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电气工程概论辅导资料十一

电气工程概论辅导资料十一
主 题:第三章 电力系统及其自动化技术(第 1 节) 学习时间:2014 年 12 月 8 日--12 月 14 日 内 容:
我们这周主要学习第三章电力系统及其自动化技术的第一节,主要学习电力 系统的组成,发电厂以及输配电系统等相关知识。
第三章 电路系统及其自动化技术 第一节 电力系统的基本概念 1.电力系统的组成 发电机把机械能转变为电能,电能经变压器和电力线路传送并分配到用户, 在那里经电动机、电炉、电灯等用电设备又将电能转变为机械能、热能、光能等。 由这些生产、变换、传送、分配、消耗电能的电气设备(发电机、变压器、电力 线路及各种用电设备等)联系在一起组成的统一整体就是电力系统,如图 1 所示。
与“电力系统”一词相关的还有“电力网”和“动力系统”。前者指电力系 统中除去发电机和用电设备外的部分;后者指电力系统和发电厂动力部分的总 和。
2.发电厂 发电厂是生产电能的核心,担负着把不同种类的一次能源转换成电能的任 务。依据使用的一次能源不同,发电厂可分为许多类型。例如:燃烧煤、石油、 天然气发电的火力发电厂;利用水力能发电的水力发电厂;利用核能发电的核动 力发电厂。 (1)火力发电厂 火电厂的主要发电设备包括锅炉、汽轮机和发电机,其辅助设备有冷凝器、 给水加热器、各种水泵、磨煤机、除氧器、烟囱及各种量测与控制设备。原煤从

煤矿运到电厂后,先存入原煤仓,随后由输煤皮带运进原煤斗,从原煤斗落入球 磨机中被磨成很细的煤粉,再由排粉机抽出,随同热空气送入锅炉的燃烧室进行 燃烧。燃烧放出的热量一部分被燃烧室四周的水冷壁吸收,一部分加热燃烧室顶 部和烟道入口处的过热器中的蒸汽,余下的热量则被烟气携带穿过省煤器、空气 预热器传递给这两个设备内的水和空气。烟气经过除尘器净化处理,由吸风机导 入烟囱,被排入大气。燃烧时生成的灰渣和由除尘器收集下来的细灰,用水冲进 冲灰沟排出厂外。燃烧用的助燃空气,经送风机进入空气预热器中加热,加热后, 一部分被送往磨煤机作为干燥和运送煤粉的介质,大部分送入燃烧室参与助燃。 水、蒸汽是把热能转化成机械能的重要介质。净化后的给水,先送进省煤器预热, 继而进入汽包,由汽包降入水冷壁管中吸收燃烧室的热能后蒸发成蒸汽。蒸汽通 过过热器时,再次被加热,变为高温高压的过热蒸汽。过热蒸汽经主蒸汽管道进 入汽轮机膨胀做功,推动汽轮机转子转动,将热能转变为机械能。做完功的蒸汽 在凝结器中被冷却凝结成水。凝结水经除氧器去氧、加热器加热后再用给水泵重 新送入省煤器预热,便可作为工质继续循环使用。凝结器需要的冷却水由循环水 泵送入,冷却水在凝结器中吸热之后,流回冷却塔散热,然后,再经循环水泵供 给凝结器。汽轮机转子转动带动发电机转子旋转,在发电机中又把机械能转换成 电能。发电机发出的电能经过变压器升高电压后送入高压电力网。
火力发电厂的特点是技术成熟、成本较低,但是污染大、耗能大、效率较低。 (2)水力发电厂 水力发电厂是利用河流所蕴藏的水能资源来发电,水力能资源是最干净、价 廉的能源。水力发电厂的容量大小决定于上下游的水位差(简称水头)和流量的大 小。因此,水力发电厂往往需要修建拦河大坝等水工建筑物以形成集中的较高水 位差,并依靠大坝形成具有一定容积的水库,以调节河水流量。根据地形、地质、 水能资源特点等的不同,水力发电厂的形式是多种多样的。由拦河坝维持在高水 位的水,经压力水管进入螺旋形蜗壳,推动水轮机转子旋转,将水能变为机械能。 水轮机转子再带动发电机转子旋转,使机械能变成了电能。而做完功的水则经过 尾水管排往下游。发电机发出的电,经变压器升压后由高压输电线送至用户。 水利发电厂的优势是首先,水利发电厂的生产过程较简单,故所需的运行维 护人员较少,且易于实现全盘自动化。其次,水力发电厂不消耗燃料,故电能成 本要比火力发电厂低得多。此外,水力机组的效率较高,承受变动负载的性能较 好,故在系统中的运行方式较为灵活。水力机组启动迅速,在事故时能有力地发 挥其后备作用。再者,随着水力发电厂的兴建往往还可以同时解决发电、防洪、 灌溉、航运等多方面的问题,从而实现河流的综合利用,使国民经济取得更大效 益。水力发电厂的另一个优点是不像火力发电厂、核能发电厂那样存在环境污染 问题。 水利发电厂的劣势是由于水力发电厂需要建设大量的水工建筑物,所以相对 于火电厂来说,建设投资大,工期较长,使用劳力也较多。特别是水库还将淹没 一部分土地,给农业生产带来一定不利影响。水力发电厂的运行方式还受到气象、 水文等条件的影响,有丰水期、枯水期之别,发电出力不如火电厂稳定,也给电 力系统的运行带来一定不利因素。 (3)核能发电厂 核能是一种新的能源,也是可望长期使用的能源。所以,自 1954 年世界上 第一座核电厂投入运行以来,许多国家纷纷建设核电厂。核电厂建设的速度最 快。

核能发电的基本原理:核燃料在反应堆内产生核裂变,即所谓链式反应,释 放出大量热能,由冷却剂(水或气体)带出,在蒸汽发生器中将水加热为蒸汽。然 后,同一般火力发电厂一样,用蒸汽推动汽轮机,再带动发电机发电。冷却剂在 把热量传给水后,又被泵打回反应堆里去吸热,这样反复使用,就可以不断地把 核裂变释放的热能引导出来。核能发电厂与火力发电厂在构成上最主要区别是前 者用核一蒸汽发电系统来代替后者的蒸汽锅炉,所以核电厂中的反应堆又被称为 原子锅炉 。
核能发电厂的主要优点之一是可以大量节省煤、石油等燃料。核能发电厂的 另一个特点是燃烧时不需要空气助燃,所以核能电厂可以建设在地下、山洞里、 水下或空气稀薄的高原地区。
核能发电厂的主要问题是放射性污染。但随着科学技术的发展,将会变得越 来越安全。
目前大多数商业运行的核电厂属于水堆型,包括压水堆、沸水堆和重水堆。 正在研究开发中的有快中子增殖堆和高温气冷堆核电厂。
(4)新能源发电 新能源发电主要有风能发电、太阳能发电、地热能发电、潮汐能发电等 。 风力发电:风力发电是通过风力发电机组将风能转化成机械能,再转化为电 能。 太阳能发电:太阳能发电方式主要可分为光热发电和光电发电两种方式。光 热发电是用反光镜集热产生蒸汽,再用汽轮机来发电;光电发电是用光电池直接 把太阳能转化为电能 。 地热能发电:通过热流体将地下热能携带到地上,经过专门的装置将热能转 换为电能 。 潮汐发电:利用潮汐具有的能量转变成机械能,再转化成电能 。 此外还有生物能、波浪能、海洋温差能等。 从远景发展来看,还有聚变能、氢能等 。 3.输配电系统 (1)三相交流输配电系统 1)输电网的作用: 输电网主要是将远离负载中心的发电厂的大量电能经过变压器升高电压,通 过高压输电线,送到邻近负载中心的枢纽变电站。同时,输电网还有联络相邻电 力系统和联系相邻变电站的作用,或向某些容量特大的用户直接供电。输电网的 额定电压通常为 220~750kV 或更高,它的结构与电力系统运行的安全性及经济 性关系极大,是整个电力系统的骨架或主干电网。 2)配电网的作用 配电网可分为高压、中压和低压配电网。高压配电网的电压一般为 35~110 kV 或更高,中压配电网的电压一般为 6~20kV,它们将来自变电站的电能分配到 众多的配电变压器,以及直接供应中等容量的用户,低压配电网的电压为 380/220V,用于向数量很大的小用户供电 。 电力网的结构与电压等级、电源和负载点的容量和数目、它们之间的地理位 置以及可靠性要求等因素有关。 3)电力网的结构 放射式 a 是一种最简单的电网结构,运行调度和控制最为方便,但单回线路 供电可靠性不高。链式 b 结构是放射式的扩展,但可靠性低于放射式。环式 c

结构有较好的可靠性与经济性,但当某一线路退出运行后,电压质量可能较差。 具有多个电源的电力网有环式 d 和串链式 e 两种常用的结构,两者均有很高的 可靠性。但多个闭环结构电力网的调度和控制(包括继电保护)比较复杂,短路电 流水平也较高。输电网通常采用这两种结构或它们的组合,其中环式结构对各发 电厂间联系较强,运行稳定性一般较好;串链式结构对各发电厂间联系较弱,运 行稳定性相对较差。干线式 f 投资最省但可靠性很差,只适用于负载密度小、可 靠性要求不高的配电网。网格式 g 结构适用于负载密度很大,电压质量和可靠 性要求很高的城市配电网。
4)电力系统电压等级 电力系统中的发电、输电、配电以及用电等设备都是按一定的标准电压设计 和制造的,在这一标准电压下运行,设备的技术性能和经济指标将达到最好,这 一标准电压称为额定电压。我国国家标准规定的电力网络的额定线电压为:0.38、 3、6、10、35、63、110、220、330、500、750(kV)。 电网电压及合理的电压系列选择是一个涉及面极广的综合性问题,除应考虑 送电容量、距离、运行方式等多种因素外,还应根据动力资源的分布及工业布局 等远景发展情况,进行全面的技术经济比较。 选择电力网电压等级的原则是: ①选定的电压等级应符合国家标准 。 ②根据我国电力工业发展迅速的特点,电压等级不宜过多,以便减少变电重 复容量,同一地区、同—电网内,应尽可能简化电压等级。但电压级差也不宜太 小。根据国外经验,110kV 以下(或称电网配电电压等级),电压差一般在 3 倍以 上;110kV 及以上(或称电网输电电压等级),电压差—般在 2 倍左右 。 ③我国现有电网的电压等级配置大致分为两类,即 110/220/500kV 或 110 /330kV。220kV 以下的电压等级的配置为 10/63/220kV 及 10/35/110/220kV

两种系列。 (2)直流输电的特点与应用 直流输电是以直流方式实现电能传输的技术。直流输电与交流输电相互配
合,发挥各自的特长,构成现代电力传输系统。在以交流输电为主的电力系统中, 直流输电具有特殊的作用。除了在采用交流输电有困难的场合必须采用直流输电 外,在电力系统中,它还能提高系统的稳定性,改善系统运行性能并方便其运行 和管理。直流输电有两端(也称端对端)直流工程、多端直流工程、背靠背直流工 程、交直流并联输电等类型。
在发电和用电均为交流电的情况下,要进行直流输电,必须解决换流问题, 即在送端需将交流电变换为.直流电(整流),由直流输电线路送到受端,然后再 将直流电变换为交流电(逆变),送入受端交流电网使用。集成门极换相晶闸管 (IGTA)和碳化硅等新型半导体器件的开发,给直流输电技术的发展创造了更好的 条件。
1)直流输电系统的构成 直流输电系统的一次电路主要由整流站、直流线路和逆变站三部分组成。送端 与受端交流系统与直流输电系统也有密切的关系,它们给整流器和逆变器提供实 现换流的条件,同时送端电力系统作为直流输电的电源提供所传输的功率,而受 端则相当于负载,接受由直流输电送来的功率。
直流输电的控制保护系统与交流输电不同,它是实现直流输电正常启动和停 运、正常运行、运行参数的改变和自动调节以及故障处理和保护等必不可少的组 成部分。
此外,为了利用大地(或海水)为回路,大部分直流输电工程还有接地极和接 地极引线。因此,直流输电系统由整流站、直流输电线路、逆变站、控制保护系 统以及接地极及其引线等五部分组成。
2)直流输电的基本原理
上图是直流输电基本原理简图。它包括两个换流站,直流输电线路及两端交 流系统 I 和Ⅱ。当系统 I 向系统Ⅱ送电时,换流站 1 运行于整流状态,把系统 I 送来的三相交流电变换成直流电,经直流线路送到换流站 2。此时,换流站 2 则 运行于逆变状态,把直流电变换为三相交流电送入系统Ⅱ。
3)直流输电的特点 ①直流架空线结构简单、造价低、损耗小。 ②电缆耐受直流电压的能力比交流电压约高 3 倍以上。 ③直流输电本身无交流输电的稳定问题。 ④采用直流输电可实现电网间的非同步互联,增强了各电网的独立性和可靠 性,运行管理也方便。 ⑤利用直流输电的快速控制,可改善交流系统的运行性能。 ⑥直流输电采用大地为回路,提高了直流输电系统运行可靠性和经济性。 ⑦直流输电换流站比交流输电的变电站增加了换流装置及相关的配套设备。

4)直流输电的应用范围主要有: ①远距离大容量输电。 直流输电线路的造价和运行费用比交流输电线路低,换流站造价和运行费用 均比交电流互感器电站高。因此,对同样的输送容量,输送距离越远,直流的经 济性能越好。一般定义为当直流线路和换流站的造价与交流线路和变电站的造价 相等时的输电距离为等价距离。也就是说对于一定的输送功率,当输电距离大于 等价距离时,采用直流比较经济。 ②电力系统联网。 用传统的交流输电方式联网,将形成同步运行的大电网,可取得联网效益, 但也带来一些大电网存在的问题,如稳定问题,故障后可能引起的大面积停电, 短路容量增大等。采用直流方式联网,可以取得同样的联网效益,并且可避免大 电网带来的问题,同时还可以改善原交流电网的运行性能。 ③远距离海底电缆送电。 由于远距离大容量电缆送电采用直流比交流有明显的优势,跨越海峡或向沿 海岛屿的直流海底电缆工程也越来越多。 ④大城市地下电缆送电。 大城市用电密度高,人口稠密,选择高压架空线路走廊比较困难,采用高压 直流地下电缆将电力送到大城市负载中心,具有较好的技术经济性,是值得考虑 的选择方式 。 ⑤轻型直流输电。 采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)电压源换流器的轻型直流输电,在向孤立的远 方负载区送电、小型水电或风力发电与主干电网的连接以及小容量远距离的配电 线路等场合有较强的发展潜力。
本周要求掌握的内容如下: 通过学习本周我们要了解掌握电力系统的组成,掌握火力发电厂、水力发电 厂、核能发电厂、新能源发电的过程、优缺点,掌握三相交流输配电系统中输电 网、配电网、电网结构、电压等级原则,掌握直流输电的构成、基本原理、特点 及应用范围等。
习题 (一)选择题
1. 中压配电网的电压一般为( )kV。 A.220~750 B.35~110 C.6~20 D.80/220 答案:C
2.有关直流输电的特点不正确的描述是( )。 A.结构简单 B.造价低 C.损耗小 D.容量小 答案:D

(二)判断题

1.直流输电在电力系统中能提高系统的稳定性、改善系统运行性能并方便其运

行和管理。

(正确)

2.采用直流输电可实现电网间的同步互联,但增加被联电网的短路容量。(错误)

(三)简答题

1.简述直流输电的应用范围。

答:

(1)远距离大容量输电

(2)电力系统联网

(3)远距离海底电缆送电

(4)大城市地下电缆送电

(5)轻型直流输电

2.简述新能源发电的类别。 答: (1)风力发电

(2)太阳能发电

(3)地热能发电

(4)潮汐发电




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