1 發電廠變電所電氣設備 發電廠電氣部分 課題組 電力工程學院電氣工程系 第二章發電 變電和輸電的電氣部分 2 第一節概述 一 電氣設備 一 一次設備 通常把生產 變換 輸送 分配和使用電能的設備 如發電機 變壓器和斷路器等稱為一次設備 它們包括 1 生產和轉換電能的設備 2 接通或斷開電路的開關電器 第二章發電 變電和輸電的電氣部分 3 3 限制故障電流和防御過電壓的保護電器 4 載流導體 5 互感器 包括電壓互感器和電流互感器 6 無功補償設備 7 接地裝置 第一節概述 4 對一次設備和系統的運行狀態進行測量 控制 監視和起保護作用的設備 稱為二次設備 1 測量表計 如電壓表 電流表 頻率表 功率表和電能表等 用于測量電路中的電氣參數 2 繼電保護 自動裝置及遠動裝置 3 直流電源設備 包括直流發電機組 蓄電池組和整流裝置等 4 操作電器 信號設備及控制電纜 二 二次設備 第一節概述 5 一次電路 由一次設備 例如發電機 變壓器 斷路器等 按預期生產流程所連成的電路 稱為一次電路 或稱電氣主接線 二次電路 由二次設備所連成的電路稱為二次電路 或稱二次接線 圖2 1是具有兩種電壓 發電機電壓及升高電壓 大容量發電廠的電氣主接線圖 二 電氣接線和裝置 一 電氣接線 在發電廠和變電站中 根據各種電氣設備的作用及要求 按一定的方式用導體連接起來所形成的電路稱為電氣接線 第一節概述 6 圖2 1火電廠的電氣主接線圖 第一節概述 7 二 配電裝置 配電裝置按電氣設備裝設地點不同 可分為屋內配電裝置和屋外配電裝置 圖2 1中 由斷路器QF1和QF2 隔離開關QS1 QS4 母線W1 W3 電抗器L1和L2以及饋線WL1和WL2等 構成的配電裝置 布置在屋內 稱為屋內配電裝置 又稱發電機電壓配電裝置 而由斷路器QF3 QF5 相應的隔離開關 母線W4和W5以及出線WL3和WL4等 構成的配電裝置 稱為屋外配電裝置 又稱高壓配電裝置 第一節概述 8 一 300MW發電機組電氣部分 一 電氣主接線 300MW發電機組 采用發電機 變壓器單元接線 如圖2 2所示 變壓器高壓側 經引線接入220kV系統 第二節發電廠的電氣部分 9 圖2 2300MW發電機組電氣主接線圖 1 發電機 2 主變壓器 3 高壓廠用變壓器 為分裂繞組變壓器 4 電壓互感器 5 高壓熔斷器 6 避雷器 7 電流互感器 8 中性點接地變壓器 第二節發電廠的電氣部分 10 由圖2 2可看出 300MW發電機組電氣主接線具有下述特點 1 發電機與主變壓器的連接采用發電機 變壓器單元接線 無發電機出口斷路器和隔離開關 2 在主變壓器低壓側引接一臺高壓廠用變壓器 供給廠用電 3 在發電機出口側 通過高壓熔斷器接有三組電壓互感器和一組避雷器 4 在發電機出口側和中性點側 每相裝有電流互感器4只 5 發電機中性點接有中性點接地變壓器 6 高壓廠用變壓器高壓側 每相裝有電流互感器4只 第二節發電廠的電氣部分 11 發電機和主變壓器之間的連接母線及廠用分支母線均采用全連離相封閉母線 其具有以下優點 1 供電可靠 2 運行安全 3 基本消除了母線周圍鋼構件的發熱 4 施工安裝簡便 運行維護工作量小 第二節發電廠的電氣部分 12 二 主要電氣設備 1 發電機 5 高壓熔斷器 2 主變壓器 6 電流互感器 3 高壓廠用變壓器 7 發電不均衡 4 電壓互感器 8 中性點接地變壓器 第二節發電廠的電氣部分 13 二 600MW發電機組電氣部分 一 電氣主接線 圖2 3600MW發電機組電氣主接線圖 1 發電機 2 主變壓器 3 高壓廠用變壓器4 高壓公用變壓器 5 勵磁變壓器 6 中性點接地變壓器 7 電壓互感器 8 熔斷器 9 高壓避雷器 第二節發電廠的電氣部分 14 由圖2 3可看出 600MW發電機組電氣主接線具有下述特點 1 發電機與主變壓器的連接采用發電機 變壓器單元接線 發電機和主變壓器之間沒有斷路器和隔離開關 2 主變壓器采用三相雙繞組變壓器 低壓側繞組接成三角形 高壓側繞組接成星形 變壓器高壓側中性點接地方式為直接接地 3 在主變壓器低壓側引接一臺高壓廠用變壓器和一臺高壓公用變壓器 供給廠用電 4 在發電機出口側 通過高壓熔斷器接有三組電壓互感器和一組避雷器 5 在發電機出口側和中性點側 每相裝有電流互感器4只 6 發電機中性點接有中性點接地變壓器 第二節發電廠的電氣部分 15 7 高壓廠用變壓器高壓側 每相配置套管式電流互感器3只 8 主變壓器高壓側每相各配置套管式電流互感器3只 中性點配置電流互感器1只 二 主要電氣設備 1 發電機 5 電流互感器 2 主變壓器 6 中性點接地變壓器 3 高壓廠用變壓器 7 高壓熔斷器 4 電壓互感器 8 避雷器 第二節發電廠的電氣部分 16 三 1000MW發電機組電氣部分 一 電氣主接線 1000MW發電機組 采用發電機 變壓器單元接線 如圖2 4所示 變壓器高壓側 經隔離開關和引線接入500kV系統 500kV側采用一個半斷路器接線方式 第二節發電廠的電氣部分 17 圖2 41000MW發電機組電氣主接線圖 1 發電機 2 主變壓器 3 4 高壓廠用變壓器 5 勵磁變壓器 6 中性點接地變壓器 7 8 電壓互感器 9 高壓避雷器 10 隔離開關 11 電壓互感器 第二節發電廠的電氣部分 18 由圖2 4可看出 1000MW發電機組電氣主接線具有下述特點 1 發電機與主變壓器的連接采用發電機 變壓器單元接線 發電機和主變壓器之間沒有斷路器和隔離開關 但在主母線上設有可拆連接點 2 發電機出口主封閉母線上有接地刀閘 母線接地刀閘能承受主回路動 熱穩定的要求 接地刀閘附近有觀察接地刀閘位置的窺視孔 3 主變壓器采用三臺單相雙繞組油浸式變壓器 低壓側繞組接成三角形 高壓側繞組接成星形 變壓器高壓側中性點接地方式為直接接地 4 在主變壓器低壓側引接兩臺容量相同的高壓廠用變壓器 供給廠用電 第二節發電廠的電氣部分 19 5 在發電機出口主封閉母線有短路試驗裝置 主回路T接引至電壓互感器柜 通過高壓熔斷器接有三組三相電壓互感器和一組避雷器 6 在發電機出口側和中性點側 每相裝有套管式電流互感器4只 7 發電機中性點經隔離開關接有中性點接地變壓器 8 高壓廠用變壓器高壓側 每相配置套管式電流互感器3只 9 主變壓器高壓側每相各配置套管式電流互感器4只 中性點配置電流互感器2只 第二節發電廠的電氣部分 20 二 主要電氣設備 1 發電機 2 主變壓器 3 高壓廠用變壓器 4 電壓互感器 5 電流互感器 6 中性點接地變壓器 第二節發電廠的電氣部分 21 三 超超臨界發電機組的特點與問題 前述300MW發電機組為亞臨界火力發電機組 600MW發電機組為超臨界火力發電機組 1000MW發電機組為超超臨界火力發電機組 超超臨界火力發電機組和常規發電機組相比 具有無可比擬的優越性 但是 發展超超臨界機組 在設計和制造方面還有許多關鍵技術問題有待解決 例如開發新材料就是關鍵的問題 第二節發電廠的電氣部分 22 一 數字化發電廠概念 四 數字化發電廠 數字化發電廠是采用數字方式映射的物理電廠 把龐大的發電廠通過數字0 1精確地表示在電腦的桌面上 也就是說 從電廠前期可行性研究 設計 基建開始 到生產運營 企業管理的全過程 全部采用數字描述和數字化存儲 二 數字化發電廠模式 數字化發電廠的模式有以下5種 1 基于上層網絡模式 信息網絡 2 基于下層網絡模式 FCS網絡 3 基于控制網絡模式 DCS網絡 4 上中下網絡合一模式 3層網絡 5 數字化發電廠5層網絡模型 第二節發電廠的電氣部分 23 5層網絡模型組成的數字化發電廠 1 一次設備層 2 DCS層 控制系統 本層為二次系統層 3 SIS層 優化增值 4 MIS層 高端信息 5 Internet層 網絡媒體 第二節發電廠的電氣部分 24 三 實現數字化發電廠的核心技術 1 采用成熟的FCS數字化儀表或裝置 2 發電廠 爐 機 電 輔 DCS一體化控制和數字化升壓站NCS 3 數字化CCTV 工業 網絡圖像監視技術 4 廠級運營優化增值服務技術 5 信息層面的數字化高端應用 6 系統工程 軟件技術 流程技術和先進的計算機輔助設計 CAD 三維技術 3D 等其它技術 第二節發電廠的電氣部分 25 一 高壓交流輸變電概述 影響輸電電壓等級的發展主要有以下原因 由于大容量發電廠的建設地點遠離負荷中心 如果采用低壓輸電 勢必造成輸送功率的巨大浪費和電能質量的下降 因此 提高輸電電壓等級就成為必然的選擇 不同電壓等級的輸送功率和輸送距離的關系如表2 1所示 一 長距離輸送電能 第三節高壓交流輸變電 26 表2 1不同電壓等級的輸送功率和輸送距離 隨著電力系統發電容量的增大 特別是大型坑口電站和核電站的投產 雖然輸電距離不長 但輸送容量很大 也需要采用較高的電壓等級 二 大容量輸送電能 第三節高壓交流輸變電 27 如果以輸送每km每kW電力的線路造價作為單位造價 則在各級電壓相應的經濟輸送容量范圍內 線路的單位造價將隨輸送電壓等級的升高而降低 在相同的輸送容量和距離的條件下 輸電線的總損耗 包括電阻損耗和電暈損耗 隨輸電電壓等級的升高而降低 如表2 2所示 750kV線路的線損率約為330kV線路的1 2 表2 2電壓等級與線損率的關系 三 節省基建投資和運行費用 第三節高壓交流輸變電 28 此外 輸送相同容量電力的線路走廊的寬度 也隨著采用電壓等級的升高而降低 走廊用地在線路總造價中所占比重較大 如美國本部地區500kV線路約占15 30 為減少走廊占地費用 采用超高壓輸電也就在所難免 電力系統的發展 必然會打破歷史形成的地方電力系統的疆域 逐漸連成大區域或跨區域的聯合電力系統 為了增強電網輸送能力 提高系統的運行穩定性 大區電網間的連接多采用500kV或750kV超高壓電壓等級 甚至采用1150kV的特高壓電壓等級 四 電力系統互聯 第三節高壓交流輸變電 29 二 500kV輸變電系統 目前 我國500kV變電站的電氣接線一般采用雙母線四分段帶專用旁路母線和3 2斷路器兩種接線方式 如圖2 5所示 兩組母線W1和W2間有兩串斷路器 每一串的三組斷路器之間接入兩個回路引出線 如WL1 WL2 處于每串中間部位的斷路器稱為聯絡斷路器 如QF12 由于平均每條引出線裝設一臺半斷路器 故稱為一臺半斷路器接線 一 500kV變電站電氣主接線 第三節高壓交流輸變電 30 圖2 5500kV變電站電氣主接線 第三節高壓交流輸變電 31 二 500kV變電站主要電氣設備 500kV超高壓變電站的主要電氣設備有 1 主變壓器 500kV升壓變壓器和500kV自耦變壓器 2 斷路器 3 隔離開關 4 電壓互感器 5 電流互感器 6 避雷器 第三節高壓交流輸變電 32 三 并聯高壓電抗器和抽能并聯高壓電抗器 一 并聯高壓電抗器的作用 1 限制工頻電壓升高 2 降低操作過電壓 3 消除發電機帶長線出現自勵磁 4 避免長距離輸送無功功率并降低線損 5 限制潛供電流 有利于單相自動重合閘 二 抽能并聯高壓電抗器 500kV并聯電抗器及抽能系統 如圖2 7所示 第三節高壓交流輸變電 33 圖2 7500kV并聯電抗器及抽能系統接線圖 第三節高壓交流輸變電 34 四 串聯電容器補償 一 基本原理 高壓輸電線路的靜態穩定輸送功率可由下式表示 即 當線路中安裝有串聯電容器補償后 線路的靜態穩定輸送功率變為在同一個相角差的條件下 裝有串聯電容器補償前后的穩定輸送功率之比為 第三節高壓交流輸變電 35 其中 KC XC XL為補償度 補償度一般取在25 60 左右 因此 采用串聯電容器補償可以大幅度地減低線路電抗 提高電力系統的運行穩定性 也是提高遠距離輸電線路的輸送能力的一種有效措施 二 串聯電容器補償裝置的電氣接線 1 根據使用的目的不同 串聯電容器補償的型式有常規固定式串補 有可控制的串補和晶閘管控制串補 2 對于固定式串補按照過電壓保護方案和故障切除后要求串聯補償重投的時間 其電氣線接一般有以下形式 單間隙串聯補償接線 雙間隙串聯補償接線 第三節高壓交流輸變電 36 單間隙串聯補償接線 雙間隙串聯補償接線 圖2 8非線性電阻并帶觸發間隙的串聯補償接線 第三節高壓交流輸變電 37 三 串聯補償裝置的主要設備 1 電容器組 2 非線性電阻器 3 觸發型火花間隙 4 旁路斷路器 5 阻尼回路 6 電流互感器 第三節高壓交流輸變電 38 三 750kV超高壓輸變電示范工程 圖2 9750kV輸變電示范工程接線示意圖 第三節高壓交流輸變電 39 四 1000kV特高壓輸變電試驗示范工程 2006年8月19日 特高壓試驗示范工程1000kV晉東南 南陽 荊門工程正式奠基 這是我國首個特高壓交流試驗示范工程 該試驗示范工程包括三站兩線 起于山西長治境內的晉東南變電站 經河南南陽境內的南陽開關站 止于湖北荊門境內的荊門變電站 線路全長653 8km 系統額定電壓為1000kV 最高運行電壓1200kV 自然輸送功率約500萬kW 一 1000kV特高壓試驗示范工程規模 第三節高壓交流輸變電 40 1 輸送容量大 送電距離長 2 工程投資省 節省土地資源 線路損耗低 3 聯網能力強 4 可解決500kV電網短路電流超標問題 5 特高壓同步電網覆蓋范圍大 連接多個電源基地和負荷中心 潮流方式變化大 運行控制和安全穩定控制相對比較復雜 技術要求