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电力系统分析 期末复习 第一章电力系统概述和基本概念 熟练掌握以下概念 1 电力系统 电力网 对电力系统运行的基本要求 2 电力系统的额定电压等级 电力系统负荷 负荷曲线的分类及最大负荷利用小时Tmax的概念及计算 3 电力系统中性点接地的方式以及各自的优缺点 电力网 由变电所和不同电压等级的输配电线路组成的网络 电力系统 由各类发电厂 电力网和用户组成的一个系统 能够完成发电 输电 变电 配电直到用电的全过程 1 1 电力系统的基本概念 1 保证供电的可靠性 2 保证良好的电能质量 对电力系统的基本要求 根据电力负荷对供电可靠性的要求 负荷分为一类 二类和三类负荷 电力系统供电的可靠性 就是要保证一级负荷在任何情况下都不停电 二级负荷尽量不停电 三级负荷可以停电 保证系统的电压 频率 波形在允许的范围内变动 电压偏移 一般不超过用电设备额定电压的 5 频率偏移 一般不超过 0 2Hz 3 为用户提供充足的电能 1 用电设备的额定电压 与同级电网的额定电压相同 2 发电机的额定电压 比同级电网的额定电压高出5 用于补偿线路上的电压损失 1 2电力系统的电压等级和负荷 一 电力系统的额定电压 电力网的额定电压 我国高压电网的额定电压等级有3kV 6kV 10kV 35kV 60kV 110kV 220kV 330kV 500kV等 3 变压器的额定电压 变压器的一次绕组 相当于是用电设备 其额定电压应与电网的额定电压相同 变压器的二次绕组 对于用电设备而言 相当于电源 注意 当变压器一次绕组直接与发电机相连时 其额定电压应与发电机的额定电压相同 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 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 4 电力线路的平均额定电压Uav 1 05UN 3 15kV 6 3kV 10 5kV 37kV 63kV 115kV 230kV 345kV 525kV等 二 电力系统的负荷 1 电力负荷的分级及其对供电的要求 供电方式 由两个独立电源供电 一级负荷 中断供电将造成人身伤亡 重大设备损坏 重大产品报废 或在政治 经济上造成重大损失 二级负荷 中断供电将造成主要设备损坏 大量产品报废 重点企业大量减产 或在政治 经济上造成较大损失 供电方式 由双回路供电 三级负荷 所有不属于一 二级负荷的电力负荷 供电方式 对供电电源无特殊要求 年最大负荷Pmax 指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率 即年负荷曲线的最高点 年最大负荷利用小时数Tmax 假定在此时间内 用户以年最大负荷持续运行所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能 如图 图年最大负荷与年最大负荷利用小时数 2 与负荷曲线有关的物理量 我国电力系统中性点有三种运行方式 1 中性点不接地的电力系统 1 正常运行时 系统的三相电压对称 地中无电流流过 2 当系统发生A相接地故障时 A相对地电压降为零 中性点电压 中性点不接地中性点经消弧线圈接地中性点直接接地 1 3电力系统中性点运行方式 小电流接地系统 大电流接地系统 图1 8中性点不接地系统发生A相接地故障时的电路图和相量图 各相对地电压 U0 UA 特点 中性点不接地系统发生单相接地故障时 线电压不变 而非故障相对地电压升高到原来相电压的倍 中性点对地电压升高为相电压单相接地电流等于正常时单相对地电容电流的3倍 单相接地电流小于30A的3 10kV电力网 单相接地电流小于10A的35 60kV电力网 适用范围 2 中性点经消弧线圈接地的电力系统 在电力系统中一般采用过补偿运行方式 消弧线圈的补偿方式 欠补偿 全补偿 过补偿 特点 中性点始终保持零电位 非故障相对地电压不变 优点 节约绝缘投资 发生单相短路时 非故障相对地电压不变 电气设备绝缘水平可按相电压考虑 因此 我国110kV及以上的电力系统基本上都采用中性点直接接地的方式 1 3 3中性点直接接地的电力系统 图1 10中性点直接接地系统的电力系统示意图 第二章电力系统元件参数和等值电路 掌握 1 输电线路 变压器的等值电路及参数计算 2 以标幺制表示的电力网络的等值电路 第二章电力系统元件参数和等值电路 一 电力线路的元件参数与等值电路 对220KV以上的输电线路 采用分裂导线或扩径空心导线以减少电晕损耗和线路电抗 分裂导线 分裂根数越多 电抗下降越多 一般不超过4根 式中 为实测线路单位长度的电晕损耗功率 kW km 1双绕组变压器 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 图2 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 并用空载损耗代替电导 励磁功率代替电纳 35kV及以下的变压器中 励磁支路可忽略不计 简化为等效电路c 注意 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 以上参数应根据铭牌数据计算得出 二 变压器的参数和等值电路 注意 计算到的数值为折算到某一侧之后高 低压侧的电阻 电抗之和 说明 以上各式中 U S P Q 的单位分别为kV kVA kW和kvar 2三绕组变压器 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 短路试验时只能使容量小的绕组达到它的额定电流 有两组数据是按50 容量的绕组达到额定容量时测量的值 而式中的SN指的是100 绕组的额定容量 因此 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100 100 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 2 4以标幺制表示的等值网络 基准值的选取 通常先选定基准容量SB和基准电压UB 则基准电流IB和基准电抗ZB分别为 不同基准值的标幺值间的换算 电力系统中各电气设备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 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SB和UB 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SN UN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SN UN和短路电压百分数 输电线路 通常给出线路长度和每公里的电抗值 则 电抗器 通常给出IN UN和电抗百分数 统一基准值下的标幺值 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 近似计算法 采用近似计算法后 各段的基准电压即为该段网络的Uav 不需再计算 必需注意 采用近似法时 各元件的额定电压一律采用该元件所在段网络的平均额定电压代替 只有电抗器除外 第三章电力网络的潮流分析与计算 熟练掌握电力线路的功率损耗和电压降落的计算 近似计算只计 U 熟练掌握变压器的功率损耗和电压降落的计算 熟练掌握运算功率 运算负荷和运算电路的概念 熟练掌握简单开式网络的功率和电压计算 了解两端供电的开式网络和环形网络的潮流计算 一 电力网的功率损耗1电力线路的功率损耗和功率平衡 设已知线路末端运行电压和负荷功率 求线路首端功率 1 末端导纳支路功率损耗 2 电力网环节末端功率 3 1电力线路和变压器的功率损耗和电压降落 3 阻抗支路的功率损耗 大小随功率的变化而变化 4 电力网环节首端功率 5 首端导纳支路的功率损耗 6 线路首端功率 2变压器的功率损耗 阻抗支路中的功率损耗 变动损耗 导纳支路 固定损耗 线路首端电压有效值为 首端电压的相位为 1 电压降落 是指电力网任意两点电压的相量差 即 二 电力网中的电压平衡关系 电压降落的纵分量 电压降落的横分量 2 电压损失 是指线路首末端电压的代数差 即 对于110kV及以下电压等级的电力网 可忽略电压降落的横分量 此时 电压损失就等于电压降落的纵分量 即 实际电力系统中 负荷点往往不直接给出负荷功率 而是降压变电所或固定出力的发电厂 为了简化计算 常常将变电所处理为一个等值负荷 称为变电所的运算负荷 将固定出力的发电厂处理为一等值功率 称为发电厂的运算功率 如图 三 运算负荷和运算功率 1 负荷功率 S4 降压变压器低压侧末端负荷的功率 2 等值负荷功率 在变电所高压母线上负荷从网络中吸取的功率 3 运算负荷 为从电力线路阻抗中流出的功率 1变电所运算负荷 变电所的运算负荷等于它的低压母线负荷加上变压器的总功率损耗 阻抗 导纳 再加上高压母线上的负荷和与其高压母线相连的所有线路电容功率的一半 2发电厂运算功率 1 电源功率 发电机母线送至系统的功率 2 等值电源功率 变压器高压母线向系统送出的功率 也称节点2向系统里注入的功率 此时定为正值 3 运算功率 为流入电力线路阻抗中的功率 发电厂的运算功率等于它发出的总功率减去厂用电及地方负荷 再减去升压变压器中的总功率损耗和与其高压母线相连的所有线路电容功率的一半 例 简化后的等值电路 变电所运算负荷SB 发电厂运算功率SC 一 简单开式网潮流计算1 已知末端电压和功率 求首端的电压和功率 3 已知末端负荷和首端电压 2 已知首端电压和功率 求末端功率电压 分析方法同上 根据负荷功率 以额定电压代替实际运行电压 由末端向首端进行功率平衡计算直至求出 根据给定的和计算到的 从首端向末端进行电压平衡计算至求出末端电压 3 2开式网络的潮流分布 3 地方网的潮流计算 1 忽略等值电路中的导纳支路 2 忽略阻抗中的功率损耗 3 忽略电压降落的横分量 4 用线路额定电压代替各点实际电压计算电压损耗 3 3简单闭式网的潮流分布 3 3 1环形网络 两端电源电压相等供电网络 的功率分布 负荷功率由两端电源分担 各电源分担负荷的多少与该电源距离负荷点的电气距离成反比 流经Za 和Za支路的功率 与负荷功率有关 称供载功率 3 3 2两端电源电压不相等供电网的功率分布 供电网中除了供载功率外 还有循环功率 以上为电网的基本功率分布 未计元件功率损耗 在基本功率分布的功率分界点将闭式网分解为两个开式网 按开式网的潮流和电压计算方法从分界点向电源点递推求电压和功率分布 3 3 3环形网络的潮流计算 略 第五章电力系统有功功率的平衡及频率调整 P 掌握发电机和负荷的P f静态特性曲线 单位调节功率KG和KL的意义 KG与调差系数的关系 KL不可调 系统的单位调节功率K KG KL 掌握互联系统频率调整的计算 1 系统不参加一次调频K KL2 系统参加一次调频K KG KL3 系统不参加二次调频 PG 04 系统参加二次调频 PG 0 熟练掌握有功功率负荷的最优分配的等耗量微增率准则 1 耗量特性 发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系 1 耗量微增率 耗量特性曲线上某点切线的斜率 2 比耗量 特性曲线上某点的纵坐标和横坐标 即输入与输出 之比 2 等耗量微增率准则 电力系统中的各发电机组按相等的耗量微增率运行 可使总的能量损耗最小 应有 5 2电力系统的频率特性 5 2 1负荷的P f特性 负荷从电网中取用有功功率与电网频率的关系近似表示为一条直线 负荷的频率调节效应决定于系统中各类有功负荷的比重 不能控制 5 2 2发电机组的有功功率 频率静态特性 发电机组的调差系数 机组由空载到满载时 频率变化与发电机输出功率变化之比 调差系数与单位调节功率的关系 调差系数越小 单位调节功率越大 频率偏移越小 5 3 1频率的一次调整 系统的单位调节功率系数 负荷增量 参与调频的机组愈多 KG越大 KS就愈大 f越稳定 如果二次调频增发的功率与负荷增量相等 则 即所谓的无差调节 5 3 2频率的二次调整 5 3 3互联系统的频率调整 频率变化取决于两系统的功率缺额和单位调节功率 第六章电力系统无功功率的平衡和电压的调整 掌握电力系统的电压管理采取中枢点电压管理 中枢点的调压方式 Q 熟练掌握电力系统的调压措施 1 改变发电机的端电压进行调压 调压范围在额定电压的 5 适用近距离 小范围调压 2 熟练掌握改变变压器变比 选择变压器分接头调压的计算 3 改变无功功率分布调压 4 改善电力线路参数 串联电容调压 熟练掌握按经济电流密度选择导线截面的方法 电力线路无功损耗 6 1电力系统中无功功率的平衡 一 无功功率负荷和无功功率损耗 变压器无功损耗 二 无功功率电源电力系统的无功功率电源包括同步发电机 同期调相机 并联电容器和静止补偿器 无功补偿装置 等 同步调相机 只能发出无功功率的发电机 既可以过励运行 也可以欠励运行 其运行状态取决于系统电压调整的要求 过激运行时向系统输送其额定容量的无功功率 做无功电源 欠励运行时从系统吸取0 5 0 65倍额定容量的无功功率 做无功负载 电力电容器 只能作为无功电源向系统输送无功功率 一般采用三角形或星形接法组成电容器组 6 2电力系统的电压管理 1 中枢点的调压方式1 逆调压 在大负荷时升高中枢点电压 小负荷时降低中枢点电压 最大负荷方式运行时 中枢点电压高于线路额定电压5 在最小负荷方式运行时 中枢点的电压等于线路额定电压 顺调压 大负荷时允许中枢点电压低一些 但不低于线路额定电压的102 5 小负荷时允许其电压高一些 但不超过线路额定电压的107 5 的 恒调压 即在任何负荷下 中枢点电压保持为大约恒定的数值 一般较线路额定电压高2 5 1 调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压UG 2 改变变压器的变比k1 k2 3 改变网络无功功率Q的分布 4 改变网络参数R jX 主要是X 2 电压调整的措施 二 改变变压器变比调压 1 降压变压器分接头的选择 为了达到调压的目的 双绕组变压器在高压侧 三绕组变压器在高压侧和中压侧都装有分接头开关 改变变压器变比调压 实质上就是如何根据低压侧的调压要求合理选择变压器的分接头电压U1t 降压变压器 高压侧运行电压 归算到高压侧后的电压损耗 变压器低压侧按调压要求的实际运行电压U2为 高压侧分接头电压 低压绕组额定电压 得高压侧分接头电压为 当变压器通过不同的负荷时 分接头电压有不同的计算值然后求取它们的算术平均值 即选择一个与它最接近的标准分接头电压作为公用分接头 然后根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线的实际电压是否符合要求 最大负荷方式下变压器低压母线要求的运行电压 最小负荷方式下变压器低压母线要求的运行电压 2 升压变压器分接头的选择 升压变压器 分接头电压的选择同降压变压器相同 注意 升压变压器中功率方向从低压侧指向高压侧 因此式中 UT为正 上面各式中U2N的取值同式 1 2 中不同 通常为发电机的额定电压 注意 在无功有裕或无功平衡的电力系统中 改变变压器变比有很好的调压效果 但在无功不足的系统中 不宜采用改变变比调压 6 4输电线路导线截面的选择 一 按经济电流密度选择导线截面 说明 计算出经济截面Aec后 应选最接近而又偏小一点的标准截面 7 1短路的基本概念 短路的种类 对称短路 三相短路k 3 不对称短路 单相接地短路k 1 两相接地短路k 1 1 两相短路k 2 在各种短路故障中 单相接地占大多数 65 三相短路的机会最少 5 但三相短路的短路电流最大 后果最严重 7 2无限大功率电源供电系统的三相短路 一 无限大容量系统 无限容量系统 又叫无限大功率电源 是指系统的容量为 内阻抗为零 无限容量系统的特点 在电源外部发生短路 系统频率恒定 电源母线上的电压基本不变 即认为它是一个恒压源 在工程计算中 当电源内阻抗不超过短路回路总阻抗的5 10 时 就可认为该电源是无限大功率电源 二 由无限容量系统供电时三相短路计算 1短路电流 只计算周期分量 2短路冲击电流 在最严重短路情况下 三相短路电流的最大可能瞬时值 作用 检验电气设备和载流导体的动稳定度 短路前空载 即 短路瞬间电源电压过零值 即初始相角 满足的条件应为 短路回路为纯电感电路 冲击电流出现时刻 短路发生后半个周期 t 0 01s 4 短路容量 3 短路冲击电流有效值 其中 短路电流冲击系数 系统中所有的元件参数都用次暂态参数表示 短路瞬间同步电机的保持为短路前的瞬时值 7 3三相短路的实用计算 一 有限容量系统供电时三相短路起始次暂态电流计算 短路前瞬间的电压 电流值 1 起始次暂态电流的计算 xf 机端至短路点的组合电抗 机端发生短路时 为额定电流的8 64倍 2 短路点附近有大容量异步电动机时 短路后瞬间 电动机由于机械和电磁惯性会送出短路电流 次暂态电抗标幺值 起动电流标幺值 4 7 通常取5 故 二 复杂网络的变换与化简 求转移电抗 式中 xik 节点i和短路点k之间的转移电抗 1 网络变换与化简 2单位电流法计算转移电抗 适用于辐射形网络 令E1 E2 E3 0 k点加Ek Ua I1x1 x1 I2 Ua x2 x1 x2 I4 I1 I2 Ub I4x4 Ua I3 Ub x3 Ik I4 I3 令I1 1 则有 则各电源对短路点的转移电抗 xik Ek Ii Ek Ub Ikx5 三 应用运算曲线求任意时刻的短路电流 8 1对称分量法在不对称短路计算中的应用 若不对称的电气分量为电流 由可见 只有 当三相电流之和不为零时才有零序电流分量 无零序分量 当三相系统为三角形或不接地的星形接法时 采用YN接法时 中性线流过电流 为一相零序电流的3倍 零序电流必须以中性线为通路 三相对称系统中不存在零序分量 8 1 2序电抗的概念 在三相元件参数对称时 各序分量具有独立性 当电路中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 故可对正 负和零序分量分别计算 不对称短路时的正序 负序 零序网络图如下图所示 各序网的基本方程为 8 1 3对称分量法在不对称短路计算中的应用 8 3电力系统序网络 应用对称分量法分析不对称故障时 必须先形成系统的各序网络 包括元件各序参数及各序网络的建立 正序网络 与三相短路时等值网络的制定方法基本相同 正序电流通过的所有元件均包含在正序网络中 1 中性点接地阻抗 不计导纳支路的空载线路和不计励磁支路的空载变压器不应包括在正序网络中 2 所有同步发电机都是网络中的正序电源 其电势为正序电势3 综合负荷一般用恒定电抗表示4 在故障点引入代替不对称条件的正序电压分量 负序网络 与正序网络相同 将正序网络中的参数用负序参数代替 但所有电源的负序电势为零 零序网络 作零序网络从短路点开始 在此电势作用下 凡是有零序电流流通的元件均应列入零序网络中 从短路点出发 只有当向着短路点一侧的变压器绕组为Y0接法时才可能有零序电流流通 而真正要使零序电流形成通路 还取决于变压器另一侧的接法 对于另一侧绕组也是Y0接法的 零序电流可以通向外电路 若另一侧为 零序电流只能在绕组内形成环流而不能流向外电路 8 4 1单相接地短路 边界条件 1 短路点直接接地 短路点的各序分量电流为 8 4电力系统不对称短路的分析与计算 单相接地短路的复合序网 串联 复合序网 单相接地短路电流为 8 4 2两相短路 b c两相短路 边界条件 复合序网 图8 16两相短路的复合序网 并联 短路点的各序分量电流 8 4 3两相接地短路 边界条件 复合序网 如图4 19所示 短路点的各序分量电流为 两相短路电流 图4 19两相接地短路的复合序网 两相接地短路电流为 8 4 4正序等效定则 故障相正序电流绝对值可以表示为 各种不对称故障时短路电流的绝对值为 表8 4直接短路时的和值 8 4 5不对称短路时网络中电