输电线路工频参数测试研究

Click To Edit Master Title Style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,*,输电线路工频参数的测量及研究,安徽省电力科学研究院,200,9,年1,1,月,1,、前言,输电线路是电力系统的重要组成部分，工频参数则是输电线路重要的特征数据，是电力系统潮流计算、继电保护整定计算和选择电力系统运行方式等工作之前建立电力系统数学模型的必备参数，工频参数的准确性关系到电网的安全稳定运行，因此对新建和新改造的线路在投运前均需进行工频参数的计算和测量，为调度等部门提供准确的数据。输电线路工频参数主要包括：正序阻抗（由正序电阻和正序电抗组成）、零序阻抗（由零序电阻和零序电抗组成）、正序电容、零序电容、互感等，在测试时一般还包括核相、绝缘电阻、直流电阻等项目。,2,、架空输电线路参数介绍,输电线路的参数主要由以下几个基本量组成：反映线路通过电流时产生有功功率损失效应的电阻；反映载流导线产生磁场效应的电感；反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流及导线附近空气游离而产生有功功率损失的电导；反映带电导线周围电场效应的电容。输电线路的这些参数通常可以认为是沿全长均匀分布的，,其一相等值电路示于图,每单位长度的参数为电阻,r,0,、电感,L0,、电导,g0,及电容,C0,。,1,2.1,电阻,有色金属导线单位长度的直流电阻可按下式计算,r=,/s,（,1-1,）,r,的单位为,/km,；,为导线的电阻率，单位为,mm2/km,；,S,为导线载流部分的标称截面积，单位为,mm2,。,这是在温度为,20,时的值，在要求较高精度时，可通过公式转换至实际温度的阻值。,这里的电阻是指导线的直流电阻，而线路正序阻抗和零序阻抗中的电阻是指交流电阻，这两个电阻是有区别的，因为通过导线的是三相工频交流电流，由于集肤效应和邻近效应，交流电阻比直流电阻略大。,2,2.2,电感,导体通过电流时在导体内部及其周围会产生磁场。若磁路的磁导率为常数，与导体交链的磁链,就同电流,i,呈线性关系，导体的自感,L=,与导体交链的磁链包括内部磁链,和外部磁链,两部分，相应的导线的自感也由内电感,和外电感,组成。由于导线半径,r,远小于导线长度，在研究导线内部磁场时，把导线看作是无限长线，它的磁场就是平行平面场。图示导线的横截面。假定电流沿截面均匀分布,。,。,3,为距离导线轴线,x,处的磁场强度,根据安培环路定律，取以导线轴心为中心，,x,为半径的圆周作为积分路径，可得,圆柱形导线内部磁场,4,经推倒，导线单位长度的内电感：,外部磁链产生的电感，从外一点来看，可以近似认为电流集中于导线的轴线上。同样的方法经推倒计算，每单位长度的外电感为：,外部磁场示意图,5,因此，非铁磁材料（相对导磁系数为,1,）制成的圆柱形长导线，长度为,L,，半径为,r,，周围介质为空气，当,L,r,时，每单位长度的自感为：,为圆柱形导线的自几何均距；,L,的单位为,H/m,。,对于导线相对导磁系数不为,1,的铁磁材料,每单位长度的自感为：,6,其中,L,值受导线材料相对导磁率,的影响，是变化的。例如：钢导线三相架空线路的阻抗与铝导线就有区别。钢导线与铝铜导线的主要差别在于钢导线导磁，以致它的两个与磁场直接或间接有关的参数,电抗与电阻，也与铝铜导线不同。由于钢导线导磁，较大，交流电流通过导线时，集肤效应和磁滞效应都很突出，,这些效应与磁场的强弱有关，从而与通过导线的电流大小有关，,随电流,i,变化，其电感也是变化的，钢导线的电感大于铝导线的电感，其交流电阻比直流电阻也大很多。,7,若导体,A,和,B,相邻，导体,B,中的电流,产生与导体,A,相交链的磁链为,则互感,两根平行的、长度为,L,的圆柱形长导线，导线轴线间的距离为,D,，每单位长度的互感则是：,2.3,互感,8,2.4,三相输电线路的等值电感,呈等边三角形对称排列的三相输电线，各相导线的半径都是,，导线轴线间的距离为,D,。当输电线通以三相对称正弦电流时，与,相导线相交链的磁链是：,计及,，可得,a,=,1n,a,因此，,相等值电感,:,La,=,1n,=,9,由于三相导线排列对称，,b,、,c,相的电感均与,a,相的相同。,当三相导线排列不对称时，各相导线所交链的磁链及各相等值电感便不相同，这将引起三相参数不对称。因此必须利用导线换位来使三相恢复对称。,图为导线换位及经过一个整循环换位的示意图。当,、,、,段线路长度相同时，三相导线,a,、,b,、,c,处于,1,、,2,、,3,位置的长度也相等，这样便可使各相平均电感接近相等。,10,用,表示第,段,a,相导线每单位长度所交链的磁链，此时，导线,a,、,b,、,c,分别处于位置,1,，,2,，,3,，,利用公式,和,可得：,类似地可分别得到第,、,段,a,相所交链的磁链：,计及,，,a,相每单位长度所交链磁链的平均值,11,=,相的平均电感,输电线路的等值电抗是在额定频率下输电线路每相的等值电抗：,虽然相间距离、导线截面等与线路结构有关的参数对电抗大小有影响，但这些数值均在对数符号内，故各种线路的电抗值变化不很大。一般单导线线路每公里的电抗为,0.4,左右；分裂导线线路的电抗与分裂根数有关，当分裂根数为,2,，,3,，,4,根时，每公里的电抗分别为,0.33,，,0.30,，,0.28,左右。对于钢导线，由于集肤效应及导线内部的磁导率均随导线通过的电流大小而变化，因此，它的电阻和电抗均不是恒定的，钢导线构成的输电线路将是一个非线性元件。钢导线的阻抗无法用解析法确定，只能通过实验定其特性，根据电流值来确定其阻抗。,12,2.5,电导,架空输电线路的电导是用来反映泄漏电流和空气游离所引起的有功功率损耗的一种参数。一般线路绝缘良好，泄漏电流很小，可以将它忽略，主要是考虑电晕现象引起的功率损耗。所谓电晕现象，就是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，导体附近的空气游离而产生局部放电的现象。这时会发出咝咝声，并产生自臭氧，夜间还可看到紫色的晕光。,线路开始出现电晕的电压称为临界电压,V,cro,当三相导线排列在等边三角形顶点上时，电晕临界相电压的经验公式为,13,由式可看出，电晕临界电压与导线半径、相间距离、天气情况、空气相对密度,等相关，式中，,m,1,为考虑导线表面状况的系数，对于多股绞线,0.83,0.87,；,为考虑气象状况的系数，对于干燥和晴朗的天气,1,，,对于有雨、雪、雾等的恶劣天气，,0.8,1,；,对于水平排列的线路，两根边线的电晕临界电压比上式算得的值高,6%,；而中间相导线的则低,4%,。,当实际运行电压过高或气象条件变坏时，运行电压将超过临界电压而产生电晕。运行电压超过临界电压愈多，电晕损耗也愈大。,线路结构方面能影响,Vcr,的两个因素是相间距离,D,和导线半径,r,。,由于,D,在对数符号内，故对,Vcr,的影响不大，而且增大,D,会增大杆塔尺寸，从而大大增加线路的造价；而,Vcr,却差不多与,r,成正比，所以，增大导线半径是防止和减小电晕损耗的有效方法。,14,在设计时，对,220kV,以下的线路通常按避免电晕损耗的条件选择导线半径；对,220kV,及以上的线路，为了减少电晕损耗，常常采用分裂导线来增大每相的等值半径，特殊情况下也采用扩径导线。,2.6,电容,输电线路的电容是用来反映导线带电时在其周围介质中建立的电场效应的。当导体带有电荷时，若周围介质的介电系数为常数，则导体所带的电荷,q,与导体的电位,将呈线性关系。导体的电容,C=q/,三相架空线路设在离地面有一定高度的地方，大地将影响导线周围的电场。在电容的分析计算中，大地对与地面平行的带电导体电场的影响可用导体的镜像来代替，如图输电线的导线和镜像。,15,三相输电线每相的等值电容可用下式计算：,=,由上式可知，线路电容与导线对地高度、相间距离、导线半径等相关，实测的结果也与此一致，一般,500kV,线路的正序电容为,0.014,，零序电容为,0.008,。,16,3,、序阻抗,我们以一个静止的三相电路元件为例来说明序阻抗的概念。如图所示，各相自阻抗分别为,Zaa,Zbb,Zcc;,相间互阻抗为,Zab=Zba,，,Zbc=Zcb,，,Zca=Zac,。当元件通过三相不对称的电流时，元件各相的电压降为,=,或写为,V,abc,=,ZI,abc,将三相量变换成对称分量，可得,V,120,=,SZS,-1,I,120,=,Z,sc,I,120,式中，,Z,sc=,SZS,-1,称为阻抗矩阵。,17,当元件结构参数完全对称，即,Zaa=Zbb=Zcc=Zs,，,Zab=Zbc=Zca=Zm,时,Z,sc,=,将上式展开，得,上式表明，在三相参数对称的线性电路中，各序对称分量具有独立性。也就是说，当电路通以某序对称分量的电流时，只产生同一序对称分量的电压降。反之，当电路施加某序对称分量的电压时，电路中也只产生同一序对称分量的电流。这样，我们可以对正序、负序和零序分量分别进行计算。,18,如果三相参数不对称，则矩阵,Z,sc,的非对角元素将不全为零，因而各序对称分量将不具有独立性。也就是说，通以正序电流所产生的电压降中，不仅包含正序分量，还可能有负序或零序分量。这时，就不能按序进行独立计算,。,根据以上的分析，所谓元件的序阻抗，是指元件三相参数对称时。元件两端某一序的电压降与通过该元件同一序电流的比值，即,Z,（,1,）、,Z,（,2,）和,Z,（,0,）分别为该元件的正序阻抗，负序阻抗和零序阻抗。电力系统每个元件的正、负、零序阻抗可能相同，也可能不相同，视元件的结构而定。,19,4,、,架空输电线路的零序阻抗及其等值电路,输电线路的正、负序阻抗及等值电路完全相同，这里重点讨论零序阻抗。当输电线路通过零序电流时，由于三相零序电流大小相等、相位相同，因此，必须借助大地及架空地线来构成零序电流的通路。这样，架空输电线路的零序阻抗与电流在地中的分布有关。,4.1“,单导线,大地”回路的自阻抗和互阻抗,图示出,“,导线,大地”回路。导线,aa,与大地平行，导线中流过电流,，经由大地返回,。,设大地体积无限大，且具有均匀的电阻率，则地中电流就会流经一个很大的范围，这种“单导线,大地”的交流电路，可以用卡松（,Carson,）线路来模拟。,20,卡松线路就是用一虚拟导线,ee,作为地中电流的返回导线。该虚拟导线位于架空线,aa,的下方，与,aa,的距离为,D,ae,，,D,ae,是大地电阻率,e,的函数。,用,r,a,和,r,e,分别代表单位长度导线,aa,的电阻及大地的等值电阻。大地电阻,r,e,是所通交流电频率的函数，可用卡松的经验公式计算,r,e=2,f,10-4=9.87,f,10-4/km,用于,L,a,和,L,e,分别代表导线,aa,和虚拟导线,ee,单位长度的自感，,M,代表导线,aa,和虚拟导线,ee,间单位长度的互感。利用前面电感的公式可以求得,“,单导线,-,大地,”,回路单位长度的电感为,L,s,=,L,a,+,L,e,-2,M,=210,-7,式中，,D,se,是虚拟导线,ee,的自几何均距；,D,e,=,/,它是大地电阻率,e,（,m,）和频率,f,（,Hz,）的函数，即,代表地中虚拟导线的等值深度，,D,e,=660,m,21,这样，,“,单导线,大地,”,回路的自阻抗为,:,z,s,=,r,a,+,r,e,+j,L,s,=,r,a,+,r,e,+j2,f,N,210,-4,In,=,r,a,+,r,e,+j0.1445lg,/km,4.2,两根导线,-,大地回路,如果有两根平行长导线都以大地作为电流的返回路径，也可以用一根虚拟导线,ee,来代表地中电流的返回导线，这样就形成了两个平行的,“,单导线,大地,”,回路，如图所示。记两导线轴线间的距离为,D,，,两导线与虚拟导线间的距离分别为,D,ae,和,D,be,。两个回路之间单位长度的互阻抗,Z,