发电厂及变电站电气设备第1章

第1章绪论教学要求：了解我国电力工业发展概况：掌握电力系统基本概念及发电厂、变电站常见类型；了解发电厂、变电站常用电气设备；掌握额定电压确定方法。1.1电力工业发展概况及前景电力工业是国民经济一项基础工业和国民经济发展先行产业,它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源工业，它为国民经济其他各部门快速、稳定发展提供足够动力，其发展水平是反映国家经济发达程序重要标志。中国电力工业从1982年有电以来，至今已经走过100多年发展历程。建国前67年间，民不聊生，百废待兴，电力工业发展步履蹒跚，发展缓慢。从1882年在上海建立第一个火电厂，1912年在昆明滇池石龙坝建立第一座水电站开始，至1949年全国解放，多年来全国总装机容量仅增至185kw，年发电量43亿kw．h，居世界第25位；110kV电压等级电力系统仅东北有两个，总容量不超过72kW。发电厂大部分集中在东北和沿海城市，设备陈旧，类型庞杂，规格极不统一，效率低，安全可靠性很差。新中国成立后，人民扬眉吐气、经济蒸蒸日上，电力工业大步前进，快速发展。到1978年，在不到30年时间里，全国发电装机容量达到5712万kw，年发电量达到2566亿kwh，分别比1949年增长了29.9倍和58.7倍，装机容量和发电量分别跃居世界第8位和第7位。电网也初具规模，建成了330kv和220kv输电线路535km和22672km。改革开放之后电力工业加快了发展步伐，1987年全国发电装机容量实现了历史性突破，达到了1亿kw，此后，电力工业连续每年新投产发电机组都超过1000万kw，从1987年后仅用7年时间到1995年3月，全国发电装机容量翻了一番，跨上了2亿kw台阶，1995年后又仅用5年时间到2000年，全国发电装机容量又跨上了3亿kw台阶。这期间，我国发电装机容量和发电量先后跃过法国、英国、加拿大、德国、俄罗斯和日本等发达国家和经济大国，于1996年底跃居世界第2位，仅次于美国。截止2001年底，全国发电装机容量和发电量分别达到3.3861亿kw和14839亿kwh(不含台湾和港澳地区),成为一个世界电力大国。从1988年至2001年这十多年间,我国电力工业得到了飞速发展,大区联网和西电东送联网建设不断加强，相应城乡电网也得到了改造和加强，到2001年底，我国220kv及以上线路达到17.66万km，变电容量达到4.73亿kvA。针对我国能源结构实际情况，我国电源发展实施了“优先开发水电，大力发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”方针，使电源发展呈现多种能源互补格局。到2001年底，全国水电装机达到8301万kw，火电达到25314万kw，核电达到210万kw，风力和新能源发电达到37万kw。在水电方面，我国取得了骄人成绩，有许多世界之最，1994年12月开工建设长江三峡工程是世界上最大电站，总装机容量为18200MW,是目前世界上最大巴西伊泰普水电站1.4倍；已建成装机容量为240万kw广州抽水蓄能电站是世界最大抽水蓄能电站；西藏羊卓雍湖水电站是世界上海拔最高电站。目前，我国电力工业已开始进入“大机组”、“大电网”、“超高压”、“高自动化”发展新阶段，科技水平不断提高,调度自动化、光纤通信、计算机控制等高新技术，已在电力系统中得到了广泛应用。现在,我国已经掌握了先进30万kw，50万kw和超临界60万kw火电机组、100万kw级核电机组和500kV交直流输变电工程设计、施工、调试和运行技术，掌握了180m级各类大坝筑坝技术，大型电站设计，施工技术；各大电网计算机监控调度系统进入实用化阶段，电网运行和调度实现了自动化，现代化。展望21世纪中国电力，我们坚信：中国电力工业必将展现更加美好前景，中国一定能够成为世界电力强国。1.2电力系统基本概念1.2.1电力系统为了提高供电可靠性和经济性，目前广泛地将分散于各地区众多发电厂用电力网连接起来并联工作，以期实现大容量、远距离输送，将电能输送到远方电力负荷中心。这些由发电厂、升压变电所、输电线路、降压变电所及电力用户所组成统一整体，称为电力系统。电力系统加上带动发电机转动动力装置构成整体称为动力系统。其中，由各类升压变电所、输电线路、降压变电所组成电能传输和分配网络称为电力网。动力系统、电力系统和电力网三者联系与区别如图1-1所示。图1-1电力系统及动力系统示意图1.2.1.1发电厂发电厂是电力系统中心环节，它是把其他形式一次能源转变成二次能源一种特殊工厂。按其所用能源划分主要有火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电站、潮汐发电站等，此外还有地热发电、太阳能发电、垃圾发电和沼气发电等。按发电厂规模和供电范围又可分为区域性发电厂、地方发电厂和自备专用发电厂等。（1）火力发电厂。火力发电厂是利用煤、石油、天然气或油页岩等燃料化学能生产电能工厂。火力发电厂中原动机可以是凝汽式汽轮机、燃汽轮机或内燃机，我国大部分火力发电厂采用凝汽式汽轮发电机组，称为凝汽式火力发电厂。图1-2为凝汽式火力发电厂生产过程示意图，具体过程如下：首先通过燃烧将燃料化学能转变为热能，加热锅炉中水使之变成高温高压蒸汽，过热蒸汽经主蒸汽管进入汽轮机，推动汽轮机转子旋转，将热能转换为机械能，汽轮机带动联轴发电机旋转发电，将机械能转换为电能。在汽轮机内作完功蒸汽经凝汽器放出汽化热而凝结成水后，再送回锅炉，如此重复，循环使用。由于凝汽式发电厂运行时需要将作过功蒸汽经凝汽器凝结成水，这样大量热量被循环水带走，所以热效率较低，只有30%~40%，宜建在燃料产地。为了减少循环水带走热量以提高火力发电厂热效率，可将部分作过功蒸汽从汽轮机中段抽出直接供给热用户，这种既发电又供热火力发电厂称为热电厂，其效率可上升到60%~70%，一般建在大城市及工业区附近。图1-2凝气式火力发电厂生产过程示意图（2）水力发电厂。水力发电厂（通常称水电站）是利用江河水流水能生产电能工厂。它基本生产过程是：从河流较高处或水库内引水，利用水压力或流速冲动水轮机旋转，将水能转变为机械能，然后水轮机带动发电机旋转，将机械能转变为电能。水电站装机容量与水头、流量及水库容积有关。按集中落差方式，水电站一般分为堤坝式、引水式和混合式三种；按主厂房位置和结构又可分为坝后式、坝内式、河床式、地下式等数种；按运行方式则分为有调节水电站、无调节（径流式）水电站和抽水蓄能电站。抽水蓄能电站是一种特殊形式水力发电厂，由高落差上下水库和水轮机-发电机-抽水机可逆机组构成，可实现对电能调节，利用夜间用电低谷时或丰水期剩余电力，将下水库水抽回到上水库内储存能量，此时机组按电动机-水泵方式工作，待峰荷或枯水时，上水库放水释放能量发电，此时机组按水轮机-发电机方式工作。抽水蓄能电站可以作为调频、调相和作为系统备用容量，一般可与发电出力稳定核电厂配合使用。（3）核电厂。核电厂是利用核能发电工厂，其发电过程与火力发电过程相似，不同是以核反应堆和蒸汽发生器代替了锅炉设备，如图1-3所示。在核反应堆中，铀在慢中子撞击下产生链式反应，使原子核分裂，放出巨大能量，核能转变为热能后将水变为高温高压蒸汽，进入蒸汽发生器内推动汽轮发电机组发电。核电厂能取得较大经济效益，所需原料极少，如一个百万千瓦电厂，火力发电厂一年约需300万吨燃料，而核电厂仅需30吨燃料。目前世界上已投入运行有200多座，预计今后核电站将成为主要电源之一.除以上三种主要能源利用外，其他各种形式一次能源也都逐步得到了利用，如风力发电、地热发电、潮汐发电、太阳能发电、沼气发电等，生物发电、海水波浪发电，特别是卫星电站正在开发之中。图1-3核电厂生产过程示意图1.2.1.2变电站变电站是汇集电源、升降电压和分配电力场所，是联系发电厂和用户中间环节。变电站有升压和降压之分。升压变电站通常是发电厂升压站部分，紧靠发电厂。降压变电所通常运离发电厂而靠近负荷中心。根据变电站在电力系统中所处地位和作用，可分为：（1）枢纽变电站。枢纽变电站位于电力系统枢纽点，电压等级一般为330KV及以上，联系多个电源，出线回路多，变电容量大；全站停电后将造成大面积停电，或系统瓦解，枢纽变电站对电力系统运行稳定和可靠性起着重要作用。（2）中间变电站。中间变电站位于系统主干环线或系统主要干线接口处，电压等级一般为330KV~220KV，汇集2~3个电源和若干线路，高压侧以穿越功率为主，同时降压向地区用户供电。全站停电后将引起区域电网解列。（3）地区变电站。地区变电站是一个地区和一个中、小城市主要变电站，电压等级一般为220KV~110KV，全站停电后将造成该地区或城市供电紊乱。（4）企业变电站。企业变电站是大、中型企业专用变电站，电压等级一般为35KV~220KV，1~2回进线。（5）终端变电站。终端变电站位于配电线路终端，接近处，高压侧10~110KV引入线，经降压后向用户供电。1.2.1.3电力网电力网是由变电站和不同电压等级输电线路所组成，其作用是输送、控制和分配电能。按供电范围、输送功率和电压等级分为地方电力网和区域电力网。地方电力网一般电压等级为110kV及以下。区域电力网则为110kV以上，供电范围广，输送功率大。10kV及以下电力网一般称为配电网。电力网按结构特征又分开式和闭式电力网两种。凡用户只能从单方向得到供电叫开式电力网；用户可从两个或两个以上方向得到供电叫闭式电力网。按电压等级电力网分为低压（1kV及以下）、高压（1~330kV）、超高压（330~1000kV）和特高压（1000kV以上）几种。1.2.2电力系统优越性把分散于各地区发电厂通过电力网与分散在各负荷中心用户连接起来形成电力系统后，使发电、供电和用电成为一个整体，在技术和经济上具有一系列优点：（1）提高了电力网运行可靠性系统中一个发电厂发生故障时，其它发电厂照样可以向用户供电；一条输电线路发生故障时，用户还可以从系统中不同部分取得电源。因而具有合理结构电力系统可靠性大为增高。（2）提高了供电稳定性电力系统容量较大，个别大负荷变动即使有较大冲击，也不会造成电压和频率明显变化。小容量电力系统或孤立运行电站则不同，较大冲击负荷很容易引起电网电压和频率较大波动，影响电能质量。严重甚至将系统冲垮，即系统或机组间解裂，造成整体供电中断。（3）提高了发电经济性联成和扩大电力系统可合理利用资源，提高经济效益。如果没有电力系统，很多能源会变得难以充分利用，如在电力系统中可实现水电和火电之间相互调济：丰水期可多发水电，少发水电，少发火电，节约燃料；枯水期则多发火电以补充水电。其它如具有不同调节性能和特性水电站之间，以及风力、潮汐、太阳能和核电站等，只有与较大系统相接，才能相互配合，实现经济调度，达到合理利用资源，提高经济效益目。联成和扩大电力系统可提高发电平均效率和其他经济指标。只有在大电力系统内才能采用大容量机组，从而获得较高发电效率，较低相对投资和较低运行维护费用。此外，在电力系统内，在各发电厂之间可以合理地分配负荷，可以让效率高机组多发电，在提高平均发电效率上实现经济调度。联成和扩大电力系统可减小总装机容量。电力系统中综合最大负荷常小于各发电厂单独供电时各片最大负荷总和。这是因为不同地区间负荷性质差别、负荷东西时差和南北季差等，有利于错开各地区高峰负荷，导致减小系统中综合最大负荷，从而减小了总工作容量。每座孤立运行电站至少要有一台备用机组，以备工作机组检修或故障时投入运行，保障继续供电。在电力系统中，各发电厂机组之间可以相互备用，还可以错开检修时间，故系统备用容量只需系统总容量10%~15%，远小于各发电厂孤立运行时单站备用容量之和。系统总装机容量（等于工作容量加备用容量）减小，降低了电站综合投资和电能生产费用。1.2.3电力系统运行特点及运行要求由于电能生产、输送和使用本身所固有特点，以及连接成电力系统后出现新问题，决定了电力系统运行与其他工业生产过程相比具有许多不同特点：1.电能难以储存，电能生产、分配、输送、再分配直至使用必须在同一时刻完成，即在任一时刻，在系统中必须保持电能生产、输送和使用处于一种动