发电厂第一章

发电厂电气系统32学时

东南大学电气学院

主讲卢毅2013年9月教材：发电厂电气设备楼樟达李扬合编北京：中国电力出版社

经典教材适合3系使用内容:发电厂电气一、二次设备的类型、作用、特点、基本工作原理以及与发电厂运行紧密相关的电力系统的基本知识重要性：电力系统速成课，非常适合参加工作或继续读研的学生课程简介相关课程间的联系高电压技术继电保护及自动装置变电站综合自动化发电厂热力系统及辅助设备电力系统分析及短路计算电气主接线设计（运行）厂用电设计（运行）电气设备选择配电装置设计常用计算的理论和方法发电机运行变压器运行厂站的控制与信号发电厂电气系统发电厂电气第一章电力系统概述第二章发电厂电气一次设备第三章发电厂的厂用电第四章发电厂电气二次设备第五章电气设备运行监控与微机远动终端第一章电力系统概述第四节电力系统短路简述第三节电力系统的功率平衡第二节电力系统的电能质量第一节电力系统的组成和特点发电用户输电配电电力系统的基本构成电力系统的各个环节电能的生产：火电、水电和核电、各种新能源电能的传输：交流架空线路或电缆

直流输电电能的变换和分配：

变电站电能的使用：各种形式的负荷将电能转换成其他形式的能源。电力系统发电厂枢纽变电站（电压等级330kV以上）中间变电站（330—220kV）地区变电站终端变电站电力系统单线接线图较大的电力系统总是由各种类型的发电厂、电力网和电力用户组成电力系统各组成部分的概念发电厂：电力系统中电力的生产环节，可根据一次能源分类，主要有火力、水力和核电等；电力网：按供电范围、电压高低可划分为地方电力网（110kV以下，100km以内）和区域电力网（110kV以上，包含330kV以上超高压，100km以上）。变电所：电力系统中的中间环节，主要用来改变电压，接受、分配、传输和转送电能。枢纽、中间和终端变电所；电力负荷：电力用户的用电设备取用的功率称为电力负荷。第一类负荷：两个独立电源供电；第二类负荷：两回线路供电；第三类负荷：可以单回线供电；近代电力系统的发展ΔP----------三相线路的功率损耗，MW；I---------线路电流，A；RL

----------单回线电阻，Ω；P---------三相线路的输送功率，MW；Ρ----------导线电阻率，Ω·mm2/km；l---------导线长度，km；S----------导线截面积，mm2；cosφ-----负荷功率因数；UN

----------三相线路的线电压，kv。输电技术全部发展史的特征就是不断提高线路电压，增大输送功率和输送距离。

关于功率因数的定义

功率因数，是用来衡量用电设备（包括：广义的用电设备，如：电网的变压器、传输线路，等等）的用电效率的数据。

功率因数的定义公式：功率因数＝有功功率/视在功率。

有功功率，是设备消耗了的，转换为其他能量的功率。

无功功率，是维持设备运转，但是并不消耗的能量。他存在于电网与设备之间，是电网和设备不可缺少的能量部分。但是无功功率如果被设备占用过多，就造成电网效率低下，同时，大量无功功率在电网中来回传送，使得线损高企浪费严重。

考核功率因数的意义：为了减少电网的无功传送，提高电网效率和安全性。要提高功率因数，就要求用户在用电端，给设备提供无功功率，这种提供无功功率的行为，就是无功补偿。提供无功功率的补偿设备，称之为：无功补偿装置。我国电网的发展规划以三峡（26*700MW）建设为中心，首先形成中部电网。三峡电站将向华东、广东和华中送电。2010年左右基本形成北、中、南三个跨区互联网络北部电网包括华北、东北、西北和山东电网；中部电网包括华中、华东、川渝和福建电网；南部电网包括广东、广西、云南、贵州、香港、澳门电网。2010~2020年期间将形成覆盖全国的统一联合电网。图示电力系统电力系统的特点电能的生产与消费具有同时性与国民经济、人民生活密切相关过渡过程十分短暂，电磁变化迅速地区性特点强对电力系统的要求充足：满足负荷要求

保证对电力负荷不间断地供给充足、可靠、优质而又价廉的电能可靠：保证供电可靠性

优质：保证电能质量

经济：运行的经济性能源消耗（煤耗，油耗，水耗）自用电（厂用电率）电能损耗（线损率）

电力系统的结构横向结构：发电、输电、变电、配电、用电纵向结构：按电压等级区分的分层结构

500kV,220kV,110kV,10kV,3(6)kV,380/220V基本结构：大城市型（高压环网）、远距离输电系统（西电东输）基本结构形态：有备用、无备用两种电力系统的额定电压等级（用电设备）额定电压技术经济性能，安全可靠运行，电力工业和电工制造业的标准化、系列化和统一化。我国电力网（用电设备）额定电压等级标准：0.38\3,6\10\35\110\220,330\500,750,1000我国电力系统的电压等级在西北系统采用330/110/35/10kV。东北地区采用500/220/63/10kV，其它地区采用500/220/110/35/10kV，低压常用0.38/0.22kV电压等级。电力系统的额定电压等级线路正常运行电压降不超过10%用户处电压波动不得超过其额定电压正负5%变压器一次与额定相同，二次高出10%输电线路用户1.05UN1.1UNUN0.95UN1.05UN1.05UN0.95UNUN电

电力系统的额定电等级额定电压1．用电设备

用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。实际上，由于电网中有电压损失，致使各点实际电压偏离额定值。为了保证用电设备的良好运行，国家对各级电网电压的偏差均有严格规定。显然，用电设备应具有比电网电压允许偏差更宽的正常工作电压范围。2．发电机

发电机的额定电压一般比同级电网额定电压高出5%，用于补偿电网上的电压损失。

电力系统的额定电压等级

变压器的额定电压分为一次和二次绕组。对于一次绕组，当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷(如工厂降压变压器)，故其额定电压与电网一致，当变压器接于发电机引出端时(如发电厂升压变压器)，则其额定电压应与发电机额定电压相同。对于二次绕组，额定电压是指空载电压，考虑到变压器承载时自身电压损失(按5%计)，变压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高5%，当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失(按5%计)，此时，二次绕组额定电压应比电网额定电压高10%。3.变压器输配电电压等级的确定

需要结合公式综合考虑提高电压减小传输电流减小损耗绝缘要求越高投资增加传输功率越大,输送距离愈远,则选用较高电压等级较为有利对应于某一输送容量和输送距离,存在一个较为经济合理的输电电压各电压等级下输送功率和距离（用电设备）

额定电压／kV送电容量／MW送电距离／km60.1—0.24～15100.2—26～20 352.0一1020～5011010—5050～150220100—500100～300330200—1000200～6005001000—1800400～10007502000—2500500以上两个学时电力系统的组成和特点1电力系统的形成及其优越性2电力系统的特点及其要求3电力系统结构和额定电压012电力系统的电能质量电能质量指标电压质量指标电压频率指标供电可靠性指标电压质量标准电气设备受电压影响很大：白炽灯（灯泡的实际电压高于其额定电压时，其发光效率虽有提高，但其使

用寿命会缩短；相反，如果电压低于额定电压时，则灯泡发的光效率降低）异步电动机（电压降低—转矩降低—电流增加—温度升高）电热装置电视、广播、传真、雷达我国允许的电压偏移范围正负5%总是存在电压损失所以需调压措施频率质量标准额定50Hz允许偏差我国正负0.2~0.5Hz有的国家：0.1~0.2Hz影响电动机转速工业生产如纺织造纸产生次品，电厂水泵风机出力下降，有可能导致系统崩溃并联运行的同一电力系统中，频率一致，取决于发电机转速，该转速取决于有功功率的平衡调频措施供电可靠性供电可靠性：向用户提供质量合格的、连续供电的能力停电：计划停电和故障停电可靠性评价：电源可靠性、送变电可靠性、配电可靠性可靠性提高：提高设备可靠性；改进电力网络结构；自动装置的应用；提高运行人员水平；加强运行管理3电力系统的无功平衡

绪论

电压和频率是衡量电能质量的重要指标，而影响电压质量的直接因素就是无功功率。电力系统中各种用电设备只有在电压为额定值时才能有最好的安全运行和经济指标。但是在电力系统的正常运行中，用电负荷和系统运行方式是经常变化的，由此引起电压发生变化，不可避免地出现电压偏移。而电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则就会偏离额定值。

在电力系统中,不可忽视无功功率的平衡对电压的影响,无功功率的增加或减少,均对系统电压产生较大的波动及增加电能损耗,必须调整无功功率的输出,安装无功补偿装置等均可保持无功功率的平衡,以保持电压在正常范围内,同时减少功率损耗。主要内容简单系统的电压和无功功率调节简单的二机系统例子表达电压和无功的关系总结一些普遍意义的规律系统的无功电源、无功负荷和无功平衡常见的无功电源及原理无功负荷举例电力系统无功平衡的表达和意义电力系统的调压措施调压的具体方法和原理有功功率和无功功率有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。

无功功率

用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。无功举例：40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)有功举例：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能；单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)简单无功关系举例GAGBP1Q1P2Q2R+jX（复阻抗）+IRcos+IXsin而输电网络中X>>RU1-U2=Q2X/U2无功电源线路两端的电压降主要决定于线路传输的无功功率。当U1>U2,无功功率将从A传输到B；当U1<U2,无功功率将从B传输到A；无功功率依靠调节电压来决定其流向；当某点无功不足需要其它部分无功流动来补足，则该点电压必然降低；当某点无功过剩需要流动至其它部分，则该点电压必然升高；无功功率的物理含义电力线路和电力设备都是电容电感元件，要正常工作需要不断的充放电，与外部电路交换能量；无功功率实质是能量转换的最大速率；电感元件消耗无功，电容元件产生无功；系统的无功电源同步发电机：同期调相机：并联电容器：静止补偿器：可同时发有功无功，不仅可以发出感性无功功率，也可以吸收感性无功功率；无原动机的发电机，不能发有功。

；只能发出无功功率；利用可控硅开关控制并联电容器组和电抗器的投切，可发出和吸收无功；同步发电机低于额定功率因数（滞后）运行可多发无功；以超前额定功率因数（电流超前电压）运行，可以吸收无功；同步发电机发无功的限制所发无功的大小与有功有关，多带无功，有功下降；受发电机转子电流不过载的限制对于发电机远离负荷中心情况，长距离无功输送不经济

在这种情况下，则应在用户中心设置补偿装置同期调相机只提供无功功率，过激运行则向系统提供无功，欠激则从系统吸收无功功率；

同步调相机相当于空载运行的同步电动机。当它的转子励磁电流刚好为某一特定值时，它发出的无功功率恰好为零。这时仅从电网中吸收少量的有功功率用来克服机械旋转阻力，维持同步速度空转，当转子励磁电流大于此特定值时，称为过励磁。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率起无功电源的作用；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率起无功负荷作用。改变励磁，可以平滑的调整供应和吸收无功；旋转电机，消耗有功，运行维护复杂，逐步退出；并联电容器只能向系统供应无功功率；可以成组分散使用，较为灵活；价格低，损耗小，维护方便；存在负效应，当发生系统故障使得电压下降时，输出无功减少，导致电压继续下降；Xc—电容器容抗静止补偿器（FC+TCR）不仅可以发出无功功率，也可以吸收无功功率，可以作为动态无功电源；可以直接装在变电所的低压母线上，也可以通过升压变压器接到高压线路上；由于利用可控硅开关，使电力系统产生一些附加的高次谐波，影响电能质量。系统的无功负荷系统的无功负荷，有电感的元件，就要消耗无功；定义：以滞后的功率因数运行的用电设备，吸收无功功率；主要为异步电动机，特别是轻载时无功较多系统综合功率因数0.6-0.9,有功为无功0.5-1.3滞后的功率因数：电流滞后电压，电路呈感性系统的无功损耗输电线和变压器的无功功率损耗；输电线：

变压器：不变损耗：激励无功损耗，等于空载电流百分数I%，约为1~2；串联电抗上的损耗；并联电纳发出无功；可变损耗：绕组漏电抗引起，与负载电流的平方成正比，额定负载时基本上等于短路电压UK%，约为10%。电导是电阻倒数，电纳是电抗的倒数输电线的无功功率损耗串联电抗上的损耗:线路并联电纳发出无功分布电容效应：并联电抗补偿远距离输电引起长线路的电容效应使末端电压升高充电功率与线路电压平方成正比变压器的无功损耗变压器的无功损耗=可变损耗+不变损耗单台双绕组：

变压器：系统无功平衡定义：系统的无功电源所发出的无功功率与系统的无功负荷及网络中的无功损耗相平衡目的：保持电压水平的正常要求有一定的无功备用容量

（电源供应无功之和、无功负荷之和、网络无功损耗之和如果QB>0,则无功可平衡且有一定结余，否则无功缺乏不能保证正常电压水平。保持充足的无功电源是维持电压质量的关键。电力系统的调压措施调节发电机励磁电流改变端电压UG；选择变压器变比K(改变变压器分接头)；改变网络参数R和X（包括串联电抗器，无功就地补偿等），改变无功功率Q的分布；GUG1:K1K2:1UbP+jQbjQCR+jX两个学时1有功平衡和频率调整绪论

在现实中系统功率并不是一个恒定的值，而是随时变化的，在系统中，每时每刻发电功率和用电功率基本平衡。而功率又是影响频率的主要因素，当发电功率与用电功率平衡时，频率基本稳定，当发电功率大于用电功率时系统频率则上升，反之则下降，所以系统对有功功率和频率进行调整。问题思考1.电力系统如何实现发电和用电有功的平衡？2.电力系统的频率如何保证？本节主要内容有功功率负荷的变动和调整有功功率的平衡有功负荷的静态频率特性发电机组的静态频率特性电力系统频率的一次、二次调整有功电源的特点和调频电厂的选择有功功率负荷的变动类别变化幅度变化周期例子第一类负荷变动很小短偶然负荷变动第二类负荷变动较大较长电炉,压延机械,电力机车第三类负荷变动大变化缓慢,持续生产生活气象变化引起有功功率负荷调整有功功率的调整实际上是频率的调整发电机负载减小，转速上升，频率上升发电机负载增大，转速下降，频率下降类别调整(调频)措施第一类负荷变动一次调整发电机的调速器来调整频率偏移第二类负荷变动二次调整由发电机的调频器进行第三类负荷变动三次调整有功功率平衡的基础上,按最优化的原则在各电厂间经济分配调速器:根据系统负荷的变化,被动的调节进汽量(气门开度)或进水量(导水叶开度),由于二者的机械惯性,无法赶上瞬息万变的电力负荷变化。调频器:作用于调速器上，主动调节进汽量或者进水量，调整有功功率输出，从而调整频率。有功功率的平衡和备用容量有功平衡发电机总的有功功率=所有有功负荷+系统的有功损耗+厂用电备用容量：系统可用电源容量大于发电负荷的部分。（系统最大负荷的25%-30%）热备用：运转中的备用容量；旋转备用，调频容量，-系统最大有功负荷的8%-10%短期负荷波动，日负荷曲线预测误差，偶然事故。冷备用：停机状态但可随时启动的备用容量；检修备用，国民经济备用和部分事故备用电力系统功率平衡的条件和手段充足的发电能力及一定的备用发电能力;充足的发电调节能力,适应负荷的增减;充分的电力传输能力;合理的配网布局,保证用户电力质量;有效的对用户负荷的监控手段;达到电力平衡的手段做好规划工作,发输配环节配套建设;功率平衡的必要条件运行中实行计划管理,合理利用发输配电设备和一次能源;有功负荷的频率静态特性不同类型的负荷对频率变化的敏感程度不一样受频率变化很小的负荷照明、电炉、整流负荷与频率成正比的负荷切削机床、球磨机、压缩机、卷扬机与频率的二次方成比例的负荷变压器的涡流损耗与频率的三次方成比例的负荷通风机、静水头阻力不大的循环水泵与频率的更高次方成比例的负荷静水头阻力很大的循环水泵有功负荷的频率静态特性曲线在较小的频率变化范围内（45-50Hz），有功负荷-频率特性可看成是一条直线。KL=tgPLNPfNf电力负荷的频率调节效应有利于功率平衡KL*的求取：电力系统可试验或计算求取，其取值范围1~3，当频率变化1%，则负荷有功相应变化？负荷的单位调节功率发电机的频率静态特性调速器的作用：增大有功负荷，输出功率增加，频率降低，有功负荷减小，频率升高;PGPGNfNf0fKG=-tg发电机的频率特性曲线发电机的单位调节功率机组的调差系数调差系数：以百分数表示的机组空载运行时的频率f0和额定条件下运行的频率fN的差值,发电机的单位调节功率可以写作：定量表明一台机组负荷改变时相应的转速偏移当=5%，如有功负荷频率偏移1%，则频率偏移0.05%，汽轮机：=3%~5%KG*=33.3~20水轮机：=2%~4%KG*=50~25电力系统频率的一次调整

发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点。设负荷突然增加

，则由于负荷突增时发电机功率不能即使随之变动，机组将减速，系统频率将下降。而在系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将因本身的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向上增加，后者沿负荷的频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程抵达一个新的平衡点。

当频率下降时，负荷吸收的有功功率随着下降；当频率升高时，负荷吸取的有功功率随着增加，这种负荷有功功率随频率变化的现象称为负荷调节效应。电力系统频率的一次调整电力系统一次调频：仅同时考虑发电机组的单位调节功率和负荷的频率调节效应。PLO=AO=O’B’+B’A’=KGf+KLf=(KG+KL)f电力系统单位调节功率KS定义PLO/f=KG+KL=KS(MW/Hz)通过KS可以求取在允许的频率偏移范围内系统能承受的负荷增减。有差调频：负荷变动时，原动机的转速和频率将有所变动—随负荷增大而降低。一次调频就是有差调频（采用调速器调频，就是改变发电机组的功频特性，增大汽轮机的进气量或者水轮机的进水量，增大输入转矩）。无差调频：

负荷变动时，原动机的转速和频率将保持不变。二次调频可实现无差调频（调频器来调频，这叫二次调频）。

电力系统频率的一次调整发电机的单位调节系数负荷的单位调节系数不可调一次调频效果取决于系统的单位调节系数一次调频系统的单位调节系数调节调速器KS不可能很大，一次调频效果有限

电力系统频率的二次调整电力系统二次调频：发电机组的调频器动作使发电机功率频率特性平行移动来改变发电机的有功功率。二次调频通过调频器的作用将发电机的频率静态特性曲线移到运行点移到系统频率为

电力系统频率的二次调整PLO=OA=OC+CB+BA=PGO+KGf”+KLf”

OC:机组二次调频增发功率

CB:机组一次调频增发功率

BA:由于负荷调节效应自动减少的功率PLO-PGO=(KG+KL)f”KS=KG+KL=(PLO-PGO)/f”当PLO=PGO，

则f”=0无差调节KG为多台发电机组单位调节功率

之和二次调频时，负荷增量基本由一台或几台主调频机组承担频率调整的策略频率显著降低二次调频补足功率供给缺额维持频率不变缺额满足频率恢复正常缺额不满足一次调频发电机频率静态特性负荷频率静态特性频率改善无差调节有差调节频率波动有功功率电源特点火电厂：(1)需支付燃料费用(2)最小技术出力(3)可调范围小(4)热电厂中，热负荷输出功率是强迫功率(5)运行效率与蒸汽参数有关：高温高压>中温中压(6)10多分钟达到满负荷 水电厂：(1)无需支付燃料费用(2)受水库容量限制(3)可调范围大。机组投切增减负荷不增加能耗，时间短(4)有强迫功率，视不同水电厂而定(5)1分多钟以内达到满载

核电站：(1)一次投资大(2)运行费用小(3)承担急剧负荷变动、投切时，需增加能耗，时间长

承担基荷调频电厂的要求一次调频：二次调频：对主调频电厂的要求：调频容量和范围；调整速度；符合安全经济运行原则；联络线不过载；全系统有调频能力的发电机组火电厂：功率调整范围较窄，较慢的负荷增减速度水电厂：功率调整范围较宽，负荷增减速度较快，适宜调频1~2个主调频电厂,数个辅助调频电厂，当频率低于一定值参与调频。调频电厂的选择

各类发电厂（机组）的合理组合基本原则：合理利用水资源，分枯水期与丰水期区别对待有调节能力的水电机组调峰基荷调峰基荷(1)(3)(2)(4)(5)(6)无调节水电厂、强迫功率核电站当地燃料火电厂热电厂可调高温高压中温中压问题思考1.电压调整和频率调整有何区别？电力系统电压调整和频率调整的比较频率调整电压调整调节量有功功率无功功率空间性调节任何地点有功均有效，频率具有全局性电压水平为局部概念经济性消耗能源不消耗能源偏差要求较小较大时间性较弱较强（白天分配无功最小化损耗；夜晚吸收无功功率）2电力系统短路简述本节主要内容短路的基本类型短路的原因短路的后果短路的限制措施短路类型三相短路