大机组与大电网协调

1、第七章 大机组与大电网协调第一节 电力网第二节 系统扰动与发电机轴系扭振第三节 重合闸对机组轴系扭振的影响第四节 快关汽门与电网稳定第五节 电网谐波污染华中科技大学电气学院目前我国电力系统基本上进人大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。大机组与高电压、大电网之间的协调，一直是影响系统安全、可靠与经济的重大课题。近年来，国际上发生了多次大面积停电事故，以及机组重大部件的损坏，电力部门和一些著名制造厂研究了汽轮发电机组如何适应电网运行的问题。 (1)当机组偏离额定频率运行时，在不损伤机组的前提下，提出了允许运行时间的要求；也提出了在异常频率下，电网应该采取的措施。华中科技大学电

2、气学院 (2)随着一些大机组的大轴损坏事故的发生，分析了大机组在一系列特殊运行方式下，都有可能使机组产生远大于机端出口多相短路时的电磁与机械应力。 (3)随着系统串联电容补偿技术的采用，发生了与机组间产生次同步谐振的现象，当与电厂高压输电线出口三相短路重合，有可能一次就耗尽了机组轴系的疲劳寿命，因而必须由电网采取措施予以防止。 (4)随着长距离、超高压输电线路出现，对发电机提出了吸收无功功率的要求。 (5)随着电气铁道等单相负荷的日益增长和大容量机组转子对连续不对称负荷和不对称短路适应能力的减弱，发电机组适应电网不对称运行的能力也已成为众所关注的问题。华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院华

3、中科技大学电气学院对目前的我国电网而言，一台600MW机组，在地区电网中占有较大的比重，它的投切和故障对系统稳定运行有较大影响，反之，系统的各种异常运行或故障，对600MW机组的威胁比对中小型机组的威胁更大。我国国家标准规定：发电机能承受的误并列能力为，180相角差5次或120相角差2次。还要求发电机应能承受电力系统中高压线路事故后的自动重合闸。这些要求，都将使发电机瞬时产生大的定转子电流及电磁力矩，对发电机定子绕组端部、转子轴颈等造成冲击及材料寿命损耗。另外，还要求发电机具备失磁异步运行能力及三相不对称或非全相运行能力，这些也容易使发电机定子端部和转子表面局部过热而产生裂纹。华中科技大学电气

4、学院一、电力系统 电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等环节并按规定的分工和技术经济要求组成的，将一次能源转换为电能并输送和分配到用户的一个统一系统，如图71所示。其中发电厂将一次能源转换为电能，升压后，经过输电网，再降压，送人配电网，再由配电网将电能分配至用户，从而完成了电能从生产到使用的全过程。为了保证系统运行的安全可靠，系统还配置了继电保护和安全自动装置、调度自动化和通信等相应的辅助系统。电力系统的根本任务是向用户提供充足、可靠、合格和廉价的电能。 在电力系统中，输送、变换和分配电能的那一部分称为电力网(electricnetwork)，如图71中虚线所框的部分，所以电力网是电力系统

5、的一个组成部分，电力网包括输电网和配电网。华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院输电网主要是将远离负荷中心的发电厂所发出的电能，经过变压器升高电压并通过高压输电线输送到邻近负荷中心的枢纽变电所。同时，输电线还有联络相邻电力系统和联系相邻枢纽变电所的作用。在我国，现有高压输电网的电压为220kV、330kV、500kV、750kV交流和500kV直流，即将出现1000kV交流和800kV直流。 配电网是将电能从高压变电所经降压后再分配到用户的电力网。按电压，一般又将配电网分为高压、中压和低压三种。在我国，高压配电网电压一般为35kV、63kV和110kV；中压配电网电压一般为610kV(有的城

6、市已在考虑升压为20kV)；低压配电网电压一般为三相四线制的380220V 。华中科技大学电气学院输、配电网可按电压等级的高低分层，或按负荷密集的地域分区。不同容量的发电厂和电力用户分别接人不同电压等级的电力网，较大容量的应接入较高电压的电力网，较小容量的可接入较低电压的电力网。 我国已经启动的西电东送工程，将着力推进全国大电网建设与联网，逐步形成大区电网互联的基本格局。发展具有规模经济效益和极强资源配置能力的大电网，这是电力工业发展的基本规律。国内外现有实践均已证明，全国联网能带来多方面的效益，如错峰效益，水、火电互补效益，互为备用和事故支援效益，以及可以最大限度采用高效率高参数的大机组等。

7、西电东送战略的实施将从根本上改变中国未来电力发展的格局，即实行立足于跨大区电网之间以及大区电网与独立省网之间的全国互联。华中科技大学电气学院目前，中国将以三峡工程为契机，并以三峡电站为中心，建设东、西、南、北四个方向的联网和送电线路，并在条件成熟的电网间实现周边联网。经过不断开发西部大型水电以远距离输电至东部地区，同时根据需要与条件加快其余大区电网互联，届时中国电网将形成西电东送、南北互联的基本格局以及统一调度的联合电网结构。华中科技大学电气学院 整流器逆变器换流变压器2换流变压器1+交流电力系统I换流站I(整流站)换流站II(逆变站)直流线路 直流输电系统 交流电力系统II二、直流输电直流输

8、电就是在甲地将交流功率经过整流站整流变为直流功率，通过直流输电线路送到乙地，再经过逆变站逆变为交流功率送入交流电网。整流站和逆变站统称为换流站，其设备、接线和原理完全相同，并且可以互相改接，仅仅是控制方式不同。华中科技大学电气学院1直流线路优点 （1）造价低，电能损耗少。 （2）无电抗影响，远距离输电不存在失去稳定的问题。 （3）稳态下，不存在交流长电缆线路的容性电纳引起的电压升高。 （4）直流输电系统响应快，调节精确，有利于故障时交流系统间的快速紧急支援和减少功率扰动。 （5）可联络两个额定频率相同或不同的交流电力系统，联网后交流系统的短路容量，不因互联而显著增大。华中科技大学电气学院(4)

9、限制系统短路容量。两大交流电网用直流联网后，由于换流站的“定电流控制”特性，两侧交流网路的短路容量将得到限制。 (6)有利于采用电缆送电。在直流电场的作用下，电缆的绝缘强度约为交流电场的3倍，35kV的交流电缆可用于直流110kV。直流电缆送电不存在容性无功，在交流电网中电缆的长度受容性充电无功电流的限制，而直流电缆送电没有长度限制，最适宜于远距离隔海送电，我国舟山岛就是用直流110kV电缆送电的。华中科技大学电气学院2缺点 换流站造价高，换流器工作时需要消耗较多的无功功率，产生较大的谐波电流和电压；直流断路器熄弧困难，使多端直流输电的发展受到一定的影响。3应用范围 远距离大功率输电；交流系统

10、的互联；过海电缆输电；用电缆向大城市市区供电。 华中科技大学电气学院 两端直流输电系统的构成可分为单极，双极和无直流输电线路三类。 无直流输电线路即为两侧换流器背靠背装设在一起的非同步联络站，或称变频站。华中科技大学电气学院1单极系统 直流单极系统中，输电线路只用一根导线。一般采用正极接地，负极线路运行，又称一线一地制。接地正极以大地或海水作回流线路。其优点是投资省，且负极性运行的直流架空线路，受雷击的几率以及电晕引起的无线电干扰都比正极性运行时小。单极系统的主要缺点是地中电流所经之处的金属构件电化腐蚀严重，若海水中流过电流时，对航行、通信和渔业等有不同程度的影响。因此单极系统也有用金属导体作

11、回流线路，称两线制。由于投资大，这种方式仅作为分期建设中的过渡接线形式。华中科技大学电气学院GGGG+GG2双极系统双极系统可看作两个单极系统叠加而成，其接线分为：两端中性点接地方式，一端中性点接地方式和中性线方式三种，如图3-33。(c)图3-33 双极直流输电系统(a)中性点两端接地方式（两线一地制）(b)中性点-端接地方式（两线制）(c)中性线方式（三线制）华中科技大学电气学院（1）两端中性点接地方式，如图3-33(a)，也称两线一地制。它可以看作由两个对称的一线一地制单极系统叠加而成。如果两极参数对称，理论上两接地点之间是不存在直流电流的。实际上在正常运行时，地回路中有不平衡电流流过。

12、它的数值不大，只有额定电流的百分之几。因此大大减轻了大地或海水作回流电路时对金属设施的腐蚀。当任一导线发生故障，健全相可以用大地和海水作回流电路，保持输送一半的电力。GG华中科技大学电气学院2）中性点一端接地方式，如图3-33(b)，也称两线制。接地端可以固定直流输电系统的基准地电位，避免发生系统电位的浮动而威胁到设备和线路的安全。优点是避免了建设接地装置的巨大投资，缺点是一根导线发生故障时不得不停止送电。 GG+华中科技大学电气学院（3）中性线方式，如图3-33(c)，也称三线制。与两线一地制比，直流输电线一极故障时，可以避免以大地或海水作回流电路所带来的弊端。3非同步联络站是输电线路长度为

13、零的直流输电系统，可以联络两个额定频率相同或不同的交流电力系统。 GG华中科技大学电气学院三、高压直流输电系统的主要电器设备如图3-34为直流输电主接线，其电压500kV，输送容量单极60万kW，双极120万kW，线路全长1052.25km，直流部分1045.665km，主要设备的作用如下：445555798811“-”“+”“-”“+”1200MW500kV220kV3葛洲坝换流站线路上海换流站图3-34 某工程直流输电主接线图1-交流滤波器组；2-换流变压器；3-换流桥；4-直流滤波器组；5-金属回路转换开关；6-低压开关；7-金属回路转换断路器；8-平波电抗器；9-接地电极；10-线路华

14、中科技大学电气学院（1）换流器。一般接成三相全控桥式整流或逆变电路，直流系统中又称换流桥，6个桥臂称为换流阀。正常，换流器在工频一个周期内的换相次数称为脉波数。单桥换流器是6脉波的，直流侧电压含有6n次基波频率的谐波，交流侧含有6n1次特征谐波电流。两单桥串联成双桥换流器，是12脉波的，直流侧含有12n次谐波电压，交流侧含有12n1次谐波电流(其中n=1,2,3,)。双桥换流器最低谐波次数高，谐波总含量少，因此双桥优于单桥。目前可控硅元件的单个芯片直径已达100mm以上，能承受6kV电压，4kA以上电流。故直流输电用的可控硅换流阀由几十个以至于上百个硅元件串联而成，配备有散热器，循环冷却系统，

15、均压阻尼电路，阀电抗器，门极触发电路等机电热光的辅助系统和电子元器件组合而成。华中科技大学电气学院（2）换流变压器。葛上线直流输电系统每极采用双桥换流器，需要两组相位差30的交流电源供电。因此共安装6台单相三绕组变压器，每极三台，接成Y0/Y/，结构与普通型变压器基本相同。由于阀侧绕组需同时承受交直流电压，又为了减少高次谐波，故对变压器的绝缘强度和参数的三相对称性有严格的要求，同时换流变应有宽的有载调压范围。（3）平波电抗器。作用是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。（4）无功补偿装置。有调相机、并联电容器、交流滤波器或静止补偿器等。另外，交流滤波器在滤除高次谐波

16、的同时，向交流系统提供一定数量的容性无功。华中科技大学电气学院（5）滤波器。由电容、电感、电阻串并联组成。由于换流装置是一个谐波源，在交流侧是一个谐波电流源，在直流侧则是一个谐波电压源。其含有的谐波分量，会引起电容器、变压器、电动机等的谐波附加损耗、振动和严重发热，干扰邻近通讯线路，并使换流器的触发控制不稳定。所以在交流母线上安装单调谐滤波器分别滤去5, 7, 11, 13次谐波电流。用高通滤波器吸收高次谐波电流。同样在直流侧用直流滤波器吸收平波电抗器后的6、12、18等次残余谐波分量。（6）直流断路器，由于直流电流无自然过零点，电弧难以熄灭，至今超高压直流断路器尚未研制出成熟可靠的产品。目前

17、两端直流输电系统故障，借助于控制系统限制故障电流，再将故障切除。华中科技大学电气学院（7）交直流避雷器，是交直流系统绝缘配合的基础。由于直流电弧难以熄灭，故目前均采用性能优良的，无间隙的氧化锌避雷器。8）直流互感器，有磁放大器和电子元器件组成。（9）控制及保护设备。直流系统之所以能实现快速调节与具有性能优良的控制保护系统有关。通过控制桥阀触发脉冲相位，调节功率大小和方向。调节可按不同参数实现，如定电流，定电压，定功率，定熄弧角等。保护系统有交流设备保护，换流阀保护和直流设备、线路保护等。华中科技大学电气学院4直流输电运行 一个三相桥式全波整流电路中，交流线电压与直流电压有如下的关系 华中科技大

18、学电气学院华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院第二节 系统扰动与汽轮发电机轴系扭振随着超高压大电网和大功率机组的投产运行，随着一些大机组的大轴损坏事故的发生，机组轴系扭振问题越来越严重，已成为当前电力系统发展中需要研究的重要课题。 大型汽轮发电机组的轴系是由多段轴段组成的，其中包括汽轮机的高压转子、中压转子、低压转子、发电机转子、励磁机转子等。随着单机容量的增大，轴系长度与轴段断面之比相对增大。整个轴系不能再视为一段刚性的轴段，而是一柔性可扭转的轴系。汽轮机的叶片受蒸汽冲击，在每一级叶轮上施加着一正的扭矩；则发电机和励磁机输出电负荷相当于在转子上施加

19、一负扭矩。汽轮机低压缸与发电机之间的靠背轮是扭振的节点。华中科技大学电气学院汽轮机的正扭矩又按高、中、低汽缸的功率分布在不同的轴上，每个汽缸中又按各级叶轮的功率分布在轴的不同断面上。沿整个轴系长度方向扭矩的分布是十分复杂的。但最大扭矩出现在发电机与汽轮机(低压转子)的联轴器上，即扭振的节点上。汽轮发电机在正常稳定运转时，输入的热功率与输出的电功率相平衡。整个轴系保持恒速运转。一个恒定的扭转变形存在于轴系上。当蒸汽量的变动或电负荷的变动都会因此而产生短时的扭振。华中科技大学电气学院三、系统扰动对轴系扭振的影响 大型汽轮发电机组在电网上运行时，随时会由于热力系统或电力系统的扰动而激发起轴系扭振。热

20、力方面的原因诸如汽轮机调速汽门的摆动、中压调门的快关等。由于轴系最低自然扭振频率一般都大于10Hz，因此激振扭矩周期必须小于50ms才有可能产生扭振。上述高压调门或中压调门的动作时间一般都大于l00ms。所以，因热力方面的原因而引起的轴系扭振是轻微的。电力系统扰动的因素相当多，诸如发电机的并列操作、失步、失磁、系统短路、重合闸、甩负荷等，这种扰动都是毫秒级的。此外，系统中存在着负序分量、谐波分量、静态无功补偿、串联补偿、直流输电等，这类扰动是持续的长期的。华中科技大学电气学院因此，人们研究轴系扭振的主要方向是电力系统扰动对轴系扭振的影响，这是大电机与大电网协调的主要课题。至于大型水轮发电机组，

21、由于其转子的转动惯量大、轴系的长度与断面比相对较小、轴系刚度较大、自然扭振频率较高等原因，因此系统扰动对其扭振影响不大。华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院第五节 电力网谐波污染电能质量，包括电压幅值、频率和波形等。随着工业的发展，电压波形的畸变已受到越来越多的重视。电力系统中的谐波，主要源自冶金、化工、电气化铁路、灵活交流输电(FACTS)等换流设备和其他非线性负荷。电能波形的畸变，给发、供、用电设备以及通信带来严重危害。 为向国民经济各部门提供质量合格的电能，必须对各种非线性用电设备的使用予以规范，给注入电网的谐波予以有效的监测和治理。华中科技大学电气学院华中科技大

22、学电气学院1谐波对输电线路的影响 超高压输电线路常采用单相重合闸来提高电力系统的暂态稳定性。较大的高次谐波电流能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败，或不能采用较短的自动重合闸时间。 2谐波对变压器的影响 谐波会导致变压器绕组附加发热，变压器外壳和某些紧固件，也会引起发热和局部过热。变压器的谐波损耗数值较大，据日本中部电力公司介绍，当谐波含量为10时，变压器的损耗增大10，而且随变压器容量的增大，损耗的百分比也愈大。谐波还会使变压器噪声增大。 华中科技大学电气学院3谐波对感应电动机的影响 单相牵引负荷在电力系统中产生的负序电流，将反映到变压器的低压侧，而在低压侧运行的电动机势必会受到影

23、响。电动机的负序阻抗比正序阻抗要小得多，感应电动机在很小的负序电压下，可产生数倍于负序电压百分数的不平衡电流，这个倍数等于电动机启动电流倍数，将引起电动机的附加温升，严重时将烧毁电动机。 高次谐波还会引起电动机本体局部过热，严重时将烧毁电机。国外经验表明，3、5、7次谐波电压达到基波的6一20时，可导致电动机在短时间内损坏。高次谐波还会导致电动机较大的机械振动。华中科技大学电气学院4谐波对电缆的影响 电缆是电容性设备，由于电缆分布电容对谐波电流有放大作用，一方面谐波电压波形的畸变易在绝缘介质中诱发局部放电，绝缘寿命又和局部放电功率成反比；另一方面谐波使绝缘介质损耗和温升升高。5谐波对开关设备的

24、影响 谐波电流波形的畸变，当电流过零时， 很高，使开关的遮断能力降低；当谐波严重时，常不能有效地把电弧吹人灭弧栅，使电弧时间延长，导致开关设备的损坏。华中科技大学电气学院6谐波对电容器的影响 谐波对电容器的影响很大，主要表现在电容器谐波容抗和系统谐波感抗配合时，将造成并联谐振和谐波放大。使电容器和串联电抗器产生谐振过电流和谐振过电压，电容器局部放电增加，加速绝缘老化，促使电容器和串联电抗器过热损坏。因此，当接入电容器组时，必须进行校核计算。谐波对电容器的危害具体表现为电效应、热效应和机械效应。 电效应：由于波形的畸变，可能引起电容器端电压有效值和幅值的增高，如3、5、7次谐波与基波叠加时可使电

25、压波形呈尖顶波。试验表明，尖顶波很容易在电容器介质中诱发局部放电绝缘介质加速老化，同时介质损耗tan升高。华中科技大学电气学院7谐波对继电保护和自动装置的影响 继电保护和自动装置通常都是以检测被保护回路和控制回路电流电压的变化来反映其运行状态的，电网谐波和负序分量将影响其动作的正确性。由于继电器的类型和动作原理不同，它们对谐波和负序的响应也就不同。根据继电器的动作原理分析，谐波和负序分量对电磁型继电器和感应型继电器的影响较小；而对利用负序启动元件的各种继电保护和自动装置影响最敏感，可能造成保护装置误动或拒动。华中科技大学电气学院8谐波对电气计量的影响 按照国家标准规定，常用的模拟式计量仪表，如

26、电压表、电流表、有功功率表、无功功率表、电能表和仪用互感器等，应工作在正弦电压、电流波形下，只允许含有少量高次谐波分量。当电网含有高次谐波分量超过国标规定时，如电能表将因供电频率偏高，电能表将呈现负误差。电力机车这样的谐波源，基波功率从电网流向电力机车，而谐波功率是从电力机车流向电网和其他用电设备，由于功率方向相反，通过电能表的是基波功率减谐波功率，可见将少计了电能。华中科技大学电气学院为提高电网电能质量和经济效益，必须采取有效措施，例如：将基波功率与谐波功率分别计量，合理收取电费；对向电网注入谐波的用户，超过国标允许值时，采取惩罚性措施；研制能准确计量谐波电量的电能表、宽频带的电压互感器和电

27、流互感器等。华中科技大学电气学院9谐波对通信的影响 谐波电流在输电线上传输，主要通过静电感应和电磁感应对通信网络造成影响。在通信网路中引起高频杂音，产生干扰，信号失真，降低传输质量。 静电感应的影响，是通过电力线和通信线间的电容，耦合到通信线上去的，谐波电流和三相电压不平衡度越大，影响越大。电磁感应的影响，是电力线路的交流电流产生的交变磁场在邻近通信线上感应干扰信号。电磁感应是严重的干扰源，可能在通信电路中产生危险电压，使通信设备绝缘破坏，甚至危及人身安全。华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院 关于大机组与大电网的协调 对目前的我国电网而言，一台600MW机组的投切和各种故障对系统稳定运行有较大的影响，远非中小机组可比。 同样，系统的异常运行或各种故障，对600MW机组的威胁也比对中小型机组的威胁更大，因此对600MW机组运行和保护提出了更高、更严格的要求。华中科技大学电气学院 1大机组的静稳定与动稳定 300、200、I00MW的汽轮发电机组，在额定参数下运行时静稳定储备系数分别为51.7、59.2、61.9。 而600MW汽轮发电机组在额定参数下运行时，功角约为45，静稳定储备系数为41.4。 显然，额定参数下运行时，600MW机组静稳定储备系数最小，因