第三章电气设备的分类与系统

第三章电气设备的分类与系统3.1发电系统3.2输变电系统3.3配电系统3.4电力系统负荷3.1发电系统一、火电厂一次能源：煤炭、石油、天然气等。能量转换过程：燃料化学能→热能→机械能→电能1、火电厂的分类按燃料分燃煤发电厂燃油发电厂燃气发电厂余热发电厂3.1发电系统按蒸汽压力分中低压发电厂高压发电厂超高压发电厂超临界压力发电厂超超临界压力发电厂按输出能源分凝汽式发电厂热电厂3.1发电系统2、火电厂的生产过程凝汽式火电厂的生产过程示意图3.1发电系统3、火电厂的主要系统燃烧系统：燃料→灰渣，风（空气）→烟气水→蒸汽电气系统：发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变压器等。汽水系统：蒸汽→水、循环水（冷水热水）3.1发电系统布局灵活，容量大小可按需决定；一次性建造投资少、工期短,年利用小时数高；耗煤量大，生产成本高；开、停机时间长，耗能大；需按计划发电；对环境污染大。4、火电厂的特点3.1发电系统江苏谏壁发电厂始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安装10台机组，总容量162.5万千瓦，年发电量在100亿度左右，成为80年代末到90年代初国内最大的火力发电厂。3.1发电系统二、水力发电厂一次能源：江河水流的位能能量转换过程：水的位能→机械能→电能装机容量：1、水电厂的分类根据抬高水位的方式堤坝式水电厂引水式水电厂抽水蓄能式水电厂3.1发电系统2、水电厂的特点水能是可再生资源可综合利用水能资源发电厂成本低，效率高运行灵活水能可储存和调节优点3.1发电系统建设问题：投资大、工期长，存在库区移民、淹没耕地、破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。运行问题：发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大，分丰水期和枯水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。存在问题长江三峡水电站坝长2309m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装机容量1820万kW（26×700MW），年发电量86.5TW·h；库区将淹没耕地36万亩，淹没城镇129座，需安置迁移人口113万；电站于93年起步，首批机组于2003年10月发电，以后每年投产4台机组（280MW），2009年全部机组建成投产。三峡电站发出的强大电力将送往华中、华东地区和广东省。电站将引出15条超高压交流输电线路，其中3条线路通过换流站将交流电转换成直流电后，再通过500kＶ直流输电线路，2条送往华东、1条送往广东。三期导流图三峡大坝模型三峡大坝由多个功能模块组成，从左至右（面向下游）依次为永久船闸、升船机、泄沙通道（临时船闸）、左岸大坝及电站、泄洪坝段、右岸大坝及电站、山体地下电站等。升船机的最大提升高度为113米，供3000吨以下船只通过大坝，用时约40分钟；永久船闸是双线五级船闸，供3000吨以上船只从这里翻过大坝，用时约3.5小时。三峡工程综合效益防洪：三峡水库正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，能有效地控制长江上游洪水，保护长江中下游荆江地区1500万人口、2300万亩土地，是世界上防洪效益最为显著水利工程。发电：三峡水电站装机总容量为1820万kW，年均发电量847亿kW·h。以直线距离1000公里为半径，全国除辽宁、吉林、黑龙江、新疆、西藏、海南、台湾7省区外，其余地区的主要城市和工业基地都在这个范围内。航运：它将改善航运里程660公里，使重庆至宜昌航道通行的船队吨位由现在的3000吨级提高至万吨级，年单向通过能力由1000万吨提高到5000万吨。三峡的供电范围3.1发电系统3、抽水蓄能电厂⑴工作原理电力负荷低谷时（或丰水期），利用电力系统的富裕电能（或季节性电能），将下游水库的水抽到上游水库，以位能的形式储存起来；待到电力系统负荷高峰时（或枯水期），再将上游水库的水放出，驱动水轮发电机组发电。⑵抽水蓄能电厂在电力系统中的作用调峰填谷调频调相蓄能备用黑启动广州抽水蓄能电站为目前世界上最大的抽水蓄能电站，是为大亚湾核电站安全经济运行而建设的配套工程，同时还承担着广东、香港电网的调峰填谷和事故备用的任务。电站总装机总装机容量2.4GW（8×300MW），分两期建设，每期4台，设计水头535m，电站一期工程于1989年5月25日开工且1993年6月29日1号机投产，二期工程于1994年9月12日开工，至2000年3月14日8号机投产。3.1发电系统三、核能发电厂一次能源：核能能量转换过程：核燃料→热能→机械能→电能1、核电厂的组成核系统和设备常规系统和设备核反应堆的分类：轻水堆（包括沸水堆和压水堆）、重水堆和石墨冷气堆等。3.1发电系统2、核能发电的优缺点节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。不需空气助燃，可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。比火电厂造价高，但发电成本低30%～50%，规模越大越合算。存在问题：放射性污染。秦山核电站位于杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2×300MW。1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。大亚湾核电站位于深圳市东部大亚湾畔，为我国目前最大的核电站。大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。核电站安装有两台单机容量为900MW的压水堆反应堆机组。1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运。大亚湾核电站每年发电量超过100亿度，其中七成电力供应香港，三成电力供应广东电网。3.1发电系统四、风力发电一次能源：风能能量转换过程：风力的动能→机械能→电能1、风力发电机组目前，大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成。水平轴风力发电机垂直轴风力发电机3.1发电系统达板城风力发电厂装机容量7.23万千瓦，占全国的30%3.1发电系统2、风力发电的运行方式独立运行并网运行3、风力发电的特点优点：是一种取之不尽、用之不竭的自然能源，不需要燃料、没有污染、运行成本低。缺点：有一定的随机性和不稳定性，必须配有蓄能装置。3.1发电系统五、太阳能发电一次能源：太阳能能量转换过程：太阳能热发电光能→热能→机械能→电能太阳能光伏发电光能→电能优点：是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。不需要燃料、生产成本低、不产生污染。缺点：受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大。太阳能发电的特点：3.1发电系统六、其它能源发电2、海洋能发电1、地热发电：地热能→电能电能生产过程与火电厂相似，用地热井取代锅炉设备。潮汐能发电波浪能发电海流能发电海水温差能发电海水盐差能发电羊八井电厂是我国最大的地热电厂，总装机容量为25.18MW，水温约150℃，担负拉萨地区50%的供电任务。电站由5眼地热井供水，单井产量为75～160立方米／小时。羊八井地热电厂羊八井地热温泉法国郎斯潮汐电站示意图法国朗斯潮汐电站法国郎斯电站1967年建成，位于法国圣马洛湾郎斯河口。一道750米长的大坝横跨郎斯河。坝上是通行车辆的公路桥，坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机，涨潮、落潮都能发电。总装机容量24万千瓦，年发电量5亿多度，输入国家电网。江厦潮汐电站是中国第一座双向潮汐电站，位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港。1980年5月第一台机组投产发电。电站装有双向贯流式机组6台，总装机容量3200干瓦，年发电量600万度，可昼夜发电14～15小时。规模仅次于法国郎斯潮汐电站、加拿大芬地湾安娜波利斯潮汐电站，居世界第三。3.2输变电系统一、输变电系统的组成输变电系统包括变电站和输电线路。输变电系统的组成：•变换电压的设备•接通和开断电路的开关•防御过电压、限制故障电流的电器•无功补偿设备•载流导体•接地装置3.2输变电系统输变电系统中的主要设备，按功能和输变电流程连接而成的电路称为电气主接线，也称为电气一次接线或一次系统。下图为110/10kV降压变电站电气主接线图。3.2输变电系统二、输变电系统接线地理接线电力系统中各发电厂、变电站的相对地理位置和它们之间的连接关系。电气接线电力系统中各主要元部件之间和厂站之间的电气连接关系，不反映发电厂、变电站的地理位置。3.2输变电系统电气主接线图用规定的符号将发电机、变压器、母线、开关电器和输电线路等有关电气设备，按电能流程顺序连接而成的电路图。3.2输变电系统a）放射式b）干线式c）链式无备用接线：每一负荷只能从一条线路获得电能。包括放射式、干线式和链式网络。优点：简单明了、运行方便，投资费用少。缺点：供电的可靠性差。3.2输变电系统有备用接线：每一负荷至少可以通过两条线路以不同的方式获得电能。包括双回路、单环式、两端供电。优点：供电可靠性高，适用于对一级负荷供电3.2输变电系统三、电气主接线1、有汇流母线接线只有一组母线的接线称为单母线接线。单母线接线3.2输变电系统把单母线分成两段，并在两段之间装设能够分段运行的开关电器，称为单母线分段接线。•分段运行：正常情况下分段开关是打开的。•并列运行：正常情况下分段开关是闭合的。单母线分段接线3.2输变电系统单母线分段带旁路母线接线分段器又兼旁路断路器，加装旁母的目的是检修进、出线断路器时，可以不中断回路的供电。3.2输变电系统双母线接线每一回路都通过一台断路器和两组隔离开关与两组母线相连，其中一组隔离开关闭合，另一组隔离开关打开，两组母线之间通过母线联络断路器（简称母联）连接起来。3.2输变电系统双母线分段接线工作母线分为两段，备用母线不分段。分段断路器回路中接入分段电抗器R，当任一分段母线故障时，R可限制相邻分段母线供给的短路电流。3.2输变电系统双母线带旁路母线接线3.2输变电系统一台半断路器的接线两母线之间，每串接有三台断路器，两条回路，每两台断路器之间引出一回路，故称为一台半断路器接线，又称2/3接线。3.2输变电系统2、无汇流母线电气主接线单元接线发电机与变压器直接连接组成单元接线。扩大单元接线3.2输变电系统桥形接线当具有两台变压器和两条线路时，在线路－变压器单元接线的基础上，在其中间跨接一连接“桥”，便构成桥形接线。3.2输变电系统角形接线角形接线的断路器数等于回路数，每条回路都与两台断路器相连接。3.2输变电系统四、高压直流输电1、高压直流输电的发展1954年瑞典投入了世界上第一条直流海底电缆。1961年英法海峡联络线建成。1962年前苏联的伏尔加格勒－顿巴斯联络线建成。1965年日本佐久间变频站建成。3.2输变电系统葛洲坝—上海高压直流输电线路3.2输变电系统换流站场景3.2输变电系统1、基本原理右图为直流输电的基本原理图。3.2输变电系统线路的直流电流RUUIddd21传输功率ddddddIUPIUP2211高压直流输电的电能转换方式为交流—直流—交流。3.2输变电系统2、高压直流输电系统的主要电气设备换流器实现交流电与直流电之间的变换。为三相桥式环流电路，一个换流桥有6个桥臂。换流变压器一次绕组与交流电力系统相连，二次绕组与换流器交流端相连。通常带有有载调压分接头，交流变压器地直流侧通常为三角形或星形中性点不接地接线。3.2输变电系统平波电抗器抑制直流电流变化时的上升速度，减少直流线路中电压和电流的谐波分量。无功补偿装置换流器在运行时需要从交流系统中吸收大量无功功率，需用无功补偿装置为换流器提供无功电源。滤波器换流器运行时，交流侧和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，需安装参数合适的滤波器抑制谐波。3.2输变电系统直流断路器：切除故障。交直流避雷器：限制过电压。直流互感器控制及保护设备3.2输变电系统3、直流输电的优、缺点和应用⑴直流输电的优点线路造价低、年运行费用省。没有交流输电的运行稳定性问题。能限制短路电流。调节速度快，运行可靠。3.2输变电系统⑵直流输电的缺点直流换流站比交流变电站投