第二章电力系统元件参数及等值电路

第二章电力系统元件参数及等值电路,本章开始转入电力系统的定量分析和计算。阐述两个问题：1、电力系统中生产、变换、输送、消费电能的四大部分发电机、变压器、电力线路、负荷的特性和数学模型。2、由变压器和电力线路构成的电力网络数学模型。,第一节输电线参数及等值电路第二节变压器参数及等值电路第三节发电机和负荷的参数及等值电路第四节标么值第五节电力系统等值电路,第一节输电线参数及等值电路,进行电力网计算和分析时，总是将给出的电力网用它的电气参数及等值电路来表示。构成电力网的主要元件有输电线路和变压器。表示输电线路和变压器特性的电气参数有：输电线路阻抗导纳变压器阻抗导纳,一、输电线路参数,电力线路按结构分为架空线路钢芯铝绞线,架空线路电缆线路,架空线路由以下主要部件组成：1）导线：传导电流，输送电能。2）避雷线:将雷电流引入大地，避免线路遭到破坏。3）杆塔：支持导线和避雷线，使导线与导线、导线与大地之间保持一定距离。4）绝缘子：使导线与杆塔之间保持足够的绝缘距离。5）金具：连接导线，使导线固定在绝缘子上，并将护线条和绝缘子固定在杆塔上。,输电线路的电气参数,架空线路使三相参数平衡的空间布置方法：1、三相导线布置在等边三角形的顶点；2、采用换位方法减小三相参数不平衡。一个整循环换位：,1、线路电阻使导线消耗有功并发热，造成电压降落。每相导线单位长度的电阻可按下式计算式中，r1导线单位长度的电阻，；导线材料的电阻率，S导线的额定截面积，,当交流电流通过时，产生电抗压降并消耗无功功率。三相输电线按每相导线根数可分为普通导线和分裂导线。对于频率为50Hz的三相普通架空导线，每相每千米感抗计算公式为：式中，r导线的半径，cm或mm；导线材料的相对导磁系数，对于铜、铝，；Dpj为三相导线间几何平均距离，简称几何均距，cm或mm。,2、线路电抗,分裂导线的作用：减少导线的电晕损耗减少导线的电抗,几何均距,几何均距主要与导线的具体布置有关。,任意布置：按等边三角形布置：按水平布置：,注意：当三相导线为非正三角形布置时，由于各相导线相互间在几何位置上不对称，即使通过平衡的三相电流，三相中各相导线的感抗值也不相等，为使三相导线的感抗值相等，输电线路的各相导线必须进行换位。目前对电压在110KV以上，线路长度在100公里以上的输电线路一般均需要进行完全换位。,由于输电线路运行时各相间和相对地间都存在电位差，因而相间和相对地间有电容存在。每相导线的每千米等值电容可按下式计算：分裂导线的电纳增大。,3.线路电纳,4线路电导,输电线路在输送功率时，在周围的绝缘介质中还会产生电晕损耗和绝缘子串的泄露损耗。每相线路单位长度的电导可用下式计算：式中，三相线路每千米三相电晕损耗，MW/kmU线路线电压。,电晕,电晕：在高电压线路上，由于强电场作用，导线周围产生空气的电离现象。电晕产生的原因：导线表面的电场强度高于产生电晕的临界电场强是强电场作用下导线周围空气的电离现象与导线本身有关，还与导线周围空气的条件有关电晕的危害：电晕不仅损耗有功功率，还产生噪音，空气放电时产生的脉冲电磁波对无线电通信、电视接收等产生干扰，使导线表面发生腐蚀，降低导线的使用寿命。电晕损耗功率与电压的平方成正比。,避免电晕的措施对不同电压等级的架空线限制其导线直径不小于某个最小值。采用分裂导线或扩径导线应该指出实际上，由于泄漏通常很小，而在设计线路时，就已经检验了所选导线的半径能否满足清凉天气不发生电晕的要求一般情况下都可以设g=0。,二、输电线路等值电路,说明：线路的四个参数实际上是沿线路均匀分布的，为简化计算，工程上按照线路的长度，将其分为短线路、中等长度线路、长线路，对短线路、中等长度线路，用集总参数等值电路表示，对长线路计及分布参数的特性。,集总参数组成电路模型的元件，都是能反映实际电路中元件主要物理特征的理想元件，由于电路中实际元件在工作过程中和电磁现象有关，因此有三种最基本的理想电路元件：R、C、L。当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个R、L、C元件来加以描述，这样的电路参数叫做。分布参数参数的分布性指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。,是否考虑参数的分布性，取决于其本身的线性尺寸与表征其内部电磁过程的电压、电流的波长之间的关系。若电压或电流的波长电路本身的最大线性尺寸则电路可视为集总参数电路，否则便需作为分布参数电路处理。电力系统中，远距离的高压电力传输线即是典型的分布参数电路，因50Hz的电流、电压其波长虽为6000千米，但线路长度达几百甚至几千千米，已可与波长相比。通信系统中发射天线等的实际尺寸虽不太长，但发射信号频率高、波长短，也应作分布参数电路处理。,由于三相线路是对称的，因此只画一相即可。线路的四个参数实际是沿线均匀分布的。以下的讨论中，以R、X、G、B、分别代表全线路每相的总电阻、总电抗、总电导、总电纳。当线路长度为l时，有一般电导很小，可以忽略。,1、短线路是指长度不超过100km的架空线路，Z=R+jX当电压不高时，线路的电纳可以略去。从而，可以得到“一”字形等值电路。2、中等长度线路是指长度在100300km之间的架空线路和不超过100km的电缆线路。线路总电纳影响已经不可忽略，采用“”或“T”形等值电路表示。其中“”形等值电路在工程中的应用较广。,3、长线路指长度超过300km的架空线路和超过100km电缆线路。对这种线路不能不考虑它们的分布参数特性。在工程上，如果只要求计算线路始末端电压、电流和功率，仍可用集总参数电路表示。只不过要对线路的总电阻、总电抗、总电纳进行修正。,第二节变压器参数及等值电路,变压器参数及等值电路,一、双绕组变压器的等值电路,双绕组变压器的等值电路：用一相表示，反映励磁支路的导纳接在电源侧，有时为了简化计算，略去变压器的导纳。,变压器出厂时，在铭牌上给出四个代表其电气特性的数据：短路损耗，短路电压百分数；空载损耗，空载电流百分数。,由短路试验得出，用以确定变压器阻抗；,由空载实验得到，用以确定导纳。,变压器的短路试验是：将一侧绕组短路，在另一侧绕组施加电压，使短路一侧的绕组达到额定电流。,短路实验时测得变压器的有功功率损耗为短路损耗。短路实验时，所施加电压比额定电压低的多，故此时铁损很小，可略去不计，认为短路损耗近似等于铜损。即于是式中：以V，VA，W为单位；,1、电阻（一、二次绕组总的电阻）,当以kV，MVA，kW为单位时，则()式中，变压器的额定短路损耗，Kw；变压器的额定容量，MVA；变压器额定电压，kV；,短路电压百分数:是变压器绕组中通过额定电流时阻抗上产生电压降相对额定电压的百分数。于是阻抗对于大型变压器，因为，在数值上可以近似认为所以(),2、电抗（一、二次绕组总的电抗）,空载电流相对于额定电流的百分数称为空载电流百分数。变压器的电导是用来表示铁芯损耗的。由于空载电流相对于额定电流来说很小，因此忽略铜损，可以近似认为变压器空载损耗等于铁芯损耗。即于是式中各物理量均为国际单位。将物理量的单位换算后有式中，变压器的空载损耗，kW；变压器的额定电压，kV。,3.电导（铁芯损耗）,变压器的电纳参数是用来表征变压器励磁特性的。变压器的空载电流包含有功分量和无功分量。由于有功分量很小，因而无功分量和空载电流的数值几乎相等，即又因为所以考虑到因此,注意,4电纳（励磁特性）,上述求取电阻、电抗、电导、电纳四个参数的公式中，其计算结果值是指归算到某一电压侧而言的，公式中代入哪一侧的电压值，就是归算到哪一侧的参数。,二、三绕组变压器,三绕组变压器导纳的求法与双绕组变压器相同，阻抗的求法与双绕组变压器也无本质区别。三绕组变压器的短路实验是分别令一个绕组开路、一个绕组短路，而在余下的一个绕组施加电压依次做得的。短路实验时如果三个绕组的容量不同，短路损耗是在容量最小的绕组达到其额定电流时测得的。因此，计算电阻时应将短路损耗归算至变压器额定电流时的值。与求取电阻时不同，国家标准规定制造厂提供的短路电压百分数总是归算到各绕组中通过变压器额定电流时的数值。各绕组等值电抗的相对大小，与三个绕组在铁芯上的排列有关。高压绕组因绝缘的要求排在外层，中压和低压绕组均有可能排在中层。排在中层的绕组，其等值电抗较小或具有不大的负值，在实用计算中通常取为0。,第三节发电机和负荷的参数及等值电路,一、发电机的参数及等值电路,发电机定子绕组的电阻较小，可忽略。发电机运行时主要表现参数为电抗。1、发电机的电抗式中：发电机的电抗，发电机以其额定阻抗为基准的电抗百分值发电机的额定线电压，kV发电机的额定视在功率，MVA发电机的额定有功功率，MW发电机的额定有功功率，MW发电机的额定功率因数。,2、发电机的等值电路,当发电机的d、q轴电抗相等时，发电机的等值电路可表示为（1）以电压源表示：发电机的电动势；发电机电抗。（2）稳态运行时，发电机用它发出的有功功率P和无功功率Q表示：（3）稳态运行时，也可用发出的有功功率P和端电压表示：这种表示时，还应给出无功功率限额，即允许发电机发出的最大、最小无功功率。,二、负荷的参数及等值电路,负荷-用户的用电设备所消耗的功率称为负荷，也称电力系统综合用电负荷。用电设备包括：异步电动机、同步电动机、电热炉、整流设备、照明设备等。负荷曲线-某一时间段内用电负荷随时间变化的曲线图。负荷曲线的种类有功负荷曲线日负荷曲线用户负荷曲线无功负荷曲线年负荷曲线电力线路负荷曲线变电所负荷曲线发电厂负荷曲线电力系统负荷曲线,有功日负荷曲线,几个名词：日最小负荷尖峰负荷或最大负荷最大与最小负荷之差用途：是系统调度部门安排电能生产计划的基础，确定各发电厂发电任务以及确定系统运行方式等的重要依据。,日负荷曲线,根据日负荷曲线可以计算用户的日用电量进而可以求出日平均负荷负荷率反映负荷曲线的起伏情况负荷率值越小，表明负荷曲线起伏越大，发电机的利用率较差。负荷率值越大，说明曲线越接近直线，一天各时段负荷波动小。,日平均负荷,日最大负荷,年最大负荷曲线,用途：安排各发电厂检修计划的依据；安排新装机组计划的依据,把每天最大负荷抽取出来按年绘成曲线，成为年最大负荷曲线。,年持续负荷曲线,把一年内每个小时的负荷按其大小为先后排列而成。用于安排发电计划及可靠性估计。,负荷的等值电路,1、以功率表示在稳态分析中，负荷最简单的等值方法：以给定负荷有功功率和无功功率，接在相应的负荷节点上即可。负荷为感性时，无功为正；负荷为容性时，无功为负。2、以阻抗或导纳表示已知单相复功率为所以当负荷为感性时，则等值阻抗为感性；当负荷为容性时，则等值阻抗为容性。,第四节标么值,在电力系统的计算中，除运用以前所讲的具有单位的阻抗、导纳、电压、电流等进行运算外，还广泛运用没有单位的阻抗、导纳、电压、电流等的相对值进行运算。前者称为有名制，后者称为标幺制。1、标幺值一个物理量用实际数字和明确的单位来表示其量值时，称为有名值。任一个物理量的标幺值定义为显然标幺值没有单位，是一个相对值。已知一个物理量的有名值要确定其标幺值，首先要选定基准值。同一个物理量的有名值，如果基准值选择的不同，标幺值也将不同。这体现了标么值的相对性。,以下各量中没有下标的为有名值，具有下标j的为基准值，具有下标*的为标么值。,标么值的表示方法,2、基准值选择,通常选该设备的额定值作为基准值或整个系统选一个便于计算的共同基准值，且各量之间应服从功率方程和电路的欧姆定律。在三相电路中，各物理量有名值间满足下列关系:欧姆定律功率方程选取基值,在实际计算中通常先选定三相视在功率Sj和线电压Uj的基准值，然后得到在三相电路的标么制中便有可见，在标么制中，三相电路的计算公式与单相电路的计算公式完全相同；线电压和相电压的标么值相等；三相功率和单相功率的标幺值相等。对于单一电压级网络，就可以根据标幺值的定义计算求得各量的标幺值，从而建立起这个网络的标幺值等值电路。如果各元件的标幺值是以自身的额定参数为基值给出的，就应该将这些标幺值归算到统一基准值。,若某元件以为基准值的电抗标幺值为，则统一基准值下的标幺值可以用如下方法计算：先得到元件的有名值再计算标么值以上两步合并成一步可得在电力系统计算中，一般取统一的功率基准值为整数100MVA或1000MVA。而电压基准值有两种选择方法：取电力网的标称电压作为基准值（在潮流、稳定计算中采用）；取电力网的平均电压作为基准值（在短路计算中采用）。,3、不同基准值的标么值之间的换算,简化了公式，给计算带来了方便。三相电路的计算公式与单相电路的计算公式一致，线电压和相电压的标么值相等，三相功率和单相功率的标幺值相等。多级电压网中可以避免繁琐的按变比来回归算。使各型号设备参数便于比较，易于识别设备性能。容易对计算结果做分析、比较和判断正误。,4采用标么制的优点,采用标么值的缺点,无量纲物理概念不直观。,但是，因为标么值计算既减少了换算过程，而且编写程序比较统一，对于交流系统计算很有好处。因此，商业软件中，系统分析的软件内部实现都采用标么值参数。,第五节电力系统等值电路,一、多电压级电力网有名制等值电路,1阻抗和导纳的归算在多电压等级中，各元件处于不同的电压等级，为了建立等值电路，必须将各元件的阻抗、导纳归算至同一电压等级。这个同一电压等级称为基本级，一般取网络中最高电压等级为基本级。,归算的目的：为了计算方便。原因：归算前变压器原副绕组通过磁的平衡关系联系，无电路间