发电厂电气部分第二版王成江：发电厂电气部分

能源分类

按获得的方法分为一次能源和二次能源

按被利用的程度分为常规能源（煤、石油、天然气等）和新能源（风、光、潮汐等）

按能否再生分为可再生能源和非再生能源

按能源本身的性质分为含能体能源和过程性能源

电能的优点

①可以大规模生产，可以远距离输送②电能方便转换成其他形式的能量，电能易于控制 ③损耗小④效率高 ⑤使用过程中无污染、噪音小

发电厂的分类

①火力发电厂②水力发电厂③核能发电厂

火厂的分类

按燃料分类：

①燃煤发电厂②燃油发电厂③燃气发电厂④余热发电厂

按原动机分类：

①凝汽式汽轮机发电厂②燃气轮机发电厂③内燃机发电厂④蒸汽—燃气发电厂

按蒸汽压力和温度分类

火力发电厂的组成

①燃烧系统 ②汽水系统③电气系统

水电厂的分类

1、按集中落差的方式分类

(1) 堤坝式水电厂：坝后式水电厂、河床式水电厂

(2) 引水式水电厂

(3) 混合式水电厂

2、按径流调节的程度分类

无调节水电厂、有调节水电厂、日调节水电厂、年调节水电厂、多年调节水电厂

水电厂的特点

①可综合利用水能资源。除发电以外，还有防洪、灌溉、航运、供水、养殖及旅游等多方面综合效益；

② 发电成本低、效率高。

③ 运行灵活。易于实现自动化，机组启动快，从静止到带满负荷运行只需4~5min ，紧急情况可只用1min。适应负荷的急剧变化，适合系统调峰、调频和作为事故备用。

④水能可储蓄和调节。

⑤水力发电不污染环境。

⑥水电厂建设投资较大，工期较长。

⑦受河流的地形、水量及季节气象条件限制，发电量也相应制约，有丰水期和枯水期之别，因而发电不均衡。

⑧由于水库兴建，淹没土地，移民搬迁，给农业生产带来一些不利，还可能在一定程度破坏自然界的生态平衡。

抽水蓄能电厂在电力系统中的作用

①调峰②填谷③事故备用④调频⑤调相⑥黑启动⑦蓄能

核电厂的分类

①压水堆核电厂②沸水堆核电厂

我国第一个核电站：秦山核电站

变电站的分类

按地位和作用分类

①枢纽变电站②中间变电站③区域变电站④企业变电站⑤末端变电站

按建筑形式分类

①户内变电站②半户内变电站③户外变电站

一次设备：将生产、变换、输送、分配和使用电能的设备，如发电机、变压器和断路器等称为一次设备。

一次设备包括：①生产和变换电能的设备②接通或断开电路的开关电器③限制故障电流和防御过电压的保护器④载流导体⑤互感器⑥无功补偿设备

⑦接地装置

二次设备：对一次设备和系统的运行状态进行测量、控制、监视、和起保护作用的设备。

二次设备包括：①测量表计②继电保护、自动装置及远动装置③直流电源设备④操作电器、信号设备及控制电缆

电气接线：按一定的接线方式用导体连接起来所形成的电路

一次电路（电气主接线）：由一次设备按预期生产流程所连成的电路

二次电路（二次接线）：由二次设备所连成的电路

送电顺序：①高压侧隔离开关②负荷侧隔离开关③合断路器

断电顺序：①断路器②负荷侧隔离开关③电源侧隔离开关

封闭母线优点：①供电可靠②运行安全③施工安装简便，运行维护工作量小④母线相间电动力大大减小，而且基本消除了母线周围钢构件的发热

大容量送电

直流输电的优点：

①可异步运行

②可隔离故障，有利于避免大面积停电

③无同步稳定性问题，有利于长距离大容量远距离输电

④直流输电线缆，输送容量大，造价低，损耗小，不易老化，寿命长，输送距离不受限制

直流输电的缺点：

①产生AC、DC谐波

②需要40％—60％无功补偿

③换流站设备多，结构复杂，造价高，损耗较大，对运行人员要求高

导体的发热和散热

导体电阻损耗的热量Q R

主接线基本形式

①单母线接线②单母线分段接线③双母线接线

④双母线分段接线

⑤单母线分段带旁路母线的接线

⑥旁路断路器兼作分段断路器的接线

⑧3\2接线

⑧3\2接线

⑨4\3接线

单元接线

桥形接线

a：内桥接线

b：外桥接线

①内桥接线在线路故障或切除、投入时，不影响其余回路工作，并且操作简单；而在变压器故障或切除、投入时，要使相应线路短时停电，并且操作复杂。因而该接线一般适用于线路较长(相对来说线路的故障机率较大)和变压器不需要经常切换(如火电厂)的情况。

②外桥接线在运行中的特点与内桥接线相反，适用于线路较短(相对来说线路的故障机率较小，不需经常切换，因为线路投切操作不方便)和变压器需要经常切换(变压器切除、投入操作简单)的情况。当系统中有穿越功率通过主接线为桥形接线的发电厂或变电站高压侧时，或者桥形接线的2条线路接入环形电网时，都应该采用外桥接线。

多角形接线的优点：

①所用的断路器数目比单母线分段接线或双母线接线还少1台，却具有双母线接线的可靠性，任一台断路器检修时，只需断开其两侧的隔离开关，不会引起任何回路停电；

②没有母线，因而不存在因母线故障所产生的影响；

③操作方便，所有隔离开关，只用于检修时隔离电源，不作操作之用，不会发生带负荷断开隔离开关的事故。

多角形接线的缺点：

①检修任何一台断路器时，多角形就开环运行，如果此时出现故障，又有断路器自动跳开，将使供电造成紊乱；

②不便于扩建；

③由于运行方式变化大，电气设备可能在闭环和开环两种情况下工作，回路所流过的工作电流差别较大，会给电气设备的选择带来困难，并且使继电保护装置复杂化；

④不适用于回路数较多的情况

火力发电厂可分为两大类：地方性火电厂和区域性火电厂

①地方性火电厂

电厂建设在城市附近或工业负荷中心，而且，随着我国近年来为提高能源利用率和环境保护的要求，对小火电实行关停的决策，当前在建或运行的地方性火电厂多为热力发电厂，以推行热电联产，在为工业和民用提供蒸汽和热水热能的同时，生产的电能大部分都用发电机电压直接馈送给地方用户，只将剩余的电能以升高电压送往电力系统。

这种靠近城市和工业中心的发电厂，由于受供热距离的限制，一般热电厂的单机容量多为中、小型机组。

通常，它们的电气主接线包括发电机电压接线及1～2级升高电压级接线，且与系统相连接。

②区域性火电厂

区域性火电厂特点是：

属大型火电厂，建在煤炭生产基地附近，为凝汽式电厂，一般距负荷中心较远，没有发电机电压等级负荷，电能几乎全部用高压或超高压输电线路送至远方，担负着系统的基本负荷。

装机总容量在1000MW以上，单机容量为200MW以上，目前以600MW为主力机组。发电机电压侧多采用发电机－变压器单元接线、发电机－变压器－线路单元接线，升高为一个最多两个升高电压等级

发电机电压侧多采用发电机－变压器单元接线、发电机－变压器－线路单元接线，升高为一个最多两个升高电压等级

220kV～500kV的升高电压侧接线可靠性要求高，一般采用双母线、双母线带旁路、一台半断路器等接线

水力发电厂电气主接线

水力发电厂电气主接线特点是：

一般距负荷中心较远，基本上没有发电机电压负荷，几乎全部电能用升高电压送入系统。因此，主接线中可不设发电机电压母线，多采用发电机－变压器单元接线或扩大单元接线。单元接线能减少配电装置占地面积，也便于水电厂自动化调节。

水力发电厂附近地形复杂，电气主接线应尽可能简单，减少变压器和断路器的数量，使配电装置紧凑，缩小占地面积。

发电厂的装机台数和容量，是根据水能利用条件一次性确定的，不必考虑发展和扩建。因此，除可采用单母线分段、双母线、双母线带旁路及3/2断路器接线外，桥型和多角形也应用较多。

水轮发电机启动迅速、灵活方便，一般正常情况下，从启动到带满负荷只需4～5min，事故情况下还可能不到1min (火电厂则因机、炉特性限制，一般需6～8h)。因此，水电厂常被用作系统事故备用和检修备用。对具有水库调节的水电厂，通常在丰水期承担系统基荷，枯水期多带尖峰负荷。很多水电厂还担负着系统的调频、调相任务。因此，水电厂的负荷曲线变化较大、机组开停频繁，因此其接线应具有较好的灵活性，可以利用自动化装置进行操作，避免误操作。

在变电站中最简单的限制短路电流方法，是使变压器低压侧分列运行。若分列运行仍不能满足要求，则可装设分裂电抗器或出线电抗器，一般尽可能不装限流效果较小的母线电抗器。

在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器；只供本厂（站）用电的变压器，称为厂（站）用变压器或自用变压器。

限制短路电流的方法：①装设限流电抗器②采用低压分裂绕组变压器③采用不同的主接线形式和运行方式

在一定时间内，厂用电耗电量占全部发电量的百分数，称为“厂用电率”

kP = (SC / SN)×100%

kP = (SC · cosΦav / PN)×100%

其中：SC － 厂用计算负荷 SN －发电机额定视在功率 cosΦav － 平均功率因数

PN － 发电机额定功率

凝汽式火电厂：5％ ～ 8％

热电厂：8％ ～ 10％

水电厂：0.5％ ～ 1％

厂用电负荷分类

①Ⅰ类厂用负荷：不允许停电

通常设有两套设备互为备用，分别接到两个独立电源的母线上，设有电源自动投入装置（自动切换）。

Ⅱ类厂用负荷：允许短时停电（几秒至几分钟）

由两个电源供电，并采用手动切换。

Ⅲ类厂用负荷：允许较长时间停电

一般由一个电源供电。

对厂用电接线的要求

供电可靠，运行灵活。

各机组的厂用电系统应是独立的。

全厂性公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线或公用负荷母线。

充分考虑发电厂正常、事故、检修、启动等运行方式下的供电要求，尽可能地使切换操作简便，启动(备用)电源能在短时间内投入。

供电电源应尽量与电力系统保持紧密的联系。当机组无法取得正常的工作电源时，应尽量从电力系统取得备用电源，这样可以保证其与电气主接线形成一个整体，一旦机组故障时，以便从系统倒送厂用电。

充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡，尽量减少改变接线和更换设置。

厂用电接线的设计原则

① 厂用电接线应保证对厂用负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运转；

② 接线应能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求；

③ 厂用电源的对应供电性，本机、炉的厂用负荷由本机组供电，这样，当厂用电系统发生故障时，只影响一台发电机组的运行，缩小故障范围，接线也简单；

④ 设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重地采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性；

⑤ 在设计厂用电系统接线时，还应对厂用电的电压等级、中性点接地方式、厂用电源及其引接和厂用电接线形式等问题进行分析和论证。

发电厂厂用电系统接线通常都采用单母线分段接线，并以成套配电装置接受和分配电能。

因火电厂的厂用负荷大多集中在锅炉的辅助机械设备中，因此一般采用“按炉分段”的接线原则，将厂用高压母线按锅炉台数分成若干独立段。

厂用电各级电压母线均采用按锅炉分段接线方式，具有下列特点：

若某一段母线发生故障，只影响其对应的一台锅炉的运行，使事故影响范围局限在一机一炉；

厂用电系统发生短路时，短路电流较小，有利于电气设备的选择；

将同一机炉的厂用电负荷接在同一段母线上，便于运行管理和安排检修。

火电厂厂用电接线

水电厂厂用电接线

水电厂的厂用电接线也都采用单母线分段形式。

中、小型水电厂通常厂用母线只分为两段，由两台厂用变压器以暗备用方式给两段厂用母线供电；

大容量水电厂，厂用母线则按机组台数分段，每段由单独厂用变压器供电，并设置专用备用变压器。

换算系数法：厂用电负荷的计算方法常采用换算系数法，按下式计算

S－该厂用分段母线上的计算负荷(kVA)

P－电动机的计算功率(应根据前面提到的其运行方式和特点来确定)

K－换算系数，

Km－同时系数

KL－负荷率(考虑到电机实际不满载)

η－效率

cosφ－功率因数

①对经常、连续运行的设备和连续而不经常运行的设备，即连续运行的电动机均应全部计入，按下式计算对经常、连续运行的设备和连续而不经常运行的设备，即连续运行的电动机均应全部计入，按下式计算

式中PN，为电动机额定功率（kW）。

②对经常短时及经常断续运行的电动机应按下式计算

③对修配厂的用电负荷，通常按下式计算

④对照明负荷计算式为

Kd为需要系数，一般取0.8~1.0 ； PA为安装容量（kW）

事故保安电源

对200MW及以上的大容量机组，当厂用工作电源和备用电源都消失时，为确保在严重事故状态下能安全停机，事故消除后又能及时恢复供电，应设置事故保安电源，以保证事故保安负荷，如润滑油泵、密封油泵、热工仪表及自动装置、盘车装置、顶轴油泵、事故照明和计算机等设施的连续供电。

事故保安电源必须是一种独立而又十分可靠的电源，通常采用快速自动程序启动的柴油发电机组、蓄电池组以及逆变器将直流变为交流作为交流事故保安电源。对200MW及以上机组还应由附近110kV及以上的变电站或发电厂引入独立可靠专用线路，作为事故备用保安电源。

事故保安电源通常采用380/220V电压，每台机组设置一段事故保安母线，采用单母线接线。每2台发电机组设置1台柴油发电机组作为事故保安电源。热工仪表及自动装置等要求连续供电的负荷，则由直流逆变器所连接的不停电母线（每台机组设置一段）供电，其电压为220V。

对于1000MW发电机组，每台机组设置一台快速启动的柴油发电机组，作为本机的事故保安电源。每台机组设置二段380V事故保安母线，正常运行时分别由低压工作电源供电，事故时由柴油发电机组供电。

中性点接地方式

中性点不接地方式。（小电流）

单相故障时的特点：①中心点电压升高为线电压②非故障相对地电压升高为线电压③④

中性点直接接地。（大电流）

中性点经消弧线圈接地方式。（大电流）

消弧线圈补偿方式：全补偿、欠补偿、过补偿（常用）

采用全补偿、欠补偿容易产生串联谐振过电压

导体和电气设备的原理与选择

额定电压：

额定电流

短路热稳定校验

Qk为短路电流产生的热效应；

It、t 分别为电气设备允许通过的热稳定电流和时间。

电动力稳定校验

ish、Ish分别为短路冲击电流幅值及其有效值；

ies、Ies分别为电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。

导体截面选择

导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。

按导体长期发热允许电流选择

按经济电流密度选择

矩形导体应力计算

硬导体共振校验

对于重要回路（如发电机、变压器及汇流母线等）的导体应进行共振校验。按第三章所述方法，当已知导体材料、形状、布置方式和应避开的自振频率（一般为30~160Hz）时，导体不发生共振的最大绝缘子跨距Lmax为

A值

A值是各种间隔距离中最基本的最小安全净距，分为两项，A1和A2。

A1为带电部分至接地部分之间的最小电气净距；

A2为不同相的带电导体之间的最小电气净距。

B值

B值分为两项，B1和B2。

B1为带电部分至栅状遮栏间的距离和可移动设备的外廓在移动中至带电裸导体间的距离，即

B1=A1 750 （mm）

750为考虑运行人员手臂误入栅栏时手臂的长度(mm)。

B2为带电部分至网状遮栏间的电气净距，即

B2=A1 30 70 （mm）

30为考虑在水平方向的施工误差（mm）；

70为指运行人员手指误入网状遮栏时，手指长度不大于此值（mm）。

C值

C值为无遮栏裸导体至地面的垂直净距。保证人举手后，手与带电裸体间的距离不小于A1值，即

C=A1 2300 200 （mm）

2300为指运行人员举手后的总高度（mm）；

200为屋外配电装置在垂直方向上的施工误差，在积雪严重地区，此距离还应适当加大（mm）。

D值

D值为不同时停电检修的平行无遮栏裸导体之间的水平净距，即

D=A1 1800 200 （mm）

1800mm为考虑检修人员和工具的允许活动范围（mm）；

200为考虑屋外条件较差而取的裕度（mm）。

对屋内配电装置不考虑此裕度，即

D=A1 1800 （mm）

E值

E值为屋内配电装置通向屋外的出线套管中心线至屋外通道路面的距离。

35kV及以下取E=4000mm；

60kV及以上，E=A1 3500（mm），并取整数值，其中3500为人站在载重汽车车厢中举手的高度，mm。

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