电气设备及运行(1).ppt

电气设备系统及运行 南京工程学院 王金平 2010 08 第一章电力系统概述 第一节电力系统的基本概念 一电力系统与电力网发电厂将一次能源转变成电能 生产的电能需要通过一定方式输送给电力用户 在由发电厂向用户供电过程中 广泛通过升压变电站 降压变电站 输电线路将多个发电厂连接起来并联工作 向用户供电 这种由发电厂 升压变电站 降压变电站 输电线路以及用电设备有机连接起来的整体 称为电力系统 在电力系统中 由升压变电站 降压变电站和输电线路连接在一起的部分称为电力网 电力系统的构成 发电厂 输电线路 升压站 配电线路 枢纽 降压站 照明 动力 配变 太阳能发电 电力线路 是电能输送的通道和载体 一般按其功能将电力线路划分为输电线路和配电线路 输电通常指的是将发电厂或发电基地 包括若干电厂 发出的电能输送到消费电能的地区 又称负荷中心 或者将一个电网的电能输送到另一个电网 实现电网互联 构成互联电网 配电通常是指从降压变电站 所 将电能分配给各个用户 输电线路通常指35kv及以上电压等级的电力线路 而35kv以下电压等级的电力线路常称为配电线路 前者构成输电网络 后者构成配电网络 输电网络的功能是输送电能 输电的战略重要性比它在电的全部费用中平均所占的10 所表示的要大得多 二十世纪六十年代 美国联邦动力委员会 输电网络的功能 输电 的具体体现 是在特定地区范围内的将发电 输配电和用电设备等电力设备互相联结构成一个完整的系统 适当的 系统互联 有如下好处 更经济合理地开发一次能源 优化电能资源配置 实现水 火电资源的优势互补利用负荷的不同时性 可提高发电机组的利用率 减少总的装机容量检修和紧急事故备用互助支援 减少备用发电容量提高电网运行的可靠性和供电质量 输电的通路由电力线路 变配电设备构成 输电线路从结构可分为架空线路和电缆线路两类 构成架空输配电线路的主要部件有 导线 避雷线 简称避雷线 金具 绝缘子 杆塔 拉线和基础 接地装置等 如图 输电通路 架空输电线路的组成 华东电网电力系统格局皖电东送 江苏北电南送 浙江沿海电力西送 上海受进电力 福建电力自我平衡为主 这一格局与我国能源基本流向是一致的 也符合华东电网内部的客观情况 在国家的能源政策和以省为实体的办电方针基本保持稳定的情况下 这一格局将在较长时间内保持不变 华东电网省际电力交换 繁昌 马鞍山 宣城 响水涧 肥西 巢湖 宿州2 60 滁州 洛河4 30 2 60 颖州 蚌埠 过江断面 淮北 出省断面 田集2 60 凤台2 60 平圩一 二期4 60 六安 铜贵 淮南 蚌埠2 60 溧水 皖南站 淮南 东善桥 宁国 皖电东送 1 3 安徽电网 3 1 格局 即东 中 西三个500千伏输电通道和一个1000千伏交流特高压通道 形成坚强的电网主网架 以保证 皖电东送 的顺利实施 二电力生产的特点 1 电能不能大量储存电力系统中发电厂负荷的多少 决定于用户的需要 电能的生产和消费时时刻刻都是保持平衡的 电能的生产 分配和消费过程的同时性 使电力系统各个环节形成了一个紧密的有机联系的整体 发 供 用电设备任一环节发生故障 都将影响电能的生产和供应 2 电力系统的电磁变化过程非常迅速电力系统中 电磁波的变化过程只有几毫秒 甚至是几微秒 而短路过程 发电机运行稳定性的丧失则在零点几秒或几秒内即可形成 为了防止某些短暂的过渡过程对系统运行和电气设备造成危害 要求能进行非常迅速和灵敏的调整和切换操作 这些调整和切换操作 靠手动操作不能获得满意的效果 甚至是不可能的 因此电力系统采用了各种自动装置 3 电力工业和国民经济各部门之间有着极其密切的关系电能供应不足或中断 将直接影响国民经济各个部门的生产 也将影响人们的正常生活 因此要求电力工业必须保证安全生产 必须有足够的负荷后备容量 以满足日益增长的负荷需要 三电力系统的运行要求 1 保证对用户供电的可靠性在任何情况下都应该尽可能地保证电力系统运行的可靠性 系统运行可靠性的破坏 将引起系统设备损坏或供电中断 以致造成国民经济各部门生产停顿和人民生活秩序的破坏 甚至发生人身事故 2 保证电能的质量即要求供电电压的波形为较严格的正弦波 保证系统中电压和频率在一定的允许变动范围之内 电力系统电压允许偏差一般为额定电压的 5 频率允许偏差一般为 0 5hz 华东电网调度规程规定频率偏差不得超过 0 2hz 3 保证运行的最大经济性电力系统运行有三个主要经济指标 即生产每kw h电能所需要的能源消耗 煤耗率 油耗率 水耗率等 生产每kw h电能所需要的自用电 厂用电率 供配每kw h电能在电力网中的电能损耗 线损率 提高运行经济性 就是在生产和供配某一定数量的电能时 使上述三个指标达到最小 为了实现电力系统的经济运行 必须对整个系统实施最佳经济调度 四电力系统的额定电压所谓额定电压 就是某一用电设备 电动机 电灯等 发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效益的电压 为了便于电器制造业的生产标准化和系列化 国家规定了统一的电压等级标准及输电范围 电力系统中发电机 变压器 输电线路 用电设备等元件的额定电压规定 1用电设备的额定电压以un表示用电设备的额定电压 为其他元件的参考电压 2输电线路的额定电压输电线路的首端和末端均可接用电设备 而用电设备的端电压一般容许在额定电压的 5 范围内波动 因而在没有调压设备的情况下 输电线路上可以容许有10 的电压损耗 若输电线路的首端电压较用电设备的额定电压高5 即u1 un 1 5 输电线路的末端电压较用电设备的额定电压低5 即u2 un 1 5 则输电线路的额定电压为un u1 u2 2 3发电机的额定电压发电机作为直接配电的电源 总是接在线路的首端 其额定电压应较输电线路的额定电压高5 故发电机的额定电压为ugn un 1 5 4变压器的额定电压变压器的额定电压即为变压器两侧的额定电压 以变比表示为k u1n u2n 变压器具有发电机和负荷的双重地位 其一次侧接受电能 相当于用电设备 其二次测送出电能 相当于发电机 变压器一次侧额定电压等于用电设备的额定电压 即u1n un 对于与发电机直接相连的变压器 其一次侧电压等于发电机的额定电压 即u1n ugn un 1 5 变压器两侧的额定电压 一次侧额定电压u1n un 降压变压器或中间联络变压器 u1n ugn un 1 5 直接与发电机相连的变压器 二次侧额定电压u2n un 1 5 空载 u2n un 1 10 负载 在传输功率一定的条件下 如果所用的额定电压越高 则线路上的电流越小 这样线路上的功率损耗 电压损耗等也就越小 同时可以较小截面的导线 以节省有色金属 但另一方面 电压等级越高 线路的绝缘就越要加强 杆塔的几何尺寸也相应加大 这样线路的投资和杆塔材料就要增加 而且变压器 开关电器等设备的投资也随着电压的增高而增加 显然采用过分高的额定电压也不一定恰当 五电力系统负荷及负荷曲线电力系统负荷是由国民经济各部门的用电负荷组成 它包括各种用电设备 如照明 电热器 电动机和整流设备等 根据对供电持续性的要求 可把负荷分为三类 一类负荷 如停止对该类负荷供电 将造成人身事故或重大设备损坏且难以修复或给国民经济带来重大损失 或使市政生活发生重大混乱 对于一类负荷 至少要由两个独立电源供电 当一路电源故障 另一路电源仍能完全保证该负荷供电 二类负荷 如停止对该类负荷供电 将造成大量减产和废品 城市大量居民的正常生活受到影响 对于二类负荷是否需要备用电源 要进行技术经济比较后才能确定 三类负荷 如停止对该类负荷供电 不会直接影响生产 仅给生产 生活造成不方便 对于三类负荷 不需要备用电源 电力系统各用户的负荷功率总是在不断变化 电力负荷随时间变化的关系一般用负荷曲线来描述 根据负荷的特性 负荷曲线可分为有功功率负荷曲线 无功功率负荷曲线和视在功率负荷曲线等 按所涉及的范围 负荷曲线可分为用户负荷曲线 变电所负荷曲线 发电厂负荷曲线以及电力系统负荷曲线等 根据持续的时间 负荷曲线又可分为日负荷曲线 周负荷曲线和年负荷曲线等 在电力系统中经常用到的负荷曲线有以下几种 1 日负荷曲线 日负荷曲线反映负荷在一天24小时内随时间变化的规律 典型的日负荷曲线如图所示 不同地区 不同负荷 其负荷曲线也是不相同的 一天之内最大的负荷称为日最大负荷pmax 也称尖峰负荷 一天之内最小的负荷称为日最小负荷pmin 也称低谷负荷 最小负荷以下的部分称为基本负荷 简称基荷 全天的日平均负荷为 a 一天内用户所消耗的总电能 系统负荷率的概念 kp值大则表示日负荷曲线平坦 即每天的负荷变化小 系统运行的经济性较好 kp值小则表示日负荷曲线起伏大 发电机的利用率较差 2 年持续负荷曲线在电力系统的分析计算中 还经常用到年持续负荷曲线 如图所示 它是以电力系统全年内每个小时的负荷按其大小及累计持续运行时间的顺序排列而成的 将全年中负荷所消耗的电能与一年内最大负荷相比 得到的时间tmax称为年最大负荷利用小时数 tmax的物理意义是 如果用户始终保持最大负荷pmax运行 则经过tmax时间后 它所消耗的电能恰好等于其全年的实际耗电量 tmax的大小 在一定程度上反映了实际负荷在一年内变化的大小 tmax较大 则负荷曲线比较平坦 tmax较小 则负荷随时间的变化较大 它在一定程度上反映了负荷用电的特点 对于各种不同类型的负荷 其tmax大体上在一定的范围内 因此 若已知各类用户的性质 则可得到tmax 由可以估计出全年的用电量 在导线截面选择和计算电网的电能损耗时均要用到tmax 3 年最大负荷曲线年最大负荷曲线即表示一年内每月的最大负荷随时间变化的曲线 如图所示 这曲线常用于制定发电设备的检修计划 机组检修应安排在负荷最小的时间段 第二节电力系统的中性点运行方式 电力系统的中性点 实际上是指电力系统中发电机 变压器的中性点 接地或不接地是一个综合性的问题 中性点接地方式对于电力系统的运行 特别是对发生故障后的系统运行 有多方面的影响 所以在选择中性点接地方式时 必须考虑许多因素 电力系统中性点的接地有中性点直接接地 经电阻接地和经消弧线圈接地三大类 其中经电阻接地又分经高电阻接地 经中电阻接地和经低电阻接地三种 中性点直接接地 经中电阻接地和经低电阻接地称为大接地电流系统 中性点不接地 经消弧线圈接地和经高电阻接地称为小接地电流系统 一中性点不接地系统电力系统的每一相对地都有电容 它们分布在输电线路全长上和电气设备中 为了使讨论简化 设三相系统是完全对称的 并将分布的相对地电容用集中在线路中央的电容c来代替 因为在中性点不接地系统中发生一相接地时 电力系统相间电压并不改变 因而相间电容所引起的电容电流也不会改变 这种电网 在正常运行时 中性点接地与否 对系统运行无任何影响 当中性点不接地系统发生一相接地 其相量关系如图所示 相当于原有的线电压三角形abc平移到了a b c 的位置 即三相间线电压仍保持对称和大小不变 故对电力用户的继续供电并无影响 但两个非故障相a和b的对地电压却升高至 3倍 所以在中性点不接地的电力网中 各种设备的对地绝缘应按线电压设计 才能承受在一相接地时 非故障相对地电压的升高影响 在中性点不接地的电力网中 一相接地时接地点的接地电流等于正常时相对地电容电流ico的三倍 其数值与电网的电压 频率和一相对地电容有关 如上所述 当中性点不接地的系统中发生一相接地时 接在相间电压上的用电设备的供电并未遭到破坏 它们可以继续运行 但是这种电网长期在一相接地的状态下运行 也是不能允许的 因为这时非故障相电压升高 绝缘薄弱点很可能被击穿 而引起两相接地短路 将严重地损坏电气设备 所以 在中性点不接地电网中 必须设专门的监察装置 以便使运行人员及时地发现一相接地故障 从而切除电网中的故障部分 在中性点不接地系统中 当接地的电容电流较大时 在接地处引起的电弧就很难自行熄灭 在接地处还可能出现所谓间歇电弧 即周期地熄灭与重燃的电弧 由于电网是一个具有电感和电容的振荡回路 间歇电弧将引起相对地的过电压 其数值可达 2 5 3 u 这种过电压会传输到与接地点有直接电连接的整个电网上 更容易引起另一相对地击穿 从而形成两相接地短路 在电压为3 10kv的电力网中 一相接地时的电容电流不允许大于30a 否则 电弧便不能自行熄灭 而且由于3 l0kv电力网中使用电缆较多 其绝缘比较薄弱 一相接地转变为相间短路的可能性将大大增加 在20 60kv电压级的电力网中 间歇电弧所引起的过电压 数值更大 对于设备绝缘更为危险 而且由于电压较高 电弧更难自行熄灭 因此 在这些电网中 规定一相接地电流不得大于10a 在与发电机或调相机有直接电气连接的6 20kv回路中 为防止单相接地时烧坏电机铁芯 允许的一相接地电容电流更小 可参见表 二中性点经消弧线圈接地系统当一相接地电容电流超过了上述允许值时 可以用中性点经消弧线圈接地的方法来解决 该系统即称为中性点经消弧线圈接地系统 消弧线圈主要由带气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组组成 它们被放在充满变压器油的油箱内 绕组的电阻很小 电抗很大 消弧线圈的电感 可用改变接入绕组的匝数加以调节 显然 在正常运行状态下 由于系统中性点的电压是三相的不对称电压 数值很小 所以通过消弧线圈的电流也很小 当发生一相完全接地时 消弧线圈处在相电压之下 通过接地处的电流是接地电容电流和线圈电感电流的相量和因为电感电流和电容电流有180 的相位差 所以在接地处它们互相补偿 在中性点经消弧线圈接地的系统中 一相接地时和中性点不接地系统 样 故障相对地电压为零 非故障相对地电压升高至 3倍 三相线电压仍保持对称和大小不变 所以也允许暂时运行 但不得超过两小时 消弧线圈的作用对于瞬时性接地故障尤为重要 因为它使接地处的电流大大减小 电弧可能自动熄灭 接地电流小 还可减轻对附近弱电线路的干扰 在中性点经消弧线圈接地的系统中 各相对地绝缘和中性点不接地系统 样 也必须按线电压设计 消弧线圈通过隔离开关接在相应电网的发电机 变压器或专用接地变压器的中性点上 但是 这种接地方式对于运行方式变化较为频繁的系统 由于电容量的不断变化 中性点经消弧线圈接地可能会造成欠补偿从而引发谐振过电压 因此必须根据电容电流大小的变化调整消弧线圈的电感值 但目前在线实时检测电网单相接地电容电流的设备很少 因此消弧线圈在运行中不能根据电容电流的变化及时地进行调节 不能很好地起到补偿作用 特别是由于故障电流减小为很小的残流后 接地支路的识别更加困难 三中性点直接接地系统另一种常用的系统中性点的运行方式是将中性点直接接地 这样 中性点的电位在电网的任何工作状态下均保持为零 220kv 500kv系统就属于这种接地形式 在这种系统中 当发生一相接地时 这一相直接经过接地点和接地的中性点短路 一相接地短路电流的数值很大 因而立即使继电保护动作 将故障部分切除 在中性点直接接地的大电力系统内 为了减小一相接地短路电流 也可以将中性点经过电抗器接地 如图 这时一相接地短路电流 因受到电抗器的限制而大大减小 即 d1 d 通常采用的限制一相接地短路电流的方法是不将全部变压器的中性点都直接接地 而只将其中的一部分直接接地 这样 也可以将 相接地短路电流 减小到不超过可能的最大三相短路电流 中性点直接接地或经过电抗器接地系统 在发生一相接地故障时 故障的送电线路被切断 因而使用户的供电中断 运行经验表明 在1000v以上的电网中 大多数的一相接地故障 尤其是架空送电线路的一相接地故障 大都具有瞬时的性质 在故障部分切除以后 接地处的绝缘可能迅速恢复 而送电线路可以立即恢复工作 目前在中性点直接接地的电网内 为了提高供电可靠性 均装设自动重合闸装置 在系统一相接地线路切除后 立即自动重合 再试送一次 如为瞬时故障 送电即可恢复 中性点直接接地的主要优点是它在发生一相接地故障时 非故障相的对地电压不会增高 因而各相对地绝缘即可按相对地电压考虑 在高电压级时将大大降低电气设备和电网的建设费用 电网的电压愈高 经济效果愈大 而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中 单相接地电流往往比正常负荷电流小得多 因而要实现有选择性的接地保护就比较困难 但在中性点直接接地系统中 实现就比较容易 由于接地电流较大 继电保护 般都能迅速而准确地切除故障线路 且保护装置简单 工作可靠 一相接地是电力网中最常见的一种故障 如上所述 这种大接地电流系统在一相接地时将产生很大的 相接地短路电流 任何部分发生一相接地时都必须将其切除 即使采用自动重合闸装置 在发生永久性故障时 供电也将中断 有时甚至可能导致系统动态稳定破坏 而且在这种大接地电流系统中 一相接地在线路与地之间流过很大的一相接地短路电流 将产生一个很强的磁场 而在附近的弱电线路 如通讯线路或铁路信号线路等 上感应出相当大的电势 轻则引起噪音 妨害通讯 重则可能引起弱电设备的损坏 并危及通讯人员安全或引起铁路信号的误动作 因此 大接地电流系统的送电线路 应与弱电线路保持一定的距离 或在弱电线路上采取有效的保安措施 四中性点经电阻接地系统不接地或经消弧线圈接地的方式 这种对于单相接地故障不立即跳闸的接地方式 有利于提高供电连续性和可靠性 供电的安全性要求由原来不立即跳闸改为立即跳闸和由原来中性点非有效接地改为中性点有效接地 单相接地故障 保护立即动作于跳闸 如果电网仍然是中性点不接地方式 由于电容电流较大 将会造成真空断路器或其他开断设备电弧重燃 无法灭弧的情况 同时产生严重的操作过电压 危害设备 这样就要求将中性点改为有效接地的型式 使接地电流由容性向阻性发展 使真空断路器或其他开断设备不致于电弧重燃 迅速开断故障电流 中性点有效接地方式分为中性点直接接地和电阻接地 采用中性点直接接地 单相接地电流很大 可达到几千安甚至几十千安 虽然保护在较短的时间内跳闸 但接地点仍会因为流过强大的接地电流而严重烧损 采用电阻接地可以限制接地电流在一定的范围内 即达到保护接地点不会因为流过强大的接地电流而严重烧损 又能满足继电保护的灵敏度要求 达到限制单相接地时非故障相产生的瞬时过电压 目前国内在中压系统中 主要由电缆线路组成的电网 如大城市的10kv城网和大型火力发电厂的6kv厂用电系统 在电容电流超过7a时 均采用中性点电阻接地 单相接地故障立即跳闸的接地方式 解决了上面所述的弊病 而由于立即跳闸而影响的供电可靠性 则可以从提高线路或设备的冗余度来解决 当电厂高压厂用电系统的接地电容电流小于7a时 其中性点宜采用高电阻接地 也可采用不接地方式 当接地电容电流大于7a时 其中性点宜采用中低电阻接地方式 1 中性点经电阻接地简介在6 10kv以至20kv的电网中 目前所采用的有高电阻 中电阻 低电阻接地3种形式 其阻值与单相接地故障电流的范围如表1 3 2 高电阻接地高电阻接地方式以限制单相接地故障电流为目的 并可防止阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压 但是它要使总的接地电流增大2倍 主要用于200wm以上大型发电机回路和某些6 10kv配电网 在发电机内部发生单相接地故障 为了减轻铁芯的烧毁程度 故障电流超过表1 3所示数值 须瞬时切机 发电机中性点若采用消弧线圈接地方式也可以将故障点残余电流限制在表范围内 而不要求瞬时切机 但此时须注意发电机出口避雷器的选型与发电机的绝缘配合 对无间隙氧化锌避雷器不推荐采用 在6 10kv配电系统以及发电厂厂用电系统 当单相接地电容较小 故障不跳闸时 采用高电阻接地可以减少故障点的电压梯度 阻尼谐振过电压 为了遏制间歇性电弧接地过电压 考虑到故障电流宜限制在10a以下 以维持2h的运行条件 因此 故障电容电流ic大于4 5a的网络 就不宜采用高电阻接地 从而大大限制了这种接地方式的推广应用 3 低电阻接地这种中性点采用小于10 电阻接地方式的特点是获得一个大的阻性电流叠加在故障点上 其优点是 1 快速切除故障 过电压水平低 谐振过电压发展不起来 可采用绝缘水平较低的电缆和设备 2 减少绝缘老化效应 延长设备寿命 提高网络及设备可靠性 3 把双重接地 异相故障 的几率削减至最低限度 4 为采用简单的 有选择性和足够灵敏度的继电保护提供了可能性 5 可以采用无间隙氧化锌避雷器 6 自动清除故障 运行维护方便 7 人身安全事故及火灾事故几率降低 本厂二期2 600mw机组6kv厂用电中性点接地就采用了这种方式 接地电阻为9 1 最大接地电流为400a 但低电阻接地也有其局限性 在运行时必须加以注意 由于低电阻接地方式的接地故障电流达400 1000a甚至更大 目的是提高接地保护的灵敏性和选择性 另一个原因是为了避开高压电动机的起动和线路冲击合闸 这种数百安以至上千安的接地故障电流会带来以下问题 1 电缆一处接地 大的电弧可能会连带烧毁同一电缆沟或电缆隧道的其它相邻电缆 扩大事故 酿成火灾 2 低值电阻中流过的电流过大 电阻的热容量与i2r成正比 给电阻的制造带来困难 铸铁电阻难以胜任这种大的电流冲击 合金电阻的造价太高 而且体积太大 每台约1 5 2m3 3 引起的地电位升高达数千伏 大大超过了安全允许值 通信线路要求地电位差不超过430 650v 低压电器要求不大于 2u 1000 0 75 1000v 电子设备不能承受600v的电位差 人身保安要求的接