35KV变电所的常规设计基本元件的等值模型设计-电力系统分析》课程综合设计报告书

电力系统分析课程综合设计报告书（理工类）工程名称： 35KV变电所的常规设计基本元件的等值模型设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 14电气2 学生学号： 学生姓名： 所属院部： 机电工程学院 指导教师： 张 静 20 16 20 17 学年 第 2 学期金陵科技学院教务处目 录摘 要2一、输电线路模型31.1 电力线路的参数31.1.1 输电线路电阻31.1.2 输电线路的电抗31.1.3 输电线路的电纳41.1.4 输电线路的电导51.1.5 电力线路全长的参数51.2电力线路的等值模型61.2.1短电力线路61.2.2中等长度电力线路61.2.3 长电力线路7二、变压器模型82.1变压器的参数82.1.1 阻抗82.1.2 导纳82.2 变压器的等值电路9三、负荷模型11四、电力网络的等值电路124.1 有名制归算124.2 标幺值归算134.2.1 标幺值归算公式134.2.2多级电压网络中各元件参数标幺值的计算14五、设计事例及仿真155.1 电力网络等值电路计算（有名制）155.2 电力网络等值电路计算（标幺值）175.3 Matlab仿真建模185.3.1 绘制仿真模型185.3.2 各元件参数设置19六、设计体会22七、参考文献23摘 要变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。变电站是把一些设备组装起来，用来切断、接通、改变或者调整电压的。在系统中，变电站成了输电和配电的集节点。本次设计建设一座35KV降压变电站。设计主要内容是完成变电所的线路、变压器和负荷等的等值模型计算方法介绍；用Matlab仿真软件搭建仿真模型，并对每个模型的参数进行计算。关键词：模型参数计算；等值模型计算；Matlab仿真一、输电线路模型电力系统稳态分析中，架空线路数学模型常表示为含电阻、电抗、电纳和电导等四个参数的等值电路。架空线路的参数是均匀分布的，即使是极短的一段线路，每一个长度都具有电阻和电感。而导线之间则具有电导和电容。不同电压等级、不同长度的线路呈现的物理特性会不同，在进行电力分析时，架空线路可以分别采用两种电路模型表示，即集中参数电路模型和分布电路电路模型。架空线路采用何种模型，取决于电路的尺寸和（工作）波长的比较情况。通常认为，集中电路由外形尺寸很小的集中元件组成，这里所谓“很小”是与正常工作频率所对应的波藏相比较而言的，如果工作频率较高，一般电路中所用连接导线的尺寸与工作波长相差不大。若导线的每一个长度元可以认为是无穷小时，导线是被看作是由一系列集中元件所构成的一种极限，这时应采用集中参数电路模型表示，反之，则需要考虑实际导线长度对沿线电压、电流等电气量的影响，即采用分布参数电路模型表示。1.1 电力线路的参数1.1.1 输电线路电阻电阻：反映有功功率损耗导线单位长度直流电阻为：。为导线材料的电阻率， mm2/kmS为导线载流部分的标称截面，mm2（对于钢芯铝线指铝线部分的截面积）在电力系统计算中，导线材料的电阻率采用下列数值：导线的交流电阻比直流电阻增大0.2%1%，主要是因为：考虑集肤效应和邻近效应的影响；导线为多股绞线，每股导线的实际长度比线路长度大(2-3%);导线的额定截面（即标称截面）一般略大于实际截面。需要指出：手册中给出的 r1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： 式中，为时的电阻值，为电阻温度系数，铜取0.00382（t/），铝取0.0036（t/）。1.1.2 输电线路的电抗电抗：反映载流导线周围产生的磁场效应。(1) 单导线单位长度电抗：其中为三相导线的几何平均距离，与单位相同，有三角形排列和水平排列，分别用公式计算。一般情况下，。若三相导线等边三角形排列，则；若三相导线水平等距排列，则。图1.1 三相导线的布置方式a）等边三角形布置 b）水平等距布置（2）分裂导线单位长度电抗分裂导线每相导线由多根分裂导线组成，各分导线布置在正多边形的顶点，由于分裂导线改变了导线周围的磁场分布，从而减小了导线的电抗，分裂导线线路每相单位长度的电抗仍可用上式计算，但式中的要用分裂导线的等值半径替代，其值为： 分裂导线单位长度的电抗： 其中为分裂导线的根数；为分裂导线中每一根导线的半径；为分裂导线一相中第1与第根导线之间的距离，为连乘运算的符号。 二分裂；三分裂；四分裂；由分裂导线等值半径的计算公式可见，分裂的根数越多，电抗下降也越多，但分裂根数超过三四根时，电抗下降逐渐减慢，所以实际应用中分裂根数一般不超过四根。1.1.3 输电线路的电纳三相导线的相与相之间、相与地之间具有分布电容，当线路上施加三相对称交流电时，电容将形成电纳。分裂导线的电钠要比同样截面积的单导线的电纳大。 （1）单导线每相单位长度的电钠：（2）分裂导线单位长度的电抗： 式中，为分裂导线的等值半径，为三相导线几何均距，其单位与导线的半径相同。一般架空线路b1的值为S/km左右，则。1.1.4 输电线路的电导 电导：电导参数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 。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。当线路实际电压高于电晕临界电压时，可以通过实测的方法求取电导。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。在设计电力线路时，晴天一般不允许导线发生点晕，并依电晕临界相电压决定导线的半径。对于110KV及以上电力线路，这是一个决定导线半径的主要条件。对于一般60KV及以下电压的电力线路，则不必验算电晕临界相电压。1.1.5 电力线路全长的参数对于电力线路全长为时，其阻抗、导纳的计算公式如下：阻抗：；导纳：；1.2电力线路的等值模型由于正常运行时电力系统三相是对称的，三相参数完全相同，三相电压、电流的有效值相同，所以可用单相等值电路代表三相。因此，对电力线路只作单相等值电路即可。严格地说，电力线路的参数是均匀分布的，但对于中等长度以下的电力线路可按集中参数来考虑。这样，使其等值电路可大为简化。对于长线路则要考虑分布参数的特性。1.2.1短电力线路用于长度不超过100km的架空线路（60kV及以下）和线路不长的电缆线路（10kV及以下）。短电力线路由于电压不高，电导、电纳的影响可以不计（G=0，B=0），那么，短电力线路的阻抗为图1.2 短电力线路等值电路1.2.2中等长度电力线路型或型等效电路用于长度为的架空线路（）和长度不超过的电缆线路（以上）。此种电力线路由于电压高，线路电纳的影响不可忽略，只是晴天可按无电晕考虑，那么电晕影响可不计，G=0，于是有 图1.3 型或型等效电路a）型 b）型1.2.3 长电力线路用于长度超过的架空线路和长度超过的电缆线路。如图1.4所示长线路。设长为l的输电线路其参数沿线均匀分布，单位长度阻抗和导纳分别为 图1.4当架空线路长度超过时，需要考虑其分布参数特性，用分布参数简化成型等值电路，如图1.5所示。图1.5图1.5中，参数分别为长线路的电阻，电抗和电纳，即：；修正系数 式中，各变量的下标1表示正序参数。7二、变压器模型电力系统中的变压器大多数做成三相，容量大的也有做成单相的，但是使用时总是联结成三相变压器，包括双绕组和三绕组变压器。2.1变压器的参数2.1.1 阻抗（1） 电阻：短路实验时，一侧绕组短接，另一侧绕组上所加的电压使该绕组通过额定电流 ，此时测得的功率即为短路损耗。由于所以，其中为变压器三相总的短路损耗；为变压器的额定容量；为变压器绕组的额定电压。（2） 电抗：在电力系统计算中，对于大容量的变压器其电抗数值近似等于其阻抗的模的数值，它的电阻可以忽略不计。于是变压器短路电压的百分数为：；所以；式中，为变压器一相高低压绕组总电抗，为变压器额定容量，为变压器绕组的额定电压。2.1.2 导纳（1）电导：变压器的电导是用来表示铁心损耗的（空载实验）所以（S） 其中为变压器的空载损耗，为变压器绕组的额定电压。对于三相变压器为三相值， 为线电压；而单相变压器为单相值，为相电压。（2） 电纳：变压器的电纳是用来表征变压器的励磁特性的。所以（S）由.得：因此（S）其中为变压器空载电流的百分数，为变压器空载电流值，为变压器绕组的额定电压，为变压器的额定容量。2.2 变压器的等值电路电力系统中，双绕组变压器一般采用由电阻、电抗、励磁电导和电纳组成的型等效电路。并用空载损耗代替电导、励磁功率代替电纳，及以下的变压器中，励磁支路可忽略不计，简化为等效电路。图2.1变压器等值电路中的电纳的符号与线路等值电路中电纳的符号相反，前者为负，后者为正；因为前者为感性，后者为容性。电力系统是由多个电压等级的电气设备组成的，在制作其等值电路时，变压器采用几何模型将直接影响到系统元件参数的计算及潮流分析方法。手算潮流时，变压器模型可以根据需要，选择形等值电路或形+理想变压器等值电路。若变压器采用形等值电路，则表示多电压等级的等值电路中不包含变压器的变化，因而等值电路中所有参数均要求归算到同一个电压等级下。若变压器采用形+理想变压器等值电路，不同电压等级已由变压器比表示出来，因而等值电路中各元件参数可以根据元件所处电压等级的不同有选择性地进行归算。 变压器的形等值电路可以体现电压变化，在多电压等级网络计算中采用这种变压器模型后，就不必进行参数和变量的归算，因而常在利用计算机进行电力系统分析时采用。23三、负荷模型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. 负荷的阻抗和导纳对单相负荷 欧姆定律 .得 .作出以阻抗表示的感性负荷的等值电路，如图3.1所示。 a） b）图3.1 感性负荷的等值电路a） 以阻抗表示； b）以导纳表示又由于，于是可得感性负荷的导纳表示式为.对于容性负荷，相电压滞后相电流，按照类似的推导，得a） b）图3.2 容性负荷的等值电路a)以阻抗表示； b)以导纳表示四、电力网络的等值电路凡涉及多电压等级电力网的计算，必须将网络中所有参数和变量归算到同一电压等级下。多电压等级电力网原件的参数归算为有名制归算，标幺制归算两种。4.1 有名制归算进行电力系统计算时，采用有单位的阻抗、导纳、电压、电流、功率等进行运算的，称为有名制。在整个电力系统的等值网络图中，必须将其不同电压级的各元件参数阻抗、导纳以及相应的电压、电流归算至同一电压等级基本级。而基本级一般取电力系统中最高电压级，也可取其他某一电压级。有名值归算时按下式计算：相应地为参数归算时所用到的归算变化，其值按下式确定： 由式子可见，当选取不同电压等级的基本侧时，在参数归算中所用到的变比可能大于1，也可能小于1。显然，这里的与变压器变比有所不同，被称为归算变比。在近似计算的场合，变压器变比可取其两侧平均额定电压之比，引入平均电压后，电力系统各元件参数的归算课大为简化，其表达式为：式中，为基本级的平均额定电压，为待归算级的平均额定电压。此时，电力系统各元件及发电机、变压器和负荷的阻抗、导纳（电抗器除外）的计算中，其额定电压均以这些元件所在电压级的平均额定电压所代替。用已经计算的各元件归算至基本级的参数，作出以有名制表示的电力系统图为以有名制表示的电力系统等值网络。4.2 标幺值归算4.2.1 标幺值归算公式 元件参数标幺值归算方法有两种：一种是把系统中所有元件都放在同一个基准电压下进行归算；另一种是各元件在各自所处的电压等级下进行归算。进行电力系统计算时，采用没有单位的阻抗、电压、电流、功率等的相对值进行运算，称为标幺制。标幺值的定义为：。 电力系统中各电气设备如发电机、变压器、电抗器等所给出的标幺值都是以其自身的额定值为基准值的标幺值，不能直接进行运算，进行短路电流计算时必须将它们换算成统一基准值的标幺值。换算方法是：先将以额定值为基准的标幺值还原为有名值，选定和，计算以此为基准的标幺值。统一基准值下各元件电抗标幺值的计算：发电机：通常给出和额定电抗标幺值，则实际值：统一基准值下的标幺值：.变压器：通常给出和短路电压百分数：所以：。输电线路：通常给出线路长度和每公里的电抗值，则：。4.2.2多级电压网络中各元件参数标幺值的计算根据变比是实际变比或近似值，分准确计算法和近似计算法。1、准确计算：（1） 方法一：将各电压级参数的有名值都归算至基本级，在基本级按统一的求标幺值；（2） 方法二：在基本级选定，将归算到各电压级，然后在各电压级求元件电抗标幺值。（此法应用较多）2、 近似计算： 在实际计算中，总是希望基准电压等于（或接近于）该电压级的额定电压。考虑到电力系统中同一电压等级的各元件额定电压也不同，取该电压级的平均额定电压Uav。将变压器的变比用其两侧网络的平均额定电压之比来代替，称近似计算法。五、设计事例及仿真35kV双回架空电力线路如图所示，其中电力线路长度为，导线型号为，导线计算外径为，三相导线水平排列，两相相邻导线之间的距离为，其余参数如图5.1所示。其中，变压器的电阻、导纳、线路的电导可忽略不计，试计算参数（有名值、标幺值），并作出其等值电路。图5.1电力网接线图5.1 电力网络等值电路计算（有名制）1、 线路：（1）每千米电力线路的电阻为：（2）三相导线间的几何平均距离为：（3）每千米电力线路的电抗为：（4）每千米电力线路的电纳为：由于是双回路线路，所以：所以，归算至35kV基本级后:二、变压器：（1）发电机的电抗：（2）变压器的电抗：所以，归算至35kV基本级后: 三、以有名制表示的电力系统等值网络：等值网络如图5.2所示：图5.25.2 电力网络等值电路计算（标幺值）取三相功率基准值100MVA。当按平均额定电压之比计算时，电压基准值为各级平均电压。以35kV为基本级，令。1、 线路：（1）电阻：（2）电抗：（3）电纳：2、 变压器：三、以标幺制表示的电力系统等值网络等值网络如图5.3所示：图5.35.3 Matlab仿真建模5.3.1 绘制仿真模型根据题目，绘制完成的仿真图形如图5.4所示。图5.45.3.2 各元件参数设置（1） 电源模块参数设置，如图5.5所示。图5.5 电源模块参数设置（2） 线路L参数设置，如图5.6所示。图5.6 线路L参数设置（3） 变压器T1参数设置，采用标幺值，参数设置如图5.7所示。图5.7 变压器T1参数设置（4） 变压器T2参数设置，采用标幺值，参数设置如图5.8所示。图5.8 变压器T2参数设置（5） 负载Load参数设置，如图5.9所示。图5.9 负载Load参数设置六、设计体会本人对电力系统的基本知识以及相关课程有了更深一步的了解，在此基础上进行本次课程设计。通过专业学习和老师的悉心教导，再结合自己的实际工作，使自己的专业技术水平得到了提高。本次电力系统的专业知识学习，使我系统地了解了电力系统变电站的各种设备。比如变电站的主接线原理，各种接线方式的优缺点，电力系统元件参数和等值电路以及参数归算和有名值标幺值的区别。这次设计，也让我增强了自学能力，让自己本学期模糊的知识加深了映像。当然在这次设计中也遇到了一些问题。在归算参数时，由于基础比较薄弱，所以复习了下课本，这也让