电气设备及运行

电气设备及运行第1页，共47页，2023年，2月20日，星期二第一章绪论第一节我国电力工业发展概况第三节发电厂和变电所电气设备简述

第二节发电厂和变电所的基本类型本章计划学时：3~4学时第2页，共47页，2023年，2月20日，星期二第一章绪论我国电力工业发展概况:

我国自1882年有电力以来至1949年底，经过67年发展装机容量只达到185万kW，年发电量43亿kW·h，分别居世界第21位和第25位。2003年全国总装机容量达到38450万kW，年发电量19080亿kW·h。从1996年起，我国发电机装机容量和年发电量均居世界第二位，2004年全国总装机容量达到44700万kW。电力发展和应用的程度，是衡量国民经济发展水平和社会现代化水平高低的重要标志之一。电力发展必须超前国民经济的增长。第一节我国电力工业发展概况第3页，共47页，2023年，2月20日，星期二目前我国最大的汽轮发电机组容量为90万kW，安装在外高桥第二发电厂(最大135万kW)；最大的水轮发电机组容量为70万kW，安装在三峡水力发电厂(最大80万kW)

；最大的核电发电机组容量为100万kW，安装在岭澳核电厂(最大145万kW)

。最高交流输电电压为750kV，如全长146km的青海官亭—兰州东750kV输电示范工程(世界上最高为1150kV)。最高直流输电电压为±500kV,如湖北宜昌葛洲坝到上海南桥的±500kV直流输电线路(世界上最高为±750kV)。我国电力工业的几个之最：第4页，共47页，2023年，2月20日，星期二目前我国最大的水力发电厂，也是世界上最大的水力发电厂是三峡水力发电厂，装有26台单机容量为70万kW的水轮发电机组，总装机容量1820万kW，年均发电量847亿kW·h。三峡大坝采用混凝重力坝，坝高185m，坝长(轴线长)2309m，坝顶总长3035m，总投资约2039亿。我国最大的火力发电厂是北仓港电厂，装机容量300万kW，单机容量60万kW。我国最大的核能发电厂是岭澳核电厂，装机容量200万kW，单机容量100万kW。这些都说明我国电力工业已进入大机组、大电厂、大电网、超高压、高度自动化的发展时期和向跨大区联网、推进全国联网的新阶段。第5页，共47页，2023年，2月20日，星期二第二节发电厂和变电所的基本类型一次能源是指直接由自然界采用的能源，如：煤、石油、天然气、水利资源、核原料等。二次能源是由一次能源经加工转换而获得的另一种形态的能源，如电力、煤气、蒸汽、焦碳等。一、发电厂的基本类型

发电厂是把各种一次能源转换成二次能源（即电能）的场所。按照发电厂所消耗一次能源的不同，发电厂分为以下几种。1.火力发电厂以煤炭、石油、天然气等为燃料。⑴凝汽式火电厂：只生产电能，热效率低，仅为30%~40%。第6页，共47页，2023年，2月20日，星期二火电厂外景第7页，共47页，2023年，2月20日，星期二热电厂外景第8页，共47页，2023年，2月20日，星期二⑵热电厂:既生产电能又生产热能。热电厂的热效率高达60%~70%。

⑶燃气轮机发电厂：燃气轮机与汽轮机工作原理相似，所不同的是燃气轮机的工质是高温高压的气体而不是蒸汽。这些作为工质的气体可以是用清洁煤技术将煤炭转化成的清洁煤气，也可以是天然气等。2．水力发电厂水电厂是将水的位能和动能转换成电能的场所，也称水电站。水电站的类型可以分为：(1)堤坝式:一般河流水位的落差沿河流是分散的，为提高落差就需要在河流的上游修建拦河坝，将水积蓄、提高水头，进行发电。通常这类水电站又细分为坝后式和河床式两种。

第9页，共47页，2023年，2月20日，星期二坝后式水电站:发电机厂房建在坝后，全部水头的压力由坝体承受，水库的水由压力水管引入厂房，推动水轮发电机发电。图1-2坝后式水电站示意图第10页，共47页，2023年，2月20日，星期二图1-3河床式水电站示意图河床式水电站:发电机厂房和挡水堤连成一体，厂房也起挡水作用。由于厂房修建在河床中，故称河床式。第11页，共47页，2023年，2月20日，星期二图1-4引水式水电站示意图3．抽水蓄能电站抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站，具有水轮机-发电机和电动机-水泵两种可逆的工作方式。⑵引水式水电站:建在山区水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地段，由引水渠道提供水头，一般不需要修建堤坝，或只修低堰，适用于水头比较高的情况。第12页，共47页，2023年，2月20日，星期二(1)夜晚或周末低负荷时，抽水蓄能电站的机组作为电动机运行，利用电力系统富余的电能将下库的水抽到上库，以位能的形式将电能储存起来。(2)在电力系统的峰荷期间，抽水蓄能电站的机组又作为发电机运行，将上库的水放下来通过水轮机发电，用以担任电力系统峰荷中的尖峰部分，即起到调峰作用。图1-5抽水蓄能电站示意图第13页，共47页，2023年，2月20日，星期二核电厂发电的原理与火电厂相似，都要有一个热源，将水加热成蒸汽，进而推动汽轮机旋转并带动发电机转动而发出电能。不同的是核电厂所用的热源不是煤或石油，它的热源是原子核的裂变能。4．核电厂核电是一种安全清洁的能源，利用它可以大大地节约煤和减少污染。一个1000MW的火电厂一天燃烧的煤是9600t，而相应1000MW的核电厂，一天只要3.3kg的U235，同样容量的电厂其用燃料量竟相差300万倍。利用铀(或钚）在反应堆核裂变热能→（汽轮机）机械能→电能第14页，共47页，2023年，2月20日，星期二我国核电建设规模目前，中国有4座核电站11台机组运行

浙江秦山核电站广东大亚湾核电站江苏田湾核电站岭澳核电站

中国在建中核电站

广东阳江核电站浙江南部的三门核电站辽宁红沿河核电厂江西彭泽核电厂a.消耗燃烧少b.燃烧时不需要空气助燃c.容量越大越经济d.有放射性污染核电站特点：第15页，共47页，2023年，2月20日，星期二大亚湾核电站第16页，共47页，2023年，2月20日，星期二核电站远景第17页，共47页，2023年，2月20日，星期二①太阳能热发电：它是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，其基本组成与常规火力电厂相似。

②太阳能光发电：太阳能光发电不通过热过程而直接将太阳的光能转换成电能，其中光伏电池是一种主要的太阳能光发电形式，也叫光伏发电。光伏发电是把照射到太阳能电池上的光直接变换成电能的一种发电形式，它是目前太阳能发电研究的方向。（1）太阳能发电5．新能源发电太阳能发电、风力发电、地热发电、潮汐发电、生物质能发电及垃圾电厂等。

第18页，共47页，2023年，2月20日，星期二太阳能发电——光伏发电第19页，共47页，2023年，2月20日，星期二将风能转换成电能的发电方式称为风力发电。风能属于再生能源，又是一种过程性的能源，无法直接储存，还具有随机性，所以对风能的应用技术上比较复杂。图1-８是风力发电装置的示意图。由此图可以看出风力发电机生产过程的简单描述。（2）风力发电图1-8风力发电装置的示意图1—风力机2—升速齿轮箱3—发电机4—控制系统5—改变方向的驱动装置6—底板7—塔架8—控制和保护装置9—基础10—电缆线路11—配电装置第20页，共47页，2023年，2月20日，星期二风力发电厂第21页，共47页，2023年，2月20日，星期二内蒙古风能储量全国第一目前，内蒙古建有辉腾锡勒、达里、锡林浩特等几个大型风力发电厂。截至2004年底，全区累计推广小型风力发电机15.8万台，解决了15万散居牧户的基本生活用电。截至2005年底，内蒙古风力发电厂总装机容量达到16.6万千瓦，居全国第一位，2006年风力发电总装机容量发展到100万千瓦。据内蒙古工业大学能源与动力工程学院刘志璋教授介绍，内蒙古10米高度可开发利用的风能储量为1.01亿千瓦，占全国总储量的40%，居全国首位；50米高度可开发利用的风能储量为2.02亿千瓦，占全国总储量的40%。但是，由于风电成本高、投资大、价格尚未确定以及缺乏自主研发的大型风机制造技术等，内蒙古目前已经开发利用的风能还不到风能总储量的1%。内蒙古风电开发正处在发展时期，到2010年计划发展为400万千瓦。第22页，共47页，2023年，2月20日，星期二地球本身是个大热库，地热资源遍布世界各地。仅地表10公里以内就有可供开采的热能，地热能的储量很大，它的总量大约是煤炭的一亿七千万倍。但是，目前世界上实际能利用的地热资源很少，主要限于蒸汽田和热水田，这两者统称为地热田。地热电站是清洁的能源。它的发电成本比水电和火电都低，而且地热发电后排出的热水还可以供采暖、医疗、提取化学物质等利用，所以目前地热发电发展很快。（3）地热发电第23页，共47页，2023年，2月20日，星期二地热发电厂第24页，共47页，2023年，2月20日，星期二（4）潮汐发电利用潮汐的落差推动水轮机而发电称之为潮汐发电。即在海湾或河流入海口处筑起堤坝，涨潮时蓄水，高潮时关闭。退潮时形成足以使水轮机工作的落差时才开始放水，将蓄水放出，驱动水轮发电机发电。

潮汐能是地球在自转过程中，海水受月流重力牵引产生的。还有小部分潮汐是受太阳引力牵引形成的。海水涨落的周期为12小时25分钟，同时在海底造成三角流。第25页，共47页，2023年，2月20日，星期二

潮汐发电示意图第26页，共47页，2023年，2月20日，星期二中国最大的潮汐发电站：浙江江厦潮汐电站，Pe=3200KW世界最大的潮汐发电站：法国北部LaRance河，Pe=240MW

世界最高的潮汐发电站：加拿大Fundy高达39英尺，Pe=20MW

世界首座海底潮汐发电站：挪威北部KvalsundPe=300KW第27页，共47页，2023年，2月20日，星期二二、变电所的基本类型

变电所起着变换和分配电能的作用。从发电厂送出的电能一般经过升压远距离输送，再经过多次降压后才供给用户使用，所以电力系统中的变电所的数量多于发电厂，变压器的容量约是发电机容量的7~10倍。变电所分为发电厂的变电所（升压变电所）和电力网的变电所（降压变电所），根据变电所在电力系统的地位与供电范围，可以将其分为以下几类。1.枢纽变电所

1)枢纽变电所位于电力系统的枢纽点，汇集着电力系统中多个大电源和多回大容量的联络线，连接着电力系统的多个大电厂和大区域。2)电压等级一般为330~500kV。3)枢纽变电所在系统中的地位非常重要，若发生全所停电事故，将引起系统解列，甚至系统崩溃的灾难局面。

第28页，共47页，2023年，2月20日，星期二

2.中间变电所

1)中间变电所高压侧与枢纽变电所连接，以穿越功率为主，在系统中起交换功率的作用，或使高压长距离输电线路分段，它一般汇集2~3个电源，这样的变电所主要起中间环节作用。2)电压等级多为220~330kV，其中压侧一般是110~220kV，供给所在的多个地区用电并接入一些中小型电厂。3)当全所停电时，将引起区域电网解列，影响面也比较大。3.地区变电所1)地区变电所主要任务是给地区的用户供电，它是一个地区或城市的主要变电所。2)电压等级一般为110~220kV。3)若发生全所停电事故，只造成本地区或城市停电。

第29页，共47页，2023年，2月20日，星期二4.终端变电所1)终端变电所位于输电线路的末端，靠近负荷点。2)高压侧电压多为110kV或者更低（如35kV），经过变压器降压为6~10kV电压后直接向用户送电。3)若发生全所停电事故，只是所供电的用户停电，影响面较小。

分为：输电线路、配电线路三、电力线路第30页，共47页，2023年，2月20日，星期二电力系统的优越性：

（1）提高了电力网运行的可靠性（2）提高了供电的稳定性（3）提高了发电的经济性对电力系统运行的特点基本要求：特点：（1）生产、分配、输送、再分配具有同时性；（2）正常输电过程和故障过程都非常迅速；（3）电力系统的地区性特点较强，组成情况不尽相同；（4）电能生产与国民经济、人民生活的关系密切。基本要求：（1）保证供电的安全可靠性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类负荷（2）保证电能的良好质量（3）保证足够的发电功率和发电量（4）保证电力系统运行的稳定性（5）保证电力系统运行的经济性第31页，共47页，2023年，2月20日，星期二电压和频率线路额定电压正常运行电压允许变化范围35kv及以上±5%UN10kv及以下±7%UN低压照明及农业用电(+5%~-10%)Ue我国规定的电力系统的额定频率为50HZ大容量系统允许频率偏差±0.2HZ中小容量系统允许频率偏差±0.5HZ。第32页，共47页，2023年，2月20日，星期二电压的允许变化范围见表线路额定电压正常运行电压允许变化范围35kv及以上±5%UN10kv及以下±7%UN低压照明及农业用电(+5%~-10%)UN

第33页，共47页，2023年，2月20日，星期二频率主要取决于有功功率的平衡。电压主要取决于无功功率的平衡。可通过调频、调压和无功补偿等措施来保证频率和电压的稳定。电力系统的供电电压（或电流）的波形为严格的正弦形。

第三节发电厂和变电所电气设备简述

1．电气一次设备直接生产、转换和输配电能的设备称为电气一次设备。一、主要电气设备它们主要有以下几种：第34页，共47页，2023年，2月20日，星期二(1)生产和转换电能的设备如发电机、电动机、变压器等，它们是直接生产和转换电能的最主要的电气设备。(2)接通或断开电路的开关电器为满足运行、操作或事故处理的需要，将电路接通或断开的设备，如断路器、隔离开关、接触器、熔断器等。(3)限制故障电流和防御过电压的电器如用于限制短路电流的电抗器和防御过电压的避雷器、避雷针、避雷线等。(4)接地装置用来保证电力系统正常工作的工作接地或保护人身安全的保护接地，它们均与埋入地中的金属接地体或接成接地网的接地装置连接。第35页，共47页，2023年，2月20日，星期二(5)载流导体电气设备必须通过载流导体按照生产和分配电能的顺序或者说按照设计要求连接起来，常见的载流导体如母线、架空线、电力电缆等。(6)补偿装置如调相机、电力电容器、消弧线圈、并联电抗器等。它们分别用来补偿系统的无功功率、补偿小电流接地系统中的单相接地电容电流、吸收系统过剩的无功功率等。(7)仪用互感器如电压互感器和电流互感器，它们将一次回路中的高电压和大电流变成低电压和小电流，供给测量仪表和继电保护装置用。第36页，共47页，2023年，2月20日，星期二2．电气二次设备对电气一次设备进行测量、控制、监视和保护用的设备，称为电气二次设备。它们主要有：(1)测量仪表如电压表、电流表、功率表、电能表等，它们用以测量一次回路的运行参数。(2)继电保护及自动装置它们用以迅速反应电气故障或不正常运行情况，并根据要求切除故障、发出信号或作相应的调节。(3)直流设备直流设备主要用于供给保护、操作、信号以及事故照明等设备的直流供电，它们有直流发电机组、蓄电池、硅整流装置等。第37页，共47页，2023年，2月20日，星期二(4)控制和信号设备及其控制电缆控制设备是指对断路器进行手动或自动的开、合操作控制的设备。信号设备有光字牌信号、反映断路器和隔离开关位置的信号、主控制室的中央信号等。控制电缆是连接二次设备的电缆。(5)绝缘监察装置用以监察交流和直流系统的绝缘状况。第38页，共47页，2023年，2月20日，星期二二、电气设备的额定参数电气设备的额定参数------用以表明电气设备在一定条件下的长期工作最佳运行状态的特征量的值叫做额定参数。主要有额定电压、额定电流和额定容量。

额定电压-----电气设备的额定电压是按长期正常工作时具有最大经济效果所规定的电压。为使电气设备实现标准化和系列化生产，国家规定了标准电压系列如表1-5所示。

第39页，共47页，2023年，2月20日，星期二额定电流-----电气设备的额定电流是指周围介质在额定环境温度时，其绝缘和载流导体及其连接的长期发热温度不超过极限值所允许长期通过的最大电流值。（我国基准环境温度的规定40℃）电力网的额定标准电压(KV)：0.22、0.38（低压）3、6、10、35、60、110、220（高压）330、500（超高压）750、1000（特高压）第40页，共47页，2023年，2月20日，星期二额定电压的确定方法用电设备和电力网的额定电压我国用电设备的额定电压与电力网的额定电压是相等的。UN=(Ua+Ub)/2，±5%

发电机额定电压 1）可直配发电机（≯100MW）ＵG.N＝1.05ＵW.N（0.4、6.3、10.5）。2）不可直配发电机（＞100MW）13.8、15.75、18、20kV等四种。第41页，共47页，2023年，2月20日，星期二变压器额定电压①Ｕd％≥7.5或高压侧为35kV及以上ＵT2.N＝1.10ＵW.N

②阻抗电压Ｕd％＜7.5或高压侧为35kV以下或短线路ＵT2.N＝1.05ＵW.N1）一次绕组相当于用户①不与发电机直接相连（降压变）ＵT1.N＝ＵW.N②与发电机直接相连（升压变、厂变）ＵT1.N＝ＵG.N＝1.05Ｕw.N

2）二次绕组系指空载值第42页，共47页，2023年，2月20日，星期二我国交流电力网和电气设备的额定电压（kv）用电设备额定电压与电力网额定电压发电机额定电压变压器额定电压原边绕组副边绕组接电力网接发电机0.230.220.230.230.400.380.400.4033.1533.153.15及3.366.366.36.3及6.61010.51010.510.5及11353538.5606066110110121220220242330330363500500550