发电厂电气部分第二章发电、变电和输电的电气部分

发电厂变电所电气主系统1发电厂变电所电气设备《发电厂电气部分》课题组电力工程学院电气工程系第二章发电、变电和输电的电气部分发电厂变电所电气主系统2第一节概述一、电气设备(一）一次设备通常把生产、变换、输送、分配和使用电能的设备，如发电机、变压器和断路器等称为一次设备。它们包括：（1）生产和转换电能的设备。（2）接通或断开电路的开关电器。第二章发电、变电和输电的电气部分发电厂变电所电气主系统3（3）限制故障电流和防御过电压的保护电器。（4）载流导体。（5）互感器，包括电压互感器和电流互感器。（6）无功补偿设备。（7）接地装置。第一节概述发电厂变电所电气主系统4对一次设备和系统的运行状态进行测量、控制、监视和起保护作用的设备，称为二次设备。（1）测量表计，如电压表、电流表、频率表、功率表和电能表等，用于测量电路中的电气参数。（2）继电保护、自动装置及远动装置。（3）直流电源设备，包括直流发电机组、蓄电池组和整流装置等。（4）操作电器、信号设备及控制电缆。（二）二次设备第一节概述发电厂变电所电气主系统5一次电路：由一次设备，例如发电机、变压器、断路器等，按预期生产流程所连成的电路，称为一次电路，或称电气主接线；二次电路：由二次设备所连成的电路称为二次电路，或称二次接线。图2-1是具有两种电压（发电机电压及升高电压）大容量发电厂的电气主接线图。二、电气接线和装置(一）电气接线在发电厂和变电站中，根据各种电气设备的作用及要求，按一定的方式用导体连接起来所形成的电路称为电气接线。第一节概述发电厂变电所电气主系统6图2-1火电厂的电气主接线图第一节概述发电厂变电所电气主系统7（二）配电装置配电装置按电气设备装设地点不同，可分为屋内配电装置和屋外配电装置。图2-1中，由断路器QF1和QF2，隔离开关QS1~QS4，母线W1~W3，电抗器L1和L2以及馈线WL1和WL2等，构成的配电装置，布置在屋内，称为屋内配电装置，又称发电机电压配电装置；而由断路器QF3~QF5，相应的隔离开关，母线W4和W5以及出线WL3和WL4等，构成的配电装置，称为屋外配电装置，又称高压配电装置。第一节概述发电厂变电所电气主系统8一、300MW发电机组电气部分（一）电气主接线300MW发电机组，采用发电机－变压器单元接线，如图2-2所示。变压器高压侧，经引线接入220kV系统。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统9图2-2300MW发电机组电气主接线图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—中性点接地变压器第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统10由图2-2可看出，300MW发电机组电气主接线具有下述特点：（1）发电机与主变压器的连接采用发电机－变压器单元接线，无发电机出口断路器和隔离开关。（2）在主变压器低压侧引接一台高压厂用变压器，供给厂用电。（3）在发电机出口侧，通过高压熔断器接有三组电压互感器和一组避雷器。（4）在发电机出口侧和中性点侧，每相装有电流互感器4只。（5）发电机中性点接有中性点接地变压器。（6）高压厂用变压器高压侧，每相装有电流互感器4只。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统11发电机和主变压器之间的连接母线及厂用分支母线均采用全连离相封闭母线。其具有以下优点：（1）供电可靠。（2）运行安全。（3）基本消除了母线周围钢构件的发热。（4）施工安装简便，运行维护工作量小。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统12（二）主要电气设备（1）发电机。（5）高压熔断器。（2）主变压器。（6）电流互感器。（3）高压厂用变压器。（7）发电不均衡。（4）电压互感器。（8）中性点接地变压器。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统13二、600MW发电机组电气部分(一）电气主接线图2-3600MW发电机组电气主接线图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—高压避雷器第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统14由图2-3可看出，600MW发电机组电气主接线具有下述特点：（1）发电机与主变压器的连接采用发电机－变压器单元接线，发电机和主变压器之间没有断路器和隔离开关。（2）主变压器采用三相双绕组变压器，低压侧绕组接成三角形，高压侧绕组接成星形。变压器高压侧中性点接地方式为直接接地。（3）在主变压器低压侧引接一台高压厂用变压器和一台高压公用变压器，供给厂用电。（4）在发电机出口侧，通过高压熔断器接有三组电压互感器和一组避雷器。（5）在发电机出口侧和中性点侧，每相装有电流互感器4只。（6）发电机中性点接有中性点接地变压器。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统15（7）高压厂用变压器高压侧，每相配置套管式电流互感器3只。（8）主变压器高压侧每相各配置套管式电流互感器3只，中性点配置电流互感器1只（二）主要电气设备（1）发电机。（5）电流互感器。（2）主变压器。（6）中性点接地变压器。（3）高压厂用变压器。（7）高压熔断器。（4）电压互感器。（8）避雷器。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统16三、1000MW发电机组电气部分（一）电气主接线1000MW发电机组，采用发电机－变压器单元接线，如图2-4所示。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。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统17图2-41000MW发电机组电气主接线图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—电压互感器第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统18由图2-4可看出，1000MW发电机组电气主接线具有下述特点：（1）发电机与主变压器的连接采用发电机－变压器单元接线，发电机和主变压器之间没有断路器和隔离开关，但在主母线上设有可拆连接点。（2）发电机出口主封闭母线上有接地刀闸，母线接地刀闸能承受主回路动、热稳定的要求。接地刀闸附近有观察接地刀闸位置的窥视孔。（3）主变压器采用三台单相双绕组油浸式变压器，低压侧绕组接成三角形，高压侧绕组接成星形。变压器高压侧中性点接地方式为直接接地。（4）在主变压器低压侧引接两台容量相同的高压厂用变压器，供给厂用电。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统19（5）在发电机出口主封闭母线有短路试验装置，主回路T接引至电压互感器柜，通过高压熔断器接有三组三相电压互感器和一组避雷器。（6）在发电机出口侧和中性点侧，每相装有套管式电流互感器4只。（7）发电机中性点经隔离开关接有中性点接地变压器。（8）高压厂用变压器高压侧，每相配置套管式电流互感器3只。（9）主变压器高压侧每相各配置套管式电流互感器4只，中性点配置电流互感器2只。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统20（二）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）中性点接地变压器。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统21（三）超超临界发电机组的特点与问题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。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统22（一）数字化发电厂概念四、数字化发电厂数字化发电厂是采用数字方式映射的物理电厂，把庞大的发电厂通过数字0、1精确地表示在电脑的桌面上。也就是说，从电厂前期可行性研究、设计、基建开始，到生产运营、企业管理的全过程，全部采用数字描述和数字化存储。（二）数字化发电厂模式数字化发电厂的模式有以下5种：（1）基于上层网络模式（信息网络）。（2）基于下层网络模式（FCS网络）。（3）基于控制网络模式（DCS网络）。（4）上中下网络合一模式（3层网络）。（5）数字化发电厂5层网络模型。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统235层网络模型组成的数字化发电厂：（1）一次设备层。（2）DCS层：控制系统。本层为二次系统层。（3）SIS层：优化增值。（4）MIS层：高端信息。（5）Internet层：网络媒体。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统24（三）实现数字化发电厂的核心技术（1）采用成熟的FCS数字化仪表或装置。（2）发电厂“炉、机、电、辅”DCS一体化控制和数字化升压站NCS。（3）数字化CCTV（工业）网络图像监视技术。（4）厂级运营优化增值服务技术。（5）信息层面的数字化高端应用。（6）系统工程、软件技术、流程技术和先进的计算机辅助设计（CAD）、三维技术（3D）等其它技术。第二节发电厂的电气部分发电厂变电所电气主系统25一、高压交流输变电概述影响输电电压等级的发展主要有以下原因：由于大容量发电厂的建设地点远离负荷中心，如果采用低压输电，势必造成输送功率的巨大浪费和电能质量的下降，因此，提高输电电压等级就成为必然的选择。不同电压等级的输送功率和输送距离的关系如表2-1所示。（一）长距离输送电能第三节高压交流输变电发电厂变电所电气主系统26电压等级（kV）输送功率（MW）输送距离（km）电压等级（kV）输送功率（MW）输送距离（km）100.2~220~6330200~800600~200352~1050~205001000~1500850~15011010~50150~507502000~2500500以上220100~500300~10010004000~5000500以上表2-1不同电压等级的输送功率和输送距离随着电力系统发电容量的增大，特别是大型坑口电站和核电站的投产，虽然输电距离不长，但输送容量很大，也需要采用较高的电压等级。（二）大容量输送电能第三节高压交流输变电发电厂变电所电气主系统27电压等级（kV）导线截面（mm2）输送容量（MW）线损率（%）2201×5702502.753302×2707001.305004×57012000.957504×57025000.70如果以输送每km每kW电力的线路造价作为单位造价，则在各级电压相应的经济输送容量范围内，线路的单位造价将随输送电压等级的升高而降低。在相同的输送容量和距离的条件下，输电线的总损耗（包括电阻损耗和电晕损耗）随输电电压等级的升高而降低。如表2-2所示，750kV线路的线损率约为330kV线路的1/2。表2-2电压等级与线损率的关系（三）节省基建投资和运行费用第三节高压交流输变电发电厂变电所电气主系统28此外，输送相同容量电力的线路走廊的宽度，也随着采用电压等级的升高而降低。走廊用地在线路总造价中所占比重较大（如美国本部地区500kV线路约占15%~30%），为减少走廊占地费用，采用超高压输电也就在所难免。电力系统的发展，必然会打破历史形成的地方电力系统的疆域，逐渐连成大区域或跨区域的联合电力系统。为了增强电网输送能力，提高系统的运行稳定性，大区电网间的连接多采用500kV或750kV超高压电压等级，甚至采用1150kV的特高压电压等级。（四）电力系统互联第三节高压交流输变电发电厂变电所电气主系统29二、500kV输变电系统目前，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2-5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变电站电气主接线第三节高压交流输变电发电厂变电所电气主系统30图2-5500kV变电站电气主接线第三节高压交流输变电发电厂变电所电气