1、第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 1.1 电力系统概述电力系统概述1.2 1.2 发电厂发电厂1.3 1.3 变电所类型变电所类型1.4 1.4 发电厂和变电所电气设备简述发电厂和变电所电气设备简述思考题思考题第1章 绪 论本章先简要概述电力系统的构成，再分别介绍各类型发电厂及变电所，最后简述发电厂和变电所的电气设备。希望通过本章能使学生对电力系统建立初步认识，掌握发电厂和变电所一次设备的原理、电气主系统的设计方法及二次回路的构成和动作原理，树立工程观点。第1章 绪 论1.1 电力系统概述电力系统概述1.1.1 电力工业的起源电力工业的起源19 世纪上半叶电磁学的蓬勃发展为电气技术的兴起奠定
2、了理论基础，而电能的应用则促进了工业化国家生产力的飞速发展。1820 年奥斯特通过实验证实了电流的磁效应，1831年法拉第发现了电磁感应定律，这些发现很快促成了电动机与发电机的发明。电机制造与电力输送技术的发展首先是从直流开始的。第1章 绪 论为了照明的目的，原始的直流发电机连接到电力线路上采用 110220V 直流电供给串联的弧光路灯，供电距离为 12km。1882 年法国人德波里首先实现了较高电压的直流输电。德波里将密士巴赫小水电站 3 马力(1 马力=735.5 瓦)直流发电机的电能经过长 57km、直径为 4.5mm 的钢线敷设的架空线送至慕尼黑国际博览会，用以驱动水泵运转。其中，送端
3、电压为 1300V，受端电压约为 850V，输送功率 1.5kW，效率为 60%。第1章 绪 论随着生产的发展，要求增大输送功率与输电距离，提高输电效率，这就要求提高输电电压，但为了避免出现电晕所以发电机电压不可能提得很高，且直流高压输电与用户低压用电之间存在着难以克服的矛盾，使得当时的直流输电制遇到很大挑战。法国工程师芳建与瑞典工程师塞雷提出的直流电机串联制使得输送电压有所提高，但终因价格昂贵及运行复杂难以为继。而交流制却可使用变压器，从而简单、经济、可靠地解决了提高输电电压的问题，使得塞雷制的直流输电系统(见图 11)逐渐被新兴的三相交流输电制所代替。第1章 绪 论图 11 塞雷制的直流输
4、电系统第1章 绪 论1885 年匈牙利工程师吉里等研究出封闭磁路的单相变压器，由此实现了单相交流输电。但由于单相交流电动机启动困难，不能保证增加发电厂的容量和扩大电网的伸展长度。1889 年俄国工程师多里沃多勃罗沃耳斯基先后发明了三相异步电动机、三相变压器和三相交流制。1891 年德国工程师奥斯卡拉冯密勒主持建立了最早的三相交流输电系统(见图 12)，它由鲁芬镇输电至法兰克福，输送距离是175km，输送功率约为 130kW，输送效率为 75.2%。其中，设在鲁芬镇的水轮发电机组转速为 150r/min，频率为40Hz，电压为 95V，功率为 230kV A。第1章 绪 论经升压变压器将电压升高
5、至 15200V，然后用直径为 4mm 的裸铜线进行输电。再在法兰克福设降压站，用两台变压器将电压降至 112V，其中一台供给白炽灯，另一台供电给异步电动机用以驱动一台 75kW 的水泵。上述工程的建成标志着历史上输电技术的重大突破，由此奠定了现代电力系统的输电模式。第1章 绪 论图 12 密勒制三相交流输电系统第1章 绪 论1.1.2 我国电力工业发展概况我国电力工业发展概况电力工业是国民经济的关键部门，它为实现工农业生产、科学技术的现代化和提高人民的生活水平提供动力。电力工业是先行工业，它的发展必须优先于其他工业，整个国民经济才能不断前进。世界各国经济发展的经验表明：国民经济每增长 1%，
6、电力工业就要求增长 1.3%1.5%。工业发达国家几乎每 710 年装机容量就要增长一倍。第1章 绪 论我国具有丰富的能源资源。我国水电资源蕴藏量达 676GW，居世界首位。煤、石油、天然气资源也很丰富。煤的预测量约为 4500Mt，可利用的风力资源约为 160GW。这些优良的自然条件为我国电力工业的发展提供了资源基础。但过去中国的电力工业却非常落后，1949 年全国的总装机容量仅为 1849MW，年发电量仅有 4.3TW h，分别居世界第 21位和第 25 位。第1章 绪 论中华人民共和国成立后，电力工业蓬勃向上。1949 1980 年 30 年间发电设备的年平均增长速度达到 12.45%。
7、至 1980 年底，全国总装机容量增至 65869MW，列居世界第八位；年发电量增至 300.6TW h，列居世界第六位。从设计、制造到运行、管理已初步建成较完整的电力工业体系。第1章 绪 论改革开放推动了我国电力工业的腾飞。自 1978 年以来，由于我国经济体制改革和对外开放政策的实践，电力工业呈持续高速发展，发电设备装机容量增长快速，自 1987 年，每年新增量超过 10000MW。1991 1998 年每年新增量超过 15000MW。增长速度居世界首位。至 1998 年末，全国总装机容量达 277GW，全年发电量达到 1157.7TW h，均比 1980年增长近四倍，并超过了日本和俄罗斯
8、，仅次于美国，跃居世界第二位。2006 年末，全国总装机容量突破 600GW，稳居世界第二位。近些年，中国电力事业发展迅猛，2012 年装机容量达 10.6 亿千瓦，居世界第二位，年发电量达 4.8 万亿千瓦时，居世界第一位。第1章 绪 论截至 2013年底，全国发电装机容量达到 12.47 亿千瓦，跃居世界第一位。其中，火电 8.62 亿千瓦，占全部装机容量的 69.13%，35 年来首次降至 70%以下。同时，清洁能源占比也首次突破 30%。2016 年 4 月，全球新能源发展报告 2016 在北京发布。报告显示，从发电角度看，中国发电装机容量和发电量均居全球第一。太阳能光伏累计装机容量为
9、世界第一。中国晶硅组件产能和产量都占到全球 70%以上，在世界范围内仍然保持领先地位。在新能源汽车领域，2015 年中国销量 33.1 万辆，同比增长 3.4 倍，首次超越美国成为全球最大的新能源汽车生产国。第1章 绪 论并且 2015 年中国新能源产业融资额约为 1105.2 亿美元，继续位居全球首位。同时，在光伏新增装机容量、风电市场、新能源汽车等领域，中国相关指标也都位居世界前列。在各类新能源应用规模方面，中国、日本和美国分别以 17GW、13.5GW、8GW 的光伏新增装机容量，继续处于全球光伏发电市场的主导地位。中国累计装机容量达到 50GW，首次超过德国，成为全球光伏累计装机容量最
10、大的国家。同时，中国继续在风电市场保持增长态势，26.2GW 的新增装机容量居全球榜首。全球新能源发展报告 2016 对未来整个新能源发展作出预测。从前景来看，2016 2021 年，太阳能发电在整个新能源份额中将保持主力角色，其他新能源也将有不同程度增长。第1章 绪 论20 世纪 80 年代我国国民生产总值的年增长率约为 9%，而我国在这一时期的年发电量的增长率约为 7.5%，这说明电力供应不足，影响了工业产值的发展。此外，输变电设备容量的增长率又低于发电设备容量的增长率，使有限的发电设备不能充分发挥效益。20 世纪90 年代上述现象已有所改观。这一时期我国国民生产总值的年增长率为 7.1%
11、9.0%，而年发电量的增长率为 8.0%9.6%。20 世纪 80 年代以来我国年发电量的增长率高于一次能源消耗量的增长，发电用能源占一次能源总消耗量的比重不断提高，在 1980 年、1985年、1990 年和 1995 年的这一比重分别为 18.6%、21.2%、26.5%和 31.5%。第1章 绪 论这说明我国国民经济电气化的程度正在不断提高。而相应的能源强度(能源强度指单位产值所消耗的能源，以每美元产值消耗的标准油重kg/美元为单位)随着这一比重的提高不断下降，分别为14.3kg 标油/美元、11.0kg 标油/美元、9.9kg 标油/美元和 7.1kg 标油/美元。这说明我国的能源效率
12、有所提高且节能潜力还很大。第1章 绪 论随着近年来市场经济的孕育，我国电力负荷的构成也在发生变化。重工业用电比重在下降，城乡居民生活用电、商业、交通及建筑业用电在不断上升。2015 年，全社会用电量55500 亿千瓦时，同比增长 0.5%。分产业看，第一产业用电量 1020 亿千瓦时，同比增长2.5%;第二产业用电量 40046 亿千瓦时，同比下降 1.4%;第三产业用电量 7158 亿千瓦时，同比增长 7.5%;城乡居民生活用电量 7276 亿千瓦时，同比增长 5.0%。第1章 绪 论自 1980 年以来，电力工业已有显著发展，但仍然不能满足国家经济发展和全社会进步的需要。社会人均用电量是衡
13、量现代化的粗略判据。我国全社会用电量近 10 年已有显著进步，见图 13。第1章 绪 论图 13 我国 2005 2014 年全社会用电量及年增长率第1章 绪 论1996 年平均每个中国人拥有 0.2kW 的装机容量以及具有 918kW h 的电能消耗。其中 94kW h 是城乡住宅的份额，约为世界平均消耗定额的 1/3，等值于工业国家消耗定额的 1/71/10。进入 21 世纪以来，国家投入大量资金用于农网改造，使得城乡居民生活用电同网同价，大量减轻农民电费负担。全国实施“户户通电”工程，使 22 个省(自治区、直辖市)实现户户通电，全国除西藏、青海和新疆外，行政村通电率达到 99%以上。第
14、1章 绪 论1.1.3 电力系统基本概念电力系统基本概念一、一、电能质量及对电力系统的要求电能质量及对电力系统的要求1.电能的特点电能的特点电能的生产、输送、分配和使用具有以下特点：(1)电能的生产、输送、分配和使用是同时进行的。目前，电能还不能大量、廉价地储存，电能的生产、分配和使用必须同时完成，因此发电厂必须根据用电需要不间断地进行生产。第1章 绪 论(2)电能的应用范围非常广泛。电能供应不足或供应中断，将直接影响国民经济计划的完成和人民的正常生活，对于某些工业用户甚至会发生产品报废、设备损坏以及危及人身安全等严重后果。(3)自动化程度要求高。电力系统由于运行状态的改变而引起的电磁、机电暂
15、态过程是非常短暂的，人工手动难以进行控制。因此，电力系统运行必须采用自动化程度高且能迅速而准确动作的自动调节、控制装置和监测、保护设备。第1章 绪 论2.电能的质量电能的质量对用户的供电除了应满足用户的需要并保证供电的可靠性外，还应保证良好的电能质量。通常衡量供电电能质量的指标是三相交流电的波形、频率质量以及电漂电压质量。为了避免电能质量不高所造成的危害，这三项指标均应保持在一定的允许变动范围内。(1)三相交流电的波形是正弦波，若波形畸变则会影响电动机的转矩，或使测量仪表产生误差等。因此，要求波形畸变系数不得大于 5%。第1章 绪 论(2)在电力系统正常状况下，供电频率的偏差为:电网装机容量在
16、 3000 MW 及以上的，为 0.2Hz;电网装机容量在 3000MW 以下的，为 0.5Hz。在电力系统非正常状况下，供电频率允许偏差不应超过 1.0Hz。(3)我国目前规定的用户处的容许电压变动范围(摘自供电营业规则)如下:在电力系统正常状况下，35kV 及以上电压供电的，电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定值的10%；10kV 及以下三相供电的，为额定值的 7%；220 V 单相供电的，为额定值的+7%-10%。在电力系统非正常状况下，用户受电端的电压最大允许偏差不应超过额定值的 10%。第1章 绪 论3.对电力系统的要求对电力系统的要求综上所述，电力系统与其他工业部门相比较，有其不同
17、的特点，主要是：电能不易储存；电能生产与国民经济各部门以及人民生活关系密切；过渡过程非常短暂，电力系统的地区性特点较强。对电力系统的要求，正是根据电力系统的这些特点以及电力工业在国民经济中的地位和作用提出来的。基本要求如下：(1)保证供电的可靠性。电力系统停电不仅会给系统本身带来损失，而且会给国民经济带来更大的损失，甚至会造成人身伤亡和政治影响。为此，电力系统应尽可能对用户做到可靠供电。尤其是对一、二类用户，在任何情况下必须保证为一、二类用户可靠地供电。第1章 绪 论(2)保证电能的质量。所谓电能的质量，是指电力系统中各点的电压和频率的偏差应保持在一定的范围内。(3)保证电力系统运行的经济性。
18、运行的经济性是指生产、输送和分配电能的耗费少、效率高、成本低。综上所述，电力系统的基本任务就是保证供给用户充足、可靠、优质而且廉价的电能。第1章 绪 论二、二、电力系统的连接和电压等级电力系统的连接和电压等级1.电力系统的连接电力系统的连接电力系统中，发电厂和变电所之间的电气连接方式，是由它们之间的地理位置、负荷大小及其重要程度确定的。常用的几种连接方式如下：(1)单回路接线。这种供电方式是单端电源供电的，如图 14(a)所示。当线路发生故障时，负荷将会停电，故不太可靠。这种接线适用于较不重要的负荷。第1章 绪 论(2)双回路接线，其供电方式如图 14(b)所示。虽然双回路接线方式也只有单电源
19、供电，但是当双回路的某一条线路发生故障时，另一条输电线路仍可继续供电，故可靠性较高。同时，这两回接线接在发电厂不同组别的母线上，当某组母线出现故障时，另一组母线经另一输电线路可保持对负荷供电，故可靠性是足够高的。这种接线能担负对一、二类用户的供电。(3)环形网络接线，其接线方式如图 14(c)所示。如果一条线路发生故障，发电厂还可以经另外两条线路向负荷供电，故这种接线的可靠性也比较高。第1章 绪 论图 14 电力系统的接线方式第1章 绪 论2.电力网的额定电压电力网的额定电压为了完成电能的输送和分配，电力网一般设置多种电压等级。所有用电设备、发电机和变压器都规定有额定电压，即正常运行时最经济的
20、电压。电力网的额定电压是根据用电设备的额定电压制定的。目前，我国制定的 1000V 以上电压的额定电压标准如表 11所示。第1章 绪 论第1章 绪 论对表 1 1 的说明如下：(1)发电机的额定电压比用电设备的额定电压高出 5%，这是由于一般电网中电压损耗允许值为 10%，而市用电设备的电压偏差允许值为 5%，且发电机接在电力网送电端，应比额定电压高。(2)变压器一次侧相当于用电设备，二次侧是下一级电压线路的送端，所以一次侧电压与用电设备的额定电压相等，而二次侧比用电设备电压高 10%(包括本身电压损耗 5%)。但在 3kV、6kV、10kV 电压时，若采用短路电压小于 7.5%的配电变压器，
21、则二次绕组的额定电压只高出用电设备电压 5%。第1章 绪 论(3)变压器一次绕组栏内的 3.15kV、6.3kV、10.5kV、15.75kV 电压适用于发电机端直接连接的升压变压器；二次绕组栏内的 3.3kV、6.6kV、11.0kV 电压适用于阻抗值在 7.5%以上的降压变压器。(4)一般将 35kV 及以上的高压线路称为输电线路，10kV 及以下的线路称为配电线路。其中，310kV 线路称为高压配电线路，1kV 以下的线路称为低压配电线路。第1章 绪 论3.电压等级的选择电压等级的选择对于某一电压等级的输电线路而言，其输送能力主要取决于输送功率的大小和输送距离的远近。由于各输电线路电压等
22、级的选择，是关系到电力系统建设费用的高低、运行是否方便、设备制造是否经济合理的一个综合性问题，因此要经过复杂的计算和技术比较才能确定。据一般的经验，仅将各种电压等级的输送距离和输送功率的大致关系列于表12 中。第1章 绪 论第1章 绪 论三、三、电力系统的中性点运行方式电力系统的中性点运行方式在三相交流电力系统中，三相绕组作星形连接的发电机和变压器，其中性点有三种运行方式:中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点直接接地。其中，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地称为中性点非有效接地，或称为小电流接地；中性点直接接地称为中性点有效接地，或称为大电流接地。不同的中性点运行方式，对子电力系统运行的
23、可靠性、电气设备的过电压与绝缘配合、继电保护装置的配置以及对通信的干扰等，都有很大的影响。第1章 绪 论1.中性点不接地的电力系统中性点不接地的电力系统图 15 所示为正常运行时中性点不接地的电力系统示意图。图 15 正常运行时的中性点不接地系统第1章 绪 论在三相输电系统中，相与相之间及相与地之间都存在着一定的电容。为讨论方便，以集中电容 C 来表示相与地之间的分布电容。同时认为相间无相互影响，故不予考虑。正常运行时，三相电容电流 是对称的，即，没有电容电流流入大地，每相对地的电压，就等于其相电压。第1章 绪 论当系统发生单相接地(设 W 相接地)，如图 16 所示，由相量图可见，W 相对地
24、电压为零，而 U 相对地电压，V 相对地电压 。由此可知，W相接地时，U、V 两相对地电压由原来的相电压升高到线电压，即增大到正常时的倍。3第1章 绪 论因此，在中性点不接地系统中，各电气设备的绝缘应按线电压考虑，增大了设备造价。此外，U、V 相对地电压升高为正常时的 倍，其电容电流也增大为正常时的 倍，而接地电流 I C 是 U、V 两相电容电流的相量和，为正常运行时一相电容电流的倍。注意，接地电流的大小与电压高低及线路长短有关，一般为几安到几十安。33第1章 绪 论图 6 中性点不接地系统 W 相发生接地时的情况第1章 绪 论必须指出，当电源中性点不接地的电力系统中发生一相接地时，三相用电
25、设备的正常工作不会受到影响，因为线路的线电压无论相位和量值均未发生变化，所以三相用电设备仍然照常运行。但不允许系统在单相接地情况下长期运行，因为当另外任何一相再发生接地时，就会形成两相短路，造成停电。此外，单相接地电流还会产生电弧。所以必须设有监视和保护装置，以便及时发现单相接地故障，并尽快排除。第1章 绪 论2.中性点经消弧线圈接地的电力系统中性点经消弧线圈接地的电力系统在中性点不接地系统中，如发生单相接地故障，则当接地电流不大时，电弧可在电流过零瞬间自动熄灭；当接地电流较大时，可能产生间歇性电弧，引起相对地的过电压，损坏绝缘，并导致两相接地短路；当接地电流更大时，将会形成持续性电弧，造成设
26、备烧坏并导致相间短路等事故。为了减小单相接地电流，使电弧易于熄灭，因此有关规程规定：在单相接地电容电流大于一定值的电力系统中，电源中性点必须采取经消弧线圈接地的运行方式，如图 17 所示。第1章 绪 论图 17 中性点经消弧线圈接地第1章 绪 论消弧线圈实际上是一个带铁芯的电感线圈，其电阻很小，感抗很大。当系统发生一相接地时，流过接地点的电流是接地电容电流 与流过消弧线圈的电感电流 IL 之和。由于超前 90，而 滞后 90，所以 IL 与 在接地点互相补偿。当 与 的量值差小于发生电弧的最小电流(一般称为最小生弧电流)时，电弧就不会发生，也就不会出现谐振过电压现象。CICICICICUCUL
27、ILI第1章 绪 论中性点经消弧线圈接地方式与中性点不接地方式一样，允许在单相接地故障的情况下短时运行，但应及时发现并排除故障。实际上，高压架空输电线路的单相接地故障大多是瞬时性的，在接地电弧熄灭后线路就恢复正常了。所以高压架空输电线路常采用中性点经消弧线圈接地的方式连接。电源中性点经消弧线圈接地的系统，在一相接地时，其他两相对地电压也要升高到线电压。即升高为原对地电压的倍。3第1章 绪 论3.中性点直接接地系统中性点直接接地系统防止单相接地时产生间歇性电弧过电压的另一方法是将系统的中性点直接接地，如图18 所示。如果中性点直接接地系统的一相接地，就会造成单相短路。单相短路时电流很大，通过继电
28、保护装置，可使线路开关自动跳闸，将短路故障部分切除，让系统的其他部分恢复正常运行。第1章 绪 论图 18 中性点直接接地系统第1章 绪 论四、四、电力系统短路的基本概念电力系统短路的基本概念短路是电力系统中出现最多的一种故障形式。所谓短路，是指电力系统正常运行之外的相与相或相与地之间的“短接”。在正常运行的电力系统中，除中性点之外，相与相之间、相与地之间都是绝缘的。第1章 绪 论1.短路的原因短路的原因电力系统发生短路的原因一般可分为以下几种情况:(1)载流部分的绝缘被破坏，这通常是电力系统发生短路的主要原因。(2)设备缺陷未被发现或未及时消除。(3)输电线路断线或倒杆，使导线接地或相碰。(4
29、)工作人员误操作。(5)各种动物跨接到裸露的载流导体上。(6)大风、冰雹、地震、雷击等自然灾害。第1章 绪 论2.短路的后果短路的后果短路对电力系统造成的影响主要有以下几个方面：(1)短路电流的热效应。短路电流通常是正常工作电流的十几倍到几十倍甚至更高，这将使电气设备过热，从而使绝缘受到损伤，甚至可能烧毁电气设备。(2)短路电流的电动力效应。巨大的短路电流将在电气设备中产生很大的电动力，可引起电气设备的机械变形、扭曲，甚至损坏。第1章 绪 论(3)短路电流的磁效应。当交流电流通过线路时，会在线路周围的空间建立起交变电磁场，而交变电磁场将在邻近的导体回路中产生感应电动势。当系统正常运行时，三相电
30、流是对称的，它在线路周围空间各点所造成的磁场均彼此抵消，故在邻近导体回路中不会产生感应电势。当系统发生不对称短路时，不对称电流产生不平衡的交变磁场，对送电线路附近的通信线路、铁路信号集中闭塞系统、可控硅触发系统及其他自动控制系统就可能产生干扰。(4)短路电流产生的电压降。很大的短路电流通过线路时，会在线路上产生很大的压降，使用户处电压突然下降，影响电动机的正常工作以及照明负荷的正常工作。第1章 绪 论3.短路的形式短路的形式在电力系统中，可能发生三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路，如图19 所示。当三相短路时，由于短路回路的三相阻抗相等，因此三相电流和电压仍是对称的，故称为对称短路
31、。但在发生其他类型的短路时，不仅每相电路中的电流和电压数值不相等，而且相角也不相同，所以这些短路被称为不对称短路。第1章 绪 论图 19 短路的类型第1章 绪 论电力系统中，发生单相接地短路的可能性最大，但三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重。为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，在选择检验电气设备用的短路计算中，应以三相短路的计算为主。短路的危害是很大的，在电力系统的设计和运行中，正确选择电气设备和正确进行设计安装，加强维修检查和进行预防性试验，避免误操作，都是防止短路的有效措施。第1章 绪 论1.1.4 电力系统的构成电力系统的构成电力系统主要由发电厂、输电线
32、路、配电系统及负荷组成(如果将发电厂内的原动机部分也计入其中，则称为动力系统)，其覆盖地域较广。电力系统的功能是将原始能源转换为电能，经过输电线路送至配电系统，再由配电线路把电能分配给负荷(用户)。原始能源主要是水力能源与火力能源(煤、天然气、石油、核聚变裂变燃料等)，至于地热、潮汐、风力、太阳能等尚处于小容量发展阶段。第1章 绪 论在火力发电厂(或核电站)中，先由锅炉将化学能转变为热能(或由核反应堆将核能转变为热能)，再由汽轮机将热能转变为机械能(若由天然气或水力发电，则直接由燃气轮机将化学能直接转变为机械能，或由水轮机将水位能转化为机械能)，最后由发电机将机械能转变为电能。输电线连接发电厂
33、与配电系统以及与其他系统实行互联。配电系统连接由输电线供电的局域内的所有单个负荷。电力负荷包括电灯、电热器、电动机(感应电动机、同步电动机等)、整流器、变频器或其他装置。在这些设备中电能又将转变为光能、热能、机械能等。第1章 绪 论典型的电力系统和电力网络示意图如图 110 所示。发电机经过升压变压器将电压升高至输电电压(220500kV)。在受端通过降压变压器将电压降至配电电压(10110kV，380/220V)。在降压变电站大型用户的配电电压为 35110kV，而中小型用户的配电电压为 610kV、380/220V。现分述如下。第1章 绪 论图 110 典型的电力系统和电力网络示意图第1章
34、 绪 论1.发电厂发电厂发电厂的作用是生产电能，即发电厂将其他形式的一次能深经发电设备转换为电能。发电厂根据利用的能源不同可分为火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂以及利用其他能源(如地热、风力、太阳能、石油、天然气、潮汐能等)的发电厂。目前，在我国大型电力系统中占主要地位的发电厂主要是火力发电厂，其次是水力和原子能发电厂。为了充分、合理地利用动力资深，缩短燃料的运输距离，降低发电成本，火力发电厂一般建设在燃料产地，而水力发电厂只能建在水力资源丰富的地方。因此，发电厂往往远离城市和工业企业，即用电中心地区，故必须进行远距离输电。第1章 绪 论2.电力网电力网(输配电系统输配电系统)电能的输送和
35、分配是由输配电系统完成的。输配电系统又称电力网，它包括电能传输过程中途经的所有变电所、配电所中的电气设备和各种不同电压等级的电力线路。实践证明，输送的电力愈大，输电距离愈远，选用的输电电压就愈高，这样才能保证在输送过程中的电能损耗下降。但从用电角度考虑，为了用电安全和降低用电设备的制造成本，则希望电压低一些。因此，一般发电厂发出的电能都要先经过升压，然后由输电线路送到用电区，再经过降压，最后分配给用户使用，即采用高压输电、低压配电的方式。变电所就是完成这种任务的场所。第1章 绪 论在发电厂设置升压变电所将电压升高以利于远距离输送，在用电区则设置降压变电所将电压降低以供用户使用。降压变电所内装设
36、有受电、变电和配电设备，其作用是接受输送来的高压电能，经过降压后将低压电能进行分配。而对于低压供电的用户，只需再设置低压配电所即可。配电所内不设置变压器，它只能接受电能和分配电能。第1章 绪 论3.电力用户电力用户电力系统的用户也称为用电负荷，可分为工业用户、农业用户、公共事业用户和人民生活用户等。根据用户对供电可靠性的不同要求，目前我国将用电负荷分为以下三级：(1)一级负荷：对这一级负荷中断供电会造成人身伤亡事故或造成工业生产中关键设备难以修复的损坏，致使生产秩序长期不能恢复正常，造成国民经济的重大损失；或使市政生活的重要部门发生混乱等。(2)二级负荷：对这一级负荷中断供电将引起大量减产，造
37、成较大的经济损失；或使城市大量居民的正常生活受到影响等。第1章 绪 论(3)三级负荷：对这一级负荷的短时供电中断不会造成重大损失。对于不同等级的用电负荷，应根据其具体情况采取适当的技术措施来满足它们对供电可靠性的要求。一级负荷要求供电系统必须有备用电源。当工作电源出现故障时，由保护装置自动切除故障电源，同时由自动装置将备用电源自动投入或由值班人员手动投入，以保证对重要负荷连续供电。如果一级负荷不大，则可采用自备发电机等设备，作为备用电源。对于二级负荷，应由双回路供电，当采用双回路有困难时，则允许采用专用架空线供电。对于三级负荷，通常采用一组电源供电。第1章 绪 论电力系统可以用一些基本参量加以
38、描述，兹分述如下：总装机容量：系统中所有发电机组额定有功功率的总和，以兆瓦(MW)计。年发电量：系统中所有发电机组全年所发电能的总和，以兆瓦时(MW h)计。最大负荷：指规定时间(一天、一月或一年)内电力系统总有功功率负荷的最大值，以兆瓦(MW)计。年用电量：接在系统上所有用户全年所用电能的总和，以兆瓦时(MW h)计。第1章 绪 论 额定频率:我国规定的交流电力系统的额定频率为 50Hz。最高电压等级:电力系统中最高电压等级的电力线路的额定电压，以千伏(kV)计。图 110 所示系统的最高电压等级为 500kV。第1章 绪 论1.2 发发 电电 厂厂发电厂是把各种一次能源(如燃料的化学能、水
39、能、风能等)转换成电能的工厂。电厂所生产的电能，一般要由升压变压器升压后经高压输电线输送，再由变电站降压，最后才能供给各种不同用户使用。第1章 绪 论1.2.1 火力发电厂火力发电厂1.火力发电厂简介火力发电厂简介利用固体、液体、气体燃料的化学能来生产电能的工厂称为火力发电厂，简称火电厂。迄今为止，火电厂仍是世界上电能生产的主要方式。在发电设备总装机容量中，火力发电的装机容量约占 70%以上。我国和世界各国的火电厂所使用的燃料大多以煤炭为主，其他可以使用的燃料还有天然气、燃油(石油)以及工业和生活废料(垃圾)等。其中燃烧垃圾的火电厂有利于环境保护，其发展极为引人关注。第1章 绪 论火电厂在将一
40、次能源转换为电能的生产过程中要经过三次能量转换。首先是通过燃烧将燃料的化学能转变为热能，再经过原动机把热能转变为机械能，最后通过发电机将机械能转变为电能。火电厂分类如下：(1)按照燃料分类：燃煤发电厂、燃油发电厂、燃气发电厂、余热发电厂。(2)按输出能源分类：凝汽式发电厂(只向外供应电能)、热电厂(同时向外供应电能和热能)。(3)按总 装 机 容 量 分 类：小 容 量 发 电 厂(100 MW 以 下)、中 容 量 发 电 厂(100250MW)、大中容量发电厂(2501000MW)、大容量发电厂(1000MW 及以上)。第1章 绪 论(4)按蒸汽压力和温度分类如下。中低压发电厂：蒸汽压力
41、3.92MPa，温度 450，单机功率小于 25MW。高压发电厂：蒸汽压力 9.9MPa，温度 540，单机功率小于 100MW。超高压发电厂：蒸汽压力 13.83MPa，温度 540，单机功率小于 200MW。亚临界压力发电厂：蒸汽压力 16.77MPa，温度 540，单机功率为 3001000MW。超临界压力发电厂：蒸汽压力大于 22.11 MPa，温度 550 ，机组功率 600 MW、800MW 以上。第1章 绪 论2.火电厂的电能生产过程火电厂的电能生产过程(1)凝汽式发电厂。在这类电厂中，锅炉产生蒸汽，经管道送到汽轮机，带动发电机发电。已做过功的蒸汽，进入凝汽器内冷却成水，又重新送
42、回锅炉使用。由于在凝汽器中，大量的热量被循环水带走，故一般凝汽式发电厂的效率都很低，即使是现代的高温高压或超高温高压的轻汽式火电厂，效率也只有30%40%。通常简称凝汽式发电厂为火电厂。图 111 是凝汽式电站的生产过程原理。第1章 绪 论图 111 凝汽式电站的生产过程原理第1章 绪 论火电厂使用的原动机可以是凝汽式汽轮机、燃气轮机或内燃机，其中内燃机一般只在农村和施工工地上使用。我国大部分火电厂采用凝汽式汽轮发电机组，称为凝汽式火力发电厂。图 112 为凝汽式火力发电厂生产过程示意图。第1章 绪 论图 112 凝汽式火力发电厂生产过程示意图第1章 绪 论生产过程中需要把燃煤用输煤带从煤场运
43、至煤斗。一般大型火电厂为提高燃煤效率燃烧的是煤粉。因此，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉，然后由热空气携带煤粉经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧。煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。助燃用的空气由送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟气加热空气。这样，一方面可以使进入锅炉的空气温度提高，方便煤粉的引燃和燃烧；另一方面也可以降低排烟温度，提高热能的利用率。第1章 绪 论从空气预热器排出的热空气分为两股：一股去磨煤机干燥和输送煤粉；另一股直接送入炉膛助燃。燃煤燃尽的灰渣落入炉
44、膛下面的渣斗内，与从除尘器中分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上、下两端均通过连箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收着煤燃烧过程中放出的热量。部分水在水冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸气，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。第1章 绪 论饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽具有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流
45、动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与发电机的转子通过联轴器连在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。在发电机转子的另一端带着一个小直流发电机，称为励磁机。励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。第1章 绪 论释放出热势能的蒸汽从汽轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。乏汽在凝汽器内被循环水泵送入凝汽器的冷却水冷却，重新凝结成水，此水称为凝结水。凝结水由凝结水泵送入低压加热器
46、并最终回到除氧器内，完成一个循环。在循环过程中难免有汽水的泄漏，即汽水损失，因此要适量地向循环系统内补给一些水，以保证循环的正常进行。高、低压加热器是为提高循环的热效率所采用的装置，而除氧器则是为了除去水中含有的氧气以减少设备及管道腐蚀所采用的装置。第1章 绪 论以上分析虽然较为繁杂，但从能量转换的角度看却很简单。即燃料的化学能 蒸汽的热能 机械能 电能。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能；在发电机中机械能转变为电能。炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。辅助三大主机工作的设备称为辅助设备或辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统
47、。火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。除了上述的主要系统外，火电厂还有其他一些辅助生产系统，如燃煤的输送系统、水的化学处理系统、灰浆的排放系统等。第1章 绪 论这些系统与主系统协调工作，它们相互配合完成电能的生产任务。大型火电厂为保证这些设备的正常运转，安装有大量的仪表，用来监视这些设备的运行状况。同时还设置有自动控制装置，以便及时地对主、辅设备进行调节。现代化的火电厂，已采用了先进的计算机分散控制系统。计算机分散控制系统可以对整个生产过程进行控制和自动调节，并能根据不同情况协调各设备的工作状况。这些控制系统使整个火电厂的自动化水平达到了新的高度。目前，自动控制装置及系统已成为火
48、电厂中不可缺少的部分。第1章 绪 论(2)供热式发电厂(热电厂)。供热式发电厂与凝汽式火电厂不同之处主要在于，供热式发电厂的汽轮机中一部分做过功的蒸汽会在中间段被抽出来供给热用户使用，或经热交换器将水加热后，供给用户热水。热电厂通常都建在热用户附近，它除发电外，还向用户供热，这样可以减少被循环水带走的热量损失，提高总效率。现代热电厂的总效率可高达 60%70%。第1章 绪 论另外，重要的大型厂矿企业往往建设专用电厂作为自备电源，这类电厂的原动机一般为小型汽轮机或柴油机。单独来看，这种发电厂的生产往往不经济，但它可起到后备保障作用，若能和其他能源供应结合起来综合利用，其经济效益将有所提高。第1章
49、 绪 论1.2.2 水力发电厂水力发电厂水力发电厂是利用河流所蕴藏的水能资源来生产电能的工厂，简称水电厂或水电站。水力发电的能量转换过程只需两次，即通过原动机(水轮机)将水的位能转变为机械能，再通过发电机将机械能转变为电能，故在能量转换过程中损耗较小，发电的效率较高。水电厂的发电容量取决于水流的水位落差和水流的流量，即第1章 绪 论式中，P 为水电厂的发电容量，单位为 kW；Q 为通过水轮机的水的流量，单位为m3/s；H 为作用于水电厂的水位落差，也称水头，单位为 m；为水轮发电机组的效率，一般为0.800.85。第1章 绪 论由式(11)可见，在流量一定的条件下，水流落差愈大，水电厂出力就愈
50、大。为了充分利用水力资源，应尽量抬高水位。因此水电厂往往需要修建拦河大坝等水工建筑物，以形成集中的水位落差，并依靠大坝形成具有一定容积的水库以调节水的流量。根据水力枢纽布置的不同，水电厂可分为堤坝式和引水式等，其中以堤坝式水电厂应用最为普遍。第1章 绪 论1.堤坝式水电厂堤坝式水电厂堤坝式水电厂利用修筑拦河堤坝来抬高上游水位，形成发电水头。根据厂房位置的不同，堤坝式水电厂又可分为坝后式和河床式两种。第1章 绪 论(1)坝后式水电厂。坝后式水电厂的厂房建在坝后，全部水压由坝体承受，其厂房本身不承受水的压力。图 113 为坝后式水电厂。图中，拦河坝将上游水位提高，形成水库，水库中的水在高落差的作用
