设备 如制粉设备 除灰设备 除尘装置 自动控制装置与仪表 阀门等 现代化电厂锅炉还应用工业电视和计算机 电厂锅炉的具体构造依不同锅炉而异 34 35 汽轮机汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械 来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后 依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶 将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能 蒸汽在汽轮机中 以不同方式进行能量转换 便构成了不同工作原理的汽轮机 36 汽轮机结构部件由转动部分和静止部分两个方面组成 转子包括主轴 叶轮 动叶片和联轴器等 静子包括进汽部分 汽缸 隔板和静叶栅 汽封及轴承等 为了得到较高的效率 汽轮机一般做成高速的 通常为3000转 分 频率为50赫 或3600转 分 频率为60赫 核电站中汽轮机转速较低 但也在1500转 分以上 37 汽轮发电机 用汽轮机驱动的发电机 由锅炉产生的过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功 使叶片转动而带动发电机发电 做功后的废汽经凝汽器 循环水泵 凝结水泵 给水加热装置等送回锅炉循环使用 38 安装在平圩发电厂的首台引进型亚临界参数60万kW汽轮发电机组 39 三 火电厂电能生产过程示意图见图1 1 40 41 1 燃烧系统燃烧系统由运煤 磨煤 燃烧 风烟 灰渣等系统组成 2 汽水系统汽水系统由锅炉 汽轮机 凝汽器 除氧器 加热器等设备及管道构成 3 电气系统发电厂的电气系统 包括发电机 励磁装置 厂用电系统和升压变电站等 42 燃烧系统 l 运煤 电厂的用煤量是很大的 一座装机容量4 3O万kW的现代火力发电厂 煤耗率按36Og kw h计 每天需用标准煤 每千克煤产生70O0卡热量 360 g 120万 kw 24 h 10368t 因为电厂燃煤多用劣质煤 且中 小汽轮发电机组的煤耗率在40O 5O0g kw h左右 所以用煤量会更大 据统计 我国用于发电的煤约占总产量的1 4 主要靠铁路运输 约占铁路全部运输量的4O 为保证电厂安全生产 一般要求电厂贮备十天以上的用煤量 2 磨煤 用火车或汽车 轮船等将煤运至电厂的储煤场后 经初步筛选处理 用输煤皮带送到锅炉间的原煤仓 煤从原煤仓落入煤斗 由给煤机送入磨煤机磨成煤粉 并经空气预热器来的一次风烘干并带至粗粉分离器 在粉粉分离器中将不合格的粗粉分离返回磨煤机再行磨制 合格的细煤粉被一次风带入旋风分离器 使煤粉与空气分离后进入煤粉仓 3 锅炉与燃烧 煤粉由可调节的给粉机按锅炉需要送入一次风管 同时由旋风分离器送来的气体 含有约10 左右未能分离出的细煤粉 由排粉风机提高压头后作为一次风将进入一次风管的煤粉经喷燃器喷入炉膛内燃烧 43 4 风烟系统 送风机将冷风送到空气预热器加热 加热后的气体一部分经磨煤机 排粉风机进人炉膛 另一部分经喷燃器外侧套筒直接进入炉膛 炉膛内燃烧形成的高温烟气 沿烟道经过热器 省煤器 空气预热器逐渐降温 再经除尘器除去90 99 电除尘器可除去99 的灰尘 经引风机送入烟囱 排向天空 5 灰渣系统 炉膛内煤粉燃烧后生成的小灰粒 被除尘器收集成细灰排入冲灰沟 燃烧中因结焦形成的大块炉渣 下落到锅炉底部的渣斗内 经过碎渣机破碎后也排入冲灰沟 再经灰渣水泵将细灰和碎炉渣经冲灰管道排往灰场 或用汽车将炉渣运走 44 45 汽水系统火电厂的汽水系统由锅炉 汽轮机 凝汽器 除氧器 加热器等设备及管道构成 包括凝给水系统 再热系统 回热系统 冷却水 循环水 系统和补水系统 1 给水系统 由锅炉产生的过热蒸汽沿主蒸汽管道进入汽轮机 高速流动的蒸汽冲动汽轮机叶片转动 带动发电机旋转产生电能 在汽轮机内作功后的蒸汽 其温度和压力大大降低 最后排入凝汽器并被冷却水冷却凝结成水 称为凝结水 汇集在凝汽器的热水井中 凝结水由凝结水泵打至低压加热器中加热 再经除氧器除氧并继续加热 由除氧器出来的水 叫锅炉给水 经给水泵升压和高压加热器加热 最后送人锅炉汽包 在现代大型机组中 一般都从汽轮机的某些中间级抽出作过功的部分蒸汽 称为抽汽 用以加热给水 叫做给水回热循环 或把作过一段功的蒸汽从汽轮机某一中间级全部抽出 送到锅炉的再热器中加热后再引入汽轮机的以后几级中继续做功 叫做再热循环 2 补水系统 在汽水循环过程中总难免有汽 水泄漏等损失 为维持汽水循环的正常进行 必须不断地向系统补充经过化学处理的软化水 这些补给水一般补入除氧器或凝汽器中 即是补水系统 3 冷却水 循环水 系统 为了将汽轮机中作功后排入凝汽器中的乏汽冷凝成水 需由循环水泵从凉水塔抽取大量的冷却水送入凝汽器 冷却水吸收乏汽的热量后再回到凉水塔冷却 冷却水是循环使用的 这就是冷却水或循环水系统 46 47 1 原煤斗 2 给煤机 3 磨煤机 4 汽包 5 高温过热器 6 屏式过热器 7 下降管 8 炉膛水冷壁 9 燃烧器 10 下联箱 11 低温过热器 12 再热器 13 再热蒸汽出口 14 再热蒸汽入口 15 省煤器 16 给水 17 空气预热器18 排粉风机 19 排渣装置 20 送风机 21 除尘器 22 引风机 23 烟囱 48 49 发电厂的电气系统 包括发电机 励磁装置 厂用电系统和升压变电所等 发电机的机端电压和电流随着容量的不同而各不相同 一般额定电压在10 20kV之间 而额定电流可达2OkA 发电机发出的电能 其中一小部分 约占发电机容量的4 8 由厂用变压器降低电压 一般为63kV和400V两个电压等级 后 经厂用配电装置由电缆供给水泵 送风机 磨煤机等各种辅机和电厂照明等设备用电 称为厂用电 或自用电 其余大部分电能 由主变压器升压后 经高压配电装置 输电线路送入电网 50 51 52 张家口发电厂 53 四 火电厂的特点 1 火电厂布局灵活 装机容量的大小可按需要决定 2 火电厂的一次性建造投资少 仅为同容量水电厂的一半左右 3 火电厂耗媒量大 且单位发电成本比水电厂高出3 4倍 4 火电厂动力设备繁多 发电机组控制操作复杂 厂用电量和运行人员多于水电厂 运行费用高 5 大型发电机组由停机到开机并带满负荷需要几小时或更长时间 且耗用大量燃料 6 火电厂担负急剧升降的负荷时 必须付出增加燃料消耗的代价 7 火电厂担负调峰 调频或事故备用 相应的事故增多 强迫停运率增高 厂用电率增高 因此 从经济和供电可靠性考虑 火电厂应当担负较均匀的负荷 8 火电厂对空气和环境的污染很大 54 水力发电厂 一 水电厂的分类水电厂是将水的位能和动能转换成电能的场所 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 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 坝后式水电站见图1 2 55 56 河床式水电站 发电机厂房和挡水堤连成一体 厂房也起挡水作用 由于厂房修建在河床中 故称河床式 57 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 58 3 抽水蓄能电站抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站 具有水轮机 发电机和电动机 水泵两种可逆的工作方式 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 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 59 60 三峡水电站 61 二 水电厂的特点 1 可综合利用水能资源 2 发电成本低 效率高 3 运行灵活 4 水能可储蓄和调节 5 水力发电不污染环境 6 水电厂建设投资较大 工期较长 7 水电厂建设和生产都受到河流的地形水量及季节气象条件限制 有丰水期和枯水期之别 因而发电不均衡 8 由于水库的兴建 淹没土地 还可能在一定的程度下破坏自然界的生态平衡 62 核力发电厂 一 核电厂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 将原子核裂变释放的核能转变为电能的系统和设备 通常称为核电站也称原子能发电站 核电站是一种高能量 少耗料的电站 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 63 核电厂是利用核能发电的电厂 这是一种大有发展前途的新能源 一般建在自然资源匮乏的缺电地区 我国核电发展已从起步阶段进入快速发展阶段 从建设第二代核电站发展到建设第三代核电站 从建设沿海核电站发展到考虑建设内陆核电站 核电机组与普通火力发电机组不同的是以核反应堆和蒸汽发生器替代了锅炉设备 而汽轮机和发电机部分则基本相同 图1 3是核电厂发电方式示意图 64 原子核反应堆是核电厂的核心部分 它是一个可以被控制的核裂变装置 以铀 235或铀 238 或铀 239 为燃料 核反应堆又分为压水堆 重水堆 石墨堆等类型 我国已建成发电的核电厂有大亚湾和秦山核电厂 65 一 核电厂的分类 1 压水堆核电厂 整个系统分成两大部分 即一回路系统和二回路系统 一回路系统中压力为15MPa的高压水被冷却剂主泵送进反应堆 吸收燃料元件的释热后 进入蒸汽发生器下部的U形管内 将热量传给二回路的水 再返回冷却剂主泵入口 形成一个闭合回路 二回路系统的水在U形管外部流过 吸收一回路水的热量后沸腾 产生的蒸汽进入汽轮机的高压缸做功 高压缸的排汽经再热器再热提高温度后 再进入汽轮机的低压缸做功 膨胀做功后的蒸汽在凝汽器中被凝结成水 再送回蒸汽发生器 形成一个闭合回路 66 图1 10压水堆核电厂示意图 67 2 沸水堆核电厂 在沸水堆核电厂中 堆芯产生的饱和蒸汽经分离器和干燥器除去水分后直接送入汽轮机做功 在沸水堆核电厂中反应堆的功率主要由堆芯的含汽量来控制 图1 11沸水堆核电厂的示意图 68 二 核电厂的系统 1 核岛的核蒸汽供应系统 核蒸汽供应系统包括以下子系统 1 一回路主系统 包括压水堆 冷却剂主泵 蒸汽发生器和稳压器等 2 化学和容积控制系统 3 余热排出系统 又称停堆冷却系统 4 安全注射系统 又称紧急堆芯冷却系统 5 控制 保护和检测系统 69 2 核岛的辅助系统 核岛的辅助系统包括以下子系统 1 设备冷却水系统 用于冷却所有位于核岛内的带放射性水的设备 2 硼回收系统 用于对一回路系统的排水进行储存 处理和监测 将其分离成符合一回路水质要求的水及浓缩的硼酸溶液 3 反应堆的安全壳及喷淋系统 4 核燃料的装换料及储存系统 用于实现对燃料元件的装换料和储存 5 安全壳及核辅助厂房通风和过滤系统 它的作用是实现安全壳和辅助厂房的通风 同时防止放射性外泄 6 柴油发电机组 为核岛提供应急电源 70 3 常规岛的系统 常规岛的系统与火电厂的系统相似 它通常包括 1 二回路系统 又称汽轮发电机系统 由蒸汽系统 汽轮发电机组 凝汽器 蒸汽排放系统 给水加热系统及辅助给水系统等组成 2 循环冷却水系统 3 电气系统及厂用电设备 71 三 核电厂的运行 核电厂的运行和火电厂相比有以下一些新的特点 1 压水堆核电厂的反应堆 只能对反应堆堆芯一次装料 并定期停堆换 2 反应堆的堆芯内 核燃料发生裂变反应释放核能的同时 也放出瞬发中子和瞬发射线 3 反应堆在停闭后 运行过程中积累起来的裂变碎片和 衰变 将继续使堆芯产生余热 又称衰变热 4 核电厂在运行过程中 会产生气态 液态和固态的放射性废物 5 核电厂的建设费用高 但燃料所占费用较为便宜 72 积极发展核电是我国核电发展的既定方针 2007年10月 国家正式颁布的 核电中长期发展规划 2005 2020年 提出 到2020年 核电运行装机容量争取达到4000万千瓦 截止到2010年8月15日 我国大陆已投入运行机组12台 共计977万千瓦 在建 批准立项 机组共计41台 共计4511万千瓦 其中已开工建设24台 共计2714万千瓦 73 74 其他能源的电厂太阳能发电 风力发电 地热发电 潮汐发电 生物质能发电及垃圾电厂等 1 太阳能发电 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 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 光伏发电是把照射到太阳能电池上的光直接变换成电能的一种发电形式 它是目前太阳能发电研究的方向 包括太阳能电池 太阳能控制器 蓄电池 若输出为交流220V或110V还需逆变器 75 76 77 2 风力发电将风能转换成电能的发电方式称为风力发电 风能属于再生能源 又是一种过程性的能源 所以对风源 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 6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 78 大型水平轴风力涡轮机组件 转子叶片 捕获风能并将其转换为转轴的转动能转轴 将转动能转移到发电机内发动机箱 包含 变速箱 用于增加转子中心和发电机之间的转轴速度发电机 利用转轴的转动能 通过电磁性发电电子控制装置 未显示 监视系统 用于在出现故障时关闭涡轮和控制偏航装置 偏航控制器 未显示 移动转子使其与风向保持一致制动装置 在出现电力超载或系统故障时停止转轴旋转 塔架 支撑转子和发动机箱 并将整个装置上升到更高位置 使叶片不会碰到地面 电力设备 从发电机向下通过塔架输送电流 还可控制涡轮机的多个安全部件 79 80 3 地热发电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 81 4 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 潮汐发电示意图 82 5 垃圾焚烧发电厂深圳市龙岗区垃圾焚烧发电厂于1999年开始运行 其基本情况如下 每天处理垃圾300吨 发电装机容量为6MW 年产建筑用砖200万块 2010年拟投资15亿元 建设一座现代化的垃圾焚烧发电厂 设计规模为日处理垃圾3000吨 83 第三节变电站类型 变电站是电力系统中变换电压 接受和分配电能 控制电力的流向和调整电压的电气设施 在电力系统中变电站是输电和配电的集结点 一 变电站的分类 一 按变电站在电力系统中的地位和作用分类 1 枢纽变电站 2 中间变电站 3 区域 地区 变电站 4 企业变电站 5 末端 用户 变电站 84 二 按变电站建筑形式和电气设备布置方式分类 1 户内变电站 2 半户内变电站 3 户外变电站 三 其他分类 1 按变电站供电对象的差异 城镇变电站 工业变电站和农业变电站 2 按变电站是否有人正常运行值班 有人值班变电站和无人值班变电站 3 按变电站围护结构不同 土建变电站和箱式变电站 85 86 二 新型变电站简介 一 数字化变电站1 含义和结构数字化变电站是由智能化一次设备 网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分层构建 能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站 数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类 即智能化的一次设备和网络化的二次设备 在逻辑结构上可分为三个层次 分别为过程层 间隔层 站控层 2 主要特点与优点特点 1 变电站传输和处理的信息全数字化 2 过程层设备智能化 3 统一的信息模型 包括数据模型和功能模型 4 统一的通信协议 数据无缝交换 5 高质量信息 具有可靠性 完整性 实时性 6 各种设备和功能共享统一的信息平台 87 优点 1 各种功能共用统一的信息平台 避免设备重复投入 2 测量准确度高 无饱和 无电流互感器二次开路 3 二次接线简单 4 光纤取代电缆 电磁兼容性能优越 5 信息传输通道都可自检 可靠性高 6 管理自动化 二 智能变电站智能变电站是指采用先进 可靠 集成 低碳 环保的智能设备 以全站信息数字化 通信平台网络化 信息共享标准化为基本要求 自动完成信息采集 测量 控制 保护 计量和监测等基本功能 并可根据需要实现支持电网实时自动控制 智能调节 在线分析决策 协同互动等高级功能的变电站 1 智能设备智能设备是指附加了智能组件的高压设备 智能组件通过状态感知元件和指令执行元件 实现状态的可视化 控制的网络化和信息互动化 为智能电网提供最基础的功能支撑 88 2 智能变电站高级应用功能 1 设备状态可视化 2 变电站智能告警在线处理专家系统 3 变电站事故信息综合分析辅助决策系统 4 智能变电站经济运行与优化控制 5 与智能电网其他节点的互动 89 三 直流输电换流站 一 换流站简介在输电系统的送端需要将交流电转换为直流电 此过程称为整流 经过直流输电线路将电能送往受端 而在受端又必须将直流电转换为交流电 此过程称为逆变 然后送到受端的交流系统中去 供用户使用 在这个系统的送端进行整流变换的地方称为整流站 而在受端进行逆变变换的地方称为逆变站 两者统称为换流站 二 背靠背换流站背靠背换流站作为高压直流输电工程的一种特殊换流方式 将高压直流输电的整流站和逆变站合并在一个换流站内 在同一处完成将交流变直流 再由直流变交流的换流过程 其整流和逆变的结构 交流侧的设施与高压直流输电完全一样 90 背靠背换流站具有以下优点 1 换流站的结构简单 比常规换流站的造价低15 20 2 控制系统响应速度更快 直流侧的故障率很低 从而使保护得到了简化 3 在运行中可方便地降低直流电压和增加直流电流来进行无功功率控制或交流电压控制 以提高电力系统的电压稳定性 4 在实现电力系统非同步联网时 可不增加被联电力系统的短路容量 从而避免了由此所产生的需要更换开关等问题 可利用直流输送功率的可控性 方便地实现被联电力系统之间的电力和电量的经济调度 此外 可方便地利用直流输送功率的快速控制来进行电力系统的频率控制或阻尼电力系统的低频振荡 从而提高了电力系统运行的稳定性和可靠性 5 由于直流侧电压较低 有利于换流站设备的模块化设计 采用模块化设计可进一步降低换流站的造价 缩短工程的建设周期 提高工程运行的可靠性 91 500kV交 直流汇集的上海南桥变电站全景 92 南桥变电站直流阀厅 93 第四节发电厂和变电站电气部分概述 一 电气设备 接线和装置 电气设备为了满足电力生产和保证电力系统运行的安全稳定性和经济性 发电厂和变电站中安装有各种电气设备 其主要任务是启停机组 调整负荷 切换设备和线路 监视主要设备的运行状态 发生异常故障时及时处理等 根据电气设备的作用不同 可将电气设备分为一次设备和二次设备 94 电气一次设备1 直接生产 变换 输送 分配和使用电能的设备称为电气一次设备 它们主要有以下几种 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 95 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 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 96 97 98 99 100 101 102 103 仪用互感器 104 一次设备常用图形文字符号 105 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 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 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 二 电气接线和装置在发电厂和变电所中 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 120 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 如果说电气主接线反映的是电气一次设备的连接关系 那么配电装置是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 121 122 第二节发电厂的电气部分 一 300 发电机组电气部分 电气主接线300MW发电机组 采用发电机 变压器单元接线 单机容量为300 的发电机 由于额定电流很大 采用全连分相封闭母线 主接线如图2 2 主要电气设备 1 发电机 2 主变压器 3 高压厂用变压器 4 电压互感器 5 高压熔断器 6 电流互感器 7 中心点接地变压器 123 1 发电机 2 主变压器 3 高压厂用变压器 为分裂绕组变压器 4 电压互感器 5 高压熔断器 6 避雷器 7 电流互感器 8 中性点接地变压器 124 二 600 发电机组电气部分 电气主接线600MW发电机组 采用发电机 变压器单元接线 单机容量为600 的发电机 由于额定电流很大 采用全连分相封闭母线 图2 3 主要电气设备 1 发电机 2 主变压器 3 高压厂用变压器 4 电压互感器 5 电流互感器 6 中心点接地变压器 125 1 发电机 2 主变压器 3 高压厂用变压器4 高压公用变压器 5 励磁变压器 6 中性点接地变压器 7 电压互感器 8 熔断器 9 高压避雷器 126 三 1000MW发电机组电气部分1000MW发电机组 采用发电机 变压器单元接线 变压器高压侧 经隔离开关和引线接入500kV系统 500kV侧采用一个半断路器接线方式前述300MW发电机组为亚临界火力发电机组 600MW发电机组为超临界火力发电机组 1000MW发电机组为超超临界火力发电机组 超超临界火力发电机组和常规发电机组相比 具有无可比拟的优越性 但是 发展超超临界机组 在设计和制造方面还有许多关键技术问题有待解决 例如开发新材料就是关键的问题 127 1 发电机 2 主变压器 3 4 高压厂用变压器 5 励磁变压器 6 中性点接地变压器 7 8 电压互感器 9 高压避雷器 10 隔离开关 11 电压互感器 128 三 500kV交流变电站电气部分 目前 我国500kV变电站的电气接线一般采用双母线四分段带专用旁路母线和3 2断路器两种接线方式 如图1 16所示 两组母线W1和W2间有两串断路器 每一串的三组断路器之间接入两个回路引出线 如WL1 WL2 处于每串中间部位的断路器称为联络断路器 如QF12 由于平均每条引出线装设一台半断路器 故称为一台半断路器接线 一 500kV变电站电气主接线 129 图1 16500kV变电站电气主接线 130 二 500kV变电站主要电气设备 500kV超高压变电站的主要电气设备有 1 主变压器 500kV升压变压器和500kV自耦变压器 2 断路器 3 隔离开关 4 电压互感器 5 电流互感器 6 避雷器 131 四 直流输电换流站电气部分 一 换流站电气主接线 换流站电气主接线有两种 一种由换流单元串联而成 另一种由换流单元并联而成 图1 17所示为两端双极直流输电系统电气主接线图 图1 17中换流变压器2和换流器3组成一个换流单元4 由两个换流单元4串联组成串联换流单元5 由换流站接地电极12与串联换流单元5 平波电抗器9组成换流站的极设备 简称极 对接地电极电位为正的称为正极 为负的称为负极 直流输电系统两端的换流站7各包括换流站极设备6和极的交流滤波器1 直流滤波器10以及一端接地电极12 直流输电线路有两根导线分别与换流站的正 负极相连 称其中每根输电线为直流输电线路11 直流输电线路把整流站的一个极和逆变站相同极性的一个极连接起来 形成极连接 由极连线再加上两端的接地电极12和大地回流电路 这便构成两端单极直流输电系统 如果再把另一个相反极性的两端单极直流输电系统包括进来 则成为两端双极直流输电系统 132 图1 17两端双极直流输电系统电气主接线图1 交流滤波器 2 换流变压器 3 换流器 4 换流单元 5 串联换流单元 6 极设备 7 换流站 8 极连接 9 平波电抗器 10 直流滤波器 11 直流输电线路 12 接地电极 133 图1 18是图1 17所示换流站中1个极较为详细的电气主接线图 图1 18换流站1个极的电气主接线图1 交流滤波器组 2 换流变压器 3 同步调相机 4 避雷器 5 高频阻塞器 6 换流桥 7 旁路隔离开关 8 平波电抗器 9 直流滤波器组 10 直流冲击波吸收电容器 11 直流电压互感器 12 直流电流互感器 13 接地电极 14 直流输电线路 15 电力电容器组 16 交流断路器 134 二 电气设备 直流输电系统中的主要电气设备 1 换流器 2 换流变压器 3 交流断路器 4 直流断路器 5 交流滤波器 6 直流滤波器 7 直流平波电抗器 8 无功补偿设备 9 直流输电线路 10 接地电极 135 国内外高压直流与特高压交流输电的应用概况随着电力电子和计算机技术的迅速发展 直流输电技术日趋完善 在输送能力和送电距离上已可和特高压交流竞争 多端直流输电技术也取得了一些运行经验 意大利到撒丁岛和柯西岛的三端直流输电工程于80年代投运 美国波士顿经加拿大魁北克到詹姆斯湾拉迪生的五段直流输电工程 全长1500km 1992年全线建成投入五端 到1996年底全世界已投运的直流输电工程有56个 输电容量达54 166GW 我国的葛洲坝 上海500kV双极联络直流输电工程1989年投运 额定容量为1200MW 输电距离为1080km 天生桥 广州500kV直流输电线路全长980km 额定输送功率1800MW 此外 世界上第一个800千伏 双极 直流输电工程 云广特高压直流输电工程 已竣工投产 西起云南省楚雄州 途经广西壮族自治区 至广东省广州市 输电距离1373公里 额定电压 800千伏 额定容量500万千瓦 136 特高压交流输电技术的研究始于60年代后半期 前苏联从80年代开始建设西伯利亚 哈萨克斯坦 乌拉尔1150kV输电工程 输送容量为5000MW 全长2500km 从1985年起已有900km线路按1150kV设计电压运行 1988年日本开始建设福岛和柏崎 东京1000kV400余km线路 意大利也保持了几十km的无载线路作特高压输电研究 美国AEP则在765kV的基础上研究1500kV特高压输电技术 但是 80年代中期以后世界经济发展减缓 美国和其他一些国家都推迟或暂时放弃特高压交流输电技术 只有前苏联的1150kV工程投运 日本的特高压输电线路降压至500kV运行 137 高压直流输电与特高压交流输电的优缺点比较 从经济方面考虑 直流输电有如下优点 1 线路造价低 对于架空输电线 交流用三根导线 而直流一般用两根采用大地或海水作回路时只要一根 能节省大量的线路建设费用 对于电缆 由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度 如通常的油浸纸电缆 直流的允许工作电压约为交流的3倍 直流电缆的投资少得多 2 年电能损失小 直流架空输电线只用两根 导线电阻