电力工程基础第2版》孙丽华第3章.ppt

河北科技大学电气信息学院 2 2020 2 12 第3章电力网 3 1电力网的接线方式3 2电力系统元件参数和等效电路3 3电力网的电压计算3 4输电线路导线截面的选择 河北科技大学电气信息学院 3 2020 2 12 3 1电力网的接线方式 一 概述 1 无备用接线方式 开式电力网 图3 1开式电力网a 单回路放射式b 单回路干线式c 单回路链式 优点 简单明了 运行方便 投资费用少 缺点 供电的可靠性差 按布置方式分 放射式 干线式 链式 环式及两端供电式按对供电可靠性的要求分 无备用接线和有备用接线 河北科技大学电气信息学院 4 2020 2 12 2 有备用接线方式 闭式电力网 图3 2有备用接线a 双回路放射式b 双回路干线式c 双回路链式d 环式e 两端共电式 优点 供电可靠性高 适用于对一级负荷供电 河北科技大学电气信息学院 5 2020 2 12 由地区变电所或企业总降压变电所6 10kV母线直接向用户变电所供电 沿线不接其他负荷 各用户变电所之间也无联系 如图3 3所示 图3 3放射式接线 优点 结构简单 操作维护方便 保护装置简单 便于实现自动化 缺点 供电可靠性较差 只能用于三级负荷和部分次要的二级负荷 二 放射式接线 河北科技大学电气信息学院 6 2020 2 12 为了提高供电的可靠性 可采用来自两个电源的双回路放射式接线 如图3 4所示 图3 4双回路放射式接线 优点 供电可靠性高 任一回路 任一电源发生故障都能保证不间断供电 适用于一类负荷 缺点 从电源到负载都是双套设备 互为备用 投资大 且维护困难 河北科技大学电气信息学院 7 2020 2 12 直接连接干线式 如图3 5a所示 优点 线路敷设简单 变电所出线回路数少 高压配电装置和线路投资较小 比较经济 缺点 供电可靠性差 当干线发生故障或检修时 所有用户都将停电 适用于分支数目不多 变压器容量也不过大的三级负荷 三 干线式接线 图3 5干线式接线a 直接连接干线式b 串联型干线式 河北科技大学电气信息学院 8 2020 2 12 为了提高供电的可靠性 可采用双干线式或两端供电干线式 串联型干线式 如图3 5b所示 图3 6双回路干线式接线方式 特点 干线的进出侧均安装了隔离开关 当发生故障时 可在找到故障点后 拉开相应的隔离开关继续供电 从而缩小停电范围 使供电可靠性有所提高 四 环式接线 普通环式 把两路串联型干线式线路联络起来 如图3 8所示 河北科技大学电气信息学院 9 2020 2 12 图3 7两端供电干线式接线方式 3 8普通环式接线 有两种运行方式 开环运行 正常运行时环形线路在某点断开 开环点位置的选择 应使正常配电时开环点的电压差为最小 闭环运行 正常运行时环形线路没有断开点 河北科技大学电气信息学院 10 2020 2 12 优点 供电可靠性高 运行灵活 缺点 导线截面按有可能通过的全部负荷来考虑 投资高 拉手环式 手拉手 接线 将放射式接线改造成双电源供电 中间以联络开关将两段线路连接起来 如图3 9所示 图3 9拉手环式接线 优点 供电可靠性较高 易于实现配电网自动化 正常运行时联络开关打开 当线路失去一端电源时 将联络开关合上 从另一端电源对失去电源线路上的用户供电 低压配电系统也有放射式 干线式 环式等接线方式 河北科技大学电气信息学院 11 2020 2 12 3 2电力系统元件参数和等值电路 一 电力线路的结构 1 架空线路 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 如图3 10所示 图3 10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 河北科技大学电气信息学院 12 2020 2 12 架空线路采用的导线结构型式主要有单股 多股绞线和钢芯铝绞线三种 如图3 11所示 图3 11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 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 常用材料有铜 铝和钢 导线的结构型式 导线分为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 河北科技大学电气信息学院 13 2020 2 12 架空导线的型号有 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 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 杆塔的分类 河北科技大学电气信息学院 14 2020 2 12 档距 同一线路上相邻两根电杆之间的水平距离称为架空线路的档距 或跨距 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称为弧垂 线间距离 380V为0 4 0 6m 6 10kV为0 8 1m 35kV为2 3 5m 110kV为3 4 5m 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 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 河北科技大学电气信息学院 15 2020 2 12 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 河北科技大学电气信息学院 16 2020 2 12 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 常用的绝缘子主要有针式 悬式和棒式三种 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 河北科技大学电气信息学院 17 2020 2 12 2 电缆线路 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 12所示 图3 12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 河北科技大学电气信息学院 18 2020 2 12 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 河北科技大学电气信息学院 19 2020 2 12 电缆的敷设方式 直接埋入土中 埋设深度一般为0 7 0 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 河北科技大学电气信息学院 20 2020 2 12 二 输电线路的参数计算及等值电路 1 输电线路的参数计算 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 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 即标称截面 一般略大于实际截面 通常取 河北科技大学电气信息学院 21 2020 2 12 工程计算中 可先查出导线单位长度电阻值r1 则 需要指出 手册中给出的r1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 式中 为电阻的温度系数 1 铜取0 00382 1 铝取0 0036 1 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 Sav为三相导线的线间几何均距 m 河北科技大学电气信息学院 22 2020 2 12 注意 为了使三相导线的电气参数对称 应将输电线路的各相导线进行换位 如图3 13所示 图3 13一次整循环换位 通常架空线路的电抗值在0 4 km左右 则 电纳 每相导线单位长度的等值电容 F km 为 河北科技大学电气信息学院 23 2020 2 12 则单位长度的电纳 S km 为 一般架空线路b1的值为S km左右 则 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 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 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 河北科技大学电气信息学院 24 2020 2 12 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 河北科技大学电气信息学院 25 2020 2 12 2 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 110 220kV 和长度不超过100km的电缆线路 10kV以上 用于长度为100 300km的架空线路 图3 14一字型等效电路 图3 15 型或T型等效电路a 型b T型 河北科技大学电气信息学院 26 2020 2 12 三 变压器的参数计算及等效电路 1 双绕组变压器 双绕组变压器采用 型等效电路 如图3 16所示 35kV及以下的变压器 励磁支路可忽略不计 可用简化等效电路 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 图3 16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 河北科技大学电气信息学院 27 2020 2 12 电阻RT 由于 所以 电抗XT 由于 对小容量变压器 则 所以 河北科技大学电气信息学院 28 2020 2 12 电导GT 变压器的电导是用来表示铁心损耗的 电纳BT 变压器的电纳是用来表征变压器的励磁特性的 所以 S 所以 S 由得 因此 S 说明 以上各式中 U S P Q 的单位分别为kV kVA kW和kvar 河北科技大学电气信息学院 29 2020 2 12 三绕组变压器 三绕组变压器的等效电路如图3 17所示 图3 17三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 河北科技大学电气信息学院 30 2020 2 12 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 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100 100 100的变压器 河北科技大学电气信息学院 31 2020 2 12 由得 所以 河北科技大学电气信息学院 32 2020 2 12 短路试验有两组数据是按50 容量的绕组达到额定容量时测量的值 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 河北科技大学电气信息学院 33 2020 2 12 电抗XT1 XT2 XT3 所以 由得 电导GT与电纳BT 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UN为相应等级的额定电压 河北科技大学电气信息学院 34 2020 2 12 3 3电力网的电压计算 一 概述 电压降落 是指线路首末端电压的相量差 即 图3 18线路的电压降落和电压损失相量图 电压损失 是指线路首末端电压的代数差 即 通常以线路额定电压的百分数表示 即 河北科技大学电气信息学院 35 2020 2 12 二 地方电力网的电压损失计算 1 放射形线路电压损失计算 设线路首末端相电压分别为和 负荷电流为I 负荷的功率因数为 则 图3 19放射式线路电压损失相量图a 放射式线路简化电路图 b 电压损失相量图 河北科技大学电气信息学院 36 2020 2 12 则一相的电压损失为 为便于计算 用代替 则 换算成线电压损失为 式中 P Q UN 的单位分别为kW kvar kV和V 河北科技大学电气信息学院 37 2020 2 12 2 树干式线路电压损失计算 各支线的负荷功率 用p q表示 各段干线的功率 用P Q表示 各段线路的长度 电阻和电抗 分别用l r和x表示 图3 20树干式线路电压损失计算图 各负荷到电源之间的干线长度 电阻和电抗 分别用L R和X表示 若忽略各段线路的功率损耗 则每段干线的功率可用各支线的负荷功率表示 即 河北科技大学电气信息学院 38 2020 2 12 l1段 l2段 l3段 各线干段的电压损失为 l1段 l2段 l3段 n段干线的总电压损失为各段干线的电压损失之和 即 河北科技大学电气信息学院 39 2020 2 12 若将各线干段的负荷用各支线负荷表示 则上式可写成 电压损失的百分数为 或 当各段线路的导线截面 功率因数相同时 有 河北科技大学电气信息学院 40 2020 2 12 3 均匀无感线路电压损失计算 对于全线导线型号一致且可不计线路感抗或负荷的线路 其电压损失百分数可表示为 式中 为导线的电导率 A为导线的截面 为线路的所有功率矩 或叫负荷矩 之和 C为计算系数 与线路电压 接线方式及导线材料有关 可查表3 1 4 均匀分布负荷的三相线路电压损失计算 河北科技大学电气信息学院 41 2020 2 12 设单位长度的负荷电流为i A km 则微小线段dl上的负荷电流为idl 这一负荷电流通过长度为l 电阻为r1l的线路所产生的电压损失为 上式说明 计算均匀分布负荷线路的电压损失时 可以用一个与均匀分布的总负荷相等 位于均匀分布负荷中点的集中负荷等值代替 图3 21具有均匀分布负荷的电力网 河北科技大学电气信息学院 42 2020 2 12 图3 22a中 阻抗中流过的电流为 则电压降落为 图3 22输电线路的 型等效电路及相量图a 等效电路 三 高压电网中电压损失的计算 图中 称为电压降落的纵分量 称为电压降落的横分量 b 相量图 河北科技大学电气信息学院 43 2020 2 12 线路首端电压有效值为 说明 上述公式是按感性负荷下推出的 若为容性负荷 公式不变 无功功率Q前面的符号应改变 将上式按二项式定理展开并取前两项可得 因此 当负荷为感性时 经推导得 电压降落纵分量 电压降落横分量 河北科技大学电气信息学院 44 2020 2 12 几点说明 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 P2 Q2 U2的单位分别为kW kvar和kV 且所有参数必须是线路上同一点的参数 电压损失通常以线路额定电压的百分数表示 即 如果已知线路首端的参数P1 Q1 U1 则 河北科技大学电气信息学院 45 2020 2 12 3 4输电线路导线截面的选择 一 导线截面选择的基本原则 1 发热条件 导线在通过正常最大负荷电流 计算电流 时产生的发热温度不超过其正常运行时的最高允许温度 2 电压损失条件 导线或电缆在通过正常最大负荷电流时产生的电压损失应小于电压损失 以保证供电质量 3 机械强度条件 在正常工作条件下 导线应有足够的机械强度以防止断线 故要求导线截面不应小于最小允许截面 4 经济条件 选择导线截面时 即要降低线路的电能损耗和维修费等年运行费用 又要尽可能减少线路投资和有色金属消耗量 通常可按国家规定的经济电流密度选择导线截面 河北科技大学电气信息学院 46 2020 2 12 5 电晕条件 高压输电线路产生电晕时 不仅会引起电晕损耗 而且还产生噪声和无线电干扰 为了避免电晕的发生 导线的外径不能过小 根据设计经验 导线截面选择的原则如下 对区域电力网 先按经济电流密度按选择导线截面 然后再校验机械强度和电晕条件 对地方电力网 先按允许电压损失条件选择导线截面 以保证用户的电压质量 然后再校验机械强度和发热条件 对低压配电网 通常先按发热条件选择导线截面 然后再校验机械强度和电压损失 河北科技大学电气信息学院 47 2020 2 12 二 按发热条件选择导线截面 按发热条件选择三相系统中的相线截面的方法 应使导线的允许载流量Ial不小于通过相线的计算电流I30 即 此时 按发热条件选择截面的条件为 导线的允许载流量与环境温度和敷设条件有关 当导线敷设地点的环境温度与导线允许载流量所采用的环境温度不同时 则允许载流量应乘以温度校正系数 即 河北科技大学电气信息学院 48 2020 2 12 或 即铜导线允许载流量为同截面铝导线允许载流量的1 3倍 环境温度的规定 在室外 取当地最热月平均气温 在室内 取当地最热月平均气温加5 对埋入土中的电缆 取当地最热月地下0 8 1m深处的土壤月平均气温 铜 铝导线的等效换算 若近似认为铜 铝导线的散热情况相同 则其发热温度相同时 可认为其功率损耗相同 即 河北科技大学电气信息学院 49 2020 2 12 对动力线路 一般要求中性线截面应不小于相线截面的一半 即 0 5 对照明线路 因中性线电流与相线电流相等 因此 可取 保护线 PE线 截面的选择 保护线截面一般应不小于相线截面的一半 即 0 5 当相线截面 16mm2时 可取 中性线 N线 截面的选择 对动力线路 一般要求中性线截面应不小于相线截面的一半 即 0 5 对照明线路 因中性线电流与相线电流相等 因此 可取 保护中性线 PE 线 截面的选择 PE 线兼有中性线和保护线的双重功能 截面选择应同时满足上述二者的要求 并取其中较大者作为PE 线截面 因此 0 5 1 低压系统中性线和保护线的选择 河北科技大学电气信息学院 50 2020 2 12 式中 为过流保护装置的动作电流 对于熔断器为熔体的额定电流 为绝缘导线或电缆的允许短时过负荷倍数 需要指出 若上式不满足要求 应加大导线截面 使Ial增大 按发热条件选择导线或电缆截面时 还必须与其相应的过流保护装置 熔断器或低压断路器的过流脱扣器 的动作电流相配合 以便在线路过负荷或短路时及时切断线路电流 保护导线或电缆不被毁坏 因此 应满足的条件是 河北科技大学电气信息学院 51 2020 2 12 三 按允许电压损失选择导线截面 由于导线截面对电抗的影响很小 所以 当 一定时 可认为近似不变 因此 可初选一种导线的单位长度电抗值 6 110kV架空线路取0 3 0 4 km 电缆线路取0 07 0 08 km 则 河北科技大学电气信息学院 52 2020 2 12 而 由得 若 可不计 则 式中 为允许电压损失 V 说明 求出导线截面 后 应选择一个与其接近而偏大的标准截面作为导线截面 式中 UN pi Li 的单位分别为kV V kW km和 河北科技大学电气信息学院 53 2020 2 12 例3 1一条10kV线路参数如图 试按允许电压损失选择其导线截面 并按发热条件和机械强度进行校验 解 1 按允许电压损失选择导线截面 设x1 0 4 km 则 河北科技大学电气信息学院 54 2020 2 12 所以 初步选LJ 35型铝绞线 2 按发热条件进行校验 线路的最大负荷电流为AB段承载电流 其值为 查附表A 8和A 10知 35 时LJ 35型铝绞线的允许载流量为 故满足发热条件 3 按机械强度进行校验 查表3 2知 10kV架空铝绞线的最小截面为25mm2 35mm2 满足机械强度条件 河北科技大学电气信息学院 55 2020 2 12 四 按经济电流密度选择导线截面 1 经济电流密度的概念 导线截面越大 线路的功率损耗和电能损耗越小 即年运行费用越小 但是线路投资和有色金属消耗量都要增加 反之 导线截面越小 线路投资和有色金属消耗量越少 但是线路的功率损耗和电能损耗却要增大 即年运行费用越大 综合以上两种情况 使年运行费用达到最小 初投资费用又不过大而确定的符合总经济利益的导线截面 称为经济截面 用Aec表示 对应于经济截面的导线电流密度 称为经济电流密度 用jec表示 河北科技大学电气信息学院 56 2020 2 12 图3 24是年运行费用F与导线截面A的关系曲线 1 年折旧费和年维修管理费之和与导线截面的关系曲线 3 为曲线1与曲线2的叠加 表示线路的年运行费与导线截面的关系曲线 2 年电能损耗费与导线截面的关系曲线 由图可知 曲线3的最低点 a点 的年运行费用最小 但从综合经济效益考虑 导线截面选Ab比选Aa更为经济合理 即Ab为经济截面 图3 24线路年运行费用与导