第三章电气设备的分类与系统.pptx

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第三章电气设备的分类与系统,3.1发电系统3.2输变电系统3.3配电系统3.4电力系统负荷,3.1发电系统,一、火电厂,一次能源：

煤炭、石油、天然气等。

能量转换过程：

燃料化学能热能机械能电能,1、火电厂的分类,3.1发电系统,3.1发电系统,2、火电厂的生产过程,凝汽式火电厂的生产过程示意图,3.1发电系统,3、火电厂的主要系统,燃烧系统：

燃料灰渣，风（空气）烟气水蒸汽,电气系统：

发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变压器等。

汽水系统：

蒸汽水、循环水（冷水热水）,3.1发电系统,布局灵活，容量大小可按需决定；一次性建造投资少、工期短,年利用小时数高；耗煤量大，生产成本高；开、停机时间长，耗能大；需按计划发电；对环境污染大。

4、火电厂的特点,3.1发电系统,江苏谏壁发电厂始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安装10台机组，总容量162.5万千瓦，年发电量在100亿度左右，成为80年代末到90年代初国内最大的火力发电厂。

3.1发电系统,二、水力发电厂,一次能源：

江河水流的位能能量转换过程：

水的位能机械能电能装机容量：

1、水电厂的分类,根据抬高水位的方式,堤坝式水电厂引水式水电厂抽水蓄能式水电厂,3.1发电系统,2、水电厂的特点,水能是可再生资源可综合利用水能资源发电厂成本低，效率高运行灵活水能可储存和调节,优点,3.1发电系统,建设问题：

投资大、工期长，存在库区移民、淹没耕地、破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。

运行问题：

发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大，分丰水期和枯水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。

存在问题,长江三峡水电站坝长2309m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装机容量1820万kW（26700MW），年发电量86.5TWh；库区将淹没耕地36万亩，淹没城镇129座，需安置迁移人口113万；电站于93年起步，首批机组于2003年10月发电，以后每年投产4台机组（280MW），2009年全部机组建成投产。

三峡电站发出的强大电力将送往华中、华东地区和广东省。

电站将引出15条超高压交流输电线路，其中3条线路通过换流站将交流电转换成直流电后，再通过500k直流输电线路，2条送往华东、1条送往广东。

三期导流图,三峡大坝模型,三峡大坝由多个功能模块组成，从左至右（面向下游）依次为永久船闸、升船机、泄沙通道（临时船闸）、左岸大坝及电站、泄洪坝段、右岸大坝及电站、山体地下电站等。

升船机的最大提升高度为113米，供3000吨以下船只通过大坝，用时约40分钟；永久船闸是双线五级船闸，供3000吨以上船只从这里翻过大坝，用时约3.5小时。

三峡工程综合效益,防洪：

三峡水库正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，能有效地控制长江上游洪水，保护长江中下游荆江地区1500万人口、2300万亩土地，是世界上防洪效益最为显著水利工程。

发电：

三峡水电站装机总容量为1820万kW，年均发电量847亿kWh。

以直线距离1000公里为半径，全国除辽宁、吉林、黑龙江、新疆、西藏、海南、台湾7省区外，其余地区的主要城市和工业基地都在这个范围内。

航运：

它将改善航运里程660公里，使重庆至宜昌航道通行的船队吨位由现在的3000吨级提高至万吨级，年单向通过能力由1000万吨提高到5000万吨。

三峡的供电范围,3.1发电系统,3、抽水蓄能电厂,工作原理,电力负荷低谷时（或丰水期），利用电力系统的富裕电能（或季节性电能），将下游水库的水抽到上游水库，以位能的形式储存起来；待到电力系统负荷高峰时（或枯水期），再将上游水库的水放出，驱动水轮发电机组发电。

抽水蓄能电厂在电力系统中的作用,调峰填谷调频调相,蓄能备用黑启动,广州抽水蓄能电站为目前世界上最大的抽水蓄能电站，是为大亚湾核电站安全经济运行而建设的配套工程，同时还承担着广东、香港电网的调峰填谷和事故备用的任务。

电站总装机总装机容量2.4GW（8300MW），分两期建设，每期4台，设计水头535m，电站一期工程于1989年5月25日开工且1993年6月29日1号机投产，二期工程于1994年9月12日开工，至2000年3月14日8号机投产。

3.1发电系统,三、核能发电厂,一次能源：

核能能量转换过程：

核燃料热能机械能电能,1、核电厂的组成,核系统和设备常规系统和设备,核反应堆的分类：

轻水堆（包括沸水堆和压水堆）、重水堆和石墨冷气堆等。

3.1发电系统,2、核能发电的优缺点,节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。

不需空气助燃，可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。

比火电厂造价高，但发电成本低30%50%，规模越大越合算。

存在问题：

放射性污染。

秦山核电站位于杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2300MW。

1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。

它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。

大亚湾核电站位于深圳市东部大亚湾畔，为我国目前最大的核电站。

大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。

核电站安装有两台单机容量为900MW的压水堆反应堆机组。

1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运。

大亚湾核电站每年发电量超过100亿度，其中七成电力供应香港，三成电力供应广东电网。

3.1发电系统,四、风力发电,一次能源：

风能能量转换过程：

风力的动能机械能电能,1、风力发电机组,目前，大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成。

水平轴风力发电机垂直轴风力发电机,3.1发电系统,达板城风力发电厂装机容量7.23万千瓦，占全国的30%,3.1发电系统,2、风力发电的运行方式,独立运行并网运行,3、风力发电的特点,优点：

是一种取之不尽、用之不竭的自然能源，不需要燃料、没有污染、运行成本低。

缺点：

有一定的随机性和不稳定性，必须配有蓄能装置。

3.1发电系统,五、太阳能发电,一次能源：

太阳能能量转换过程：

太阳能热发电光能热能机械能电能太阳能光伏发电光能电能,优点：

是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。

不需要燃料、生产成本低、不产生污染。

缺点：

受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大。

太阳能发电的特点：

3.1发电系统,六、其它能源发电,2、海洋能发电,1、地热发电：

地热能电能电能生产过程与火电厂相似，用地热井取代锅炉设备。

潮汐能发电波浪能发电海流能发电,海水温差能发电海水盐差能发电,羊八井电厂是我国最大的地热电厂，总装机容量为25.18MW，水温约150，担负拉萨地区50%的供电任务。

电站由5眼地热井供水，单井产量为75160立方米小时。

羊八井地热电厂,羊八井地热温泉,法国郎斯潮汐电站示意图,法国朗斯潮汐电站,法国郎斯电站1967年建成，位于法国圣马洛湾郎斯河口。

一道750米长的大坝横跨郎斯河。

坝上是通行车辆的公路桥，坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。

郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机，涨潮、落潮都能发电。

总装机容量24万千瓦，年发电量5亿多度，输入国家电网。

江厦潮汐电站是中国第一座双向潮汐电站，位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港。

1980年5月第一台机组投产发电。

电站装有双向贯流式机组6台，总装机容量3200干瓦，年发电量600万度，可昼夜发电1415小时。

规模仅次于法国郎斯潮汐电站、加拿大芬地湾安娜波利斯潮汐电站，居世界第三。

3.2输变电系统,一、输变电系统的组成,输变电系统包括变电站和输电线路。

输变电系统的组成：

变换电压的设备接通和开断电路的开关防御过电压、限制故障电流的电器无功补偿设备载流导体接地装置,3.2输变电系统,输变电系统中的主要设备，按功能和输变电流程连接而成的电路称为电气主接线，也称为电气一次接线或一次系统。

下图为110/10kV降压变电站电气主接线图。

3.2输变电系统,二、输变电系统接线,地理接线,电力系统中各发电厂、变电站的相对地理位置和它们之间的连接关系。

电气接线,电力系统中各主要元部件之间和厂站之间的电气连接关系，不反映发电厂、变电站的地理位置。

3.2输变电系统,电气主接线图,用规定的符号将发电机、变压器、母线、开关电器和输电线路等有关电气设备，按电能流程顺序连接而成的电路图。

3.2输变电系统,a）放射式b）干线式c）链式,无备用接线：

每一负荷只能从一条线路获得电能。

包括放射式、干线式和链式网络。

优点：

简单明了、运行方便，投资费用少。

缺点：

供电的可靠性差。

3.2输变电系统,有备用接线：

每一负荷至少可以通过两条线路以不同的方式获得电能。

包括双回路、单环式、两端供电。

优点：

供电可靠性高，适用于对一级负荷供电,3.2输变电系统,三、电气主接线,1、有汇流母线接线,只有一组母线的接线称为单母线接线。

单母线接线,3.2输变电系统,把单母线分成两段，并在两段之间装设能够分段运行的开关电器，称为单母线分段接线。

分段运行：

正常情况下分段开关是打开的。

并列运行：

正常情况下分段开关是闭合的。

单母线分段接线,3.2输变电系统,单母线分段带旁路母线接线,分段器又兼旁路断路器，加装旁母的目的是检修进、出线断路器时，可以不中断回路的供电。

3.2输变电系统,双母线接线,每一回路都通过一台断路器和两组隔离开关与两组母线相连，其中一组隔离开关闭合，另一组隔离开关打开，两组母线之间通过母线联络断路器（简称母联）连接起来。

3.2输变电系统,双母线分段接线,工作母线分为两段，备用母线不分段。

分段断路器回路中接入分段电抗器R，当任一分段母线故障时，R可限制相邻分段母线供给的短路电流。

3.2输变电系统,双母线带旁路母线接线,3.2输变电系统,一台半断路器的接线,两母线之间，每串接有三台断路器，两条回路，每两台断路器之间引出一回路，故称为一台半断路器接线，又称2/3接线。

3.2输变电系统,2、无汇流母线电气主接线,单元接线,发电机与变压器直接连接组成单元接线。

扩大单元接线,3.2输变电系统,桥形接线,当具有两台变压器和两条线路时，在线路变压器单元接线的基础上，在其中间跨接一连接“桥”，便构成桥形接线。

3.2输变电系统,角形接线,角形接线的断路器数等于回路数，每条回路都与两台断路器相连接。

3.2输变电系统,四、高压直流输电,1、高压直流输电的发展,1954年瑞典投入了世界上第一条直流海底电缆。

1961年英法海峡联络线建成。

1962年前苏联的伏尔加格勒顿巴斯联络线建成。

1965年日本佐久间变频站建成。

3.2输变电系统,葛洲坝上海高压直流输电线路,3.2输变电系统,换流站场景,3.2输变电系统,1、基本原理,右图为直流输电的基本原理图。

3.2输变电系统,线路的直流电流,传输功率,高压直流输电的电能转换方式为交流直流交流。

3.2输变电系统,2、高压直流输电系统的主要电气设备,换流器,实现交流电与直流电之间的变换。

为三相桥式环流电路，一个换流桥有6个桥臂。

换流变压器,一次绕组与交流电力系统相连，二次绕组与换流器交流端相连。

通常带有有载调压分接头，交流变压器地直流侧通常为三角形或星形中性点不接地接线。

3.2输变电系统,平波电抗器,抑制直流电流变化时的上升速度，减少直流线路中电压和电流的谐波分量。

无功补偿装置,换流器在运行时需要从交流系统中吸收大量无功功率，需用无功补偿装置为换流器提供无功电源。

滤波器,换流器运行时，交流侧和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，需安装参数合适的滤波器抑制谐波。

3.2输变电系统,直流断路器：

切除故障。

交直流避雷器：

限制过电压。

直流互感器,控制及保护设备,3.2输变电系统,3、直流输电的优、缺点和应用,直流输电的优点,线路造价低、年运行费用省。

没有交流输电的运行稳定性问题。

能限制短路电流。

调节速度快，运行可靠。

3.2输变电系统,直流输电的缺点,直流换流站比交流变电站投资大、运行费用高。

消耗大量的无功功率。

产生谐波影响。

缺乏直流断路器。

3.2输变电系统,直流输电的应用,远距离大容量输电。

海底电缆送电。

交流电力系统之间的非同步联络。

向用电密集的大城市供电。

3.3配电系统,一、配电系统的基本概念,配电系统处于电力系统末端，把发电或输变电系统与用户设备连接起来，向用户分配和供给电能的重要环节，包括配电变电站、高低压配电线路及接户线在内的整个电网及其设备。

配电系统的电压等级包括：

110kV、63kV、35kV、10kV、6kV、220/380V,3.3配电系统,供电可靠率一年中对用户有效供电时间和总时间之比。

网损率电网电能损耗量与总供电量之比。

电压合格率系统某点电压在统计时间内电压合格的时间占总时间的百分比。

3.3配电系统,二、配电系统的结构,以单一的10kV电压供电的配电网络我国大多数中、小城市的配电网络,将220kV电压引入市区的配电网络我国一些特大城市,以10kV和110kV电压供电的配电网络国外特大城市配电系统，我国较少使用,以10kV和35kV电压供电的配电网络我国一些较大的中等城市的配电网络,3.3配电系统,三、配电系统的开关设备,1、重合器,一种具有控制及保护功能的自动化开关设备，能检测故障电流，在检测到后能在给定时间内开断故障电流，并能进行给定次数的重合。

按相数分类,单相重合器,三相重合器,单相跳闸三相闭锁,三相跳闸三相闭锁,3.3配电系统,按控制方式分,液压控制式：

跳闸线圈检测过电流,电子控制式：

电流变换器检测过电流,按灭弧介质分,油真空六氟化硫,3.3配电系统,重合器的动作特性,瞬时动作特性（快速动作特性）,延时动作特性（慢速动作特性）,可按最大可重合次数整定为“一快二慢”、“二快二慢”、“一快三慢”等。

3.3配电系统,采用重合器的优点,提高重合闸的成功率缩小停电范围提高自动化程度维修量小节省变电站的综合投资和运行费用,3.3配电系统,2、分段器,一种与电源侧前级开关配合，在失压或无电流的情况下自动分闸的开关设备。

电压时间型分段器,根据加压、失压的时间长短控制其动作，失压后分闸，加压后合闸或闭锁。

过流脉冲计数型分段器,与前级断路器和重合闸配合使用，在一段时间内，能记忆前级开关设备开断故障电流动作次数。

3.4电力系统负荷,一、电力系统负荷的基本概念,电力系统的负荷指电力系统中各种用电设备在某一时刻消耗功率的总和。

电力系统负荷（用户负荷）供电负荷发电负荷,3.4电力系统负荷,电力系统负荷分类：

按用电部门的属性划分,按负荷的大小划分,最大负荷（最高负荷或尖峰负荷）最小负荷（最低负荷或低谷负荷或基荷）平均负荷,按供电可靠性划分,3.4电力系统负荷,二、电力系统负荷的表示方法,1、负荷功率,三相复数功率,用线电压表示,视在功率,3.4电力系统负荷,2、负荷曲线,负荷曲线是指电力负荷大小随时间变化的图形。

负荷曲线绘制在直角坐标上，纵坐标表示负荷，横坐标表示对应负荷变动的时间，曲线在两坐标轴之间所包容的面积表示该时段内用电设备的耗电量。

计划和分配各发电厂的发电任务（日负荷预测曲线）。

确定系统装机容量，安排主要设备检修计划（年最大负荷曲线）。

负荷曲线的用途,3.4电力系统负荷,按性质分：

有功负荷曲线和无功负荷曲线。

按负荷持续时间分：

日负荷曲线、月负荷曲线、季负荷曲线和年负荷曲线。

按负荷描述范围分：

用户负荷曲线、地区负荷曲线及电力系统负荷曲线。

负荷曲线的分类,a）折线图b）梯形图,3.4电力系统负荷,日负荷曲线,横轴代表时间，纵轴代表实测功率的变化，逐点描绘而成的曲线。

该曲线与时间轴包围的面积表示24小时内的电能消耗。

3.4电力系统负荷,电力系统负荷日用电量,日平均负荷,描述负荷曲线的变化形状的系数,负荷率,最小负荷系数,3.4电力系统负荷,年负荷曲线,描述一年内每月（或每日）最大有功负荷随时间变化情况的曲线。

年最大负荷曲线,绘制方式与日负荷曲线的绘制方式相同。

3.4电力系统负荷,年持续负荷曲线,按一年内系统负荷值的大小及持续小时数一次由大至小排列绘制而成。

a）夏季典型日负荷曲线b）冬季典型日负荷曲线c）全年时间负荷曲线全年持续负荷曲线的绘制,3.4电力系统负荷,全年电能消耗量,年最大负荷Pmax：

指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率。

年最大负荷利用小时数Tmax：

在此时间内，用户年最大负荷持续运行所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能。

3.4电力系统负荷,年负荷曲线越平坦，Tmax越大；年负荷曲线越陡，Tmax越小。

Tmax的大小说明了用户用电的性质。

年最大负荷与年最大负荷利用小时数,3.4电力系统负荷,三、电力系统负荷特性及模型,1、电力系统负荷特性基本概念,电力系统负荷特性反映负荷功率随系统运行参数变化而变化规律。

动态特性：

反映电压和频率急剧变化时负荷随时间的变化。

静态特性：

稳态下负荷与电压和频率的关系。

负荷静态电压特性负荷静态频率特性,3.4电力系统负荷,2、负荷的静态特性及模型,负荷模型是在电力系统分析计算中对负荷特性所作的物理模拟或数学描述。

用多项式表示的负荷静态电压特性和频率特性,负荷静态电压特性,参数应满足,3.4电力系统负荷,当电压和频率都在额定值附近小幅度变化时，可对负荷静态特性作线性化处理,负荷静态电压特性,负荷静态频率特性,3.4电力系统负荷,参数对不同的节点取值不同,3.4电力系统负荷,若需同时考虑电压和频率的变化时,用指数形式表示负荷静态电压特性,取值通常为0.51.8；取值随节点不同变化很大，典型值约为1.56.,3.4电力系统负荷,若需同时考虑电压和频率的变化时,