发电厂及变电站电气设备第1章doc.docx
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发电厂及变电站电气设备第1章doc
第1章绪论
教学要求：
了解我国电力工业发展概况：
掌握电力系统的基本概念及发电厂、变电站的常见类型；了解发电厂、变电站常用电气设备；掌握额定电压的确定方法。
1.1电力工业发展概况及前景
电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行产业,它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门的快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发达程序的重要标志。
中国电力工业从1982年有电以来，至今已经走过100多年的发展历程。
建国前的67年间，民不聊生，百废待兴，电力工业的发展步履蹒跚，发展缓慢。
从1882年在上海建立第一个火电厂，1912年在昆明滇池石龙坝建立第一座水电站开始，至1949年全国解放，多年来全国总装机容量仅增至185kw，年发电量43亿kw．h，居世界第25位；110kV电压等级的电力系统仅东北有两个，总容量不超过72kW。
发电厂大部分集中在东北和沿海城市，设备陈旧，类型庞杂，规格极不统一，效率低，安全可靠性很差。
新中国成立后，人民扬眉吐气、经济蒸蒸日上，电力工业大步前进，快速发展。
到1978年，在不到30年的时间里，全国发电装机容量达到5712万kw，年发电量达到2566亿kwh，分别比1949年增长了29.9倍和58.7倍，装机容量和发电量分别跃居世界第8位和第7位。
电网也初具规模，建成了330kv和220kv输电线路535km和22672km。
改革开放之后电力工业加快了发展的步伐，1987年全国发电装机容量实现了历史性的突破，达到了1亿kw，此后，电力工业连续每年新投产发电机组都超过1000万kw，从1987年后仅用7年的时间到1995年3月，全国发电装机容量翻了一番，跨上了2亿kw的台阶，1995年后又仅用5年的时间到2000年，全国发电装机容量又跨上了3亿kw的台阶。
这期间，我国发电装机容量和发电量先后跃过法国、英国、加拿大、德国、俄罗斯和日本等发达国家和经济大国，于1996年底跃居世界第2位，仅次于美国。
截止2001年底，全国发电装机容量和发电量分别达到3.3861亿kw和14839亿kwh（不含台湾和港澳地区）,成为一个世界电力大国。
从1988年至2001年这十多年间,我国电力工业得到了飞速的发展,大区联网和西电东送联网建设不断加强，相应的城乡电网也得到了改造和加强，到2001年底，我国220kv及以上线路达到17.66万km，变电容量达到4.73亿kvA。
针对我国能源结构的实际情况，我国的电源发展实施了“优先开发水电，大力发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的方针，使电源发展呈现多种能源互补的格局。
到2001年底，全国水电装机达到8301万kw，火电达到25314万kw，核电达到210万kw，风力和新能源发电达到37万kw。
在水电方面，我国取得了骄人的成绩，有许多世界之最，1994年12月开工建设的长江三峡工程是世界上最大的电站，总装机容量为18200MW,是目前世界上最大的巴西伊泰普水电站的1.4倍；已建成的装机容量为240万kw的广州抽水蓄能电站是世界最大的抽水蓄能电站；西藏的羊卓雍湖水电站是世界上海拔最高的电站。
目前，我国电力工业已开始进入“大机组”、“大电网”、“超高压”、“高自动化”的发展新阶段，科技水平不断提高,调度自动化、光纤通信、计算机控制等高新技术，已在电力系统中得到了广泛应用。
现在,我国已经掌握了先进的30万kw，50万kw和超临界60万kw火电机组、100万kw级核电机组和500kV交直流输变电工程的设计、施工、调试和运行技术，掌握了180m级的各类大坝的筑坝技术，大型电站的设计，施工技术；各大电网的计算机监控调度系统进入实用化阶段，电网运行和调度实现了自动化，现代化。
展望21世纪的中国电力，我们坚信：
中国电力工业必将展现更加美好的前景，中国一定能够成为世界电力强国。
1.2电力系统基本概念
1.2.1电力系统
为了提高供电的可靠性和经济性，目前广泛地将分散于各地区的众多发电厂用电力网连接起来并联工作，以期实现大容量、远距离的输送，将电能输送到远方的电力负荷中心。
这些由发电厂、升压变电所、输电线路、降压变电所及电力用户所组成的统一整体，称为电力系统。
电力系统加上带动发电机转动的动力装置构成的整体称为动力系统。
其中，由各类升压变电所、输电线路、降压变电所组成的电能传输和分配的网络称为电力网。
动力系统、电力系统和电力网三者的联系与区别如图1-1所示。
图1-1电力系统及动力系统示意图
1.2.1.1发电厂
发电厂是电力系统的中心环节，它是把其他形式的一次能源转变成二次能源的一种特殊工厂。
按其所用能源划分主要有火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电站、潮汐发电站等，此外还有地热发电、太阳能发电、垃圾发电和沼气发电等。
按发电厂的规模和供电范围又可分为区域性发电厂、地方发电厂和自备专用发电厂等。
（1）火力发电厂。
火力发电厂是利用煤、石油、天然气或油页岩等燃料的化学能生产电能的工厂。
火力发电厂中的原动机可以是凝汽式汽轮机、燃汽轮机或内燃机，我国大部分火力发电厂采用凝汽式汽轮发电机组，称为凝汽式火力发电厂。
图1-2为凝汽式火力发电厂生产过程示意图，具体过程如下：
首先通过燃烧将燃料的化学能转变为热能，加热锅炉中的水使之变成高温高压蒸汽，过热蒸汽经主蒸汽管进入汽轮机，推动汽轮机的转子旋转，将热能转换为机械能，汽轮机带动联轴的发电机旋转发电，将机械能转换为电能。
在汽轮机内作完功的蒸汽经凝汽器放出汽化热而凝结成水后，再送回锅炉，如此重复，循环使用。
由于凝汽式发电厂运行时需要将作过功的蒸汽经凝汽器凝结成水，这样大量的热量被循环水带走，所以热效率较低，只有30%~40%，宜建在燃料产地。
为了减少循环水带走的热量以提高火力发电厂的热效率，可将部分作过功的蒸汽从汽轮机中段抽出直接供给热用户，这种既发电又供热的火力发电厂称为热电厂，其效率可上升到60%~70%，一般建在大城市及工业区附近。
图1-2凝气式火力发电厂生产过程示意图
（2）水力发电厂。
水力发电厂（通常称水电站）是利用江河水流的水能生产电能的工厂。
它的基本生产过程是：
从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速冲动水轮机旋转，将水能转变为机械能，然后水轮机带动发电机旋转，将机械能转变为电能。
水电站的装机容量与水头、流量及水库容积有关。
按集中落差的方式，水电站一般分为堤坝式、引水式和混合式三种；按主厂房的位置和结构又可分为坝后式、坝内式、河床式、地下式等数种；按运行方式则分为有调节水电站、无调节（径流式）水电站和抽水蓄能电站。
抽水蓄能电站是一种特殊形式的水力发电厂，由高落差的上下水库和水轮机-发电机-抽水机的可逆机组构成，可实现对电能的调节，利用夜间用电低谷时或丰水期的剩余电力，将下水库的水抽回到上水库内储存能量，此时机组按电动机-水泵的方式工作，待峰荷或枯水时，上水库放水释放能量发电，此时机组按水轮机-发电机的方式工作。
抽水蓄能电站可以作为调频、调相和作为系统的备用容量，一般可与发电出力稳定的核电厂配合使用。
（3）核电厂。
核电厂是利用核能发电的工厂，其发电过程与火力发电过程相似，不同的是以核反应堆和蒸汽发生器代替了锅炉设备，如图1-3所示。
在核反应堆中，铀在慢中子的撞击下产生链式反应，使原子核分裂，放出巨大的能量，核能转变为热能后将水变为高温高压蒸汽，进入蒸汽发生器内推动汽轮发电机组发电。
核电厂能取得较大的经济效益，所需原料极少，如一个百万千瓦电厂，火力发电厂一年约需300万吨燃料，而核电厂仅需30吨燃料。
目前世界上已投入运行的有200多座，预计今后核电站将成为主要电源之一.
除以上三种主要能源的利用外，其他各种形式的一次能源也都逐步得到了利用，如风力发电、地热发电、潮汐发电、太阳能发电、沼气发电等，生物发电、海水的波浪发电，特别是卫星电站正在开发之中。
图1-3核电厂生产过程示意图
1.2.1.2变电站
变电站是汇集电源、升降电压和分配电力的场所，是联系发电厂和用户的中间环节。
变电站有升压和降压之分。
升压变电站通常是发电厂升压站部分，紧靠发电厂。
降压变电所通常运离发电厂而靠近负荷中心。
根据变电站在电力系统中所处的地位和作用，可分为：
（1）枢纽变电站。
枢纽变电站位于电力系统的枢纽点，电压等级一般为330KV及以上，联系多个电源，出线回路多，变电容量大；全站停电后将造成大面积停电，或系统瓦解，枢纽变电站对电力系统运行的稳定和可靠性起着重要作用。
（2）中间变电站。
中间变电站位于系统主干环线或系统主要干线的接口处，电压等级一般为330KV~220KV，汇集2~3个电源和若干线路，高压侧以穿越功率为主，同时降压向地区用户供电。
全站停电后将引起区域电网的解列。
（3）地区变电站。
地区变电站是一个地区和一个中、小城市的主要变电站，电压等级一般为220KV~110KV，全站停电后将造成该地区或城市供电的紊乱。
（4）企业变电站。
企业变电站是大、中型企业的专用变电站，电压等级一般为35KV~220KV，1~2回进线。
（5）终端变电站。
终端变电站位于配电线路的终端，接近处，高压侧10~110KV引入线，经降压后向用户供电。
1.2.1.3电力网
电力网是由变电站和不同电压等级的输电线路所组成，其作用是输送、控制和分配电能。
按供电范围、输送功率和电压等级分为地方电力网和区域电力网。
地方电力网一般电压等级为110kV及以下。
区域电力网则为110kV以上，供电范围广，输送功率大。
10kV及以下的电力网一般称为配电网。
电力网按结构特征又分开式和闭式电力网两种。
凡用户只能从单方向得到供电的叫开式电力网；用户可从两个或两个以上方向得到供电的叫闭式电力网。
按电压等级电力网分为低压（1kV及以下）、高压（1~330kV）、超高压（330~1000kV）和特高压（1000kV以上）几种。
1.2.2电力系统的优越性
把分散于各地区的发电厂通过电力网与分散在各负荷中心的用户连接起来形成电力系统后，使发电、供电和用电成为一个整体，在技术和经济上具有一系列的优点：
（1）提高了电力网运行的可靠性
系统中一个发电厂发生故障时，其它发电厂照样可以向用户供电；一条输电线路发生故障时，用户还可以从系统中的不同部分取得电源。
因而具有合理结构的电力系统的可靠性大为增高。
（2）提高了供电的稳定性
电力系统容量较大，个别大负荷的变动即使有较大的冲击，也不会造成电压和频率的明显变化。
小容量电力系统或孤立运行电站则不同，较大的冲击负荷很容易引起电网电压和频率的较大波动，影响电能的质量。
严重的甚至将系统冲垮，即系统或机组间解裂，造成整体供电中断。
（3）提高了发电的经济性
联成和扩大电力系统可合理利用资源，提高经济效益。
如果没有电力系统，很多能源会变得难以充分利用，如在电力系统中可实现水电和火电之间的相互调济：
丰水期可多发水电，少发水电，少发火电，节约燃料；枯水期则多发火电以补充水电。
其它如具有不同调节性能和特性的水电站之间，以及风力、潮汐、太阳能和核电站等，只有与较大的系统相接，才能相互配合，实现经济调度，达到合理利用资源，提高经济效益的目的。
联成和扩大电力系统可提高发电的平均效率和其他经济指标。
只有在大的电力系统内才能采用大容量的机组，从而获得较高的发电效率，较低的相对投资和较低的运行维护费用。
此外，在电力系统内，在各发电厂之间可以合理地分配负荷，可以让效率高的机组多发电，在提高平均发电效率上实现经济调度。
联成和扩大电力系统可减小总装机容量。
电力系统中的综合最大负荷常小于各发电厂单独供电时各片最大负荷的总和。
这是因为不同地区间负荷性质的差别、负荷的东西时差和南北季差等，有利于错开各地区的高峰负荷，导致减小系统中的综合最大负荷，从而减小了总工作容量。
每座孤立运行电站至少要有一台备用机组，以备工作机组检修或故障时投入运行，保障继续供电。
在电力系统中，各发电厂的机组之间可以相互备用，还可以错开检修时间，故系统的备用容量只需系统总容量的10%~15%，远小于各发电厂孤立运行时单站的备用容量之和。
系统总装机容量（等于工作容量加备用容量）的减小，降低了电站的综合投资和电能生产费用。
1.2.3电力系统运行的特点及运行要求
由于电能的生产、输送和使用本身所固有的特点，以及连接成电力系统后出现的新问题，决定了电力系统的运行与其他工业生产过程相比具有许多不同的特点：
1.电能难以储存，电能的生产、分配、输送、再分配直至使用必须在同一时刻完成，即在任一时刻，在系统中必须保持电能的生产、输送和使用处于一种动态的平衡状态。
如果在系统运行中发生了供电与用电的不平衡，系统运行的稳定性就会遭到破坏，甚至发生事故，使电力系统及国民经济造成严重损失。
2.正常输电过程和故障过程都非常迅速。
由于电能是以电磁波的形式传播的，其传播速度为光速（300000KM/S），因此不论是正常输电过程还是发生故障过程都非常迅速，这就要求有一系列能对系统进行灵敏而迅速的监测、控制和保护的装置，将操作或故障引起的系统变化限制在尽可能小的范围之内。
3.电力系统的地区性特点较强，组成情况不尽相同，因此在系统规划设计与运行管理时应从实际出发，针对各个系统的特点来分别进行。
4.电能生产与国民经济、人民生活的关系密切，电能供应的中断或不足，不仅将直接影响生产，造成人民生活秩序的紊乱，在某些情况下，甚至会酿成极其严重的社会性灾难。
基于上述特点，对电力系统运行有下列基本要求：
1）.保证供电的安全可靠性
保证供电的安全可靠性是对电力系统运行的基本要求。
所谓电力系统的可靠性是指确保用户能够随时得到供电。
这就要求从发电到输电以及配电，每个环节都必须保证安全可靠，不发生故障，以保证连续不断地为用户提供电能。
为此，要保证电力系统中各元件的质量，及时搞好设备的正常维护及定期的检修与试验，加强和完善各项安全技术措施，提高电力系统的运行和管理水平，杜绝可能发生的直接或间接的人员责任事故。
目前，要绝对防止事故的产生是不可能的，而各用户对供电可靠性的要求也不一样。
通常按重要性将用户分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类加以区别对待，以保证其相应的供电可靠性。
（1）Ⅰ类用户：
对这类负荷停止供电，会带来人身危险，设备损坏，产生大量废品，长期破坏生产秩序，给国民经济带来巨大的损失或造成重大的政治影响。
对Ⅰ类用户通常应设置两路以上相互独立的电源供电，其中每一路电源的容量均应保证在此电源单独供电的情况下就能满足用户的用电要求，确保当任何一路电源发生故障或检修时，都不会中断对用户的供电。
即Ⅰ类用户要求有很高的供电可靠性。
（2）Ⅱ类用户：
对这类负荷停止供电，会造成大量减产，城市公用事业和人民生活受到影响等。
对Ⅱ类用户应设置专用供电线路，条件许可时也可采用双回路供电，并在电力供应出现不足时优先保证其电力供应。
（3）Ⅲ类用户：
一般是指短时停电不会造成严重后果的用户，如工厂附属车间、小城镇、小加工厂等。
当系统发生事故，出现供电不足的情况时，应首先切除Ⅲ类用户的用电负荷，以保证Ⅰ、Ⅱ类用户的用电。
2）.保证电能的良好质量
衡量电能质量的指标是频率、电压和波形，当系统的频率、电压和波形不符合电气设备的额定值要求时，往往会影响设备的正常工作，造成振动、损耗增加，使设备的绝缘加速老化甚至损坏，危及设备和人身安全，影响用户的产品质量等。
因此要求系统所提供电能的频率、电压和波形必须符合起其额定值的规定。
我国规定的电力系统的额定频率为50HZ，大容量系统允许频率偏差±0.2HZ，中小容量系统允许频率偏差±0.5HZ。
电压的允许变化范围见表1-4。
电力系统的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。
通常，要求电力系统的供电电压（或电流）的波形为严格的正弦形，发电机和变压器的设计制造部门已考虑了这一要求，但在电能输送和分配过程中也要不使波形发生畸变，应注意避免或消除电力系统中可能出现的其他谐波源（如整流装置，输电线路的电晕等）。
表1-4电压的允许变化范围
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
3）.保证足够的发电功率和发电量
根据电力对国民经济的强烈制约作用，电力必须先行，最大限度地满足用户的用电需要，为国民经济的各个部门提供充足的电力。
故电力系统要超前搞好规划设计，不断增加投入；同时也要充分挖掘设备潜力，最大限度地向用户提供需要的电力。
4）.保证电力系统运行的稳定性。
电力系统在运行过程中不可避免地会发生短路事故，如果电力系统的稳定性较差时，局部事故的干扰有可能导致整个系统的全面瓦解，而且需要长时间才能恢复，严重时会造成大面积、长时间停电。
因此，必须保证电力系统运行的稳定性，做到合理地配置系统参数，自动装置灵敏可靠，合理调度，快速果断地处理事故。
5）.保证电力系统运行的经济性
要使电能在生产、输送和分配过程中效率高、损耗小、成本低，必须降低一次能源消耗率、厂用电率和线损率，使这三个指标达到最小。
电能成本的降低不仅节省了能源，还将有助于用户生产成本的降低，因而给整个国民经济带来效益。
要实现经济运行，除进行合理规划设计之外，还须对整个系统实施最佳经济调度。
综上所述：
保证对用户不间断地供给充足、优质而又经济的电力，是电力系统的基本任务。
1.3电气设备概述及额定参数
1.3.1主要电气设备
根据发电厂和变电站电能的生产、变压、输送、分配和使用的安全、优质、可靠以及经济运行的要求，主要有下列电气设备：
1．一次设备
直接参与生产、输送和分配电能的电气设备称为一次设备，它通常包括以下五类。
（1）能量转换设备
发电机、变压器、电动机等属此类。
其中的发电机和主变压器是电站的心脏，简称主机主变。
（2）开关设备
这类电器用于电路的接通和开断。
当电路中通过电流、尤其通进很大的短路电流时，要开断电路很不容易，需要具备足够的灭弧能力。
按作用及结构特点，开关电器又分为以下几种：
断路器——不仅能接通和开断正常的负荷电流，也能关合和开断短路电流。
它是作用最重要、构造最复杂、功能最完善的开关电器。
熔断器——不能接通和开断负荷电流，它被设置在电路中专用于开断故障短路电流，切除故障回路。
负荷开关——允许带负荷接通和开断电路，但其灭弧能力有限，不足以开断短路电流。
将负荷开关和熔断器串联在电路中便大体上相当于断路器的功能。
隔离开关——主要用于设备或电路检修时隔离电源，造成一个可见的、足够的空气间距。
断路器和熔断器都能在其电路故障时开断一定的短路电流以切除故障电路，故称为保护电器。
断路器和负荷开关能接通和开断一定的负荷电流，称为操作电器。
隔离开关因没有灭弧能力，不能开断负荷电流。
若在负荷电流下错误地切开隔离开关，叫做带负荷拉闸，会引起电弧短路，是一种严重的误操作，要尽量避免。
（3）载流导体
该类设备有母线、绝缘子和电缆等，用于电气设备或装置间的联接，通过强电流，传递功率。
母线是裸导体，需要用绝缘子支持和绝缘。
电缆是绝缘导体，并具有密封的封包层以保护绝缘层，外面还有铠装或塑料护套以保护封包。
（4）互感器
互感器分为电压互感器和电流互感等，分别将一次侧的高电压或大电流按变比转变为二次侧的低电压或小电流，以供给二次回路的测量仪表和继电器。
（5）电抗器和避雷器
电抗器主要用与限制电路中的短路电流，避雷器则用与限制电气设备的过电压。
2．二次设备
对电气一次设备的工作状况进行监测、控制和保护的辅助性电气设备称为二次设备。
例如各种电气仪表，继电气，自动控制设备，信号及控制电缆等。
二次设备不直接参与电能的生产和分配过程，但对保证主体设备的正常，有序地工作和发挥其运行经济效益，起着十分重要的作用。
一次设备主要用于高电压、强电流回路，二次设备则用在低电压、小电流回路。
但一次设备中的小容量用电设备也多为低电压。
有些设备类别一次和二次都有，例如熔断器、负荷开关、母线、电缆等，名字相同，原理也相近，但实物结构大有差异。
部分低压设备与高压设备属于同一类别，在电路中的作用基本相同，但名字不同，如低压断路器叫自动开关，隔离开关叫闸刀开关。
至于常见的低压胶盖开关、钢壳开关、转换开关、接触器等，都属于负荷开关这一类别，只是某些开关增多了一些功能。
例如有的转换开关可以切换电源；接触器便于远方和自动控制等。
1.3.2电气设备的额定参数
用以表明电气设备在一定条件下的长期工作最佳运行状态的特征量的值叫做额定参数.
各类电气设备的额定参数主要有额定电压、额定电流和额定容量。
1．额定电压
电气设备的额定电压是按长期正常工作时具有最大经济效果所规定的电压。
为使电气设备实现标准化和系列化生产，国家规定了标准电压系列如表1-5所示。
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）
用电设备额定电压与电力网额定电压
发电机
额定电压
变压器额定电压
原边绕组
副边绕组
接电力网
接发电机
0.23
0.22
0.23
0.23
0.40
0.38
0.40
0.40
3
3.15
3
3.15
3.15及3.3
6
6.3
6
6.3
6.3及6.6
10
10.5
10
10.5
10.5及11
35
35
38.5
60
60
66
110
110
121
220
220
242
330
330
363
500
500
550
750
750
825
（1）用电设备和电力网的额定电压
我国用电设备的额定电压与电力网的额定电压是相等的。
但实际中，由于输送电能时在线路和变压器等元件上产生的电压损失，会使线路上各处的电压不相等，使各点的实际电压偏离额定电压，即线路首端的电压将高出额定电压，线路末端的电压将低于额定电压，其电压分布如图1-6。
设发电机在额定电压下运行，供电给电力网ab部分，由于线路有电压损失，负荷1-4点将接受到不同的电压，而且由于负荷是变化的，电力网中各点电压也非恒定不变，实际上电力网各点电压随距离和时间而变，但设备的额定电压不可能按上述变化的电压来制造，设备生产必须标准化。
用电设备的额定电压只能力求接近于实际的工作电压。
一般规定，用电设备的工作电压允许在额定电压的±5%范围内变动，而沿线的电压降一般允许为10%。
因此，若取电力网首端和未端电压的算术平均值，即Ue=（Ua+Ub）/2作为用电设备的额定电压，就能满足上述要求，这个电压也就是电力网额定电压。
图1-6电力网的电压变化
（2）发电机额定电压
发电机总是处于电力网首端，其额定电压比电力网的高5%，即UGe=1.05Ue。
允许线路电压降10%，从而保证用电设备的工作电压均在±5%以内。
发电机的额定电压等级见表1-3所示，其单机容量越大，采用的额定电压越高。
其中6.3kV电压等级广泛应用于容量20000kw以下至500kw甚至更小的中小型发电机。
而3.15kV等级现已很少采用。
（3）变压器额定电压
变压器在电力系统中具有发电机和用电设备的双重性。
变压器的一次绕组是从电网接受电能的，故相当于用电设备；其二次绕组是输出电能，相当于发电机。
因此规定：
变压器一次绕组的额定电压等于用电设备的额定电压。
但是，当变压器的一次绕组直接与发电机的出线端相连时，其一次绕组的额定电压应与发电机额定电压相同，即U1=1.05Ue。
变压器的二次绕组（通常指空载电压）比同级电力网的额
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