《发电厂电气部分》PPT课件.ppt

1、发电厂电气部分,东南大学电气工程学院 2010年8月,指导思想,本课程是在先修“电路”和“电机学”基础上，为全面学好专业理论课程准备的基本知识课，也是电气专业人士必须具备的最基本的知识。 本课程涉及到的一些计算及短路理论，主要在“电能系统基础”课程中学习,参考书籍,范锡普主编发电厂电气部分第2版中国电力出版社，1995 华中工学院主编发电厂电气部分电力工业出版社，1980 姚春球. 发电厂电气部分 第1版 电力出版社,讲课内容 第一章 能源和发电（电力系统组成） 第二章 电气设备的原理与选择 第三章 电气主接线及设计 第四章 配电装置 第五章 二次回路（自学）,1. 电能生产过程，电气系统的组

2、成 重点：煤粉系统、汽水系统、中性点运行方式 2. 电器的原理与选择 电弧的形成及熄灭，高压断路器的运行原理与选择，电流互感器的原理与选择、电压互感器的原理与选择，限流电抗器的原理与选择。 重点：互感器的原理和选择 难点：电弧的形成及熄灭,教学内容,3. 电气主接线 主接线的基本接线形式、发电厂和变电所主变压器的选择、限制短路电流的方法，各种类型主接线的特点，主接线的设计原则和步骤，主接线设计举例。 重点：带旁路母线的接线方式 难点：主接线的设计原则 4. 配电装置 配电装置的安全净距、屋内配电装置、屋外配电装置、成套配电装置、电气设施总平面布置。 重点：安全净距 难点：平面布置 5.二次线路

3、（自学） 二次线路的基本概念、测量系统,考试方法,1、研讨成绩 （90） 2、平时成绩（10）,第一章 能源和发电,1.1 绪论 能量是物质运动的量度，能量有许多形式，如机械能、热能、化学能。 电能是相应于电磁运动的能量形式。 不同形式的能量可相互转换。,1.1.1 能和能源,1. 电能的特点： 电能可以方便地由其它能量形式转化而来，也可以简便地转化成其他形式的能量。 电能便于大规模生产、输送、分配、并且价格低廉。 电能的生产、输送、分配、控制及测量等各环节容易实现自动控制。,2. 能源的分类： 一次能源：指以现成的形式存在于自然界的能源。 二次能源：指由一次能源直接或间接转换而来的其它形式的

4、能源或人工制造的能源。 电能属于二次能源。常用的用来发电的一次能源有：燃料化学能、水能、核能等。还可继续开发的发电能源，如潮汐发电、太阳能发电、风力发电等。,我国电力工业发展概况,1.我国有丰富的煤炭、石油和水力资源，这为我国电力工业的发展提供了条件。 2.1882年上海建立第一个发电厂，容量12kW 。 3.1949年达到185万kW; 到2008年的7亿kW。(全国发电装机 继2006年底突破6亿千瓦之后，在不到一年的时间里，又迈 上7亿千瓦台阶。据统计，自2002年至2007年五年间，我国 新增发电装机规模约 3.5亿千瓦，相当于建 国至2002年50多年的 总和。） 4 形成了华北、东

5、北、 华东、华中、西北和 南方互联等6个跨省大 网，2个独立省电网 (海南、西藏)和西南 弱联系的跨省电网。,我国今后电力工业发展方向,在电源结构调整上要坚持优化火电结构、优先发展水电、适当发展核电、积极利用新能源的方针 要大力抓好大电厂、大容量、高参数、高效率大机组的建设 大力加强主电网的建设，形成坚强的电力网络结构，加快城市和农村电网的建设和技术改造。开拓电力销售市场 继续加强现有6个跨省电网，发展省一级电网并注意发展系统间的互联，逐步形成全国的联合电能系统,对2020年的电源结构的规划设想是:在9.5亿kW 中，煤电为6亿kW，占63% (电量3万亿kWh，占4.3万亿kWh的70%)；

6、水电2亿kW，占21.1% (电量为7000亿kWh，占16%)；另有抽水蓄能电站2500万kW，占2.6%；核电4000万kW，占4.2% (电量2600亿kWh，占6%)；气电7000万kW，占7.3% (电量3000亿kWh，占7%)；新能源1500万kW，占1.5% (电量400亿kWh，占1%),1.1.2 动力系统与电力系统的定义,1 动力系统： 转化、分配和应用电能及热能的全部环节称为动力系统，包括锅炉、汽轮机、发电机、核反应堆、输电线、热力管道、电力变压器、电动机、电热装置、换流装置等等。,2电能系统： 在动力系统中，生产、输送、转换的能量主要部 分是电能的，称为电能系统。 3

7、电力系统： 电能系统中的电气部分称为电力系统。 4电力网： 在电力系统中通常把发电机和用电之间属于输电和配电的环节称为电力网。,电力网,电力系统,动力系统（电能系统）,锅炉 汽轮机 发电机 升压变 线路 降压变 用户,供热,图1-2 示意图,1.2 发电厂,发电厂: 发电厂是电力系统的电源，它的作用是把不同种类的一次能源转换成电力。根据一次能源的不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核动力发电厂和利用其它能量发电的电厂。,1.2.1火电厂的电能生产过程,燃烧系统燃料的化学能在锅炉里燃烧变为热能，加热锅炉中的水蒸汽。 汽水系统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。 电

8、气系统汽轮机旋转的转子带动发电机旋转，把机械能变为电能。,图1-3. 凝气式火电厂电能生产示意图,燃烧系统汽水系统电气系统,火电厂的电能生产过程燃烧系统,运煤系统 磨煤系统 燃烧系统 风烟系统 灰渣系统,图1-4 火电厂燃烧系统流程示意图,火电厂的电能生产过程汽水系统,给水系统 补充给水系统 循环水系统,图1-5 火电厂汽水系统流程示意图,火电厂的电能生产过程电气系统,发电机 励磁装置 厂用电系统 升压变电站,图1-6 火电厂电气系统示意图,1.2.3 发电厂类型,(1) 火电厂： 火电厂按原动机类型不同可分为汽轮机发电厂、蒸汽机发电厂、燃气轮机发电厂等。 凝汽式汽轮机发电厂电能生产过程： 燃

9、料化学能锅炉热能汽轮机机械能发电机电能,(2) 水电厂 水电厂的基本能量转化过程： 水能水轮机机械能发电机电能,水电厂可分为坝式水电厂、引水式（山区水流很急）电厂及混合式水电厂。,长江三峡工程是世界上最大的水电站。 三峡水电站左岸厂房安装14台水轮发电机组， 右岸厂房安装12台，总共装机26台；单机容量 70万千瓦， 装机总容 量为1820 万千瓦。 多年平均 年发电量 为846.8 亿千瓦时。,三峡水库正常蓄水位175米时，大坝下游的最低水位为62米，则三峡水电站的最大水头为113米；汛期限制水位为145米时，大坝下游的最高水位为74米，则三峡水电站的最小水头为71米，单机容量为70万千瓦的

10、水轮发电机组，额定工况下每秒钟需要通过的水量为950立方米。具有上述水头和水量的水流，从底部高程为110米的水电站进水口，流入内径为12.4米的压力钢管，通过压力钢管再流入坝后式电站厂房的蜗壳，水流的巨大冲击力使水轮机以每分钟75转的速度转动起来，与水轮机在同一根主轴上的发电机也以同样的速度转动起来，即可发出强大的电力。,广州抽水蓄能电站 广州抽水蓄能电站总装机容量240万kW，是中国第一座也是目前世界上最大的抽水蓄能电站。 抽水蓄能电站的主要作用是调峰和填谷等。,电站位于广州市北东方向90 km的流溪河上游。上、下水库均系利用天然库盆，上库集雨面积5 km2，库容 2408 万m3；下库集雨

11、面积13 km2，库容2348 万m3，两库水平距离3 km，落差500 m（HL=l6）， 总装机8台，采用30万kW容量可逆式高参数抽水蓄能机组，设计水头535m，额定转速500rmin，组成一洞四机布置的地下或引水厂房系统。引水道全长分别为3785m（一期）、4407m（二期），均设置上、下游调压井。 电站以500 kV出线接入广东电网。,西藏的羊卓雍湖水电站 西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站，位于西藏自治区浪卡子县和贡嘎县内， 电站上库为羊卓雍湖，下库为雅鲁藏布江。电站装机容量11.25万千瓦，年发电量1.0412亿千瓦时，引水隧洞全长 5,883.103米，压力钢管全长3，044.764米，

12、最大水头840米， 是我国目前 海拔最高、 水头最高、 隧洞最长、 西藏自治区境内 装机容量最大、 自动化水平最先进 的抽水蓄能电站。,江苏宜兴抽水蓄能电站 江苏宜兴抽水蓄能电站工程位于江苏省宜兴市西南郊铜官山山区，电站下水库距宜兴市区约8.5km，电站枢纽部分由上水库、下水库、输水系统、厂房、开关站等建筑物组成，电站装机规模1000MW，工程投资47.77亿元。,(3) 核电厂: 核电厂的基本能量转化过程: 重核裂变能核蒸汽发生系统热能汽轮机机械能发电机电能 一公斤的U235释放出的能量有81013（焦耳），一吨标准煤释放出的能量有31010 （焦耳），因此，一公斤的U235释放出的能量相当

13、于2667吨标准煤释放出的能量。 以理论计算，每千瓦时煤耗400克，一公斤的铀可发电6250000千瓦时。,一回路系统 把反应堆1用 主管道5与主 泵3、蒸汽发 生器2、稳压 器4连接在一 起，就构成 核电厂一回 路系统，即 核蒸汽供应 系统。,田湾核电站工程,田湾核电站工程是依据中俄两国政府协议,在核能 领域进行的高科技合作项目,是列入我国“九五”计 划的重点工程之一。 厂址位于江苏省连 云港市连云区田湾， 厂区按4台百万千瓦 级核电机组规划， 并留有再建2至4台 的余地。一期建设 2台单机容量106万 千瓦压水堆核电机组。,（4）风力发电厂,风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转

14、体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。,风力发电机因风量不稳定，故其输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。,风力发电机将风轮传来的机械能利用电磁感应原理转换成电 能，分为异步发电机和同步发电机两种，风力发电组中的发电机 一般采用异步发电机。异步发电机的转速取决

15、于电网的频率，只 能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮箱高速 输出轴转速达到异步电动机同步转速时，机组并入电网，向电网 送电，风速继续增加，发电机转速也略微升高，增加输出功率。 达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在额定功率不再增加。 反之风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能， 处于电动机状态，经过适当延时后应脱离电网。对于定桨距风力 发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机。,1.3.1 电力系统的运行特点与基本要求,1. 电力系统的运行特点 电力不易贮存; 暂态过程十分短暂; 电力和国民经济各部门及人民生活密切 2. 对电力系统的基本要求 为用户提供充足的电能

16、 ; 保证电力系统供电的可靠性; 保证电能的质量;（电压、频率、波形） 保证电力系统运行的经济性; 环境保护问题;,1.3 电力系统的组成和特点,1.3.2 电力系统的电压等级:,为使电力工业和电工制造业的生产标准化、系列化和统一化，世界各国都制定有关于额定电压等级的标准。 我国电力系统的电压等级在西北系统采用330/110/35/10kV。东北地区采用500/220/63/10kV，其它地区采用500/220/110/35/10kV，低压常用0.38kV线电压/0.22kV相电压等级。,运行中最高电压：kV 550 242 121 38.5 11 计算时或运行中经常采用的电压： 525 23

17、0 115 37 10.5 规定的额定电压： 500 220 110 35 10,额定电压,1用电设备 用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。实际上，由于电网中有电压损失，致使各点实际电压偏离额定值。为了保证用电设备的良好运行，国家对各级电网电压的偏差均有严格规定。显然，用电设备应具有比电网电压允许偏差更宽的正常工作电压范围。 2发电机 发电机的额定电压一般比同级电网额定电压高出5%，用于补偿电网上的电压损失。,3变压器 变压器的额定电压分为一次和二次绕组。对于一次绕组，当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷(如工厂降压变压器)，故其额定电压与电网一致，当变压器接于发电机引出端

18、时(如发电厂升压变压器)，则其额定电压应与发电机额定电压相同。对于二次绕组，额定电压是指空载电压，考虑到变压器承载时自身电压损失(按5%计)，变压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高5%，当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失(按5%计)，此时， 二次绕组额定电压应比电网额定电压高10%。,国家电网公司已经启动了特高压电流示范工程的设计工作，具体路线为： 陕北晋东南南阳荆门武汉， 荆门1000kV特高压变电站是该示范工程的第一个建设项目。国家电网公司还将开工第二项特高压交流工程，具体路线为： 淮南皖南浙北上海线。,三个学时,1.3.3 电力网,电力网: 电力网按其供电范围的大小和电压等

19、级高低可分为地方电力网、区域电力网以及超高压远距离输电网络。 (1) 地方电力网:电压不超过110kV,输送距离在几十千米内的电力网，主要指一般城市、工矿区、农村配电网络 。,(2) 区域电力网:电压为120220kV级的电力网，区域电力网输电线路较长，用户类型较多。 (3) 超高压远距离输电网络:由330kV和550kV的远距离输电线路组成，担负着远距离、大容量发电厂的电能输送任务，往往同时联系几个区域电力网形成大型联合系统。,1.3.4 变电所,变电所的任务是汇集电源、升降电压、分配电能。 变电所可分为升压变电所和降压变电所，或分为户外变电所、户内变电所及地下变电所。也可按变电所容量和重要

20、性不同分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。,各级电压送电线路的输送能力,额定电压kV 送电容量MW 送电距离km 10 0.22.0 1020 20 1.05.0 1530 35 2.0一15 2050 60 3.530 30100 110 1050 50150 220 100500 100300 330 200800 200600 500 10001500 150850 750 20002500 500以上,电压和频率,线路额定电压正常运行电压允许变化范围 35kV及以上5%Ue 10kV及以下7%Ue 低压照明及农业用电(+5% -10%)Ue,我国规定的电力系统的额定频率为50HZ

21、大容量系统允许频率偏差0.2 HZ 中小容量系统允许频率偏差0.5 HZ。,频率主要取决于有功功率的平衡 电压主要取决于无功功率的平衡 可通过调频、调压和无功补偿等措施来保证频率和电压的稳定。 电力系统的供电电压（或电流）的波形为严格的正弦形。,电能质量的保证,1.3.5 电力系统负荷,电力系统的负荷与分类 1.电力系统的负荷: 电力系统的负荷指从电力系统中取用功率或电力的各种用电设备。 2. 负荷分类: (1)一级负荷: 指供电突然中断将造成人伤亡，或政治上造成极坏影响，经济上造成重大损失或引起社会混乱的负荷。 (2)二级负荷:指供电突然中断将造成政治上不好影响，经济上较大损失或社会生活的正

22、常规律被打乱的负荷。 (3)三级负荷:指有计划停电时不会造成较大影响的负荷。,1.3.6 电力系统中性点的运行方式,1、电力系统的中性点： 发电机、变压器的中性点，主要指变压器Y形接线的中性点。 2、三相电能系统中性点运行方式 三相电能系统的中性点运行方式的影响： 对地绝缘、内部过电压、继电保护、发电机并列运行的稳定性、对线路附近通信线路的干扰、安全。 发电机中性点运行方式： 不接地、 经避雷器接地, 变压器中性点运行方式有： 中性点不接地（1035kV系统） 中性点经消弧线圈接地（1063kV系统） 中性点直接接地 （110kV以上系统）380/220V低压系统属于安全接地。 有效接地系统（

23、大电流接地系统）， 中性点接地、 中性点经小电阻接地。 非有效接地系统（小电流接地系统）， 中性点不接地、中性点经高阻抗接地、中性点经消弧线圈接地。 区分标准： 若X0/X13，且r0/X11,则为有效接地系统 零序电抗X0、正序电抗X1,3、中性点不接地电力系统,. 中性点不接地电力系统正常工作情况 三相对地电压对称并等于相电压； 三相对地电容电流对称； 中性点与地同电位 ；,2. 若发生一相接地（例C相接地） 接地故障相对地电压降低为零； 非接地故障相电压升高为线电压（ 倍）且相位改变绝缘水平按线电压设计（35KV及以下 ） 中性点对地电压升为相值（方向与故障相电压相反，即-c） 线电压不

24、变三相系统仍然对称（分析）。,接地点电容电流是正常运行时一相对地电容电流的三倍 。,因此，这种情况下应发出预告信号，允许继续运行小时（为了避免由于未接地相对地电压长期升高，引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展为相间短路，造成事故的扩大 ）。,单相接地电容电流计算,对于架空线：IC=UL/350 kV（线电压） km A 对于电缆线：IC=UL/10 kV（线电压） km A,4、中性点经消弧线圈接地系统,当10kV电网接地电流大于30A时，35kV电网接地电流大于10A时，电源中性点应采用经消弧线圈接地的方式，经消弧线圈补偿后，接地点电流较小，将不会发生电弧。 非故障两相对地电压升高为线电压 。 三

25、相电压仍然对称。允许继续运行小时。,图 工频息弧时电弧接地过电压的发弧过程,单相接地电容电流的危害: 中性点不接地的高压电网中，单相接地电容电流的危害主要体现在以下四个方面： （1）弧光接地过电压的危害 当电容电流一旦过大，接地点电弧不能自行熄灭。当出现间歇性电弧接地时，产生弧光接地过电压，这种过电压可达相电压的35倍或更高，它遍布于整个电网中，并且持续时间长，可达几个小时，它不仅击穿电网中的绝缘薄弱环节，而且对整个电网绝缘都有很大的危害。,（2）造成接地点热破坏及接地网电压升高 单相接地电容电流过大，使接地点热效应增大，对电缆等设备造成热破坏，该电流流入大地后由于接地电阻的原因，使整个接地网

26、电压升高，危害人身安全。 （3）交流杂散电流危害 电容电流流入大地后，在大地中形成杂散电流，该电流可能产生火花，引燃瓦斯爆炸等，可能造成雷管先期放炮，并且腐蚀水管、气管等。 （4）接地电弧引起瓦斯煤尘爆炸,5、中性点直接接地系统（1）,中性点直接接地系统发生单相接地短路时： 中性点对地电压不变； 非接地相对地电压不变； 单相短路的短路电流较大，易造成供电中断；,中性点直接接地方式的特点：（1）中性点直接接地系统中发生单相接地时需断开故障设备，中断用户供电，影响供电的可靠性；（2）单相接地短路时短路电流很大，将产生很大的电动力和热效应，可能造成故障范围的扩大和损坏设备。（3）巨大的接地电流将在导

27、线周围产生较强的单项磁场，对附近的通信线路和信号回路产生电磁干扰。（4）中性点直接接地系统中，发生单相接地时，接地相对地电压为零，未接地相对地相电压基本不变，仍接近于相电压。这样，设备和线路对地的绝缘可以按相电压决定，降低造价，电压等级越高，其经济效益越明显。,电力系统三相系统中采用中性点不接地方式的特点： 中性点不接地系统中发生金属性接地时，三相的线电压保持对称且大小不变，因此对电力用户接于线电压的设备的工作无影响，无须立即中断对用户供电，提高了供电的可靠性。 未接地相对地相电压较接地前升高1.732倍，接地相对地相电压为零，为了避免由于未接地相对地电压长期升高，引起绝缘的薄弱环节被击穿，发

28、展为相间短路，造成事故的扩大。所以规程规定中性点不接地系统中发生单相接地时，继续运行时间不得超过2小时。同时单相接地时产生的接地电流将在接地点形成电弧，如接地电流大于30A时形成连续的电弧接地。高温的电弧可能烧毁设备，尤其在电机或电器内部最危险。,特点：供电可靠性低，比较经济； 直接接地 故障时：如发生接地故障，则构成 短路回路，接地相电流很大； 适用范围：110kV以上系统。 特点：供电可靠性高，绝缘费用高； 故障时：如发生接地故障，不必切 不接地 除接地相，但非接地相对 地电压为1.7321倍相电压 适用范围：60kV以下系统,5、中性点直接接地系统（）,我国380/220低压配电系统，也

29、广泛采用中性点直接接地的三相四线制。,接地和接零,1、文字代号的含义 (1)第一个字母表示电力系统的对地关系 T直接接地 I所有带电部分与地绝缘，或一点经阻抗接地。 (2)第二个字母表示装置的外露可导电部分的对地关系 T外露可导电部分对地直接做电气连接此接地 点与电力系统的接地点无直接关系； N外露可导电部分通过保护线PE与电力系统的接 地点直接做电气连接。 在TN系统中，为了表示中性导体和保护导体的组合 关系， 有时在TN代号后面还附加以下字母： s 中性线N和保护线PE是分开的； c 中性线N和保护线PE是合一的。,分类 (1)TN系统 电力系统有一点直接接地， 电气装置的外露可导电部分通

30、过保护线PE与该 接地点相连接。 TN系统可分为： 1)TNS系统。整个系统的中性钱N与保护 线PE是分开的，通常称之为三相五线制系统。,2)TNC系统。整个系统的中性线N与保护线PE是合一的，即PEN线，通常称之为三相四线制系统。,3)TNCS系统。系统中有一部分线路的中性线与保护线合一；另一部分中性线与保护线是分开的供电系统。,(2)TT系统 电力系统有一点直接接地，电气设备的外露可导电部分通过保护接地线PE接至与电力系统接地点无关的接地极。,(3)IT系统 电力系统与大地间不直接连接，电气装置的外露可导电部分通过保护接地线PE与接地体连接。,电力系统中性点的运行方式应用范围,110kV及以上直接接地 2060kV I10A中性点经消弧线圈 310kV I30A中性点经消弧线圈供电,1kV及以下直接接地,习题与思考题,1-1 什么是发电厂、变电站、电力系统及电力网？ 1-2 电力系统有哪些优越性？电力系统运行要满足哪些基本要求？ 1-3 电能质量的主要指标是什么？ 1-4 什么是一次设备和二次设备？它们各包含哪些内容？ 1-5 电力系统的电源中性点有哪几种运行方式？什么叫小电流接地系统和大电流接地系统？ 1-6 在系统发生单相接地故障时，小电流接地系统和大电流接地系