《发电厂电气部分》课后习题答案

第一章 能源和发电1-2 电能的特点：便于大规模生产和远距离输送；方便转换易于控制；损耗小；效率高；无气体和噪声污染。随着科学技术的发展，电能的应用不仅影响到社会物质生产的各个侧面，也越来越广泛的渗透到人类生活的每个层面。电气化在某种程度上成为现代化的同义词。电气化程度也成为衡量社会文明发展水平的重要标志。1-3火力发电厂的分类，其电能生产过程及其特点？答：按燃料分：燃煤发电厂；燃油发电厂；燃气发电厂；余热发电厂。按蒸气压力和温度分：中低压发电厂；高压发电厂；超高压发电厂；亚临界压力发电厂；超临界压力发电厂。按原动机分：凝所式气轮机发电厂；燃气轮机发电厂；内燃机发电厂和蒸汽燃气轮机发电厂。按输出能源分：凝气式发电厂；热电厂。按发电厂总装机容量分：小容量发电厂；中容量发电厂；大中容量发电厂；大容量发电厂。火电厂的生产过程概括起来说是把煤中含有的化学能转变为电能的过程。整个生产过程分三个系统：燃料的化学能在锅炉燃烧变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；锅炉产生的蒸汽进入气轮机，冲动气轮机的转子旋转，将热能转变为机械能，称不汽水系统；由气轮机转子的机械能带动发电机旋转，把机械能变为电能，称为电气系统。1-4水力发电厂的分类，其电能生产过程及其特点？答：按集中落差的方式分为：堤坝式水电厂；坝后式水电厂；河床式水电厂；引水式水电厂；混合式水电厂。按径流调节的程度分为：无调节水电厂；有调节水电厂；日调节水电厂；年调节水电厂；多年调节水电厂。水电厂具有以下特点：可综合利用水能资源；发电成本低，效率高；运行灵活；水能可储蓄和调节；水力发电不污染环境；水电厂建设投资较大工期长；水电厂建设和生产都受到河流的地形，水量及季节气象条件限制，因此发电量也受到水文气象条件的制约，有丰水期和枯水期之分，因而发电量不均衡；由于水库的兴建，淹没土地，移民搬迁，农业生产带来一些不利，还可能在一定和程度破坏自然的生态平衡。1-5抽水蓄能电厂在电力系统中的作用及其功能？答：抽水蓄能电厂在电力系统中的作用：调峰；填谷；备用；调频；调相。功能：降低电力系统燃料消耗；提高火电设备利用率；可作为发电成本低的峰荷电源；对环境没有污染且可美化环境；抽水蓄能电厂可用于蓄能。第二章 发电、变电和输电的电气部分 2-1哪些设备属于一次设备？哪些设备属于二次设备？其功能是什么？答：通常把生产、变换、分配和使用电能的设备，如发电机、变压器和断路器等称为一次设备。其中对一次设备和系统运行状态进行测量、监视和保护的设备称为二次设备。如仪用互感器、测量表计，继电保护及自动装置等。其主要功能是起停机组，调整负荷和，切换设备和线路，监视主要设备的运行状态。2-2简述300MW发电机组电气接线的特点及主要设备功能。答：1）发电机与变压器的连接采用发电机变压器单元接线； 2）在主变压器低压侧引接一台高压厂用变压器，供给厂用电； 3）在发电机出口侧，通过高压熔断器接有三组电压互感器和一组避雷器； 4）在发电机出口侧和中性点侧，每组装有电流互感器4个； 5）发电机中性点接有中性点接地变压器； 6）高压厂用变压器高压侧，每组装有电流互感器4个。 其主要设备如下：电抗器：限制短路电流；电流互感器：用来变换电流的特种变压器；电压互感器：将高压转换成低压，供各种设备和仪表用，高压熔断器：进行短路保护；中性点接地变压器：用来限制电容电流。2-3简述600MW发电机组电气接线的特点及主要设备功能。2-4影响输电电压等级发展因素有哪些？答：1）长距离输送电能； 2）大容量输送电能； 3）节省基建投资和运行费用； 4）电力系统互联。2-5简述交流500kV变电站主接线形式及其特点。答：目前，我国500kV变电所的主接线一般采用双母线四分段带专用旁路母线和3/2台断路器两种接线方式。其中3/2台断路器接线具有以下特点：任一母线检修或故障，均不致停电；任一断路器检修也不引起停电；甚至在两组母线同时故障（或一组母线检修另一组母线故障）的极端条件下，功率均能继续输送。一串中任何一台断路器退出或检修时，这种运行方式称为不完整串运行，此时仍不影响任何一个元件的运行。这种接线运行方便，操作简单，隔离开关只在检修时作为隔离带电设备用。2-11简述高压直流输电的优点和缺点各有哪些？答：优点：1）线路造价低，年电能损失小； 2）不存在系统稳定问题； 3）限制短路电流。4）调节快速，运行可靠； 5）没有电容充电电流。 6）节省线路走廊。缺点：1） 换流装置较昂贵； 2）消耗无功功率多；3）产生谐波影响； 4）缺乏直流开关； 5）不能用变压器来改变电压等级。第三章 导体的发热和电动力 3-1研究导体和电气设备的发热有何意义？长期发热和短时发热各有何特点？答：电流将产生损耗，这些损耗都将转变成热量使电器设备的温度升高。发热对电气设备的影响：使绝缘材料性能降低；使金属材料的机械强度下降；使导体接触电阻增加。导体短路时，虽然持续时间不长，但短路电流很大，发热量仍然很多。这些热量在适时间内不容易散出，于是导体的温度迅速升高。同时，导体还受到电动力超过允许值，将使导体变形或损坏。由此可见，发热和电动力是电气设备运行中必须注意的问题。长期发热是由正常工作电流产生的；短时发热是由故障时的短路电流产生的。3-2为什么要规定导体和电气设备的发热允许温度？短时发热允许温度和长期发热允许温度是否相同，为什么？答：导体连接部分和导体本身都存在电阻(产生功率损耗)；周围金属部分产生磁场,形成涡流和磁滞损耗；绝缘材料在电场作用下产生损耗，如：值的测量载流导体的发热：长期发热：指正常工作电流引起的发热 短时发热：指短路电流引起的发热一 发热对绝缘的影响绝缘材料在温度和电场的作用下逐渐变化，变化的速度于使用的温度有关；二发热对导体接触部分的影响温度过高表面氧化电阻增大恶性循环三发热对机械强度的影响温度达到某一值退火机械强度设备变形如：长期发热70短期发热300长期发热70短期发热2003-3导体长期发热允许电流是根据什么确定的？提高允许电流应采取哪些措施？答：是根据导体的稳定温升确定的。为了载流量，宜采用电阻率小的材料，如铝和铝合金等；导体的形状，在同样截面积的条件下，圆形导体的表面积较小，而矩形和槽形的表面积则较大。导体的布置应采用散热效果最最佳的方式。3-4为什么要计算导体短时发热最高温度？如何计算？答：载流导体短路时发热计算的目的在于确定短路时导体的最高温度不应超过所规定导体短路时发热允许温度。当满足这个条件时，则认为导体在短路时，是具有热稳定性的。计算方法如下：1）有已知的导体初始温度w；从相应的导体材料的曲线上查出Aw；2）将Aw和Qk值代入式：1/S2Qk=Ah-Aw求出Ah；3）由Ah再从曲线上查得h值。3-5等值时间的意义是什么等值时间法适用于什么情况？答：等值时间法由于计算简单，并有一定精度，目前仍得到广泛应用。但是曲线所示是根据容量为500MW以下的发电机，按短路电流周期分量衰减曲线的平均值制作的，用于更大容量的发电机，势必产生误差。这时，最好采用其它方法。3-6用实用计算法和等值时间法计算短路电流周期分量热效应，各有何特点？答：用实用计算法中的电流是短路稳态电流，而等值时间法计算的电流是次暂态电流。3-7电动力对导体和电气设备的运行有何影响？答：电气设备在正常状态下，由于流过导体的工作电流相对较小，相应的电动力较小，因而不易为人们所察觉。而在短路时，特别是短路冲击电流流过时，电动力可达到很大的数值，当载流导体和电气设备的机械强度不够时，将会产生变形或损坏。为了防止这种现象发生，必须研究短路冲击电流产生的电动力的大小和特征，以便选用适当强度的导体和电气设备，保证足够的动稳定性。必要时也可采用限制短路电流的措施。3-8三相平行导体发生三相短路时最大电动力出现在哪一相上，试加以解释。答：三相平等导体发生三相短路时最大电动力出现在中间相B相上，因为三相短路时，B相冲击电流最大。3-9导体的动态应力系数的含义是什么，在什么情况下，才考虑动态应力？答：动态应力系数为动态应力与静态应力的比值，导体发生振动时，在导体内部会产生动态应力，对于动态应力的考虑，一般是采用修正静态计算法，即在最大电动力Fmax上乘以动态应力系统数，以求得实际动态过程中的动态应力的最大值。3-10大电流母线为什么常采用分相封闭母线？分相封闭母线的外壳有何作用？答：大电流母线采用分相封闭母线是由于：1）运行可靠性高，因母线置于外壳内，能防止相间短路，且外壳多点接地，可保障人体接人体接触时的安全。2）短路时母线相间电动力大大降低，由于外壳涡流的屏蔽作用，使壳内的磁场减弱，对减小短路时的电动力有明显的效果；3）壳外磁场也因外壳电流的屏蔽作用而减弱，可较好改善母线附近的钢构发热；4）安装的维护工作量小。3-11怎样才能减少大电流母线附近钢构的发热？答：减小大电流母线附近的钢构发热的措施：1）加大钢构和导体间的距离，使布磁场强度减弱，因而可降低涡流和磁滞损耗；2）断开钢构回路，并加装绝缘垫，消除环流；3）采用电磁屏蔽；4）采用分相封闭母线。第四章 厂用电5-1什么叫厂用电和厂用电率？答：发电机在启动，运转、停止，检修过程中，有大量电动机手动机械设备，用以保证机组的主要设备和输煤，碎煤，除尘及水处理的正常运行。这些电动机及全厂的运行，操作，实验，检修，照明用电设备等都属于厂用负荷，总的耗电量，统称为厂用电。厂用电耗量占发电厂全部发电量的百分数，称为厂用电率。5-2厂用电的作用和意义是什么？答：发电机在启动、运转、停机，检修过程中，有大量电动机手动机械设备，用以保证机组的主要设备和输煤，碎煤，除尘及水处理等的正常运行。降低厂用电率可以降低电能成本，同时也相应地增大了对电力系统的供电量。5-5厂用电接线的设计原则是什么？对厂用电压等级的确定和厂用电源引接的依据是什么？答：厂用电的设计原则主要是： 厂用电接线应保证对厂用负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运行。 接线应能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求。 厂用电源的对应供电性，本机、炉的厂用负荷由本机组供电。 设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重地采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性。 在设计厂用电接线时，还应对厂用电的电压等级、中性点接地方式、厂用电源及其引接和厂用电接线形式等问题进行分析和论证。厂用电的电压等级是根据发电机的额定电压，厂用电动机的电压和厂用电，供电网络等因素，相互配合，经技术经济比较后确定的。5-8发电厂和变电站的自用电在接线上有何区别？答：发电厂厂用电系统一般采用单母线分段接线形式，并多以成套配电装置接受和分配电能。厂用电源由相应的高压厂用母线供电。而变电站的站用电源引接方式主要有：1）由变电站内主变压器第三绕组引接，站用变压器高压侧要选用较大断流容量的开关设备，否则要加限流电抗器。2）当站内有较低母线时，一般由这类电压母线上引接两个站用电源。这种站用电源引接方式经济性好和可靠性高的特点；3）500kV变电站的外接电源多由附近的发电厂或变电站的低压母线引接。5-9何谓厂用电动机的自启动？为什么要进行电动机自启动校验？如果厂用变压器的容量小于自启动电动机总容量时，应如何解决？答：厂用电系统运行的电动机，当突然断开电源或厂用电压降低时，电动机转速就会下降，甚至会停止运行，这一转速下降的过程称为惰行。若电动机失去电压后，不与电源断开，在很短时间内，厂用电源恢复或通过自动切换装置将备用电源投入，此时，电动机惰行还未结束，又自动启动恢复到稳定状态运行，这一过程称为电动机自启动。分为：失压自启动；空载自启动；带负荷自启动。若参加自启动的电动机数目多，容量大时，启动电流过大，可能会使厂用母线及厂用电网络电压下降，甚至引起电动机过热，将危及电动机的安全以及厂用电网络的稳定运行，因此，必须进行电动机自启动校验。若不能满足自启动条件，应采用以下措施： 限制参加自启动的电动机数量。 机械负载转矩为定值的重要设备的电动机，因它只能在接近额定电压下启动，也不应参加自启动，可采用低电压保护和自动重合闸装置，即当厂用母线电压低于临界值时，把该设备从母线上断开，而在母线电压恢复后又自动投入。对重要的厂用机械设备，应选用具有较高启动转矩和允许过载倍数较大的电动机与其配套。在不得已的情况下，或增大厂用变压器容量，或结合限制短路电流问题一起考虑进适当减小厂用变压器的阻抗值。第五章 导体和电气设备的原理与选择6-1 什么是验算热稳定的短路计算时间tk以及电气设备的开断计算时间tbr？答：演算热稳定的短路计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tbr之和，而tbr是指断路器分断脉冲传送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各种触头分离后的电弧完全熄灭位置的时间段。6-2 开关电器中电弧产生与熄灭过程与那些因素有关？答：电弧是导电的，电弧之所以能形成导电通道，是因为电弧柱中出现了大量的自由电子的缘故。电弧形成过程：电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射；弧柱区的气体游离，产生大量的电子和离子：碰撞游离+热游离。电弧的熄灭关键是去游离的作用，去游离方式有种：复合：正负离子相互吸引，彼此中和；扩散：弧柱中的带电质点由于热运行逸出弧柱外。开关电器中电弧产生与熄灭过程与以下因素有关：电弧温度；电场强度；气体介质的压力；介质特性；电极材料。6-3 开关电器中常用的灭弧方法有那些？答：有以下几种灭弧方式：1）利用灭弧介质，如采用SF6气体；2）采用特殊金属材料作灭弧触头；3）利用气体或油吹动电弧，吹弧使带电离子扩散和强烈地冷却面复合；4）采用多段口熄弧；5）提高断路器触头的分离速度，迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质中扩散和离子复合。6-4 为提高电流互感器容量，能否采用同型号的两个互感器在二次侧串联或并联使用？答：可以将电流互感器串联使用，提高二次侧的容量，但是要求两个电流互感器型号相同。因为电流互感器的变比是一次电流与二次电流之比。两个二次绕组串联后，二次电路内的额定电流不变，一次电路内的额定电流也没有变，故其变比也保持不变。二次绕组串联后，因匝数增加一倍，感应电势也增加一倍，互感器的容量增加了一倍。也即每一个二次绕只承担二次负荷的一半，从而误差也就减小，容易满足准确度的要求。在工程实际中若要扩大电流互感器的容量，可采用二次绕组串联的接线方式。不能将电流互感器并联使用。6-5 电压互感器一次绕组及二次绕组的接地各有何作用？接地方式有何差异？答：电压互感器一次绕组直接与电力系统高压连接，如果在运行中电压互感器的绝缘损坏，高电压就会窜入二次回路，将危及设备和人身的安全。所以电压互感器二次绕组要有一端牢固接地。6-6 电流互感器的误差与那些因素有关？答：电流互感器的电流误差fi及相位差i决定于互感器铁心及二次绕组的结构，同时又与互感器运行状态（二次负荷Z2L及运行铁心的磁导率值）有关。6-7 运行中为什么不允许电流互感器二次回路开路？答：需要强调的是电流互感器在运行时，二次绕组严禁开路。二次绕组开路时，电流互感器由正常工作状态变为开路状态，I2=0，励磁磁动势由正常为数甚小的10N1骤增为11N1，铁心中的磁通波形呈现严重饱和和平顶波，因此，二次绕组将在磁能过零时，感应产生很高的尖顶电动势，其值可达数千伏甚至上万伏（与Ki及Ii大小有关），危及工作人员的安全和仪表、继电器的绝缘。由于磁感应强度剧增，会引起铁心和绕组过热。此外，在铁心中还会产生剩磁，使互感器准确级下降。6-8 在发电厂中，电压互感器的配置原则有那些？答：1）母线；2）线路；3）发电机；4）变压器6-9 如图6-14所示接线，设25MW发电机（UN=10.5kV，IN=1718A），回路装有仪表：电流表3只，有功功率表、无功功率表、有功电能表、无功电能表、电压表及频率表各1只，互感器距控制室的距离为60m。试选择该回路中供测量表计用的电流互感器4及电压互感器13。解：6-10 选择10kV配电装置的出线断路器及出线电抗器。设系统容量为150MVA，归算至10kV母线上的电源短路总电抗X*=0.14（基准容量Sd100MVA），出线最大负荷为560A，出线保护动作时间tpr1s。解：假设选择断路器为SN10-10I INbr=16kA，全分闸时间tbr=0.1s，基准容量Sd100MVA Ud10.5kV，Id=5.5kA选择4的电抗NKL-10-600-4，参数如下： 计算如下：3）电压损失和残压校验：电抗标么值：短路计算时间：，查短路电流计算曲线并换算成短路电流有名值，。电压损失和残压分别为：4）动、热稳定校验。可见，电压损失、残压、动热稳定均满足要求。6-11 按经济电流密度选择的导体，为何还必须按长期发热允许电流进行校验？配电装置的汇流母线，为何不按经济电流密度选择导体截面？答：略6-12 设发电机容量为25MW，最大负荷利用小时数Tmax6000h，三相导体水平布置，相间距离a0.35m，发电机出线上短路时间tk0.2s，短路电流=27.2kA，=21.9kA，=19.2kA。周围环境温度+40C。试选择发电机引出导体。解：1）按经济电流密度选择导线截面。查图6-17曲线2，得：，则：选择10010mm2的三条矩形导体水平布置,允许电流，集肤效应截面积为3000mm2。当环境温度为时：2）热稳定校验。正常运行时导体温度：查表69，得热稳定系数，则满足短路时发热的最小导体截面为：发电机出口短路待会，非周期分量等值时间T取0.2s满足热稳定要求。3）动稳定校验。导体自振频率由以下求得：可不计母线共振影响。取发电机出口短路时，冲击系数，则母线相间应力计算如下：母线同相条间作用应力计算如下：， 则：临界跨距（每相三条铝导体）及条间衬垫最大跨距分别为：所选衬垫跨距应小于及。6-13 选择100MW发电机和变压器之间母线桥的导体。已知发电机回路最大持续工作电流Imax6791A，Tmax5200h，连接母线三相水平布置，相间距离a0.7m，最高温度+35C，母线短路电流=36kA，短路热效应Qk=421.1(kA)2s。解：1）按经济电流密度选择导线截面。，查图6-17曲线2，得：，则：选择的双槽形导体水平布置,导体截面积9760mm2允许电流，集肤效应系数。当环境温度为时：2）热稳定校验。正常运行时导体温度：查表6-9，得热稳定系数，则满足短路时发热的最小导体截面为：已知：满足热稳定要求。3）动稳定校验。导体自振频率由以下求得：取发电机出口短路时，冲击系数，则母线相间应力计算如下：第六章 配电装置7-1对配电装置的基本要求是什么？答：对配电装置的基本要求是：1）保证运行可靠；2)便于操作、巡视和检修；3）保证工作人员的安全；4）力求提高经济性；5）具有扩建的可能。7-2试述最小安全净距的定义及其分类。答：最小安全净距是指在这一距离下，无论在正常最高工作电压或出现内、外过电压时，都不使空气气隙被击穿，对于敞露在空气中的屋内、外配电装置中有关部分之间的最小安全净距分为A、B、C、D、E五类。7-3试述配电装置的类型及其特点。答：配电装置按电气设备装设地点不同，可分为屋内配电装置和屋个配电装置；按其组装方式，可分为装配式和成套式。屋内配电装置的特点：1）由于允许安全净距小和可以分层布置而使占地面积较小；2）维修、巡视和操作在室内进行，可减少维护工作量，不受气候影响；3）外界污秽空气对电气设备影响较小，可减少维护工作量；房屋建设投资较大，建设周期长，但可采用价格较低的户内设备。屋外配电装置的特点：1）土建工作量和费用较小，建设周期短；2）与屋内配电装置相比，扩建比较方便；3）想念设备之间距离较大，便于带电作业；4）与屋内配电装置相比，占地面积积大；5）受外界环境影响，设备运行条件较差，需加强绝缘；6）不良气候对设备维修和操作影响大。成套配电装置的特点：1）电气设备封闭可半封闭的金属中，相间和对地距离可缩小，结构紧凑，上地面积小；2）所有设备已在工厂组装成一体；3）运行可靠性高，维护方便；4）耗用钢材较多，造价较高。7-4简述配电装置的设计原则和设计要求。答：配电装置的设计原则是配电装置的设计必须认真贯彻国家的技术经济政策，遵循有关规程、规范及技术规定，并根据电力系统、自然环境特点和运行、检修、施工方面的要求，合理制定布置方案和选用设备，积极慎重地采用新布置、新设备、新材料和新结构，使配电装置设计不断创新，做到技术先进、经济合理、运行可靠和维护方便。发电厂和变电站的配电装置形式选择，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜，节约用地，并结合运行、检修和安装要求，通过技术经济比较予以确定。在确定配电装置形式时必须满足下述要求：节约用地；运行安全和操作巡视方便；便于检修和安装；节约材料，降低造价。配电装置的设计要求：1）满足安全净距的要求；2）施工、运行和检修的要求；3）噪声的允许标准及限制措施；4）静电感应的场强水平和限制措施；5）电晕无线电干扰和控制。7-5何谓配电装置的配置图、平面图和断面图？答：电气工程中常用配电装置图、平面图和断面图来描述配电装置的结构、设备布置和安装情况。配置图是一种示意图，用来表示进线、出线、断路器、互感器、避雷器等合理分配与各层、各间隔中的情况，并表示出导线和电气设备在各个间隔的轮廓，但不要求按比例尺给出。通过配置图可以了解和分析配电装置方案，统计所用的主要电气设备。平面图是按比例画出房屋及其间隔、通道和出口等处的平面轮廓，平面上间隔只是为了确定间隔数及排列，故可不表示所装电气设备。断面图是用来表明所取断面的间隔中各种设备的具体空间位置、安装和相互连接的结构图。断面图与应按比例绘制。7-6如何区别屋外中型、高型和半高型配电装置？它们的特点和应用范围是什么？答：根据电气设备和母线布置高度，屋外配电装置可分为中型配电装置，高型配电装置和半高型配电装置。1）中型配电装置。中型配电装置是将所有电器设备都安装在同一水平面内，并装在一定高度基础上，使带电部分对地保持必要的高度，以便工作人员能在地面上安全活动；母线所在的水平面稍高于电气设备所在的水平面，母线和电气设备不能上、下重叠布置。中型配电装置布置比较清晰，不易误操作，运行可靠、施工和维护方便，造价较省，并有多年运行经验，其缺点是占地面积大。2）高型配电装置。高型配电装置是将一组母线几个隔离开关与另一组母线上几个隔离开关上下重叠布置的配电装置，可以节省占地面积百分之五十左右，但耗用钢材较多，造价较高，操作维护条件差。3）半高型配电装置。半高型配电装置是将母线至于高一层的水平面上，与断路器、电流互感器、隔离开关上下重叠布置，其占地面积比普通中型减少30。半高型配电装置介于高型和中型之间，具有两者优点。除母线隔离开关外，其余部分与中型布置基本相同，其维护仍较方便。7-7气体全封闭组合电器由哪些元件组成？与其他类型配电装置相比，有何特点？答：它由断路器、隔离开关、快速或慢速接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线和出线套管等设备，按电气主接线的要求依次连接，组合成一个整体，并且全部分封闭于接地金属外壳中，壳内充满一定压力SF6气体，作为绝缘和灭弧介质。它的特点是占地面积小，占用空间小，运行可靠性高，维护工作量小，检修周期长，不受外界环境条件的影响，无静电和电晕干扰，噪声水平低，抗震性能好，适应性强。