发电厂电气设备及运行课件.ppt
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1、发电厂电气设备及运行 第一章 电力系统概述1.1电力系统的组成1.2工厂供配电系统1.3电能的质量指标1.1电力系统的组成n电能是现代人们生产和生活的重要能源,它属于二次能源。n发电厂将一次能源(如煤、油、水、风、太阳能、原子能等)转换成电能,而电能的输送、分配简单经济,便于控制、调节和测量,又易于转化为其他形式的能(机械能、光能、热能),因此电能在现代工农业生产和整个国民经济生活中得到广泛的运用。n电力系统是由发电厂,电力网和电能用户组成的一个发电,输电,变电配电和用电的整体1.1.1电力系统n电力系统由不同类型的发电机,配电装置,输、配电线路,升压及降压变电所和用户组成一个整体,对电能进行
2、不间断的生产和分配。nG发电机发电机升压变压器升压变压器高压输电线高压输电线路路降压变压器降压变压器高压配电高压配电线路线路降 压 变 压降 压 变 压器器低 压 配 电低 压 配 电线路线路35500kV610kV220/380VG3.15500kV电力系统送电过程示意图电力系统送电过程示意图1.1.1电力系统GGGGGGG工 厂 总 降压变电所车间变电所35110kV线路35110kV地方电网水电站地区变电所610Kv电网大型水(核)电站220500kV超高压输电线路热电厂220330Kv区域电网枢纽变电所n220/380V6.310.5kV地区变电所1.1.2 发电厂n发电厂 发电厂又称
3、发电站,是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能(二次能源)的工厂。发电厂按其所利用的能源不同,分为水力发电厂、火力发电厂、核能发电厂以及风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂等等。1.1.2发电厂1、水力发电厂 通过拦河坝,使水位增高,开闸使水沿管从高处向下流入水轮机,利用位能推动叶轮转动,发电。三峡水电站全景 1.1.2发电厂n火力发电厂 简称为电厂或火电站,它利用燃料的化学能来生产电能,我国的火电厂以燃煤为主。1.1.2发电厂n核能发电厂 通常称为核电站,它主要是利用原子核的裂变能来生产电能。其生产过程与火电厂基本相似,只是用核反应堆(俗称原子锅炉)代替了燃煤锅炉,是少量的核燃料代替了大量的
4、煤炭。田湾核电站图1.1.2发电厂n风力发电厂 利用风力的动能来产生动电能,它建有在丰富的风力资源的地方。达板城风力发电1.1.2发电厂n太阳能发电厂 利用太阳光能或太阳热能来产生电能。1.1.2发电厂n地热能发电厂 利用地球内部蕴藏的大量地热能产生电能。它建在有足够地热资源的地方1.1.3n电力网电力网:由各种不同电压等级的输电线路和变电所组:由各种不同电压等级的输电线路和变电所组成,是连接发电厂和用户的中间环节,起到输送、变成,是连接发电厂和用户的中间环节,起到输送、变换和分配电能的作用。华北、东北、华中、华东、南换和分配电能的作用。华北、东北、华中、华东、南方和西北电网。方和西北电网。n
5、变电站变电站:变换电压和接受、分配电能的场所。分为升:变换电压和接受、分配电能的场所。分为升压变电站和降压变电站两种。其中降压变电站又可分压变电站和降压变电站两种。其中降压变电站又可分为地方降压变电站、企业降压变电站、车间变电站。为地方降压变电站、企业降压变电站、车间变电站。n配电所配电所:只有受电和配电开关控制设备,而没有变压:只有受电和配电开关控制设备,而没有变压器的场所。器的场所。n电能用户电能用户:包括工业、企业在内的所有用户(用电单:包括工业、企业在内的所有用户(用电单位)位)1.2工厂供配电系统n工厂供配电系统 从电力系统送来的中、高压电能在企业内部进行变压和分配到各用电设备。n构
6、成:工厂总降压变电所、高压配电线路、车间变电站、低压配电线路、用电设备等。工厂的规模不同,供配电系统也不同。可分为大中型工厂和中小型工厂,如图所示。1.2.1 大中型工厂供配电系统n特点:n35110kV电源进线n设总降压站(供10kV设备)n设车间变电所(供低压设备)(规模大、设备数量多、容量大、有中压设备。)n两级变电两级变电1.2.2 中小型工厂供配电系统n特点:n10kV电源进线n设配电所(供10kV设备)n设车间变电所(供低压设备)(规模小、中压设备数量少、主要是低压设备)n 低压电源进线见书(很少用)n一级变电一级变电1.3 额定电压与电能质量n1.3.1 概念n额定电压额定电压
7、是用电设备(电动机、白炽灯等)、发电机和变压器正常是用电设备(电动机、白炽灯等)、发电机和变压器正常工作时具有最好技术经济指标的电压。工作时具有最好技术经济指标的电压。n电网额定电压电网额定电压 n发电机额定电压发电机额定电压n变压器额定电压变压器额定电压n用电设备额定电压用电设备额定电压NUNGUU05.1NNTNNTUUUU1.1;.2.1 NeUU 远距离远距离近距离近距离(10kV及以下及以下)NNTUU05.1.2 我国电网和电力设备的额定电压一、同步发电机的基本工作原理一、同步发电机的基本工作原理 同步发电机是根据导体切割磁力线感应电动势这一基本原理工作的。因此,同步发电机应具有产
8、生磁力线的磁场和切割该磁场的导体。通常前者是转动的,称为转子,后者是固定的,称为定子(或称电枢),定、转子之间有气隙,如图所示。定子上有AX、BY、CZ三相定子绕组,它们在空间是互差120电角度对称分布放置在定子铁芯槽中,每相的结构参数都完全相同。转子具有p对磁极,上面装有直流励磁的转子绕组,当直流电流通过电刷和集电环流入转子绕组后,产生的主磁通由N极出来经过气隙、定子铁芯,再经过气隙进入S极构成主磁路,如图7-1中虚线所示(图中p1)。第一节第一节 同步发电机概述同步发电机概述同步电机的工作原理图1一定子;2转子;3一滑环 当发电机的转子由原动机驱动,以转速n按图示方向作恒速旋转时,定子中三
9、相绕组的导体依次切割气隙磁场,于是,三相绕组便感应出各相大小相等、相位彼此相差120的交流电动势。据图7-1所示转子的转向,若气隙磁通密度按正弦波分布,则三相绕组感应电动势波形如图7-2所示,相序为ABC。交流电动势的频率f可这样确定:当转子为1对极时,转子旋转一周,定子绕组中感应电动势变化一个周期;当同步发电机具有p对极时,转子旋转一周,感应电动势就交变p个周期;当转子的转速为每分n转时,则交变电动势的频率为 (71)式中n转子的转速,r/min。第一节第一节 同步发电机概述同步发电机概述60pnf 如果同步发电机作电动机运行,必须在定子绕组加以三相交流电源,电机内部便产生一个旋转磁场。这时
10、转子绕组加直流励磁,则转子将在定子旋转磁场的带动下,沿定子磁场的方向以相同的转速旋转,转子的转速仍由式(7-1)决定,即 (72)由上两式可见,同步电机无论是作为发电机使用,还是作为电动机使用,其转速和交流电频率之间都将保持严格不变的关系,也就是说,电枢磁动势为一同步旋转的旋转磁动势,它与转子同速同方向旋转,定子和转子磁动势之间保持相对静止并产生恒定的电磁转矩。同步电机在恒定频率下的转速恒为同步速度,是同步电机和感应电机的基本区别之一。第一节第一节 同步发电机概述同步发电机概述60/nfp二、同步发电机的类型二、同步发电机的类型n 同步发电机因用途不同,结构也相差甚大,一般可按其原动机的类别、
11、本体结构和安装方式等进行分类。n (1)按原动机的类别,同步发电机可分为汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机及柴油发电机等。n (2)按冷却介质,可分为空气冷却、氢气冷却和水冷却等。n (3)按主轴安装方式,可分为卧式安装和立式安装等。n (4)按本体结构,可分为旋转电枢式和旋转磁极式等。n 同步发电机的结构,主要是由原动机的特性决定的。如汽轮发电机,由于转速高达3000r/nun,故极对数少,转子采用一隐极式,卧式安装;水轮发电机由于转速低(一般在500r/min以下)故其极对数多,转子采用凸极式,立式安装。第一节第一节 同步发电机概述同步发电机概述三、同步发电机的主要技术数据三、同步发电机
12、的主要技术数据n 为使发电机按设计技术条件运行,在发电机出厂时都在其铭牌上标注出额定技术数据。n这些额定技术数据主要有:n (1)额定容量(或额定功率)。额定容量是指发电机在设计技术条件下运行时输出的视在功率,用kVA或MVA表示;额定功率是指发电机输出的有功功率,用kW或MW表示。n (2)额定定子电压。指发电机在设计技术条件下运行时,定子绕组出线端的线电压,用kV表示。n (3)额定定子电流。指发电机定子绕组出线的额定线电流,单位为A。n (4)额定功率因数。指发电机在额定功率下运行时,定子电压和定子电流之间允许的相角差的余弦值,即额定功率因数。第一节第一节 同步发电机概述同步发电机概述n
13、(5)额定转速。指正常运行时发电机的转速,用r/min(每分钟转数)表示。我国生产的汽轮发电机转速均3000r/min。n(6)额定频率。我国电网的额定频率为50Hz(即每秒50周)。n(7)额定励磁电压。指发电机励磁电流达到额定值时,额定出力运行在稳定温度时的励磁电压。n(8)额定励磁电流。指发电机在额定出力时,转子绕组通过的励磁电流,用A或kA表示。n(9)额定温度。指发电机在额定功率运转时的最高允许温度()。n(10)效率。指发电机输出与输入能量之比百分值,一般额定效率在93%98之间。第一节第一节 同步发电机概述同步发电机概述第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造一、同
14、步发电机的基本构造一、同步发电机的基本构造 同步发电机的结构采用旋转磁极式,按转子磁极的形状可分为隐极式和凸极式两种。一般隐极式结构在汽轮发电机中采用,而凸极式结构则通常在水轮发电机中采用,如图7-3所示。从图中可见,隐极式的气隙是均匀的,转子呈圆柱形。凸极式的气隙是不均匀的,极弧底下气隙较小,极间部分较大。第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造图7-3 同步发电机的类型(a)隐极式;(b)凸极式1一定子;2一隐极式转子;3一凸极式转子第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造n 1定子n 定子又称为电枢,主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。,它是同步发
15、电机用以产生三相交流电能,实现机械能与电能转换的重要部件。n (1)定子铁芯。n定子铁芯一般由厚0.5mm或0.35rnm两面涂有绝缘漆膜的硅钢片叠成,沿轴向叠成多段形式,每段叠片厚为3060rnm。各段叠片之间留有宽约l0mm的通风槽,以改善定子铁芯的散热条件。当屋子铁芯外圆直径大于lm时,用扇形硅钢片拼成一个整圆。为减少漏磁防止涡流引起过热,在定子铁芯的两端用非磁性材料制成的压板将其夹紧,整个铁芯固定在定子机座上,如图7-4所示。沿定子铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组。第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造图7-4定子铁芯压紧(a)无磁性压板;(b)定子铁芯剖面n(2)定
16、子绕组。n 汽轮发电机的定子绕组一般采用三相双层叠绕组,构成定子三相交流电路。n为了减少绕组导体中集肤效应引起的附加损耗,导线由许多相互绝缘的并联多股线组成,在槽内线圈的直线部分还应进行换位。三相定子绕组对铁芯绝缘强度的要求,取决于电机额定电压的高低。为了防止电晕,6.3kV及以上的定子绕组经绝缘处理后还要涂以半导体漆。定子的每一槽内放置上、下两线圈边,并垫以层间绝缘,线圈放入槽中,采用槽楔固定。为了能承受住因突然短路产生的巨大电磁力而引起的端部变形,以及正常运行时不致产生较大的振动,定子绕组端接部分需用线绳绑紧或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上,如图7-5所示。第二节第二节 同步发电机的基本构
17、造同步发电机的基本构造n(3)机座。n机座是用来支撑和固定定子铁芯和端盖的,应有足够的强度和刚度,机座与定子铁芯之间需要留有适当的通风道,以利电机的冷却。n此外,还有端盖、轴承、通风隔板等。n2转子n转子包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇等。它也是汽轮发电机的重要部件。第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造n(1)转子铁芯。n转子铁芯应具有良好的导磁性能,并能承受很大的离心力作用。隐极式的转子铁芯与转轴锻造成一体,一般所用材料是具有高强度和导磁性能良好的含铬、镍和钼的合金钢。n汽轮发电机的转子铁芯横剖面如图7-6
18、所示。沿转子铁芯外圆表面铣出槽,槽内放置直流励磁绕组。n转子表面约占圆周长的三分之一不开槽,称大齿,即主磁极。n(2)励磁绕组。n励磁绕组由矩形的绝缘扁铜线绕成同心式线圈,两线圈边分别放置在大齿两侧所开出的槽内,所有线圈串联组成励磁绕组,构成转子的直流电路。励磁绕组引出的两个线端接在集电环上,并通过电刷与外电路直流电源相连接。n励磁绕组的各线匝间垫有绝缘,线圈和铁芯之间也有可靠的“对地绝缘”。n励磁绕组放置在槽内后,需用非导磁高强度的硬铝或铝青铜制成的槽楔来压紧。如图7-7所示。第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造n二、二、300MW水氢氢冷却发电机结构特点水氢氢冷却发电机结
19、构特点n 发电机在运行时,由于绕组中的电流和铁芯中的交变磁通会产生热量,这种热量会使发电机温度升高,随着发电机单机容量的增大,温升也越来越高。就发电机而言,温升受到电机铁芯冲片绝缘和线圈绝缘材料允许温度的限制,因此,必须加以冷却。n 提高发电机单机容量,不能只靠增加电机体积,因为发电机转子锻件和护环锻件的机械性能极限使锻件尺寸受到限制,因此随着单机容量增加,材料利用率越来越高,单位体积的发热量也大为增加,为限制发电机温度,必须在冷却上采取强化措施。所以,发电机冷却方式可以反映出发电机的容量等级和结构特征。第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造n 80多年来,发电机冷却介质已从空
20、气时代进展到氢气和水的时代,氢气的重量仅为空气的1/4,导热性能比空气高六倍,其冷却效果比空气好,效率提高了0.71.0。一般汽轮发电机从空冷改为氢冷后,可提高出力2035,冷却方法从冷却介质接触绝缘外部的间接冷却进展到与铜线的内部接触直接冷却,称之内冷式,大大提高了冷却效果;而采用水作为冷却介质,为电机技术的发展开辟了一条崭新的道路,当水的流速仅为空气的百分之几时,它的冷却能力比空气大几十倍。发电机的定子采用水内冷,转子及铁芯采用氢内冷方式,可大幅度提高其出力。n 水氢冷发电机的特点是,定子绕组用水冷却,转子绕组采用氢气冷却,一般水源取自汽轮机的凝结水,这种水源比较清洁,符合冷却水质的要求。
21、发电机铁芯也采用氢气冷却。第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造n水氢冷发电机虽然可以减少材料消耗,但是和空冷电机相比,它的结构比较复杂,维护修理比较麻烦,同时还必须配备一套专用冷却系统,所以一般情况下,它只适用于大型电机,而对5万kW以下的中小型电机,由于它的经济意义不大,故仍采用空冷型式为主。n我国QFSN-300型30万kW机组,由于容量大、额定电压高,较之普遍的中小型氢冷水冷机组,在提高电气性能和加强机械强度、确保安全运行方面,都采取一系列特殊而有效的必要措施。n第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造(二)同步发电机总体结构(二)同步发电机总体结构n同步
22、发电机组外形见图7-9。第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造图7-9 同步发电机组外形图第三节第三节 汽轮发电机的运行方式汽轮发电机的运行方式 汽轮发电机的运行方式包括正常运行方式,进相运行方式以及不对称运行方式等,现简 单叙述如下。一、额定情况下的运行方式一、额定情况下的运行方式 发电机按照制造厂铭牌规定数据运行的方式,称为额定运行方式。在此方式下,可以长期连续运行。发电机的额定数据,如转速、定子电压、定子和转子温度、振动幅度等,是制造厂的设计依据,只有严格控制其在允许值范围内,才能保障发电机安全而高效地运行。三、发电机的进相运行方式三、发电机的进相运行方式n 汽轮发电机既
23、发出有功功率,也提供感性无功功率,以满足负荷的需求。通常规定,发电机发出感性无功功率为正,吸收感性无功功率为负。汽轮发电机的进相运行方式是指欠励运行。发电机在这种方式下运行时,它的功率因数是超前的,也就是说,它从系统中吸收感性无功功率和发出有功功率。n 随着电力系统不断发展,输电线路电压等级越来越高,输电距离越来越长,线间及线对地的电容在增大,从而导致了电力系统电容电流以及容性无功功率的增长,也相当于发出的感性无功功率增多了。尤其在节假日、午夜等低谷负荷期间,线路所发生的无功功率过剩,使得电力系统电压上升,以致超过容许范围。第三节第三节 汽轮发电机的运行方式汽轮发电机的运行方式n若采用并联电抗
24、器或向步调相机来吸收这部分剩余无功功率,不但有一定限度,且增加了设备投资。大容量发电机的进相运行,用以吸收过剩的无功功率,进行调压,使电压保持在容许的范围内。这是一项切实可行的措施,无需增加额外设备投资而收到同样效果。第三节第三节 汽轮发电机的运行方式汽轮发电机的运行方式变压器的基本知识和结构变压器的基本知识和结构 变压器利用电磁感应原理,把一种交流电压和电流转换变压器利用电磁感应原理,把一种交流电压和电流转换成相同频率的另一种或几种交流电压和电流,是一种静止的电成相同频率的另一种或几种交流电压和电流,是一种静止的电器。在电力系统中,无论是在发电厂或变电站,都可以看到各器。在电力系统中,无论是
25、在发电厂或变电站,都可以看到各种型式和不同容量的电力变压器。种型式和不同容量的电力变压器。一、变压器的基本原理一、变压器的基本原理 变压器的基本原理如图变压器的基本原理如图6 61 1所示。所示。图61 变压器的基本原理图第一节第一节 变压器的基本知识和结构变压器的基本知识和结构 变压器是应用电磁感应原理来进行能量转换的,主要部分变压器是应用电磁感应原理来进行能量转换的,主要部分是由两个(或两个以上)互相绝缘且匝数不等的绕组套在一个是由两个(或两个以上)互相绝缘且匝数不等的绕组套在一个共同的铁心上构成的,两个绕组之间通过磁场而耦合,能量的共同的铁心上构成的,两个绕组之间通过磁场而耦合,能量的转
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