发电厂电气部分与磁流体发电教材

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1、开始上课啦！ 概述 General introduction 一. 发电厂和变电所的作用 Action of power plant and substation 二.本门课主要内容 Main content of the text-books 三.本门课的作用 Action of the class 四. 参考资料 The reference books 一、电力系统的构成 1. 发电厂：生产电能，并通过升压站将 电能提高到一定高的电压等级。 2. 降压变电所：传输电能并改变电压（ 降压），直至达到负荷所需要的电压。 发电厂变压器 二、本门课程的主要内容 1.短路电流计算 2. 高压电气设备

2、 3.电气主接线 4.发电厂和变电所的自用电 5.配电装置 6.电气设备的选择 7.发电厂和变电所的控制与信号 三、本门课程的作用 在完成电路、电机学、电力系统 分析课程学习的基础上，通过本门课程的学 习，使学生了解和掌握发电厂变电所电气部分 的组成；高压开关电器的基本结构、工作原理 及其选择；电气主系统的基本接线原理；高压 配电装置的基本结构形式；发电厂变电所的控 制与信号部分。该课程是本专业重要的专业课 之一。 四、参考资料 1、发电厂电气部分中国电力出版社 熊信银 2、发电厂电气部分中国电力出版社 姚春球 3、电力系统工程上海电力学院 陆敏政 4、电力工程设计手册 西北电力设计院 第一章

3、电力系统概述 第一节 电力系统的构成 a.易于将其它形式的能转化为电能 b.便于远距离输送（输电线路、电缆） c.电能集中，分配自由，能够满足各生产过程的工艺过程 d.速度快（30万km/s），能量大，能做到约时停送电 e.利用率高，清洁经济，便于自动化控制 电能优点 电力系统=发电厂+变电所+输电线路+用户 图1-1 电力系统示意图 动力系统=电力系统+动力装置 电力网=变压+输电线路 图1-2 从发电厂到用户的发、输、配电过程 一、各种发电厂简介 生产电能的工厂称为发电厂，按使用能源不同可为 火电厂煤（天然气、石油） 热能 电能 燃烧 化学能 机械能 水力发电厂 水（落差流量） 机械能 电

4、能 汽轮机 水轮机 反应堆核裂变 机械能 核电站铀、钚 热能 电能 汽轮机 其它能源发电厂：风力、地热、太阳能、潮汐能发电厂等。 火力发电厂的分类 a、 凝汽式发电厂（专供发电） b、热电厂（发电兼供热）在发电的同时将一部 分作过功的蒸汽从汽轮机中抽出用管道输给附近需要热蒸 汽的用户。利用率高, 热能利用率由40可提高到60 70 c 、 燃气轮机发电厂 燃料（石油、天然气）燃 烧所产生的高温气体直接 冲动燃气轮机的转子旋转。建设 工期短，开停机灵活方便，便于电网调度控制，宜于承担 高峰负荷而作为电力系统中的调峰电厂 核电厂 利用原子核裂变产生的高热将水加热为水蒸气驱动汽轮机发电机发 电的电厂

5、 a.承担系统基本负荷 b.设备利用小时数大于6500小时 c.污染降低 造价高但消耗燃料少，容量为50万kw的大电厂，需铀 燃料20吨/年。 应为发展前景，但有放射性污染，不宜建在人口稠密 、地震活动地区 特点 美国纽约的一家核电厂的外观 水力发电厂 利用自然界江河水流的落差，通过筑坝等方式提高水位， 使水的位能释放驱动水轮机发电机组发电的电厂 依据提高水位的方法不同，水电站可分为： 坝后式水电站：是在河流上建筑一座很高的拦河坝， 提高上游水位形成水库，使坝的上下游形成落差，电 站建在堤坝的后面。三峡水电站属于这种类型。 引水式水电站：是在具有相当坡度的弯曲河段上游筑 一低坝，拦住河水，然后

6、利用沟渠或隧道，将上游直 接引至建在河段末端的水电站。 a. 综合利用水资源项目，如发电、航运 、灌溉等。 b. 丰水期满载，枯水期承担尖峰负荷 c. 开停机方便灵活 不需燃料，发电成本低 水工建筑工程量大，建设周期长 设备利用小时数低 调峰电站1500至3000小时 基荷5000至6000小时 特 点 坝后式水电站 开始上课啦！ 二、电力网 连接发电厂和用户的中间环节，一般分成输电网和配电网两部分。 输电网变电所 220KV输电线路 配电网 配电变压器 不接地直接接地 2、过电压与绝缘水平 大接地相电压 小接地线电压 3、对通讯与信号系统的干扰程度 大接地电流大、干扰大 小接地电流小，干扰小

7、 （一）比较 （二）、应用范围 110kv及以上直接接地 2060kv I10A中性点经消弧线圈 310kv I30A中性点经消弧线圈供电 1kv及以下直接接地 第二章短路电流计算 第一节概述 一、短路的概念和短路的原因 1、概念 所谓短路（short circuit），是指电力系统中一切未通过 任何负荷的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的 系统）发生通路的情况。 2、原因 电器绝缘损坏(主要原因)； 运行人员误操作（如带负荷拉倒闸） ； 其他因素（暴风雪、地震等自然灾害和动物误碰等） 。 带负荷拉倒闸 二.短路的危害 u短路电流的热效应使设备急剧发热，可能导致设备 过热损坏 ； u短路

8、电流产生很大的电动力，可能使设备永久变形 或严重损坏 ； u短路时系统电压大幅度下降，严重影响用户的正常 工作 ； u短路可能使电力系统的运行失去稳定 ； u不对称短路产生的不平衡磁场，会对附近的通讯系 统及弱电设备产生电磁干扰，影响其正常工作 。 三、短路的类型 四、短路电流计算目的 u 选择和校验各种电气设备，例如断路器、 互感器、电抗器、母线等 ； u 合理配置继电保护和自动装置 ； u 作为选择和评价电气主接线方案的依据 。 五、 短路电流实用计算的基本假设条件 （1）系统在正常运行时是三相对称的。 （2）系统各元件的磁路不饱和，即各元件的电抗值与电流大小无 关，所以在计算中可 以应用

9、叠加原理。 （3）系统中所有元件只计入电抗，输电线路的电容及电力系统各 元件的电阻，一般在高压电路计算中，都略去不计，但在计算短 路电 流的衰减时间常数时应计及电阻的作用。 （4）短路为金属性短路，即不计短路点过渡电阻的影响。 （5）变压器的励磁电流略去不计，相当于励磁阻抗回路断开，这 样可以简化变压器的 等值电路。 （6）电力系统中所有发电机电势的相位在短路过程中都相同，频 率与正常工作时相等， 不考虑短路过程中发电机转子之间摇摆现 象对短路电流的影响。 六、典型的短路电流波形曲线 （一）无穷大容量系统三相短路的暂态过程 （二）产生最大短路电流的条件 （三）有限容量系统三相短路的暂态过程 （

10、四）三相短路的有关物理量 （一）无穷大容量系统三相短路的暂态过程 v无穷大容量系统的概念 无穷大容量只是一个相对概念，指电源系统的容量相对 于用户容量大得多，在发生三相短路时电源系统的阻抗远远 小于短路回路的总阻抗，以致无论用户负荷如何变化甚至发 生短路，系统的母线电压都能基本维持不变，即电压的幅值 和频率都恒定不变。无限大容量电源记作S = ，电源的 内阻抗Z0（X=0, R = 0 ）。 在工程计算中，当电源系统的阻抗不大于短路回路总阻 抗的5%10%，或者电源系统的容量超过用户容量的50 倍时，可将其视为无穷大容量电源系统。 无穷大容量系统三相短路的暂态过程 无穷大容量系统三相短路的暂态

11、过程 短路前电路中的电流为： (2.1) 式中： 短路前电流的幅值 短路前回路的阻抗角 电源电压的初始相角，亦称合闸角； 短路后电路中的电流应满足： 方程式（2.2）的解就是短路的全电流，它由两 部分组成：第一部分是方程式（2.2）的特解，它代 表短路电流的周期分量；第二部分是对应齐次方程的 一般解，它代表短路电流的非周期分量。 (2.2) 无穷大容量系统三相短路的暂态过程 短路的全电流可以用下式表示 式中： 短路电流周期分量的幅值， 短路后回路的阻抗角， 短路回路时间常数， C 积分常数，由初始条件决定，即短路电流非周期 分量的初始值 。 （2.3） 无穷大容量系统三相短路的暂态过程 由于电

12、路中存在电感，而电感中的电流不能突变，则短 路前瞬间（用下标0表示）的电流i0应该等于短路发生后 瞬间（用下标0表示）的电流i0，将t0分别代入式（ 2.1）、式（2.3），可得 因此，短路的全电流为 无穷大容量系统三相短路的暂态过程 最大值： 无穷大容量电 源系统中发生 三相短路时短 路电流的波形 如右图所示。 无穷大容量系统三相短路的暂态过程 （四）三相短路的有关物理量 1. 短路电流冲击值 短路电流冲击值（shock value），即在发生最大短 路电流的条件下，短路发生后约半个周期出现短路电流 最大可能的瞬时值，当电源为工频50 时， 式中Ksh称为冲击系数，1 Ksh 2。 u在高压

13、供电系统中通常取Ksh =1.8； u低压供电系统中通常取Ksh =1.3。 即t=0.01秒时出现短路电流冲击值 三相短路的有关物理量 2. 短路电流次暂态值 （暂态值短路电流） 短路电流次暂态值是指短路以后幅值最大的一 个周期（即第一个周期）的短路电流周期分量的有 效值。在无限大容量系统中，短路电流周期分量幅 值保持不变，即 三相短路的有关物理量 3. 短路电流稳态值 短路电流稳态值（steadystate value）是指 短路进入稳态后短路电流的有效值。 无穷大容量电源系统发生三相短路时，短路电 流周期分量的幅值恒定不变，则 三相短路的有关物理量 4.短路冲击电流有效值 短路冲击电流有

14、效值指的是短路后的第一个周期内短路 全电流的有效值。 为了简化计算，可假定非周期分量在短路后第一个周期 内恒定不变，取该中心时刻t=0.01s的电流值计算。对于周 期分量，无论是否为无穷大容量电源系统，在短路后第一个 周期内都可认为是幅值恒定的正弦量。所以 三相短路的有关物理量 5.短路功率 短路功率又称为短路容量，它等于短路电流有 效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电 压）的乘积。 在短路的实用计算中，常只用次暂态短路电流 来计算短路功率，称为次暂态功率，即 （三）有限容量系统三相短路的暂态过程 有限容量电源系统（finite system）是相对于无穷大容 量电源系统而言的。 在分

15、析无穷大容量电源系统的三相短路暂态过程时，忽 略了短路时系统母线电压幅值的变化。 当计及电源母线电压变化时，短路电流周期分量的 幅值也将随着电源母线电压的变化而变化。 当电源容量比较小，或者短路点靠近电源时，短路引 起的电源母线电压的变化就不能忽略。 有限容量系统三相短路的暂态过程 实际上，发电机大多装有自动调节励磁装置，也称为 自动电压调整装置（autovoltage regulator，AVR）。当 发电机外部短路时，发电机的端电压急剧下降，自动调节 励磁装置动作，迅速增大励磁电流，以使发电机的端电压 回升。 但是由于自动调节励磁装置本身的反应时间以及发电 机励磁绕组的电感作用，使它不能立

16、即增大励磁电流，而 是经过一段很短的时间才能起作用。因此短路电流周期分 量的幅值是先衰减再上升逐渐进入稳态，其变化曲线如下 图（a）所示。 有限容量系统三相短路的暂态过程 第二节 电网的等值电路 一、电网中各元件的等值电路 1. 同步发电机 等价为电势和电抗的 串联电路 正常运行时 短路时 （a）稳态运行时 （b）短路初瞬 发电机同步电抗百分数 发电机次暂态电抗百分数 发电机额定电压 KV 发电机额定容量 MVA 2.变压器 （1）双绕组变压器等值电路 电抗 电阻 电导 电纳 变压器额定电压 KV 变压器额定容量 MVA 变压器的短路损耗KW 变压器的空载损耗KW 变压器短路电压百分数 变压器空载电流百分数 （2）三绕组变压器等值电路图