《电力网的稳态计算》PPT课件.ppt

电气工程基础 第六章电力网的稳态计算 电力线路的结构架空输电线路的参数计算及等值电路变压器的等值电路及参数计算网络元件电压和功率分布电力网络的潮流计算 第一节电力线路的结构 两种结构分为架空线路和电缆线路 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 如图所示 图架空线路的结构 导线 导线的作用是传导电流 输送电能 避雷线 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 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 图裸导线的构造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 分裂导线 分裂导线能使导线的等效半径增大 减小线路等值电抗和降低线路的电晕损耗 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 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 LGJ普通型5 3 6 1 铝线与钢线截面积比 LGJQ轻型7 6 8 3LGJJ加强型4 4 5 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 导线在杆塔上的排列方式 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 杆塔的分类 500KV架空输电线路 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 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 高压针式绝缘子 低压针式绝缘子 高压线路瓷横担绝缘子 瓷横担的特点 有良好的电气绝缘性能 兼有绝缘子和横担的双重功能 能节约大量的木材和钢材 有效地降低杆塔的高度 可节省线路投资30 40 2 电缆线路 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 第二节架空输电线路的参数计算及等值电路 一 架空输电线路的参数计算 第二节架空输电线路的参数计算及等值电路 1 输电线路的参数计算 1 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 考虑上面情况 修正后导线材料电阻率的计算值为 需要指出 手册中给出的值 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 2 电抗 每相导线单位长度的等值电抗为 外电抗 内电抗 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 如图所示 图三相导线的布置方式a 等边三角形布置b 水平等距布置 图一次整循环换位 若三相导线等边三角形排列 则 若三相导线水平等距离排列 则 图换位循环示意图 a 单换位循环 b 双换位循环 对于超高压线路 当导线表面的电场强度超过周围空气的击穿强度时 导线周围的空气被电离而产生局部放电的现象 称为电晕 电晕会产生蓝紫色的荧光并发出 吱吱 声以及电化学产生臭氧 O3 这些现象要消耗有功损耗 称为电晕损耗 为了降低导线表面电场强度 以达到减低电晕损耗和抑制电晕干扰的目的 目前广泛采用分裂导线 实际应用时 由于结构上的原因 每相导线的分裂数不可过多 一般为2 4根 分裂导线 减少线路电抗和减低电晕损耗 一般单导线的电抗为0 4 km左右 而分裂导线为n 2 3 4时 电抗为0 33 0 3 0 28 km左右 架空线路的电抗值为 rD为等值半径 A为间隔环半径 n为根数 d为导线间隔 3 电纳 每相导线单位长度的等值电容为 则单位长度的电纳为 4 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 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 电晕临界电压计算 导线表面状况系数 多股绞线为0 83 0 87 气象状况系数 晴天为1 雨雪雾为0 8 1 导线计算半径 cm 三相导线间的几何均距 cm 空气相对密度 一般取1 1 一字型等效电路长度不超过100km 电压在35kV及以下的架空线路和线路不长 电压在10kV及以下的电缆线路 线路的电导和电纳可忽略不计 于是线路的等效电路就成为一个具有电阻R和电抗X串联的电路 如图所示 图中 线路阻抗为 二 输电线路的等效电路 2 型与T型等效电路对于长度在200 300km 电压等级为110 220kV的架空线路和长度不超过100km的电缆线路 电压高于10kV 可以忽略电导影响 但电容已不可忽略 必须使用 型或T型等效电路 如图所示 例6 1有一条长100km 额定电压110KV的输电线路 导线水平排列 型号为LGJ 185 相间距离4m 导线表面光滑系数为0 85 气象状况系数为1 空气相对密度为1 试计算线路参数 解 1 单位长度线路电阻 2 单位长度线路电抗 查附录表1得LDJ 185型导线的计算直径为19 02mm 则 3 单位长度线路电纳 4 单位长度线路电导 5 全线路参数为 第三节变压器的等值电路与参数计算 一 双绕组变压器二 三绕组变压器三 自耦变压器 一 双绕组变压器 1 理想变压器 I1n1 I2n2 I2 kI1 u1 n1 u2 n2 u2 u1 k k n1 n2 特征 无铜损 铁损 漏抗 激磁电流 2 实际变压器 通过短路和开路试验求RT XT BT GT 一 双绕组变压器 双绕阻变压器有电阻RT 电抗XT 电导GT和电纳BT四个等值参数 可用图 a 所示的简化电路来表示 在实际计算时 往往用变压器的空载损耗 P0和励磁功率 Q0代替GT和BT 如图 b 所示 对于地方电网和发展规划中的电力系统 变压器的等效电路可进一步简化为图 c 所示的RT XT串联等值电路 图双绕阻变压器等值电路 变压器的参数可根据变压器空载实验和短路实验测得的特性数据 即空载损耗 P0 空载电流百分数I0 短路损耗 Pk 短路电压Uk 计算求得 1 电阻RT变压器短路损耗 Pk是变压器通过额定电流时 高 低压绕组中的总损耗 即 6 16 式中 IN为变压器额定电流 A UN为变压器与IN对应侧绕组的额定电压 kV SN为变压器的额定容量 kV A 由式 6 10 可求得变压器的电阻 6 11 2 电抗XT变压器短路电压Uk 是变压器做短路实验时 在变压器绕组中通过额定电流 变压器阻抗ZT上的压降与变压器额定电压之比再乘以100 即 6 12 对大型变压器 其绕组电阻RT远小于电抗XT 可认为XT ZT 所以 变压器的每相电抗为 6 13 式 6 13 中 UN SN的单位与式 6 12 相同 3 励磁电导GT变压器的电导用来表示铁芯的有功损耗 因变压器的空载损耗 P0约等于变压器的铁芯损耗 PFe 即 P0 PFe 所以变压器的电导GT为 6 14 4 电纳BT电纳代表变压器的励磁无功功率 与空载电流的百分数I0 有关 因此有 6 16 式中 SN的单位为kVA UN的单位为kV 5 变比 定义为变压器两侧绕组的空载线电压之比 空载电流包含有功和无功分量 但有功分量很小 无功电流Ib与空载电流I0几乎相等 空载电流百分值 电纳 无功功率 6 15a 6 15b 6 16 6 17 说明 取高压侧额定电压时 归算到高压侧的值 取低压侧额定电压则归算到低压侧的值 二 三绕组变压器 在发电机和变电站中 常需要将几种不同电压等级的输电系统联系起来 如联系三个电压等级 用双绕组变压器 至少需要两台变压器 若用三绕组变压器 则只需要一台就能满足 由于三相对称 三绕组变压器的等值电路常用一相等值电路表示 1 电阻 变压器厂家会给出三个绕组间一个绕组开路 另两个绕组短路试验的短路损耗 Pk 1 2 Pk 2 3 Pk 1 3 由于 联解上面三式得 可计算三绕组变压器各绕组的电阻 上面计算公式仅选用于三个绕组的额定容量都相同的情况 实际上 运行中变压器的三个绕组不可能同时都满载运行 则变压器三个绕组的额定容量可以制造为不相等 我国生产三绕组变压器各绕组容量为100 100 100 100 50 100 100 100 50在短路试验时 三个绕组容量不相等的变压器将受到较小容量绕组额定电流限制 需要将按绕组容量测得的短路损耗值折算成按变压器额定容量的损耗值 然后再计算绕组电阻 如厂家提供的试验数据为 且编号1为高压绕组 则 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 对100 100 50和100 50 100的变压器 电抗XT1 XT2 XT3 2 电抗 所以 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 2 电抗 三绕组变压器各绕组的等值电抗与绕组的布置方式密切相关 一般来说 从绝缘条件出发 高压绕组都布置在最外层 而中 低压绕组的布置则与功率的传送方向有关 降压型的三绕组变压器而言 往往采用 高 中 低 布置 如图 a 所示 升压型三绕组变压器则多采用 高 低 中 布置 如图 b 所示 图三绕组变压器绕组的两种排列方式 例6 4某变电所装有一台型号为SFSL1 20000 110 容量比为100 100 50的三绕组变压器 PK 1 2 152 8kW PK 3 1 52kW PK 2 3 47kW Uk 1 2 10 5 Uk 2 3 6 5 Uk 3 1 18 P0 50 2kW I0 4 1 试求变压器的参数 解 1 计算各绕组的电阻 先对容量较小的绕组有关的短路损耗进行折算 得 三 自耦变压器在大型超高压电力系统中 多数采用自耦变压器来连接两个不同电压级电网 一般手册和制造厂提供的自耦变压器试验数据 不仅与低压绕组有关的短路损耗未经折算 而且其短路电压也未经折算的 因此对它们分别进行折算 自耦变压器容量较小的第三绕组的额定容量 KVA 自耦变压器的额定容量 KVA 第四节电力网络元件的电压和功率分布计算 电力系统的潮流分布计算基本概念预习复数功率 功率损耗表示输电线的电压和功率分布计算同一电压等级开式电力网的潮流计算多级电压开式电力网的潮流计算 本章后两小节内容简介 电力系统潮流分布计算基本概念 电力系统的潮流分布计算是计算电力系统中各节点的电压和各节点之间通过的功率 计算目的 1 电力系统规划 设计 用于选择系统接线方式 电气设备和导线截面 2 电力系统运行 确定运行方式 制定电力系统经济运行计划 调压措施 3 提供继电保护设计中有关数据 采用方法 1 解析算法2 计算机算法解析算法具有物理概念清晰的特点 是掌握潮流计算原理的基础 本节重点讨论解析算法 预习复数功率 功率损耗表示 1 复数功率表示2 电力网线路功率损耗 线路中电容功率 3 变压器 一 输电线的电压和功率分布计算 共四个变量 给定两个变量求解另两个变量 1 给定同一节点的功率和电压 1 给定末端功率S2和电压U2 求首端U1和S1 1 给定末端功率S2和电压U2 求首端U1和S1 设末端电压 电压降落纵分量 电压降落横分量 首端导纳支路功耗 首端电压 一般有 首端功率 2 给定首端功率S1和电压U1 求末端U2和S2 设首端电压 2 给定不同节点功率和电压 给定首端U1和末端S2 求S1和U2 迭代算法 工程近似法 用线路UN来代替末端电压 从末端到首端推算 3 工程上常用的几个计算量 1 电压降落线路首 末端电压的向量差 2 电压损耗线路首 末端电压的数值差 3 电压偏移 4 输电效率 第五节电力网络的潮流计算 同一电压等级开式电力网潮流计算多级电压开式电力网潮流计算 一 同一电压等级开式电力网潮流计算 开式电力网 负荷只能从一个方向获得电能的电力网 开式电力网结构简单 可分成无变压器的同一电压等级开式电力网和有变压器的多级电压的开式电力网 首先讨论同一电压等级开式电力网的潮流计算 即电力网中节点电压和线段功率 1 计算各段线路电容功率 2 运算负荷将节点的所有功率合成一个负荷功率 若节点接有降压变压器运算负荷要加入变压器功率损耗 3 计算各线段功率分布从线段末端向线路首端推算线段末端功率 末端节点功率 下一线段首端功率线段cdScd末 Sd线段bcSbc末 Sc Scd首线段abSab末 Sb Sbc首线路首端功率 线段末端功率 线段损耗Scd首 Scd末 ScdSbc首 Sbc末 SbcSab首 Sab末 Sab 线段损耗 4 节点电压分布计算一般给定线路首端电压 则线路其它节点电压从线路首端向线路末端推算 Ub Ua UabUc Ub UbcUd Uc Ucd线段电压损耗计算 U P线段首R线段 Q线段首X线段 U节点首线段末端电压U节点末U节点末 U节点首 U例 Uab Pab首R1 Qab首X1 UaUb Ua Uab Uab Ubc Ucd 例6 8一条额定电压为110KV的输电线路 长100km r0 0 21 km x0 0 41 km b0 2 74 10 6S km 已知线路末端负荷 40 j30 MVA 线路首端电压保持为115KV 试求 1 正常运行时线路首端的功率和线路末端的电压 2 空载时线路末端的电压及线路末端的电压偏移 求解步骤 1 求线路的参数 RL r0 l00 XL x0 l00 B b0 l00 1 正常运行时线路首端的功率和线路末端的电压 2 3 4