第3章电气一次系统.

第三章电气一次系统电力系统按作用不同可分为一次系统和二次系统。一次系统：承担电能的输送和电能分配任务的高压系统，一次系统中所有的电气设备称为一次电气设备。二次系统：承担对一次系统的电气设备进行监视、控制、测量和保护的系统，二次系统中所有的设备称为二次设备。3.1发电工程发电厂是生产电能的核心，任务是将一次能源转换成电能.发电厂类型：燃烧煤、石油、天然气发电的火力发电厂；利用水能发电的水力发电厂；利用核能发电的核动力电厂（又称核电厂）。我国目前火力发电设备容量占的比重最大，超过70％，水电设备容量约占20％，核能发电设备容量则不足10％。另外还有太阳能发电厂、风力发电厂、潮汐发电厂和地热发电厂等。3.1.1火力发电工程1．火电厂的分类火力发电厂(以后简称火电厂)分为燃烧煤、燃烧石油和天然气的电厂；火电厂又可以分为凝汽式火电厂和热电厂．凝汽式火电厂是单一生产电能的火电厂。而热电厂既生产电能，又向用户提供热能。热电厂由于供热距离不能很远，一般建在邻近热负荷的地区，容量也不大。凝汽式电厂则可建在燃料产地，电厂容量也可以是很大的。2.火电厂的生产流程图3-1凝气式火电厂生产过程示意图3．火电厂的特点（1）火电厂布局灵活，装机容量大小可以按需要决定。（2）火电厂的一次性建造投资少，建造工期短，发电设备年利用小时数较高。(3)火电厂煤耗量大，单位发电成本比水电厂高3~4倍。(4)火电厂动力设备繁多，控制操作复杂。(5)火电厂机组启、停缓慢。(6)火电厂机组发电有最低负荷限制。(7)火电厂对空气、环境污染大。3.1.2水力发电工程水电厂是将水的位能和动能装换为电能的工厂。水电厂根据水力枢纽布置的不同，水电厂可以分为坝式水电厂、引水式水电厂、抽水蓄能式水电厂等。1.坝式水电厂坝式水电厂是用拦河筑坝方式建成水库以维持高水位。坝式水电厂又可分成坝后式和河床式两种型式。坝后式单独筑坝，坝身高，水位也高，厂房建在坝后，不承受水压，如图3—2所示。如三门峡、刘家峡、白山、丹江口等水电厂均属此类。图3—2坝后式水电厂示意图河床式水电厂适用于河床平缓地区，由于落差小，将厂房和坝建在一起，构成拦河建筑物的一个组成部分，厂房承受水的压力，适用于水头小于50m的水电厂。葛洲坝水电厂、西津电厂属于这一类。图3-3河床式水电厂结构示意图2.引水式水电厂引水式水电厂它是利用天然河道的落差集中进行发电的水电厂，一般不需要修建坝或只需修低堰。图3-4引水式水电厂结构示意图3.抽水蓄能水电厂在系统小负荷时将富余的电力把下游水库中的水抽到上游水库；在系统高峰负荷时利用上游水库中的水发电，显然该电厂在系统中起到填谷调峰的作用。图3-5抽水蓄能水电厂结构示意图4.水电厂的生产流程引水系统把发电用水从水库或上游河道经引水口进入压力管道下泄，形成高速水流进入主厂房推动水轮机转动，然后经尾水管流出厂房，排入下游河道或下一级水库。5.水电厂的特点（1）水电厂可以综合利用水力资源。（2）水电厂不用燃料，发电成本低，仅为同容量的火电厂的25%~35%，效率高。（3）水电厂运行灵活，启停迅速，无最低负荷限制，适于承担调峰、调频、事故备用。（4）水电厂设备简单，意外停机概率小，时间短（5）水能可存储和调节。（6）水能发电不污染环境。（7）水电厂投资较大，工期较长。（8）水电厂受水文条件制约，枯水期发电功率只有丰水期的30%，全年最大负荷利用小时数低。（9）由于水库的兴建，造成淹没土地，影响生态环境。3.1.3核电工程核电厂也称为核电站，是利用原子核裂变时产生的核能转变为电能，即原子反应堆中核燃料（如铀等）裂变放出热能产生蒸汽（代替火电厂中的锅炉），驱动汽轮机，带动发电机旋转发电。核电厂根据核反应堆的类型可分为压水堆式、沸水堆式、气冷堆式、重水堆式等。1核电厂的生产流程核电厂包含两个部分，即一回路系统和二回路系统.一回路系统中的冷却剂轻水（H2O），少数用重水（D2O）在主泵作用下送入核反应堆，经反应堆加热吸收大量热量，途经蒸汽发生器时，把热量传递给二次回路系统的水，产生蒸汽进入汽轮机，汽轮机旋转带动发电机发电。图3-6压水堆式核电厂结构示意图2．核电厂的特点（1）核电厂建设费用高，燃料费用便宜。（2）带固定负荷运行。（3）为保证核反应堆的安全，不参与系统得调节。3.1.4风力发电工程将风能转换为电能的发电厂，称为风力发电厂。风力发电是利用风力机（又称为风车）将风能转换成机械能、再转换为电能的。它通常有3种运行方式.1.独立运行方式通常一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电.2.风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电.3.风力发电并入常规电网运行，向大电网供电，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向.3.1.5太阳能发电工程将太阳能转换为电能的发电厂称为太阳能发电厂,又叫太阳能电站。太阳能发电厂的最小器件是为太阳能电池单体，单体的工作电压为0.45~0.5V，工作电流为20~25mA/cm2，将多个电池单体串、并联后封装后构成太阳能电池组件，其功率可达到几百瓦。将多个电池组件串、并联后构成太阳能电池方阵。将多个电池方阵并联后构成太阳能电站。优点:无噪声、无污染、故障率低、维护简单；缺点是成本太高，目前不能普遍推广。3.1.6其他能源发电工程1．地热发电所谓地热就是地球内部蕴藏的热能。对地球言，从地壳到地幔再到地核其温度是逐步增高的。表3-1地球内部的温度地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类根据地热流体的类型，目前有两种地热发电方式，即蒸汽型地热发电和热水型地热发电。蒸汽型地热发电是把干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但干蒸汽地热资源十分有限，且大存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制。热水型地热发电是地热发电的主要方式，目前有闪蒸系统和双循环系统两类。工作原理都是将地热水产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机发电。2．氢能发电氢是21世纪人类最理想的能源之一，它的热值高、密度小，易着火、燃烧快，储存、输送方便，可从其他能源转化而来，燃料产物是洁净的水，没有环境污染问题。（1）燃料电池燃料电池是将石油、天然气、煤等转换成氢气，以氢作为燃料电池中的燃料，通过化学反应过程由氧化作用释放出的化学能直接转换为电能的一种发电装置。燃料电池的优点：能量转换效率高；污染排放物少，噪声低，振动小；负荷应变速度快，起动时间短。（2）氢直接产生蒸汽发电。与常规火电厂相似，采用汽轮机为热动力机，区别在于用紧凑、高效、无污染的燃烧室蒸汽发生器取代锅炉。（3）氢直接作为燃料发电。在普通内燃机中以氢为燃料，内燃机直接带动发电机发电.3．海洋能发电海洋能有两种不同的利用方式：一种是利用海水的动能，如潮汐、海流有规则的动能和无规则的波浪动能；另外一种是利用海洋不同深度的温差通过热机来发电。(1)潮汐能发电。潮汐能是以位能形态出现的海洋能。潮汐电站可以是单水库或双水库。单水库潮汐电站利用水库的特殊设计和水闸的作用涨潮、落潮时均发电，只是水库内外水位相同的平潮时不发电。双水库潮汐电站能够全日连续发电。(2)波浪能发电。波浪能是以动能形态出现的海洋能。目前波浪能发电装置就原理来说大致分为三种利用海面波浪的上下运动产生空气流或水流而使轮机转动.利用波浪装置前后摆动或转动产生空气流或水流而使轮机转动.把低压大波浪变为小体积高压水，然后把水引入某一高位水池积蓄起来，使其产生一个水头，从而冲动水轮机。波浪能发电装置按其位置不同分为海岸式和海洋式两类。（3）海洋温差发电.温差能是以热能形态出现的海洋能，又称为海洋热能。海洋温差发电主要采用开式和闭式两种循环系统。4．磁流体发电磁流体发电是一种将热能转换成电能的新型发电方式，其原理与传统的发电方式一样均为电磁感应现象。它是利用高温导电流体高速通过磁场，在电磁感应的作用下将热能转换成电能的。磁流体发电的优点：发电效率高；磁流体发电机没有高速旋转部件，它本身是一个结构简单的静止机械；机组容量大；机组起动快；环境污染少。磁流体发电的应用：作为经常满载运行的基本负荷电站；使用于各种特殊要求的情况下，如作紧急备用和承担尖峰负荷的发电装置；在军事方面可用作导弹、激光武器、雷达装置和宇宙发射站的脉冲电源以及航空照明电源等.3.2电气主接线电气主接线是指用规定的设备文字和图形符号并按电气设备的实际功用顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线电路图。电气设备名称文字符号图形符号电气设备名称文字符号图形符号刀开关QK母线W断路器（自动开关）QF导线、线路W隔离开关QS三相导线负荷开关QL端子X熔断器FU电缆及其终端头熔断器式开关S交流发电机G电气设备名称文字符号图形符号电气设备名称文字符号图形符号阀式避雷器F交流电动机M三相变压器T单相变压器T三相变压器T电压互感器TV电流互感器（具有一个二次绕组）TA三绕组变压器T电流互感器（具有两个铁心和两个二次绕组）TA三绕组电压互感器TV电抗器L电容器C电力系统的中性点运行方式AUBUCUOCa)中性点不接地1．中性点非有效接地方式AUBUCUOCLb)中性点经消弧线圈接地优点：可靠性高。在正常运行时，各相对地分布电容相同，三相对地电容电流对称且其和为零，各相对地电压为相电压。这种系统中发生一相接地故障时，不构成短路，按规程线路可不跳闸继续运行2小时，以不停电排除故障，线间电压不变，三相用电设备仍可暂时正常工作。缺点：发生一相接地故障时，非故障相对地电压升高到原来相电压的√3倍。故障相电容电流增大到原来的3倍。电气设备的绝缘必须按线电压来选择，要求较高。C相故障发生后，线间电压保持不变，故障相对地电压Uc（1）和中性点对地电压U0（1）可表示为（Uc为正常情况下相电压）：若单相接地电容电流超过规定值会产生电弧放电，这时应采取中性点经消弧线圈或者电阻接地的运行方式。AUBUCUOCc)中性点直接接地2．中性点直接接地方式缺点：这种运行方式发生一相对地绝缘破坏时，就构成单相短路，接地电流很大，继电保护装置立即动作，线路主断路器跳闸，使供电中断，可靠性会降低。优点：这种方式下的非故障相对地电压不变，电气设备绝缘按相电压考虑，绝缘要求不高。在中性点直接接地的低压配电系统中，如为三相四线制供电，可提供380／220V两种电压，供电方式更为灵活，在非故障相可接入单相负荷。运行方式选择1.我国电力系统中，110KV以上的高压系统，为降低绝缘要求，多采用中性点直接接地运行方式2.6～35KV中压系统为提高供电可靠性首选中性点不接地运行方式，当接地电流太大时，可采用经消弧线圈或者电阻接地的运行方式3.低于1KV的低压系统，考虑到单相负荷的使用，均采用中性点直接接地运行方式3.2.1电气主接线的基本要求与倒闸操作的基本原则1．电气主接线的基本要求（1）运行可靠性要求。保证连续供电，在事故状态下尽量缩小停电范围和停电时间，在设备检修时尽可能不停电，因此要求结线灵活。（2）灵活性要求。在满足可靠性的条件下，主要体现在操作、调度和扩建的方便性上。（3）经济性要求。在满足可靠性和灵活性的前提下要注意节省一次投资，减少占地面积，减少电能损耗。2．倒闸操作的基本原则倒闸操作是指将电气设备由一种状态转变为另一种状态的操作，如拉开或合上某些断路器、隔离开关、拆除或装设临时接地线等。倒闸操作是电力系统方式切换的重要环节，它的正确与否会直接影响到电网的安全运行。故要遵守严格的倒闸操作基本原则：（1）停电操作按照“拉开断路器→拉开线路侧隔离开关→拉开母线侧隔离开关”，送电顺序与送电顺序刚好相反即“合上母线侧隔离开关→合上线路侧隔离开关→合上断路器”。（2）合上隔离开关之前，必须检查对应的断路器是否在断开位置，防止隔离开关带负荷合闸或拉闸。（3）起用母线或旁路母线时，应遵守先充电检查，判断是否有故障存在，然后再接入使用。3.2.2主接线的基本接线形式变电所电气主接线基本形式可分为：有汇流母线（第1~4种接线形式）与无汇流母（第5~7种接线形式）两大类，前者又可概括为