1 《发电厂及变电站电气设备》绪论

普通高等教育“十二五”规划教材高等职业教育电气类专业系列教材1主编：李家坤朱华杰主审：陈光会1绪论发电厂及变电站电气设备FADIANCHANGJIBIANDIANZHANDIANQISHEBEIwww.techbook.com.cn21.1电力工业发展概况及前景11.2电力系统基本概念21.3电气设备概述31.4电气设备的额定参数41绪论目录www.techbook.com.cn3【知识目标】1．了解世界电力和我国电力工业的发展概况及发展前景；2．理解电力系统、电力网和动力系统的定义；3．了解发电厂及变电站的基本型式；4．了解电气设备的分类、概念；掌握电气一次设备的额定参数。【能力目标】1．能够解释电力系统、电力网和动力系统的定义；2．能够区别电气设备的分类和用途；3．能够确定电气设备的额定电压。1绪论www.techbook.com.cn4电能可以方便地转换为其它形式的能量（如光能、热能、机械能等）；电能可以大规模生产，远距离输送和分配；电能易于调节、操作和控制；电能的使用十分方便和经济，在终端使用时是最清洁的能源。电能已成为现代社会使用最广、需求增长最快的能源，在技术进步和社会经济发展中起着极其重要的作用。电力工业是国民经济的一项基础工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能、太阳能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，电力工业是国民经济发展的先行产业，其发展水平是反映一个国家经济发达程度的重要标志。1绪论www.techbook.com.cn51.1电力工业发展概况及前景1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn61875年，世界上最早的发电厂——巴黎北火车站电厂建成，用于照明供电；1878年，法国建成第一座水电厂；1879年，美国旧金山实验电厂开始发电，成为世界上最早出售电力的电厂；1882年，法国开始进行远距离高压直流输电，同时，英国、日本、俄罗斯也相继修建了发电厂。1.1.1电力工业发展概况1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn7自1882年建立第一个火电厂起，中国电力工业至今已经走过100多年的发展历程。新中国成立之前，我国电力工业的发展十分缓慢。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，60多年来全国总装机容量仅增至185万kW，居世界第二十一位；年发电量43亿kW*h，居世界第二十五位；110kV电压等级的电力系统仅东北两个，总容量不超过72万kW。这一时期的发电厂大部分集中在东北和沿海城市，且设备陈旧，效率低，安全可靠性很差。1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn8新中国的建立为电力工业的发展创造了有利条件，电力生产和建设发展迅速。1950至1978年期间，国产10万、12.5万、20万、30万kW汽轮发电机组和国产15万、22.5万、30万kW水轮发电机组相继制成并投产。1960年，全国发电装机容量突破1000万kW，居世界第九位。至1978年底，全国发电装机容量达到5712万kW，年发电量达到2566亿kWh，居世界第七位。与此同时，东北、京津唐、华中、华东电网形成了220kV主干网架。1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn91978年改革开放后，我国电力工业持续以年均10％以上的速度发展，取得了举世瞩目的成就。1987年，全国发电装机容量突破1×104万kW，居世界第五位；1995年3月，全国发电装机容量达到2×104万kW，居世界第四位；1996年，全国发电装机容量达到2.37×104万kW，发电装机容量和发电量跃居世界第二位，到2000年3月，全国发电装机容量又跨上3×104万kW的新台阶，长期严重缺电的状况得到相对缓解，基本上适应了国民经济和社会发展的需要。2005年，全国发电装机容量突破5×104万kW；1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn102006年，全国发电装机容量达到6.22×104万kW；2008年底达7.9×104万kW，年发电量达34334亿千瓦时；2009年底，全国发电装机容量达到8.7×104万kW，其中火电达到65205万kW，水电装机达到19679万kW。发电装机容量和年发电量跃居世界第二位，我国已成为世界电力大国。1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn11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，2009年建成的长江三峡工程是世界上最大的电站，总装机容量为18200MW，是曾经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等。目前水电总装机容量跃居世界第一。1994年，浙江秦山核电厂一期30万kW国产机组和广东大亚湾核电厂（装机容量2×90万kW）的投产运行实现了我国核能发电零的突破。1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn12改革开放以来，我国的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。经过多年建设，除去我国台湾省和港、澳地区外，全国已经形成华北、东北、华东、华中、西北、川渝和南方联营等七个跨省区电网，及山东、福建、海南、乌鲁木齐和拉萨等五个独立的省级电网。在跨省电网和部分独立省网中形成500kV（或330kV）的骨干网架。1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn13我国电力工业发展的基本方针是：优先开发水电，大力发展火电，恰当发展核电，积极发展新能源发电，加强电网发展，重视生态环境保护，提高能源效率，深化体制改革，实现电力、经济、社会、环境统筹协调发展。目前我国电力工业已进人了大机组、大电厂、大电网、超高压、自动化、信息化和水电、火电、核电、新能源发电全面发展的新时期。1.1.2电力工业发展前景1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn14但是，随着我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电力工业的发展仍不能满足整个社会发展的需要；由于我国人口众多，因此在按人口平均用电方面，还远远落后于一些发达国家。我国的电力工业必须持续、稳步地大力发展。展望未来，我们坚信，中国电力工业必将持续、高速地发展，展现更加美好的前景。1.1电力工业发展概况及前景www.techbook.com.cn151.2电力系统基本概念1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn16由发电厂、升压变电站、输电线路、降压变电站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，由各类升压变电站、输电线路、降压变电站组成的电能传输和分配网络称为电力网。动力系统、电力系统、电力网三者的联系与区别如图1.1所示。1.2.1电力系统1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn17图1.1动力系统、电力系统、电力网关系示意图1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn181.2.1.1.发电厂发电厂是电力系统的中心环节，它是把各种天然能源（化学能、水能、原子能等）转换成电能的工厂。按使用能源不同或转换能源特点，发电厂有以下类型：火力发电厂、水力发电厂、核电厂、新能源发电厂等。（1）火力发电厂火力发电厂是把化石燃料（煤、油、天然气、油页岩等）的化学能转换成电能的工厂，简称火电厂。火电厂的原动机大都为汽轮机，也有用燃气轮机、柴油机等作原动机的。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn19火电厂可分为以下几种：凝汽式火电厂、热电厂、燃气轮机发电厂。我国火力发电厂所用的能源主要是煤，且主力电厂是凝汽式火电厂。①凝汽式火电厂凝汽式火电厂生产过程示意图如图1.2所示。整个生产系统可分为三个系统：燃烧系统、汽水系统、电气系统。其生产过程是：煤粉在锅炉炉膛中燃烧，使锅炉中的水加热变成过热蒸汽，经管道送到汽轮机，推动汽轮机旋转，将热能变为机械能。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn20图1.2凝汽式火电厂生产过程示意图1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn21汽轮机带动发电机旋转，再将机械能变为电能。在汽轮机中做过功的蒸汽排人凝汽器，循环水泵打入的循环水将排汽迅速冷却而凝结，由凝结水泵将凝结水送到除氧器中除氧（清除水中的气体，特别是氧气），而后由给水泵重新送回锅炉。由于在凝汽器中大量的热量被循环水带走，因此，凝汽式火电厂的效率较低，只有30％～40％。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn22②热电厂热电厂与凝汽式火电厂不同之处是将汽轮机中一部分做过功的蒸汽从中段抽出来直接供给热用户，或经加热器将水加热后，把热水供给用户。这样，便可减少被循环水带走的热量，提高效率，现代热电厂的效率达60％～70％。为了使热电厂维持较高的效率，一般采用“以热定电”的运行方式，即当热力负荷增加时，热电机组相应地多发电，当热力负荷减少时，热电机组相应地少发电。因而，其运行方式不如凝汽式发电厂灵活。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn23③燃气轮机发电厂用燃气轮机或燃气-蒸汽联合循环中的燃气轮机和汽轮机驱动发电机的发电厂，称为燃气轮机发电厂。前者一般用作电力系统的调峰机组，后者则用来带中间负荷和基本负荷。这类发电厂可燃用液体燃料或气体燃料。以天然气为燃料的燃气轮机和联合循环发电，具有效率高、污染物排放低、初期投资少、工期短及易于调节负荷等优点，近年来在北美、欧洲得到迅速发展。目前燃气轮机的单机容量已发展到30万kW。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn24燃气轮机的工作原理与汽轮机相似，不同的是其工质不是蒸汽，而是高温高压气体。空气经压气机压缩增压后送入燃烧室，燃料经燃料泵打入燃烧室。燃烧产生的高温高压气体进入燃气轮机中膨胀做功，推动燃气轮机旋转，带动发电机发电。做过功的尾气经烟囱排出，或分流部分用于制热、制冷。这种单纯用燃气轮机驱动发电机的发电厂，热效率只有35％～40％。为提高热效率，采用燃气-蒸汽联合循环系统，燃气轮机的排气进入余热锅炉，加热其中的给水并产生高温高压蒸汽，送到汽轮机中去做功，带动发电机再次发电。联合循环系统的热效率可达56～85％。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn25（2）水力发电厂水力发电厂简称水电厂，也称水电站，是把水的位能和动能转换成电能的工厂。水电厂的原动机为水轮机，通过水轮机将水能转换为机械能，再由水轮机带动发电机将机械能转换为电能。因为水的能量与其流量和落差成正比，所以利用水能发电的关键是集中大量的水和造成大的水位落差。我国是世界上水能资源最丰富的国家，蕴藏量为6.76亿kW。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn26水电厂（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，水电厂一般分为堤坝式、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。这里主要介绍堤坝式水电厂、引水式水电厂、抽水蓄能水电厂。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn27①堤坝式水电厂在河流上的适当地方建筑拦河坝，形成水库，抬高上游水位，使坝的上、下游形成大的水位差，这种水电厂称为堤坝式水电厂。堤坝式水电厂适宜建在河道坡降较缓且流量较大的河段。这类水电厂按厂房与坝的相对位置又分为坝后式水电厂和河床式水电厂。1.2电力系统基本概念www.techbook.com.cn28坝后式水电厂断面图如图1.3所示。其厂房建在拦河坝非溢流坝段的后面（下游侧），不承受水的压力，压力管道通过坝体，适用于高中水头。这是我国最常见的水电厂型式。河床