电力系统分析.doc

第1章 电力系统概述和基本概念1.1 电力系统概述 一、电力系统的基本概念 电力系统:完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。即由发电厂、电力网和电力用户就构成了电力系统。动力系统：电力系统加上锅炉、汽轮机等动力设备。发电厂：生产电能，将一次能源转换成二次能源。 电力网：由不同电压等级的输配电线路和变电所组成。 变电所：是变换电压和接受分配电能的场所。电力用户(负荷)：消耗电能,将电能转换成其它形式能量。三、电力系统的基本参量和接线图 1. 总装机容量：指系统中所有机组额定有功功率的总和，以MW、GW计。2. 年发电量：指系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以MWh、GWh、TWh计。 3. 最大负荷：指规定时间内电力系统总有功功率负荷的最大值，以MW、GW计。4. 最高电压等级：指系统中最高电压等级线路的额定电压，以kV计。5. 电力系统接线图地理接线图：电力系统的地理接线图主要显示该系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路的路径，以及它们相互间的连接。 电气接线图：电力系统的电气接线图主要显示该系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路之间的电气接线。四、电力系统运行的特点和要求1. 电力系统的运行的特点电能不能大量存储、电力系统暂态过程非常短、电力系统的发展和国民经济的发展密切相关。2. 对电力系统的基本要求保证供电的可靠性、保证良好的电能质量、保证系统运行的经济性。1.2 电力系统的电压等级和负荷 一、电力系统的电压等级 1. 电力系统的电压等级 电力线路：我国高压电网的额定电压等级3kV、6 kV、10 kV、35 kV、63 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV等。用电设备：与同级电网的额定电压相同。 发电机：比同级电网的额定电压高5%，用于补偿线路上的电压损失。 变压器的一次绕组：接在电网中时：其额定电压与电网的额定电压相同。直接与发电机相连时：其额定电压与发电机的额定电压相同。变压器的二次绕组：当变压器二次侧供电线路较长时：应比同级电网额定电压高10% （其中5%用于补偿变压器满载供电时一、二次绕组上的电压损失；另外5%用于补偿线路上的电压损失，用于35kV及以上线路）当变压器二次侧供电线路较短时：应比同级电网额定电压高5% （可以不考虑线路上的电压损失，只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可，用于10kV及以下线路）例1-1 已知下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。解：发电机G的额定电压：UNG=1.0510=10.5（kV） 变压器T1的额定电压： U1N=10.5（kV）U2N=1.1110=121（kV） （变压器T1的二次侧供电距离较长，其额定电压应比线路额定电压高10%）变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1N=110（kV）U2N=1.056=6.3（kV） （变压器T2的二次侧供电距离较短，可不考虑线路上的电压损失）变压器T2的变比为：110/6.3kV第2章 电力系统元件参数和等值电路2.1 电力线路参数和等值电路 一、电力线路结构简述 1架空线路 导线：其作用是传输电能。 TJ铜绞线 LJ铝绞线 GJ钢绞线 LGJ钢芯铝绞线 避雷线：其作用是将雷电流引入大地，以保护电力线路免遭雷击。一般用钢绞线。 杆塔：其作用是用来支持导线和避雷线。 按材料分：有木杆、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。 绝缘子：其作用是使导线和杆塔间保持绝缘。分为针式绝缘子、悬式绝缘子和棒式绝缘子 （又叫瓷横担，具有绝缘子和横担的双重功能）。金具：用于连接导线、安装导线和绝缘子等的金属附件。 2电缆线路 电缆由导体、绝缘层和保护层构成。 导体：多股铜绞线或铝绞线。 绝缘层：使导线与导线、导线与包护层互相隔绝。 绝缘材料有油浸纸、橡胶、聚乙烯、交联聚氯乙烯等。保护层：保护绝缘层，并有防止绝缘油外溢的作用，常用的有铝包皮和铅包皮。 电力电缆的敷设方式：直接埋入土中；电缆沟敷设；穿管敷设等。 二、电力线路的参数1架空线路的参数计算电阻：电阻反映线路通过电流时产生的有功功率损失效应。每相导线单位长度电阻为：导线的交流电阻比直流电阻增大0.2% 1%，主要是因为：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 （标称截面）略大于实际截面。通常取需要指出：手册中给出的r 值，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：电抗：电抗（电感）反映载流导线周围产生的磁场效应。单导线每相单位长度的电抗：等边三角形排列: 水平等距离排列: 分裂导线每相单位长度的电抗：分裂导线间的等值半径r为：二分裂：三分裂：四分裂：通常架空线路的电抗值在0.4/km左右。 电纳：电纳（电容）反映载流导线周围产生的电场效应。单导线每相单位长度的电容为（F/km ）：则单导线单位长度的电纳（S/km ）为：一般架空线路的值为左右。分裂导线每相单位长度的电纳：电导：电导反映沿线路绝缘子表面的泄露现象和导线的电晕现象产生的有功功率损失效应。说明：通常架空线路的绝缘良好，泄露损失很小，可以忽 略不计。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：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。2电缆线路的参数计算 （查手册）例2-1 （P17 ）220kV线路参数计算 三、电力线路的等值电路1. 短电力线路:指长度不超过100km的架空线路（35kV及以下）和线路不长（10kV及以下）的电缆线路。可认为短线路 G=0，B=0，采用一字型等值电路。 其中：A=1，B=Z，C=0，D=12. 中等长度电力线路 指长度在100300km的架空线路（110220kV ）和长度不超过100km的电缆线路（高于10kV ）。 线路的电纳已不可忽略，通常采用型（或T型）等值电路。电压、电流方程为：矩阵形式：3. 长线路的等值电路 指长度超过300km的架空线路和长度超过100km的电缆线路。 应考虑分布参数特性。 经推导得：线路首端电压、电流为：长线路的型（或T型）等值电路如下：简化型等值电路：例2-2 （P23）500kV分裂导线参数计算。（1）不考虑线路的分布参数特性：计算等值电路见图2-10a。（2）近似考虑线路的分布参数特性：先计算修正系数等值电路见图2-10b。（3）精确考虑线路的分布参数特性：先计算特性阻抗和传播系数，在再计算Z和Y,等值电路见图2-10c。总结：各种电压等级的输电线路，可以采用集中参数表示的型等值电路，如图下所示。750km以上架空线（330kV以上电压等级）或300km以上的电缆线路 300750km以上架空线（220kV以上电压等级）或 100300km的电缆线路300km以下的架空线（110220kV）或100km以下的电缆线路100km以下的架空线 （35kV及以下 ），可以近似略去导纳支路4. 波阻抗和自然功率 波阻抗：在超高压线路中，略去电阻和电导，即相当于线路上没有有功功率损耗（“无损耗”线路）时：自然功率：也称波阻抗负荷，是指当负荷阻抗为波阻抗时，该负荷所消耗的功率。无损耗线路末端连接的负荷为波阻抗时：上式说明：无损耗线路末端连接的负荷阻抗为波阻抗时，线路上任何一点的电压大小都相等，功率因数都等于1。且当输送功率大于自然功率时，线路末端电压将低于始端电压；小于自然功率时，末端电压将高于始端电压。2.2 变压器、电抗器的参数和等值电路一、双绕组变压器的参数计算和等值电路 1阻抗 电阻RT：变压器的短路损耗Pk，实质上就是变压器通过额定电流时高、低压绕组电阻中的总损耗（铜耗 ），即电抗XT：变压器的短路电压百分数为2. 导纳 图2-11为变压器励磁支路以导纳表示的等值电路。电导GT ：变压器电导对应的是变压器的铁耗，它近似等于变压器的空载损耗，于是电纳BT：流经电纳的电流和空载电流在数值上接近相等，即二、三绕组变压器的参数和等值电路电阻RT1、RT2、RT3三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：通过短路试验可得到任两个绕组的短路损耗则每一个绕组的短路损耗为对100/100/50和100/50/100的变压器：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。如对容量比为100/50/100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。电抗XT1、XT2、XT3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，则计算公式中的为相应等级的额定电压。 电导与电纳：同双绕组变压器。三、自耦变压器的参数和等值电路 就端点条件而言，自耦变压器可完全等值于普通变压器，但由于三绕组自耦变压器第三绕组的容量总小于变压器的额定容量，因此需要进行归算。例2-3 （P30 ）三绕组变压器参数计算 四、电抗器的参数和等值电路 电抗器的等值电路为一纯电抗电路。2.3 发电机和负荷的参数和等值电路 复功率的符号说明：取一、发电机的电抗和电动势1. 发电机的电抗发电机的电抗百分数为：2. 发电机的电动势二、负荷的功率、阻抗和导纳1. 负荷的功率 感性负荷的单相复数功率为：容性负荷的单相复数功率为：2. 负荷的阻抗和导纳则感性负荷的阻抗形式为：则感性负荷的导纳形式为：2.4 电力网络的等值电路变压器的额定变比：指变压器主分接头电压与低压绕组额定电压之比。双绕组变压器：分接头在高压侧。 三绕组变压器：分接头在高压和中压侧。变压器的实际变比：指运行中变压器的高、中压绕组实际使用的分接头电压与低压绕组额定电压之比。在电力系统中计算中，通常采用平均额定电压之比，即将变压器的变比看做变压器两侧电力线路平均额定电压之比。一、以有名值表示的等值电路用有名值作等值电路时，必须将不同电压等级的元件参数归算到同一电压等级基本级。U为归算前的有名值；U为归算后的有名值。式中，K为变压器的变比；应从基本级归算到待归算级。即K的分子为基本级一侧的电压，分母为待归算级一侧的电压。例如，图2-18中，如需将10kV侧l3的参数 10kV归算到220kV侧，则变压器T2和TA的变比应分别取110/11、220/121。注意：在精确计算时，变压器的变比应取实际变比；近似计算时，变压器的变比可取两侧平均电压之比。例2-4 电力系统接线图如图2-18所示，图中各元件 技术数据见表2-3，试按变压器的实际变比作该系统 归算到220kV侧的等值网络。计算过程见P3637，与图2-18对应的以有名值表示的电力系统等值网络如图2-19所示。二、以标幺值表示的等值电路 标幺制的优点：线电压和相电压的标幺值数值相等；三相功率和单相功率的标幺值数值相等；计算结果清晰，便于判断结果的正确性。 基准值的选择条件：基准值的单位应与有名值的单位相同。 阻抗、导纳、电压、电流、功率的基准值之间也应符合电路的基本关系：通常取SB=100或1000MVA，UB取基本级的额定电压 （或各级平均额定电压），则1. 按变压器实际变比计算（精确计算法）方法一：将各元件的有名值归算到同一电压级基本级，然后除以与基本级相对应的基准值，即可得到各元件的标幺值。方法二：将基本级的基准值归算到各元件所在电压级，用未归算的各元件有名值除以相应基准值，即可求出各元件的标幺值。2. 按平均额定电压之比计算（近似计算法）除电抗器外，假设各元件的额定电压等于元件所在电压级的平均额定电压，即变压器的变比按两侧平均电压之比。此时，有则各元件电抗标幺值为：例2-5 试按平均额定电压之比计算例2-4中各元件参数的标幺值，并作出其等值网络。 取，U 取各级平均额定电压。即 计算过程见P4041，与其对应的