电力工程第3章

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 电力网及其稳态分析,3.1 电力线路的结构,3.2 输电线路的等值电路和电气参数,3.3 变压器等值电路和参数的计算,3.4,电力网的电压计算,3.5,电力网的,功率损耗和电能损耗,3.6,标幺制和电力网的等值电路,3.7 简单电力系统潮流分布计算,1,3.1 电力线路的结构,一、,架空线路,的结构,架空线路主要由导线、避雷线（即架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等部件组成。,图3-1 架空线路的结构,导线和避雷线：,导线的作用是传导电流、输送电能；避雷线的作用是将雷电流引入大地，以保护电力线路免遭雷击。,2,结构型式主要有单股、多股绞线和钢芯铝绞线三种。,图3-2 裸导线的构造,a）单股线 b）多股绞线 c）钢芯铝绞线,导线材料：铜、铝和钢。要求电阻率小、机械强度大、质量轻、不易腐蚀、价格便宜、运行费用低等。,导线的结构型式：分裸导线和绝缘导线两大类，高压线路一般用裸导线，低压线路一般用绝缘导线。,导线和避雷线,3.1 电力线路的结构,3,3.1 电力线路的结构,TJ铜绞线,LJ铝绞线，用于10kV及以下线路,LGJ钢芯铝绞线，用于35kV及以上线路,GJ钢绞线，用作避雷线,档距,（跨距） ：同一线路上相邻两根电杆之间的水平距离。,弧垂,：导线悬挂在杆塔的绝缘子上，自悬挂点至导线最低点的垂直距离。,线间距离：380V为0.40.6m；610kV为0.81m；35kV为23.5m；110kV 为34.5m。,导线和避雷线,4,“,5,3.1 电力线路的结构,三相四线制低压线路的导线，一般都采用水平排列；,三相三线制的导线，可三角排列，也可水平排列；,多回路导线同杆架设时，可三角、水平混合排列，也可全部垂直排列；,电压不同的线路同杆架设时，电压较高的线路应架设在上面，电压较低的线路应架设在下面；,架空导线和其他线路交叉跨越时，电力线路应在上面，通讯线路应在下面。,导线在杆塔上的,排列方式,：,导线和避雷线,6,7,3.1 电力线路的结构,杆塔：,用来支撑导线和避雷线，并使导线与导线、导线与大地之间保持一定的安全距离。,按材料分：有木杆、钢筋混凝土杆（水泥杆）和铁塔。,按用途分,：有直线杆塔（中间杆塔）、转角杆塔、耐张杆塔（承力杆塔）、终端杆塔、换位杆塔和跨越杆塔等。,横担的长度取决于线路电压等级的高低、档距的大小、安装方式和使用地点等。,横担：电杆上用来安装绝缘子。常用的有木横担、铁横担和,瓷横担,三种。,8,直线杆塔,转角杆塔,耐张杆塔,终端杆塔,换位杆塔,跨越杆塔,用来悬挂导线，仅承受导线自重、覆冰重及风压，是线路上使用最多的一种杆塔。,装设于线路的转角处，必须承受不平衡的拉力。,又称分段杆塔或承力杆塔，用来承担线路正常及故障（如断线）情况下导线的拉力，对强度要求较高。,设置在进入发电厂或变电所线路末端的杆塔，由它来承受最后一个耐张段内导线的拉力，以减轻对发电厂或变电所建筑物的拉力。,用在110kV及以上的电力线路中，是为了在一定长度内实现三相导线的轮流换位，以便三相导线的电气参数均衡而设计的一种特殊杆塔。,位于线路跨越河流、山谷等地方，因中间无法设置杆塔，档距很大，故其高度较一般杆塔为高。,9,瓷横担的特点：,有良好的电气绝缘性能，兼有绝缘子和横担的双重功能，能节约大量的木材和钢材，有效地降低杆塔的高度，可节省线路投资30%40%。,10,3.1 电力线路的结构,绝缘子和金具：,绝缘子用来使导线与杆塔之间保持足够的绝缘距离；,金具,是用来连接导线和绝缘子的金属部件的总称。,针式绝缘子：用于35kV及以下线路上，用在直线杆塔或小转角杆塔上。,悬式绝缘子：用于35kV以上的高压线路上，通常组装成绝缘子串使用（35kV为3片串接；60kV为5片串接；110kV为7片串接）。,棒式绝缘子：棒式绝缘子多兼作瓷横担使用，在110kV及以下线路应用比较广泛。,11,高压针式绝缘子,低压针式绝缘子,高压线路拉棒绝缘子,高压线路瓷横担绝缘子,线路盘形悬式绝缘子,复合针式绝缘子,复合棒式绝缘子,12,线路金具、U型抱箍、挂板,杆顶帽、拉线抱箍,13,3.1 电力线路的结构,二电缆线路的结构,电缆的结构：,包括导体、绝缘层和保护包皮三部分。,分为单芯、三芯和四芯等种类。单芯电缆的导体截面是圆形的；三芯或四芯电缆的导体截面除圆形外，更多是采用扇形，如图3-13所示。,图3-13 扇形三芯电缆,1导体 2纸绝缘 3铅包皮,4麻衬 5钢带铠甲 6麻被,导体：由多股铜绞线或铝绞线制成。,14,3.1,电力线路的结构,绝缘层：用来使导体与导体之间、导体与保护包皮之间保持绝缘。绝缘材料一般有油浸纸、橡胶、聚乙烯、交联聚氯乙烯等。,保护包皮：用来保护绝缘层，使其在运输、敷设及运行过程中免不受机械损伤，并防止水分浸入和绝缘油外渗。常用的包皮有铝包皮和铅包皮。此外，在电缆的最外层还包有钢带铠甲，以防止电缆受外界的机械损伤和化学腐蚀。,二电缆线路的结构,电缆的结构：,15,电缆的敷设方式：,3.1,电力线路的结构,直接埋入土中：埋设深度一般为0.70.8m，应在冻土层以下。当多条电缆并列敷设时，应留有一定距离，以利于散热。,电缆沟敷设：当电缆条数较多时，宜采用电缆沟敷设，电缆置于电缆沟的支架上，沟面用水泥板覆盖。,穿管敷设：当电力电缆在室内明敷或暗敷时，为了防电缆受到机械损坏，一般多采用穿钢管的敷设方式。,二电缆线路的结构,16,3.2,输电线路的等值电路及其电气参数,一、输电线路的参数计算,1,电阻：,单根导线的直流电阻为：,导线的交流电阻比直流电阻增大0.2%1%：,应考虑集肤效应和邻近效应的影响；,导线为多股绞线，使每股导线的实际长度比线路长度大;,导线的额定截面（即标称截面）一般略大于实际截面。,通常取 ;,17,3.2 输电线路的等值电路及其电气参数,工程,手册中给出的,导线单位长度电阻,r,1,值，则是指温度为20时的导线电阻，当实际运行的温度不等于20时，应按下式进行修正：,为电阻的温度系数(1/)，铜取0.00382（1/），铝取0.0036（1/）。,2、电抗：,每相导线单位长度的等值电抗为：,式中，,r,为相对磁导率，铜和铝的 ;,r,为导线半径（m）；,S,av,为三相导线的线间几何均距（m）。,1,电阻：,18,3.2 输电线路的等值电路及其电气参数,图3-14 三相导线的布置方式,a）等边三角形布置 b）水平等距布置,图3-15 一次整循环换位,若三相导线等边三角形排列。,若三相导线水平等距离排列。,通常架空线路的电抗值在0.4/km左右,19,3.2 输电线路的等值电路及其电气参数,3、电纳：,每相导线单位长度的等值电容（F/km）为：,单位长度的电纳（S/km）为：,一般架空线路,b,1,的值为 S/km左右,4、电导：,是反映沿线路绝缘子表面的泄露电流和导线周围空气电离产生的电晕现象而产生的有功功率损耗 。,说明：,通常架空线路的绝缘良好，泄露电流很小，可以忽略不计。,20,3.2 输电线路的等值电路及其电气参数,电晕现象：,在架空线路带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导线周围的空气被电离而产生局部放电的现象。,当线路电压高于,电晕临界电压,时，将出现电晕损耗，与电晕相对应的导线单位长度的等值电导（S/km）为：,因此，,式中， 为实测线路单位长度的电晕损耗功率（kW/km）。,注意：,通常由于线路泄漏电流很小，而电晕损耗在设计线路时已经采取措施加以限制，故在电力网的电气计算中，近似认为 。,在设计架空线路时依据电晕临界电压规定了不需要验算电晕的,导线最小外径：,110kV导线外径不应小于9.6mm；220kV导线外径不应小于21.3mm；60kV及以下的导线不必验算电晕临界电压；220kV以上的超高压输电线，采用分裂导线或扩径导线以增大每相导线的等值半径，提高电晕临界电压,21,3.2 输电线路的等值电路及其电气参数,二输电线路的等效电路,一字型等效电路,：,用于长度不超过100km的架空线路（35kV及以下）和线路不长的电缆线路（10kV及以下）。,型或T型等效电路：,（110220kV）和长度不超过100km的电缆线路（10kV以上）。,用于长度为100300km的架空线路,图3-16 一字型等效电路,图3-17 型或T型等效电路,a）型 b）T型,22,3.3 变压器的等值电路及参数计算,一,、双绕组变压器,双绕组变压器采用型等效电路。35kV及以下的变压器，励磁支路可忽略不计。,图3-18 双绕组变压器的等效电路,a）型等效电路 b）励磁支路用功率表示的等效电路 c）简化等效电路,+_?,23,3.3 变压器的等值电路及参数计算,电阻,R,T,：,电抗,X,T,：,对小容量变压器， 则,24,3.3 变压器的等值电路及参数计算,电导,G,T,：,变压器的电导是用来表示铁心损耗的。,电纳,B,T,：,变压器的电纳是用来表征变压器的励磁特性的。,所以 （S）,说明：,U,、,S,、,P,、,Q,、的单位分别为,kV、kVA、kW,和,kvar,。,25,3.3 变压器的等值电路及参数计算,二三绕组变压器,三绕组变压器的等效电路如图3-19所示。,图3-19 三绕组变压器的等效电路,a）励磁回路用导纳表示 b）励磁回路用功率表示,26,电阻,R,T1,、,R,T2,、,R,T3,3.3 变压器的等值电路及参数计算,三绕组变压器容量比有三种不同类型：,100/100/100：,三个绕组的容量均等于,变压器的额定容量,；,100/100/50：第三个绕组的容量为,变压器额定容量的50%,；,100/50/100：第二个绕组的容量为,变压器额定容量的50%,。,对100/100/100的变压器：,27,3.3 变压器的等值电路及参数计算,电阻,R,T1,、,R,T2,、,R,T3,28,3.3 变压器的等值电路及参数计算,应先将各绕组的短路损耗按变压器的额定容量进行折算，然后再计算电阻。对容量比为100/100/50的变压器，其折算公式为,式中， 、 为未折算的绕组间短路损耗（铭牌数据）；,、,为折算到,变压器额定容量下,的绕组间短路损耗。,对100/100/50和100/50/100的变压器：,29,3.3 变压器的等值电路及参数计算,电抗,X,T1,、,X,T2,、,X,T3,电导,G,T,与电纳B,T,：,同双绕组变压器。,说明：,1）厂家给出的短路电压百分数已归算到变压器的额定容量，因此在计算电抗时，不论变压器各绕组的容量比如何，其短路电压百分数不必再进行折算。,2）参数计算时，要求将参数归算到哪一电压等级，则计算公式中的,U,N,为相应等级的额定电压。,30,3.4 电力网的电压计算,一、电压降落的计算,1电压降落:,是指线路首末端电压的相量差。,图3-20 输电线路的型等效电路及相量图,a）等效电路 b）相量图,31,3.4 电力网的电压计算,一、电压降落的计算,1.电压降落,是指线路首末端电压的相量差。,线路的一字型等值电路,32,电压降落纵分量,：,电压降落横分量,求首端电压,脚标一致,I,2,R,I,2,X,当已知线路末端负荷和电压时,33,3.4 电力网的电压计算,当已知线路末端负荷和电压时,电压降落的纵分量,电压降落的横分量,线路首端电压,有效值,为,：,34,求末端电压,I,1,X,I,1,R,35,计算电压降落分量注意：,公式中各物理量为同一点的,线路功率与电压的关系,高压输电线路,XR,无功流动方向与电压高低有关；,有功流动方向与电压相位差有关。,36,2.电压损耗(kV),3.电压偏移,G,电压降落、电压损失和电压偏移适用于线路、变压器。,37,一、线路的功率损耗和电能损耗的计算,3.5 功率损耗与电能损耗计算,jB/2,jB/2,线路的等值电路图,38,jB/2,jB/2,线路的等值电路,，,一、线路的功率损耗和电能损耗的计算,3.5 功率损耗与电能损耗计算,39,线路总功率损耗：,线路的,电能损耗,最大负荷损耗时间,jB/2,jB/2,图3-3 线路的等值电路,40,二、变压器功率损耗和电能损耗的计算,由等值电路参数计算,变压器的等值电路,（,3-20,）,铁心中的有功功率损耗，即铁损,不变损耗,消耗在一、二次线圈电阻上的有功功率损耗，即铜耗 :,与负荷电流（或功率）的平方成正比。可变损耗,41,二、变压器功率损耗和电能损耗的计算,由实验技术参数,变压器的电能损耗,变压器的等值电路,42,结论：,1、电压损耗和功率损耗计算公式既适用于单相，也适用于三相；,2、线路输电效率:,43,例3-1,某220kV单回架空线路，长度为200km，,导线参数为r,0,=0.108,/km, x,0,=0.42,/km,b,0,=2.66*10,-6,S/km。,已知其始端输入功率为120+j50MVA,始端电压为240kV。,求末端电压及功率、线路的传输效率。,解：,jB/2,jB/2,220kV 线路的等值电路,44,已知端,jB/2,jB/2,220kV 线路的等值电路,待求端,45,末端电压：,jB/2,jB/2,220kV 线路的等值电路,流经线路,46,jB/2,jB/2,220kV 线路的等值电路,末端功率：,线路的传输效率:,47,例3-2,有一台双绕组变压器，额定容量为S,N,=31.5MVA, 电压比为110kV/10.5kV,短路损耗P,k,=190kW,短路电压百分数U,k%,=10.5,空载损耗P,0,=25kW，空载电流百分数I,0%,=0.8,通过变压器的简化持续负荷曲线如图所示，全年负荷功率及功率因数见表。,求：,（1）通过变压器负荷的最大负荷利用小时数；,（2）求变压器全年的电能损耗（设低压母线电压保持10.5kV不变）,48,P,1,P,2,P,3,0 2000 6500 8760 t/h,P/MW,cos,P,1,0.9S,N,0.9,P,2,0.7S,N,0.85,P,3,0.5S,N,0.8,解：最大负荷利用小时数,49,变压器全年电能损耗,P,1,P,2,P,3,0 2000 6500 8760 t/h,50,3.5 功率损耗与电能损耗计算,三、线损率的计算,1. 线损：,发电厂发出来的电能，在电力网输送、变压、配电各环节所造成的损耗，称为电力网的电能损耗，简称为线损。包括理论线损和管理线损两部分。,2. 线损率：,指线损电量占电网供电量的百分数，即,实际线损率：,理论线损率：,51,3.6 标幺制和电力网的等值电路,一、标幺制,1、定义：,标么制是一种相对单位制，在标么制中各物理量用标么值表示。,标么值=实际有名值/基准值,，没有量纲。,52,2、基准值的选择,基准值与有名值同单位；,各物理量的基准值之间应该服从功率方程式和电路的欧姆定律：,习惯上，选功率的基准值,S,B,、电压的基准值,U,B,相值,线值,一、标幺制,53,3、 不同基准的标么值的换算,额定标么值：,以额定容量和额定电压为基准的标么值,统一基准的标么值：,一、标幺制,额定电压,U,N,/ kV,0.22,0.38,3,6,10,35,60,110,220,330,平均额定电压,U,av,/kV,0.23,0.4,3.15,6.3,10.5,37,63,115,230,345,线路平均额定电压：,指线路始端最大额定电压与末端最小额定电压的平均值。取线路额定电压的1.05倍。,54,3、 不同基准的标么值的换算-,S,B,、U,B,发电机：,通常给出,S,N,、,U,N,和额定电抗标幺值，则,变压器：,通常给出,S,N,、,U,N,和短路电压百分数,，,4.2标幺制,55,电抗器：,通常给出,I,NL,、,U,NL,和电抗百分数。,式中， 为电抗器的额定容量。,输电线路：,通常给出线路长度和每公里的电抗值。,一、标幺制,56,4、不同电压等级电抗标幺值的关系,取 ，则线路WL1的电抗,X,1,折算到短路点的电抗为：,则,X,1,折算到第三段的标幺值为：,各段元件参数的标幺值只需用元件所在级的平均电压作为基准电压来计算，而无需再进行电压折算。即,任何一个用标幺值表示的量，经变压器变换后数值不变。,4.2标幺制,图4-2具有三个电压等级的电力网,57,一、标幺制,5、用标么值表示的基本公式,58,二、多级电压网络的等值电路,归算的有名值等值电路,不归算的有名值等值电路,归算的标么值等值电路,不归算的标么值等值电路,电力系统稳态计算和故障计算的电路不同：,电力系统的故障计算时,不计各元件阻抗参数的电阻以及对地的导纳支路。,59,1、多级电压网络的等值电路,非标准变比,稳态计算,故障计算,基本级,60,理想变压器：-,只反映变压器两侧的匝数比， 没有损耗。,变压器的非标准变比,即变压器的变比标么值,变压器的无功损耗,61,2、各元件参数标么值的计算,选取统一功率基准：,S,B,=100MVA or S,B,= 1000MVA；,选择各级基准电压：,基本级的基准电压等于该电压等级的额定电压或平均额定电压；,能消除标么值等值电路中的理想变压器 (k*=1)。,根据基本级的基准电压和,基准电压比,选取基准电压。,基准电压比的选择方法,二、多级电压网络的等值电路,62,基准电压比的选择方法,取相邻(电压等级)的,基准电压之比,等于变压器的实际变比(k,B,=k,T,), 选基本级：,U,B,=U,N,优点：,则所有,变压器变比标幺值k*=1,。省去理想变压器，简化等值电路。,缺点：,对于电磁环网，可能出现基准电压无法确定；对于多级网络使基准电压与额定电压相差甚远。因此实际电力系统不采用。,取相邻(电压等级)的,基准电压之比,等于各电压级的额定电压或额定平均电压之比。基本级：,U,B,=U,N,（U,Nav,）,优点：,基准电压明确，以直观判断所得电压的高低，不会出现基准电压那确定的问题。,缺点：,变压器变比标幺值k*1(非标准变比）,。,2、各元件参数标么值的计算,63,2、各元件参数标么值的计算,基本级与其它各级的电压标么值的关系：,工程计算中常采取以下近似计算：,取统一S,B,，并为每一电压等级规定,U,Bi,1.05U,Ni,（U,B1,，U,B2,，U,B3,）,认为变压器的额定变比等于相邻(电压等级)基准电压之比 k*=1,64,例题3-3,设发电机端电压为10.5kV,负荷用恒定阻抗表示，并联导纳和变压器的电阻不计。,计算简单电力系统负荷端电压和发电机的空载电势,65,X,G,*,X,T1,*,K,T1,*:1,X,L,*,X,T2,*,K,T2,*:1,X,R,*,X,C,*,66,67,68,小结：标么值的特点,1、易于比较电力系统各元件的特性参数；,如：Xd，Xq， Uk等。,2、采用标么值，能够简化计算公式；,如：在标幺制下，三相/单相系统，线/相 电压不再有区别。,3、采用标么值，能简化计算工作；,4、,但没有量纲，物理概念不明确。,69,三、变压器的型等值电路,R,T,jX,T,G,T,-jB,T,K:1,理想变压器,略去或另作处理,带有理想变压器的等值电路,70,三、变压器的型等值电路,Z,T,/k,Z,T,/(1-k),Z,T,/k(k-1),K:1,71,三、变压器的型等值电路,Z,T,/k,Z,T,/(1-k),Z,T,/k(k-1),kY,T,(1-K)Y,T,K(K-1)Y,T,72,三、变压器的型等值电路,R,1,jX,1,G,T,-jB,T,R,2,jX,2,R,3,jX,3,Z,1,K,12,:1,K,13,:1,Z,1,Z,2,Z,3,73,意义,电力系统分析计算中最基本的一种：规划、扩建、,运行方式安排。,定义,根据给定的运行条件求取给定运行条件下的节点,电压和功率分布。,所需知识,(1),根据系统状况得到元件参数：网络、负荷、发电机,(2),电路理论：节点电流平衡方程,(3),非线性方程组的列写和求解,3-7 简单电力网的潮流分布计算,74,3-7 简单电力网的潮流分布计算,一、辐射网络的潮流估算,1、画等值电路,参数归算法,已知首端电压、末端负荷,75,2、计算运算负荷,设各点电压为网络额定电压,理想变压器模型,76,3、前推功率分布计算,设各点电压为网络额定电压,77,3、前推功率分布计算,各点电压为网络额定电压,78,4、后代进行电压分布计算,线路上流动的,功率、电压为同一点的值,79,例3-4,如图所示，某负荷由发电厂母线110kV单回线路供电，线路长80km，型号LGJ95，线间几何均距为5m，发电厂母线电压U,1,=116kV，受端负荷S,L,=15+j10MVA,求输电线路的功率损耗及受端电压U,2,。,画出等值电路，标出功率流动方向。,计算等值参数。,假设各点电压为额定电压，由末端已知功率递推各支路功率分布。,由首端已知电压和求得首端功率递推各节点电压。,80,给定功率,的电源点作为负荷：视为一个-S,G,的负荷。,给定电压,的电源点作为分点：将环网一分为二，得两端供电网。,二、简单环网的潮流计算,U,A,P,s,+jQ,s,P+jQ,a,A,b,1,2,81,1,2,带两个负荷的两端供电网,求解支路电流I,a1，,I,b2,二、简单环网的潮流计算,82,1,2,二、简单环网的潮流计算,83,供载功率,循环功率,？0,1,2,负荷矩,上式为“力矩法”功率分布计算公式,84,-求出网络其它支路功率分布:,进行,初步,潮流计算-不计损耗,节点电功率平衡,验算：,1,2,二、简单环网的潮流计算,85,找出,功率分点,-有功分点、无功分点,按开式网络进行计算。,1,2,1,2 2,二、简单环网的潮流计算,86,1,2,1,2 2,网络,还原,二、简单环网的潮流计算,87,例3-5,某均一两端供电网，单位长度的线路电抗为0.4/km，线路的各段长度和C、D点所带负荷功率如图所示，试计算网络的初功率分布，并注明有功、无功分点。,114,0,A,C,D,B,115,3,50km,60km,60km,88,小结,1、两端供电网络“力矩法”功率分布计算公式,自然功率分布,89,2、闭式网络潮流计算步骤,初步,潮流计算；,找出,功率分点,-有功分点、无功分点；,按,开式网络,进行计算；,网络还原。,小结,90,